Классическая электрофотография

Электрофотографический (ЭФГ) процесс разнообразен, но его основные этапы уже стали типовыми и составляют так называемый классический вариант, который находит широкое применение при создании аналоговой аппаратуры различного назначения. Классический вариант довольно хорошо известен, поэтому мы ограничиваемся лишь кратким рассмотрением прохождения его этапов в их взаимосвязи, отвечая на следующие основные вопросы:

1. Суть классического варианта и характеристика его типовых этапов
2. Разновидности классического варианта
3. Реализованные возможности классической электрофотографии.

ЭФГ-процесс можно представить в виде преобразователя информации, имеющего вход (объект) и соответствующий ему выход (изображение). Световое поле информационного входа воспринимается преобразователем (одновременно или по элементам) и, после соответствующих изменений по цепочке: модулированный световой поток → распределение зарядов → электрическое поле → тонер, получаем распределение частиц тонера, составляющее изображение объекта, т. е. информационный выход.

Информационным входом для ЭФГ-аналоговой аппаратуры может быть: типографский, картографический, машинописный, рукописный (одноцветный, многоцветный или полноцветный) оригинал. В отдельных случаях это может быть микроформа оригинала или комплект цветоделенных диапозитивов.

Информационным выходом может быть: факсимильная или отредактированная форма оригинала, увеличенная копия микроформы, микроформа оригинала или ее копия.

Информационный выход - это одноцветное, многоцветное или полноцветное изображение, чаще всего полученное на бумаге, или на фоторецепторе однократного применения, чаще всего прозрачном.

ЭФГ-процесс состоит из нескольких, последовательно выполняемых основных и дополнительных этапов. Перед началом рассмотрения функций и физических основ этих этапов целесообразно рассмотреть процесс, как одно целое. Для этой цели подходит вариант ЭФГ-процесса, реализуемый в копировальной аппаратуре.

  На рисунке представлен типичный вариант электрофотографического процесса: I - зарядка (электризация); II - экспонирование; III - проявление; IV - перенос; V - закрепление; VI - очистка. 1 - основа; 2 - электрофотографический слой; 3 - электризатор; 4 - оригинал; 5 - объектив; 6 - тонер; 7 - бумага; 8 - электризатор переноса; 9 - закрепляющие валики; 10 - копия; 11 - устройство очистки.

Первый этап получения изображения – это зарядка (электризация) фоторецептора (ФР). Для этой цели обычно используется электризатор коронного разряда, с помощью которого ФР равномерно покрывается электростатическими зарядами той или иной полярности. Заряженный электрофотографический слой (ЭФС) фоторецептора становится светочувствительным.

На втором этапе на этот слой проецируется оптическое изображение оригинала. Из-за снижения электросопротивления освещенных участков, которое пропорционально количеству освещения (экспозиции), происходит нейтрализация поверхностных зарядов ЭФС. Оставшиеся после экспонирования электрические заряды образуют, так называемое, скрытое электростатическое изображение (СЭИ). Это изображение становится видимым на этапе проявления (этап 3) путем избирательного осаждения заряженных частиц тонера.

Следующим этапом является перенос. На ФР с тонерным изображением накладывается воспринимающая основа, чаще всего бумага), и, под действием внешнего электростатического поля, частицы тонера отрываются от ФР и переходят на эту основу. Воспринимающая основа (бумага) отделяется и тонерное изображение на ней закрепляется, проходя между валом термоузла и прижимным роликом (этап 5).

Фоторецептор очищается от остатков тонера (этап 6) и подготавливается к новому циклу ЭФГ–процесса. Рассмотрим эти этапы более подробно.

1. Зарядка

Зарядка (синоним — электризация) ФР является первым этапом электрофотографического изображения. Она подразделяется на две группы: зарядка носителя и зарядка поверхности ФР путём нанесения на него электростатических зарядов, создающих начальный потенциал ЭФ состояния.

Сущность процесса зарядки — осаждение в электрическом поле на поверхности ЭФС положительных или отрицательных (в зависимости от выбранной полярности) ионов воздуха. Осажденные ионы образуют поверхностный электростатический заряд +q.

Индуцированные компенсирующие заряды противоположной полярности(-q) располагаются на границе фотополупроводникового слоя и электропроводящего слоя или в объеме фотополупроводника, образуя, так называемый, заряд экранирования. Таким образом, заряженный ЭФС (по аналогии с заряженным конденсатором) представляет собой электрически нейтральную систему, внутри которой существует сильное электростатическое поле порядка (10⁷-10⁸) В/м.

