Московский государственный университет печати

Ванников А.В.
Уарова Р.М.


         

Электрография

Учебное пособие


Ванников А.В.
Электрография
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление

Предисловие

Введение

1.

Получение и характеристики скрытого электростатического изображения

1.1.

Краткий обзор электрофотографических систем

1.2.

Краткий обзор фоторецепторов

1.3.

Заряжение поверхности фоторецептора

1.4.

Темновой спад поверхностного потенциала

1.5.

Фотоиндуцированная разрядная кривая

1.6.

Эффект усиления изображения в ЭФ-процессе

1.7.

Механизм генерации свободных носителей заряда

1.8.

Инжекция носителей заряда из генерационного слоя в транспортный слой

1.9.

Генерационный слой

1.10.

Механизм транспорта свободных носителей заряда

1.11.

Проявляющее электрическое поле

2.

Проявление скрытого электростатического изображения

2.1.

Общие сведения о проявлении

2.2.

Электрическое поле проявления и его связь с характеристиками проявленного изображения

2.2.1.

Проявляющий электрод

2.2.2.

Характеристическая кривая проявления

2.2.3.

Влияние поля проявления на коэффициенты контрастности проявления &#947;<sub>0</sub> и &#947;<sub>w</sub>

2.2.4.

Физический смысл параметров поля проявления

2.3.

Кинетика электрофотографического проявления

2.4.

Проявление скрытого электростатического изображения магнитной кистью

2.4.1.

Двухкомпонентный магнитный проявитель

2.4.2.

Блок проявления магнитной кистью

2.4.3.

Факторы, влияющие на оптическую плотность изображения, проявленного магнитной кистью. Расчет проявления

2.5.

Жидкостное проявление

2.5.1.

Электрофоретическое проявление.

2.5.2.

Факторы, влияющие на оптическую плотность проявленного изображения. Расчет проявления

2.5.3.

Проявление аэрозолем жидкого проявителя

2.6.

Однокомпонентное сухое проявление

2.6.1.

Метод пылевого облака

2.6.2.

Проявление однокомпонентным магнитным проявителем

2.7.

Обращенное проявление

3.

Перенос тонерного изображения. Получение копии.

3.1.

Перенос изображения

3.2.

Закрепление изображения на копии

3.2.1.

Бесконтактное термическое закрепление изображения

3.2.2.

Термосиловой метод закрепления

3.2.3.

Расчет процесса закрепления изображения

3.3.

Перенос изображения в цветных копировальных аппаратах

4.

Очистка фоторецептора

5.

Электрографическое оборудование

5.1.

Общие сведения об оборудовании

5.2.

Копировальные аппараты

5.2.1.

Типы копировальных аппаратов

5.2.2.

Общие сведения о строении и работе черно-белых копировальных аппаратов аналогового типа

5.2.3.

Принципы построения основных блоков аналоговых копировальных аппаратов

5.2.3.1.

Оптический блок

5.2.3.2.

Электрофотографический блок

5.2.4.

Особенности электрографических печатающих устройств цифровых копировальных аппаратов

5.2.4.1.

Оптические системы цифровых копировальных аппаратов

5.2.4.2.

Особенности проявления скрытого электростатического изображения в цифровых копировальных аппаратах

Список использованной и рекомендуемой литературы

Указатели
11  именной указатель
240  предметный указатель
121  указатель иллюстраций
6  указатель компаний

2.
Проявление скрытого электростатического изображения

2.1.
Общие сведения о проявлении

Назначение Проявление скрытого электростатического изображенияпроявления - превратить скрытое электростатическое изображение в видимое, осадив на него тонкодисперсный, интенсивно окрашенный порошок, называемый тонером (рис. 2.1Рис. 2.1. Схема проявления скрытого электростатического изображения: 1 - фотопроводник; 2 - подложка; 3 - тонер).

Затем Тонертонер с изображения на Фоторецептор (фотопроводник)фоторецепторе переносится на Подложка приемнаяприемную подложку (бумагу), где после закрепления будет получена готовая копия. Оба процесса идут под действием сил электрического поля.

