ТСИ / Струйная печать

Печатаем струйно

Технология струйной печати Epson Micro PiezoНаверное, не найдется ни одного человека, который бы не слышал о компании Epson, устройства которой всегда могли похвастать высоким качеством печати. Нам стало интересно, как достигается это качество

07.05.2009 10:30 Максим Валов

 

Фирменные особенности принтеров Epson

 

В том, что струйные принтеры Epson удерживают технологическое лидерство по возможностям цветной печати, сомневаться не приходится – во многих тестовых сравнениях устройства этой марки занимают лидирующие позиции. Однако, уверен, очень немногие имеют даже смутное представление о том, каким образом достигается столь завораживающая красота получаемых на этих устройствах отпечатков. Давайте разберемся в этом вопросе.

 

Возможно, многие полагают, что качество отпечатков принтера определяется только лишь разрешением - если принтер способен «натыкать» побольше точек на дюйм, значит, и картинка получится лучше, и качество будет выше. Однако подобный подход - совершенно дилетантский. На самом деле в области «высокой» печати все далеко не так просто, как кажется непрофессионалу.

 

От чего же зависит качество?

 

Специалисты компании Epson выделяют следующие основные составляющие, влияющие на показатель уровня качества:

- технология печати,

- технология растрирования,

- размер чернильной капли,

- разрешение,

- количество цветов в картридже,

- качество расходных материалов.

 

Чтобы объединить все составляющие качества получаемого изображения в отдельно взятом печатающем устройстве, компанией Epson была разработана система формирования изображения Perfect Picture Imaging System, являющаяся, по сути, основой большого комплекса решений. Она включает в себя четыре базовых компонента, находящихся, впрочем, в тесном взаимодействии между собой. И хотя все составляющие Perfect Picture Imaging System постоянно обновляются, их базовый набор остается неизменным. Вкратце охарактеризовать их можно следующим образом:

 

1. Пьезоэлектрическая печатающая головка Epson MicroPiezo (рис. 1) - основная часть PerfectPicture Imaging System, фактически базис всей фирменной струйной системы печати Epson.

 

2. Epson AcuPhoto Halftoning – технология, которая определяет, какой цвет в итоге получится на конечном отпечатке. Она оптимизирует результаты печати и позволяет лучше передать полутона и цветовые градации.

 

3. Быстросохнущие чернила Epson QuickDry Ink, которые, проникая внутрь носителя, моментально высыхают, благодаря чему исключается смешение цветов и сохраняется идеально круглая форма наносимой точки. Химический состав чернил обеспечивает получение чистых и ярких цветов при отличной резкости изображения, сравнимой с четкостью отпечатков на лазерном принтере, причем это справедливо как для печати текстовых документов, так и фотореалистичных изображений.

 

4. Оригинальные носители (материалы, на которые осуществляется печать) Epson, ассортимент которых поистине огромен.

 

Технология печати

 

Термоструйная технология печати

 

В современных струйных принтерах используются два основных, но кардинально между собой различающихся метода печати: термоструйный и пьезоэлектрический. Принципиальное отличие обеих технологий заключается в способе формирования чернильных капель, наносимых на поверхность носителя и, в конечном счете, формирующих изображение.

 

Суть термоструйной технологии печати заключается в том, что у печатающей головки каждое из сопел оснащено нагревательным элементом или, как его еще называют, «испарителем чернил». Под воздействием электрического тока температура такого нагревательного элемента за несколько микросекунд достигает примерно 500° С. При столь резком разогреве возле термоэлемента происходит практически мгновенное закипание чернил, этакий микровзрыв, в ходе которого образуются газовые пузырьки. Они-то, увеличиваясь в размерах, и выталкивают чернила из сопел печатающей головки наружу (рис. 2). А когда паровой пузырь схлопывается, он подтягивает очередную порцию чернил из картриджа к дюзе. Вроде бы все просто, удобно и практично.

