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影印機和雷射印表機的誕生

影印機與雷射印表機幾乎是辦公室的標準配備,你可曾想過,如果沒有影印機,你要花多少時間抄寫或複製文件跟圖案?來看看發明影印機的卡爾森(Chester Carlson)和雷射印表機的史大威哲(G. K. Starkweather)如何改變人類生活吧!
 
 
 
影印機的原理

影印機(photocopier)是由卡爾森(Chester Carlson)發明的,他於1937年開始研究影印技術,經過多年的挫折與考驗,又先後有巴特爾研究所(Battelle Memorial Institute)的技術協助及哈羅公司(Haloid Company)的資金贊助,終於在1949年推出第一部商業影印機Xerox Model A。1960年更推出改進版—Model 914,遂一炮而紅,哈羅也因此改名為全錄公司(Xerox Corporation)。

影印機的設計可以簡單說明如下:
 充電:先在對光敏感的材料表面上加上電荷。
 曝光取影像:把要複製的影像照射到材料表面,再用光把電荷打掉,這表面就有帶電荷的影像。
 顯影:把帶有電荷的碳粉劑(toner)撒到帶電的影像上。
 轉印:把帶電的紙壓到帶有影像的表面上,帶電的紙就會吸引碳粉劑。
 定影:加熱後,碳粉劑就固定在紙張上。
 
影印機的印刷程序
▲影印機的印刷程序
 
雷射印表機(laser printer)也是全錄公司研發的,由Palo Alto研究中心(Palo Alto Research Center, PARC)的史大威哲(G. K. Starkweather)於1969年所發明。它的操作原理與影印機類似,即把資料數位化,配合各種影像與文字處理軟件,如Postscript等,用雷射掃描出影像與文字,就可印列不同的文字及大小字型。

需要是發明之母

卡爾森的家境並不好,但他立志要做發明家,加州理工學院畢業後就到紐約巿當專利律師的助理,希望能學習一些專利內容與法律程序。他的工作經常必須花很多時間抄寫「多份」的圖案和文件,卡爾森有嚴重的近視和關節炎,因此複製文件對他來說是件體力難以承擔的苦差事。於是卡爾森立誓要找出一個簡易的複製方法,這似乎驗證了發明家的銘言:「需要是發明之母(Necessity is the mother of invention)。」

卡爾森的第一個想法是用攝影法,但仔細思量後發現這方法不切實際,因為照片必須經過暗室的顯影、定影、乾燥等手續。這個過程牽涉到太多溼式化學溶液,打印也得花上數小時。他覺得應改以「乾」式的方法才是可行的,而且可以節省寶貴的時間。

無意中,卡爾森在一本雜誌上看到一篇光導電的報導,其中說明了硒(selenium)若暴露在光線下會改變其靜電性質。於是卡爾森就構思,若把粉末撒到因感光而帶有電荷的圖案表面,就有可能用乾燥的方式把想要的圖像印在紙上了,他把這方法叫做電子照相法。

說來容易,技術上卻是困難重重。他先在廚房進行配方研發並做實驗,但沒有進展。後來又聘僱了一位德國物理學家柯梅(Otto Komei)來幫忙,直到1938年10月終於有了初步的結果,並申請專利。

克服重重困難的研發經過

雖然有了初步的結果,但是效果並不理想,因為字母模糊不清,而且柯梅也離職另謀高就了。卡爾森用這初步的成果向幾家大公司如IBM、GE、RCA等招攬資金,遺憾的是沒有獲得任何青睞。但他毫不氣餒,自己又嘗試了5年,花了不少經費,但仍然沒有公司感興趣。
 
第一張「乾式」電子影印
▲第一張「乾式」電子影印
 
1944年,俄亥俄州的巴特爾研究所派了個人到卡爾森工作的律師事務所商討專利案件。卡爾森對他說明了自己研究的電子照相法,並說服對方,促使巴特爾同意投資3,000美元做進一步研究和發展,並成為卡爾森的經紀人。巴特爾的研究經費很快又花光了,但電子照相法仍然有些技術的瓶頸,而且依然沒有公司有興趣投資。

這時在紐約州羅徹斯特市(Rochester)的哈羅公司,是攝影器材的供應商,專門做攝影用的紙張。1946年哈羅的業務大幅萎縮,研究主任德紹爾(John Dessauer)就開始找尋新的產品。他注意到一項有關卡爾森發明的電子照相法的報導,並判斷這可能是哈羅未來的產品。

