Qu'y a-t-il dans une imprimante ?

Une imprimante est un périphérique de sortie, c’est-à-dire un périphérique auquel l’ordinateur envoie des données (l’imprimante ne crée pas de données contrairement à un scanner par exemple). Schématiquement, une imprimante de type jet d’encre ou à sublimation se compose d’un contrôleur, d’une tête d’impression, du système d’entraînement de la tête d’impression et du système de déplacement du papier. Ajoutez à cela un chargeur de feuilles et un bac de réception. Pour les imprimantes laser, il n’y a pas de tête à proprement parler, mais un système de tambour photosensible associé à un laser capable de reproduire l’image à imprimer sur le tambour.

Lorsque l’imprimante a reçu les données constituant un document, elle doit reconstituer l’image sur la feuille c’est-à-dire être capable de contrôler les moteurs qui déplacent la tête d’impression et le papier, et d’activer judicieusement les multiples micro-buses d’éjection de la tête d’impression (ou piloter le laser sur le tambour photosensible pour les imprimantes laser) pour recréer l’image sur papier. Il y a donc une phase d’interprétation de l’image pendant laquelle cette dernière est transformée en une suite de commandes. C’est le travail du contrôleur d’impression. Ce dernier va piloter les divers éléments mécaniques en leur fournissant des ordres qui seront transformés en mouvements et déposition d’encre. Ce contrôleur est doté d’un processeur, de mémoire vive, de mémoire morte contenant le micro-code de l’imprimante (le système d’exploitation en quelque sorte) et de ports de communication pour se relier à l’extérieur. Comme la reconstitution d’images à imprimer est une tâche complexe, il existe de véritables langages de programmation des imprimantes tels le HPGL, le PCL5 ou le Postcript.

Communication avec l'ordinateur

Avant d’obtenir un document imprimé, il faut évidement que l’imprimante ait reçu la page ou l’image à imprimer ; que ce soit en provenance d’un ordinateur, d’un appareil photo ou d’une carte mémoire. La page à imprimer est généralement transmise par un câble de données, plus rarement par une liaison sans fil, ou alors directement transférée à partir d’une carte mémoire enfichée. Le contrôleur d’impression est celui qui est chargé de la gestion des communications avec la source de documents, par exemple votre ordinateur. Les données sont transférées à l’imprimante en série (port USB) ou en parallèle (port Centronics). Bien qu’initialement unidirectionnelle avec les premières imprimantes, la communication entre l’imprimante et l’ordinateur est actuellement bidirectionnelle : l’ordinateur envoie les données vers l’imprimante et l’imprimante renvoie à l’ordinateur des informations sur son état, ainsi que sur l’avancement du travail d’impression. Une imprimante peut disposer de plusieurs ports de communication différents : par exemple, un port USB 2.0, un port Ethernet ou une liaison Wi-Fi. Une imprimante laser Ethernet est capable de servir plusieurs utilisateurs différents si elle est connectée à un réseau.

Impression laser

Cette technologie est basée sur un concept radicalement différent de celui des imprimantes à jet d’encre. L’impression utilise une encre sous forme de poudre très fine appelée « toner ». Un laser piloté par le contrôleur d’impression va tracer sur un tambour photosensible une image de la page à imprimer. Un système électrique va ensuite transformer cette image en image électrostatique. Quand le tambour passera devant le distributeur de toner, la poudre d’encre sera attirée par toutes les parties sensibilisées par le laser. Le toner va se déposer très précisément sur le tambour. Une feuille de papier vierge, chargée électriquement de manière à capturer l’image de toner, sera alors plaquée sur le tambour. Cette feuille imprimée va quitter le tambour et sera chauffée à haute température pour fixer le toner juste avant de sortir.

