Московский государственный университет печати

Олег Харин, Эмилис Сувейздис


         

Электрофотография

Учебное пособие


Олег Харин, Эмилис Сувейздис
Электрофотография
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление
1.

Предисловие

1.1.

Тема № 1. Введение

1.1.1.

1. Что такое электрофотография?

1.1.2.

2. Что такое современная электрофотография?

1.1.3.

3. Как выглядит дерево развития электрофотографии?

1.1.4.

4. Какой принцип изложения материала используется в данной работе?

1.1.5.

Специальная литература общего характера (тема № 1)

2.

Часть I. Процесс

2.1.

Тема № 2. История

2.1.1.

1. Ранее развитие электрофотографии

2.1.2.

2. Становление классической электрографии

2.1.3.

3. Истоки цветной электрографии

2.1.4.

4. Появление электрографической технологии цифровой печати

2.1.5.

5. Этапы позднего развития электрографии

2.1.6.

Литература по историческим вопросам развития электрофотографии (тема № 2)

2.2.

Тема № 3. Классическая электрофотография

2.2.1.

1. Суть классического варианта и характеристика его типовых этапов

2.2.2.

2. Разновидности классического варианта

2.2.3.

3. Реализация возможности классической электрографии

2.2.4.

Литература по вопросам классической электрофотографии (тема № 3)

2.3.

Тема № 4. Цифровая электрофотография

2.3.1.

1. Суть цифровой электрофотографии и ее отличие от классической

2.3.2.

2. Процесс лазерной записи - основа современной цифровой электрофотографии

2.3.3.

3. Реализованные возможности цифровой электрофотографии

2.3.4.

Литература по вопросу цифровой электрофотографии (тема № 4)

2.4.

Тема № 5. Фоторецепторы

2.4.1.

1. Назначение фоторецепторов и физическая основа их функционирования

2.4.2.

2. Основные типы фоторецепторов и их распространенность в современной аппаратуре

2.4.3.

3. Технология изготовления фоторецепторов

2.4.4.

4. Параметры фоторецепторов, применяемых в современной аппаратуре

2.4.5.

Литература по фоторецепторам (тема № 5)

2.5.

Тема № 6. Проявители

2.5.1.

1. Назначение проявителей и физическая основа их функционирования

2.5.2.

2. Основные типы проявителей и их распространенность в современной аппаратуре

2.5.3.

3. Технология изготовления и подготовки проявителей

2.5.4.

4. Параметры цветных проявителей, применяемых в современной аппаратуре

2.5.5.

Литература по проявителям (тема № 6)

2.6.

Тема № 7. Процесс лазерного экспонирования

2.6.1.

1. Сущность и физические основы процесса экспонирования

2.6.2.

2. Основные зависимости фоторазрядки ФР

2.6.3.

3. Характеристика созданного скрытого электростатического изображения

2.6.4.

4. Основные параметры процесса экспонирования

2.6.5.

Литература по процессу экспонирования (тема № 7)

2.7.

Тема № 8. Процесс проявления растровой структуры

2.7.1.

1. Сущность и физические основы процесса проявления

2.7.2.

2. Основные зависимости процесса проявления растровой структуры

2.7.3.

3. Магнитная кисть - наиболее распространенный метод проявления

2.7.4.

4. Метод жидкостоного проявления

2.7.5.

5. Основные параметры процесса проявления

2.7.6.

Литература по процессу проявления (тема № 8)

2.8.

Тема № 9. Оценка качества цифрового изображения

2.8.1.

1. Общая характеристика электрофотографического процесса

2.8.2.

2. Критерии оценки выходных параметров цифрового изображения

2.8.3.

3. Параметры энергетического преобразования информационного сигнала

2.8.4.

4. Пространственныо-частотные параметры

2.8.5.

5. Цветовые параметры

2.8.6.

Литература по вопросам оценки качества цифрового изображения (тема № 9)

2.9.

Заключение части I

2.9.1.

1. Резюме

2.9.2.

2. Контрольные вопросы по процессу

3.

Часть II. Технология

3.1.

Тема № 10. Цветосинтез

3.1.1.

1. Основы цветосинтеза и методы его реализации

3.1.2.

2. Стадии триадного цветосинтеза

3.1.3.

3. Технологические варианты цветосинтеза

3.1.4.

Литература по вопросу цветосинтеза (тема № 10)

3.2.

Тема 11. Варианты и возможности

3.2.1.

1. Обобщение вариантов технологии воспроизведения цветного ЭФГ-изображения

3.2.2.

2. Варианты цветного копирования физических оригиналов

3.2.3.

3. Варианты воспроизведения цветных документов компьютерной информации

3.2.4.

4. Аппаратурные возможности технологии современной цветной электрофотографии

3.2.5.

5. Альтернативные технологии воспроизведения цветного изображения

3.2.6.

Литература по вопросу анализа вариантов и возможностей (тема № 11)

3.3.

Тема № 12. Сущность цифровой технологии

3.3.1.

1. Направления развития технологий цифровой печати

3.3.2.

2. Электрофотографическая технология цифровой печати

3.3.3.

3. Технологические особенности лазерной записи

3.3.4.

4. Возможности ЭФГ-технологии и ее место среди других технологий

3.3.5.

Литература по цифровым технологиям (тема № 12)

3.4.

Тема № 13. Компьютерная обработка

3.4.1.

1. Принципы допечатной цифровой обработки информации

3.4.2.

2. Оцифровка одноцветного изображения

3.4.3.

3. Оцифровка цветного изображения

3.4.4.

4. Компьютерная обработка цветного изображения и его воспроизведение

3.4.5.

Литература по компьютерной обработке (тема № 13)

3.5.

Тема № 14. Формирование растровой структуры

3.5.1.

1. Сущность цифрового метода формирования растровой струк

3.5.2.

2. Характеристика растровой структуры

3.5.3.

3. Модулирование точек в растровой структуре изображения и параметры качества

3.5.4.

Литература по растровой структуре (тема № 14)

3.6.

Тема № 15. Базовые структурные элементы

3.6.1.

1. Состав и общая характеристика базовых структурных элементов

3.6.2.

2. Взаимодействие базовых структурных элементов при построении изображения цифровой печати

3.6.3.

3. Критерии оценки качества базовых структурных элементов

3.6.4.

Литература по базовым структурным элементам (тема № 15)

3.7.

Тема №16. Реализация лазерного экспонирования

3.7.1.

1. Оптико-механическая развертка лазерного луча

3.7.2.

2. Линейка светоизлучающих диодов

3.7.3.

3. Другие варианты лазерной развертки

3.7.4.

4. Выбор режима лазерного экспонирования

3.7.5.

5. Работа в оптимальном режиме

3.7.6.

Литература по лазерному экспонированию (тема № 16)

3.8.

Тема № 17. Реализация цветного проявления

3.8.1.

1. Монохромные технологические узлы проявления

3.8.2.

2. Цветные технологические узлы проявления

3.8.3.

3. Сменные блоки узлов типа картриджа

3.8.4.

4. Выбор режима цветного проявления

3.8.5.

Литература по цветному проявлению (тема № 17)

3.9.

Тема № 18. Реализация вспомогательных этапов

3.9.1.

1. Узел зарядки

3.9.2.

2. Узел переноса

3.9.3.

3. Узел закрепления

3.9.4.

4. Узел очистки

3.9.5.

Литература по вспомогательным процессам (тема № 18)

3.10.

Тема № 19. Варианты схемного построения

3.10.1.

1. Общая характеристика структуры аппаратуры цифровой печати

3.10.2.

2. Варианты реализации и состав цветной аппаратуры

3.10.3.

3. Одноцилиндровый вариант

3.10.4.

4. Двухцилиндровый вариант

3.10.5.

5. Многоцилиндровый вариант

3.10.6.

6. Вариант ЭФГ-офсета

3.10.7.

Литература по схемному построению (тема № 19)

3.11.

Тема № 20. Эксплуатационные характеристики

3.11.1.

1. Эксплуатационные параметры и стоимость аппаратуры цифровой печати

3.11.2.

2. Себестоимость оттисков цифровой печати

3.11.3.

3. Тенденции изменения эксплуатационных характеристик аппаратуры

3.11.4.

4. Цифровая печать специального назначения

3.11.5.

Литература по эксплуатационным характеристикам (тема № 20)

3.12.

Заключение части II

3.12.1.

1. Резюме

3.12.2.

2. Контрольные вопросы по технологии

4.

Часть III. Аппаратура

4.1.

Тема № 21. Классификация и динамика развития аппаратуры

4.1.1.

1. Основные составные элементы цифровой фотографии

4.1.2.

2. Категории аппаратуры современной цветной электрофотографии

4.1.3.

3. Динамика выпуска аппаратуры

4.1.4.

Литература по основным категориям и динамике развития (тема № 21)

4.2.

Тема № 22. Хронология выпуска и формирование рынка

4.2.1.

1. Хронология выхода на рынок цветных аппаратов

4.2.2.

2. Анализ ежегодного прироста парка моделей цветной аппаратуры

4.2.3.

3. Формирование рынка цветной аппаратуры

4.2.4.

4. Аппаратура цифровой печати на фоне развития информатики

4.2.5.

Литература по хронологии выпуска аппаратуры (тема № 22)

4.3.

Тема № 23. Одноцветная аппаратура цифровой печати

4.3.1.

1. Категории одноцветной аппаратуры цифровой печати

4.3.2.

2. Одноцветные копировальные и выводные аппараты

4.3.3.

3. Одноцветные лазерные принтеры

4.3.4.

4. Обобщенные характеристики одноцветной аппаратуры ЦП

4.3.5.

Литература по одноцветным аппаратам цифровой печати (тема № 23)

4.4.

Тема № 24. А. Цветные цифровые копировальные аппараты

4.4.1.

1. Структура и основные функции цветных цифровых копировальных аппаратов

4.4.2.

2. Параметры аппаратуры и динамика ее производительности

4.4.3.

3. Конструктивные особенности аппаратуры

4.4.4.

Литература по цветным цифровым копировальным аппаратам (тема № 24)

4.5.

Тема № 25 В. Цветные копировально-выводные аппараты

4.5.1.

1. Структура и основные функции цветных копировально-выводных аппаратов

4.5.2.

2. Параметры аппаратуры и динамика ее производительности

4.5.3.

3. Конструктивные особенности аппаратуры

4.5.4.

Литература по цветным копировально-выводным аппаратам (тема № 25)

4.6.

Тема №26. С. Цветные лазерные принтеры

4.6.1.

1. Назначение, развитие и основные функции цветных лазерных принтеров

4.6.2.

2. Параметры принтеров и динамика их производительности

4.6.3.

3. Конструктивные особенности принтеров

4.6.4.

Литература по цветным лазерным принтерам (тема № 26)

4.7.

Тема № 27. D. Цветные цифровые печатные машины

4.7.1.

1. Назначение и отличительные особенности цветных цифровых печатных машин

4.7.2.

2. Параметры печатных машин и динамика их производительности

4.7.3.

3. Конструктивные особенности печатных машин

4.7.4.

Литература по цветным цифровым печатным машинам (тема № 27)

4.8.

Тема № 28. Е. Репрографические информационные системы оперативной печати

4.8.1.

1. Назначение и особенности репрографических информационных систем

4.8.2.

2. Оперативная цифровая печать как выходное звено РИС

4.8.3.

3. Информационные системы на базе ЭФГ-технологии цифровой печати

4.8.4.

4. Эффективность использования технологии цифровой печати

4.8.5.

5. Тенденции развития электрофотографических РИС

4.8.6.

Литература по репрографическим информационным системам оперативной печати (тема № 28)

4.9.

Тема № 29. <?xml version="1.0"?>
. Общий уровень развития аппаратуры

4.9.1.

1. Общий рост выпуска аппаратуры цифровой печати и лидирующие фирмы

4.9.2.

2. Сопоставление динамики производительности аппаратуры и лидирующие модели

4.9.3.

3. Основные структурные изменения лидирующих моделей аппаратуры

4.9.4.

4. Общие тенденции развития аппаратуры

4.9.5.

Литература по вопросам оценки общего уровня развития аппаратуры (тема № 29)

4.10.

Тема № 30. Вопросы стандартизации аппаратуры

4.10.1.

1. Номенклатура параметров аппаратуры

4.10.2.

2. Кодовые номера цветной аппаратуры

4.10.3.

3. Стандартизация параметров качества

4.10.4.

4. Стандартизация печати переменных данных

4.10.5.

Литература по вопросам стандартизации (тема № 30)

4.11.

Тема № 31. Карта развития цветной электрофотографии

4.11.1.

1. Составление карты развития цветной электрофотографии

4.11.2.

2. Характеристика этапов развития

4.11.3.

3. Принципы распределения аппаратуры ЦП по классам производительности

4.11.4.

Литература по карте развития цветной электрофотографии (тема № 31)

4.12.

Тема № 32. Цветная электрофотография начала нового века

4.12.1.

B. Копировально-выводные аппараты (тема № 25)

4.12.2.

C. Лазерные принтеры (тема № 26)

4.12.3.

D. Цифровые печатные машины (тема №28)

4.12.4.

Е. Репрографические информационные системы на базе цифровой аппаратуры (тема №28)

4.12.5.

<?xml version="1.0"?>
. Общее состояние аппаратуры (тема №29)

4.12.6.

Литература по цветной электрофотографии начала нового века (тема № 32)

4.13.

Заключение части III

4.13.1.

1. Резюме

4.13.2.

2. Контрольные вопросы по аппаратуре

5.

Приложение

5.1.

1. Основные этапы развития электрофотографии

5.2.

2. Словарь терминов

5.2.1.

3. Определение основных параметров

Список сокращений

Указатели
189   указатель иллюстраций
Общий вид электрографического двухкомпонентного проявителя с частицами носителя сферической (а) и неправильной (б) формы Частицы тонера в жидком проявителе Изменение механизма элекгрофоретического перемещения частицы тонера при увеличении напряженности поля Общий вид (а) и внутренняя структура (б) композитного носителя [16] Зависимость соотношения заряда к массе тонера Q/M от его весовой концентрации Ct[17] Зависимость соотношения «заряд/масса» (q/m) от времени перемешивания проявителя (t) [14] Процентное распределение размеров частиц тонера для проявителя фирмы «Осе» [12] Спектральная характеристика нормализированного светопропускания тонеров, используемых в аппаратуре «Хеrох» [10] Отражательная способность цветных тонеров [15] фирмы «Fuji Хеrох» Схема фоторазрядки ЭФГ-фоторецептора (а) и элементы скрытого электростатического изображения (б) Изменение потенциала ЭФГ-фоторецептора при формировании скрытого электростатического изображения Фоторазрядная характеристика ФР при экспонировании длительным (1) и коротким (2) импульсами излучения [5] Типичная фоторазрядная кривая для органических ФР, экспонируемых в ИК-области спектра [6] Картина распределения электростатического поля, созданного растровым элементом изображения [8] Конфигурация нормальной составляющей (Е2) электростатического поля над поверхностью ФР поперек разряженной гауссообразной линии шириной 20 мкм Зарядное изображение проэкспонированных линий точечной структуры (а) и оценка относительных вариаций ширины линий при изменении шага дискретизации (б) [9] Изменение формы нулевой линии в зоне проявления с увеличением потенциала смещения (указано на рисунках, В), определяемое для разряженной полоски шириной 20 мкм Изменение формы нулевой линии (см. рис. 7.8) для узкой (а) и широкой (б) полоски Схема вариантов прямого (а) и обращенного (б) проявления Схема вариантов обращенного (слева) и прямого (справа) проявления изображения при лазерной записи Зависимость оптической плотности изображения D от базового потенциала узла проявления Vb при использовании магнитного (кривые 1, 2) и немагнитного (кривые 3,4) тонера [4] Зависимость оптической плотности изображения D от относительного поверхностного потенциала ФР Uc-Vb для различных значений поверхностной плотности заряда q/St [5] Зависимость оптической плотности изображения (D) от массы осажденных частиц (М/А) [6] Зависимость нормированной оптической плотности линий (Dн) от их пространственной частоты (v) при проявлении диэлектрической (а) и электропроводящей (б, в) магнитной кистью [2] Схема магнитной кисти и ее характерные элементы Типовые элементы узла проявления Схема узла жидкостного проявления Оценка [1] комплексной связи входных и выходных параметров ЭФГ-процесса по совокупности подсистем экспонирования (I), фоторазрядки (II), проявления (III) и тоновоспроизведения (IV) Характеристическая кривая процесса жидкостного проявления (а) и зависимость ширины линии от экспозиции (б) [4] Профиль отдельной линии изображения и параметры его оценки [9] Карта качества цветного электрографического изображения [15] ФПМ для изображения, проявленного методом магнитной кисти: а) экспериментальные зависимости [6], полученные для различных величин частиц тонера d Цветовой график системы XYZ и диапазон воспроизведения цветов в различных аппаратах Диаграмма цветовой модели CIE L*a*b* [28] Цветовой охват [26] цветных принтеров (а) и цифровых копировальных аппаратов (б)

Созданное на ЭФГ-фоторецепторе (тема № 5) скрытое электростатическое изображение (СЭИ) проявляется с помощью электрографических проявителей. Их обобщенная характеристика приводится в следующей последовательности:

    1. Назначение проявителей и физическая основа их функционирования

    2. Основные типы проявителей и их распространенность в современной аппаратуре

    3. Технология изготовления и подготовки проявителей

    4. Параметры цветных проявителей, применяемых в современной аппаратуре

Электрографический проявитель - это специальный расходный материал, предназначенный для визуализации СЭИ, созданного на ФР. В отличие от галогенидосеребряной фотографии, принцип визуализации - не химическая реакция, а физический процесс взаимодействия заряженных частиц тонера с электростатическим полем СЭИ (тема № 8).

Основные функции электрографического (ЭГ) проявителя: не тс образование устойчивой системы электростатически заряженных компонентов и их взаимодействие при визуализации СЭИ. Проявитель должен работать в непрерывном режиме при длительной эксплуатации.

ЭГ-проявитель (рис. 6.1) является гетерогенной диэлектрической средой, состоящей из частиц тонера и носителя. Тонер - это мелкие, микронные, окрашенные в определенный цвет диэлектрические частицы, приобретающие электростатический заряд и локально осаждаемые на ФР при проявлении. Носитель - это средство для зарядки частиц тонера и их доставки в зону проявления. Носителем могут быть твердые тела: крупные (0,1 - 1,0 мм) частицы каскадного проявителя или реферромагнитные частицы магнитного проявителя. В последнее время каскадный проявитель* уже не применяется.