В целом система неравновесна. Для создания и сохранения потенциала в течение времени, достаточного для проведения процесса экспонирования, необходимо учитывать ряд факторов, влияющих на стабильность зарядов. Например, повышение температуры может вызвать термоэлектронную эмиссию и уменьшение заряда.

Зарядка ФР может осуществляться различными методами, среди которых наиболее распространён коронный разряд. Сущность его заключается в ионизации воздуха вблизи коронирующего электрода и переносе зарядов на поверхность ФР.

При положительной короне на поверхность осаждаются положительные ионы Н⁺(Н₂О)_n, при отрицательной полярности зарядки носителями заряда, в основном, являются кластеры типа СО₃^2-. Обильно выделяющиеся ионы кислорода (О^2-) стабильных поверхностных зарядов не создают, но способствуют образованию озона (О₃).

В процессе зарядки важным параметром является потенциал поверхности ФР. Он зависит от напряжения на коронирующем электроде, расстояния между электродами и условий окружающей среды (температура, влажность).

Стабильность процесса зарядки также зависит от конструкции устройства. Например, наличие экранирующих элементов позволяет уменьшить влияние внешних факторов и повысить равномерность распределения заряда.

В некоторых конструкциях применяется сетка (управляющий электрод), расположенная между коронирующим электродом и ФР. Это позволяет регулировать величину потенциала и повысить точность процесса.

Процесс зарядки в цветной электрофотографии существенно влияет на качество изображения, поскольку любые отклонения приводят к искажению цветопередачи.

2. Экспонирование

Функцией последующего этапа — экспонирования является образование на фоторецепторе (ФР) зарядного рельефа — скрытого электростатического изображения. Сущность процесса экспонирования — избирательная нейтрализация осажденного в процессе зарядки электростатического заряда, т. е. фоторазрядка ФР под действием модулированного светового потока.

Интенсивность фоторазрядки зависит от экспозиции, которая определяется количеством энергии, сообщаемой ФР, и выражается по формуле: Н=L_эф.t

Где L_эф. – эффективная облученность ФР, t – время облучения.

При описании процесса экспонирования основными являются критерии, определяющие вход и получаемый результат, т. е. номинальная экспозиция и номинальный электростатический контраст. Их связь может быть установлена по характеристической кривой ЭФГ-процесса экспонирования ΔUc = f (lg H).

ЭФГ-процесс, в отличие от обычной фотографии, допускает промежуточный контроль получаемого изображения, начиная с первых этапов технологического цикла. Потенциал ФР обычно измеряется бесконтактным методом, для чего используются индукционные приборы типа динамических электрометров с вибрирующим электродом. Электрические методы позволяют определить уровень зарядки ФР, темновой спад потенциала, кинетику и величину фоторазрядки и даже микрораспределение зарядного рельефа скрытого электростатического изображения (СЭИ). Таким образом, параметры изображения в какой-то мере могут быть установлены еще до проявления частицами тонера.

Техническая реализация процесса экспонирования в аппаратуре весьма разнообразна. Оптико-осветительная система копировальной аппаратуры обычно содержит осветительные и проекционные устройства. Осветительные устройства обеспечивают освещение оригинала и состоят из ламп, отражателей, конденсора и элементов конструкции. Проекционные устройства воспроизводят оптическое изображение оригинала в плоскости ФР и состоят из линзовых, зеркально-линзовых, световодных (градановых) систем с щелевыми диафрагмами и другими элементами. В копировальной аппаратуре распространены два типа проекционных систем экспонирования: покадровое проецирование и построчная (щелевая) развертка изображения оригинала. При покадровом экспонировании оптико-осветительная система остается неподвижной. Освещается и проецируется на поверхность ФР одновременно весь оригинал. Однако такие системы в основном используются в микрографической аппаратуре и непригодны для ФР цилиндрической формы. Поэтому наибольшее распространение получили системы построчного (щелевого) проецирования узкой полоски оригинала. Они более компактны и менее энергоемки, что позволяет увеличить производительность аппаратуры. Построчное проецирование может быть решено двумя методами. Первый метод – стационарное исполнение, когда элементы оптико -осветительного устройства остаются неподвижными, а развертка изображения оригинала осуществляется за счет синхронного перемещения оригинала и ФР. Метод нашел применение в основном в низкоскоростных аппаратах. Второй метод – подвижный вариант, когда проецирование изображения оригинала осуществляется при перемещении самой оптико-осветительной системы. В современных электрофотографических аппаратах для копирования конструкторской документации применяется линейная градановая оптика. В цифровых печатающих устройствах, где изображение оригинала считывается электронными методами и, после аналоговоцифровой обработки, воспроизводится системой развертки, процесс экспонирования делится на две части: считывания и развертки.