Détaillons les composants principaux d’une imprimante laser :

Le tambour

Il s’agit du composant principal de l’imprimante laser. De forme cylindrique, il est recouvert d’une couche uniforme de matériau photoconducteur qui est directement sensibilisé par la lumière. Comme il est en contact avec l’encre et le papier, son bon état de surface et sa propreté avant la création d’une nouvelle page sont primordiaux. Le tambour tourne sur lui-même. Il est d’abord chargé électriquement de manière uniforme par un rouleau spécial (ou un fil métallique appelé Corona), puis un laser va dessiner l’image à imprimer à sa surface. Le passage du laser provoque une inversion de polarité de la charge précédemment appliquée sur le tambour, ce qui place une « image » électrostatique du document à imprimer sur le tambour. Cette image chargée électriquement va attirer les particules de toner qui sont d’une polarité inverse. Elles vont donc se placer aux endroits désirés pour reproduire l’image. Une feuille de papier est alors plaquée sur le tambour. Comme elle est chargée électriquement avec la même polarité que le tambour, mais plus fortement, elle va capturer l’encre du tambour, libérant ce dernier qui sera nettoyé d’éventuels résidus et chargé à nouveau uniformément pour un nouveau cycle.

Le module laser

C’est le composant qui dessine l’image à imprimer sur le tambour. La source est généralement une diode laser. Le faisceau lumineux est dirigé et déplacé sur le tambour par l’usage d’un miroir mobile (le laser ne se déplace pas), et allumé ou éteint selon les besoins. L’image est construite par le rayon laser, ligne horizontale par ligne horizontale. La finesse et la concentration du faisceau déterminent la résolution maximale de l’imprimante. Une lentille optique permet la bonne focalisation du rayon.

La cartouche de toner

Elle sert au stockage de l’encre solide. Elle a une forme étudiée pour répartir régulièrement la poudre et doit être étanche lors des opérations de maintenance car le toner est une très fine poudre salissante et toxique. Souvent, le placement du toner sur le tambour nécessite un rouleau intermédiaire entre le tambour et cette cartouche.

Le four ou « fuser »

Le toner est une poudre solide constituée de pigments et de plastique. D’eux-mêmes les pigments n’adhèrent pas ; il faut donc faire fondre la composante plastique du toner et le plaquer fermement sur le support pour que l’encre soit fixée de manière durable sur le papier. C’est le travail du « fuser ». Il s’agit d’un ensemble alliant deux rouleaux presseurs à un système de chauffage. Le chauffage peut s’effectuer directement par les rouleaux presseurs, par infrarouge ou par l’usage d’une puissante lampe au xénon.

Bien que les imprimantes jet d’encre soient moins chères à l’achat que les imprimantes laser, ces dernières se rattrapent nettement sur le terrain des coûts de fonctionnement. Les cartouches de toner sont économiques et durent nettement plus longtemps que des cartouches d’encre. C’est pour cela que les entreprises utilisent des imprimantes laser. De plus, les imprimantes laser associent un moteur d’impression performant à des capacités de traitement également supérieures. Les prix des imprimantes laser sont actuellement au niveau de ceux des imprimantes jet d’encre haut de gamme.

Les avantages des imprimantes laser sont la vitesse, la précision et l’économie. Un rayon laser peut se déplacer très rapidement, aussi peut-il écrire avec une vitesse plus grande que celle des imprimantes jet d’encre. De plus, la taille du faisceau laser est d’un diamètre constant, ce qui autorise à résolution inférieure un tracé plus précis que celui d’un système à jet d’encre, et donc une meilleure utilisation de l’encre. Résultat : les polices de caractères de petite taille sont souvent mieux définies que celles obtenues par une impression à jet d’encre.

Au chapitre des inconvénients des imprimantes laser, citons la difficulté d’imprimer sur les supports sensibles à la chaleur (transparents, papier transfert), un temps de mise en route (chauffage) supérieur à celui des imprimantes jet d’encre, et un niveau de bruit parfois important. Enfin, les imprimantes laser consomment un peu plus d’électricité que les imprimantes jet d’encre.

