Ксерография Карлсона

Ксерография Карлсона — это электрофотографический процесс копирования изображений, изобретённый американским физиком и изобретателем Честером Карлсоном в 1938 году. Технология, также известная как электрография или ксерография (от греч. «xeros» — сухой и «grapho» — пишу), стала основой для создания первых копировальных аппаратов и лазерных принтеров. В отличие от более ранних методов фотокопирования (например, фотографического или термографического), ксерография использует сухой тонер и электростатические заряды, что обеспечивает высокую скорость, качество и экономичность копирования. Изобретение Карлсона произвело революцию в офисной работе, издательском деле и документообороте XX века.

История

Предпосылки и изобретение

В 1930-х годах Честер Карлсон, работая патентным поверенным, столкнулся с необходимостью многократного копирования чертежей и документов. Существовавшие методы (копирка, гектограф, фотокопирование на светочувствительной бумаге) были медленными, дорогими или требовали специальных материалов. Карлсон решил создать устройство, которое могло бы быстро и недорого делать копии на обычной бумаге.

Эксперименты начались в 1937 году в домашней лаборатории в Нью-Йорке. Карлсон изучал фотоэлектрические свойства полупроводников (в частности, серы и селена). 22 октября 1938 года он провёл первый успешный эксперимент: на цинковой пластине, покрытой слоем серы, с помощью электростатического заряда и света было получено изображение надписи «10-22-38 Astoria». Для проявления использовался ликоподий (споры плауна), а изображение переносилось на вощёную бумагу. Этот день считается датой рождения ксерографии.

Коммерциализация

Несмотря на успех, крупные компании (IBM, Kodak, General Electric) отказались финансировать разработку, считая её непрактичной. В 1944 году Карлсон заключил соглашение с Battelle Memorial Institute (некоммерческая исследовательская организация), а в 1947 году права на технологию приобрёл Haloid Company (впоследствии переименованная в Xerox Corporation). Первая коммерческая копировальная машина, Xerox Model A, вышла на рынок в 1949 году. Она была медленной, громоздкой и требовала ручных операций, но доказала жизнеспособность технологии.

Прорыв произошёл в 1959 году с выпуском Xerox 914 — первого полностью автоматизированного копировального аппарата. Он мог делать до 7 копий в минуту на обычной бумаге, работал без специальной подготовки и стоил около 29 500 долларов (в ценах 2020-х годов). Xerox 914 стал одним из самых успешных продуктов в истории, а слово «ксерокс» в русском языке стало нарицательным для всех копировальных устройств.

Развитие и современность

В 1970-х годах технология ксерографии была адаптирована для лазерной печати (компания IBM выпустила первый лазерный принтер IBM 3800 в 1976 году). В 1980-х годах появились цифровые копировальные аппараты, которые могли не только копировать, но и сканировать, печатать и отправлять документы по сети. В XXI веке ксерография остаётся основой для большинства офисных многофункциональных устройств (МФУ), хотя её доля снижается из-за распространения струйной печати и цифровых технологий.

Принцип работы

Ксерографический процесс включает шесть основных этапов:

1. Зарядка — фоторецепторный барабан (обычно цилиндр с покрытием из аморфного селена, органического фотополупроводника или кремния) равномерно заряжается положительным или отрицательным зарядом с помощью коронного разряда (коронирующего провода) или заряжающего ролика.
2. Экспонирование — на барабан проецируется изображение оригинала. Свет (от лампы или лазера) отражается от белых участков и попадает на барабан, делая их проводящими и нейтрализуя заряд. Тёмные участки (текст, линии) остаются заряженными. В результате на барабане формируется скрытое электростатическое изображение.
3. Проявление — тонер (мелкодисперсный порошок, состоящий из пигмента и полимерного связующего) притягивается к заряженным участкам барабана. Тонер может быть однокомпонентным (содержит магнитные частицы) или двухкомпонентным (смешивается с магнитным носителем).
4. Перенос — бумага подаётся в зону контакта с барабаном. На бумагу подаётся заряд, противоположный заряду тонера, что заставляет частицы тонера переноситься на бумагу.
5. Закрепление — бумага с тонером проходит через нагревательные ролики (фьюзер), где тонер расплавляется и вплавляется в волокна бумаги. Температура закрепления обычно составляет 150–200 °C.
6. Очистка — остатки тонера с барабана удаляются ракелем или щёткой, а остаточный заряд нейтрализуется. Барабан готов к следующему циклу.

