Содержание
Введение…………………………………………………………………………...2
1 Общие сведения и техническая
характеристика……………………………...3
2 Схемы построения сканеров…………………………………………………....7
2.1 Плоскостной (планшетный)
сканер……………………………………….....7
2.2 Барабанный сканер……………………………...…………………………...17
Заключение……………………………………………………………………….25
Список используемых источников……………………………………………..26
Введение
Сканирующая репродукционная
техника — прообраз современных сканеров —
появилась достаточно давно. Уже в 50х годах
прошлого столетия были созданы электронногравировальные
автоматы для изготовления форм высокой
печати (клише), а в 60х годах — электронногравировальные
автоматы для изготовления форм глубокой
печати и электронные цветоделителицветокорректоры.
Анализирующее устройство этих
машин с заданным разрешением поэлементно
считывало изображение с иллюстрационного
оригинала и преобразовывало значение
оптической плотности изображения в аналоговые
электрические сигналы. Эти сигналы обрабатывались
и корректировались электронными блоками
и управляли синтезирующими устройствами
при гравировании форм или при записи
цветоделенных фотоформ.
По существу, анализирующие
устройства данных машин представляли
собой первые сканеры. Самостоятельные
анализирующие устройства (сканеры) стали
выпускать только после повсеместной
компьютизации технологических процессов
обработки информации. Это позволило разделить
основные операции технологического процесса
подготовки иллюстраций к печати между
сканером (анализ и кодирование изобразительной
информации), ЭВМ (обработка информации)
и фотонаборным автоматом (вывод изображения
на фотоматериал).
1 Общие сведения и
техническая характеристика
Сканеры позволяют вводить
в компьютер изображения, представленные
на плоских носителях (обычно на бумаге,
пленке или фотобумаге), а также изображения
объемных объектов небольших размеров.
При считывании изображения сканер дискретизирует
его в виде совокупности отдельных точек
(пикселей) разного уровня оптической
плотности. Информация об уровнях оптической
плотности этих точек анализируется, преобразуется
в двоичную цифровую форму и вводится
для дальнейшей обработки в систему (рис.
1). Анализ изображения осуществляется
методом сканирования (отсюда и происходит
название устройства — сканер).
Процесс сканирования 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.
Рис. 1. Цифровое представление
изображения
Сегодня преимущественно применяется
метод прямоугольного линейного растрового
сканирования, при котором одиночный сканирующий
луч последовательно перемещается (разворачивается)
по прямым линиям с быстрым переходом
от конца одной линии сканирования (строки)
к началу следующей.
Растровая развертка образуется
из двух ортогональных составляющих: строчной
развертки (хразвертки) и кадровой развертки
(уразвертки). Последняя задает интервал
между соседними строками для последовательного
перекрытия всего изображения.
Основные технические параметры
сканеров:
• разрешение (разрешающая
способность);
• глубина цвета;
• порог чувствительности;
• динамический диапазон оптических
плотностей;
• максимальный формат сканирования;
• коэффициент увеличения.
Важными характеристиками сканера,
определяющими область его применения,
являются режимы сканирования, тип механизма
сканирования оригиналов и некоторые
другие технические данные [2].
2 Схемы построения сканеров
2.1 Плоскостной (планшетный) сканер
Планшетные сканеры построены
по принципу плоской развертки (отсюда
их второе название — плоскостные), при
которой считываемый оригинал располагается
на плоском подвижном или неподвижном
оригиналодержателе (рис.2).
Рис. 2. Механизм
работы планшетного сканера
При сканировании оригинала
осуществляется построчное считывание
изображения. В качестве приемников и
анализаторов оптического изображения
при считывании оригинала в большинстве
сканеров используются линейные ПЗС, на
которые объектив или линза проецирует
изображение строки. При этом 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.
Рис. 3. Принципиальная
схема сканера с подвижным оригиналодержателем
На рис. 3 представлена принципиальная
схема плоскостного сканера с подвижным
оригиналодержателем. Непрозрачный оригинал2 закрепляется
на плоском оригиналодержателе 1, который перемещается
передачей винтгайка 3 от шагового
электродвигателя 4 с блоком управления 5. Освещение
оригинала производится осветителем 13, в состав которого
входят лампа и отражатель. Свет, отраженный
от оригинала 2, поворотным
зеркалом 12 направляется
в объектив 8, который формирует
уменьшенное изображение строки оригинала
в рабочей плоскости линейки ПЗС 7. Осветитель 13, элементы оптической
системы 12 и 8, а также линейка
ПЗС 7 в этом устройстве
неподвижны.
