Устройство и функционирование сканеров

Сканер — устройство, конвертирующее видимое изображение в поток бинарных сигналов, иными словами — осуществляющее пре­образование оптических аналоговых данных в электрические циф­ровые.

Изображение помещается перед кареткой, которая состоит из источника освещения и массива датчиков (рис.6.22).

Источник света освещает бумагу с изображением, помещенную на стеклянную панель сканера. Светлые участки отражают больше света чем темные

Головка сканирования движется вдоль изображения и воспринимает отраженный свет

Линзы передают свет к фотодиодам, которые преобразуют его в электрический ток

Свет отражается последовательностью зеркал

Рис.6.22. Устройство и функционирование планшетного сканера

Свет от трубки поступает на датчики, которые считывают опти­ческие данные (например, ПЗС), затем проходит призмы, линзы и другие оптические компоненты. Подобно очкам или лупам, эти эле­менты могут весьма различаться по качеству. Высококачественный сканер использует точную стеклянную, просветленную оптику со светофильтрами исправления цвета. В более дешевых моделях при­меняются пластмассовые компоненты, чтобы уменьшить затраты.

Интенсивность света, отраженного или прошедшего сквозь изо­бражение и собранного датчиком, преобразуется в напряжение, пропорциональное световой интенсивности.

Датчики сканеров

Датчик изображения обычно реализуется по одной из трех тех­нологий:

• фотоэлектронный умножитель (ФЭУ или photomultiplicr tube — РМТ) — технология, унаследованная от барабанных сканеров прошлого;

• прибор с зарядовой связью (ПЗС или charge-coupled device — CCD) — датчик, типичный для настольных сканеров;

• контактный сенсор изображения (contact image sensor — CIS) — более новая технология, которая интегрирует функции и позволяет создавать сканеры более компактных размеров.

Технология фотоэлектронных умножителей. ФЭУ — технология датчиков высокопроизводительных цветных барабанных сканеров, которые используются обычно для подготовки матриц цветной по­лиграфии. Дорогостоящие и тяжелые в обслуживании, они были ос­новными устройствами ввода изображений в ЭВМ до появления на­стольных сканеров.

Оригинал изображения здесь тщательно закрепляется на цилин­дрическом барабане, который начинает вращаться с высокой скоро­стью. Каретка с датчиками и осветителями начинает перемещаться вдоль изображения. Управлять разрешением или размером изобра­жения можно, подбирая скорость движения каретки, оптическую силу линз и радиус барабана.

ФЭУ-сканеры имеют два источника освещения, один для ска­нирования в отраженном свете, другой — для прозрачных оригина­лов. Свет подсветки расщепляется на три луча, которые проходят через светофильтры (красный, зеленый и синий), а затем попадают на трубку фотоумножителя, где световая энергия преобразуется в электрический сигнал. ФЭУ-сканеры имеют намного более высо­кую светочувствительность и более низкий уровень шума, чем ска­неры ПЗС, и, следовательно, способны к хорошей передаче тонов, будучи менее восприимчивыми к ошибкам в преломлении или фо­кусировке света, чем их планшетные коллеги (рис.6.23).

Подача каретки

Рис.6. 23. Схема функционирования барабанного сканера

Однако барабанные сканеры медленнее и дороже, чем сканеры ПЗС. В настоящее время они обычно используются только в спе­циализированных высокопроизводительных приложениях.

Прибор с зарядовой связью (ПЗС). Технология прибора с зарядо­вой связью, которая лежит в основе настольных сканеров, ранее ис­пользовалась долгое время в таких устройствах, как телефаксы и цифровые камеры. ПЗС — твердотельное электронное устройство, которое конвертирует свет в электрический заряд. Датчик настоль­ного сканера, как правило, имеет массив (линейку) из тысяч эле­ментов ПЗС, размещенных на подвижной каретке. Отраженный свет лампы сканера, пройдя светофильтры, направляется на массив ПЗС через систему зеркал и линз.

Контактный сенсор (CIS). Это относительно новая технология датчиков, которая начала появляться на рынке планшетных скане­ров в конце 1990-х гг. Сканеры этой системы используют компакт­ные банки красных, зеленых и синих светодиодов в сочетании с ли нейкой датчиков ПЗС, помещенных чрезвычайно близко к исход­ному изображению. В результате получен сканер, который меньше, легче, дешевле и экономичнее, чем традиционное устройство на ос­нове ПЗС, однако эта технология еще далека от совершенства.

Показатели эффективности сканера

Механизм датчика — не единственный фактор, который задает эффективность сканера. Следующие показатели являются важными аспектами спецификации устройства:

• разрешающая способность;

• разрядная глубина;

• динамический диапазон. Разрешающая способность сканера. Разрешающая способность

описывает точность устройства и обычно измеряется в точках на дюйм (тнд). Типичная разрешающая способность недорогого на­стольного сканера в конце 1990-х гг. составляла 300 х 300.

Типичный планшетный сканер использует элемент ПЗС для ка­ждого пикселя, так что для настольного сканера, имеющего гори­зонтальную оптическую разрешающую способность 600 тнд и мак­симальную ширину документа 8,5", требуется массив из 5100 (5100 = 600x8,5) элементов ПЗС в блоке, известном как сканирую­щая головка.

Головка устанавливается на каретке, которая перемещается вдоль оригинала изображения. Хотя движение кажется непрерыв­ным, перемещение происходит дискретными шагами (в доли дюй­ма), и в каждой паузе осуществляется считывание информации. В случае планшетного сканера головка управляется шаговым двига­телем — устройством, которое поворачивает ось на данный угол (и не больше) каждый раз, когда подан электрический импульс.

Число физических элементов в массиве ПЗС определяет интер­вал дискретизации направления X, а количество остановок на дюйм задает дискретизацию направления У. Хотя они обычно упоминают­ся как «разрешающая способность» сканера, термин не вполне то­чен. Разрешающая способность (возможность сканера выявить все подробности изображения) определяется качеством электроники, оптики, фильтров и моторного привода, а также частотой дискрети­зации (оцифровки).

К концу 1998 г. максимальная плотность элементов ПЗС в ли­нейке составляла 600 на 1 дюйм. Однако видимая разрешающая способность может быть увеличена, используя методику, известную как интерполяция, которая заключается в программном или аппа­ратном вычислении промежуточных значений сигнала и их вставке между реальными данными. Некоторые сканеры делают это более эффективно, другие — менее. Естественно, формулируя требования к разрешению сканера, не следует забывать о его согласовании с па­раметрами устройства вывода информации.

Рассмотрим, как можно было бы оценить требования к разреше­нию сканеров в зависимости от качества выходного изображения.

Цветная полиграфия. Здесь оборудование, воспроизводя­щее различные уровни цвета, использует метод, именуемый обра­боткой полутонов. Наборные устройства, используемые в офсетной печати — технологии печати глянцевых журналов — способны к вы­воду 133 строк/дюйм. Как показывает опыт, для получения качест­венной печати разрешение сканера должно быть в 1,5 раза выше, т. е. около 200 тнд.

Струйный принтер. При сканировании для последующего вывода на принтер разрешающая способность сканера должна соот­ветствовать разрешающей способности вывода настолько близко, на­сколько возможно, принимая во внимание относительные размеры оригинала и выходного изображения. Если они одинаковы, никакой корректировки не требуется. Если, однако, выходное изображение должно быть напечатано в ином размере (большем или меньшем, чем оригинал), разрешение сканера должно быть соответственно откор­ректировано.