Сканер-инструмент для переработки графической информации, применяемый в допечатных процессах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технический Университет Молдовы

Факультет Легкая Промышленность

Кафедра Дизайн и Полиграфические Технологии

Практическая работа №1

По предмету: полиграфическое оборудование

Тема: «Сканер-инструмент для переработки графической информации, применяемый в допечатных процессах»

Выполнила: студентка гр. ДТП 072

Карташева Юлия

Проверил: преподаватель

Лисник В.А.

Кишинев 2010

Основные сведения

Сегодня сканеры выпускаются в четырех конструктивах - ручном, листопротяжном, планшетном и барабанном, причем каждому из них присущи как достоинства, так и недостатки.

Ручные сканеры - обычные или самодвижущиеся - обрабатывают полосы документа шириной около 10 см и представляют интерес, прежде всего для владельцев мобильных ПК. Они медлительны, имеют низкие оптические разрешения (обычно 100 точек на дюйм) и часто сканируют изображения с перекосом. Но зато они недороги и компактны.

В листопротяжном сканере, как в факсимильном аппарате, страницы документа при считывании пропускаются через специальную щель с помощью направляющих роликов (последние зачастую становятся причиной перекоса изображения при вводе). Таким образом, сканеры этого типа непригодны для ввода данных непосредственно из журналов или книг. В целом возможности применения листопротяжных сканеров ограничены, поэтому их доля на массовом рынке неуклонно снижается.

Планшетные сканеры более распространены на рынке, чем другие типы сканеров и имеют ряд преимуществ по объему применения, то есть более универсальны. Они напоминают верхнюю часть копировального аппарата: оригинал - либо бумажный документ, либо плоский предмет - кладут на специальное стекло, под которым перемещается каретка с оптикой и аналого-цифровым преобразователем (однако существуют «планшетники», в которых перемещается стекло с оригиналом, а оптика и АПЦ остаются неподвижными, чем достигается более высокое качество сканирования). Обычно планшетный сканер считывает оригинал, освещая его снизу, с позиции преобразователя. Чтобы сканировать четкое изображение с пленки или диапозитива, нужно обеспечивать подсветку оригиналов как бы сзади. Для этого и служит слайдовая приставка, представляющая собой лампу, которая перемещается синхронно со сканирующей кареткой и имеет определенную цветовую температуру.

Барабанные сканеры, по светочувствительности, значительно превосходящие потребительские планшетные устройства, применяются исключительно в полиграфии, где требуется высококачественное воспроизведение профессиональных фотоснимков. Разрешение таких сканеров обычно составляет 8000-11000 точек на дюйм и более. В барабанных сканерах оригиналы размещаются на внутренней или внешней (в зависимости от модели) стороне прозрачного цилиндра, который называется барабаном. Чем больше барабан, тем больше площадь его поверхности, на которую монтируется оригинал, и соответственно, тем больше максимальная область сканирования. После монтажа оригинала барабан приводится в движение. За один его оборот считывается одна линия пикселей, так что процесс сканирования очень напоминает работу токарно-винторезного станка. Проходящий через слайд (или отраженный от непрозрачного оригинала) узкий луч света, который создается мощным лазером, с помощью системы зеркал попадает на ФЭУ (фотоэлектронный умножитель), где оцифровывается.

Основные элементы конструкции сканеров

Основными элементами и устройствами, входящими в состав сканера, являются:

* источник света;

* фотоприемники;

* оптиковолоконные световоды;

* микрообъективы и объективы;

* светоделительные призмы и зеркала;

* светофильтры.

Источники света. В качестве источника света в сканерах используются лампы накаливания, люминесцентные, металлогалогенные и ксеноновые лампы и лазеры.

В основе получения светового излучения ламп накаливания лежит тепловое излучение, испускаемое твердым телом при его нагревании. Отличительная особенность тепловых излучателей заключается в непрерывности и плавности спектральной кривой излучения. Для характеристики цветности излучения теплового излучателя пользуются понятием цветовая температура.

