激光打印机工作原理

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激光打印机工作过程所需的控制装置和部件的组成、设计结构、控制方法和采用的部件会因厂牌和机型不同而有所差别，如：

①对感光鼓充电的极性不同。

②感光鼓充电采用的部件不同。有的机型使用电极丝放电方式对感光鼓进行充电，有的机型使用充电胶辊（FCR）对感光鼓进行充电。

③高压转印采用的部件有所不同。

④感光鼓曝光的形式不同。有的机型使用扫描镜 直接对感光鼓扫描曝光，有的机型使用扫描后的反射激光束对感光鼓进行曝光。

不过，它们的工作原理基本一样。由激光器发射出的激光束，经反射镜射入声光偏转调制器，与此同时，由计算机送来的二进制图文点阵信息，从接口送至字形发生器，形成所需字形的二进制脉冲信息，由同步器产生的信号控制9个高频振荡器，再经频率合成器及功率放大器加至声光调制器上，对由反射镜射入的激光束进行调制。调制后的光束射入多面转镜，再经广角聚焦镜把光束聚焦后射至光导鼓（硒鼓）表面上，使角速度扫描变成线速度扫描，完成整个扫描过程。

硒鼓表面先由充电极充电，使其获得一定电位，之后经载有图文映像信息的激光束的曝光，便在硒鼓的表面形成静电潜像，经过磁刷显影器显影，潜像即转变成可见的墨粉像，在经过转印区时，在转印电极的电场作用下，墨粉便转印到普通纸上，最后经预热板及高温热滚定影，即在纸上熔凝出文字及图像。在打印图文信息后，清洁辊把未转印走的墨粉清除 ，消电灯把鼓上残余电荷清除，再经清洁纸系统作彻底的清洁，即可进入新的一轮工作周期。

产生激光的光源，和普通的光源明显不同。如普通白炽灯光源是通过电流加热钨丝的原子到激发态，

处于激发态的原子不断地自发辐射而发光。这种普通的光源具有很大的散射 性和漫射性，不能控制形成集中的光束，也就不能应用于激光打印机。激光打印机所需要的激光光束必须具有以下特性：

①高方向性。发出的光束在一定的距离内没有散射和漫射。

②高单色性。纯白光由七色光组成。

③高亮度，有利于光束的集中并带有很高的物理能量。

④高相干性，容易叠加和分离。激光器是激光扫描系统的光源，具有方向性好、单色性强、相干性高及能量集中、便于 调制和偏转的特点。早期生产的激光打印机多采用氦-氖（He-Ne）气体激光器，其波长为632．8nm，其特点是 输出功率较高、体积大、是寿命长（一般大于1万小时）性能可靠，噪音低，输出功率大。但是因为体积太大，基本已淘汰。激光打印机都 采用半导体激光器，常见的是镓砷-镓铝砷（GaAs-GaAlAs）系列，所发射出的激光束波长一般为近红外光（λ=780纳米），可与感光硒鼓的波长灵敏度特性相匹配。半导体激光器体积小、成本低，可直接进行内部调制，是轻便型台式激光打印机的光源。

激光扫描是用来产生非常小的高精度光点，用于高质量的文字及图像的印刷，常用的激光扫描系统工作原理是：在工作物质两端设置两块相互平行的反射镜（栅极），这两块反射镜之间构成了一个谐振腔。谐振腔的一块反射镜为全反射镜，另一块为半反射镜，当工作物 质受激，原子自发辐射的光子在谐振腔内不断地来回反射，辐射出的光子不断增加。当谐振腔内叠加的光子增加到一定量时，就会穿透半反射的反射镜面发出一束非常强的光，这就是激光。这样发出的光束非常集中，几乎没有散射，只要我们利用控制技术将光波波长控制在 700～900nm（纳米），这样所产生的激光就可以满足激光打印机感光鼓的曝光需要。

现代所用的半导体激光器，通常采用激光二极管，它的原理与普通的二极管极为相似，如都有一对PN结，当电压和电流加到激光二极管上时，P型半导体材料中的空穴和N型材料中的自由电子产生相对运动， PN结处载流子的密度增加非常大，自由电子和空穴重新复合，因而产生受激辐射，释放出具有激光特性的光子，由激光器谐振腔内的反射镜反射，透过激 光孔和孔内聚焦镜，射出激光束。

