影印機是一種基于半導體光導電性和物質間摩擦生電原理設計的設備。這項技術的發明者卡爾遜成功地將看似無關的原理結合起來，從而產生了對現代社會有著深遠影響的技術。盡管影印機不斷改進，但其基本工作流程依然遵循著卡爾遜四十年前的設計理念。
歷史沿革
影印機的歷史始于1938年，當時卡爾遜和他的合作者科尼共同開發出了這一技術。多年來，盡管影印機經歷了多次改進，但現代影印機的工作步驟仍然沒有偏離卡爾遜最初的設想。他們的方法是通過光照將圖像投影到光導電體上，形成帶有電荷的潛像，然后使用具有相反電荷的顆粒，也就是通常所說的碳粉，將其顯影，并最終將這些成像的顆粒轉移到白紙上固定。1938年10月22日，卡爾遜和他的助手在紐約首次證明了這種方法的可行性。他們使用硫作為光導體，涂抹在鋅板上，并在暗室中用手帕摩擦硫的表面使其帶上電荷。隨后，他們在硫板上放置了一塊用墨水寫著“10-22-38 Astoria”的玻璃板，并在白熾燈下曝光。這樣，文字就在硫磺板上形成了帶電荷的潛像。接著，他們在硫磺板上撒上一種名為石松屬植物的花粉，小心地去除未帶電部位的花粉后，硫磺層上的文字便清晰可見。最后，他們將文字轉移到蠟紙上，并通過加熱完成定影程序。（見圖一）
工作原理
影印機的核心部件是光導電體。光導電體在光照下能夠從絕緣狀態轉變為導電狀態。這是一種光敏物質，在黑暗環境中電阻很大，無法導電；但在光照下，分子中的自由電子增多，電阻降低，能夠導電。硒、砷、碲等無機化合物及其合金都是光導電體，現代影印機普遍采用硒取代卡爾遜最初使用的硫。在影印機中，能夠接收圖像的光導電體裝置被稱為“光感受器”（photoreceptor），通常是鋁基材上涂覆一層硒，我們稱之為硒鼓。硒鼓的形狀可能因機型而異，常見的有平板狀、帶狀或筒狀。光導電體的厚度約為幾十微米，并且需要具備高光敏性、穩定性以及電荷遷移能力。早期僅使用一層光導電體，但現在已經發展出功能性多層結構。例如，硒上覆蓋有氧化硒層，這是正電荷存在的地方，電荷傳輸發生在下方的純硒層中，最底層的鋁和硒層之間還有氧化鋁層，使得電荷存儲和傳輸功能更加獨立和完善。（見圖二）
光導電體充電
起初，卡爾遜通過手帕摩擦光導電體硫使其帶上電荷，而現代影印機則是通過放電管（corotron）在黑暗中產生空氣分子如氮分子的正離子，正離子移動到硒鼓表面捕獲電子，從而使硒鼓表面因失去電子而帶上正電荷。在黑暗中，硒處于絕緣狀態，因此電荷可以在其表面保持。（見圖四）
曝光
起初，卡爾遜利用光透過有字跡的玻璃板將潛像顯示在硫黃上，而現在則是利用光照射待打印文檔，空白部分反射光，而有字跡部分吸收光，經過透鏡和反射鏡將這些反射光投射在硒鼓上。此時，硒層被光照的部分變為導體，光照產生的電子中和了存在于表層（氧化硒層）的正電荷。電子來自于表層下方，同時也留下了正電荷的電子孔穴（electron hole）。這意味著原本表層的正電荷向下層移動，這是一個連鎖反應，直到正電荷到達硒鼓下層的金屬基層（見圖五）。當正電荷移動到金屬基層的界面時，接地的基層可以提供電子，然后通過放電（discharge）使基層變為中性，不再帶電。這個電子傳遞過程僅僅是硒鼓受光照射部分的局部變化；而未受到光線照射的部分，因為仍然是絕緣體，所以表層仍然帶正電荷。一個有趣且重要的現象是，硒鼓表層的電荷并不會左右移動而破壞潛像。當光源移除后，我們在硒鼓上可以獲得與原始圖像相對應的潛像。原圖中黑色的部分在潛像上對應的是帶正電荷的區域，而白色區域則不帶電。
