Принципы работы блоков лазера печатающих устройств

В данной статье речь пойдет о таком основополагающем компоненте лазерных печатающих устройств как блок лазера (LSU – англ., сокр. от laser scanner unit, блок лазерного сканирования; реже встречается аббревиатура ROS, сокр. от raster output scanner, сканер вывода растра).

Следует заметить, что типичные блоки лазера печатающих устройств относятся к классу 1 (CLASS 1 LASER): Лазеры и лазерные системы малой мощности, не создающие опасный для человеческого глаза уровень облучения. Несмотря на это наблюдать свечение лазера небезопасно по следующим соображениям. Во-первых, во многих странах к классу 1 относятся также лазерные устройства с лазером большей мощности, имеющие надежную защиту от выхода луча за пределы корпуса.
И, во-вторых, лазерные светодиоды принтеров обычно работают в ближнем инфракрасном (невидимом или частично видимом) диапазоне, так что человеческий глаз неспособен определить местоположение луча и не позволяет заметить длительное воздействие на сетчатку. Бытует мнение, что на большем расстоянии лазер неопасен. Это заблуждение. Лазерные приборы имеют малую ширину пучка (порядка 0,1 мм), что обеспечивает высокую поверхностную плотность энергии в поперечном сечении луча, которая сохраняется на значительном расстоянии. Именно высокая плотность энергии и может вызвать ожоги и другие повреждения.

Типичный блок лазера состоит из нескольких компонентов. Рассмотрим их работу.

Луч лазерного полупроводникового светодиода, расположенного на плате управления лазерным диодом (1), сначала проходит через коллиматорную линзу (2), где рассеянный свет формируется в цилиндрический пучок. Следом на пути луча находится цилиндрическая линза (3), задающая форму пятна луча соответственно разрешающей способности принтера (как правило, 600 или 1200 dpi).

Далее луч попадает на многогранное зеркало (5), которое приводится в движение собственным двигателем (4) и вращается со скоростью несколько тысяч или десятков тысяч оборотов в минуту. От боковых рабочих граней зеркала свет лазерного диода отражается в сторону фоторецептора («барабана»). На пути луча располагается одна или несколько Fθ (эф-тета) линз (6,7). Их назначение довольно специфично.
При развертке луча лазера на плоскую поверхность барабана изменяется длина хода луча, что приводит к его расфокусировке. Кроме того, при постоянной скорости вращения многогранного зеркала (угловой скорости луча) за один и тот же интервал времени (угол поворота) луч «пробегает» разное расстояние по краю барабана и в его центре. Как следствие, изображение будет «растянуто» на краях.

Таким образом, Fθ-линзы корректируют нелинейность движения луча по поверхности фотобарабана и сохраняют постоянной форму пятна лазера.
Ко всему прочему, во время вращения многогранное зеркало подвержено вертикальным флюктуациям (дребезгу из-за недостаточной балансировки), что может привести к искривлению строк развертки. Эта проблема так же решается использованием FΘ-линз.

В начале каждой строки луч лазера через небольшое зеркало (8) и фокусирующую линзу (9) попадает на датчик обнаружения луча (10) (BDS – англ., beam detect sensor). Датчик отслеживает работоспособность лазерного светодиода и вырабатывает сигнал горизонтальной синхронизации изображения для главной платы. Сигнал синхронизации нужен для того, чтобы все строки изображения начинались на строго заданном расстоянии от боковой границы листа. На практике, у многих печатающих устройств есть возможность регулировки горизонтальной синхронизации: увеличение времени между вспышкой на датчике обнаружения луча и началом выдачи первого символа строки приводит к смещению всего изображения на листе вправо, уменьшение – влево.
Все элементы блока лазера находятся внутри, как правило, герметичного корпуса для защиты от пыли и исключения отражения луча лазера в «ненужных» направлениях. Однако встречаются неприятные исключения.
Лазерное сканирование (засвечивание, нанесение скрытого изображения) — это процесс прохождения лазерного луча по заряженной поверхности фоторецептора. При этом происходит кратковременное включение/отключение лазерного светодиода. Области, куда попал свет лазера, становятся разряженными. «Незасвеченные» участки остаются заряженными. В результате на поверхности фоторецептора формируется скрытое изображение, готовое к проявке. Сканирование в основном направлении (по ширине) выполняется вращением многогранного зеркала, в то время как сканирование во вспомогательном направлении (по длине) – вращением барабана. Скорость движения этих элементов определяет масштаб изображения. Так увеличение скорости вращения фоторецептора (скорости вращения главного двигателя) приводит к растягиванию изображения по длине. Увеличение же скорости вращения многогранного зеркала растягивает изображение и по ширине, и по длине. Данную аномалию легко увидеть по следующему рисунку.