从激光的产生可以看出，一条激光束只包括一种主要波长的光线，它是单色的。每一 条光线都沿一个方向传播，以相互叠加的方式结合，我们称之为"相干性"。这个特性使激光以一条极细的光束射到一个靶上，而几乎没有散射。而每条激光束就像枪膛里射出的子弹 ，每颗子弹只能在靶上打一个孔。如果要打出一个“一”字，就要射出很多的子弹，沿“一”字方向打出很多的孔，形成一个“一”字点的横向排列，这就是我们所说的“点阵排列” ，是后面要讲“点阵图像”的技术基础。

激光打印机的图文信息，亦是由点阵组成。印刷质量要求越高，组成一个字符的点阵亦 越多。激光扫描的点阵形成有四种方法。单线扫描：将一行字符的每一行的点阵信息，送至扫描器中进行扫描，称为单线扫描。多线顺序偏转扫描：高频信号发生器依次产生9个不同的频率，依据布雷格衍射原理，它们在偏转调制器中会产生9条偏转角不同的扫描线，接着转镜旋转一个微小角度，扫描出从左至右的点阵信息。由于这种方法只需转镜转过一个微小的角度，它相当于单线扫描方法的1/132，即可形成1个字，故又称小光栅扫描。 多线同时偏转扫描：是指在高频驱动电路中同时产生9个不同的频率，经合成后送至偏转调制器中。多线同时偏转多次扫描：这种方法与多线同时偏转扫描属同一类，只是从1个字 符的形成上有所区别。即在扫描高点阵字符时，一个完整的字符是分成多次扫描完成的。图形信息的点阵形成与字符的点阵形成基本相似。

感光鼓是激光打印机的核心部件。它是一个光敏器件，主要用光导材料制成。它的基本工作原理就是“光电转换”的过程。它在激光打印机中作为消耗材料使用，而且它的价格也较为昂贵。光敏半导体有半导体的共性，如受热激发，掺杂后改变电导率等。此外，它还具有其他半导体不具有的"光导电"特性。光敏半导体受光照射后，它的电导率可以上升几个数量级。从能带上讲，它的价带中 的电子吸收了光的能量后，跃入导带，产生电子-空穴对。这种由光照产生的电子-空穴对，称为“光生载流子”。光敏半导体内产生的"光生载流子"增多，它的电导率就上升。这种受光照射后提高的电导率称为“本征光电导率”。 实际应用中，光敏半导体材料需经过掺杂后，才能制成激光器使用的半导体材料。所以除了有本征光电导率外，还必须具有光激发杂质能级上的电子或空穴形成的杂质光电导率 的性质。在有些光敏半导体中，“杂质光电导率”起主要作用。

光敏半导体受光照射后，会不同程度地改变物体内的“载流子迁移率”（迁移率是载流 子的迁移速度与外电场的比值）。标志物体的导电能力的“电导”，等于载流子密度乘以迁移率。迁移率上升，电导提高，电导率由本征光电导率、杂质光电导率和迁移率的值共同决 定，只是在某种条件下便以其中的某种因素为主罢了。

实际应用的各种光导体对光的敏感程度都不一样。光导体的电导率与它对光的敏感程 度成正比。所以光感对光导体的导电性影响很大。光导体对光的光感度是不一样的。某一种光导体，只对某一区域光谱的光的光感度高，离开了这一区域，则可能丧失光感度。

光敏半导体在与它适用的光波长范围内，会对光形成一个吸收峰值。在这个峰值范围内光电导效果最佳。它还与光的照度有关系。照度越高，产生的载流子越多，光电导率就越 高。然而每种光导体的特性各异，所以在相同条件下，达到相同的光电导率指标所需要的照度是不同的。

感光鼓常用的光导材料有硫化镉（CdS）、硒-砷(Se-As）。有机光导材料（opc）等几种。制作感光鼓用的光导材料，应具备以下特性：

①耐磨性好。光导体表面要有一定的硬度，要能承受显影转印和清洁过程中的机械磨损。如果感光鼓（光导体）被磨损或划伤，将导致打印质量的下降或破坏感光鼓 ，磨损严重时只有报废。在实际的工作中，因磨损、划伤而报废的感光鼓最多。一种新型的长寿命的陶瓷感光鼓（a-Si）已经得到了应用，可打印30万张以上。

