静电成像原理及其应用

图2-7光谱特性曲线
Se ZnS：CdS
有机光导体
400
500
600
700
波长（nm）
曝光
通过在均匀带电的感光体上照射光象，在 感光体上就形成静电潜象。光源的亮度由感 光体的感度、曝光时间（复印速度）、镜头 的焦距值等所决定。同时，还需要根据镜头 的cos4Ø法则考虑边缘光量的降低来安排光 的分布。
在放电过程中，感光鼓底基和位于其表面 附近的电晕丝之间施加有几千伏的电压。由 金属丝发出的电晕使鼓表面附近的空气分 子—大多数是CO2电离，暗充电步骤称为鼓 的敏化。充电速度取决于电晕丝上所施加的 电压。一般来说，电晕电压应维持在5千伏左 右。电晕充电既可以使鼓充正电，也可以使 其充负电，这得要由光导层的特性来决定。
图2-8
原稿
灯
r
R /2
感光体
（a）原稿台移动式
（b）镜移动
（C）镜旋转式
图2-8
（d）镜头移动式
（e）纤维镜头排列
在曝光的时候，当光能量超过光导体 的禁带宽度时，满带中的电子被激发到 导带，电子和空穴的激活能分别为 0.33ev和0.2ev（电子伏特）。因此，当 入射光射入硒膜层时，在硒膜层内就有 一吸收入射光光子的吸收层，在这吸收 层内，由于光子的激发而释放出电子-空 穴对，形成众多的自由载流子，这种自 由载流子称为光生载流子，它们在电场 的作用下运动，形成光电流，如图2-9所 示。
原稿清晰、反差好，但复印不出图象来，其 原因可能是光导体没充电所致。 复印品上粗线条和较大的字能复印出来，而 较为细的线条和较小的字则复印不出来，这 可能是充电电压不足所致。原因在于光导体 表面充电不足而造成表面电位低，因而静电 潜象就不好。

复印品的字迹浅，图象不清，这说明复 印品本身吸色粉量较少。其原因是充电 电压过低，光导体表面的电位极低，静 电潜象的电位差（反差）非常小，所以 很难吸附色粉。 复印品的底灰较大，有时出现黑白圆斑 点，这是复印品吸粉量多所致。其原因 是充电电压较高（光导体的表面电位较 高），所以，当曝光不足时，复印品上 就会出现这种底灰大，反差小的现象。
由于深陷阱的存在，使表面电荷不能完全被 中和，总有残余的电荷存在，此时光导体表面 仍具有一定的电位， 称为残余电位。入射光越强，光子所具有的能量 越高，激发出来的电子-空穴对越多，光生载流 子也就越多，这就意味着放电速度加快，表面 电位下降速度也就越快。由于光子能量增大， 它能把较深陷阱中的载流子激发出来，因此最 后在光导层表面的残余电位就越小。反之亦然。 每种光导体材料都具有一定的光谱灵敏度，对 某些区域的光比较敏感，对一些区域的光不敏 感。
随着充电时间的延长，表面电荷越积越 多，表面电位也相应升高，由于表面电 位的升高，使光导体表面到电晕丝之间 电场强度梯度减小，导致了电晕电流的 减小；相反，光导体自由界面到导电底 基之间的电场强度梯度增加，导致光导 层泄漏电流的增加，当电晕电流与泄漏 电流达到动态平衡时，表面电位就达到 某一稳定值，称为饱和电位。饱和电位 的大小与电晕放电器和光导层的性能有 关。
曝光
纵向长度的放大和缩小是通过全速和半速 灯架的扫描速度的变化来实现的，鼓的速度 是不变的。若灯架的扫描速度变快，将使纵 向长度变小；反之，灯架速度变慢，长度将 被放大。横向尺寸的放大和缩小是通过改变 镜头的位置实现的。
① 4号反射镜的角度
4号反射镜在移动过程中，灯架上的一个固 定螺丝在一个楔形斜面上滑动，这就使得4号 反射镜在向右移动的过程中，以顺时针方向 绕轴旋转，而在鼓表面成象。 4号反射镜的角度在移动过程中保持不变的 话，图象就不会在鼓的适当位置上形成。
充电后的光导体在无光照射的区域，则仍保 持原来充电后的状态，表面电荷除了暗衰时损 失一些外，将保持不变。光导体表面电荷的多 少，与光强成正比。入射光越强，留在光导体 表面的电荷越少，这样在光导体表面就形成了 电荷密度的差异。这种差异与曝光时的光学图 象（原稿）相对应。图象的暗区，在光导体表 面相应的部位保留的电荷多，电位也高；在图 象的明区，光导体上相应的部位所保留的电荷 少，表面电位也低。这样，在光导体表面就形 成了一个眼睛看不见的、但是与光学图象一致 的、由电荷所组成的图象-静电潜象。
（2）充电对复印质量的影响 影响复 印品质量的因素很多，但主要是与光导 体表面的静电潜象有关，而静电潜象的 好坏又与光导体表面的电位高低和均匀 与否有关，即与充电的质量有关。
① 静电复印对充电的基本要求：
要使光导体表面具有足够的、适当极性的表 面电位。 要使光导体表面电位分布均匀。

