Фотодатчики, применяемые в сканерах

В современных сканерах применяют фотодатчики двух типов: фотоэлектронные умножители — ФЭУ (РМТ — Photomulti Plier Tube) или приборы с зарядовой связью — ПЗС (ССО — Charge- Coupled Device).

Фотоэлектронный умножитель изобретен советским инженером J1.A. Кубецким в 1930 г. ФЭУ, изображенный на рис. 6.3, представляет электровакуумный прибор, внутри которо­го расположены электроды — катод, анод и диноды. Световой поток от объекта сканирования вызывает эмиссию электронов из катода. В соответствии с законом фотоэффекта фототок эмиссии прямо пропорционален интенсивности падающего на него свето­вого потока. Вылетающие из катода электроны под действием раз­ности потенциалов между катодом и ближайшим к нему электродом — динодом притягиваются к последнему и выбивают с его поверхности вторичные электроны, число которых многократно превышает первичный электронный поток с катода. Это обеспе­чивается благодаря тому, что диноды выполнены из материалов, имеющих высокий коэффициент вторичной эмиссии, а между ними приложены потенциалы, обеспечивающие усиление вторич­ной эмиссии. В результате через сопротивление нагрузки в анод­ной цепи ФЭУ протекает усиленный ток. Коэффициент усиления фототока в ФЭУ достигает 10⁸. Такое усиление достигается за счет подачи на ФЭУ напряжения от высоковольтного источника (в за­висимости от количества динодов — от 500 до 1500 В), причем потенциалы распределяются между электродами равномерно с помощью делителя напряжения. ФЭУ обладает высокой чувстви­тельностью (1 А/лм), а его спектральный диапазон, определяе­мый областью длин волн регистрируемого излучения, соответ­ствует задачам сканирования, поскольку перекрывает видимый спектр световых волн.

Прибор с зарядовой связью — это твердотельный электронный фотоприемник, состоящий из множества миниатюр­ных фоточувствительных элементов, которые формируют элек­трический заряд, пропорциональный интенсивности падающего на них света, и конструктивно выполняются в виде матриц или линеек.

Работу ПЗС впервые продемонстрировали В. Бойл и Дж. Смит в 1970 г. Принцип действия ПЗС основан на зависимости прово­димости р—n-перехода полупроводникового диода от его осве­щенности. Устройство и принцип действия ПЗС-линейки показа­ны на рис. 6.4. ПЗС представляет собой полупроводниковый крис­талл (как правило, кремний), на поверхность которого нанесена прозрачная оксидная пленка, выполняющая функцию диэлект­рика в микроскопических конденсаторах. Одной из обкладок та­кого конденсатора является поверхность самого кристалла, а дру­гой — нанесенные на диэлектрик металлизированные электроды толщиной не более 0,6 мкм. К электродам в определенной последовательности подается низкое напряжение (5— 10 В). Это приводит к тому, что под электродами образуются так называемые потенциальные ямы в виде скоплений электронов. Под воздействием света в результате внут­реннего фотоэффекта появляются свободные электроны. Количе­ство электронов, скапливающихся под чувствительной площад­кой каждого электрода, пропорционально интенсивности свето­вого потока, падающего на чувствительную площадку данного электрода. Электроны образуют зарядовый пакет. Если ПЗС вы­полнен в виде линейки, зарядовые пакеты передаются из одной потенциальной ямы в соседнюю, достигая последней ячейки, откуда поступают на предварительный усилитель. ПЗС-линейка может содержать до нескольких тысяч фоточувствительных ячеек. Размер элементарной ячейки ПЗС определяет разрешающую спо­собность сканера. Область спектральной чувствительности ПЗС расположена в видимой части спектра, причем наибольшая чув­ствительность наблюдается ближе к красной области.

Типы сканеров

В зависимости от способа перемещения фоточувствительного элемента сканера и носителя изображения относительно друг друга сканеры подразделяются на две основных группы — настоль- н ы е (Desktop) и ручные (Hand-held).

К числу настольных сканеров относятся планшетные (Flatbed), роликовые (Sheet-feed), барабанные (Drum) и проекционные (Overhead/ Camera) сканеры.

Планшетные сканеры, или сканеры плоскостного типа, ис­пользуются для ввода графики и текста с носителей формата А4 или A3.

На рис. 6.5 показано устройство и механизм работы планшет­ного сканера. В планшетных сканерах оригинал располагается на его рабочей поверхности неподвижно. Освещение оригинала про­изводится стабилизированным по интенсивности источником, в качестве которого используют лампы с холодным катодом или флуоресцентные лампы. В качестве фотоприемника обычно исполь­зуются ПЗС-линейки. Лампа, ПЗС и оптическая система, направ­ляющая на ПЗС световой поток, отраженный от оригинала, нахо­дятся на одной каретке и с помощью шагового механизма пере­мещаются вдоль оригинала. В основном все планшетные сканеры рассчитаны на получение копии с одного оригинала, однако к некоторым моделям сканеров прилагаются дополнительные при­способления для последовательной подачи и сканирования не­скольких оригиналов.

При использовании в качестве оригиналов книг или сброшю­рованных документов имеется возможность обеспечить их при­жим к стеклянной поверхности сканера специальной крышкой на петлях.

К преимуществам планшетных сканеров следует отнести про­стоту использования, возможность сканирования как плоских оригиналов в широком диапазоне размеров, так и небольших трех­мерных объектов. При необходимости сканирования оригиналов нестандартного большого формата имеется возможность скани­рования по частям с последующим объединением с помощью какого-либо графического редактора.

Недостатками этого типа сканеров являются большая занима­емая площадь, сложность выравнивания оригинала с неровно раз­мещенным на носителе изображением, невозможность сканиро­вания прозрачных оригиналов.

Однако при этом планшетные сканеры — наиболее популяр­ные устройства ввода текстовой и графической информации. Они обеспечивают необходимое качество изображений, используемых как в деловой корреспонденции, так и в высокохудожественных изданиях.

Роликовые сканеры осуществляют сканирование оригинала при его перемещении по специальным направляющим посредством роликового механизма подачи бумаги относительно неподвижных осветителя и ПЗС-линейки. Механизм работы роликового скане­ра показан на рис. 6.6. Сканирование в роликовом сканере, как и в планшетном, производится в отраженном свете. Этот принцип заложен в конструкции многих факсимильных аппаратов. Скане ры, работающие в двух режимах - сканирования изображения и его факсимильной передачи, называют факс-сканерами (Fax Scanner).

В отдельных моделях роликовых сканеров имеется устройство для подачи листов, которое позволяет сканировать в автомати­ческом режиме.

Большинство роликовых сканеров офисного применения пред­назначены для работы с оригиналами формата А4. Однако суще­ствуют широкоформатные роликовые сканеры, обеспечивающие сканирование оригиналов форматов А1 и АО.

Преимущества роликовых сканеров определяются их компакт­ностью, удобством подключения и пользования, автоматической подачей листов оригинала, удовлетворительной скоростью скани­рования и низкой стоимостью. В то же время эти сканеры имеют ряд недостатков, связанных с невозможностью без специальных приспособлений осуществлять сканирование сброшюрованных до­кументов, книг, а также с опасностью повреждения оригинала.

Барабанные сканеры позволяют получать изображения про­зрачных или отражающих оригиналов с высокой степенью де­тализации. Механизм работы барабанного сканера представлен на рис. 6.7.

Прозрачный оригинал в барабанных сканерах закрепляется с помощью специальной ленты или масла на поверхности прозрач­ного цилиндра из органического стекла (барабана), который для обеспечения устойчивости укреплен на массивном основании. При вращении барабана с большой скоростью (от 300 до 1350 об/мин) фотоприемник считывает изображение с высокой точностью. В боль­шинстве барабанных сканеров в качестве фотоприемника исполь­зуется ФЭУ, который перемещается с помощью винтовой пары вдоль барабана. Для освещения оригинала применяется мощный стабилизированный по интенсивности излучения ксеноновый или галогенный источник света. При сканировании отражающих ори­гиналов применяется источник света, расположенный вне бара­бана рядом с приемником излучения.

За счет высокой скорости вращения барабана имеется возмож­ность фокусировать на оригинале достаточно мощный поток света без риска повреждения оригинала. В связи с этим отличительной особенностью барабанных сканеров является возможность скани­ровать с высоким разрешением оригиналы, имеющие высокую оптическую плотность (печатные издания, художественные рабо­ты, слайды, диапозитивы, негативные пленки), как в отражен­ном, так и в проходящем свете.

В отдельных моделях барабанных сканеров в качестве фотопри­емника изображения используется набор ПЗС-линеек, неподвижно установленных на всю ширину барабана и построчно сканирую­щих оригинал в отраженном свете. В этих сканерах, как правило широкоформатных, барабан совершает только один оборот за все время сканирования. Сканеры, в которых реализована эта техно­логия, выгодно отличаются от сканеров с ФЭУ, поскольку ис­ключается необходимость решать проблему стабилизации конст­руктивных элементов, обусловленную высокой скоростью враще­ния барабана. Для гашения возникающих при этом вибраций при­меняются специальные амортизаторы, увеличивающие массу ска­нера до 250 кг и более.

