45. Фотодатчики, применяемые в сканерах (фэу и пзс).
В современных сканерах применяются в основном фотоприемники двух типов: фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и приборы с зарядовой связью (ПЗС). Иногда применяются фотодиоды (ФД).
Фотоэлектронные умножители в качестве светочувствительных приборов используются в барабанных сканерах (рис. 5). ФЭУ усиливают свет ксеноновой или вольфрамовогалогенной лампы, промодулированный изображением, который с помощью конденсорных линз или волоконной оптики фокусируется на чрезвычайно малой области оригинала. Фототок, возникающий в фотоэлементе под воздействием света, прямо пропорционален интенсивности падающего на него светового потока. Особенность ФЭУ как фотоприемника заключается в том, что благодаря системе динодов коэффициент пропорциональности удается увеличить в миллионы раз (до восьми порядков). Спектральный диапазон ФЭУ для полиграфических целей также безупречен, поскольку он полностью перекрывает видимый спектр световых волн.
Датчик на основе ПЗС состоит из множества крошечных светочувствительных элементов, которые формируют электрический заряд, пропорциональный интенсивности падающего на них света. В основу работы ПЗС положена зависимость проводимости pnперехода полупроводникового диода от степени его освещенности.
В одной линейке ПЗС может быть от нескольких сотен до нескольких тысяч фоточувствительных ячеек. Размер элементарной ячейки ПЗС является критичным параметром, так как от него зависит не только разрешающая способность сканера, но и максимальная величина удерживаемого заряда, а следовательно, и динамический диапазон устройства. Увеличение разрешающей способности сканера приводит к сужению его динамического диапазона. Хотя и считается, что спектральный диапазон ПЗС может перекрывать весь видимый спектр, но, как и у большинства полупроводниковых фотоприемников, синяя область спектра для них труднодоступна, а наибольшая чувствительность наблюдается ближе к красной области.
ПЗС используют в основном в планшетных (рис. 6) и проекционных сканерах, а также в цифровых фотоаппаратах. В последних двух случаях используются как линейные, так и матричные ПЗС.
46. Характеристики сканеров.
Фотодатчики, применяемые в сканерах
Фотоэлектронный умножитель изобретен советским инженером Л.А. Кубецким в 1930 г. ФЭУ, представляет электровакуумный прибор, внутри которого расположены электроды — катод, анод и диноды. Световой поток от объекта сканирования вызывает эмиссию электронов из катода. В соответствии с законом фотоэффекта фототок эмиссии прямо пропорционален интенсивности падающего на него светового потока. Вылетающие из катода электроны под действием разности потенциалов между катодом и ближайшим к нему электродом — динодом притягиваются к последнему и выбивают с его поверхности вторичные электроны, число которых многократно превышает первичный электронный поток с катода. Это обеспечивается благодаря тому, что диноды выполнены из материалов, имеющих высокий коэффициент вторичной эмиссии, а между ними приложены потенциалы, обеспечивающие усиление вторичной эмиссии. В результате через сопротивление нагрузки в анодной цепи ФЭУ протекает усиленный ток. Коэффициент усиления фототока в ФЭУ достигает 108. Такое усиление достигается за счет подачи на ФЭУ напряжения от высоковольтного источника (в зависимости от количества динодов — от 500 до 1500 В), причем потенциалы распределяются между электродами равномерно с помощью делителя напряжения. ФЭУ обладает высокой чувствительностью (1 А/лм), а его спектральный диапазон, определяемый областью длин волн регистрируемого излучения, соответствует задачам сканирования, поскольку перекрывает видимый спектр световых волн.
Прибор с зарядовой связью — это твердотельный электронный фотоприемник, состоящий из множества миниатюрных фоточувствительных элементов, которые формируют электрический заряд, пропорциональный интенсивности падающего на них света, и конструктивно выполняются в виде матриц или линеек.
Работу ПЗС впервые продемонстрировали В. Бойл и Дж. Смит в 1970 г. Принцип действия ПЗС основан на зависимости проводимости р-n-перехода полупроводникового диода от его освещенности. Устройство и принцип действия ПЗС — линейки показаны на рис. ПЗС представляет собой полупроводниковый кристалл (как правило, кремний), на поверхность которого нанесена прозрачная оксидная пленка, выполняющая функцию диэлектрика в микроскопических конденсаторах. Одной из обкладок такого конденсатора является поверхность самого кристалла, а другой — нанесенные на диэлектрик металлизированные электроды толщиной не более 0,6 мкм.