Эту особенность необходимо помнить при настройке геометрии изображения: сначала настраивают скорость вращения многогранного зеркала, а потом – фоторецептора.
С практической точки зрения, важно знать проблемы, возникающие в процессе эксплуатации блоков лазеров, и пути их решения.
Спасибо дочитавшим до этого места :).

Наиболее популярная неисправность – подклинивание или блокировка подшипника многогранного зеркала. Возникает из-за попадания пыли внутрь блока, недостаточной балансировки зеркала, повышенной нагрузкой на печатающий узел. Да-да, среднемесячная нагрузка на принтер в месяц – важный параметр!
Своевременно обратить внимание на повышенный шум (свист, подвывание) блока лазера может позволить избежать его дальнейшего заклинивания. Первое, что необходимо сделать в такой ситуации – тщательно очистить все оптические элементы от возможной пыли. Для очистки не рекомендуется использовать агрессивные жидкости, чтобы не смыть возможные напыления рабочих граней зеркал и линз. И конечно важно не сместить компоненты блока, т.к. это система высокоточной оптики.

Если это возможно, то рекомендуется снять многогранное зеркало и очистить его подшипник от загрязнений. Следующим этапом будет смазка. Для многогранного зеркала обычно используется магнитный воздушный подшипник. Это означает, что нельзя применять густые (силиконовые) смазки – они забьют воздушные каналы подшипника. Мы рекомендуем использовать жидкие смазки, например, автомобильную WD-40 или индустриальное веретенное масло. Небольшое количество смазки наносится на ось подшипника, после чего остатки удаляются безворсовой салфеткой. При этом достигается цель создать тончайшую масляную пленку на трущихся поверхностях. Данный метод не будет эффективным, если  втулка подшипника приобрела эллиптическую форму или началось ее разрушение.
Работоспособность лазерного светодиода, в случае возникновения соответствующей ошибки, можно проверить. Не забываем, что лазер может сжечь сетчатку глаза! Датчики большинства цифровых фото- и видеокамер (в т.ч. сотовых телефонов) способны «видеть» ближнее инфракрасное излучение. Дальше дело техники – начать печать «черного» листа и снимать изображение, например, на BDS-датчике.
Если же лазерный диод не работает – не спешите выбрасывать «старую кровать». Ведь в процессе самодиагностики сначала проверяется работоспособность двигателя многогранного зеркала, а уже потом – лазерного диода. Т.е. «полигон» в данном блоке исправен и может послужить запасным.
И напоследок напомним, что у цифровых печатающих устройств тонер прилипает к засвеченным областям фоторецептора – к тем местам, куда попал луч лазера (у аналоговых копиров наоборот). Сделано это с целью снижения нагрузки на лазерный светодиод, ведь большинство отпечатков делается с 5-6% заполнением листа тонером (время «засветки» лазером минимально). На практике, загрязнение оптических элементов блока лазера часто приводит к осветлению изображения из-за рассеивания лазерного луча от частиц пыли. Также встречается градиентное осветление, когда изображение с одного края листа насыщенное, а к другому теряет контраст. Причина –  в неравномерном накоплении пыли на рабочих гранях «полигона» из-за его вращения только в одну сторону.