كيف تعمل الطابعة الليزر

How Laser Printers Works

مصطلح الطابعة النفاثة للحبر معبر للغاية عن العملية التي تقوم بها هذه النوعية من الطابعات حيث تضع هذه الطابعات صورة على الورق باستخدام نفاثات صغيرة من الحبر. من ناحية أخرى، فإن مصطلح طابعة الليزر أكثر غموضاً قليلاً فكيف يمكن لشعاع الليزر الذي هو عباره عن شعاع من الضوء عالي التركيز، كتابة الرسائل ورسم الصور على الورق؟

يستخدم الكثير من الناس طابعات الليزر في حياتهم اليومية، ولكنهم على الأرجح لا يعرفون ما هي التكنولوجيا المستخدمة لتحويل هذه البيانات الرقمية إلى صور ونصوص مقروءة. عدد قليل جداً قد يعرف الأسطوانة drum، المصهر fuser، تبادل البيانات data exchange، أو الكهرباء الساكنة static electricity، كل هذه التكنولوجيات تجتمع معا لطباعة مذكراتنا.

في هذه المقالة، سنكشف عن اللغز وراء طابعة الليزر، ونتتبع مسار الصفحة من الأحرف على شاشة الكمبيوتر إلى الحروف المطبوعة على الورق. كما اتضح، تعتمد عملية الطباعة بالليزر على بعض المبادئ العلمية الأساسية للغاية المطبقة بطريقة مبتكرة بشكل استثنائي.

الأساسيات: الكهرباء الساكنة

المبدأ الأساسي في عمل طابعة الليزر هو الكهرباء الساكنة. الكهرباء الساكنة هي ببساطة شحنة كهربائية مبنية على جسم معزول. بما أن الذرات المشحونة بشكل عكسي تنجذب إلى بعضها البعض، فإن الأجسام ذات الحقول الكهربائية الساكنة التي لها شحنات مختلفة تلتصق ببعضها البعض. تستخدم طابعة الليزر هذه الظاهرة كنوع من "الغراء المؤقت".

 المكون الأساسي لهذا النظام هو المستقبلات الضوئية photoreceptor عن طريق استخدام أسطوانة دوارة drum. 

تتكون الأسطوانة الدوارة من مادة عالية التوصيل ضوئياً photoconductive ويتم تفريغها بواسطة الفوتونات الضوئية light photons.

الأساسيات:

الاسطوانة الدوارة - Drum

في البداية يتم إعطاء الاسطوانة الدوارة drum شحنة موجبة بواسطة سلك شحن الكورونا، وهو سلك يمر به التيار الكهربائي. (تستخدم بعض الطابعات اسطوانة مشحونة بدلاً من سلك الكورونا، لكن المبدأ هو نفسه).

مع دوران الاسطوانة، ترسل الطابعة شعاع ليزر صغير يقوم بتفريغ الشحنات الكهربائية discharge من نقاط معينة على سطح الاسطوانة الدوارة لتصبح شحنة هذه المناطق سالبة.

بهذه الطريقة، يقوم الليزر "برسم" نموذج او قالب pattern للحروف والصور التي سيتم طباعتها بواسطة الشحنات الكهربائية -صورة إلكتروستاتيكية على سطح الاسطوانة الدوارة.

يمكن أن يعمل النظام أيضاً مع الشحنات المعكوسة - أي صورة إلكتروستاتيكية إيجابية على خلفية سلبية.

بعد عمل القالب الذي سيتم طباعته pattern، تقوم الطابعة بتغليف الأسطوانة بطبقة من الحبر ذو شحنة موجبة - مسحوق أسود ناعم. ونظراً لأنه يحتوي على شحنة موجبة فهو يتمسك

بالمناطق التي تم تفريغها من على سطح الأسطوانة الدوارة والمشحونة بشحنة سالبة، ولكن ليس إلى "الخلفية" المشحونة بشحنة موجبة.