②充电不良对复印质量的影响：
曝光
（2）应用 由曝光灯照射的图象首先被安装在全 速灯架上的1号反射镜所反射，然后该象又被安装 在半速灯架上的2号和3号反射镜反射。 由3号反射镜反射过来的象又通过镜头入射到4号 反射镜上，而4号反射镜又将它成象在鼓表面。 密封玻璃防止了机腔内的灰尘进入光学系统。 紧贴着镜头右边的遮光片，具有特殊的形状，它 能减弱通过镜头中央的光强，以补偿象边缘通常发 生的光损失。
静电成象原理及其应用
1、充电
（1）原理 充电就是使感光鼓接受一定 极性和数量电荷的过程。使感光鼓带电的方 法有感应摩擦、电荷转移等几种，为了使鼓 表面均匀带上数百伏特的电位，通常采用直 流电晕放电的方法。电晕放电是在细线形状 的导体和感光鼓之间附加电压，将靠近细线 的空气电离而使其放电。因为放电电流为数 微安，所以可采用图2-5所示的电极布置。
② 象间/象边缘消电灯
在施乐、佳能等型号的复印机中，都设置有 象间/象边缘消电灯，它有两个作用：第一，对 感光鼓表面上两个图象之间的区域消电（即象 间区域的消电）。第二，进行缩小复印时，对 感光鼓的边缘区域消电（即象边缘消电）。 当象间/象边缘消电灯被用来对象间电荷消电 时，即在曝光灯对原稿扫描结束熄灭后间隔一 个瞬间，七段灯全部发光对硒鼓直接曝光。曝 光灯再次发光对原稿进行扫描时，消电灯熄灭， 从而达到对硒鼓面上二个图象之间消电的目的。 在选用不同的放大和缩小倍率时，这些灯的发 光时间是不同的。电路板对这些灯何时发光及 发光时间进行控制。
2、曝光
（1）原理 光导体一经曝光，必须很快 放电，否则就会影响复印速度。另一方面， 如果在复印中需要不同的灰密度，那么当残 余电位与不同的光强度相对应时，就能提供 所需的曝光范围。
曝光
另一种重要特性是光谱响应或光敏性。图 2-7表示了某些典型材料的光敏性。无机材料 在蓝光谱区是很敏感的，而有机光导体则在 红光谱区是很敏感的。对于现在的复印技术 来说，都是以硒或硫化镉为基础的。
将感光鼓置于暗处，对感光膜层均匀地充上一层 电荷，由于光电导材料硒是属于P型半导体，接受 正电荷比较容易，因此，硒光导体表面充的是正 电荷。在充电阶段，当电晕器加上高压后，在高 压电场的作用下，电晕器开始放电，使电晕丝周 围的空气产生电离，正极性的离子在电场作用下， 向光导体表面运动，由于光导层与空气接触的自 由界面起着阻挡层作用，使电晕离子不能穿越光 导层，而只能沉积在光导体的表面，于是在光导 体表面分布了一层正电荷。与此同时，根据电荷 感应原理，在光导体与导电底基的界面处导电底 基一侧，被感应出等量的反极性电荷，如图2-6所 示。
通常，上述界面所形成的阻挡层具有的 壁垒不可能是无限高的，总是有很高能 量的少数载流子越过壁垒进入光导膜层 中，或者在隧道效应的作用下，使少数 载流子进入光导膜层中。由于这些少数 载流子的存在，在它们的迁移过程中， 空穴—电子不断被复合，使表面电位逐 渐下降，形成暗衰过程，如果少数载流 子的浓度增加，电子—空穴的复合速度 就会加快，那么，暗衰的速度也就加快。
④ 充电电极的屏蔽板要接地：
充电电极的屏蔽板如果接地不良，会影响 充电电位的稳定性，使光导体表面的电位波 动，从而影响复印品的质量。
⑤ 环境对充电的影响：
复印质量的好坏，与环境的温度和湿度有关。 静电复印机在室温5~35℃ 左右及湿度在80% 以下都能够正常地进行充电并复印出良好的复 印品来。如果室内的温、湿度太高，将会影响 复印品的质量。其中尤以温度的变化对复印品 质量的影响较大，当温度超过39℃ 时，充电 就不能正常的进行，可能会复印不出图象来。 如果湿度达到95%时，则必须降低充电的电压， 方能复印出字迹来。其原因在于：湿度大了， 空气中的水分子密度增加了，空气容易电离， 如果不降低电压，可能出现充电电位太高，而 使复印品密度过大，出现底灰。

