Конструкция и используемые технологии

Несмотря на многообразие применяемых технологических решений, все планшетные сканеры имеют общую структурную схему. В верхней части корпуса сканера находится прозрачный планшет, на котором располагаются сканируемые материалы. Для минимизации влияния внешних источников света и для лучшего контакта сканируемых материалов с поверхностью планшета последний оснащается специальной крышкой. В некоторых моделях сканеров крепление крышки позволяет при необходимости приподнимать ее над поверхностью корпуса (что удобно при сканировании оригиналов большой толщины, например книг) или вообще снимать (например, для установки слайд-модуля). На многих современных сканерах имеются кнопки, позволяющие вызывать приложения сканирования, копирования или распознавания текста, минуя системные меню и пиктограммы. На задней панели обычно расположены разъемы питания и интерфейсов для подключения к компьютеру.

Внутри корпуса под планшетом расположена подвижная каретка, на которой располагаются источник света и светочувствительные элементы. Каретка перемещается вдоль планшета при помощи специального электродвигателя, связанного с ней посредством тросиковой или ременной передачи. (Во избежание разночтений, в дальнейшем под горизонтальным будет подразумеваться направление, параллельное светочувствительной линейке, а под вертикальным — направление перемещения каретки.) Свет, излучаемый источником, отражается от поверхности оригинала и падает на линейку со светочувствительными элементами, которые фиксируют интенсивность светового потока. Сначала считывается одна горизонтальная строка пикселов, затем каретка перемещается на один пиксел по вертикали, считывается следующая строка и т.д.; таким образом формируется изображение. Технологии получения изображения при сканировании классифицируются по нескольких параметрам.

Рис. 5.32. Принцип работы планшетного сканера технологии CCD

Технологии сканеров

Существует несколько конструкций сканирующих элементов, наиболее интересные из них — технологии PMT, CIS, LIDE, CCD, VAROS и др.

Сканеры технологии PMT

Технология PMT (PhotoMultiplier Tube) используется высококачественными барабанными сканерами в полиграфии. В сканерах PMT (рис. 5.33) оригинал размещается на барабане, который вращается на высокой скорости.

Рис. 5.33. Устройство сканера технологии PMT

Для репродукции изображений различных размеров в устройство вмонтировано несколько линз с различным фокусным расстоянием. Сканер содержит два источника света. Один предназначен для отражающих оригиналов, а другой — для прозрачных образцов.

Точечный источник освещения (лазер) проецирует луч, который перемещается во время вращения барабана поперек оригинала. Отраженный или пропущенный свет с помощью оптической системы принимается, разделяется на три цветовые составляющие и по трем световодам передается на три цветных канала — красный, зеленый и синий. Световые сигналы в каждом из каналов преобразуются в электрические посредством трех отдельных фотоэлектронных умножителей. Результирующие электрические аналоговые сигналы усиливаются и переводятся в цифровой вид. Оцифрованные с заданной дискретизацией сигналы поступают в компьютер.

Сканеры технологии CIS

Сканер, использующий технологию контактного датчика изображения — CIS (Contact Image Sensor) (рис. 5.34) не содержит оптики.

Рис. 5.34. Сравнение толщины планшетныхсканеров технологий CIS и CCD

СIS — относительно новая технология планшетных сканеров, которые начали появляться сравнительно недавно.

Вне зависимости от фирмы-производителя, интерфейса, габаритов и технологии сканирования, все планшетные сканеры имеют плоско-горизонтальную конструкцию. Подняв крышку сканера, вы обнаружите предметное стекло экспонирования. На стекле располагается подлежащая оцифровке страница или фотография, а под ним, внутри корпуса, перемещается каретка со считывающей головкой — сканирующим элементом.

Рис. 5.35. Устройство сканирующей головки.

В процессе перемещения каретки под лежащим на стекле оригиналом освещается подлежащая обработке область. Для этой цели на каретке смонтирован источник света — узел из трех групп светодиодов, генерирующих свет в трех диапазонах волн — красном, зеленом и голубом. Суммарное излучение, представляющее собой луч белого света, падает на оригинал, отражается и возвращается на сканирующую головку. Отраженный свет несет информацию о яркости и спектральном составе области отражения и экспонируется на оптическую систему сканера.

Излучение, идущее от светодиодов, отражается от оригинала и, пройдя через линзу, фокусируется на датчике изобра­жения. Датчик изображения - фототранзисторы, сделанные на основе МОП –технологии (аналогично ПЗС). В результате получается аналоговый сигнал, который усиливается в видеоусилителе и идет в АЦП.

Если, например, полный датчик изоб­ражения длиной 216 мм (формат А4) состоит из 54 меньших датчиков, каждый из которых имеет 96 светочувствительных элементов (одно из лучших значений), то в результате получится 24 элементов на миллиметр, что в пересчете на дюймы дает 600 элементов на дюйм.

