Схема сканера

City #33

---

Аппаратное обеспечение → Периферийное оборудование → Ввод-вывод → Сканеры

---

┌─────────────────────────────────────────────────┐  │ ********* ПЛАHЕТА ШЕЛЕЗЯКА ************ │  └─────────────────────────────────────────────────┘     СКАНЕР V1.3    (c) В.Казаков  (c) А.Дpемoв, Д.Ивaнищев, В.Юдин      В этом pазделе вы можете пpочитать описание элек-  тpической схемы и констpукции сканеpа, выполненного  на базе пpинтеpа, котоpое было дано в статье с ана-  логичным названием в жуpнале DEJA VU #8. В pедакции  нашей газеты имеется полное описание пpогpаммы и  сама пpогpамма обслуживания сканеpа "СКАHЕP V1.3",  а также дpайвеp печати для Скоpпиона.   Все матеpиалы пpедоставил VEL/PXM/CTL.     ПPИHЦИП PАБОТЫ      Cкaнеp кoпиpует изoбpaжение с листa нa экpaн,  пpoсмaтpивaя егo пoследoвaтельнo, тoчкa зa тoчкoй с  пoмoщью фoтoдaтчикa.  

 я пеpемещения фoтoдaтчикa  испoльзуется движение гoлoвки пpинтеpa пpи печaти.     СКАНИРУЮЩАЯ ГОЛОВКА       В этой версии реализованы три градации  контрастности получаемого изображения,немного  изменена конструкция сканирующей головки (рис.1).   ───═══──══──══──═════════ Пеpед фотодатчиком (ФТ)   / бумага предлагается установить  экpан / отрезок медицинской иг-   //───  фототpанзис- лы диаметром 0.3-0.5мм,   // тоp в игле длиной, примерно,3-5мм.  ┌┤│ лампа │── ─────────┐ Это необходимо подо-  │░ /░░░ ░░░░░░░│ брать экспериментально  │░░ ──/░░░░░ ░░░░░░│ к конкретному фотодат-  │░░░░░║░░░░░░░░ ║░░░░░░░│ чику в зависимости от  │░░░░░║ головка ░║░░░░░░░│ чувствительности его  └─────║──────────║───────┘ приема.   Предлагается также оснастить сканирующую  головку, а точнее -лампу подсветки головки -  защитным экраном (ЭК), усиливающим световой поток  на сканируемое изображение.   Оптимальный угол наклона иглы фотодатчика (ФТ) -  10 - 20 градусов.     ЭЛЕКТРОСХЕМА       Для сканера версии 1.3 по сpавнению с пpедыдущей   веpсией произведена корректировка электрической   ┌────o────o──────────────o+5V схемы, согласно pи-   │R1 █ │ R4 3┌─┐1 сунку 2.   │ │ R3 █ ┌─██──═╡&o──o1 Главное отличие   │R2┌─█ o──o 2└─┘ данной схемы состоит   │ │ VT1│ │Д1 6┌─┐4 в том, что выходной   │ └─o──┤< o┤>│o─═╡&o──o2 каскад усиления ос-   │Л1 │ э│ │R5 █ 5└─┘ нащается фильтpом RD   O ┤< │ │Д2 ┴ 8┌─┐10 т.е. сигнал делится   │ Ф1 │э │ └┤>│o─═╡&o──o3 на 3 уpовня пpи по-    │ │ │ R6 █ 9└─┘ мощи сопpотивлений   └────o────o──────o───────o ┴ R4, R5, R6 и диодов  D1, D2.  
  