От того, как проведено проявление, зависит качество копии: плотности элементов изображения и фона, воспроизведение мелких элементов. Современная электрофотография воспроизводит Оригиналоригиналы любого типа: штриховые и тоновые, черно-белые и цветные. При этом используются те же методы, что и в полиграфии, - растрирование тоновых изображений и цветоделение. При считывании цветного оригинала выделяются излучения для голубого, пурпурного, желтого и черного изображений. Цветоделенные скрытые электростатические изображения проявляются тонерами соответствующего цвета, полученные одноцветные изображения совмещаются на приемной или промежуточной подложке.

Специфика электрофотографического проявления в том, что оно происходит под действием электрического поля, образующегося в зоне проявления. Характер поля и электрические свойства проявителя - основные факторы процесса проявления.

Процесс проявления включает зарядку тонера, доставку его к поверхности фоторецептора и селективное осаждение на Скрытое электростатическое изображение (СЭИ)скрытом электростатическом изображении (СЭИ). Различают несколько способов проявления, объединенных в две группы: сухое и жидкостное проявление.

В первой группе тонер - в виде сухого мелкодисперсного порошка, заряжаемого путем трибоэлектризации или под действием сил электрического поля. Тонер используется один (однокомпонентное проявление) или в паре с носителем (двухкомпонентное проявление). При двухкомпонентном проявлении тонер заряжается при трении о шарики носителя. Тонер доставляется к фоторецептору с помощью магнитного валика, создающего магнитное поле. В этом случае проявитель имеет магнитные свойства.

В практике ксерографии (основной отрасли электрофотографии, широко используемой для оперативного воспроизведения оригиналов различного типа, применяются следующие способы Проявление скрытого электростатического изображения сухоесухого проявления:

Сухие проявители:

  1. однокомпонентные:

    1. Порошковое облакопорошковое облако

    2. однокомпонентное магнитное проявление

  2. двухкомпонентные

    1. Проявление каскадноекаскадное проявление

    2. Магнитная кистьмагнитная кисть

В настоящее время каскадное проявление и проявление порошковым облаком почти полностью заменены двухкомпонентными и однокомпонентными магнитными проявителями.

Проявление скрытого электростатического изображения жидкостноеЖидкостное проявление может быть двух видов:

  • проявление с использованием техники электрофореза;

  • аэрозольное проявление, основанное на разбрызгивании проявителя в электрическом поле.

В обоих случаях тонер - не порошок, а густая паста, разбавленная неполярной жидкостью-носителем.

2.2.
Электрическое поле проявления и его связь с характеристиками проявленного изображения

2.2.1.
Проявляющий электрод

Процесс Проявление скрытого электростатического изображенияпроявления скрытого электростатического изображения (СЭИ) состоит в осаждении на его участки заряженных частиц тонера под действием сил электрического поля, создаваемого между зарядным рельефом (СЭИ) на поверхности фотопроводника и проявляющим электродом, называемым иногда контрэлектродом. Необходимость использования проявляющего электрода, располагаемого вблизи поверхности фоторецептора, вызвана следующими обстоятельствами.

  1. При зарядке фоторецептора на поверхности фотопроводника осаждается равномерный слой зарядов. а в заземленной подложке индуцируются заряды противоположного знака (рис. 2.2Рис. 2.2. Электрическое поле заряженного фоторецептора). Возникающее электрическое поле почти целиком находится между заряженными поверхностями в толще фотопроводника. Напряженность поляНапряженность поля равна

    где σ - поверхностная плотность заряда;

    ε0 - электрическая постоянная;

    ε - диэлектрическая проницаемость фотопроводникового слоя.

    Над поверхностью поля практически нет, и на заряженный фоторецептор Тонертонер осаждаться не будет.

    После получения электростатического изображения внешнее поле появляется на краях элементов изображения (рис. 2.3Рис. 2.3. Электрическое поле заряженной полоски на фоторецепторе: а - силовые линии электрического поля; б - форма распределения нормальной составляющей напряженности электрического поля в зоне проявления). Основной движущей силой, осаждающей тонер, является составляющая этого поля Fz, нормально расположенная к поверхности фотопроводника.

