Московский государственный университет печати

Тема № 2. История

Тема № 3. Классическая электрофотография

Тема № 4. Цифровая электрофотография

Тема № 5. Фоторецепторы

Тема № 6. Проявители

Тема № 7. Процесс лазерного экспонирования

Тема № 8. Процесс проявления растровой структуры

Тема № 9. Оценка качества цифрового изображения

История возникновения электрофотографии дальнейший ход ее развития рассматривается в следующей последовательности:

1. Раннее развитие электрофотографии

2. Становление классической электрофотографии

3. Истоки цветной электрофотографии

4. Появление электрофотографической технологии цифровой печати

5. Этапы позднего развития электрофотографии

История электрографии (и электрофотографии, как частного случая, в том числе) подробно анализируется в серии статей Е. Л. Немировского [1] и В.Г. Чепенко [19].

На ранней стадии развития электрофотографии можно выделить [2] четыре этапа, которые охарактеризованы в табл. 2.1. Первое упоминание о возможности записи с помощью электричества появилось в конце XVIII столетия и связано с именем Г. X. Лихтенберга. В области экспериментальной физики он был известен исследованиями искрового разряда на границе раздела твердого диэлектрика и газа, в частности исследованиями картины распределения искровых каналов, стелющихся на поверхности диэлектрика при так называемом скользящем искровом разряде и образующих фигуры, впоследствии получивших название фигур Лихтенберга.

В 1778 г. на заседании Королевского общества наук в Геттингене Лихтенберг сделал сообщение «О новом методе исследования природы и движения электрической материи», сведения о котором были опубликованы [3] еще в 1777 г. С точки зрения сегодняшнего дня способ Лихтенберга можно отнести к электростатографии. Автор впервые использовал метод нанесения положительных и отрицательных электростатических зарядов на своеобразный диэлектрический носитель из смолы, а также применил способ визуализации этих зарядов противоположно заряженным порошком. По известным сведениям, это были первые результаты, дающие представление о возможности записи с помощью электричества. Автор предполагал применить свое изобретение в области стенографии.

Сведения о различных изобретениях, содержащих элементы электростатографии, встречаются в конце XVIII столетия и в течение всего XIX столетия. В них еще не встречаются факты применения фоточувствительных материалов, но зарождение элементов электростатографии как бы подготавливает возникновение электрофотографии. Процессы визуализации статических зарядов уже известны их областей техники - общая.

Зарождение первых элементов электрофотографического процесса относится к самому концу XIX столетия [4].

На первых подступах к электрофотографии исследователи и изобретатели еще брали за основу не фотоэлектрические, а электролитические процессы. При этом методом электролиза на материал наносился слой красителя, по конфигурации повторяющий фигурный электрод. Действие света использовалось для усиления процесса электролитического осаждения меди при изготовлении клише. Только в 1907- 1909 годах появился ряд германских патентов на способ и устройство для осуществления способа передачи на расстояние изображений с помощью селена - будущего основного элемента классической электрофотографии.

Способ регистрации световой информации путем использования фотопроводимости был предложен Е. Гориным (1916). Впервые появляется термин «электрофотография». По методу Горина полупроводниковый слой наносился на торцы металлической щетки в плоскости проецируемого изображения. Действие света усиливало проходящий через щетку ток и изменяло окраску электрохромной бумаги. Изобретение осталось нереализованным, а различные варианты применения фоточувствительных элементов (уже в виде пластин) встречаются у многих изобретателей начала XX века.

Таблица 2.1

Этапы раннего развития электрографии [2]

Примечание: продолжение - см. в табл. 2.2.

В 1928 г. П. Шеленьи начал проявлять полученный на экране ЭЛТ потенциальный рельеф, опыливая его мелкораздробленным красителем. В 1932 г. был предложен метод избирательно го переноса слоя порошка, контактирующего с фоточувствительной пластиной.

Итак, усилиями отдельных изобретателей были созданы основные элементы электрофотографического процесса. Эти элементы завуалированы, так как технические решения, где они применяются в основном далеки от сегодняшнего понятия электрофотографии и дальнейшего развития не получили. Однако эти элементы послужили основой для создания электрофотографического процесса. Предстояло их объединить в одно целое - то, что мы сейчас называем классической электрофотографией.

Возникновение классической электрофотографии со всеми характерными элементами связано с именем Честера Карлсона - он разработал процесс в его настоящем пониманий.

Работая в патентных фирмах, Карлсон имел дело с копированием документов, что тогда было доступно только путем перепечатывания или фотографирования. В 1935 г. он начал поиски новых, более быстродействующих методов копирования. Сначала это были процессы, основанные на применении электрохромных материалов в сочетании с фотополупроводниковым слоем между электродами. Однако получаемые токи были слишком слабые для визуализации качественного изображения. Идея Шеленьи о порошковой визуализации способствовала возникновению патента Карлсона [5], заявленного в 1937 г. и описывающего процесс электрофотографии. В патенте [6], заявленном в 1939 г. и выданном в 1942 г. имеются уже все элементы классической электрофотографии (тема № 3).

Создавая основы классической электрофотографии, Карлсон встретился [7] с большими трудностями, характерными для многих изобретателей. Делал макеты аппаратуры, пытался заинтересовать изобретением различные фирмы, но безуспешно. Только в 1944 г. более широкие исследования были начаты в Институте им. Баттеля в городе Коломбус. Были изготовлены слои из возогнанного антрацена и серы на цинковых пластинах, получены плавкие тонеры, проведены исследования процесса. Благодаря проведенным исследованиям и разработке новых материалов, качество и стабильность результатов улучшилось. И если сначала многие на электрофотографию смотрели как на странный процесс, который может найти ограниченное применение в области графических искусств, то впоследствии прорисовались возможности ее применения в копировально-множительной технике. Начался этап расширения исследований и первого практического применения.

Интенсивное развитие электрофотографии началось с того момента, когда американские фирмы почувствовали возможность ее практического применения в аппаратуре [8,9] и предстоящие большие прибыли. Ориентировочно это можно отнести к 1946 г. В этом году лицензии на патенты Карлсона приобрела фирма «Halloid Со» (г. Рочестер) и стала финансировать исследования в данной области. Эра изобретателей - одиночек и отдельных групп - в электрофотографии кончилась, образовались небольшие коллективы исследователей и разработчиков. В 1947-1948 годах были сделаны первые публичные сообщения о новом методе с большой рекламой в печати. Уже в 1950 г. фирма «Halloid Со» создала первые ЭФГ-аппараты: оборудование для изготовления форм офсетной печати Xerox Litmaster и плоскостной электрофотоаппарат Xerox Camera № 1. В 1953- 1955 годах начались работы по созданию автоматизированных ротационных копировальных машин.

В России работы в области электрофотографии начали проводиться с 1949 г. в НИКФИ. С 1955 г. эти работы продолжались в НИИполиграфмаше (г. Москва).

В Литовской Республике работы в области электрографии [10, 11] были начаты в 1955 г. изобретателем И. Жилевичем [10].

Рубеж 1957 г. можно принять за условную границу завершения IV этапа раннего развития электрофотографии. В этом году возникают специализированные организации, занимающиеся только электрофотографией и ее смежными областями - это английская фирма «Rank Хеrох» (дочерняя фирма «Halloid Со») и специализированный НИИ электрографии в Литве. Кроме того, электрофотографией занялись крупные коллективы и в других организациях. Выпущены и успешно работают первые образцы аппаратуры, намечающие переворот в копировально-множительной технике. В перспективе видны и другие области применения. Открывающийся рынок сбыта аппаратуры служит огромным стимулом для фирм по расширению исследований и производства.

Практическое признание электрофотографии состоялось. Началось ее бурное развитие, этапы которого рассматриваются в табл. 2.2.

После практического признания новой, перспективной области техники, дальнейшее ее развитие уже двигалось усилиями больших коллективов крупных фирм.

Наиболее интенсивные работы проводились в области создания одноцветных (черно-белых) копировальных аппаратов и материалов, необходимых для их функционирования: фоторецепторов многократного применения и магнитных проявителей.

Были созданы первые автоматизированные копировальные аппараты. Они строились по принципу аналоговой записи изображения.

Первые копировальные аппараты в продажу не поступали. Они использовались в специально организованных бюро для обслуживания клиентуры с расчетом по количеству изготовленных копий. К таким аппаратам относится [8] созданный в 1959-196 годах фирмой «Хеrох» автоматизированный копировальный аппарат Хеrох 914 (копии размером 9x14 дюймов определили его кодовый номер). Он имел производительность, равную 7 cpm и приобрел широкую известность. В 1963 г. и в последующие годы фирмой были созданы типичные для того времени скоростные аппараты Хеrох 2400/3600 с производительностью соответственно 40 и 60 cpm, которые уже вышли на рынок.

В 1970- 1980 годах начались широкие исследования ЭФГ технологии в Японии. Был создан так называемый Canon-процесс [2], система однокомпонентного проявления, разработаны сменные кассеты (картриджи) для персональных аппаратов, возникла категория персональных копировальных аппаратов (PC), отличающихся малыми габаритами и простотой обслуживания.

В США и Японии ежегодно стали выпускаться десятки новых моделей копировальных аппаратов, которые монополизировали эту сферу услуг. Копировальные аппараты стали неотъемлемой частью бюро любого типа. Уже в 1980 г. объем мирового рынка аппаратов составлял 12,5 млрд USD, количество аппаратов достигло 3 млн, на которых ежегодно изготавливалось около 330 млрд копий на обычной бумаге. На мировом рынке ежегодно появлялись 70 - 80 моделей аппаратов, из них 30% с производительностью более 30 cpm. Сроки обновления моделей на рынке стали 4 - 5 лет. В начале 80-х годов на мировом рынке начали преобладать японские фирмы, которые в 1986- 1988 годах уже изготовляли более 80% моделей.

