Журнал Компьютерра - Журнал "Компьютерра" N743-744
Мы рассмотрим две главные на сегодняшний день технологии получения фотоотпечатков: струйную и термосублимационную.
Термическая струйная печать
Струйная технология появилась в середине 1980-х как результат попытки избавиться от недостатков двух доминировавших в то время способов печати: матричной и лазерной (электрографической). Лазерная печать была неприемлемо дорогой, причем о цвете еще и не мечтали (да и в настоящее время, хотя цветные лазерники стали доступными, но в области фотоотпечатков не имеют никаких шансов обойти струйники). А струйная печать возникла как дешевая альтернатива для печати офисных документов, лишенная недостатков матричных принтеров — медленных, шумных и дававших отпечатки невысокого качества.
Идея, которая, видимо, почти одновременно (около 1985 года) пришла в голову инженерам компаний Hewlett-Packard и Canon, заключалась в том, чтобы заменить иголку, ударяющую в матричных принтерах по бумаге через красящий слой на ленте, каплей жидких чернил. Объем капли следовало рассчитать так, чтобы она не растекалась и создавала точку определенного диаметра. Реальную жизнь эта технология получила, когда придумали удобный способ формирования дозированной капли — термический.
Способ термической струйной печати фактически монополизирован компаниями Canon и Hewlett-Packard, которые владеют большинством патентов на эту технологию, остальные компании лишь лицензируют ее, внося свои небольшие изменения. При этом HP использует выражение "термический чернильно-струйный" (thermal ink-jet) способ печати, а Canon предпочитает термин "пузырьковый струйный" (bubble-jet).
Хотя между ними есть различия, но принципиально они идентичны.
На рис. 1 показан процесс термической струйной печати в виде условной кинограммы цикла работы форсунки (иногда их называют эжекторами). В стенку камеры встроен миниатюрный нагревательный элемент (выделен красным на верхнем кадре), который очень быстро нагревается до высокой температуры (500 °С). Чернила вскипают (второй кадр), в них образуется большой паровой пузырь (следующие два кадра) и резко растет давление — до 120 атмосфер, отчего чернила выталкиваются через сопло со скоростью более 12 м/с в виде капли объемом около 2 пиколитров (это две тысячные от миллиардной доли литра). Нагревательный элемент к этому моменту выключают, и пузырь вследствие падения давления схлопы вается (нижние кадры). Все происходит очень быстро — за несколько микросекунд. Чернила подаются в форсунку за счет капиллярных сил (что гораздо медленнее), и после заполнения форсунки новой порцией система готова к работе. Весь цикл занимает примерно 100 мс, то есть частота выброса капель составляет 10 кГц, а в современных принтерах — раза в два больше.
Такая автономно управляемая форсунка входит в состав печатающей головки, расположенной на движущейся поперек листа каретке, наподобие печатающего узла матричного принтера. При диаметре форсунки 10 мкм плотность размещения получается 2500 сопел на дюйм; в одной головке может быть от нескольких сотен до нескольких тысяч форсунок. В современных скоростных устройствах стали применять неподвижные головки — чтобы исключить самый медленный во всем этом процессе этап поперечного движения каретки. Например, HP выпускает высокопроизводительные фотокиоски, в которых головки составлены в блоки по всей ширине листа.
В принтерах Canon термический элемент расположен сбоку камеры (как на рис. 1), а у HP (и Lexmark) — сзади. Возможно, это различие обусловлено исходными идеями: согласно корпоративным легендам, инженер Canon уронил паяльник на шприц с краской (то есть шприц нагрелся сбоку), а исследователи из HP заимствовали принцип у электрочайника, у которого подогрев с торца. Так это или нет, боковое расположение позволяет Canon устанавливать два термических элемента на форсунку, что повышает быстродействие и управляемость размером капли, но усложняет и удорожает конструкцию.
Более дорогие "пузырьковые" головки Canon многоразовые и встроены в принтер. Головки HP проще в изготовлении, потому традиционно встраивались прямо в картридж и с ним же выбрасывались. Это гораздо удобнее, так как гарантирует качество печати (головка просто не успевает выработать ресурс) и высокую надежность узла. Однако при таком подходе совершенствование головок приводит к удорожанию картриджей, поэтому многие современные принтеры HP имеют отдельные головки, как у Epson или Canon. Так, Photosmart Pro B9180, сегодняшний флагман "домашних" фотопринтеров от HP, имеет заменяемые отдельные головки, а его более дешевый аналог Photosmart Pro B8353 — головки, встраиваемые в картридж.
Пьезоэлектрическая технология
Первый струйный принтер с пьезоэлектрической головкой был разработан компанией Epson в 1993 году, и с тех пор она продвигает технологию практически в одиночку. На самом деле пьезоэлектрический способ есть просто напрашивающийся вариант распыления жидких чернил: использовать иголку матричной головки как поршень, который выталкивает чернила из камеры. Понятно, что управляемый электромагнитом поршень — не лучшее решение с точки зрения стоимости, надежности, долговечности и разрешения печати, поэтому его попытались заменить пьезокристаллом, который может изгибаться под действием электрического напряжения.
Почему термосублимационные принтеры лучше всех?
Неподготовленного пользователя, привыкшего к магии цифр, которыми ловко манипулируют маркетологи, часто смущает заявленное разрешение термосублимационных принтеров — 300 dpi или немногим более. Как это сопоставить с разрешением тех же струйников, которые почти поголовно декларируют как минимум 2400 dpi в обоих направлениях?
Перечитайте то, что автор этих строк писал про формирование изображения на устройствах печати в статье о лазерных принтерах (offline.computerra.ru/2008/725/351660). Для струйников принципы формирования оттенков значительно отличаются: там не четыре красителя, а больше, в широких пределах регулируется диаметр и плотность размещения точек (например, в технологии HP PhotoRet IV одна точка может иметь семнадцать оттенков). Поэтому там понятие линеатуры неприменимо: даже собственно значение разрешения менее важно, чем нюансы программной реализации.
А термосублимационная печать наиболее близка к химическому аналоговому способу: в ней (теоретически) каждая точка может иметь любой из 16,7 млн. цветных оттенков, потому равносильна целой ячейке растра в традиционной печати. Такой принтер с разрешением 300 dpi "делает" все типографские машины, даже самые лучшие, как говорится, на раз: в принципе он был бы равносилен лазернику с разрешением более 5000 точек на дюйм. И запас тут столь велик, что даже неизбежное отставание теории от практики, как видите, не сильно портит картинку (в прямом смысле слова).
Звучит красиво, но очень трудно выполнимо на практике — величина так называемого обратного пьезоэффекта (то есть деформации кристалла пьезоэлектрика под действием приложенного напряжения) в реальных материалах составляет тысячные доли миллиметра на каждый вольт приложенного напряжения. Понадобились годы труда, чтобы разработать на этом принципе форсунку, пригодную для коммерческого использования. Впрочем, головки и по сей день недешевы, так как их нельзя получить в стандартном процессе формирования полупроводникового кристалла (рис. 2). Отсюда и все недостатки принтеров Epson, главный из которых — если уж чернила в головке засохнут, проще купить новый принтер. Принтеры Epson требуют заботливого отношения: не следует употреблять абы какие картриджи и хотя бы раз в месяц надо чего-нибудь напечатать. Вдобавок флагманские модели Epson заметно дороже аналогов от других производителей.
Выходит, что пьезоэлектрическая технология сложна, дорога и не очень надежна. Зачем же тогда ее продвигают? Дело в том, что пьезоэлектрической головкой значительно проще управлять — например, можно тонко дозировать чернила, меняя размер капли. И считается, что лучшее качество печати полутоновых изображений (если сравнивать струйные технологии друг с другом) получается именно у Epson.
Не желая ущемить других производителей (тем более что сам предпочитаю "более демократичные" HP), подчеркну: в большинстве случаев вы не заметите никакой разницы ни между отпечатками с разных принтеров (достаточно высокого класса), ни между ними и отпечатком из минилаба. Однако исключения из этого правила (далеко не всем заметные) — чаще всего в пользу Epson.
Чернила и бумага
Один из менеджеров Epson еще пару лет назад заметил, что дальнейшее развитие струйной печати в основном будет связано не с собственно технологиями печати, а с появлением новых чернил и новых видов фотобумаги.
Все чернила для струйной печати делаются на водной основе и делятся на две категории: пигментные и молекулярные. Разница между ними такая же, как между красками и лаками — первые представляют собой взвесь твердых частиц пигмента в водной среде, а вторые — истинный раствор красителя. Пигментные чернила дороже, капризнее в эксплуатации — например, если они засохли в головке, растворить их можно только специальными жидкостями, и то не всегда. Пигментные чернила обычно не допускают смешивания с другими типами (частицы красителя садятся на дно или слипаются — коагулируют), потому любительская перезаправка картриджей с такими чернилами в большинстве случаев исключается.