 

Однако у термоструйной технологии есть один недостаток - очень трудно управлять формой чернильной капли, так как процесс ее формирования и выброса из-за взрывного механизма происхождения капли трудноконтролируем. А ведь неправильная форма капли искажает первоначально заданную ей траекторию движения и, соответственно, негативно влияет на точность ее позиционирования на бумаге. Что влечет за собой нарушение не только формы точки изображения, но и ее расположения на листе. При этом страдает как печать текста (текст «размывается»), так и качество цветопередачи при цветной распечатке из-за возможного смешения чернил.

 

Кроме того, у термоструйных печатающих головок при вылете чернил из сопла основную каплю может сопровождать значительное количество меленьких капелек-сателлитов, вызванных воздействием все того же резкого вскипания чернил. Эти микрочастицы выталкиваются вместе с основной каплей как в момент «выстрела», так и после выброса основной капли, формируясь в результате избыточного давления в сопле от нестабильных вибраций чернильной массы. И если создаваемое вибрационными процессами давление превысит порог сил поверхностного натяжения чернил у кромки дюзы - из сопла вновь срываются «незапланированные» чернильные микрокапельки (рис. 3).

 

Капли-сателлиты являются главной причиной образования «чернильного тумана» по контуру основного изображения. Кроме того, из-за них происходит случайное смешение цветов на поверхности носителя, что может сильно ухудшить качество цветопередачи.

 

Технология печати MicroPiezo

 

В отличие от производителей, использующих метод термоструйной печати, Epson применяет свою уникальную технологию печати Микропьезо (MicroPiezo), главной особенностью которой является пьезоэлектрический метод формирования чернильных капель.

 

Распространено заблуждение, что в пьезоэлектрической печатающей головке на чернила при выбросе капель воздействует сам пьезоэлемент. На самом деле это не так. Пьезоэлемент функционально неразрывно связан с вибрирующей пластиной, которая называется диафрагмой, или мениском. Вот он как раз и влияет на чернила, осуществляя их выталкивание из сопел и последующее втягивание из картриджа.

 

Под воздействием электрического импульса пьезоэлемент деформируется, изменяя при этом положение диафрагмы. Последняя же, в свою очередь, увеличивает или уменьшает объем микрополости под собой, продвигая таким образом чернила по капиллярной системе печатающей головки. То есть мениск работает как своеобразный поршень, благодаря которому весь процесс прохода чернил по каналам становится управляемым (рис. 4).

 

Да, основа технологии Epson MicroPiezo - пьезоэлектрическая печатающая головка с одноименным названием. Но вообще-то, упомянутая технология включает в себя три составляющие, которые служат для оптимизации таких параметров, как скорость печати и максимальная продуктивность, а также позволяют добиваться широкого диапазона разрешений при печати - от 720 до 5760 dpi. И эти составляющие - активный контроль мениска, технология печати микрокаплями и печать каплями переменного размера.

 

Активный контроль мениска

 

Ключевым моментом этой технологии является возвратное движение мениска, которое призвано обеспечивать обратное втягивание капелек-сателлитов, формирующихся при вылете основной капли (рис. 5). Благодаря использованию активного контроля мениска достигаются следующие преимущества при печати:

- не нарушается траектория капли,

- обеспечивается предельно точное позиционирование капли на бумаге,

- гарантируется правильная сферическая форма капли,

- формируется правильная форма точки на бумаге,

- отсутствует «чернильный туман» на изображении.

 

Технология контроля мениска играет ключевую роль в точном позиционировании чернильных капель на носителе. А это, в свою очередь, определяет такие важные характеристики, как скорость и, главное, качество печати.

 

Кроме того, благодаря использованию системы активного контроля мениска (втягивание-выталкивание-втягивание чернил) исключается формирование случайных капелек-брызг, негативно влияющих на качество распечатываемого изображения. Вследствие обратного хода диафрагмы чернила за оторвавшейся «плановой» каплей тут же втягиваться обратно в дюзу печатающей головки, что не позволяет даже сформироваться облаку капель-спутников, не говоря уже об их отправке в «свободный полет».