Ведущими фирмами на мировом рынке копировальных аппаратов стали фирмы «Хеrох», «Саnоn», «Kodak», IBM, «Konica», «Sharp», «Matsushita», «Minolta», «Ricoh» и др.

На фоне мировых достижений по созданию ЭФГ-аппаратуры более скромно выглядят результаты, достигнутые в бывшем СССР [18]. Во многих научных и проектных организациях велись разработки электрографических материалов и, с возрастающим отставанием по качеству [11 - 13], создавались многочисленные модели аппаратов, которые небольшими партиями выпускались на различных, мало приспособленных для этого заводах страны.

В регионе современной России работы в области электрографии проводились во многих организациях* страны (СССР).

В настоящее время российским центром по подготовке специалистов в области электрофотографии стал Московский государственный университет печати (бывший Полиграфический институт).

(*Организации в СССР, занятые работами в области электрографии:

- ГОСНИхимфотопроект (г. Москва) - создание прозрачных органических фоторецепторов;

- ГОИ им. Вавилова (г. С.-Петербург) разработка ФР на базе халь-когенидных соединений;

- НИИ полиграфмаш (г. С.-Петербург - Москва) - исследования и разработка аппаратуры полиграфического назначения.

Организации: ВНИИ оргтехники (г. Москва), Казанский оптико-механический завод, СКВ ВИНИТИ (г. Люберцы), ПО «Оргтехника» (г. Грозный), Малаховский опытно-механический завод и др. - выпуск аппаратуры)

Заметный вклад в развитие электрофотографии внес Переславский филиал ГОСНИИхимфотопроекта, затем самостоятельный научно-исследовательский фототехнический институт (НИФТИ, г. Переславль-Залесский), в настоящее время входящий в структуру ОАО «Компания Славич» с названием «НИФТИ-Славич».

В Литовской Республике работы были в основном сосредоточены в специализированном институте - НИИ электрографии (г. Вильнюс) [11 - 13]. Кроме того, работы проводились и в других организациях республики*.

(*Организации в Литовской Республике, занятые работами в области электрографии:

- НИИ электрографии - комплексные исследования процесса и создание аппаратуры;

- Вильнюсский университет - исследования физических основ;

- СКВ оргтехники (г. Вильнюс) - создание и выпуск аппаратуры;

- Каунасская бумажная фабрика - производство фотополупроводниковых бумаг;

- Каунасский завод средств автоматизации - выпуск фоторецепторов и аппаратуры;

- Вильнюсский завод «Швитурис» - производство проявителей и др.)

Работы в НИИ электрографии 1958 - 1988 годов характеризуются основными достижениями*, рассмотренными в обзоре [14]. Кроме того, в НИИ электрографии в течение 1985-1988 годов производились интенсивные работы [2] по созданию аппаратуры изготовления цветных диапозитивов как с цветных оригиналов, так и по компьютерной информации. Они завершились созданием опытных образцов аппаратуры (тема № 3).

Создание аппаратуры, основанной на классическом (аналоговом) варианте (тема № 3) одноцветной электрофотографии продолжается и в настоящее время [15], хотя для цветной электрофотографии сейчас используется [2] только цифровой вариант (тема № 4).

(*Основные достижения НИИ электрографии:

1958 г. - проведение первой научно-технической конференции [12] по вопросам электрографии;

1960 г. - создание первого репродукционного плоскостного аппарата ЭРА-1 со всеми необходимыми материалами;

1961 г. - начало серийного производства аппарата ЭРА-Ф для изготовления офсетных печатных форм;

1962 г. - создание первого крупноформатного ротационного аппарата РЭМ-600;

1969 г. - создание первого настольного листового копировального аппарата РЭМ-200 КЛ;

1980 г. - создание первого микрофильмирующего аппарата;

1984 г. - создание первого крупноформатного цветного копировального аппарата ЭМЦ-01;

1985 г. - создание первого аппарата для вывода информации из ЭВМ на микрофиш;

1986 г. - создание первого малоформатного цветного копировального аппарата АЦЭ-01)

Основы цветной электрофотографии в мире стали создаваться одновременно с классической электрофотографией [16]. Еще Карлсон экспериментировал с цветными тонерами, получая разноцветные отпечатки. Полноцветные изображения с использованием предварительного цветоделения и каскадного метода проявления [15] впервые были получены в Институте им. Баттеля в 1947 г. [8, 9]. В 1955- 1959 годах в этой области начала работать американская фирма «Halloid Со», а затем и другие фирмы (RCA, «Harris Intertype» и др.). В 1960-1965 годах цветная электрофотография получила первую практическую реализацию в аппаратуре для изготовления топографических карт с жидкостным проявлением. Карты изготавливались на специальной ЭФГ-бумаге, экспонируя на нее изображение с цветоделенных диапозитивов. В дальнейшем основные работы были направлены на создание аппаратов, работающих на обычной бумаге и предназначенных в основном для цветного копирования.

На заре становления аппаратуры цветного копирования для получения цветного изображения использовали одноцветные копировальные аппараты, экспонируя предварительно цветоделенные негативы и меняя в них черный проявитель на цветной (различного цвета). Первые сообщения о создании специализированных аппаратов [16] появились в 1965-1966 годах. В 1965 г. фирма «Remak» (Австралия) впервые продемонстрировала на выставке в Париже оборудование Electrograph для получения многоцветных корректурных отпечатков на ЭФГ-бумаге с цветоделенных микроформ. Только в 1970 г. фирма «Хеrох» впервые про демонстрировала [17] аппарат Хеrох 6500 для получения семи красочных копий со сброшюрованных оригиналов, используя метод классической электрофотографии с сухим проявлением i многократным переносом на бумагу. Это наиболее характерны! прототип цветной копировальной аппаратуры. В 1985 г. фирм; выпустила модификацию аппарата Хеrох 6500-1 для получения многоцветных копий с цветных диапозитивов. В дальнейшем развитие цветной копировальной аппаратуры, работающей по схеме «цвет-цвет», проходило в этом направлении. Серьезный им пульс в развитии аппаратуры дали работы японской фирмы «Саnоn», создавшей несколько типов аппаратов Саnоn Color и Color Lazer Copier (CLC), отличающихся особенно высоким качеством цветного изображения. Цветная копировальная аппаратура, основанная на аналоговой технологии*, получила широкое распространение. С 1987 г. эта технология была постепенно заменена на цифровую. В 1992 г. направление аналоговой цветной аппаратуры прекратило свое существование (тема № 31).

(*Характерные модели аналоговой цветной копировальной аппаратуры ведущих фирм:

- фирма «Хеrох» - модели Xerox 6500; Хегох 1005; Хегох 1007 (выпуска 1970- 1988 гг.);

- фирма «Саnоn» - модели Саnon-NP-Color/Color Т (выпуска 1982-1984 гг.);

- фирма «Eastman Kodak» - модели Color EDGE; Ektaprint (выпуска 1988 г.);

- фирма «Ricoh» - модели Color 5000; ARTAGE 5330; NC 100; NC 305 (выпуска 1985-1992 гг.);

- фирма «Sharp» - модель СХ 7500 (выпуска 1989 г.);

- фирма «Nashua» - модели С 240; С 302 (выпуска 1990- 1992 гг.);

- НИИ электрографии - модели АЦЭ-01/02 (выпуска 1981 г.))

Современная цифровая цветная аппаратура различного на значения рассматривается в III части (темы № 24 - 27).

Возникновение электрофотографической технологии цифровой печати в ее сегодняшнем понимании связано с развитием рынка компьютеров и необходимости создания быстро действующих средств вывода с целью получения твердых копий изображения. Цифровая технология печати представляет co6oi (тема № 12) совокупность методов цифровой допечатной обработки изображения и технологии его воспроизведения на обычной бумаге, основанной на использовании монохромного или цветного ЭФГ-процесса в сочетании с лазерной разверткой изображения. Развитие данного направления ЭФГ-техники и технологии происходило [2, 16] практически параллельно развитии тогда основной области применения электрофотографии - копировальной техники, используя эти достижения при создании аппаратуры нового качества.

Еще в начале 60-х годов фирма IBM по лицензии от фирмы «Хеrох» стала развивать направление компьютерных принтеров Фирмой были созданы органические фоторецепторы многократно го применения на гибкой основе и системы многокомпонентной проявления. И если в 1973 г. фирма «Хеrох» создала первый ЭФГ принтер Хеrох 1200 на базе копировальных аппаратов серии 2400 3000 с модулированием излучения ксеноновой лампы, то в 1975-1976 годах фирмами IBM и «Саnоn» уже были разработаны пер вые специализированные модели, применяющие He-Ne лазеры. Это модели IBM 3800 с производительностью 215 ррm и «Саnоn» LBP 2000 С1 - 31 ррm. Быстродействующие модели принтеров на базе мощных газовых лазеров создавались фирмами «Хеrох» (Хеrох 9700), «Hitachi» (Hitachi 8196-20) и «Siemens» (ND-2).

Хотя еще в конце 70-х годов стали ясны преимущества малогабаритных полупроводниковых источников излучения, однако их применение в аппаратуре сдерживалось низкой чувствительностью ФР в ИК-области (более 800 нм). Только в середине 80-х годов усилиями фирм «Oki Electric Со» и NEC были созданы принтеры на базе применения линейки LED (Light Emitting Diode) имеющие разрешение 10-12 и производительность 8 - 20 ррm. Новые модели таких принтеров были выпущены фирмами IBM и «Eastman Kodak» на базе ФР повышенной чувствительности. Их производительность уже достигла 92 ррm.

