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激光打印市场与技术发展综述

供稿人:istis  供稿时间:2005-8-30   关键字:激光打印  市场  技术  综述  
一、市场概况
目前,全球打印机市场规模约为10万亿美元。IDC发布的市场调查报告显示,彩色激光打印机在2004年的前三个季度均比2003年同期增长100%以上,整体市场份额更是比2003年同期增长110%以上。仅以2004年第二季度IDC市场数据为例,该季度打印机总出货量为2081775台,2003年同期的总出货量为1857931台,同比增长12.05%;激光打印机总出货量为476459台,2003年同期总出货量仅为326537台,同比增长45.91%;彩色激光打印机的同比增长则为133.88%。因此,彩色激光打印机已经成为拉动激光打印市场的重要力量,有专家预言彩色商务时代已经到来。
 
对于打印机市场,人们可以说出许多品牌如国外的HP(惠普)、EPSON(爱普生)、CANON(佳能)、LEXMARK(利盟)、OKI、SUMSUNG(三星)等,国内的LENOVO(联想)、实达、方正等。在这些品牌中,HP、EPSON和CANON通常被人们形容为打印市场中的“三国”,因为无论是从市场占有率,还是从打印技术本身,这三家的产品都是打印机市场的绝对领导者。而这三者中,惠普在全球打印机的市场占有率已逾40%,每年投入打印部门的研发经费超过10亿美元,拥有包括激光打印在内的打印成像专利9000多项,是激光打印机市场的龙头老大,有“全球打印机之王”之称。
 
众所周知,HP自上世纪八十年代初期就推出了激光打印机。虽然它不是第一家推出激光打印机,但却是真正把激光打印机成功打入商用的厂家。目前,它在全球激光打印市场中占住了大半壁江山,在喷墨市场也有不俗表现。EPSON则可算是针式打印机和喷墨打印机市场的老大,也可算是针打和喷打的鼻祖,其激光打印的市场起点高,一开始就利用在色彩处理方面的优势,主攻彩色激光打印机市场,短短几年就取得了非常不错的成绩,目前已是惠普的主要竞争对手之一。而CANON则在激光和喷墨打印机市场中都有不错的表现,尤以喷墨打印机市场表现更佳。
 
在国内IT市场,打印业务的市场规模仅次于PC和手机[1]。不过,根据国际数据调查公司(IDC)最新报告《中国打印机市场2005-2009年预测与分析》(参见图1),2004年中国打印机市场出货量达到731.9万台,仅比前一年增长4.9%;市场总收入为13.2亿美元,相比前一年下跌了4.3%。IDC预测,中国打印机市场呈缓慢增长趋势并在2007年开始收缩,未来五年的复合增长率为-4.9%。IDC分析说,经过多年的高速增长后,由于针式打印机市场逐渐萎缩,快速的激光打印机产品以及共享、网络打印等打印方式逐渐普及,中国打印机整体市场已基本趋向成熟,总体市场出货量增长缓慢。但是,IDC报告也指出,虽然整体打印机市场趋于下滑,彩色激光打印机市场则在2004年增长最为迅速,出货量达到7万台,相比2003年增长高达110.3%。这一市场增长的推动力主要来自低端产品价格的不断大幅下降,以及彩色商务等概念的逐渐普及。IDC预测,彩色激光打印机还将继续保持快速增长趋势,预计2009年出货量有望达到31万台。随着厂商在激光打印机市场上的更多培育与投入,网络应用、无线应用以及更低的价格,将成为未来这一市场的新亮点。
 
