影印机是一种基于半导体光导电性和物质间摩擦生电原理设计的设备。这项技术的发明者卡尔逊成功地将看似无关的原理结合起来，从而产生了对现代社会有着深远影响的技术。尽管影印机不断改进，但其基本工作流程依然遵循着卡尔逊四十年前的设计理念。

影印机的历史始于1938年，当时卡尔逊和他的合作者科尼共同开发出了这一技术。多年来，尽管影印机经历了多次改进，但现代影印机的工作步骤仍然没有偏离卡尔逊最初的设想。他们的方法是通过光照将图像投影到光导电体上，形成带有电荷的潜像，然后使用具有相反电荷的颗粒，也就是通常所说的碳粉，将其显影，并最终将这些成像的颗粒转移到白纸上固定。1938年10月22日，卡尔逊和他的助手在纽约首次证明了这种方法的可行性。他们使用硫作为光导体，涂抹在锌板上，并在暗室中用手帕摩擦硫的表面使其带上电荷。随后，他们在硫板上放置了一块用墨水写着“10-22-38 Astoria”的玻璃板，并在白炽灯下曝光。这样，文字就在硫磺板上形成了带电荷的潜像。接着，他们在硫磺板上撒上一种名为石松属植物的花粉，小心地去除未带电部位的花粉后，硫磺层上的文字便清晰可见。最后，他们将文字转移到蜡纸上，并通过加热完成定影程序。（见图一）

影印机的核心部件是光导电体。光导电体在光照下能够从绝缘状态转变为导电状态。这是一种光敏物质，在黑暗环境中电阻很大，无法导电；但在光照下，分子中的自由电子增多，电阻降低，能够导电。硒、砷、碲等无机化合物及其合金都是光导电体，现代影印机普遍采用硒取代卡尔逊最初使用的硫。在影印机中，能够接收图像的光导电体装置被称为“光感受器”（photoreceptor），通常是铝基材上涂覆一层硒，我们称之为硒鼓。硒鼓的形状可能因机型而异，常见的有平板状、带状或筒状。光导电体的厚度约为几十微米，并且需要具备高光敏性、稳定性以及电荷迁移能力。早期仅使用一层光导电体，但现在已经发展出功能性多层结构。例如，硒上覆盖有氧化硒层，这是正电荷存在的地方，电荷传输发生在下方的纯硒层中，最底层的铝和硒层之间还有氧化铝层，使得电荷存储和传输功能更加独立和完善。（见图二）

起初，卡尔逊通过手帕摩擦光导电体硫使其带上电荷，而现代影印机则是通过放电管（corotron）在黑暗中产生空气分子如氮分子的正离子，正离子移动到硒鼓表面捕获电子，从而使硒鼓表面因失去电子而带上正电荷。在黑暗中，硒处于绝缘状态，因此电荷可以在其表面保持。（见图四）

起初，卡尔逊利用光透过有字迹的玻璃板将潜像显示在硫黄上，而现在则是利用光照射待打印文档，空白部分反射光，而有字迹部分吸收光，经过透镜和反射镜将这些反射光投射在硒鼓上。此时，硒层被光照的部分变为导体，光照产生的电子中和了存在于表层（氧化硒层）的正电荷。电子来自于表层下方，同时也留下了正电荷的电子孔穴（electron hole）。这意味着原本表层的正电荷向下层移动，这是一个连锁反应，直到正电荷到达硒鼓下层的金属基层（见图五）。当正电荷移动到金属基层的界面时，接地的基层可以提供电子，然后通过放电（discharge）使基层变为中性，不再带电。这个电子传递过程仅仅是硒鼓受光照射部分的局部变化；而未受到光线照射的部分，因为仍然是绝缘体，所以表层仍然带正电荷。一个有趣且重要的现象是，硒鼓表层的电荷并不会左右移动而破坏潜像。当光源移除后，我们在硒鼓上可以获得与原始图像相对应的潜像。原图中黑色的部分在潜像上对应的是带正电荷的区域，而白色区域则不带电。

起初，卡尔逊利用花粉吸附到带正电荷的潜像上来实现显影。一般的显影剂包括微小的颗粒和较大的载体（carrier beads）；颗粒由热塑性树脂和黑色碳粉组成，直径约为10微米。载体成分可能是钢、玻璃或亚铁盐（ferrite），直径大约在100~500微米（见图六）。我们知道猫皮和玻璃棒摩擦会产生静电，使猫皮带正电而玻璃棒带负电。同样的道理，显影剂的设计是为了让载体和颗粒混合搅拌时，由于摩擦起电使得载体带正电，颗粒带负电，两者相互吸引；同时，后者准备好移动到带正电荷的潜像上。常用的显影方法有两种：瀑布式（cascading）和磁刷式（magnetic brush）。瀑布式方法是将显影剂通过吊筒撒过硒鼓表面，当载体滚下时，其所携带的颗粒会被带正电荷的潜像吸引并留在硒鼓上。磁刷式方法则是利用磁性辊筒上吸附有磁性的载体，而载体吸附有颗粒，结果载体和颗粒在辊筒表面上形成链条状或毛发状分布，其作用就像柔软的刷子一样。当辊筒刷过硒鼓表面时，颗粒就会转移到硒鼓上带电的部分，从而显像。（见图七）

转印的作用是将硒鼓上颗粒形成的图像转移到纸上，这就需要减少硒鼓（带正电）对颗粒（带负电）的吸引力。为此，使用放电器使纸张带上正电，以便从硒鼓上夺走颗粒。将颗粒形成的图像转移到纸上后，颗粒和纸之间的静电吸引力变得不稳定。此时如果用手摩擦，很容易消除图像，因此需要下一步的定影，使其之间产生稳定的结合。卡尔逊的定影方法是将花粉在硫表层形成的图像转移到蜡纸上时，借助蜡和花粉的粘合力。

颗粒由含有黑色粉末的热塑性树脂制成，定影是通过加热的方式将树脂从固体状态转化为熔融状态，使其渗透到纸张的纤维中，然后再固化成为固体，形成永久键结。定影的方法包括热融合（烘箱 fusing）、辐射融合（radiant fusing）、加热加压融合（heat and 压强 roll fusing）以及使用三氯乙烯（trichloroethylene）蒸汽溶解没药树的蒸汽融合法（vapor fusing），也可以将热融合和辐射融合相结合使用。

清除过程包括三个步骤：（一）减小硒鼓对残留颗粒的吸引力。（二）通过机械方法去除残留颗粒。（三）通过光照使带正电荷的潜像部分也发生放电现象。至此，影印过程结束，清除后的硒鼓可以再次接受新的表面电荷，重复这个循环。

本文旨在为读者提供影印机原理的概念，省略了许多机械设计上的细节。整个过程的巧妙之处在于如何制造电荷，控制电荷的移动方向，以达到颗粒印在纸张上的最终目的。让我们在这里简单回顾一下电荷的移动路径，以加深我们的理解。电荷的产生依赖于放电器在硒鼓表层产生的正电荷（充电步骤），然后利用硒的光电特性，使得原本均匀分布的正电荷，只剩下包含潜像的局部正电荷（曝光步骤）。接下来，通过颗粒和载体的摩擦起电，将带负电荷的颗粒移动到潜像位置（显影步骤）。紧接着，通过带正电荷的白纸从硒鼓上夺取颗粒（转印步骤）。值得一提的是，硒鼓上的成像是原物体的镜像，而在转印到纸张上之后，才变成了与原物体相同的正面图像。