Какие фотодатчики применяются в сканерах
Перейти к содержимому

Какие фотодатчики применяются в сканерах

  • автор:

45. Фотодатчики, применяемые в сканерах (фэу и пзс).

В современных сканерах применяются в основном фотоприемники двух типов: фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и приборы с зарядовой связью (ПЗС). Иногда применяются фотодиоды (ФД). Фотоэлектронные умножители в качестве светочувствительных приборов используются в барабанных сканерах (рис. 5). ФЭУ усиливают свет ксеноновой или вольфрамовогалогенной лампы, промодулированный изображением, который с помощью конденсорных линз или волоконной оптики фокусируется на чрезвычайно малой области оригинала. Фототок, возникающий в фотоэлементе под воздействием света, прямо пропорционален интенсивности падающего на него светового потока. Особенность ФЭУ как фотоприемника заключается в том, что благодаря системе динодов коэффициент пропорциональности удается увеличить в миллионы раз (до восьми порядков). Спектральный диапазон ФЭУ для полиграфических целей также безупречен, поскольку он полностью перекрывает видимый спектр световых волн. Датчик на основе ПЗС состоит из множества крошечных светочувствительных элементов, которые формируют электрический заряд, пропорциональный интенсивности падающего на них света. В основу работы ПЗС положена зависимость проводимости pnперехода полупроводникового диода от степени его освещенности. В одной линейке ПЗС может быть от нескольких сотен до нескольких тысяч фоточувствительных ячеек. Размер элементарной ячейки ПЗС является критичным параметром, так как 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. ПЗС используют в основном в планшетных (рис. 6) и проекционных сканерах, а также в цифровых фотоаппаратах. В последних двух случаях используются как линейные, так и матричные ПЗС. 46. Характеристики сканеров.

47. Типы сканеров. Планшетные. Роликовые. Преимущества и недостатки.

48. Типы сканеров: барабанные. Преимущества и недостатки

49. Типы сканеров: проекционные. Преимущества и недостатки

Третья разновидность настольных сканеров — проекционные сканеры, которые напоминают своеобразный проекционный аппарат (или фотоувеличитель). Вводимый документ кладется на поверхность сканирования изображением вверх, блок сканирования находится при этом также сверху. Перемещается только сканирующее устройство. Основной особенностью данных сканеров является возможность сканирования проекций трехмерных изображений. Упоминаемый выше комбинированный сканер обеспечивает работу в двух режимах: протягивания листов (сканирование оригиналов форматом от визитной карточки до21,6 см) и самодвижущегося сканера. Для реализации последнего режима сканера необходимо снять нижнюю крышку. При этом валики, которые обычно протягивают бумагу, служат для передвижения сканера по сканируемой поверхности. Хотя понятно, что ширина вводимого сканером изображения в обоих режимах не изменяется (чуть больше формата А4), однако в самодвижущемся режиме можно сканировать изображение с листа бумаги, превышающего этот формат, или вводить информацию со страниц книги.

7.3.1. Сканеры

Сканером называется устройство, позволяющее вводить в компьютер в графическом виде текст, рисунки, слайды, фотографии и др. Несмотря на обилие различных моделей сканеров, классификацию их можно провести по нескольким признакам: по способу формирования (кодирования) изображения, типу кинематического механизма (способу перемещения преобразователя свет-сигнал и оригинала относительно друг друга), типу вводимого изображения, степени прозрачности оригинала, особенностям аппаратного и программного обеспечения. Иными словами, классификационные критерии сканеров можно сформулировать следующим образом:

  • линейный;
  • матричный;
  • ручной;
  • настольный;
  • комбинированный;
  • черно-белый;
  • полутоновый;
  • цветной;
  • отражающий;
  • прозрачный;
  • специализированный;
  • стандартный;
  • специализированный;
  • TWAIN-совместимый.

Рассмотрим типы сканеров в соответствии с приведенной классификацией.