 

Однако метод подачи чернил далеко не единственный фактор, оказывающий влияние на параметры капли и, соответственно, на форму точки на бумаге. При формировании капли очень важное значение также имеет форма сопел печатающей головки.

 

Влияние формы сопел на формирование капли

 

Форма сопел в термической печатающей головке отличается от таковой в микропьезоэлектрической головке. Для головок с принципом термоструйной печати формам сопел присущи рваные или же неровные края. Для пьезопечати подобное вовсе не характерно.

 

Кроме формы, еще одним важным параметром дюз, влияющим на качество печати, да и на состояние печатающего механизма в целом, является размер сопла. Чем он меньше, тем больше возможность по засыханию там чернил, и тем выше вероятность выхода из строя печатающей головки или ухудшения ее характеристик (например, возможно появление светлых полос на распечатках по причине «забитых» дюз).

 

Однако стандартный способ уменьшения размера капли для технологии термоструйной печати - это сокращение диаметра сопла. Его размер в некоторых моделях принтеров достигает 4-5 мкм. На рисунке 6 можно увидеть, как отличается форма и размер дюзы у печатающей головки микропьезо и у изделий с термоструйным принципом печати. На этих увеличенных изображениях, как говорится, невооруженным глазом заметно, что сопло в микропьезоэлектрической печатающей головке значительно больше (его диаметр составляет 25 мкм). Но благодаря тому, что процесс формирования капли в пьезоголовке контролируется с помощью технологии менискового контроля, извлекаемая из такой «большой» дюзы капля размером может быть меньше, чем капли из более узких сопел термоголовок.

 

Кроме того, на правильное нанесение чернильных капель влияют температурные изменения в процессе работы головки и их взаимосвязь с вязкостью чернил.

 

Влияние температурных изменений на печать

 

Вязкость чернил напрямую зависит от их температуры и, естественно, влияет на размер получаемых капель. Вызванное работой повышение температуры в самой печатающей головке, как следствие, обеспечивает понижение степени вязкости чернил, что приводит к формированию капель увеличенного размера. Если же температура головки по каким-либо причинам падает ниже оптимальной, то все происходит с точностью до наоборот. Охлаждение повышает вязкость чернил и, соответственно, образуются капли уменьшенного размера (рис. 7). Отсюда следует практическая необходимость в постоянном контроле над степенью вязкости чернил, для того чтобы непрестанно обеспечивать нормативный размер капель и, что не менее важно, стабильное срабатывание дюз. Понятно, что для этого необходимо как-то компенсировать негативно проявляющиеся последствия изменений температуры рабочей среды.

 

В отличие от устройств термоструйной печати, в печатающей головке микропьезо особо существенного нагрева не происходит. Однако сразу после включения и после многочасовой непрерывной работе температура в печатающей головке будет существенно отличаться. Чтобы отследить эти изменения, печатающая головка Epson имеет встроенный датчик температуры, который фиксирует тепловое состояние в определенные моменты. И с учетом конкретного температурного режима, вносятся необходимые поправки в подаваемое на пьезоэлемент напряжение (рис. 8). С помощью изменения силы воздействия на диафрагму, в конечном счете, и компенсируются все вызванные перепадами температуры отклонения в работе.

 

Однако не следует забывать, что печатающая головка принтеров Epson откалибрована с учетом вязкости оригинальных чернил от производителя. А потому, в случае применения чернильных картриджей неизвестного происхождения головка может быть неправильно откалибрована, и размер формируемых капель окажется неоптимальным или даже нестабильным. Если вязкость слишком большая, то это может искривить траекторию капли или даже привести к несрабатыванию отдельных дюз. Что, вполне естественно, вызовет ухудшение качества напечатанного изображения. А в худшем случае - и к неисправности печатающей головки.

