Сканер представляет собой достаточно сложное электромеханическое устройство. В составе оборудования сканера имеются оптические узлы, механические компоненты и электронные схемы управления традиционно построенные на базе микропроцессорной техники.
Принцип построения цветного сканирующего устройства такой же как и у монохромного сканера. Свет копировальной лампы сканера отражается от оригинала и проецируется с помощью зеркал и линзы на преобразователи лучей света в электрический заряд в качестве которых используются полупроводниковые приборы с зарядовой связью (ПЗС). Изображение (оригинал) которое нужно скопировать кладется на стеклянную крышку копировальной панели и на него направляется свет от сканирующей лампы (рис. 1). От светлых участков оригинала отражается больше света, чем от темных, поэтому и на соответствующие элементы ПЗС воздействует свет различной яркости и формируются соответствующей величины заряды. ПЗС обычно объединяют в линейки, которые могут одновременно получить отраженный от «строки» оригинала поток света и преобразовать световую энергию отраженную от каждой точки «строки» оригинала в пропорциональный ей электрический заряд. Заряды каждой точки последовательно считываются с ПЗС линейки и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) блока обработки изображения, преобразует заряд каждого элемента линейки ПЗС в соответствующий ему цифровой код (например, в 8-разрядный, 12-ти или 14-ти разрядный). Затем, полученное таким образом, цифровое изображение строки оригинала запоминается в буферной памяти сканера.
Рис. 1. Путь луча в сканере от оригинала до ПЗС (единый, перемещающийся относительно неподвижного стола, модуль с оптической системой и ПЗС-матрицей)
Цветные сканеры имеют более сложный и более точный механизм регистрации отраженного луча. Отраженный от оригинала луч проходит более длинный путь, поскольку для сканирования цветных изображений он проходит еще и через светофильтры для разложения на красную, зеленую и голубую составляющие. Луч света соответствующего цвета падает на оригинал, отражается от него и через систему зеркал попадает на светочувствительные элементы, где преобразуется в электрический заряд в элементах ПЗС соответствующих красной, зеленой и голубой компоненте цветной точки оригинала. Эти заряды из линейки ПЗС последовательно считываются и поступают на аналого-цифровые преобразователи, где конвертируются в цифровые эквиваленты, образующие по три цифровые компоненты для каждой цветной точки строки оригинала. Эта цифровая информация передается в блок памяти для дальнейшей обработки.
Разрешение сканера характеризует дискретность сканирования точек оригинала. В сканерах различают два типа разрешения - оптическое и интерполированное. Оптическое разрешение описывает возможности аппаратной (оптической) части сканера. Для увеличения четкости деталей оригинала применяются специальные программные алгоритмы, это второе разрешение называется интерполированным. Обычно оно увеличивает максимальное разрешение сканера в четыре раза (например, оптическое разрешение сканера 600 dpi, а максимальное интерполированное - 2400 dpi). Поскольку интерполированное разрешение обеспечивается программными методами, при его использовании качество сканированного оригинала может быть несколько хуже, но практически сканеры обеспечивают приемлемое качество и при интерполированном разрешении.
В подавляющем большинстве, сканеров используются приборы с зарядовой связью (ПЗС) - термин, эквивалентный английскому обозначению Charge-Coupled Device (CCD). 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 p-n-перехода обыкновенного полупроводникового диода к степени его освещенности. На p-n-переходе создается заряд, который уменьшается со скоростью, зависящей от освещенности. Чем меньше заряд, тем больше ток через диод. Таким образом, эти приборы представляют собой специальным образом «выращенные» полупроводниковые матрицы светочувствительных элементов, которые обладают свойством «самосканирования» - способностью к одновременной передаче друг другу по цепочке накопленных под воздействием света зарядов. Роль элементарных кирпичиков, из которых строятся такие цепочки, играют «потенциальные ямы» - микроскопические (размером около 5 мкм) области в теле полупроводника, где, благодаря внешнему световому воздействию, скапливаются высвобождающиеся электроны. Создаются такие «ямы» путем подачи положительного потенциала на специальный электрод (его называют затвором), отделенный от полупроводника диэлектрическим слоем. В результате, поскольку вблизи границы раздела диэлектрик-электрод образуется недостаток отрицательных зарядов, в области под затвором будут скапливаться электроны. Это происходит потому, что под воздействием света электроны преодолевают барьер P-N перехода и проникают в эту область из нижнего слоя полупроводника. Место их скопления и называется «потенциальной ямой» (рис. 2).
