Сканеры

Окончание. Начало в предыдущем номере

Планшетные сканеры

Проекционные сканеры

Барабанные сканеры

Схемы построения сканеров

В системах допечатной подготовки изданий в настоящее время применяются планшетные, проекционные и барабанные сканеры.

Планшетные сканеры

Планшетные сканеры построены по принципу плоской развертки (отсюда их второе название — плоскостные), при которой считываемый оригинал располагается на плоском подвижном или неподвижном оригиналодержателе (рис. 1). 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.

На рис. 2 представлена принципиальная схема плоскостного сканера с подвижным оригиналодержателем. Непрозрачный оригинал 2 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.

На рис. 3 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 и 18. 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 7 используется пружина 15, один конец которой прикреплен к корпусу сканера, а другой — к тросу 10, перекинутому через неподвижный блок 9 и прикрепленному к каретке 17.

Известны черно­белые сканеры, в которых в качестве источника света используются маломощные лазеры. В таком устройстве (рис. 4) лазер 1 генерирует непрерывный поток излучения. Для формирования необходимой апертуры луча служит диафрагма 2. Телескоп 3 расширяет 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 12 направляет 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.

В первом случае источники света в процессе сканирования работают поочередно, кратковременно освещая оригинал (рис. 5). Этот метод требует подбора источников света со стабильными характеристиками.

Во втором случае сканеры оборудованы системой ПЗС, состоящей из трех независимых линеек для каждого цвета (рис. 6). 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.

В однопроходных цветных сканерах с системой цветоделительных светофильтров используется один элемент ПЗС и один источник света (рис. 7). 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 (рис. 8) 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 (см. рис. 8 а) оптико­волоконный жгут световодов, пропускающий свет того или иного цвета, раздваивается и освещение оригинала производится двумя осветителями. В осветительной системе для прозрачных оригиналов (см. рис. 8 б) 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.

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. 9 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. 9 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.

Схема сканера с двумя ПЗС приведена на рис. 10. 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.

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.

Проекционные сканеры

Проекционные сканеры напоминают фотоувеличитель и работают почти так же, как фотографическая камера. в ыпускаются проекционные сканеры для работы с непрозрачными оригиналами, для работы с прозрачными оригиналами (такие сканеры часто называют слайд­сканерами) и универсальные. В сканерах для работы с непрозрачными оригиналами считывание оригинала осуществляется в отраженном свете.

Оригинал располагается на подставке под сканирующей головкой изображением вверх. Сканирующая головка (камера) закрепляется на вертикальном штативе на некоторой высоте. В зависимости от конструктивных особенностей сканера камера может перемещаться по стойке или по вертикальным направляющим. Перед началом сканирования камеру следует установить в положение, соответствующее требуемому разрешению и размеру изображения. Настройка (фокусировка) камеры осуществляется перемещением линзы. Специальный источник света при этом может и не устанавливаться. Иногда источники света (не более двух) присоединяются непосредственно к камере. Внутри камеры небольшой двигатель перемещает линейку ПЗС в фокальной плоскости линзы. Процедура сканирования занимает некоторое время, поэтому следует учитывать возможное нежелательное воздействие вибрации и внешних источников света. Схема работы проекционного сканера приведена на рис. 11.

В некоторых моделях проекционных сканеров свет через линзу освещает оригинал целиком, а отраженный свет фиксируется с помощью ПЗС­матрицы. Подобная конструкция сканера позволяет избежать влияния внешних возмущений и добиться более высокого качества сканированных изображений. Максимальный размер оригинала может быть до 300 x 400 см.

Класс проекционных слайдовых сканеров определяется максимальным размером оригинала, с которым он может работать. Если сканеры среднего класса предназначены для обработки 35­миллиметровых негативных и позитивных пленок, то устройства высокого класса могут выполнять сканирование прозрачных оригиналов cредних (6 x 7 см, 2_1/4 x 2_1/4 и 4 x 5 дюймов) и больших форматов до (42 x 52 см).

Оптическое разрешение слайдовых сканеров составляет от 2000 до 5000 dpi в зависимости от класса устройства. Слайдовый сканер во многом напоминает планшетный. Различие состоит лишь в том, что слайд­сканер фиксирует образ сканируемого изображения в проходящем свете, а соответственно источник света, оригинал и фотоприемник в нем имеют другое взаимное расположение. Для фиксирования цвета и уровней серого в слайд­сканерах используются либо наборы линеек ПЗС, либо матрицы ПЗС (рис. 12).

В некоторых сканерах для повышения отношения «сигнал/шум», характеризующего качество считывания информации, применяются дополнительные компенсационные методы, например более яркие источники света.

Оптическая плотность цветных слайдов и диапозитивов обычно находится в пределах от 2,8 до 3,0. Поэтому динамический диапазон слайдовых сканеров высокого класса должен быть не менее 3,0. Для кодирования цвета используются 8­14 и даже 16 бит на канал.

Поставляемые в комплекте со сканером рамки для монтажа слайдов (рис. 13) в сочетании со специализированным программным обеспечением позволяют автоматизировать процесс сканирования слайдов стандартных форматов (пакетов сканирования).

Проекционные сканеры обладают следующими достоинствами:

• удобство позиционирования оригинала. Непрозрачный оригинал располагается лицевой стороной вверх, что облегчает процедуру его выравнивания. На подставке сканера, как правило, имеются специальные направляющие, которые можно использовать для точного позиционирования оригинала;

• небольшая занимаемая площадь. Проекционные сканеры занимают на рабочем столе лишь чуть больше места, чем сканируемый объект;

• разнообразие сканируемых непрозрачных оригиналов. Не помещающийся на подставке оригинал можно сканировать по частям. Этот процесс реализуется даже проще, чем в случае использования планшетного сканера, поскольку видно, какие части оригинала уже отсканированы;

• возможность пакетного автоматического сканирования слайдов.

К недостаткам проекционных сканеров следует отнести сложность сканирования переплетенных оригиналов. В отличие от планшетных сканеров, где книга удерживается в развернутом виде за счет прижима крышкой, в проекционных сканерах ее необходимо расположить лицевой стороной вверх и прижать стеклом или специальным держателем.

Барабанные сканеры

Барабанные сканеры стоят дорого, но с их помощью можно получать изображения с высокой степенью детализации.

В барабанных сканерах оригинал с помощью специальной ленты или масла закрепляется на поверхности прозрачного цилиндра из органического стекла (барабана), укрепленного на массивном основании, которое обеспечивает его устойчивость. Барабан вращается с большой частотой, а находящийся рядом с ним сканирующий фотоприемник точка за точкой считывает изображение с высокой точностью. В большинстве сканеров, применяемых в полиграфии, в качестве фотоприемника используется ФЭУ, который перемещается на прецизионной винтовой паре вдоль барабана и точечно сканирует оригинал. Для освещения оригинала используется мощный ксеноновый или галогенный источник света, к стабильности излучения которого предъявляются высокие требования. При сканировании прозрачных оригиналов применяется источник света, расположенный внутри барабана, а при сканировании отражающих оригиналов — вне его, рядом с приемником излучения.

Поскольку частота вращения барабана высока, то можно фокусировать на изображении чрезвычайно мощный источник света без риска повредить оригинал. Яркость источника света, возможность регулирования фокуса и технология поэлементной выборки обеспечивают высокое отношение «сигнал/шум» и точную передачу тонов изображения без перекрестных помех от соседних точек.

Свет сначала направляется на оригинал, затем на зеркала и RGB­фильтры, расщепляющие его на три цветовые пучка. В наиболее простом исполнении полупрозрачные зеркала представляют собой хроматически нейтральные светоразделительные элементы, частично пропускающие и частично отражающие световую энергию независимо от ее спектрального состава. В этом случае первое полупрозрачное зеркало должно отражать одну треть упавшей на него световой энергии и две трети пропускать. У второго зеркала отраженная и пропускаемая части световой энергии должны быть равны. При таком разделении количество световой энергии всех длин волн во всех трех каналах будет одинаковым. Однако этот вариант расщепления светового пучка не является оптимальным, ведь в каждом канале не нужен свет всех длин волн.

Более совершенными являются дихроические полупрозрачные зеркала (рис. 14 а), обладающие свойством отражать и пропускать световую энергию избирательно по спектру. В этом случае первое зеркало должно, например, отражать свет только в длинноволновой (красно­оранжевой) части спектра, второе — только в средневолновой (желто­зеленой) части спектра, а третье — только в коротковолновой (сине­фиолетовой) части спектра. При таком распределении световая энергия используется более рационально. Для этой же цели могут применяться специальные цветоделительные призмы (рис. 14 б), в которых имеются два дихроичных фильтра (зеленый и синий).

В зависимости от типа материала (прозрачный или отражающий) оригинал освещается либо изнутри барабана, либо снаружи. Размещаемые в анализирующей фотоголовке фотоэлектронные умножители принимают и усиливают отфильтрованный свет. Затем полученные аналоговые сигналы преобразуются в цифровые коды. Для повышения производительности сканирования конструкция многих моделей барабанных сканеров позволяет использовать сменные барабаны.

Отличительный признак полиграфических барабанных сканеров — возможность сканировать оригиналы, имеющие высокую оптическую плотность (печатные издания, художественные работы, слайды, диапозитивы, негативные пленки) как в отраженном, так и в проходящем свете с разрешением, ограниченным лишь размером барабана и минимальной апертурой. Современные барабанные сканеры позволяют сканировать изображение с интерполяционным разрешением до 24 000 dpi.

Анализирующие фотоголовки сканеров, обеспечивающих считывание цветных изображений с высокой разрешающей способностью, представляют собой высокоточную и достаточно сложную конструкцию. На рис. 15 приведены схема и конструкция анализирующей фотоголовки барабанного сканера для работы в отраженном свете.