(*Каскадный проявитель применялся в первых ЭФГ-копировальных аппаратах. Это двухкомпонентный проявитель [1], состоящий из крупных частиц носителя, покрытых частицами тонера, который при проявлении каскадирует по поверхности ФР. Впоследствии заменен двухкомпонентным магнитным проявителем, предназначенным для проявления магнитной кистью [1])

Общий вид электрографического двухкомпонентного проявителя с частицами носителя сферической (а) и неправильной (б) формы

Рис. 6.1. Общий вид электрографического двухкомпонентного проявителя с частицами носителя сферической (а) и неправильной (б) формы

Появился новый тип немагнитного особо мелкозернистого однокомпонентного проявителя, для которого в качестве носителя используют донорную поверхность проявляющего цилиндра. В однокомпонентный магнитный проявитель также вводят магнитный порошок с частицами субмикронного размера, изготавливаемый из закиси-окиси железа <?xml version="1.0"?>
, гамма-окиси железа <?xml version="1.0"?>
или феррита.

Для визуализации цветного изображения [2 - 4] могут быть использованы однокомпонентные или двухкомпонентные сухие цветные проявители, а также жидкиеВ жидком проявителе в качестве носителя используется неполярная диэлектрическая жидкость, в которой взвешены частицы тонера [1.4] цветные проявители. При этом необходимо, чтобы частицы тонеров у этих проявителей обладали цветами триады (тема № 10) (комплект проявителей для субтрактивного метода цветосинтеза) или соответствовали заданному ряду цветовых кодов (при последовательном цветовом кодировании информации). В аппаратуре цветной электрофотографии [4] наиболее широко распространены сухие триадные проявители.

Проведенные исследования двухкомпонентных проявителей [1, 5, 6] позволили определить их основные функциональные зависимости. Известно, что процесс проявления в существенной мере зависит от трибоэлектрической зарядки комплекса «тонер-носитель» [1]. Уровень зарядки оценивается соотношением заряда тонера к его массе (Qt/Mt). Этот параметр зависит не только от трибоэлектрических свойств компонентов [2, 3], но и от других параметров: соотношения радиусов носителя и тонера, концентрации тонера в проявителе и др.

Анализируются [13] различные модели, обычно описывающие обратное (Mt/Qt) соотношение «масса/заряд» частиц тонера в двухкомпонентном проявителе.

Теоретические модели* предлагают различные зависимости соотношения «масса/заряд» от физических параметров такого проявителя [13].

(*Теоретические модели [13]: а) модель Lee: <?xml version="1.0"?>
(6.1); б) модель Shein: <?xml version="1.0"?>
(6.2), где <?xml version="1.0"?>
; в) модель Andersen: <?xml version="1.0"?>
(6.3), где <?xml version="1.0"?>
- масса носителя; <?xml version="1.0"?>
- радиус тонера; <?xml version="1.0"?>
- радиус носителя; <?xml version="1.0"?>
- плотность заряда тонера; <?xml version="1.0"?>
- плотность заряда носителя; <?xml version="1.0"?>
- площадь поверхности частиц тонера; <?xml version="1.0"?>
- площадь поверхности частиц носителя; <?xml version="1.0"?>
, <?xml version="1.0"?>
- поверхностная плотность тонера и носителя; DF - разница уровня ферми; z - предельное расстояние для переноса заряда; <?xml version="1.0"?>
- диэлектрическая постоянная)

При ионизации частиц выполняется условие нейтральности* (6.4). Важным параметром для двухкомпонентного проявителя, использующего электропроводящие частицы носителя, является электропроводностьЭлектропроводность проявителя положительно влияет на воспроизведение полутонов по причине хаотического растрирования равномерной структуры СЭИ. Это особенно существенно для классической электрофотографии всего комплекса «тонер-носитель». Исследования показали, что при низкой электропроводности хорошо проявляется штриховое изображение, но плохо воспроизводятся полутона. И наоборот, при высокой электропроводности хорошо проявляется полутоновое изображение. Электропроводность проявителя зависит от приложенного потенциала смещения, интенсивности магнитного поля кисти, формы и состояния поверхности частиц носителя, концентрации тонера в проявителе и т. д. Контакт вдоль нитки магнитной кисти между соседними частицами носителя, имеющего грубую поверхность - более прочный, а с увеличением концентрации тонера такой контакт может быть прерван диэлектрическими частицами тонера.

(*Условие нейтральности:, <?xml version="1.0"?>
(6.4), где <?xml version="1.0"?>
- количество элементарных зарядов на частице носителя; <?xml version="1.0"?>
- количество элементарных зарядов на частице тонера)

В системе «тонер-носитель» очень важным является выбор носителя, который обеспечил бы хорошие условия зарядки тонеров и сохранение стабильности полученного ими заряда. Для успешного функционирования технологических узлов аппаратуры важна и механическая стабильность системы [2].

Наиболее широко распространенные двухкомпонентные проявители в процессе проявления функционируют под действием следующих основных сил различного характера [1, 18]:

    - сила нормальной составляющей* электростатического пол определяемой разностью потенциала ЭФС и проявляющего электрода (потенциала смещения) и главным образом обусловливающей отрыв частиц тонера от носителя в соответствии со скрытым электростатическим изображением на ФР; (*Сила нормальной составляющей электрического поля: <?xml version="1.0"?>
(6.5), где Q - заряд частиц тонера; <?xml version="1.0"?>
- нормальная составляющая поля; <?xml version="1.0"?>
- потенциал ЭФС; <?xml version="1.0"?>
- потенциал смещения; d - ширина зоны проявления)

    - силы адгезии тонера* к носителю, являющейся суммой вандерваальсовой силы <?xml version="1.0"?>
и силы кулоновского притяжения тонера <?xml version="1.0"?>
[18]; (*Сила адгезии тонера [18]: <?xml version="1.0"?>
(6.6), где a, <?xml version="1.0"?>
- константы; R - радиус носителя; r - радиус тонера; n - число частиц тонера участвующих в проявлении от одного носителя; <?xml version="1.0"?>
- ван-дер-ваальсовая сила; <?xml version="1.0"?>
- кулоновская сила)

    - механических фрикционных сил между тонером и носителем и сил инерции в потоке проявителя.

Под действием суммы перечисленных сил, частицы тонер отрываются от носителя и переносятся на заряженные или раз ряженные (в зависимости от варианта проявления) участки (тема № 8).

Специфическими являются условия функционирования жидких проявителей, для которых заряд частиц тонера является переменной величиной.

Метод жидкостного проявления основан на явлении электрофоретического перемещения частиц тонера в диэлектрической жидкости. Для понимания механизма проявления необходимо предварительно ознакомиться с основными характеристиками такой системы [2, 3].

Взвешенная в неполярной диэлектрической жидкости частица тонера (рис. 6.2) приобретает положительный или отрицательный заряд благодаря уходу носителей заряда в жидкость (из-за контактной разности потенциалов, обусловленной различием работы выхода) и благодаря адсорбции ионов противоположной полярности. На частице тонера 1 возникает двойной электрический слой толщины 4, состоящий (в данном случае) из слоя отрицательных зарядов в приповерхностной зоне частицы и слоя осевших на ней положительных ионов. Частицу тонера с двойным слоем окружает диффузный слой толщины 5, состоящий из ионов обеих полярностей, концентрация которых убывает по кривым 6 (для положительных ионов) и 7 (для отрицательных ионов), на некотором расстоянии от тонера сравниваясь между собой. Таким образом ионы жидкости разделяются на две части: одна из них (толщина 4) связана с частицей, а другая (толщина 5) - может быть оторвана от нее под действием внешнего поля. Потенциал именно этой части диффузного слоя образует электрокинетический потенциал 3 частицы, под действием которого она движется по направлению электростатического поля СЭИ.

Частицы тонера в жидком проявителе

Рис. 6.2. Частицы тонера в жидком проявителе: <?xml version="1.0"?>
- радиус частицы тонера; <?xml version="1.0"?>
- радиус неподвижного относительно частицы диффузного слоя; <?xml version="1.0"?>
- радиус нейтральной системы «тонер-жидкость»; 1/к - дебаевский радиус. 1 - электроотрицательная частица тонера; 2 - потенциал диффузного слоя; 3 - электрокинетический потенциал; 4 - «неподвижный» слой, окружающий частицу; 5 - область ионов обеих полярностей; 6 - концентрация положительных ионов; 7 - концентрация отрицательных ионов; 8 - нейтральная система

Потенциал диффузного слоя частицы (кривая 2) выражается формулой (6.7)*.

(*Потенциал диффузного слоя: <?xml version="1.0"?>
(6.7), где Q - суммарный заряд частицы тонера; r - сферическая координата; к - коэффициент, обратный дебаевскому радиусу экранирования (1/к))

На расстоянии дебаевского радиуса (1/к) от поверхности частицы тонера ее заряд полностью компенсируется и частица, вместе с диффузным слоем окруженная сферой 8, является нейтральной системой. Таким образом, дебаевский радиус является мерой толщины диффузного слоя.

Полярность и величина приобретаемого частицей заряда определяются в основном ее поверхностными свойствами, сильно меняющимися в зависимости от рецептуры, способа изготовления и предварительной обработки материала. Величина суммарного заряда выражается соотношением (6.8)*.

(*Величина суммарного заряда тонера: <?xml version="1.0"?>
, (6.8), где h - вязкость динамической дисперсионной среды проявителя; <?xml version="1.0"?>
- радиус частицы тонера; m - электрофоретическая подвижность частицы; <?xml version="1.0"?>
- электрическая постоянная; <?xml version="1.0"?>
- относительная диэлектрическая проницаемость дисперсной среды; х - электрокинетический потенциал частицы)

Как видно, суммарный заряд частицы связан с такими важными ее параметрами, как электрофоретическая подвижность и электрокинетический потенциал. Последний выражается формулой (6.9)* и зависит от Е.

(*Электрокинетический потенциал: <?xml version="1.0"?>
(6.9), где Е - интенсивность внешнего электростатического поля)

Характер зависимости электрокинетических характеристик частицы от Е сложный и меняется с увеличением напряженности, приводящей к различной степени разделения диффузного слоя. Можно выделить три характерные зоны с различными механизмами электрофоретического перемещения (рис. 6.3).

Изменение механизма элекгрофоретического перемещения частицы тонера при увеличении напряженности поля

Рис. 6.3. Изменение механизма элекгрофоретического перемещения частицы тонера при увеличении напряженности поля: а - степень разделения диффузного слоя частицы тонера и величина ее электрокинетического потенциала х (заштриховано) для различных зон напряженности поля: <?xml version="1.0"?>
- радиус частицы тонера; <?xml version="1.0"?>
- радиус неподвижного относительно частицы диффузного слоя; <?xml version="1.0"?>
- радиус нейтральной системы «тонер-жидкость»; <?xml version="1.0"?>
- <?xml version="1.0"?>
- отрываемая от частицы оболочка диффузного слоя; <?xml version="1.0"?>
- скорость перемещения частицы тонера относительно жидкости; j(r) - потенциал диффузного слоя; r - сферическая координата; б - характер изменения подвижности частицы тонера; I - зона низкой напряженности поля; II - зона средней напряженности поля; III - зона высокой напряженности поля

При низких значениях Е(Е<<?xml version="1.0"?>
В/м), благодаря первоначальному хаотическому воздействию конвенционного электрофореза, упомянутая нейтральная система обычно теряет только малую часть своего диффузного слоя, и частица тонера приобретает определенный минимальный электрокинетический потенциал. При этом подвижность m не зависит от Е.

С увеличением Е в интервале <?xml version="1.0"?>
- <?xml version="1.0"?>
В/м происходит постепенное уменьшение толщины оставшейся с частицей тонера неподвижной части диффузного слоя, что вызывает увеличение <?xml version="1.0"?>
. Подвижность частиц <?xml version="1.0"?>
также возрастает с увеличением Е.

При достижении Е ><?xml version="1.0"?>
В/м диффузный слой теряется полностью и формируется «чистая» частица с постоянным максимальным значением <?xml version="1.0"?>
. Подвижность частицы вновь не зависит от Е.

Режим электрофоретического проявления соответствует условиям средней зоны. При этом в первом приближении процесс проявления можно рассматривать как обычно управляемое осаждение заряженных частиц тонера на проявляемую поверхность ФР с той лишь особенностью, что имеет место и ионная составляющая процесса (наряду с частицами тонера на проявляемую поверхность осаждаются и ионы обеих полярностей, оказывающие определенное влияние на снижение электростатического контраста СЭИ). Частица тонера при проявлении относительно свободна - ее перемещению к проявляемой поверхности противодействуют лишь гидродинамические силы и вязкость жидкости.

ЭГ-проявители могут быть классифицированы по разным признакам: черные или цветные, положительные или отрицательные, двухкомпонентные или однокомпонентные и т. д. Однако главным различием, определяющим конструктивные решения аппаратуры, является их разделение на сухие и жидкие.

Сухие проявители используются в основном в копировально-выводной аппаратуре для визуализации СЭИ, созданного на ФР многократного применения. Жидкие проявители предназначены для визуализации СЭИ, созданного на ФР однократного применения в микрографической аппаратуре. В последнее время созданы жидкие проявители, которые используются для визуализации СЭИ, созданного на ФР многократного применения с последующим переносом проявленного изображения на бумагу.

Методы сухого проявления и применяемые проявители подразделяются [1] на следующие категорииКатегории проявителей неразрывно связаны с методом проявления, где эти проявители применяются (тема № 8):

    1. Применение двухкомпонентных проявителей:

      1.1. Каскадное проявление (Cascade Development).

      1.2. Проявление магнитной кистью (Magnetic Brush Development):

        1.2.1. Проявление диэлектрической магнитной кистью (Insulative Magnetic Brush Development);

        1.2.2. Проявление диэлектрической магнитной кистью с микроносителем (Microcarrier Development);

        1.2.3. Проявление электропроводящей магнитной кистью (Conductive Magnetic Brush Development).

    2. Применение од покомпонентных проявителей:

      2.1. Аэрозольное проявление (Powder Cloud Development);

      2.2. Донорное проявление (Donor Development):

        2.2.1. Проявление магнитным электропроводящим тонером (Magnetic, Conductive Toner Development);

        2.2.2. Проявление магнитным диэлектрическим тонером (Magnetic, Insulative Toner Development);

        2.2.3. Проявление немагнитным диэлектрическим тонером (Nonmagnetic, Insulative Toner Development).

Метод проявления диэлектрической магнитной кистью (1.2.1) используется в большинстве аппаратов различного назначения. Проявитель содержит магнитный сферический носитель, покрытый диэлектрическими частицами тонера. Этот метод используется в аппаратуре фирм «Хеrох», «Ricoh», «Konica», «Sharp», «Toshiba», «Sanyo», «Panasonic», «Mita» и др. В аппаратуре фирмы «Minolta» проявитель содержит носитель уменьшенного диаметра, названный микроносителем (1.2.2).

Проявление электропроводящей магнитной кистью (1.2.3) применено в аппаратах фирмы «Kodak». Здесь вместо сферических частиц носителя используются ферромагнитные частицы неправильной формы. В магнитной кисти эти частицы образуют электропроводящие нитки, вдоль которых поверхность ФР контактирует с валиком узла проявления.

Донорное проявление с магнитным и немагнитным диэлектрическим тонером (2.2.2 и 2.2.3) используется в аппаратуре фирм «Саnоn» и «Ricoh». На так называемом донорном валитке наносится ровный слой тонера, который подводится к проявляемой поверхности непосредственно или с определенным зазором. Тонер отрывается от донорного валика и переходит на проявляемую поверхность. Для облегчения отрыва тонера может быть использовано поле смещения переменной частоты.

Метод жидкостного проявления нашел применение только в аппаратуре фирмы «Indigo».

Технология изготовления проявителей подразделяется на отдельные технологии изготовления тонеров и носителей.

Для изготовления тонеров используются следующие компоненты:

    - краситель (colorant);

    - полимерное связующее вещество (binder resin);

    - трибоэлектрические добавки (charge control additives);

    - магнитные добавки (magnetie additives);

    - другие добавки для улучшения закрепляемости или очистки.

Технологическому процессу изготовления тонеров характерны следующие этапы:

    - диспергация смеси компонентов по соответствующей рецептуре*;

    - плавление массы;

    - перемешивание и дробление;

    - классификация частиц с отделением мелкой и крупной фракций.

    (*Пример рецептуры тонера [12]:

      - полимерная связка - от 80 до 90%;

      - цветной пигмент или черная краска - от 5 до 15%;

      - трибоэлектрические добавки - от 1 до 3%;

      - «смазывающие» добавки из воска или кремния)

В конце 90-х годов была создана и в 1999 г. нашла применение в аппаратуре [11] новая химическая технология изготовления тонеров, называемая полимеризационной технологией (polymerization techniques). Эта технология исключает этапы плавления и перемешивания, а также упрощает классификацию частиц. Частицы требуемого размера (в узком интервале из базы от 1 до 10 мкм) образуются непосредственно в процессе полимеризации. При этом они приобретают форму, близкую к сферической.

Различаются [19, 20] несколько вариантов полимеризационной технологии:

    1) метод полимеризации в суспензии;

    2) метод агрегатирования эмульсии;

    3) метод диспергации в растворе.

Наиболее широкое распространение получил первый метод. Технология* при этом методе полимеризации позволяет получить частицы диаметром 4 - 6 мкм. Степень дисперсности зависит от температуры и продолжительности процесса.

(*Технология метода полимеризации в суспензии:

    - подготовка смеси из мономера, пигмента и воска;

    - диспергирование смеси в воде с неорганическим дисперсантом;

    - полимеризация при высокой температуре;

    - удаление дисперсанта;

    - промывка тонера;

    - сушка)

Тонеры, созданные по полимеризационной технологии, находят применение [19] в аппаратуре (одноцветной и цветной) фирм «Саnоn», «Хеrох», «Fuji Хеrох», «Ricoh», «Konica» и др.

Носитель изготавливается в следующих вариантах:

    - сферические железные порошки;

    - сферические ферритные порошки;

    - магнетиты в связке;

    - железные порошки произвольной формы.

