Не уступающего по своей эффективности серьёзным промышленным аналогам. Теперь перейдём к самой схеме прибора, основа которой выполнена на микроконтроллере AT89C52.

Пояснения к схеме:

• - JP1 - DMX.
• - JP2 - переключатель DMX/под музыку.
• - JP3 - микрофон (с соблюдением полярности).
• - JP4 - переменный резистор 50-100 кОм, регулятор чувствительности микрофона.
• - JP5 - питание. Я использовал ~10 В, чтобы на движки шло +14 В
• - JP6, JP7 - подключение оптических датчиков нулевого положения кругов гобо и цвета. В кругах делается прорезь, по которой и останавливается круг.

JP8 - управление приводом стробо. У меня этот выход идет на транзистор, который через оптопару и симистор управляет гашением лампы. То есть сигнала нет - лампа не горит, сигнал есть - лампа горит). Вот схема управления:

Симистор управляет электронным блоком питания. Он был на 12 В 200 Вт.

Переделал его на 15 В и применил лампу с отражателем от медицинских приборов 15 В 150 Вт. Последовательно с лампой стоит термистор (NTC1), чтобы лампа плавно загоралась и не сгорела. В режиме от музыки этот узел не работает и лампа постоянно включена. Эта плата закреплена на кусочке текстолита и прикручена прямо под лампой:

• - JP9 - управление оптической призмой. Ставится движок, который при сигнале на этом выходе крутится и вращает оптическую призму, которая раздваивает или расстраивает изображение).
• - JP10 - JP11 - подключение шаговых двигателей - 2 управление зеркалом, круг гобо и круг цвета.
• - JP12, JP13 - разъем для внутрисхемного программирования.

Прошивку для МК и исходники можно . Другие файлы - на форуме. Фотографии платы светового сканера на микроконтроллере AT89C52:

Круги гобо и цвета останавливаются по оптическому датчику. Круг крутится в прорези оптодатчика. когда через оптодатчик проходит прорезь в круге, то он останавливается. Двигатели положения зеркала после включения отклоняют его в крайнее положение, бьются об упор и останавливаются. Потом поворачиваются на определенный угол в противоположное направление - это и есть среднее положение зеркала.

Круг гобо купил без дихроичных фильтров. Однако применить готовые не смог, так как угол поворота не сходился. Поэтому сделал из тонкого алюминия круги под мой диаметр и мой угол поворота. Просверлил отверстия нужного диаметра (чуть больше, чем купленные гобо).

СКАНЕРЫ И СКАНИРОВАНИЕ

Исходный материал для создания графических композиций можно найти в уже существующих графических файлах. Однако при этом следует помнить, что некоторые из них являются предметом защиты авторских прав и, следовательно, их нельзя свободно копировать. Можно также создавать свои произведения «с чистого листа», используя средства рисования графических редакторов. Но тогда нужны как художественные способности, так и навыки рисования с помощью компьютера. Есть еще один эффективный способ создания компьютерной графики. Он основан на использовании сканеров или цифровых фотокамер. Хорошие фотокамеры довольно дороги, а сканеры успешно завоевывают рынок товаров массового потребления и вполне доступны. С помощью сканера можно ввести в компьютер картинки из газет, журналов, книг и фотографий как целиком, так и частями, которые послужат вам строительным материалом для будущих композиций. Вы можете создавать эскизы и заготовки сначала на бумаге, а затем вводить их в компьютер посредством сканера и дорабатывать с помощью графических редакторов. Наконец, сканер просто незаменим, когда необходимо превратить бумажный печатный документ в текстовый, чтобы можно было открыть его в текстовом (а не в графическом) редакторе (например, в MS Word) для просмотра и редактирования.
Сканер является устройством для ввода изображений в компьютер. Исходные изображения (оригиналы) обычно находятся на непрозрачных (бумага) или прозрачных (слайды, фотопленка) носителях. Обычно это - рисунки, фотографии, слайды и/или тексты, но могут быть и объемные предметы. По существу сканер является устройством, которое воспринимает оптическую информацию, доступную для нашего зрения, и сначала преобразует ее в электрическую форму, а затем приводит к цифровому виду, пригодному для ввода в компьютер. Таким образом, процесс сканирования оригинала состоит в его оцифровке . Оцифрованное изображение (на жаргоне - «скан») в дальнейшем может быть обработано в компьютере с помощью графического редактора (например, Photoshop), если это рисунок, или с помощью программы распознавания символов (например, FineReader), если это текст.
Существует множество моделей сканеров, отличающихся как техническими характеристиками и возможностями, так и ценой. Совсем не факт, что вам нужен самый могущественный и самый дорогой сканер. Новички, как правило, испытывают затруднения при выборе модели сканера и, вдальнейшем, при его использовании. Ошибка в выборе сканера выражается либо в том, что вы недоплатили чуть-чуть, либо слишком переплатили. Выбирая сканер, следует исходить из задач, которые вы собираетесь решать с его помощью. Сканеры могут использоваться для текущих задач офисов, домашнего коллекционирования фотографий и профессиональной работы с графикой. Для Web-дизайна, например, вы можете обходиться и самыми дешевыми сканерами. Но для работ, предназначенных, в конечном счете, для полиграфии, вам, возможно, потребуется более мощное устройство.
Чтобы ориентироваться среди множества параметров сканеров, следует понимать, на что они практически влияют и от чего зависят. В этой главе мы попытаемся помочь в разрешении этих проблем. Сначала нужно получить общее представление о принципах построения и функционирования сканеров. Это совсем не трудно и не потребует много времени, но очень важно. Затем следует разобраться в основных параметрах (технических характеристиках) и освоить несколько типовых приемов использования сканеров. Наконец, необходимо узнать, как корректировать отсканированные изображения в графических и других редакторах.