    Характер распределения нормальной составляющей электрического поля над поверхностью заряженной полоски зависит от ширины полоски (рис. 2.4Рис. 2.4. Распределение нормальной составляющей напряженности электрического поля для скрытого электростатического изображения полосок различной ширины: 1 - 40 мкм; 2 - 2 мм; 3 - 20 мм). Если СЭИ узких полосок представляет рельеф с шириной элементов, близкой к Оригиналоригиналу, то на СЭИ широких полосок (около 2 мм) отчетливо заметен краевой эффект (рис. 2.4Рис. 2.4. Распределение нормальной составляющей напряженности электрического поля для скрытого электростатического изображения полосок различной ширины: 1 - 40 мкм; 2 - 2 мм; 3 - 20 мм, кривая 2). Напряженность поля повышена по краям и понижена в середине полоски. При ширине полосок 5-6 мм в средней части элементов нормальная составляющая внешнего поля Fz близка к нулю и тонер осаждаться не будет (рис. 2.4Рис. 2.4. Распределение нормальной составляющей напряженности электрического поля для скрытого электростатического изображения полосок различной ширины: 1 - 40 мкм; 2 - 2 мм; 3 - 20 мм, кривая 3).

    Проявляющий электрод кардинально меняет картину (рис. 2.5Рис. 2.5. Распределение электрического поля между фотопроводником и зоной проявления при наличии проявляющего электрода: 1 - фоторецептор; 2 - проявляющий электрод; I - фотопроводник, II - зона проявления): электрическое поле в заряженных участках СЭИ распределяется между фотопроводником I и зоной проявления II, расположенной между фотопроводником и проявляющим электродом. В зоне проявления возникает электрическое поле с большой величиной нормальной составляющей . Заряженные частицы тонера движутся по силовым линиям поля, которые заполняют все пространство между поверхностью фоторецептора и проявляющим электродом, один их конец находится на проявляющем электроде, а другой - на поверхности фоторецептора. У таких линий нормальная составляющая становится преобладающей. В профиле крупных элементов СЭИ исчезает провал в середине, но до некоторой степени краевой эффект сохраняется (рис. 2.6Рис. 2.6. Краевой эффект).

  2. На проявляющий электрод обычно подают Потенциал смещения«потенциал смещения», называемый часто напряжением смещения, знак которого совпадает со знаком заряда СЭИ. Величина потенциала смещения Vсм больше фонового потенциала Vф и меньше потенциалов СЭИ на участках изображения Vиз. Благодаря этому электрическое поле на участках фона отсутствует:

    При повышении потенциала смещения уменьшается напряженность электрического поля по всему Скрытое электростатическое изображение (СЭИ)СЭИ, что влияет на воспроизведение изображения. Пусть на оригинале имеются пятна, появление которых на копии нежелательно, и пусть потенциал (относительно земли) на участках фона составляет Vф, на участках пятен - Vп, а на участках изображения - Vиз. Если потенциал смещения (относительно земли) равен Vф, на фоне копии воспроизведутся пятна. Если Vсм равен Vп, пятен на копии не будет, но снизится оптическая плотность изображения, так как поле в участках изображения уменьшится и напряжение между проявляющим электродом и фоторецептором Uпр будет равно:

    и количество осажденного тонера снизится. Таким образом, меняя величину Vсм, можно влиять на градационные характеристики изображения: максимальную оптическую плотность и контраст изображения в целом и на его участках.

    Проявляющий электродПроявляющий электрод не ликвидирует полностью разницу оптических плотностей плашки и штрихов разных размеров, воспроизведение которых зависит от способа и режимов проявления.

2.2.2.
Характеристическая кривая проявления

Проявление скрытого электростатического изображенияПроявление - превращение скрытого электростатического изображения (СЭИ) в видимое. СЭИ характеризуется потенциалами V, а видимое изображение - оптическими плотностями D. Величина оптической плотности определяется напряжением между поверхностью фоторецептора и проявляющим электродом:

где V - потенциал участка СЭИ.

Для невысоких оптических плотностей плотность пропорциональна напряжению:

Градационной характеристикой проявления служит кривая D(VСЭИ), которую называют характеристической кривой проявления. В общем виде график D(VСЭИ) криволинеен, но до плотности 1,0 его можно аппроксимировать прямой линией (рис. 2.7Рис. 2.7. Характеристические кривые проявления: 1 - для плашки; 2 - для штрихового изображения (tga = g0, tgb = gw, линия 1) и описать формулой

где γ0 - тангенс угла наклона кривой к оси потенциалов, являющийся коэффициентом контрастности процесса.