ПЗС преобразует световые сигналы,
отраженные от строки изображения, в последовательность
пропорциональных им аналоговых электрических
сигналов. Аналоговые сигналы от ПЗС в
блоке обработки сигналов 9 усиливаются
и преобразуются в цифровую форму. Цифровые
сигналы направляются в буферную память 10 и далее в блок
интерфейса 11. Через блок
интерфейса сигналы передаются в компьютер.
Для согласования во времени работы блока
управления 5 с шаговым двигателем 4, блока обработки
сигналов 9 и буферной памяти 10 блок синхронизации 6 формирует стабильную
по частоте последовательность управляющих
синхроимпульсов.
Рис. 4. Принципиальная схема сканера
с неподвижным оригиналодержателем
На рис. 4 представлена принципиальная
схема плоскостного сканера с неподвижным
оригиналодержателем. Оригинал 1 закреплен на
неподвижном прозрачном оригиналодержателе 2. Объектив 11 и линейка ПЗС 8 также неподвижны.
Развертка изображения осуществляется
за счет перемещения двух кареток 5 и 17. Для того чтобы
сумма отрезков оптической оси от оригинала
до первой главной плоскости объектива 11 сохранялась
постоянной и, следовательно, строки оригинала
проецировались на фотоприемник (ПЗС) 8 без искажений,
каретка 5 с осветителем 3 и зеркалом 4 должна перемещаться
со скоростью вдвое большей, чем каретка
с зеркалами 16 и18. Для привода
кареток используются электродвигатель 12, редуктор 13 и барабан 14. На барабане 14 намотан трос 20, который огибает
неподвижный блок 19 и крепится
к каретке 5. Для привода
каретки 17 используется
трос 7, проходящий
через блок 6, ось которого
закреплена на каретке 17. Один конец
троса 7 крепится к каретке 5, а другой конец
троса 7 — к корпусу
сканера. Для натяжения троса 7используется
пружина 15, один конец
которой прикреплен к корпусу сканера,
а другой — к тросу 10, перекинутому
через неподвижный блок 9 и прикрепленному
к каретке 17.
Рис. 5. Схема черно-белого
сканера на основе лазерного сканирующего
устройства
Известны чернобелые сканеры,
в которых в качестве источника света
используются маломощные лазеры. В таком
устройстве (рис. 5) лазер 1 генерирует
непрерывный поток излучения. Для формирования
необходимой апертуры луча служит диафрагма 2. Телескоп 3расширяет лазерный
пучок в несколько раз, что приводит к
уменьшению его расходимости. Зеркала 4 и 5 изменяют ход
лазерного луча и направляют его на вращающийся
зеркальный дефлектор 6. Объектив 7 фокусирует
лазерный пучок, отраженный от зеркального
дефлектора, в точку малого размера в плоскости
оригинала 10, расположенного
на перемещающемся оригиналодержателе.
Зеркало 12направляет
луч на оригинал. Отраженный от оригинала 10 лазерный луч,
промодулированный оптической плотностью
изображения на оригинале, попадает на
два длинных фотодиода 11. За счет вращения
дефлектора 6 луч сканирует
строку изображения от начала до конца
формата. Следующая строка сканируется
после перемещения оригиналодержателя
на один шаг, равный величине, обратной
разрешению сканирования, при последующем
обороте дефлектора. Для установления
точного соответствия значения оптической
плотности элемента (точки) изображения
с ее координатой в строке служит система
синхронизации. В нее входит полупрозрачное
зеркало 9, которое часть
лазерного луча отражает на датчик 8. Этот датчик
может представлять собой, например, растровую
линейку, за которой установлен фотоэлемент.
При движении отраженного от зеркала 9 луча по растровой
линейке фотоэлемент будет вырабатывать
синхроимпульсы, так как растровая линейка
имеет чередующиеся прозрачные и непрозрачные
риски. Подсчет этих синхроимпульсов и
определяет значение координаты точки
в строке. Для регулирования мощности
лазерного пучка служит набор ослабляющих
светофильтров 13.
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.
