影印机对现代人的生活影响深远,它的操作原理是很有趣的。在本文中,我们较为仔细深讨影印机的基本原理,但是仍然省略它许多机械设计上的细节。
影印机是在1938年就由卡尔逊(C.Carlson)和他合作人科尼(O.Kornei)发展出来的。数十年来,虽然影印机有多方面的改进,但是现代影印机的几个基本步骤仍然脱离不了卡尔逊当初的构想。其方法是将影像照光後,投射于光导电体(photoconductor)上而形成一带电荷的潜像(latent image),再用具相反电荷的色粒(troner),即俗称碳粉,使其显影,然後将这些成像的色粒转移并定影于白纸上。1938年十月二十二日,卡尔逊和助手首次在纽约证实了这个构想是可行。他们以硫作为光导体,涂布在锌板上,在暗室中以手帕摩擦硫的表面使带电,将一块玻璃板用墨水写上「10-22-38 Astoria」几个字,置于硫黄板上,放在白热灯下曝光。这时字迹已在硫黄上形成带电荷的潜像。然後在硫黄上洒一层一种石松属植物的花粉,再小心地将不带电处所不吸附的花粉去除,此时硫黄层上由花粉形成的字型清晰可见,最后将字型转移到蜡纸上,加热而完成定影手续(见图一)。
大部分的公司对这个实验结果并不重视,直到1946年一个非商业性的研究机构──巴特莱纪念所(Battelle Memorial Institute)开始发展这种干印技术,隔年该所与Haloid公司(即后来的Xerox全录公司)订约研究制造影印机。此后影印技术不断发展,今日这种乾式的影印技术已广泛地用于各办公室及图书馆里。
影印机的主角是光导电体。光导电体在光的照射下,由绝缘体变成导电体。它是一光敏感物,在黑暗中其电阻甚大,不会导电;在照光後分子的自由电子增加,电阻减小,可导电。如硒、砷、碲等无机物及其合金均为光导电体,现代是用硒代替最初卡尔逊所用的硫黄。
在影印机中能接受影像的光导体装置叫「光承受体」(photoreceptor),一般是在金属基层(metal substrate)如铝上涂布一层光导电体如硒,我们就简称为硒筒。硒筒之形状各机形可能不同,一般如平板状、带状或筒状。光导电体的厚度约数十微米(µm),且需具高的光敏感性(photosensitivity)、安定性及电荷移动性(charge mobility)。早期只用一层光导电体兼具电荷的生成与输送功能,现在已发展出机能性的多层结构。例如硒上附有氧化硒层,是正电荷的存在层,输送电荷是在下方的纯硒层,最下层的铝和硒层间又有氧化铝的夹层,使得电荷储存和传递功能更趋独立而完善(见图二)。
(charge)
当初卡尔逊是以手帕摩擦光导电体硫黄使其带电,而现代的影印机是在黑暗中以放电管(corotron)造成空气分子如氮分子的正离子,正离子移动至硒筒表面抓取电子,而使得硒筒表面因失去电子而带正电荷。在黑暗中硒为绝缘体,故电荷可保存在其表层(见图四)。