图1  中国打印机市场2005-2009出货量预测

 
在国内市场竞争方面,过去,HP、EPSON分别把持着激光打印机和喷墨打印机的市场领导地位,但近几年来双方产品开始向对手领域相互渗透。不过,惠普在中国激光打印机市场仍占据61.4%的出货量市场份额,在喷墨打印机市场占据38.3%,在这两个领域同列市场份额第一。在2005年第一季度的中国激光打印机市场中,惠普引领整个市场的趋势极为明显:在黑白激光打印机领域占据了61.6%的市场份额,是排名第二厂商的6.5倍;在彩色激光领域占据了56.8%的市场份额,是排名第二厂商的2.7倍;而在喷墨打印机市场也以38.3%的市场份额比排名第二厂商多出10个百分点。目前,惠普提出了多样化、网络化和彩色化的未来发展三大战略[2]
二、技术发展
1971年,施乐公司属下的帕洛阿托研究中心(PARC)在静电复印机的基础上研制成激光打印机,但直到6年之后Xerox 9700型激光打印机才开始投放市场。由于售价高昂,它在小公司和个人用户方面没有获得市场推广。1982年,惠普公司推出一款激光打印机HP2680,其体积大如冰箱、售价超过10万美元;1984年,惠普推出LaserJet系列激光打印机,体积缩小至微波炉大小,价格也“高台跳水”般降至1万美元以下,从此逐步打开了激光打印机商用市场。值得一提的是,发明了激光打印机的施乐公司,由于经营决策错误,沉醉于复印机高额利润而放弃了激光打印机这一极具市场潜力的产品,其领导地位已被惠普取代[3]
 
进入新世纪后,惠普激光打印机在技术上延袭了上世纪的扫描式曝光方式(与静电复印机原理相近,只是将曝光系统换成为激光扫描器),如图2所示。
图2  扫描式激光打印机
 
 
作为激光打印机的核心部件,激光扫描系统结构如图3所示,工作原理为:来自电脑主机的打印数据经打印控制器转换后,生成点阵信号,由此驱动半导体激光器发射出激光束,激光束通过旋转棱镜偏转,并经球面棱镜聚焦后照射在感光鼓表面,导致曝光区(明区)电荷释放、未曝光区(暗区)电荷维持不变,由于激光束从左到右断续扫描,这样就形成由明区和暗区构成的扫描直线,与此同时感光鼓旋转,循环往复便形成由紧挨直线构成的潜在影像。
 
图3  激光扫描成像系统

 
1) 技术简介
 
如上所述,激光打印机(黑白、彩色)采用了静电摄影技术,它按显影方式分为双组份显影系统激光打印机和单组份显影系统激光打印机,其中,单组份显影系统又分为磁性单组份显影系统和非磁性单组份显影系统[4]
 
磁性单组份显影系统激光打印技术
 
显影系统结构:其关键部件是显影辊(磁辊),结构简图如图4所示。其显影辊由三部分组成:即可旋转的套筒(用于将墨粉输送到光导鼓的显影区),不导电的磁棒(位于套筒内,是固定不动的)和导电元件(将显影偏压传输到套筒表面)。显影辊的质量对打印品的黑度,重影、底灰及周期性白条等都有不同程度的影响。
 
图4  磁性单组份显影系统简图

 
显影系统工作原理:当工作时,墨粉由于磁力作用被吸附到套筒表面,并随套筒一起旋转,经过刮板时,墨粉通过粒子之间、显影辊及刮板的相互摩擦而带电荷,并由于磁场作用形成磁穗,同时对显影辊套筒施加偏压,使磁穗有序排列。光导鼓表面的静电潜像区与墨粉之间产生电位差,当携带墨粉的显影辊与光导鼓接近到一定距离时,由于施加了偏压,使墨粉能够跳过间隙到达光导鼓表面,即可完成显影过程。
 
打印机基本结构:磁性单组份显影系统激光打印机的基本构成分为打印引擎及打印控制器两大部分。其打印引擎的结构包括激光扫描器、反射多棱镜、光导鼓、墨粉仓、转印器、定影器和走纸机构等。打印控制器与计算机通过接口或网络进行通讯,接收计算机发送的控制和图文打印信息,同时向计算机传送打印机的状态。打印引擎在打印控制器的控制下,将接收到的打印内容转印到打印纸上。
 