Impression laser couleur

Les imprimantes laser couleur emploient deux types de technologies d’impression dérivées de l’impression laser noir et blanc : un système en une seule passe (dit « tandem ») où les toners de chaque couleur primaire sont disposés en même temps sur le tambour d’impression, et un système multi-passe (dit « carrousel ») qui nécessite quatre passages du document sur le tambour (un pour chaque couleur primaire, plus un pour le noir). Le système en un passage est plus complexe et donc plus cher que le multi-passe, mais il est plus rapide. En fait, avec un principe mono-passe, la vitesse d’impression est la même en noir et blanc et en couleur, alors que le carrousel est bien plus lent en couleur qu’en noir et blanc.

Impression LED

C’est une version économique de la technologie d’imprimante laser. La seule différence est la présence d’une barrette de LEDS (ou Diodes Électro Luminescentes, DEL) qui remplace le laser pour marquer l’image sur le tambour photosensible. Cette technologie est loin d’offrir la finesse d’un laser (elle plafonne à 300 ppp), et n’est quasiment plus employée en pratique.

Impression jet d'encre

Le principe de fonctionnement des imprimantes à jet d’encre est simple. Il s’agit de projeter de minuscules gouttelettes d’encre (actuellement quelques picolitres) par une matrice composée d’une multitude de petits trous (les buses). Cette matrice de trous est la tête d’impression. Chaque gouttelette créera un point sur la feuille. Il suffit donc d’actionner le nombre désiré de buses (situées aux endroits de la matrice formant la lettre ou le tracé graphique recherché) pour obtenir le tracé correspondant sur le papier. Une tête comporte plusieurs centaines (voire plusieurs milliers pour les plus avancées) de buses. L’encre liquide vient d’un réservoir souvent accolé à la tête d’impression. Ce procédé simple a malheureusement un talon d’Achille : l’encre qui finit par sécher et boucher les micro-trous en cas d’usage rare de l’imprimante, et qui rend l’impression défectueuse, voire impossible. Pour lutter contre ce problème, toutes les imprimantes à jet d’encre disposent de procédures et de systèmes automatiques de nettoyage des têtes. Hélas, si dans la majorité des cas, ces procédés de nettoyage permettent de garder les têtes en état, ils entraînent une surconsommation d’encre qui épuise rapidement les cartouches.

Procédé à bulle d’encre (thermique)

Il s’agit du procédé de projection de jet d’encre le plus employé actuellement. L’encre est projetée au travers des micro-buses par une surpression créée par des micro-éléments chauffés électriquement. En chauffant l’encre à haute température très brusquement, il se crée une microbulle de gaz par volatilisation de l’encre. Cette bulle, en se dilatant, va projeter l’encre devant elle, au travers de la buse désirée. Le refroidissement permettra l’arrivée d’encre nouvelle devant l’élément chauffant.

Procédé piézo-électrique

Dans ce système de jet d’encre, employé uniquement par Epson actuellement, la surpression qui projette la microgoutte d’encre est obtenue par un micro-élément vibrant de type piézo-électrique (un cristal de quartz qui réagit à l’application d’un courant électrique par la production d’un mouvement). Ce procédé permet un contrôle précis de la taille des gouttes projetées et est moins contraignant sur la composition de l’encre, puisque cette dernière n’est pas chauffée.

Sublimation thermique

Ce procédé utilise une tête d’impression formée d’une matrice de micro-résistances chauffantes. L’encre des trois couleurs primaires (cyan, magenta, jaune) est solide et se présente sous la forme d’un film se déroulant devant la tête d’impression. La couleur, chauffée par le contact de la tête, se sublime et passe de l’état solide à l’état gazeux. Elle se refroidira puis se condensera au contact du papier pour créer un point d’une teinte variable en fonction de la température de la tête. Comme il y a 256 réglages de température par couleur primaire et que l’imprimante a la capacité de superposer ces teintes, cela permet d’imprimer chaque point directement dans une nuance choisie dans une palette de 16,7 millions couleurs. Ce procédé évite donc de devoir créer des teintes intermédiaires par juxtaposition des couleurs primaires comme y sont obligées les imprimantes jet d’encre ou les imprimantes laser couleur. Ainsi, une imprimante de résolution 300x300 ppp en sublimation thermique donne des résultats équivalents à ceux d’une imprimante à jet d’encre en 1200x4800 ppp. De plus, par ajout d’un vernis, ce procédé « plastifie » la photo une fois les couleurs déposées, ce qui donne un rendu final très proche des photos argentiques ainsi qu’une bonne résistance à l’eau et à la lumière.