Рис. 2. Схема элемента матрицы светочувствительных элементов и образование «потенциальной ямы»
В зависимости от типа сканера ПЗС могут иметь различную конфигурацию. При линейном способе считывания информации, для монохромного и цветного трехпроходного сканирования, микродатчики ПЗС размещаются на кристалле в одну линию, или в три линии для цветного однопроходного сканирования. Такая конфигурация позволяет устройству производить выборку всей ширины исходного аналогового изображения и записывать его как полную строку. Образование интегральных цепочек (ПЗС-линеек), состоящих из определенного числа светочувствительных элементов, происходит путем увязки в единую структуру последовательности «потенциальных ям». При этом за счет подачи на затворы потенциалов различного уровня формируется три типа «ям» - приемные, запирающие и передающие.
Упрощенная схема такой структуры показана на рис. 3. Ввиду определенной энергетической неустойчивости таких структур, в них возникают «темновые токи», причина которых - переход накопленных в «яме» электронов вглубь тела полупроводника (эффект «провала в светах») и их последующий возврат в позднее освободившуюся от заряда яму-ячейку (эффект «послесвечения» или «шлейфа»). Данный процесс сильно зависит от температуры и, при каждом ее повышении на 8-9Со градусов, становится в два раза интенсивнее. Монохромные сканеры и цветные по принципам построения и используемым ПЗС-матрицам очень схожи.
В качестве одного из типовых вариантов (в качестве практического примера реализации такой структуры) рассмотрим построение ПЗС-матрицы KLI-10203 корпорации Eastman Kodak, большинство цветных сканерных устройств среднего класса комплектуется ПЗС-матрицами этого производителя и именно такой конструкции. Состоит матрица из трех совмещенных линеек по 10 200 фотоэлементов, закрытых соответствующими светофильтрами (для красного, зеленого и синего цветов), благодаря чему передача информации о каждой спектральной составляющей может осуществляться единовременно и без использования оптических призм. Такой подход к цветоделению, безусловно, имеет ряд недостатков, среди которых - необходимость учета спектральных характеристик светофильтров, которые полностью прозрачны в инфракрасной области (см. рис. 4), а также наличие погрешности, связанной с их оптическими свойствами.
|
|
|
Рис.4. Спектральные характеристики светофильтров, установленных в ПЗС-матрицах Eastman Kodak |
Корпорация Hewlett-Packard использует принципиально иной подход, по ее технологии вместо светофильтров используется расщепляющая спектр оптика, которая позволяет уйти от этих проблем, но и порождает другие, но уже чисто оптические, ошибки преобразования. Управление работой таких матриц осуществляется с помощью кварцевого генератора и соответствующих логических схем, отвечающих за синхронизацию тактирующих импульсов. Эти импульсы обеспечивают переключение управляющих потенциалов и, таким образом, инициируют сдвиговую передачу накопленных зарядов в специальные буферные регистры, надежно защищенные от светового воздействия.
ПЗС-матрицы фирмы Eastman Kodak имеют две оригинальные конструктивные особенностей. Первая особенность связана со встроенной логикой управления временем экспозиции, осуществляемого путем смещения в ту или иную сторону времени выдачи тактового импульса, который открывает «перемычки» между приемными и передающими «ямами».