7.3.2. Способ формирования изображения

Технология считывания данных в современных устройствах оцифровывания изображений реализуется на основе использования светочувствительных датчиков двух типов: приборов с зарядовой связью (ПЗС) или фотоэлектронных умножителей (ФЭУ).

Неотъемлемой частью любого сканера являются аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

Они предназначены для преобразования непрерывно изменяющихся значений напряжения, получаемых с помощью ПЗС или ФЭУ, в числа, соответствующие оттенкам цвета или градациям серого. Качество сканированного изображения напрямую связано с разрядностью используемого в сканере АЦП. В черно-белых (двухуровневых) сканерах аналогичное преобразование выполняет компаратор, сравнивая зафиксированное значение напряжения с опорным.

ПЗС — это твердотельный электронный компонент, состоящий из множества крошечных датчиков, которые преобразуют интенсивность падающего на них света в пропорциональный ей электрический заряд. В основу ПЗС положена чувствительность проводимости-перехода обыкновенного полупроводникового диода к степени его освещенности. На переходе создается заряд, который уменьшается со скоростью, зависящей от освещенности. Чем меньше заряд, тем больший ток проходит через диод.

В зависимости от типа сканера ПЗС могут иметь различную конфигурацию. При линейном способе считывания информации микродатчики ПЗС размещаются на кристалле в одну линию (для трехпроходного сканирования) или в три линии (для однопроходного сканирования). Такая конфигурация позволяет устройству производить выборку всей ширины исходного аналогового изображения и записывать его как полную строку. Данный способ формирования изображения обычно используется в доступных широкому кругу пользователей ручных, планшетных, роликовых и проекционных сканерах.

В барабанных сканерах в качестве светочувствительных приборов применяются фотоэлектронные умножители. В качестве источника света в этих сканерах используется ксеноновая или вольфрамо-галогенная лампа, излучение которых с помощью конденсорных линз и волоконной оптики фокусируется на чрезвычайно небольшой области оригинала.

Основанные на ламповой технологии ФЭУ осуществляют электронное усиление интенсивности отраженного от оригинала света. Попадая на катод ФЭУ, свет выбивает из него электроны, которые, проходя через пластины динодов, вызывают вторичную электронную эмиссию. Коэффициент усиления зависит от свойств материала и количества динодов. Напряжение, пропорциональное освещенности катода ФЭУ, снимается с анода и затем преобразуется в цифровой код.

Фотоэлектронный умножитель имеет несколько промежуточных электродов, называемых динодами. Они ускоряют электроны, эмитируемые катодом, и благодаря вторичной эмиссии усиливают ток на выходе прибора.

В слайдовых сканерах, цифровых фото- и видеокамерах ПЗС-датчики обычно имеют форму прямоугольной матрицы, что позволяет формировать образ оригинала целиком, а не построчно. В этом случае говорят о матричном способе формирования изображения (рис. 21.3), находящем применение в так называемых нетрадиционных сканерах. К ним относятся цифровые камеры и устройства захвата видеоизображений.

7.3.3. Кинематический механизм

  • ручные (hand-held);
  • настольные (desktop).

Механические особенности процесса сканирования различаются в зависимости от типа сканера. Тем не менее во всех сканерах имеются: источник света, механизм перемещения датчика (или системы отклоняющих зеркал) вдоль оригинала, либо перемещение оригинала относительно датчика, а также электронное устройство, предназначенное для преобразования считываемой информации в цифровую форму.

7.3.3.1. Ручной сканер

Дешевизна ручных сканеров обусловливается простотой их конструкции. В небольшом корпусе шириной не более 10-12 см размещаются лишь датчик и источник света.

Сканирование осуществляется вручную последовательным перемещением сканера относительно оригинала. Устанавливаемая в компьютере карта интерфейса преобразовывает поступающую информацию в цифровую форму и передает ее для последующей обработки специальной программе.

  • низкая стоимость;
  • небольшие размеры;
  • широкие возможности выбора оригинала.
  • ограниченная ширина области сканирования;
  • непостоянство скорости перемещения сканера относительно оригинала вызывает искажения сканированного образа;
  • ограниченные возможности использования совместно с программами распознавания текста.

