Чем отличается конструкция пзс и кди сканеров

Чем отличается конструкция пзс и кди сканеров

Лекция №8 КДИ –сканеры

2.Особенности применения объективов и источников освещения.

3.Сравнительная характеристика ПЗС и КДИ сканеров.

4.Слайд-модули и слайд-сканеры.

1.Принцип действия КДИ сканера

На рис. 1 изображено устройство КДИ- сканеров.

Рис. 1. 1- сканирующая каретка; 2- источник освещения (светодиоды); 3- линзы; 4- КДИ- матрица.

КДИ-матрицы используются уже довольно долгое время в устройствах типа факса. Однако в сканерах их начали использовать совсем недавно. Первые серийные планшет­ные сканеры, основанные на этой технологии, были выпу­щены в 1998 году. Главной деталью КДИ-сканера, как и любого планшетного, является сканирующая головка. Ска­нирующая головка состоит:

— из источников света — светодиодов;

— цилиндрической линзы (набора линз);

— печатной платы, на которой находятся чувствительные элементы (датчики), видеоусилитель, регистры и буферы. Подробная схема устройства головки изображена на рис. 3.

Рис 3.Устройство сканирующей головки. 1- набор светодиодов; 2- линзы; 3- фотоэлементы; 4- регистр сдвига; 5- видеоусилитель; 6- выход (АЦП).

Излучение, идущее от светодиодов, отражается от оригина­ла и, пройдя через линзу, фокусируется на датчике изобра­жения. Датчик изображения — фототранзисторы, сделан­ные на основе МОП (аналогично ПЗС). В результате получается аналоговый сигнал, который усиливается в ви­деоусилителе и поступает на вход АЦП.

Датчик изображения обычно состоит не из одной, а из не­скольких линеек, последовательно соединенных в одну. Отсутствие оптической системы налагает свои ограничения на такую технологию. Если, например, полный датчик изоб­ражения длиной 216 мм (формат А4) состоит из 27 мень­ших датчиков, каждый из которых имеет 96 светочувствитель­ных элементов (одно из лучших значений), то в результате получится 12 элементов на миллиметр, что в пересчете на дюймы дает 300 элементов на дюйм.

Для сканирования полноцветного изображения используются три светодиода на один элемент датчика: красный, зеленый и синий, — которые при сканировании включаются по очереди.

В некоторых моделях сканеров встречаются головки, выполняющие полноцветное считывание за один раз. Достигается это за счет ис­пользования специальных светофильтров на интегрированных схе­мах. В качестве источника освещения в данном случае используются не светодиоды, а лампы с холодным катодом.

3.Особенности применения объективов и источников освещения

Источник освещения. В КДИ-модификациях сканеров источник освещения заме­няется светодиодами. При этом для цветного сканирования возникает необходимость в трех светодиодах на пиксел, в соответствии со стандартным разложением цвета RGB. Зер­кала и объектив в КДИ-сканерах не представлены, так как эта технология обеспечивает прямую проекцию полной повер­хности рабочей области прямо на считывающую матрицу.

Во многих профессиональных планшетных сканерах уста­новлен не один, а несколько объективов, что позволяет переключаться с одного на другой и таким образом зна­чительно повысить оптическое разрешение, хотя при этом уменьшается рабочая область. Реализована эта возмож­ность следующим образом: при сканировании полной ра­бочей области объектив проецирует ее полную ширину на полную длину ПЗС-линейки. Например, если при фокуси­ровке один дюйм проецируется на 600 элементов ПЗС-линейки, то разрешение будет 600 ppi. Если на те же 600 элементов с помощью другого объектива фокусировать полдюйма, то разрешение, соответственно, увеличится вдвое — до 1200 ppi. Такая конструкция дает возможность получать очень высокое оптическое разрешение, однако при максимальном разрешении рабочая область становится очень малой.

Например, модель ScanMate F8 Plus с разрешением 4000 ppi дает возможность сканировать оригинал, ширина которого не больше 54,9 мм. Для этой же модели разрешение на пол­ной рабочей области (279,4х430,8 мм) — 700 ppi.

Линза. В ПЗС- и КДИ-сканерах линза играет несколько раз­ные роли. В ПЗС-сканерах свет, идущий от оригинала, по­падает с помощью зеркал на линзу-объектив (или прямо на призму), которая проецирует ширину рабочей области скане­ра на ширину ПЗС-матрицы. При этом к качеству и точнос­ти настройки линзы объектива (или призмы) предъявляют­ся весьма высокие требования, особенно при проецировании краев рабочей области сканера.

В наиболее мощных моделях планшетных сканеров исполь­зуются два и более объективов, причем режимы их исполь­зования можно переключать. При этом помимо главного (то есть обычного) режима доступны усиленные режимы, когда один из дополнительных объективов проецирует на полную поверхность ПЗС-матрицы только часть полной рабочей поверхности сканера. Таким образом, для изобра­жения меньшего размера использовано такое же количе­ство точек (элементов) ПЗС-матрицы, как и для полного, то есть увеличивается качество сканирования (оптическое разрешение). В КДИ-сканерах может быть не одна линза, а много — по количеству элементов линейки фотоприемни­ка. Каждая из них играет роль маленького проектора, кото­рый фокусирует попадающий на него свет на соответству­ющий фотоэлемент.

Разберем для наглядности характеристики сканера класса SOHO (Small Office, Home Office) Agfa SnapScan 1212u.

ПЗС: цветная, 5100 элементов. Сканирование производится по технологии ПЗС (CCD), причем линейка ПЗС — цветная. Количество элементов — стандартное для сканера такого класса (для профессиональных сканеров сейчас — 8640 элементов).

Число проходов: 1 (трехпроходные сканеры сейчас практически отсутствуют на рынке).

Формат в отраженном свете: 216х297 мм (8,5х11,7″). Формат несколько больше А4 (210х297 мм). Форматы рабочей области сканеров могут варьироваться, но почти всегда они лежат близко к какому-либо стандартному фор­мату.

Оптический диапазон: 1,8D.Довольно низкий диапазон, но для домашнего использования вполне пригоден.

Глубина цвета: 36 бит. Здесь указана внутренняя разряд­ность. Внешняя почти всегда равна 24 битам для совмести­мости с программным обеспечением.

Интерфейс: USB. Сканер рассчитан на шину USB, а с ней необходимо соблюдать аккуратность, так как существу­ют USB-сканеры, не поддерживающие плату расшире­ния USB и работающие только с портом USB на главной плате.

Размеры: ширина 330 мм, высота 105 мм, глубина 450 мм. Вес: 4кг.

Лампа: cold cathode, автоматическое отключение. Лампа — с холодным катодом, после некоторого времени бездей­ствия отключается для экономии электроэнергии.

Готовность к работе: — Под готовностью сканера к ра­боте подразумевается время его «нагрева» после включе­ния. Данный сканер не требует времени для прогрева.

Температура: 10-40 °С; влажность: 20-85%. Характерис­тики окружающей среды, при которых сканер будет нор­мально работать. Если предполагается использовать ска­нер в каких-либо нестандартных условиях, на этот параметр следует обратить внимание.

Совместимость: Windows 98, MacOS withe iMac. На совме­стимость тоже необходимо обратить внимание, так как от нее строго зависят рамки совместимости. Например, драйве­ры сканера, работавшие под Windows 98, могут отказаться работать под Windows ME.

3. Сравнительная характеристика ПЗС и КДИ сканеров

В связи с быстрым развитием и широкой рекламой КДИ-технологии возникает вопрос: а так ли хороши эти сканеры? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим основные осо­бенности этой технологии и сравним характеристики.

Если сравнить основные характеристики, результат явно ока­зывается в пользу ПЗС-технологий. Однако и у КДИ-сканеров есть свои преимущества. Среди положительных сто­рон этих сканеров необходимо отметить следующие:

— Меньшие габариты. Сканеры, использующие техноло­гию КДИ, имеют меньшие размеры и вес, чем сканеры на основе ПЗС.

— Меньшая стоимость. Вместо объектива, зеркал, призмы и самого фотоэлемента в этих сканерах используется только КДИ-линейка, что позволяет значительно сни­зить стоимость сканеров такого типа.

— Меньшая потребляемая мощность. Это достигается за счет применения светодиодов вместо лампы с холодным катодом. Если для ПЗС-сканера нормальная потребляе­мая мощность 12 Вт, то для КДИ-сканера — 2,5 Вт.

— Равномерность качества. Для ПЗС-сканеров качество сканирования может существенно различаться в центре рабочей области и по краям. Этот эффект является следствием недостатков фокусировки оптической систе­мы и неизбежен для любых приборов, в которых исполь­зуется объектив (например, в обычных фотоаппаратах). В КДИ-сканерах качество сканирования абсолютно рав­номерно, так как оптическая система отсутствует.

— Работа в экстремальных условиях. КДИ-сканеры гораз­до менее чувствительны к внешним условиям. Напри­мер, некоторые модели сканеров могут работать, стоя на ребре (в таком случае для устойчивости им необхо­дима специальная подставка).

В основном положительные стороны КДИ-сканеров объяс­няются отсутствием оптической системы. Однако в целом они достаточно поверхностные, и большинство из них не связаны с качеством изображения. В этом отношении ПЗС-сканеры явно выигрывают в следующем.

— Лучшая глубина резкости. Глубина резкости КДИ-ска­неров ±0,3 мм, тогда как для сканеров с ПЗС она равна ±3 мм. Это означает, что трехмерные предметы, находя­щиеся на расстоянии 3 мм от общего уровня, будут нор­мально отсканированы ПЗС-сканером, а изображение, полученное КДИ-сканером, будет нерезким и размытым. На практике такими предметами зачастую являются раз­вернутые толстые книги.

— Дольше срок службы. Сканер на основе ПЗС обеспечи­вает стабильное и неизменное качество в течение 10 000 часов работы, тогда как у КДИ-сканеров после 500 ча­сов работы происходит падение яркости на величину до 30%.

— Лучшая чувствительность к оттенкам. ПЗС-сканеры различают уровни оттенков с погрешностью ±20%, в то время как КДИсканеры — ±40%. Соответственно, передача деталей у ПЗС-сканеров будет значительно лучше.

Меньшая чувствительность к посторонней засветке. Это преимущество связано с тем, что ПЗС-линейка невели­ка по длине, и благодаря системе зеркал «лишний» свет на нее не проецируется. В КДИ-сканерах линейка зна­чительно больше, оптическая система практически отсутствует, поэтому любое лишнее освещение сразу зна­чительно влияет на результат сканирования.

-Разрешение сканера. Максимальное разрешение профес­сиональных ПЗС-сканеров на данный момент — 3000 ppi, тогда как для КДИ-сканеров верхний предел — 690 ppi.

Большинство планшетных сканеров предназначено для ска­нирования непрозрачных оригиналов. Даже самые лучшие из таких сканеров сами по себе несмотря на высокие раз­решение и динамический диапазон не дадут приемлемого качества при сканировании прозрачных материалов (нега­тивов, слайдов). Конечно, существуют слайд-сканеры, но цена их намного выше, а возможность сканирования не­прозрачных оригиналов у них отсутствует. Поэтому и по­явилась необходимость в дополнении обычного планшет­ного сканера модулем для сканирования слайдов.

Сегодня большинство сканеров, которые заявляются как 30 битные, либо стандартно комплектуются слайд-моду­лями, либо имеют возможность установки этих модулей.

Существует несколько конструктивных решений слайд-модуля.

«Зеркало». Такой слайд-модуль — это просто зеркало, устанавливаемое с внутренней стороны крышки скане­ра. В данном варианте свет от лампы попадает на зерка­ло, после чего его принимает фотоэлемент. По качеству этот вид слайд-модулей значительно уступает остальным вариантам, однако и цена его невысока.

«Рассеивающее стекло». Эта конструкция выполнена в виде лампы, расположенной на внутренней стороне крышки сканера. По замыслу освещение, создаваемое лампой, должно быть равномерным по всей поверхнос­ти сканирования. Однако обычно этого достичь не уда­ется, поэтому область более или менее качественного сканирования не превышает 10х15 см. При сканирова­нии с таким модулем необходимо обратить внимание на равномерность освещения, так как слайд, отсканиро­ванный в этой области, будет иметь лучшее возможное при такой конструкции качество.

«Подвижная лампа». В этой конструкции модуля под­вижная лампа встраивается в верхнюю крышку скане­ра. Иногда крышка с лампой делается съемной. Лампа при сканировании движется параллельно считывающей головке сканера, поэтому головка считывает свет, про­шедший через слайд, а не отраженный. Такая конструк­ция дает самое лучшее качество, поскольку освещение получается реально равномерным. С помощью этого модуля можно сканировать даже сильно затемненные слайды, увеличив яркость лампы.

Для любого варианта конструкции слайд-модуля качество сканирования все же сильно зависит от сканера. Минималь­ная глубина цвета для работы с прозрачными оригинала­ми — 30 бит, оптическая плотность должна быть не ниже 3,OD, а оптическое разрешение — как минимум 600 ppi. Очень важен также вопрос совместимости слайд-модуля и сканера. Нет никакого стандарта для слайд-модулей, поэтому большинство производителей сканеров поставляют слайд модули либо в комплекте сканера, либо отдельно. Но и тут не всегда гарантирована полная совместимость, поэтому всегда надо обращать на это особое внимание.

Слайд-сканеры. Несмотря на то, что все преимущества на стороне цифровых камер, многие люди продолжают использовать обычные фо­тоаппараты. Соответственно, растет потребность в каче­ственном сканировании пленок и негативов. Сканирование таких оригиналов с помощью барабанных сканеров дает очень высокое качество, обычно не требуемое и потому неоправданно дорогое. Если же сканировать с помощью планшетного сканера со слайд-модулем, то качество может оказаться слишком низким. Поэтому и растет рынок слайд-сканеров, созданных для сканирования только прозрачных оригиналов.

Рис 35 миллемитровый слайд-сканер

По принципу действия обычный слайд-сканер практически аналогичен планшетному сканеру. Основным различием яв­ляется то, что у слайд-сканеров осветитель и фотоприем­ник находятся по разные стороны от сканируемого ори­гинала. Это и дает возможность сканировать прозрачные изображения.

Главной проблемой при сканировании слайдов и пленок является их широкий диапазон оптических плотностей — 2,9-4,0. Соответственно, для такого типа сканеров качество ПЗС-матрицы должно быть значительно выше, чем для планшетных сканеров среднего класса. Поэтому минималь­ный динамический диапазон слайд-сканеров — от 3,OD и выше, а для хороших слайд-сканеров — от 3,4D и выше. Это значение — минимальное, при котором результат ска­нирования негатива будет качественным. Для достижения такого широкого диапазона необходима внутренняя разряд­ность как минимум в 30 бит, а для сканеров классом выше — 36 бит, а иногда и 48. Это обеспечивает более эффективное отсечение шумов, возникающих как на АЦП, так и прямо на ПЗС-матрице. Важную роль играет и малый размер пле­нок: для получения приличного качества необходимо вы­сокое оптическое разрешение. Для слайд-сканера среднего класса нормальным является разрешение 2000 ppi. Однако, если есть необходимость вывести результат сканирования 35-миллиметровой пленки, например, на формат А4, то тако­го разрешения не хватит — необходимо, как минимум, 2500 ppi. При этом существуют такие слайд-сканеры, которые (аналогично планшетным со сменными объективами) могут обеспечить максимальное разрешение только на пленках 35 мм, а для оригиналов больших размеров — снижают его.

Самые дешевые слайд-сканеры обычно предназначены толь­ко для сканирования фотопленок, более профессиональные модели комплектуются наборами рамок разного формата. Иногда в комплект включаются планшеты на несколько оригиналов или даже устройство автоматической подачи слайдов.

Аналогично барабанным сканерам в высококачественных моделях слайд-сканеров используются DSP.

Репетиторство

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

Источник

Сборник методических указаний для студентов по выполнению практических работ (стр. 10 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

эксплуатировать и обслуживать средства вычислительной техники;

основные периферийные устройства и их работу.

Краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме практической работы

Оригинал в планшетном сканере неподвижно лежит на стекле, а считывание в большинстве случаев происходит в отраженном от него свете. Высокие скоростные характеристики достигаются за счет того, что фотоприемником в планшетных сканерах является не единичный фотоэлемент, а считывающая линейка фотоэлементов.

Рисунок 12.1 – Конструкция планшетного сканера

На рисунке 12.1 цифрами обозначены следующие узлы планшетного сканера: 1 – оригинал; 2 – стекло; 3 – источник света; 4 – система зеркал; 5 – линза; 6 – линейка фотоэлементов; 7 – АЦП.

Полоса света, испускаемая источником освещения, попадает на оригинал, растянутый на стекле. Отразившись, свет попадает на первое зеркало из системы зеркал. Зеркала расположены таким образом, чтобы отраженный свет попадал на собирающую линзу. Линза проецирует свет на линейку фотоэлементов (с увеличением). Свет, попавший на эту линейку, трансформируется в электрический аналоговый сигнал, который далее поступает в АЦП. В некоторых сканерах между фотоприемником и АЦП находятся промежуточные ступени, работающие с аналоговым сигналом. Эти ступени предназначены для аппаратного исправления погрешностей сканирования и, иногда, самого изображения. В результате на выход, то есть в компьютер (после АЦП), идет полоска изображения исходного оригинала.

Описанная выше процедура сканирования охватывает только одну строку изображения. Поэтому для полного сканирования и используется головка. После того как отсканированная строка пикселей попадет в компьютер, каретка сдвигается на один шаг. Длина этого шага фиксирована и от нее зависит механическое разрешение сканера. Затем вся процедура повторяется до тех пор, пока заданная область не будет считана полностью.

— ПЗС-матрицы (прибор с зарядовой связью, в английских обозначениях – CCD, Couple-Charged Device);

— КДИ-матрицы (контактный датчик изображения, в английских обозначениях – CIS, Contact Image Sensor).

В ПЗС-сканерах используется один источник освещения. Свет, идущий от оригинала, попадает с помощью зеркал на линзу-объектив, которая проецирует ширину рабочей области сканера на ширину ПЗС-матрицы. При этом к качеству и точности настройки линзы объектива предъявляются весьма высокие требования, особенно при проецировании краев рабочей области сканера.

Преимущества ПЗС следующие:

— широкий спектральный диапазон. ПЗС может реагировать на свет, начиная от гамма- и рентгеновского излучения и заканчивая инфракрасным излучением;

— лучшая глубина резкости. Глубина резкости КДИ-сканеров ±0,3 мм, для сканеров с ПЗС ±3 мм. Это означает, что трехмерные предметы, находящиеся на расстоянии 3 мм от общего уровня, будут нормально отсканированы ПЗС-сканером, а изображение, полученное КДИ-сканером, будет нерезким и размытым;

— меньшая чувствительность к посторонней засветке. Это преимущество связано с тем, что ПЗС-линейка невелика по длине, и благодаря системе зеркал «лишний» свет на нее не проецируется. В КДИ-сканерах линейка значительно больше, оптическая система практически отсутствует, поэтому любое лишнее освещение сразу значительно влияет на результат сканирования.

Главными недостатками ПЗС являются:

— шумы. Одни виды шумов зависят от температуры, поэтому для высококачественных ПЗС иногда применяется охлаждение. Другие виды шумов зависят от качества сборки ПЗС. Но есть и шумы, которые нет возможности отфильтровать даже в самых качественных приборах. Например, таким шумом является фотонный шум. Этот шум – следствие природы света и не зависит от светоприемника. Все эти шумы вносят соответствующие искажения в результат сканирования;

— растекание заряда. Этот эффект возникает в результате того, что заряд, накопленный элементом ПЗС, линейно меняется в зависимости от попавшего на него света. Соответственно, есть некоторый предел, ограничивающий этот заряд. Если за время освещения суммарное количество фотонов (частиц света) превысит предельное значение, то заряд начнет «перетекать» в соседние пиксели. На получившемся изображении это выглядит как расплывчатость слишком ярких деталей изображения.

В КДИ-сканерах источник освещения заменяется светодиодами. При этом для цветного сканирования возникает необходимость в трех светодиодах на пиксель, в соответствии со стандартным разложением цвета RGB. Зеркала и объектив в КДИ-сканерах не представлены, так как эта технология обеспечивает прямую проекцию полной поверхности рабочей области прямо на считывающую матрицу. В КДИ-сканерах используется не одна линза, а много – по количеству элементов линейки фото-приемника. Каждая из них фокусирует попадающий на нее свет на соответствующий фотоэлемент.

— меньшая стоимость. Вместо объектива, зеркал, призмы и самого фотоэлемента в этих сканерах используется только КДИ-линейка, что позволяет значительно снизить стоимость сканеров такого типа;

— меньшая потребляемая мощность. Это достигается за счет применения светодиодов вместо лампы с холодным катодом;

— равномерность качества. Для ПЗС-сканеров качество сканирования может существенно различаться в центре рабочей области и по краям. Этот эффект является следствием недостатков фокусировки оптической системы. В КДИ-сканерах качество сканирования абсолютно равномерно, так как оптическая система отсутствует.

— работа в экстремальных условиях. КДИ-сканеры гораздо менее чувствительны к внешним условиям. Например, некоторые модели сканеров могут работать, стоя на ребре (в таком случае для устойчивости им необходима специальная подставка).

В основном положительные стороны КДИ-сканеров объясняются отсутствием оптической системы. Однако в целом они достаточно поверхностные, и большинство из них не связаны с качеством изображения.

Задание для практической работы

1 Схематично зарисовать устройство планшетного сканера и составить таблицу с наименованиями и назначением его основных узлов.

2 Составить таблицу для сравнения ПЗС и КДИ-матриц. Сравнение провести по следующим критериям: чувствительность, глубина резкости, чувствительность к оттенкам, чувствительность к посторонней засветке, разрешение, габариты, потребляемая мощность, равномерность качества, чувствительность к условиям работы.

3 Составить правила эксплуатации ПЗС и КДИ-сканеров, основываясь на особенностях их конструкции.

1 В чем отличие конструкции планшетных сканеров от других видов?

2 Какие характеристики сканера зависят от фотопринимающей матрицы?

3 Чем отличается конструкция ПЗС и КДИ-сканеров?

4 Какой из видов сканеров, ПЗС или КДИ, обладает лучшим качеством сканирования?

Практическое занятие № 13

«Изучение новейших видов сканеров»

Цель работы: изучить особенности конструкции планетарных сканеров.

эксплуатировать и обслуживать средства вычислительной техники;

основные периферийные устройства и их работу.

Краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме практической работы

Планетарный сканер – разновидность сканера изображений, использующаяся для бесконтактного сканирования книг и сброшюрованных документов. Планетарные сканеры широко используются для оцифровки оригиналов, требующих деликатного обращения (ветхих, исторических документов). Часто используется название «книжный сканер».

Основным элементом планетарного сканера является сканирующая головка, расположенная на высоте нескольких десятков сантиметров над сканируемым объектом.

Рисунок 13.1 – Устройство планетарного сканера

Книга, или другой объект, располагается на платформе (1), сканируемой поверхностью вверх. Источники света (2) расположены так, чтобы исключить затененные области. Для уменьшения геометрических искажений используется прижимное стекло (3). Сканирующая головка (4) закреплена на колонне над поверхностью сканирования.

Сканирующая головка может быть устроена по принципу сканирующей линейки и позволяет осуществлять сканирование посредством «просмотра» документа от одного края до другого. Также головки могут оснащаться матрицами, устроенными по принципу матрицы цифрового фотоаппарата. Такие устройства осуществляют сканирование за одно раскрытие затвора, что значительно ускоряет процесс.

Многие модели сканеров оснащаются книжной колыбелью, которая предназначена для выравнивания высоты страниц сканируемого документа. Для сканирования книг или сшитых документов с ограниченным углом раскрытия существуют V-образные книжные колыбели. Стоит отметить, что некоторые производители оснащают сканеры с V-образной колыбелью двумя сканирующими головками, расположенными симметрично и с таким наклоном к вертикальной оси, что каждая головка сканирует только одну страницу книги.

Недостатками таких сканеров являются довольно большие габариты и высокая стоимость.

Задание для практической работы

1 Схематично зарисовать устройство планетарного сканера и подписать названия и назначение основных узлов.

Источник