К электродам в определенной последовательности подается низкое напряжение (5-10 В). Это приводит к тому, что под электродами образуются так называемые потенциальные ямы в виде скоплений электронов. Под воздействием света в результате внутреннего фотоэффекта появляются свободные электроны. Количество электронов, скапливающихся под чувствительной площадкой каждого электрода, пропорционально интенсивности светового потока, падающего на чувствительную площадку данного электрода. Электроны образуют зарядовый пакет. Если ПЗС выполнен в виде линейки, зарядовые пакеты передаются из одной ‘ потенциальной ямы в соседнюю, достигая последней ячейки, откуда поступают на предварительный усилитель. ПЗС — линейка может содержать до нескольких тысяч фоточувствительных ячеек. Размер элементарной ячейки ПЗС определяет разрешающую способность сканера. Область спектральной чувствительности ПЗС расположена в видимой части спектра, причем наибольшая чувствительность наблюдается ближе к красной области.
В зависимости от способа перемещения фоточувствительного элемента сканера и носителя изображения относительно друг друга сканеры подразделяются на две основных группы — настольные Desktop) и ручные Hand—held).
Планшетные сканеры, или сканеры плоскостного типа, используются для ввода графики и текста с носителей формата А4 или A3.
На рис. показано устройство и механизм работы планшетного сканера. В планшетных сканерах оригинал располагается на его рабочей поверхности неподвижно. Освещение оригинала производится стабилизированным по интенсивности источником, в качестве которого используют лампы с холодным катодом или флуоресцентные лампы. В качестве фотоприемника обычно используются ПЗС — линейки. Лампа, ПЗС и оптическая система, направляющая на ПЗС световой поток, отраженный от оригинала, находятся на одной каретке и с помощью шагового механизма перемещаются вдоль оригинала. В основном все планшетные сканеры рассчитаны на получение копии с одного оригинала, однако к некоторым моделям сканеров прилагаются дополнительные приспособления для последовательной подачи и сканирования нескольких оригиналов.
При использовании в качестве оригиналов книг или сброшюрованных документов имеется возможность обеспечить их прижим к стеклянной поверхности сканера специальной крышкой на петлях.
Устройство и механизм работы планшетного сканера
К преимуществам планшетных сканеров следует отнести простоту использования, возможность сканирования как плоских оригиналов в широком диапазоне размеров, так и небольших трехмерных объектов. При необходимости сканирования оригиналов нестандартного большого формата имеется возможность сканирования по частям с последующим объединением с помощью какого-либо графического редактора.
Недостатками этого типа сканеров являются большая занимаемая площадь, сложность выравнивания оригинала с неровно размещенным на носителе изображением, невозможность сканирования прозрачных оригиналов.
Однако при этом планшетные сканеры — наиболее популярные устройства ввода текстовой и графической информации. Они обеспечивают необходимое качество изображений, используемых как в деловой корреспонденции, так и в высокохудожественных изданиях.
Роликовые сканерыосуществляют сканирование оригинала при его перемещении по специальным направляющим посредством роликового механизма подачи бумаги относительно неподвижных осветителя и ПЗС — линейки. Механизм работы роликового сканера показан на рис.
Механизм работы роликового сканера
Сканирование в роликовом сканере, как и в планшетном, производится в отраженном свете. Этот принцип заложен в конструкции многих факсимильных аппаратов.
Сканеры, работающие в двух режимах — сканирования изображения и ого факсимильной передачи, называют факс-сканерами (Fax Scanner).
В отдельных моделях роликовых сканеров имеется устройство для подачи листов, которое позволяет сканировать в автоматическом режиме.
Большинство роликовых сканеров офисного применения предназначены для работы с оригиналами формата А4. Однако существуют широкоформатные роликовые сканеры, обеспечивающие сканирование оригиналов форматов А1 и А0.
Преимущества роликовых сканеров определяются их компактностью, удобством подключения и пользования, автоматической подачей листов оригинала, удовлетворительной скоростью сканирования и низкой стоимостью. В то же время эти сканеры имеют ряд недостатков, связанных с невозможностью без специальных приспособлений осуществлять сканирование сброшюрованных документов, книг, а также с опасностью повреждения оригинала.
Барабанные сканерыпозволяют получать изображения прозрачных или отражающих оригиналов с высокой степенью детализации. Механизм работы барабанного сканера представлен на рис.
Прозрачный оригинал в барабанных сканерах закрепляется с помощью специальной ленты или масла на поверхности прозрачного цилиндра из органического стекла (барабана), который для обеспечения устойчивости укреплен на массивном основании. При вращении барабана с большой скоростью (от 300 до 1350 об/мин) фотоприемник считывает изображение с высокой точностью. В большинстве барабанных сканеров в качестве фотоприемника используется ФЭУ, который перемещается с помощью винтовой пары вдоль барабана. Для освещения оригинала применяется мощный стабилизированный по интенсивности излучения ксеноновый или
Механизм работы барабанного сканера
галогенный источник света. При сканировании отражающих оригиналов применяется источник света, расположенный вне барабана рядом с приемником излучения.