7.3.3.2. Настольный сканер

К категории настольных сканеров относятся планшетные (flatbed), роликовые (sheet-fid), барабанные (drum) и проекционные (overhead) сканеры.

Основной отличительный признак планшетного сканера — сканирующая головка перемещается относительно бумаги с помощью шагового двигателя. Большинство полностраничных сканеров являются планшетными. Как и в копировальных аппаратах, в планшетных сканерах есть крышка на петлях, позволяющая использовать в качестве источников изображений книги и другие нестандартные оригиналы. Типовой планшетный сканер предназначен для сканирования оригиналов размером 21,6×33 см. Планшетные сканеры просты и удобны в эксплуатации, но имеют существенный недостаток — большие габариты.

В роликовых (называемых еще листовыми) сканерах, примером которых могут служить устройства фирм Mitsubishi, NISCA Inc., Mustek и др., оригинал пропускается через ролики механизма подачи бумаги и попадает в поле зрения линейки датчиков. Большинство факсимильных аппаратов работают по такому же принципу.

Почти все роликовые сканеры работают в двух режимах: сканирования изображения него факсимильной передачи. Такие устройства иногда называют факс-сканерами.

  • компактность;
  • возможность автоматического функционирования;
  • низкая стоимость.
  • сложность выравнивания оригиналов;
  • ограниченный диапазон типов оригиналов;
  • неудобство работы с листами разного размера;
  • возможность повреждения оригиналов.

В барабанных сканерах оригинал закрепляется на поверхности прозрачного цилиндра из оргстекла (барабана), укрепленного на массивном основании, которое обеспечивает ему хорошую устойчивость. Барабан вращается с большой скоростью (от 300 до 1350 об./мин), а находящийся рядом с ним сканирующий датчик через крошечную конусообразную апертуру пиксел за пикселом считывает изображение с высокой точностью.

  • возможность сканирования с наиболее высоким разрешением;
  • широкий диапазон типов оригиналов (фактически любой тип прозрачных и отражающих материалов, достаточно гибких, чтобы их можно было прикрепить к барабану).
  • большие размеры;
  • невозможность непосредственного сканирования книг и журналов;
  • очень высокая стоимость этих устройств.

7.3.4. Цифровые камеры

Цифровые фотоаппараты являются сегодня наиболее динамично развивающимся сектором фотооборудования — появляются десятки новых моделей в год, постоянно улучшаются их технические характеристики. В настоящее время, благодаря значительному снижению стоимости и повышению качества получаемых изображений, цифровые фотоаппараты находят все более широкое применение, начиная с обычной бытовой съемки и заканчивая полиграфией.

Преимущества цифровой фотографии бесспорны: упрощение обработки и редактирования изображений, цветокоррекция снимков, использование различных эффектов. Цифровые изображения могут храниться сколь угодно долго на различных носителях информации и копироваться неограниченное количество раз без ухудшения качества как исходного материала, так и последующих копий.

Производство любительских цифровых компактных фотоаппаратов практически всеми ведущими фирмами-производителями началось в 1996 г. С этого момента на рынке появилось множество цифровых компактных фотоаппаратов по цене, не намного превышающей цену обычных зеркальных фотоаппаратов.

7.3.4.1. Принцип работы

Цифровая камера по принципу работы мало чем отличается от обычного фотоаппарата. Как и любой фотоаппарат, цифровая камера оборудована видоискателем и объективом.

Основное отличие заключается в том, что если в обычном фотоаппарате при наведении видоискателя на объект изображение объекта с помощью объектива проецируется на фотопленку, то в цифровой камере изображение проецируется на специальную светочувствительную матрицу.

Светочувствительная матрица состоит из множества датчиков. Каждый датчик преобразует интенсивность падающего на него света в напряжение и передает сигнал на аналого-цифровой преобразователь (analogue-to-digital converter — ADC), который преобразует аналоговый сигнал в дискретный цифровой код. Этот цифровой сигнал поступает на специальный процессор цифровых сигналов (digital signal processor, DCP), который формирует изображение, преобразует в графический формат и посылает на устройство хранения информации (память, диск и др.).

