Основные компоненты сканера

 

Матрица является важнейшей частью любого сканера. Матрица трансформирует изменения цвета и яркости принимаемого светового потока в аналоговые электрические сигналы, которые будут понятны лишь единственному ее электронному другу – аналого-цифровому преобразователю (АЦП). С этой точки зрения, АЦП можно сравнить с гидом-переводчиком, неизменным ее компаньоном. Только он как никто другой понимает матрицу, ведь никакие процессоры или контроллеры не разберут ее аналоговые сигналы без предварительного толкования преобразователем. Только он способен обеспечить работой всех своих цифровых коллег, воспринимающих лишь один язык – язык нулей и единиц.

Световой поток, падая на поверхность матрицы, буквально «вышибает» электроны из ее чувствительных ячеек. И чем ярче свет, тем больше электронов окажется в накопителях матрицы, тем больше будет их сила, когда они непрерывным потоком ринутся к выходу. Однако сила тока электронов настолько несоизмеримо мала, что вряд ли их «услышит» даже самый чувствительный АЦП.

Именно поэтому на выходе из матрицы их ждет усилитель, который сравним с огромным рупором, превращающим, образно говоря, даже комариный писк в вой громогласной сирены. Усиленный сигнал (пока еще аналоговый) «взвесит» преобразователь, и присвоит каждому электрону цифровое значение, согласно его силе тока.

Большинство современных сканеров для дома и офиса базируются на матрицах двух типов: на CCD (Charge Coupled Device) или на CIS (Contact Image Sensor). Корпус CIS-сканера плоский, в сравнении с аналогичным CCD-аппаратом (его высота обычно составляет порядка 40-50 мм).

 

 

 

CCD-сканер обладает большей глубиной резкости, нежели его CIS-собрат. Достигается это за счет применения в его конструкции объектива и системы зеркал.

 

 

На рисунке, для простоты восприятия, нарисовано лишь одно зеркало, тогда как у типового сканера их не менее трех-четырех

 

Сканеры с CCD-матрицей распространены гораздо больше, чем CIS-аппараты. Объяснить это можно тем, что сканеры в большинстве случаев приобретаются не только для оцифровки листовых текстовых документов, но и для сканирования фотографий и цветных изображений. Погрешность разброса уровней цветовых оттенков, различаемых стандартными CCD-сканерами составляет порядка ±20%, тогда как у CIS-аппаратов эта погрешность составляет уже ±40%.

 

 

CIS-матрица состоит из светодиодной линейки, которая освещает поверхность сканируемого оригинала, самофокусирующихся микролинз и непосредственно самих сенсоров. Конструкция матрицы очень компактна, таким образом, сканер, в котором используется контактный сенсор, всегда будет намного тоньше своего CCD-собрата. К тому же, такие аппараты славятся низким энергопотреблением; они практически нечувствительны к механическим воздействиям. Однако CIS-сканеры несколько ограничены в применении: аппараты, как правило, не приспособлены к работе со слайд-модулями и автоподатчиками документов.

Из-за особенностей технологии CIS-матрица обладает сравнительно небольшой глубиной резкости. Для сравнения, у CCD-сканеров глубина резкости составляет ±30 мм, у CIS – ±3 мм. Другими словами, положив на планшет такого сканера толстую книгу, получишь скан с размытой полосой посередине, т.е. в том месте, где оригинал не соприкасается со стеклом.

У CCD-аппарата вся картина будет резкой, поскольку в его конструкции есть система зеркал и фокусирующая линза. В свою очередь, именно достаточно громоздкая оптическая система и не позволяет CCD-сканеру достичь столь же компактных размеров, как у CIS-собрата.

В плане разрешающей способности CIS-сканеры также не конкурент CCD. Уже сейчас некоторые модели CCD-сканеров для дома и офиса обладают оптическим разрешением порядка 3200 dpi, тогда как у CIS-аппаратов оптическое разрешение ограничено пока что 1200 dpi.

Сканеры с CIS-матрицей нашли свое применение там, где требуется оцифровывать не книги, а листовые оригиналы. Тот факт, что эти сканеры целиком получают питание по шине USB и не нуждаются в дополнительном источнике питания, пришелся как нельзя кстати владельцам портативных компьютеров.

 

CCD-матрица представляется «большой микросхемой» со стеклянным окошком. Именно сюда и фокусируется отраженный от оригинала свет. Матрица не прекращает работать все то время, пока лафет со сканирующей кареткой, приводимый шаговым электродвигателем, совершает путь от начала планшета, до его конца. Замечу, что общая дистанция движения лафета по направлению «Y» называется частотой сэмплирования или механическим разрешением сканера (об этом мы поговорим чуть позже). За один шаг матрица целиком захватывает горизонтальную линию планшета, которая называется линией растра. По истечении времени, достаточного для обработки одной такой линии, лафет сканирующего блока перемещается на небольшой шаг, и наступает очередь для сканирования следующей линии, и т.д.

 

 

Самый важный элемент сканера – CCD-матрица

 

 

Вид сбоку на CCD-матрицу

 

На виде сбоку можно заметить два обычных винта, которые выполняют «деликатную» роль». С их помощью на этапе сборки сканера производилась точная юстировка матрицы (обратите также внимание на П-образные прорези в печатной плате на виде сверху), чтобы падающий на нее отраженный свет от зеркал ложился бы равномерно по всей ее поверхности. Кстати, в случае перекоса одного из элементов оптической системы воссозданное компьютером изображение окажется «полосатым».

 

 

Увеличенное изображение части CCD-матрицы

 

На увеличенной фотографии CCD-матрицы достаточно хорошо видно, что CCD-матрица оснащена собственным RGB-фильтром. Именно он и представляет собой главный элемент системы разделения цветов, о чем многие говорят, но мало кто представляет, как на самом деле это работает. Обычно, многие обозреватели ограничиваются стандартной формулировкой: «стандартный планшетный сканер использует источник света, систему разделения цветов и прибор с зарядовой связью (CCD) для сбора оптической информации о сканируемом объекте». На самом деле, свет можно разделить на его цветовые составляющие, а затем сфокусировать на фильтрах матрицы. Столь же немаловажным элементом системы разделения цветов является объектив сканера.

 

 

 

Объектив сканера на самом деле не так велик, как кажется на фотографии

Корпус сканера должен обладать достаточной жесткостью, чтобы исключить возможные перекосы конструкции. Безусловно, лучше всего, если основа сканера представляет собой металлическое шасси. Однако корпуса большинства выпускаемых сегодня сканеров для дома и офиса, в целях снижения стоимости, полностью сделаны из пластмассы. В этом случае, необходимую прочность конструкции придают ребра жесткости, которые можно сравнить с нервюрами и лонжеронами самолета.

 

 

Оптическая система сканера не терпит пыли, поэтому корпус аппарата должен быть герметичным, без каких-либо щелей (даже технологических).

Края планшета должны иметь пологий спуск – это облегчает задачу по быстрому извлечению оригинала со стекла. Кроме того, между стеклом и планшетом не должно быть никакого зазора, который препятствовал бы извлечению оригинала.

 

Все сканеры управляются с персонального компьютера, к которому они подключены, а необходимые настройки перед сканированием задаются в пользовательском окне управляющей программы. По этой причине, сканерам для дома и офиса совсем не обязательно иметь собственный блок управления. Однако многие производители идут навстречу самым неподготовленным пользователям, и устанавливают (обычно на лицевую панель) несколько кнопок «быстрого сканирования».

 

 

Кнопки быстрого сканирования – элемент, без
которого можно обойтись

 

Источник: arxitektura-pk.26320-004georg.edusite.ru

Основными элементами и устройствами, входящими в состав сканера, являются:

• источник света;

• фотоприемники;

• оптико­волоконные световоды;

• микрообъективы и объективы;

• светоделительные призмы и зеркала;

• светофильтры.

Источники света. В качестве источника света в сканерах используются лампы накаливания, люминесцентные, металлогалогенные и ксеноновые лампы и лазеры.

В основе получения светового излучения ламп накаливания лежит тепловое излучение, испускаемое твердым телом при его нагревании. Отличительная особенность тепловых излучателей заключается в непрерывности и плавности спектральной кривой излучения. Для характеристики цветности излучения теплового излучателя пользуются понятием цветовая температура.

Цветовая температура (Тц) — это температура абсолютно черного тела, при котором цветность его излучения совпадает с цветностью излучения сравниваемого теплового излучателя. Так, цветовая температура дневного света составляет 6500 K, лампы накаливания с вольфрамовой нитью — 2450 K, дуговой лампы — 5500 K. Это значит, что абсолютно черное тело, нагретое до таких же температур, испускает такое же излучение, что и перечисленные источники.

Лампы накаливания состоят из следующих основных конструктивных элементов: стеклянной колбы, нити накала, держателя нити накала и металлического цоколя. У современных ламп накаливания тело накала изготовляют из вольфрамовой проволоки, свитой в одинарную или двойную спираль. Вольфрам — тугоплавкий металл, выдерживающий нагревание до высоких температур, приближающих излучение лампы к белому цвету.

Лампы накаливания, применяющиеся в сканерах, должны отвечать ряду специальных требований, поскольку являются частью точной оптической системы. Поэтому для ламп нормируются положение светового центра накала и его размеры. К лампам предъявляют повышенные требования в плане качества стекла колб, размеров, формы и расположения тела накала, конструкции цоколя. К данному типу ламп относятся также лампы накаливания с йодным циклом. Колбы этих ламп изготовляют из кварцевого стекла. Их преимущества перед обычными лампами накаливания заключаются в значительно большем сроке службы, в меньших габаритных размерах, в высокой яркости свечения и в большой световой отдаче.

Люминесцентные лампы обладают более высокой экономичностью и большим сроком службы по сравнению с лампами накаливания. Люминесцентные лампы со специальным подбором люминофоров излучают свет, близкий к дневному (белому) свету. Люминесцентная лампа представляет собой цилиндрическую стеклянную трубку, на обоих концах которой впаяны ножки с двумя контактными штырьками. Внутри баллона на цоколе укреплены электроды в виде двойных вольфрамовых спиралей, покрытых слоем окиси бария. В баллон лампы вводят несколько миллиграммов ртути. Пары ртути, в которых происходит газовый разряд, имеют небольшое давление — 0,8­1,43 Па. Для стабилизации газового разряда в лампу вводят инертные газы (аргон или криптон). Порошкообразные люминофоры наносят на внутреннюю поверхность трубки в виде тонкого равномерного слоя.

Металлогалогенные лампы испускают свет, близкий к дневному, обладают высокой интенсивностью, большой светоотдачей, имеют длительный срок службы.

Ксеноновые лампы относятся к разряду источников света высокой интенсивности. В качестве газовой среды в них используют тяжелый инертный газ ксенон, который дает разряд при больших плотностях тока и высоких давлениях. Излучение разряда ксенона образует непрерывный спектр, приближающийся к спектру солнечного света. Последнее обстоятельство и определило применение ксеноновых ламп в качестве источников света для фоторепродукционных работ и в анализирующих устройствах сканеров.

Лазер как источник света используется только в черно­белых сканерах, поскольку он дает монохроматическое световое излучение. В черно­белых сканерах наряду с другими источниками света применяются маломощные газовые лазеры: гелий­неоновые и аргоновые.

Фотоприемники. В сканерах плоскостного и проекционного типов, как правило, применяются приборы с зарядовой связью (ПЗС), а в барабанных — фотоэлектронные умножители и фотодиоды.

Работа ПЗС основана на свойстве конденсаторов МОП­структуры (металл — оксид — полупроводник) собирать и накапливать пакеты неосновных носителей зарядов в локализованных потенциальных ямах на границе кремний­оксид кремния. Структура МОП­конденсатора приведена на рис. 8 а. Монокристаллическая кремниевая подложка, например, дырочного р­типа проводимости покрыта диэлектриком — тонким (~0,1 мкм) слоем оксида, на котором расположен металлический электрод­затвор. При приложении к этому электроду положительного относительно подложки напряжения основные носители (дырки) в слое кремния у границы с оксидом будут отталкиваться от электрода, покидая поверхностный слой. Под электродом образуется потенциальная яма — область, обедненная основными носителями. «Глубина» этой ямы зависит от напряжения на затворе U.

Воздействие света приводит к появлению электронно­дырочных пар и к накоплению неосновных носителей (электронов) в потенциальной яме. Накопленный заряд пропорционален освещенности и времени накопления. Направленная передача накопленных зарядов в ПЗС от одного МОП­конденсатора к близко расположенному соседнему производится созданием продольного электрического поля между затворами при подаче на второй затвор более высокого напряжения. Под этим электродом образуется более глубокая потенциальная яма, в которую перетекает зарядовый пакет. Этот процесс иллюстрируется рис. 8 б, на котором штриховкой показана степень заполнения потенциальной ямы неосновными носителями, то есть величина заряда под электродом.

В качестве примера рассмотрим линейную (однострочную) структуру преобразователя, состоящего из цепочки МОП­конденсаторов. На рис. 8 в показано, что одна ячейка, соответствующая одному элементу изображения, состоит из трех МОП­конденсаторов. Затворы соседних ячеек соединены между собой по схеме трехтактного сдвигового регистра. Форма напряжения, прикладываемого к металлическим электродам 1, 2 и 3 каждой ячейки, имеет импульсный характер. Это обеспечивает однонаправленное перемещение накопленных зарядов к выходному устройству. Предположим, что под электродами 1 накоплены заряды, величина которых соответствует распределению освещенности вдоль линейки ПЗС. К электродам 2 и 3 приложено меньшее напряжение, чем к электродам 1, зарядовые области изолируются потенциальными барьерами. Если в процессе развертки к электродам 2 приложить напряжение, равное напряжению на электродах 1, происходит расширение потенциальной ямы и электроны заполняют потенциальную яму под электродами 1 и 2. Далее напряжение на электродах 1 уменьшается и неосновные носители полностью перемещаются под электроды 2. К этому времени на электродах 3 напряжение мало, что приводит к изоляции зарядовых областей между отдельными ячейками линейки.

Рис. 8. К пояснению электрической развертки в линейке ПЗС

Для перемещения зарядов из данной ячейки в следующую необходимо сначала перенести их под электроды 3, а затем — под электроды 1 следующей ячейки. Это осуществляется подачей на электроды положительных тактовых импульсов. За три такта изменения напряжений на фазах Ф₁, Ф₂ и Ф₃ зарядовый рельеф в линейке переместится на одну ячейку. В выводном устройстве последовательность зарядов преобразуется в импульсное напряжение, огибающая которого представляет собой сигнал изображения.

В ПЗС процессы накопления зарядов и их считывание разделены во времени. Развертка производится в промежуток времени, соответствующий обратному ходу. При этом одновременное перемещение зарядов вдоль линейки происходит от первой ячейки слева направо, а сигнал изображения на выходе получается в обратном порядке, начиная с последней ячейки строки. Таким образом, осуществляется самосканирование — передача информации за счет зарядовой связи путем изменения «глубины» потенциальных ям под электродами МОП­конденсаторов.

Сегодня разработаны линейки, имеющие 8000 ячеек в строке, с размером ячейки — 20 мкм. Существуют матричные структуры на ПЗС, создающие сигнал изображения. Датчики свет—сигнал на ПЗС — малогабаритные, потребляющие мало энергии и обеспечивающие высокую геометрическую точность при сканировании изображений.

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и фотодиоды (ФД) используются в основном в устройствах барабанного типа. Фотоэлектронный умножитель состоит из электронно­оптической секции 1 и секции вторично­электронного умножения 2 (рис. 9). В электронно­оптической секции осуществляется преобразование светового потока Ф в фототок на основе внешнего фотоэффекта — эмиссии фотоэлектронов под действием квантов света. Величина — интегральная чувствительность фотокатода (А/лм).

На внутреннюю поверхность торцевого или бокового окна напыляют тонкую металлическую пленку, практически прозрачную для света и служащую для подачи питания на фотокатод (ФК). Затем на нее наносят светочувствительный слой.

Электронно­оптическая секция помимо ФК содержит фокусирующий электрод (ФЭ), диафрагму Д и первый динод Д 1 (эмиттер вторичных электронов). Фотоэлектроны покидают ФК под различными углами к его поверхности и с различными скоростями. Электроды ФК, ФЭ, Д и Д 1 образуют электростатические линзы, обеспечивающие фокусировку и ускорение фотоэлектронов, направляемых на первый динод Д 1 .

Секция вторично­электронного умножения 2 состоит из нескольких динодов и коллектора К. Между соседними динодами приложены ускоряющие напряжения, снимаемые с делителя 3. Фотоэлектроны, попадая на первый динод Д₁, вызывают вторично­электронную эмиссию. Значение коэффициента вторичной эмиссии зависит от материала и обработки поверхности динода, а также от ускоряющего напряжения. Вторичные электроны попадают на второй динод Д₂. Умноженный поток электронов со второго динода поступает на третий и т.д. Перед динодами расположены сетки (на рис. 9 не показаны), с помощью которых создается электрическое поле, способствующее фокусировке вторичных электронов. Наряду с этим сетки экранируют секции динодов друг от друга. Все электроды ФЭУ питаются от стабилизированного источника с помощью делителя 3, на который подается напряжение от –1500 до –2500 В.

Рис. 9. Устройство ФЭУ

Рис. 10. Схема действия фотодиода

В идеальном случае можно принять значения коэффициентов вторичной эмиссии . Тогда на выходе ФЭУ ток коллектора , где n — число каскадов вторично­электронного умножения; i₁=i_ф — ток эмиссии фотокатода. Обычно и n=7-12. Чувствительность ФЭУ и число каскадов умножения ограничиваются темновым током и шумами. Основные составляющие темнового тока — термотоки фотокатода и первых динодов, ток автоэлектронной эмиссии с динодов, ток утечки между выводами коллектора и другими электродами. Шумы тока коллектора вызываются дробовыми флуктуациями фотоэмиссии, термоэмиссии и вторично­электронной эмиссии. Отношение «сигнал/помеха» зависит также и от тепловых шумов резистора нагрузки Rн в цепи коллектора. Современные ФЭУ имеют линейную световую характеристику в рабочем диапазоне освещенности. Фотоэлектронные умножители достаточно широкополосные (длительность фронта сигнала при резких изменениях светового потока не превышает 10^-8 ­10^-9 с). Это означает, что ФЭУ практически не накладывают ограничений на скорость передачи изображений.

Фотодиоды — полупроводниковые приборы с диффузионным переходом, работа которых основана на внутреннем фотоэффекте. На фотодиод подается запирающее напряжение (обратное смещение). По принципу действия фотодиод аналогичен запертому полупроводниковому диоду, обратный ток которого изменяется под действием светового потока Ф (рис. 10). Применяются кремниевые фотодиоды, имеющие квантовый выход около 75% и примерно равномерную спектральную чувствительность в диапазоне 400­1100 нм. Световая характеристика мало зависит от приложенного напряжения и линейна. Рабочее напряжение около 20 В, темновой ток 1­2 мкА, интегральная чувствительность 3 мА/лм. Кремниевые фотодиоды обладают малой инерционностью, не зависящей от светового потока.

Волоконные световоды находят применение в фотонаборных автоматах, сканерах, денситометрах и другом оборудовании. Они позволяют передавать световую энергию на большие расстояния по криволинейному пути без значительных потерь (рис. 11 б). Волоконные световоды представляют собой жгуты, состоящие из большого числа гибких стеклянных волокон (рис. 11 а) диаметром менее 30 мкм (рис. 11 в). Каждое волокно покрыто тонким (2 мкм) слоем, который отражает попадающий в него изнутри волокна свет, препятствуя его проникновению в соседние волокна. Свет распространяется по волокну за счет многократных отражений от внутренних стенок (см. рис. 11 а). Жгуты световодов имеют круглое или квадратное сечение. Волоконные световоды с нерегулярной укладкой волокон используются для передачи световых излучений, а с регулярной — для передачи изображения.

Рис. 11. Волоконные световоды: а — многократное внутреннее отражение света в волокне световода; б — прохождение света через изогнутое волокно; в — сечение жгута волоконного световода

Системы световодов подчиняются законам геометрической оптики при диаметрах волокон примерно до 0,5 мкм. При меньших диаметрах наблюдаются потери части световой энергии вследствие дифракционных явлений, вызывающих прохождение света через боковую поверхность световода.

Световоды с плавно изменяющимся диаметром называют фоконами (фокусирующими конусами). Они могут быть полыми или монолитными. Волокна конической формы применяют в тех случаях, когда необходимо изменить линейное увеличение передаваемого изображения или интенсивность потока излучения. Из отдельных конических волокон можно формировать жесткие конусы с соотношением входного и выходного диаметров в диапазоне 1:5­1:10. Длина конуса в зависимости от его назначения колеблется от нескольких сантиметров до нескольких дециметров.

Существуют, однако, потери при прохождении света в волокне, которые вызываются отражениями от торцов волокна, поглощением внутри сердцевины световода, рассеянием через его покрытие и т.п.

Общее светопропускание с учетом потерь на торцах на длине 1м для волокна в оболочке (сердцевина — стекло Ф₂, оболочка — молибденовое стекло 46) составляет 60% и на длине 3 м — 38%.

Известны волоконные световоды с различным эффективным (световым) сечением, обычно — 2,5; 3,5; 7,5; 10 мм и более. Длина жгутов — 250, 500, 750, 1000, 1500, 2000 мм и более.

Микрообъективы. Объективы с очень малыми фокусными расстояниями, обеспечивающие большое увеличение (до 90 крат и более), называют микрообъективами. Они используются в микроскопах, электронных цветоделительных машинах, денситометрах и сканерах.

В анализирующих фотоголовках барабанных сканеров допустимо применение только апохроматических микрообъективов, которые исправлены по отношению ко всем основным видам аберрации.

Для микрообъектива очень критична глубина резкости изображаемого пространства, под которой понимают ту часть пространства предметов, что резко изображается объективом. Глубина резкости изображаемого пространства прямо пропорциональна квадрату расстояния от входного зрачка объектива до предмета и обратно пропорциональна диаметру входного зрачка. Микрообъективы устанавливаются на очень малом расстоянии от изображаемого предмета, поэтому глубина резкости изображаемого пространства измеряется всего несколькими десятками микрометров, что накладывает повышенные требования на точность входящих в оптическую систему устройств.

В планшетных и проекционных сканерах применяются фотографические объективы, аналогичные репродукционным объективам.

Светоделительные зеркала и призмы. Во многих узлах электронных цветоделительных машин, в сканерах, а также в некоторых приборах применяются специальные делители излучений, которые делят один световой пучок на два, распространяющихся в разных направлениях. Такие делители лучей называют светоделительными, или полупрозрачными, зеркалами. Особенность светоделительных зеркал заключается в том, что часть падающих на них лучей они отражают, а другую часть — пропускают. Такое зеркало представляет собой хорошо отполированную плоскую стеклянную пластину, на поверхность которой нанесена тонкая полупрозрачная пленка металла. Подбирая толщину этой пленки, можно в широких пределах регулировать соотношение между отраженной и пропущенной частями светового потока.

Светоделительные зеркала бывают двух типов — серые и дихроичные. Серые светоделительные зеркала не изменяют цвета светового пучка при его разделении, тогда как дихроичные пропускают световые лучи избирательно. Дихроичные зеркала используют в сканерах, цветоделительных машинах и приборах для разделения световых пучков на три зоны спектра: синюю, зеленую и красную.

В качестве светоделительных элементов применяются преломляющие призмы. В преломляющих призмах углы падения луча на входную грань и сопряженные с ними углы преломления на выходной грани, как правило, не равны друг другу. Угол между падающим и преломленным лучами называется углом отклонения призмы. Преломляющие призмы разлагают поступающее в спектральный прибор излучение на монохроматические составляющие (спектр).

Светофильтры. Светофильтром называют полупрозрачную среду, предназначенную для избирательного или общего поглощения проходящего через нее светового потока. По оптическим свойствам светофильтры подразделяются на серые (или нейтральные), цветные, теплозащитные.

Серые (или нейтральные) светофильтры поглощают проходящий через них свет неизбирательно, то есть падающий белый световой поток поглощается равномерно по спектру независимо от длины волны излучений.

Цветные светофильтры поглощают падающий на них свет избирательно в зависимости от длины волны падающих излучений.

Теплозащитные светофильтры — это либо фильтры, изготовленные из специального теплостойкого стекла марки СЗС, которые поглощают инфракрасные тепловые излучения и почти без ослабления пропускают излучения видимой части спектра, либо полупрозрачные зеркала, покрытые специальной пленкой, пропускающей видимые излучения и отражающей инфракрасные.

Теплозащитные фильтры применяются в сканерах для защиты от нежелательного действия тепловых излучений на электрические фотоприемники.

Окончание в следующем номере

КомпьюАрт 6’2005

Источник: studopedia.ru

Основным методом перевода бумажных документов в электронную форму является сканирование — технологический процесс, в результате которого создается графический образ бумажного документа, как бы его «цифровая фотография». Сканирование осуществляется с помощью специального устройства, называемого сканером.

Сканер – это оптико-электронно-механическое устройство, которое предназначено для преобразования визуального образа бумажного документа в графический файл, сохраняющий растровое изображение исходного документа и предаваемый в компьютер для последующей обработки (распознавания, редактирования и т.п.).

По своему предназначению сканеры делятся на универсальные и специальные.

Универсальные сканеры обеспечивают ввод текстовой и графической информации в цветном или черно-белом формате. Среди универсальных сканеров выделяются следующие виды:

· Ручной сканер – самый простой вид сканеров, дающий наименее качественное изображение. Такой сканер не имеет движущихся частей, и сканирование производится путем перемещения сканера над поверхностью документа вручную. Их недостатком является очень узкая полоса сканирования (стандартный лист бумаги приходится сканировать в несколько проходов), а также высокие требования к самому процессу сканирования.

· Листовой сканер – позволяет за одну операцию сканировать лист бумаги стандартного формата. По конструкции напоминает факс-аппарат: оригинал втягивается внутрь специальными роликами (как в принтере) и сканируется по мере перемещения мимо неподвижной светочувствительной матрицы. Обеспечивая высокое качество сканирования, эти сканеры не позволяют обрабатывать книги и журналы без их разброшюровки на отдельные страницы.

· Планшетный сканер – наиболее универсальное устройство, подходящее под большинство задач и позволяющее сканировать любые документы (отдельные листы, книги, журналы и т.д.). Под крышкой сканера располагается прозрачное основание, на которое кладется документ. Блок сканирования перемещается вдоль документа внутри корпуса сканера. Продолжительность сканирования стандартного машинописного листа составляет от одной до нескольких секунд. Планшетные сканеры обеспечивают наилучшее качество и максимальное удобство при работе с бумажными документами.

Многие модели планшетных сканеров имеют возможность установки автоматического загрузчика документов из пачки, а также подключения слайд-модуля, осуществляющего «оцифровку» слайдов и негативных фотопленок для задач профессиональной фотографии или полиграфии.

Специальные типы сканеров предназначены для выполнения специальных функций. К ним относятся следующие:

· Барабанные сканеры обеспечивают наивысшее разрешение сканирования. Оригинал закрепляется на барабане при помощи специальных зажимов, либо при помощи смазки, а сканирование производится построчным перемещением объектива вдоль вращающегося со скоростью порядка 1000 оборотов в минуту барабана. Использование галогенного источника света, световой поток от которого концентрируется на точечной области барабана, позволяет исключить влияние помех и обрабатывать весь спектр оригиналов с высочайшим качеством.

· Сканеры форм — специальные сканеры для ввода информации с заполненных бланков. Это разновидность листовых сканеров. С помощью подобных устройств вводят данные из анкет, опросных листов, избирательных бюллетеней. От сканеров этого типа требуется не высокая разрешающая способность, а очень высокое быстродействие. В частности, для сканеров этого типа автоматизируют подачу бумажных листов в устройство.

· Штрих-сканеры — разновидность ручных сканеров, предназначенных для считывания штрих-кодов с маркировки товаров в магазинах. Штрих-сканеры позволяют автоматизировать процесс подсчета стоимости покупок. Они особенно удобны в торговых помещениях, оборудованных электронной связью и производящих расчеты с покупателями с помощью электронных платежных средств (кредитных карт, смарт-карт и т.п.).

· Слайдовый сканер — специализированный вариант планшетного сканера, разработанный для оцифровки слайдов и негативных фотопленок для задач профессиональной фотографии или полиграфии. Слайд или пленка вставляется в приемную щель и перемещается между лампой подсветки и объективом. Параметры выходного изображения достаточны для фотоальбома или полиграфического воспроизведения.

Несмотря на такое разнообразие видов сканеров, устройство и принципы их работы во многом схожи. В качестве примера рассмотрим, как работает планшетный сканер, упрощенная структурная схема которого приведена на рис. 10.

Основными элементами планшетного сканера являются:

· подложка (крышка) – закрывает оригинал, с которого производится сканирование. Изготовляется из черного материала, максимально поглощающего видимую часть спектра, чтобы предотвратить появление на результирующем изображении всевозможных бликов света, отраженного от размещенных за оригиналом предметов;

·
стекло, на котором размещается сканируемый оригинал;

· светодиодная матрица – набор датчиков (светочувствительных элементов), расположенных в одну линию для черно-белого сканирования или в три линии для сканирования в цвете за один проход. В качестве светочувствительных элементов используются приборы с зарядовой связью (ПЗС – CCD –Charge Coupled Device). Основное назначение матрицы ПЗС – разделить световой поток на три составляющих (красную, зеленую и синюю) и преобразовать уровень освещенности в уровень напряжения;

· оптическая система – состоит из объектива и зеркал (или призмы) и предназначена для проецирования светового потока, отраженного от сканируемого оригинала, на светодиодную матрицу, осуществляющую разделение информации о цветах. Обычно используется один фокусирующий объектив (или линза), который проецирует полную ширину области сканирования на полную ширину матрицы ПЗС;

· лампа – источник света, располагаемая на движущейся каретке и освещающая сканируемую страницу. В современных моделях используются лампы с холодным катодом (Cold Cathode Lamp), обеспечивающие световой поток заданной интенсивности и имеющие повышенные характеристики долговечности. Ориентированные на профессиональную работу с цветом, сканеры содержат схемы самокалибрации по интенсивности светового потока от лампы и поддержания стабильности светового потока при изменении температуры;

· шаговый двигатель – обеспечивает перемещение оптического блока, в который входят лампа, оптическая система и светодиодная матрица;

· блок усиления сигналов – усиливает аналоговые напряжения с выходов матрицы ПЗС, осуществляет их коррекцию и обработку;

· аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – преобразует аналоговые напряжения в цифровой код;

· контроллер сканера – обеспечивает прием команд от компьютера и выдачу ему полученных цифровых кодов.

Процесс сканирования достаточно прост. Оригинал (лист документа, развернутая книга и т.п.) располагается на прозрачном неподвижном стекле и закрывается крышкой. При подаче с компьютера команды на сканирование включается лампа и сканирующая каретка с оптическим блоком начинает перемещаться вдоль листа. Яркий свет от лампы падает на сканируемый оригинал, а затем, отражаясь от него, световой поток фокусируется оптической системой и поступает на приемник сигнала – матрицу ПЗС, которая порознь воспринимает красную, зеленую и синюю составляющие спектра. Полученные на выходе матрицы ПЗС аналоговые напряжения, пропорциональные спектральным составляющим, усиливаются и подаются в аналого-цифровой преобразователь, который и осуществляет цифровое кодирование. С АЦП информация выходит в «знакомом» компьютеру двоичном виде и, после обработки в контроллере сканера через интерфейс с компьютером поступает в драйвер сканера – обычно это так называемый TWAIN-модуль, с которым уже взаимодействуют прикладные программы.

! Для того, чтобы увидеть принцип работы планшетного сканера, оденьте наушники и выполните двойной щелчок мышью по этому рисунку:

Основные параметры и характеристики сканеров:

1. Разрешение сканирования (Scanning Resolution) характеризует величину самых мелких деталей изображения, передаваемых при сканировании без искажений. Измеряется обычно в dpi (dot per inch) — числе отдельно видимых точек на дюйм изображения. Существует несколько видов разрешения, указываемого производителем сканеров.

· Оптическое разрешение определяется плотностью элементов в ПЗС-линейке и равно количеству элементов ПЗС-линейки, деленному на ее ширину. Оно является самым важным параметром сканера, определяющим детальность получаемых с его помощью изображений. В массовых моделях планшетных сканеров обычно оно бывает равно 600 или 1200 dpi. Сканирование всегда следует выполнять с разрешением, кратным оптическому, при этом интерполяционные искажения будут минимальны.

· Механическое разрешение определяет точность позиционирования каретки с ПЗС-линейкой при перемещении вдоль изображения. Механическое разрешение обычно в 2 раза больше оптического.

· Интерполяционное разрешение получается путем 16-кратного программного увеличения изображения. Оно не несет в себе абсолютно никакой дополнительной информации об изображении по сравнению с реальным разрешением, причем в специализированных пакетах операция масштабирования и интерполяции выполняется зачастую качественнее, чем драйвером сканера.

2. Глубина цвета,илиразрядность (Color Depth) характеризует количество бит, применяемых для хранения информации о цвете каждого пиксела. Черно-белые сканеры имеют один разряд, монохромные, как правило, 8 разрядов, а цветные сканеры, как минимум, 24 разряда (по 8 бит на хранение каждой из RGB-компонент цвета пиксела). Количество цветов, воспроизводимых 24-х-битным сканером (8 бит на канал) равно 2²⁴ = 16 777 216. Более совершенные сканеры могут иметь разрядность 30 или 36 (по 10 или 12 бит на каждый канал). При этом их внутренняя разрядность может быть выше внешней: «лишние» разряды используются для выполнения цветовой коррекции изображения до передачи в компьютер, хотя такая практика в основном характерна для дешевых моделей. Профессиональные и полупрофессиональные сканеры имеют и внешнюю разрядность 30, 36, 42 бит или выше.

3. Диапазон оптических плотностей (Optical Density Range) – это динамический диапазон сканера, который во многом определяется его разрядностью. Он характеризует возможность сканера правильно передавать изображения с большим или с очень маленьким разбросом яркости (возможность отсканировать «фото черной кошки в темной комнате»). Вычисляется как десятичный логарифм от отношения интенсивности падающего на оригинал света к интенсивности отраженного света, и измеряется в ОD(Optical Density) или просто D: 0,0 D соответствует идеально белому цвету, 4,0 D — идеально черному. У сканера этот диапазон зависит от разрядности: у 36-битного сканера он не превышает 3,6 D, у 30-битного — 3,0 D. Сканируемые изображения обычно обладают диапазоном до 2,5 D для фотографий и 3,5 D для слайдов. Дешевые 24-битные планшетные сканеры имеют динамический диапазон 1,8-2,3 D, хорошие 36-битные — до 3,1-3,4 D.

4. Размер области сканирования. Для планшетных сканеров наиболее распространены форматы A4 и A3, для рулонных сканеров — A4, а для ручных сканеров область сканирования составляет обычно полосу шириной 11 см.

5. Соответствие цветов оригинального изображения его цифровой копии. На сегодняшний день одна из самых распространенных систем управления точностью цветопередачи та, что основана на профилях International Color Consortium (ICC), описывающая особенности цветопередачи различных устройств. Процесс создания профиля ICC базируется на сканировании специально изготовленной тестовой таблицы и сравнении полученных результатов с эталоном. По результатам и определяются характеристики устройства, учитываемые драйвером и приложениями. В дорогих моделях сканеров применяются специальные программно-аппаратные системы для цветокалибровки.

6. Качество драйвера. Все современные сканеры обмениваются данными с прикладными программами под Windows с помощью программного интерфейса TWAIN, однако предоставляемый драйвером набор функций может быть разным, его обязательно следует уточнить при выборе сканера. Среди них наиболее важны:

· возможность предварительного просмотра изображения с выбором области сканирования и количества цветов;

· возможность регулировки яркости, контраста и нелинейной цветовой коррекции;

· возможность подавления муара при сканировании изображений с печатным растром;

· возможность простейших преобразований изображения (инверсия, поворот и т.п.);

· возможность сетевого сканирования;

· возможность режимов автоматической коррекции контраста и цветопередачи;

· возможность работы сканера (в сочетании с принтером) в режиме копира;

· возможности по цветокалибровке как сканера, так и всей системы;

· возможности по пакетному сканированию;

· возможности тонкой настройки фильтров и параметров цветокоррекции.

7. Количество и качество прилагаемого к сканеру ПО. Традиционно в комплекте со сканерами поставляются ПО обработки изображений (Adobe PhotoDeluxe или Photoshop LE, ULead Photo Impact и др.) и программа оптического распознавания текста (OCR — Optical Character Recognition). В комплект ПО обычно входят две таких программы: англоязычная (Xerox TextBridge или Caere OmniPage Pro) и предназначенная для распознавания русских текстов программа OCR — одна из версий FineReader производства ABBY Software.

Высококачественные профессиональные и полупрофессиональные планшетные сканеры производят компании Agfa, Linotype-Hell, Microtek (ряд моделей известны под OEM-логотипом NeuHouse), Umax; рассчитанную на массового пользователя технику выпускают компании Artec, Epson, Genius, Hewlett-Packard, Mustek, Plustek, Primax и др.

Для различных типов сканеров в табл. 3 приведены типовые значения указанных параметров.

Таблица 3. Значения параметров основных типов сканеров

Тип сканера	Разрешение сканирования, dpi	Глубина цвета, бит	Диапазон оптических плотностей, D
Ручной			1,9 – 2,0
Листовой			2,0 – 2,2
Планшетный	до 5000	до 42	до 3,9
Барабанный	до 10000	до 48	4,0
Сканер форм	до 1200	до 30	до 2,8
Слайдовый	до 3000	до 42	3,6

Для подключения сканеров в настоящее время применяют следующие интерфейсы:

· собственный (Proprietary) интерфейс разработчика сканера, применявшийся в ранних моделях планшетных и ручных сканеров и представлявший собой специализированную плату на шине ISA, для работы которой требовался драйвер;

· с параллельным портом EPP (LPT, или ECP) выпускаются самые младшие модели в семействах планшетных сканеров различных производителей. Сканеры с таким интерфейсом имеют, как правило, посредственные характеристики и рассчитаны на выполнение несложных работ;

· интерфейс SCSI является стандартом для подключения высококачественных и высокопроизводительных устройств, обеспечивает межплатформенную совместимость сканера и его малую зависимость от смены операционной системы. К SCSI-сканерам обычно прилагается SCSI-плата на шине ISA, хотя такой сканер можно подключать и к полнофункциональным SCSI-контроллерам на шине PCI. Большинство 30- и 36-разрядных сканеров с разрешением 600 dpi и выше выпускаются с этим интерфейсом;

· интерфейс USB — это интерфейс для подключения сканеров, активно рекомендуемый спецификациями PC98 и PC99. Удобство единого интерфейса для разных устройств и достаточно высокая пропускная способность привели к тому, что большинство сканеров для непрофессионального применения выпускаются именно с этим интерфейсом.

Для ввода данных в системах трехмерного моделирования и автоматизированного проектирования (САПР, или CAD/CAM — Computer-Aided Design/Modeling) используется графический планшет (Digitizer – дигитайзер) — кодирующее устройство, позволяющее вводить в компьютер двумерное, в том числе и многоцветное, изображение в виде растрового образа.

В состав графического планшета входит специальный указатель (перо) с датчиком. Собственный контроллер посылает импульсы по расположенной под поверхностью планшета сетке проводников. Получив два таких сигнала, контроллер преобразует их в координаты, передаваемые в ПК. Компьютер переводит эту информацию в координаты точки на экране монитора, соответствующие положению указателя на планшете. Планшеты, предназначенные для рисования, обладают чувствительностью к силе нажатия пера, преобразуя эти данные в толщину или оттенок линии.

Для подключения планшета обычно используется последовательный порт. Распространенными параметрами являются разрешение порядка 2400 dpi и высокая чувствительность к уровням нажатия (256 уровней). Графические планшеты и дигитайзеры производят компании CalComp, Mutoh, Wacom и другие.

Для устройств рукописного ввода информации характерна такая же схема работы, только введенные образы букв дополнительно преобразуются в буквы при помощи специальной программы распознавания, а размер площадки для ввода меньше. Устройства перьевого ввода информации чаще используются в сверхминиатюрных компьютерах PDA (Personal Digital Assistant) или HPC (Handheld PC), в которых нет полноценной клавиатуры.

 

Задание № 5. 1. Что такое сканер, какие функции он выполняет? Как классифицируются сканеры? 2. Опишите принцип действия планшетного сканера. 3. Опишите основные параметры и характеристики сканеров.

ВЫВОДЫ

1. Клавиатура является основным устройством ввода информации в ПК. Она представляет собой совокупность механических датчиков, воспринимающих давление на клавиши и замыкающих определенную электрическую цепь. Наиболее распространены два типа клавиатур: с механическими и с мембранными переключателями.

Все клавиши разбиты на группы: буквенно-цифровые клавиши, предназначенные для ввода текстов и чисел; клавиши управления курсором (эта группа клавиш может быть использована также для ввода числовых данных, просмотра и редактирования текста на экране); специальные управляющие клавиши (переключение регистров, прерывание работы программы, вывод содержимого экрана на печать, перезагрузка ОС ПК и др.); функциональные клавиши, широко используемые в сервисных программах в качестве управляющих клавиш.

Наиболее распространенным стандартом расположения символьных клавиш является раскладка QWERTY (ЙЦУКЕН), которая при желании может быть перепрограммирована на другую.

2. Для управления курсором удобным средством является устройство, называемое мышью. Подавляющее число компьютерных мышей используют оптико-механический принцип кодирования перемещения. В переносных ПК вместо мыши используюттрекбол,тачпад,трекпойнт.

3. Для визуального отображения информации используется видеосистема компьютера, включающая монитор (дисплей), видеоадаптер и программное обеспечение (драйверы видеосистемы).Монитор (дисплей) – это устройство визуального отображения текстовой и графической информации на экране кинескопа (электронно-лучевой трубке – ЭЛТ) или жидкокристаллическом экране (ЖК-экране).

К основным параметрам мониторов относятся: кадровая частота монитора, частотастрок, полоса видеосигнала, способ формирования изображения, размерзерна люминофора экрана монитора, разрешающая способность монитора, типоразмер экрана монитора.

Видеоадаптер(видеокарта,видеоконтроллер) – это внутрисистемное устройство ПК, предназначенное для хранения видеоинформации и ее отображения на экране монитора. Он непосредственно управляет монитором, а также процессом вывода информации на экран с помощью изменения сигналов строчной и кадровой развертки ЭЛТ монитора, яркости элементов изображения и параметров смешения цветов.

4. Принтеры (печатающие устройства) – устройства вывода данных из ЭВМ, преобразующие информационные ASCII-коды в соответствующие им графические символы (буквы, цифры, знаки и т.п.) и фиксирующие эти символы на бумаге.