При получении цветного изображения процесс экспонирования повторяется три раза, причем каждый раз цветной оригинал считывается через сменные цветоделительные фильтры синего, красного или зеленого цвета.

3. Проявление

Функцией этапа проявления является физическая визуализация скрытого электростатического изображения, сформированного на ФР. Проявление тонером является наиболее распространенным, характерным методом визуализации. Проявление происходит в результате электростатического взаимодействия заряженных окрашенных частиц с полем СЭИ. Частицы тонера осаждаются на поверхность ФР избирательно, что превращает СЭИ в видимое изображение.

Проявление в общем случае может осуществляться сухими или жидкими проявителями, свободными или связанными с определенным типом носителя частицами тонера, проявляться на неподвижном или движущемся ФР, получаемое изображение быть одноцветным или многоцветным и т. д. Однако основной отличительный признак метода проявления — это физическое состояние частиц тонера в момент проявления, т. е. степень связи тонера с носителем. По этому признаку методы проявления подразделяются на две группы:

I группа: проявление частицами тонера, которые связаны с определенным типом дисперсного носителя;

II группа: проявление относительно свободными частицами тонера, диспергированными в гомогенной инертной среде (жидкости или воздуха).

I группа методов проявления обычно использует двухкомпонентный сухой проявитель, состоящий из относительно крупных частиц носителя, покрытых мелкими частицами тонера. Ранее в аппаратуре широко используемый каскадный метод проявления в настоящее время полностью вытеснен и заменен методом магнитной кисти. Характерным представителем II группы является жидкостный метод проявления. В современной аппаратуре в основном используются методы магнитной кисти или донорного валика. Эти методы реализованы великим множеством конструктивных решений.

В цветной аппаратуре каждое цветоделенное СЭИ проявляется последовательно тонерами дополнительных цветов (пурпурным, голубым и желтым). При их субтрактивном наложении методом триады воспроизводится цветное изображение.

4. Перенос

Функцией этапа переноса является перемещение частиц тонера с поверхности ФР на другую постоянную воспринимающую основу — чаще всего на бумагу. Сущность процесса переноса — электростатическое притяжение частиц тонера к воспринимающей основе с последующим их отделением от ФР, происходящее под действием электростатических сил внешнего поля. Этап переноса необходим только для варианта ЭФГ-процесса с ФР многократного применения.

Для переноса тонерного изображения, тонер и воспринимающую основу приводят в контакт, а к обратной стороне основы прикладывают потенциал относительно проводящей основы ФР или заряжают этот материал в коронном разряде. Эффективность процесса переноса оценивается коэффициентом переноса. Эта эффективность зависит от величины частиц тонера, от адгезионных сил между частицами, от остаточного рельефа СЭИ, а также от внешних условий, например влажности воздуха. Коэффициент переноса можно увеличить, если тонерное изображение предварительно зарядить в коронном разряде противоположной полярности по сравнению с полярностью частиц. Механический прижим, шероховатость поверхности материала также влияют на эффективность переноса, особенно на разрешающую способность перенесенного изображения.

Конструктивные решения устройств переноса могут быть разнообразными. Это зависит от применяемого фоторецептора (цилиндрический или плоский) и воспринимающей основы (рулонная или листовая бумага), а также от общей компоновки аппаратуры. Рядом с электризатором переноса обычно устанавливается второй электризатор (электризатор отрыва), на который подается напряжение противоположной или переменной полярности, облегчающее отделение электростатически заряженной бумаги от ФР. Иногда перенос происходит при прижиме бумаги эластичным валиком, на поверхность которого подается постоянное напряжение. При использовании специальной воспринимающей основы с адгезионным покрытием перенос происходит без применения сил внешнего электростатического поля.

