激光打印机

激光打印机是将激光扫描技术和电子照相技术结合的打印输出设备，最早是在20世纪60年代末由Xerox公司发明的^[3][1][4][5]。

激光打印机的整个打印过程可以分为控制器处理阶段、墨影及转印阶段^[1][4]。主要是将电子照相技术、激光扫描技术融合其中，将所有打印的内容利用设备转换成各种图像。同时，图像通常是以像素点作为基本单元，并且利用激光打印机显现在打印纸上^[6]。

激光打印机广泛应用在政府、金融、家庭、交通、电信、医药、教育等方面的日常办公中。2016-2021年期间全国打印机市场规模由276.5亿元增长至352.1亿元，期间打印机市场规模增量为75.6亿元^[7][8]。

1969年，美国研究人员Gary Starkweather在施乐公司（Xerox）工作期间，首次提出了使用激光技术进行打印的想法，发明了激光扫描成像鼓并转印纸张的技术。^[9]

在1971年至1972年期间，Starkweather成功地开发出了世界上第一台激光打印机，称为"EARS"（Ethernet, Alto Research character generator, Scanned laser output terminal）。这台打印机使用激光束扫描来创建一个静电荷图案，然后通过粉末墨粒将图案转移到纸上，最终形成打印输出。^[9]

1977年施乐PaloAlto研究中心就研发出了第一台激光打印机Xerox9700。它是一台半人高的大型生产设备，打印精度已经达到了300dpi（现在普遍是600dpi或1200dpi），打印速度每分钟高达120页。这个型号在之后的十年中广泛用于信用卡账单、银行单据、公用事业账单的打印，直到1997年才停产^[9]。

1976年IBM为计算中心、数据中心设计了商用激光打印机IBM3800，打印速度达每分钟215页，售价30万美元，价格颇高。1979年佳能推出了第一款台式激光打印机LBP-10，尺寸更小、售价更便宜，对企业而言更实惠且负担得起；其尺寸与电烤箱相似，直到今天佳能激光打印机仍然沿用LBP的名称（LaserBeamPrinter激光束打印机）^[9]。

后来佳能研发了大幅度改进的激光打印引擎哦CX，而苹果和惠普公司正是与佳能合作，在CX引擎的基础上研发出了各自的小型桌面激光打印机^[9]。

1981年，XeroxStar8010成为第一款面向办公室应用的激光打印机；1984年，惠普推出了第一台大众化的小型激光打印机LaserJet，而苹果很快也推出了自己的激光打印机LaserWriter。惠普激光打印后来居上，在激光打印机届占有一席之地；而苹果激光打印机采用PostScript页面描述语言，则统一了计算机字体和图像打印出来的形式，同样成为激光打印机中的典型案例。1990年惠普推出第一台一千美元以内的激光打印机LaserJetIIP，后来打印机价格一路下降，直到每台只要六七百元人民币，激光打印机才走进了千家万户^[9]。

2002年，黑白激光打印机呈繁荣盛世，彩色激光打印机开始迅速发展^[10]。

2003年，随着UV喷墨技术的不断发展，第一台商用UV平板喷墨打印机问世，标志着UV平板喷墨的正式起步^[11]。

2003下半年，彩色商用办公理念的推出，成为了大陆打印机市场的一个显著的亮点^[10]，2005年 ，彩色激打引领彩色商务时代的到来^[12]。

2013年，北美地区的3D打印处于市场领先地位，并占总销售额的43.9%。其次是欧洲，排在第二位^[13]。

2018年以来，中国的DLP 3D打印机进入快速增长期，许多公司都已经推出了DLP 3D打印机产品^[13]。

激光打印机的工作流程主要包括页面转换、充电、曝光、显影、转印、定影等^[14]。主要分为三个阶段，即数据交换阶段、激光扫描阶段和电子成像显影阶段^[15]。

它的原理是为控制激光束在打印机的硒鼓上沿轴进行扫描，根据点阵组字的原理，使硒xī鼓表面感光，构成负电荷阴影，当硒鼓表酊经过带正电的碳粉时，感光部分就吸附上碳粉，然后将碳粉转印到纸上，纸上的碳粉经加热熔化后就形成永久的字符和图形^[16]。