7.3.4.2. Светочуствительная матрица

Светочувствительная матрица представляет собой фоточувствительный прибор с переносом заряда (ФППЗ), в котором фоточувствительные элементы организованы в матрицу по строкам и столбцам. За один период интегрирования матричный ФППЗ преобразует в электрический сигнал один кадр оптического изображения.

  • фоточувствительные приборы с зарядовой связью (ПЗС);
  • фоточувствительные приборы с зарядовой инжекцией (ПЗИ).

Матричные фоточувствительные приборы с зарядовой связью.

Матрица содержит секцию накопления, или, иначе, секцию изображения, секцию хранения, или, иначе, секцию памяти, вертикальные сдвиговые регистры и горизонтальный выходной сдвиговый регистр. Секция накопления представляет собой часть ЗС, предназначенную для формирования зарядовых пакетов и их накопления.

При использовании в качестве преобразователя свет-сигнал цифровой камеры прибор работает следующим образом. Изображение проецируется на секцию накопления, где происходит накопление фотогенерированных зарядов, пропорциональных освещенности проецируемого изображения. На следующем этапе накопленные заряды перемещаются в вертикальные регистры и по строкам параллельно сдвигаются в выходной горизонтальный сдвиговый регистр.

Таким образом, на выходе горизонтального сдвигового регистра формируется сигнал, который поступает на аналого-цифровой преобразователь.

Матричные фоточувствительные приборы с зарядовой инжекцией

В 1998 г. были разработаны матричные фоточувствительные приборы с зарядовой инжекцией на основе комплементарной структуры типа металл-оксид-полупроводник (К.МОП — CMOS APS, Complementary Metal Oxyde Semiconductor Active Pixel Sensor). По сравнению с ПЗС-матрицами они обладают рядом преимуществ: более низким энергопотреблением, возможностью встраивания в каждый i элемент APS-микросхемы собственной цепи считывания, аналого-цифрового преобразования и первичной обработки изображений. Но главное преимущество КМОП-микросхем — это их невысокая стоимость. КМОП — стандартная технология изготовления микросхем (процессоров и микросхем памяти), освоенная большинством производителей.

Основным недостатком ПЗС является требование к высокой эффективности переноса заряда. Новые приборы были лишены этого недостатка, поскольку в них заряд, накопленный каждым пикселом, считывается непосредственно на выход устройства, что позволяет резко уменьшить размазывание границ в изображении, улучшая его качество.

Каждый элемент матрицы состоит из двух МОП-емкостей, одна из которых присоединена к горизонтальной шине, другая — к вертикальной. Все элементы изолированы друг от друга специальной областью, надежно предохраняющей накоплении заряды от растекания. Первые матрицы ПЗИ выпускались с использованием 0,35 и 0,50 мкм технологий.

В 2002 г. корпорацией National Semiconductor была изготовлена матрица ФПЗИ с использованием 0,18 мкм технологии, которая содержит 16,8 млн (4096×4096) пикселов. Прибор имеет размеры 22×22 мм и содержит 70 млн транзисторов. Прибор пока нашел применение лишь на профессиональном рынке — профессиональные сканеры, медицинская техника и др.

Передача цвета

Сама по себе ПЗС несет информацию только о яркости изображения, но не о его цвете. Для того чтобы получить цветное изображение, перед ПЗС располагают специальные растровые светофильтры. Число элементов в решетке фильтра должно соответствовать числу элементов матрицы. Растровый светофильтр выполняется с учетом того, что основная компонента, определяющая яркость воспроизводимого изображения, содержится в составляющей, создаваемой зелеными участками решетки. По этой причине в растровой решетке, состоящей из 3-х цветов — зеленого, синего и красного, зеленым участкам выделяется половина площади решетки. Вторая половина площади ПЗС делится поровну между красными и синими ячейками

Поскольку пиксел может представить только оттенок одного цвета, истинный цвет вычисляется процессором на основании интерполяции оттенков соседних пикселов. Интерполяция, естественно, несколько замедляет формирование цветного изображения и ведет к искажению цвета и потере мелких деталей.