但經與巴特爾研究所接洽後,發現一年仍需2萬5千美元的研究費才能完成理想的影印機,而當時哈羅的年營業收入只有10萬元左右。這顯然是一個大賭博,但經過許多考量後,德紹爾仍決定投資與巴特爾合作。

第一部示範影印機(Xerox Model A)終於在1948年於底特律舉辦的美國光學學會年會中推出,並且把電子照相法改名為Xerography(xeros是希臘文「乾燥」的意思,也就是不必使用溶液)。但是它的操作複雜,需要14個人工步驟才能完成影印,並且須使用特殊紙張。更糟的是售價高達近400美元,因此問津者寡,銷售量有限。

為了使影印機更完善且容易使用,哈羅公司再籌資1,500萬美元進行改善研究,於1960年又推出龐大的新型影印機Model 914。它的製造成本是2,500美元,機重600英磅,這是第一台使用普通紙且操作簡單的影印機。

考量到機器售價較高,哈羅公司乃以「租用」的方式推銷,使用者只需付基本租金25美元,再依印刷數量另外計費。這一行銷策略頗為成功,使得914型影印機大受歡迎。乘此風頭,1961年哈羅改名為全錄公司(Xerox)。

哈羅公司前後又投資了大約6,000萬美元在影印機的研發上。而在推出914型影印機的第二年,公司的盈利就有6,500萬美元,發明者卡爾森很快就變成了千萬富翁。

雷射印表機的研發

全錄公司因影印機的暢銷,每年有近億元的盈利,而公司也體會到研發的重要性。於是在1970年投入巨資於加州史丹福大學附近成立了研究中心——PARC——進行基礎研究,並開發新的高科技產品,其中雷射印表機就是PARC研發的第一個產品。
 
雷射印表機的發明者史大威哲
▲雷射印表機的發明者史大威哲
 
史大威哲於1968年在羅徹斯特市本公司就已開始進行雷射印表機的研究,1971年轉職到PARC後,豐富的資源使其更得以專心研發這機器。這個研究小組的另一助手萊德(Ron Rider)則負責研究字符產生器(character generator)。

影印機用的是白光,鏡頭與焦距必須非常準確,才能有清晰高解析度的影像。雷射則是單色譜(monochrome)及高能量,1970年代又是雷射應用興起的時代,把雷射技術應用到影印或印表機是一個很自然的趨勢。PARC以其雄厚的研究資源,使史大威哲於1972年就推出雷射印表機雛形,但直到1977年才推出第一部雷射印表機(9700 printer)。這產品一上市就成為暢銷品,不遜於當年Model 914影印機的風光。
 
雷射印表機的印刷程序
▲雷射印表機的印刷程序
 
雷射印表機的操作原理與影印機類似,是先把資料數位化,配合種種影像與文字處理軟體,用雷射掃描出影像與文字,然後快速列印。它的工作過程可分為6個步驟:充電、曝光、顯影、轉印、定影、清潔。

目前許多雷射印表機都使用發光二極體(LED)在光鼓(drum)上操作,而彩色印表機的色粉是蠟質或塑料,色粉成分經過高溫熔化而固定在紙張上。目前一般辦公室多配備有多功能印表機,可以當影印、印表、掃描、傳真機等使用。

卡爾森的貢獻

卡爾森因影印機的專利金收入一躍成為富翁,1968年美國財富雜誌甚至把他列為美國首富。但他生活節儉,不愛出風頭,而且常常默默地捐款給慈善事業。比如為了回饋母校的教育,他不但捐了幾百萬元給加州理工學院,又出資建立一座諾義化學物理館(Noyes Chemical Physics Laboratory)以紀念他敬佩的老師。
 
他的人生哲理是「死為窮人」(Die as a poor man),因此生前幾乎把所有的財產都捐獻給學校與慈善事業,並且要求不能公布他的捐獻。雖然加州理工學院有一個卡爾森會館,但那是用卡爾森的遺產,在他逝世後建造的。1988年,美國曾經發行21分的郵票紀念卡爾森。

PARC也曾研發出許多尖端產品,如乙太網路(Ethernet)、彩色影印機、個人電腦(Alto,比Apple與IBM還早)、Postscript、Adobe等,這些都是PARC研究人員的心血結晶。
 
  • Ira Flatow (1993) They All Laughed... Ch. 7 and 11. Harper Business, New York, NY.
  • David Owen (2004) Copies in Seconds. Simons & Schuster, New York, NY.
  • Michael A. Hiltzik (1990) Dealers of Lightning: Xerox PARC and the Dawn of the Computer Age, Part II: Inventors. Harper Business, New York, NY.
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