كيف تعمل؟

أسرار عمل الكاميرا الرقمية

في العشرين سنة الماضية أصبحت تحيطنا العديد من الأجهزة المنزلية ذات التقنيات الرقمية مثل CDs, DVDs, HDTVs, MP3s, DVRs, والتي نشأت جميعها وتطورت مع تطور العصر الرقمي، لتعمل بنفس نظرية المعالجة وهي تحويل المعلومات التماثلية التقليدية (والتي تُمثل بموجات) إلى معلومات رقمية والتي تُمثل بأصفار وآحاد أو ما يسمى بالـ Bits)).

الكاميرا الرقمية digital camera تُعد واحدة من أهم الأمثلة الملحوظة لهذه الوسيلة لأنها تختلف تماماً عن الكاميرات التقليدية (التي تستخدم الفيلم) التي تعتمد كلية على المعالجة الكيميائية والميكانيكية لالتقاط الصورة وطباعتها حتى أن بعضها لا يحتاج لطاقة كهربية لتشغيلها. ومن ناحية أخرى فإن كل الكاميرات الرقمية تحوي بداخلها معالج صغير (Microprocessor) يقوم بمعالجة الصور إلكترونياً.

وفي الحقيقة لم تحل الكاميرات الرقمية محل الكاميرات التقليدية حتى الآن وذلك لأن الفيلم ما زال يعطي جودة عالية للصورة ولكن بتقدم تكنولوجيا الصور الرقمية أصبحت الكاميرات الرقمية أكثر انتشاراً وشعبية.
أساسيات

لنفترض أننا نريد أخذ صورة وإرسالها بالبريد الالكتروني، ولعمل ذلك يجب تحويل الصورة إلى اللغة التي تدركها الحواسيب وهي الاصفار والآحاد. فالصورة الرقمية عبارة عن سلسلة طويلة من الاصفار والآحاد التي تمثل كل النقاط الملونة الصغيرة أو ما يسمى بالبكسل (Pixel) والتي تشكل مجتمعة الصورة.

ولأخذ صورة في هذه الهيئة فلدينا خياران:

(1) أخذ الصورة بكاميرات تقليدية ومعالجة الفيلم كيميائياً ومن ثم طباعته على ورق فوتوغرافي، وأخيراً استخدام الماسحة الضوئية (Scanner) لأخذ عينات من الصورة (تحويل عينات الضوء على حسب شدة الإضاءة ودرجة اللون وتحويلها لسلسلة من النقاط ذات قيم البكسيل.

(2) اخذ عينات مباشرة من الضوء الأصلي المرتد من الجسم المراد تصويره وتحويل هذه العينات لسلسلة من البكسيل مما يعني أننا استخدمنا كاميرا رقمية.

كما للكاميرا التقليدية مجموعة من العدسات التي تركز الضوء المنعكس عن الجسم المراد تصويره على الفيلم لأخذ صورة من المشهد، فان للكاميرات الرقمية عوضاً عن الفيلم يوجد شريحة من أشباه الموصلات والتي تقوم بتسجيل الضوء الكترونياً تسمى الـ CCD، ليقوم بعدها المعالج الذي تحتويه الكاميرا بتحويل هذه المعلومات الالكترونية لبيانات رقمية وتحفظها على ذاكرة الكاميرا.

الصورة الرقمية ويظهر عناصر الصورة (البكسيل) على اليمين عند تكبير جزء من الصورة على اليسار
كيف تعمل الكاميرا الرقمية

تحتوي الكاميرات الرقمية بدلاً عن الفيلم على مجسات ضوئية (Sensors) والتي تعتمد فكرة عملها على تحويل الضوء لشحنات كهربية.

وأكثر تقنيات المجسات الضوئية انتشاراً في الكاميرات الرقمية هي تقنية Charged Coupled Device وتختصر بـ (CCD) أو (العنصر مزدوج الشحنة).و بالرغم من إن بعض الكاميرات الرقمية تستخدم تقنية المجسات الضوئية CMOS (Complementary Metal Oxide Semi Conductor) (شبه موصل معدن الأكسيد المتمم) بدلاً عن الـ (CCD) إلا أن كلا التقنيتين CCD أو CMOS تقومان بتحويل فوتونات الضوء إلى الكترونات. وتتكون المجسات من شبكة مصفوفات ثنائية الأبعاد تحوي الملايين من الخلايا وكل خلية عبارة عن عنصر الصورة الذي يسمى PIXEL وهي اختصار لكلمة Picture elements.

يقوم كل مجس بتحويل الضوء إلى الكترونات فكلما كانت كمية الضوء أكبر كلما كانت كمية الشحنة المتحررة (الإلكترونات) أكبر وعن طريق قراءة الشحنة المتراكمة في كل خلية يمكن للميكروبروسيسور من إعادة بناء الصورة.
الجهاز مزدوج الشحنة (CCD):

هو شريحة إلكترونية مستخدمة من زمن يصل إلى عشرون عاما وتسمى أحيانا 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 اعادة 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.

تصطدم الفوتونات بالألواح الضوئية لشريحة CCD وتطلق الالكترونات

وفيما يلي الاختلافات الرئيسية بين تقنيتي CCD وCMOS

تقوم تقنية CCD بنقل الشحنة عبر الرقاقة وقراءتها عند احد أركان المصفوفة، وبعدها يقوم محول (تماثلي – رقمي) ADC بتحويل كل قيمة بكسل لقيمة رقمية وذلك عن طريق قياس مقدار الشحنة في كل موضع ضوئي وتحويل ذلك القياس إلى صيغة ثنائية (Binary Form).

أما تقنية CMOS تستخدم عدة ترانسيستورات لكل عنصر صورة (البكسيل) لتكبير ونقل الشحنة عبر أسلاك توصيل تقليدية ولهذا فهذه التقنية لا تستخدم محول ACD.

صورة لشريحة CCD

هذا الاختلاف جعل لكل تقنية ميزات وعيوب وهي

(1) تتمتع تقنية CCD بنقاء عالي وقلة تشويه (ناجم عن الضجيج) مقارنة بتقنية CMOS فهي أكثر تأثراً بالضجيج.

(2) لكل بكسل في تقنية CMOS عدة ترانزستورات، وحساسية الضوء ضعيفة في هذه الرقاقة وذلك لان الفوتونات الضوئية قد تصطدم بالترانستورات بدلاً عن الدايودات الضوئية (Photodiode)

(3) تستهلك رقاقات CMOS مقداراً ضئيلاً من الطاقة وفي المقابل فان المعالجة التي تقوم بها رقاقة CCD تستهلك الكثير من الطاقة (أكثر بـ 100 مرة) مقارنة برقاقة CMOS

(4) تصنع رقاقات CCD لتدوم طويلاً وتعطي دقة عالية الوضوح للصور.

(5) بالرغم من الاختلافات السابقة بين رقاقات CCD وCMOS فإنهما يلعبان نفس الدور في الكاميرات الرقمية وهو تحويل الضوء إلى شحنات كهربية باستخدام الديود.
الدقة

إن مقدار التفاصيل التي تستطيع الكاميرات التقاطها يطلق عليها الدقة Resolution وتقاس بالبكسيل Pixel فكلما زاد عدد البكسل كلما زادت تفاصيل الصورة وتصبح الصور ذات الأبعاد الكبيرة أكثر وضوحاً.

بعض مستويات الدقة:

(1) 256×256 ونجدها في الكاميرات رخيصة الثمن فالدقة ضعيفة جداً ويكون إجمالي عدد البكسيل المكون للصورة هو 65.000 بكسيل.

(2) 480×640 وهو أقل حد لمستوى الدقة النموذجي وهو مثالي جداً لإرسال الصور عبر البريد الإلكتروني وصفحات الويب.

(3) 912×1216 ويقاس فيها حجم الصورة بالميجابكسل (Megapixel) واجمالي البكسيل المكون للصورة هو 1.109.000 بيكسيل ويفي هذا المقاس لغرض طباعة الصور.

(4) 1200×1600 وتتميز هذه الدقة بمجموع 2 مليون بكسيل وهي دقة عالية، حيث بإمكاننا طباعة صورة بمقياس 5×4 بوصة كتلك التي نتحصل عليها في معامل الألوان.

(5) 1680×2240 وتوجد في الكاميرات الرقمية ذات (4 Megapixel) وتسمح بطباعة صورة كبيرة بدقة عالية حتى 20×16 بوصة.

(6) 2704×4064 وهي اعلى دقة للكاميرات الرقمية (11.1 Megapixel) ويمكننا الطباعة بها بدقة عالية جداً حتى 9×13.5 بوصة.

بعض الكاميرات التجارية الجيدة يمكنا التقاط أكثر من 12 مليون بكسل، أما الكاميرات الاحترافية فتلتقط صور بدقة 16 مليون بكسل. وتقدر شركة هيليوباكارد إن دقة الصورة المأخوذة في الفيلم باستخدام الكاميرا التقليدية يصل إلى 20 مليون بيكسيل.

كيف تلتقط الكاميرا الرقمية الألوان

تعتبر المجسات الضوئية في الكاميرا الرقمية غير مدركة للألوان ولا تميزها، وذلك لأن فكرة عمل هذه المجسات هي قياس شدة الضوء وتحويله إلى شحنات كهربية. ولكي يتم التقاط الصورة بكامل ألوانها فانه لابد من استخدام مرشحات (filtering) للضوء بحيث يكون لكل لون من الألوان الأساسية مرشح خاص به، فمثلا المرشح الأحمر هو عبارة عن شريحة زجاجية ذات لون أحمر تسمح بدخول اللون الأحمر وتمنع باقي الألوان وكذلك بالنسبة للون الأزرق يستخدم مرشح أزرق ونفس الشيء بالنسبة للون الأخضر يستخدم مرشح أخضر، وبمجرد التقاط الكاميرا الصورة لأي مشهد فإنه يتم تحليل ألوان هذا المشهد إلى الألوان الأساسية الثلاث (الأخضر والأزرق والأحمر) ومن ثم يتم تجميعها للحصول على المشهد بكافة ألوانه.

عملية دمج الألوان الأساسية للحصول على عدة ألوان

وهنالك طرق مختلفة لالتقاط الألوان الأساسية في الكاميرا الرقمية. فالكاميرات الرقمية عالية الجودة تستخدم ثلاث وحدات من رقاقات الـ CCD منفصلة ومثبت فوق كل رقاقة CCD مرشح لوني حتى تتخصص كل رقاقة برصد اللون الأساسي الخاص بها، عندما يتم تركيز الضوء المنعكس من الجسم إلى داخل الكاميرا بواسطة عدستها فإن الضوء يتم تجزئته باستخدام مجزئ ليسقط على المرشح اللوني ثم إلى الـ CCD. يتم تجميع الإشارات الصادرة من الثلاثة رقائق CCD بواسطة الميكروبروسيسور لتكوين الصورة الملونة بالكامل.

عملية تجزئة الصورة (يسار) عبر مجزئ الحزمة الضوئية (Beam Splitter)

من ميزات هذه الطريقة أن الكاميرات تلتقط كل لون من الألوان الثلاثة الأساسية على نفس الموضع على البكسيل المخصص على الـ CCD، ولكن هذه الكاميرات تكون كبيرة الحجم نسبياً وباهظة الثمن.

الطريقة الأخرى المتبعة وهي تدوير قرص يحتوي على المرشحات الثلاثة امام رقاقة CCD واحدة، ويقوم الـ CCD بتسجيل ثلاث لقطات منفصلة في عملية سريعة، هذه العملية تزودنا ايضاً بكل لون في كل موضع بكسل. ولان اللقطات الثلاث لا تؤخذ في نفس الزمن فانه يتوجب على الكاميرا والهدف المراد تصويره البقاء ساكنين لبرهة نسبية حتى يتم اخذ القراءات الثلاث مما يجعل هذه الطريقة غير عملية ولابد من تثبيت الكاميرا على حامل وأن يكون المشهد المراد تصويره ثابت.

مرشح قرص دوار

أما الطريقة الاقتصادية والعملية والمستخدمة في التقاط الألوان الأساسية تتمثل في تثبيت مرشح يسمى بمصفوفة مرشح الألوان Color Filtering Array على رقاقة الـ CCD.

وأكثر أنواع مصفوفة المرشحات استخداماً هو نموذج مرشح باير (Bayer Filter Pattern) ويتكون من عمودين متبادلين احدهما مكون من مرشح للون الأخضر والأحمر والعمود الآخر مرشح للون الأخضر والأزرق ونلاحظ هنا وجود الكثير من البكسل الخضراء مقارنة بالأزرق والأحمر وذلك لان العين البشرية لا تكون حساسيتها متساوية بالنسبة للألوان الثلاث الأساسية فالكثير من اللون الأخضر يجعل الصورة تبدو للعين وكأنها حقيقية.

نموذج مرشح باير Bayer Filter

من محاسن هذه الطريقة أننا نحتاج لرقاقة CCD واحدة ويتم التقاط الألوان (احمر، اخضر، ازرق) في نفس اللحظة. وهذا يعني ان الكاميرا ستكون اصغر وارخص وعملية في كثير من الأحيان.