Барабанные сканеры позволяют сканировать прозрачные или отражающие оригиналы типа высокохудожественных работ в по­лиграфии и картографии. При этом автоматическая корректиров­ка освещенности, настройка фокусного расстояния и высокая производительность достигаются за счет обработки изображения встроенным компьютером.

Значительные габариты, необходимость предварительной под­готовки обслуживающего персонала и высокая стоимость бара­банных сканеров обусловливают ограничение их области приме­нения профессиональной полиграфией и картографией.

Проекционные сканеры работают по принципу фотографической камеры и конструктивно напоминают фотоувеличитель. Механизм работы проекционного сканера показан на рис. 6.8. Оригинал рас­полагается на подставке под сканирующей головкой изображени­ем вверх. Сканирующая головка, содержащая ПЗС-датчик и пере­мещающий его в фокальной плоскости линзы двигатель, за­крепляется на вертикальном штативе и может перемещаться по стойке или по вертикальным направляющим. Перед началом ска­нирования камеру устанавливают в положение, соответствующее требуемому разрешению и размеру изображения. Точная настройка (фокусировка), определяющая разрешение сканирования, осущест­вляется специальной редуцирующей линзой. Обычно в проекци­онных сканерах внутренний источник освещения не используется. Освещение оригинала производится за счет естественного ком­натного света. В некоторых моделях проекционных сканеров свет через линзу освещает оригинал, а отраженный свет фиксируется ПЗС-матрицей. Такая конструкция сканера позволяет избежать влияния внешних засветок и получить высокое качество сканиро­ванных изображений. Особенностью проекционных сканеров является возможность сканирования трехмерных объектов. При этом конструкция ска­неров обеспечивает переменное разрешение сканирования: неболь­шие объекты можно сканировать с высоким разрешением; боль­шие нестандартные объекты, изображения которых нельзя ввести с помощью других сканеров, также могут быть сканированы, хотя и с низким разрешением. Простота конструкции и удобство при­менения, невысокая стоимость и возможность комбинирования при сканировании плоских и небольших трехмерных объектов обусловливают достаточно широкое применение проекционных сканеров как средств ввода информации.

Ручные сканеры применяются для сканирования малоформат­ных оригиналов или фрагментов большого изображения. Переме­щение окна сканирования относительно оригинала производится за счет мускульной силы человека. Устройство ручного сканера показано на рис. 6.9. В небольшом корпусе шириной обычно чуть более 10 см размещаются лишь датчик, линза и источник света. Ширина области сканирования в зависимости от модели устрой­ства варьируется от 60 до 280 мм. Длина области сканирования ограничена лишь объемом доступной оперативной памяти компь­ютера. Устанавливаемая в компьютере карта интерфейса преобра­зует поступающую информацию в цифровую форму и передает ее для последующей обработки специальной программе. Принципы работы ручного и роликового сканеров во многом похожи.

Отличительной особенностью ручного сканера является то, что он использует источник питания компьютера, к которому под­ключен. Как правило, ручные сканеры подключаются к параллельному порту компьютера без каких-либо адаптеров. Низкая цена ручных сканеров обусловлена про­стотой их конструкции.

В некоторых моделях ручных сканеров предусматривается воз­можность сканирования больших изображений за несколько прохо­дов, т.е. путем последовательного просмотра отдельных его областей.

Объединение областей сканирования производится с помощью спе­циального программного обеспечения.

Применение ручных сканеров как устройств ввода изображений объясняется их компактностью и дешевизной, хотя для професси­ональной работы они обычно не используются. Однако примене­ние ручных сканеров для сканирования текста не всегда оправда­но, поскольку разработанные специально для ручных сканеров программы допускают довольно много ошибок при распознава­нии по сравнению со своими аналогами, созданными для других сканеров.

Многофункциональные сканеры — это комбинированные устрой­ства, сочетающие в себе возможности сканеров различных типов, а также других технических средств информатизации, служащих для решения таких задач, как оптическое распознавание симво­лов, архивирование, электронная почта и факсимильная связь.

В комбинированных устройствах all-in-one в одном корпусе обычно объединены роликовый сканер, лазерный или струйный принтер, факс-модем. Эти устройства можно использовать в каче­стве факсимильного аппарата, принтера, сканера, копироваль­ного аппарата и внешнего модема для доступа к сети по линиям телефонной связи. Такое интегрирование является оптимальным решением для SOHO (Small Office/Ноте Office — небольшой офис/домашний офис), поскольку позволяет освободить площадь и сэкономить на приобретении компонентов в комплексе, кото­рые по отдельности стоят дороже. Основные недостатки таких ком­бинированных систем — невысокое качество и сравнительно вы­сокая стоимость копирования страницы.

Плоскость сканирования Непрозрачный оригинал

Лампа

Рис. 6.10. Вариант размещения оригиналов разных типов в многофунк­циональном сканере

В некоторых моделях планшетных сканеров фирмы Agfa реализо­вана технология Twin Plate — новый способ размещения прозрач­ных и непрозрачных оригиналов в одном устройстве. Прозрачные и отражающие оригиналы располагаются в разных плоскостях, как показано на рис. 6.10, освещаются разными источниками, но реги­страция производится одним и тем же приемником изображения.

Цветные сканеры

Современные сканеры в основном предназначены для скани­рования цветных оригиналов, но имеют режимы сканирования черно-белых и полутоновых изображений.

Задача цветного сканера сводится к различению основных цве­тов: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue) — RGB. Для этого применяются различные технологии.

Например, в цветном сканере с одним источником света ска­нирование оригинала может осуществляться в три прохода с пос­ледовательным применением различных фильтров: красного (R), зеленого (G), синего (В), поочередно размещаемых между источ­ником света и оригиналом. Сканируемое изображение освещается белым светом не непосредственно, а через вращающийся RGB- светофильтр. Для каждого из основных цветов последовательность операций практически не отличается от последовательности опе­раций при сканировании полутонового изображения. Существен­ными недостатками данного метода являются увеличение време­ни сканирования в три раза и необходимость точного совмещения цветовых слоев, чтобы не допустить размывания отдельных дета­лей изображения.

В сканерах другого типа используются три источника света: красный, зеленый, синий, действующие поочередно для крат­ковременного освещения оригинала. Сканирование при этом про­изводится однократно, что позволяет избежать несовмещения цветов, но требует подбора источников света со стабильными ха­рактеристиками.

В некоторых конструктивных решениях цветных сканеров ис­пользуется один источник света, но сканирование цветных ори­гиналов осуществляется за один проход благодаря тому, что фо­топриемник выполнен в виде фототранзисторов, размещенных в три линейки, а три цветных фильтра расположены перед ними так, что каждая линейка фототранзисторов освещается только своим цветом.

Однако наибольшее распространение получили цветные ска­неры, оборудованные системой, состоящей из трех независимых фотодатчиков для каждого цвета. Оригинал освещается белым све­том, а отраженный оригиналом свет попадает на фотоприемники через систему специальных фильтров, которые и разделяют бе­лый свет на три составляющие. Принцип работы таких фильтров основан на использовании явления дихроизм а, заключающе­гося в изменении окраски кристаллов в проходящем белом свете в зависимости от положения их оптической оси. После прохожде­ния системы фильтров разделенные красный, зеленый и синий свет попадают каждый на свой фотоприемник, например ФЭУ. Путем последовательно выполняемых операций считывания то­нового распределения по основным цветам получают информа­цию, необходимую для воспроизведения цветов изображения.

Аппаратный и программный интерфейсы сканеров

Сканеры с интерфейсом SCSI требуют установки в компьютер дополнительной платы SCSI-адаптера, которая поставляется в комплекте со сканером. Преимуществом интерфейса SCSI являет­ся обеспечение высокой скорости сканирования.

К компьютерам, оснащенным USB-портом, лучше подклю­чать сканер с USB-интерфейсом. Скорость при этом несколько уступает интерфейсу SCSI, однако простота подключения скане­ра искупает этот недостаток.

Сканеры с интерфейсом параллельного порта подключаются к уже имеющемуся параллельному порту. Пропускная способность параллельного порта значительно меньше по сравнению с интер­фейсом SCSI. Однако при этом нет необходимости устанавливать дополнительную плату.

В комплект поставки сканера входит специальная программа — драйвер, предназначенная для управления процедурой сканиро­вания и настройки основных параметров сканера. Ведущие произ­водители аппаратных и программных средств — компании Aldus, Caere, Eastman Kodak, Hewlett-Packard и Logitech — объединили свои усилия для создания собственного формата драйвера TWAIN. Стандарт TWAIN определяет порядок обмена данными между прикладной программой и драйвером сканера, что позволило ре­шить проблему совместимости различных компьютерных плат­форм, сканеров разных моделей и форматов представления дан­ных. С помощью TWAIN-совместимого сканера можно сканиро­вать изображения из любой программы, например Photoshop, CorelDRAW, PageMaker, PhotoStyler и др

Дата добавления: 2014-01-11