Планшетные и роликовые сканеры

Планшетные сканеры - наиболее распространенный тип сканеров. Их работа основана на использовании принципа плоской развертки (отсюда их второе название - плоскостные), при которой считываемый оригинал располагается на плоском подвижном или неподвижном оригинал од ержателе. При сканировании оригинала осуществляется построчное считывание изображения. В качестве приемников и анализаторов оптического изображения при считывании оригинала в планшетных сканерах используются линейные датчики, которые состоят из большого числа светочувствительных элементов, расположенных в ряд. На них и проецируется изображение строки.

Сегодня в сканерах применяется два типа датчиков (сенсоров) -CCD (англ, charge-coupled device - прибор с зарядовой связью - ПЗС) и CIS (англ, contact image sensor - контактный датчик изображения -КТИ). Применение того или иного датчика отражается как на механизме работы устройства (построении его кинематической схемы), так и на его характеристиках.

Название ПЗС - прибор с зарядовой связью, отражает способ записи и считывания информации в датчик. Он представляет собой последовательность ячеек, каждая из которых по своей сути является конденсатором. При освещении ячейки этот конденсатор заряжается, причем уровень заряда будет больше при более высокой степени освещенности. Производится освещение сразу всех ячеек. После этого информация об уровне освещенности каждой ячейки последовательно считывается путем сдвига электрического заряда от одного элемента датчика к другому.

ПЗС выпускаются в виде интегральных микросхем. Для того чтобы можно было судить об их практических характеристиках и параметрах, рассмотрим в качестве примера микросхему линейного ПЗС 1ЬХ558К, выпускаемого корпорацией 8опу. 1ЬХ558К является ПЗС линейного типа, предназначенным для считывания уменьшенного изображения, и используемого для построения цветных сканирующих систем. Этим датчиком изображения обеспечивается считывание документов формата А4 с разрешающей способностью 600 брт Этот прибор выпускается в 22-контактном пластиковом 01Р-корпусе. Верхняя часть корпуса покрыта защитным стеклом.

Поскольку этот прибор предназначен для сканирования цветных изображений, фотодатчики расположены в три ряда - линии «красных», «зеленых» и «синих» фотодетекторов. Каждая из этих линий состоит из 5 340 фотодетекторов, т. е. всего в составе ПЗС 1ЬХ558К имеется 16 020 элементов. Размер каждого фотодетектора составляет ячейку размером 4 мкм, расстояние между линиями фотодетекторов составляет 32 мкм. По каждому из каналов передача данных осуществляется с частотой 100 МГц. Питание осуществляется однополярным напряжением +12 В.

На рис. 4.2 представлена функциональная схема плоскостного сканера с неподвижным оригиналодержателем.

оригинал

Рис. 4.2. Функциональная схема сканера с неподвижным

оригиналодержателем

На рис. 4.3 представлена функциональная схема плоскостного сканера с подвижным оригиналодержателем. Непрозрачный оригинал закрепляется на плоском оригиналодержателе, который перемещается. Для простоты механизм, приводящий в движение оригиналодер-жатель, на рисунке не показан. Освещение оригинала производится лампой с отражателем. Свет, отраженный от оригинала, поворотным зеркалом направляется в объектив, который формирует уменьшенное изображение строки оригинала в рабочей плоскости линейки ПЗС. Осветитель, объектив и линейка ПЗС в этом устройстве неподвижны.

Рис. 4.3. Функциональная схема сканера с подвижным

оригиналодержателем

Известны черно-белые сканеры, в которых в качестве источника света используются маломощные лазеры.

В сканерах без оптического масштабирования изображения и с постоянным оптическим разрешением ПЗС и объектив неподвижны. В сканерах, обладающих возможностью оптического масштабирования и изменения оптического разрешения, применяются несколько линз и линеек ПЗС или подвижные объективы и фотоприемники.

Длина строки ПЗС значительно меньше реальной длины сканируемой строки, поэтому, как это было указано выше, требуется применение оптической системы, обеспечивающей фокусировку изображения. В результате сканеры такого типа имеют довольно сложную и громоздкую оптическую систему, требующую очень СЛОЖНОЙ И ТОНкой настройки. Соответственно стоимость подобных устройств достаточно высока.

Отражающие зеркала предназначены не только для направления изображения на датчик, но и для увеличения длины оптического пути отраженного света, что позволяет использовать более простую и дешевую линзу для фокусировки и трансфокации изображения (трансфокация - прием, позволяющий масштабировать удаленный объект съемки при помощи объектива, увеличивая его либо уменьшая).

Наибольшее влияние на качество отсканированного изображения оказывает линза. Нарушение взаимного положения линзы и ПЗС может приводить к таким эффектам, как:

• расфокусированное (размытое) изображение;
• изображение, растянутое в горизонтальном направлении;
• черные продольные (вертикальные) полосы;
• нарушение цветопередачи;
• сплошное черное изображение и др.

В одной линейке ПЗС может быть от нескольких сотен до нескольких тысяч фоточувствительных ячеек. Размер элементарной ячейки ПЗС является критичным параметром, поскольку от него зависит не только разрешающая способность сканера, но и максимальная величина удерживаемого заряда, а следовательно, и динамический диапазон устройства. Увеличение разрешающей способности сканера приводит к сужению его динамического диапазона. Хотя и считается, что спектральный диапазон ПЗС может перекрывать весь видимый спектр, но, как и у большинства полупроводниковых фотоприемников, синяя область спектра для них труднодоступна, а наибольшая чувствительность наблюдается ближе к красной области.