مع التصاق مسحوق الحبر بسطح الأسطوانة الدوارة، تتدحرج الأسطوانة الدوارة فوق سطح الورقة، والتي تتحرك على سير موجود أسفل الأسطوانة الدوارة. قبل آن تتحرك الورقة أسفل الأسطوانة الدوارة، يتم إعطاؤها شحنة سالبة بواسطة سلك الكورونا (أو الأسطوانة المشحونة). هذه الشحنة أقوى من الشحنة السالبة للصورة الكهروستاتيكية التي تم عملها سابقاً على سطح الأسطوانة الدوارة، لذلك يمكن للورقة سحب مسحوق الحبر من على سطح الأسطوانة الدوارة.

نظراً لأن الورقة تتحرك بنفس سرعة الأسطوانة الدوارة، تلتقط الورقة تماماً نموذج الصورة المراد طباعتها. لمنع الورقة من الالتصاق بالأسطوانة الدوارة، يتم تفريغها من الشحنة الكهربية بعد أن تلتقط الورقة الحبر.

الأساسيات:

المصهر - Fuser

أخيراً، تقوم الطابعة بتمرير الورقة من خلال وحدة الصهر، وهي عباره عن زوج من الاسطوانات الساخنة. أثناء مرور الورقة عبر هذه الاسطوانات، يذوب مسحوق الحبر ويندمج مع الألياف التي تشكل نسيج الورقة. يدفع المصهر الورقة إلى درج الإخراج، الآن لديك الصفحة النهائية.

بالطبع يقوم المصهر أيضاً بتسخين الورقة نفسها، ولهذا السبب تكون الصفحات ساخنة عندما تخرج من الطابعة الليزر أو من ماكينة التصوير.

إذن ما الذي يمنع الورقة من الاحتراق؟ في الأساس السرعة حيث تمر الورقة من خلال الاسطوانات بسرعة كبيرة حتى لا تصبح ساخنة جداً وتحترق.

بعد إتمام طباعة الحبر على الورق، يمر سطح الاسطوانة الدوارة drum بمصباح التفريغ discharge lamp. حيث يقوم ضوء ساطع بمسح سطح الاسطوانة الدوارة بالكامل وذلك لمحو الصورة الكهربائية للصفحة التي تم بالفعل طباعتها. ثم يمر سطح الأسطوانة على سلك الشحن الكورونا، الذي يعيد تطبيق الشحنة الموجبة علي سطح الأسطوانة الدوارة بالكامل من جديد لتبدأ العملية من البدلية مرة أخرى.

من الناحية النظرية، هذا كل ما في الأمر. بالطبع، فإن جمع كل شيء في الواقع أكثر تعقيدًا. في الاجزاء التالية، سنفحص المكونات المختلفة بمزيد من التفصيل لمعرفة كيفية إنتاجها للنص والصور بسرعة ودقة.

شاهد فيديو يوضح كيفية عمل الطابعة:

فيديو اخر يوضح عملية الطباعة:

وحدة التحكم - Controller:

المحادثة – Conversation

قبل أن تتمكن طابعة الليزر من فعل أي شيء آخر، تحتاج إلى تلقي بيانات الصفحة ومعرفة كيف ستضع كل شيء على الورق. هذه هي وظيفة وحدة التحكم بالطابعة Controller.

وحدة التحكم في الطابعة هي الكمبيوتر الرئيسي المدمج في الطابعة الليزر. تتحدث وحدة التحكم إلى الكمبيوتر (على سبيل المثال، جهاز الكمبيوتر الخاص بك) من خلال منفذ للاتصالات Communication Port، مثل منفذ متوازي Parallel Port أو منفذ USB.

في بداية مهمة الطباعة، تحدد طابعة الليزر مع الكمبيوتر المضيف كيفية تبادل البيانات. قد تضطر وحدة التحكم إلى بدء وإيقاف الاتصال مع الكمبيوتر المضيف بشكل دوري لمعالجة المعلومات التي تتلقاها.

في المكتب، من المحتمل أن يتم توصيل طابعة ليزر بالعديد من أجهزة الكمبيوتر المنفصلة، بحيث يمكن لعدة مستخدمين طباعة المستندات من أجهزتهم. تتعامل وحدة التحكم مع كل واحد على حدة، ولكنها قد تكون تجري العديد من "المحادثات" في نفس الوقت. تعد هذه القدرة على التعامل مع العديد من المهام في وقت واحد أحد الأسباب التي تجعل طابعات الليزر شائعة جداً.

وحدة التحكم: اللغة

لكي تتمكن وحدة التحكم في الطابعة والكمبيوتر من الاتصال، يحتاجان إلى التحدث بلغة واحدة لكي يتم وصف الصفحة بلغة تفهمها الطابعة ويفهمها جهاز الكمبيوتر. في الطابعات القديمة كان جهاز الكمبيوتر يرسل نوعاً خاصاً من الملفات النصية وبعض الرموز البسيطة لكي يمنح الطابعة بعض المعلومات اللازمة لتنسيق الصفحة. هذه الطابعات القديمة كانت تحتوي على عدد قليل من الخطوط المستخدمة للطباعة، ولهذا كانت هذه عملية مباشرة جداً.

في هذه الأيام، قد يكون لديك مئات الخطوط المختلفة للاختيار من بينها والعديد من الرسومات المعقدة. للتعامل مع كل هذه المعلومات المتنوعة، تحتاج الطابعة إلى التحدث بلغة أكثر تقدماً.

لغات الطابعة الأساسية هذه الأيام هي لغة Printer Command Language PCL من شركة Hewlett Packard وكذلك لغة Postscript من شركة Adobe. تصف كلتا هاتين اللغتين الصفحة في شكل متجه Vector - أي كقيم رياضية للأشكال الهندسية، بدلاً من سلسلة من النقاط (صورة نقطية Bitmap Image).

تقوم الطابعة نفسها بتحويل الصفحة التي تم تحويلها الي صورة متجهة Vector Images وتحويلها إلى صفحة نقطية Bitmap Page. باستخدام هذا النظام، يمكن للطابعة استقبال صفحات معقدة التفاصيل وتحتوي على أي نوع من الخطوط أو الصور. أيضاً نظراً لأن الطابعة تنشئ الصورة النقطية بنفسها فيمكنها استخدام أقصى دقة في الطباعة.

بعض الطابعات تستخدم تقنية تنسيقات واجهة الجهاز الرسومية Graphical Device Interface GDI بدلاً من PCL القياسي. في هذا النظام يقوم الكمبيوتر بإنشاء مصفوفة النقاط نفسها لذا لا يتعين على وحدة التحكم معالجة أي شيء - فهي ترسل فقط تعليمات النقاط إلى الليزر.

ولكن في معظم طابعات الليزر يجب على وحدة التحكم تنظيم جميع البيانات التي تتلقاها من الكمبيوتر. يشمل ذلك جميع الأوامر التي تخبر الطابعة بما يجب القيام به - ما الورق الذي يجب استخدامه، وكيفية تنسيق الصفحة، وكيفية التعامل مع الخط، وما إلى ذلك. لكي تتمكن وحدة التحكم من التعامل مع كل هذه المعلومات بشكل صحيح يجب أن تتلقاها بالترتيب الصحيح.

وحدة التحكم: إعداد الصفحة 

بمجرد تنظيم البيانات تبدأ وحدة التحكم في تجميع الصفحة معاً. حيث تقوم بتعيين هوامش النص، وترتيب الكلمات ووضع أي رسومات. عندما يتم ترتيب الصفحة يأخذ معالج الصور النقطية Raster Image Processor - RIP بيانات الصفحة إما ككل أو قطعة تلو الاخرى ويقسمها إلى مجموعة من النقاط الصغيرة. تحتاج الطابعة ان تكون الصفحة بهذا الشكل حتى يتمكن الليزر من كتابتها على أسطوانة المستقبلات الضوئية photoreceptor drum.

في معظم طابعات الليزر تقوم وحدة التحكم بحفظ جميع بيانات عملية الطباعة في ذاكرتها الخاصة. يتيح ذلك لوحدة التحكم وضع مهام طباعة مختلفة في قائمة انتظار حتى تتمكن من العمل عليهم في وقت واحد. كما أنه يوفر الوقت عند طباعة نسخ متعددة من المستند حيث يتعين على الكمبيوتر إرسال البيانات مرة واحدة فقط.

مجموعة المسح بالليزر – Laser Assembly

نظراً لأنه يرسم الصفحة فعلياً فيجب أن يكون نظام الليزر الخاص بالطابعة - أو مجموعة المسح بالليزر - دقيقاً جداً. تتضمن مجموعة المسح بالليزر التقليدية ما يلي:

ليزر - مرآة متحركة – عدسة.

تستقبل مجموعة المسح بالليزر بيانات الصفحة وهي عباره عن النقاط الصغيرة التي تشكل النص والصور. وهو يستقبل خط أفقي واحد في كل مرة. عندما يتحرك الشعاع عبر الأسطوانة يطلق الليزر نبضا من الضوء لكل نقطة مطلوب طباعتها ولا يتم ارسال نبضات للنقاط الفارغة في الصفحة.

لا يحرك الليزر الشعاع نفسه ولكن شعاع الليزر يرتد من على سطح مرآة متحركة. عندما تتحرك المرآة فهي تصوب الشعاع من خلال سلسلة من العدسات. يعوض هذا النظام تشويه الصورة الناتج عن المسافة المتفاوتة بين المرآة والنقاط على طول الأسطوانة.

كتابة الصفحة

تتحرك مجموعة المسح بالليزر في مستوى آفقي واحد فقط. وبعد كل مسح أفقي لأسطوانة المستقبلات الضوئية photoreceptor drum تقوم الطابعة بتحريك هذه الأسطوانة درجة واحدة لأعلى حتى تتمكن مجموعة المسح بالليزر من رسم الخط التالي. يقوم كمبيوتر صغير يعمل عن طريق محرك بمزامنة كل هذا بشكل مثالي حتى بسرعات مذهلة.

تستخدم بعض طابعات الليزر شريطاً من الثنائيات الباعثة للضوء LEDs لكتابة صورة الصفحة بدلاً من شعاع الليزر. كل موضع نقطة مخصصه للطباعة يكون له ضوء خاص به مما يعني أن الطابعة لديها دقة طباعة واحدة محددة. هذه الأنظمة أقل تكلفة في التصنيع من مجموعة الليزر الحقيقية لكنها تنتج نتائج ضعيفة الجودة وستجد هذه الانظمة فقط في الطابعات الأقل تكلفة.

تعمل طابعات الليزر بنفس الطريقة الأساسية التي تعمل بها آلات التصوير مع وجود بعض الاختلافات المهمة. الاختلاف الأكثر وضوحاً هو مصدر الصورة: تعمل آلة التصوير على مسح الصورة من خلال انعكاس الضوء الساطع منها، بينما تستقبل طابعة الليزر الصورة بشكل رقمي.

الاختلاف الرئيسي الآخر هو كيفية إنشاء الصورة الكهروستاتيكية. ماكينات التصوير تعمل بطريقة (الكتابة البيضاء)، وفيها يرتد الضوء من الورقة الي ماكينة التصوير وينعكس الضوء على المستقبلات الضوئية من المناطق البيضاء ولكن يتم امتصاصها بواسطة المناطق المظلمة. في هذه العملية يتم تفريغ الخلفية كهربياً، بينما تحتفظ الصورة الكهروستاتيكية بشحنة موجبة.

في معظم طابعات الليزر يتم عكس العملية السابقة: يقوم الليزر بتفريغ خطوط الصورة الكهروستاتيكية ويترك الخلفية مشحونة بشحنة موجبة. ويسمي هذا بنظام (الكتابة بالأسود) وهو أسهل في التنفيذ من نظام (الكتابة بالأبيض) وعادة ما ينتج عنه نتائج أفضل.

http://computer.howstuffworks.com/laser-printer.htm