②温度稳定性好。光导体的性能容易受温度的影响，所以，在激光打印机性能中特别强调使用环境要有 合适的温度与湿度，否则会影响打印质量。

③光电导性好。 光电导性是感光鼓的重要指标，它直接影响到打印质量的好坏。因为感光鼓连续工作在充电、放电的循环过程中，要求充电时电位上升快，表面饱和电位比应用电位要高；否则 ，初始电位上不去，也将影响打印质量。充电后的感光鼓暗衰减要小，否则保持不住表面电位，不能形成必要的电位差潜像。感光鼓曝光后放电要快，即光衰迅速。放电越彻底越好 。因为剩余电位的多少，既影响潜像的反差，又会带来打印品的"底灰"。

④耐疲劳。感光鼓在使用的过程中，打印机要对其进行反复充电，因而要具有良好的耐疲 劳性能，在规定的寿命时间内，打印质量不能因连续使用而下降。感光鼓的光导特性稳定性要好，应满足连续使用的要求。

激光打印机使用的感光鼓，一般为三层结构。第一层是铝合金圆筒（导电层），第二层是在圆筒表面上采用真空蒸镀的方法，镀上一层 光导体材料（光导层），第三层是在光导材料的外面再镀一层绝缘材料（绝缘层）。有的感光鼓为了更好地释放电荷，在光导层与铝合金导电层中间，加镀一层超导材料，以使电荷更迅速地释放。

感光鼓表面的绝缘层，一是为提高耐磨性能，增加使用寿命；二是为光导层提供保护，防止光导体的磨损，保持光导体的光电导特性。

导电层铝合金筒与激光打印机的地线相连，使曝光后的电位迅速释放。它是一个精度非常高的圆筒，在运转的过程中，能保持匀速运转及保持均匀电荷。

做为激光打印机中重要的部件，感光鼓额定寿命一般在6000一10000张左右。当发现印品图像淡浅、深浅不匀，且非转印电晕电极及墨粉等原因引起时，则是感光鼓寿命终止，应进行更换。

以下就以常用的HP 6L打印机硒鼓为例，为大家介绍感光鼓的更换方法：

首先，要切断打印机的电源，将硒鼓从打印机上取出来，然后用斜口钳夹住一侧的金属销钉，用力小心向外拔出来(或者用钉子把金属销钉进硒鼓里，打开硒鼓后可将金属销钉取出来)，两侧银色金属销钉拔出后可以将硒鼓分成两部分，有淡蓝色感光硒的一方是废粉的收集部分，而带有磁辊一方是供粉的部分。

然后把供粉的部分磁辊无齿轮一侧的螺钉旋下，拿下塑料壳后可看到一个塑料盖，打开该塑料盖，将碳粉仓内和磁辊上的碳粉全部清理干净，一定要将残留碳粉全部清理干净，最好用吸尘器吸净。然后将磁辊按刚才的相反顺序装好，此时应用力按住磁辊，防止磁辊脱离原位。把碳粉摇匀后慢慢倒入供粉仓内，上好塑料盖和塑料壳要注意把磁辊中轴末端上的半圆形与塑料壳上的半圆形小孔对好。轻轻转动磁辊侧面的齿轮数圈，使碳粉上匀。

现在就到了最重要的一步——更换新的感光鼓。将废粉收集部分固定感光鼓的固定销钉用斜口钳拔出，注意：不能用钉子把固定销打进硒鼓里，拔出固定销后可把旧感光鼓取出，然后，将废粉收集部分的废粉清理干净。按拆卸反顺序换上新的感光鼓，安装感光鼓时要注意，是有左右之分的，将有齿轮的那一边对接凹沟装上。然后将固定销钉上好固定感光鼓。新买的感光鼓有一条黑色防曝光封条，在安装前切勿撕去，以防止曝光，待安装好后检查无误才可撕去。最后将供粉部分和废粉收集部分按拆开时位置安装复原，插好两侧金属卡销，便可以开始打印了。

（1）数据转译：要打印完整的文字、图像，除激光打印机本身的功能外，还必须通过计算机把要打印内容，即文字或图像用文字处理软件或图形处理软件，编辑成具有一定格式的计算机语言。其描述的内容都是由计算机编辑软件决定，与激光打印机没有任何关系。当我们选定了打印 机命令，并按下确定打印按钮后，计算机把编辑好的数据通过打印机接口传送给打印机，由打印机驱动程序把打印的内容进行解释，并转换成打印机可以识别的语言（也叫打印机语言），由打印机按照自己的语言打印出已经编辑好的文字或图像。