За счет высокой скорости вращения барабана имеется возможность фокусировать на оригинале достаточно мощный поток света без риска повреждения оригинала. В связи с этим отличительной особенностью барабанных сканеров является возможность сканировать с высоким разрешением оригиналы, имеющие высокую оптическую плотность (печатные издания, художественные работы, слайды, диапозитивы, негативные пленки), как в отраженном, так и в проходящем свете.
В отдельных моделях барабанных сканеров в качестве фотоприемника изображения используется набор ПЗС — линеек, неподвижно установленных на всю ширину барабана и построчно сканирующих оригинал в отраженном свете. В этих сканерах, как правило широкоформатных, барабан совершает только один оборот за все время сканирования. Сканеры, в которых реализована эта технология, выгодно отличаются от сканеров с ФЭУ, поскольку исключается необходимость решать проблему стабилизации конструктивных элементов, обусловленную высокой скоростью вращения барабана. Для гашения возникающих при этом вибраций при меняются специальные амортизаторы, увеличивающие массу сканера до 250 кг и более.
Барабанные сканеры позволяют сканировать прозрачные или отражающие оригиналы типа высокохудожественных работ в полиграфии и картографии. При этом автоматическая корректировка освещенности, настройка фокусного расстояния и высокая производительность достигаются за счет обработки изображения встроенным компьютером.
Значительные габариты, необходимость предварительной подготовки обслуживающего персонала и высокая стоимость барабанных сканеров обусловливают ограничение их области применения профессиональной полиграфией и картографией.
Проекционные сканерыработают по принципу фотографической камеры и конструктивно напоминают фотоувеличитель. Механизм работы проекционного сканера показан на рис. 6.8. Оригинал располагается на подставке под сканирующей головкой изображением вверх. Сканирующая головка, содержащая ПЗС-датчик и перемещающий его в фокальной плоскости линзы двигатель, закрепляется на вертикальном штативе и может перемещаться по стойке или по вертикальным направляющим. Перед началом сканирования камеру устанавливают в положение, соответствующее требуемому разрешению и размеру изображения. Точная настройка (фокусировка), определяющая разрешение сканирования, осуществляется специальной редуцирующей линзой. Обычно в проекционных сканерах внутренний источник освещения не используется. Освещение оригинала производится за счет естественного комнатного света. В некоторых моделях проекционных сканеров свет
Механизм работы проекционного сканера
через линзу освещает оригинал, а отраженный свет фиксируется ПЗС-матрицей. Такая конструкция сканера позволяет избежать влияния внешних засветок и получить высокое качество сканированных изображений.
Особенностью проекционных сканеров является возможность сканирования трехмерных объектов. При этом конструкция сканеров обеспечивает переменное разрешение сканирования: небольшие объекты можно сканировать с высоким разрешением; большие нестандартные объекты, изображения которых нельзя ввести с помощью других сканеров, также могут быть сканированы, хотя и с низким разрешением. Простота конструкции и удобство применения, невысокая стоимость и возможность комбинирования при сканировании плоских и небольших трехмерных объектов обусловливают достаточно широкое применение проекционных сканеров как средств ввода информации.
Ручные сканеры применяются для сканирования малоформатных оригиналов или фрагментов большого изображения. Перемещение окна сканирования относительно оригинала производится за счет мускульной силы человека. Устройство ручного сканера показано на рис. 6.9. В небольшом корпусе шириной обычно чуть более 10 см размещаются лишь датчик, линза и источник света. Ширина области сканирования в зависимости от модели устройства варьируется от 60 до 280 мм. Длина области сканирования ограничена лишь объемом доступной оперативной памяти компьютера. Устанавливаемая в компьютере карта интерфейса преобразует поступающую информацию в цифровую форму и передает ее для последующей обработки специальной программе. Принципы работы ручного и роликового сканеров во многом похожи.
Отличительной особенностью ручного сканера является то, что он использует источник питания компьютера, к которому подключен. Как правило, ручные сканеры подключаются к параллельному порту компьютера без каких-либо адаптеров. Низкая цена ручных сканеров обусловлена простотой их конструкции.
В некоторых моделях ручных сканеров предусматривается возможность сканирования больших изображений за несколько проходов, т. е. путем последовательного просмотра отдельных его областей.
Объединение областей сканирования производиться с помощью специального программного обеспечения, позволяющего упростить эту процедуру.
Устройство ручного сканера
Применение ручных сканеров как устройств ввода изображений объясняется их компактностью и дешевизной, хотя для профессиональной работы они обычно не используются. Однако применение ручных сканеров для сканирования текста не всегда оправдано, поскольку разработанные специально для ручных сканеров программы допускают довольно много ошибок при распознавании по сравнению со своими аналогами, созданными для других сканеров.