Système soustractif

Le système de couleur des imprimantes est dit soustractif. Il utilise au minimum trois couleurs primaires soustractives, cyan, magenta et jaune, pour créer toutes les nuances nécessaires. Les couleurs sont générées en combinant des quantités variables d’encre ou de toner dans les trois teintes de base sur un support (papier, etc.). Le noir correspond à la combinaison des trois couleurs primaires alors que le blanc correspond à l’absence complète d’encre sur le papier. Certaines des premières imprimantes couleur employaient ce principe, mais la teinte noire obtenue n’était pas parfaite, de plus l’utilisation d’encres de couleur pour créer du noir n’était pas économique. Une amélioration naturelle fut le rajout d’une cartouche d’encre noire au système. Le CMJN (Cyan, Magenta, Jaune, Noir), ou CMYK pour les Anglo-Saxons, était né. C’est le système de création de couleurs le plus employé actuellement.

Système additif

L’autre système de création de couleurs, employé par les écrans vidéo, est dit additif. On combine des quantités différentes de lumière de chacune des trois couleurs primaires : rouge, vert, bleu (RVB) pour obtenir toute la palette de couleurs. Le noir vient de l’absence des trois couleurs et le blanc est obtenu par combinaison des trois couleurs à leur niveau maximal de luminosité.

Cette différence dans la manière de créer les couleurs sur un écran et sur un document à l’aide d’une imprimante explique les difficultés rencontrées pour obtenir une bonne concordance de teintes entre ces deux supports. Pour des représentations fidèles, il est nécessaire d’appairer les teintes vues à l’écran avec celles imprimées. Il faut donc employer un système spécial de concordance des couleurs. Sous Windows XP, c’est l’ICM (Image Color Management) qui s’occupe de cette tâche (Windows Vista dispose, lui, du WCS [Windows Color System]).

Vers une meilleure restitution des teintes

La demande d’une plus grande qualité pour l’impression de photos en couleur sur les imprimantes jet d’encre a fait progressivement apparaître des machines dotées de six teintes de base (rajout des cyan clair, magenta clair au CMJN), voire de huit teintes de base (on ajoute du rouge et du bleu, ou du rouge et du vert) ou plus. La multiplication des teintes améliore l’espace de couleurs reproductible (gamut) et facilite les dégradés de couleur. Certaines imprimantes photo proposent même une cartouche de teinte grise pour améliorer le rendu des photos en noir et blanc, ce qui évite d’avoir des dominantes de couleur sur les photos en noir et blanc.

Evolutions futures

Quelques mots sur les tendances qui se dessinent dans l’univers des imprimantes :

Les imprimantes jet d’encre polyvalentes vont venir concurrencer de plus en plus les imprimantes photo à sublimation, et ce par l’amélioration de la résolution grâce à des têtes qui comportent de plus en plus de buses et par la multiplication du nombre de teintes de base présentes. La guerre des prix sur les consommables entamée par Kodak avec ses cartouches d’encre à 50% du prix de ses concurrents devrait renforcer cet effet.

On constate aussi des améliorations du côté des imprimantes laser couleur pour l’impression de photos ce qui était inconcevable il y a peu. Même si ces imprimantes sont loin de valoir les imprimantes à jet d’encre ou la sublimation dans ce domaine (le papier ne peut être très épais), cette utilisation deviendra sûrement acceptable à court terme.

Le segment des imprimantes multifonctions va encore se développer, car leur qualité d’impression et leur vitesse a beaucoup progressé, et ce pour un prix très raisonnable.