3.2.1.2 Струйные принтеры
Струйные принтеры – это самое дешевое оборудование для компьютерной печати, но вместе с тем они обеспечивают весьма высокое быстродействие, соизмеримое со скоростью работы наиболее простых моделей лазерных принтеров, неплохое качество отображения текстов и графики (фактически неотличимое от качества современной фотографии). Они характеризуются невысокой себестоимостью эксплуатации и малошумностью. При этом даже самые дешевые модели струйных принтеров поддерживают возможность печати полноцветных изображений. Вместе с тем не лишены они и собственных недостатков, к которым можно отнести чрезвычайную требовательность к качеству бумаги и низкую стойкость оттисков.
Технологически при печати цветного изображения можно получить абсолютно любой оттенок, не смешивая базовые краски, а наоборот – “исключив” из белого цвета определенное количество голубого (cyan), пурпурного (magenta) и желтого (yellow) цвета. Так возникла палитра CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, blacK), где “K” – обозначение черной краски, добавляемой обычно в рисунок отдельно от трех других. Например, для того чтобы получить красный цвет в стандарте CMYK, достаточно смешать пурпурную и желтую краску; зеленый цвет получается смешением голубого и желтого оттенков и т. д. Струйные принтеры применяют палитру CMYK, то есть три контейнера с красящим веществом голубого, пурпурного и желтого цвета, объединенные в цветной картридж, и дополнительный контейнер с черным красящим веществом. В качестве красителя используются быстросохнущие чернила на основе этилового спирта.
Основными характеристиками струйных принтеров является их быстродействие, во многом зависящее от выбранного пользователем качества печати (чем выше требуемое качество картинки, тем ниже скорость печати), и разрешение.
Механизм струйной печати. Под действием создаваемого в печатающей головке давления, капля чернил вылетает из сопла и попадает на носитель изображения. Условия для создания приличного отпечатка условий следующие:
минимальный размер капли (он определяет разрешение);
поверхностный слой носителя, не позволяющий капле растечься;
чернила, не пропитывающие носитель, а удерживающиеся на поверхности в возможно большем количестве;
небольшое время высыхания, чтобы не дать чернилам размазаться, но не столь малое, чтобы при перемещении головки по следующей строке предыдущая уже высохла;
поверхностный слой, который должен быть максимально белым и т д.
Эти требования во многом исключают друг друга. Рассмотрим технологические решения, применяемые производителями струйных принтеров.
Печатающая головка. Сегодня на рынке присутствуют несколько конкурирующих технологий, совершенно по-разному решающих задачу транспортировки чернильной капли от резервуара до носителя.
Существует два основных метода создания управляемого потока капель – непрерывный и импульсный.
1. Непрерывный поток. Первый из них весьма похож на процесс, происходящий в кинескопе: в сторону носителя направляется непрерывный чернильный поток, разбиваемый на капли под действием вибрации сопла. С помощью электрода, охватывающего выход из сопла, вылетающие капельки приобретают электрический заряд, который позволяет в дальнейшем придавать потоку необходимую траекторию, конечным пунктом которой может быть как носитель, так и специальный уловитель, попав на который чернила возвращаются в резервуар для повторного использования. Весьма существенный плюс этой технологии заключается в высоком быстродействии подобных систем и практическом отсутствии различимых для глаза точек, что дает цветные изображения великолепного качества. Однако за это приходится расплачиваться невысокой скоростью получения изображения, высокими эксплуатационными расходами (дорогие электропроводные чернила и сложность в обслуживании) и, наконец, дороговизной самого оборудования. Как результат – такие системы совершенно не встречаются в устройствах начального уровня и очень редко в коммерческих реализациях, они – для мощных предприятий с рекламно-полиграфическим уклоном.
2. Импульсный поток. Наибольшее распространение получил другой – импульсный тип струйных технологий. В отличие от систем непрерывного действия, импульсные струйные головки – это асинхронные устройства, то есть печатающая головка выстреливает чернила только тогда, когда это действительно требуется. В таких головках каждое сопло имеет устройство, предназначенное для создания в нужные моменты избыточного давления. Последнее выталкивает из камеры капельку чернил, которая по инерции пролетает зазор между соплом и носителем. Так, капелька за капелькой, точка за точкой формируется изображение. Управляемые системы принципиально менее сложны в изготовлении, однако для их работы требуется устройство создания импульсов давления примерно втрое более мощное, чем для систем непрерывного действия.
И именно здесь на арену выходят два метода создания этого самого избыточного давления. Его источником может быть либо кристалл пьезоэлектрика, действующий как микропоршень на одну из стенок камеры, либо тепловой импульс.
