Wie funktioniert ein Scanner?

19.07.2011 09:00:00
Scanner dienen dazu, Vorlagen wie Fotos oder Dokumente zu digitalisieren. Was genau passiert bei dieser Digitalisierung?

Vor einigen Jahren waren sie noch sündhaft teuer - heute sind Scanner in jedem Elektromarkt für unter hundert Euro zu haben. Das liegt vor allem daran, dass sich die Technik im Lauf der Jahre  verbessert hat. Auch die Anwendungsgebiete haben sich geändert: Heute ist an fast jeden Heim-PC ein Scanner angeschlossen, mit dem Fotos und Dokumente digitalisiert werden. Welche Scannerarten gibt es und wozu eignen sie sich?

Die Anfänge der Scannertechnik

Die Wurzeln der Scannertechnik reichen zurück bis ins Jahr 1951, in dem Rudolf Hell den Klischographen erfunden hat. 1963 wurde mit dem Chromagraph der erste Scanner vorgestellt. 1971 erlebte der Chromagraph DC 300, der erste vollständige digitale Scanner, seinen Durchbruch auf dem Markt. Der Begriff "Scanner" stammt vom englischen Verb "to scan", das "abtasten, untersuchen" bedeutet. Scanner werden heute nicht mehr nur in Fotolaboren und Druckereien eingesetzt, sondern haben sich auch bei Heimanwendern zum Digitalisieren von Fotos oder Unterlagen durchgesetzt. Besonders beliebt sind Multifunktionsgeräte, die nicht nur scannen, sondern auch drucken, kopieren oder faxen können.

Funktionsweise von Trommelscannern

Der älteste Scannertyp, der heute jedoch aus Kostengründen nicht mehr hergestellt wird, ist der Trommelscanner. Bei einem Trommelscanner werden die Auf- oder Durchsichtsvorlagen auf einem Abtastzylinder befestigt. Dann werden sie Punkt für Punkt und Linie für Linie abgetastet. Dazu rotiert die Trommel, während der Abtastkopf sich entlang der Vorlage bewegt. Das Licht, das von der Vorlage kommt, wird in rote, grüne und blaue Lichtanteile zerlegt. Diese werden jeweils einem Sensor, dem Fotomultiplier, zugeführt. Die Fotomultiplier wandeln das auftreffende Licht in elektronische Signale um. Ein vierter Fotomultiplier erfasst das Umfeld des Abtastlichts.

Die CCD-Technik

Heute werden in Scannern vor allem CCD-Sensoren eingesetzt, die auch in Digitalkameras Verwendung finden. CCD steht für "Charged Coupled Device", was frei übersetzt etwa "Ladungstransport-Speicher" heißt. Scanner mit dieser Technik tasten die Vorlage mit Hilfe einer Lichtquelle und der CCD-Sensoren Zeile für Zeile ab. Durch diesen Abtastvorgang wird das von der Vorlage remittierte Licht in elektrische Ladungspakete umgewandelt. Je heller das eintreffende Licht ist, desto größer ist die Spannung, die sich im CCD-Sensor ansammelt. Dieser elektrische Strom wird im Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) in ein digitales Signal umgewandelt. Der A/D-Wandler arbeitet mit einer bestimmten Anzahl von Bits. Aus dieser Bitbreite resultiert die Farbtiefe des Scans: Bei einem 4-Bit-Wandler können 2 hoch 4, also 16 Abstufungen pro Farbe, gewonnen werden. CCD-Sensoren können jedoch nur Helligkeits-, aber keine Farbunterschiede wahrnehmen. Daher müssen die remittierenden Lichtfarben Rot, Grün und Blau (RGB) getrennt den CCD-Zeilen zugeführt werden. Dazu werden bei einem Single-Pass-Scanner drei CCD-Elemente für jedes Pixel verwendet. Jedes CCD-Element ist mit einem festen Farbfilter in rot, grün oder blau, ausgestattet. Ältere Three-Pass-Scanner mussten die Vorlage noch dreimal abtasten, während beim Single-Pass-Verfahren durch die beschriebene Technik ein Durchgang reicht. Wie hoch die optische Auflösung des Scanners ist, wird durch die die Anzahl der CCD-Elemente bestimmt.

Flachbettscanner vs. Einzugsscanner

Flachbettscanner, die mit der CCD-Technik ausgestattet sind, funktionieren wie ein Kopierer: Die Vorlage wird auf eine Glasplatte gelegt und anschließend abgetastet. Für ein gutes Scanergebnis ist es wichtig, dass die Vorlage plan aufliegt. Früher waren auch Einzugsscanner gebräuchlich, die wie ein Faxgerät arbeiteten. Bei ihnen wurde die Vorlage an den starren CCD-Sensoren vorbeigeführt. Diese Variante wird aber nicht mehr weiterentwickelt, da die Nachteile überwogen haben: Einzugsscanner können Vorlagen verzerren oder beschädigen; außerdem lassen sich Bücher nicht abtasten.

OCR: optische Zeichenerkennung

  Zahlreiche Scanner bringen als Zubehör ein OCR-Programm mit. OCR steht für "Optical Character Recognition" und bedeutet optische Zeichenerkennung. Dabei ermittelt der Computer ein Rasterbild, das er anschließend interpretiert. OCR-Programme können so Schriftzeichen identifizieren und eingescannten Text in Schrift umwandeln. Auf diese Weise lässt sich der Text bearbeiten. Wie gut das funktioniert, wird mit der Wiedererkennungsrate der Software angegeben: Sie sollte bei fast 100 Prozent liegen. Bei einer Wiedererkennungsrate von 99 Prozent müssten pro Druckseite durchschnittliche 40 Buchstaben von Hand nachbearbeitet werden.

Spezielle Diascanner

Für die Digitalisierung von Dias werden spezielle Diascanner eingesetzt, die ebenfalls die CCD-Technik verwenden. Sie sind teuer, da sie eine hohe Auflösung (zum Teil 7.200 x 7.200 dpi) erreichen. Das liegt daran, dass die kleinen Diavorlagen für den Druck erheblich vergrößert werden müssen. Alternativ gibt es Flachbettscanner mit einer integrierten Durchlichteinheit, die aber nicht annähernd die Qualität von reinen Diascannern erreichen.

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