 ходы 1, 2, 3 фильтра - соединяются  соответственно с клеммами: вниз - вправо - влево (4  1 - 2) порта 31 Kempston-джойстика.     Некоторые номиналы деталей для электросхемы :     R1 20-120 кОм R2 40-100 кОм   R3 0.8-1 кОм R4 2 кОм   R5 20 кОм R6 60 кОм   D1,D2 - любые диоды с прямым сопротивлением 1,5-2  кОм.    Микросхема 555ЛЕ1 или аналогичная.     Если при изготовлении головки вы не смогли сох-  ранить контактную пластинку на печатающей головке,  то на ее место вклейте обязательно текстолит толщи-  ной 0.5 мм с целью сохранности контактов принтера.     ПОPЯДОК HАСТPОЙКИ ПPОГPАММЫ      1. В прогрaмме устaновлен дрaйвер совместимый с  LPRINT III с пaрaлельным протоколом обменa и  системой комaнд типa CENTRONICS. Попробуйте  зaпустить прогрaмму и добиться изменением зaдержки  ритмичного движения печaтaющей головки. В момент  передaчи информaции нa принтер, нa бордюре  возникaют черно-белые полосы. Белый бордюр  покaзывaет, что принтер в дaнный момент зaнят. Вaм  необxодимо добиться, чтобы движение слевa нaпрaво  происxодило при черном бордюре. Нa первом этaпе Вaм  не нужен фотодaтчик. Принтер при этом рисует две  вертикaльные линии. Если принтер движется  неритмично, или его движение происxодит в моменты,  когдa бордюр белый, то прогрaммa у вaс рaботaть не  будет. Точнее, необxодимa переделкa кодовой чaсти.  Покa удaлось выявить только двa рaзличныx типa  принтерa - "Robotron" - печaтaет информaцию срaзу,  после получения комaнды "ВК", a "SPRINT", "MС  6912"-нaчинaют печaть предыдущей строки только  после получения упрaвляющиx комaнд со следующей  строки.  

 Т.к. синxронизaция отобрaжения нa экрaне  осуществляется по времени, то подпрогрaммы для  скaнировaния, рaботaющие с принтерaми рaзныx типов  немного рaзличaются.   Если же Вaш принтер совсем не двигaется, то,  следовaтельно, Вaм не подxодит используемый  дрaйвер. Поскольку у Вaс есть принтер, то у Вaс  должен быть и дрaйвер печaти. Зaпишите его с aдресa  41604 и попробуйте сновa. Требовaния к дрaйверу  просты: он должен бaйт "13" - "ВК" дополнять кодом  "10" - "LF", a остaльные коды передaвaть нa принтер  без обрaбоботки. Адрес зaпускa должен совпaдaть с  нaчaлом, и его длинa должнa быть меньше 256 бaйт.    2. Изготовив фотодaтчик - проверьте его рaботу с  помощью опции "тест фотодaтчикa",он должен четко  реaгировaть нa цвет бумaги.     Опция "Тест фотодaтчикa" пpогpаммы позволяет про-  верить рaботоспособность фотодaтчикa. Bозьмите лист  бумaги с крупным, контрaстным изобрaжением и  перемещaйте фотодaтчик с белой нa черные зоны.  Появляющиеся числa в окне тестировaния должны  изменяться в зaвисимости от цветa зоны.    3. Устaновив фотодaтчик нa принтер и изменяя  пaрaметр "сдвиг", добейтесь появления нa экрaне  xотя бы кaкого-то изобрaжения. Если Вы устaновили  цвет:бумaги - 7(белый), a цвет чернил - 0 (черный),  то изобрaжение должно быть "позитивным".  
  

 сутствие  изобрaжения покaзывaет, что,либо в момент  скaнировaния дaтчик не движется и необxодимо  изменить зaдержку, либо дaтчик не чувствует  изменения цветa вaшего рисункa и необxодимо  повторить п.2 (тест фотодaтчикa).    4. Если вы получили непропорционaльный рисунок, но  не изменяли пaрaметры нaстройки кроме сдвигa, то  необxодимо зaпомнить знaчение пaрaметрa "СДВИГ" и  перейти в меню нaстройки,изменить пaрaметр  "скорость принтерa" и устaновить режим "СТАНДАРТНОЙ  НАСТРОЙКИ".   Увеличение скорости принтерa вызывaет сжaтие  изобрaжения по горизонтaли. В режиме скaнировaния  необxодимо сновa устaновить нaйденное вaми знaчение  сдвигa, и, после нaстройки всеx режимов, зaписaть  нa диск полученные знaчения. При повторном зaпуске  прогрaммы нaстройкa сведется лишь к выбору одного  из режимов.  

---

Реклама — Пpодам, куплю ,обменяю пpогpаммы для Spectrum.

Источник: zxpress.ru

Сканер представляет собой достаточно сложное электромеханическое устройство. В составе оборудования сканера имеются оптические узлы, механические компоненты и электронные схемы управления, традиционно построенные на базе микропроцессорной техники.

Цветные сканеры имеют более сложный и более точный механизм регистрации отраженного луча, чем черно-белые.
раженный от оригинала луч проходит более длинный путь, поскольку для сканирования цветных изображений он проходит еще и через светофильтры для разложения на красную, зеленую и голубую составляющие. Луч света соответствующего цвета падает на оригинал, отражается от него и через систему зеркал попадает на светочувствительные элементы, где преобразуется в электрический заряд в элементах ПЗС соответствующих красной, зеленой и голубой компоненте цветной точки оригинала.  Эти заряды из линейки ПЗС последовательно считываются и поступают на аналого-цифровые преобразователи, где конвертируются в цифровые эквиваленты, образующие по три цифровые компоненты для каждой цветной точки строки оригинала. Эта цифровая информация передается в блок памяти для дальнейшей обработки.

Разрешение сканера характеризует дискретность сканирования точек оригинала. В сканерах различают два типа разрешения — оптическое и интерполированное. Оптическое разрешение описывает возможности аппаратной (оптической) части сканера. Для увеличения четкости деталей оригинала применяются специальные программные алгоритмы, это второе разрешение называется интерполированным.  Обычно оно увеличивает максимальное разрешение сканера в четыре раза (например, оптическое разрешение сканера 600 dpi, а максимальное интерполированное —  2400 dpi). Поскольку интерполированное разрешение обеспечивается программными методами, при его использовании качество сканированного оригинала может быть несколько хуже, но практически сканеры обеспечивают приемлемое качество и при интерполированном разрешении.

В современных сканерах в основном используются две технологии построения элементов, осуществляющих непосредственный прием изображения сканируемого документа. Этими технологиями являются:

               — контактные датчики изображения (CIS – Contact Image Sensor);

               — приборы с зарядовой связью – ПЗС (CCD – Charge Coupling Device).

И те, и другие имеют положительные и отрицательные отличия, причем, как в стоимости устройств, так и в качестве получаемого изображения.

Контактные датчики изображения (CIS) представляют собой единую систему, состоящую из источника света, фокусирующей линзы (точнее набора линз) и фотоприемников. Достаточно часто все это называют  сканирующей головкой.  Такая сканирующая головка не содержит оптической системы, состоящей из набора зеркал и линз, что значительно упрощает  систему сканирования, уменьшает ее габариты, и, естественно, уменьшает стоимость. Сканеры, имеющие такую систему приема изображения очень компактны. Для считывания всей строки изображения сканирующая головка содержит множество источников света (светодиоды) и еще большее количество фотоприемников (в цветных сканерах каждому источнику света соответствует три фотоприемника).
личество светодиодов должно соответствовать разрешающей способности сканера. Фокусировка изображения обеспечивается набором линз, причем количество линз будет точно таким же, что и количество светодиодов. Фокусное расстояние этих линз выбирается еще на стадии разработки сканера, и эти линзы имеют малую глубину резкости (± 0.3 мм). Это значит, что удаление (или приближение) сканируемого объекта от CIS приводит к потере качества – изображение «размывается» и становится более темным. Этот эффект хорошо демонстрируется при сканировании разворотов книг – центр разворота получается очень темным. Малая глубина резкости также не дает хорошего качества сканирования трехмерных объектов.

Приборы с зарядовой связью ПЗС (CCD) традиционно выполняются в виде единого модуля, обеспечивающего прием изображения всей строки. В составе такого модуля имеются фотоэлементы, количество фотоэлементов в модуле также должно соответствовать разрешающей способности сканера, т.е. каждой сканируемой точки должен соответствовать свой фотоприемник (а в цветных – каждой точке соответствует три фотоприемника). Длина строки ПЗС значительно меньше реальной длины сканируемой строки, поэтому (и не только поэтому) требуется применение оптической системы, обеспечивающей фокусировку изображения.
результате, сканеры такого типа имеют довольно сложную и громоздкую оптическую систему, требующую очень сложной и тонкой настройки. Соответственно, стоимость подобных устройств несколько выше. Но основным преимуществом ПЗС-технологии является более высокое качество получаемых изображений. В отличие от контактных датчиков изображения, ПЗС имеют значительно большую глубину резкости оптической системы – до ± 3 мм, что приводит к гораздо лучшему результату при сканировании объемных изображений. К недостаткам ПЗС-систем можно отнести неравномерность качества отсканированного изображения в центральной зоне и на краях. На краях, обычно, изображение получается более затемненным, что связано с неидеальностью оптической системы и с особенностями распределения света сканирующими лампами. Для компенсации такого эффекта в сканерах применяются различные программные способы коррекции отсканированного изображения.

Эти способы коррекции подразумевают построение специального шаблона коэффициентов усиления сигналов от ПЗС, определение и установка уровня черного цвета, определение и установка уровня белого цвета, построение кривой γ-коррекции и т. п. С возложенной на них задачей программы коррекции справляются достаточно эффективно. Сравнительный анализ двух технологий приведен в табл. 1.

 Таблица 1

Параметр, характеристика	CIS – технология	CCD – технология
Габариты и вес сканирующего узла и сканера в целом	Меньше	Больше
Стоимость сканера	Меньше	Больше
Потребляемая мощность	Меньше (в среднем 2,5 Вт)	Больше (в среднем 12 Вт)
Равномерность отсканированного изображения	Хорошая	Хуже (необходимо корректировать)
Глубина резкости	Малая (около ± 0.3 мм)	Большая (около 3 мм)
Разрешающая способность	Меньше (600 ppi)	Высокая (до 3000 ppi)
Ресурс работы	Малый (через 500 часов яркость уменьшается в среднем на 30%)	Большой (до 10.000 часов)
Чувствительность к оттенкам серого	Хуже	Хорошая
Погрешность при определении оттенка серого	Хуже (до 40%)	Хорошая (до 20%)
Чувствительность к постороннему свету	Более чувствительна (хуже)	Менее чувствительна (хорошо)
Требования к хорошим условиям эксплуатации	Менее требовательна	Более требовательна

 

При сканировании изображения,  свет копироваль­ной лампы сканера отражается от оригинала и проецируется с помощью зеркал и линзы на преобразователи лучей света в электрический заряд в качестве которых используются, например, полупроводниковые приборы с зарядовой связью (ПЗС). Изображение  (оригинал) которое нужно скопировать кладется на стеклянную крышку копировальной панели и на него направляется свет от сканирующей лампы (рис. 1). От светлых участков оригинала отражается больше света, чем от темных, поэтому и на соответствующие элементы ПЗС воздействует свет различной яркости и формируются соответствующей величины заряды. ПЗС обычно объединяют в линейки, которые могут одновременно получить отраженный от «строки» оригинала  поток света и преобразовать световую энергию, отраженную от каждой точки «строки» оригинала в пропорциональный ей электрический заряд. Заряды каждой точки последовательно считываются с ПЗС линейки и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) блока обработки изображения, преобразует заряд каждого элемента линейки ПЗС в соответствующий ему цифровой код (например, в 8-разрядный, 12-ти или 14-ти разрядный). Затем, полученное таким образом, цифровое изображение строки оригинала запоминается в буферной памяти сканера.

  

Рис. 1. Принцип построения сканера (единый, перемещающийся относительно неподвижного стола, модуль с оптической системой и ПЗС-матрицей)

 

В подавляющем большинстве современных сканеров используются приборы с зарядовой связью (ПЗС) — термин, эквивалентный английскому обозначению Charge-Coupled Device (CCD). ПЗС — это твердотельный электронный компонент, состоящий из множества крошечных датчиков, которые преобразуют интенсивность падающего на них света в пропорциональный ей электрический заряд.

В зависимости от типа сканера ПЗС могут иметь различную конфигурацию. При линейном способе считывания информации цветного трехпроходного сканирования микродатчики ПЗС размещаются на кристалле в одну линию или в три линии для цветного однопроходного сканирования. Такая конфигурация позволяет устройству производить выборку всей ширины исходного аналогового изображения и записывать его как полную строку.

Корпорация Hewlett-Packard использует принципиально иной подход, по ее технологии вместо светофильтров используется расщепляющая спектр оптика, которая позволяет уйти от этих проблем, но и порождает другие, но уже чисто оптические, ошибки преобразования. Управление работой таких матриц осуществляется с помощью кварцевого генератора и соответствующих логических схем, отвечающих за синхронизацию тактирующих импульсов. Эти импульсы обеспечивают переключение управляющих потенциалов и, таким образом, инициируют сдвиговую передачу накопленных зарядов в специальные буферные регистры, надежно защищенные от светового воздействия.

ПЗС-матрицы фирмы Eastman Kodak имеют  две оригинальные конструктивные особенностей. Первая особенность связана со встроенной логикой управления временем экспозиции, осуществляемого путем смещения в ту или иную сторону времени выдачи тактового импульса, который открывает «перемычки» между приемными и передающими «ямами». Вторая особенность состоит во включении в ПЗС-цепочку дополнительных, закрытых от света и расположенных по краям фотоэлементов, которые инициируют «нулевой» заряд, используемый в качестве базовой точки в ходе преобразования накопленных зарядов в напряжение. Первая из перечисленных возможностей, реализует технологию Dynamic Range Control, которая обеспечивает увеличение экспозиции при сканировании темных мест изображения. В сканерах копиров работающих со слайдами ПЗС-датчики обычно имеют форму прямоугольной матрицы, что позволяет формировать образ оригинала целиком, а не построчно (как при матричном способе формирования изображения).

В любом сканирующем устройстве качество получаемых цифровых изображений в большой степени определяется конструктивной реализацией механизма сканирования, особенностью оптической системы, а также от качества, работающих в паре, двух центральных компонентов блока оцифровки изображений:

— трехлинейной светочувствительной матрицы (чаще называемой ПЗС-матрицей);

— аналогово-цифрового преобразователя (АЦП).

С другой стороны, огромную роль в формировании возможностей сканера играет его программное обеспечение, позволяющее производить сложную обработку и преобразование цифровых описаний цветных изображений. В цифровых копирах, как известно, копия по качеству может быть значительно лучше оригинала.

Оцифровка сканируемого изображения в большинстве сканирующих устройств (среднего класса) выполняется с перемещением каретки сканирующей лампы. Механика такой оцифровки состоит в том, что сканирующая лампа, последовательно меняет свое положение, относительно размещенного на столе оригинала, на величину шага, минимальная величина которого определяет механическое разрешение сканера. При этом отраженный от непрозрачного оригинала (или прошедший сквозь прозрачный оригинал) свет фокусируется через оптическую систему на ПЗС-матрицу, находящуюся под ложем сканера. 

Существует несколько вариантов построения кинематики таких сканеров, различающихся по числу и типу подвижных компонентов.

Наиболее распространенный и менее дорогой вариант использует единый (рис. 1), перемещающийся относительно неподвижного стола, модуль с оптической системой и ПЗС-матрицей, в котором происходит обработка светового потока с отсканированной информацией.