تستخدم الكاميرات الرقمية لوغاريتمات خاصة تسمى (Demosaicing Algorithm) تعمل على معالجة المعلومات الواردة من مخرج المرشحات والتي تكون في شكل فسيفساء ملونة للصورة الملتقطة وحساب الألوان الحقيقة من متوسط قيم البكسيل المحيطة لإعطاء اللون الحقيقي للصورة.
التعريض والتركيز

كما في الفيلم فإن الكاميرا الرقمية تتحكم في كمية الضوء الذي يصل إلى الـ CCD من خلال جزأين هما فتحة العدسة aperture وسرعة الغالق shutter speed.

فتحة العدسة: تتحكم بنصف قطر الفتحة التي يدخل منها الضوء للكاميرا ويكون التحكم فيه أوتوماتيكيا في أغلب الأحيان إلا في بعض الكاميرات التي يستخدمها مصورون محترفون.

سرعة الغلق: تتحكم في الزمن اللازم لمرور الضوء عبر فتحة العدسة ويتم التحكم به الكترونيا ويكون الغالق الكتروني وليس ميكانيكي كما في الكاميرا التقليدية.

تتحكم الكاميرا في كلا من فتحة العدسة وسرعة الغالق لتحديد كمية الضوء المناسبة لالتقاط أفضل صورة، كما أن العدسة المستخدمة في الكاميرا الرقمية لا تختلف عن العدسة في الكاميرا التقليدية وسنقوم بشرح فكرة عمل التبئير الأوتوماتيكي في مقال منفرد.

إن البعد البؤري للعدسة في الكاميرا الرقمية يختلف عن ذلك في الكاميرا الرقمية التي تستخدم فيلم 35mm. البعد البؤري هو المسافة بين العدسة وشريحة الـ CCD، وحيث أن ابعاد الشريحة تختلف حسب الشركة المنتجة وفي معظم الأحيان تكون اصغر من فيلم 35mm، وهذا يعني ان العدسة المستخدمة لتكوين الصورة على شريحة الـ CCD ذات بعد بؤري اقصر ولمزيد من المعلومات حول حجم الـ CCD ومقارنتها بفيلم 35mm يرجى زيارة الموقع Photo.net على الانترنت.

ملاحظة: تذكر أن شريحة الـ CCD في الكاميرا الرقمية تحل محل الفيلم في الكاميرا التقليدية.

كما ويلعب البعد البؤري للعدسة دورا رئيسياً في تحديد قيمة التكبير أو التحجيم للكاميرا، ففي كاميرا الـ 35mm تستخدم عدسة بعدها البؤري 50mm صورة مساوية للجسم بدون تكبير. زيادة البعد البؤري يزيد من التكبير وتبدو الصورة أقرب من الوضع الحقيقي للجسم. ويحدث العكس إذا كان البعد البؤري أقل..

عدسة التكبير أو التحجيم zoom lens هي عدسة يتغير بعدها البؤري وفي الكاميرات الرقمية هناك يمكن أن نجد تحجيم بصري optical zoom أو تحجيم رقمي digital zoom أو الاثنتين معا في نفس الكاميرا كما أن بعض الكاميرات تحتوي على تبئير دقيق macro focusing أي أن الكاميرا لها القدرة على اخذ صور قريبة جداً من الكاميرا مثل تصوير مستند ورقي.

الكاميرات الرقمية يمكن ان تكون مزودة بأحد الأنواع الأربعة التالية:

عدسة تبئير ثابت وتحجيم ثابت Fixed-focus, fixed-zoom lenses وهي عدسات رخيصة الثمن وتستخدم في الكاميرات التي تستخدم لمرة واحدة ولهدف اخذ صور ثابتة وبسيطة.

عدسة تحجيم بصري وتبئير أوتوماتيكي Optical-zoom lenses with automatic focus تشبه العدسة المستخدمة في كاميرات الفيديو ويمكن التحويل من عدسة التيليفوتو Telephoto Lens ذات التصوير البعيد إلى عدسة الزاوية العريضة Wide-Angle Lens للتصوير القريب، وذلك من خلال تغيير البعد البؤري للعدسة.

عدسة تحجيم رقمي Digital-zoom lenses وهي عبارة عن قيام ميكروبروسيسور الكاميرا بأخذ جزء من الصورة التي تكونت على شريحة الـ CCD وعرضها على كل إطار الكاميرا، وتشبه هذه العملية قيامك بتكبير صورة على شاشة الكمبيوتر من خلال استخدام عدسة برنامج التحرير لتكبير الصورة، ويجب استخدام حامل للكاميرا عند تشغيل هذه الخاصية لأن اية اهتزازات تؤثر على جودة الصورة.

نظام عدسات الإستبدالها Replaceable lens systems وهي مجموعة من العدسات المختلفة في البعد البؤري يمكن للمصور المحترف تثبيتها على الكاميرا حسب المشهد المراد تصويره.

الفرق بين التحجيم الرقمي (الصورة على اليمين) والتحجيم البصري (الصورة في الوسط) عند تصوير عين الأرنب على اليسار لاحظ أن التحجيم البصري اوضح من الرقمي

نقل الصورة إلى الحاسوب وتخزينها

تحتوي الكاميرات الرقمية على شاشة البلورات السائلة LCD تمكنك من مشاهدة الصورة قبل التقاطها وتخزينها في ذاكرة الكاميرا وهذا ما سنقوم بشرحه، حيث يوجد عدة طرق لتخزين الصورة في الكاميرا قبل نقلها إلى جهاز الحاسوب ومن هذه الطرق استخدام الذاكرة الثابتة داخل الكاميرا ويتطلب الأمر في هذه الكالة توصيل الكاميرا نفسها بجهاز الحاسوب لنقل الصور إليه، وطريقة التوصيل يمكن ان تتم من خلال عدة خيارات تعتمد على نوع الكاميرا والشركة المنتجة ومن هذه الخيارات التوصيل التتابعي serial أو التوصيل المتوازي parallel أو توصيل السكازي SCSI او اليو اس بي USP او الفيرواير FireWire.

كما يمكن ان تزود بعض الكاميرات بذاكرة خارجية يمكن إخراجها من الكاميرا وتوصيلها للحاسوب من خلال الوصلات المعدة لذلك ومن الذاكرات الخارجية ذاكرة الفلاش flash memory أو ذاكرة الفلاش المضغوطة compactflash أو الذاكرة الذكية smartmedia. كما يمكن استخدام القرص المدمج CD او القرص DVD لتخزين الصورة عليها.

بغض النظر عن مختلف الوسائل المستخدمة لتخزين الصور الرقمية فإن مساحة التخزين ونوعية الملفات التي تخزن في الذاكرة تلعب دوراً رئيسياً في نوعية الكاميرا وجودة الصور المستخرجة منها. فمثلاً هناك عدة صيغة لحفظ ملفات الصور مثل الصيغة TIFT التي تكون ملفاتها غير مضغوطة أو ملفات ال JPEG وهي ملفات مضغوطة. وتستخدم معظم الكاميرات الرقمية الصيغة التي تضغط فيها الصور لحفظها على الذاكرة لأنها تحتاج مساحة أقل بالمقارنة مع الملفات الغير مضغوطة كما يمكن ضبط صيغة الضغط بأن تتحكم في جودة الصورة فمثلاً إذا تم ضبط الكاميرا على صورة بجودة عالية تكون نسبة الضغط للصورة قليل ويكون حجم الصورة كبيراً أما إذا تم ضبط الكاميرا عل صورة بجودة قليلة يكون الضغط بنسبة عالية وهذا يعني جودة صورة أقل ولكن يمكن تخزين عدد كبير من الصور على ذاكرة الكاميرا. في الجدول التالي توضيح للعلاقة بين حجم الصورة وصيغة حفظها في ذاكرة الكاميرا.

تعتمد فكرة الضغط في الكاميرا على تحليل الصورة فمثلاًَ لو كان هناك ما يقارب من 30% من الصور عبارة عن سماء زرقاء فإن فهذا يعني أن جزء من الصورة مكرر على مساحة محددة تقوم هذه الفكرة من الضغط بحفظ هذه الجزيئة من الصورة وتكرارها على المساحة المطلوبة وهنا إعادة بناء الصورة لا يفقدها أية معلومات وتسمى هذه الطريقة من الضغط بطريقة الضغط بالتكرار repetition أما الطريقة الأخرى فتعرف باسم حذف التخلص من بعض البيانات الغير ضرورية irrelevancy حيث ان الكاميرا تأخذ الكثير من التفاصيل الدقيقة التي لا تدركها العين وعند ضغط الصورة بهذه الطريقة يتم التخلص منها لأنها لا تؤثر في محتويات الصورة.

كيف ينبعث الضوء من لمبات "الفلورسنت"

الضوء شكل من أشكال الطاقة وهذه الطاقة هي التي تنطلق من الذرة على شكل جسيمات تسمى الفوتونات الضوئيو Light Photons وهي ابسط مكونات الضوء وليس لها كتلة ولكن لها طاقة وكمية حركة.

انبعاث الفوتونات الضوئية من الذرة

نعلم أن الذرة لها مستويات طاقة محددة تسمى مدارات تتوزع فيها الالكترونات بطريقة معينة. عندما تكتسب هذه الالكترونات طاقة فإنها تنتقل إلى مستويات طاقة أعلى وعندها تصبح الذرة في حالة إثارة Excited atom، تزداد درجة اثارة الذرة كلما انتقلت الالكترونات إلى مدارات ذات طاقات اعلى وهكذا.
كيف يصدر الضوء

نستخلص من ذلك أن الذرة عندما تكتسب طاقة أو تفقدها فإن التغير يحدث على اتتقال للالكترونات على مدارات الطاقة للذرة. فالطاقة الحرارية أو التصادمات بين الذرات مع بعضها البعض تكسب الالكترونات الطاقة الكافية لتنتقل إلى مدارات أعلى. إن وجود الذرة في حالة الإثارة تعتبر حالة غير مستقرة وما تلبث أن تعود الالكترونات المثارة من المدارات ذات الطاقة العالية إلى مداراتها الأصلية وهنا تطلق الالكترونات أثناء رجوعها كمية من الطاقة على شكل فوتون ضوئي.

تختلف طاقة الفوتون المنبعث من ذرة إلى أخرى وذلك لان طاقة الفوتون تساوي الفرق بين طاقة المدرات التي ينتقل بينها الإلكترون. وهذا يؤدي إلى أن ذرات مختلفة تطلق فوتونات مختلفة وهذا ينعكس على لون الضوء المنبعث لان هنالك علاقة تربط بين طاقة الفوتون وطوله الموجي وهي

hc/l = E2-E1

حيث أن h هو ثابت فيزيائي يدعى ثابت بلانك، و c هي سرعة الضوء في الفراغ، و l الطول الموجي للفوتون المنبعث، أما المقدار E2-E1 فهو فرق الطاقة بين المدارين الذي انتقل الإلكترون بينهما.

كل مصادر الضوء تعمل بنفس الفكرة السابقة ولكن باختلاف طريقة إثارة الذرة فأحيانا تكون الطاقة حرارية مثل المصابيح العادية او مصابيح الغاز، او أن تكون الاثارة ناتجة عن التفاعلات الكيميائية مثل الأصابع المضيئة، او ان تكون الإثارة من خلال التصادمات بين الذرات كما هو الحال في المصابيح الفلوريسنت التي سنوضحها في الجزء القادم.
داخل انبوبة الفلوريسنت

العنصر الأساسي في أنبوبة الفلوريسنت هي الأنبوبة الزجاجية المفرغة من الهواء. هذه الانبوبة تحتوي على القليل من جزيئات الزئبق Hg وغاز خامل هو الأرجون Ar عند ضغط منخفض. كذلك تغطي سطح الأنبوبة الداخلي طبقة من مادة فوسفورية. يوجد على الأنبوبة الكترود للتوصيل الكهربي وفي داخل الأنبوبة يتصل الالكترود بفتيلة حرارية تطلق الالكترونات عندما تسخن بمرور التيار الكهربي بها.طرفي
ماذا يحدث عند تشغيل أنبوبة الفلوريسنت

بمجرد توصيل التيار الكهربي الموصل على طرفي الالكترود تسخن الفتيلتين على طرفي الأنبوبة وتنطلق الالكترونات منها. هذه الالكترونات تتعجل (تتزايد سرعنها) تحت تأثير فرق الجهد الكهربي المطبق على طرفي الانبوبة والذي يبلغ 240 فولت. تتصادم هذه الالكترونات المعجلة بذرات غاز الارجون فتعمل على تأيينها (تنتزع منها بعض الالكترونات وتترك ذرة الارجون على شكل أيون موجب)، تحت تأثير فرق الجهد الكهربي المطبق على طرفي الالكترود فإن الالكترونات السالبة تتسارع في اتجاه الجهد العالي (الموجب) بينما الأيونات الموجبة تتسارع في اتجاه الجهد المنخفض (السالب). وهذا يشكل دائرة كهربية يمر فيها التيار خلال غاز الأرجون المتأين. (تم تجاهل دور المشغل الابتدائي starter وسيأتي شرح دوره في الجزء القادم). عندما تصطدم الالكترونات والايونات المعجلة بغاز الزئبق داخل الأنبوبة الزجاجية المفرغة تثار ذرات الزئبق حيث تنتقل الكترونات ذرة الزئبق إلى مدارات ذات طاقة اعلى. ولكن هذه الالكترونات المثارة ما تلبث إلا وتعود لمداراتها الاصلية مطلقة بذلك الفوتونات الضوئية.