Принтеры разнятся между собой по различным признакам: по цветности – черно-белые и цветные; по способу формирования символов – знакопечатающие и знакосинтезируюшие; по принципу действия – матричные, термические, струйные, лазерные; по способу печати – ударные, безударные; по способам формирования строк – последовательные, параллельные; по ширине каретки – с широкой (375-450 мм) и узкой (250 мм) кареткой; по длине печатной строки – 80 и 132-136 символов; по набору символов – вплоть до полного набора символов ASCII; по скорости печати; по разрешающей способности.

5. Основным методом перевода бумажных документов в электронную форму является сканирование — технологический процесс, в результате которого создается графический образ бумажного документа, как бы его «цифровая фотография». Сканирование осуществляется с помощью специального устройства, называемого сканером.

Сканер – это оптико-электронно-механическое устройство, которое предназначено для преобразования визуального образа бумажного документа в графический файл, сохраняющий растровое изображение исходного документа и предаваемый в компьютер для последующей обработки (распознавания, редактирования и т.п.).

По своему предназначению сканеры делятся на универсальные (ручные, листовые и планшетные) и специальные (барабанные, сканеры форм, штрих-сканеры, слайдовые сканеры).

Основные характеристики сканеров: разрешение сканирования (оптическое, механическое и интерполяционное), глубина цвета (разрядность), диапазон оптических плотностей, размер области сканирования, соответствие цветов оригинального изображения его цифровой копии, качество драйверов и прилагаемого программного обеспечения.

Источник: helpiks.org

Сканеры необходимы для бы­строй и качественной оцифровки домашнего фотоархива или распознавания текстовых документов. Их используют в своей работе и профессионалы: художники, дизайнеры, иллюстраторы.

Типы сканеров

Сканер – это устройство для перевода изображения в электронный вид. Форма и формат изображения могут быть любыми – соответственно, и сканеры бывают разных типов, каждый из которых предназначен для оцифровки конкретного типа изображения. Наиболее популярными являются следующие виды устройств.

• Планшетные сканеры. Такие устройства являются универсальными, а поэтому и самыми востребованными. Они отлично справляются со своей задачей: с их помощью можно сканировать фотографии, газетные вырезки, страницы книг и т.п. Достаточно положить документ на стекло сканера – и можно приступать к сканированию.
  Планшетные сканеры различаются размером сканирующей области. Большинство моделей работают с форматом A4. Аппараты, рассчитанные на A3 и более, обычно относятся к классу профессиональных сканеров и стоят дороже обычных пользовательских моделей в 5–10 раз. Существуют планшетные сканеры со специальным слайд-адаптером. В крышке подобного устройства над стеклом располагается дополнительная лампа, позволяющая сканировать прозрачные оригиналы, например слайды и фотопленку.
• Слайд-сканеры. Фотолюбители, располагающие большими архивами пленок и слайдов, могут приобрести специальный сканер для оцифровки позитивов и негативов. Такие сканеры отличаются небольшой рабочей поверхностью, но очень высоким оптическим разрешением. Профессионалы предпочитают так называемые барабанные модели, в которых слайд закреплен на специальном вращающемся барабане, а сканирующий модуль неподвижен.
• Сканеры с автоподачей документов. Разновидность планшетных сканеров, предназначенных для использования в офисе. Их конструкция позволяет быстро сканировать пачки документов (в том числе двухсторонних) без перекладывания страниц вручную.
• Сканеры в составе МФУ. Сэкономить место на столе позволят многофункциональные устрой­ства, которые сочетают в себе принтер, факс, копир и сканер. МФУ не лишены недостатков: они редко поддерживают сканирование слайдов, кроме того, некоторые производители экономят за счет снижения разрешения.

Как работают сканеры?

Основной компонент сканера – сканирующий модуль. Он включает в себя источник освещения, светочувствительный сенсор, электронные компоненты и, в некоторых случаях, систему линз и зеркал. Принцип сканирования прост: свет от источника падает на сканируемый объект (например, на фотографию) и, отразившись либо пройдя через него, попадает на светочувствительный сенсор. Тот превращает световой сигнал в электрический, который затем преобразуется в цифровые данные, понятные компьютеру. Сканирующий модуль обычно перемещается с помощью механического привода вдоль объекта сканирования. Цифровые данные, полученные в результате обработки сигнала со сканирующего модуля, через интерфейс передаются на ПК (более подробно о подключении к ПК читайте на стр. 44). Дальнейшая обработка изображения производится на компьютере.

Конструкция сканирующего модуля

Сканирующий модуль чаще всего одновременно содержит в себе и систему подсветки, и светочувствительный элемент. В качестве первой используются либо газоразрядные трубки (наподобие тех, которые применяются в подсветке ЖК-экранов), либо линейка светодиодов. Светочувствительные элементы бывают двух типов: CCD (Charge Coupled Device – прибор с зарядовой связью, ПЗС) или CIS (Contact Image Sensor – контактный датчик изображения). Чем они отличаются и почему важно знать, каким именно сенсором оснащен выбранный вами сканер, рассказывается ниже.

CCD-сканеры

ПЗС-матрица в CCD-сканерах по своей конструкции сродни матрицам цифровых камер. Отличие заключается в том, что в сканере из CCD-датчиков собран целый массив, который называют линейкой фотодиодов. Наиболее типичными CCD-сканерами являются старшие модели Epson Perfection. В сканирующем модуле этих устройств содержится целый набор линз и зеркал, фокусирующих свет на поверхности сенсора. Недостатком такой конструкции является сложность и относительная дороговизна, преимуществом – высокая глубина резкости и лучшая функциональность.

CIS-сканеры

Некоторые сканеры производятся по CIS-технологии. Такие модели есть у многих компаний, например Canon выпускает Ca­no­Scan серии LIDE, а Mustek – сканеры семейства BearPaw. Устрой­ства этого типа дешевле и компактнее, чем CCD-сканеры, за счет использования светодиодной подсветки и отсутствия оптики (фокусирующих линз и зеркал) в сканирующем узле. Но глубина резкости у такого сканера невелика, поэтому для формирования качественного изображения очень важно минимальное расстояние между объектом и сенсором. Если же оригинал картинки неплотно прилегает к рабочей поверхности сканера, то изображение получается нечетким. Это делает невозможным корректное распознавание тек­ста специализированными программами. С другой стороны, CIS-сканеры не создают оптических искажений, характерных для CCD-устройств.

Источник: www.tofmal.ru