 

Размер чернильной капли

 

Зерна прогресса

 

Старое поколение струйных принтеров печатало каплями одинакового размера. При этом, с целью обеспечения высокой скорости работы устройств, ими использовались чернильные капли большого размера, что давало возможность быстро заполнить печатаемую область. Однако при применении крупных капель возникала другая проблема: если в темных областях отдельные точки на распечатке были не видны, то в светлых зонах они становились хорошо различимы. Поскольку для воспроизведения светлых областей принтер просто начинал реже ставить все те же большие точки.

 

Вопрос невидимости растровой (точечной) структуры изображений, получаемых при использовании струйной технологии печати, до сих пор является актуальной проблемой. Совершенствуя собственную технологию пьезопечати, Epson разработала и внедрила в свои изделия ряд технических новшеств, благодаря которым видимые недостатки растровой структуры на распечатках удалось практически свести «на нет». Благодаря чему это было достигнуто?

 

Капля за каплей

 

Естественно, для того чтобы сделать точечную структуру распечатываемого изображения невидимой, необходимо использовать в процессе печати чернильные капли небольшого размера, объемом всего в несколько пиколитров. Именно для достижения подобного результата и была разработана технология Ultra Micro Dots (печать очень маленькими точками), при использовании которой принтер начинает печатать каплями объемом в 1.5, 3, 4 или 5 пл. (в зависимости от модели устройства). Данная технология позволяет наносить капли минимально возможного объема для воспроизведения светлых областей изображения, участков с очень высокой детализацией, плавными цветовыми переходами и т. п.

 

Самая маленькая капля в принтерах Epson имеет объем 1,5 пиколитра (пл). Чтобы представить себе, насколько это мало, посмотрите, как она выглядит в сравнении с человеческим волосом (рис. 9). Такие крошечные капельки используются при печатании очень светлых участков изображения: оттенков кожи, бликов, складок одежды, мелких деталей и т. п. Естественно, при нанесении очень мелких капель мы также получаем на носителе растр, однако для человеческого глаза он уже практически не заметен. Ибо диаметр точек на бумаге составляет примерно 15 мкм, при том, что граница восприятия человеческого глаза около 40 мкм.

 

Меж скоростью и качеством

 

Маленькие капли - это, безусловно, хорошо. Однако если воспроизводить изображение только каплями по 3-4 пл, то это будет настолько долгий процесс, что с ним будет трудно смирится даже несмотря на лучший результат. Какие напрашиваются выводы? Совершенно верно, при струйной печати необходимо найти разумный компромисс между нанесением больших и маленьких капель. В поисках этого самого компромисса между скоростью и качеством печати и была разработана технология изменяемого размера капли.

 

Меняя капли

 

Суть технологии изменяемого размера капли, также называемой Variable Sized Droplet Technology (VSDT), заключается в использовании более крупных капель для закрашивания областей сплошной заливки и мелких - для передачи полутонов и цветовых градаций. Достоинства технологии неоспоримы - она позволяет формировать точки разного размера за один проход печатающей головки (рис. 10) и способна оптимизировать скорость печати. Оптимальный результат достигается благодаря применению интеллектуальной системы формирования чернильных капель для разных участков изображения: за один проход печатающая головка использует и микрокапли - для передачи тонких цветовых градаций – и более крупные капли - для заливки темных и сплошных областей. В итоге при минимальных затратах времени формируется отпечаток высокого качества, близкий к реальному фотографическому.

 

Современная версия этой технологии обеспечивает печать каплями трех размеров: капли среднего и большого размера наносятся на более темные участки изображения, характеризующиеся низкой детализацией, а маленькие капли формируют светлые области. В итоге, темные участки изображения максимально быстро заполняются каплями среднего и большого размера. Таким образом, скорость печати темных областей удается повысить в несколько раз.