首先，激光发射器发射激光照射棱柱形反射镜上，随着反射镜转动，光线从硒鼓的一端到另一端依次扫过，硒鼓转动，扫描又在接下来的一行进行。其次，感光硒鼓充电，激光束曝光，由于感光鼓表面是光敏材料，因此，经过激光照射的部位电位将迅速降^[17]，形成静电潜像，最后，将墨粉像转印到打印机上，经高温定影后，在打印上显示出相应的文字和图案，因此，刚刚打印出的纸张都带有一定温度。完成整个打印过程后，打印机清洁辊gǔn会自动将废粉清除、通过消电灯也会把硒鼓电荷消除，为下一次打印做好准备^[18]。

黑白激光打印机原理

激光打印机的核心技术是电子成像技术，这种技术融合了彩像学与电子学的原理和技术以生成图像，其核心部件是一个可以感光的硒鼓。硒鼓转动的同时，另一组传动系统将打印纸送进来，经过一组电极，打印纸带上了与硒鼓表面极性相同但强得多的电荷，随后纸张经过带有墨粉的硒鼓，硒鼓表面的墨粉被吸引到打印纸上，图像就在纸张表面形成了。此时，墨粉和打印纸仅仅是靠电荷的引力结合在一起，在打印纸被送出打印机之前，需要经过高温加热，塑料质的墨粉被熔化，在冷却过程中固着在纸张表面^[19]。

彩色激光打印机原理

彩色激光打印机的成像原理和黑白激光打印机是相似的，都是利用激光扫描。彩色激光打印机与黑白激光打印机最大的区别是在引擎结构上^[20]，在硒鼓上形成电荷潜影，然后吸附墨粉，再将墨粉转印到打印纸上，只不过黑白激光打印机只有一种黑色墨粉，而彩色激光打印机要使用黄、红、青、黑四种颜色的墨粉^[21]。

彩色打印机打印时，将由电脑输出我们需要打印的图案，通过打印语言转换成电信号指令给打印机，CR/DR/SR/T1/T2等相应的橡胶辊将通过打印机的高压板施加高压，当打印机接收到指令后，LSU（Laser Scan Unit）进行发光，OPC发光形成潜像^[22]。

首先将Yellow碳粉的图案转到OPC表面，然后OPC表面的图案转写到ITB上，此时OPC表面未转写的Yellow碳粉将被OPC上的刮刀清理干净。ITB上的图案持续保持在ITB上。以上的显像过程将重复进行，将Magenta、Cyan、Black的碳粉依次转写到ITB上。当四种颜色的碳粉图案都转写完成后，ITB图1上的图案再转写到纸张上。这时ITB上的刮刀动作将ITB上残余废碳粉清理掉，准备下一个图案的打印；纸张通过Fuser加热单元后碳粉融化进入纸张内部，实现彩色打印过程^[22]。

激光打印机包括电路系统、传感器系统、激光扫描系统、成像转印系统和机械传动系统等^[15]，产品结构包含激光器、高频驱动、同步器、声光调制器以及扫描器和光偏转器等^[5]。

激光扫描系统有激光器、同步器以及扫描转镜等^[15]。

激光器内部包含反光镜、圆柱透镜、图像透镜、调节器和六棱旋转镜^[23]。产生激光的光源，和普通的光源不同。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，激光器发出的光具有方向性好、单色性强、亮度高、容易叠加和分离等特点^[24]。

激光器的主要工作是发射出激光束，经反射镜射入声光偏转调制器，然后计算机将图文点阵信息转化成二进制计算机语言，通过接口发送至字形发生器，形成所需字形的二进制脉冲信息，由信号控制器经频率整合、放大加载到声光调制，对激光束进行调制。调制后的光束经镜面反射、聚焦后把光束射至感光鼓表面上，使角速度扫描变成线速度扫描，完成整个扫描过程^[23]。

扫描器根据工作方式的不同可以分为电光式、声光式以及转镜式等几种类型^[24]。

经光调制器调制后的激光束如果要在感光鼓上形成文字或图像，激光束需要完成横向和纵向的扫描移动。通常激光器都是采用固定式设计，而依靠感光鼓的旋转来实现纵向扫描。在横向扫描方面，目前采用最多的是 转镜式扫描，即采用多棱扫描镜，一般有二 面镜、四面镜和六面镜三种。扫描镜由扫描 电机驱动旋转，在旋转的同时完成横向扫 描。这种方式具有扫描幅度大、分辨率高、 能耗少、结构简单等优点^[24]。

同步器的作用就是通过同步传感器发出的同步信号来控制高频信号发生器的启停， 以保证扫描间距的一致性， 最终消除误差^[24]。

诚像转印系统主要由感光鼓、显影辊、转印装置、定影器等构成^[15]

感光鼓为激光打印机的最核心的部件，又叫硒鼓，由接地金属筒、光导层和透明绝缘保护层组成，光导层在受到光照前是绝缘体，经过光照后会变成导体，这种光导特性是激光打印机工作的核心原理^[25]，是实现数字信号转化为可见图像的基础^[26]。

充电辊给感光鼓充电使感光鼓上产生电荷，然后激光发射器发出激光对感光鼓的光导层进行曝光，被激光照射到的部分光导层变成导体，这部分的电荷与接地金属筒导通消失，没有被照射到的地方电荷依然存在，这时感光鼓上的电荷分布就形成了静电潜像。墨粉在墨仓中摩擦后会带上电荷，显影辊将墨仓里的墨粉吸附在表面，显影辊和感光鼓接触时，墨粉被吸附到了感光鼓上有电荷的地方，感光鼓表面就形成了墨粉构成的图像^[25]。

定影是指通过高温高压把已经转写到纸张上的碳粉内的树脂融化，并使之渗入纸中的过程^[27]。定影装置是激光打印机的关键零部件，其性能的优劣将直接影响打印机的能耗和打印品质。在高温高压环境中，将碳粉熔化使其渗入到纸张纤维内，从而实现定影^[28]。

机械传动系统主要由传动齿轮，光电感应器等部分组成^[15]

光电传感器由发光二极管和光敏二极管组成，通 过其光电感应特性来判定是否导通，从而通知逻辑控 制电路发送指令以实现打印机的控制。如打印纸传感 器、送纸传感器以及出纸传感器等都属于此类传感器^[29]。

激光打印机的分类方式有以下几种。

按照激光打印机的工作原理，激光打印机可分为黑白激光打印机和彩色激光打印机两种，并且拥有多功能和单功能^[31]。黑白激光打印机能进行单色打印，而彩色激光打印机能实现彩色和黑白两种打印模式^[32]。

按用途分类，激光打印机可分为如下几种^[31]。

高密度

激光打印机的打印分辨率最低为300dpi(ldpi就是指每1英寸的面积上只有1个打印点)，还有400dpi、600dpi、800dpi、1200dpi，甚至更高，达到了照相机的水平^[1][6]。

高速

激光打印机的打印速度最低为4ppm(即每分钟4页纸)，一般为12ppm、16ppm，有些工作组用激光打印机的打印速度可以达到24ppm^[1]。

噪音低

激光打印机在运行期间所产生的声音较低，通常在53db以下，所以非常适合办公场所使用，不会给日常工作带来干扰^[6]。

处理能力强

激光打印机的控制器中有CPU，有内存，控制器则相当于计算机的主板，所以它可以进行复杂的文字处理、图像处理、图形处理，这是针式打印机与喷墨打印机所不能完成的，也是页式打印机与行式打印机的区别^[1]。

打印清晰度弱

激光打印机的分辨率上限只有1200dpi，无法用于打印高质量的图片^[35]。

适用纸张单一

激光打印机的适用纸张比较狭窄，只能使用普通的打印纸^[35]。、

耗材多

激光打印机均存在预热时间，功能越多、打印速度越快则预热时间越长，通常有10s-60s不等的预热时间，预热、加温加压进行打印，这也是激光打印机能耗较高的原因^[36]。

环境问题

激光打印机在使用过程中会产生一定量的臭氧、粉尘，导致环境污染，对人体也有一定影响^[36]。

中国打印机主要运用于政府、金融、家庭、交通、电信、医药、教育等方面，随着下游领域对打印需求加大，近年来中国打印机市场规模整体呈增长态势。2016-2021年期间全国打印机市场规模由276.5亿元增长至352.1亿元。随着中国居民收入水平增长以及消费不断升级，社会对打印机的消费需求将持续增长，激光打印机的市场规模也将有望继续扩张。随着激光打印机产品性价比不断提升，用户的购买需求逐渐由单功能产品向多功能一体化产品转移。市场趋势倒逼企业加快激光打印机产品向多功能一体化方向发展，未来多功能一体化激光打印机将成为消费者购买打印设备时地首要选择^[8]。