Многофункциональные сканеры— это комбинированные устройства, сочетающие в себе возможности сканеров различных типов, а также других технических средств информатизации, служащих для решения таких задач, как оптическое распознавание символов, архивирование, электронная почта и факсимильная связь.
В комбинированных устройствах all-in-one в одном корпусе обычно объединены роликовый сканер, лазерный или струйный принтер, факс-модем. Эти устройства можно использовать в качестве факсимильного аппарата, принтера, сканера, копировального аппарата и внешнего модема для доступа к сети по линиям телефонной связи. Такое интегрирование является оптимальным решением для SOHO (Small Office/Home Office -небольшой офис/домашний офис), поскольку позволяет освободить площадь и сэкономить на приобретении компонентов в комплексе, которые по отдельности стоят дороже. Основные недостатки таких комбинированных систем — невысокое качество и сравнительно высокая стоимость копирования страницы.
Вариант размещения оригиналов разных типов в многофункциональном сканере
В некоторых моделях планшетных сканеров фирмы Agfa реализована технология Twin Plate — новый способ размещения прозрачных и непрозрачных оригиналов в одном устройстве. Прозрачные и отражающие оригиналы располагаются в разных плоскостях, освещаются разными источниками, но регистрация производится одним и тем же приемником изображения.
Цветные сканеры
Современные сканеры в основном предназначены для сканирования цветных оригиналов, но имеют режимы сканирования черно-белых и полутоновых изображений.
Задача цветного сканера сводится к различению основных цветов: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue) — RGB. Для этого применяются различные технологии.
Например, в цветном сканере с одним источником света сканирование оригинала может осуществляться в три прохода с последовательным применением различных фильтров: красного (R), зеленого (G), синего (В), поочередно размещаемых между источником света и оригиналом. Сканируемое изображение освещается белым светом не непосредственно, а через вращающийся RGB-светофильтр. Для каждого из основных цветов последовательность операций практически не отличается от последовательности операций при сканировании полутонового изображения. Существенными недостатками данного метода являются увеличение времени сканирования в три раза и необходимость точного совмещения цветовых слоев, чтобы не допустить размывания отдельных деталей изображения.
В сканерах другого типа используются три источника света: красный, зеленый, синий, действующие поочередно для кратковременного освещения оригинала. Сканирование при этом производится однократно, что позволяет избежать несовмещения цветов, но требует подбора источников света со стабильными характеристиками.
В некоторых конструктивных решениях цветных сканеров используется один источник света, но сканирование цветных оригиналов осуществляется за один проход благодаря тому, что фотоприемник выполнен в виде фототранзисторов, размещенных в три линейки, а три цветных фильтра расположены перед ними так, что каждая линейка фототранзисторов освещается только своим цветом.
Однако наибольшее распространение получили цветные сканеры, оборудованные системой, состоящей из трех независимых фотодатчиков для каждого цвета. Оригинал освещается белым светом, а отраженный оригиналом свет попадает на фотоприемники через систему специальных фильтров, которые и разделяют белый свет на три составляющие. Принцип работы таких фильтров основан на использовании явления дихроизма, заключающегося в изменении окраски кристаллов в проходящем белом свете в зависимости от положения их оптической оси. После прохождения системы фильтров разделенные красный, зеленый и синий свет попадают каждый на свой фотоприемник, например ФЭУ. Путем последовательно выполняемых операций считывания тонового распределения по основным цветам получают информацию, необходимую для воспроизведения цветов изображения.
Какие фотодатчики применяются в сканерах
Документные сканеры для обработки большого объема документов, работы в составе систем электронных архивов.
Сетевые сканеры позволяют сканировать документы по сети, отправлять их в сетевые папки, на FTP, по E-mail.
Планшетные сканеры ориентированы на работу со сшитыми документами, книгами, фото, графикой на профессиональном уровне.
Книжные сканеры безконтактное сканирование гарантирует бережное обращение с документами.
Паспортные сканеры специальное решение для сканирования паспортов и удостоверений личности.
Портативные сканеры для работы в «полевых» условиях, когда важны компактность и автономность.
Опции к сканерам дополнительное оборудование, расширяющее функционал АПД-сканеров.
Расходные материалы ролики, модули подачи и отделения, нуждающиеся в регулярной замене.
Серверы USB-устройств дают возможность исполь-зовать сканеры и принтеры как сетевые устройства.
Программные продукты для повышения качества изображения и продуктив-ности сканирования.
Поддержка Linux и MAC загрузка драйверов для сканеров Avision для LINUX и MAC OS.
Архив Модели сканеров, снятые с производства.