复印品上出现横向的一端不清或色浅的现象， 这是由于充电电极的两端与光导体的距离不 一致造成的。因为相同的充电电压，由于两 端的距离的不同，造成了光导体表面的电位 高低也不同。因而形成了复印品横向两端深 浅不一致的现象。
③ 电晕丝直径的大小及距离光导 体表面的远近对充电的影响

电晕丝直径较粗时，需要充电电压高一些。 电晕丝直径较细时，需要充电电压低一些。 电晕丝距离光导体表面近，则电压高（指光导体表 面所获得电压值）。 电晕丝距离光导体表面远，则电压低。 电晕丝与光导体表面的距离不平行时，则会出现光 导体表面电位的不均匀，即近端电压高，远端电压 低，从而出现图象一端深而清晰，一端浅而不清晰。
图2-9
光
wk.baidu.com
+ + + + + +
+
电子朝光导层的表面运动，与光导层表面的 正电荷中和，而空穴则通过整个光导层，到达 光导层与导电底基界面处，与界面处的负电荷 中和。这样，光导体的表面电荷迅速下降。光 导体是半导体的一种，由半导体理论可知，载 流子的迁移过程，是不断被复合和释放的过程。 在光导层内部，总是存在各种陷阱。这些陷阱 有深的、也有浅的，光生载流子在迁移过程， 有一部分将被陷阱俘获，如果落在浅的陷阱中， 则有可能被释放出来，如果落在较深的陷阱中， 它就不能被释放，使得电荷中和的速率下降。 因此，表面电位不可能呈现出雪崩式的直线下 降，而随着放电速度的减慢，表面电位也逐渐 缓慢下降。
图2-5
高压电源
电晕丝
护罩
感光体
补助栅
(a)
(b)
(c)
电晕丝
（b）是在电晕丝和感光鼓之间设有细线， 加上适当电压，控制电晕电流。这种装置叫 做可控电晕充电器，它的结构较为复杂。现 大多采用（a）和（c）那样的充电器。电晕 丝是使用直径为0.1mm左右的钨丝，外施数 千伏的直流电压使之放电。
放电过程
曝光
另外，在光学系统方面，有狭缝扫描式和全曝光 式。全曝光式用氙灯等光源，在平面感光体上瞬间 形成潜象，适用于高速设备。隙缝扫描式可以设计 成小型的，有如图2-8所示的各种方式。图中（e） 是使用折射率不同的不均匀介质的纤维镜头排列作 为成象器件，应用在原稿台移动式的光学系统中。 同样，使用几个短焦距的微型镜头排列等也被实际 应用。

复印品上出现横向一条深、一条浅或不清
晰的现象，这是因为充电电压不匀所致。 当充电电压不均时（时高时低），导致光 导体表面电位的不匀。所以，复印品的图 象也就不会均匀。严重的会出现复印品上 横向的一段深、一段浅，其深浅的宽度及 间隔与充电电压不匀的频率是一致的。也 有的表现为一整段不清晰。
充电不良对复印质量的影响
图2-6
+ + ++ + ++ + +
Se
- - - - - - - - - - - - - -
Al
光导体与导电底基界面对这种反极性电 荷必须具有阻挡作用。在硒半导体中， 空穴为多数载流子，电子为少数载流子。 因此，硒膜层与导电底基之间的界面就 阻挡少数载流子—电子进入硒光导膜层 中。最后，光导体表面就具有一定的表 面电位。光导体的充电过程也称为光导 体的敏化。
当电晕放电器的能力足够强时，光导体 的表面电位就能一直升高，最后达到一 定最大值，称为极限电位。如果超过这 个值，光导层就会被击穿。因此，极限 电位的值取决于光导膜层本身的击穿强 度。
暗衰 当充电停止后，表面电位不再升高，相反 会出现一个暗衰的过程，暗衰的速率取决于 通过光导层暗电流的大小。在光导层内，除 了存在着电子—空穴对以外，还存在着少量 的自由载流子，这些自由载流子可能是由于 光导体内部由于热运动（热噪动）而释放出 来的载流子，也可能是光导层与空气接触的 自由界面处注入的载流子。