Термический, или пузырьковый, метод. Этот метод предоставляет капле возможность самостоятельно переместиться к носителю за счет испарения ее части.
Рисунок 3 – Процесс термоструйной печати
Доза чернил подвергается резкому нагреву тонкопленочным резистором с «казенной» части сопла, при этом часть жидкости практически мгновенно испаряется и капля «выстреливается» наружу, по возможности в сторону носителя. После «выстрела» чернильный пар конденсируется, пузырек схлопывается и в сопле образуется зона пониженного давления, под действием которого всасывается новая порция чернил. Важной конструктивной особенностью такого печатающего устройства является тихая работа, простая конструкция и высокая надежность сопел. Использующие такой метод печатающие головки обладают самым высоким соотношением производительности и стоимости изготовления и применяются сегодня практически во всех офисных печатающих устройствах. Для их использования, однако, требуются специальные чернила, которые должны достаточно легко испаряться без возгорания и краситель которых не должен подвергаться разрушению при термическом ударе.
Пьезоэлектрический метод. Собственно пьезоэлемент представляет собой преобразователь энергии электрического импульса в механическое перемещение (как, впрочем, и наоборот: механические усилия превращает в электрические, чем регулярно пользуется каждый, прикуривающий от пьезозажигалки).
Рисунок 4 – Процесс пьезоструйной печати
В таких головках напротив сопла установлен многослойный пьезоэлемент, который, выгибаясь, приводит к созданию избыточного давления в чернильной камере, приводящего к «выстрелу» капли. Кроме этого, в последней модели печатающей головки фирмы Epson, позволившей довести разрешение до 1440 dpi, применяется технология улучшенного управления мениском красителя (Advanced Meniscus Control), позволяющая избавиться от облака паразитных спутниковых капелек, летящих вслед основной. Для этого непосредственно после вылета капли кристалл выгибается в противоположную сторону, создавая в камере пониженное давление, приводящее к небольшому втягиванию мениска красителя внутрь сопла. Это предотвращает его колебание, сопровождающееся выбросом паразитных капелек. Кроме того, форма и размер основных капель получаются одинаковыми, а также улучшается их позиционирование. Основным недостатком такой печатающей головки является ее относительно высокая, по сравнению с термической, стоимость производства, в результате чего подобные головки не делают сменными, расходной частью служит только бачок с чернилами. Смена же головки в случае ее выхода из строя сравнима по затратам с покупкой нового принтера. В коммерческих принтерах такие печатающие головки использует исключительно фирма Epson.
Расположение сопел в печатной головке и цветопередача. Большое значение производители придают расположению дюз в печатной головке. В струйной печати строгий порядок наложения красок позволяет добиться передачи цветов с фотографической точностью. Известно, в каких пропорциях надо смешать базовые цвета (голубой, пурпурный, желтый, черный), чтобы получить нужный оттенок. Однако специалисты Canon обратили внимание, что при наложении, скажем, голубого на пурпур и пурпура на голубой результаты несколько различаются. Поэтому в блок сопел для цветных чернил ввели еще три ряда, расположенные симметрично базовым. Теперь при проходе накладываются последовательно голубой, пурпур, желтый, а затем в обратном порядке желтый, пурпур, голубой – финальный оттенок точно известен.
Общий подход к расширению цветовой гаммы состоит в использовании фотокартриджей, в которые добавлены светло-голубой и светло-пурпурный компоненты. Их плотность у разных компаний колеблется, но всегда низкая – 15—20% от плотности чернил базовых цветов. В результате натуральнее передаются светлые оттенки за счет более плотного заполнения красителем. Например, вместо одинокой пурпурной точки участок фотографии заполняется пятью светло-пурпурными. Однако дальнейшие подходы к созданию оттенков несколько различаются.
При формировании изображения компании Epson и Lexmark также используют несовершенство человеческого глаза, применяя дизеринг. То есть нужный оттенок получается за счет того, что изображения нескольких близкорасположенных точек разного оттенка в нашем глазу сливаются, и вместо набора желтых и голубых точек мы видим оттенок зеленого.
Для получения нужного цвета немаловажно расположение точек: например, у компаний НР и Canon они должны попасть точно одна на другую, а у Epson и Lexmark – оказаться поблизости друг от друга (иначе не сольются в глазу). Поэтому наряду с уменьшением размера капли производители наращивают разрешение аппаратов. Так, при плотности сопел, обеспечивающей разрешение 1200 точек на дюйм, головка в горизонтальном направлении способна позиционироваться со сдвигом на половину или четверть диаметра сопла. В результате получается так называемое оптимизированное разрешение 4800х1200 (у Epson 5760х1440 ). Заметьте, что оно указывается только для цветных изображений, черно-белые не требуют такой детализации, и производители обычно ограничиваются 1200. Оптимизированность заключается в том, что размер точек все равно соответствует 1200, а повышение разрешения позволяет рисовать плавные изогнутые линии.
Само по себе разрешение не является гарантией высокого качества изображения; важны еще такие аспекты, как взаимное расположение точек и способы получения полутонов. Но поверхность, на которую падают чернила, – не посторонний наблюдатель, она принимает самое живое участие в процессе.
Чернила. Взаимодействие чернил с бумагой – краеугольный камень технологий получения качественного отпечатка всех производителей принтеров. Этот процесс во многом зависит от типа применяемых чернил, которые можно разделить на водорастворимые и пигментные. Водорастворимые чернила легко растворяются в воде, их используют обычно для цветных красителей, так как они дают широкий цветовой охват. При падении на бумагу чернильный раствор впитывается в волокна, окрашивая их. Таким образом, вся поверхность рисунка закрашивается практически непрерывным слоем. Кроме того, они дают достаточное количество оттенков, чтобы обеспечить плавную цветопередачу.
Оптимальный состав черных чернил уже найден. Практически у всех производителей они представляют собой взвесь очень мелкого нерастворимого минерального порошка черного цвета. При попадании чернил на бумагу жидкость впитывается, а порошок прилипает к поверхности, и растекания не происходит. Но для цветных чернил этот рецепт не годится: во-первых, как уже было сказано, они должны быть прозрачны, а во-вторых, практически невозможно подобрать минеральные краски нужного спектрального состава.
Рисунок 5 – Чернила для струйной печати:
а) обычные чернила на водной основе; б) пигментные чернила
Слабым местом струйной печати является правильная передача светлых тонов изображения: поскольку изображение строится из капель насыщенного цвета, то для получения бледных оттенков нужно наносить капли чернил на бумагу достаточно редко. А это приводит к тому, что при передаче очень светлых тонов капли располагаются так далеко друг от друга, что, во-первых, перестают сливаться в однородный тон и оказываются заметными, а во-вторых, становится невозможной прорисовка мелких деталей.
Для черного цвета производители обычно используют пигментные чернила, дающие четкий контур, – это особенно важно при печати букв. Но и здесь есть свои исключения. Технология PhotoRET Pro отличается от предшественницы PhotoRET IV как раз тем, что для печати используются еще три цвета: черный и два оттенка серого. Все дополнительные чернила – водорастворимые, что позволяет быстро печатать качественные фотоизображения.
Второй тип чернил – пигментные, в которых частички краски не растворяются полностью в воде, а образуют мелкую взвесь. Три производителя используют их для печати четкого черного текста, а компания Epson и вовсе делает на них ставку в своем лучшем фотопринтере Stylus Photo 2100 (чернила UltraChrome) и в двух «рабочих лошадках» – Stylus C63 и С84 (DURABrite).
Пигментные чернила практически «втыкаются» в поверхность листа и поэтому не поддаются смыванию водой. Расстояние между волокнами у обычной офисной бумаги несколько больше размера пигментных частиц. Поэтому конструкция картриджа предусматривает их обволакивание оболочкой, которая помогает им удерживаться на поверхности, а кроме того, защищает от выцветания при воздействии солнечных лучей. Еще одна находка инженеров Epson – гидрофобность пигментных чернил DURABrite. Даже на офисной бумаге в каждой точке молекулы их краски собираются вместе, не растекаясь с водой по волокнам.
Переход на печать только пигментными чернилами теоретически решает проблемы с водостойкостью отпечатков. Они неплохо держатся даже при перечеркивании спиртовым маркером, а это, поверьте, нелегкое испытание. Чернила DURABrite (предназначенные для недорогих четырехцветных принтеров) быстро стабилизируются и на обычной офисной бумаге, причем обеспечивают широкий цветовой охват.
Однако у первого поколения пигментных чернил ColorFast фотопрофессионалы отмечали проблемы с цветопередачей при изменении типа источника света. Для исправления этого недостатка было разработано второе поколение пигментных чернил для фотопринтеров – UltraChrome. В них используется семь цветовых компонентов: к трем базовым цветам добавляются «фотоцвета» светло-голубой и светло-пурпурный с 25%-ной плотностью относительно голубого и пурпурного, а также черный матовый и черный глянцевый. Такой подход позволяет расширить диапазон оттенков черного цвета, передаваемого на рисунках, упростить подбор нужного.
