2.2 Пристрої виведення

Пристрої виведення

Основні типи моніторів ( дисплеїв)

У XIX столітті у Франції виникла техніка живопису, яку назвали пуантилізм: малюнок складався з різнокольорових точок, що наносяться пензлем на полотно. Подібний принцип використовується і в комп'ютерах.

Точки – пікселі на екрані комп'ютера збудовані в рівні ряди. Сукупність точкових рядків утворює графічну сітку, або растр (рис. 2.7). Розмір графічної сітки представляється у формі добутку числа точок в горизонтальному рядку на число рядків: М х N. На сучасних моніторах використовуються наведені вище розміри графічної сітки.

Монітор  це пристрій візуального представлення даних. Його основними параметрами є: розмір і крок маски екрана, максимальна частота регенерації зображення, клас захисту.

Звичайні комп'ютери оснащуються виключно растровими дисплеями, і тільки в найдорожчих і складних професійних графічних станціях знаходять застосування векторні дисплеї.

Спочатку найбільш росповсюдженими були дісплеї на електроннопроменевій трубці – ЕПТ наступних основних типів: сферичні, циліндричні і малої кривизни.

Поряд з дисплеями на основі електронно-променевої трубки успішно розвиваються технології, засновані на інших фізичних процесах, які призвели до появи плоских дисплеїв.

Рідкокристалічна технологія (LCD). Найпоширенішими плоскими дисплеями є дисплеї на рідких кристалах Liquid Crystal Display (LCD) (рис. 2.8).

TN-дисплеї – це перші плоскі дисплеї (Passive TN-Display), які використовували в портативних комп'ютерах. Вони представляли собою дві скляні пластини з електродами, між якими знаходився шар рідких кристалів.

STN-дисплеї. Всі сучасні технології створення рідкокристалічних дисплеїв засновані на розділі молекул TN (Twisted Nematic) – елементів. У перших моделях застосовувалася пасивна TN-технологія. Якщо кут повороту TN-елементів збільшується до 240 градусів, то говорять про технології Super Twisted Nematic (STN). Ефект повороту TN елементів значно збільшує контрастність.

Іншим удосконаленням порівняно з TN-екранами стало збільшення кута зору. Але деякі недоліки, наприклад спотворення кольору і зникаючі сліди (треки) зображення, залишилися. Пасивні монохромні LCD, виготовлені за STN-технології, широко використовувалися в монохромних ноутбуках.

DSTM-дисплеї. З метою усунення колірних спотворень, в пасивних STNдисплеях, розробники наклали два STN-шари один на другий. За допомогою електричного поля можна управляти одним з шарів таким чином, що TNелементи в ньому не будуть повертатися. Цей шар називається активним. А в пасивному шарі, що лежить на ньому, TN-елементи, як і раніше, повертаються на 240 градусів. Через ці два шари дисплеї і отримали назву Double Super Twisted Nematic (DSTN). У першому шарі падаючий промінь світла заломлюється з відомим колірним зміщенням, яке коригує другий шар.

DSTN-дисплеї дозволяють представити на екрані 16,7 млн кольорів. Контрастність стала значно вище. Однак такі недоліки, як сліди і повільне формування зображення, залишилися. До того ж, якщо екран знаходиться не прямо перед користувачем, то не можна що-небудь побачити на ньому.

DSTN-панелі були першими кольоровими екранами для ноутбуків і досі використовуються в недорогих пристроях.

TFT-дисплеї. Швидке і більш якісне зображення на плоскому екрані розробниками було отримано на початку 90-х років за допомогою тонкоплівкових транзисторів Thin Film Transistor (TFT).

На відміну від традиційних методів під час використання тонкоплівкової технології шар рідких кристалів управляється мініатюрними транзисторами, причому кожен транзистор управляє тільки однією точкою, що різко зменшує час реакції і відповідно прискорює формування зображення.

В TFT-дисплеях використовується всього лише один (до того ж дуже тонкий) активний шар рідких кристалів, який не спотворює колір. Дві інших переваги – це помірне споживання струму і менша товщина TFT порівняно з DSTN-панеллю. Коефіцієнт контрастності збільшився на порядок, що дозволило отримувати на екрані чудові зображення. До того ж роздільна здатність у TFT-дисплеїв досягає (800 x 600) пікселів. Стандартом поки ще вважається роздільна здатність (640x480) пікселів.

Складні методи виготовлення і дороге виробництво привело до того, що ноутбуки з активними DSTM-дисплеями значно дорожчі, ніж портативні комп'ютери з DSTN-панелями.

Плазмові й плазмотронні технології. Монохромні плазмові дисплеї з'явилися в середині 80-х років минулого століття, але їх виробництво для комп'ютерів не розгорнулося, так як їх не вдалося зробити кольоровими. Тепер в сучасному плазмовому дисплеї (скорочено PDP) знаходиться суміш неону і аргону, яка починає світитися під час впливу на неї електричного поля.

Кольори з'являються в результаті змішування випромінювань люмінофорів, що активізуються.

Перспективним напрямком є комбінування плазмової і рідкокристалічної технологій. У плазмотронних дисплеях Plasma Adressed Liquid Crystal (PALC) використовуються переваги тонкоплівкової технології. Рідкі кристали включаються і вимикаються за допомогою точно дозованого розряду газів.

Весь екран складається приблизно з 450 горизонтальних плазмових каналів. У результаті виходить проста конструкція, що дозволяє створювати великі і легкі екрани. У PALC-технології поєднуються дві переваги: дешеве виробництво і гарна якість зображення.

Принтери

Принтер (або друкуючий пристрій) призначений для виведення інформації на папір. Усі принтери виводять текстову інформацію, багато з них також виводять рисунки і графіки, а деякі принтери виводять і кольорові зображення.

Типи принтерів розрізняються за способом створення твердої копії, тобто перенесення інформації з файлу на який-небудь носій – найчастіше папір.

Літерні і матричні принтери мають хорошу якість друку, дозволяють одержувати кілька копій через копірку, але для виведення зображень не використовуються. У процессі виведення графічних зображень застосовуються принтери безударної дії.

Матричний принтер (рис. 2.9) заснований на системі, де друкуюча головка складається з окремих голочок, які при ударі на фарбувальну стрічку утворюють на папері символи. Залежно від конструкцій така головка може вміщати від 9 до 24 голок.

Продуктивність роботи матричних принтерів оцінюють за кількістю друкованих знаків за секунду (cps – characters per second).

Струменеві принтери – зображення формується мікрокраплями спеціального чорнила, що видуваються на папір за допомогою сопел. Таких  трубочок – сопел струменевий принтер містить від 12 до 64. Їх діаметри тонше за людське волосся! Якість паперу (його капілярні властивості і щільність) повинна забезпечувати чітке зображення під час потрапляння чорнила на папір.

Ця технологія пристосована саме для кольорового друку. Швидкість друку струменевих принтерів (час проходження аркуша від 10 до 1 хв.) Залежить від класу принтера і складності рисунка (рис. 2.10).

Лазерні принтери забезпечують найкращу (близько до типографської) якість друку. У цих принтерах використовується принцип ксерографії: зображення переноситься на папір зі спеціального барабана, на який під дією електричного заряду притягуються частинки фарби (рис. 2.11).

Лазерні принтери, хоча і досить дорогі, є найбільш зручними пристроями для отримання якісних друкованих документів.

Роздільна здатність лазерних принтерів, як правило, від 300 до 1200 точок на дюйм. Швидкість друку – від 15 до 3 с на сторінку під час виведення тексту. Обробка сторінок з рисунками до друку залежить від складності рисунка і класу комп'ютера і може зайняти значний час (до 10–15 хв.).

Робочий механізм лазерного принтера складається з компактного світлодіодного лазера, оптичної призми, фоточутливого барабана, кількох коротронів, пристрої протягання паперу і модуля нагрівання.

На першому етапі світлочутливий барабан заряджається негативним зарядом за допомогою коротрона – тонкого дротика, на який подається напруга до 5000 V. Після цього промінь лазера, проходячи крізь призму і систему дзеркал, потрапляє на барабан і розряджає точки поверхні, куди він потрапив.

Таким способом формується зображення. На наступному етапі через спеціальний ролик на барабан наноситься тонкий шар тонера. Для перенесення тонера з барабана на папір під аркушем поміщений коротрон, що формує позитивний заряд, який перетягує тонер з барабана на папір.

Далі папір проходить через модуль нагрівання з температурою 200 ° С, в результаті чого частинки тонера вплавляються в папір. Після цього поверхня барабана, з якої тонер вже перенесений на папір, висвітлюється розрядною лампою, світло якої знімає з неї заряд. Вбудований в принтері комп’ютер, повинен розпізнавати векторні і растрові дані, опис сторінок і шрифтів, а також дані напівтонів. Відмінності в «лазерниках» полягають в типі комп'ютера, що міститься в них, і програмного забезпечення, яке він використовує.

Для всіх моделей лазерних принтерів є всього кілька комп'ютерних програм. Найбільш поширені принтери, сумісні з PostScript і PCL. 

Кольорові лазерні принтери поділяють кольорове зображення на чотири напівтонових згідно моделі CMYK(Cyan, Magenta, Yellow, Black). Аркуш чотири рази проходить через принтер, щоразу друкується одне з напівтонових кольорових зображень. Точки півтони друкуються з невеликим зсувом відносно один одного, що при сприйнятті дає ефект змішування кольорів.

Світлодіодні принтери використовують спосіб друку, який відрізняється від лазерного способу тільки тим, що для нанесення інформації на світлочутливий барабан застосовується лінійка світлодіодів. Для отримання роздільної здатності 300 dpi така лінійка повинна містити 2500 елементів, а для 600 dpi  майже 5000. Незважаючи на таку високу щільність елементів, світлодіодні лінійки компактніше лазерного механізму. Крім того, в цих пристроях використовуються поля з меншою напруженістю, і тому відпадає необхідність у коротронах, які замінюються спеціальними зарядопровідними валиками.

Режим роботи з більш низькою напругою скорочує споживання енергії. У підсумку, LED-принтери не тільки компактніше лазерних, але й дешевші в експлуатації. Крім того, через відсутність коротронів ці принтери не виділяють озону і є більш екологічними пристроями. У деяких моделях для підвищення розділу друку використовується зоровий ефект, коли дві точки, розташовані поблизу одна від одної, зливаються в одну, але розташовану трохи вище. Найчастіше цей ефект застосовується в світлодіодних принтерах, оскільки в них не потрібен час на те, щоб промінь лазера пройшов всі точки горизонтальної лінії. Такі лінії можна наносити більш щільно, не збільшуючи часу друку однієї сторінки, тому в LED-пристроях роздільна здатність по вертикалі, як правило, вище, ніж по горизонталі.

Термографічні принтери використовують не лазер, а фарбувальну пасту, яка розтоплюється і наноситься безпосередньо на папір. Роздільна здатність термографічного принтера нижче ніж, як і у більшості лазерних.

Термосублімаційні принтери правильно виконують вимоги передачі кольору. Вони працюють з шарами барвників на плівці-носії (Cyan, Magenta і Yellow). Над плівкою проходить друкуюча головка з дуже точним елементом, що гріється і під дією якого частина фарби в стані газу (процес сублімації) точно дифундує на носій друку. При цьому залежно від ступеня нагрівання випаровується певна кількість барвника, звичайно досягається 256 градацій кожного кольору (8 біт на кожен барвник), в результаті чого формується реалістичне зображення з плавними переходами від пікселя до пікселя.

Провідними виробниками принтерів є фірми Hewlett Packard, Lexmark, Canon, Epson, Oki. Відзначимо їх основні моделі.

 Струменеві принтери компаній Hewlett Packard (DeskJet 420С), Lexmark (Color Jet 1000 і Color Jet 1100), Canon (BJC-250) використовують бульбашкову (термічну) технологію друку, при якій чорнильна крапля виштовхується бульбашкою, що утворюється при різкому нагріванні термоелемента, розташованого навпроти сопла. Ця технологія друку супроводжується «ефектом чайника», коли разом з основною чорнильною краплею вихлюпуються мікроскопічні бризки чорнила, що знижують чіткість зображення.

Японська фірма Seiko Epson розробила п'єзоелектричну технологію, за якою чорнильна крапля виштовхується п'єзоелектричним елементом, що задає її розмір під дією електричного імпульсу.

У всіх струменевих принтерах фірми Epson (Stilus Color 300 і вище) використовується п'єзоелектрична друкуюча головка Micro Piezo. У порівнянні з друкуючими головками бульбашкової технології вона дозволяє більш точно задати розмір і форму кожної точки, а також дещо збільшити швидкість друку. Крім того, завдяки відсутності термічних впливів Micro Piezo може прослужити набагато більше друкуючої головки бульбашкової технології. Слід зазначити, що при досить хорошій роздільної здатності (від 720 dpi) струменеві принтери (Epson Stilus Color 800, Canon BJC-620) можуть застосовуватися для невідповідальних фоторобіт без застосування спеціальних фоточорнил.

Одним з поширених лазерних принтерів є LaserJet компанії HewlettPackard. Принтери LaserJet 5L, LaserJet 6L компактні і прості в експлуатації. На передній панелі пристрою розташовані всього три світлодіодні індикатори, які фіксують стан друку.

Принтери забезпечені спеціальною функцією енергозбереження і через 15 хвилин неактивного стану переходять в режим очікування з низьким енергоспоживанням. Передбачені програмне включення і виключення засобів підвищення роздільної здатності (300 dpi і 600 dpi), регулювання щільності нанесення тонера, а також виведення в режимі чорнового друку EconoMode. Швидкість виведення – сторінка за п'ять секунд. 

Принтер Canon LBP-465 за механізмом друку і картриджу сумісний з моделлю HP LaserJet 5L, але відноситься до класу так званих Windowsпристроїв. LBP-465 укомплектований всього 128 Кб пам'яті, в ньому використовується GDI-принцип друку, трохи відрізняється від традиційного, що дозволяє спростити вбудований контролер принтера і знизити обсяг необхідної для роботи пам'яті до 128 Кб.

Світлодіодні принтери компанії OKI є дуже компактними пристроями. Висота принтера Okipageiw 15 см (в робочому стані підставка для паперу підноситься над корпусом приблизно на 10 см), площа основи – 31 x 19 см, а вага – всього 4 кг. Пристрій займає на столі не більше місця, ніж аркуш формату A4. При своїх невеликих розмірах принтер забезпечує гарну якість друку і швидкість виведення (чотири сторінки за хвилину). Реальна роздільна здатність принтера складає всього 300 dpi по горизонталі. Застосування фірмового наддрібного сферичного тонера в поєднанні з технологією підвищення роздільної здатності MicroRes600 дозволяє досягти якості, характерної для принтерів з істинною роздільною здатністю 600 dpi. За рахунок того, що образ, який передається принтеру, має роздільну здатність 600 dpi, вдається не тільки підвищити якість прорисування кривих, а й отримати більш високу чіткість напівтонових растрових зображень. Принтер працює дуже тихо (рівень шуму в межах 48 дБ). 

Термосублімаційні принтери призначені виключно для фоторобіт і виготовляються наступними виробниками: Mitsubishi, Olympus, Fargo і JVC.

Основні якості принтерів, що визначають їх порівняльні переваги з точки зору користувача, наступні:

• • • якість і швидкість друку;

    • формати паперу;

    • вартість експлуатації (режим економії тонера або чорнила і вимоги до вибору паперу);

    • можливості драйверів, що поставляються з принтером;

Вибір принтера визначається його призначенням.

• • • для дому – кольоровий струменевий принтер, причому принтери фірми HP простіші в експлуатації;

    • для офісу – лазерний принтер (якщо на робочому місці мало друкованої роботи, то може підійти і будь-який струменевий);

    • для фоторобіт:

• струменеві принтери – моделі HP Photosmart, HP DeskJet 694C, Epson Stilus Photo з фоточорнилом шести кольорів (до кольорів CMYK додаються Light Cyan і Light Magenta);

• фотопринтери для цифрових камер (термосублімаційна технологія);

• для професійних оформлювачів – термосублімаційні принтери.

3D принтери

3D-принтер – пристрій, що використовує метод пошарового створення фізичного об'єкта за його цифрової 3D-моделі. У зарубіжній літературі даний тип пристроїв також іменують фаббером, а процес тривимірного друку має назву швидке прототипування (Rapid Prototyping).

3D-друк може здійснюватися різними способами і з використанням різних матеріалів, але в основі будь-якого з них лежить принцип пошарового створення (вирощування) твердого об'єкта (рис. 2.12).

Технології, застосовувані для створення шарів наступні.

Лазерна:

• • • стереолітографія – ультрафіолетовий лазер поступово, піксель за пікселем, засвічує рідкий фотополімер, або фотополімер засвічується ультрафіолетовою лампою через фотошаблон, що змінюється з новим шаром.  При цьому рідкий полімер твердне і перетворюється на досить міцний пластик;

    • лазерне сплавлення (англ. Melting) – при цьому лазер сплавляє порошок з металу або пластику, шар за шаром, в контур майбутньої деталі;

    • ламінування – деталь створюється з великої кількості шарів робочого матеріалу, які поступово накладаються один на одного і склеюються, при цьому лазер вирізає в кожному контур перетину майбутньої деталі.