Эра интенсивного развития лазерной технологии печати началась с 1987 г. Под этим названием сформировались два направления (тема № 16):

- технология с применением многоэммитерных полупроводниковых лазеров с оптико-механической разверткой изображения;

- технология применения линеек типа LED.

Современная ЭФГ-аппаратура цифровой печати (часть Ш) основана именно на применении лазерной технологии (темы № 11 - 20).

Обобщенный взгляд на суть электрофотографии [20] был представлен выше при анализе дерева развития классической (аналоговой) и современной (цифровой) электрофотографии - см. тему № 1, рис. 1.1. Такой подход к технологическому процессу и аппаратуре, с учетом карты развития цветной электрофотографии (тема № 31), позволяет продолжить таблицу раннего развития (табл. 2.1) на последующий период - вплоть до современного уровня и сформулировать новые этапы уже позднего развития, выделяя при этом именно цветную электрофографию как наиболее общий и современный вариант. Эти этапы представлены в табл. 2.2.

Первый этап продолжает заключительный (четвертый) этап раннего развития, но уже на новом уровне, когда электрофотография получила широкое признание и практическое применение (ориентировочно - 1957 г.). Последующие этапы отражают развитие сначала аналоговой, а потом и цифровой технологии, ее превращение в единую технологию и выпуском соответствующей аппаратуры, которая в начале нового века уже становится равноправным конкурентом для офсетной печати с рядом дополнительных функциональных возможностей.

Цифровые технологии послужили общей основой для создания аппаратуры различного назначения и оказали существенное влияние на развитие оперативной малотиражной печати и полиграфического процесса в целом (тема № 29). Только на базе этих технологий сейчас создаются современные цветные ЭФГ-аппараты. Характеристика и анализ развития цифровых цветных аппаратов представлена в III части книги (темы № 24 - 27).

Таблица 2.2

Этапы позднего развития электрофотографии (цветной вариант)

Обобщая исторические аспекты развития электрофотографии, видим, что здесь необходимо различать:

- классическую электрофотографию, основанную на приме нении аналоговой технологии (тема № 3);

- современную электрофотографию, основанную на применении цифровых технологий воспроизведения изображения (тема № 4).

Цветная электрофотография, возникшая еще в рамках классической электрофотографии, в настоящее время продолжает свое развитие только на базе применения цифровых технологий (тема № 31).

Общий взгляд на весь исторический ход развития электрофотографии [20] отражен в хронологической цепочке основных событий (см. Приложение 1, рис. П1).

1. Немировский Е. Л. История электрографии //Флексо Плюс, 1999, № 1 -6//Флексо Плюс, 2000, № 1-3.

2. Харин О., Сувейздис Э. Электрофотография для цифровой печати. - М.: Изд-во МГУП, 1999. - 438 с.

3. Lichtenberg G. Ch. //Novi Comment. Goffingen, - 1777. - № 8. - P. 168.

4. //ЖНиПФиК - 1978. - Т. 23. Вып. 2. - С. 138.

5. Carlson Ch. F. Пат. США, 2221776, 1940.

6. Carlson Ch. F. Пат. США 2297691, 1942.

7. Carlson Ch. F. /Symposium III on Unconventional Photographic System, Waschington, DC, 1971. - P. 212.

8. Xerography and Related Processes. - London and New York: Focal Press, 1965. - 520 p.

9. Вопросы электрографии. - M.: Изд-во иностр. литер., 1965. - 258 с.

10. Жилевич И. И., Немировский Е. А Электрофотография. - М.: Искусство, 1961. - 128 с.

11. Электрофотография и магнитография. - Вильнюс: Институт научно-тех. инф., 1959. - 383 с.

12. Электрофотография и магнитография. - Вильнюс: Институт научно-тех. инф., 1965. - 374 с.

13. Электрофотография и магнитография. - Вильнюс: Минтис, 1972. - 692 с.

14. Сидаравичюс Й., Сувейздис Э. // Журнал научн.-прикл. фотографии, - 1993. - Т. 38. № 2. - С. 51-67.

15. Schein L. Electrophotography and Development Physics. - Morgan Hill, California: Loplacian Press, 1996. - 355 p.

16. Харин О., Сувейздис Э. Цветная электрофотография. - М.: Воен. изд., 1996. - 227 с.

17. //Plan and Print - 1973. - V. 46, № 7. - P. 28-32.

18. Харин О., Сувейздис Э. //Laser Press. - 1998. - № 1. - С. 12-13.

19. Чепенко В. Электрография: становление и развитие // Digital Printing Magazine: - 2003. № 1, 2, 3/4, 5/6. - 2004. № 3, 5/6.

20. Харин О., Сувейздис Э. Электрофотография: дерево развития и хронология основных событий (в печати).

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 [1-3], 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 [4], 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 и отредактированная копия 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, в тот числе прозрачном.

ЭФГ-процесс состоит из нескольких, последовательно выполняемых основных и дополнительных этапов. Перед началом: рассмотрения функций и физических основ этих этапов целесообразно взглянуть на процесс как на одно целое. Для этой цели наиболее подходит вариант ЭФГ-процесса, реализуемый в копировальной аппаратуре (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Типичный вариант классического 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 делается видимым на этапе проявления (этап III) путем избирательного осаждения заряженных частиц тонера. Следующим IV 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 отделяется, и тонерное изображение на ней закрепляется (этап V). ФР очищается от остатков тонера (этап VI) и подготавливается к новому циклу ЭФГ-процесса.

Рассмотрим перечисленные этапы более подробно.

I. Зарядка

Зарядка (синоним: электризация) ФР (тема № 5) является первым, подготовительным этапом в процессе получения электрографического изображения. Она выполняется непосредственно перед экспонированием. Функция зарядки - это очувствление ФР путем нанесения на него электростатических зарядов, создающих некоторый потенциал ЭФС относительно его электропроводящей основы.

Сущность процесса зарядки - осаждение в электрическом поле на поверхность 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 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 ( ) В/м. В целом эта система неравновесная. Длительное сохранение потенциала в темноте возможно только в том случае, когда осажденные и экранирующие заряды фиксированы во времени. Любое их перемещение в направлении действия внутреннего электрического поля приводит к уменьшению потенциала ЭФС. Неподвижность зарядов в фотополупроводнике возможна при локализации на объемных или поверхностных уровнях, а также при наличии достаточно высокого потенциального барьера на границе с электропроводящей основой или у поверхности. Уменьшение потенциала в темноте вызывается появлением свободных носителей заряда в фотополупроводнике, которые могут возникнуть в результате термической генерации или туннельного перехода.

Зарядка ЭФГ-ФР может осуществляться различными методами, среди которых наиболее распространен коронный разряд. Суть коронного разряда - ионизация воздуха при больших градиентах электростатического поля. В зоне коронного разряда у коронирующего электрода (острия или тонкой проволочки) образуется комплекс ионов, часть которых осаждается на поверхность ФР. При положительной полярности зарядки осаждаются кластерные ионы типа , но могут присутствовать и гидратированные ионы окислов азота. При отрицательной полярности зарядки носителями заряда в основном являются кластеры типа . Обильно выделяющиеся ионы кислорода () стабильных поверхностных зарядов не создают, но способствуют образованию озона ().

В процессе зарядки ионы из зоны коронного разряда, имеющие ту же полярность, что и коронирующий электрод, увлекаются электрическим полем, образуя ток короны, и создают потенциал ФР*, выражаемый формулой (3.1).

(*Потенциал ФР: , где - ток, текущий на заряжаемый ЭФС; d - толщина ЭФС; - электрическая постоянная; - относительная диэлектрическая проницаемость ЭФС; v - скорость перемещения заряжаемого ЭФС; q - поверхностная плотность заряда, наносимого на ЭФС)

При функционировании ЭФГ-аппаратуры обычно ограничиваются контролем потенциала зарядки, который должен соответствовать паспортному значению номинального потенциале для используемого типа ФР () или превышать его на величину, компенсирующую темновой спад потенциала с момента завершения процесса зарядки до момента визуализации сформированного СЭИ (если такой спад существенен). Изменение потенциала зарядки обычно достигается путем изменения потенциала коронирующего электрода электризатора.

После прекращения процесса зарядки, из-за темнового спада, потенциал ФР уменьшается (уменьшение наиболее значительно в первые секунды). Указанное явление описывается характеристикой темнового спада и численно выражается абсолютным или процентным уменьшением потенциала за определенный отрезок времени. Для некоторых типов ФР этот параметр существенно зависит от предыстории хранения, а также от режима зарядки и внешних климатических условий. В силу указанных причин скорость темнового спада потенциала может варьироваться от нескольких до десятков процентов в минуту. С этой величиной должно быть согласовано значение рабочего потенциала, а также продолжительность последующих этапов формирования изображения, так как значительный темновой спад снижает электростатический контраст СЭИ и отражается на качестве проявленного изображения.

Конструктивные решения (тема № 18) устройств коронной зарядки (электризаторов) в подавляющем большинстве моделей ЭФГ-аппаратов идентичны. Основными конструктивными элементами являются коронирующий электрод и экран, предназначенный для стабилизации коронного разряда. Электризатор, содержащий только эти элементы, называется коротроном.

Самостоятельную группу составляют электризаторы, отличающиеся от коротронов наличием сетки, расположенной между коронирующим электродом и заряжаемым ФР, на которую подается потенциал смещения определенной полярности. Такие электризаторы получили наименование скоротронов. Введение управляющего электрода-сетки дает возможность осуществлять зарядку ФР до заданной контролируемой величины, предотвращает пробои ЭФС и повышает срок службы ФР.