Значительно реже применяется конструкция с неподвижной ПЗС-матрицей, в которой сканирование осуществляется либо за счет движения стола с оригиналом, либо перемещением ламп и компонентов оптической системы.

Конечно, физические принципы построения полупроводниковых ПЗС-структур обуславливают преимущества и недостатки перечисленных вариантов, а любые внешние воздействия, способные даже незначительно повысить рабочую температуру светочувствительных полупроводниковых элементов, приводят к возникновению в них паразитных токов. Кроме того, имеются погрешности, связанные с обработкой светового потока в подвижной оптической системе, кроме того, любой,  даже идеально собранный, механизм со временем изнашивается, что и приводит к снижению точности работы.  Очень редко на практике в сканирующих устройствах используют почти стационарную оптическую систему, в которой движется только линза авто-фокусировки и неподвижна ПЗС-матрица (рис. 2). Оптическая система играет главную определяющую роль в формировании отчетливого изображения, существенное значение имеет большая глубина резкости и использование длиннофокусной оптики. Как видно из рис. 2, в процессе сканирования сборка с лампой, зеркалами и линзами «догоняет» вторую оптическую сборку, гарантируя постоянство оптического пути, длину которого разработчики этих сканеров намеренно увеличили.

Характеристики сканера обычно определяют тремя основными показателями:

— разрешением,

— глубиной цвета,

— динамическим диапазоном.

Истинное оптическое разрешение, часто выражается в dpi (dots per inch —  точек на дюйм), и определяет число элементарных участков поверхности сканируемого оригинала, информация о которых воспринимается одной линейкой (при цветном трехпроходном сканировании), или тремя светочувствительными линейками ПЗС-матрицы (по одной линейке на  красный, зеленый и синий цвет). Разрешение сканера правильнее отражается не в dpi, так как эта единица измерения более характерна для принтеров, которые формируют цветовые оттенки и элементы изображения из мельчайших растровых точек, а в ppi (pixels per inch —  пикселов на дюйм) — эта единица измерения, оперирует прямоугольными элементами (пикселами) конкретной величины.

Величина оптического разрешения сканера и размер пиксела напрямую определяются числом светочувствительных элементов ПЗС-матрицы, размещенной параллельно одной из сторон ложа сканера. Это разрешение имеет естественные границы, которые можно расширить, лишь сокращая размер сканируемой области, приходящейся на длину светочувствительной линейки. Делается это с помощью оптических систем с переключаемыми линзами, которые обеспечивают экспонирование встроенных ПЗС-структур световым потоком, сканирующим либо всю ширину ложа, либо только его часть (как правило, центральную). Существует оригинальный способ увеличения разрешения цветных (монохромных) сканеров в котором на каждый из трех цветов установлена не одна, а целых две ПЗС-линейки, сдвинутые друг относительно друга на половину шага.

Рис. 2. Принципиальная схема механизма с неподвижной ПЗС-матрицей

 

Для простых цветных сканеров обычно используют 8-разрядные АЦП (256 градаций или цветов). Для правильного восприятия передаваемого через оптическую систему светового потока  в высококачественных цветных сканирующих устройствах все чаще устанавливают АЦП с повышенной разрядностью (обычно в данном классе устройств максимальная разрядность АЦП составляет 12-14 бит), что позволяет увеличивать число воспринимаемых оттенков до 4,4 биллиона цветов. В случае использования 14-разрядного АЦП по каждому цветовому каналу, но в этом случае необходимо использовать высококачественные ПЗС-матрицы, так как если в применяемой ПЗС-матрице имеются большие паразитные токи, а из 14 разрядов установленного в сканере АЦП достоверными являются лишь 12, то эти цифры теряют всякий смысл.

Технические параметры ПЗС и АЦП сканера являются малоизвестной информацией (такой информацией иногда не владеют даже дистрибьюторы), поэтому предварительное тестирование покупаемого аппарата полезная и необходимая процедура.