الماسح الضوئي وأنواعه.. وسر عمله الفيزيائي

يشكل جهاز الماسح الضوئي (الاسكانر) أحد الملحقات الضرورية للحاسوب ويعد من الأجهزة الهامة في الأعمال المكتبية خلال السنوات القليلة الماضية. وتكنولوجيا المسح الضوئي انتشرت في كل مكان وتستخدم الآن بطرق عدة ومن أجهزة الماسحات الضوئية.

(1) الماسح الضوئي المسطح Flatbed scanners وهذا النوع الأكثر استخداماً ويعمل من خلال تثبيت الورقة المراد تغذيتها للحاسوب داخل الماسح وتبقى ثابتة مكانها ويمسح ضوء الماسح الورقة، وسنركز علي هذا النوع في الشرح.

(2) الماسح الضوئي ذو التغذية اليدوية Sheet-fed scanners وهو يعمل من خلال سحب الورقة داخل الماسح لتتعرض لمصدر ضوئي ثابت وتتميز بصغر حجمها وتستخدم مع الكمبيوترات المحمولة.

(3) الماسح الضوئي اليدوي Handheld scanners وهو الأصغر حجما ويقوم بالمسح بطريقة يدوية. هذا النوع من الماسحات لا يعطي صورة عالية الجودة مثل تلك التي توفرها الماسحات المسطحة، إلا أنه قد يكون ذا جدوى في المسح السريع للنصوص.

(4) الماسح الضوئي الاسطواني Drum scanners يستخدم في مؤسسات النشر وتفوق دقته كل الأنواع السابقة الذكر وتختلف فكرة عمله عن الماسحات الضوئية حيث تثبت الورقة على اسطوانة زجاجية ويسطع ضوء من داخل الاسطوانة ليضئ الورقة ويقوم جهاز حساس للضوء يسمى أنبوبة تكبير الفوتونات photomultiplier tube ويرمو له PMT ليحول الضوء المعكس إلى تيار كهربي.

تأتي أهمية الماسحات الضوئية في تمكين المستخدمين من تحويل الوثائق والصور إلى ملفات يتعامل معها الكمبيوتر ليتم معالجتها وحفظها وطباعتها أو نشرها على الأنترنت وتعد الماسحات الضوئية من الأجهزة التي تحول المعلومات التناظرية analog إلى رقمية digital

مكونات الماسح الضوئي

أي جهاز ماسح ضوئي لا بد أن يشتمل على المكونات الرئيسية التالية:

* جهاز مزدوج الشحنة Charge-coupled device (CCD) * مرايا
* رأس المسح * لوح زجاجي
* مصباح * عدسات
* غطاء * فلاتر (مرشحات)
* موتور ذو الخطوات * حزام
* لوح تثبيت * منافذ التوصيل
* دائرة تحكم

الجهاز مزدوج الشحنة (CCD)

هو شريحة إلكترونية مستخدمة من زمن يصل الى عشرون عاما وتسمى احيانا بالعين الالكترونية وكانت تستخدم في الإنسان الآلي وفي المراصد الفلكية وكذلك في كاميرات تصوير الفيديو وحديثا تم استخدامها في كاميرا التصوير الفوتوغرافي لتصبح الكاميرا معروفة باسم الكاميرا الرقمية.

تتكون الـ CCD من شريحة مربعة طول ضلعها لا يزيد عن 3سم هذه الشريحة تحتوي على مجسات ضوئية (الديود) من مواد أشباه موصلة (Semiconductors) مرتبة على شكل صفوف متوازية. عندما تتكون الصورة على هذه الدايودات يتم تحرير شحنة كهربية من الدايود يتناسب مع كمية الضوء، فكلما كان الضوء الساقط على الدايود كبيرا كانت الشحنة المتحررة كبيرة. تعمل الشحنة الكهربية المتحررة على تفريغ مكثف مشحون متصل مع كل دايود. يتم إعادة شحن هذه المكثفات من خلال تيار يعمل على مسح كل المكثفات ويقوم ميكروبروسسور باحتساب قيمة الشحنة التي أعيدت إلى المكثف ليتم تخزين قيمة عددية لكل ديود في الذاكرة المثبتة بالكاميرا. تحتوي على معلومات عن موضع الدايود وشدة الضوء الذي سقط عليه لتكوين في النهاية صورة رقمية للجسم الذي تم التقاط صورته.

عرض فلاشي لفكرة سقوط الفوتون الضوئي على الـ CCD

كما يجب العلم أن الصورة التي تصل إلى الـ CCD تكون قد انعكست عن عدة مرايا ومرشحات مرتبة حسب الشركة المنتجة للماسح الضوئي. وفي الشرح التالي سوف نقوم بشرح فكرة عمل كل أجزاء الماسح الضوئي وعلاقتها مع بعضها البعض.

فيما يلي الخطوات التي يقوم بها الماسح الضوئي عند القيام بعملية مسح ضوئي لأي وثيقة:

(1) يتم وضع الوثيقة على اللوح الزجاجي وإسدال الغطاء عليها. الوجه الداخلي للغطاء يكون في أغلب الأحيان أملس ذا لون أبيض أو أسود، ووظيفة لون الوجه الداخلي للغطاء أنه يوفر خلفية موحَّدة يمكن للبرنامج الخاص بالماسح الضوئي أن يستخدمها كمرجع لتحديد حجم الوثيقة المراد القيام بعملية مسح لها.