不同型号的激光打印机，打印语言不同，所使用的驱动程序也不同。当然也有可兼容的打印机驱动程序。生产的激光打印机，普遍采用标准打印语言PCL5或PCL6语言。

（2）数据传送：打印机与计算机之间的通讯传送端口有很多种，比较常见的是“串口”或“并口”。EP P/ECP（Enhanced ParalleI Port/Extended Capabilities Port）称为增强型/扩展型并口。“串口”由于速度较慢，一般很少采用。其他如SCSI接口，因速度快，大都用在较高档的打印机上。还有的打印机采用视频接口（VDO）方式与计算机通讯，通讯方式与其他 接口不同，它传送的不是数据，而是激光束流，速度更快。它的数据是由另外一块“视频转换卡”来完成，但因它与计算机共亨内存，要求计算机有足够的缓存空间。一般印刷排版行 业采用此种接口的打印机较多。有的高档打印机带有多种接口，可同时接多台计算机。生产的很多打印机配备速度更快的USB接口。

当打印控制器从计算机接收数据之后，打印机一般采取两种工作方式：一种是把数据 直接送给解释器执行打印，称为“段工作方式”，这种方式工作的打印机不需要很多的缓存和内存，普通型的打印机多采用此种工作方式。另一种是把传输的数据存储在打印机内部的 硬盘中，待使用时可随时打印出来，也称为“池工作方式”，很多高档打印机使用这种工作方式。它的优点是当许多用户共享一台打印机时，可同时发出打印命令而不必等待，并可节省数据通讯传输的等待时间，但其价格也较贵。

激光打印机打印出的文字或图像，如果在放大镜下观察，就会发现文字或图像是由很多的白点和黑点组成（也叫点阵图形），与普通的点阵式打印效果相似。前者是通过控制激光束的开与关实现点阵排列，而后者则是通过打印针击打来实现点阵排列。

光栅图像是一种视频数字图像，需要打印机中的光栅转换器把视频数据进行光栅化处理，转换成打印机使用的点阵图像打印，所谓光栅图像是由独立的点所组成的图像。如报纸 上印的或电视屏幕上显示的图像就是光栅图像。

激光打印机的点阵排列是由二进制数据组成的方阵控制，每个点对应一个二进制数位， 由运算控制器控制激光器向感光鼓表面射出一束激光，称为“曝光”，被曝光的“点”称为“像素点”。要打印一个文字或一幅图像，需要很多的"像素点"组成。因此，单位面积内像素点的数目越多，打印的分辨率就越高。如果一个激光扫描装置，沿感光鼓轴向水平 表面，射出每英寸300个点，并且感光鼓由主电机带动按照1/300分匀速旋转，那么，激光打印机就能以每平方英寸300×300DPI的分辨率打印出文字或图像。高档的激光打 印机的输出精度可以达到2400DPI。由像素点形成点阵图像，还要经过声光调制器、高频驱动器、扫描器同步器和光学系统共同完成。

大家知道，电视机接收到的图像和声音是由电视台将声光信号调制为电信号发射出来的。电视机接收到电信号再经过解调，还原成图像和声音。激光打印机激光器射出的光束 也载有数据信息，这些信息的转换过程也类似于电视机信息传递过程。只是此过程是由声光调制器转换的。

声光调制器的调制频率可达30MHz左右，特性稳定，因此大多数的激光打印机都采用这种调制器。声光调制器的工作原理是利用声光效应所产生的布雷格衍射的特点，实现对激光束传播方向的控制。激光束欲完成图文信息的映像任务，必须用图文信息进行调制，恰如电视台将图像及声音信号调制到无线电波上去，方能在电视机中解调出图像与 声音信号一样。

声光调制器的工作原理，是利用声光效应产生布雷格衍射，若在玻璃及晶体等超声媒质中产生超声波，便将引起周期性的折射率变化，而成为相位型衍射栅，光栅常数等于超声波波长，当激光束射到超声媒质中时，激光束即产生衍射，衍射光的强度及方向会随超声波的频率及强度而变化，即为声光效应。

当向玻璃或晶体发射超声波而产生反射，由入射角折射的光线传播而形成相位变化的衍射光栅，光栅常数等于超声波的波长λ。如果激光束射入超声媒体中，激光束就会产生衍射，衍 射光的强度和方向随超声波的频率和强度的变化而变化，这就是声光效应。根据波干涉的加强条件，入射光和衍射光的方向满足布雷格方程：