В 2002 г. корпорация Foveon выпустила датчик, разработанный на основе новой революционной технологии передачи цвета, разработанной компаниейHP. Суть новой технологии заключается в том, что кремний поглощает световые волны разных длин волн на различной глубине.

Это дало возможность расположить фотодатчики на трех уровнях таким образом, что на одном уровне воспринимается только красный цвет, на другом — зеленый, а не третьем — синий.

Новый тип датчика не только позволяет улучшить цветопередачу, но и увеличить реальную разрешающую способность в три раза по сравнению с датчиками, имеющим такое же количество пикселов.

Качество изображений

Качество изображений, полученных с помощью цифровой камеры, зависит от параметров объектива и характеристик светочувствительной матрицы, алгоритмов сжатия изображений и др.

Разрешающая способность

Самым важным параметром цифровой камеры является разрешающая способность светочувствительной матрицы, которая характеризуется количеством пикселов. Чем больше пикселов содержит матрица, тем выше ее разрешающая способность, и следовательно больше детализация изображения.

Оптическое разрешение человеческого глаза составляет порядка 120 млн пикселов. традиционные 35-миллиметровые слайды, по разным оценкам, содержат от 10 20 млн элементов изображения. Таким образом, цифровые камеры начинают конкурировать с пленочными.

Имейте в виду, что некоторые производители в характеристиках своей продукции указывают не оптическую, а интерполяционную разрешающую способность.

Чувствительность

В пленочных фотоаппаратах вы можете улучшить качество снимков в условиях низкой освещенности, взяв более светочувствительную пленку. В цифровых фотоаппаратах максимальная светочувствительность фотоматриц является постоянной величиной и зависит от размеров пиксела. Чем больше размеры пиксела, тем больше света он воспринимает и тем более чувствительной будет фотоматрица. Чувствительность ПЗС-матрицы, так же как и обычной фотопленки, измеряется в единицах ISO. Чувствительность изготавливаемых в настоящее время ПЗС-матриц оставляет примерно 100 ISO. Некоторые фотоаппараты позволяют изменять значение чувствительности за счет усиления сигнала с ПЗС-матрицы. Конечно, слабую освещенность объекта съемки можно компенсировать продолжительностью экспонирования, но этот метод может быть применен только для неподвижных объектов съемки.

Цветопередача

Цветопередача определяется в первую очередь технологией представления цветов. Как уже было показано выше, светочувствительные матрицы, которые используют технологию Х3, обладают лучшей цветопередачей. Кроме того, немаловажное значение имеет соответствие цветового баланса фотоматрицы и цветового баланса света, падающего на объект съемки.

Глубина цвета

Глубина цвета отражает разрядность аналого-цифрового преобразователя, установленного в фотоаппарате, т. е. показывает количество информации, которое используется для записи каждого цвета. Чем большее разрядность АЦП, тем большее количество оттенков каждого цветового канала может различить фотоматрица. Как правило, цифровые фотоаппараты обеспечивают 24-битную глубину цвета (8 — красный, 8 — зеленый, 8 — синий), хотя существуют и 30-битные камеры. Профессиональные графические приложения часто требуют 36-битной разрядности цвета, этот уровень достигается только на профессиональных цифровых камерах.

Формат изображений

Цифровые камеры используют различные способы преобразования изображений. Одни камеры используют собственные графические форматы при сохранении изо5ражений, при этом вместе с цифровой камерой в комплект поставки входит собственное программное обеспечение. При этом в целях экономии объема памяти может происходить автоматическое сжатие информации с потерей качества. На наш взгляд, наиболее предпочтительными являются цифровые камеры, которые сохраняют изображения в стандартных графических форматах и позволяют пользователям самостоятельно решать вопрос о сжатии изображений.