 

Рассмотрим, как технологически реализовано получение капель разного размера из одного и того же сопла печатающей головки. Как уже упоминалось, как осуществляется печать в головке MicroPiezo – пьезоэлемент деформируется под воздействием электрического тока, от силы которого зависит интенсивность срабатывания пьезоэлемента, определяющая последующую частоту его колебаний. Частота колебаний пьезоэлемента, в свою очередь, определяет размер формируемой капли. Отсюда становится понятным, каким образом осуществляется управление размером капли в головке MicroPiezo: регулируя силу тока, поступающего на пьезоэлемент, можно управлять размером капли. Сила тока больше, частота колебаний пьезоэлемента выше, формируемая капля больше. Для получения капель самого большого размера используется даже 2 одиночных электрических импульса (рис. 11).

 

Разрешение

 

Разрешение на печать

 

Общеизвестно, что качество печати струйного принтера также зависит от такого параметра, как разрешение. Естественно, что при разработке новых технологий печати Epson просто не могла не уделить внимания совершенствованию данного параметра.

 

Еще в 1998 году компания представила линейку принтеров с разрешением 1440 dpi (dot per inch, то есть точек на дюйм). Такой ход позволил ей в те годы захватить значительную долю бурно развивающегося рынка струйных принтеров. Однако в последнее время на всех без исключения сегментах рынка пользователи стали предъявлять все более и более высокие требования к качеству струйников. Особо притязательны, конечно, профессионально занимающиеся графикой специалисты, однако и домашние пользователи нынче изрядно подняли уровень своих запросов - струйный принтер нужен им теперь не только для печати текста и простеньких цветных документов.

 

Последовав веяниям времени, принтеры Epson сегодня обзавелись разрешением 5760 dpi. Не слишком разбирающемуся в нюансах струйных технологий человеку, особенно с первого взгляда, трудно заметить ощутимую разницу при печати обычной фотографии, например, между 1440 dpi и 2880 dpi (рис. 12). В то же время опытный пользователь сразу найдет как минимум десять отличий между распечатками. В чем же он увидит преимущества изображения с более высоким разрешением? Во-первых, столь высокое разрешение позволяет улучшить детализацию как светлых, так и темных областей.

 

Всем, имеющим дело со струйными принтерами, известно, что в областях плавных цветовых переходов на распечатке иногда может быть заметна так называемая горизонтальная полосатость. Горизонтальные полоски появляются по ходу каретки, несущей печатающую головку. И хотя этот недостаток в некоторых случаях может быть связан с невысоким качеством бумаги, тем не менее, подобный порок свойственен струйной технологии в целом, а поэтому избежать его полностью достаточно сложно. А ведь при печати, например, лица крупным планом на листе формата А4 этот нюанс становится особенно критичным - малейшее проявление какой-либо регулярной структуры на распечатке сразу бросается в глаза. И только возможность печати с высоким разрешением позволила почти полностью устранить данный недостаток, благодаря как более плотному заполнению печатаемой области, так и более аккуратному позиционированию точек на бумаге.

 

Последнее стало возможным благодаря тому, что в принтерах, поддерживающих высокое разрешение, используется более точный механизм управления печатающей головкой, который позволяет лучше позиционировать ее в процессе печати. В результате и нанесение капель на бумагу получается более точным, что, в свою очередь, улучшает передачу мелких деталей изображения и качество полутонов. Технически это достигнуто за счет увеличения количества проходов печатающей головки (рис. 13).

 

Количество цветов в картридже

 

Не CMY'щайтесь

 

Некоторое время назад, на заре «принтеростроение», любой цветной принтер работал в цветовом пространстве CMY, базовые цвета которого: Cyan (голубой), Magenta (пурпурный) и Yellow (желтый). Все остальные цвета и оттенки получались смешением этих трех основных цветов в разных пропорциях. Чисто теоретически смешение перечисленных трех типов чернил должно было давать и абсолютно черный цвет, однако на практике это оказалось недостижимо - вместо черного получался оттенок, которому скорее подходит определение «грязно-коричневый». С учетом этого к цветовой схеме CMY был добавлен и черный цвет (Black), в результате чего в базовом наборе типов чернил струйников появились 4 основных цвета (CMYK - Cyan, Magenta, Yellow, blacK).

