Тема 5.2. Устройство планшетного сканера
Рассмотрим более подробно устройство наиболее распространенных сканеров – планшетных. Внешний вид типового планшетного сканера со встроенным слайд-модулем показан на рис. 5.2.1.
Рисунок 5.2.1.
На рис. 5.2.1 схематично показаны основные узлы планшетного сканера: С – планшетное стекло; К – каретка; Н – направляющая (вдоль которой движется каретка); D – двигатель; МВ – основная плата (сокращение от английского "mainboard").
Конструкция сканера зависит от того, для считывания каких оригиналов он предназначен. Простейшие планшетные устройства рассчитаны на работу с изображениями на непрозрачных носителях.
Страница документа или фотоснимок на бумаге размещается на стеклянный рабочий стол сканера картинкой вниз и сверху прижимается крышкой. Во многих моделях предусмотрена возможность считывания с толстых книг или журналов, для чего крепящие крышку шарниры приподнимаются из своих гнезд или она вообще снимается.
Во время сканирования под стеклом вдоль большей стороны оригинала передвигается каретка. Она движется по мощным стальным направляющим, перемещение задается прецизионным приводом с шаговым электродвигателем. Точность работы этого механизма определяет вертикальное разрешение сканера (более подробно характеристики сканера будут рассмотрены в следующей теме). Внешне движение каретки кажется непрерывным, однако, изображение считывается дискретными шагами, построчно. Чем выше заданное разрешение, тем медленнее перемещается каретка. Поскольку планшетные сканеры часто используются для ввода многостраничных документов, скорость работы является важной характеристикой. Переход к однопроходной схеме сканирования, при которой считываются сразу все три основных цвета оцифровываемого оригинала, привело к трехкратному выигрышу по производительности, тем не менее, планшетные сканеры являются достаточно медленными периферийными устройствами.
В первых моделях планшетных сканеров в перемещающейся каретке размещались только лампа и зеркало, которое направляло отраженный от оригинала свет на другое зеркало – закрепленное неподвижно, связанное с объективом и светочувствительной матрицей. В современных сканерах в каретке размещается вся оптическая схема устройства, включая лампу, зеркало, объектив, призму или систему светофильтров, сенсор и АЦП. Каретка связана многожильным гибким шлейфом с интерфейсной платой, которая отвечает за первоначальную обработку изображения и его передачу в компьютер. Для подключения к компьютеру в современных сканерах чаще всего используется интерфейс USB, некоторые модели оснащены интерфейсом FireWire.
Поскольку при сканировании оцифровываемый оригинал освещается ярким источником света, а изображение объекта проецируется посредством набора линз на светочувствительную матрицу, которая вырабатывает аналоговый сигнал, источник света в планшетном сканере в значительной степени влияет на эффективный динамический диапазон. В новых и более дорогих планшетных сканерах используются или флуоресцентные источники с холодным катодом, или вольфрамовые галогенные лампы, которые выделяют меньше тепла. Пониженное выделение тепла означает, что сканирующий механизм можно поместить ближе к оригиналу и дольше его экспонировать, что улучшает выборку деталей. От источника света требуется определенный спектральный состав и величина светового потока. К тому же эти характеристики должны оставаться постоянными во время работы сканера. Лампа сканера должна обеспечивать равномерную подсветку по всей ширине оригинала. При этом недопустимо сильное нагревание ламп, так как это приводит к непредсказуемому изменению характеристик оптических элементов. В этом смысле лучшими характеристиками обладают ксеноновые лампы. Они моментально включаются, очень стабильны по параметрам, излучают свет в расширенном спектре, имеют большой ресурс. Недостаток их заключается в повышенном энергопотреблении.
В настоящее время наиболее распространены полупроводниковые светочувствительные сенсоры, которые объединяются в соответствующие матрицы.
Такие матрицы изготавливаются по технологиям CCD (charge-coupled device – прибор с зарядовой связью, ПЗС) или CMOS (complementary metal-oxide semiconductor – комплиментарный металл-оксидный полупроводник, КМОП). У каждой из них есть свои преимущества. CCD-матрицы дороже, но в их ячейках генерируется более сильный ток, и, следовательно, они меньше подвержены влиянию электрических шумов. CMOS-сенсоры дешевле. Каждая ячейка такой матрицы состоит из фотодиода и нескольких транзисторов, усиливающих ток. Фотодиод генерирует более слабый ток, чем возникает в CCD-элементе, к тому же часть светового потока падает не на него, а на транзисторы. В результате CMOS-сенсоры больше подвержены шумам и требуют дополнительных мер для их исключения.
Как уже отмечалось ранее при рассмотрении цветовых моделей, любой различаемый глазом цветовой оттенок можно представить в виде сочетания трех основных цветов: красного, зеленого и синего (для вывода на монитор) или голубого, пурпурного и желтого (для печати). В современных сканерах для разделения светового потока на красную (Red, R), зеленую (Green, G) и синюю (Blue, В) составляющие применяются две технологии – цветные светофильтры или призма.
Оснащение ячеек матрицы светофильтрами является более дешевым и практичным способом, однако качество изображения при этом может быть хуже. Использование призмы делает конструкцию устройства более сложной, но гарантирует прецизионное (более точное) разделение светового потока на три цвета от каждой точки оригинала.
Фрагменты устройства планшетных сканеров с призмой и светофильтрами показаны на рис. 5.2.2 и рис. 5.2.3. Кроме светофильтров, для фокусировки возможно большего количества света на поверхности полупроводникового фоточувствительного элемента, в сканерах используют микролинзы для каждой ячейки. В сканерах с микролинзами повышается КПД преобразования света в электрический ток, а это положительно сказывается на уровне шумов и качестве получаемого изображения.
Рисунок 5.2.2.
Рисунок 5.2.3.
Как видно из рис. 5.2.2 и рис. 5.2.3, в сканерах для преобразования интенсивности светового потока в электрический ток по каждому базовому цвету используются три параллельные линейки CCD- или CMOS-ячеек (трехпроходные сканеры включали одну линейку светочуствительных элементов).
Общая ширина светочувствительного сенсора с ССD-элементами примерно в четыре раза меньше, чем у оригинала формата А4, а световой поток фокусируется на нем с помощью объектива. Если каждая из линеек включает в себя около 5 тыс. ячеек, то это обеспечивает сканеру с размером рабочего поля А4 оптическое разрешение 600 ppi (пикселей на дюйм). Применение такой же матрицы в устройстве, предназначенном для считывания оригиналов размером 6×6 или 6×9 см (форматы кадров широкой фотопленки), дало бы разрешение 2100 ppi.
Очевидно, что оптическое разрешение сканера зависит не только от числа элементов в линейке, но и от ширины области сканирования.
Стремление максимально удешевить сканеры привело к созданию технологии CIS (contact image sensor – контактный сенсор изображения). Матрица этого типа состоит из трех фотодиодных линеек с RGB-светофильтрами. По ширине сенсор и поле сканирования одинаковы. В сканере с рабочим полем А4 и разрешением 600 ppi линейки состоят из 5 тыс. плотно расположенных ячеек. CIS-сенсор располагается предельно близко к поверхности оригинала, что избавляет от необходимости использовать объектив. Планшетные сканеры данного типа компактнее, проще по конструкции и дешевле, чем устройства с CCD- или CMOS-матрицами.