  • При съемке цифровым фотоаппаратом возникают задержки. Одна из задержек (1-2 с) между нажатием на спусковую кнопку и фиксированием изображен связана с подготовкой аппарата к съемке (определение экспозиции, подготовка работе фотоматрицы, установка баланса белого и др.). Вторая задержка (1-10 с) возникает между последовательными съемками и связана с необходимостью работки и записи изображения в память.
  • Фокусное расстояние и диаметр светового отверстия цифрового фотоаппарата меньше, чем у обычного, поскольку рабочая поверхность фотоматрицы меньше размера кадра стандартной 35 мм пленки. Для фотографов, привыкших работ. со сменными объективами, на объективах цифрового фотоаппарата обычно указывается аналог фокусного расстояния пленочного объектива.
  • Все цифровые камеры имеют оптический видоискатель — атрибут любого пленочного фотоаппарата. Но наряду с ним, многие камеры оснащены еще цветным жидкокристаллическим дисплеем (ЖКД), который показывает изображение именно в том виде, как оно будет записано в карту памяти. этом можно оценить не только границы кадра и глубину резкости, но и правильность установленной экспозиции.
  • Многие цифровые камеры оборудованы стабилизатором изображен (оптический и цифровой), который служит для устранения нежелательных вибраций камеры в момент съемки. Оптический стабилизатор использует перемешение оптики. В цифровом стабилизаторе задействуются пассивные элементы матрицы, которые не принимают участия в формировании изображения.
  • Цифровые фотоаппараты позволяют записывать на карту памяти не только изображение, но и звук. Звук записывается от встроенного микрофона в стандартном звуковом файле, который может быть воспроизведен и отредактирован в компьютере.
  • В отличие от обычного фотоаппарата, в котором для изменения масштаба съемки используется объектив с переменным фокусным расстоянием, в цифровых камерах дополнительно используется и цифровое изменение масштаба, которое связано с некоторой потерей качества изображения. Оптическое изменение масштаба съемки не влияет на качество изображения и обычно используется в более дорогих моделях. Такие камеры появились в 2000 г. и имеют возможность от трехкратного (3х) до десятикратного (10х) увеличения.
  • Во всех современных цифровых камерах на корпусе имеется панель управления. помощью которой пользователь имеет возможность осуществлять настройку различных режимов работы цифровой камеры, аналогичных тем, которые имеются видеокамере и современных фотоаппаратах Набор функций зависит от конкретной модели.

Какие фотодатчики применяются в сканерах

Документные сканеры для обработки большого объема документов, работы в составе систем электронных архивов.

Сетевые сканеры позволяют сканировать документы по сети, отправлять их в сетевые папки, на FTP, по E-mail.

Планшетные сканеры ориентированы на работу со сшитыми документами, книгами, фото, графикой на профессиональном уровне.

Книжные сканеры безконтактное сканирование гарантирует бережное обращение с документами.

Паспортные сканеры специальное решение для сканирования паспортов и удостоверений личности.

Портативные сканеры для работы в "полевых" условиях, когда важны компактность и автономность.

Опции к сканерам дополнительное оборудование, расширяющее функционал АПД-сканеров.

Расходные материалы ролики, модули подачи и отделения, нуждающиеся в регулярной замене.

Серверы USB-устройств дают возможность исполь-зовать сканеры и принтеры как сетевые устройства.

Программные продукты для повышения качества изображения и продуктив-ности сканирования.

Поддержка Linux и MAC загрузка драйверов для сканеров Avision для LINUX и MAC OS.

Архив Модели сканеров, снятые с производства.

(495) 785-5554
Знаете ли вы что:

ПО Kofax Express позволяет считывать до 12 штрих-кодов на одной странице. Распознает большинство современных типов штрих-кода, включая двухмерные.

Теория сканеров » Что такое сканер? Основные характеристики

Сканер – это устройство, которое анализируя какой-либо объект (обычно изображение, текст), создаёт цифровую копию изображения объекта. Процесс получения этой копии называется сканированием.