Вторая особенность состоит во включении в ПЗС-цепочку дополнительных, закрытых от света и расположенных по краям, фотоэлементов, которые инициируют «нулевой» заряд, используемый в качестве базовой точки в ходе преобразования накопленных зарядов в напряжение. Первая из перечисленных возможностей, реализует технологию Dynamic Range Control, которая обеспечивает увеличение экспозиции при сканировании темных мест изображения. В сканерах копиров работающих со слайдами, ПЗС-датчики обычно имеют форму прямоугольной матрицы, что позволяет формировать образ оригинала целиком, а не построчно (матричный способе формирования изображения).
В любом сканирующем устройстве качество получаемых цифровых изображений в большой степени определяется конструктивной реализацией механизма сканирования, особенностью оптической системы, а также от качества, работающих в паре, двух центральных компонентов блока оцифровки изображений:
С другой стороны, огромную роль в формировании возможностей сканера играет его программное обеспечение, позволяющее производить сложную обработку и преобразование цифровых описаний цветных изображений. В цифровых копирах, как известно, копия по качеству может быть значительно лучше оригинала.
Оцифровка сканируемого изображения в большинстве сканирующих устройств (среднего класса) выполняется с перемещением каретки сканирующей лампы. Механика такой оцифровки состоит в том, что сканирующая лампа, последовательно меняет свое положение, относительно размещенного на столе оригинала, на величину шага, минимальная величина которого определяет механическое разрешение сканера. При этом отраженный от непрозрачного оригинала (или прошедший сквозь прозрачный оригинал) свет фокусируется через оптическую систему на ПЗС-матрицу, находящуюся под ложем сканера.
Существует несколько вариантов построения кинематики таких сканеров, различающихся по числу и типу подвижных компонентов. Наиболее распространенный и менее дорогой вариант использует единый (рис. 1), перемещающийся относительно неподвижного стола, модуль с оптической системой и ПЗС-матрицей, в котором происходит обработка светового потока с отсканированной информацией.
Значительно реже применяется конструкция с неподвижной ПЗС-матрицей, в которой сканирование осуществляется либо за счет движения стола с оригиналом, либо перемещением ламп и компонентов оптической системы. Конечно физические принципы построения полупроводниковых ПЗС-структур обуславливают преимущества и недостатки перечисленных вариантов, и любые внешние воздействия, способные даже незначительно повысить рабочую температуру светочувствительных полупроводниковых элементов, приводят к возникновению в них паразитных токов. Кроме того, имеются погрешности, связанные с обработкой светового потока в подвижной оптической системе, кроме того, любой, даже идеально собранный, механизм со временем изнашивается, что и приводит к снижению точности работы. Очень редко на практике в сканирующих устройствах используют почти стационарную оптическую систему, в которой движется только линза авто-фокусировки и неподвижна ПЗС-матрица (рис. 5). Оптическая система играет главную определяющую роль в формировании отчетливого изображения, существенное значение имеет большая глубина резкости и использование длиннофокусной оптики. Как видно из рисунка 5, в процессе сканирования сборка с лампой, зеркалами и линзами «догоняет» вторую оптическую сборку, гарантируя постоянство оптического пути, длину которого разработчики этих сканеров намеренно увеличили.
Характеристики сканера обычно определяют тремя основными показателями:
Истинное оптическое разрешение, часто выражается в dpi (dots per inch - точек на дюйм), и определяет число элементарных участков поверхности сканируемого оригинала, информация о которых воспринимается одной линейкой (при цветном трехпроходном сканировании), или тремя светочувствительными линейками ПЗС-матрицы (по одной линейке на красный, зеленый и синий цвет). Разрешение сканера правильнее отражается не в dpi, так как эта единица измерения более характерна для принтеров, которые формируют цветовые оттенки и элементы изображения из мельчайших растровых точек, а в ppi (pixels per inch - пикселов на дюйм) - эта единица измерения, оперирует прямоугольными элементами (пикселами) конкретной величины.