Струменева:

• • • застигання матеріалу під час охолодження – роздавальна головка видавлює на охолоджувану платформу-основу краплі розігрітого термопластика. Краплі швидко застигають і злипаються одна з одною, формуючи шари майбутнього об'єкта;

    • полімеризація фотополімерного пластика під дією ультрафіолетової лампи – спосіб схожий на попередній, але пластик твердне під дією ультрафіолету;

    • склеювання або спікання порошкоподібного матеріалу – схоже на лазерне спікання, тільки порошкова основа (на основі подрібненого паперу або целюлози) склеюється рідкою речовиною, що надходить з струменевої головки. При цьому можна відтворити забарвлення деталі, використовуючи речовини різних кольорів. Існують зразки 3D-принтерів, що використовують головки струменевих принтерів;

    • густі керамічні суміші теж застосовуються в якості матеріалу, що сам твердіє, для 3D-друку великих архітектурних моделей;

    • біопринтер – друк 3D-структури майбутнього об'єкта (органу для пересадки) проводиться стовбуровими клітинами. Далі поділ, зростання і модифікації клітин забезпечують остаточне формування об'єкта.

Фотонабірні автомати

Фотонабірні автомати – це лазерні принтери з великою роздільною здатністю, що працюють з іншими носіями відбитків.

Лазерний промінь фокусується безпосередньо на фотопапір або фотоплівку, яка потім обробляється з усіма етапами отримання знімка (проява, закріплення, просушка). Роздільна здатність у лазерних фотонабірних автоматів (від 1800 до 3000 т/д) значно вище, ніж у лазерних принтерів, оскільки отримання відбитка засноване на хімічній обробці.

Роздільна здатність фотонабірного автомата вимірюється також за напівтоновими плямами, за допомогою яких імітуються відтінки сірого. При цьому використовується здатність людського зору сприймати чорні і білі крапки, що розташовані близько один від одного, як однотонне сіре поле. Недоліки фотонабірних апаратів – висока ціна, великі розміри, необхідність спеціального обслуговування і функціонального (типу фотолабораторії) приміщення.

Плотери

Графобудівники (плотери) – це пристрої виведення, в яких зображення наноситься на носій (папір, плівку) рухомими інструментами: кульковими стрижнями, фломастерами, рапідографами, ріжучими інструментами (рис. 2.13). Як і дисплеї, ці пристрої за способом отримання зображення можуть бути траєкторного і реєстрового типів

Основне застосування такого плотера – виведення великоформатних креслень в САПР, але можливо його використання і для виведення великомасштабних зображень з векторних графічних програм.

Випускаються плотери різних розмірів – від настільних, розрахованих на формат А4, до промислових – для креслення в натуральну величину кузовів автомобілів, деталей літаків і верстатів.

Основні характеристики: розмір поля креслення, точність і дискретність креслення.

Блоки управління можуть містити генератори символів, генератори штрихових і штрих-пунктирних ліній, дозволяють змінювати масштаб зображення, креслити його з поворотом, регулювати швидкість креслення і т.ін.

За принципом дії плотери з довільним скануванням робочої поверхні розділяються на електромеханічні, оптико-механічні та рядково-реєстрові. В електромеханічних плотерах принцип дії заснований на перетворенні електричних сигналів в переміщення вузла, що пише.

У оптико-механічних плотерах зображення реєструється світловим променем на світлочутливому папері. Ці пристрої не набули широкого застосування через обмежені розміри формованого документа, а також складності наступної обробки носія інформації і його високої вартості. 

У рядково-реєстрових плотерах зображення формується на спеціальному папері (електрохімічному, електротермічному тощо), що змінює колір під впливом сигналу (хімічного, теплового тощо). Недоліки пристроїв цього типу – низька якість зображення і велика вартість носія інформації. Конструктивно графобудівники поділяються на такі типи:

• • • планшетні (з плоским столом, на якому розміщується папір);

    • барабанні (папір розміщується на транспортному барабані, а прийомні бобіни і ті, що подають, з носієм розміщуються по різні боки барабана).

Для отримання ліній різної товщини і кольору в графобудівниках реалізується зміна пишучих елементів, при цьому передбачені змінні каруселі для роботи з рапідографами, фломастерами і кульковими стрижнями.

Електростатичний графобудівник працює за принципом растрової розгортки: на папір підрядник (з щільністю 40 – 100 рядків на 1 см) наноситься негативний заряд в точках, які формують зображення, а потім над папером розпорошується позитивно заряджений барвник. Інші способи отримання зображення:

• • • струменеві плотери,

    • лазерні плотери,

    • LED-плотери.

Застосування струменевої і LED-технології стирає межу між принтерами та плотерами, і відмінною рисою останніх стає лише великий формат.