(495) 785-5554
Знаете ли вы что:
Протяжные сканеры рассчитаны, в основном, на работу со стандартной офисной бумагой плотностью 80gsm. Для работы с более плотной бумагой нужно выбирать модель, имеющую прямой тракт прохождения документа.
Теория сканеров » Что такое сканер? Основные характеристики
Сканер – это устройство, которое анализируя какой-либо объект (обычно изображение, текст), создаёт цифровую копию изображения объекта. Процесс получения этой копии называется сканированием.
В 1857 году флорентийский аббат Джованни Казелли изобрёл прибор для передачи изображения на расстояние, названный впоследствии пантелеграф. Передаваемая картинка наносилась на барабан токопроводящими чернилами и считывалась с помощью иглы. В 1902 году, немецким физиком Артуром Корном была запатентована технология фотоэлектрического сканирования, получившая впоследствии название телефакс. Передаваемое изображение закреплялось на прозрачном вращающемся барабане, луч света от лампы, перемещающейся вдоль оси барабана, проходил сквозь оригинал и через расположенные на оси барабана призму и объектив попадал на селеновый фотоприёмник. Эта технология до сих пор применяется в барабанных сканерах. В дальнейшем, с развитием полупроводников, усовершенствовался фотоприёмник, был изобретён планшетный способ сканирования, но сам принцип оцифровки изображения остается почти неизменным.
Основные характеристики сканеров
Оптическое разрешение
Является основной характеристикой сканера. Сканер снимает изображение не целиком, а по строчкам. По вертикали планшетного сканера движется полоска светочувствительных элементов и снимает по точкам изображение строку за строкой. Чем больше светочувствительных элементов у сканера, тем больше точек он может снять с каждой горизонтальной полосы изображения. Это и называется оптическим разрешением. Оно определяется количеством светочувствительных элементов (фотодатчиков), приходящихся на дюйм горизонтали сканируемого изображения. Обычно его считают по количеству точек на дюйм — dpi (dots per inch). Нормальный уровень разрешение не менее 600 dpi, увеличивать его еще дальше — значит, применять дорогую оптику, дорогие светочувствительные элементы, и увеличивать время сканирования. Для обработки слайдов необходимо более высокое разрешение 1200 dpi.
Разрешение по X
Этот параметр показывает количество пикселей у фоточувствительной линейки, из которых формируется изображение. Разрешение является одной из основных характеристик сканера. Большинство моделей имеет оптическое разрешение сканера 600 или 1200 dpi (точек на дюйм). Его достаточно для получения качественной копии. Для профессиональной работы с изображением необходимо более высокое разрешение.
Разрешение по Y
Этот параметр определяется величиной хода шагового двигателя и точностью работы механики. Механическое разрешение сканера значительно выше оптического разрешения фотолинейки. Именно оптическое разрешение линейки фотоэлементов будет определять общее качество отсканированного изображения.
Скорость сканирования
Скорость сканирования зависит от разрешения при сканировании и от размера оригинала. Обычно производители указывают этот параметр для формата А4. Скорость сканирования может измеряться количеством страниц в минуту или временем, необходимым для сканирования одной страницы. Иногда измеряется в количестве сканируемых линий в секунду.
Глубина цвета
Как правило, производители указывают два значения для глубины цвета — внутреннюю глубину и внешнюю. Внутренняя глубина — это разрядность АЦП (аналого-цифрового преобразователя) сканера, она указывает на то, сколько цветов сканер способен различить в принципе. Внешняя глубина — это количество цветов, которое сканер может передать компьютеру. Большинство моделей используют для цветопередачи 24 бита (по 8 на каждый цвет). Для стандартных задач в офисе и дома этого вполне достаточно. Но если вы собираетесь использовать сканер, для серьезной работы с графикой, попробуйте найти модель с большим числом разрядов.
Максимальная оптическая плотность
Максимальная оптическая плотность у сканера — это оптическая плотность оригинала, которую сканер отличает от ‘полной темноты’. Чем больше это значение, тем больше чувствительность сканера и тем выше качество сканирования темных изображений.
Тип источника света
Ксеноновые лампы отличаются малым временем прогрева, долгим сроком службы и небольшими размерами. Флуоресцентные лампы с холодным катодом дешевы в производстве и имеют долгий срок службы. Светодиоды (LED) обладают малыми размерами, низким энергопотреблением и не требуют времени для прогрева. Но по качеству цветопередачи LED-сканеры уступают сканерам с флуоресцентными и ксеноновыми лампами.
Тип датчика сканера
В сканерах и МФУ обычно используется один из двух типов датчиков, основанных на разных технологиях:
- CIS — Contact Image Sensor / контактный датчик изображения;
- CCD — Charge-Coupled Device / прибор с зарядовой связью (ПЗС).