Классификация

Ксерографические устройства классифицируются по нескольким признакам:

По типу изображения

• Монохромные — печатают только чёрным тонером. Наиболее распространены в офисах.
• Цветные — используют четыре тонера (CMYK: голубой, пурпурный, жёлтый, чёрный). Цветные ксерографические аппараты появились в 1970-х годах, но массовое распространение получили в 1990-х.

По скорости печати

• Малопроизводительные (до 20 страниц в минуту) — для домашнего и малого офиса.
• Среднепроизводительные (20–50 страниц в минуту) — для средних офисов.
• Высокопроизводительные (свыше 50 страниц в минуту) — для типографий и крупных организаций.

По способу экспонирования

• Аналоговые — используют оптическую систему (лампу, зеркала и линзы) для проецирования оригинала на барабан. Исторически первые, ныне вытеснены цифровыми.
• Цифровые — изображение преобразуется в цифровой сигнал, а экспонирование выполняется лазером или светодиодной линейкой. Позволяют масштабировать, редактировать и хранить изображения.

Применение

Ксерография используется в следующих областях:

• Офисное копирование и печать — основное применение. МФУ на основе ксерографии позволяют копировать, печатать, сканировать и отправлять факсы.
• Типографская печать — цифровые печатные машины (например, Xerox iGen, HP Indigo) используют ксерографию для печати малых и средних тиражей книг, брошюр, рекламной продукции.
• Производство печатных плат — ксерография применяется для нанесения фоторезиста на платы.
• Медицина — в некоторых рентгеновских аппаратах используется ксерографический принцип для получения изображений.
• Архивное дело — для копирования старых документов и книг, где нежелателен контакт с жидкостью (струйная печать).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая скорость печати (до 100–200 страниц в минуту в промышленных моделях).
• Низкая стоимость копии при больших объёмах (по сравнению со струйной печатью).
• Высокая чёткость и устойчивость отпечатков к воде и выцветанию.
• Возможность печати на обычной бумаге, картоне, плёнках и других материалах.

Недостатки

• Высокая начальная стоимость устройства (по сравнению с домашними струйными принтерами).
• Сложность и дороговизна ремонта (замена барабана, фьюзера, тонера).
• Выделение озона при работе (коронный разряд), что требует вентиляции в помещениях с большим количеством аппаратов.
• Ограниченная цветопередача по сравнению с фотографической печатью.

Влияние на общество

Изобретение ксерографии Честером Карлсоном оказало глубокое влияние на делопроизводство, образование и культуру. Копировальные аппараты сделали возможным массовое распространение информации без типографского оборудования, что способствовало росту бюрократии, издательского дела и самиздата. В СССР ксерография долгое время была недоступна для широкой публики из-за секретности и контроля над копированием документов (первые копировальные аппараты появились в открытой продаже только в конце 1980-х годов). В современном мире ксерография остаётся стандартом для офисной печати, хотя её роль постепенно снижается из-за цифровых технологий и электронного документооборота.

Интересные факты

• Первый ксерографический аппарат Xerox 914 весил около 295 кг и занимал площадь 1,8 м².
• Честер Карлсон получил более 40 патентов на свои изобретения, но умер в 1968 году, не дожив до массового распространения ксерографии.
• В 2010 году компания Xerox прекратила выпуск аналоговых копировальных аппаратов, полностью перейдя на цифровые технологии.
• В русском языке слово «ксерокс» часто используется как синоним копировального аппарата, хотя это зарегистрированная торговая марка компании Xerox Corporation.

Источники

• Честер Карлсон. «История изобретения ксерографии» (автобиографические заметки, 1965).
• Owen, David. «Copies in Seconds: How a Lone Inventor and an Unknown Company Created the Biggest Communication Breakthrough Since Gutenberg». Simon & Schuster, 2004.
• Mort, John. «The Anatomy of Xerography: Principles and Applications». McFarland & Company, 1989.
• Патент США № 2,297,691 (1942) на электрофотографический процесс.
• Материалы музея компании Xerox (Rochester, New York).