В 1857 году флорентийский аббат Джованни Казелли изобрёл прибор для передачи изображения на расстояние, названный впоследствии пантелеграф. Передаваемая картинка наносилась на барабан токопроводящими чернилами и считывалась с помощью иглы. В 1902 году, немецким физиком Артуром Корном была запатентована технология фотоэлектрического сканирования, получившая впоследствии название телефакс. Передаваемое изображение закреплялось на прозрачном вращающемся барабане, луч света от лампы, перемещающейся вдоль оси барабана, проходил сквозь оригинал и через расположенные на оси барабана призму и объектив попадал на селеновый фотоприёмник. Эта технология до сих пор применяется в барабанных сканерах. В дальнейшем, с развитием полупроводников, усовершенствовался фотоприёмник, был изобретён планшетный способ сканирования, но сам принцип оцифровки изображения остается почти неизменным.

Основные характеристики сканеров

Оптическое разрешение

Является основной характеристикой сканера. Сканер снимает изображение не целиком, а по строчкам. По вертикали планшетного сканера движется полоска светочувствительных элементов и снимает по точкам изображение строку за строкой. Чем больше светочувствительных элементов у сканера, тем больше точек он может снять с каждой горизонтальной полосы изображения. Это и называется оптическим разрешением. Оно определяется количеством светочувствительных элементов (фотодатчиков), приходящихся на дюйм горизонтали сканируемого изображения. Обычно его считают по количеству точек на дюйм — dpi (dots per inch). Нормальный уровень разрешение не менее 600 dpi, увеличивать его еще дальше — значит, применять дорогую оптику, дорогие светочувствительные элементы, и увеличивать время сканирования. Для обработки слайдов необходимо более высокое разрешение 1200 dpi.

Разрешение по X

Этот параметр показывает количество пикселей у фоточувствительной линейки, из которых формируется изображение. Разрешение является одной из основных характеристик сканера. Большинство моделей имеет оптическое разрешение сканера 600 или 1200 dpi (точек на дюйм). Его достаточно для получения качественной копии. Для профессиональной работы с изображением необходимо более высокое разрешение.

Разрешение по Y

Этот параметр определяется величиной хода шагового двигателя и точностью работы механики. Механическое разрешение сканера значительно выше оптического разрешения фотолинейки. Именно оптическое разрешение линейки фотоэлементов будет определять общее качество отсканированного изображения.

Скорость сканирования

Скорость сканирования зависит от разрешения при сканировании и от размера оригинала. Обычно производители указывают этот параметр для формата А4. Скорость сканирования может измеряться количеством страниц в минуту или временем, необходимым для сканирования одной страницы. Иногда измеряется в количестве сканируемых линий в секунду.

Глубина цвета

Как правило, производители указывают два значения для глубины цвета — внутреннюю глубину и внешнюю. Внутренняя глубина — это разрядность АЦП (аналого-цифрового преобразователя) сканера, она указывает на то, сколько цветов сканер способен различить в принципе. Внешняя глубина — это количество цветов, которое сканер может передать компьютеру. Большинство моделей используют для цветопередачи 24 бита (по 8 на каждый цвет). Для стандартных задач в офисе и дома этого вполне достаточно. Но если вы собираетесь использовать сканер, для серьезной работы с графикой, попробуйте найти модель с большим числом разрядов.

Максимальная оптическая плотность

Максимальная оптическая плотность у сканера — это оптическая плотность оригинала, которую сканер отличает от ‘полной темноты’. Чем больше это значение, тем больше чувствительность сканера и тем выше качество сканирования темных изображений.

Тип источника света

Ксеноновые лампы отличаются малым временем прогрева, долгим сроком службы и небольшими размерами. Флуоресцентные лампы с холодным катодом дешевы в производстве и имеют долгий срок службы. Светодиоды (LED) обладают малыми размерами, низким энергопотреблением и не требуют времени для прогрева. Но по качеству цветопередачи LED-сканеры уступают сканерам с флуоресцентными и ксеноновыми лампами.

Тип датчика сканера

В сканерах и МФУ обычно используется один из двух типов датчиков, основанных на разных технологиях:

  • CIS — Contact Image Sensor / контактный датчик изображения;
  • CCD — Charge-Coupled Device / прибор с зарядовой связью (ПЗС).