هذه الفوتونات الضوئية الناتجة عن ذرات الزئبق المثارة تكون في مدى الطيف فوق البنفسجية وذلك لخاصية في مدارات ذرة الزئبق وهذا الفوتونات لا تصلح للإضاءة ولهذا يجب تحويلها إلى مدى الطيف المرئي.

وهنا يأتي دور الغطاء الفسفورى المحيط بالجزء الداخلي للنبوبة الزجاجية حيث يمتص هذه الفوتونات ذات الأطوال الموجية في المدى فوق البنفسجي وتثار المادة الفسفورية ولكن عندما تعود فإن جزء من طاقة الفوتونات المنبعثة من ذرات الفسفور المثار يبد على شكل طاقة حرارية (ومن هنا نستنتج سبب الارتفاع الطيف في درجة حرارة الانبوبة الفلوريسنت) والجزء الباقي ينطلق على شكل فوتون ضوئي ذو طاقة اقل بحيث يصبح طوله الموجي في مدى الطيف المرئي. مما يعطي الضوء الأبيض والذي هو خليط لما يعرف بالوان الطيف السبعة.

ظاهرة امتصاص الطيف فوق البنفسجي وانبعاث الطيف المرئي بواسطة المواد الفسفورية يسمي بالفلوريسنت ومن هنا أطلقت على هذه المصابيح بأنابيب الفلوريسنت
ما هو دور المشغل أو ما يعرف بالستارتر

من المعروف أنه من الصعب الحصول على الضوء مباشرة من مصباح الفلوريسنت إذا كان الستارتر Starter معطل وفي اغلب الاحيان يتم استبداله بآخر جديد ليعود المصباح للعمل من جديد.. فما هو الدور الذي يلعبة هذا العنصر في الدائرة الكهربية .

من المعروف أن غاز الأرجون داخل الانبوبة لا يوصل التيار الكهربي إلا إذا أصبح متأين. ولحين تأينه يمرر التيار الكهربي في دائرة جانبية bypass circuit ويستمر التيار يمر في الستارتر لفترة وجيزة وهي الفترة اللازمة لكي تسخن الفتيلتين على طرفي الأنبوبة وتنطلق الالكترونات منها لتأين غاز الأرجون وعندها يتوقف الستارتر عن العمل (يمكنك فكه بعد اضاءة ضوء المصباح وستجد أن المصباح لا زال يعمل). ماذا يحدث داخل الستارتر؟؟
ماذا يحدث داخل الستارتر؟

الستارتر هو عبارة عن مصباح ضوئي صغير مثل فلاش الكاميرا يحتوي على طرفين من سلكين موصلين للتيار الكهربي. عند بدء تشغيل مصباح الفلوريسنت يبدأ التيار الكهربي في المرور من خلال الستارتر لان الغاز داخل الأنبوبة لازل عازلا للتيار الكهربي. يحدث بين طرفي سلك الستارتر تفريغ كهربي ينتج عنه بريق ضوئي يعمل على تسخين السلكين. احد هذين السلكين يتمدد في اتجاه الطرف الأخر فيتلامسان ويمر التيار الكهربي من خلالهما.

يستمر مرور التيار في الستارتر إلى أن يتأين غاز الأرجون كما ذكرنا سابقاً ويجد التيار الكهربي مقاومة أقل في غاز الارجون المتأين. عندها يتوقف مرور التيار في الستارتر ومن ثم يبرد الستارتر وينكمش السلك ليبتعد عن السلك الآخر. وينتهي دوره إلى أن يعاد تشغيل المصباح في المرة القادمة....

التيار الابتدائي يعمل على توليد بريق ضوئي بين طرفي السلكين للستارتر. الحرارة الناتجة عن الضوء تسخن السلك فيتمدد ليلامس الطرف المقابل للسلك. عند توقف التيار في الستارتر يبرد ويعود الطرف المتمدد إلى وضعه الطبيعي.

لا يدخل غاز النيون في فكرة عمل مصباح الفلوريسنت ولكن اشتهر اسم هذا النوع من المصابيح بضوء النيون !!!!

طابعات الكمبيوتر.. أنواعها وطريقة عملها

طابعة الكمبيوتر هي الجهاز المختص بنسخ المستندات والوثائق من جهاز الحاسوب علي الورق، وتختلف الطابعات فيما بينها من حيث دقة الطباعة والتي تعتمد على طريقة عمل كل نوع على حدة، وتنقسم الطابعات حسب طريقة العمل إلى الأنواع الآتية:
الطابعة الإبرية Dot Matrix Printer

أول طابعة إبرية ظهرت في عام 1964 وهى (Epson DP-101) وظهرت بعد ذلك (Epson FX80) في عام 1984 وكانت هذه الطابعات بطيئة نوعا ما. سميت بالطابعات الابرية أو النقطية نسبة إلى فكرة عمل هذا النوع من الطابعات حيث تستخدم إبرة متحركة لتصطدم بشريط محبر. تكون نتيجة اصطدام الإبرة الواحدة على الشريط الحبري المثبت أمام الورق المراد الطباعة عليه هو ظهور نقطة بلون شريط الحبر. فإذا تخيلنا أن أي حرف أو رقم يمكن طباعته على شكل نقاط متراصة لترسم لنا الحرف على الورقة عن طريق عدة ضربات على الشريط الحبرى. وفى أغلب الأحيان يكون هناك تسع ابر أو 24 إبرة مثبتة في الرأس يتحكم بهم برنامج خاص ليرسم شكل الحرف أثناء حركة الرأس والورقة.

إن الفكرة الميكانيكية في تحريك الإبر هو عن طريق مغناطيس كهربي يقوم بجذب الابر باتجاه الشريط الحبرى وتعود الإبر إلى مكانها بواسطة زنبرك بعد زوال التأثير المغناطيسي.

الطابعات النقطية هي طابعات خطية لأنها تطبع سطرا سطرا ولهذا ميزة جيدة حيث يمكن استخدامها في طباعة فواتير وشيكات وغيره.

والطابعات التي تحتوي على 24-pin تعطى نتائج أفضل من ناحية الوضوح من الطابعات التي تحتوي على 9-pin وتستخدم هذه الطابعات في البنوك والشركات والمؤسسات عندما تكون المادة المطبوعة لا تحتوي على الصور والرسومات مثل طباعة الفواتير للزبائن أو عند الطباعة على أوراق مكربنة للحصول على عدة نسخ.

على الصعيد الشخصي لم يعد لهذا النوع من الطابعات استخدام حيث أن ظهور الطابعات من النوع قاذفة الحبر Inkjet لكفاءتها في الطباعة بالألوان ودقتها في طباعة الصور والرسومات وانخفاض سعرها.
الطابعات قاذفة الحبر Inkjet printers

أول شركة صنعت هذا النوع الجديد من الطابعات هي شركة Hewlett-Packard عام 1984 وأطلقت عليها اسم Ink jet printers وتبعتها شركة Canon عام 1986 وأطلقت على هذا النوع من الطابعات اسم Bubble jet printers وكلاهما له نفس فكرة العمل. هذه الطابعات أخذت مكانة أوسع من الطابعات الابرية سابقة الذكر عند الكثير من المستخدمين للكمبيوتر خاصة بعد انخفاض سعرها في هذه الأيام.

تعتمد طابعة الـ inkjet على قذف قطرات متناهية في الصغر من الحبر على الورق لرسم الصورة أو طباعة النصوص ومن خصائص هذه الطابعات هي:

* يصل حجم القطرات من الحبر إلى 50 مايكرون وهذا أدق من قطر شعرة.

* يتم توجيه القطرات إلى الورق بدقة متناهية مما يعطي وضوح يصل إلى دقة 1440x720 نقطة في الإنش. وهذا ما يعرف الـ resolution والتي تقدر بوحدة dpi أي dots per inch.

* يمكن الحصول على طباعة ملونة معين طريق التحكم بنسبة خلط الألوان الأساسية لكل قطرة قبل وصولها إلى الورقة.
فكرة عمل الطابعة قاذفة الحبر

تعتمد فكرة عمل هذا النوع من طابعات الكمبيوتر على تسخين جزء من مستودع الحبر إلى درجة حرارة تصل إلى 300 درجة مئوية. وهذا سوف يحدث فقاعات بخار داخل مستودع الحبر مما تدفع قطرات الحبر إلى الخارج من فتحة خاصة تدعى Jet يصل عدد هذه الفتحات إلى 400 فتحة دقيقة يخرج منها الحبر قطرات الحبر في نفس اللحظة. بمجرد ملامسة قطرات الحبر الورقة تجف مباشرة. هذه العملية تتكرر عدة آلاف مرة في الثانية الواحدة.

وهنا نلاحظ أنه لا يوجد أجزاء متحركة في الرأس -ما عدا الحبر بالطبع- مما يجعل الطابعة أكثر هدوءاً وتصل دقة هذا النوع من الطابعات إلى 300dpi أي تضاهى طابعات الليزر. وهذا سبب تسمية الطابعة من هذا النوع بطابعة نصف ليزر.

بتسخين المعدن الملامس للحبر تخرج فقاعة من بخار الحبر

تدفع الفقاعة الحبر ليخرج من الفتحة الدقيقة إلى الورق

ماذا يحدث عندما نضغط على أمر الطباعة في الكمبيوتر؟

1. عند الضغط على أمر الطباعة في الكمبيوتر تحدث الخطوات التالية:

2. يقوم برنامج الطابعة بإرسال البيانات إلى معالج الطابعة الـ Driver.

3. يقوم الـ Driver بمعالجة البيانات وترجمتها إلى اللغة التي تفهمها الطابعة ويتأكد البرنامج من أن الطابعة المتصلة بالكمبيوتر وأنها تعمل.

4. ترسل البيانات عبر السلك المتصل بين الكمبيوتر والطابعة.

5. تخزن البيانات في ذاكرة الطابعة RAM.

6. يقوم البرنامج بتشغيل موتور رأس الطابعة ويحركه عبر محور الطابعة للتأكد من أنه يعمل ويتم مسح الرأس في هذه الحركة.

7. كذلك يتم تشغيل موتور تحريك الورقة وتجهيز الورقة في المكان المخصص للبدء في الطباعة.

8. تبدأ الطابعة في العمل بتحريك كلا من الورقة ورأس الطابعة ليقوم برسم البيانات حسب تدفقها من الكمبيوتر إلى ذاكرة الطابعة ويتولى البرنامج بالتحكم بالحبر والألوان وتحريك الورقة كلما انتهى الرأس من مسح السطر وتتكرر العملية إلى أن يتم رسم كافة البيانات المرسلة من الكمبيوتر.

تكاليف الاستخدام لهذا النوع من الطابعات يعتبر الأنسب بالمقارنة بطابعة الليزر وتعتبر تكاليف الطباعة ارخص بكثير إذا ما قورنت بطابعة الليزر الملونة وفي أغلب الأحيان تباع الطابعة بأرخص من تكلفتها وهنا تعتمد الشركات المصنعة في ربحها من بيع الحبر المخصص لكل طابعة. الذي يعتبر سعره مكلفاً لأن تغير الحبر يعنى تغير الرأس.

طابعة الليزر Laser printer

إن طابعة الـ Inkjet تعمل من خلال دفع قطرات الحبر إلى الورق ليتم نقل البيانات والمعلومات من الكمبيوتر إلى الطابعة ولكن كيف تعمل طابعة الليزر التي تستخدم شعاع الليزر؟؟

اخترعت شركة Xerox تكنولوجيا طابعات الليزر في أوائل السبعينات وفى عام 1977 تم تسويق طابعات ليزر تصل سرعة طباعتها إلى 120 صفحة في الدقيقة ومنذ 1984 سعت شركة Hewlett-Packard إلى تطوير عدة أنواع من طابعات الليزر لتناسب جميع الأعمال وأصبحت طابعات الليزر التى تحمل ماركة Hewlett-Packard تحتل 70% من سوق طابعات الليزر.

تختلف طابعات الليزر عن غيرها في أنها تطبع الصفحة كاملة وليس سطر سطر كما في النوعين سابقي الذكر ولهذا السبب تحتاج طابعة الليزر إلى ذاكرة داخلية 1Mbyte على الأقل. وسعة الذاكرة تلعب دورا في سعر الطابعة.

بعض طابعات الليزر تكون مزودة بـ Post script وسعرها مرتفع عن أخرى لا تحتوى على هذه القطعة، لأنها تزيد من كفاءة الطابعة حيث يقوم الكمبيوتر بإرسال ما تحتويه الصفحة المراد طباعتها من تصاميم ورسومات وغيره في صورة وصف دقيق إلى الـ Post script الذى بدوره يقوم بباقي العمل تاركا لك الكمبيوتر لتكمل عملك بينما الطابعات التى لا تحتوى Post script فإن البرنامج المستخدم سوف يقوم بعمل كل شيء ليرسل تفاصيل الصفحة مما يستغرق الكمبيوتر وقتا طويلاً لينهى عمله.
فكرة عمل طابعة الليزر

تعتمد فكرة عمل طابعة الليزر على الشحنة الكهروستاتيكية، مثلها مثل فكرة عمل ماكينة تصوير المستندات. والشحنة الكهروستاتيكية هي إلى يكتسبها الجسم المعزول مثل الشحنة التي يكتسبها المشط عند تمشيط الشعر أو البالون عند حكة بالصوف ومن المعروف أن الشحن السالبة تجذب الشحنة الموجبة.

وتعمل طابعة الليزر من خلال مادة حساسة للضوء تسمي photoconductive هذه المادة تفقد شحنتها إذا سقط ضوء عليها. ففي البداية يتم شحن الدرم drum بشحنة موجبة بواسطة سلك يمر به تيار يسمى بـ charge corona wire وبدوران الدرم تقوم الطابعة بتسليط شعاع الليزر المنعكس من المرأة بمسح الاسطوانة أثناء حركتها على شكل سطور أفقية حيث يحتوى كل سطر على مجموعة من النقط، يتحكم بعملية المسح هذه معالج خاص microprocessor موجود داخل الطابعة فيقوم بتشغيل الليزر عند المناطق البيضاء ويطفئه عند المناطق السوداء ليتم تفريغ الشحنة من بعض المواقع بحيث ترسم الحروف والأشكال المرسلة من الكمبيوتر فى صورة مناطق مشحونة كهربيا.

بعد ذلك تقوم الطابعة بتمرير الدرم على حبيبات الحبر والذي يسمى بالتونر toner المشحون بشحنة موجبة نتيجة للشحنة الموجبة لحبيبات الحبر فإنها تلتصق على الدرم في المناطق التي مر عليها الليزر أما المناطق من الدرم المشحونة بشحنة موجبة فلن يلتصق بها التونر لأن الشحنات المتشابه تتنافر. وباستمرار دوران الدرم ينتقل الحبر الملتصق به إلى الورق المراد الطباعة عليه حيث تقوم الطابعة بإكساب الورقة شحنة سالبة من خلال سلك يمر به تيار corona wire. وهذا يساعد الورقة على جذب حبيبات التونر المشحون بشحنة موجبة لينتقل من الدرم إلى الورقة.

ولمنع الورقة من الانجذاب إلى الدرم فإن الطابعة بمجرد انتقال حبيبات التونر إلى الورقة يتم تفريغ شحنة الدرم من خلال لمبة ضوئية لتجهيز الدرم للدورة الثانية. كل ذلك يعمل خلال دوران الدرم وحركة الورقة بفس السرعة والتوقيت. وفي المرحلة الأخيرة تمرر الورقة قبل خروجها من الطابعة على فرن حراري على شكل اسطوانتين دائريتين لتثبيت التونر على الورقة. وهذا يفسر سخونة الورقة بعد خروجها من الطابعة مباشرة.
خصائص طابعة الليزر

كثير من الأحيان يفضل استخدام طابعة الليزر عن الطابعات الأخرى مثل Inkjet وذبك للأسباب والخصائص التالية:

* تعتبر طابعات الليزر الأسرع لأن شعاع الليزر يتحرك بسرعة كبيرة لرسم بيانات الصفحة على الدرم.

* تعتبر تكلفة تشغيلها طابعة الليزر اقل من تكلفة طابعات قاذفة الحبر لأن الحبر المستخدم ارخص ويخدم لفترة أطول ولهذا تستخدم طابعات الليزر في المؤسسات والمكاتب حين الحاجة إلى طباعة مستندات طويلة.

* قدرة طابعة الليزر على العمل على نظام الشبكات بحيث يمكن لأكثر من مستخدم الطباعة باستخدام طابعة ليزر مركزية جعلها أكثر انتشارا.

* تصل دقة الطباعة بواسطة طابعة الليزر إلى درجة تضاهي صور الكاميرا وهذا يعود إلى حزمة الليزر المركزة.

* انخفاض ثمن طابعة الليزر جعل العديد من المستخدمين على الصعيد الشخصي استخدامها بدلاً من الطابعة قاذفة الحبر.

* يمكن دمج طابعة الليزر وماكينة تصوير المستندات والماسح الضوئي وجهاز الفاكس في جهاز واحد لتوفير مساحة في المكتب وكذلك تقليل عدد الأسلاك المتصلة بين تلك الأجهزة والكمبيوتر.

طابعة الليزر الملونة Color Laser printer

يتواجد حالياً في الأسواق طابعات ليزر ملونة فكرة عملها شبيهة بفكرة عمل طابعة الليزر العادية سوى إن الورقة تمر بالمراحل سابقة الذكر أربعة مرات مرة للون الأسود وثلاث مرات للألوان الأساسية الثلاث الأحمر والأزرق والأصفر حيث يقوم برنامج الطابعة بفرز الألوان للصفحة المطلوب طباعتها من الكمبيوتر ويطبع كل لون على حدة في مرحلة منفصلة وفي النهاية نحصل على الورقة مطبوعة بنفس الألوان التي تظهر على شاشة الكمبيوتر

الديود باعث للضوء

الديود هو اصغر أداة مصنعة من مواد أشباه الموصلات، حيث أن أشباه الموصلات هي مواد شبه موصلة للكهرباء وهي مصنعة من مواد ضعيفة التوصيل للتيار الكهربي ومطعمة بنسبة من الشوائب من مادة أخرى وتسمي عملية التطعيم Doping.

يختصر اسم الديود الباعث للضوء بـ LED وهي أول حرف من كلمات Light Emitting Diodes والتي توضح فكرة هذه الأداء وهي إصدار الضوء، ولهذه الأداة LED تطبيقات عديدة في مجال الإلكترونيات وتدخل في تركيب العديد من الأجهزة الحديثة حيث تضيء الـ LED لتعلم المستخدم أن الجهاز يعمل مثل اللمبة الحمراء التي تضيء عندما يكون جهاز التلفزيون في حالة الاستعداد أو في أجهزة الراديو عند استقبال محطة عليه وتدخل في الساعات الرقمية والريموت كنترول والتلفزيونات الكبيرة التي تستخدم كشاشات عرض كبيرة وفي إضاءة إشارات المرور.

باختصار الـ LED عبارة عن لمبة ضوء إلكترونية اي لا تحتوي على فتيلة ولا تسخن كما في المصابيح الكهربية. فهي تصدر الضوء من خلال حركة الإلكترونات في داخل مواد من أشباه الموصلات semiconductor التي تتكون منها الترانسستورات.
سر عمل الديود

في حالة الـ LED فإن المادة الموصلة هي ألومونيوم جاليوم ارسانيد (AlGaAs) التي تكون في الحالة النقية تماماً فإن كل الذرات تكون مرتبطة مما ينتج عنه عدم توفر إلكترونات حرة لنقل التيار الكهربي، ولكن عند تطعيم هذه المادة بنسبة محددة فإن الحالة السابقة من عدم توصيل التيار الكهربي تتغير حيث بإضافة إلكترونات أو سحب إلكترونات لترك فجوات يمكن للإلكترون من الحركة فإن المادة تصبح شبه موصلة للتيار الكهربي.

أشباه الموصلات بإلكترونات إضافية من التطعيم تسمى مواد من النوع N وهو الحرف الأول من كلمة Negative أي سالبة الشحنة لان حاملات الشحنة هي الإلكترونات التي تتحرك من المناطق السالبة الشحنة إلى المناطق الموجبة الشحنة.

أما أشباه الموصلات التي تحتوي على نقص في إلكترون أو أكثر أي ما يعرف بالفجوة تسمى مواد من النوع P وهو الحرف الأول من كلمة Positive أي موجبة الشحنة حيث ينتقل الإلكترون من فجوة إلى أخرى مما يعتبر من ناحية أخرى أن الفجوة هي التي تنتقل والتي تمثل الشحنة الموجبة التي تنتقل من المنطق الموجبة إلى المناطق السالبة.

الديود هو عبارة عن اتصال مادتين شبه موصلتين احدهما من النوع N والأخرى من النوع P مع وجود الكترود على الطرفين الخارجيين لتوصيل الديود بفرق الجهد الكهربي في دائرة كهربية. فعندما لا يوجد فرق جهد كهربي مطبق على طرفي الالكترود فإن الإلكترونات في المادة N تنتقل إلى الفجوات في المادة P من خلال الوصلة بين المادتين مكونة منطقة استنزاف Depletion Zone. في منطقة الاستنزاف تتحول إلى منطقة عازلة لان كل الفجوات احتوت على إلكترونات مما أصبحت حركة الإلكترونات معدومة لعدم توفر الفجوات.

عند الوصلة بين المادتين فإن اللكترونات في المادة N تنتقل إلى الفجوات في المادة P. مما تترك المنطقة الوسطى منطقة الاستنزاف عازلة.

للتخلص من المنطقة العازلة التي تكونت عند الوصلة فإنه يجب دفع الإلكترونات على الحركة من المادة N إلى المادة P خلال منطقة الستنزاف ولعمل هذا نحتاج الى بذل شغل على هذه الإلكترونات لإجبارها على الحركة خلال المنطقة العازلة من خلال استخدام بطارية كهربية لإنتاج فرق جهد كهربي ينتج عنه مجال كهربي يؤثر بقوة على الإلكترونات. فنقوم بتوصيل الالكترود الموصول على المادة N بالقطب السالب للبطارية ويوصل الالكترود على المادة P بالطرف الموجب للبطارية فتتنافر الإلكترونات في المادة N مع طرف البطارية السالب وتندفع تجاه منطقة الاستنزاف وتتحرك الفجوات في المادة P تحت تأثير قوة التنافر مع القطب الموجب للبطارية تجاه منطقة الاستنزاف وبزيادة فرق جهد البطارية تستطيع الإلكترونات من عبور منطقة الاستنزاف وتتحد مع الفجوات وتلغي منطقة الاستنزاف وتصبح وصلة الديود موصلة للتيار الكهربي.

نقوم بتوصيل الالكترود الموصول على المادة N بالقطب السالب للبطارية ويوصل الالكترود على المادة P بالطرف الموجب للبطارية مما يؤدي إلى تلاشى منطقة الاستنزاف.

في حالة توصيل البطارية بالاتجاه المعاكس للمرة السابقة تصبح وصلة الديود عازلة للتيار الكهربي، فبتوصيل الالكترود على الطرف N مع القطب الموجب للبطارية وتوصيل الكترود المادة P بالطرف السالب للبطارية كما في الشكل ادناه فإن منطقة الاستنزاف تتزداد وذلك لانجذاب الإلكترونات ناحية الطرف الموجب للبطارية والفجوات تجاه الطرف السالب للبطارية وينعدم مرور التيار نتيجة لحركة الإلكترونات والفجوات في اتجاهين متعاكسينن يزيد من منطقة الاستنزاف.

بتوصيل الالكترود على الطرف N مع القطب الموجب للبطارية وتوصيل الكترود المادة P بالطرف السالب للبطارية يؤدي ذلك إلى ازدياد منطقة الاستنزاف العازلة.

كيف ينتج الديود الضوء

الضوء هو عبارة عن طاقة تنتج أو تنبعث من الذرة في صورة أشباه جسيمات تسمى الفوتونات Photons لها كمية حركة وكتلتها صفر. وسميت أشباه جسيمات لان الضوء له طبيعة مزدوجة فيمكن أن يكون موجة ويمكن أن يكون جسيم .

تنطلق الفوتونات من الذرات نتيجة لحركة الكرترونات، ففي الذرة تتحرك الإلكترونات في مدارات دائرية حول النواة يعتمد نصف قطر المدار على كمية الطاقة التي يحمتلها الإلكترون فكلما كانت الطاقة كبيرة كان نصف قطر المدار أي الالكترن ابعد عن النواة.

عندما ينتقل إلكترون من مدار منخفض إلى مدار أعلى فإنه يمتص طاقة خارجية ليتم الانتقال أما في حالة عودة الإلكترون من المدار الأكبر إلى المدار الأدنى فإنه تتحرر طاقة يحملها فوتون تساوي فرق الطاقة بين المدارين. وبالتالي فإن طاقة الفوتون تتحدد بفارق الطاقة بين المداريين الذين انتقل بينهما الإلكترون وهذا يدل على ان طاقة الفوتون يمكن ان تكون متغيرة المدارات التي حدثت بينها الانتقالات، تغير طاقة الفوتون تعني تغير في الطول الموجي للفوتون فيمكن ان يكون فوتون على شكل ضوء مرئي أو ضوء غير مرئي.

في حالة وصلة الديود فإن الإلكترونات الحرة تحرك عبر وصلة الديود في اتجاه الفجوة وهذا يعني أن الإلكترون عندما يتحد مع الفجوة كما لو انه انتقل من مدار عالي الطاقة إلى مدار منخفض الطاقة وتنطلق الطاقة على شكل فوتون. ولكن لا نرى الفوتون المنبعث إلا إذا كان ذو طول موجي في الطيف المرئي وهذا لا يتحقق في كل وصلات الديود ففي الديود المصنعة من مادة السليكون يكون الفوتون المنطلق في منطقة تحت الحمراء من الطيف الكهرومغناطيسي ولا يرى بالعين المجردة ولكن له تطبيقات هامة في الرموت كنترول حيث تنتقل التعليمات من الرموت كنترول إلى التلفزيون على شكل نبضات من الفوتونات تحت الحمراء يفهمها مجس الاستقبال في التلفزيون.

وللحصول على وصلة ديود تعطي ضوء مرئي فإنه يستخدم مواد ذات فارق طاقة اكبر بين مدار الإلكترون في المادة N والفجوة في المادة P التي تمثل المدار ذو الطاقة الأدنى. حيث أن التحكم في هذا الفارق يحدد لون الضوء المنبعث من الديود عند اتحاد الإلكترون مع الفجوة خلال وصلة الديود.

في حين ان كل أنواع الديودات تعطي ضوء إلا أن هذا الضوء المنبعث له كفاءة معينة تحدد شدة الضوء المنبعث. حيث ان جزء من هذا الضوء يعاد امتصاصه داخل وصلة الديود. ولكن الديودات الباعثة لضوء LED تصمم بحيث يتم توجيه الضوء الى الخارج من خلال احتواء وصلة الديود داخل مادة بلاستيكية على شكل مصباح شبه كروي كما في الشكل أدناه لتركيز الفوتونات المنطلقة في اتجاه محدد.
خصائص الـ LED

تمتلك الـ LED خصائص تميزها عن المصابيح الكهربية التقليدية فهي في البداية لا تحتوي على فتيلة يمكن أن تحترق فتعيش LED مدة زمنية أطول بكثير كما أنها صغيرة الحجم تمكننا من استخدامها في تطبيقات إلكترونية عديدة، هذا بالإضافة إلى كفاءتها العالية بالمقارنة بالمصابيح التقليدية. ولا تنبعث منها أي طاقة حرارية التي تعتبر طاقة مفقودة

كيفية عمل أقراص الدي في دي وإضافاتها التقنية

لم يمض وقت طويل على انتشار أجهزة الفيديو وأشرطة الـ VHS التي لا يخلو بيت منها حتى بدأت الأقراص المدمجة المعروفة باسم السي دي CD بالانتشار وأصبحنا نمتلك العديد منها بالإضافة إلى شراءنا لأجهزة تقوم بتشغيلها للاستمتاع بمشاهدة الأفلام والاستماع إلى الموسيقى ولكن أصبحت هذه التكنولوجيا قديمة وأصبحنا نبحث عن الأفضل في تكنولوجيا جديدة بتقنيات عالية تسمى مشغل أقراص الديفيدي DVD لتحل محل أشرطة الفيديو والسي دي، فما هي أقراص DVD وما هو الاختلاف بينها وبين السي دي CD وماذا أضافت عن أشرطة الفيديو؟
إمكانيات قرص الـ DVD

1. فيلم يصل طوله لـ 135 دقيقة بجودة ونقاوة عالية جداً تصل إلى 720 نقطة كدقة أفقية.

2. خمس قنوات صوتية لتعطي نظام سمعي يسمى بنظام 5.1 لإعطاء صوت مماثل لدور العرض السينمائية.

3. ترجمة بعدة لغات تصل إلى 32 لغة.

وإذا ما قورنت السعة التخزينية للـ DVD بالسعة التخزينية للـ CD فانه يمكن تخزين ثماني ساعات من الصوت بجودة الصوت المخزن على الـ CD والذي لا يزيد عن ساعة واحدة

أما إذا ما قورن الـ DVD بأشرطة الفيديو فإن للـ DVD عدة مزايا هي

والسؤال الذي يطرح نفسه الآن هو كيف يمكن أن نحصل على سبعة أضعاف سعة القرص المدمج العادي CD، على قرص له الأبعاد ذاتها؟

ببساطة تكمن الفكرة في تصغير أبعاد العناصر المكونة للبيانات، ولتوضيح تلك الفكرة فإننا نحتاج إلى فهم تركيب قرص الـ DVD وكيف تتم كتابة البيانات عليه وكيف تتم قرأتها،

يتكون قرص الـ DVD من عدة طبقات من البلاستيك بسمك إجمالي قدره 1.2 مم تعرف باسم polycarbonate وعلى هذه الطبقة يوجد طبقة رقيقة من الألمونيوم اللامع بسمك 1.25 نانومتر مغطاة بطبقة حماية من مادة lacquer.ويمكن ان نحصل على قرص DVD بطبقة مفردة أو بطبقة مزدوجة لتكوين قرص DVD.

مكونات قرص الـ DVD بأنواعه المختلفة والسعة التخزينية لكل قرص

كل طبقة من طبقات قرص الـ DVD تحتوي على مسار حلزوني لتخزين البيانات ويبدأ هذا المسار من الداخل إلى الخارج. وبهذه الطريقة يمكن أن نحصل على قرص DVD بنصف قطر سمكه 12 سم إذا كان ذلك مطلوباً.

وبالنظر تحت المجهر الإلكتروني لتكبير سطح الـ DVD والتعرف على شكل هذه المسارات اللولبية التي تحتوي على البيانات وذلك في صورة مرتفعات Bits عرضها لا يتجاوز 320 نانومتر وارتفاعها 120 نانومتر ويفصل بين المسار والذي

يليه مسافة تبلغ 740 نانومتر وهذه مساحات متناهية في الصغر وللتوضيح أكثر نفترض أننا قمنا تحويل المسار اللولبي إلى مسار مستقيم سنحصل على شريط عرضه 320 نانومتر وطوله يتجاوز الـ 12 كيلومتر!! ولقراءة هذه المعلومات نحتاج إلى جهاز خاص هو جهاز الـ DVD player أي مشغل أقراص الديفيدي.

من الأرقام المتناهية في الصغر نستنتج كم هي حجم البيانات الرقمية التي يمكن تخزينها على قرص DVD وهذا للنوع المكون من طبقة واحدة أما قرص الDVD المكون من طبقتين على وجهي الاسطوانة فإنه يمكن أن نصف طول المسار الحلزوني الذي تسجل عليه المعلومات بـ 48 كيلومتر!

يمكن للبوصة من مسار قرص DVD، وعن طريق تقليص أبعاد تجاويف البيانات، أن تستوعب حوالي ضعف كمية البيانات، التي تستوعبها البوصة الواحدة من مسار قرص CD. ولكي نحصل على معدل نقل قريب من 600 كيلوبايت في الثانية، الذي نحتاجه للفيلم السينمائي، يجب أن يدور قرص DVD بشكل أسرع من دوران قرص CD القياسي.

وتقدم سواقات DVD-ROM معدلات أعلى لنقل البيانات، للاستخدامات المتعلقة بتطبيقات البيانات، فالسرعة الأحادية تبلغ 1.3 ميجابايت في الثانية، وتتوفر في الأسواق سواقات تعمل بضعف هذه السرعة.

يقوم جهاز مشغل أقراص DVD بالبحث عن المعلومات المخزنة في صورة Bits على المسارات اللولبية سابقة الذكر وقراءتها وهذا يتطلب دقة عالية.

ويمكن تقسيم مشغل أقراص السي دي إلى ثلاثة أقسام رئيسية هي:

الموتور: يقوم بتدوير قرص السي دي والتحكم بسرعته التي تتراوح من 200-500 دورة في الدقيقة.

الليزر والعدسة: وهو الأداة المستخدمة لقراءة البيانات من القرص حيث تعمل العدسة على تركيز أشعة الليزر على القرص ويمتاز شعاع الليزر بقصر طوله الموجي (780 نانومتر) ليتمكن من قراءة البيانات الدقيقة على القرص.

الباحث: وهو الذي يقوم بتوجيه شعاع الليزر على المسارات المخصصة للبيانات بدقة فائقة.

كما تجدر الإشارة إلى أن مشغل الأقراص يحتوي على قطع الكترونية تشكل كمبيوتر لتقوم بتحويل البيانات المخزنة في صورة رقمية Digital مشفرة إلى إشارة تناظرية Analogue .

أشعة اكس ماهيتها وكيفية عملها

أشعة اكس في الأساس مثل الأشعة المرئية حيث أنها جزء من الطيف الكهرومغناطيسي ولكن أشعة اكس تحمل طاقة أكبر من طاقة الأشعة المرئية بكثير. ولشرح ذلك دعنا نجري مقارنة بين الأشعة المرئية وأشعة اكس، يمكن التمييز بين هذين النوعين من الأشعة من حيث طاقة الفوتون أو الطول الموجي أو التردد وكل تلك الكميات ترتبط مع بعضها البعض من خلال المعادلات التالية:

طاقة الفوتون = ثابت بلانك x التردد E = hv

التردد = سرعة الضوء / الطول الموجي v = C/L

تمتاز أشعة اكس بان طاقة فوتوناتها اكبر من طاقة فوتونات الأشعة المرئية وهذا يعني أن ترددها كبير وطولها الموجي قصير.

الطيف الكهرومغناطيسي: تزداد طافة الفوتونات من اليسار لليمين.

تستطيع العين البشرية الرؤية لأن الله سبحانه وتعالى حدد لنا هذا الجزء من الطيف الكهرومغناطيسي نستطيع الرؤية والتمتع بحساسية الإبصار من خلاله وبالتالي تعتبر أشعة اكس أشعة غير مرئية بالنسبة لنا مثلها مثل أشعة الراديو والأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية ولكن الفرق بين كل تلك الأشعة هي خواصها من ناحية طاقة الفوتون والتردد والطول الموجي لها.

الذرة التي تنتج الأشعة المرئية هي نفسها التي تنتج أشعة أكس

كلأ من الأشعة المرئية وأشعة اكس تنتج من الانتقال الاكتروني بين مستويات الطاقة في الذرة. تشغل الالكترونات مستويات طاقة أو مدارات مختلفة حول النواة في الذرة وعندما ينتقل الكترون من مستوى طاقة عالي إلى مستوى طاقة منخفض ينطلق فوتون يحمل فرق الطاقة بين المستويين. تعتمد طاقة الفوتون المنبعث على الفرق بين مستويات الطاقة في الذرة فيمكن أن تكون طاقة الفوتون الناتج في مدى الأشعة المرئية فينتج ضوء مرئي ويمكن ان تكون طاقة الفوتون المنبعث في المدى الغير المرئي فينتج أشعة غير مرئية، اذا نستنتج أن ما يحدد طاقة الفوتون الناتج أو المنبعث من الذرة هو الانتقال الالكتروني بين مستويات الطاقة.

عندما يصطدم الفوتون المنبعث بذرة أخرى فإن تلك الذرة تمتص طاقة الفوتون من خلال احد الكتروناتها لينتقل الالكترون من مستوى طاقة منخفض إلى مستوى طاقة أعلى لأنه امتص طاقة إضافية. وشرط امتصاص الإلكترون طاقة الفوتون أن تكون طاقة الفوتون تساوي فرق مستويات الطاقة التي سينتقل لها الإلكترون (هذا شرط يعود إلى طبيعة الذرة بنية الذرة كما خلقها الله سبحانه وتعالى) وإذا اختل هذا الشرط فلن يحدث امتصاص الفوتون من قبل الذرة.

الذرات التي تكون أجسامنا تتعامل مع الأشعة الكهرومغناطيسية (نقصد كل الأشعة المرئية والأشعة الغير مرئية) بنفس الآلية السابقة، فأشعة الراديو التي تحيط بنا لا تمتلك الطاقة الكافية لتنقل الكترونات الذرات من مستوى طاقة إلى مستوى طاقة أعلى لذلك فهذه الأشعة تعبر أجسامنا دون امتصاص لفوتوناتها. أما أشعة أكس ففوتوناتها ذات طاقة عالية تمكنها من أن تعبر كل الأشياء في طريقها ولكن بطريقة مختلفة عن أشعة الراديو حيث تستطيع أشعة اكس ان تمنح الكترونات الذرات الطاقة الكافية مما قد تسبب تلك الطاقة من تحرير الالكترونات من الذرة تماما كما يحدث في ذرات العناصر الخفيفة (عددها الذري قليل) حيث يستغل جزء من طاقة فوتون أشعة اكس من تحرير الالكترون من الذرة والجزء المتبقي يكسب الالكترون طاقة حركة ليغادر الذرة. ولكن في ذرات العناصر الثقيلة (لها عدد ذري كبير) فإنها تمتص طاقة أشعة اكس لوجود مستويات طاقة تتوافق مع طاقة فوتون أشعة اكس.

نستنتج مما سبق أن العناصر الخفيفة ذات ذرات صغيرة لا تمتص أشعة اكس وان العناصر الثقيلة ذات الذرات الكبيرة تمتص أشعة اكس.

الخلايا المكونة للجلد في اجسامنا تتكون من ذرات صغيرة وبالتالي لا تمتص أشعة اكس بينما ذرات الكالسيوم المكونة للعظام هي ذرات كبيرة وتمتص فوتونات أشعة اكس.

استخدامات أخرى لأشعة اكس

لأشعة اكس استخدامات جمة وفي مجالات عديدة فكما أن لأشعة اكس دور كبير في تطور علم الطب فقد لعبت هذه الأشعة دور كبير في مجال ميكانيكا الكم وعلم البلورات وعلم الفلك وفي مجال التطبيقات الصناعية تستخدم أشعة اكس كماسحات للكشف عن العيوب في المنتجات الصناعية وتعتبر أشعة اكس احد أهم المعدات المستخدمة في المطارات للكشف عن الأجسام المشبوهة.

جهاز إنتاج أشعة اكس

يشكل الالكترود قلب جهاز إنتاج أشعة اكس والذي يتكون من كاثود وأنود داخل انبوبة زجاجية مفرغة من الهواء. يتكون الكاثود من فتيلة تسخين مثل الموجودة في المصباح الكهربي، عندما يمر التاير الكهربي خلال الفتيلة ترتفع درجة حرارتها تدريجياً إلى ان تصل درجة الحرارة التي تمكن إلكترونات الفتيلة من الانبعاث من سطحها. الأنود عبارة عن قرص من التنجستين مشحون بشحنة موجبة تعمل على جذب الالكترونات المحررة من الكاثود.

يطبق فرق الجهد عالي بين الكاثود والأنود يساعد على تعجيل الإلكترونات لتنطلق بقوة في اتجاه الأنود. عندما تصطدم الالكترونات بذرات مادة الانود (التنجستين) فإن هذه الإلكترونات تعمل على الاصطدام بالكترونات ذرات التنجستين في المدارات الداخلية القريبة من نواة الذرة والتي تكون طاقتها كبيرة. يقوم إلكترون في مدار أعلى بسد الفراغ الذي حدث مما يحدث انطلاق لفوتون يحمل فرق الطاقة بين المستويين. ولأن الفرق في مستويي الطاقة كبير فإن الفوتون الناتج يكون فوتون أشعة أكس.

تصطدم الإلكترونات الحرة بذرة التنجستين، تحرر إلكترونات في مدارات داخلية.. تنتقل الكترونات من مدارات أعلى لتملئ الفراغ الناتج وينطلق فوتون يحمل فرق الطاقة.

يمكن ان نحصل على فوتونات أشعة أكس بطريقة أخرى وهي بدون ان تصطدم الإلكترونات الحرة بالذرة، وذلك عن كما في الحالة التالية: عندما تقترب إلكترونات حرة معجلة بالقرب من نواة الأنود فإنها تنجذب لها بفعل قوة كولوم الكهربية، لأن النواة موجبة الشحنة والإلكترونات سالبة فتنحرف الإلكترونات عن مسارها مما يؤدي إلى تغيير في طاقة حركتها وتنطلق فوتونات أشعة اكس تحمل فرق الطاقة قبل الانحراف بجوار النواة وبعده. يعرف هذه الطريقة بظاهرة الفرملة breaking action وبالألمانية تسمى بظاهرة بيرمشتراهلينج Bremsstrahlung هي الاسم العلمي لظاهرة إنتاج أشعة اكس اي فرملة الالكترونات عند مرورها بجوار انوية العناصر الثقيلة التي تشكل مادة الأنود.

الإلكترونات الحرة تنجذب إلى نواة ذرات التنجستين، وكلما اقتربت تلك الالكترونات المعجلة من النواة فإنها تنحرف عن مسارها مما ينتج تغيير في طاقتها فتنطلق فوتونات أشعة أكس.

نستنتج مما سبق ان الذرة هي المسؤولة عن إنتاج أشعة اكس ولكن يختلف الأمر عنه في حالة الأشعة المرئية حيث إنه يتم إثارة إلكترونات المدارات الداخلية للعنصر المنتج لأشعة اكس بينما في الأشعة المرئية يتم إثارة الكترونات المدارات الخارجية.

ملاحظة

إن التصادم الحادث بين الإلكترونات المعجلة ومادة الأنود لتوليد أشعة أكس تعمل على توليد الكثير من الحرارة. لذلك يستخدم موتور ليعمل على لف قرص الأنود لنضمن تعرض مناطق مختلفة من مادة الأنود لشعاع الإلكترونات في كل مرة، مما يحميه من الانصهار بفعل الاصطدام المستمر والحرارة الناتجة.

تستخدم حواجز من الرصاص لمنع أشعة اكس من الخروج والانبعاث في كافة الاتجاهات. ويتم تحديد منفذ أشعة اكس عبر نافذة تفتح في الحواجز وقبل خروجها تمر عبر عدة مرشحات قبل أن تسقط على جسم المريض المراد تصويره.

تثبت كاميرا لتسجيل فوتونات أشعة اكس التي عبرت خلال جسم المريض وتستخدم تلك الكاميرات أفلام خاصة حساسة لأشعة اكس تستخدم نفس التكنولوجيا المستخدمة في الأفلام العادية المستخدمة في التصوير بالكاميرات العادية الحساسة للضوء المرئي.

يتم الاحتفاظ بالصورة في صورة نيجاتيف ويتم فحص الصورة تحت ضوء أبيض فتظهر المناطق التي امتصت أشعة اكس مثل العظام والمواد الصلبة تظهر في الصورة بيضاء بينما المناطق التي لم تمتص أشعة اكس مثل الجلد والعضلات والأوعية الدموية تظهر في الصورة معتمة.

مادة التباين Contrast Media والتصوير الفلورسكوبي

في صورة أشعة اكس لجسم المريض لا يظهر أية أثار للأوعية الدموية أو للأعضاء العضوية مثل الكبد او المعدة أو الأمعاء، ولإظهار أية من تلك الأعضاء في صورة أشعة اكس بغرض تشخيص مرض ما فإن أخصائي أشعة أمس يحقن جسم المريض بمادة تباين contrast media مثل مادة الباريم barium.

تتكون مادة التباين هذه من سائل يمتص أشعة اكس بكفاءة أعلى من الأنسجة المحيطة به فعند حقن المريض بالباريم السائل في الوريد تصبح الأوعية الدموية قادرة على امتصاص أشعة اكس مما ينتج عنه صورة للأوعية الدموية على فيلم أشعة اكس. ويسمى التصوير بحقن المريض بمادة التباين بالفلوروسكوبي fluoroscopy.

يعتبر الفلوروسكوبي من التقنيات التي تستخدم أشعة اكس لتصوير تدفق مادة التباين خلال الجسم عبر فترات زمنية محددة فيتم حقن المريض بمادة التباين ومن ثم يتم تعريض المريض لجرعات من أشعة اكس على فترات زمنية متقطعة لرصد تدفق المادة وانسيابها خلال جسم المريض الصورة على شاشة فوسفورية تظهر مراحل انسياب مادة التباين خلال الجسم والطبيب يقرر الصورة التي يريد التقاطها عند فترات زمنية محددة للتشخيص فيما بعد.

فكرة عمل شاشات البلورات السائلة LCD

شاشة ال سي دي



تعتبر شاشات العرض الوسيلة التي تمكن الإنسان من الاستفادة من التكنولوجيا وقد نقصد بشاشات العرض هنا الشاشات بمختلف أنواعها فهناك الشاشات التي تعتمد على شعاع الإلكتروني أو الشاشات التي تعتمد شاشات البلازما وكل نوع من هذه الأنواع له فكرة عمل فيزيائية مختلفة ولكن في هذا الموضوع سنركز على شاشات البلورات السائلة. ولهذا فإن شاشات العرض تحيط بنا من كل جانب وتدخل في تركيب العديد من الأجهزة الإلكترونية وتكون بأحجام صغيرة مثل شاشات الساعات أو شاشات السي دي او الجوال وقد تكون بأحجام كبيرة مثل شاشات أجهزة الكمبيوتر المحمول أو شاشات التلفزيون التي يصل حجمها إلى 60 انش. تنوع أحجام شاشات البلورات السائلة وتميزها بصغر سمكها ساهم على انتشارها بشكل كبير وجعلها تدخل في العديد من التطبيقات التكنولوجية.
البلورات السائلة Liquid Crystals

نعلم أن المواد في الطبيعة إما في الحالة الصلبة أو السائلة أو الغازية. فالحالة الصلبة تكون فيها جزيئات المادة مرتبة باتجاه محدد وفي مواقع محددة بالنسبة لبعضها البعض أي لا تتحرك. أما في الحالة السائلة فإن جزيئاتها تكون في حالة حركة مستمرة ولا يجمعها اتجاه ترتيب محدد. ولكن هناك بعض المواد تكون في حالة وسطية أي بين السائل والصلب حيث تحافظ جزيئات المادة في هذه الحالة على اتجاه ترتيبها كما في جزيئات المادة الصلبة ولكن في نفس الوقت تتحرك مثل جزيئات الحالة السائلة، وهذا يعني أن البلورات السائلة هي ليست حالة صلبة وليست حالة سائلة ولكن بين الحالتين معا ومن هنا جاءت التسمية بالبلورات السائلة.

إذا هل يمكن أن نعتبر أن البلورات السائلة تتصرف مثل المواد الصلبة أو المواد السائلة؟ في الحقيقة أن البلورات السائلة اقرب إلى المواد السائلة منها إلى المواد الصلبة. باعتبار أن ارتفاع بسيط في الحرارة بحولها إلى سائل. ولهذا فإن البلورات السائلة حساسة للتغيرات في درجان الحرارة.
أنواع البلورات السائلة

كما يوجد العديد من المواد السائلة أو العديد من المواد الصلبة، فإن هناك العديد من أنواع البلورات السائلة، تتواجد البلورات السائلة في عدة اطوار مختلفة تعتمد على درجة الحرارة وطبيعة المواد التي تصنع منها والنوع المخصص لصناعة الشاشات هو من الطور الدوار او المتحرك nematic phase، ويمتاز هذا الطور في أن البلورات السائلة تتأثر بالتيار الكهربي. وهناك نوع محدد من البلورات السائلة ذات الطور الدوار يستخدم في شاشات العرض هو الطور الدوار الملتوي twisted nematics ويرمز له TN. وعندما تتعرض البلورات ذات الطور الدوار الملتوي إلى تيار كهربي فإنها تصبح غير ملتوية وتعتمد درجة الالتواء على شدة التيار الكهربي. تستخدم تكنولوجيا شاشات البلورات السائلة هذه الخاصية (خاصية الالتواء) في التحكم في مرور الضوء خلالها.

تصنيع شاشة من البلورات السائلة

يختلف الأمر عند الانتقال من تصنيع شريحة لمادة من البلورات السائلة عنه في حالة تصنيع شاشة عرض من البلورات السائلة. وهناك أربعة حقائق يجب أن تتوفر لإنتاج شاشات عرض من البلورات السائلة.

* الحقيقة الأولى ظاهرة استقطاب الضوء.
* الحقيقة الثانية ان البلورات السائلة تسمح بمرور الضوء وتغير من استقطابه.
* الحقيقة الثالثة طبيعة تركيب البلورات السائلة تتغير بتغير التيار الكهربي.
* الحقيقة الرابعة وجود مواد شفافة موصلة للكهرباء.
الفكرة الفيزيائية لعمل شاشات العرض التي تعتمد على البلورات السائلة

شاشات البلورات السائلة LCD هي عبارة عن أداة تستخدم الحقائق الأربعة السابقة لتظهر الصورة!

لتصنيع شاشة عرض من البلورات السائلة نستخدم لوحين من الزجاج المستقطب للضوء وهو عبارة عن مواد من البوليمر تحتوي على شرائح ميكروسكوبية (لا ترى بالعين المجردة) تغطي احد سطحي لوح الزجاج الذي لا يحتوي على شريحة الاستقطاب. يتم ضبط الشرائح الميكروسكوبية لتكون في نفس اتجاه الاستقطاب الشريحة المثبتة على السطح المقابل. تتم بعد ذلك إضافة طبقة رقيقة من البلورات السائلة ذات الطور الدوار. تعمل طبقة الشرائح الميكروسكوبية على توجيه البلورات السائلة لتصطف في اتجاه تلك الشرائح. يتم وضع الطبقة الأخرى من الزجاج ولكن مع التأكد ان شريحة الاستقطاب عمودية على اتجاه استقطاب الشريحة الأولي. تترتب الطبقات المتعاقبة من البلورات السائلة ذات الطور الدوار الملتوي بعضها فوق بعض من بدوران تدريجي يصل إلى 90 درجة بالنسبة لترتيب الطلقة الأولى.

عندما يسقط الضوء على الشريحة الزجاجية الأولي فإنها تعمل على استقطاب الضوء، ومن ثم تعمل جزيئات البلورات السائلة في كل طبقة على توجيه الضوء إلى الطبقة التي تليها مع تغير مستوى استقطاب الضوء. وعندما يصل الضوء للطبقة الأخيرة من طبقات البلورات السائلة فإنه يكون مستقطب في نفس اتجاء جزيئات تلك الطبقة وبالتالي ينفذ الضوء منها.

عند تطبيق مجال كهربي على جزيئات البلورات السائلة فإنها لا تلتوي وبالتالي فإن الضوء لا يمكن ان ينفذ من الجهة الأخرى.

* Light Waves شعاع ضوئي.
* Polarized Panels طبقة الزجاج المغطي بشريحة رقيقة من مواد مستقطبة للضوء.
* Electrods طبقة رقيقة من مادة شفافة موصلة للتيار الكهربي.
* Liquid Crystals طبقات جزيئات البلورات السائلة.

الزر على اليسار يعمل على تطبيق مجال كهربي على البلورات السائلة، ففي حالة وجود مجال كهربي لا يخرج الضوء ولكن عند فصل المجال الكهربي ينفذ الضوء.

إذا كيف يمكن أن نصنع شاشة بلورات سائلة؟

نبدأ بتوفير شريحتين متقابلتين من الزجاج بينهما طبقة من البلورات السائلة ويضاف إليهما طبقتين من مادة شفافة موصلة للكهرباء electrodes. وتكون ترتيب الطبقات كما يلي:

- الطبقة A عبارة عن القاعدة أو الطبقة الخلفية وهي مرآة عاكسة لضوء.

- الطبقة B عبارة عن طبقة من الزجاج عليه طبقة رقيقة تعمل على استقطاب الضوء.

الطبقة C عبارة عن طبقة شفافة موصلة من مادة indium-tin oxide لتوصيل التيار الكهربي.

- الطبقة D عبارة عن طبقة البلورات السائلة وتكون فوق الطبقة الموصلة تماماً.

- الطبقة E طبقة من الزجاج وعليه أيضا طبقة رقيقة من مادة مستقطبة للضوء ولكن في اتجاه عمودي على محور استقطاب الطبقة الأولى.

يوصل الالكترود بمصدر تيار كهربي مثل بطارية وعندما لا يمر تيار فإن الضوء يعبر من الطبقة الأول لشاشة البلورات السائلة سيصل إلى المرآة وينعكس عنها. ولكن عندما يمر التيار الكهربي من خلال الالكترود فإن البلورات السائلة الموجودة بين الالكترود والجهة المقابلة لها والتي تشكل مستطيل ستمنع الضوء من الوصول إلى المرآة مما يظهر منطقة معتمة على شاشة العرض.
ملحوظة

لاحظ أن شاشة البلورات السائلة LCD تتطلب مصدر ضوء خارجي. حيث أن مادة البلورات السائلة لا تصدر الضوء بنفسها. الشاشات الصغير في الأغلب تكون عاكسة بمعنى أنها تعرض الصورة من خلال انعكاس ضوء من مصدر خارجي. فمثلا لو نظرنا إلى شاشة بلورات سائلة في ساعة اليد الرقمية فإن الأرقام تظهر عندما يمر تيار كهربي من خلال الإلكترود إلى مجموعة معينة من البلورات السائلة فتلتف لتعمل على حجب الضوء فتظهر منطقة معتمة تعطينا صورة.

أما في شاشات الكمبيوتر المحمول أو الشاشات الحديثة من نوع الـ LCD فإنها تستخدم مصابيح فلوريسنت فوقها أو على الجوانب أو في خلف الشاشة نفسها. وتعمل لوحة تشتيت للضوء مثبتة خلف شاشة البلورات السائلة لضمان توزيع منتظم لشدة الضوء على مساحة شاشة العرض. وحيث أن الطبقات التي تأتي فوق المصدر الضوئي هي عبارة عن شاشة البلورات السائلة بما تحتويه من طبقات مختلفة مثل طبقة الالكترود وطبقة البلورات السائلة نفسها وغيرها يعمل على امتصاص كمية كبيرة من ضوء المصدر الضوئي قد تصل إلى 50%!
أنظمة شاشات البلورات السائلة

النظام البسيط يسمى common-plane-based LCD أي شاشة عرض البلورات السائلة ذات القاعدة المشتركة، وهي تستخدم في الحالات التي تتطلب عرض مكرر للمعلومات مثل شاشات الساعات أو شاشات المثبتة على لوحة تحكم فرن الميكروويف.

النظام الأكثر تعقيداً وهو المستخدم في شاشات الكمبيوتر وهناك نظامين هما passive matrix والثاني active matrix.

نظام الـ passive matrix

يستخدم هذا النظام شبكة بسيطة تمثل عناصر الصورة على الشاشة والتي تعرف بالبكسيل pixel لتزويد عنصر صورة محدد بالشحنة الكهربية. تتركب الشبكة من طبقتين من الزجاج تسمى القاعدة substrate. احد هاتين القاعدتين يحتوي على مجموعة من أعمدة والقاعدة الزجاجية الثانية تحتوي على مجموعة من الصفوف وكلاً من الاعمدة والصفوف عبارة عن مواد موصلة للكهرباء وفي الأغلب هي indium-tin oxide. يتم توصيل الأعمدة والصفوف بدائرة متكاملة integrated circuits تتحكم في توقيت إرسال الشحنة الكهربية إلى عنوان محدد برقم العامود ورقم الصف الذي يجب أن تصل له الشحنة الكهربية. تكون طبقة البلورات السائلة بين هاتين القاعدتين الزجاجيتين وتثبت طبقة الاستقطاب خرج القاعدتين. ولتشغيل احد عناصر الصورة pixel يتم إرسال شحنة كهربية عبر الدائرة المتكاملة إلى العمود والصف المحددين لعنصر الصورة فيعملان على التأثير على البلورات السائلة بينهما فتعمل تلك البلورات السائلة على منع الضوء من المصدر الخلفي للشاشة عند تلك الـ pixel.

نظام الـ Active Matrix

تم تطور النظام السابق لتلافي عدة عيوب منها بطء الاستجابة للحركة السريعة خصوصاً إذا قمت بتحريك مؤشر الماوس على الشاشة بسرعة كبيرة فكانت الصورة تظهر حركة المؤشر مع ظهور خيالات لها، ولكن في النظام الجديد الذي يعرف بنظام الـ active matrix فلا يوجد مثل هذا العيب حيث يعتمد نظام العرض هذا على شريحة رقيقة من الترانسيستورات thin film transistors وتختصر بـ TFT، ويظهر هذا الرمز عند وصف مواصفات الشاشة. وببساطة فإن مجموعة كبيرة من التراتسيستورات والمكثفات المتناهية في الدقة مرتبة على شكل شبكة على قاعدة زجاجية substrate. يتم توجيه الشحنة الكهربية ايضا من خلال دوائر متكاملة تربط شبكة الترانسيستورات والمكثفات التي تمثل عناصر الصور وتكون وظيفة المكثفات هو الاحتفاظ بالشحنة لحين دورة المسح refresh cycle. كما انه إذا تم التحكم بدقة بكمية الشحنة التي يجب أن تصل إلى المكثف فيكن التأثير على دورات البلورات السائلة بزاوية محددة مما تعمل على حجب الضوء بنسب متفاوتة وتعتمد على كمية الشحنة المرسلة لمكثف البكسيل المحدد. مما تستطيع هذه الشاشات من عرض 256 درجة رمادية متفاوتة بين الأبيض والأسود في حين أن النظام السابق لا يظهر مكونات الصورة إلا بلونين هما اللون الأبيض واللون الأسود.

كيف تظهر البلورات السائلة الألوان

نحصل على الألوان في شاشات البلورات السائلة من خلال استخدام ثلاثة طبقات مرشحة filter للألوان الأساسية وهي الأحمر والأخضر والأزرق. وبتحكم دقيق لكمية الشحنة يمكن الحصول على 256 درجة مختلفة لكل لون، وبدمج كافة الدرجات لكل الألوان يمكن أن نحصل على 16.8 مليون لون مختلف وهي عبارة عن حاصل ضرب 256 درجة للون الأحمر في 256 درجة للون الأخضر في 256 درجة للون الأزرق.

كل هذه الألوان تتطلب عدد هائل من الترانسيستورات، وعلى سبيل المثال فإن شاشة جهاز كمبيوتر محمول تدعم دقة عرض resolution تصل إلى 1024x768. يعني أنها تحتوي على عدد من الترانسيستورات يساوي حاصل ضرب 1024 عمود في 768 صف في 3 لكل لون ليساوي 2,359,296 ترانسيستور على مساحة الشاشة!

أي خلل يحدث لواحد من هذه الترانسيستورات يظهر مباشرة على الشاشة في شكل نقطة معتمة ولهذا تخضع الشاشات من هذا النظام لفحص دقيق قبل استخدامها وتسويقها.

جهاز التصوير المقطعي.. ثورة الطب الحديثة

يعد جهاز التصوير المقطعي Computerized Axial Tomography CAT من الأجهزة الطبية الحديثة التي تستخدم أشعة اكس في الحصول على صورة مجسمة لجسم الإنسان بدلاً من صور أشعة اكس التقليدية التي توفر معلومات بسيطة عن الهيكل العظمي للإنسان وبعض الأعضاء العضوية. وتعتبر أجهزة التصوير المقطعية هي تطور للتصوير والتشخيص باستخدام أشعة اكس واعتمد تطوره على التطور الهائل في الكمبيوتر وسرعته. وباستخدام أجهزة CAT يستطيع الطبيب فحص وتشخيص جسم الإنسان بدقة تصل تمكنه من النظر إلى جسم الإنسان كأنه مكون من شرائح رقيقة لتحديد المرض ومكانه بدقة وسرعة عالية.
فكرة عمل جهاز الـ CAT

الاسم العلمي لجهاز الأشعة المقطعية هو (Computerized Axial Tomography (CAT)) ويعرف اختصارا بـ CT اي Computerized Tomography (CT). وهو عبارة عن جهاز مسح ينتج أشعة اكس، وأشعة اكس هي أشعة ذات طاقة عالية تخترق الأنسجة الحية لجسم الإنسان ولا تخترق العظام، وتعتبر أشعة اكس جزء من الطيف الكهرومغناطيسي والذي يتكون من فوتونات تنطلق بسرعة الضوء والتي تبلغ 300,000 كيلومتر في الثانية ذات تردد عالي وطاقة أكبر بكثير من طاقة الضوء المرئي.

في التصوير العادي باستخدام أشعة اكس يعمل جهاز التصوير بإصدار أشعة اكس على الجزء المحدد من جسم الإنسان ويتم استقبال الأشعة التي تنفذ من الجسم على الجهة المقابلة على فيلم خاص، والصورة التي تلتقط عبارة عن ظل هذه الأشعة على جسم الإنسان وحيث انها تخترق الأنسجة الحية للجسم ولا تخترق العظام فإن الظل هو عبارة عن صورة العظام.

وحيث أن الظل هو عبارة عن صورة في بعدين لا تعطي فكرة كاملة عن شكل الجسم. ولتوضيح ذلك دعنا نستعين بالمثال الموضح في الشكل أدناه حيث يقف شخص عند احد أركان الغرفة ويحمل في يده اليمنى بالقرب من صدره ثمرة الأناناس وفي يده اليسرى ثمرة موز، فإذا ما تم تسليط الضوء من مصباح في الاتجاه الجانبي للشخص فإن الظل الذي يتكون سوف يوضح لك أن الشخص يحمل الأناناس فقط ولا يعطي أية معلومة إذا ما كان يحمل موزة في اليد الأخرى وكذلك الحال إذا ما سلط الضوء بالاتجاه الأمامي للشخص فإن الظل المتكون سوف يظهر لك إن الشخص يحمل الموزة بيده اليسرى بينما لا تملك أية معلومة عن ماذا يحمل بيده اليمنى على افتراض انك لا ترى إلا الظل فقط.

ما تم مناقشته في المثال السابق هو بالضبط ما يحدث في حالة التصوير التقليدي باستخدام أشعة اكس فإذا ما كانت المنطقة المراد تصويرها في جسم الإنسان تحتوي على عظمة صغيرة وخلفها أو أمامها عظمة كبيرة فإن الصورة الناتجة ستظهر العظمة الكبيرة فقط، ولتصوير العظمة الصغيرة لابد من الطلب من الشخص الدوران بالنسبة لجهاز أشعة اكس أو جعل أشعة اكس تدور حوله بالزاوية المناسبة لتصوير العظمة الصغيرة.

ولنعود إلى مثالنا السابق مرة أخرى فلكي نستطيع رؤية الموزة والأناناس فإننا نحتاج إلى ان ننظر إلى الظل المتكون عن كل جانب لنستطيع تخيل ما يحمله في كلتا يديه. وهذه هي الفكرة الأساسية التي يعتمد عليها جهاز الأشعة المقطعية حيث يعمل الجهاز على توجيه أشعة اكس على جسم الإنسان مع تحريكه حركة دائرية حول مركز الجسم لأخذ المئات من الصور على زوايا مختلفة ويتم تجميع الصور الناتجة (الظلال المتكونة على الجانب المقابل لكل زاوية) في ذاكرة الكمبيوتر الذي يقوم بدوره بتجميعها وتكوين صورة ثلاثية الأبعاد للجسم.
مراحل تطور جهاز الأشعة المقطعية

أول جهاز تصوير بالأشعة المقطعية تم اختراعه بواسطة العالم البريطاني Godfrey Newbold Hounsfield في مختبرات البحوث المركزية لشركة ثورن اي ام اي حيث بدأ بوضع فكرته في 1967 وتمكن في العام 1972 من إنتاج أول جهاز تصوير بالأشعة المقطعة وحصل على جائزة نوبل في العام 1979 مع شريكه Allan McLeod Cormack الذي عمل معه فيما بعد.

أول نموذج لفكرة عمل جهاز CAT

النموذج الأصلي الذي تم تصميمه في العام 1971 صمم ليتمكن من اخذ 160 مقطع لجسم الإنسان وكل مقطع يتم اخذ 180 صورة حول محور الجسم أي صورة لكل درجة ولقد أخذت عملية التصوير أكثر من 5 دقائق. والصور التي تم تجميعها تأخذ حوالي 2.5 ساعة ليتمكن الكمبيوتر من تكوين الصورة

تم إنتاج أول جهاز تصوير مقطعي لتصوير الدماغ وسمي على اسم الشركة EMI Scanner واستخدم في مستشفى اتكنسون مورلي في في ولاية وينبلدون البريطانية وأول شخص تم عمل مسح مقطعي لدماغه كان في العام 1972، و احتاجت عملية مسح مقطع واحد إلى 4 دقائق والزمن المطلوب لتكوين الصورة بواسطة الكمبيوتر يحتاج إلى 7 دقائق لكل صورة. وهذا الجهاز يحتاج إلى وضع الشخص في وعاء خاص مملوء بالماء لتقليل التعرض لأشعة اكس الصادرة من الجهاز أثناء عملية المسح والتصوير.

الصور الناتجة من هذا الجهاز كانت ضعيفة من ناحية القدرة التحليلية Resolution وتبلغ 80*80 بكسيل فقط.

أجيال جهاز المسح المقطعي CT

تصنف أجهزة المسح المقطعية إلى عدة أجيال حسب تطور آلية المسح وسرعته والمدة الزمنية المستغرقة لتكوين الصورة، وسوف نستعرض هذه الأجيال ونناقش مراحل تطورها.

الجيل الأول

استخدم الجيل الأول من الماسحات المقطعية شعاع بسمك قلم الرصاص يوجه إلى الجسم ويتم رصده بواسطة كاشف واحد أو اثنين فقط. والصور يتم تجميعها من خلال مسح دوراني وانتقالي حيث يكون مصدر أشعة اكس والكاشف مثبتان في جهاز يسمى الجانتري gantry ويدوران بالنسبة لبعضهما البعض بحيث يكون جسم الإنسان في محور الدوران لهما. وتقدر المدة الزمنية للصورة الواحدة حوالي 4 دقائق حيث يكون الجانتري قد عمل دورة كاملة 180 درجة ثم ينتقل الجانتري لمسح جزء آخر من جسم الإنسان. وكان استخدام هذا الجيل يتطلب غمر جسم المريض في حوض مائي لتقليل تعرضه لأشعة اكس.

الجيل الثاني

تم تطوير جهاز المسح المقطعي بحيث زاد عدد الكواشف وأصبح شعاع أشعة اكس أكثر اتساعاً ليغطي الكواشف المقابلة له. طريقة المسح لا زالت شبيه بطريقة المسح المستخدمة في الجيل الأول عبارة عن مسح دائرة وانتقالي حول جسم الإنسان، وزيادة عدد الكواشف وزيادة اتساع أشعة اكس أدى إلى أن تكون دورة المسح لكل مقطع من مقاطع الجسم تغطي 180 درجة بانتقال 30 درجة بدلا من درجة واحدة كما كان في الجيل الأول مما أدى إلى تقليل زمن المسح.

الجيل الثالث

طرأ تطور ملحوظ على الجيل الثالث من حيث السرعة في الحصول على الصورة، وذلك بإلغاء الحركة الانتقالية وجعل الحركة دائرية فقط، مما جعل زمن المسح ثانية واحدة فقط. وللتخلص من الحركة الانتقالية أثناء المسح في الجيل الثالث تم تصميم الكواشف التي ترصد أشعة اكس التي تنفذ من جسم الإنسان على شكل قوس مما يحافظ على مسافة ثابتة بين مصدر أشعة اكس والكواشف أثناء الدوران. كما تم إضافة حواجز بين المريض وأشعة اكس وبين المريض والكواشف لنضمن حزمة رقيقة من أشعة اكس التي تنفذ إلى جسم الإنسان مما يقلل من تعرضه للأشعة.

الجيل الرابع

تم تصميم الجيل الرابع مشابها للجيل الثالث من ناحية المسح بحركة دائرية فقط، والإضافة التي طرأت هي على الكواشف التي تم تثبيتها على كامل محيط الجانتري والتي بلغ عددها 1000 كاشف، مما جعل الحركة مقصورة على مصدر أشعة اكس فقط مع ثبات الكواشف لأنها تحيط كامل الجانتري. هذا التصميم جعل مسح مقطع كامل للجسم لا يستغرق أكثر من ثانية واحدة.
آلية تكوين الصورة

بينما يستلقي الشخص المراد تصويره بجهاز المسح القطعي على سرير خاص يتحرك السرير ببطء ليصبح في منتصف جهاز المسح الجانتري ويحتوي الجانتري على جهاز أشعة اكس الذي يدور في حلقة حول المريض ويحتوي الجانتري على الكواشف الحساسة لأشعة اكس في الجهة المقابلة لأشعة اكس، وبالتالي يكون الشخص المستلقي على السرير في مركز الدوران وبين مصدر أشعة اكس والكواشف.

يتحكم في دوران أشعة اكس والكواشف داخل الجانتري موتور خاص يتحكم فيه الكمبيوتر ليحدد زاوية وسرعة الدوران. بعد إتمام دورة كاملة يكون الجهاز قد صور مقطع من الجسم فيتحرك السرير بالنسبة للجانتري ويتم مسح وتصوير مقطع آخر من الجسم.

وبهذه الطريقة يكون الجهاز قد صور باستخدام أشعة اكس كل المنطقة المطلوب تصويرها على شكل مقاطع من خلال انتقال ودوران أشعة اكس داخل الجانتري أو ما يشبه الحركة الحلزونية. يتحكم الكمبيوتر في شدة أشعة اكس حسب المنطقة المراد تصويرها من جسم الإنسان. وبعد الانتهاء من مسح كل جسم الإنسان يقوم الكمبيوتر بتجميع كل المعلومات التي حصل عليها من الكواشف ليكون صورة ثلاثية الأبعاد للجسم، والجدير بالذكر انه لا يتم مسح كامل جسم الإنسان فعادة الطبيب يحدد للفني المختص الجزء المطلوب مسحه.

وحيث ان تصوير الجسم يتم من خلال مقطع ومن مختلف الزوايا فإن الصور التي نحصل عليها بواسطة جهاز الأشعة المقطعية تكون أكثر تفصيلاً ووضوحاً بالمقارنة بالتصوير التقليدي باستخدام أشعة اكس.

وفي النهاية فإن جهاز الأشعة المقطعية أصبح من الأجهزة الأساسية للتشخيص التي يعتمد عليها الأطباء في العلاج.

الماسح الضوئي وأنواعه.. وسر عمله الفيزيائي

ماسح ضوئي حديث



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.

الماسح الضوئي المسطح

(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.

كيف يعمل الماسح الضوئي

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.

خطوات المسح الضوئي

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.

نقاء الصورة

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.

هل تعرف كيف يعمل جهاز الرؤية الليلية؟

من المعروف أن عملية الرؤية تتم بواسطة انعكاس أشعة الضوء المرئي من الجسم الذي ننظر إليه على أعيننا والتي بدورها تكون صورة للجسم على شبكية العين وتنتقل معلومات الصورة من خلال الألياف البصرية إلى الدماغ ليترجم صورة الجسم. ومن هنا فإن عملية الرؤية تعتمد أساسا على أشعة الضوء المرئي سواء كان مصدره أشعة الشمس أو مصابيح الإضاءة الكهربية. ولهذا السبب فإن في الظلام لا يمكن للعين رؤية الأشياء لعدم توفر الضوء المرئي المنعكس من الجسم إلى العين.

لكي نعرف عملية تحسين مدى الرؤية في الظلام يجب إلقاء الضوء على الطيف الكهرومغناطيسي
الطيف الكهرومغناطيسي

لكل منطقة على الطيف الكهرومغناطيسي طاقة محددة تعتمد على الطول الموجي: حيث أن الطول الموجي الأقصر له طاقة أكبر. وبالتالي يكون اللون الأزرق ذو الطول الموجي الأقصر في الطيف المرئي له طاقة اكبر من اللون الأحمر لأن له طول موجي أكبر. ويأتي طيف الأشعة تحت الحمراء قبل اللون الأحمر وهذا يعني أن طاقتها أقل.

الأشعة تحت الحمراء تقسم إلى ثلاثة مناطق كما تقسم الأشعة المرئية إلى سبعة ألوان مختلفة (ألوان الطيف المعروفة) وهذه المناطق الثلاثة لطيف الأشعة تحت الحمراء هي:

1- المنطقة القريبة من الأشعة تحت الحمراء Near-infrared وهي أقرب ما يمكن من الطيف المرئي والتي يبلغ مداها من 0.7 مايكرون إلى 1.3 مايكرون.

2- المنطقة الوسطى Mid-infrared وهي المنطقة من الطيف الكهرومغناطيسي في المدى 1.3 مايكرون إلى 3 مايكرون. وهذه الأشعة المستخدمة في أجهزة التحكم عن بعد الرموتكنترول.

3- الأشعة الحرارية Thermal-infrared وهي التي تحتل أكبر مدى من الطيف الكهرومغناطيسي من 3 مايكرون إلى 30 مايكرون.

والأشعة الحرارية Thermal-infrared هي أشعة تنبعث من الأجسام نتيجة لدرجة حرارتها وليست أشعة تنعكس عن الأجسام. ويعود انبعاث الأشعة الحرارية في منطقة الأطياف تحت الحمراء من إثارة الذرات المكونة للجسم عند درجات حرارة فوق الصفر المطلق وعودتها إلى حالة عدم الإثارة وهذا يسبب إلى انطلاق الأشعة الكهرومغناطيسية في المنطقة تحت الحمراء. حيث أن الذرات في حالة إثارة مستمرة excitation إلى مستويات الطاقة العليا excited level ثم عودتها إلى مستوى الطاقة الأرضي ground-state energy level.
الذرة

عند اكتساب الكترونات الذرة طاقة نتيجة لدرجة حرارتها تنتقل إلى مدارات ذات طاقة أعلى ثم ما تلبث وأن تعود إلى مستوى الطاقة الأساسي Ground State مطلقة الطاقة التي اكتسبتها في صورة طيف كهرومغناطيسي في منطقة الأشعة تحت الحمراء بطول موجي يتراوح من 3 مايكرون إلى 30 مايكرون حسب درجة الإثارة. فعلى سبيل المثال عند تسخين ملعقة على لهب تبدأ درجة حرارة الملعقة بالازدياد وينتج عند كل درجة حرارة انبعاث للأشعة تحت الحمراء (الحرارية) إلى أن تصل درجة الحرارة إلى حد معين تبدأ فيه الملعقة بالتوهج ويحمر لونها وهنا نكون قد دخلنا في الأطوال الموجية المرئية لأن درجة الحرارة تقترب من 500 درجة مئوية وتصل أقصى درجات التوهج عندما يصبح لون المعلقة قريبا من اللون الأبيض (أكثر من 1000 درجة مئوية).

نستنتج من ذلك أن كل جسم يشع طيف كهرومغناطيسي عند درجات الحرارة فوق الصفر المطلق وكلما ازدادت درجة الحرارة ازدادت درجة الإثارة وهذا يؤدي إلى انبعاث طيف كهرومغناطيسي يكون في منطقة الأشعة تحت الحمراء عند درجات الحرارة المنخفضة وكلما ازدادت درجة الحرارة اقترب الطيف المنبعث إلى الطيف المرئي.

ومن هنا تعتمد فكرة الرؤية الليلية على الأشعة تحت الحمراء (الحرارية) المنبعثة من الأجسام، وهذا ما سنقوم بشرحه الآن...
كيف تعمل أجهزة الرؤية الليلية

التصوير بكاميرا تعمل بالأشعة تحت الحمراء

1. بواسطة نظام عدسات شبيه بعدسات كاميرا الفيديو يعمل على تجميع الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الأجسام.

2. الأشعة الحمراء المجمعة تسقط على مصفوفة من المجسات الحساسة للأشعة تحت الحمراء تعمل على رسم خريطة حرارية للجسم تسمى thermogram.

3. تقوم أجهزة الكترونية بتحويل الصورة الحرارية thermogram إلى نبضات الكترونية.

4. تقوم وحدة معالجة الإشارة signal-processing unit بترجمة الصورة الحرارية المأخوذة من المجسات إلى معلومات لتعرض على الشاشة.

5. ترسل وحدة معالجة الاشارة signal-processing unit المعلومات إلى الشاشة على شكل مناطق ملونة تعكس درجات الحرارة وجميع المعلومات المجمعة تكون الصورة.

هناك نوعان من أجهزة الرؤية الليلية أحدهما يعمل عند درجة حرارة الغرفة ويعرف باسم Un-cooled وبإمكانه رصد فروقات في درجة الحرارة تصل إلى 0.2 درجة مئوية وهو اكثر انتشاراً. والنوع الآخر يعمل تحت درجات حرارة أقل من درجة حرارة الغرفة وذلك بتبريده ويعرف باسم Cryogenically cooled وهو مرتفع الثمن وبإمكانه رصد فروقات في درجة الحرارة تصل إلى 0.1 درجة مئوية ولمسافات تصل إلى 300 متر.
أنواع أجهزة الرؤية الليلية

يمكن تقسيم أجهزة الرؤية الليلية إلى ثلاثة أقسام هي:

1- التلسكوب Scopes وهي الأجهزة التي تثبت على الأسلحة لإصابة الأهداف الليلية أو التي تحمل باليد للانتقال من الرؤية الليلية إلى الرؤية الطبيعية.

2- المنظار Goggles وهي في الغالب ما تثبت على الرأس وتستخدم للتجول بواسطتها خلال الليل.

3- الكاميرا Cameras وهي تشبه كاميرا الفيديو التقليدية ولكن تعتمد على التصوير بواسطة الأشعة تحت الحمراء وتستخدم في طائرات الهليوكوبتر أو مراقبة الأبنية.

التلسكوب Scopes المنظار Goggles

DARK INVADER Multi-purpose Pocketscope

DARK INVADER Night-vision Goggles 4501

الكاميرا Cameras

Stealth 301 Series Day/Night Video Camera
استخدامات أجهزة الرؤية الليلية

للأجهزة الرؤية الليلية العديد من التطبيقات مثل التطبيقات في المجالات العسكرية وفي الأبحاث الجنائية وفي رحلات الصيد الليلية وفي البحث عن الأشياء المفقودة وفي التسلية وفي أنظمة الحماية والمراقبة. وتجدر الإشارة إلى أن أول وأهم تطبيقات أجهزة الرؤية الليلية هي الاستخدامات العسكرية في التجسس على تحركات الخصم ومعداته في أثناء الليل، كما يستخدمه رجال الأعمال في مراقبة أبنيتهم من اللصوص والمعتدين. كما يستخدمه رجال التحريات الجنائية في دراسة تحركات اللصوص من الآثار الحرارية التي تركتها أقدامهم على الأرض وتحديد فترة الاعتداء ومتابعة المسروقات وغيره.