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影印机是怎么影印

影印机对现代人的生活影响深远,它的操作原理是很有趣的。十几年前,本刊创刊号即有介绍过,在本文中,我们较为仔细深讨影印机的基本原理,但是仍然省略它许多机械设计上的细节。

  影印机是在1938年就由卡尔逊(C.Carlson)和他合作人科尼(O.Kornei)发展出来的。数十年来,虽然影印机有多方面的改进,但是现代影印机的几个基本步骤仍然脱离不了卡尔逊当初的构想。其方法是将影像照光後,投射於光导电体(photoconductor)上而形成一带电荷的潜像(latentimage),再用具相反电荷的色粒(troner),即俗称碳粉,使其显影,然後将这些成像的色粒转移并定影於白纸上。  1938年十月二十二日,卡尔逊和助手首次在纽约证实了这个构想是可行。他们以硫作为光导体,涂布在锌板上,在暗室中以手帕摩擦硫的表面使带电,将一块玻璃板用墨水写上「10-22-38Astoria」几个字,置於硫黄板上,放在白热灯下曝光。这时字迹已在硫黄上形成带电荷的潜像。然後在硫黄上洒一层一种石松属植物的花粉,再小心地将不带电处所不吸附的花粉去除,此时硫黄层上由花粉形成的字型清晰可见,最後将字型转移到蜡纸上,加热而完成定影手续。

  大部分的公司对这个实验结果并不重视,直到1946年一个非商业性的研究机构──巴特莱纪念所(BattelleMemorialInstitute)开始发展这种乾印技术,隔年该所与Haloid公司(即後来的Xerox全录公司)订约研究制造影印机。此後影印技术不断发展,今日这种乾式的影印技术已广泛地用於各办公室及图书馆里。

  光导电

  影印机的主角是光导电体。光导电体在光的照射下,由绝缘体变成导电体。它是一光敏感物,在黑暗中其电阻甚大,不会导电;在照光後分子的自由电子增加,电阻减小,可导电。如硒、砷、碲等无机物及其合金均为光导电体,现代是用硒代替最初卡尔逊所用的硫黄。

  在影印机中能接受影像的光导体装置叫「光承受体」(photoreceptor),一般是在金属基层(metalsubstrate)如铝上涂布一层光导电体如硒,我们就简称为硒筒。硒筒之形状各机形可能不同,一般如平板状、带状或筒状。光导电体的厚度约数十微米(µm),且需具高的光敏感性(photosensitivity)、安定性及电荷移动性(chargemobility)。早期只用一层光导电体兼具电荷的生成与输送功能,现在已发展出机能性的多层结构。例如硒上附有氧化硒层,是正电荷的存在层,输送电荷是在下方的纯硒层,最下层的铝和硒层间又有氧化铝的夹层,使得电荷储存和传递功能更趋独立而完善。

  六个基本步骤

 影印的基本步骤如下:

  一﹑带电(charge)

  当初卡尔逊是以手帕摩擦光导电体硫黄使其带电,而现代的影印机是在黑暗中以放电管(corotron)造成空气分子如氮分子的正离子,正离子移动至硒筒表面抓取电子,而使得硒筒表面因失去电子而带正电荷。在黑暗中硒为绝缘体,故电荷可保存在其表层(见图四)。

  二﹑曝光(expose)

  当初卡尔逊是利用光透过有字迹的玻璃板把潜像呈现在硫黄上,而现代是利用光照射待印文件时,空白部分反光,而有字迹部分吸光,经透镜及反射镜将这些反射光投射在硒筒上。此时硒层被光照射的地方成了导体,使得照光而产生的电子中和了储存在表层(氧化硒层)的正电荷。电子来自表层下方,也使得下方留下正电荷的电子洞(electronhole)。这也就是说原来表层正电荷向下层移动,这种移动是一个连锁步骤,直到正电荷移到硒筒下层的金属基层(见图五)。当正电荷移动至金属基层的界面时,接地的基层可以提供电子,然後藉放电(discharge)使基层变成中性,不带电荷。上述的电子传递过程,只是硒筒受光照射处的局部变化;而未受到光线照射的部分,因为仍为绝缘体,所以表层仍然带正电荷。一个有趣而重要的现象是,硒筒表层的电荷并不右左移动而破坏潜像。当光源被移去後,我们可在硒筒上得到和原来影像对应的潜像。原像里黑色的部分在潜像上对应的是带正电荷的区域,而白色区域则不带电。

  三﹑显像(development)

  当初卡尔逊是利用花粉吸附到带正电荷的潜像上而显影。一般之显像剂包括微小的色粒及较大的载体(carrierbeads);色粒是由热塑性树脂含黑色碳粉末所构成,直径约10微米。载体之成分为钢、玻璃或亚铁盐(ferrite),直径约100~500微米(见图六)。我们知道猫皮和玻璃棒摩擦,会使猫皮带正电而玻璃棒带负电。同样地,显影剂的设计是当载体和色粒混合搅拌时,由於摩擦生电使得载体带正电,色粒带负电,两者相吸;同时,後者准备移动到带正电荷的潜像上。一般常用的显影法有瀑式(cascading)及磁刷式(magneticbrush)两种。瀑式法是将显影剂以吊筒撒过硒筒表面,当载体磙下时,它所携带的色粒可被带正电荷的潜像吸引而留在硒筒上。磁刷式法则利用磁性磙筒上吸有磁性的载体,而载体吸有色粒,结果载体和色粒在磙筒表面成链状或须状分布,其作用如同软刷。当磙筒刷过硒筒表面时,色粒使转移到硒筒上带电部分而显像(见图七)。

  四﹑转印(transfer)

  转印之作用是将硒上色粒所形成的影像再转移至纸上,当然需减小硒筒(带正电)对色粒(带负电)之吸力。这时利用放电器使纸带正电,以便自硒筒上夺取色粒。将色粒所形成影像转印纸上後,色粒和纸间只有静电吸力。此时若用手指摩擦会轻易去除影像,所以需要下一步的定影,使其间产生稳定结合。当初卡尔逊的定影是将花粉在硫黄表层所成影像转印到蜡纸上时,藉蜡和花粉稳定附著力。

  五﹑定影(fix)

  色粒是由含黑色粉末的热塑性树脂所构成,定影是利用加热方式将树脂由固态变成熔融态,使其流入纸的纤维中,再凝固成固态後成永久键结。定影的方法有热融合(ovenfusing)、辐射融合(radiantfusing)、加热加压融合(heatandpressurerollfusing)及以三氯乙烯(trichloroethylene)蒸气溶解树脂的蒸气融合法(vaporfusing),也可将热融合及辐射融合合并使用。

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