 

Но прогресс не стоит на месте - пока струйные принтеры использовались преимущественно для печати документов, в том числе и цветных, четырех цветов из цветовой схемы CMYK было вполне достаточно (рис. 14). Однако по мере того, как струйники стали все чаще применяться для печати качественных цветных изображений и фотографий, серьезнее становилась и проблема недостаточного цветового охвата отпечатков. Дело в том, что четырехцветный принтер просто не в состоянии воспроизвести цветовой диапазон, присущий традиционной химической фотографии. Самым слабым местом четырехцветной технологии является передача полутонов - цвета получаются чрезмерно яркими, кричащими, а значит – неестественными.

 

Больше цветов - хороших и разных

 

Таким образом, перед производителями струйных печатающих устройств встала необходимость расширения цветового охвата принтера. Именно с целью улучшения естественности цветопередачи компанией Epson и были выпущены струйные принтеры, цветной картридж которых отличался по цветовой схеме от общепринятого (речь идет о линейке фотопринтеров Stylus Photo). В этих моделях устройств к трем основным цветам Cyan, Magenta и Yellow были добавлены два дополнительных светлых цвета Light Magenta (светло-пурпурный) и Light Cyan (светло-голубой). Обычные и светлые чернила обладают разной концентрацией красителя, а это определяет и различные их особенности при нанесении на бумагу (рис. 15).

 

К достигнутым благодаря использованию расширенного набора цветов преимуществам можно отнести более высокое качество печати светлых участков - отсутствует зернистость в светлых областях. Также стало возможным воспроизводить в 4 раза (!) большее количество оттенков, что самым положительным образом отразилось на общем качестве полутонов, позволило обеспечить гораздо более плавные цветовые переходы и градации (рис. 16).

 

Но не только «количество» чернил сказывается на качестве распечаток. Очень многое зависит от применяемых принтером технологий формирования конечного изображения.

 

Технология растрирования

 

Сделай из него CMYK!

 

Оригинальная технология растрирования, применяемая в принтерах компании Epson, носит название AcuPhoto Halftoning. Именно она отвечает за точное определение и воспроизведение цветов на распечатке. Ее использование при печати дает возможность передавать больше тонких цветовых нюансов и деталей. А благодаря применяющимся оригинальным фирменным таблицам пересчета цветов из системы RGB в CMYK адекватный перевод цветов происходит быстро и точно.

 

Процесс подготовки изображения к печати начинается со считывания пикселей в системе RGB (в которой изображение представлено на экране монитора и воспринимается человеческим глазом). Затем полученные данные пересылаются в соответствующую 3D-таблицу пересчета цветов (3D Look Up Tables), где и переводятся в систему CMYK, «понятную» принтерам (рис. 17). На основании данных о CMYK-изображении готовится информация о формировании чернильных капель принтером. В процессе растрирования принтерами Epson применяется технология беспорядочного рассеивания точек Error Diffusion, используемая для перераспределения данных CMYK с учетом распределения цветных точек в соседних областях изображения. По окончании процесса растрирования данные CMYK передаются на принтер, где печатающая головка занимается формированием и позиционированием на носитель чернильных капель, которые затем предстанут нашему взору как копия первоначального изображения.

 

Очень важным элементом формирования конечного CMYK-изображения является именно этап работы с таблицей согласования цветов. Почему? Да потому что если здесь вкралась ошибка, то после печати мы получим картинку, весьма «далекую» от оригинала.

 

Таблицы согласия

 

Зачем они нужны? Одним из важнейших процессов в технологии струйной печати является пересчет цветов при переходе из одной цветовой модели в другую. И очень ответственным моментом в этом процессе оказывается степень соответствия исходного цвета в RGB-картинке цвету, получаемому в CMYK-изображении. Данный параметр напрямую зависит от алгоритма пересчета цветов, применяемого драйвером принтера, причем у разных изготовителей принтеров алгоритм пересчета может существенно различаться.