Величина оптического разрешения сканера и размер пиксела напрямую определяются числом светочувствительных элементов ПЗС-матрицы, размещенной параллельно одной из сторон ложа сканера. Это разрешение имеет естественные границы, которые можно расширить, лишь сокращая размер сканируемой области, приходящейся на длину светочувствительной линейки. Делается это с помощью оптических систем с переключаемыми линзами, которые обеспечивают экспонирование встроенных
ПЗС-структур световым потоком, сканирующим либо всю ширину ложа, либо только его часть (как правило, центральную). Существует оригинальный способ увеличения разрешения цветных (монохромных) сканеров в котором на каждый из трех цветов установлена не одна, а целых две ПЗС-линейки, сдвинутые друг относительно друга на половину шага.
Рис. 5. Принципиальная схема механизма с неподвижной ПЗС-матрицей
Для простых цветных сканеров обычно используют 8-разрядные АЦП (256 градаций или цветов). Для правильного восприятия передаваемого через оптическую систему светового потока в высококачественных цветных сканирующих устройствах все чаще устанавливают АЦП с повышенной разрядностью (обычно в данном классе устройств максимальная разрядность АЦП составляет 12-14 бит), что позволяет увеличивать число воспринимаемых оттенков до 4,4 биллиона цветов (в случае использования 14-разрядного АЦП по каждому цветовому каналу, но в этом случае необходимо использовать высококачественные ПЗС-матрицы, так как, если в применяемой ПЗС-матрице большие паразитные токи, а из 14 разрядов установленного в сканере АЦП достоверными являются лишь 12, то эти цифры теряют всякий смысл). Технические параметры ПЗС и АЦП сканера являются малоизвестной информацией (такой информацией иногда не владеют даже дистрибьюторы продающие ЦКА), поэтому предварительное тестирование покупаемого аппарата полезная и необходимая процедура. Еще одним важнейшим показателем сканирующего узла является динамический диапазон, определяющий «остроту зрения», то есть способность к дифренциации оттенков cкaниpyeмого изображения. Определяется этот параметр путем нахождения разности между минимальной и максимальной оптическими плотностями оригиналов, которые сканер способен отличить от абсолютно белого и абсолютно черного цветов. Довольно часто производитель указывает в спецификации не динамический диапазон, а максимальную, различимую сканером, оптическую плотность оригинала. Этот показатель не всегда правильно распознается, кроме того, он утаивает не менее важную характеристику - способность сканера различать светлые оттенки. Кроме того, значение оптической плотности оригинала поставщики порой определяют по разным методикам, что приводит к неоднозначности этого показателя.
Наибольшую ценность возможности сканера ЦКА по распознаванию цветовых оттенков приобретают при работе с негативами и слайдами. Осуществить профессиональное сканирование прозрачных оригиналов на аппаратах с динамическим диапазоном менее 3,0 - проблематичная задача (об этом производители часто просто не упоминают в технических характеристиках о динамическом диапазоне или оптической плотности). Сканирование негативов и слайдов - обязательный компонент профессиональной деятельности любого дизайнера или фотохудожника, поэтому в стандартный комплект высококачественных полноцветных ЦКА часто включают слайд-модуль, или они могут быть укомплектованы им дополнительно.
Существует всего два варианта установки слайд-модуля: в крышке или корпусе сканирующего устройства. В обоих случаях модуль оборудуется собственной лампой (подвижной или неподвижной, в зависимости от механизма сканера), свет которой, после прохождения через прозрачный оригинал, передается в оптическую систему. Пока чаще используют рабочий стол со стеклом и слайд-модулем в крышке.