顯影
起初，卡爾遜利用花粉吸附到帶正電荷的潛像上來實現顯影。一般的顯影劑包括微小的顆粒和較大的載體（carrier beads）；顆粒由熱塑性樹脂和黑色碳粉組成，直徑約為10微米。載體成分可能是鋼、玻璃或亞鐵鹽（ferrite），直徑大約在100~500微米（見圖六）。我們知道貓皮和玻璃棒摩擦會產生靜電，使貓皮帶正電而玻璃棒帶負電。同樣的道理，顯影劑的設計是為了讓載體和顆?；旌蠑嚢钑r，由于摩擦起電使得載體帶正電，顆粒帶負電，兩者相互吸引；同時，后者準備好移動到帶正電荷的潛像上。常用的顯影方法有兩種：瀑布式（cascading）和磁刷式（magnetic brush）。瀑布式方法是將顯影劑通過吊筒撒過硒鼓表面，當載體滾下時，其所攜帶的顆粒會被帶正電荷的潛像吸引并留在硒鼓上。磁刷式方法則是利用磁性輥筒上吸附有磁性的載體，而載體吸附有顆粒，結果載體和顆粒在輥筒表面上形成鏈條狀或毛發狀分布，其作用就像柔軟的刷子一樣。當輥筒刷過硒鼓表面時，顆粒就會轉移到硒鼓上帶電的部分，從而顯像。（見圖七）
轉印
轉印的作用是將硒鼓上顆粒形成的圖像轉移到紙上，這就需要減少硒鼓（帶正電）對顆粒（帶負電）的吸引力。為此，使用放電器使紙張帶上正電，以便從硒鼓上奪走顆粒。將顆粒形成的圖像轉移到紙上后，顆粒和紙之間的靜電吸引力變得不穩定。此時如果用手摩擦，很容易消除圖像，因此需要下一步的定影，使其之間產生穩定的結合。卡爾遜的定影方法是將花粉在硫表層形成的圖像轉移到蠟紙上時，借助蠟和花粉的粘合力。
定影
顆粒由含有黑色粉末的熱塑性樹脂制成，定影是通過加熱的方式將樹脂從固體狀態轉化為熔融狀態，使其滲透到紙張的纖維中，然后再固化成為固體，形成永久鍵結。定影的方法包括熱融合（烘箱 fusing）、輻射融合（radiant fusing）、加熱加壓融合（heat and 壓強 roll fusing）以及使用三氯乙烯（trichloroethylene）蒸汽溶解沒藥樹的蒸汽融合法（vapor fusing），也可以將熱融合和輻射融合相結合使用。
清除
清除過程包括三個步驟：（一）減小硒鼓對殘留顆粒的吸引力。（二）通過機械方法去除殘留顆粒。（三）通過光照使帶正電荷的潛像部分也發生放電現象。至此，影印過程結束，清除后的硒鼓可以再次接受新的表面電荷，重復這個循環。
總結
本文旨在為讀者提供影印機原理的概念，省略了許多機械設計上的細節。整個過程的巧妙之處在于如何制造電荷，控制電荷的移動方向，以達到顆粒印在紙張上的最終目的。讓我們在這里簡單回顧一下電荷的移動路徑，以加深我們的理解。電荷的產生依賴于放電器在硒鼓表層產生的正電荷（充電步驟），然后利用硒的光電特性，使得原本均勻分布的正電荷，只剩下包含潛像的局部正電荷（曝光步驟）。接下來，通過顆粒和載體的摩擦起電，將帶負電荷的顆粒移動到潛像位置（顯影步驟）。緊接著，通過帶正電荷的白紙從硒鼓上奪取顆粒（轉印步驟）。值得一提的是，硒鼓上的成像是原物體的鏡像，而在轉印到紙張上之后，才變成了與原物體相同的正面圖像。
參考資料 >