CIS представляет собой линейку фотоэлементов, которая равна ширине сканируемой поверхности. Во время сканирования она перемещается под стеклом и строка за строкой передает информацию об изображении на оригинале в виде электрического сигнала. Для освещения обычно используются светодиоды, которые расположены в непосредственной близости от фотолинейки на той же подвижной платформе. Сканеры на базе CIS имеют простую конструкцию, тонкий корпус и небольшой вес, что позволяет сделать сканер более тонким и легким по сравнению со сканерами с CCD-датчиками. Сканеры CIS, как правило, дешевле сканеров на базе CCD. Основной недостаток CIS состоит в малой глубине резкости.
Фотосенсор на основе CCD — это специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью.
ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. До экспонирования обычно подачей определённой комбинации напряжений на электроды происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов и приведение всех элементов в идентичное состояние. Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции, тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно тем выше итоговый заряд данного пикселя.
После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении, к выходным элементам матрицы.
Виды сканеров
- планшетные — наиболее распространённый вид сканеров, поскольку обеспечивает максимальное удобство для пользователя — высокое качество и приемлемую скорость сканирования. Представляет собой планшет, внутри которого под прозрачным стеклом расположен механизм сканирования.
- ручные — в них отсутствует двигатель, следовательно, объект приходится сканировать пользователю вручную, единственным его плюсом является дешевизна и мобильность, при этом он имеет массу недостатков — низкое разрешение, малую скорость работы, узкая полоса сканирования, возможны перекосы изображения, поскольку пользователю будет трудно перемещать сканер с постоянной скоростью.
- листопротяжные (протяжные) — лист бумаги вставляется в щель и протягивается по направляющим роликам внутри сканера мимо лампы. Имеет меньшие размеры, по сравнению с планшетным, однако может сканировать только отдельные листы, что ограничивает его применение в основном офисами компаний. Многие модели имеют устройство автоматической подачи, что позволяет быстро сканировать большое количество документов.
- планетарные или книжные сканеры — применяются для сканирования книг или легко повреждающихся документов. При сканировании нет контакта со сканируемым объектом (как в планшетных сканерах). Книжные сканеры — предназначены для сканирования брошюрованных документов. Сканирование производится лицевой стороной вверх — таким образом, Ваши действия по сканированию неотличимы от перелистывания страниц при обычном чтении. Это предотвращает их повреждение и позволяет пользователю видеть документ в процессе сканирования.
- слайд-сканеры — как ясно из названия, служат для сканирования плёночных слайдов, выпускаются как самостоятельные устройства, так и в виде дополнительных модулей к обычным сканерам.
- сканеры штрих-кода — небольшие, компактные модели для сканирования штрих-кодов товара в магазинах.
Принцип действия
Сканируемый объект кладется на стекло планшета сканируемой поверхностью вниз. Под стеклом располагается подвижная лампа, движение которой регулируется шаговым двигателем. Свет, отраженный от объекта, через систему зеркал попадает на чувствительную матрицу, далее на АЦП и передается в компьютер. За каждый шаг двигателя сканируется полоска объекта, которые потом объединяются программным обеспечением в общее изображение.
Изображение всегда сканируется в формат RAW — а затем конвертируется в обычный графический формат с применением текущих настроек яркости, контрастности, и т. д. Эта конвертация осуществляется либо в самом сканере, либо в компьютере — в зависимости от модели конкретного сканера. На параметры и качество RAW-данных влияют такие аппаратные настройки сканера, как время экспозиции матрицы, уровни калибровки белого и чёрного, и т. п.
Фотодатчики и их применение
В различных электронных устройствах, устройствах домашней и промышленной автоматики, различных радиолюбительских конструкциях фотодатчики используются очень широко. Кто хоть раз разбирал старую компьютерную мышь, как ее называли «комовскую», еще с шариком внутри, наверняка видел колесики с прорезями, крутящиеся в щели фотодатчиков.
Подобные фотодатчики называются фотопрерывателями – прерывают поток света. С одной стороны такого датчика находится источник – светодиод, как правило, инфракрасный (ИК), с другой фототранзистор (если быть точнее, то два фототранзистора, в некоторых моделях фотодиода, чтобы определить еще и направление вращения). При вращении колесика с прорезями на выходе фотодатчика получаются электрические импульсы, что является информацией об угловом положении этого самого колесика. Такие устройства называются энкодерами. Причем энкодер может быть просто контактным, вспомните колесико у современной мышки!
Фотопрерыватели используются не только в «мышках» а и в других устройствах, например, датчиках частоты вращения какого-либо механизма. В этом случае применяется одинарный фотодатчик, ведь направление вращения определять не требуется.
Если из каких-то соображений, чаще всего для ремонта, залезть в другие устройства электронной техники, то фотодатчики можно обнаружить в принтерах, сканерах и копирах, в приводах CD дисководов, в DVD плеерах, кассетных видеомагнитофонах, видеокамерах и в другой аппаратуре.