Стоит заметить, что в отдельных областях те же результаты достигаются с помощью водорастворимых чернил. Например, у фотопринтеров Canon цветовой охват не меньше, чем у аналогичных аппаратов Epson. А печать недорогих принтеров Lexmark на офисной бумаге также выдерживает испытание маркером. Для пигментных чернил, как и для водорастворимых, производители гарантируют наилучший результат только при использовании фирменной фотобумаги.
Носитель отпечатка. Наилучшее качество получается при печати на бумаге с покрытием и тем более на фотобумаге. При растворении в воде краситель не теряет своих химических свойств и может вступать в реакцию со специальным покрытием этих носителей. Производители подбирают такой состав фотобумаги, чтобы выполнялись следующие условия:
после химической реакции бумаги с каплей не должно происходить неконтролируемого изменения оттенка получаемой точки. Иначе о фотографическом качестве можно забыть – драйвер думает, что печатает траву зеленой, а она получается цвета морской волны. Более того, у современных принтеров драйвер учитывает тип бумаги, на которой идет печать. Как раз чтобы сформировать правильный цвет;
капля должна прочно "схватиться" за участок, на который упала, не успев растечься. Иначе из-за смешивания капель не придется рассчитывать на дизеринг. Перед инженерами НР эта проблема стоит несколько менее остро, так как в технологии PhotoRET предусмотрено перемешивание капель. Однако при несоответствующем покрытии краска будет растекаться сильнее, пятна станут заметны глазу и нарушится плавность перехода одних оттенков в другие. Кроме того, после химической реакции чернил с бумагой смыть их с листа водой уже невозможно. Из водорастворимого красителя они превращаются в новое вещество с очень низкой растворимостью в воде;
капли должны высыхать быстро, чтобы предотвратить растекание чернил и смазывание их пальцами нетерпеливого пользователя. При печати на термоструйном принтере фотографий "на долгую память" дайте изображению как минимум две-три минуты, чтобы "схватиться". А перед помещением в рамку оно должно пролежать сутки.
В последнее время производители уделяют большое внимание печати на обычной офисной бумаге. Приходится подбирать формулу красителя так, чтобы он с ней взаимодействовал. Есть и иной путь. Компании Canon и Lexmark пробовали пользоваться стабилизатором, нанося его на лист и, подготавливая таким образом для капли любую поверхность. Но это оказалось слишком дорого и на данный момент признано неперспективным.
Если вы желаете получить от струйного принтера то качество, что вам обещали в рекламных буклетах, – придется покупать специальную бумагу. Существует два типа спецбумаги, отличающихся не только визуально, но и по способу взаимодействия с чернилами: глянцевая и матовая.
Глянцевая бумага имеет специальное покрытие из микропористого полимерного материала, например полиэтилена. Использующееся покрытие имеет низкий коэффициент смачивания, и капля чернил, попав на поверхность такой бумаги, не растекается, а благодаря капиллярному эффекту просачивается через поры под пленку. Под полимером расположен еще один слой, который мгновенно связывает жидкость, не давая ей растечься. В результате получается чернильное пятно точно заданного размера, а глянцевое покрытие обеспечивает высокую сочность и насыщенность цвета.
Матовая бумага имеет микропористое минеральное или полимерное покрытие, очень однородное и обладающее высокой степенью белизны (обычно для минерального слоя используются нерастворимые соли бария). В этом случае покрытие работает с точностью до наоборот и, как промокашка, мгновенно впитывает и подсушивает каплю чернил. Благодаря однородности слоя капля растекается на заранее известную величину, что позволяет точно дозировать чернила и получать пятно нужного размера. Цвет высохших чернил за счет почти идеальной белизны и химической нейтральности покрытия сохраняется насыщенным и неизменным. Такая бумага имеет более простую технологию изготовления и стоит при своей, в общем-то, немалой цене в несколько раз дешевле глянцевой.
Именно по причине высокой стоимости спецносителей немаловажной представляется способность выбранного вами принтера печатать качественно не только на специальных фирменных носителях (на которых практически все принтеры, относящиеся к одной категории, дают сходные результаты), но и на обыкновенной офисной бумаге. Впрочем, понятие «офисная бумага» тоже несколько расплывчато, особенно в применении к струйной печати. Более того, некоторые дорогие и «модные» сорта бумаги, имея несомненные или мнимые достоинства в других областях применения, оказываются совершенно не приспособленными для удерживания чернильной капли.
Интересное решение проблемы печати на обычной бумаге предлагает фирма Canon: сначала на бумагу наносится «первичный» слой, обеспечивающий водостойкость краски и придающий фотоизображению выпуклость, и только затем льются чернила. Эта технология называется P-POP (Plain Paper Optimized Printing) и реализована в семействе печатающих устройств BJC-7000.