CIS представляет собой линейку фотоэлементов, которая равна ширине сканируемой поверхности. Во время сканирования она перемещается под стеклом и строка за строкой передает информацию об изображении на оригинале в виде электрического сигнала. Для освещения обычно используются светодиоды, которые расположены в непосредственной близости от фотолинейки на той же подвижной платформе. Сканеры на базе CIS имеют простую конструкцию, тонкий корпус и небольшой вес, что позволяет сделать сканер более тонким и легким по сравнению со сканерами с CCD-датчиками. Сканеры CIS, как правило, дешевле сканеров на базе CCD. Основной недостаток CIS состоит в малой глубине резкости.

Фотосенсор на основе CCD — это специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью.

ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. До экспонирования обычно подачей определённой комбинации напряжений на электроды происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов и приведение всех элементов в идентичное состояние. Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции, тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно тем выше итоговый заряд данного пикселя.
После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении, к выходным элементам матрицы.

Виды сканеров

  • планшетные — наиболее распространённый вид сканеров, поскольку обеспечивает максимальное удобство для пользователя — высокое качество и приемлемую скорость сканирования. Представляет собой планшет, внутри которого под прозрачным стеклом расположен механизм сканирования.
  • ручные — в них отсутствует двигатель, следовательно, объект приходится сканировать пользователю вручную, единственным его плюсом является дешевизна и мобильность, при этом он имеет массу недостатков — низкое разрешение, малую скорость работы, узкая полоса сканирования, возможны перекосы изображения, поскольку пользователю будет трудно перемещать сканер с постоянной скоростью.
  • листопротяжные (протяжные) — лист бумаги вставляется в щель и протягивается по направляющим роликам внутри сканера мимо лампы. Имеет меньшие размеры, по сравнению с планшетным, однако может сканировать только отдельные листы, что ограничивает его применение в основном офисами компаний. Многие модели имеют устройство автоматической подачи, что позволяет быстро сканировать большое количество документов.
  • планетарные или книжные сканеры — применяются для сканирования книг или легко повреждающихся документов. При сканировании нет контакта со сканируемым объектом (как в планшетных сканерах). Книжные сканеры — предназначены для сканирования брошюрованных документов. Сканирование производится лицевой стороной вверх — таким образом, Ваши действия по сканированию неотличимы от перелистывания страниц при обычном чтении. Это предотвращает их повреждение и позволяет пользователю видеть документ в процессе сканирования.
  • слайд-сканеры — как ясно из названия, служат для сканирования плёночных слайдов, выпускаются как самостоятельные устройства, так и в виде дополнительных модулей к обычным сканерам.
  • сканеры штрих-кода — небольшие, компактные модели для сканирования штрих-кодов товара в магазинах.

Принцип действия

Сканируемый объект кладется на стекло планшета сканируемой поверхностью вниз. Под стеклом располагается подвижная лампа, движение которой регулируется шаговым двигателем. Свет, отраженный от объекта, через систему зеркал попадает на чувствительную матрицу, далее на АЦП и передается в компьютер. За каждый шаг двигателя сканируется полоска объекта, которые потом объединяются программным обеспечением в общее изображение.

Изображение всегда сканируется в формат RAW — а затем конвертируется в обычный графический формат с применением текущих настроек яркости, контрастности, и т. д. Эта конвертация осуществляется либо в самом сканере, либо в компьютере — в зависимости от модели конкретного сканера. На параметры и качество RAW-данных влияют такие аппаратные настройки сканера, как время экспозиции матрицы, уровни калибровки белого и чёрного, и т. п.

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.

Функциональная схема сканера с неподвижным

Рис. 4.2. Функциональная схема сканера с неподвижным

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.

Функциональная схема сканера с подвижным

Рис. 4.3. Функциональная схема сканера с подвижным

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.

Сканирующая головка на основе КТИ-датчика

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

Габариты и масса сканирующего узла и сканера в целом

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *