激光打印机工作原理

激光打印机工作的主要原理是静电，这种能量与导致烘干机中的衣物相互粘连，或者闪电从雷雨云传导到地面是相同的。静电仅仅是积聚在绝缘物体（如气球或你的身体）上的电荷。由于带异性电荷的原子相互吸引，因此具有相反静电场的物体会粘附在一起。

激光打印机利用这种现象作为一种“临时胶水”。该系统的核心组件是光感受器，通常是一个旋转的感光鼓或圆柱体。这个感光鼓组件由高度光导性材料制成，可被光子放电。

最初，感光鼓通过充电电晕丝（一根通有电流的导线）获得整体的正电荷。（有些打印机使用带电辊代替电晕丝，但原理是相同的。）随着感光鼓的旋转，打印机将微小的激光束照射到其表面，使某些点放电。通过这种方式，激光将要打印的文字和图像“绘制”成电荷图案——一个静电图像。该系统也可以在电荷反转的情况下工作——即在负背景上形成正静电图像。

图案设定后，打印机用带正电的碳粉——一种细小的黑色粉末——覆盖感光鼓。由于碳粉带正电荷，它会粘附在感光鼓上负电荷放电的区域，而不是带正电的“背景”区域。这就像用胶水在汽水罐上写字，然后将其在面粉上滚动：面粉只会粘附在涂有胶水的部分，最终你得到一个用粉末写成的消息。

粉末图案固定后，感光鼓在下方沿传送带移动的纸张上滚动。在纸张滚动到感光鼓下方之前，它通过转印电晕丝（带电辊）获得负电荷。这个电荷比静电图像的负电荷更强，因此纸张可以将碳粉拉走。由于纸张与感光鼓以相同的速度移动，纸张能够精确地拾取图像图案。为了防止纸张粘在感光鼓上，在拾取碳粉后，纸张立即通过分离电晕丝放电。

最后，打印机将纸张通过定影器——一对加热辊。当纸张通过这些辊时，松散的碳粉会熔化，与纸张纤维融合。定影器将纸张送到出纸托盘，你就得到了打印好的页面。当然，定影器也会加热纸张本身，这就是为什么页面从激光打印机或复印机出来时总是热的。

那么，是什么防止纸张烧焦呢？主要原因是速度——纸张通过辊的速度非常快，以至于它不会变得非常热。

在碳粉沉积到纸张上后，感光鼓表面会经过放电灯。这束强光会照射整个光感受器表面，擦除静电图像。随后，感光鼓表面再次经过充电电晕丝，重新施加正电荷。

从概念上讲，这就是全部了。当然，实际将所有这些组件整合在一起要复杂得多。在接下来的章节中，我们将更详细地研究不同的组件，看看它们是如何如此快速和精确地生成文字和图像的。

在激光打印机执行任何其他操作之前，它需要接收页面数据并确定如何将所有内容呈现在纸上。这是打印机控制器的工作。

打印机控制器是激光打印机的主要内置计算机。它通过通信端口（例如并口或USB端口）与主机（例如你的个人电脑）通信。在打印任务开始时，激光打印机会与主机建立数据交换方式。控制器可能需要定期启动和停止主机，以处理其接收到的信息。

在办公室中，激光打印机通常会连接到多台独立的主机，因此多个用户可以从自己的机器上打印文档。控制器会单独处理每个任务，但可以同时进行多个“对话”。这种同时处理多个任务的能力是激光打印机如此受欢迎的原因之一。

为了让打印机控制器和主机进行通信，它们需要使用相同的页面描述语言。在早期的打印机中，计算机发送一种特殊的文本文件和简单的代码，为打印机提供一些基本的格式信息。由于这些早期打印机只有少量字体，因此这是一个非常简单的过程。

如今，你可能拥有数百种不同的字体可供选择，并且你不会对打印复杂的图形感到犹豫。为了处理所有这些多样化的信息，打印机需要使用更高级的语言。

当前主要的打印机语言是惠普的打印机命令语言（PCL）和Adobe的Postscript。这两种语言都以矢量形式描述页面——即作为几何图形的数学值，而不是一系列点（即位图图像）。打印机本身接收矢量图像并将其转换为位图页面。借助这个系统，打印机可以接收包含任何字体或图像的精美复杂页面。此外，由于打印机自行创建位图图像，因此它可以利用其最大的打印分辨率。

有些打印机使用图形设备接口（GDI）格式，而不是标准的PCL。在这种系统中，主机自行创建点阵，因此控制器无需处理任何内容——它只需将点指令发送给激光。

但在大多数激光打印机中，控制器必须整理它从主机接收到的所有数据。这包括所有告诉打印机执行操作的命令——使用什么纸张、如何格式化页面、如何处理字体等。为了让控制器处理这些数据，它必须按正确的顺序排列它们。

数据结构化后，控制器开始组装页面。它设置文本边距，排列单词并放置任何图形。页面排版完成后，光栅图像处理器（RIP）获取页面数据，无论是整体还是逐块，并将其分解成微小点的阵列。正如我们将在下一节中看到的，打印机需要这种形式的页面，以便激光可以在感光鼓上将其写入。

在大多数激光打印机中，控制器将所有打印任务数据保存在自己的内存中。这使得控制器可以将不同的打印任务放入队列中，以便逐一处理。此外，当打印文档的多个副本时，它还能节省时间，因为主机只需发送一次数据。

由于它实际绘制页面，打印机的激光系统——或激光扫描组件——必须极其精确。传统的激光扫描组件包括：

激光一次接收一横行的页面数据——构成文字和图像的微小点。当光束在感光鼓上移动时，激光对每个要打印的点发射一次光脉冲，而对每个空白点不发射脉冲。

激光器本身并不实际移动光束。而是通过可移动的反射镜反射光束。当反射镜移动时，它会通过一系列透镜照射光束。这个系统补偿了由于反射镜与感光鼓上各点之间距离变化而引起的图像畸变。

激光组件只在一个平面上水平移动。每次水平扫描后，打印机将光感受器感光鼓向上移动一小段，以便激光组件可以绘制下一行。一台小型打印引擎计算机完美地同步所有这些操作，即使在令人眼花缭乱的速度下也能做到。

有些激光打印机使用发光二极管（LED）条来写入页面图像，而不是单个激光器。每个点位都有自己的专用光源，这意味着打印机有一个固定的打印分辨率。这些系统的制造成本低于真正的激光组件，但它们产生的效果较差。通常，你只会在价格较低的打印机中找到它们。

激光打印机与复印机的基本工作方式相同，但有一些显著区别。最明显的区别是图像来源：复印机通过反射强光来扫描图像，而激光打印机则以数字形式接收图像。

另一个主要区别是静电图像的创建方式。当复印机将光线从纸张上反射时，光线从白色区域反射回光感受器，但被深色区域吸收。在此过程中，“背景”被放电，而静电图像保留正电荷。这种方法被称为“写白”。

在大多数激光打印机中，这个过程是相反的：激光使静电图像的线条放电，并使背景保持正电荷。在打印机中，这种“写黑”系统比“写白”系统更容易实现，并且通常能产生更好的效果。

 

激光打印机（或复印机）最显著的特点之一是碳粉。纸张“抓住”墨水而不是打印机施加墨水，这真是个奇怪的概念。更奇怪的是，“墨水”根本不是墨水。

那么碳粉是什么呢？简单来说：它是一种带电粉末，主要有两种成分：颜料和塑料。

颜料的作用相当明显——它提供填充文字和图像的颜色（单色打印机中为黑色）。这种颜料与塑料颗粒混合，因此碳粉在通过定影器的热量时会熔化。这一特性使碳粉比液体墨水具有许多优势。最重要的是，它能牢固地附着在几乎任何类型纸张的纤维上，这意味着文字不易弄脏或渗色。

那么打印机如何将碳粉应用到感光鼓上的静电图像上呢？碳粉存储在碳粉盒中，这是一个内置在可拆卸外壳内的小容器。打印机通过显影单元从碳粉盒中收集碳粉。“显影器”实际上是一组带负电的小磁珠。这些磁珠附着在一个旋转的金属辊上，辊将它们带入碳粉盒中的碳粉里。

由于它们带负电荷，显影珠在通过时会收集正电荷的碳粉颗粒。然后，辊将这些磁珠刷过感光鼓组件。静电图像比显影珠具有更强的负电荷，因此感光鼓会将碳粉颗粒吸走。

然后，感光鼓移到纸张上方，纸张具有更强的电荷，因此会吸附碳粉。收集碳粉后，纸张立即通过分离电晕丝放电。此时，唯一将碳粉保留在页面上的就是重力——如果你向页面吹气，图像就会完全消失。页面必须通过定影器来固定碳粉。定影辊通过内部的石英管灯加热，因此碳粉中的塑料在通过时会熔化。

但如何防止碳粉积聚在定影辊上，而不是粘附在页面上呢？为了防止这种情况发生，定影辊必须涂有特氟龙（Teflon），这种不粘材料与防止早餐粘在煎锅底部的是同一种。

最初，大多数商用激光打印机仅限于单色打印（白纸黑字）。但现在，市场上有很多彩色激光打印机。

本质上，彩色打印机的工作方式与单色打印机相同，只是它们会完整地经历四次打印过程——青色（蓝色）、品红色（红色）、黄色和黑色各一次。通过以不同比例组合这四种颜色的碳粉，可以生成全光谱的颜色。

有几种不同的实现方式。一些型号在旋转轮上安装有四个碳粉和显影单元。打印机先铺设一种颜色的静电图像，并将相应的碳粉单元就位。然后将这种颜色应用到纸张上，并为下一种颜色再次重复该过程。有些打印机在将图像放置到纸张上之前，会将所有四种颜色添加到一块板上。

一些更昂贵的打印机实际上每种颜色都有一个完整的打印单元——包括激光组件、感光鼓和碳粉系统。纸张只需经过不同的感光鼓头，以一种流水线的方式收集所有颜色。

那么为什么要选择激光打印机而不是更便宜的喷墨打印机呢？激光打印机的主要优点是速度、精度和经济性。激光可以非常快速地移动，因此它“写入”的速度比喷墨打印机快得多。而且由于激光束的直径不变，它可以更精确地绘制，不会溅出多余的墨水。

激光打印机往往比喷墨打印机昂贵，但其运行成本不高——碳粉便宜且使用寿命长，而昂贵的墨盒则可能很快用完。这就是为什么办公室通常将激光打印机作为他们的“主力机”，用来打印长篇文本文档。在大多数型号中，这种机械效率还辅以先进的处理效率。一个典型的激光打印机控制器可以服务于小型办公室中的所有人。

激光打印机刚推出时，作为个人打印机使用过于昂贵。然而，自那时起，激光打印机的价格变得实惠得多。现在，你只需比一台不错的喷墨打印机多花一点点钱，就能买到一款基本型号。

随着技术的进步，激光打印机价格应会继续下降，同时性能得到提升。我们还将看到许多创新的设计变体，以及可能全新的静电打印应用。许多发明家认为，我们对简单静电的应用才刚刚触及皮毛！

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