5.6. Растровые плоттеры

Растровые плоттеры появились как альтернатива перьевым плот-терам, скорость работы (вывода) которых перестала удовлетворять пользователей в некоторых сферах использования плоттеров даже при сохранении ими высокого качества выводимого изображения. Первые растровые плоттеры не могли конкурировать по качеству выводимого изображения с растровыми. Однако развитие и совершенствование технологий вывода изображений в растровых плоттерах практически уравняло плоттеры обоих типов в их использовании в настоящее время. Однако, стоимость некоторых типов растровых плоттеров существенно выше их перьевых конкурентов.

Растровые плоттеры используют несколько различных технологий вывода изображений. Основными технологиями, давшими названия этим типам плоттеров, являются:

1) Электростатическая технология;

2) Лазерная технология;

3) Струйная технология;

4) Термическая технология.

Указанные технологии широко используются и в принтерах, поэтому ряд типов принтеров могут выводить наряду с текстом и графику.

Как уже было отмечено, скорость вывода изображения в растровых плоттерах (РП) значительно выше, чем у перьевых, но некоторые типы РП не позволяют выводить графику очень высокого качества

К общим недостаткам растровых плоттеров следует отнести:

1) Высокую стоимость расходуемых материалов (тонер, специальные чернила);

2) Очень высокие требования, предъявляемые к качеству бумажного носителя (плотность, толщина, вес и влажность листа);

3) Некоторые типы РП требуют специальной бумаги;

4) Высокую стоимость выходного документа;

5) Высокую стоимость некоторых типов плоттеров.

Кроме того, следует отметить, что некоторые технологии весьма критичны к качеству обслуживания и условиям эксплуатации.

Практически у всех плоттеров растрового типа механизмы подачи бумаги, движения регистрирующего органа и другие электромеханические узлы однотипны и не требуют подробного рассмотрения. Поэтому основное внимание далее будет уделено описанию реализации технологии вывода изображения

Электростатические плоттеры используют, как и струйные, жидкие красители (специальные чернила). Электростатическая технология основана на создании скрытого электростатического изображения (потенциального рельефа) на поверхности носителя с последующим его проявлением. При этом используется специальная электростатическая бумага, рабочая поверхность которой покрыта тонким слоем диэлектрика, а основа пропитана гидрофильными солями, позволяющими получить требуемую влажность и электропроводность.

Кинематическая схема электростатического плоттера приведена на рис.5.9.

Для записи информации используют записывающие головки, представляющие собой блоки тончайших электродов (1). Потенциальный рельеф создаётся на поверхности диэлектрика, который нанесён на бумажную основу, подающуюся к блоку электродов с бумажного рулона (2). Когда бумага с осаждёнными на ней с электродов зарядами, проходит через зону невидимого изображения (4) и попадает в устройство проявления (5) с жидким подзаряженным тонером, частички тонера осаждаются на заряженной бумаге, проявляя изображение. Количество осаждённых частичек тонера пропорционально величине заряда, полученного от электрода элементом диэлектрического слоя бумаги. В зоне видимого изображения (6)

можно наблюдать выводимое изображение. Затем бумага с изображением проходит между прижимными роликами, которые обеспечивают закрепление изображения на носителе. В зоне закреплённого изображения (8) носитель имеет вид документа с выведенным изображением.

Рассмотренный выше процесс вывода характерен для монохромного режима, когда устройство проявления окрашивает заряженный носитель одним цветом (например, чёрным).

Полная цветовая гамма получается за 4 цикла создания скрытого изображения. Цикл – одна краска, всего красок 4, как в стандартной полиграфической схеме: CMYК = C (cyan) – голубой, M (magenta) пурпурный, Y (yellow) жёлтый и K (key) ведущий (чёрный).

Сложные цветовые оттенки образуются смешением основных цветов, получение оттенков различных цветов достигается путём сгущения или разрежения точек соответствующего цвета в фрагменте изображения. Аналогичный способ используется при выводе изображений серого цвета при выводе монохромного изображения.

Электростатические плоттеры обладают хорошими характеристиками:

1) Высокой скоростью вывода (до 12000 строк в минуту и выше);

2) Высокой надёжностью;

3) Высокими производительностью и качеством изображения;

4) Широкой цветовой палитрой;

5) Устойчивостью изображения к внешним факторам (например, к ультрафиолетовым лучам).

Но этим устройствам свойственны и недостатки:

1) Очень высока стоимость бумаги;

2) Высока стоимость плоттера (для формата А0 от 30 до 70 тысяч долларов (в 2000 году);

3) Устройства этого типа нуждаются в весьма тщательном обслужи- вании;

4) При эксплуатации плоттера должны соблюдаться требования к стабильности температуры и влажности воздуха в помещении.

Лазерные плоттеры используют технологию, которая впервые была использована в принтерах – технологиясухой фотографии (Xerox-процесс). Эта технология была отработана в множительных устройствах – электрографических копировальных устройствах.

