Пономаренко В.И., Лапшева Е.Е. Информатика. Технические средства

Подождите немного. Документ загружается.

Лекция 15. Устройство и работа сканера

201

меняются для сканирования книг или легко повреждающихся докумен-

тов. При сканировании нет контакта со сканируемым объектом (как

в планшетных сканерах). Барабанные сканеры применяются в полигра-

фии, имеют большое разрешение (около 10 тыс. точек на дюйм). Ори-

гинал располагается на внутренней или внешней стенке прозрачного

цилиндра (барабана). Слайд-сканеры – как ясно из названия, служат для

сканирования пленочных слайдов, выпускают

ся как самостоятельные

устройства, так и в виде дополнительных модулей к обычным скане-

рам. Сканеры штрих-кода – небольшие, компактные модели для скани-

рования штрих-кодов товаров.

3. По типу вводимого изображения сканеры делятся на черно-

белые и цветные. Первые модели сканеров воспринимали только чер-

ный и белый цвет. По мере развития электроники ск

анеры научились

получать картинки в градациях серого, а затем и в цветном режиме.

4. Аппаратный интерфейс связи с компьютером. Для связи с ком-

пьютером сканеры обычно используют стандартные интерфейсы, при-

меняемые в IBM PC-совместимых компьютерах (последовательный

и параллельный порты, интерфейс SCSI, интерфейс USB).

Программное обеспечение для сканирования

Для управления работой сканера (впрочем, как и иного устройства) не-

обходима соответствующая программа – драйвер. В этом случае управ-

ление идет не на уровне «железа» (портов ввода-вывода), а через фу

нк-

ции или точки входа драйвера. На первых порах каждый драйвер для

сканера имел свой собственный интерфейс. Это было достаточно не-

удобн

о, поскольку для каждой модели сканера требовалась своя при-

кладная программа. Логичнее было бы наоборот, если бы с одной при-

кладной программой могли работать несколько моделей сканеров. Это

стало возможным благодаря TWAIN –стандарту, согласно которому

осуществляется обмен данными между прикладной программой

и внешним устройством. TWAIN – это не аббревиатура, а просто назва-

ние интерфейса, посредство

м которого сканер «общается» с компьюте-

ром. Слово TWAIN было взято из «Баллады о Востоке и Западе»

Р. Киплинга: «...and never the twain shall meet...» (и двое никогда не

встретятся), отражая существовавшую в то время сложность взаимо-

действия компьютера и сканера. После частого написания названия

спецификации большими буквами сложилось предубеждение, что это

аббревиатура, и были предложены такие вариан

ты: Technology Without

An Interesting Name (технология без интересного имени) или Toolkit

Without Any Important Name (средство без какого-либо важного имени).

Консорциум TWAIN был организован с участием представителей ком-

паний Aldus, Caere, Eastman Kodak, Hewlett Packard и Logitech. Основ-

ной целью создания TWAIN-спецификации было решение проблемы

совместимости, то есть легкого объединения различных устройств

Информатика. Технические средства

202

ввода с любым программным обеспечением. Благодаря использованию

TWAIN-интерфейса можно вводить изображение одновременно с рабо-

той в прикладной программе, поддерживающей TWAIN, например

CorelDraw, Picture Publisher, PhotoFinish. Таким образом, любая TWAIN-

совместимая программа будет работать с TWAIN-совместимым сканером.

Основные прин

ципы работы сканера

Принцип работы планшетного (наиболее распространенного) сканера

состоит в следующем. Сканирование выполняется при помощи свето-

вого луча. Источник света перемещается вдоль оригинала, освещая

изображение. Примерная схема сканирования представлена на рис. 15.1.

Рис. 15.1. Схема сканирования непрозрачного оригинала

в планшетном сканере

Оригинал располагается на прозрачном неподвижном стекле,

вдоль которого передвигается сканирующая каретка с источником све-

та (если сканируется прозрачный оригинал, используется так называе-

мый слайд-модуль – крышка, в которой находится вторая лампа). Оп-

тическая система сканера (состоит из объектива и зеркал или призмы)

проецирует световой поток от сканируемого оригинала на приемный

элемент, осуществляющий разделение информации о цветах, – три па-

раллельных линейки из равного числа отдельных светочувствительных

элементо

в, принимающие информацию о содержании «своих» цветов.

Приемный элемент преобразует уровень освещенности в уровень на-

пряжения. Далее аналоговый сигнал поступает на аналого-цифровой

преобразователь (АЦП), где он преобразуется в понятный для компью-

тера цифровой формат, и через контроллер ск

анера – в компьютер.

В компьютере происходит программная обработка в драйвере сканера

(TWAIN-модуль), после чего изображение может быть передано в при-

кладную программу.

Лекция 15. Устройство и работа сканера

203

Основной частью сканера является светочувствительная матрица.

Большинство современных сканеров для дома и офиса базируются на

матрицах двух типов: на CCD (Charge Coupled Device, в пер. с англ. –

ПЗС (приборы с зарядовой связью)) или на CIS (Contact Image Sensor).

CIS-матрица состоит из светодиодной линейки, которая освещает

поверхность сканируемого оригинала, микролинз и непосредственно

самих сенсоров (фотодиодов или фототранзисторов). Конструкция мат-

рицы очень компактна, та

ким образом, сканер, в котором используется

контактный сенсор, всегда будет намного тоньше своего CCD-собрата.

К тому же, такие аппараты славятся низким энергопотреблением; они

практически нечувствительны к механическим воздействиям. Однако

CIS-сканеры несколько ограничены в применении: аппараты, как пра-

вило, не приспособлены к работе со слайд-модулями и автоподатчика-

ми документов. Из-за особенностей технологи

и CIS-матрица обладает

сравнительно небольшой глубиной резкости. Для сравнения, у CCD-

сканеров глубина резкости составляет ±30 мм, у CIS ±3 мм. У сканера

с CCD-матрицей в конструкции предусмотрена система зеркал и фоку-

сирующая линза. В свою очередь, именно достаточно громоздкая опти-

ческая система и не позволяет CCD-сканеру достичь столь же ко

мпакт-

ных размеров, как у CIS-собрата. Однако, с другой стороны, именно

оптика обеспечивает очевидный выигрыш в качестве.

Тем не менее CIS-технология также стремительно развивается.

Сканеры с CIS-матрицей нашли свое применение там, где требуется

оцифровывать не книги, а листовые оригиналы. Эти сканеры могут це-

ликом получать питание по шине USB и не нуждаются в дополнитель-

ном исто

чнике питания, что выгодно отличает его от более мощных

и тяжелых сканеров с CCD-матрицей. Такие преимущества позволяют

смириться с рядом недостатков контактного сенсора.

Физика приборов с зарядовой связью

Приборы с за

рядовой связью (ПЗС) представляют собой систему взаи-

модействующих МДП-элементов, расположенных на общей полупро-

водниковой подложке. Взаимодействие обеспечивается не за счет со-

единительных проводов, а за счет малого расстояния между отдельны-

ми элементами.

На рис. 15.2, а схематично представлена структура прибора с заря-

довой связью. В пр

остейшей форме он представляет собой набор МДП-

конденсаторов с единой подложкой. По аналогии с МДП-

транзисторами металлические электроды называют затворами. На ри-

сунке показан ПЗС с полупроводником, легированным примесями n-типа.

Это означает, что электроны являются основными носителями, дырки –

неосновными. Если к металлическим электродам приложить отрица-

тельное напряжение U, то под затворами обра

зуются обедненные

Информатика. Технические средства

204

электронами слои, глубина l которых зависит от величины этого на-

пряжения

εε

где

– диэлектрическая проницаемость диэлектрика;

– концентра-

ция ионизованных доноров.

Рис. 15.2

а – структура ПЗС: металлические (возможно, прозрачные) электроды,

напыленные на окись кремния (изолятор) на поверхности легированного

полупроводника; б – режим покоя; в – режим хранения; г – режим записи

Поскольку расстояние между МДП-элементами небольшое, то их

обедненные слои сливаются в единый слой. Если ко всем затворам при-

ложено одинаковое отрицательное напряжение U, то обедненный слой

вдоль всей поверхности имеет одну и ту же глубину (рис. 15.2, б). При

попадании света в полупроводнике образуются электронно-дырочные

пары, и дырки попадают в о

бедненный слой. Если же к какому-либо за-

твору, например, второму, приложено более отрицательное (большее по

абсолютному значению) напряжение |U

| > |U

|, то под ним возникает

более глубокий обедненный слой (рис. 15.2, в). При этом геометриче-

скому изменению обедненного слоя соответствует изменение потенци-

ального рельефа под затворами: в области увеличения обедненного

слоя будет минимальное значение потенциала, т. е. возникает потенци-

альная яма для свободных дырок (по абсолютному значению макси-

мальное значение потенциала).

Так как |U

| > |U

|, то на границах затвора 2 с затворами 1 и 3 элек-

трические поля E

и E

препятствуют выходу положительных дырок

из-под затвора 2 (рис. 15.2, в). Дырки, которые там оказались (или из-за

инжектирования извне, или за счет освещения), попадают в потенци-

Лекция 15. Устройство и работа сканера

205

альную яму под затвором 2, и они могут находиться в этой области про-

должительное время. Время их нахождения в потенциальной яме опре-

деляется не только тормозящими полями на ее границе, но и отсутстви-

ем свободных электронов, с которыми дырки могли бы рекомбиниро-

вать. Это состояние в ПЗС называется режимом хранения, а напряже-

ние U

– напряжением хранения. Очевидно, что общий положительный

заряд под затвором задается напряжением на затворе, поэтому инжек-

ция дырок должна приводить к уменьшению ионизованных доноров

в обедненном слое, т. е. к уменьшению глубины этого слоя. В этом слу-

чае тормозящие поля исчезнут и инжектированные дырки равномерно

распределяться вдоль поверхности.

Максимальный заряд дырок под затвором равен

затв

SCUUQ

012max

)(

−

где

.затв

– площадь затвора, С

– удельная емкость диэлектрика,

/ d

(d – толщина диэлектрика).

Положительный пакет, хранящийся под затвором, на нашем ри-

сунке под вторым, можно переместить под соседний затвор. Для реали-

зации этого процесса перемещения дырок приложим к затвору 3 отри-

цательное напряжение –U

, большее по абсолютному значению, чем

напряжение –U

на втором затворе (рис. 15.2, г). Тогда на границе вто-

рого и третьего затворов возникнет электрическое поле, способствую-

щее движению дырок к третьему затвору. Положительный пакет пере-

местится под третий затвор и здесь останется, поскольку следующий,

четвертый, затвор находится под напряжением |U

| < |U

|, и на границе

третьего и четвертого затворов будет действовать тормозящее для ды-

рок электрическое поле. Процесс перевода зарядового пакета от одного

затвора к другому называют режимом записи информации, или режи-

мом переноса, а напряжение U

, обеспечивающее этот перевод, – на-

пряжением записи.

Трехтактный регистр сдвига на ПЗС

Наиболее наглядно работу ПЗС мож

но рассмотреть на примере трех-

тактного сдвигового регистра, структура которого и схема его работы

представлены на рис. 15.3. На этом же рисунке показан и один из спо-

собов ввода и вывода дырочного пакета с помощью p-n-переходов.

На рис. 15.3, а на шину, соединенную с затворами 1, 4, 7,

10, пода-

ется отрицательное напряжение U

, на затворы 2, 5, 8, 11 – напряжение

, на затворы 3, 6, 9, 12 – напряжение U

. Под затворами 3, 6, 9, 12 на-

ходится самая глубокая потенциальная яма для дырок неосновных но-

сителей подложки из n-Si. Если в потенциальную яму под затвором 1

введен дырочный пакет, несущий какую-либо информацию, с помощью

инжекции через p-n-переход со стороны входа или освещением данного

участка, то дырки стекут в яму под затвором 3.

Информатика. Технические средства

206

Рис. 15.3. Структурная схема и распределение потенциалов в трехтактном

регистре сдвига в последовательные моменты времени (а – в).

После этого на шину, соединенную с затворами 1, 4, 7, 10, подает-

ся отрицательное напряжение U

, на затворы 2, 5, 8, 11 – напряжение

, на затворы 3, 6, 9, 12 – напряжение U

(см. рис. 15.3, б). Зарядовый

пакет перетекает под затвор 4. При следующем такте на шину, соеди-

ненную с затворами 1, 4, 7, 10, подается отрицательное напряжение U

на затворы 2, 5, 8, 11 – напряжение U

, на затворы 3, 6, 9, 12 – напряже-

ние U

(рис. 15.3, в). Пакет дырок переходит в потенциальную яму под

затвором 5. Для того чтобы заряд, инжектированный p-n-переходом,

прошел через всю структуру и оказался в области пространственного

заряда выходного p-n-перехода, где его можно подать на выходное уст-

ройство, необходимо на шины подавать тактовые импульсы напряже-

ния в такой последовательности:

 на нижнюю шину: U

, U

…

 на среднюю шину: U

, U

…

 на верхнюю шину: U

, U

…

Лекция 15. Устройство и работа сканера

207

Эти шины управляющих сигналов часто называют фазами и соот-

ветственно весь прибор – трехфазным ПЗС.

Видно, что при таком способе питания управляющих шин зарядо-

вые пакеты в приборе перемещаются вправо. Фазировкой управляющих

импульсов можно добиться перемещения информации влево. Время

передачи заряда от затвора к соседнему затвору определяется длиной

затвора L:

5.2

где Dр – коэффициент диффузии дырок. При длине затвора L = 20 мкм

время передачи составляет 0.2 мкс. Естественно, что время передачи

должно быть меньше времени существования потенциальных ям.

На практике для управления фазами Ф

, Ф

трехфазными ПЗС

используют последовательность импульсов трапецеидальной формы

с затянутыми фронтами (рис. 15.4).

Рис. 15.4. Временная диаграмма управляющих импульсов

трехфазного ПЗС

Со схемотехнической точки зрения создание такой управляющей

схемы не очень удобно. Более простые управляющие сигналы (правда,

за счет усложнения технологии изготовления) могут быть получены

в двухфазных ПЗС.

Двухтактный регистр сдвига на ПЗС

Такой регистр представ

ляет собой асимметричную конструкцию. Под

каждым электродом для обеспечения асимметричного распределения

поверхностного потенциала применен окисел различной толщины. По-

скольку напряжение на электроде одно по всей поверхности, поверхно-

стный потенциал под толстым окислом ниже, чем под тонким. Поэтому

на участках с толстым окислом образуется потенциальный барьер, ко-

торый не дает зар

яду, хранящемуся под тонким окислом, двигаться

в противоположном направлении. Качественно двухтактный регистр

сдвига на ПЗС представлен на рис. 15.5.

Информатика. Технические средства

208

Рис. 15.5. Двухтактный ПЗС со ступенчатым окислом

и соответствующая фазовая диаграмма

Технология изготовления двухфазного ПЗС дает возможность пе-

реносить информацию только в одном направлении. С другой стороны,

такой прибор может быть более компактным, чем трехфазный.

Формирователь сигналов из

ображения при сканировании

Приборы с зарядовой связью являются замечательным преобразовате-

лем освещенности в пропорциональный электрический сигнал. Как уже

было отмечено, они используются в большинстве сканеров, а также

в огромном числе фотокамер и видеокамер. В отличие от электроваку-

умных приборов (видиконов), которые до недавнего времени использо-

вались в качестве передающих трубок при телевизио

нном вещании

и в видеокамерах, ПЗС обладает рядом преимуществ – масса, габариты

и потребляемая мощность на порядок меньше, а прочность, надежность

и продолжительность безотказной работы значительно выше.

Рассмотрим, как можно применить эту светочувствительную ли-

нейку в планшетном сканере. Внешне CCD-матрица представляет со-

бой большую микросхему со стеклянным окошком. Именно сюда и фо-

кусируется отраженный от оригинала свет. Матр

ица не прекращает ра-

ботать все то время, пока сканирующая каретка, приводимая в движе-

ние шаговым электродвигателем, совершает путь от начала планшета

до его конца. За один шаг матрица целиком захватывает горизонталь-

ную линию планшета, которая называется линией растра. Если речь

идет о черно-белом сканировании, то происходит засветка единствен-

ной линейки через объектив, а затем передача информации в компью-

тер, ка

к это было показано на примере работы сдвиговых регистров на

ПЗС. По истечении времени, достаточного для обработки одной такой

линии, сканирующий блок перемещается на небольшой шаг, и наступает

очередь для сканирования следующей линии, и т. д. Если ск

анер дол-

жен проводить полноцветное сканирование, то CCD-матрицу делают

Лекция 15. Устройство и работа сканера

209

состоящей из трех линеек, каждая из которых снабжена своим фильт-

ром (красный, зеленый, голубой). Это позволяет получить цветовую

информацию о сканируемом объекте.

Параметры сканеров

Существу

ет множество параметров сканера, непосредственно завися-

щих от его целевого назначения. К ним относятся его технические ха-

рактеристики и возможности проставляемого программного обеспече-

ния. Перечислим основные параметры.

1. Разрешение. Характеризует величину самых мелких деталей

изображения, передаваемых при сканировании без искажений. Измеря-

ется обычно в dpi – числе отдельно видимых точек на дюйм изображе-

ния (dot per inch). Существу

ет несколько видов разрешения, указывае-

мого производителем сканеров.

Оптическое разрешение определяется плотностью элементов в ПЗС-

линейке и равно количеству элементов ПЗС-линейки, деленному на ее

ширину. Оно является самым важным параметром сканера, опреде-

ляющим детальность получаемых с его помощью изображений. В силу

этого не всегда приводится в рекламной информации производит

елем

или продавцом сканера, стремящимся завысить его реальные характе-

ристики. В массовых моделях сканеров обычно оно бывает равно 100–

600 dpi для ручных и листопротяжных сканеров и до 4800 dpi для

планшетных сканеров.

Механическое разрешение определяет точность позиционирования

каретки с ПЗС-линейкой при перемещении вдоль изображения. Механи-

ческое разрешение обычно в два раза больше опт

ического, что дает повод

изготовителю сканера вводить в заблуждение покупателя тем, что сканер

имеет «оптическое разрешение 1200×2400 dpi», хотя без интерполяции

на таком сканере можно сканировать только с разрешением 1200 dpi.

Интерполяционным называется разрешение, полученное путем

программного увеличения изображения. Оно не несет в себе абсолютно

никакой дополнительной информации об изображении по сравнению

с реальным разрешением, пр

ичем в специализированных пакетах опе-

рация масштабирования и интерполяции выполняется зачастую качест-

веннее, чем драйвером сканера.

2. Глубина цвета, или разрядность. Характеризует количество

бит, применяемых для хранения информации о цвете каждого пиксела.

Черно-белые сканеры имеют один разряд, монохромные, как правило,

8 разрядов, а цветные сканеры, как минимум, 24 разряда (по 8 бит на

хранение каждой из RGB-компонент цвета пиксела). Более сов

ершен-

ные сканеры могут иметь разрядность 30 или 36 (по 10 или 12 бит на

каждый канал). При этом их внутренняя разрядность может быть выше

внешней: «лишние» разряды используются для выполнения цветовой

коррекции изображения до передачи в компьютер, хотя такая практика

Информатика. Технические средства

210

в основном характерна для дешевых моделей. Профессиональные и по-

лупрофессиональные сканеры имеют и внешнюю разрядность 30 или

36 бит (а некоторые модели и до 48 бит).

3. Диапазон оптических плотностей. Это динамический диапа-

зон сканера, который во многом определяется его разрядностью. Этот

показатель применим к прозрачным оригиналам (негативная фотоплен-

ка, слайды) и отражает меру непрозрачности слоя вещества для свето-

вых лучей, то ест

ь характеризует ослабление оптического излучения

при прохождении через слой вещества. Вычисляется по формуле:

(

)

IID

где I

– интенсивность излучения, падающего на поглощающую среду;

I – интенсивность прошедшего излучения. D = 0 соответствует полной

прозрачности, когда I

= I. Верхняя граница регистрируемых оптиче-

ских плотностей зависит от разрядности: у 36-битного сканера он не

превышает 3.6; у 30-битного 3.0.

Этот показатель можно также применять и к непрозрачным ориги-

налам, при этом принимается во внимание не прошедший поток света,

а отраженный.

4. Размер области сканирования. Для бытовых планшетных ска-

неров наиболее распространены форматы A4 и (существ

енно реже) A3,

для рулонных сканеров – A4, а для ручных сканеров область сканиро-

вания составляет обычно полосу шириной 11 см.

5. Интерфейс. Для подключения сканеров в настоящее время при-

меняют следующие интерфейсы.

Собственный (Proprietary) интерфейс разработчика сканера, приме-

нявшийся в ранних моделях планшетных и ручных сканеров. Как пра-

вило, представлял собой специализированную плату на шине ISA, для

работы которой требовался дра

йвер. После прекращения выпуска таких

сканеров прекращался и выпуск новых драйверов для них, что делало

невозможным использовать выпущенный в эпоху Windows 3.1 сканер

под Windows NT, OS/2 или Linux. В настоящее время не применяется.

С параллельным портом EPP (LPT, или ECP) выпускались самые

младшие модели в семействах планшетных сканеров различных произ-

водителей. Сканеры с таким интерфейсом им

еют, как правило, посред-

ственные характеристики и рассчитаны на выполнение несложных ра-

бот наподобие сканирования небольших фотографий или нескольких

страниц текста. Использование параллельного порта совместно с прин-

тером и дополнительными устройствами (например, Iomega Zip) часто

приводит к трудноразрешимым аппаратным конфликтам и несовмести-

мости. В настоящее время в силу того, что интерфейс LPT устарел, та-

кие ск

анеры не выпускаются.

Интерфейс SCSI является стандартом для подключения высокока-

чественных и высокопроизводительных устройств, обеспечивает меж-

платформенную совместимость сканера и его малую зависимость от