Намного проще устроены сканеры, использующие контактные датчики изображения - CIS. Эти датчики представляют собой единую систему, состоящую из источника света, фокусирующей линзы (точнее набора линз) и фотоприемников. Достаточно часто все это называют сканирующей головкой. Принцип устройства сканирующей головки представлен на рис. 4.4.

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). Количество светодиодов должно соответствовать разрешающей способности сканера. Фокусировка изображения обеспечивается набором линз, причем количество линз будет точно таким же, что и количество светодиодов.

сканируемая строка

Рис. 4.4. Сканирующая головка на основе КТИ-датчика

Как видно, такая сканирующая головка не содержит оптической системы, состоящей из набора зеркал и линз, что значительно упрощает систему сканирования, уменьшает ее габариты, и, естественно, стоимость. Сканеры, имеющие подобную систему приема изображения очень компактны. При использовании такого датчика не требуется отдельной системы фокусировки. Чаще всего датчик размещается на движущей каретке, перемещающейся вдоль оригинала. В результате сканеры получаются простые, надежные и дешевые.

Фокусное расстояние линз выбирается еще на стадии разработки сканера, и эти линзы, ввиду своих малых размеров, 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.

Таким образом, основным преимуществом ПЗС-технологии является более высокое качество получаемых изображений. В отличие от контрактных 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, подразумевающие построение специального шаблона коэффициентов усиления сигналов от ПЗС, определение и установку уровня черного цвета, уровня белого цвета, построение кривой у-коррекции и т. п. Справедливости ради стоит сказать, что с возложенной на них задачей программы коррекции справляются достаточно эффективно.

Сравнительный анализ двух технологий приводится в табл. 4.1.

Сравнительный анализ 08 и ССО технологий

Таблица 4.1

Параметр, характеристика

С18-технология

ССО-технология

Габариты и масса 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 рр1)

Высокая (до 3 000 ррО

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

Отметим общие достоинства планшетных сканеров:

• простота установки и съема оригиналов различных форматов;
• возможность сканирования оригиналов различных размеров. Максимальный размер сканируемого оригинала зависит только от размера рабочей области сканера, а минимальный размер оригинала практически не ограничен. Кроме того, оригиналы большого формата можно отсканировать по частям, а затем объединить их в одном из графических редакторов;
• возможность сканирования плоских оригиналов разных типов, в том числе небольших трехмерных объектов. Как и у копировальных аппаратов, у планшетных сканеров есть крышка, прижимающая к рабочей поверхности такие нестандартные оригиналы, как, например, книга;
• возможность установки дополнительных устройств, например механизма автоматической подачи оригиналов или диапозитивной приставки для сканеров, работающих только с непрозрачными оригиналами;
• высокая скорость сканирования.

К недостаткам планшетных сканеров следует отнести относительно большую занимаемую ими площадь и сложность выравнивания оригинала с неровно размещенным на носителе изображением.

Цветные сканеры. В современных цветных сканерах сканирование осуществляется за один проход. Для реализации принципа однопроходного сканирования могут использоваться три источника света (красный, зеленый и синий), три линейки ПЗС или цветоделительные светофильтры.

В первом случае источники света в процессе сканирования работают поочередно, кратковременно освещая оригинал (рис. 4.5).

Этот метод требует подбора источников света со стабильными характеристиками. В некоторых конструкциях сканеров используется одна лампа белого цвета, а световые потоки различного цвета формируются с помощью цветофильтров.

Во втором случае сканеры оборудованы системой ПЗС, состоящей из трех независимых линеек для каждого цвета (рис. 4.6).

Оригинал освещается белым светом, а отраженный свет через редуцирующую линзу и систему специальных фильтров попадает на трехполосный ПЗС. Фильтры разделяют белый свет на три составляющие. Принцип их работы основан на явлении дихроизма - изменении окраски кристаллов в проходящем белом свете в зависимости от положения их оптической оси. После прохождения системы фильтров разделенные световые потоки - красный, зеленый и синий -попадают каждый на свою линейку ПЗС. Путем последовательно вы-

полняемых операции считывания тонового распределения в каждой строке по основным цветам можно получить информацию, необходимую для воспроизведения цветного изображения.

Аналого-цифровой °Ригинал преобразователь

Источник красного света

Источник зеленого света

Линза

Источник синего света

Рис. 4.5. Однопроходный сканер с тремя источниками света

Аналого-цифровой Оригинал преобразователь

Три линейки ПЗС

Источник белого света

Рис. 4.6. Планшетный цветной однопроходный сканер

с системой ПЗС-датчиков

Цветоделительная призма с дихроичными фильтрами

При использовании СІБ-технологии в датчике используются три линейки фотодетекторов, работающих с различными цветовыми составляющими.

Роликовые сканеры осуществляют сканирование оригинала при его перемещении по специальным направляющим посредством роликового механизма подачи бумаги относительно неподвижных осветителя и сенсора (ПЗС-линейки). Механизм работы роликового сканера показан на рис. 4.7. Сканирование в роликовом сканере, как и в планшетном, производится в отраженном свете.

Рис. 4.7. Механизм работы роликового сканера

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.

Принцип работы роликового сканера заложен в конструкции многих факсимильных аппаратов. Сканеры, работающие в двух режимах - сканирования изображения и его факсимильной передачи, называют факс-сканерами (англ, fax scanner).

Автор: Шишов О.В.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