Процесс зарядки в цветной электрофотографии существенных отличий не имеет. Обязательным условием является сохранение одинакового уровня потенциала зарядки ФР в каждом цикле накопления цветного изображения. При необходимости используется контроль потенциала и вводится коррекция в режим зарядки.

II. Экспонирование

Функцией последующего этапа - экспонирования является образование на 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 (3.2).

(*Экспозиция: , где - 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 (тема № 9).

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 [1]. Электрические методы позволяют определить уровень зарядки ФР, темновой спад потенциала, кинетику и величину фоторазрядки и даже микрораспределение зарядного рельефа 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 состоит 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 - так называемое стационарное исполнение, когда элементы оптико-осветительного устройства остаются неподвижными, а развертка изображения оригинала осуществляется за счет синхронного перемещения ва оригинала и ФР. Метод нашел применение в основном в низкоскоростных аппаратах. Второй метод - подвижный вариант, когда проецирование изображения оригинала осуществляется при перемещении элементов самой оптико-осветительной системы. Этот вариант чаще всего используется в малоформатных конторских копировальных аппаратах. В современных электрофотографических аппаратах для копирования конструкторской документации обычно применяется линейная градановая оптика. В цифровых копировально-множительных аппаратах, где изображение оригинала считывается электронными методами и, после аналого-цифровой обработки, воспроизводится системой развертки, процесс экспонирования как бы разрывается на две части - считывания и развертки (тема № 7).

Скрытое электростатическое изображение, сформированное в процессе экспонирования, визуализируется благодаря взаимодействию электростатического поля этого изображения с заряженными частицами тонера. Взаимодействие происходит в зоне проявления, обычно ограничиваемой, с одной стороны, электрофотографическим слоем, а с другой - контрэлектродом узла проявления (например, проявляющим валиком магнитной кисти). Поэтому прежде чем перейти непосредственно к процессу проявления целесообразно рассмотреть основные характеристики поля СЭИ* в упомянутой зоне.

(*Характеристики поля СЭИ

Напряженность электростатического поля в зоне проявления в общем случае может быть найдена из уравнения: , (3.3), где U - потенциал в данной точке зоны проявления.

Для двухмерного распределения зарядов СЭИ обычно определяются нормальная (перпендикулярная к поверхности ФР) и тангенциальная (горизонтальная) составляющие : , (3.4), где x, z - координаты расчетной точки в зоне проявления.

Распределение электростатического поля СЭИ удобно изобразить семейством эквипотенциональных и силовых линий. Эквипотенциальные линии рассчитываются как геометрическое место точек, в которых потенциал одинаков: U = f(x,z) = const (3.5)

Направление вектора в любой точке зоны проявления определяется по силовым линиям. Силовые линии проводятся таким образом, что в каждой точке пространства направление касательной к линии совпадает с направлением вектора в данной точке. Касательная к силовой линии (3.6).

Интегрируя, получаем уравнение силовой линии: (3.7), где - координата начала или конца линии.

Плотность силовых линий, перпендикулярно пересекающих элементарную площадку поверхности, пропорциональна напряженности электростатического поля на этой площадке.

Анализ картины распределения эквипотенциальных и силовых линий, а также формы составляющих = f (х) и = f (х) позволяет выявить основные закономерности поля СЭИ в зоне проявления (тема № 7))

Если ФР заряжен равномерно, а контрэлектрод отсутствует, то поверхность ЭФС эквипотенциальна и электростатическое поле над этой поверхностью равно нулю. Аналогичная картина в этом случае наблюдается и для больших равномерно заряженных участков ФР. Фиксируемое электростатическое поле обнаруживается только по краям заряженных участков [1, 2]

При наличии контрэлектрода картина существенно меняется. Поле, созданное поверхностным зарядом ФР, распределяется между ЭФС и зоной проявления. Распределение поля в зоне проявления обусловливается геометрическими параметрами зоны, пространственной частотой, формой и электростатическим контрастом СЭИ, а также местом расположения экранирующих зарядов в фотополупроводнике. Существенное влияние оказывает потенциал контрэлектрода, создающий так называемый потенциал смещения.

При получении цветного изображения [5] процесс экспонирования повторяется три раза, причем каждый раз цветной оригинал считывается через сменные цветоделительные фильтры синего, красного или зеленого цвета (тема № 11). При выводе компьютерной информации каждый раз экспонируется все новый цветоделенный информационный массив (тема № 16).

III. 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 (тема № 6), свободными или связанными с определенным типом носителя частицами тонера, проявляться неподвижный или движущийся 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 использованный 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 (тема № 8) методы магнитной кисти или донорного валика. Эти методы реализованы великим множеством конструктивных решений [1, 3].

В цветной аппаратуре каждое цветоделенное СЭИ проявляется последовательно тонерами дополнительных цветов (пурпурным, голубым и желтым). При их субтрактивном наложении методом триады (тема № 10) воспроизводится цветное изображение. Реализация процесса в аппаратуре рассматривается в рамках темы № 17.

IV. Перенос

Функцией этапа переноса является перемещение частиц тонера с поверхности ФР на другую постоянную воспринимающую основу - чаще всего на бумагу. Сущность процесса переноса - отрыв частиц тонера от одной поверхности и перенос на другую, происходящий под действием электростатических сил внешнего поля. Этап переноса необходим только для варианта ЭФГ-процесса с ФР многократного применения.

Для переноса тонерного изображения, ФР 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.

(*Эффективность процесса переноса: (3.8), где - масса тонера на ФР до переноса; - масса оставшегося на ФР тонера после 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 материала также влияют на эффективность переноса, особенно на разрешающую способность перенесенного изображения.

Конструктивные решения устройств переноса могут быть разнообразными. Это зависит от типа применяемого ФР (цилиндрический или плоский) и воспринимающей основы (рулонная или листовая бумага), а также от общей компоновки аппаратуры. Рядом с электризатором переноса обычно устанавливается и другой 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.

В аппаратуре также распространен метод двухстадийного переноса с использованием промежуточной цилиндрической или ленточной воспринимающей основы (тема № 19).

V. 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 (тема № 18) 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, так как только в этом случае возможен качественный синтез цветов. Особенно это важно при изготовлении цветных диапозитивов. Степень гомогенизации определяется путем измерения коэффициента Каллье (тема № 9).

VI. 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 неперенесенными в процессе переноса. Очистке могут предшествовать некоторые подготовительные операции: перезарядка ЭФС с остатками изображения, засветка ФР и т. д. Это способствует уменьшению сил 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. (тема № 18).

Длительное время наиболее распространенными [5] были устройства очистки вращающимся меховым валиком. Однако таким устройствам свойственны недостатки: большие габариты, высокое энергопотребление, сильный шум и т. п., поэтому в современных малоформатных копировальных аппаратах применяют очистку с помощью очищающего ножа (ракеля). Этот метод сейчас используется довольно широко, однако в последнее время, при создании скоростных цифровых печатных машин, где ФР испытывает большие нагрузки, разработчики вновь вернулись к вращающемуся меховому валику, мех которого изготовлен из мягкого, прочного искусственного материала. В ряде моделей аппаратуры прошлых лет использовался метод очистки лентой из ворсистого материала. Встречаются копировальные аппараты, где очистка ФР осуществляется с помощью магнитного валика (аналогично устройству проявления). В случае применения однокомпонентного магнитного проявителя, магнитный валик снимает частицы тонера с поверхности ЭФС под действием сил магнитного поля. В случае применения двухкомпонентного проявителя очистка происходит за счет механического воздействия вращающейся магнитной кисти, состоящей только из чистого носителя, и электростатических сил.

Процесс очистки для цветной электрофотографии существенных отличий не имеет.

В практике известны различные варианты классического ЭФГ-процесса, которые можно классифицировать по типу информационного входа, типу применяемых материалов, назначению аппаратуры, методам экспонирования и проявления, в] цветности и т. д., однако главным признаком, определяющим с: конструктивное решение аппаратуры, является тип используемого ФР. По типу используемого ФР различаются следующие варианты классического ЭФГ-процесса (рис. 3.2):

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 обычной бумаге):

а) переносится скрытое электростатическое изображение;

б) переносится проявленное изображение.

Рис. 3.2. Разновидности электрофотографического процесса: а - с использованием ФР однократного применения; б - с использованием ФР многократного применения и с переносом СЭИ; в - с использованием ФР многократного применения и с переносом проявленного изображения: ФР - фоторецептор; ВО - воспринимающая основа; А - информационный вход: Ва, Вб, Вв - информационный выход для соответствующих вариантов; П - проявитель

Первый вариант (рис. 3.2, а) нашел применение в аппаратуре различного назначения, работающей с электрофотографической бумагой. Это широко известный процесс «Electrofax» [1], на базе которого выпускалась ранняя копировальная аппаратура, а также изготавливались многоцветные карты [5]. В настоящее время ЭФГ-бумага специального назначения используется ограниченно. По этому варианту работает микрографическая (в том числе и цветная) техника [5], а также аппаратура изготовления бумажных печатных форм для малоформатных офсетных машин.

Второй вариант с переносом СЭИ (рис. 3.2, б) в настоящее время практически не используется. В свое время он применялся только для изготовления цветных диапозитивов. Наиболее широкое распространение получил вариант с переносом проявленного изображения на бумагу (рис. 3.1 и 3.2, в), по которому работает почти вся копировальная техника, а также аппаратура цветной электрофотографии [5]. Этот вариант известен [1] под названием «ксерография» и традиционно использует сухие материалы, однако в последнее время с разработкой специальных проявителей возможности варианта расширились - стал возможен перенос проявленного изображения и после жидкостного проявления.

Возможности классической электрофотографии были реализованы в аппаратуре различного назначения. Прежде всего аналоговый метод нашел применение в картографической аппаратуре, где использовались фоторецепторы типа ZnO-бумаг с жидкостным их проявлением. Схема ЭФГ-процесса соответствует варианту, показанному на рис. 3.2, а, с самопроизвольным закреплением при высыхании ФР. В случае накопления многоцветного изображения методом последовательного цветового кодирования (тема № 11) процессы повторялись многократно. По такому методу Elektrofax в 60-х годах работали [51 пятикрасочные машины фирм RCA и «Harris-Intertype Соrр.», достигающие производительности до 200 многоцветных карт в час Аналогичная технологическая схема использовалась и для вспомогательных систем цветопробы (контроля совмещения цветов)

Машины картографического назначения, работающие только по классической схеме с переносом на бумагу, в 1984- 1991 годах создавались в НИИ электрографии (г. Вильнюс). Это машины типа ЭМЦ 01/02 с производительностью до 90 цветных копий карт в час [5]. В НИИ электрографии также была разработана [8] серия аппаратов, предназначенных для впечатывания многоцветной информации в морские топографические карты (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Параметры ЭФГ-аппаратуры для впечатывания информации в топографические карты

Оригинальностью отличались разработки института в области микрографии на базе органических прозрачных фоторецепторов однократного применения изготавливаемых на пленочной основе с возможным накоплением на них и многоцветного изображения (цветных микрофиш или диапозитивов информации). Такой процесс, а также опытные образцы аналоговой аппаратуры специального назначения были созданы [5, 6] в 1982- 1988 годах. Это комплекс репрографической техники для систем сбора, обработки и накопления информации, где единым носителем были ЭФГ-микрофишы (МФ). Комплекс М-030 включал в себя ряд аппаратов, параметры которых представлены в табл. 3.2. Опытные образцы аппаратуры прошли государственные испытания и опытную эксплуатацию на ряде оборонных организаций Советского Союза. Однако по мере развития компьютерных методов обработки и представления цифровой информации они потеряли свою актуальность, и работы были прекращены. Только созданием опытных образцов завершилось и направление впечатывания дополнительной информации в цветные карты [5, 8].

Таблица 3.2

Параметры репрографического комплекса аналоговой аппаратуры для систем сбора и представления алфавитно-цифровой и графической информации

Параметры	Единицы измерения	Значения параметров	Примечания
1. Носитель информации Тип Формат Количество микрокадров Кратность уменьшения Размеры микрокадра Вид микроизображения Оптическая плотность: изображения, не менее фонд, не более Разрешающая способность	- - - крат мм - Б Б	ЭФГ-микроафиша МФ-60 А6 60 21 17,75 х11,0 17,75 х 22,75 позитивный, черный 0,81-1,1 0,15-0,25 120-132	При изготовлении диапозитивов информации (п. 7) на МФ-1 получают один многоцветный кадр 100x100 мм (со служебной информацией за его пределами), предназначенный для проекционных устройств большого экрана. При микрофильмировании используется технология жидкостного проявления ФР типа ОЭФП-М [5]. Возможно получение негативного изображения. Имеется возможность допечатывания микрокадров или изменения их содержания (до трех раз)
2. Устройство изготовления МФ от оригинала Количество микрофильмируемых документов Время изготовления МФ, не более	А4/сутки мин	25 х 15	Микрофильмируются документы форматов А4 или A3
3. Устройство изготовления МФ от ЭВМ Количество адресуемых точек Скорость вывода Время изготовления МФ, не более	- симв./с точки/с мин	до 2835 х 4096 700 62500 15	Используется технология проекционного экспонирования с экрана ЭЛТ
4. Устройство изготовления копий МФ Масштаб печати Время изготовления одной копии МФ	- с	1:1 70	Возможно изготовление копий с позитивных или негативных МФ и возможно изменение их полярности
5. Устройство изготовления увеличенных копий микрокадров МФ Кратность увеличения Производительность	крат копий/ч	21 1000	Изготавливаются копиии микрокадров по п. 1, имеющие размеры от 210x297 до 420x297 мм
6. Комплекс аппаратуры для накопления автоматизированного фонда МФ Объем автоматизированного хранилища Объем информационного массива Максимальное время поиска МФ	МФ докум. А4 с	16 х 11,8 х 15	Автоматическое представление информации на просмотровом устройстве с последующим изготовлением увеличенных копий на бумаге. Наряду с фондом текущего использования, формируется страховой фонд МФ
7. Устройство изготовления диапозитивов информации ДИ Рабочий формат кадра ДИ Максимальный формат кадра ДИ Количество элементов изображения в кадре Количество знаков в кадре Количество цветов в кадре ДИ Среднее время изготовления кадра ДИ	мм мм - - - мин	100 х 100 100 х 112 8000 х 8000 50000 до А4 4	ДИ предназначены для систем отображения информации при работе в комплексе с проекционными системами большого экрана [5]

Примечания:

1. Опытные образцы устройств по пп. 2 - 6 прошли государственные испытания и опытную эксплуатацию в составе комплекса.

2. Устройство по п. 7 до уровня опытных образцов разрабатывалось отдельно.

3. Все разработки устройств по данным направлениям дальнейшего развития не получили.

Основное применение классическая электрофотография п лучила при создании одноцветной и цветной копировальной а паратуры. Для этого обычно используется вариант ЭФГ-процесса на ФР многократного применения (рис. 3.2, в) с переносе проявленного изображения. В цветной копировальной аппаратуре такой перенос происходит многократно с целью накопления цветного изображения [5]. В табл. 3.3. представлены обобщенные параметры аппаратуры [5, 7].

Таблица 3.3

Обобщенные параметры аналоговой копировальной аппаратуры

В настоящее время продолжается выпуск [7] широкой гаммы одноцветных копировальных аппаратов - от маленьких настольных аппаратов с производительностью 4-12 cpm, габаритами 400х400х100 мм и емкостью лотков бумаги 250 - 500 листов до крупногабаритных консольных аппаратов с производительностью до 120 cpm, габаритами до 2600х1000х2500 мм и емкостью до 6000 листов. Последние имеют широко развитую послепечатную обработку и эксплуатируются совместно с цифровыми выводными аппаратами, выполняя функцию скоростного тиражирования документов. Однако аналоговые цветные аппараты (которые в 1987 - 1992 годах выпускались параллельно с цифровыми) с 1993 г. уже не выпускаются. Их функции полностью выполняют цифровые копировально-выводные аппараты (темы № 4, 25).

1. Schaffert R. М. Electrophotography. London: Focal Press, 1975. - 989 p.

2. Гренишин С. Г. Электрофотографический процесс. - М.: Наука, 1970. - 376 с.

3. Schein L. Electrophotography and Development Physics. - Morgan Hill, California: Laplacian Press. - 1996. - 355 p.

4. Мозалевский В. В. Математическое моделирование электрофотографического канала. - Минск: Наука и техника, 1984. - 232 с.

5. Харин О., Сувейздис Э. Цветная электрофотография. - М.: Воен. изд., 1996. - 227 с.

6. Сидаравичюс Й., Сувейздис Э. // Журнал научн. и прикл. фотографии. - 1993. Т. 38. № 2. - С. 51-67.

7. //ОЕР, - 2000. № 2. - Р. 17-59.

8. Чепенко В. // Digital Р rinting Magazine, - 2003. № 3/4. - С. 26-29.

Цифровая электрофотография является синонимом современной электрофотографии. В последние годы прошлого века и первые нового она получила очень широкое развитие и распространение (темы № 21, 32). Здесь мы попытаемся раскрыть специфику современного уровня цифрового ЭФГ-процесса, отвечая на следующие основные вопросы:

1. Суть цифровой электрофотографии и ее отличие от классической

2. Процесс лазерной записи - основа современной цифровой электрофотографии

3. Реализованные возможности цифровой электрофотографии

Цифровая электрофотография - это процесс получения составного разнотипного ЭФГ-изображения, основанный на цифровых методах его предварительной обработки и последующего воспроизведения на ФР с применением лазерной записи.

Цифровая электрофотография использует этапы воспроизведения изображения (табл. 4.1, 4.2), характерные и для классической электрофотографии (тема № 3). При этом вспомогательные этапы зарядки, переноса, закрепления и очистки могут быть позаимствованы полностью. Отличия появляются только для основных этапов экспонирования и проявления [1]. Специфика наблюдается и для режима накопления цветного изображения.

Таблица 4.1

Характеристика типовых этапов электрофотографического процесса

Суть цифровой электрофотографии раскрывается ниже на примерах получения цветного изображения. Варианты одноцветного и многоцветного изображения являются частными случаями.

Рассматриваются два варианта цветной электрофотографии, широко используемые в аппаратуре:

а) накопление цветного изображения на ФР с переносом на все бумагу в один прием (рис. 4.1).

б) накопление цветного изображения на бумаге в результате многократного переноса (рис. 4.2).

Рис. 4.1. Последовательность этапов цветной электрофотографии (вариант «а»): ФР - фоторецептор; ВО - воспринимающая основа; А1, А2, A3 - цветоделенные составляющие информационного входа; Ж, П, Г - получение изображения желтого, пурпурного и голубого цвета; В1 - твердая копия для варианта «а»

Рис. 4.2. Последовательность этапов цветной электрофотографии (вариант «б»): (обозначения - см. на рис. 4.1) В2 - твердая копия для варианта «б»

Вариант «б» имеет две разновидности:

- используется только один фоторецептор;

- используются отдельные фоторецепторы для каждого цвета.

В первом случае бумажный лист многократно транспортируется мимо одного цилиндрического фоторецептора (Multi-Pass-Xerography). Во втором случае бумажный лист (или лента) протягивается мимо нескольких фоторецепторов (Tandem Xerography или Single-Pass-Xerography) и по пути как бы собирает на себе все компоненты цветного изображения.

Таблица 4.2

Различия между типовыми этапами при реализации классического и цифрового электрофотографического процесса

Перенос может проходить либо непосредственно на бумажную основу, либо в две стадии - с использованием промежуточного носителя (тема № 18).

Информационным входом для цифровой аппаратуры могут быть:

а) физические оригиналы (одноцветные или цветные);

б) электронные среды (информация поступающая непосредственно от компьютера или по каналам связи).

Информационным выходом могут быть:

а) факсимальные или отредактированные копии оригиналов;

б) документы компьютерной информации;

в) составные документы объединяющие информацию от различных источников.

На входе информация любого типа проходит через компьютер, с помощью которого она объединяется и редактируется. В случае применения цветных физических оригиналов предварительно происходит процесс цветоделения [1]. Полученный аналоговый сигнал, с помощью аналого-цифрового преобразователя превращается в дискретный, цифровой [2]. Вся информация в закодированном виде поступает в систему лазерной развертки и на выходе получается твердая копия одноцветного, многоцветного или цветного изображения*.

(*Уровни цветности изображения цифровой печати:

- одноцветное (Monocolor or Black and White) изображение полученное на аппаратуре ЦП, где используется один стационарно установленный узел проявления наполненный черным или цветным проявителем, по необходимости сменяемый на другой цвет;

- многоцветное (Multicolor or Color) изображение полученное на аппаратуре ЦП, где используется несколько стационарно установленных узлов проявления или они оперативно меняются, а цветовому кодированию индивидуально подвергаются только определенные категории информации или зоны изображения;

- цветное (Full Color) изображение, полученное на аппаратуре ЦП, где используется полный комплект узлов проявления с тонерами триады, позволяющими методом субтрактивного цветосинтеза получить всю гамму цветного изображения (см. темы № 10, 11))

Видно, что как по информационному входу, так и по выходу цифровая электрофотография существенно отличается от классического варианта (тема № 3). Основа цифровой электрофотографии - это технология лазерной записи.

Лазерная запись в общем смысле это технолог печати (Laser Printing) основанная на применении строчной кадровой развертки импульсного облучения ФР, формирующего растровую структуру скрытого изображения, которая визуализируется на этапе проявления.

Процесс лазерной записи* [3] стал общей технологической базой для разнотипной многофункциональной аппаратуры, которая в различных сочетаниях типовых блоков позволяет: копировать цветные оригиналы; выводить компьютерную информацию в цвете, получать твердые копии составного изображения, отредактированного на экране дисплея; выводить информацию, поступающую по мировым компьютерным сетям и т.д.

(*Процесс лазерной записи - современный ЭФГ-процесс воспроизведения изображения, в котором для экспонирования используются лазерные источники излучения двух типов:

а) многоэммитерный полупроводниковый лазер с оптико-механической разверткой изображения;

б) многоэлементная линейка светоизлучающих диодов типа LED)

Для этапа экспонирования характерно, что экспозицию ФР составляет очередь коротких (порядка 20 нс) мощных импульсов лазерного излучения, последовательно рисующих пространственную решетку изображения из точек, линий и заливных участков (темы № 7, 16). На этапе проявления эта пространственная решетка дополнительно играет роль «несущей частоты» растра, который не только формирует элементы изображения, но и позволяет устранить краевой эффект больших заливных участков (темы № 8, 17).

В ЭФГ-аппаратуре цифровой печати отсутствует свойственная традиционным способам печати вещественная печатная форма. Ее эквивалент - цифровая или «виртуальная форма» т. е. цифровой ряд, описывающий весь массив информации, предназначенной для печати, а также созданное на ФР скрытое электростатическое изображение. Такая «печатная форм» обновляется при каждом цикле воспроизведения изображения и допускает оперативное вмешательство оператора в ход печати. В случае воспроизведения цветного изображения, каждой цветоделенной информации соответствует свой массив, имеющий определенный код, при печати превращаемый в свой цвет [4 -6].

По сравнению с аналоговым классическим процессом, цифровая электрофотография имеет следующие преимущества:

- существенно расширяется область применения процесса;

- возникает общая база (лазерная запись) для создания аппаратуры различного значения;

- по качеству воспроизводимого цветного изображения и параметрам быстродействия процесс становится конкурент способным с офсетной печатью.

Это наиболее ясно показано при рассмотрении специфики эксплуатационных характеристик новой технологии (тема № табл. 12.2) и при сравнении параметров ЭФГ-технологии с технологией DI сухого офсета (табл. 12.3 и рис. 12.5).

Возможности цифровой электрофотографии были реализованы в аппаратуре различного назначения (тема № 21). Наиболее успешно они использованы (темы № 12, 28) непосредственно в аппаратуре цифровой печати при подготовке издательских оригиналов и при оперативной печати по заказу (Printing-on-Demand) небольших тиражей обновляемых персонализируемых документов, а в последнее время и при оперативной печати книг (Book-on-Demand).

Технология цифровой электрофотографии представляет пользователям некоторые общие (иногда весьма неожиданные) возможности. Оцифровка физических оригиналов или представление документов в цифровой форме позволяет программно обработать эти цифровые данные, повышая контрастность деталей, устраняя деффектность и улучшая другие качественные параметры выводимого изображения. Вместо помятого, поблекшего оригинала, например, может быть получена копия отличного качества. Это особенно актуально при реставрации архивных документов, что уже находит широкое практическое применение [7].

Возможности цифровой аппаратуры общего назначения зависят от уровня цветности выводимых документов.

Основными параметрами, реализованными в одноцветной цифровой аппаратуре, являются: для настольных принтеров - производительность до 96 ppm и разрешение до 1200х1200 dpi; для копировально-выводных аппаратов - до 180 ppm и до 1200х1200 dpi.

Обобщенные параметры, реализованные в цветной цифровой аппаратуре, представлены в табл. 4.3.

Одноцветная и цветная аппаратура выпускается в нарастающем темпе. Особенно это относится к одноцветным и цветным лазерным принтерам и цифровым печатным машинам (темы № 29, 30).

Современная электрофотография также находит практическое применение в смежных областях цифровой печати специального назначения (тема № 20). Наряду с уже привычным получением твердых копий на прозрачной основе (изготовлением диапозитивов) цифровая печать распространяется в область упаковочного производства, где приходится печатать не только на прозрачную, но также на жесткую или тканевую основу. Сформировалась новая перспективная область изготовления цифровых фотокарточек для бытовой цифровой фотографии, где нашли практическое применение заделы электрофотографии по изготовлению картографических документов на специальной пленочной основе. Цифровая электрофотография все шире распространяется в весьма специфичную область изготовления финансовых документов на бумаге специального назначения с возможностью печати засекреченных (скрытых) меток или подписей. Цифровая печать здесь представляет очень широкие дополнительные (оперативные) возможности, которые недоступны для классической электрофотографии или для альтернативных технологий печати.

Таблица 4.3

Обобщенные параметры цветной цифровой аппаратуры

О широком развитии цифровой электрофотографии в целом свидетельствуют и ежегодно проводимые различные конференции, где обобщаются результаты новых исследований процессов, создания необходимых материалов (фоторецепторов и проявителей и развития) технологии цифровой печати. В частности, регулярно вот уже 20 лет проходят международные конференции International Conference on Digital Printing Technologie организуемые сообществом Society for Imaging Science an Technology. В 2004 г. проходила очередная конференция NIP 20. Здесь были обобщены [8] самые последние результаты по раз витию технологии цифровой электрофотографии в начале нового века (тема № 32).

1. Харин О., Сувейздис Э. Электрофотография для цифровой печати. - М: Изд-во МГУП, 1999. - 438 с.

2. Шлихт Г. Ю. Цифровая обработка цветных изображений. - М.: ЭКОМ, 1997. - 300 с.

3. Колесниченко О., Шарыгин М., Шишигин И. Лазерные принтеры. - Дюссельдорф, Киев, Москва, С.-Петербург: ВНИ - С.-Петербург, 1997. - 272 с.

4. Diamond A. S. Handbook of imaging materials - New York, Basel, Hong Kong: Marcel Dekker. Inc., 1991. - 621 p.

5. Цифровая печать. Оборудование и технология / Библиотека хозяина, Вып. 4. - Москва, 2003. - 132 с.

6. Baumler В. Laser druck. - Polygraph Verlag, 2003. - 232 p.

7. Shaw R. / International conference IS and T's NIP 20; Proc. 2004. - P. 638 - 641.

8. International conference IS and T's NIP 20; Proc. 2004. - 1048 p.

Фоторецептор - это основа, на которой реализуется процесс цифровой электрофотографии и прежде всего осуществляются основные этапы экспонирования и проявления (темы № 7, 8). Обобщенная характеристика данного материала делается в следующей последовательности:

1. Назначение фоторецепторов и физическая основа их функционирования

2. Основные типы фоторецепторов и их распространенность в современной аппаратуре

3. Технология изготовления фоторецепторов

4. Параметры фоторецепторов, применяемых в современной аппаратуре

Электрофотографический фоторецептор (ФР) - синоним: носитель информации - это фотополупроводниковое изделие, на котором осуществляется формирование электрофотографического изображения. Основные его функции: восприятие наносимых электростатических зарядов и, в соответствии с интенсивностью и распределением падающего излучения, формирование так называемого скрытого электростатического изображения (СЭИ), проявляемого с помощью электрографического проявителя.

ЭФГ-ФР состоит из следующих элементов (рис. 5.1): электропроводящей основы (подложки), в качестве которой используется металлическая пластина, цилиндр или лента, а также покрытая электропроводящим слоем диэлектрическая пленка; электрофотографического слоя (ЭФС), который в общем случае может иметь несколько элементарных слоев различного назначения - барьерный, фотополупроводниковый и защитный или генерирующий и транспортный.

Рис. 5.1. Компоненты ФР и элементы скрытого электростатического изображения: CGL - генерирующий слой; CTL - транспортный слой; - потенциал ФР; - номинальный потенциал зарядки; - фоновый потенциал

Сопротивление основы не должно превышать . зависит Требования к ЭФС весьма противоречивые: необходимо согласовать достаточно высокую фоточувствительность со способноcтью стабильного сохранения электростатических зарядов, что свойственно диэлектрикам. Для прозрачных ФР важным является высокий коэффициент светопропускания составных элементов.

Для изготовления ФР используются высокоомные фоточувствительные полупроводники [ 1 ]. Осажденные на ЭФС электростатические заряды могут сохранять свою неподвижность в темноте только в случае малой объемной концентрации свободных носителей тока. Это обеспечивается при большой ширине запретной зоны полупроводника, высоком потенциальном барьере у подложки и низкой концентрации заполненных локальных уровней в объеме слоя. При зарядке такого ФР на нем создается определенный потенциал, оптимальный уровень которого называется номинальным потенциалом* .

(*Номинальный потенциал фоторецептора - величина потенциала, при котором обеспечивается получение качественных параметров ФР, указанных в его технической документации)

В процессе экспонирования в тонком генерирующем слое CGL происходит создание носителей заряда. Основная часть носителей дрейфуют через транспортный слой CTL в направлении связанных зарядов и снижают номинальный потенциал до фонового значения* (тема № 7).

(*Фоновый потенциал - допустимый максимальный потенциал, оставшийся на экспонированных участках фоторецептора)

Основным параметром ФР, используемым при сравнении их различных типов, является фоточувствительность.

Фоточувствительность ФР разделяется на спектральную и интегральную.

Спектральная фоточувствительность* определяется (5.1) в энергетических единицах () при определенной длине волны спектра облучения и при условии уменьшения номинального потенциала в два раза. Она обычно представляется в виде кривой . Характер этой функции особенно важен при копировании цветных оригиналов (для аналогового варианта).

(*Спектральная фоточувствительность выражается: (5.1), где - энергетическая экспозиция при определенной длине волны спектра облучения ; - облученность при длине волны ; t - время облучения; D - изменение потенциала при облучении; - номинальный потенциал)

При копировании одноцветных оригиналов часто используется параметр интегральной фоточувствительности* во всей видимой области спектра. Интегральная фоточувствительность определяется в световых единицах () для всей видимой области спектра (5.2).

(*Интегральная фоточувстсвительность выражается: (5.2), где , - пределы длин волн в видимой области спектра; - коэффициент пропорциональности; - эффективная облученность в видимой области спектра)

Для цифровой аппаратуры (как одноцветной, так и цветной) существенное значение имеет спектральная фоточувствительность ФР в области излучения лазера (тема № 7).

Упомянутые параметры для ФР определенного типа во многом зависят от достигнутого потенциала фоточувствительного слоя, который, в свою очередь, зависит от плотности осажденного заряда [3]. Эта функциональная зависимость для органических ФР и его компонентов показана на рис. 5.2. Из вольто-кулоновой характеристики [11] видно, что линейная зависимость параметров прекращается при достижении определенного уровня зарядки, когда уже возникает зона пробоев. Эта зона зависит от толщины фоточувствительного слоя.

Рис. 5.2. Вольто-кулоновые характеристики для положительной (+) и отрицательной (-) зарядки [11]: 1,2 - транспортного слоя CTL отдельно; 3, 4 - всей структуры ФР; 5 - теоретическая кривая для идеального конденсатора

Оптимальным и практически применяемым [1, 3] уровнем номинального потенциала зарядки органического фоторецептора структуры CGL/CTL является потенциал (600 - 800) В. Видно (рис. 5.2.), что для варианта отрицательной зарядки это достигается при нанесении поверхностного заряда (0,2 - 0,3) .

При отсутствии фотогенерированных или термически инжектированных зарядов, фоторецептор представляет собой идеальный конденсатор. Потенциал зарядки* такого идеального Ф выражается формулой (5.3). Однако практически в объеме фоторецептора (в условиях сильного внутреннего электростатического поля) под действием тепловой энергии или туннельного перехода [1]) всегда могут возникнуть электронно-дырочные пары, которые вызывают темновой спад потенциала** (5.4)

(*Потенциал зарядки «идеального» ФР: (5.3), где q - плотность поверхностного заряда; С - геометрическая емкость ФР; d - толщина ФР; - диэлектрическая проницаемость ФР; - электрическая постоянная).

(**Темновой спад потенциала ФР [13]: (5.4), где , - поверхностная и объемная скорость генерации носителей заряда соответственно)

Если при темновом спаде носители одного знака подвижны, а другого - захватываются глубокими ловушками, то происходит однополярная разрядка ФР с образованием объемного заряда противоположной полярности. В этом случае потенциал зарядики* реального ФР в начальной и завершающей стадиях темновой разрядки и в зависимости от места расположения передвигающихся свободных зарядов выражается по-разному (5.5, 5.6). Haчальная стадия ( ) заканчивается при времени темновой разрядки , когда выполнятся условие: ( - номинальный потенциал) и наступает завершающая стадия ().

(*3 Потенциал зарядки реального ФР [13]: (5.5) (5.6), r - концентрация захваченных носителей заряда; Q = rd)

Заряженный ФР, находящийся в определенной стадии темновой разрядки, готов к восприятию световой информации с образованием скрытого электростатического изображения. Фонтоэлектрические характеристики ФР подробно рассматриваются в теме № 7.

В зависимости от выбранного варианта ЭФГ-процесса (тема № 3) и от типа аппаратуры, ФР подразделяются на две группы: однократного и многократного применения [2, 3].

Группу ФР однократного применения составляют ЭФГ-бумаги и органические прозрачные пленки. Для изготовления » ЭФГ-бумаг используются дисперсные системы ZnO, наносимые на бумагу. Образуется гетерогенная система, состоящая из мелкодисперсных частиц полупроводника, диспергированных в диэлектрическом связующем веществе. Аналогичным методом наносятся и органические полупроводники [4]. Этот тип ФР получил название органических электрофотографических пленок. Они используются в микрографии.

ФР многократного применения - это наиболее распространенный тип. Они изготавливаются на базе аморфных халькогенидов, аморфного кремния или непрозрачных органических hp фотополупроводников. Исторически этот тип ФР был основой классического ЭФГ-процесса, известного под названием ксерографии (тема № 3). В самых первых копировальных аппаратах (1950) использовались селеновые пластины. По мере автоматизации копировального процесса и появления ротационных аппаратов, форма и состав ФР значительно изменились. В настоящее время это покрытые высокочувствительным слоем металлические цилиндры, а также гибкие пленки, которые в аппаратуре закрепляются на цилиндрической поверхности или представляют собой бесконечную ленту [3, 4].

Технология изготовления слоев на базе аморфного халькогенида - вакуумное напыление. При получении многослойных структур сначала наносится тонкий генерирующий подслой, а потом - полупрозрачный транспортный слой.

Слои аморфного кремния* не столь распространены, так как технология их изготовления осаждением в тлеющем разряде сложна и мало производительна. Существенным преимуществом таких слоев является их высокая механическая прочность, что дает возможность увеличить тиражестойкость ФР до нескольких миллионов копий.

(*Слои аморфного кремния перспективны при создании скоростных тиражных принтеров. Чувствительность слоев в ИК-области спектра достигает 1000 )

Органические фотополупроводники могут быть использованы не только для создания ФР однократного применения. Ими успешно могут быть заменены халькогенидные слои многократного применения. В этом случае неактуальными становятся требования прозрачности, что позволяет значительно увеличить концентрацию сенсибилизаторов и поднять фоточувствительность (по сравнению с прозрачными пленками). Используются слои гомогенной структуры, а также создаются многослойные системы. Широко распространены двойные слои типа CTL/CGL, где функции генерирующего слоя CGL выполняет тонкий слой селена (0,1 -0,5 мкм). Полимерный слой CTL имеет толщину от 10 до 40 мкм.

ФР всех типов - это многослойные системы фотополупроводников, нанесенных на электропроводящую основу. Структура ФР различных типов и их полярность зарядки приведена на рис. 5.3, а, а распространенность этих типов в ЭФГ-копировально-выводной аппаратуре [5] - на рис. 5.3, б. Данные относятся к ЭФГ-аппаратуре вообще (монохромной и цветной), однако это типично и отдельно для цветной аппаратуры. Из рисунка видно, что преобладавший в 70 -80-х годах тип ФР на базе Se/Te, с 1989 г. бы; вытеснен слоями органического фотополупроводника. В 1999 г. на рынке фоторецепторов органические материалы уже занимали [8] более 96% с прогнозом увеличения до 99,4% в 2004 г.

Рис. 5.3. Структура основных типов ФР (а) и их распространенность в ЭФГ-аппаратуре (б) [5, 8]: +/- полярность зарядки ФР. 1 - ФР на базе CdS; 2 - -Si; 3 - Se/Te; 4 - органические фотополупроводники; 5 - неорганические материалы. AI - алюминиевая основа; CGL - генерирующий слой; CTL - транспортный слой; D - диэлектрик; ОРС - органический ф/п

Современный уровень органических ФР и типы применяемых материалов рассмотрены в обзорной работе [14] представленной на международной конференции ISand T's NIP 19, проходившей в сентябре 2003 г. Подчеркивается, что для слоев CGIai обычно используется дисперсия органических фоточувствительных частиц в полимерной связке. Иногда это может быть напыленный в вакууме слой органических красителей. Типичными органическими фоточувствительными материалами являются фталоцианины или азокрасители.

Для слоев CTL типичными являются полимерные матрицы из класса поликарбонатов, содержащие дырочно-транспортные молекулы, например третичные амины с нитрогеном и множеством бензоловых колец.

Технология полива органических материалов на цилиндр или на гибкую полимерную основу подробно рассмотрена в работе [4]. Равномерность наносимого слоя из раствора при свободном поливе во многом зависит от конструкции поливной кассеты и ее герметизации.

Используются [4] различные технологические узлы полива (рис. 5.4): с купающимся или набрасываемым валиком, поливные кюветы Клирмана или Шакирова, поливная кювета с «воздушным ножом» и др.

Рис. 5.4. Схемы технологических узлов полива слоев ФР [4]: а - метод купающегося валика: б - метод набрасывающего валика: а - регулирующий валик, 1 - основа; 2 - лаковый слой; 3 - поливная кювета; 4 - ролик с купающей основой; 5 - набрасывающий валик; А - транспортирующий ролик; В - набрасывающий ролик в - поливная кювета Клирмана: 1 - корпус кюветы; 2 - камера кюветы; 3 - фасонная перегородка; 4 - сливная щель; 5 - цилиндрическая перегородка; 6 - сливная щель капилляра; 7 - поливной валик; 8 - подложка; 9 - эмульсия r - поливная кювета с «воздушным ножом»: I - эмульсия; 2 - поливная кювета; 3 - подложка; 4 - поливной валик; 5 - сополо для создания «воздушного ножа»; 6 - сбрасывающий валик; 7 - лоток для стока эмульсии; 8 - перегородка д - поливная кювета Шакирова: 1 - купающийся валик; 2 - подложка; 3 - ребро; 4 - мениск; 5 - капиллярная щель; 6, 8 - водяные рубашки; 7 - канал; 9 - штуцер; 10 - приемная камера; II - термостат; 12 - грань

Для получения более толстых слоев (10 мкм и более) используются фильерные кюветы - льющие или мажущие [4]. Для увеличения быстродействия процесса применяется способ экструзии (полив под давлением).

В современных (2000-х годов) цветных цифровых аппаратах используются практически только непрозрачные органические ФР. Их энергетическая чувствительность охватывает ИК-область спектра и постоянно повышается. Состояние по созданию таких ФР [4, 6] показано на рис. 5.5. Из рисунка видно, что группа органических ФР различных типов (Y - Ti ОРС, Azlenium ОРС, М.Р.М. ОРС, Canon LBP) по своей энергетической чувствительности в широкой ИК-области находится на уровне чувствительности Se/Te в видимой области спектра и приближается к чувствительности инфракрасных аэрографических пленок. Чувствительность органических ФР достигает (100-1000) , при этом экспозиция полуспада потенциала не превышает () . По другим литературным источникам [7] чувствительность органических ФР фирмы «Canon» оценивается в 1000 , при длине волны спектра облучения 700 нм, или в 400 - для спектральной области излучения диодных лазеров с = 770 - 800 нм. При пересчете на принятую у нас систему определения энергетической чувствительности это составляет около 100 .

Рис. 5.5. Характеристика чувствительности (левая шкала) и экспозиции полуспада потенциала (правая шкала) для ЭФГ-органических ФР производства различных фирм (сплошные линии) по сравнению с аналогичными характеристиками Se/Te слоев, а также фотографических и везикулярных пленок (пунктирные линии) [4, 6]: 1 - Y - Ti ОРС; 2 - Azlenium ОРС; 3 - И.P.M. ОРС; 4 - Canon LBP; 5 - Fujichrome 1600 professional: 5a - синий; 56 - зеленый; 5в - красный; 6 - Kodak Infrared Aerographik Film 2424; 7 - Se/Te; 8 - Vesicular Film;

Чувствительность органических прозрачных пленок, предназначенных для получения цветных микроформ (кривые 9 - 11), более низкая [4]. Зона максимальной чувствительности может быть сдвинута в ту или другую сторону в зависимости от применяемого в аппаратуре источника излучения.

Развитие фоторецепторов происходит одновременно с развитием современной аппаратуры цифровой печати. В основном увеличивается их фоточувствительность и тиражестойкость. Это отражено на рис. 5.6, где показана [12] спектральная чувствительность ФР, созданных на базе азопигментов (titanyloxyphthalocyanine, tTi ОРс), различной кристаллической структуры.

Рис. 5.6. Спектральная чувствительность ФР различных типов [12]: S - спектральная чувствительность; - длина волны спектра облучения

Из рисунка видно, что максимальная спектральная чувствительность в области излучения лазерных диодов (780 - 800 нм) достигает 1000 .

Спектральная чувствительность ФР, работающих в режиме принтера, приведена [10] на рис. 5.7. За своеобразный критерий чувствительности принята величина фоторазрядки (спад потенциала U) от начального уровня рабочего потенциала минус 700 В при величине экспозиции равной 0,1 . На рисунке приведена кривая чувствительности для двух типов ФР разработки фирмы «Осе»: типа ОРС(1), предназначенного для работы в зоне излучения лазерных диодов (665 и 780 нм) и типа ином ОРС(2) - в красной области применительно к излучению Не -Ne лазера (633 нм). Видно, что чувствительность обоих типов ФР в ИК-области спектра превышает аналогичную характеристику ФР типа -Si, и SeTe.

Рис. 5.7. Спектральная чувствительность ФР различных типов [10]:AU - величина фоторазрядки при экспозиции 0,1 ; - длина волны спектра облучения

Обобщенные параметры [15] органических ФР, используемых в аппаратуре цифровой печати, приведены в табл. 5.1. Параметры соответствуют режиму лазерной записи в ИК-области спектра. Они собраны из различных источников информации и являются ориентировочными.

Таблица 5.1

Обобщенные параметры органических фоторецепторов

Наименование параметра	Единица измерения	Значение параметра	Примечания
1. Физические параметры
1.1, Структура фоторецептора	-	CGL/CTL	Возможны дополнительные слои
1.2. Толщина слоев: -CGL -CTL	мм мм	0,5-2 10-40
1.3. Молекулярная масса	-	30000-100000
1.4. Относительная диэлектрическая проницаемость	-	около 3
1.5. Удельное сопротивление: - в темноте - при освещении		>
1.6 Величина ионизации молекул	эВ	7-8
1.7. Плотность поверхностных зарядов		>100	При потенциале минус 1000 В
1.8. Мощность облучения			При рабочей экспозиции в ИК-области спектра
1.9. Длительность импульса	нс	до 20	Минимальная величина
1.10. Диаметр пятна	мкм	20 - 40
1.11. Число фотонов			В ИК-области спектра
1.12. Квантовая эффективность	-	0,1-0,9
1.13. Дрейфовая подвижность носителей заряда
1.14. Время транзита носителей	мкс	140-400	В зависимости от наличия объемных зарядов в CTL
2. Электрофотографические параметры
2.1. Рабочий потенциал зарядки		минус 600-800
2.2.Напряженность поля в ЭФС	В/м		При рабочем потенциале зарядки
2.3. Энергетическая чувствительность		100-1000	В условиях полуспада потенциала в ИК-области спектра
2.4. Рабочая экспозиция		4-6
2.5. Остаточный потенциал	В	до 100
2.6. Электростатический контраст	В	400-600
2.7. Минимальная длительность цикла записи		0,5-1,0	Цикл: зарядка — экспонирование — проявление — перенос-очистка (закрепление отдельно) и с пересчетом на формат А4
2.8. Цикличность работы	количество циклов	100000 - 300000

1. Borsenberger P. М., Weis D. S. Organic Photoreceptor for Imaging Systems. - New York: Marcel Dekker. - 1993. - 447 p.

2. Williams E. M. The Physics and Technology of Xerographic Processe. - New York: Wiley, 1984. - 102 p.

3. Scharfe M. Electrophotography Principles and Optimization. - Letch-worth: Press, 1984. - 200 p.

4. Авилов Г. В. Органическая электрофотографическая пленка. - М.: Искусство, 1985. - 128 с.

5. Hajime Miyazaki // Electrophotography. - 1993. V. 32. № 3. - P. 282 - 290.

6. Satoru Honjo // Fuji Film Research and Development. - 1993. № 38. - P. 37-42.

7. Ishikawa S. / Fine Chem. Electron. Ind.: Proc. Symp. - 1986, London. - P. 82-96.

8. Shane J. E. / Toners and Photoreceptors 2000. Image materials seminar. Santa Barbara, Ca, June 4-7, 2000.

9. Diamond A. S. Handbook of Imaging Materials - New York, Basel, Hong Kong: Marcel Dekkor Inc., 1991. - 621 p.

10. Goldman G. The World of Printers /Осе Printing Systems GmbH, 2001.

11. Lozovski T. et al. // Syntetic Metals, - 2000. № 109. - P. 195- 198.

12. Tetsuo Murayama // J. Imaging Science and Technol. - 2002. № 4. - P. 285-291.

13. Ванников A.B., Уарова P.M. Электрография. - M.: Изд. МГУП, 2000. 127 с.

14. Popovic Z. Bender Т. / International conference IS and T's NIP 19: Proc. 2003. - P. 1-95.

15. Харин О., Сувейздис Э. // Digital Printing Magazine, - 2002. № 1. - С. 40-43.