В случае цветной электрофотографии происходит многократный перенос на одну и ту же основу. Основные проблемы при этом - точное совмещение составляющих изображений, а также исключение обратного переноса.

5. Закрепление

Функцией этапа закрепления является придание механической прочности тонерному изображению, перенесенному на воспринимающую основу. Сущность процесса закрепления - химическое, тепловое или механическое воздействие на основу с тонерным изображением, приводящее к существенному увеличению адгезии частиц тонера к поверхности или к внедрению частиц непосредственно в основу.

В ЭФГ-аппаратуре нашли применение следующие методы закрепления:

• закрепление в парах растворителей (жидкостное закрепление);
• термическое закрепление под действием теплового потока или инфракрасного излучения;
• термоконтактное закрепление;
• термосиловое закрепление.

В современной аппаратуре применяются, в основном, термические методы. В своем совершенствовании они развивались от термического бесконтактного до термосилового закрепления, ставшего наиболее распространенным методом. Промежуточным вариантом является термоконтактное закрепление, при котором помимо воздействия теплового потока от трубчатых нагревателей производится подогрев основы бумаги с тыльной стороны, например, нагретым вращающимся валиком.

В цветной электрофотографии закрепление имеет дополнительную функцию — гомогенизацию зернистой структуры элементов изображения. Эти элементы должны быть прозрачными, т. к. только в этом случае возможен качественный синтез цветов. Особенно это важно при изготовлении цветных диапозитивов.

6. Очистка

Функцией этапа очистки является подготовка носителя информации многократного применения к следующему циклу работы. Сущность процесса очистки — это удаление с поверхности ФР частиц тонера, которые остались не перенесенными с ФР на воспринимающую основу. Удаление этих частиц является очень важным, так как в случае их остатков на ФР на следующем цикле проявки они будут создавать дефекты изображения. Очистке могут предшествовать некоторые подготовительные операции: перезарядка электрофотографического слоя (ЭФС) с остатками изображения, засветка ФР и т. д. Это способствует уменьшению силы связи тонера с ФР и нейтрализации зарядного рельефа предыдущего изображения.

Устройство очистки в общем случае состоит из очищающего элемента, узла транспортировки тонера из зоны очистки и узла его сбора для повторного использования или последующего выброса. На выбор схемы очистки влияет тип проявителя и ФР, скорость работы аппаратуры и другие факторы. В первую очередь это касается очищающего элемента, который выбирается по характеру воздействия на частицы тонера и по физическому процессу отрыва этих частиц. По указанным признакам устройства очистки можно подразделить на механические, аэродинамические, электростатические, комбинированные и др. Однако, для подавляющей части современной офисной техники с различными системами проявки и разными показателями производительности (скорости печати, копирования, сканирования) чаще всего используют очистку с помощью очищающего ножа-ракеля. В последнее время для высокопроизводительных скоростных цифровых печатных машин, где ФР испытывает большую нагрузку, производители вновь вернулись к вращающемуся меховому валику, мех которого изготовлен из мягкого, прочного искусственного материала.

Разновидности классического электрофотографического процесса

В практике известны различные варианты классического ЭФГ-процесса., которые можно классифицировать по типу информационного входа, типу применяемых материалов, назначению аппаратуры, методам экспонирования и проявления, цветности и так далее. Однако главным признаком, определяющим конструктивные решения аппаратуры, является тип используемого ФР. По типу используемого ФР различаются следующие варианты классического ЭФГ-процесса:

1. ЭФГ процесс на ФР однократного применения. Изображение формируется на фоточувствительной поверхности и там остается;
2. ЭФГ-процесс на ФР многократного применения с получением конечного изображения на воспринимающей основе (чаще всего бумаге):

а) переносится скрытое электростатическое изображение

б) переносится проявленное изображение.

Первый вариант нашел применение в аппаратуре различного назначения, работающей с электрофотографической бумагой. В настоящее время ЭФГ-бумага специального назначения используется все реже. По этому варианту работает множительная (в том числе цветная) техника, а также аппаратура изготовления бумажных печатных форм для малоформатных офисных машин. Второй вариант (с переносом СЭИ) в настоящее время практически не используется. В свое время он применялся только для изготовления цветных диапозитивов.

Литература: Олег Харин, Эмилис Сувейздис. Современная электрофотография. Учебное пособие, Москва. 2002г.