Рис. 6. Однопроходный сканер
с тремя источниками света
В первом случае источники света
в процессе сканирования работают поочередно,
кратковременно освещая оригинал (рис. 6). Этот метод требует подбора
источников света со стабильными характеристиками.
Рис. 7. Планшетный цветной
однопроходный сканер с системой ПЗС-датчиков
Во втором случае сканеры оборудованы
системой ПЗС, состоящей из трех независимых
линеек для каждого цвета (рис. 7). 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 выполняемых операций
считывания тонового распределения в
каждой строке по основным цветам можно
получить информацию, необходимую для
воспроизведения цветного изображения
[3].
В однопроходных цветных сканерах
с системой цветоделительных светофильтров
используется один элемент ПЗС и один
источник света . В процессе сканирования
каждой строки изображения три фильтра
сменяют друг друга и тем самым последовательно
создается цифровой образ строки для каждого
цвета. Осветительная система сканера
состоит из двух частей: для непрозрачных
и для прозрачных оригиналов. В осветительной
системе, состоящей из оптиковолоконных
световодов и источника белого света (галогенной
лампы), установлена вращающаяся с высокой
частотой турель с тремя цветными светофильтрами.
В осветительной системе для непрозрачных
оригиналов оптиковолоконный жгут
световодов, пропускающий свет того или
иного цвета, раздваивается и освещение
оригинала производится двумя осветителями.
В осветительной системе для прозрачных
оригиналов оптиковолоконный жгут
состоит из световодов с переменным размером
сечения, который увеличивается по мере
удаления от источника света и образует
оптиковолоконную пластину. Эта пластина
заканчивается линзой, которая проецирует
поток света на прозрачный оригинал [1].
Рис. 8. Осветительная линза:
а — асферическая; б — обычная
Грязь, соринки и другие посторонние
предметы на оригинале могут искажать
информацию о нем. Поэтому в некоторых
сканерах применяют специальную асферическую
осветительную линзу, которая уменьшает
помехи от частичек пыли, царапин и отпечатков
пальцев на оригинале. На рис. 8 а показано, как можно минимизировать
помехи, вызванные наличием посторонних
частиц на поверхности оригинала, за счет
того, что лучи света попадают на дефектную
область одновременно с разных сторон.
Асферическая осветительная линза сконструирована
так, что имеет меньшую кривизну по краям,
чем в середине, поэтому свет может фокусироваться
не только в середине линзы, но и по ее
краям, что позволяет почти полностью
компенсировать отклонения светового
потока. Обычная осветительная линза (рис. 8 б) также может собирать в пучок
свет с разных направлений, но самая интенсивная
часть излучения исходит, как правило,
из середины линзы. Недостатком асферических
линз, по сравнению с обычными, является
сложность их изготовления.
Иногда планшетные однопроходные
цветные сканеры снабжаются двумя одинаковыми
линейками ПЗС. Один ПЗС используется
для широкоформатных оригиналов, а другой —
для оригиналов малого формата. Это позволяет
значительно повысить разрешение при
сканировании малоформатных изображений,
так как меньшее по размеру изображение
сканируемой строки считывается тем же
количеством светочувствительных элементов
ПЗС, что и при сканировании большого оригинала.
Рис. 9. Схема планшетного сканера
с двумя ПЗС-датчиками
Схема сканера с двумя ПЗС приведена
на рис. 9. Оригинал закрепляется на оригиналодержателе 1, который перемещается
в зону сканирования. Свет в световоды 2 поступает от
галогенной лампы 3, пройдя через
один из фильтров RGB 4 или нейтральносерый
фильтр. Разворачивающее зеркало 5 направляет
световой поток по нужному световоду.
После того как свет разворачивается зеркалом 6на 90° ,он попадает
на систему линз 7 или 8 (в зависимости
от заданного разрешения) и, пройдя их,
проецируется на одну из линеек ПЗС 9. Генерируемое
ПЗС напряжение поступает на аналогоцифровой
преобразователь 10, который формирует
цифровой сигнал и передает его на управляющий
компьютер [3].
Современные планшетные сканеры
обеспечивают сканирование прозрачных
и непрозрачных оригиналов с оптическим
разрешением до 5000 dpi. Интерполяционная
разрешающая способность их достигает
11 000 dpi, максимальный динамический диапазон —
3,74,0.
Основными достоинствами планшетных
сканеров являются:
• 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 [5].