(2) يتم استخدام مصباح بغرض إضاءة الوثيقة محل المسح. والمصباح المستخدم في الماسحات الضوئية الحديثة إما مصباح زينون أو مصباح فلورسنت كاثود بارد، في حين أن الأنواع القديمة من الماسحات الضوئية تستخدم مصابيح فلورسنت عادية.

(3) الرأس الذي يقوم بعملية المسح الضوئي يشتمل على المرايا، الفلتر (المرشح)، العدسات، وجهاز الشحنة المزدوجة CCD. هذا الرأس يقوم بالتحرك بشكل بطيء أعلى الوثيقة مرة واحدة وبشكل مكتمل عن طريق حزام موصول بموتور ذو الخطوات، هذا الرأس موصول في ذات الوقت أيضاً بلوح تثبيت لضمان عدم حدوث أي تذبذب أثناء حركة الرأس أعلى الوثيقة. يتم عكس صورة الوثيقة عن طريق مرآة بزاوية تقوم بنقل صورة الوثيقة إلى مرآة أخرى. ومن ثم إلى عدسة، تقوم هذه العدسة بتركيز صورة الوثيقة من خلال فلتر على جهاز الشحنة المزدوجة.

العلاقة بين العدسة والفلتر تختلف حسب نوع الماسح الضوئي، ففي بعض أنواع أجهزة المسح الضوئي يتم استخدام طريقة للمسح عبر ثلاث مراحل؛ بحيث تمر الوثيقة محل المسح في كل مرحلة من هذه المراحل الثلاث عبر فلتر لوني مختلف (واحد للأحمر، وثاني للأخضر والثالث للأزرق).

بعد الانتهاء من مراحل الفلترة يقوم البرنامج الخاص بالماسح الضوئي بإعادة تجميع الصور الثلاث عقب عملية الفلترة في صورة واحدة شاملة الألوان.

إلا أن النسبة الغالبة من أجهزة المسح الضوئي اليوم تستخدم طريقة المسح عبر مرحلة واحدة، حيث تقوم العدسة بتقسيم الصورة إلى نسخ مصغرة من الصورة الأصلية، تمر كل من هذه النسخ المصغرة عبر فلتر لوني (أخضر أو أحمر أو أزرق) في طريقها إلى جهاز الشحنة المزدوجة. ثم يقوم الماسح الضوئي بإعادة تجميع البيانات الواردة إلى جهاز الشحنة المزدوجة في صورة واحدة كاملة الألوان.

هناك تقنية أخرى أصبحت أكثر شيوعاً في أجهزة المسح الضوئي رخيصة الثمن هي مجسات ملامسة الصورة. يدعى مجس ملامسة الصورة contact image sensor (CIS) ويستبدل جهاز الشحنة المزدوجة والمرايا والفلاتر والمصباح والعدسة بصفوف من ضوء أحمر وأخضر وأزرق تعمل بتقنية الصمامات الثنائية. وتعمل هذه الآلية عن طريق نشر مجسات بطول المساحة التي ستجرى عملية مسح لها بعدد بين 300 إلى 600 مجس تنتشر بالقرب من اللوح الزجاجي الذي توضع عليه الوثيقة، وعند إجراء عملية المسح تتحد هذه الصمامات الثنائية فتعطي ضوءاً أبيض، حينئذ يتم التقاط الصورة المضيئة عن طريق صفوف المجسات. إلا أن ذلك النوع من أجهزة المسح الضوئي وإن كان أخف وزناً وأقل سمكاً إلا أنه لا يعطي صورة بنفس كفاءة الصورة المعطاة عن طريق الماسحات التي تستخدم تقنية أجهزة الشحنة الموجبة.

تتفاوت الماسحات الضوئية فيما بينها من حيث درجة نقاء الصورة ووضوحها. والحد الأدنى لنقاء الصورة في أغلب أجهزة المسح الضوئي هو 300 نقطة في الانش (بكسل)، وهو ما يتحدد بعدد المجسات في الصف الواحد.

نقل الصورة

بعد المسح لا بد أن يتم نقل الصور إلى جهاز الحاسب، وهو الأمر الذي يتم عن طريق الكابل الموصل بين جهاز الماسح الضوئي والحاسب الآلي، والذي يختلف بالطبع من ماسح لآخر، سواء عن طريق مخرج يو إس بي USB، أو مخرج متوازي (Parallel) أو سكازي SCSI. كما لا بد أن يتوافر على الحاسب برنامج التعرف على الماسح الضوئي، واللغة الرئيسية التي تتعرف عليها معظم أجهزة الماسح الضوئي تعرف باسم توين TWAIN، وهي التي توفر إمكانية استخدام الماسح الضوئي عن طريق أي برنامج لتحرير الصور متوافر على حاسبك الآلي، وليكن أدوب فوتو شوب مثلاً.

وأغلب أجهزة الماسح الضوئي يأتي معها برنامج التعرف الخاص بها، بالإضافة إلى برنامج مبسط لتحرير الصور وبرنامج القراءة الآلية للنصوص الذي يسمح بتحويل النصوص من وثائق مكتوبة إلى ملف نصي على الحاسب الآلي.