4. Сканеры

Сканер - это электронно-механическое устройство, предназначенное для перевода аналоговой графической информации в цифровой вид для последующего ее хранения, редактирования или вывода на печать.

Сканеры находят применение в различных областях деятельности. Например, для тех, кто занимается переводом бумажных архивов в электронную форму, сканер является самым важным внешним устройством компьютера.

Сканеры выпускаются многими фирмами. Наиболее известные производители – HP, Epson, Genius, Canon, Agfa, Umax, Mustek.

Сканеры позволяют вводить в компьютер изображения, представленные в виде текста, рисунков, слайдов, фотографий на плоских носителях (обычно на бумаге, пленке или фотобумаге), а также изображения объемных объектов небольших размеров. Сканер при считывании изображения представляет его (дискретизирует) в виде совокупности отдельных точек (пикселей) разного уровня оптической плотности — основной характеристики изображения (рис. 2). Информация об уровнях оптической плотности этих точек анализируется, преобразуется в двоичную цифровую форму и вводится для дальнейшей обработки в систему. Анализ изображения осуществляется методом сканирования (отсюда название устройства — сканер).  

Рис.2. Цифровое представление

Изображения.

Кратко остановимся на физических принципах, которые используются в их работе.

Основной принцип работы сканера состоит в следующем. Свет от лампы сканера, отражаясь от объекта сканирования или проходя через него, определенным образом попадает на приемный элемент – светочувствительную матрицу, в которой происходит преобразование интенсивности падающего света в электрический заряд пропорциональной величины. Затем множество зарядов преобразуется в цифровую форму и обрабатывается сначала электроникой сканера, а затем программой компьютера.

Процесс сканирования при анализе изображения заключается в том, что, перемещая сфокусированный световой луч, можно произвести поэлементное считывание двумерного изображения, рассчитанного на наблюдение в отраженном или проходящем свете. Световой поток, приобретающий при этом амплитудную модуляцию вследствие взаимодействия с изображением, можно собрать и преобразовать в электрический сигнал, пригодный для передачи, обработки и записи.

Для всех конструкций сканеров можно составить общую процедуру сканирования:

1. Разогрев осветительной лампы, (если не используются светодиоды).

2. Калибровка, в процессе которой выполняется автоподстройка преобразовательных каскадов.

3. Перемещение и позиционирование каретки.

4. Опрос элементов светочувствительной линейки и аналого-цифровое преобразование.

5. Накопление полученных данных в буфере сканера.

6. Передача данных в компьютер.

В качестве примера, на рис. 3 приведен механизм работы планшетного сканера.

 

Рис. 3. Механизм работы планшетного сканера: 1 — источник света; 2 — оригинал; 3 и 4 — зеркала; 5 — линза; 6 — линейка ПЗС; 7 — элементы линейки ПЗС.

Источник света 1, двигаясь, сканирует оригинал. Далее, при помощи зеркал 3 и 4 свет попадает в фокусирующую линзу 5 и затем на линейку ПЗС (микросхема на приборах зарядовой связи), где осуществляется преобразования света в электрические сигналы. Далее сигналы поступают на АЦП, а затем в выходной буфер сканера.

В настоящее время в конструкции сканеров используются, в основном две технологии, которые и определяют параметры сканера:

• CCD – технология

• CIS - технология.

Технология CCD (Couple-Charged Device), русский термин ПЗС (прибор с зарядовой связью).

ПЗС - матрица  — специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью (рис. 4).

ПЗС - матрицы выпускаются и активно используются компаниями Nikon, Canon, Sony, Fuji, Kodak, Matsushita, Philips и многими другими. В России ПЗС - матрицы разрабатывает и выпускает ЗАО «НПП «ЭЛАР», С.-Петербург.

Рис. 4. Микросхема ПЗС.

Прибор с зарядовой связью был изобретен в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в Лабораториях Белла (AT&T Bell Labs). Лаборатории работали над видеотелефонией (англ. picture phone).

Приборы с зарядовой связью начали свою жизнь как устройства памяти. Однако способность элемента памяти ПЗС получать заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту оказалась в дальнейшем основной.

В 1970 году исследователи Bell Labs научились фиксировать изображения с помощью линеек ПЗС.

Впоследствии под руководством Кацуо Ивама (Kazuo Iwama) компания Sony стала активно заниматься ПЗС, вложив в это крупные средства, и сумела наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер.

Ивама умер в августе 1982 года. Микросхема ПЗС была установлена на его надгробной плите, в виде памятника, для увековечения его вклада.

В январе 2006 года за работы над ПЗС Дж. Смит и У. Бойл были удостоены награды Национальной Инженерной Академии США (англ. National Academy of Engineering).

В 2009 году эти создатели ПЗС - матрицы были награждены Нобелевской премией по физике.