Для сканирования полноцветного изображения используются три светодиода на один элемент датчика: красный, зеленый и синий, — которые при сканировании включаются по очереди.

Оптическая система планшетного CIS-сканера располагается в непосредственной близости от стекла и представляет собой линейку приемных сенсоров сканирующих элементов на ПЗС или фототранзисторах. Длина светочувствительной линейки такого преобразователя CIS соответствует ширине планшета сканера, поэтому дополнительные элементы, фокусирующие или перенаправляющие световой поток (зеркала, призмы или линзы) в сканере подобной конструкции, отсутствуют.

Преимущества этой технологии — простота конструкции и малая по сравнению с CCD-сканером толщина.

Недостатки — высокие шумы, низкая разрешающая способность, очень малая глубина резкости. Данный тип сканеров практически не применим для полноцветных работ, поэтому технология CIS используется в сканерах, не предназначенных для реализации серьезных графических задач.

Сканер с полупроводниковым осветителем на основе светодиодного банка отличается низкой потребляемой мощностью и малой чувствительностью к механическим воздействиям. Вместе с тем, сканеры подобного типа имеют ограниченную область применения и не способны работать со слайд-адаптерами.

В основном положительные стороны CIS-сканеров объясняются отсутствием оптической системы. Однако в целом они достаточно поверхностные, и большинство из них не связаны с качеством изображения. В этом отношении ПЗС-сканеры явно выигрывают в следующем.

- Лучшая глубина резкости. Глубина резкости CIS-ска­неров ±0,3 мм, тогда как для сканеров с ПЗС она равна ±3 мм. Это означает, что трехмерные предметы, находящиеся на расстоянии 3 мм от общего уровня, будут нормально отсканированы ПЗС-сканером, а изображение, полученное CIS-сканером, будет нерезким и размытым. На практике такими предметами зачастую являются развернутые толстые книги.

- Дольше срок службы. Сканер на основе ПЗС обеспечивает стабильное и неизменное качество в течение 10 000 часов работы, тогда как у CIS-сканеров после 500 ча­сов работы происходит падение яркости на величину до 30%.

- Лучшая чувствительность к оттенкам. ПЗС-сканеры различают уровни оттенков с погрешностью ±20%, в то время как CIS сканеры — ±40%. Соответственно, передача деталей у ПЗС-сканеров будет значительно лучше.

- Меньшая чувствительность к посторонней засветке. Это преимущество связано с тем, что ПЗС-линейка невелика по длине, и благодаря системе зеркал «лишний» свет на нее не проецируется. В CIS-сканерах линейка значительно больше, оптическая система практически отсутствует, поэтому любое лишнее освещение сразу зна­чительно влияет на результат сканирования.

- Разрешение устройства сканера. Максимальное разрешение профессиональных ПЗС-сканеров на данный момент — 3000 ppi, тогда как для CIS-сканеров верхний предел - 600 ppi.

Сканеры технологии LIDE

Технология непрямого светодиодного экспонирования — LIDE (LED InDirect Exposure) Canon — является модернизированной версией технологии CIS и обладает всеми преимуществами, свойственными технологии контактного датчика изображения.

Сканеры, созданные на основе LIDE, отличаются малой толщиной и массой, более низким уровнем шума и малым энергопотреблением (порядка 2,5 Вт).

Если вы работаете в ограниченном пространстве, а требования к рабочим приложениям не столь высоки, имеет смысл воспользоваться сканером LIDE. Это компактное и недорогое в обслуживании устройство допускает вертикальную установку с помощью специальной подставки, способствуя экономии рабочего пространства на столе.

В технологии LIDE в качестве источника света используются мощные трехцветные RGB светодиоды, обеспечивающие более качественную цветопередачу и малое энергопотребление по сравнению с ксеноновыми или флуоресцентными лампами (рис. 5.36).

Рис. 5.36. Схема сканера технологии LIDE

Цилиндрические линзы (рис. 5.37), каждая менее 1 мм в диаметре, без искажений с помощью специального световода собирают отраженные от оригинала лучи в однородные пучки на линейке светочувствительных оптико-электронных преобразователей на фототранзисторах. С микронной точностью приемные сенсоры собраны на плате в линейку, размер которой соответствует максимальной ширине сканируемого документа.

Рис. 5.37. Цилиндрические линзы фокусируют лучи на светочувствительной линейке

LIDE-сканеры обеспечивают равномерное экспонирование оригинала по всей ширине. Сканирующие элементы на фототранзисторах отличаются значительной величиной отношения “сигнал/шум” и очень высокой чувствительностью по сравнению с любыми другими существующими приемными сенсорами.