θi=θd=θB

sinθB=λ/2A=λf/2v（v=fA）

式中：θi：入射光与超声波面的夹角；λ：光在介质中的波长；θd：衍射光与超声波面的夹角；A：超声波波长；θB：布雷格角；f：超声波频率。 θB很小时，sinθB≈θd，则方程可简化为：θi=θd=θB=λf/2v，当衍射光和入射光的夹角为α时，则：α=θi+θd=2θB=λf/v。式中α为偏转角，它与超声波的频率成正比。改变超声波频率f,就可以改变偏转角α，从而达到控制激光束方向的目的。

按布雷格衍射理论，当超声波维持一种频率的高频信号时，入射的激光束除产生一条0 级光外，还产生一条1级衍射光。0级光控制同步器和高频信号的起停，1级衍射光对感光鼓曝光形成像素点。

要使经过声光调制器后的激光束在感光鼓上产生文字或图像，激光束需要完成横向 和纵向两个方向的运动，不能依靠激光器运动来实现，因为由光电器件运动而带来的振动会影响激光束的精度。所以激光打印机的激光器采用固定式结构，而由一个多面旋转的反射镜 来完成激光束横向扫描，依靠感光鼓的旋转实现纵向扫描。

欲使经调制后的激光束在感光硒鼓上产生文字与图像，尚应完成横向（沿打印纸行的方向）及纵向两个方向运动。纵向运动是依靠硒鼓的旋转来完成，而光束的横向运动则由扫描器来完成。按工作方式扫描器分声光式、电光式、检流计式及转镜式等。鉴于转镜式扫描 器有扫描角度大、分辨率高、光能损耗小及结构简单等优点，而被广泛用于激光打印机中。为了减少多面镜旋转时产生的非线性误差，转镜的几何精度的误差及转镜驱动电动机转 速不稳等，引起的纵向间距和字符的轨迹不均匀等缺点，一般在扫描器中还装有一个同步信号传感器。此传感器是使用布雷格衍射产生的0级光，不产生偏转，从而经多面转镜反射 后具有照射位置固定的特点，将其作为同步信号，用来控制高频信号发生器的起停，可保证扫描间距一致，消除上述误差。

为使扫描器产生的扫描光束集成规定的大小，并在感光鼓上进行匀速直线运动，应采用较好的光路系统。光路系统根据透镜处于扫描器的前后位置，分物镜前/后型两种形式，由 于物镜后型在扫描较大图形时失真严重，很少采用。物镜前型扫描线较直，但亦有失真，由于后来生产的激光打印机中，采用多个透镜组合在一起的广角聚焦镜，焦距为300毫米，多面 转镜的物距为37毫米，失真度仅为0.0011%，已能完全满足激光成像的要求。

激光打印机用的多棱扫描器（镜），一般有二面镜、四面镜、六面镜3种，由扫描电机 带动旋转，完成横向的扫描运动。它是保证激光打印机打印精度的关键部件。扫描器完成横向扫描的原理为： 我们设定MN为扫描器的一个镜面。当入射激光束射到MN面的A点上时，若入射角为θ?i，则反射光束以反射角θ?d反射出来，θ?i=θ?d，当MN转过一个角度φ，而入射光束方向不变，则反射光束转过2φ，也就是反射光束以MN的两倍角旋转。如果P为反射光 点在感光鼓的一端，而P1为反射光点，在感光鼓的另一端就完成了对感光鼓的横向扫描，当然扫描器的旋转速度是极快的，所以P～P?1之间也形成很多的反射激光束点。 当主电机带动感光鼓旋转，同时也完成纵向扫描的反射激光束点，就这样最终完成文字或图像的点阵排列。

为使扫描器反射产生的激光束，聚集形成规定大小的光点，消除光束传播过程中的漫射，需要用一组光学透镜对光束进行调制，提高扫描精度。它包括：弧面透镜、球面透镜、反射镜。这组透镜只有将激光束校正失真度为0．1‰，才能满足激光成像的技术要求。

激光打印机是精密的机械系统，它利用光、电、热的物理、化学原理通过相互作用输出文字或图像，这些复杂的过程都由一个电子控制系统来实现，称为电子显像系统。“静电成像”的理论是美国人卡尔逊首先提出的，因此也称为卡尔逊法。或称为放电成像法。基本过程可分为充电、曝光、显影、转印、定影、清洁、消电7个步骤，其中5个步骤是围绕电子显像系统进行的。