Фотофизические способы бессеребряной фотографии

Электростатическая фотография

Среди многочисленных известных способов регистрации информации широкое практическое применение получили электрофотографические способы. Термином «электрофотография» обозначают ряд фотографических процессов, основанных на способности полупроводников уменьшать свое удельное сопротивление под действием света. Фотоэлектрический эффект можно проиллюстрировать на простом примере. Если слой полупроводника нанести на металлическую пластину и в темноте наэлектризовать его, такая пластина становится светочувствительной. Если на пластину направить лучи, составляющие оптическое изображение предмета, то на ней образуется скрытое изображение данного предмета.

Электрографические способы, применяемые в полиграфическом производстве, отличаются относительной простотой изготовления печатных форм (рис. 21). По скорости, производительности печатного процесса и качеству воспроизведённого оригинала они несколько уступают классическим полиграфическим способам. По этой причине их применение ограничено, главным образом, для получения небольшого количества копий, для изготовления малоформатных офсетных печатных форм при оперативном размножении документации небольшим тиражом.

Электрографические процессы принято разделять на следующие виды:

- электрофотография, основанная на получении электростатического изображения в виде поверхностного распределения зарядов (например, ксерография);

- электрофотография на фотоэлектретах, т.е. в средах с устойчивой внутренней поляризацией, в которых скрытое изображение принимает форму электрической поляризации;

- магнитография (ферромагнитография) представляющая собой электронную запись информации посредством фотоприемников видеокамер и цифровых фотоаппаратов на магнитных носителях или статических ПЗУ.

В качестве светочувствительных материалов в электрографии используются фотопроводники, которые в темноте являются изоляторами, а под действием света становятся электрически проницаемыми, т.е. проводниками.

Основными характеристиками фотопроводников являются спектральная чувствительность, фотоэлектрическая чувствительность, скорость темновой утечки, усталость материала, начальный потенциал, остаточный потенциал, устойчивость к внешним воздействиям, кристаллизация.

Спектральная чувствительность - характеризует способность фотопроводника реагировать на излучение различного спектрального состава. У фотопроводников отмечается пониженная спектральная чувствительность к голубому и желтому цвету. При этом копия, выполненная с оригинала, напечатанного на желтой бумаге, приобретает темный фон.

Фотоэлектрическая чувствительность (скорость формирования изображения) - это величина, характеризующая скорость уменьшения заряда на фоторецепторе при освещении его светом заданной интенсивности. Чем меньше остаточная величина заряда на фоторецепторе после его экспонирования, тем выше качество копии. Эта величина может зависеть от материала фотопроводника и срока его эксплуатации.

Скорость темновой утечки - величина, характеризующая, как быстро фотопроводник теряет заряд в темноте. Полупроводник, из которого изготовлен фоторецептор, приобретает в темноте свойства диэлектрика, но не может хранить заряд настолько долго, как диэлектрики.

Усталость материала - это явление, возникающее при многократном и частом экспонировании фоторецептора. Усталость материала может возникать и при засветке солнечным светом (при неосторожной засветке световоспринимающего барабана картриджа, например, солнечным светом). Усталость материала приводит к увеличению скорости темновой утечки заряда, а в некоторых случаях, наоборот, к сохранению заряда на поверхности после экспонирования.

Начальный потенциал - это потенциал на поверхности фоторецептора, при котором накапливаемый заряд равен заряду, утекающему в подложку. Обычно фоторецептор заряжают до потенциала ниже начального, чтобы избежать его повреждения.

Остаточный потенциал - потенциал, который остается на освещенных участках фоторецептора после экспонирования. При экспонировании фоторецептор быстро теряет заряд до определенной величины, затем скорость разряда значительно снижается. Высокий остаточный потенциал способствует притягиванию частиц тонера на освещенные участки, что приводит к появлению темного фона на копии.

Устойчивость к внешним воздействиям - эта характеристика определяет способность фотопроводника сохранять свои свойства как можно дольше при механическом контакте с бумагой. Бумага, при правильном использовании аппарата, является наиболее важным фактором естественного износа фоторецептора. Неверно обрезанная и шероховатая бумага сокращает срок службы фоторецептора. Кроме того, срок его службы сокращают различные химические вещества, которые могут попасть на него с бумаги или с другого источника, а также механические повреждения.

Эти характеристики фотопроводника тщательно анализируются при выборе его в качестве фоторецептора для копировального аппарата.

Фоторецептор- основной узел любого копировального аппарата. На поверхности фоторецептора создается электростатическое, а затем видимое изображение копируемого оригинала с последующим переносом этого изображения на бумагу или специальный материал. В качестве фоторецептора применяют слои на основе селена с добавками Te, Cd, слои на основе CdS, либо органические полупроводниковые покрытия.

Электростатическая фотография послужила основой для создания перспективных способов получения изображения. Наиболее ярким примером может служить ксерография.

3.2. Ксерография (лат. xeros - сухой и graphos - писать) лежит в основе работы копировальных аппаратов, монохромных и цветных лазерных принтеров.

Ксерография является многоступенчатым процессом (рис. 22) и включает ряд стадий:

1) Зарядка фоторецептора - это процесс нанесения равномерного заряда определенной величины на поверхность фоторецептора в коронном разряде. Для этого фоторецептор в темноте пропускают под коронирующим устройством (коротроном). При этом поверхности фоторецептора сообщается избыточный заряд. Если фоторецептор не освещать, то заряд может сохраняться на его поверхности достаточно долгое время.

Рис. 22. Принципиальная схема процесса ксерокопирования

Существует несколько видов коротронов.

Простейший из них представляет собой тонкую проволоку из устойчивого к окислению материала, натянутую на металлическом экране. Более совершенным является скоротрон - зарядное устройство, позволяющее получить более равномерный заряд поверхности фоторецептора. В нем кроме проволоки используется сетка, на которую также подается напряжение. Дикоротрон – устройство, состоящее из двух активных элементов: коронода и экрана. Позволяет более точно регулировать величину заряда.

Коротрон является источником озона, выделяемого копировальным аппаратом во время работы. Использование фильтров и их своевременная замена позволяют устранить запах. В настоящее время фирмы-производители переходят на безозоновую технологию.

2) Формирование и экспонирование изображения. После зарядки на фоторецептор подается изображение, которое в копировальных аппаратах формируется мощным источником света и проецируется через систему зеркал. Обычно для освещения оригинала используется каретка с лампой как в сканерах. Однако в некоторых копировальных аппаратах, например Xerox 1075 (с ленточным фоторецептором), используется лампа-вспышка, которая освещает весь оригинал сразу. Для изменения параметров изображения (увеличения и уменьшения) служит объектив с переменным фокусным расстоянием. Те участки на фоторецепторе, на которые падает свет, теряют свой потенциал, что приводит к формированию "скрытого" изображения оригинала в виде заряженных участков.

3) Проявление - это процесс формирования изображения на фоторецепторе тонером, которое происходит при контакте светочувствительного барабана с тонером, несущим заряд противоположного знака. При этом частицы тонера прилипают к участкам поверхности фоторецептора несущим заряд, образуя видимое изображение. Электрофотографический тонер представляет собой порошок черной или цветной легкоплавкой смолы или смесь порошка с носителем - стеклянная, полимерная или металлическая дробь (рис. 23). Хотя собственно частицы тонера довольно компактны, в состоянии аэрозоля они склонны образовывать конгломераты частиц, размер которых не всегда можно контролировать.

4) В процессе переноса изображения бумага контактирует с фоторецептором в результате чего ей сообщается такой электростатический заряд, что частички тонера отрываются от поверхности фоторецептора и притягиваются к бумаге. В результате большая часть тонера переносится на бумагу, а остатки тонера удаляются с фоторецептора на этапе очистки.

Для улучшения качества изображения и уменьшения расхода тонера в некоторых аппаратах осуществляется предварительный перенос, в процессе которого ослабляется заряд фоторецептора. Для этого либо фоторецептор предварительно освещается, либо на коротрон переноса подается переменное напряжение.

5) Отделение бумаги от фоторецептора осуществляется как механическим, так и электрическим способом. В первом случае используются либо пальцы отделения, находящиеся в непосредственной близости к фоторецептору, либо отделяющие ремешки, устанавливаемые с одного края фоторецептора. Кромка бумаги скользит по ремешку и затем легко отделяется от фоторецептора.

Во втором случае используется коротрон отделения совместно с механическими средствами.

6) Закрепление. После переноса копия уже практически готова. Но изображение, полученное на бумаге, может быть удалено при механическом воздействии (например, трением). Естественно такая копия не пригодна для работы с ней. Для увеличения сцепления тонера с бумагой используется механизм закрепления.

Существует несколько способов закрепления. Наиболее распространенный - это термомеханический способ, при котором копия подвергается нагреву и механическому прижиму.

Механизм закрепления носит название фьюзер (печка). Механизм состоит из нагреваемого тефлонового вала с кварцевой лампой внутри, и резинового прижимного вала. Иногда вместо тефлонового вала устанавливается специальный керамический термоэлемент, который отделяется от бумаги термопленкой. Такие копиры имеют меньший срок прогрева и меньшее энергопотребление, однако, срок службы термопленки значительно меньшее, при этом снижается количество копий и повышается вероятность ее повреждения при неаккуратном извлечении бумаги.

При термическом закреплении копия проходит под ИК-лампой. В этом случае тонер расплавляется и застывает без какого-либо механического воздействия.

8. Очистка - это процесс удаления остатков тонера с фоторецептора после переноса на бумагу. Непосредственно перед очисткой может производиться предварительная очистка с помощью засветки фоторецептора или коротрона предочистки.

Оставшиеся частицы тонера удаляются с помощью ракельного ножа, находящегося в непосредственном контакте с фоторецептором. Отработанный тонер попадает в бункер отработки. Последний этап очистки - это удаление остаточного заряда, которое осуществляется с помощью либо источника света, либо коротрона, знак напряжения которого противоположен знаку заряда фоторецептора.

Всё множество электрофотографических аппаратов можно разделить по способу обработки сигнала на две большие группы - аналоговые и цифровые. В первом случае сканируемое изображение проецируется при помощи оптической системы линз и зеркал, во втором - обрабатывается микропроцессорной системой и переводится в цифровой вид, а затем лазерный луч, отклоняемый быстровращающимся полигонным зеркалом проецирует изображение на светочувствительный цилиндр.

Данные системы нашли реализацию в цифровых цветных копировальных аппаратах.

3.3. Цветная электрография