Устройство планшетного сканера

Плоскостные сканеры представлены двумя основными группами:

1. планшетные, в которых механизм сканирования перемещает оптическую систему относительно неподвижного оригинала;
2. роликовые (протяжные), в которых механизм сканирования перемещает однолистовой оригинал относительно неподвижной оптической системы.

На рис.7 представлена структурная схема планшетного  сканера для сканирования непрозрачных изображений с цветоделением  спектрозональными фильтрами, расположенными непосредственно  на поверхности матричного фотоэлектрического преобразователя -  прибора  с зарядовой связью.

Современный планшетный сканер функционально состоит из трех  частей:

• собственно сканирующего механизма,
• аппаратных средств, расположенных в  самом сканере и на плате (карте) в компьютере,
• программной части (TWAIN-модуль,  программа управления цветом, градацией и т.д.).

Сканируемое изображение (оригинал) располагается на прозрачном  неподвижном  стекле, вдоль которого, в корпусе  сканера, передвигается сканирующая головка с источником света,  оптикой и фотоприемниками. На сканирующей  головке  располагаются также электронные элементы аналогового тракта и  аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Многие планшетные сканеры  позволяют сканировать непрозрачные и прозрачные оригиналы  (слайды),  используя один сканируюший механизм. Переход к режиму сканирования  слайда возможен при наличии в сканере слайд-модуля. Слайд-модуль  располагается поверх стекла сканера, на месте прижимной крышки для  непрозрачных оригиналов, и содержит дополнительный источник света  для  сканирования изображения на просвет.

Оптическая система сканера, состоящая из  объектива и зеркал, проецирует световой поток от сканируемого  оригинала на трехстрочную матрицу фотоэлектрических  преобразователей, например, фотодиодов. Каждая строка матрицы имеет свой спектрозональный фильтр, установленный при ее изготовлении, а сама матрица оформлена в виде интегральной схемы с прозрачным окном на поверхности корпуса. Проходя через  спектрозональные  фильтры световой поток разделяется на базовые цветовые компоненты.

Рис. 7

Матрица фотоэлектрических преобразователей организована как  аналоговый  регистр с последовательным доступом к значениям сигнала от его  элементов. Принцип передачи сигнала от элемента к элементу основан  на  перемещении объемного заряда, и в соответствии с этим принципом,  матрица получила название  “Прибор с Зарядовой Связью“  (ПЗС), а в англоязычной терминологии Charge Coupled Device  (CCD). Элементы однострочной матрицы ПЗС выполняют дискретизацию  по  одной из пространственных координат, например координате ,  вдоль  которой они расположены. Каждый приемный элемент строки матрицы  преобразует  значение экспозиции  в уровень напряжения .

После  усиления и  обработки в аналоговой форме сигнал поступает на аналого-цифровой  преобразователь (АЦП). С АЦП информация выходит уже в цифровой  форме,  и после обработки в контроллере сканера поступает в компьютер.  Интерфейс сканера - это комплекс аппаратных и программных  средств,  соответствующих стандарту TWAIN. Стандарт TWAIN разработан  консорциумом производителей сканирующей техники и является  интерфейсом  управления сканером со стороны компьютера и интерфейсом приема  графических данных от сканера. Драйверы, входящие в состав  TWAIN-модуля обеспечивают программную совместимость между  прикладными  и системными программами и сканерами различных модификаций и  производителей. Кроме TWAIN-модуля в программное обеспечение  сканера  входит программа управления и предварительной обработки  графической  информации. В программе предварительной обработки, как правило,  используется внутренний формат представления информации,  оперирующий с  большей разрядностью данных, чем прикладные программы.

Источник света и оптика

Источник  света - это элемент структуры сканера, который определяет его  динамический диапазон и спектральные характеристики. В сканерах  предыдущих поколений в качестве источника света использовалась  люминисцентная  лампа, близкая по характеристикам к лампам дневного  света. Основной недостаток таких ламп - слабая стабильность  характеристик освещения во времени и по длине лампы. В  современных моделях сканеров основной источник света - лампа с  холодным  катодом, имеющая лучшие параметры и значительно больший срок  службы, чем люминисцентная.  Характеристики светового потока меняются во времени в процессе  сканирования изображения, а также по длине сканируемой строки.  Нестабильность источников света особенно сказывается на  результате работы сканера с последовательным  цветоделением, при котором используется три лампы базовых цветов.  Данный принцип цветоделения применяется фирмами  изготовителями ограниченно (несколько текущих моделей Epson -  единственные из современных марок сканеров с тремя раздельными  лампами разных цветов).

Ориентированные на  профессиональную работу с цветом сканеры содержат:

• ­процедуру калибровки по интенсивности светового потока от лампы;
• ­систему поддержания стабильности светового потока при изменении температуры;
• ­задержку времени  до начала сканирования для первичного прогрева лампы после ее включения.

Световой поток, отраженный  от оригинала, проецируется на матрицу ПЗС (см. рис.7, 8), которая  преобразует его в электрический сигнал. В  оптической схеме большинства планшетных сканеров используется один  объектив, который проецирует полную длину  строки сканируемого изображения на полную длину строки матрицы ПЗС .

Оптика переноса в планшетном сканере работает с большими  апертурными углами. Это приводит к изменению условий сканирования  для  элементов строки в зависимости от их удаленности от оптической оси  системы.  Оценка качества  фокусировки оптики при тестировании сканера производится по  реальной разрешающей способности на границах сканируемой строки.

В профессиональных моделях планшетных сканеров используются  оптические схемы со сменными объективами. При переходе к  сканированию  слайдов с использованием слайд-модуля изменяется оптическая схема  сканера (см. рис.9). Объектив Б замещается объективом А,  который проецирует на полную длину строки ПЗС только часть ширины  рабочего стола сканера. На постоянное число приемных ячеек  ПЗС-матрицы проецируется участок меньшей ширины и соответственно  возрастает оптическое разрешение. Некоторые профессиональные  плоскостные сканеры имеют до 5 переключаемых объективов, что  значительно увеличивает их стоимость.

Сканирование слайдов с использованием слайд-модуля не позволяет  получить высокое разрешение, необходимое при использовании больших  коэффициентов масштабирования на увеличение. Это связано с  тем, что световой поток от слайда проходит через стекло сканера,  где  возникает дополнительное преломление и рассеяние света в самом  стекле  и на границах сред, а также искажения цвета за счет неравномерного прижима эмульсионного слоя слайда к стеклу. В профессиональном полиграфическом сканере планшетного типа световой поток от эмульсионного слоя слайда попадает  непосредственно в  оптическую систему без промежуточных плоско-параллельных стекол  (см.  рис.11). В таком сканере вместо слайд-модуля используется  специальный блок для сканирования слайдов.

Рис. 8

Рис. 9

Рис. 10

Сканирующие механизмы планшетных сканеров выпускает ограниченный  круг  производителей, которые поставляют их по соглашениям другим  компаниям. Производители сканеров используют базовый сканирующий  механизм с собственным набором программного и аппаратного  обеспечения  и продают сканер под собственной торговой маркой. Общие принципы,  лежащие в  основе конструкции планшетного сканера являются практически единым  стандартом для любого мирового производителя. Это относится к  электроприводам, системам управления перемещением каретки,  осветителям,  оптике и т.д. Конструкция планшетных сканеров в настоящее время  хорошо  отработана и технологические проблемы  решены в условиях массового производства. Это дает возможность  производить  сканеры профессионального уровня, такие как AGFA, Linotype-Hell,  UMAX и  сканеры других известных торговых марок на лицензионной основе в странах с относительно  дешевой рабочей силой.

Рис. 11