Сканеры: назначение, принципы работы

Сканер — это устройство компьютера, служит для анализа, считывания и переноса текстовой или графической информации в цифровой формат. Сам процесс передачи информации называется сканированием Информатика: Базовый курс / С. В. Симонович и др. СПб.: Изд-во «Питер», 2006. — С. 85. .

Основная функция сканеров — получение изображений различных материальных носителей (книг, журналов, фотокарточек, открыток, рисунков, слайдов и так далее) для последующей обработки, хранения и распространения в цифровом формате. Сканеры могут быть универсальными (то есть рассчитанными на работу с широким спектром разнотипных оригиналов) либо специализированными (например, слайд-сканеры для фотопленок).

Все многообразие сканируемых оригиналов подразделяется на две категории: прозрачные и непрозрачные. Сканирование непрозрачных оригиналов производится в отраженном свете. В этом случае свет от используемого источника падает под определенным углом на оригинал и, отразившись от него, воспринимается светочувствительным элементом.

Сканирование прозрачных оригиналов осуществляется в проходящем свете. Оригинал в этом случае располагается между источником света и светочувствительным элементом. Свет от источника проходит сквозь оригинал и затем воспринимается светочувствительным элементом.

Как правило, в универсальных сканерах, позволяющих работать и с прозрачными, и с непрозрачными оригиналами (независимо от их типа), используются два источника света, один из которых задействуется при сканировании в проходящем свете, а другой — при сканировании в отраженном свете.

Еще 10 лет назад было актуальным разделение сканеров на цветные и монохромные. В настоящее время практически все сканеры являются цветными.

Чтобы разделить световой сигнал, отраженный от оригинала (либо прошедший сквозь него), на три составляющие, соответствующие базовым цветам аддитивной модели (RGB), могут использоваться различные методы.

• 1. Светофильтры. Свет, излучаемый источником (например, лампой), отраженный от сканируемого объекта или прошедший сквозь него, проецируется на три линейки светочувствительных элементов, каждая из которых снабжена своим светофильтром — красным, зеленым и синим.
• 2. Несколько источников света или источник с чередующимся цветом. Сканируемый объект поочередно освещается тремя (или более) источниками света, и соответствующее количество раз считывается информация с одной и той же линейки светочувствительных элементов. Частным случаем является использование источника света, способного с большой частотой менять цвет излучаемого потока (например, массива светодиодов).
• 3. Призма. В этом случае для выделения цветовых компонентов из отраженного от оригинала света используется призма или аналогичное устройство, что позволяет одновременно считывать информацию с каждого из слоев. В современных моделях сканеров призма применяется очень редко.

Рис. 4. Принцип работы сканера Информационный портал «Персональный компьютер». Режим доступа:

URL: http: //dammlab.com/osnovi-pk/peref_ustr/skanery-i-princip-raboty-skanera.html .

Наиболее распространенным типом светочувствительных приборов, используемых в большинстве современных сканеров, является линейный массив элементов ПЗС (CCD) или КМОП (CMOS). Изображение в этом случае считывается построчно в процессе перемещения линейки светочувствительных элементов относительно оригинала, В цветных моделях обычно используются три линейки ПЗС-элементов, каждая из которых считывает образ одного из цветовых каналов RGB.

Иногда используется двухмерный массив (матрица) светочувствительных ПЗС — или КМОП-элементов. В этом случае сканирование всей площади оригинала производится одновременно — аналогично тому, как считывается кадр в цифровых фотоаппаратах.

В некоторых типах сканеров в качестве светочувствительного элемента применяется фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Считывание изображения посредством ФЭУ обычно производится попиксельно: последовательно вводятся пикселы одной строки изображения, затем — следующей строки и т. д. Такой метод накладывает определенные ограничения на максимальную скорость сканирования. Кроме того, изготовление ФЭУ обходится значительно дороже по сравнению с ПЗС. С другой стороны, ФЭУ обладает значительно более высокой чувствительностью (по сравнению с ПЗС) и позволяет создавать устройства, обладающие более широким динамическим диапазоном и гораздо меньшим уровнем цифрового шума.

Источник света, используемый в конструкции того или иного сканера, в немалой степени влияет на качество получаемого изображения. В настоящее время используется четыре типа источников света.

• 1. Ксеноновые газоразрядные лампы. Их отличает чрезвычайно малое время прогрева, высокая стабильность излучения, небольшие размеры и долгий срок службы. Но, с другой стороны, они не очень эффективны с точки зрения соотношения количества потребляемой энергии и интенсивности светового потока, имеют неидеальный спектр (что может вызвать нарушение точности цветопередачи) и требуют высокого напряжения питания (порядка 2 кВ).
• 2. Люминесцентные лампы с горячим катодом. Обладают наибольшей эффективностью, очень ровным спектром (которым к тому же можно управлять в определенных пределах) и малым временем прогрева (порядка 3−5 с). К недостаткам можно отнести не очень стабильные характеристики, довольно большие габариты, относительно небольшой срок службы (порядка 1000 ч) и необходимость держать лампу постоянно включенной в процессе работы сканера.
• 3. Люминесцентные лампы с холодным катодом. Имеют очень большой срок службы (от 5 до 10 тыс. ч), низкую рабочую температуру, ровный спектр (конструкция некоторых моделей ламп с холодным катодом оптимизирована для повышения интенсивности светового потока, что негативно сказывается на спектральных характеристиках). За перечисленные достоинства приходится расплачиваться довольно большим временем прогрева (от 30 с до нескольких минут) и более высоким, чем у ламп с горячим катодом, энергопотреблением. В настоящее время люминесцентные лампы с холодным катодом используются в подавляющем большинстве моделей планшетных сканеров и МФУ.
• 4. Светодиоды (LED). Применяются в ряде моделей протяжных, планшетных и слайд-сканеров. Светодиоды обладают очень малыми габаритами, небольшим энергопотреблением и не требуют времени для прогрева. Обычно используются трехцветные светодиоды, с большой частотой меняющие цвет излучаемого света. Однако светодиоды имеют довольно низкую (по сравнению с газоразрядными и люминесцентными лампами) интенсивность светового потока, что приводит к снижению скорости сканирования и увеличению уровня цифрового шума в получаемом изображении. Весьма неравномерный и ограниченный спектр излучения неизбежно влечет за собой ухудшение цветопередачи.

В настоящее время выпускается и используется несколько принципиально отличающихся друг от друга классов сканеров. К наиболее важным признакам, по которым можно судить о принадлежности сканера к тому или иному классу, относятся:

• 1. способ монтажа и подачи оригиналов в тракт устройства;
• 2. метод считывания изображения (попиксельный, построчный или постраничный);
• 3. тип используемых источников света и светочувствительных элементов;
• 4. спектр поддерживаемых носителей.

На основе перечисленных признаков можно выделить несколько основных классов сканирующих устройств (список приведен с учетом степени их популярности):

• 1. планшетные;
• 2. слайд-сканеры;
• 3. протяжные;
• 4. барабанные;
• 5. проекционные;
• 6. ручные.