Технология изготовления носителя обычного двухкомпонентного проявителя заключается в классификации и соответствующей обработке железных порошков с нанесением на них оксидного или полимерного диэлектрического покрытия [1]. Перечисленные типы носителей наиболее широко распространены в современной аппаратуре и хорошо известные [2, 3].

Однако в последнее время была создана [16] новая технология изготовления составного, так называемого композитного (composite) носителя, общий вид и структура которого показаны на рис. 6.4. Частицы имеют строго сферическую форму с узким интервалом разброса диаметра, который может быть выбран из широкой базы в интервале 10 - 200 мкм. Ядро носителя (сore) состоит из магнитных (магнетит, жесткий или мягкий феррит и т. д.) или немагнитных (гематит, окись титана, окись алюминия и т. д.) частиц в феноловом связующем. Сферическое ядро дополнительно обволакивается силиконовым, акриловым или другим полимерным покрытием. Носитель данного типа, в комплекте с обычным или полимеризационным тонером, обладает более высокой стабильностью при эксплуатации в аппаратуре [16].

Общий вид (а) и внутренняя структура (б) композитного носителя [16]

Рис. 6.4. Общий вид (а) и внутренняя структура (б) композитного носителя [16]. а) - увеличено в <?xml version="1.0"?>

Составные части двухкомпонентного ЭГ-проявителя (тонер и носитель) изготавливаются отдельно и смешиваются в определенной пропорции при подготовке к эксплуатации. Основа и рецептура тонера выбирается с учетом получения определеннных контактно-электрических и адгезионных свойств и требуемой температуры плавления частиц.

Установлено [7], что заряд частиц тонера имеет сложную зависимость от весовой концентрации тонера в проявителе <?xml version="1.0"?>
. При этом наблюдаются три типа зависимости (рис. 6.5).

Зависимость соотношения заряда к массе тонера Q/M от его весовой концентрации Ct[17]

Рис. 6.5. Зависимость соотношения заряда к массе тонера Q/M от его весовой концентрации <?xml version="1.0"?>
[7J: I - зависимость I типа (сильная связь); 2 - зависимость II типа (слабая связь); 3 - зависимость III типа (промежуточная)

Для всех типов проявителей наблюдается увеличение заряда частиц тонера с увеличением их диаметра.

Снижение заряда частиц тонера с ростом их концентрации указывает на уменьшение связи тонера с носителем. При этом эффективность проявления возрастает, однако появляются несвязанные с носителем частицы тонера (пылевая компонента), ухудшающие качество получаемого изображения (появляется фон). По этой причине рабочая концентрация тонера обычно не превышает 8%. Эта концентрация для проявителя с наиболее распространенным соотношением <?xml version="1.0"?>
- 10 приблизит но в два раза превышает концентрацию, необходимую для образования монослоя частиц [1, 3].

Процесс подготовки проявителя требует достаточно интенсивного перемешивания компонентов, так как от этого зависит достижение практически оцениваемого соотношения «заряд/ истиц масса» (6.10)*.

(*Практически оцениваемое соотношение «заряд/масса» [14]: <?xml version="1.0"?>
(6.10), где q - заряд частиц тонера; m - масса тонера; <?xml version="1.0"?>
- удельное сопротивление тонера; d - диаметр частиц тонера)

При засыпке нового тонера это соотношение растет, достигает насыщения, а после некоторого времени начинает уменьшаться - появляется эффект старения проявителя. Все это сказывается на параметры визуализируемого изображения. Пример такой зависимости [14] соотношения q/m от времени «эксплуатации» для отрицательно заряженных частиц тонера показан на рис. 6.6.

Зависимость соотношения «заряд/масса» (q/m) от времени перемешивания проявителя (t) [14]

Рис. 6.6. Зависимость соотношения «заряд/масса» (q/m) от времени перемешивания проявителя (t) [14]: 1 - каскадирующее смешивание; 2 - интенсивное импульсное перемешивание

Исследование проявителя на базе упомянутого композитного оделенных носителя [16] показывает, что даже в течение 40 ч интенсивного перемешивания соотношение q/m в нем сохраняется на уровне минус 35 мкКул/г с точностью 5%. В то же время контрольные образцы с обычным ферритным (Mn -Zn или Ni - Zn) носителем дают снижение упомянутого соотношения на 40 - 50%.

Существенное влияние на уровень зарядки оказывает интенсивность перемешивания (кривая 2). Характерно, что при увеличении времени перемешивания происходит явно выраженное [14] сужение спектра величины заряда частиц тонера - исчезают компоненты слабо и сильно заряженных частиц.

Параметры проявителей фирмами-разработчиками аппаратуры обычно не раскрываются. В некоторых работах, посвященных исследованиям двухкомпонентных проявителей тех же фирм, указываются отдельные физические и электрографические параметры.

В источниках от фирмы «Осе» [12] приведено процентное распределение размеров тонера (рис. 6.7). Эти размеры непосредственно связаны с возможностью достижения требуемого разрешения.

Процентное распределение размеров частиц тонера для проявителя фирмы «Осе» [12]

Рис. 6.7. Процентное распределение размеров частиц тонера для проявителя фирмы «Осе» [12]: Р - доля в смеси; d - диаметр. 1 - тонер, позволяющий достигнуть разрешение 300 dpi; 2 - 600 dpi; 3 - тонер последнего выпуска

Электрографические цветные проявители, используемые для получения цветного изображения, по своим цветовым параметрам должны быть максимально приближенными к идеальным двухзональным краскам Гюбля [9], т. е. должны иметь регулируемое пропускание <?xml version="1.0"?>
в характерной* для них спектральной области и быть максимально прозрачными - в двух остальных областях (тема № 10).

(*Характерные зоны спектра цветных проявителей:

    - в синей зоне - <?xml version="1.0"?>
(<?xml version="1.0"?>
= 400 - 500 нм);

    - в зеленой зоне - <?xml version="1.0"?>
(<?xml version="1.0"?>
= 500 - 600 нм);

    - в красной зоне - <?xml version="1.0"?>
(<?xml version="1.0"?>
= 600 - 700 нм))

Спектральные характеристики цветных тонеров, используемых в аппаратах фирмы «Хеrох», приведены [10] на рис. 6.8 и фирмы «Fuji Хеrох» [15] на рис. 6.9.

Спектральная характеристика нормализированного светопропускания тонеров, используемых в аппаратуре «Хеrох» [10]

Рис. 6.8. Спектральная характеристика нормализированного светопропускания тонеров, используемых в аппаратуре «Хеrох» [10]: <?xml version="1.0"?>
- коэффициент светопропускания; <?xml version="1.0"?>
- длина волны. 1 - голубой; 2 - пурпурный; 3 - желтый

Отражательная способность цветных тонеров [15] фирмы «Fuji Хеrох»

Рис. 6.9. Отражательная способность цветных тонеров [15] фирмы «Fuji Хеrох»: <?xml version="1.0"?>
- коэффициент отражения; <?xml version="1.0"?>
- длина волны. 1 - голубой; 2 - пурпурный; 3 - желтый

Обобщенные параметры проявителей приведены в табл. 6.1. Эти параметры собраны из различных источников информации, поэтому являются ориентировочными пределами изменения.

Таблица 6.1

Обобщенные параметры проявителей

Untitled Document

Наименование параметра
Единица измерения
Значение параметра
Примечания
1. Физические параметры

1.1. Физические параметры полимеров
- удельная электропроводность
- работа выхода

см/Ом
эВ
 

1.2. Удельная плотность:
- тонера;
видимая
истинная;
- ферромагнитного носителя:
видимая
истинная
- железного носителя


0,5-0,6
1,2-1,5


2,6
5,5
7,8
Видимая плотность — с воздушными зазорами между частицами
1. 3. Соотношение «заряд/масса» тонера
мкКул/г
12-58
 
1.4. Поверхностная плотность заряда частиц тонера
3,5-7,0
 
1.5. Заряд отдельных частиц тонера
Кул
 
1.6. Относительная диэлектрическая проницаемость тонера
-
1,1-6,5
 
1.7. Максимальная намагниченность носителя
А
55-73
 
1.8. Сила отрыва тонера от ФР
нН
800-1200
 

1.9. Параметры тонера при закреплении:
- удельная теплоемксть
- термическая проводимость




Вт/мЧК


1,04
0,1

После закрепления — ДО 1,7
После закрепления — ДО 0,6

2. Электрофотографические параметры

2.1. Схема проявления
С
негатив/позитив
В основном

2.2. Величина частиц:
- тонера
- носителя


мкм
мкм

4-24
43-106
 
2.3. Весовая концентрация тонера
%
до 8
Для некоторых вариантов аппаратуры увеличивается до 30%
2.4. Толщина слоя тонера при проявлении
мг/
0,5-1,0
Для черного тонера с оптической плотностью 1,0-1,5 Б
2.5.Спектральная характеристика цветного тонера
-
желтый, пурпурный, голубой
Двухзональные краски Гюбля [1,2]

2.6. Спектральные области регулировки пропускания тонера:
- синяя
- зеленая
- красная



нм
нм
нм


400-500
500-600
600-700
По требованиям к двухзо н ал ьн ы м краскам Гюбля [1,2]

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

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

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

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

    5. Teruki Kishimota, Yasusuke Taka-hashi // Electrophotography. 1995. V. 34. № 3. - P. 32-40.

    6. Gutman E. I., Hartman G. C. //J. Imaging Sci. and Technology. 1995. V. 39. № 4. - P. 285-294.

    7. Yoshiro Hattori // Electrophotography. 1992. V. 31. № 2. - P. 72-78.

    8. Toshinori Yamazaki // Electrophotography. 1992. V. 31. № 4. - P. 518-523.

    9. Шашлов Б. А. Цвет и цветоделение. - М.: Мир книги. 1995. - 315 с.

    10. Levy D., Preminger J. / JS and T's NIP 13: 1997. International Confer, on Digital Printing Techn. - 1997. - P. 363-369.

    11. Jim Tsujita // OEP. - 2001, № 12 - P. 24-25.

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

    13. Ching-Yu Chou, Yang A.C. // J. of Imaging Sc. and Technol., - 2002, № 3. - P. 208-215.

    14. Nash RJ. et al. // J. of Imaging Sc. and Technol., - 2000, № 6. - P. 515-522.

    15. Ocamu Ide // J. of Imaging Sc. and Technol., - 2002, № 4. - P. 344-349.

    16. Toshiyuki Hakata // J. of Imaging Sc. and Technol., - 2002, № 6. - P. 591 -597.

    17. Сувейздис Э. // Digital Printing Magazine, - 2003, № 1. - C. 41-46.

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

    19. Takayoshi Aoki / International conference IS and T's NIP 19: Proc. 2003. - P. 2-4.

    20. Yufeng Duan, Qiang Zhang // J. of Imaging Sc. and Technol., - 2004, № 1. - P. 6-9.

    21. Хомякова К., Уарова P.//Полиграфия. - 2005, № 4. - С. 98-101.

Экспонирование - это основной этап ЭФГ-процесса (тема № 3). Процесс лазерного экспонирования - этап, относящий исключительно к современной электрофотографии (тема № 4). Данному этапу пре/ шествует зарядка (очувствление) фоторецептора, которая выполняется традиционными методами.

Рассмотрение процесса лазерного экспонирования происходит по следующему план

    1. Сущность и физические основы процесса экспонирования

    2. Основные зависимости фоторазрядки ФР

    3. Характеристика созданного скрытого электростатического изображения

    4. Основные параметры процесса экспонирования

Функцией основного 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 потока облучения.

Фоторазрядка ФР происходит в результате воздействия следующих физических процессов (рис. 7.1): поглощения фоточувствительным слоем ФР световых квантов, модулирующих экспонируемое изображение; генерации электронно-дырочных пар и их разделения в сильном электростатическом поле непосредственно в зоне поглощения ЭФС; дрейфа носителей заряда в ЭФС по направлению действия сил этого поля; нейтрализации поверхностных и экранирующих зарядов ФР (образование СЭИ) [1-3].

Схема фоторазрядки ЭФГ-фоторецептора (а) и элементы скрытого электростатического изображения (б)

Рис. 7.1. Схема фоторазрядки ЭФГ-фоторецептора (а) и элементы скрытого электростатического изображения (б): 1 - основа; 2 - электрофотографический слой; 3 - поверхностные заряды; 4 - экранирующие заряды; 5 - генерированные светом свободные носители заряда; 6 - генерирующий слой CGL; 7 - транспортный слой CTL. hn - свет; Е - направление электростатического поля; <?xml version="1.0"?>
- потенциал ФР; <?xml version="1.0"?>
- номинальный потенциал неосвещенных участков; <?xml version="1.0"?>
- фоновый потенциал освещенных участков; D<?xml version="1.0"?>
- номинальный электростатический контраст; х - координата

Явление фоторазрядки основано на нестационарных, неравновесных электронных процессах, при которых напряженность электростатического поля в слое фотополупроводника уменьшается от исходной максимальной величины до нулевой (или некоторой остаточной). Генерация носителей заряда происходит в зоне поглощения, которая в одних случаях занимает только узкую приповерхностную область фотополупроводника (при собственной фотопроводимости), а в других - распространяется на всю толщину ЭФС (при примесной или сенсибилизированной фотопроводимости). В случае использования двухслойной структуры CTL/CGL генерация носителей заряда происходит в тонком слое CGL. Созданные в зоне генерации носители заряда (дырки и электроны) могут рекомбинироваться непосредственно в этой зоне пне влиять на разрядку ЭФС. Основная же часть носителей заряда разделяется электрическим полем и дрейфует через транспортный слой CTL в направлении соответствующих связанных зарядов, создавая фототок разрядки и уменьшая потенциал ФР. Интенсивность фоторазрядки зависит от экспозиции* (Н), которая определяется количеством энергии, сообщаемой ФР (7.1).

(*Экспозиция ФР выражается: <?xml version="1.0"?>
(7.1), где <?xml version="1.0"?>
- эффективная облученность ФР; t - время облучения)

Общая эффективная чувствительность* процесса экспонирования (<?xml version="1.0"?>
) выражается [4] формулой (7.2).

(*Общая эффективная чувствительность процесса экспонирования выражается: <?xml version="1.0"?>
(7.2), где <?xml version="1.0"?>
(l) - относительное спектральное распределение фоточувствительности ФР; <?xml version="1.0"?>
(l) - спектральное распределение потока облучения; <?xml version="1.0"?>
, <?xml version="1.0"?>
- спектральный интервал светового потока, падающего на ЭФС; l - длина волны)

Физические основы процесса лазерного экспонирования могут быть раскрыты при оценке функциональных зависимостей основных параметров тонкой структуры CGL/CTL, а также при оценке результирующих ЭФГ-параметров ФР в целом (тема № 5).

В общем смысле поверхностный потенциал ФР* при экспонировании меняется в соответствии с выражением (7.3). Это изменение зависит от интенсивности образования и эффективности перемещения свободных носителей заряда, которые нейтрализуют поверхностные заряды ФР. Эффективность образования свободных носителей** выражается их числом, созданный в CGL на один поглощенный фотон (7.4).

(*Поверхностный потенциал ФР: <?xml version="1.0"?>
, (7.3), где <?xml version="1.0"?>
- номинальный (или начальный) потенциал; <?xml version="1.0"?>
- фоновый потенциал; Н/На - нормированное значение экспозиции ФР)

(**Эффективность образования свободных носителей заряда [12]: <?xml version="1.0"?>
, где E - напряженность поля в слое; <?xml version="1.0"?>
- квантовый выход; <?xml version="1.0"?>
- расстояние между носителями пары; <?xml version="1.0"?>
- кулоновский радиус; к - коэффициент Онзагера)

Концентрация таким образом созданных свободных носителей* зависит от условий их инжекции и перемещения поперек слоя CTL в направлении связанных поверхностных зарядок (7.5).

(*Концентрация свободных носителей заряда [12]: <?xml version="1.0"?>
(7.5), где <?xml version="1.0"?>
- константа скорости инжекции носителей заряда в CGL; <?xml version="1.0"?>
- константа рекомбинации этих носителей; N - концентрация транспортных центров в CTL, на которых переносятся инжектируемые из CGL носители; <?xml version="1.0"?>
, <?xml version="1.0"?>
- интенсивность экспонируемого облучения)

При описании технологии лазерной записи наиболее широкое распространение получают результирующие ЭФГ-параметры, которые непосредственно характеризуют получение на ФР скрытого изображения: оценка внутреннего электростатического поля в ЭФС и динамика поверхностного потенциала ФР (фоторазрядная характеристика).

Интенсивность изменения электростатического поля* в результате миграции свободных носителей описывается выражением (7.6), а непосредственно величина электростатического поля** в ЭФС-выражением (7.7).

(*Изменение электростатического поля [12]: <?xml version="1.0"?>
(7.6), где е - единичный заряд А - коэффициент поглощения в CGL; <?xml version="1.0"?>
- поток облучения; h - эффективность образования свободных носителей заряда)

(**Электростатическое поле в ЭФС [12]: <?xml version="1.0"?>
, (7.7), где <?xml version="1.0"?>
- начальное значение поля; d - толщина ЭФС; H - экспозиция; <?xml version="1.0"?>
- спектральная фоточувствительность.

Спектральная фоточувствительность и экспозиция выражается <?xml version="1.0"?>
, где l - длина волны; h - постоянная Планка; с - скорость света; m - подвижность)

Связь потенциала ФР с его физическими параметрами* описывается выражениями (7.8). В зависимости от времени транзита носителей t, различаются два случая: начало (<?xml version="1.0"?>
) и конец (<?xml version="1.0"?>
) фоторазрядки.

(*Связь потенциала ФР с его физическими параметрами [13]: <?xml version="1.0"?>
(7.8), где <?xml version="1.0"?>
- плотность фотогенерированных зарядов); <?xml version="1.0"?>
- фотогенерированный заряд; С - емкость)

Изменение потенциала ФР при зарядке и фоторазрядке схематически можно представить в виде кривой 1, а спад потенциала на неосвещенных участках при этом происходит по кривой 2 (рис.7.2).