В этом режиме работы используется только одна металлогалогенная лампа накаливания, находящаяся в задней части фотоголовки, свет от которой собирается световодами 1 в пяти различных точках нити накала и проецируется пятью конденсорами  2 на поверхность оригинала. Микрообъектив 3 проецирует освещенный участок оригинала на плоскость анализирующей диафрагмы 6. Диафрагма представляет собой овальное отверстие в круглом зеркале, установленном под углом 45° к направлению распространения светового луча. Анализирующие диафрагмы находятся на турели, что позволяет заменять их в зависимости от масштаба сканирования и линиатуры развертки. Отраженный зеркалом луч проходит через компенсационный нейтральный фильтр 7 и цветоделительный фильтр 8. Затем призмы 9 и 10 направляют отраженный луч на фотоумножитель канала нерезкого маскирования 11. Прошедший через анализирующую диафрагму 6 световой луч дважды поворачивается призмой Дове 12 и попадает на цветоделительные дихроичные зеркала 13 и 14, которые разделяют их на три спектральные зоны — синюю, зеленую и красную. Призмы 10 направляют цветоделенные лучи на цветоделительные корректирующие светофильтры 15­17 и фотоумножители цветоделительных каналов 18­20.

Для наводки на резкость используют отклоняемое зеркало 4, которое оператор при помощи ручки 21 вводит в световой поток, отклоняя его на контрольный экран 5. Таким образом, на экране визуального контроля отображается освещенный участок оригинала. На экране есть перекрестие, которое позволяет точно определять местоположение анализируемого участка оригинала.

Лампы накаливания непрерывного действия широко применяются в качестве источника света не только в сканерах с цилиндрической разверткой, но и в планшетных сканерах.

Потери при передаче и растрировании изображения наиболее заметны при воспроизведении мелких деталей изображения. Их передачу можно улучшить за счет электронного нерезкого маскирования, при помощи которого удается выделить существенные для изображения детали, а также передать его фактуру.

Повышение резкости воспроизведения деталей — задача так называемого канала нерезкого маскирования. Он получает одновременно с основным цветовым каналом сигнал соответствующего цветоделенного изображения. Диафрагма, ограничивающая пучок света, в канале нерезкого маскирования значительно больше, чем диафрагма, передающая изображение. Благодаря этому крошечная сканирующая световая точка перекрывается нерезкой точкой (рис. 16). Большая точка нерезкого маскирования при перекрытии контура, характеризуемого перепадом плотностей, обеспечивает более плавное изменение сигнала, так как во время сканирования большой элемент раньше уловит изменение плотности, чем малый. Нерезкая градационная маска образуется путем суммирования разности основного и нерезкого сигналов с основным цветоделенным сигналом (рис. 17). При этом, благодаря увеличению контраста деталей и образованию дополнительной каймы, повышается резкость изображения и улучшается прорисовка деталей. Степень повышения резкости можно регулировать, меняя величину диафрагмы в канале нерезкого маскирования. В некоторых сканерах в качестве канала нерезкого маскирования используется один из основных каналов цветоделения.

Барабанные сканеры имеют горизонтальное или вертикальное расположение прозрачного барабана. В сканере с вертикально расположенным барабаном (рис. 18) свет от источника 1 при помощи затвора 2 попадает в оптический тракт световода 3 или 4 соответственно для работы с непрозрачными или прозрачными оригиналами, закрепленными на барабане 5. Барабан приводится в движение при помощи двигателя 6. Прошедший или отразившийся от оригинала луч света попадает на ФЭУ  8 сканирующей головки 7. Электрический сигнал из ФЭУ поступает в логарифматор 9 и проходит АЦП 10, который преобразует аналоговый сигнал в цифровой. Управление процессом преобразования выполняется процессорной платой 11. Операции масштабирования, нерезкого маскирования, а также общее управление сканером осуществляет материнская плата 12. Приводом барабана управляет плата 12 через блок питания (БП).

Визуальный контроль работы сканера можно осуществлять по сигнальным лампам, которые расположены в верхней части крышки сканера и у основания защитной крышки барабана. Следует упомянуть о том, что в некоторых картографических барабанных сканерах в качестве приемника изображения используется набор линеек ПЗС, неподвижно установленных на всю ширину барабана и построчно сканирующих изображение оригинала.

Основными достоинствами барабанных сканеров являются:

• очень высокое качество сканирования;

• возможность сканирования как отражающих, так и прозрачных гибких оригиналов;

• возможность изменения фокусного расстояния, которая позволяет автоматически или вручную изменять разрешение сканирования в зависимости от требуемой степени детализации изображения.

К недостаткам барабанных сканеров следует отнести:

• невозможность сканирования переплетенных оригиналов, например книг и журналов;

• большие габариты и масса: барабанный сканер — это, за редким исключением, тяжелый крупногабаритный аппарат;

• невозможность сканирования жестких оригиналов, поскольку они должны прижиматься к цилиндрической поверхности барабана, принимая ее форму;

• относительная сложность качественной установки оригинала на барабане.

КомпьюАрт 7'2005