BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA SKANERÓW

Skaner to urządzenie, które przekształca oryginał analogowy, np. zdjęcie czy namalowany na płótnie obraz, w obraz cyfrowy. Obraz cyfrowy jest złożony z tzw. pikseli - kwadratowych elementów o stałej barwie. Pierwszy skaner powstał w latach pięćdziesiątych XX wieku. Obecnie dysponuje się wieloma typami tych urządzeń. Należą do nich skanery: reprodukcyjne, bębnowe, płaskie, punktowe i ręczne. Poniżej scharakteryzuje najpopularniejsze skanery płaskie, opisze ich budowę, podam zasadę działania.

Budowa skanera płaskiego

Zasadniczymi elementami skanera płaskiego są: źródło światła, elementy fotoczułe, układ optyczny, filtr dichroiczny, mechanizm napędowy, układy elektroniczne, szklana płyta do układania oryginałów, interfejs, sterownik.

Źródło światła. Światło jest nieodzowne w procesie skanowania. W skanerze jest emitowane światło białe, które oświetla skanowany oryginał. Źródłami światła w skanerach płaskich są lampy fluorescencyjne (ksenonowe, neonowe, argonowe).

Elementy fotoczułe. Odbite od oryginału światło pada w skanerze na układ elementów fotoczułych - czujników rutoelektrycznych. Ich zadaniem jest przetworzenie padającego światła na prąd elektryczny. Im więcej światła pada na czujnik, tym większy powstaje prąd.

Rys 1. Chip z elementami CCD, stosowany w skanerach.

Materiały elektroniczne i elementy fotoczułe dla różnych typów urządzeń rejestracji cyfrowej są różne. W najpopularniejszej konstrukcji wykorzystuje się tzw. elementy CCD (Charge Cuupled Devices), tj. urządzenia o sprzężeniu ładunkowym. Element fotoczuły CCD wykonany jako chip i stosowany w skanerach płaskich przedstawia rys. 1.

Układ optyczny w skanerze płaskim tworzą obiektyw soczewkowy i zwierciadła. W lepszych skanerach może być więcej obiektywów, co zwiększa tzw. rozdzielczość optyczną skanera.

Filtr dichroiczny to układ trzech równoległych półprzepuszczalnych luster, które rozdzielają padający strumień świetlny na trzy jednakowe strumienie.

Mechanizm napędowy. W każdym procesie skanowania występuje ruch względny oryginału i strumienia padającego nań światła. Najczęściej ruch taki zapewnia silnik. W skanerach płaskich oryginał jest nieruchomy, a przesuwa się źródło światła. W konstrukcji mechanizmów przesuwu są wykorzystywane różne przekładnie, np. pasowa (rys. 2), śrubowa, zębata.

Rys. 2. Schemat przekładni pasowej w skanerze płaskim.

Układy elektroniczne. Skaner jest złożonym urządzeniem elektronicznym, mimo że w nowoczesnym skanerze wewnątrz jest dużo pustego miejsca. Przestrzeń tę zawdzięcza on wysokiemu stopniowi integracji elementów elektronicznych, a stosunkowo duża obudowa musi umożliwiać wprowadzenie oryginału o określonym formacie. Skaner ma wbudowane układy elektroniczne z mikroprocesorem, umożliwiające m.in. procedurę tzw. samokalibracji wykonywanej automatycznie po przyłączeniu skanera do zasilania. Jednym z najważniejszych (oprócz elementów CCD) układów elektronicznych skanera jest przetwornik analogowo-cyfrowy (A/C), do którego trafia prąd wygenerowany z czujnika fotoelektrycznego. W przetworniku A/C zachodzą dwa procesy: dyskretyzacja i digitalizacja.
Najpierw następuje dyskretyzacja. tj. zamiana prądu generowanego w sposób ciągły przez czujnik na prąd o przebiegu „schodkowym”, mogącym przyjmować jeden z możliwych poziomów wartości, np. 256 (dla 8 bitów) lub 65536 (dla 16 bitów).

Rys. 3. Sygnał ciągły w przetworniku A/C skanera ulega dyskrełyzacji (za mianie na sygnał schodkowy) i dygitalizacji (przypisaniu liczb)

Dalej, na wyjściu A/C, następuje proces digitalizacji. Jest to przyporządkowanie „schodkowi” - o określonej wysokości - jednej z liczb z zakresu np. od 0 do 255 (8 bitów) lub od 0 do 65535 (16 bitów) - rys. 3. Następnie podczas rejestrowania obrazu (ale już nie w A/C) liczbom tym są przypisywane poziomy jasności tzw. barw składowych.

Szklana płyta do układania oryginałów. W skanerze płaskim oryginały do skanowania układa się na płaskiej szklanej płycie lub w ramkach mocujących je płasko (stąd nazwa typu skanera). Szkło płyty jest antyrefleksyjne, co zapobiega powstawaniu na obrazie wielu szkodliwych efektów, np. pierścieni Newtona. Powierzchnia płyty wyznacza wymiary oryginałów, które mogą być skanowane na danym urządzeniu - najczęściej od formatu A4 do A3.