Сканеры технологии CCD

В планшетном сканере, использующем сканирующий элемент на ПЗС — CCD (Charge Coupled Device) (рис. 5.38), оригинал, так же, как и в сканерах CIS или LIDE, располагается на предметном стекле, вдоль которого передвигается каретка с источником света — лампой и сканирующей головкой.

Рис. 5.38. Расположение элементов в сканере технологии CCD

Если сканируется прозрачный оригинал, то используется так называемый слайд_адаптер, для которого включается вторая лампа, расположенная в крышке сканера. Вторая лампа перемещается параллельно считывающей головке сканера. Для работы следует снять с внутренней поверхности крышки светонепроницаемую заслонку и подключить разъем питания второй лампы (рис. 5.39).

Рис. 5.39. Элементы планшета для сканирования прозрачных образцов

Планшетные сканеры “начинены” прецизионными оптико-механическими компонентами, критичными к механическим воздействиям. Некоторые модели сканеров допускают вертикальную установку в специальных подставках, что отмечается заводом-изготовителем в технических характеристиках устройства. Вместе с тем, для большинства настольных сканеров нормальное рабочее положение — горизонтальное.

Данному виду фотоэлементов присущи свои преимущества и недостатки. Среди преимуществ ПЗС необходимо отметить следующие:

· Высокая чувствительность. Квантовая эффективность ПЗС чрезвычайно высока и может достигать 95%. Для сравнения, квантовая эффективность человеческого глаза — около 1%, лучшие фотоэмульсии имеют квантовую эффективность до 3%, фотоэлектронные умножители (светоприемники в барабанных сканерах) — до 20%. Квантовая эффективность определяет способность светоприемника переводить свет в электрические сигналы, то есть выражает эффективность перевода попавших на него квантов (частиц света) в электрический сигнал.

· Широкий спектральный диапазон. ПЗС может реагировать на свет, начиная от гамма- и рентгеновского излучения и заканчивая инфракрасным излучением. Такого диапазона не дает на текущий момент ни одна из матричных технологий.

Для улучшения показателей планшетов разработано несколько технологий, одна из которых — оптическая система с изменяемым преломлением — VAROS (VAriable Refraction Optical System).

Технология VAROS предложена компанией Canon и позволяет удвоить аппаратное разрешение сканера, не усложняя конструкцию привода узла сканирующего элемента на основе ПЗС.

В традиционной конструкции планшета луч белого света экспонирует сканируемую строку оригинала, направляя ее изображение для считывания линейкой ПЗС через сложную оптическую систему. Разрешающая способность сканера ограничена количеством сенсоров ПЗС. Всего в сканирующем элементе на ПЗС может быть смонтировано порядка 8 000 –11 000 светочувствительных сенсоров.

Сканирующий элемент на основе технологии VAROS дополнено стеклянной пластиной, расположенной между линзами и ПЗС.

Вначале осуществляется сканирование, аналогично традиционной технологии. Затем стеклянная пластина поворачивается, и процесс сканирования повторяется (рис. 5.40).

Рис. 5.40. Устройство сканирования VAROS

Подобное устройство дает сканеру возможность считать данные со смещением в полпикселя. Программное обеспечение, объединяющее результаты первого и второго этапов сканирования, позволяет получить вдвое больше данных, а реальное разрешение возрастает вдвое.

Другой вариант повышения разрешения — монтаж не одной, а двух линеек ПЗС, одна из которых рассчитана на среднее значение разрешения, наиболее часто используемое на практике, а другая — на высокое. Первая линейка обеспечивает высокую скорость сканирования, а вторая — низкую, что позволяет повысить общую производительность устройства.

Еще одна инновация компании Canon — использование для планшетников ПЗС комплекта линз, называемых линзами Галилео. Подобное оптическое устройство представляет собой пятисегментную широкоугольную линзу, позволяющую сфокусировать отраженный луч в пятно очень малого диаметра, что позволяет существенно повысить разрешение сканера. Вследствие того, что оптическая схема обеспечивает малый ход лучей через зеркала, уменьшаются оптические потери, снижаются искажения и возрастает соотношение “сигнал/шум”.

Линзы Галилео способствуют снижению аберрации.

Аберрация — параметр, определяющий степень отличия между идеальным и реальным изображением, формируемым объективом. У высококачественного объектива аберрация должна быть очень незначительной. Кроме незначительных геометрических искажений, объектив должен точно передавать цвет воспроизводимого объекта. Применительно к цветам RGB, минимальная аберрация означает максимальное совмещение трех цветовых составляющих по краям сканируемого документа при незначительной кривизне поля изображения, не зависящего от положения оригинала на стекле экспонирования.