Изменение потенциала ЭФГ-фоторецептора при формировании скрытого электростатического изображения

Рис. 7.2. Изменение потенциала ЭФГ-фоторецептора при формировании скрытого электростатического изображения: <?xml version="1.0"?>
- потенциал ЭФС; <?xml version="1.0"?>
- рабочий потенциал; <?xml version="1.0"?>
- номинальный потенциал; <?xml version="1.0"?>
- фоновый потенциал; <?xml version="1.0"?>
- номинальный электростатический контраст; <?xml version="1.0"?>
- истинный электростатический контраст после экспонирования; <?xml version="1.0"?>
- истинный электростатический контраст в момент проявления; t - время. I - зарядка; II - разрядка в темноте; III - фоторазрядка; IV - изменение электростатического контраста в темноте. (1) - конец зарядки; (2) - начало экспонирования; (3) - конец экспонирования; (4) - начало проявления. 1 - изменение потенциала ФР при фоторазрядке; 2 - спад потенциала ФР в темноте

При описании процесса экспонирования основными являются критерии, определяющие вход и получаемый результат, т. е. номинальная экспозиция и номинальный электростатический контраст.

Теоретическое описание связи этих параметров в общем случае проблематично, так как она зависит не только от эффективной чувствительности процесса экспонирования, но и от типа и структуры применяемого ФР, а также физического механизма фоторазрядки электрофотографического слоя. В зависимости от конкретного случая, ход кривой фоторазрядки и величина остаточного (фонового) потенциала могут быть различны, а описание их связи теоретически весьма затруднительно [3]. Поэтому в практической деятельности обычно ограничиваются только экспериментально определяемой связью входных-выходных параметров т. е. зависимости потенциала ФР или электростатического контраста на нем от величины полученной экспозиции (тема № 9).

Для более рационального использования падающей энергии светового потока спектральная фоточувствительность ФР должна быть согласована со спектральным распределением излучения источника, и наоборот (тема № 5).

Одной из особенностей лазерной развертки является поэлементное экспонирование мощными, но короткими импульсами когерентного излучения. Исследования показали [5], что при уменьшении длительности импульса излучения t и одновременном пропорциональном увеличении его мощности Р, закон взаимозаместимости этих величин [1] не всегда выполняется. Экспозиция <?xml version="1.0"?>
= Pt при коротких и мощных импульсах может давать другой результат фоторазрядки ФР по сравнению с такой же экспозицией, но при более длительном и более слабом импульсе. Причина заключается в следующем:

    а) при коротком и мощном импульсе излучения все носители заряда генерируются и разделяются в оптимальных условиях сильного начального поля <?xml version="1.0"?>
заряженного фотополупроводника. Это увеличивает чувствительность ФР;

    б) высокая первоначальная плотность созданных мощным излучением носителей заряда способствует большей их рекомбинации. Это уменьшает чувствительность ФР;

    в) время транзита свободных носителей заряда через транспортный слой ФР превышает длительность короткого импульса, поэтому часть процесса разрядки уже происходит в темноте в условиях кулоновского взаимодействия одноименных носителей. Это может быть причиной снижения разрешающей способности и уменьшения полученного электростатического контраста* <?xml version="1.0"?>
(7.9).

(*При воспроизведении штрихового оригинала величина получаемого электростатического контраста определяется как разница потенциала на неосвещенных и освещенных участках ФР: <?xml version="1.0"?>
(7.9), где: <?xml version="1.0"?>
- номинальный потенциал зарядки ФР; <?xml version="1.0"?>
- фоновый потенциал)

Оценка работы ФР в условиях функционирования аппаратуры цифровой печати показывает [5], что длительность лазерного импульса приблизительно равняется 20 нc и при этом создается <?xml version="1.0"?>
<?xml version="1.0"?>
. Плотность носителей заряда может достигнуть <?xml version="1.0"?>
<?xml version="1.0"?>
, а время транзита через слой фотополупроводника толщиной 25 мкм оценивается в 1 - 10 мкс. Фоторазрядные характеристики ФР при упомянутом режиме, а также в условиях аналоговой записи показаны на рис. 7.3. И рисунка видно, что при лазерной записи в данном случае потребуется несколько большая экспозиция. Однако изменена характера полевой зависимости квантового выхода генерации свободных носителей заряда в фотополупроводнике меняет фоторазрядную характеристику ФР и различие в экспозиции может быть направлено в другую сторону [3].

Фоторазрядная характеристика ФР при экспонировании длительным (1) и коротким (2) импульсами излучения [5]

Рис. 7.3. Фоторазрядная характеристика ФР при экспонировании длительным (1) и коротким (2) импульсами излучения [5]: <?xml version="1.0"?>
- потенциал ФР; <?xml version="1.0"?>
- экспозиция (фотоны/<?xml version="1.0"?>
)

Типичная фоторазрядная кривая отрицательно заряжаемых непрозрачных органических ФР в ИК-области спектра показана на рис. 7.4. Характерен изменяющийся наклон кривой. В начальной стадии (до экспозиции полуспада <?xml version="1.0"?>
) крутизна составляет приблизительно 300 <?xml version="1.0"?>
, а в зоне пятикратно экспозиции полуспада (5<?xml version="1.0"?>
) она уменьшается до 15 <?xml version="1.0"?>
. По сравнению с первоначальной крутизна уменьшается в 20 раз, поэтому дальнейшее увеличение экспозиции становится неэффективным. Практически рабочая экспозиция ФР в aппаратуре ограничивается пятикратной экспозицией полуспада потенциала <?xml version="1.0"?>
. При этом на слое остается остаточный потенциал <?xml version="1.0"?>
, величина которого в данном случае составляет не более 100 В.

Типичная фоторазрядная кривая для органических ФР, экспонируемых в ИК-области спектра [6]

Рис. 7.4. Типичная фоторазрядная кривая для органических ФР, экспонируемых в ИК-области спектра [6]: <?xml version="1.0"?>
- потенциал ФР; <?xml version="1.0"?>
- остаточный фоновый потенциал; <?xml version="1.0"?>
- потенциал полуспада; H - экспозиция; <?xml version="1.0"?>
- экспозиция полуспада потенциала; 5<?xml version="1.0"?>
- пятикратная экспозиция полуспада; <?xml version="1.0"?>
- интервал рабочей экспозиции ФР. 1 - наклон фоторазрядной кривой в зоне экспозиции полуспада; 2 - наклон фоторазрядной кривой в зоне рабочей экспозиции

Распределение энергии в световом пятне лазерного источника облучения имеет гауссообразный характер*. При строчной развертке такого светового пятна оно оставляет за собой след разряженной линии. Механизм формирования изображения такой линии подробно исследован в работах [7, 14, 16]. При гауссообразном облучении тонкой структуры CGL/CTL фоторецептора, созданные в слое CGL дырочные носители мигрируют через слой CTL к поверхности ФР, нейтрализуя там находящиеся поверхностные заряды. Описанный выше (см. выражения 7.3 - 7.8) механизм фоторазрядки при гауссообразном облучении имеет определенную специфику в основном на краях точек, где распределение плотности облучения соответствует не прямоугольному, но гауссообразному закону. При формировании растровой развертки на экспонируемых соседних точках происходит сложение этих облучений, которое нивелирует тонкую структуру многоэлементного следа. При наличии определенного порога проявления (тема № 8) это улучшает равномерность воспроизводимых линий, однако, с другой стороны, может вызвать и снижение разрешающей способности изображения. При увеличении толщины слоя CTL сглаживание структуры следа наступает быстрее [16].

(*Гауссообразный характер облучения [7, 14]: <?xml version="1.0"?>
, (7.10), где <?xml version="1.0"?>
- интенсивность лазерного облучения; х, у - координаты; Р - мощность лазера; <?xml version="1.0"?>
- эффективность оптики; <?xml version="1.0"?>
- вертикальный размер лазерного пятна в плоскости ФР; <?xml version="1.0"?>
- горизонтальный (вдоль линии развертки) размер лазерного пятна; <?xml version="1.0"?>
, <?xml version="1.0"?>
- истинные координаты лазерного пятна)

Исследования показывают [1, 2] что воспроизводимость электростатическим полем узких и широких линий изображения различна. Типичный для электрофотографии (тема № 8) краевой эффект возникает только на широких линиях. Наличие контрэлектрода узла проявления и место его расположения существенным образом влияет на картину распределения электростатических полей и на величину краевого эффекта. Другим средством устранения краевого эффекта является оптическое растрирование больших элементов изображения хорошо воспроизводимой «несущей» пространственной частотой. В случае лазерной записи эту функцию выполняет растр лазерной развертки. Следует отметить, что незначительный краевой эффект не препятствует восприятию алфавитно-цифровой и графической информации, а только делает такое изображение более контрастным.

Для цветной электрофотографии краевой эффект недопустим. Только при отсутствии краевого эффекта возможно полутоновое проявление и точное воспроизведение цветного оригинала. При лазерной записи СЭИ имеет структуру [8], показанную на рис. 7.5. Над элементом изображения, растрированным пятью заряженным полосками, образуется электростатическое поле СЭИ, тонкая структура которого распространяется только на небольшую высоту над поверхностью ЭФС. Уже на расстоянии 130 мкм поверхностью (кривая 4) наблюдается только общее возрастание среднего потенциала группы линий без выделения структуры растра. Краевой эффект при этом отсутствует.

Картина распределения электростатического поля, созданного растровым элементом изображения [8]

Рис. 7.5. Картина распределения электростатического поля, созданного растровым элементом изображения [8]: а - распределение эквипотенциальных (пунктирные) и силовых (сплошные) линий поля в электрофотографическом слое ЭФС и над его поверхностью; б - расположение заряженных полосок (1) и распределение потенциала, созданного ими СЭИ (2-4): 2 - на поверхности ЭФС. 3 - на высоте 65 мкм над поверхностью ЭФС. 4 - на высоте 130 мкм над поверхностью ЭФС. U - потенциал СЭИ; С - плотность заряда; х, z - координаты

Распределение электростатического поля над поверхностью ФР с разряженным следом гауссообразной формы шириной 20 мкм иллюстрируется на рис. 7.6. Кривая 1 показывает изменение нормальной составляющей поля <?xml version="1.0"?>
на расстоянии 0,5 от поверхности ФР, а кривые 2 и 3 - на расстоянии 5 и 10 мкм соответственно. Показано направление перемещения отрицательно заряженных частиц тонера при обращенном проявлении линии (тема № 8).

Конфигурация нормальной составляющей (Е2) электростатического поля над поверхностью ФР поперек разряженной гауссообразной линии шириной 20 мкм

Рис. 7.6. Конфигурация нормальной составляющей (Е2) электростатического поля над поверхностью ФР поперек разряженной гауссообразной линии шириной 20 мкм: х - координата; а - полуширина разряженной линии. 1 - расстояние от поверхности ФР равно 0,5 мкм; 2-5 мкм; 3-10 мкм

При формировании характерной для цифровой печати линии точечной структуры качество изображения в значительной мере зависит от шага дискретизации точек. Большой шаг дает пульсации ширины линии и грубую структуру символов, а при чрезвычайно малом шаге пульсации полностью сглаживаются, но увеличивается время экспонирования. Для определения оптимального режима процесса экспонирования были проведены [9] расчеты зарядного изображения линий точечной структуры при различном шаге дискретизации (рис. 7.7). Рассчитывалась нормальная составляющая электростатического поля над поверхностью ФР при радиусе точки R = 7,5 мкм, экспонируемой с шагом дискретизации: 18 мкм (I), 16,5 мкм (II) и 10,5 мкм (III). Для определения ширины линии рассчитывалась огибающая вокруг проэкспонированных кругов, на которой нормальная составляющая поля равна нулю, т. е. граница осаждения частиц тонера при проявлении. Видно, как с уменьшением шага дискретизации <?xml version="1.0"?>
х граница линии сглаживается и пульсации ширины уменьшаются. Обобщенные результаты расчетов (б) относительной величины пульсации (<?xml version="1.0"?>
/R) от относительной величины шага дискретизации <?xml version="1.0"?>
x/R показывают, что, например, обычно допустимые вариации ширины линии 15,0<?xml version="1.0"?>
0,5 мкм достигаются при радиусе точки 7,5 мкм и шаге дискретизации <?xml version="1.0"?>
х не более 8,25 мкм.

Зарядное изображение проэкспонированных линий точечной структуры (а) и оценка относительных вариаций ширины линий при изменении шага дискретизации (б) [9]

Рис. 7.7. Зарядное изображение проэкспонированных линий точечной структуры (а) и оценка относительных вариаций ширины линий при изменении шага дискретизации (б) [9]: I, II, III - варианты с различным шагом дискретизации; x, y - координаты; <?xml version="1.0"?>
- вариации ширины линий; R - радиус точки; <?xml version="1.0"?>
x - шаг дискретизации

При расчетах электростатического поля обычно определяется пространственное распределение его нормальной составляющей на различной высоте над проявляемой поверхностью со СЭИ определенной конфигурации. Результаты таких расчетов позволяют судить о величине сил, содействующих перемещению частиц тонера, находящихся в определенной точке зоны проявления и их осаждению на поверхности ФР. Однако определение только конфигурации нормальной составляющей поля не позволяет наглядно судить о высоте его распространения в пределах всей зоны проявления и об эффективности использования этой зоны при изменении параметров процесса проявления. С целью наглядного представления картины, вводится понятие [4, 11] нулевой линии, т. е. геометрического места точек в пределах зоны проявления, где <?xml version="1.0"?>
= 0. Частицы тонера, находящиеся по одну сторону от нулевой линии, осаждаются на ФР и проявляют СЭИ, а находящиеся по другую сторону - отталкиваются и остаются не использованными.

Варианты расположения нулевой лини (zero line)* при ее перемещении в пределах зоны проявления под действием изменяющихся параметров для тонкослойной (<?xml version="1.0"?>
- 5 мкм) структуры ФР рассчитаны [7] по формуле (7.11) и показаны на рис. 7.8, 7.9.

(*Уравнение нулевой линии [7]: <?xml version="1.0"?>
(7.11), где <?xml version="1.0"?>
- номинальный потенциал зарядки ФР; <?xml version="1.0"?>
- потенциал смещения; <?xml version="1.0"?>
- толщина ЭДС; <?xml version="1.0"?>
- толщина зоны проявления; <?xml version="1.0"?>
, <?xml version="1.0"?>
- относительная диэлектрическая проницаемость ЭФС и проявителя; а - полуширина разряженной линии; x,z - координаты)

Изменение формы нулевой линии в зоне проявления с увеличением потенциала смещения (указано на рисунках, В), определяемое для разряженной полоски шириной 20 мкм

Рис. 7.8. Изменение формы нулевой линии в зоне проявления с увеличением потенциала смещения (указано на рисунках, В), определяемое для разряженной полоски шириной 20 мкм: а - расстояние до контрэлектрода 1000 мкм; б - 100 мкм; в - 10 мкм; г - схема распределения поверхностного заряда ФР (1), нулевая линия (2) и зона экстрагирования (3). z - высота над поверхностью ФР; х - координата; s - поверхностный заряд; <?xml version="1.0"?>
- положительно заряженная частица тонера; а - полуширина разряженной линии

Изменение формы нулевой линии (см. рис. 7.8) для узкой (а) и широкой (б) полоски

Рис. 7.9. Изменение формы нулевой линии (см. рис. 7.8) для узкой (а) и широкой (б) полоски: а - для разряженной полоски I = 20 мкм; б - для I - 200 мкм; ____ чистая поверхность ФР; - - - поверхность ФР в пределах разряженной полоски, покрытая тонером (<?xml version="1.0"?>
= 60 В)

Результаты расчета легко могут быть трансформированы и для толстослойных (<?xml version="1.0"?>
= 10 - 40 мкм) ФР многократного применения, так как при этом пропорционально увеличивается и номинальный потенциал зарядки.

Рисунок [4] соответствует проявлению разряженной полоски шириной 20 мкм (показана симметричная картина для полуширины полоски). При увеличении потенциала смещения зона, где <?xml version="1.0"?>
< 0, т. е. зона экстрагирования частиц (заштриховано) захватывает все большую часть зоны проявления. Картина меняется при изменении расстояния до контрэлектрода. Только при расстоянии 10 мкм (рис. 7.8, в), зона экстрагирования минимально деформирована и для потенциала смещения <?xml version="1.0"?>
= 250 В захватывает всю зону проявления, не распространяясь на соседние участки, что является оптимальным условием проявления (тема № 8).

Основные параметры процесса лазерного экспонирования в значительной мере зависят от применяемого варианта строчной развертки. Так как кадровая развертка обычно происходит при повороте цилиндрического ФР (тема № 16), то основное различие возникает при выборе строчной развертки изображения. Известны [4, 10, 15] следующие варианты строчной развертки, которые наиболее часто используются в ЭФГ-аппаратуре цифровой печати:

    а) оптико-механическая развертка излучения многоэммитерного полупроводникового лазера;

    б) экспонирование линейкой излучающих диодов типа LED, расположенных вдоль всей образующей цилиндра.

В литературе оба варианта обычно называются общим названием - лазерная развертка. Спектральный диапазон при лазерной развертке определяется ИК-областью излучения полупроводникового лазера и светодиода.

При воспроизведении полутонов в аппаратуре ЦП необходимо менять количество или размеры точечных элементов матрацы, что достигается модуляцией ширины импульса при постоя ной мощности или модуляцией мощности при постоянной ширине импульса. Однако при достижении полной фоторазрядки ФР дальнейшее увеличение мощности становится неэффективным. Литература по процессу экспонирования (тема № 7). В то же время увеличение ширины импульса при одновременном построчном перемещении светового пятна позволяет эффективно увеличить размеры точечного элемента. Резкость края элемента остается без изменения. В аппаратуре обычно формируется световое пятно элипсоидальной формы, длинная ось которой направлена перпендикулярно строке развертки. Увеличение размером светового пятна происходит по направлению короткой оси.

Реализация лазерной развертки (тема № 16) в аппаратуре ЦП позволяет достигнуть параметры, приведенные в табл. 7.1. Учет этих параметров необходим при визуализации изображения на этапе проявления (тема № 8).

Таблица 7.1

Параметры процесса экспонирования реализованные в аппаратуре ЦП

Untitled Document

Параметры
Един, измерения
Значения параметров
1. Процесс получения изображения
-
Косвенный
2. Тип фоторецептора (ФР)
-
Органический, непрозрачный
3. Форма ФР
-
Цилиндр или пленка на цилиндр
4. Спектральная область чувствительности ФР
-
ИК
5. Спектральный диапазон чувствительности ФР
нм
700-900
6. Энергетическая чувствительность ФР
100-1000
7. Полярность зарядки ФР
-
Отрицательная
8. Потенциал зарядки ФР
В
7000
9. Источник облучения
-
Полупроводниковый лазер или светодиод (Ga, Al, As и др.)
10. Общая мощность излучения
мВт
3
11. Спектр излучения
нм
700-800
12. Метод экспонирования
-
Проекционный
13. Энергетическая облученность ФР
14. Время экспонирования точки
мкс
0,02
15. Рабочая экспозиция ФР

16. Остаточный потенциал ФР
В
100
17. Электростатический контраст на ФР
В
600

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

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

    3. Scharfe M. Electrophotography Principles and Optimization - Letchworth: Press, 1984. - 210 p.

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

    5. Jeadev S., Damodar М. // J. of Imaging Science and Technology. 1996. V. 40. № 4. - P. 327-331.

    6. Shuici Aita et al. Пат. США, 5 576 810, 1994-96.

    7. Балтрушайтене В., Закарявичюс А, Сувейздис Э. // Вопросы радиоэлектроники. Серия ОВР. 1985. Вып. 9. - С. 97- 103.

    8. Hiroshi Jmada et. al. // Electrophotography. 1993. V. 32. № 3. - P. 253-258.

    9. Ганчо Г. Федорова H., Полесский Ю. // Вопросы радиоэлектроники. Серия ОВР. 1987. Вып. 8. - С. 59-64.

    10. Kipphan Н. / IS and T's NIP 13: 1997 International Conference on Digital Printing Technologies. 1997. - P. 11 - 19.

    11. Kharin O., Suveizdis E. / Proc. IS and T's NIP 16: 2000 International Conference on Digital Printing Technologies. 2000. - P.756-758.

    12. Ванников А. В., Уарова P. M. Электрография. - M.: Изд-во МГУП, 2000. - 127 с.

    13. Diamond A.S. Handbook of Imaging Materials. - New-York: Marcel Dekker, 1991. - 621 p.

    14. Yuji Furuya/International conference IS and T's NIP 14: Proc. 1998. - P. 436-439.

    15. Baumler B. Laser druck. - Polygraph Verlag, 2003. - 232 p.

    16. Jang Yi et al./International conference IS and T's NIP 19: Proc. 2003. - P. 91-96.

Следующим основным этапом ЭФГ-процесса (тема № 4) является этап проявления СЭИ растровой структуры. При этом выделяются:

    1. Сущность и физические основы процесса проявления

    2. Основные зависимости процесса проявления растровой структуры

    3. Магнитная кисть - наиболее распространенный метод проявления

    4. Метод жидкостного проявления

    5. Основные параметры процесса проявления

Функцией этапа проявления является физическая визуализация скрытого электростатического изображения, сформированного на ФР. Проявление тонером является наиболее распространенным, характерным для классической и современной электрофотографии методом визуализации, позволяющим получить как черно-белое (одноцветное), так и цветное изображение.

Сущность процесса проявления - электростатическое взаимодействие заряженных окрашенных частиц тонера с полем СЭИ, распространяющимся в зоне проявления (тема № 7). Частицы тонера осаждаются на поверхность ФР избирательно под действием силы F = Q <?xml version="1.0"?>
E (где Q - заряд частицы тонера; <?xml version="1.0"?>
E - вариации напряженности электростатического поля), что превращает СЭИ в видимое изображение.

В зависимости от полярности зарядки ФР и полярности частиц тонера возможны два варианта процесса (рис. 8.1):

    1. Прямое проявление, где полярность тонера противоположна полярности зарядки ФР и тонер осаждается преимущественно на участках с максимальной плотностью заряда (<?xml version="1.0"?>
).

    2. Обращенное проявление, где полярность тонера совпадает с полярностью зарядки ФР и тонер осаждается на участках, где заряды отсутствуют (<?xml version="1.0"?>
).

Схема вариантов прямого (а) и обращенного (б) проявления

Рис. 8.1. Схема вариантов прямого (а) и обращенного (б) проявления: <?xml version="1.0"?>
- потенциал ЭФС (положительный или отрицательный); <?xml version="1.0"?>
- потенциал разряженных участков; <?xml version="1.0"?>
- потенциал заряженных участков; <?xml version="1.0"?>
<?xml version="1.0"?>
- электростатический контраст; D - оптическая плотность; <?xml version="1.0"?>
- оптическая плотность изображения; <?xml version="1.0"?>
- оптическая плотность фона; х - координата. 1 - форма положительного зарядного рельефа СЭИ; 2 - форма отрицательного зарядного рельефа; 3, 4 - отрицательные и положительные частицы тонера соответственно

В обоих случаях изображение может быть позитивным (черные штрихи на светлом фоне) или негативным (светлые штрихи на черном фоне). Только в первом случае вид изображения не меняется, а во втором - оно реверсируется с позитивного на негативный или наоборот. Для и копировальной аппаратуры в основном используется прямое проявление позитивного изображения. В цветной электрофотографии встречается как прямое, так и обращенное проявление позитивного изображения. Аналогичные цели могут быть достигнуты и при одновременной замене полярности зарядки ФР и тонера.

Управление лазерной разверткой изображения позволяет легко реверсировать ее работу, т. е. негативное изображение (светлые линии на темном фоне) менять на позитивное и наоборот. Так как на цветном штриховом изображении всегда должны быть цветные элементы на светлом фоне, в зависимости от вида opигинала (негативный или позитивный) используется прямое или обращенное проявление. При этом возникают существенные различия для упомянутых вариантов (рис. 8.2). В случае обращенного проявления негативного изображения получается равномерно светлый фон, а структура растра лазерной развертки наблюдается только на элементах изображения. Для прямого проявления позитивного изображения необходимо экспонировать его фон, на котором остаются нежелательные следы растровой структуры. Их устранение путем расфокусировки светового пятна или увеличения экспозиции одновременно вызывает ухудшение качества элементов изображения, а устранение структуры фона путем увеличения частоты растра снижает быстродействие процесса экспонирования. С учетом перечисленных обстоятельств, для лазерной записи обычно выбирается метод обращенного негативного проявленияМетод обращенного негативного проявления в литературных источниках [2, 6] часто называется Discharged Area Development (DAD) - частицы тонера осаждаются на разряженных участках ФР (проявляются экспонированные участки ФР). Дальнейшие результаты приведены в основном для этого метода.

Схема вариантов обращенного (слева) и прямого (справа) проявления изображения при лазерной записи

Рис. 8.2. Схема вариантов обращенного (слева) и прямого (справа) проявления изображения при лазерной записи: а - экспонирование; б - проявление; в - структура знака и фона. 1 - фоточувствительный слой ФР; 2 - основа; 3 - экспонируемые участки ФР; 4 - частица тонера; 5 - растровая структура знаков; 6 - растровая структура фона

Идеальным проявителем можно считать взвешенные равномерно распределенные в диэлектрической среде, униполярно заряженные частицы, на которые не действуют никакие силы, кроме сил электростатического поля СЭИ. Такие частицы осаждались бы на ФР и по силовым линиям до достижения полной компенсации зарядного рельефа СЭИ. Практически наблюдаются значительные отклонения от такого идеального проявления в основном по следующим причинам:

    - функция распределения силовых линий электростатического поля уже на некотором расстоянии от поверхности ЭФС точно не повторяет функцию распределения зарядного рельефа СЭИ;

    - для низких пространственных частот СЭИ наблюдается краевой эффект, а при удалении от поверхности ЭФС высокие частоты быстро ослабляются и поле приближается к гомогенному;

    - на частицы тонера, кроме сил СЭИ, действуют другие хаотические или направленные силы (инерционные силы, силы давления, гравитационная сила и др.), влияющие на процесс осаждения;

    - для двухкомпонентных проявителей существует определенная минимальная сила отрыва тонера от носителя, т. е. требуется определенная интенсивность поля, при которой частицы тонера начинают «чувствовать» СЭИ и начинается процесс их осаждения на ФР;

    - определенная зернистая структура, свойственная тонерному изображению, создает так называемые шумы, уровень которых может сделать мелкие элементы изображения нераспознаваемыми.

Совокупность указанных причин обусловливает неполную компенсацию зарядного рельефа СЭИ, снижает качественные параметры проявления и прежде всего его электростатическую чувствительностьЭлектростатическая чувствительность - минимальный визуализируемый электростатический контраст СЭИ. Для двухкомпонентных сухих проявителей электростатическая чувствительность, как правило, ниже, однако наличие жесткой связи тонера с носителем положительно сказывается на униполярность частиц и на уровень фона.

Компенсация заряда СЭИ осаждающимися частицами тонера в ходе процесса проявления приводит к постепенному уменьшению интенсивности процесса, что характеризует его кинетику. В общем случае кинетику процесса проявления* можно описать выражением (8.1).

(*Кинетика процесса проявления: <?xml version="1.0"?>
(8.1), где <?xml version="1.0"?>
- оптическая плотность изображения при времени проявления <?xml version="1.0"?>
; <?xml version="1.0"?>
- оптическая плотность изображения при <?xml version="1.0"?>
; <?xml version="1.0"?>
- время проявления; <?xml version="1.0"?>
- константа, определяемая электростатической чувствительностью процесса проявления)

Исследования кинетики процесса проявления показывают что в быстродействующей аппаратуре этот процесс далек от насыщения. Поэтому основное влияние на результат оказывает начальная стадия кинетики проявления, когда количество осажденных частиц тонера зависит от напряженности поля в зоне проявления и еще не зависит от поверхностной плотности заряда. Только при <?xml version="1.0"?>
оптическая плотность пропорциональна на поверхностной плотности заряда.

Конечный результат проявления, при всей совокупности условий этого процесса и применяемых материалов, зависит от электростатического контраста СЭИ <?xml version="1.0"?>
<?xml version="1.0"?>
. Функция D = f (<?xml version="1.0"?>
<?xml version="1.0"?>
) является характеристической кривой процесса проявления (тема №9).

Анализ формы и распределения электростатического поля в зоне проявления показывает, что условия проявления больших заливных участков и тонких линий изображения весьма различны. Функциональная связь оптической плотности с другими параметрами процесса для этих двух случаев (вариант прямого проявления) описывается [2] следующими уравнениям.

Оптическая плотность больших заливных участков* изображения выражается уравнением (8.2).

(*Оптическая плотность заливных участков: <?xml version="1.0"?>
, (8.2), где <?xml version="1.0"?>
- поверхностный потенциал неосвещенных участков ФР; <?xml version="1.0"?>
- базовый потенциал смещения узла проявления; <?xml version="1.0"?>
- коэффициент пропорциональности)

Коэффициент <?xml version="1.0"?>
зависит от интенсивности подачи проявителя, величины частиц тонера, диэлектрической постоянной, и толщины фоточувствительного слоя, степени насыщенности процесса проявления и т. д.

Оптическая плотность тонких линий* выражается уравнением (8.3).

(*Оптическая плотность тонких линий: <?xml version="1.0"?>
, (8.3), где <?xml version="1.0"?>
- параметр, зависящий от ширины линий и интенсивности подачи проявителя; <?xml version="1.0"?>
- фоновый потенциал экспонированных участков; <?xml version="1.0"?>
- электростатический контраст)

Если СЭИ сформировано с применением метода лазерной развертки в основном имеет место проявление отдельных тонких линий или растрового поля из таких линий.

Процесс проявления растровой структуры и основные зависимости процесса существенным образом зависят от условий отрыва частиц тонера от носителя и последующего осаждений этих частиц на проявляемую поверхность. Для нахождения оптимального варианта таких условий [2] используются различные теоретические модели и проводятся экспериментальные исследования процесса.

Кроме общепринятого анализа и расчета процесса проявления используются и новые теоретические модели. В отличие от обычно применяемой модели [6] равномерного или дипольного распределения зарядов на частице тонера двухкомпонентного проявителя, предложена [7] модель распределения поверхностных зарядов типа «немого колокола» (dumbbell type charge distribution). При такой модели принимается, что одноименные статические заряды расположены только на противоположных сторонах сферической частицы (по направлению внешнего поля вдоль нитки магнитной кисти, где частица тонера контактирует с различными частицами носителя).

В соответствии с моделью «немого колокола» эффективный заряд частицы тонера описывается выражением (8.4)* .

(*Эффективный заряд частицы тонера [7]: <?xml version="1.0"?>
(8.4), где <?xml version="1.0"?>
- диэлектрическая постоянная; R - радиус частицы тонера; <?xml version="1.0"?>
, <?xml version="1.0"?>
- константы; Е - напряженность внешнего поля; <?xml version="1.0"?>
, <?xml version="1.0"?>
- нижний и верхний пороги, описывающие модель распределения зарядов на частице)

Согласно данной модели минимальная интенсивность внешнего поля, необходимая для отрыва частиц тонера, оценивается величиной <?xml version="1.0"?>
, а значение заряда частицы радиуса <?xml version="1.0"?>
- значением <?xml version="1.0"?>
. В то же время для модели равномерного распределения элементарных зарядов эти значения соответственно равны <?xml version="1.0"?>
и <?xml version="1.0"?>
. Предложена модель неравномерного распределения зарядов лучше объясняет экспериментальные результаты исследований, особенно при изменяющемся диаметре частиц.

Процесс отрыва частиц удобно контролировать для варианта однокомпонентного проявителя. В этом случае проявление происходит через воздушный зазор между донорной и проявляемой поверхностью [6]. Величина зазора - 100-130 мкм. При отрыве частиц во внешнем переменном поле смещения образуется как бы «прыгающее облачко» частиц, которое осаждается на ФР. Методом высокоскоростной съемки [8] при минимальном времени экспонирования 1 мкc регистрировалось формирование такого облачка и определялось минимальное время его осаждения. Это в свою очередь определяет максимальную скорость проявления, которое оказалось равным 0,5- 1,0 м/с. Рассчитанная интенсивность процесса осаждения частиц тонера равна <?xml version="1.0"?>
.

Для аналоговой и цифровой, для одноцветной и цветной, для копировальной и копировально-выводной аппаратуры в принципе используются аналогичные методы и технологические узлы проявления. Специфика цветности изображения и учет назначения аппаратуры появляются потом - в процессе накопления разноцветных изображений (чтобы получить цветосинтез), в применяемых цветных проявителях и при установке технологического узла в аппаратуре определенного назначения. Поэтому сначала можно рассматривать процесс проявления как одноцветный. Следует только отметить, что для аппаратуры цифровой печати (как одноцветной, так и цветной) наиболее актуально проявление штрихового изображения (Line Development), а не проявление больших заливных площадей (Solid Area Development). Воспроизводимое изображение при цифровой печати чаще всего является алфавитно-цифровым. Кроме того, при растровой развертке изображения и заливные площади также приобретают растровую структуру. Они воспроизводятся с помощью матриц с амплитудной или частотной модуляцией точек (тема № 14), получая как бы определенную «несущую пространственную частоту», превращающую большие участки полутонового изображения в тонкую, но все-таки растровую решетку. Пространственная частота такой решетки соответствует частоте покадровой развертки изображения, которая для современных аппаратов - не ниже 24 <?xml version="1.0"?>
(600 dpi). Для наблюдателя такая тонкая структура воспринимается как равномерная, а растровая решетка как бы превращается в заливную площадь. Микроструктура такой заливной площади дает определенную зернистость, учитываемую при оценке качества цветного изображения.

При номинальном электростатическом контрасте <?xml version="1.0"?>
<?xml version="1.0"?>
= <?xml version="1.0"?>
- <?xml version="1.0"?>
(где <?xml version="1.0"?>
- номинальный потенциал ФР, <?xml version="1.0"?>
- фоновый потенциал на освещенных участках ФР) процессом проявления обычно управляют путем изменения базового потенциала проявляющего валика. Это создает потенциал смещения в зоне проявления и позволяет увеличить оптическую плотность на разряженных участках ФР. Упомянутая зависимость [4] показана на рис. 8.3. Видно, что насыщение оптической плотности достигается при потенциале смещения <?xml version="1.0"?>
= - (200 - 400) В. При этом для немагнитного тонера (кривые 3, 4) ход характеристики более крутой.

Зависимость оптической плотности изображения D от базового потенциала узла проявления Vb при использовании магнитного (кривые 1, 2) и немагнитного (кривые 3,4) тонера [4]

Рис. 8.3. Зависимость оптической плотности изображения D от базового потенциала узла проявления <?xml version="1.0"?>
при использовании магнитного (кривые 1, 2) и немагнитного (кривые 3,4) тонера [4]: кривые 1,3 - вращается магнитное поле валика узла проявления; кривые 2, 4 - вращается втулка валика узла проявления при стационарном магнитном поле

Потенциал смещения также используется для установки необходимого порога проявления*.

(*Порог проявления - минимальный электростатический контраст, с которого начинается визуализация элементов СЭИ. Позволяет исключить те элементы, визуализация которых не желательна. Это могут быть не полностью разряженные участки ФР между соседними точками развертки или темные дефекты СЭИ другого происхождения (тема № 16))

Процесс проявления существенно зависит от степени зарядки частиц тонера, которая выражается соотношением q/<?xml version="1.0"?>
(где q - заряд частиц тонера; <?xml version="1.0"?>
- площадь поверхности частиц тонера). Это видно из рис. 8.4, где показана [5] зависимость оптической плотности изображения от относительного поверхностного потенциала ФР <?xml version="1.0"?>
-<?xml version="1.0"?>
, получаемая для различных значений поверхностной плотности заряда частиц тонера. Представленная зависимость является характеристической кривой процесса проявления. Видно, что с увеличением поверхностной Плотности заряда кривая становится пологой, т. е. быстрее наступает процесс насыщения и проявление прекращается на болee низком уровне оптической плотности.

Зависимость оптической плотности изображения D от относительного поверхностного потенциала ФР Uc-Vb для различных значений поверхностной плотности заряда q/St [5]

Рис. 8.4. Зависимость оптической плотности изображения D от относительного поверхностного потенциала ФР <?xml version="1.0"?>
- <?xml version="1.0"?>
для различных значений поверхностной плотности заряда q/<?xml version="1.0"?>
[5]: <?xml version="1.0"?>
- потенциал ФР; <?xml version="1.0"?>
- базовый потенциал; q - заряд частиц тонера; <?xml version="1.0"?>
- площадь поверхности частиц тонера. 1 - поверхностная плотность заряда q/<?xml version="1.0"?>
= 3,6; 2 - 5,0; 3 - 5,8; 4 - 6,7 <?xml version="1.0"?>

Оптическая плотность зависит от массы осажденных на ФР частиц тонера. Связь между этими параметрами показана [6] а рис. 8.5. Требуемая оптическая плотность D <?xml version="1.0"?>
1,4 Б достигается при значении М/А = 0,8 <?xml version="1.0"?>
(где М - масса тонера, и осажденного на площади А).

Зависимость оптической плотности изображения (D) от массы осажденных частиц (М/А) [6]

Рис. 8.5. Зависимость оптической плотности изображения (D) от массы осажденных частиц (М/А) [6]

Исследования [6] процесса проявления штрихового изображения показывают существенную зависимость оптической плотности от пространственной частоты. Расчеты [1] электростатических полей в зоне проявления над поверхностью ФР показали, что нормальная составляющая поля с увеличением пространственной частоты убывает. Это уменьшение минимально, когда расстояние до контрэлектрода узла проявления равно толщине электрофотографического слоя ФР. Такую качественную зависимость повторяют исследования [2] оптической плотности (рис. 8.6). При проявлении электропроводящей магнитной кистью такого фоточувствительного слоя (рис. 8.6, б) проходящие нитки проявителя служат близко расположенным контр-электродом и эта зависимость

Зависимость нормированной оптической плотности линий (Dн) от их пространственной частоты (v) при проявлении диэлектрической (а) и электропроводящей (б, в) магнитной кистью [2]

Рис. 8.6. Зависимость нормированной оптической плотности линий (<?xml version="1.0"?>
) от их пространственной частоты (v) при проявлении диэлектрической (а) и электропроводящей (б, в) магнитной кистью [2]: кривая 1 - толщина электрофотографического слоя ФР равна 30 мкм; кривая 2-60 мкм

Вышеизложенное относится к электрографическому изображению, проявляемому черным тонером. При определении лик, параметра оптической плотности цветного изображения необходимо учесть разницу спектрального светопропускания цветных тонеров. Оптическая плотность для каждого цвета измеряется через цветные фильтры в трех зонах спектра (тема № 6).

В аппаратуре ЦП в основном используется проявление и методом магнитной кисти [3, 6]. Этот метод основан на доставке частиц тонера в зону проявления с применением сил магнитя магнитного поля. Магнитная кисть образуется вокруг постоянных магнитов. Частицы проявителя, обладающие магнитными свойствами, захватываются магнитным полем и располагаются вдоль его силовых линий. Магнит удерживает ферромагнитный носитель, каждая лее частица которого несет на себе тонер. Вся система в работе напоминает собой кисть. В аппаратуре, проходя зону проявления, кисть разрушается, а после обновления носителя свежим тонером - формируется вновь. Для электростатического контраста СЭИ порядка 250 В стандартное качество проявления обеспечивается при концентрации тонера в проявителе (4 - 5) %. Подачей потенциала смещения на магнитный валик можно регулировать как оптическую плотность изображения, так и величину фона. В последнее время находит применение однокомпонентный магнитный проявитель функции носителя для которого как бы выполняет магнитный валик, транспортирующий частицы тонера в зону проявления, а переменное поле смещения облегчает отрыв частиц на некотором расстоянии от проявляемой поверхности.

Узел магнитной кисти (рис. 8.7) обычно состоит из цилиндрической втулки, изготовленной из немагнитного материала (длина которой определяется шириной зоны проявления), внутри которой на стержне размещены постоянные магниты. В зависимости от того, что вращается (цилиндрическая втулка или стержень с магнитами), устройства проявления подразделяются на устройства с неподвижным или подвижным магнитным полем.

Схема магнитной кисти и ее характерные элементы

Рис. 8.7. Схема магнитной кисти и ее характерные элементы: 1 - магнит; 2 - немагнитный цилиндр; 3 - проявляемый ФР; 4 - нож среза магнитной кисти; 5 - проявитель в межполюсной зоне; 6 - покрытая диэлектриком частица носителя; 7 - частица тонера, а - высота среза магнитной кисти; л - высота зоны проявления; <?xml version="1.0"?>
- угол поворотов магнитного вала; L - зона кисти (ширина зоны проявления)

Магнитная кисть представляет собой «щетку» из проявителя, обычно вращающуюся навстречу вращению ФР. Встречное направление выбрано в связи с тем, что оно обеспечивает более интенсивную доставку в зону проявления свежего тонера.

Конструктивные решения узлов проявления магнитной кистью отличаются большим разнообразием. Они обычно состоят из одного или нескольких узлов магнитной кисти (магнитных валиков - проявляющих элементов), бункера с тонером, устройств подачи тонера на проявляющий элемент, узла перемешивания проявителя и устройства, ограничивающего высоту магнитной кисти на магнитном валике. Основные элементы узла проявления показаны на рис. 8.8.

Типовые элементы узла проявления

Рис. 8.8. Типовые элементы узла проявления: 1 - фоторецептор; 2 - магниты; 3 - магнитный валик; 4 - вращающийся цилиндр; 5 - ограничитель кисти; 6 - проявитель; 7 - зона проявления

В устройствах с большим числом магнитных валиков обеспечивается широкая зона проявления, где проявитель как бы передается с одного валика на другой [3, 6]. Более подробно узлы проявления рассмотрены в теме № 17.

В аппаратуре ЦП, особенно при реализации многоцветного варианта ЭФГ-офсета (тема № 19), находит применение жидкостный метод проявления [9]. Более общий вариант схемы узла жидкостного проявления приведена на рис. 8.9. Варианты его технической реализации в аппаратуре подробно рассмотрены в рамках тем № 19, 27.

Как показано на рис. 8.9, жидкий проявитель подается к проявляемой поверхности цилиндрического ФР с помощью проявляющего валика, на котором предварительно создается равномерный слой проявителя. Для образования такого равномерного слоя используется набрасывающий валик. Процесс проявления контролируется потенциалом смещения на проявляющем валике.

 Схема узла жидкостного проявления

Рис. 8.9. Схема узла жидкостного проявления: 1 - фоторецептор; 2 - проявляющий валик; 3 - скребок (контрэлектрод); 4 - набрасывающий валик; 5 - кювета с проявителем; 6 - источник базового потенциала смещения; 7 - зона проявления между валиками

Если используется высококонцентрированный проявитель (порядка 10 - 25 весовых %), то требуемая оптическая плотность достигается при скорости процесса проявления до 1 м/с. Однако необходимость стабилизации жидкости в зазоре между валиками требует ограничения скорости проявления величиной 0,1 м/с [9.]

Реализация процесса цветного проявления на этапе экспонирования предварительно созданной (тема № 7) растровой структуры позволяет достигнуть в аппаратуре ЦП параметры, приведенные в табл. 8.1.

В аппаратуре ЦП наибольшее распространение получил процесс сухого проявления. Современный вариант жидкостного проявления используется только в аппаратуре одной фирмы («Indigo», а в настоящее время - «Hewlett-Packard»).

Качественные параметры процесса проявления позволяют проводить цифровую печать при аппаратурном разрешении до 600 х 2400 dpi, линиатуре до 100- 175 lpi и производительности до 100-136 ррm.

Таблица 8.1

Параметры процесса цветного проявления, реализованные в аппаратуре цифровой печати

Untitled Document

Параметры
Единица измерения
Значение параметров
Сухое проявление
Жидкостное проявление
1. Формат проявленного изображения
-
А4, А3, А3+, А2
А4, А3, А3+
2. Тип проявителя
-
Сухой
Жидкий
3. Вариант проявления
-

«Позитив-позитив» с реверсом на «негатив-позитив»

"Негатив-позитив"
4. Полярность тонера
-
Отрицательная
Отрицательная
5. Величина частиц тонера
мкм
2-13
до 2
6. Минимальная ширина проявляемой линии
мкм
20-60
10-20
7. Оптическая плотность:
отдельной линии
площади
фона

Б
Б
Б

1,2-1,4
1,0
0,01

1,5
1,0
0,01
8. Количество полутонов
-
до 256
до 256
9. Фотографическая разрешающая способность изображения
16-32
64-100
10. Цветность:
квалификация
количество проявляемых цветов
количество регламентируемых синтезируемых цветов
максимальное количество цветовых оттенков

-
-
-

-

Полноцыетное
3-4
до 1670


12.,6 млн

Полноцветное
4-7
до 1670


12,6 млн
11. Быстродействие процесса в аппаратуре
м/мин
10-20
до 32

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

    2. Scharfe M. Electrophotography Principles and Optimization. - Letch-worth: Press. 1984. - 210 p.

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

    4. Masumi Asanae et al // Electrophotography. 1996. V. 35. № 4. - P. 325-331.

    5. Toshinori Jamazaki et al // Electrophotography. 1995. V. 34. № 1. - P. 3-22.

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

    7. Feng J.Q., Hays D.A. // J. of Imaging Sc. and Technol. - 2000, № 1. - P. 19-25.

    8. Mizes H. et al. // J. of Imaging Sc. and Technol. - 2000. № 3. - P. 210-218.

    9. Shogo Matsumoto et al. / International conference IS and T,s NIP 19; Proc. 2003. - P. 53-56.

Сформированное (темы № 7, 8) электрографическое изображение, как правило на поверхности ФР не остается. Оно переносится на воспринимающую основ (чаще всего - бумагу) и там закрепляется, а поверхность ФР очищается для следующего цикла работы. Перечисленные вспомогательные этапы процесса воспроизведения - традиционные [1, 3] и существенных отличий не имеют.

Для оценки результирующего качества цифрового изображения попытаемся ответить на следующие вопросы:

    1. Общая характеристика электрофотографического процесса

    2. Критерии оценки выходных параметров цифрового изображения

    3. Параметры энергетического преобразования информационного сигнала

    4. Пространственно-частотные параметры

    5. Цветовые параметры

ЭФГ-процесс в целом можно оценить:

    - связью входных-выходных параметров процесса (степень соответствия изображения оригиналу);

    - отдельными выходными параметрами изображения или их совокупностью.

Для определения связи входных и выходных параметров можно использовать характеристическую кривую ЭФГ-процесса <?xml version="1.0"?>
= f (lg Н), градационную кривую <?xml version="1.0"?>
= f (<?xml version="1.0"?>
) или частотно-контрастную характеристику Т = f (<?xml version="1.0"?>
) [1-3] (обозначения - на рис. 9.1).

Для построения передаточных функций процесса (характеристической или градационной кривой), с учетом влияния параметров отдельных этапов, широко используется четырехквадрантная схема Джонса, приобретающая определенную специфику в зависимости от варианта ЭФГ-процесса [1, 4].

Четырехквадрантный метод комплексной оценки всех этапов ЭФГ-процесса был развит в работах М. Шарфа [1, 5]. ЭФГ-процесс им рассматривался (рис. 9.1) как совокупность четырех подсистем: экспонирования, фоторазрядки, проявления и тоновоспроизведения. Использование этого метода позволило автору [1] оптимизировать условия экспонирования для прямого ЭФГ-процесса при воспроизведении оригиналов различного контраста.

Оценка [1] комплексной связи входных и выходных параметров ЭФГ-процесса по совокупности подсистем экспонирования (I), фоторазрядки (II), проявления (III) и тоновоспроизведения (IV)

Рис. 9.1. Оценка [1] комплексной связи входных и выходных параметров ЭФГ-процесса по совокупности подсистем экспонирования (I), фоторазрядки (II), проявления (III) и тоновоспроизведения (IV): <?xml version="1.0"?>
- оптическая плотность оригинала; <?xml version="1.0"?>
- оптическая плотность копии; Н - экспозиция; <?xml version="1.0"?>
- потенциал ФР. 1 - кривые соответствуют большим заливным участкам; 2 - тонким линиям; 3 - фотораэрядные кривые; 4 - кривая определения оптимального тоновоспроизведения

Для оценки возможности воспроизведения тонкой структуры изображения используется частотно-контрастная характеристика ЭФГ-процесса Т = f (<?xml version="1.0"?>
). С помощью такой характеристики можно теоретически сконструировать (при наличии линейной системы воспроизведения) выходное изображение при заданных входных параметрах. Частотно-контрастные характеристики широко используются при оценке галогенидосеребряного фотографического процесса, однако в электрофотографии они нашли лишь ограниченное применение. Это связано с тем, что ЭФГ-процесс как преобразователь информации на основных этапах не является линейным процессом [1].

Другим аспектом оценки ЭФГ-процесса является определение окончательных выходных параметров изображения по отдельным инструментальным характеристикам или по их совокупности. В качестве таковых используются: оптическая плотность изображения и фона, разрешающая способность или предел читаемости, характеристики быстродействия и другие параметры.

Совокупность характеристик определяется по требованиям ТЗ на аппаратуру или государственных стандартов на oпределенный класс аппаратуры. Такая совокупность несколько различается в зависимости от технического назначения аппаратуры. Среди группы выходных параметров часто используют и входные параметры экспонирования, так как от них главным образом зависит быстродействие аппаратуры. В цветной электрофотографии к упомянутым параметрам добавляются цветовые характеристики изображения.

Анализ ЭФГ-технологи цифровой печати и разновидностей процесса воспроизведения цветного изображения на этапах экспонирования проявления показывает, что для оценки выходного изображения используются различные критерии качества. Эти критерии, а также конкретные выражения параметров, могут быть распределены по следующим группам (табл. 9.1).

Таблица 9.1

Комплекс параметров оценки качества цветного электрографического изображения

Untitled Document

Основные преобразующие звенья и факторы? влияющие на качество
Параметры качества
наименования
обозначение
I. Параметры энергетического преобразования информационного сигнала

Энергетическая облученность ФР;
Экспозиция ФР;
Чувствительность ФР;
Электростатический контраст СЭИ;
Характеристическая кривая процесса проявления;
Оптическая плотность проявленного изображения и фона

Оптическая плотность изображения:

D
а) отдельной линии (Line);
б) растрированной площади (Solid area);
,
Оптическая плотность фона (Background)
Запечатанная площадь растровой структуры
A
II. Пространственно-частотные параметры

Диаметр энергетического пятна в плоскости ФР;
Распределение энергетического облучения в пределах пятна;
Пространственная частота растровой развертки;
Растровая структура полутонов;
Величина частиц тонера;
Количество воспроизводимой информации

Ширина отдельной линии;

I
Максимальный пространственный градиент оптической плотности;
Разрешающая способность:
 
фотографическая
аппаратурная
Линиатура растровой развертки;
L
Количество полутонов;
N
Средний индекс качества;
Функция передачи модуляции;
Коэффициент зернистости;
G
Информационная емкость кадра;
I
Несущая пространственная частота
III. Цветовые параметры

Цветовые параметры тонеров;
Баланс толщин цветных тонеров при цветосложении;
Гомогенность структуры цветных элементов;
Цветовые параметры изображения растровой структуры

Степень цветности изображения;

Одноцветное, многоцветное, полноцветное
Количество регламентируемых цветов;
Цветовой тон;
Ц,
Насыщенность;
Н,р
Светлота (чистота);
С
Цветовые координаты;
X, Y, Z
Цветовой охват;
Цветовой круг
Коэффициент Каллье
Q

    I. Параметры энергетического преобразования или информационного сигнала;

    II. Пространственно-частотные параметры;

    III. Цветовые параметры.

Основная часть указанных параметров используется только на этапах создания фоторецепторов, проявителей и проведения исследований ЭФГ-процесса. Некоторые из этих параметров встречаются в проспектах соответствующих моделей аппаратуры. Однако там основное внимание уделяется (часть III) параметрам быстродействия, а также вопросам комплектации и взаимодействия составных элементов.

Комплекс эксплуатационных параметров аппаратуры ЦП подробно рассматривается в рамках темы № 20.

В ЭФГ-технологии цифровой печати регистрируемый информационный сигнал создает определенный уровень энергетической облученности ФР. Энергетическое поле информационного входа (экспозиция) вызывает соответствующее изменение потенциала ФР, а созданный электростатический контраст способствует осаждению на экспонированных участках слоя частиц тонера и получению на выходе амплитудного параметра - оптической плотности изображения*. Таким образом, выходной амплитудный параметр ЭФГ-преобразователя (оптическая плотность) является реакцией на входной сигнал - энергию возбуждения ФР (экспозицию), что описывается функцией D = f (lg Н) [4]. Применение параметра оптической плотности для оценки качества электрографического изображения имеет некоторые особенности.

(*Оптическая плотность определяется как <?xml version="1.0"?>
, где <?xml version="1.0"?>
- интенсивность света, падающего на элемент изображения, a J - интенсивность света, отраженного от этого элемента)

Для нелинейного ЭФГ-процесса связь между оптической плотностью и экспозицией также нелинейная. Ход характеристической кривой процесса зависит от величины проявляемого элемента изображения и от условий проявления. Поэтому в практике оптическая плотность определяется для отдельной линии ( <?xml version="1.0"?>
) и для заливной площади (<?xml version="1.0"?>
), оговаривая условия проявления. Также определяется допустимый уровень фона (<?xml version="1.0"?>
). Если в случае мелкого растра датчик денситометрического прибора перекрывает несколько растровых линий, то определяется усредненная оптическая плотность участка или так называемая растровая оптическая плотность*, которая выражается формулой (9.1).

(*Растровая оптическая плотность: <?xml version="1.0"?>
(9.1), где S - общая измеряемая площадь; <?xml version="1.0"?>
- площадь занимаемая элементами растра)

Характеристическая кривая процесса, показывающая связь упомянутых входных-выходных параметров энергетического преобразования информационного сигнала, приведена на рис. 9.2 [4] (лазерная запись на низкочувствительный прозрачный ФР). Сопоставляя рисунки (а) и (б) по уровню Экспозиции Н - 2 <?xml version="1.0"?>
, достаточному для получения номинальной оптической плотности, видим, что при этом обеспечивается минимальная ширина линии 12 мкм (кривая 3). Характерно, что расширение тонких линий с увеличением экспозиции незначительно, следовательно там уже достигнута полная фоторазрядка ФР. Этого нельзя сказать о широкой линии кривая 5), где фоторазрядка продолжается.

Характеристическая кривая процесса жидкостного проявления (а) и зависимость ширины линии от экспозиции (б) [4]

Рис. 9.2. Характеристическая кривая процесса жидкостного проявления (а) и зависимость ширины линии от экспозиции (б) [4]: D - оптическая плотность изображения; Н - экспозиция; I - ширина линии. 1 - концентрация тонера в проявителе 3 г/л; 2 - 6 г/л; 3 - диаметр светового пятна 13 мкм; 4 - 25 мкм; 5 - 58 мкм

Параметры данной группы, кроме непосредственной оценки качества изображения, в конечном счете определяют быстродействие процесса воспроизведения и отражаются на производительности аппаратуры цифровой печати.

Изображение при цифровой печати формируется cуперпозицией отдельных линий, образующих растровую структуру кадра. Поэтому анализ большой группы пространственно частотных параметров следует начинать с оценки следа, оставляемого отдельной линией.

Микроденситометрические измерения позволяют исследовать профили таких линий, получаемых при строчной развертке лазерного пятна гауссообразной формы [7, 8]. Гауссообразная форма сохраняется и при проявлении частицами тонера. Для оценки профиля гауссообразной линии используются следующие параметры (рис. 9.3):

    - максимальная оптическая плотность <?xml version="1.0"?>
= <?xml version="1.0"?>
в центре линии;

    - резкость линии, оцениваемая максимальным пространственным градиентом <?xml version="1.0"?>
оптической плотности;

    - ширина линии <?xml version="1.0"?>
.

 Профиль отдельной линии изображения и параметры его оценки [9]

Рис. 9.3. Профиль отдельной линии изображения и параметры его оценки [9]: <?xml version="1.0"?>
- оптическая плотность линии; х - координата; <?xml version="1.0"?>
- максимальная оптическая плотность в центре линии; <?xml version="1.0"?>
- оптическая плотность фона; <?xml version="1.0"?>
D - перепад оптической плотности на расстоянии <?xml version="1.0"?>
х; <?xml version="1.0"?>
- угол наклона, характеризующий резкость линии; <?xml version="1.0"?>
- ширина линии на уровне оптической плотности <?xml version="1.0"?>
/2

Для объективной оценки резкости края линии используется (9.2) параметр максимального пространственного градиента* <?xml version="1.0"?>
. Этот параметр хорошо известен в галогенидосеребряной фотографии под названием фактора резкости по Гольдбергу [10]. Максимальный градиент определяется в точке <?xml version="1.0"?>
= <?xml version="1.0"?>
/2, проводя касательную к профилю линии до пересечения с осью х и с ординатой <?xml version="1.0"?>
= <?xml version="1.0"?>
.

(*Максимальный пространственный градиент: <?xml version="1.0"?>
(9.2) где <?xml version="1.0"?>
- угол наклона касательной к профилю в точке <?xml version="1.0"?>
/2; <?xml version="1.0"?>
- максимальное значение оптической плотности в центре линии; <?xml version="1.0"?>
- фоновое значение оптической плотности; <?xml version="1.0"?>
х - отрезок на оси х, отсекаемый касательной к профилю)

Для линий шириной 12-15 мкм максимальный пространственный градиент находится на уровне 0,10 - 0,15 Б/мкм.

Ширина линии в данном случае также определяется на уровне оптической плотности <?xml version="1.0"?>
/2. Однако этот уровень не является единственно возможным. В литературных источниках для определения ширины гауссообразной линии с пологими краями используются уровни l/е = 0,368 и l/<?xml version="1.0"?>
= 0,135 от <?xml version="1.0"?>
, а также другие варианты [4, 10]. Комплекс двух параметров <?xml version="1.0"?>
и <?xml version="1.0"?>
позволяет контролировать толщину линии и ее резкость. Идентичные результаты получаются путем определения разрешающей способности и воспроизведения клиновидных линий на испытательной тест-таблице. Преимущество определения градиента состоит в том, что он определяется инструментально и в реальном режиме работы аппаратуры.

Качество воспроизведения отдельных линий сказывается на разрешающую способность цифровой печати. В литературе наблюдается большая неопределенность и различия в толковании данного параметра [1, 11 - 13]. При этом имеются не только объективно различающиеся категории параметра, характеризующие различные этапы воспроизведения изображения, но и различные личные варианты определения, что является излишним. Предлагаемая нами система учитывает только объективные различия этапов (табл. 9.2).

Таблица 9.2

Разновидности категорий разрешающей способности цифровой печати

Untitled Document

Категория параметра
Обозначение
Определение параметра
Единицы измерения
Область применения параметра
1. Фотографическая разрешающая способность
Максимальная пространственная частота линий, которые можно различить визуально при оптимальных условиях воспроизведения изображения тест-объекта
Для определения возможностей ЭФГ-процесса воспроизведения изображения в условиях, приближенных к аппаратурным. Обычно применяется для оценки аналоговой аппаратуры
2. Аппаратурная разрешающая способность
Максимальная пространственная частота в оптимальных условиях функционирования аппаратуры
dpi или ppi
Для определения возможностей функционирования аппаратуры при воспроизведении штрихового (dpi) или полутонового (ppi) изображения
а) разрешение печатающего механизма

а) пространственная частота, заложенная в механизме штриховой развертки:
— по направлению строчной развертки, определяется количеством адресуемых элементов растровой струк­туры на единице длины строки;
— по направлению кадровой разверт­ки, определяется количеством строк на единице длины;

dpi
Для определения возможностей механизма печати, заложенного в аппаратуре
б) электронное разрешение
б) повышение возможностей механизма штриховой развертки с учетом дополнительной программной коррекции диаметра светового пятна и координат вьсвета точек; учет возможностей программирования при оцифровке и передаче данных
dpi
Для определения возможностей повышения разрешения штрихового изображения электронным способом (псевдоразрешения), заложенных в аппаратуре
в) разрешение воспроизведения полутонов
в) пространственная частота пикселов, образующих матричную структуру растра при развертке полутонового изображения
ppi
Для определения возможностей воспроизведения полутонового изображения, заложенных в аппаратуре S
3. Линиатура полиграфического растра полутонового изображения
L
Пространственная частота пикселов, образующих матричную структуру растра на оригинале
lpi
Для определения качества градаций передающих полутона оригинала

Фотографическая разрешающая способность* также может быть определена [14] расчетным путем по величине максимального пространственного градиента отдельной гауссообразной линии (9.3).

(*Фотографическая разрешающая способность: <?xml version="1.0"?>
(9.3), где <?xml version="1.0"?>
- максимальный пространственный градиент; <?xml version="1.0"?>
- максимальная оптическая плотность в центре линии)

С точки зрения потребителя, качество получаемого цветного электрографического изображения обычно оценивается его аппаратурной разрешающей способностью R и количеством воспроизводимых полутонов N (при безусловном воспроизведении всей гаммы цветов). Зависимость между этими величинами имеет сложный характер. Современные цифровые методы воспроизведения растрированного изображения не только отличаются более высоким качеством, но и позволяют независимо менять параметры R и N, определяя их индивидуальное влияние на окончательное качество получаемого изображения. Исследования [15] показали, что существует эффект «насыщения», когда раздельное увеличение параметра R и N уже не оказывает никакого влияния на качество изображения. Для улучшения качества необходимо одновременное увеличение обоих параметров R и N [15-17]. Это иллюстрируется [15] на рис. 9.4. Отдельными точками отмечены соответствующие параметры [4] ведущих моделей цветной аппаратуры ЦП.

Карта качества цветного электрографического изображения [15]

Рис. 9.4. Карта качества цветного электрографического изображения [15]: N - количество полутонов; R - разрешающая способность. На кривых указан средний индекс качества (в баллах). Заштрихована зона неудовлетворительного качества. <?xml version="1.0"?>

Качество проявления отдельных линий и разрешающая способность изображения непосредственно связаны с частотно-контрастной характеристикойЧастотно-контрастная характеристика - зависимость коэффициента передачи контраста системы воспроизведения изображения от пространственной частоты с учетом линейности процесса (ЧКХ) процесса воспроизведения [4, 16, 17].

ЧКХ широко используется при оценке галогенидосеребрянного фотографического процесса, однако в электрофотографии они нашли лишь ограниченное применение [3]. Это связано с тем, что ЭФГ-процесс, как преобразователь информации, на основных своих этапах не является линейным процессом. Причины нелинейности состоят в следующем:

    - изменение плотности зарядов на поверхности ЭФГ-ФР при экспонировании линейно непропорционально поглощаемой энергии;

    - нормальная составляющая электростатического поля, являющаяся главной в процессе проявления, линейно не повторяет распределения зарядов на ФР;

    - количество осевших частиц тонера при проявлении линейно не повторяет распределения нормальной составляющей поля (например, из-за «детектирования» одной из полярностей поля).

По этим причинам методы ЧКХ в электрофотографии используются лишь частично для оценки отдельных звеньев процecca или для качественной оценки результата. В первом случае, например, определяются коэффициенты передачи электростатического поля [18] или так называемые функции передали модуляции с расширением сферы их применения до ЭФГ-фоцесса в целом, если изображение проявляется без краевого эффекта [19]. Во втором случае по выходному изображению пространственной решетки экспериментально определяется [4, 6] частотная зависимость контраста изображения <?xml version="1.0"?>
- f (<?xml version="1.0"?>
) без каких-либо ограничений по линейности процесса.

Экспериментальная частотная зависимость контраста изображения <?xml version="1.0"?>
- f (<?xml version="1.0"?>
) также называется функцией передачи модуляции (9.4)*. Этим подчеркивается тот факт, что здесь, в отличие от ЧКХ, не требуется выполнения условий линейности.

(*Функцией передачи модуляции (ФПМ): <?xml version="1.0"?>
, где <?xml version="1.0"?>
- оптическая плотность, измеренная на линиях изображения штриховой решетки; <?xml version="1.0"?>
- оптическая плотность, измеренная на промежутках между линиями; <?xml version="1.0"?>
- пространственная частота изображения)

Таким образом, экспериментальные ФПМ являются удобным инструментом для оценки качественных характеристик процесса воспроизведения - определения разрешающей способности изображения и оптимизации режима экспонирования.

Экспериментальные ФПМ, полученные для изображения, проявленного методом магнитной кисти и перенесенного на бумагу [6], приведены на рис. 9.5, а. Приведенные кривые получены для различного диаметра частиц тонера. Видно, что максимально приближается к оригиналу гипотетическая кривая 2 для d = 5,0 мкм и истинная кривая 3 - для d - 6,8 мкм.

ФПМ также может быть определена расчетным путем [20] по воспроизведению синусоидального сигнала (для случая многослойного наложения тонеров) (б).

Описанные экспериментальные ФПМ практически могут быть использованы только для выбора оптимальных условий реализации ЭФГ-процесса, а не для теоретического моделирования. Однако и это весьма полезно для аппаратуры воспроизведения штриховых изображений, имеющих ограниченную полосу пропускания основных гармоник* частотного спектра (9.5).

(*Полоса пропускания основных гармоник: <?xml version="1.0"?>
, (9.5), где <?xml version="1.0"?>
= 1/2<?xml version="1.0"?>
; <?xml version="1.0"?>
= 1/2<?xml version="1.0"?>
; <?xml version="1.0"?>
Б <?xml version="1.0"?>
- минимальная и максимальная ширина воспроизводимого штриха)

 ФПМ для изображения, проявленного методом магнитной кисти: а) экспериментальные зависимости [6], полученные для различных величин частиц тонера d

Рис. 9.5. ФПМ для изображения, проявленного методом магнитной кисти: а) экспериментальные зависимости [6], полученные для различных величин частиц тонера d: 1 - оригинал; 2 - гипотетическая характеристика для диаметра частиц d = 5 мкм; 3 - 6,8 мкм; 4 - 13,5 мкм; б) расчетные зависимости [20], полученные для многослойной структуры цветного изображения: 1 - первый слой толщины 5 мкм; 3 - два слоя общей толщины 10 мкм; 3 - три слоя общей толщины 15 мкм; 4 - четыре слоя общей толщины 20 мкм, <?xml version="1.0"?>
- экспериментально измеренный контраст; <?xml version="1.0"?>
- расчетный контраст; <?xml version="1.0"?>
- пространственная частота

Построение характеристики <?xml version="1.0"?>
= f (n) позволяет определить контраст для основных гармоник частотного спектра изображения и выбрать параметры отдельных этапов ЭФГ-процесса, при которых требуемый интервал пространственных частот Dn передается с максимальным контрастом, а разрешающая способность процесса выполняет условие <?xml version="1.0"?>
<?xml version="1.0"?>
(считается, что элементы пространственной решетки различаются, если их контраст <?xml version="1.0"?>
0,03 - 0,04).

С целью гарантии передачи заданного диапазона частотного случая спектра, предельная воспроизводимая ЭФГ-процессом разрешающая частота* <?xml version="1.0"?>
должна превышать <?xml version="1.0"?>
(9.6).

(*Предельная разрешающая частота: <?xml version="1.0"?>
(9,6), где n = 1, 2, 3, … - в зависимости от требований качества (обычно достаточно n = 3)

Для оценки цветовых параметров изображения в настоящее время используется большое количество методик, которые сводятся к двум основным группам:

    - субъективным методикам, которые основываются на определении качества изображения наблюдателем (экспертом);

    - объективным методикам, предполагающим определение количественной меры качества изображения инструментальным способом.

Среди субъективных методик наибольшее распространение получила субъективная экспертиза [21], использующая два вида экспертных оценок - количественные и сравнительные. В первом случае наблюдатель оценивает качество изображения по заранее определенной шкале, распространенным видом которой является шкала «общего качества», приписывая изображениям баллы, соответствующие градациям от «неудовлетворительно» до «отлично» [22]. Во втором случае (при сравнительной оценке) наблюдатель оценивает качество изображения, сравнивая его со всеми другими, входящими в рассматриваемую группу, и ранжирует его. Вариантом относительной шкалы является шкала «места в группе» [23]. К сравнительным относятся и методики, при которых используются эталонные изображения.

Объективные методики оценки цвета обеспечивают количественное определение таких его характеристик, как цветовой тон, чистота (насыщенность) и светлота [16, 17].

Известны два принципиально различных объективных метода определения координат цвета, довольно широко применяемых в практике цветовых измерений, - метод фотоэлектрической колориметрии и спектрофотометрический метод.

Колориметрический метод состоит в непосредственном определении цветовых координат при измерении цвета фотоэлектрическим колориметром, использующим три приемника излучения, кривые спектральной чувствительности которых подобны кривым X ( <?xml version="1.0"?>
), Y(<?xml version="1.0"?>
), Z (<?xml version="1.0"?>
) [16] или связаны с ними линейными соотношениями, а также специально рассчитанные комбинации стеклянных светофильтров. Колориметры обеспечивают также определение коэффициентов отражения <?xml version="1.0"?>
(пропускания <?xml version="1.0"?>
) непрозрачного (прозрачного) образца, что позволяет перейти к координатам цвета.

Спектрофотометрический метод состоит в получении всей кривой отражения с последующим расчетом цветовых координат и более точен, чем колориметрический. В последнее время для расчета координат цвета применяют персональные компьютеры непосредственно совмещенные со спектрофотометром. Такие измерительные приборы могут измерять с высокой точностью спектральные характеристики исследуемых образцов, их координаты цвета, а также цветовые различия, выраженные в любой колориметрической системе.

В последние годы все большее распространение получили денситометрические методы контроля, которые используются практически на каждой стадии репродуцирования - от оригинала до печатного оттиска [24]. Денситометр является наиболее универсальным и оперативным средством производственного контроля параметров триадного синтеза* цвета на копии (9.7). Спектральная чувствительность измерительных каналов денситометров согласована со спектрами отражения цветных триадных красок. Максимальная спектральная чувствительность и ширина полосы чувствительности зональных каналов измерения соответствует спектральным зонам наименьшего отражения (наибольшего поглощения) триадных красок: для голубой краски - в красной, для пурпурной - в зеленой, для желтой - в синей зонах (тема №6). Метод позволяет на базе измерения зональных оптических плотностей определить цветовой тон изображения, насыщенность и чистоту (процент содержания серого) тона по формулам (9.7).

(*Параметры триадного синтеза: <?xml version="1.0"?>
(9,7), где Ц - цветовой тон изображения, %; <?xml version="1.0"?>
, <?xml version="1.0"?>
, <?xml version="1.0"?>
- соответственное минимальное, максимальное и среднее измерение значения зональных оптических плотностей; Н - насыщенность изображения, %; С - содержание серого, %)

Особенно большой интерес представляет использование денситометрического контроля для определения координат цветности на базе трехзональной системы координат [16, 17].

За основные цвета зональной системы координат приняты цвета трех оптимальных светофильтров, разделяющих весь видимый спектр заданного источника света на три части: синий цвет С - суммы спектральных излучений с длинами волн от 400 до 490 нм, зеленый 3 - от 490 до 570 нм, красный К - от 570 до 700 нм.

Цвета спектральных излучений <?xml version="1.0"?>
выражаются [16] через основные цвета международной системы XYZ с помощью функций сложения* <?xml version="1.0"?>
(9.8).

(*Функции сложения: <?xml version="1.0"?>
(9.8))

Зональные цвета* связаны с цветами международной системы линейным преобразованием типа (9.9).

(*Зональные цвета: <?xml version="1.0"?>
(9.9), где <?xml version="1.0"?>
- спектральное распределение мощности источника излучения)

Согласно [25] координаты цвета* по международной системе XYZ и зональные коэффициенты (пропускания или отражения) <?xml version="1.0"?>
, <?xml version="1.0"?>
, <?xml version="1.0"?>
связаны линейными уравнениями, нами пересчитанными [4] для источника «С» (9.10).

(*Координаты цвета: <?xml version="1.0"?>
(9.10))

На рис. 9.6 приведен цветовой график системы XYZ и нанесенные на нем параметры цветных элементов изображений, полученных на различных аппаратах. Расчет координат цветности проводился на основе измеренных зональных оптических плотностей по уравнениям (9.10) за исключением цветного принтера.

Цветовой график системы XYZ и диапазон воспроизведения цветов в различных аппаратах

<?xml version="1.0"?>

Определение цветовых параметров* оттисков офсетной цифровой печати регулируется международным стандартом ISO 12647 [27]. В стандарте описаны методика измерения и расчета площади, покрытой тонером на полутоновом изображении, методика измерения и расчета цветовых координат [16] СIE L*a*b* для основных вариантов монослойных и бинарных структур при субтрактивном цветосинтезе элементов изображения, требования к этим координатам, когда печать промучили происходит на бумаге различного качества, разрешенные допускаются изменения координат.

(*Цветовые параметры офсетной цифровой печати [27].

Величина участка, покрытого монохромным частицами тонера: <?xml version="1.0"?>
(9.11), где <?xml version="1.0"?>
- отражательная оптическая плотность незапечатанных участков; <?xml version="1.0"?>
- отражательная оптическая плотность сплошного покрытия тонером; <?xml version="1.0"?>
- отражательная оптическая плотность полутонов)

Стандарт дает возможность сопоставить цветовые параметры офсетной печати и параметры полученные на ЭФГ-цифровых печатных машинах (тема № 26), где используются совсем другие триадные краски и другая технология печати. Это сопоставление [28] для машин фирм «Indigo» и «Xeikoii» показывает (рис. 9.7), что в случае применения не содержащей древесной массы, водостойкой мелованной бумаги, диаграммы цветовой модели CIE L*a*b* для этих двух случаев фактически совпадают. В случае применения обычной бумаги, ЭФГ-цифровая печать позволяет получать даже более высокую цветовую насыщенность, так как проникновение краски в более впитывающий материал здесь значительно ниже, чем при офсетной печати. Цветовые параметры остаются практически такими же, как и при печати на мелованной бумаге. Кроме того, цифровая печать позволяет легче управлять цветом и учесть структурные изменения при механическом растаскивании. Это достигается с использованием ICC-профилей структурных элементов системы печати (тема № 13). Таким образом, видно [28], что набор цветов для офсетных красок, определенный в стандарте ISO, подходит и для машин цифровой печати тонерами.

Диаграмма цветовой модели CIE L*a*b* [28]

Рис. 9.7. Диаграмма цветовой модели CIE L*a*b* [28]: <?xml version="1.0"?>

Таблица 9.3

Цветовые координаты при печати на мелованной бумаге:

Untitled Document

Цвет
Координаты
L*
a*
b*
Монослой
Черный
18
0
-1
Пурпурный (М)
54
-37
-50
Голубой (С)
47
75
-6
Желтый (Y)
88
-6
95
Бинарные структуры
Красный (R)
48
45
65
Зеленый (G)
49
-65
30
Синий (В)
26
22
-45

Цветовой охват [16] аппаратуры на практике часто определяется по упрощенной методике [26], используя цветовой круг, на котором по периметру скачкообразно расположены участки различного цветового тона <?xml version="1.0"?>
(18 секторов), а в радиальном направлении меняется их насыщенность r в пределах от нулевой - в центре круга (ахроматическая точка А) до максимальной - на периферии (6 уровней) (рис. 9.8).

Цветовой охват [26] цветных принтеров (а) и цифровых копировальных аппаратов (б)

Рис. 9.8. Цветовой охват [26] цветных принтеров (а) и цифровых копировальных аппаратов (б): 1 - лазерные принтеры; 2 - струйные принтеры; 3- термосублимационные принтеры, <?xml version="1.0"?>
- цветовой тон; Р - насыщенность; А - ахроматическая точка. 3 - зеленый; Ж - желтый; К - красный; П - пурпурный; С - синий; Г - голубой; Ф - фиолетовый

Цветовой диапазон ЭФГ-аппаратуры достаточно широкий. Для лазерных принтеров (кривая 1) он превышает цветовой охват струйных принтеров (кривая 2) и несколько уступает более дорогим термосублимационным цветным принтерам, работающим со специальными донорными лентами, покрытыми прозрачным термоиспаряемым красителем (кривая 3). Основным фактором, ограничивающим цветовой охват ЭФГ-аппаратуры, является недостаточная прозрачность цветных тонеров. Это характерно и для цветных копировальных аппаратов (рис. 9.8, б), где ЭФГ-технология не имеет себе равных конкурентов.

Некоторая специфика имеется при оценке цветовых параметров ЭФГ-изображения на прозрачной основе. Это имеет место при изготовлении цветных диапозитивов, когда изображение переносится не на бумагу, а на прозрачную пленку. В этом случае существенным становится оптическая однородность элементов изображения.

Только элементы гомогенной структуры не рассеивают свет и при проецировании диапозитива на экран дают там цветное изображение. Для обеспечения гомогенности частицы тонера должны обладать высокой степенью дисперсности и достаточной их закрепляемостью. Гомогенность проверяется [16] путем измерения индикатрисы рассеяния, т. е. углового распределения света прошедшего через элементы изображения, а также путем определения коэффициента Каллье* Q. Степень закрепления полномасштабных диапозитивов должна обеспечить получение коэффициента Каллье в интервале Q = 4 - 6 [4]. При проецировании такого диапозитива на экран качественное воспроизведение цветов достигается. В то же время для проецируемых с большим увеличением малоформатных диапозитивов [4] необходимо выполнение более жесткого условия: Q < 1,5.

(*Коэффициент Каллье: <?xml version="1.0"?>
(9.12), где <?xml version="1.0"?>
- регулярная оптическая плотность в зоне пропускания; <?xml version="1.0"?>
- диффузная оптическая плотность)

    1. Scharfe М. Electrophotography Principles and Optimization. - Letchworth: Press, 1984. - 200 p.

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

    3. Шафферт P. Электрофотография. - M.: Мир, 1968. - 448 с.

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

    5. Scharfe М., Schrnidlin F. /Advances in Electronic and Electron Physics. 38 - New York: Academic Press, 1975. - P. 38.

    6. Toshinori Yamazaki et al. //Electrophotography. - 1995. V. 34. № 1. - P. 3-22.

    7. Балтрушайтене В., Закарявичюс A, Сувейздис Э. // Вопросы радиоэлектроники. Серия ОВР - 1985. Вып. 9. - С. 97-103.

    8. Takanagi Kewjiti et al. // О Plus E. - 1993. № 167. - P. 84-88.

    9. Корольковас Л., Рубажявичюс В., Станявичюс С, Сувейздис Э. // ЖНиПФиК. - 1982, - № 1. - С. 38-45.

    10. Вифанский Ю. К., Гороховский Ю. Н. // Успехи научной фотографии. - 1964. № 10. - С. 58-68.

    11. Колесниченко О., Шарыгин М., Шишигин И. Лазерные принтеры - Дюссельдорф, Киев, Москва, С.-Петербург. - BHV - С.-Петербург, 1997. - 272 с.

    12. Wasserman К. // Dtsch. Drucker - 1995, V. 31, № 14-15. - P. w91-w95.

    13. // PC Magazin / Russian Ed. - 1995. № 2. - C. 18-140.

    14. Гринис Й., Сувейздис Э., Тварио-нас А / Состояние и перспективы развития электрогр. копиров, техники. Тезисы докладов. Вильнюс, 1985. - С. 50 - 53.

    15. Tomoaki Tanaka et al. // Trans. Inst. Electron. And Commun. Eng. Jap. - 1986. V. 69. № 9. - P. 1178-1184.

    16. Шашлов Б. А. Цвет и цветоделение - М.: Мир книги, 1995. - 315 с.

    17. Шлихт Г. Ю. Цифровая обработка цветных изображений - М.: ЭКОМ, 1977. - 334 с.

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

    19. Neugebauer Н. Е. // Аррl. Optics. - 1967. V. 6. № 5. - Р. 943-<

    20. Jeyaden S., Stark Н. // J. of Imaging Science and Technology. - 1996. V. 40. № 4. - P. 334-346.

    21. Свешникова О. M. Качество изображения и некоторые объективные методы его оценки: обзорная информация. - М.: Книга, 1975. Вып. 6. - С. 20-33.

    22. Pearson D. Е. Method of Scaling Television Picture Quality Bandwidth compression / Gordon and Breach - New York. 1972.

    23. Mannos I. L., Sakrison D. I. //IEEE Trans. Inf. Theory - 1974. - V. 20. № 4. - P. 526-536.

    24. // Graph. Arts. Mon. and Print. Ind. - 1980, - V. 52. № 5. - P. 150-152.

    25. Овечкис H. С, Артюшин Л.Ф., Герасимович M. H. // Успехи научной фотографии, 1962, - т. 8. С. 155-160.

    26. // Компьютер-пресс - 1995 № 5. - С. 96-103.

    27. ISO 12647 - 1.2.3: 1996. Graphic technology - Process control for half - tone colour separations, proofs and production prints.

    28. Тритон К. // КомпьюАрт - 2001. - № 1. - С. 18, 19.

    29. Dtsch. Drucker. - 2003. № 41. - P. 20-22.

    1. Анализ ЭФГ-процесса предваряет введение (тема № 1), в котором даются определения или описания основных терминов, рассматривается дерево развития классической и цифровой электрофотографии, а также объясняется выбранная структура книги.

    2. История возникновения и развития электрофотографии хронологически разделяется на две стадии:

      а) этапы раннего развития электрографии (1777-1957);

      б) этапы позднего развития электрографии (1957 г. - настоящее время). Этапы раннего развития электрографии начинаются от возникновения первых представлений о возможности записи с помощью электричества (Г. Лихтенберг, 1777) до создания классической электрофотографии (Ч. Карлсон, 1937- 1946) и ее практического признания (1957). Подробно анализируется классический вариант процесса.

Этапы позднего развития рассматриваются на базе цветного варианта. Они начинаются от первой аппаратурной реализации многоцветной аппаратуры (1957 - 1970), проходят через разработку и практическое применение аналоговой технологии получения цветного изображения (1970-1987) до утверждения в аппаратуре цифровых методов (1987-1993) и создания единой технологии многофункциональной аппаратуры цифровой печати (начиная с 1993 г.).

    3. Первые исследования в области цветной электрофотографии были сделаны одновременно с возникновением классической электрофотографии. Процессы цветной электрофотографии были основаны на достижениях и развитии монохромного варианта воспроизведения изображения.

Развитие цветной электрофотографии сначала было направлена на создание прямого процесса аналоговой записи на фотополупроводниковых бумагах окиси цинка с последующим жидкостным проявлением (процесс Elektrofax). Такой процесс почил специализированное применение в области топографии и издании многоцветных карт. Развитие цветного процесса в характерном для монохромного варианта направлении копирования физических оригиналов сдерживалось низким качеством цветного изображения.

    4. Возможность существенного улучшения качества цветного изображения появилась только в 1987- 1988 годах при создании цифровых методов обработки и воспроизведения изображения, основанных на принципах лазерной записи. Первоначально используемые мощные, но крупногабаритные газовые лазеры впоследствии были заменены на компактные, но менее мощные и излучающие в ИК-области спектра полупроводниковые лазеры или светоизлучающие диоды. Это позволило достигнуть разрешение до 600 х 600 dpi, а с применением программных средств до - 2400 dpi. Количество регламентируемых цветов изображения достигло 1670 при возможном общем количестве- до 16,7 млн. К 1993 г. цифровой процесс воспроизведения цветного изображения полностью вытеснил аналоговый.

Современный вариант лазерной записи содержит типичные для ЭФГ-процесса этапы получения изображения с их многократным повторением при накоплении цветного изображения на ФР многократного применения, на промежуточном носителе или на воспринимающей основе (бумаге). Специфика технологии цифровой печати проявляется, главным образом, только при проведении двух основных этапов: экспонирования и проявления, а также в применяемых материалах - фоторецепторах и проявителях.

    5. Фоторецепторы первоначально создавались на базе селена или галькогенидных полупроводников. Впоследствии для плотности целей цветной электрофотографии они были практически полностью заменены на сенсибилизированные слои или двухслойные системы органических фотополупроводников (типа CGL/CTL), спектральная область фоточувствительности которых (с учетом спектра излучения источника) была смещена в ИК-область спектра. Энергетическая чувствительность органических ФР в этой области спектра достигает 100- 1000 <?xml version="1.0"?>
. Рассмотрены основные физические и электрофотографические параметры ФР и технология их изготовления.

    6. Для проявления цветного изображения используются комплекты однокомпонентных или двухкомпонентных сухих или жидких проявителей, по своим цветовым параметрам приближенным к двухзональным краскам Гюбля, обеспечивающим получение субтрактивного цветосинтеза при их наложении. Тонкодисперсные частицы тонера имеют величину 6-10 мкм, а для варианта жидкого проявителя - менее 3 мкм. Приведена сводная таблица основных физических и электрофотографических параметров проявителей и элементы технологии их изготовления.

    7. Специфика процесса экспонирования при цифровой печати. заключается в том, что облучение ФР происходит в ИК- области спектра короткими импульсами длительностью порядка 20 нс. При этом время транзита носителей заряда через фоточувствительный слой ФР оценивается величиной 1 - 10 мкс, т. е. существенно превышает длительность импульса облучения. Фоторазрядка продолжается в темноте. При таких специфических условиях экспонирования рабочая экспозиция ФР оценивается величиной порядка <?xml version="1.0"?>
, а частота следования импульсов достигает <?xml version="1.0"?>
.

Приводятся основные функциональные характеристики процесса лазерного экспонирования: теоретическое описание создания и концентрации свободных носителей заряда, изменение электростатического поля и поверхностного потенциала ФР при экспонировании гауссообразными короткими импульсами, описание полученного зарядного рельефа путем построения конфигурации нулевой линии поля в зоне проявления и т. д.

    8. Специфика процесса цветного проявления при цифровой печати заключается в том, что в основном происходит обращенное появление разряженных при экспонировании участков ФР, а изображение имеет тонкую растровую структуру. Такая растровая структура исключает возникновение типичного для электрофотографии краевого эффекта и обеспечивает формирование матриц для воспроизведения полутонов. При многократном повторении процесса и наложении разноцветных растровых структур происходит субтрактивный цветосинтез всей гаммы цветов воспроизводимого изображения.

Приводятся теоретические основы и некоторые функциональные характеристики процесса: зависимости оптической плотности изображения от потенциала ФР и потенциала смещения, воспроизведения растров различной пространственной частоты и др. Приводится сводная таблица реализованных в аппаратуре параметров.

    9. Обобщение параметров оценки качества изображения область спек показывает, что они могут быть разделены на несколько категорий: а) параметры энергетического преобразования информационного сигнала; б) пространственно-частотные параметры и в) цветовые параметры. Комплекс параметров позволяет протеста всестороннюю оценку качества воспроизводимого цветного изображения и установить основные функциональные зависимости процесса лазерной записи.

Параметры качества сопоставимы с требованиями международных стандартов на цифровую печать, а цветовые параметры, представляемые в диаграмме цветовой модели CIE <?xml version="1.0"?>
, показывают полное соответствие требованиям стандарта ISO 12647.

    1. Как определяется электрография и ее составная часть - электрофотография? Как описывается дерево развития электрофотографии?

    2. Кто впервые использовал запись с помощью электричества?

    3. Какие основные этапы можно выделить в исторических периодах раннего и позднего развития электрографии? Как они характеризуются?

    4. Кто является создателем классической электрофотографии? Когда она сформировалась?

    5. Когда началось интенсивное развитие и осуществляло практическое признание электрофотографии и какие факторы это характеризуют?

    6. Какие особенности характерны для развития электрографии в бывшем СССР? Чем здесь выделяется Литовская Pеспублика?

    7. Какое положение с развитием электрофотографии в современной России?

    8. Как характеризуются первые шаги в области цветной электрофотографии и когда они были сделаны?

    9. Как характеризуются самые первые попытки создания ЭФГ-процесса и технологии, основанных на лазерной записи?

    10. Что такое классическая электрофотография и какие характерные этапы у этого процесса?

    11. Каковы функции и сущность основных этапов классической электрофотографии?

    12. Какие известны варианты классического ЭФГ-процесса?

    13. Где сейчас еще используется классический (аналоговый) ЭФГ-процесс воспроизведения изображения?

    14. Что такое цифровая электрофотография и какие основные этапы специфичны для этого процесса? В чем их суть?

    15. Какие имеются варианты при воспроизведении цветного изображения цифровыми методами?

    16. Что является общей базой при реализации цифрового цветного ЭФГ-процесса в многофункциональной аппаратуре?

    17. В чем заключается преимущество цифровой электрофотографии по сравнению с классическим вариантом процесса?

    18. Что такое фоторецептор, каковы его функции и составные части?

    19. Какие основные типы фоторецепторов применяются в ЭФГ-аппаратуре и какое место здесь занимают органические слои?

    20. Какая структура характерна для органических фоторецепторов и какая технология их изготовления?

    21. Какими основными параметрами характеризуются фоторецепторы?

    22. В какой спектральной области согласовывается спектральная чувствительность фоторецептора? Какая максимальная энергетическая чувствительность (в ИК-области спектра) достигается у органических фоторецепторов?

    23. Что такое проявитель, каковы его функции и составные части?

    24. Какие основные типы проявителей применяются в ЭФГ-аппаратуре и какая технология их изготовления? В чем отличие полимеризационной технологии?

    25. Какими основными параметрами характеризуются проявители?

    26. Что такое триада цветных проявителей?

    27. Какая сущность и физические основы процесса лазерного экспонирования?

    28. Как меняется потенциал фоторецептора на этапах зарядки и экспонирования?

    29. Какими параметрами характеризуется фоторазрядка фоторецептора в процессе экспонирования?

    30. Как характеризуется скрытое электростатическое изображение растровой структуры? Что такое эквипотенциальная, силовая и нулевая линии?

    31. Какие варианты развертки применяются при лазерном экспонировании?

    32. Каковы сущность и физические основы процесса проявления растровой структуры?

    33. Какими параметрами характеризуется процесс проявления?

    34. Какие варианты у процесса проявления и какой из них предпочтительный при лазерной записи?

    35. Что такое краевой эффект и какая его физическая основа?

    36. В чем суть проявления магнитной кистью и донорным валиком? В чем отличие жидкостного метода проявления?

    37. Что такое четырехквадрантный метод комплексной оценки ЭФГ-процесса?

    38. Как оценивается качество цветного электрографического изображения и как группируются параметры качества?

    39. Что такое характеристическая кривая ЭФГ-процесса?

    40. Как оценивается профиль отдельной линии изображения?

    41. Какие разновидности разрешающей способности цифровой печати?

    42. Как оценивается растровая структура изображения?

    43. Как оцениваются цветовые параметры изображения?

© Центр дистанционного образования МГУП