Для использования сканера в составе многофункционального аппарата, например, совместно с персональным компьютером в качестве его периферийного устройства необходимо еще и программное обеспечение двух типов:
Драйвер устройства обеспечивает взаимосвязь со сканером, посылая команды и принимая данные. В настоящее время большинство сканеров используют управляющий интерфейс TWAIN. Этот интерфейс воспринимает графические данные и является стандартным для поддержки работы любой программы, обрабатывающей изображения. Управляющий интерфейс TWAIN позволяет программному обеспечению, обрабатывающему изображения, работать со сканером, не учитывая технических деталей, относящихся к нему. Это позволяет создавать прикладные программы. не зависящие от устройств. Помимо драйвера устройства, необходима программа, которая позволит начать сканирование, получить изображение и сохранить его на диске. Если необходимо сделать что-либо посложнее простого сканирования изображения, то понадобится более сложная программа. Эта программа должна обеспечивать настройку цвета, копирование изображения и другие манипуляции с ним. Все прекрасные аппаратные возможности сканеров имеют смысл только в том случае, если эти устройства поставляются с качественным программным обеспечением, которое обеспечивает решение задач цветокоррекции и цветоделения оцифрованного изображения, a также калибровки сканера и его характеризации (построения программного ICC-профиля). Эти продукты выполняют полный цикл работ по предпечатной подготовке получаемых изображений: цветоделение; цветокоррекция в нужном цветовом пространстве; качественная фильтрация изображения (удаление растра или нерезкое маскирование); сохранение сформированного файла в нужном формате для последующей верстки; предварительная настройка параметров сканирования.
Калибровка и характеризация сканеров следующий важный момент для работы в конкретных условиях и с конкретными материалами. Калибровка - это обязательный для каждого сканера процесс, который, как правило, предусматривает настройку точек белого и черного цветов, a также баланса серого, применительно к текущим внешним условиям и температуре ламп. Качественный сканер выполняет калибровку перед каждым сканированием, но это обходится в лишних 8 - 15 секунд на проход.
Ограничений по толщине непрозрачных оригиналов у сканеров нет (способны оцифровывать и трехмерные объекты). Крышки у аппаратов либо съемные, либо регулируемые по высоте, а некоторые аппараты даже предоставляют возможность ручной фокусировки на небольшом расстоянии (до 6 мм) от стекла. Модели, работающие с прозрачными оригиналами, имеют достаточный набор рамочных держателей распространенных типоразмеров.
Тестирование сканера не позволяет полностью оценить возможности аппарата, но результаты тестирования сканера дают кое-какую полезную информацию. Для тестирования можно отсканировать белый лист и начерно засвеченный негатив, а затем, с помощью «пипетки», посмотреть в Photoshop полученные значения «цветопроб». Если уровень черного не превышает 25, a уровень белого не ниже, чем 240, то сканер вполне работоспособный. Кроме того, проводя такого рода тестирование, вы сможете распознать либо «сбитую» оптику (размытость изображения или цветные разводы), либо дефектную ПЗС-матрицу (вертикальные полосы или отсутствие «боковинок» картинки). Вероятность таких дефектов примерно 2%, более значительная часть претензий обычно связана либо с неверно установленным программным обеспечением, либо с устаревшей версией драйвера. Проверяя сканер, необходимо обязательно убедиться, что программное обеспечение для него новое.
Скорость работы полноцветного ЦКА и его производительность во многом зависят от блока обработки изображения (форматера данных), который реально представляет собой специализированный мощный микроконтроллер предназначенный для интеллектуальной обработки оцифрованного изображения, которое принято из сканера и размещено в блоке памяти. Этот микропроцессор и элементы, обеспечивающих его работу, являются основой «интеллектуального» копирования. Микросхема форматера обычно является заказной, в качестве ядра используется достаточно мощный процессор, кроме того в микросхеме имеется ряд дополнительных компонентов и специализированных портов ввода/вывода.
Этот микропроцессор обычно размещают на отдельной плате вместе с микросхемами ПЗУ с управляющей программой и модулями ОЗУ, которые образуют программно доступную память. Эта память используется для хранения всех управляющих принтером программ, используемых шрифтов и для хранения данных, которые необходимо распечатать. Как правило, в ЦКА имеется возможность расширять объем памяти и поэтому на плате должны иметься специальные разъемы, в которые и устанавливаются модули расширенной памяти.
Версия сайта для слабовидящих