打印机工作原理:激光打印机的基本工作原理见图5。当充电器对光导鼓表面进行充电后,光导鼓表面就带有均匀的极性电荷,此时用激光束和打印控制器以电荷图形曝光的方式输出信息照射到光导鼓表面上而曝光,这时需要打印的信息被分解为点,再由激光束将这些点逐点地书写到光导鼓表面上,从而构成输出的文稿信息静电潜像。由于激光束的发射是在一系列电脉冲控制下,激光束被有规律地发射,激光发射时就产生一个点,激光不发射时就是一个空白。因此这些点组成的图像与其它部分存在电位差,潜像就会吸附墨粉成为真实图像。当附在转印鼓上的纸经过光导鼓时,鼓上带有墨粉的图像就被转印到纸上,文稿就印在纸上,最后经过定影热辊(定影器)就将墨粉固化到纸上,就完成了整个打印过程。
 
图5  打印机的基本工作原理

 
非磁性单组份显影系统的激光打印技术
 
非磁性单组份显影系统与磁性单组份显影系统相比,主要是显影系统的结构和墨粉的输送及传递方式不同。
 
显影系统结构:非磁性单组份显影系统可分为正电性光导鼓、正电性墨粉和负电性光导鼓、负电性墨粉两种系统。一般采用负电性光导鼓、负电性墨粉的显影系统的居多。非磁性单组份显影系统结构见图6所示。它主要有供粉叶片,供粉辊、限量刮板、显影辊、光导鼓(OPC)等组成。
 
图6  非磁性单组份显影系统简图

 
显影系统工作原理:当工作时,给供粉辊施以负高压,墨粉粒子带负电,同时显影辊被施加低于供粉辊的负高压,使显影辊与墨粉粒子之间的压差足以使带有负电荷的墨粉粒子被吸附到显影辊表面,并随显影辊一起旋转,通过调节刮板来控制显影辊上墨粉厚度。显影辊与光导鼓以相反的方向旋转,当显影辊与光导鼓静电潜像接触时,静电潜像与墨粉粒子之间的压差使得墨粉颗粒从显影辊上被吸附到静电潜像区,而非潜像区的电压为光导鼓的充电电压,它与墨粉粒子形成反向压差,阻止墨粉粒子吸附到光导鼓上,由此完成显影。
 
打印机结构:非磁性单组份显影系统激光打印机与磁性单组份显影系统激光打印机的结构组成不同之处有两个部分,一是它增大了粉仓容积和增加了供粉叶片部件、供粉辊,而减少了清洁装置和废粉仓;二是增加了供粉辊、显影辊的施加电压装置。
 
打印机工作原理:由主充电高压发生器给充电辊施以负高压(如-1.4KV),充电辊就给光导鼓充电,使光导鼓表面带有均匀的负极性电压(约-800V),激光扫描头与主控制器将输出的图文打印信号通过CCD转换为光信号对光导鼓进行曝光,激光扫描头发出的光信号对图文部分以光点方式发出,非图文部分则没有光点,由于光导鼓的光电特性,光导鼓有图文部分的电压变为接近0V(约-50V),无图文部分的电压仍然保持原有的-800V,由此而形成了静电潜像。同时,给供粉辊施以-500V电压,使墨粉粒子带上负极性电荷,显影辊带有-300V电压,这时负性墨粉粒子就被吸附到显影辊表面。当光导鼓潜像经过显影辊时,利用潜像与墨粉粒子间的电位差,使墨粉从显影辊上被吸附到潜像区,而非图文部分区的电压仍为-800V左右,它与墨粉粒子形成反向压差,阻止墨粉粒子吸附到光导鼓上,这时光导鼓上形成真实图像。与此同时,由转印高压发生器给转印辊施加+1.4KV高压,当光导鼓旋转到转印辊时,打印纸经过光导鼓与转印辊之间,由于光导鼓潜像带有负电,而转印辊表面电位为+800V,二者之间有一个很高的压差,墨粉就被吸附到打印纸上,形成打印图像,再通过定影器进行定影,就形成了印品。
 
2) 发展趋势
 
随着科技的飞速发展,激光打印技术也在发生日新月异的变化。总体来看,为适应信息社会的需求,激光打印机将向着多功能复合化、页面彩色化、连接网络化、3C融合化、无线打印远程化、功能模块化、操作个性化、环保节能小型化、文档打印高速化方向发展。
 
 多功能复合化
 
多功能复合化是集打印、复印、传真、扫描等功能为一身的办公设备。目前市场上的多功能复合(一体)机,不仅提高了整体运行效率,还提高了设备的可靠性。多功能复合机“小而全”的特点及相对较低的总体拥有成本(TCO),顺应了国内小企业和家庭用户对高效率、高投入回报,多能多彩办公与生活的追求。据美国专业会议报导,近年来欧美发达国家的激光打印机,多功能复合机市场销售量以30%左右的幅度增长。
 
  连接网络化
 
网络时代的办公室革命对办公设备的联网功能提出了新挑战。网络化管理作为体现打印机智能品质的一个重要指标,越来越受到业界的关注。传统共享打印方式管理性能较差,打印应用成本居高不下,缺少建立在网络平台上的专门打印管理软件。在一个企业共享打印中,员工们分散在各个办公地点,对打印机所处状态并不清楚,也许打印机暂时不能工作、硒鼓或打印纸用尽,而员工却浑然不知,依然浪费时间进行不可能的打印。因此,网络激光打印机将随着办公环境、网络基础的加强而不断完善,网络管理软件会向着实用、易用、安全可靠的方向发展[5]
 
  页面彩色化
 
彩色的办公环境,实际上是对人性化的一大推动,使色彩的商业价值日益明显。印品页面彩色化,可以使人们的理解力提高、注意力持续延长、信息搜集更加轻松。因此,彩色打印的需求,正随着现代办公的发展逐渐扩大。但是,要提高色阶和分辨率,需要处理的数据容量增加,最终导致打印速度下降。为此,各个厂商提出了不同的解决方案,EPSON (爱普生)公司在彩色激光打印中采用的AcuLaser Technology技术便是其中比较成功的方案之一[6]
 
  有效促进3C融合化
 
3C是指计算机(computer)、通讯(communication)和消费电子产品(consumer electronic)。随着Internet飞速发展,数字设备在家庭中日益普及,这意味着3C融合时代即将来临。3C融合就是利用信息技术激活其中任何一个环节,通过某种协议使3C实现信息资源的共享和互联互通,从而满足人们在任何时间、任何地点、通过3C融合的应用,为自己的工作和生活带来方便。
 
  无线打印远程化
 
随着蓝牙技术、宽带技术的发展,无线连接打印技术已经成熟并进入实用阶段。无线打印技术使用户可以穿越网线束缚、把文件直接从个人电脑、PDA和数字相机等直接发送到激光打印机,实现随时随地打印。它可以省去从移动设备传输文件到台式机的时间,从而有效地提高效率。目前无线打印除在医院行业和全体飞行员项目外,还没有广泛被采用,无线打印的黄金时代还没有来临。不过,数字相片的无线打印可能有潜力来担任这一角色。
 
  功能模块化
 
为适应用户个性化的要求及降低办公用费的成本,厂商将设计出高速度,高分辨率、多功能集成的激光打印机,并备有多种功能模块插口和多种传输接口,可以实现不同功能的部件作为选备件,用户可以根据需求选择取舍,使产品功能的提供更为灵活,同时也会提高产品打印性能扩展性,减少产品功能闲置浪费。
 
  操作人性化
 
随着激光打印技术的不断成熟,用户需求也不断增加。目前厂商基于人性化的设计理念,也正在把用户导向原则视为工作的重心。随着人性化因素的注入,很多用户已经认识到激光打印机在使用操作上简化了。日趋人性化的产品也体现了对用户体验的重视,极大地方便了用户的使用。
 
 环保节能小型化
 
“绿色办公”是对办公自动化设备制造商的基本要求,因此在设计、制造办公自动化设备时一定要充分考虑,这是大势所趋。同时,随着激光打印技术的日益成熟,实现“绿色办公”是完全可能的。这就要求办公设备在工作时,使释放的臭氧最小,定影时释放的苯乙烯气体最小或没有,设计的激光打印机不仅实现高速、高分辨率、高质化,而且能使机器体积减小,实现小型化。目前多家厂商制造的非磁性单组份显影系统的激光打印机基本可以实现环保、节能、降耗小型化。随着这种技术的成熟及聚合墨粉成本的降低,应用的不断扩大,非磁性单组份显影系统的激光打印机将成为未来市场的主流产品。
 
 文档打印高速化
 
随着打印文档量的增大,许多企业为了提高效率、降低成本,对高速打印机的需求持续增加。为此,惠普采用了彩色同速技术,也即一次成像技术,可在同一时间内在四个成像鼓上分别呈现四种颜色的“电子影像”,并吸附各自对应颜色的碳粉形成四颜色“潜影”并转印到打印介质上,最后通过定影辊实现定影。这样,由于彩色打印是一次完成,其打印速度和黑白打印一样。爱普生公司推出的集彩色打印和黑白打印为一体的彩色激光打印一体机AcuLaser CX11N,则在打印方面拥有最高2400 dpi的彩色打印能力,并且打印速度表现出众,可实现每分钟5页彩色文档/25页黑白文档的高速打印处理能力,以及最快8.7秒的首页打印输出速度[7]
 
此外,应当指出,墨粉作为激光打印机(黑白、彩色)的消耗材料,为适应图像高质化(高分辨率、高层次、高清晰度)及页面彩色化的要求,墨粉技术已向着小粒径化、粒度高均匀化、定影低温化、图像彩色化等多样性、高层次方向发展;而光导鼓(OPC)作为激光打印机(黑白、彩色)的核心部件,为适应当今的高分辨率、高寿命、高图像质量的迫切要求,光导鼓则向着高光电性(高光敏、高感度、高稳定性、长寿命、高黑度等)方向发展。
三、面临挑战
1) LED成像技术挑战彩色激光打印技术
 
彩色打印作为打印机发展的重要趋势,如果按照光扫描技术划分,则全球分成了两大阵营,它们是LED打印和激光打印。这两大核心技术把主流厂商分成了两大集团,一个集团是以HP、EPSON等为主导的激光打印技术,另一个是以OKI等厂商为主导的LED成像打印技术[8-9]
 
上世纪70到90年代,是LED大发展的年代,科学界及专业人士不断为LED替换新的化学物质,改进内部系统,使LED的高亮度空前提高,使其光源更加丰富;LED对电压的要求不再苛刻,可在低压条件下实现高效运作,同时非常节能。此时,LED技术已被OKI、东芝等厂商广泛应用于传真机、打印机、计算器、测试仪、光纤数据传输等多领域。90年代后,从婴儿期走到成长期的LED技术在全球空前高涨起来,对于LED技术的进一步研究和开发也同时展开,LED技术的应用遍及到从交通到扫描成像等各个领域。尤其以OKI、佳能等为主的打印机厂商推动LED技术在打印成像应用中走向成熟,并使之与不断发展的激光打印技术并称为数字打印成像的两大基石。
 
2) LED成像技术与彩色激光打印技术比较
 
  光扫描成像方式不同
 
OKI彩色打印机的光扫描将铝板印LED阵列作为光发射器,将数据电信号经LED转化为光信号,并照射到感光鼓成像。而普通激光打印机成像过程是将全部数据信号传送给一个光发射装置,发射出的光线经过旋转的多棱镜反射后成像于感光鼓上。前者成像的优势是光源体积减小、光传输距离短、光传输不受机械传动的限制,确保打印速度更快捷,而且随着LED的直径缩小,可以不断地提高分辨力。此外,LED的一次成像技术,平进平出的走纸方式,也大大降低了打印机的卡纸率,减少了打印机的维修几率,延长了使用寿命。
 
 光源不同
 
LED技术采用成千上万个独立的数字发光二极管,在打印时能够处理打印数据的细微变化,所产生的打印点很小,不仅可以在文字打印时将黑色小字等细微的笔划变化表现得清楚,而且在打印图像时,也能够将图像中细微的层次过渡表现分明,如OKI C3100打印出的图像,在色彩层次上的表现十分清晰;激光打印机的光源被繁杂且密集地排列在一个大容器中,容器由透镜和旋转镜等设备组成,容器高速旋转使激光束发生偏转,照射到感光鼓上,而系统复杂的调速器使光束在感光鼓上保持水平,由于激光束在感光鼓中央和边缘之间的距离差,形成了视觉上的色彩过渡。两者相比较,LED光源物质为相对独立的数字光源,且直接照射在感光鼓上,可有效避免光差和调速系统错误而形成的图像失真。
 
  系统结构与运行成本不同
 
OKI彩色打印机的LED成像系统没有激光打印系统那样复杂,简单稳固,光源寿命比较长,使用更为可靠长久。在全球,大部分采用LED技术的厂商都对其产品的使用寿命有十足的信心和质量保证。同时,OKI LED打印机的整体运行成本比较低廉,由于黑粉价格低廉,使得打印机完全可以一机两用,以取代传统的黑白激光打印机。
 
  对打印速率要求不同
 
激光打印机的激光磁头必须对到达感光鼓上的每一行光数据进行扫描和校准,在保证水平校对完整性的同时对感光鼓上的转动速度要有一定的限制。LED打印利用多点光源,无需繁琐的扫描过程,在高分辨力下,也可保持高速打印,从而最大程度上提升了打印速度。例如,采用核心的LED技术的OKI C5000系列,其打印速度最高可达黑白每分钟24页、彩色每分钟16页,对于高效办公的商业用户来说,这样的速度无疑将是处理办公文档的最佳助手。
 
此外,LED彩色打印机不仅节能节电,而且没有臭氧等异味产生,环保无污染。这对于经常工作于打印机旁的用户来说,显得尤为重要。
 
3) 小结
 
如上所述,LED打印技术与激光打印技术相比具有不少优势,其发展潜力巨大。但也应该看到,作为当前市场主流的激光打印技术业已经过几十年的发展,目前也正在不断调整和改进中,其许多性能已经得到了优化和提升。比如,① 自动图像精细技术(AIR):作为激光打印核心技术的光扫描成像,其全部数据信号串行传送给一个光发射装置,发射出的光线经旋转的多棱镜反射后成像于感光鼓上。该成像过程既复杂又缺少技术发展空间,如果想提高打印分辨率,就必须在减慢打印速度和提高多棱镜旋转速度中做出选择。而以现在的技术,多棱镜的旋转速度已达到了极限,这使得激光打印技术的发展到了左右为难的境地。但是,自动图像精细技术(AIR)的出现,有效地解决了这个问题,使得打印分辨率可轻松达到2400×600dpi。② 按需定影技术:它大大提升了打印机启动时速,不仅节省时间,而且节省能源。③ APT技术和ScoA智能压缩技术:APT技术充分利用了电脑的处理器和内存资源,和传统激光打印机相比较,采用APT技术工作的新型激光打印机仅需少量内存,这样可更大限度地优化资源,使工作效率最大化;ScoA智能压缩技术在数据传输给打印机之前,使用电脑中的内存压缩打印数据,使等待时间最小化。这些革命性的创新设计,省却了重新投资增加内存或更新内存,非常有效地降低了激光打印机用户的总体拥有成本[10]
 
因此,可以预见,尽管LED打印技术是激光打印技术的巨大挑战,但两者将作为世界上两大核心技术而长期共存,并在各自应用领域中发挥着不可替代的作用。
主要参考文献
[1]   中原,“打印机—第三大IT市场”,影像材料 1,2005,P26-26
 
[2]   张凯,“细分市场成就打印未来”,中国中小企业 1,2005,P51-52
 
[3]   陈忠民,“激光打印技术深入剖析”,微型计算机 8,2004,P100-105
 
[4]   郑西振(全国复印机械标准化技术委员会主任委员),“打印设备与耗材技术进展及发展趋势”,http://www.rechargeasia.com.cn/115
 
[5]   映美,“智能技术挑战传统激光打印机”,计算机与网络 19,2003,P13-13
 
[6]   李林芯,“彩色商务技术先行”,微电脑世界 2,2003,P82-82
 
[7]  “极速特工--惠普彩色激光打印技术探秘”,印刷杂志 4,2003,P68-69
 
[8]   欧凯,“LED与激光打印技术的世纪之战”,印刷杂志 10,2004,P18-20
 
[9]   康迪菲,“推动激光打印革新的技术”,视窗世界 4,2004,P7-7
 
[10] 文竟,“三项技术让激打更高效”,中国计算机用户 6,2003,P42-42

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