Цветовая температура (Тц) -- это температура абсолютно черного тела, при котором цветность его излучения совпадает с цветностью излучения сравниваемого теплового излучателя. Так, цветовая температура дневного света составляет 6500 K, лампы накаливания с вольфрамовой нитью -- 2450 K, дуговой лампы -- 5500 K. Это значит, что абсолютно черное тело, нагретое до таких же температур, испускает такое же излучение, что и перечисленные источники.

Лампы накаливания состоят из следующих основных конструктивных элементов: стеклянной колбы, нити накала, держателя нити накала и металлического цоколя. У современных ламп накаливания тело накала изготовляют из вольфрамовой проволоки, свитой в одинарную или двойную спираль. Вольфрам -- тугоплавкий металл, выдерживающий нагревание до высоких температур, приближающих излучение лампы к белому цвету.

Лампы накаливания, применяющиеся в сканерах, должны отвечать ряду специальных требований, поскольку являются частью точной оптической системы. Поэтому для ламп нормируются положение светового центра накала и его размеры. К лампам предъявляют повышенные требования в плане качества стекла колб, размеров, формы и расположения тела накала, конструкции цоколя. К данному типу ламп относятся также лампы накаливания с йодным циклом. Колбы этих ламп изготовляют из кварцевого стекла. Их преимущества перед обычными лампами накаливания заключаются в значительно большем сроке службы, в меньших габаритных размерах, в высокой яркости свечения и в большой световой отдаче.

Люминесцентные лампы обладают более высокой экономичностью и большим сроком службы по сравнению с лампами накаливания. Люминесцентные лампы со специальным подбором люминофоров излучают свет, близкий к дневному (белому) свету. Люминесцентная лампа представляет собой цилиндрическую стеклянную трубку, на обоих концах которой впаяны ножки с двумя контактными штырьками. Внутри баллона на цоколе укреплены электроды в виде двойных вольфрамовых спиралей, покрытых слоем окиси бария. В баллон лампы вводят несколько миллиграммов ртути. Пары ртути, в которых происходит газовый разряд, имеют небольшое давление -- 0,81,43 Па. Для стабилизации газового разряда в лампу вводят инертные газы (аргон или криптон). Порошкообразные люминофоры наносят на внутреннюю поверхность трубки в виде тонкого равномерного слоя.

Металлогалогенные лампы испускают свет, близкий к дневному, обладают высокой интенсивностью, большой светоотдачей, имеют длительный срок службы.

Ксеноновые лампы относятся к разряду источников света высокой интенсивности. В качестве газовой среды в них используют тяжелый инертный газ ксенон, который дает разряд при больших плотностях тока и высоких давлениях. Излучение разряда ксенона образует непрерывный спектр, приближающийся к спектру солнечного света. Последнее обстоятельство и определило применение ксеноновых ламп в качестве источников света для фоторепродукционных работ и в анализирующих устройствах сканеров.

Лазер как источник света используется только в чернобелых сканерах, поскольку он дает монохроматическое световое излучение. В чернобелых сканерах наряду с другими источниками света применяются маломощные газовые лазеры: гелийнеоновые и аргоновые.

Фотоприемники. В сканерах плоскостного и проекционного типов, как правило, применяются приборы с зарядовой связью (ПЗС), а в барабанных -- фотоэлектронные умножители и фотодиоды.

Работа ПЗС основана на свойстве конденсаторов МОПструктуры (металл -- оксид -- полупроводник) собирать и накапливать пакеты неосновных носителей зарядов в локализованных потенциальных ямах на границе кремнийоксид кремния. Структура МОПконденсатора приведена на рис. 8 а. Монокристаллическая кремниевая подложка, например, дырочного ртипа проводимости покрыта диэлектриком -- тонким (~0,1 мкм) слоем оксида, на котором расположен металлический электродзатвор. При приложении к этому электроду положительного относительно подложки напряжения основные носители (дырки) в слое кремния у границы с оксидом будут отталкиваться от электрода, покидая поверхностный слой. Под электродом образуется потенциальная яма -- область, обедненная основными носителями. «Глубина» этой ямы зависит от напряжения на затворе U.

Воздействие света приводит к появлению электронно-дырочных пар и к накоплению неосновных носителей (электронов) в потенциальной яме. Накопленный заряд пропорционален освещенности и времени накопления. Направленная передача накопленных зарядов в ПЗС от одного МОП конденсатора к близко расположенному соседнему производится созданием продольного электрического поля между затворами при подаче на второй затвор более высокого напряжения. Под этим электродом образуется более глубокая потенциальная яма, в которую перетекает зарядовый пакет. Этот процесс иллюстрируется рис. 8 б, на котором штриховкой показана степень заполнения потенциальной ямы неосновными носителями, то есть величина заряда под электродом.

В качестве примера рассмотрим линейную (однострочную) структуру преобразователя, состоящего из цепочки МОП конденсаторов. На рис.1 в показано, что одна ячейка, соответствующая одному элементу изображения, состоит из трех МОП конденсаторов. Затворы соседних ячеек соединены между собой по схеме трехтактного сдвигового регистра. Форма напряжения, прикладываемого к металлическим электродам 1, 2 и 3 каждой ячейки, имеет импульсный характер. Это обеспечивает однонаправленное перемещение накопленных зарядов к выходному устройству. Предположим, что под электродами 1 накоплены заряды, величина которых соответствует распределению освещенности вдоль линейки ПЗС. К электродам 2 и 3 приложено меньшее напряжение, чем к электродам 1, зарядовые области изолируются потенциальными барьерами. Если в процессе развертки к электродам 2 приложить напряжение, равное напряжению на электродах 1, происходит расширение потенциальной ямы и электроны заполняют потенциальную яму под электродами 1 и 2. Далее напряжение на электродах 1 уменьшается и неосновные носители полностью перемещаются под электроды 2. К этому времени на электродах 3 напряжение мало, что приводит к изоляции зарядовых областей между отдельными ячейками линейки.

Рис. 1. К пояснению электрической развертки в линейке ПЗС

Для перемещения зарядов из данной ячейки в следующую необходимо сначала перенести их под электроды 3, а затем -- под электроды 1 следующей ячейки. Это осуществляется подачей на электроды положительных тактовых импульсов. За три такта изменения напряжений на фазах Ф₁, Ф₂ и Ф₃ зарядовый рельеф в линейке переместится на одну ячейку. В выводном устройстве последовательность зарядов преобразуется в импульсное напряжение, огибающая которого представляет собой сигнал изображения.

В ПЗС процессы накопления зарядов и их считывание разделены во времени. Развертка производится в промежуток времени, соответствующий обратному ходу. При этом одновременное перемещение зарядов вдоль линейки происходит от первой ячейки слева направо, а сигнал изображения на выходе получается в обратном порядке, начиная с последней ячейки строки. Таким образом, осуществляется самосканирование -- передача информации за счет зарядовой связи путем изменения «глубины» потенциальных ям под электродами МОП конденсаторов.

Сегодня разработаны линейки, имеющие 8000 ячеек в строке, с размером ячейки -- 20 мкм. Существуют матричные структуры на ПЗС, создающие сигнал изображения. Датчики свет--сигнал на ПЗС -- малогабаритные, потребляющие мало энергии и обеспечивающие высокую геометрическую точность при сканировании изображений.

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и фотодиоды (ФД) используются в основном в устройствах барабанного типа. В электроннооптической секции осуществляется преобразование светового потока Ф в фототок на основе внешнего фотоэффекта -- эмиссии фотоэлектронов под действием квантов света. Величина -- интегральная чувствительность фотокатода (А/лм).

На внутреннюю поверхность торцевого или бокового окна напыляют тонкую металлическую пленку, практически прозрачную для света и служащую для подачи питания на фотокатод (ФК). Затем на нее наносят светочувствительный слой.

В идеальном случае можно принять значения коэффициентов вторичной эмиссии . Тогда на выходе ФЭУ ток коллектора , где n -- число каскадов вторичноэлектронного умножения; i₁=i_ф -- ток эмиссии фотокатода. Обычно и n=7-12. Чувствительность ФЭУ и число каскадов умножения ограничиваются темновым током и шумами. Основные составляющие темнового тока -- термотоки фотокатода и первых динодов, ток автоэлектронной эмиссии с динодов, ток утечки между выводами коллектора и другими электродами. Шумы тока коллектора вызываются дробовыми флуктуациями фотоэмиссии, термоэмиссии и вторичноэлектронной эмиссии. Отношение «сигнал/помеха» зависит также и от тепловых шумов резистора нагрузки Rн в цепи коллектора. Современные ФЭУ имеют линейную световую характеристику в рабочем диапазоне освещенности. Фотоэлектронные умножители достаточно широкополосные (длительность фронта сигнала при резких изменениях светового потока не превышает 10^-8 10^-9 с). Это означает, что ФЭУ практически не накладывают ограничений на скорость передачи изображений.

Светоделительные зеркала и призмы. Во многих узлах электронных цветоделительных машин, в сканерах, а также в некоторых приборах применяются специальные делители излучений, которые делят один световой пучок на два, распространяющихся в разных направлениях. Такие делители лучей называют светоделительными, или полупрозрачными, зеркалами. Особенность светоделительных зеркал заключается в том, что часть падающих на них лучей они отражают, а другую часть -- пропускают. Такое зеркало представляет собой хорошо отполированную плоскую стеклянную пластину, на поверхность которой нанесена тонкая полупрозрачная пленка металла. Подбирая толщину этой пленки, можно в широких пределах регулировать соотношение между отраженной и пропущенной частями светового потока.

Светоделительные зеркала бывают двух типов -- серые и дихроичные. Серые светоделительные зеркала не изменяют цвета светового пучка при его разделении, тогда как дихроичные пропускают световые лучи избирательно. Дихроичные зеркала используют в сканерах, цветоделительных машинах и приборах для разделения световых пучков на три зоны спектра: синюю, зеленую и красную.

В качестве светоделительных элементов применяются преломляющие призмы. В преломляющих призмах углы падения луча на входную грань и сопряженные с ними углы преломления на выходной грани, как правило, не равны друг другу. Угол между падающим и преломленным лучами называется углом отклонения призмы. Преломляющие призмы разлагают поступающее в спектральный прибор излучение на монохроматические составляющие (спектр).

Светофильтры. Светофильтром называют полупрозрачную среду, предназначенную для избирательного или общего поглощения проходящего через нее светового потока. По оптическим свойствам светофильтры подразделяются на серые (или нейтральные), цветные, теплозащитные.

Серые (или нейтральные) светофильтры поглощают проходящий через них свет неизбирательно, то есть падающий белый световой поток поглощается равномерно по спектру независимо от длины волны излучений.

Цветные светофильтры поглощают падающий на них свет избирательно в зависимости от длины волны падающих излучений.

Теплозащитные светофильтры -- это либо фильтры, изготовленные из специального теплостойкого стекла марки СЗС, которые поглощают инфракрасные тепловые излучения и почти без ослабления пропускают излучения видимой части спектра, либо полупрозрачные зеркала, покрытые специальной пленкой, пропускающей видимые излучения и отражающей инфракрасные.

Теплозащитные фильтры применяются в сканерах для защиты от нежелательного действия тепловых излучений на электрические фотоприемники.

Общие сведения и техническая характеристика

Принцип работы сканера

сканер графический планшетный

Сканер, как и принтер, является сейчас неотъемлемой частью любого хорошо оборудованного компьютера. Мы сканируем документы и распознаем отсканированные тексты из книг, переводим в электронный вид старые фотографии, снимаем копии. Задумывались ли вы когда-нибудь, как это все работает? В основе принципа работы сканера лежит свет; отраженный от объекта или прошедший через него (в зависимости от модели и предназначения устройства). Поступая от специального источника (обычно просто очень яркой лампы), он искажается сканируемым объектом (отражается от документа или проходит через слайд), предварительно размещенным на стекле изображением вниз. Приемник света фиксирует яркость и цвет отражения от каждой точки, преобразовывая световые импульсы в электрический сигнал.

Технология эта во многом напоминает цифровую фотографию; фотоприемник, регистрирующий отраженный от документа свет - это, по сути, нечто похожее на матрицу цифрового фотоаппарата. Качество этого элемента определяет качество и разрешение рисунка, полученного со сканера. Единственное технологическое отличие сканера от фотоаппарата заключается в том, что он совершенно не способен "перестраивать свой фокус", т.е. фокусировать свой "взгляд" на более далеких, нежели стекло, объектах. Именно поэтому сканеры оборудованы прижимными крышками; использование их по назначению во многих случаях может улучшить качество изображений.

Некоторые современные сканеры с помощью небольшого технологического дополнения получают возможность сканировать изображения не только с бумаги или других непрозрачных объектов, но и с прозрачных пленок, слайдов и негативов. Для этого в крышке сканера располагается дополнительная лампа, а основная - выключается. Таким образом, вместо отраженного света, приемник получает искаженный, но прошедший через сканируемый объект. Вообще, в таком устройстве, как сканер, нет ничего лишнего. Оно конструктивно не сложно и просто в использовании, а самое главное, совершенно необходимо "в хозяйстве".

Планшетные сканеры

Планшетные сканеры -- наиболее популярные устройства ввода. Они обеспечивают необходимое качество изображений, используемых как в деловой корреспонденции, так и в высокохудожественных изданиях.

Принцип работы планшетного сканера состоит в том, что вдоль сканируемого изображения, расположенного на прозрачном неподвижном стекле, движется сканирующая каретка с источником света. Отраженный свет через оптическую систему сканера (состоящую из объектива и зеркал или призмы) попадает на три расположенных параллельно друг другу фоточувствительных полупроводниковых элемента на основе ПЗС, каждый из которых принимает информацию о RGB-компонентах цвета. В трехпроходных сканерах используется всего одна линейка ПЗС и лампы разных цветов или соответствующие светофильтры.

Основным отличием планшетных сканеров от других типов сканеров является то, что их сканирующая головка перемещается относительно бумаги с помощью шагового двигателя, а изображение при помощи системы призм или зеркал проецируется на линейку ПЗС. Разрешение планшетных сканеров, как правило, определяется числом чувствительных элементов в линейке ПЗС, причем если ширина сканируемой области меньше ширины линейки, то используется только часть фотоэлементов.

Планшетные сканеры можно использовать для сканирования большинства плоских непрозрачных оригиналов. Как и у копировальных аппаратов, у планшетных сканеров есть "крышка", прижимающая к рабочей поверхности такие нестандартные оригиналы, как, например, книга. Некоторые модели планшетных сканеров дополнительно оснащаются адаптером для обработки прозрачных оригиналов и/или механизмом автоматической подачи листов.

Проекционные сканеры

Проекционные сканеры, как правило, работают с оригиналами формата A3 . Эти сканеры, благодаря возможности изменять фокусное расстояние, позволяют выбрать оптимальное разрешение; они особенно полезны при сканировании трехмерных объектов. Проекционные сканеры занимают на рабочем столе чуть больше места, чем размер сканируемого объекта. На подставке сканера на двумерном объекте можно разместить небольшой трехмерный и сканировать их одновременно. Это самый быстрый способ комбинирования двух изображений.

Проекционные сканеры больше всего напоминают своеобразный проекционный аппарат. Вводимый документ кладется на поверхность сканирования изображением вверх, блок сканирования находится при этом также наверху. Перемещается только сканирующее устройство. Разрешение подобных сканеров определяется не в точках на дюйм изображения, а в точках всего изображения. Изображение маленького и большого объектов будут иметь одно и то же число точек (7040x4992), и соответственно, для маленького объекта разрешение в точках на дюйм будет очень большим, а для объекта, расположенного на бесконечности, - очень маленьким.

Хотя сканер напоминает фотоувеличитель или установку для репродукции документов, однако сканирующую головку можно направить и в окно и отсканировать близлежащее здание.

Барабанные сканеры

Сканеры барабанного типа ранних конструкций являлись устройствами ввода ин формации и рассматривались только как часть общей системы электронной обработки изображений. Для регистрации RGB-цветовых составляющих в барабанных сканерах используются фотоэлектронные умножители (ФЭУ), обеспечивающие высокое качество воспроизведения. Сканеры барабанного типа по-прежнему остаются устройствами считывания изображения, удовлетворяющими самым высоким требованиям по разрешению и качеству. Работа барабанных сканеров базируется на использовании высокочувствительных ФЭУ, которые позволяют регистрировать световой поток, отраженный от оригинала или пропущенный оригиналом с разделением его на три основные составляющие RGB-цвета. В качестве источников излучения в барабанных сканерах используются ксеноновые или галогенные лампы, излучение которых с помощью волоконной оптики и линзового конденсора фокусируется на малом участке оригинала.

Только оригиналы, изготовленные на гибкой основе, могут закрепляться на прозрачном барабане. В общем случае может осуществляться сканирование как оригиналов-негативов, так и диапозитивов. При этом возможно считывание в отраженном или проходящем свете.

Оригиналы, изготовленные на прозрачной основе, освещаются с внутренней стороны барабана, в то время как оригиналы, выполненные на непрозрачной основе, освещаются с его внешней стороны. Световой поток, пропущенный или отраженный очень маленькой площадкой оригинала, попадает на светочувствительный приемник, который перемещается вдоль быстровращающегося барабана. Свет направляется в систему полупрозрачных зеркал, установленных под углом 45° к световому лучу. На каждом из полупрозрачных зеркал часть светового потока отражается, а часть проходит дальше, попадая на следующее зеркало. Отраженный от зеркал свет проходит красный, зеленый и синий светофильтры, а после этого попадает на один из трех усилителей светового потока, т.е. фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) осуществляют перевод аналогового сигнала, поступившего с ФЭУ, в цифровую форму. Четвертый ФЭУ обеспечивает получение сигнала для обеспечения резкости изображения.

Фотоэлектронные умножители (так же, как и приборы с зарядовой связью) преобразуют текущие значения яркости светового потока в непрерывно изменяющийся аналоговый электрический сигнал. Такой сигнал квантуется аналого-цифровым преобразователем на дискретное число уровней с помощью операции, называемой "дискретизацией". Чистота сигнала связана с работой электрических цепей, что может приводить к возникновению шумов.

Вывод

Выполняя данную практическую работу ознакомились с более распространенными типами сканеров и их техническими данными, с основными характеристиками главных элементов сканера и с принципом работы сканера, выявили основные характеристики планшетного, барабанного и проекционного сканеров.

Прогресс не стоит на месте, и в области развития компьютерной техники мы каждый день видим новые изобретения. Сейчас на рынке представлен огромный выбор сканеров для частного и промышленного пользования со своими уникальными возможностями, перечень которых огромен: мы можем сканировать как отдельные листы бумаги, так и целые книги, мы можем сканировать штрих коды и «части тела». Что уже говорить даже об операциях с фото, сейчас даже негативные кадры автоматически преобразуются самим сканером в позитивные.

Литература

1. «Сканеры и цифровые камеры»

2. http://www.compuart.ru/

3. http://b2blogger.com/

4. http://wikipedia.org

Размещено на Allbest.ru