Однако формула верна лишь для проявления сплошных участков изображения (плашек). Для штрихового изображения при тех же потенциалах СЭИ получаются большие оптические плотности и тангенс наклона характеристической кривой (D(VСЭИ)), что соответствует более высокому коэффициенту контрастности процесса.

Для вывода формулы характеристической кривой проявления штрихового изображения проведем следующее рассуждение.

Скрытое электростатическое изображение (СЭИ) штриховоеШтриховое СЭИ является периодическим рисунком, где чередуются штрихи с потенциалом в их центре Vштр и просветы с потенциалом Vф (рис. 2.8Рис. 2.8. Скрытое электростатическое изображение штрихового рисунка: 1 - усредненный зарядовый рисунок (плашка); 2 - штриховой рисунок). Различие между штрихами и просветами характеризуется электростатическим контрастом ΔVc.

Представим штриховое СЭИ состоящим из постоянной 1 и переменной 2 частей (рис. 2.8Рис. 2.8. Скрытое электростатическое изображение штрихового рисунка: 1 - усредненный зарядовый рисунок (плашка); 2 - штриховой рисунок). Постоянной будет сплошное изображение с потенциалом

получаемым при равномерном распределении зарядов штрихового изображения по занимаемой им площади. Переменная часть представляет изменение потенциала плашки в соответствии с зарядовым рельефом штрихового рисунка. В участках, соответствующих середине штрихов, потенциал следует увеличить на

а в центре просветов - уменьшить на эту величину.

Оптическая плотность в середине штриха равна сумме постоянной и переменной составляющих. Первая определяется по формуле

а вторая - по формуле

Сложив выражения и , имеем уравнение характеристической кривой проявления штрихового элемента

а после преобразования - уравнение характеристической кривой проявления штрихового изображения

Из уравнения видно, что оптическая плотность проявленного изображения пропорциональна электростатическому контрасту. При потенциале смещения, равном потенциалу фона,

Формула верна для оптических плотностей Оригиналоригинала, не превышающих 1,0.

Характеристическая кривая проявления штрихового изображения представлена на рис. 2.7Рис. 2.7. Характеристические кривые проявления: 1 - для плашки; 2 - для штрихового изображения (tga = g0, tgb = gw, позиция 2. Ее наклон зависит от ширины штрихов.

Градационная кривая электрофотографического процесса в целом может быть получена с использованием системы графиков. На рис. 2.9Рис. 2.9. К расчету градационной кривой электрофотографического процесса. Система градационных графиков: 1 - кривая экспонирования; 2 - фотоиндуцированная разрядная кривая; 3 - характеристическая кривая проявления штрихового изображения; 3ў - характеристическая кривая проявления сплошного участка; 4 - градационная кривая воспроизведения штрихового изображения, 4ў - градационная кривая воспроизведения сплошного участка; 5 - кривая электростатического контраста; Dор - оптическая плотность оригинала; H - экспозиция, V - потенциал; Dиз - плотность проявленного изображения в IV квадранте построена кривая экспонирования lgH(Dop), зависящая от выбранной фоновой экспозиции H0. В III квадранте помещена Фотоиндуцированная разрядная кривая (ФИРК)фотоиндуцированная разрядная кривая (ФИРК), во II квадранте - характеристическая кривая проявления, в I квадранте - градационная кривая процесса.

Рассмотрим построение градационной кривой процесса воспроизведения штрихового изображения. В III квадранте начертим кривую электростатического контраста для оптической плотности штрихов, характерной для данного Оригиналоригинала, например 0,3 (текст, написанный твердым карандашом). По этой кривой определяем фоновую экспозицию (H0), обеспечивающую получение максимального электростатического контраста, и строим кривую экспонирования 1. Во II квадранте поместим кривую проявления 3 для потенциала смещения, равного фоновому потенциалу. По кривой 1, кривой ФИРК 2 и кривой проявления 3 получаем градационную кривую процесса 4. Фоновая экспозиция и потенциал смещения являются регулируемыми параметрами процесса. Экспозиция должна обеспечивать максимальную величину электростатического контраста СЭИ штрихового изображения, а потенциал смещения - чистый фон.

2.2.3.
Влияние поля проявления на коэффициенты контрастности проявления γ0 и γw

При оценке влияния поля проявления на оптические плотности изображения и коэффициенты контрастности проявления γ0 и γw примем, что оптическая плотность изображения пропорциональна напряженности поля проявления:

что допустимо для практики копирования оригиналов малой и средней плотности (D ≤ 1,0). Тогда факторы, действующие на напряженность поля проявления, аналогично влияют и на оптическую плотность изображения.

Для математического описания процесса Проявление скрытого электростатического изображенияпроявления Шафферт Р.Р. Шаффертом предложена Математическая модель Шаффертамодель в виде плоской структуры, состоящей из 3 или 2 слоев диэлектрика, один из которых - фотопроводник, остальные два - зоны проявления с проявителем. На рис. 2.10Рис. 2.10. Диэлектрическая модель системы «фотопроводник-проявитель» показана двухслойная структура из фотопроводника 1 и зоны проявления с проявителем 2, находящаяся между двумя электродами, - заземленной подложкой 3 и проявляющим электродом 4, на который подан потенциал смещения. Слой диэлектрика, играющий роль фотопроводника, имеет толщину L и диэлектрическую проницаемость εs, а слой диэлектрика, представляющий зону проявления, - толщину d и диэлектрическую проницаемость εd. Заряд на поверхности слоя 1 представляет Скрытое электростатическое изображение (СЭИ)СЭИ, причем зарядовый рельеф имеет синусоидальный профиль (что близко к реальным условиям) и описывается формулой

где σ0 - постоянная составляющая, равная

и представляющая усредненную по поверхности плотность заряда;

- переменная составляющая - зарядовый рельеф с синусоидальным профилем.

Линейная частота рельефа выражается формулой

,

где λ - период зарядового рельефа (штрих плюс просвет).

Для темных участков изображения cosky положителен, а для светлых - отрицателен.

С использованием Математическая модель Шаффертаматематической модели Шафферт Р.Р. Шафферта для двухслойной структуры (рис. 2.10Рис. 2.10. Диэлектрическая модель системы «фотопроводник-проявитель») получено выражение для нормальной составляющей напряженности электрического поля проявления (Шмидлин Ф.Ф.Шмидлин) ссылка на источники литературы:

где

где f0 и fk - константы;

p(z) - переменная, зависящая от параметра z, представляющего расстояние от поверхности фотопроводника и показывающая, как изменяется напряженность электрического поля проявления с удалением от поверхности фотопроводника с Скрытое электростатическое изображение (СЭИ)СЭИ;

tanh и cosh - гиперболические тангенс и косинус.

Из сопоставления выражений и видно, что и , где коэффициент a зависит от способа и условий проявления. Вывод верен при D = αFz (принято ранее).

2.2.4.
Физический смысл параметров поля проявления

Ввиду важности параметров f0, fk и p(z) для расчета процесса проявления рассмотрим их физический смысл.

Так как параметр f0 связан с проявлением сплошных участков, определим, какой вид примет уравнение для середины сплошного участка изображения. В этом случае и ; ;   Подставив указанные значения в выражение получим:

Выражение

показывает, что при проявлении сплошных участков на Напряженность электрического полянапряженность электрического поля Fz влияет не только расстояние от фотопроводника до проявляющего электрода, но и толщина фотопроводникового слоя и соотношение величин диэлектрической проницаемости проявителя и фотопроводника. Параметр f0 отражает воздействие εd, εs и L на напряженность электрического поля проявления.

При линейной частоте зарядового рисунка k ≠ 0 величина нормальной составляющей поля проявления Fz в середине штриха будет изменяться с частотой (и с шириной штрихов изображения) сложным образом, так как параметры p(z) и fk, определяющие вклад переменной составляющей поля и зависящие от частоты, будут изменяться с частотой по-разному.

Изменение параметра p(z) в зависимости от расстояния до фотопроводника z и линейной частоты изображения k показано на рис. 2.11Рис. 2.11. Зависимость параметра p(z) от расстояния до проводника z и частоты штрихового изображения. У кривых приведены линейные частоты изображения k, мм-1 и n мм-1. Видно, что для плашки параметр p(z) равен 1,0 по всей высоте зоны проявления, например 1700 мкм. Для штрихового рисунка значение параметра и переменная, составляющая напряженности поля проявления, падают с удалением от фотопроводника и тем быстрее, чем больше частота. При расстоянии больше предельного p(z) = 0 и штриховое изображение передается как плашка (рис. 2.12Рис. 2.12. Распределение электрического поля над скрытым электростатическим изображением группы штрихов прямоугольной миры: 1 - конфигурация штрихов миры и распределение потенциала полученного СЭИ; 2 - на поверхности фоторецептора; 3 - на высоте 65 мкм над поверхностью; 4 - на высоте 130 мкм над поверхностью фоторецептора; V - потенциал СЭИ; s - плотность заряда; x, z - пространственные координаты).

Если изображение содержит участки с различными частотами (различными по ширине штрихами), то эти участки воспроизводятся по-разному. На рис. 2.13Рис. 2.13. Зависимость параметра p(z) от линейной частоты штрихового изображения k при условиях: d = 1700 мкм, ed = 21, L = 60 мкм, es = 6,6, z = 27 мкм показано изменение значения параметра p(z) с частотой штрихового рисунка при фиксированной величине расстояния z. Величина p(z) при больших частотах быстро падает с удалением от фотопроводника. Так, для частоты 10 мм-1 p(z) = 0 уже при z = 80 мкм. Следовательно, высота зоны проявления - важный параметр при проявлении изображения с узкими штрихами.

Параметр fk показывает, каким образом на напряженность поля проявления влияют толщина фотопроводника, соотношение величин диэлектрической проницаемости фотопроводника и проявителя и частота зарядового рельефа (ширина штрихов):

Зависимость fk от частоты k изображена в виде графика на рис. 2.14Рис. 2.14. Зависимость параметра fk от линейной частоты k при условиях: L = 60 мкм, d =1700 мкм, ed = 21, es = 6,6, z = 27 мкм. При больших частотах величина fk мало зависит от частоты.

Так как fk растет с частотой штрихового рисунка, а p(z) падает, то произведение fk×p(z) проходит через максимум при некоторой линейной частоте kо (рис. 2.15Рис. 2.15. Зависимость произведения fkЧp(z) от линейной частоты k (параметры процесса те же, что в рис. 2.13 и 2.14)).

Напряженность электрического поляНапряженность электрического поля Fz находится в прямой зависимости от fkp(z) (формула ), поэтому график зависимости Fz(n) тоже проходит через максимум (рис. 2.16Рис. 2.16. Зависимость напряженности электрического поля проявления Fz от линейной частоты группы штрихов k при различной толщине фотопроводникового слоя. Данные получены при условиях: Fz = 15000 В/м, es = 6,6, ed = 21, d = 1700 мкм, z = 27, s = 30, 60 и 120 мкм). Напряженность поля проявления Fz штрихов больше, чем для сплошных участков с частотой, равной нулю. Объясняется это тем, что коэффициент контрастности проявления γw > γ0 и зависит от ширины штриха. При больших частотах напряженность поля сильно падает, так как штриховое изображение начинает проявляться как сплошное (см. рис. 2.12Рис. 2.12. Распределение электрического поля над скрытым электростатическим изображением группы штрихов прямоугольной миры: 1 - конфигурация штрихов миры и распределение потенциала полученного СЭИ; 2 - на поверхности фоторецептора; 3 - на высоте 65 мкм над поверхностью; 4 - на высоте 130 мкм над поверхностью фоторецептора; V - потенциал СЭИ; s - плотность заряда; x, z - пространственные координаты).

Одинаковое воспроизведение штрихов различного размера и плашек затруднительно. Поэтому необходимо уменьшать до минимума высоту проявления z или разбить плашку растром с хорошо воспроизводимой несущей пространственной частотой, что и происходит при лазерной записи изображения в цифровых электрофотографических аппаратах.

© Центр дистанционного образования МГУП