Interfejs. Połączenie skanera z komputerem zapewnia łącze zwane interfejsem. Różne typy skanerów mają różne interfejsy, od których zależy szybkość pracy, a także wygoda obsługi. Do często spotykanych łączy w skanerach amatorskich należą USB (Unlversai Serial Bus). Urządzenia USB same się konfigurują po ich przyłączeniu do portu, bez potrzeby wyłączania komputera.

Sterownik Do wyposażenia skanera należy specjalistyczne oprogramowanie, zbudowane wyłącznie dla określonego modelu lub typu tego urządzenia. Oprogramowaniem tym jest tzw. sterownik, który umożliwia wybór opcji dla skanowania . Bez zainstalowanego sterownika skaner nie wykona żadnego skanowania. W systemie operacyjnym sterownik jest instalowany na tzw. wieloplatformowym interfejsie TWAIN. który służy do pobierania obrazów tworzonych przez skanery, kamery cyfrowe i programy do przechwytywania kadrów filmów.

Zasada działania skanera

Światło białe odbite od kolorowego fragmentu oryginału przyjmuje barwę tego fragmentu. To barwne światło, po przejściu przez układ optyczny, pada na filtr dichroiczny, który rozdziela odbity sygnał świetlny na trzy jednakowe strumienie. Powstałe strumienie padają na trzy rzędy czujników fotoelektrycznych.

Zależność natężeń generowanych prądów od jasności barw składowych RGB	Zasada działania skanera płaskiego i elementy jego budowy

Każdy element czujnika jest pokryty filtrem, odpowiednio: czerwonym R, zielonym G i niebieskim B. W wyniku tego następuje automatyczne odfiltrowanie trzech tzw. podstawowych barw składowych RGB (Red, Green, Blue). Każda składowa ma jasność odpowiednią do koloru światła odbitego od elementu oryginału. Im jasność podstawowej barwy składowej większa, tym większy ładunek, co powoduje, że większy prąd jest generowany przez element fotoczuły . Z kolei w przetworniku A/C sygnał analogowy (prąd) jest zamieniany na sygnał cyfrowy w celu utworzenia pliku cyfrowego. Plik ten może być rozpoznawany i reprodukowany w systemie komputerowym.

Podstawowe parametry skanera

Gęstość optyczna skanera. Gęstość optyczna materiału fotograficznego jest podstawą zrozumienia gęstości optycznej skanera. Gęstość optyczna materiału fotograficznego to miara stopnia zaczernienia pola (ilości osadu metalicznego srebra) w wywołanej warstwie fotograficznej. Gęstość optyczną oznacza się symbolem D i jest to liczba bezwymiarowa.
Nie wdając się w rozważania matematyczne, należy zapamiętać , że jeśli wywołany materiał fotograficzny odbija całe światło, to jego gęstość optyczna D = 0; gdy odbija 0,1 światła - wtedy D = 1; jeśli odbija 0,01 - to D= 2, gdy odbija 0,001 - wtedy D =3 itd.
Gęstość optyczna skanera to wielkość charakteryzująca proces rejestrowania światła przez elementy fotoczułe i oznaczająca zakres gęstości optycznej D, który z oryginału może zarejestrować skaner, czyli różnicę między największą gęstością optyczną D_max na materiale fotograficznym a najmniejszą D_min (D = D_max - D_min). Im wartość D jest mniejsza, tym gorszej jakości czerń i zbliżone do nie] barwy (ciemne granaty, brązy itp.) uzyskuje się na obrazie z najlepszego nawet oryginału, czyli tym gorsze zinterpretowanie cieni oryginału w obrazie cyfrowym.

Bardzo ciemne barwy staną się nierozróżnialne - mówi się o utracie szczegółów w cieniach. Jest to podstawowe niedomaganie w amatorskich skanerach płaskich. Efekt skanowania tego samego oryginału na dwóch skanerach różniących się rejestrowanymi gęstościami optycznymi przedstawiam poniżej.

Rys. Efekt skanowania tego samego oryginału na skanerach o różnych gęstościach optycznych (różnica w cieniach)

Rozdzielczość optyczna skanera. Kombinacja soczewek i układów CCD w skanerze określa rozdzielczość optyczną definiującą najmniejszy szczegół, który może być zreprodukowany przez skaner. Rozdzielczość optyczna jest mierzona w jednostkach ppi {pixels per inch) - pikselach na cal, niekiedy błędnie utożsamianych z dpi (dots per inch) - punktami na cal.
Rozdzielczość optyczna skanera płaskiego jednoohiektywowego to liczba pojedynczych elementów CCD na jednostkę długości listwy tworzącej element fotoczuły skanera.

Źródło:

• Od skanera do drukarki, Aleksander Kwaśny, 2001

• Skanowanie i drukowanie. Jak to zrobić?, Sandee Cohen, Robin Williams, 11/2003

4

---