Сущность электрографии базируется на физических процессах внутреннего фотоэффекта в светочувствительных полупроводниковых селеносодержащих материалах и силовом действии электростатического поля. Селен в темноте может быть заряжен до потенциала в сотни вольт. Луч лазера выборочно снимает этот заряд, создавая скрытое электростатическое изображение, которое визуализируется подзаряженным мелкодисперсным тонером, а затем переносится на бумагу.

Схема технологического процесса лазерного «рисования» приведена на рис.5.10. На схеме приняты следующие сокращённые названия узлов плоттера:

СБ – селеновый барабан;

УО – устройство механической очистки барабана;

РУ – разрядное устройство, нейтрализующее остаточный заряд;

ЗУ – зарядное устройство;

ОС – оптическая система (объектив);

ПУ – проявляющее устройство;

ПВ – прижимной валик;

ФВ – фрикционные валики;

Л (ЛД) – лазер (лазерные диоды);

М – модулятор яркости лазерного луча;

П – преобразователь кода в сигнал управления модулятором;

ВП – вращающаяся многогранная призма;

Д – двигатель.

Процесс вывода графического изображения (рисования в принтере) состоит из 7 циклически повторяющихся этапов при вращении барабана (на схеме эти этапы помечены цифрами 1 – 7):

1) Механическая очистка барабана;

2) Электрическая нейтрализация барабана;

3) Сенсибилизация поверхности барабана (нанесение заряда);

4) Обработка поверхности барабана лазерным лучом – образование скрытого изображения;

5) Проявление скрытого изображения;

6) Перенос изображения на бумажный носитель;

7) Закрепление изображения на бумаге.

Лазерный луч, попадая на поверхность барабана, делает освещённый элемент селена проводящим, и заряд «стекает» с этого элемента в металлическую основу барабана. Яркость лазерного луча определяет степень очистки элемента барабана от заряда, что определяется модулятором, изменяющим интенсивность луча. Таким образом, элемент барабана, освещённый лучом, может полностью потерять заряд или только его часть, что определяет количество тонера, осевшего на данном элементе барабана в устройстве проявления.

Устройством сканирования лучом поверхности барабана является многогранная призма, которая, вращаясь на оси двигателя, разворачивает построчно луч по образующей барабана. За один оборот призмы луч сканирует поверхность барабана столько раз, сколько граней имеет призма.

Лазер и многогранная призма и система зеркал (на схеме не приведены) использовались в первых плоттерах и принтерах. В моделях современных плоттеров и принтерах вместо лазера и многогранной призмы используются точечные полупроводниковые диоды – LED-диоды (LightEmittedDiod), которые и дали название новому типу устройств –LEDплоттеры. Общий принцип создания изображения сохранился, однако устройство стало более компактным и более надёжным в работе.LED-плоттеры имеют разрешение 400 точек на дюйм (16 точек на мм). Каждой точке изображения соответствует свой световой диод. Для формата А1 (594 х 841) линейка светодиодов состоит из 9600 диодов. Формат А1 выводится менее, чем за 0,5 минуты. Большинство лазерных плоттеров – чёрно-белые. Цветные плоттеры этого типа пока весьма дороги. СтоимостьLED-плоттеров в 2000 году составляла для формата А0 от 20 до 30 тысяч долларов.

В таблице приведены характеристики 3-х типов лазерных плоттеров (2000 г):

Тип плоттера Параметр	Calcomp Solus 4-А0	OCE 9555	JDL 4000E
Технология	LED(лазер)	LED (лазер)	LED (лазер)
Память (мгбайт)	16 (32)	48	42
Носитель	Лист, рулон	Рулон	Лист, рулон
Формат чертежа	А4 – А0	А4 – А0	А4 – А0
Макс.размер чертежа (м)	24,4 х 0,914 (6,1 х 0,914)	15 х 0,94	2,05 х 0,902
Размер изобра-жения (м)	2,41 х 0,914	14,9 х 0,904	2,05 х 0,902
Скорость выво- да (мм/c)	40,2	20	39,9
Разрешение (точек /мм)	16	16	16

Струйные плоттеры используют технологию, в которой изображение получается с помощью капель жидкого красящего вещества (специальных чернил), которые выбрасываются из тонких трубочек – сопел (дюз) со скоростью достаточной для того, чтобы преодолеть расстояние между соплом и поверхностью бумаги. Известно несколько разновидностей струйной технологии, которые используются в плоттерах и принтерах. В плоттерах находят применение две разновидности технологий (эти же технологии широко используются в струйных принтерах):

1) Пьезоэлектрическая технология;

2) Струйно-пузырьковая технология.

Следует, однако, заметить, что на сайте фирмы HewlettPackardперечислено около десятка «технологий», а уCanon– ещё больше. Все они представляют собой частные технические приёмы, как аппаратные, так и программные, и их правильней считать модификациями, усовершенствованиями указанных выше технологий.

Пьезоэлектрическая технологияа точнее метод, положенный в основу технологии, был открыт в концеXIXвека. Он основан на способности некоторых кристаллических веществ – пьезоэлектриков изменять свои размеры под действием электрического поля (так называемый обратный пьезоэффект).

В 1993 году фирма Epsonразработала печатающую головку для принтера, работающего на пьезоэффекте. Затем аналогичная головка стала использоваться в пьезоэлектрических струйных плоттерах. По конструкции головки принтера и плоттера сходны. Схема пьезоголовки приведена на рис 5.11. Головка работает следующим образом.

Под воздействием импульса, подаваемого на пьезоэлемент, он изменяет свои геометрические размеры (сжимается) и капля вылетает из дюзы. Когда импульс прекращается, камера принимает исходную форму и снова заполняется чернилами. Испарение чернил в камере не происходит. Чернила могут подсыхать лишь тогда, когда головка долго не работает.

Каждая головка служит довольно долго, обеспечивая выброс десятков миллиардов капель. Изготовление головки, содержащей сотни пьезоэлементов, технически очень сложно, поэтому стоимость головки составляет десятки процентов от стоимости плоттера.

Пузырьково-струйная технология (иначе – термическая струйная) была изобретена в конце 70-х годов 20 века. С 1984 года разработку этой технологии применительно к принтерам начали фирмыHewlettPackardиCanon.

Изобретение пузырьково-струйной технологии было запатентовано фирмой Сanonпод названиемBabble-Jet. Сущность этой технологии иллюстрирует рис.5.12. Основу печатающей головки составляет микротрука – тончайший канал (дюза), в которую из капиляра поступают чернила и в ней формируются капельки чернил. В каждой дюзе расположен микроскопический нагреватель–терморезистор. Процесс формирования капли чернил состоит из нескольких фаз:

1) При подаче электрического импульса на терморезистор чернила быстро вскипают, образуя на поверхности терморезистора мельчайшие пузырьки пара (фаза 1);

2) Затем пузырьки пара сливаются в более крупный пузырёк который начинает расти (фаза 2);

3) Пузырёк достигает противоположной стенки трубочки, в пузырь- ке нарастает давление (фаза 3);

4) Пузырёк лопается и уменьшается в размере, из трубочки вылетает капля чернил в направлении бумажного носителя (фаза 4)

5) После вылета капли из дюзы в неё поступает новая порция чернил, и дюза готова к новому циклу формирования капли (фаза 5).

Электрический импульс, подаваемый на терморезистор, создаёт тепловой поток, эквивалентный более чем 2000 млн. ватт на квадратный метр, температура в это время увеличивается со скоростью 300 млн. градусов в секунду. Поскольку длительность теплового импульса составляет всего 2 микросекунды, терморезистор за это время успевает нагреться до температуры до 600 градусов.

Активное испарение растворителя чернил начинается при температуре около 330 градусов; мгновенное значение давления в пузырьке пара при достижении максимальной температуры составляет около 125 атмосфер – немногим меньше, чем в стволе огнестрельного оружия. Это давление выбрасывает каплю чернил со скоростью более 100 м/с.

Размеры дюзы (диаметр трубочки) очень малы – сравнимы с толщиной волоса. Поэтому через несколько десятков микросекунд дюза полностью охлаждается и в неё поступает новая порция чернил. В современных плоттерах и принтерах частота следования импульсов составляет 20 кГц, то есть один цикл «нагревание – охлаждение» занимает всего 50 микросекунд.

Качество печати, скорость и эффективность работы определяется многими параметрами. Главные из них – конфигурация эжекционной камеры, диаметр и точность изготовлен6ия сопла. Важны и характеристики чернил – вязкость, поверхностное натяжение, способность к испарению. В последние годы дюзы изготавливаются методом прожигания отверстия лучом лазера. Терморезистор изготавливают в виде тонкого слоя металла, нанесённого внутри дюзы химическим способом. Благодаря этому стоимость изготовления головки весьма низка по сравнению с пьезоголовкой.

Кроме того, такая головка весьма надёжна в работе. Плоттер такого типа практически бесшумен в работе и хорошо приспособлен к выводу графики по полиграфической цветовой гамме CMYK. Недостатком плоттеров этого типа (как и принтеров) является высокая стоимость расходных материалов – специальные чернила, бумага.

Литература

Гук М.Аппаратные средстваIBMPC. Энциклопедия, 2-е изд.

СПб.: Питер, 2001.-928 с.: ил.

Гинзбург А., Милчев М., Солоницын Ю. Периферийные устрой-

ства. СПб.: Питер, 2001.- 448с.: ил.

Огородов Ю.В. Курс лекций «Системы ввода-вывода и интерфейсы

компьютеров» в иллюстрациях и схемах изд.5-е доп.

и перераб., М.: МИФИ, 2002, 136 с.