Так какие же бывают фотодатчики, и что они из себя представляют? Просто посмотрим, не вникая в физику полупроводников, не разбираясь в формулах и не произнося непонятных слов (рекомбинация, рассасывание неосновных носителей), что называется «на пальцах», как эти фотодатчики работают.
Рисунок 1. Фотопрерыватель
Фоторезистор
С ним все понятно. Как обычный постоянный резистор имеет омическое сопротивление, направление подключения в схеме роли не играет. Только в отличие от постоянного резистора меняет сопротивление под воздействием света: при освещенности оно уменьшается в несколько раз. Количество этих «раз» зависит от модели фоторезистора, в первую очередь от его темнового сопротивления.
Конструктивно фоторезисторы представляют собой металлический корпус со стеклянным окошком, сквозь которое видна сероватого цвета пластинка с зигзагообразной дорожкой. Более поздние модели выполнялись в пластмассовом корпусе с прозрачным верхом.
Быстродействие фоторезисторов невелико, поэтому работать они могут лишь на очень низких частотах. Поэтому в новых разработках они почти не применяются. Но случается, что в процессе ремонта старой техники с ними встретиться придется.
Чтобы проверить исправность фоторезистора достаточно проверить его сопротивление с помощью мультиметра. При отсутствии освещения сопротивление должно быть большим, к примеру, у фоторезистора СФ3-1 темновое сопротивление по справочным данным 30МОм. Если его осветить, то сопротивление упадет до нескольких КОм. Внешний вид фоторезистора показан на рисунке 2.
Рисунок 2. Фоторезистор СФ3-1
Фотодиоды
Очень похожи на обычный выпрямительный диод, если бы не свойство реагировать на свет. Если его «прозванивать» тестером, лучше несовременным стрелочным, то при отсутствии освещения результаты будут те же, как в случае измерения обычного диода: в прямом направлении прибор покажет маленькое сопротивление, а в обратном стрелка прибора почти не сдвинется с места.
Говорят, что диод включен в обратном направлении (этот момент следует запомнить), поэтому ток через него не идет. Но, если в таком включении фотодиод засветить лампочкой, то стрелка резко устремится к нулевой отметке. Такой режим работы фотодиода называется фотодиодным.
Еще у фотодиода есть фотогальванический режим работы: при попадании на него света он, как солнечная батарея, вырабатывает слабенькое напряжение, которое, если усилить, можно использовать в качестве полезного сигнала. Но, чаще фотодиод используется в фотодиодном режиме.
Фотодиоды старой конструкции по внешнему виду представляют металлический цилиндрик с двумя выводами. С другой стороны находится стеклянная линза. Современные фотодиоды имеют корпус просто из прозрачной пластмассы, в точности такой же как и светодиоды.
Рис. 2. Фотодиоды
Фототранзисторы
По внешнему виду бывают просто неотличимы от светодиодов, тот же корпус из прозрачной пластмассы или цилиндрик со стекляшкой в торце, а из него два вывода — коллектор и эмиттер. Базовый вывод фототранзистору вроде как не нужен, ведь входным сигналом для него является световой поток.
Хотя, некоторые фототранзисторы вывод базы все же имеют, что позволяет кроме света управлять транзистором еще и электрическим способом. Такое можно встретить у некоторых транзисторных оптронов, например АОТ128 и импортных 4N35, — по сути функциональных аналогов. Между базой и эмиттером фототранзистора включают резистор, чтоб несколько прикрыть фототранзистор, как показано на рисунке 4.
Рисунок 3. Фототранзистор
У нашего оптрона обычно «вешают» 10 — 100КОм, а вот у импортного «аналога» около 1МОм. Если поставить даже 100КОм, то он работать не будет, транзистор просто наглухо закрыт.
Как проверить фототранзистор
Фототранзистор достаточно просто проверить тестером, даже если у него нет вывода базы. При подключении омметра в любой полярности сопротивление участка коллектор – эмиттер достаточно большое, поскольку транзистор закрыт. Когда на линзу попадет свет достаточной интенсивности и спектра, то омметр покажет маленькое сопротивление – транзистор открылся, если, конечно, удалось угадать полярность подключения тестера. По сути дела такое поведение напоминает обычный транзистор, только тот открывается электрическим сигналом, а этот световым потоком. Кроме интенсивности светового потока немалую роль играет его спектральный состав. Про особенности проверки транзисторов смотрите здесь.
Спектр света
Обычно фотодатчики настроены на определенную длину волны светового излучения. Если это излучение инфракрасного диапазона, то такой датчик плохо реагирует на синий и зеленый светодиоды, достаточно хорошо на красный, лампу накаливания и само собой на инфракрасный. Также нехорошо воспринимает свет от люминесцентных ламп. Поэтому причиной плохой работы фотодатчика может быть просто неподходящий спектр источника света.
Выше было написано, как прозвонить фотодиод и фототранзистор. Тут следует обратить внимание на такую вроде бы мелочь, как тип измерительного прибора. У современного цифрового мультиметра в режиме прозвонки полупроводников плюс находится там же, где и при измерении постоянного напряжения, т.е. на красном проводе.
Результатом измерения будет падение напряжения в милливольтах на p-n переходе в прямом направлении. Как правило, это цифры в пределах 500 — 600, что зависит не только от типа полупроводникового прибора, но еще и от температуры. При увеличении температуры эта цифра уменьшается на 2 на каждый градус Цельсия, что обусловлено температурным коэффициентом сопротивления ТКС.
При пользовании стрелочным тестером надо помнить, что в режиме измерения сопротивлений плюсовой вывод находится на «минусе» в режиме измерения напряжений. При таких проверках освещать фотодатчики лучше лампой накаливания с близкого расстояния.
Сопряжение фотодатчика с микроконтроллером
В последнее время многие радиолюбители увлеклись конструированием роботов. Чаще всего это что-то такое на вид примитивное, вроде коробки с батарейками на колесиках, но жутко умное: все слышит, видит, препятствия объезжает. Вот видит он все как раз за счет фототранзистров или фотодиодов, а может даже и фоторезисторов.
Тут все происходит очень просто. Если это фоторезистор, достаточно подключить его, как указано на схеме, а в случае с фототранзистором или фотодиодом, чтобы не перепутать полярность предварительно «прозвонить» их, как было рассказано выше. Особенно полезно эту операцию проделать, если детали не новые, убедиться в их пригодности. Подключение разных фотодатчиков к микроконтроллеру показано на рисунке 4.
Рисунок 4. Схемы подключения фотодатчиков к микроконтроллеру
Измерение освещенности
Фотодиоды и фототранзисторы имеют малую чувствительность, высокую нелинейность и весьма узкий спектр. Основное применение этих фотоприборов – работа в ключевом режиме: включено – выключено. Поэтому создание измерителей освещенности на них достаточно проблематично, хотя раньше во всех аналоговых измерителях освещенности применялись именно эти фотодатчики.
Но к счастью нанотехнология на месте не стоит, а идет вперед семимильными шагами. Для измерения освещенности «там у них» создали специализированную микросхему TSL230R, представляющую собой программируемый преобразователь освещенность – частота.
Внешне устройство представляет собой микросхему в корпусе DIP8 из прозрачной пластмассы. Все сигналы входные и выходные по уровню совместимы с TTL — CMOS логикой, что позволяет легко сопрягать преобразователь с любым микроконтроллером.
С помощью внешних сигналов можно изменять чувствительность фотодиода и шкалу выходного сигнала соответственно 1, 10, 100 и 2, 10, и 100 раз. Зависимость частоты выходного сигнала от освещенности линейная, в пределах от долей герца до 1МГц. Настройки шкалы и чувствительности выполняются подачей логических уровней всего на 4 входа.
Микросхема может вводиться в режим микро потребления (5мкА) для чего есть отдельный вывод, хотя и в рабочем режиме не особенно прожорлива. При напряжении питания 2,7…5,5В потребляемый ток не более 2мА. Для работы микросхемы не требуется никакой внешней обвязки, разве что блокировочный конденсатор по питанию.
По сути, достаточно подключить к микросхеме частотомер и получать показания освещенности, ну, видимо, в каких-то УЕ. В случае же применения микроконтроллера ориентируясь на частоту выходного сигнала можно управлять освещенностью в помещении, или просто по принципу «включить – выключить».
TSL230R не единственный измеритель освещенности. Еще более совершенными являются датчики фирмы Maxim MAX44007-MAX44009. Габариты их меньше, чем у TSL230R, энергопотребление таково, как у других датчиков в спящем режиме. Основное назначение таких датчиков освещенности – применение в приборах с батарейным питанием.
Фотодатчики управляют освещением
Одной из задач, выполняемых при помощи фотодатчиков, является управление освещением. Такие схемы называются фотореле, чаще всего это простое включение освещения в темное время суток. С этой целью радиолюбителями было разработано немало схем, некоторые из которых мы рассмотрим в следующей статье.
- Компьютерные технологии на службе у радиолюбителя
- Мастерская радиолюбителя — инструменты, материалы и измерительные приборы для работы
- Как отремонтировать микроволновую печь своими руками
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Практическая электроника
Подписывайтесь на канал в Telegram про электронику для профессионалов и любителей: Практическая электроника на каждый день
Поделитесь этой статьей с друзьями: