Изучение конструкции и принципов работы сканеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский Политехнический Университет

Высшая школа печати и медиаиндустрии

Лабораторная работа № 3

изучение конструкции и принципов работы сканеров

Выполнил:

студент группы ДТмоБ-3-1

Проверил: Ткачук Ю.Н.

Москва 2016

Цель работы

Изучение принципов работы и конструктивных особенностей планшетных и барабанных сканеров.

1. Ознакомиться с конструктивными особенностями сканеров «NexScan F4100» и «Tango».

2. Привести примеры сканеров и их характеристики.

Теоретическое обоснование

Сканер - один из самых важных элементов издательской системы. От качества его работы во многом зависит качество воспроизведения иллюстраций в будущем издании. Обратная формулировка еще более интересна - если качество работы на сканерах недостаточно, получить приемлемый по качеству итоговый результат невозможно уже никакими силами. Следует учесть, что при оценке качества издания а первую очередь обращают внимание на качество исполнения цветных полутоновых изображений.

Как известно, для получения информации об изображении в пригодной для компьютерной обработки форме оригинал разбивается на микроэлементы, расположенные в вершинах прямоугольной сетки, и информация о цвете каждого микроэлемента кодируется для передачи в компьютер. Для «наложения» сетки отсчетов на оригинал существуют три способа: проецирование оригинала на матрицу считывающих элементов, проецирование оригинала на линейку считывающих элементов с одновременным взаимным перемещением считывающего узла и оригинала и поточечное считывание единственным воспринимающим элементом с перемещением его относительно оригинала в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Первый способ реализован в матричных сканерах и требует применения матрицы однотипных светочувствительных элементов, в качестве которых на сегодняшний день используются матрицы приборов с зарядовой связью (ПЗС, в англоязычной литературе - ССД). Так как для сколько-нибудь качественного считывания такая матрица должна включать несколько миллионов элементов, суммарная надежность оказывается весьма низкой. Практическое применение такая схема считывания нашла лишь в цифровых камерах для оперативной съемки. Изображение проецируется на матрицу ПЗС одновременно, затем поэлементно считывается и запоминается для последующей обработки.

В планшетных сканерах (и в студийных цифровых камерах) используется второй вариант организации считывания информации. Световой поток от источника со стабильным спектром излучения, близким к дневному свету (как правило, специальная люминесцентная лампа с цветовой температурой 5000 или 5500 К), проходит через размещенный на прозрачной поверхности (обычно на стекле) оригинал и диафрагму в виде узкой щели, параллельной источнику света (на рисунке не показана). Диафрагма позволяет ограничить размер элемента изображения, считываемый каждым элементом ПЗС-линейки. При сканировании в отраженном свете оригинал освещается «снизу» (при расположении системы считывания в соответствии с рис 2.1), а специальная ширма препятствует попаданию прямого света от источника в оптический тракт.

«Полоса» света, прошедшая через диафрагму, фокусируется объективом и пропускается через систему полупрозрачных зеркал, распределяющих световой поток на три части, приблизительно равные по интенсивности. Каждый из трех световых пучков пропускается через один из трех светофильтров, соответствующих трем составляющим в аддитивной модели смещения цветов (красный, синий, зеленый).

Некоторые фирмы вместо зеркал используют специальные призмы, обеспечивающие разделение светового потока на три части, а в отдельных моделях эти призмы реализуют и функции светофильтров, направляя разные части видимого спектра в разные стороны.

Прошедший фильтр пучок света попадает на линейку элементов с зарядовой связью, расположенных в фокальной плоскости объектива. Таким образом, в каждый момент времени для считывания доступна информация об одной «строке» изображения. Перемещение оригинала относительно тракта «источник света - линейка ПЗС» обеспечивает второе направление развертки изображения.

Принципиально необходимым для правильной работы планшетного сканера является параллельность источника света, оригинала, диафрагмы и линейки ПЗС, Кроме того, все три линейки ПЗС должны одновременно попадать в фокальную плоскость.

Рассмотренная базовая конструкция может иметь варианты, реализуемые в конкретных моделях сканеров. Для самых дешевых моделей вместо трех линеек ПЗС используется одна, а светофильтры перед ней меняются специальным механизмом. Естественно, изображение вместо одного прохода считывается за три. Помимо увеличения времени сканирования как минимум в три раза (а в действительности больше, так как время требуется и на обратный ход считывающего механизма), для таких сканеров исключается какая-либо совместная об-работка информации из разных каналов во время сканирования - сперва нужно получить совмещенное цветовое изображение.

В более сложных устройствах предусматривается объектив с переменным фокусом расстоянием (или сменные объективы с разным фокусным расстоянием). Может быть также и несколько сменных щелевых диафрагм. В чем смысл таких усложнений

Для планшетного сканера фундаментальной характеристикой является число элементов в линейке ПЗС. Вне зависимости от записанного в технических данных максимального разрешения это число определяет максимальное количество пикселов (точек, англ. pixels), которое может быть физически считано с изображения - естественно, в направлении, параллельном линейке ПЗС. Так, если сканер имеет максимальный размер оригинала вдоль оси, перпендикулярной движению считывающего узла («ширину»), в 10 дюймов, а линейка ПЗС состоит из 6000 элементов, эти 6000 элементов и являются верхним пределом количества считанных точек, разделив 6000 на 10, получим оптическое разрешение сканера для максимального формата - 600 точек на дюйм. Если сканер предлагает вам больше, дополнительные точки получаются путем интерполяции.

Для сканера с фиксированным фокусным расстоянием это разрешение также фиксировано - вне зависимости от размеров оригинала вся ширина рабочего пространства проецируется на всю длину линейки ПЗС. Возможность изменить фокусное расстояние позволяет проецировать на считывающий элемент не всю рабочую область, а только ее часть, содержащую оригинал. При этом разрешение, естественно, повышается, но за счет сокращения рабочей области - если оптическая система моего сканера позволяет поднять разрешение до 3000 пикселов на дюйм, ширина рабочего пространства, доступного для размещения оригиналов, уменьшается до 2 дюймов (при той же линейке из 6000 ПЗС).

Переменная ширина щелевой диафрагмы весьма желательная для обеспечения переменного разрешения вдоль другой оси, связанной с взаимным перемещением считывающей системы и оригинала (кто из них движется в действительности, не имеет абсолютно никакого значения, поэтому будем считать, что подвижна оптическая система, а оригинал стоит на месте). С точки зрения механики, максимальное разрешение вдоль этой оси определяется только качеством изготовления микрометрического винта и редуктора, приводящих в движение считывающий узел. Однако при неизменной диафрагме уменьшение шага подачи не приведет к действительному увеличению количества информации об изображении, получаемому при считывании. В самом деле, если оптическая система обеспечивает нормальное считывание при разрешении 600 точек на дюйм, простое уменьшение шага подачи в пять раз приведет лишь к тому, что на каждом шаге будет считываться усредненная информация по пяти микроэлементам. Для обеспечения действительного пятикратного увеличения разрешения нужно либо сделать диафрагмирующую щель в пять раз тоньше, либо изменить фокусное расстояние таким образом, чтобы на ПЗС проецировать более узкую полос оригинала. Возможность использования второго пути зависит от геометрии самих линеек и не позволяет независимо менять разрешение по двум осям; применяется она редко.

Использование щелевой диафрагмы, рассчитанной на максимальное разрешение, для меньших разрешений приведет к потере информации - часть изображения, находящаяся «между» слишком тонких строк, в поле зрения прибора просто не попадает. Усреднение информации при физическом считывании с разрешением больше требуемого возможно, но приводит к потере времени - ожидаемого ускорения считывания при снижении разрешения не происходит.

Преимуществом плоских сканеров является возможность работы с негибкими оригиналами. Некоторые модели позволяют сканировать достаточно толстые журналы и книги, не разрезая их. При этом нужно обеспечить плотное прилегание оригинала к стеклу - глубина резкости у большинства сканеров не слишком велика. Исключение составляют сканеры с большим разрешением и соответственно узкой щелью диафрагмы.

На отдельных моделях допустимо даже сканирование объемных предметов - медалей, мелких украшений и т.д. Естественно, рассчитывать на получение перспективы и объемности в таких условиях не приходится.

Еще одно преимущество многих плоских сканеров - удобство работы. Не требуется никаких вспомогательных операций для того, чтобы зарядить оригинал для сканирования в отраженном свете, да и монтаж слайдов существенно легче (исключение составляют работы с очень высоким разрешением, когда требуется использование монтажного геля и особо тщательная очистка - здесь преимущество плоского расположения оригинала заметно меньше), разумеется, для сканеров с размещением оригиналов в специальных кассетах монтаж оригиналов ненамного легче, чем на барабанном сканере.

Существенным параметром конструкции сканера является наличие автоматической фокусировки и ее способ. Сканеры без автоматической фокусировки (а ручная здесь не используется в принципе), то есть имеющие фиксированную настройку фокусного расстояния, более критичны к нарушению заводских регулировок, вызванных вибрациями при транспортировке и другими подобными причинами. Модели, имеющие автоматическую фокусировку, используют для нее специальную разметку, наносимую на стекло-оригиналодержатель или на специальные кадрирующие маски для прозрачных оригиналов. Поскольку автофокусировка осуществляется путем нахождения максимума разности между сигналами на выходах смежных ячеек ПЗС-линейки, принципиально является возможной автофокусировка по оригиналу, однако использующие ее модели на рынке практически не представлены.

В подавляющем большинстве ПЗС-элементы имеют меньший воспринимаемый динамический диапазон, чем фотоумножители в барабанных сканерах. Это может иногда приводить к потере деталей в тенях при репродуцировании диапозитивов. Topaz использует новый тип ПЗС-линеек, способных обрабатывать сигналы в диапазоне плотности D=3,7, который приближается к максимально возможной плотности при сканировании - 4,0. Диапазон плотностей определяется не только ПЗС-линейкой, но и разрядностью глубины цвета. Большинство планшетных сканеров, доступных сегодня на рынке допечатных систем, работают с глубиной 12 бит/цвет, что не обеспечивает достаточной проработки деталей в тенях. По этой причине разрядность у некоторых моделей была увеличена до 16 бит/цвет.

Поскольку планшетные сканеры используют тот же принцип, что и репрокамеры, в них значительную роль играет рассеянный свет, уменьшающий контраст в тенях. Так, например, наличие только одного процента рассеянного света уменьшает передаваемую оптическую плотность оригинала с 3,0 до 2,0 D. Для предотвращения этого нежелательного явления было предложено использовать специально разработанную оптическую систему.

На рис. 2.2. представлена принципиальная схема планшетного сканера «Topaz», где:

1 - оригиналодержатель;

2 - флюоресцентные лампы;

3 - разворачивающее зеркало;

4 - инфракрасный фильтр;

5 - ирисовая диафрагма;

6 - система линз, осуществляющая регулировку разрешающей способности;

7 - подвижная линейка ПЗС-элементов;

8 - управляющий блок, включающий аналого-цифровой преобразователь, блок расчета нерезкого маскирования и масштабирования изображения, а также ширину ввода-вывода SCSI.

Оптическая схема сканера

Для третьего способа считывания (барабанные сканеры) требуется обеспечить взаимное перемещение единственного считывающего элемента и оригинала в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Для обеспечения разумного быстродействия требовалось исключить» изменение направления движения - отсюда идея «спиральной развертки». Оригинал (рис. 2.3) монтируется на поверхности вращающегося цилиндра, а считывающий узел поступательно движется вдоль его оси, разворачивая спираль на поверхности барабана.

Световой поток от источника света с эталонным спектром (поскольку здесь источник точечный, обычно используются галогенные лампы мощностью 30-50 Вт) проходит через оригинал, фокусирующий объектив и отверстие диафрагмы, затем сфокусированный луч попадает на расщепляющую систему (призму или блок зеркал) и через три светофильтра попадает на светочувствительные элементы - фотоэлектронные умножители (ФЭУ) или фотодиоды. Как правило, считывающий узел расположен снаружи цилиндра, а источник для сканирования прозрачных оригиналов - внутри.

При сканировании в отраженном свете освещение обеспечивается со стороны объектива. Как и в планшетном сканере, специальная светозащита ширма совместно с диафрагмой обеспечивает защиту от паразитного светового потока, идущего напрямую от источника в объектив.

Поскольку считывающий элемент имеет достаточно малые линейные размеры, требования к точности изготовления узла с ФЭУ не такие строгие, как для планшетного сканера, - нет требований к параллельности элементов. Вместе с тем значительно повышается роль диафрагмы: если для планшетного сканера малый раз-мер элемента линейки ПЗС в принципе позволяет ограничиться точной фокусировкой, то для вполне макроскопических размеров активной зоны фотодиода, а тем более ФЭУ, ограничение «видимой» площади микроэлемента изображения с помощью диафрагмы приобретает принципиальный характер.

планшетный барабанный сканер оптический

Рис. 2.3

Схема оптического тракта однопроходного барабанного сканера при сканировании в проходящем свете 1 - прозрачный барабан, 2 - оригинал, 3 - точечный источник света, 4 - фокусирующий объектив, 5 - диафрагма, 6 - фотоэлектронные умножители, 7 - расщепляющая призма, 8 - RGB-светофильтры

Поскольку именно диафрагма (иногда ее еще называют апертурой) в барабанном сканере определяет размер микроэлемента изображения, или 1 пикселя, каждому разрешению сканирования в идеальном случае должна соответствовать своя диафрагма. Если диафрагма слишком велика, соседние микроэлементы перекрываются, что ведет к снижению резкости изображения, а зазор, что приводит к потере части информации при считывании и одновременно увеличивает шумовую составляющую.

В реальности, разумеется, количество апертур сканирования ограничено. При необходимости сканировать с разрешением, для которого нет точно соответствующей ему апертуры, выбирается ближайшая - важно лишь, чтобы эта ближайшая диафрагма была не слишком далеко от требуемого в действительности значения. Иначе говоря, апертур сканирования должно быть достаточно много, чтобы перекрыть весь диапазон рабочих разрешений, а разумное количество разных диафрагм - 8-10 вариантов для каждого из режимов сканирования (то есть отдельно для проходящего и отраженного света).

У барабанных сканеров практически нет препятствий к регулированию разрешения - оно достигается лишь изменением шага считывающей системы (вдоль одной оси) и частоты опроса светочувствительных элементов (вдоль другой).

Если быстродействия электроники не хватает для обработки считанной информации, для больших разрешений снижается частота вращения барабана.

Реальное ограничение на диапазон изменения разрешений накладывается набором апертур сканирования и (значительно меньшей степени) качеством изготовления оптики и механизма перемещения считывающего узла. Весьма существенно, что для любых барабанных сканеров максимальное разрешение никоим образом не зависит от размеров оригинала - и 35-миллиметровый слайд, и изображение размером во весь цилиндр могут быть отсканированы с одним и тем же разрешением.

Поскольку непрозрачные оригиналы в подавляющем большинстве случаев монтируются тыльной стороной к цилиндру, фокусировка по специальным рискам, нанесенным на сам барабан, практически не используется (а в тех сканерах, где используется такой режим автофокусировки, крайне сложно говорить о качественном сканировании в отраженном свете). Для наводки на резкость в сложных моделях используется режим автофокусировки по оригиналу, когда под правильным понимается положение объектива, дающее максимальное значение высокочастотной составляющей сигнала на выходе считывающего элемента. В более простых системах, а также в качестве вспомогательного в сканерах с автофокусировкой используется режим ручной наводки на резкость.

Очевидным недостатком барабанных сканеров является необходимость монтажа оригиналов на поверхность цилиндра, представляющего собой работы кропотливую и малопроизводительную. Для повышения суммарной производительности оборудования большинство фирм-производителей комплектует свои барабанные сканеры специальными монтажными столами и дополнительными цилиндрами, что позволяет разместить оригиналы на цилиндре, не занимая время самого сканера.

Еще одним существенным ограничением является требование к гибкости и массе оригиналов, исключающее сканирование не только орехов и медалей, но и переплетенной полиграфической продукции.

Таким образом, планшетные сканеры удобнее в работе, но обладают меньшей свободой в выборе разрешения при сканировании, чем барабанные.

Рассмотрим принципиальную оптическую схему сканера «Tango» (рис. 2.4).

Свет от источника 1 (галогенная лампа мощностью 100 Вт) при помощи затвора 2 попадает в оптический тракт световода 3 или 4 (диаметром 0,6 мм), соответственно для работы с непрозрачными и прозрачными оригиналами, закрепленными на барабане 5.

Барабан приводится в движение при помощи двигателя 6. Прошедший или отразившийся от оригинала луч света попадает в сканирующую головку 7. Как и во всех барабанных сканерах, луч попадает на ФЭУ 8, логарифматор 9 и проходит аналого-цифровой преобразователь 10, который преобразует аналоговый сигнал в цифровой с разрядностью 12 бит/цвет. Управление процессом преобразования осуществляется процессорной платой 11.

Операции масштабирования, нерезкого маскирования, а также общее управление сканером осуществляет материнская плата 12.

Сканер NexScan. В ноябре 1999 г. на Московской международной выставке «ПолиграфИнтер 99» компания Heidelberg Prepress впервые представила пер-спективную модель сканера семейства NexScan, которое пришло на смену ска-нерам Topaz.

Помимо того, что новинка в полной мере обладает достоинствами знаменитого сканера Topaz, были внедрены новые технологии Direct Capture Technology (DCT) с оптической системой xyVariLens и вертикальным расположением камеры (рис2.5 а,б).

Идея технологии DCT состоит в позиционировании массива ПЗС-линеек не-посредственно под оригиналом, что позволяет исключить применение зеркал и других оптических устройств, изменяющих направление светового луча.

Основой оптической системы xyVariLens является оптическая система VariLens сканера Topaz, где она обеспечивала глубину резкости 20 мм. Теперь же VariLens получила возможность перемещаться в координатном пространстве ху, что на практике означает сканирование с максимально высоким разрешением в каждой точке.

Рис. 2.4 а,б

Heidelberg Nexscan F4100

Монтаж отражающих и прозрачных оригиналов в сканерах семейства NexScan осуществляется с помощью взаимозаменяемых столов, а последовательность выполнения сканирования и .монтажа организована таким образом, что практически исключаются простои сканера. Конструкция стола позволяет оригиналы на отражение, на пропускание, а также цветоделенные растрированные фотоформы.

Управление сканерами этого семейства, как и других моделей, осуществляется с компьютера Power Macintosh посредством программы LinoColor.

Постепенный переход к технологии Computer-to-Plate предполагает наличие у сканеров способности оцифровывать цветоделенные растрированные фотоформы. Модель NexScan F4100 сканирует фотоформы в режиме CopyDot с помощью дополнительной линейки с 12000 ПЗС-элементами. Три же основные линейки содержат по 8000 ПЗС-элементов и позволяют получать оптическое разрешение 5080x5080 dpi.

Программный модуль CopixAssistant, который входит в состав программного обеспечения LinoColor, автоматически определяет разрешение растра, угол поворота и плотность. Модуль Register Assistant выполняет полуавтоматическую приводку цветоделенных пленок.

Для освещения оригинала используются две лампы с отражателем, который позволяет равномерно распределить освещение по всей площади сканирования.

Основные технические характеристики NEXSCAN F4100

Сканера Linotype-Hell Tango

Основные технические характеристики сканера «Tango»

Сканер «Tango» является вертикальным барабанным сканером. Фирма Linotype-Hell, знаменитая своими высококлассными устройствами для цветоделения и фотонабора, не имел до этого барабанного сканера среднего класса. Традиционные барабанные сканеры Chromabraph 53400 и S3900, ориентиро-ванные в первую очередь на репростудии не доступным среднему издательству. Современная разработка Linotype-Hell имеет необычную конструкцию: бара-банный сканер поставлен на голову! Получилось компактное устройство совре-менного дизайна идеально подходящее к офисной обстановке, занимающая ми-нимум места: 62x66 см при обтекаемых формах и высоте 1,5 м (216 м с поднятой крышкой). Вертикальный принцип конструкции позволил реализовать в TANGO повышенную скорость вращения барабана - 1800 об/мин., что намного выше, чем у лучших конкурентных моделей (1200 об./мин), а также повышенную прецизионность сканирования за счет снижения вибраций барабана. Мини-мальный Jitter (вибрации барабана) обеспечивается за счет специальной конст-рукции узла крепления барабана, работающего по принципу центрифуги раскручиваясь, фиксаторы барабана автоматически зажимают его в посадочном гнезде с увеличивающейся силой, обеспечивая идеальную центровку.

К основным техническим характеристикам причисляют: 3 фотоумножителя, максимальный формат сканирования 480x450 мм., максимальное разрешение сканирования 11000 dpi, оптический диапазон 3,9 D, максимальная оптическая плотность 4,2 D, глубина цвета 12 бит на цвет, масштабирование от 20 до 3000 %, толщина оригиналов до 2 мм, аппаратная система установки резкости, поддер-живаемые цветовые пространства CIE LAB и CMYK. К сканеру предлагается специально разработанное устройство для подготовки барабана - TANGO Mount, позволяющее с максимальным удобством и точностью занимается монтажом оригиналов на дополнительном барабане, пока идет сканирование основного, что повышает пропускную способность сканера.

Пример

Барабанные сканеры.

Heidelberg Primescan D 8400/ ScanView ScanMate 11000

Планшетные сканеры

Вывод

1)Преимущества плоских сканеров перед барабанными является возможность работы с негибкими оригиналами, некоторые модели позволяют сканировать достаточно толстые журналы и книги ,не разрезая их.

2)Преимущества барабанных сканеров перед плоскими - разрешение при сканировании, существенно больше чем у плоских.

3)Nexscan - планшетный сканер формата А3+, дальнейшее развитие самого популярного в мире профессионального планшетного сканера Topaz.

В отличие от своего предшественника сканер Nexscan содержит две новые передовые технологии - Direct Capture Technology и x-yVariLens оптическую систему.

Direct Capture Technology - технология прямого сканирования, при которой сканирующий элемент (CCD матрица) располагается непосредственно под сканируемым оригиналом. Таким образом, из оптического пути сканирования исключены зеркала и другие элементы, вносящие изрядную долю погрешности, особенно при сканировании с большим увеличением.

4) Сканер «Tango» является вертикальным барабанным сканером. Фирма Linotype-Hell, знаменитая своими высококлассными устройствами для цветоделения и фотонабора, не имел до этого барабанного сканера среднего класса. Традиционные барабанные сканеры Chromabraph 53400 и S3900, ориентированные в первую очередь на репростудии не доступным среднему издательству. Современная разработка Linotype-Hell имеет необычную конструкцию: барабанный сканер поставлен на голову! Получилось компактное устройство современного дизайна идеально подходящее к офисной обстановке, занимающая минимум места: 62x66 см при обтекаемых формах и высоте 1,5 м (216 м с поднятой крышкой). Вертикальный принцип конструкции позволил реализовать в TANGO повышенную скорость вращения барабана - 1800 об/мин., что намного выше, чем у лучших конкурентных моделей (1200 об./мин), а также повышенную прецизионность сканирования за счет снижения вибраций барабана. Минимальный Jitter (вибрации барабана) обеспечивается за счет специальной конструкции узла крепления барабана, работающего по принципу центрифуги раскручиваясь, фиксаторы барабана автоматически зажимают его в посадочном гнезде с увеличивающейся силой, обеспечивая идеальную центровку.

Список литературы

1) Самарин Ю. Н., Сапошников М. П., Синяк М.А. Допечатное оборудование. - М.: Издательство МГУП, 2000

2) http://www.rumesonline.ru/catalog/roentgen_diagnostics

3) https://ru.wikipedia.org/

Размещено на Allbest.ru