Как устроены и работают сканеры

Для офисных и домашних задач, а также для большинства работ по компьютерной графике лучше всего подходят так называемые планшетные сканеры . Различные модели этого типа шире других представлены в продаже. Поэтому начнем с рассмотрения принципов построения и функционирования сканеров именно этого типа. Уяснение этих принципов позволит лучше понять значение технических характеристик, которые учитываются при выборе сканеров.
Планшетный сканер (Flatbed scanner) представляет собой прямоугольный пластмассовый корпус с крышкой. Под крышкой находится стеклянная поверхность, на которую помещается оригинал, предназначенный для сканирования. Через это стекло можно разглядеть кое-что из внутренностей сканера. В сканере имеется подвижная каретка, на которой установлены лампа подсветки и система зеркал. Каретка перемещается посредством так называемого шагового двигателя . Свет лампы отражается от оригинала и через систему зеркал и фокусирующих линз попадает на так называемую матрицу , состоящую из датчиков , вырабатывающих электрические сигналы, величина которых определяется интенсивностью падающего на них света. Эти датчики основаны на светочувствительных элементах, называемых приборами с зарядовой связью (ПЗС, Couple Charged Device - CCD). Точнее говоря, на поверхности ПЗС образуется электрический заряд, пропорциональный интенсивности падающего света. Далее нужно только преобразовать величину этого заряда в другую электрическую величину - напряжение. Несколько ПЗС располагаются рядом на одной линейке. Электрический сигнал на выходе ПЗС является аналоговой величиной (т.е. ее изменение аналогично изменению входной величины - интенсивности света). Далее происходит преобразование аналогового сигнала в цифровую форму с последующей обработкой и передачей в компьютер для дальнейшего использования. Эту функцию выполняет специальное устройство, называемое аналого-цифровым преобразователем (АЦП, Analog-to-digital Converter - ADC). Таким образом, на каждом шаге перемещения каретки сканер считывает одну горизонтальную полоску оригинала, разбитую на дискретные элементы (пикселы), количество которых равно количеству ПЗС на линейке. Все отсканированное изображение состоит из нескольких таких полос.

Рис. 119. Схема устройства и работы планшетного сканера на основе ПЗС (CCD): свет лампы отражается от оригинала и через оптическую систему попадает на матрицу светочувствительных элементов, а затем на аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

В цветных сканерах сейчас используются, как правило, трехрядная матрица ПЗС и подсветка оригинала калиброванным белым светом. Каждый ряд матрицы предназначен для восприятия одной из базовых цветовых составляющих света (красной, зеленой и синей). Чтобы разделить цвета, используют либо призму, разлагающую луч белого света на цветные составляющие, либо специальное фильтрующее покрытие ПЗС. Однако существуют цветные сканеры и с однорядной матрицей ПЗС, в которых оригинал по очереди подсвечивается тремя лампами базовых цветов. Однорядная технология с тройной подсветкой считается устаревшей.
Выше мы описали принципы построения и работы так называемых однопроходных сканеров, которые сканируют оригинал за один проход каретки. Однако еще встречаются, хотя больше и не выпускаются промышленностью, трехпроходные сканеры. Это сканеры с однорядной матрицей ПЗС. В них при каждом проходе каретки вдоль оригинала используется один из базовых цветных светофильтров: за каждый проход снимается информация по одному из трех цветовых каналов изображения. Эта технология также устарела.
Кроме CCD-сканеров, основанных на матрице ПЗС, имеются CIS-сканеры (Contact Image Sensor), в которых применяется фотоэлементная технология. Светочувствительные матрицы, выполненные по этой технологии, воспринимают отраженный оригиналом спет непосредственно через стекло сканера без использования оптических систем фокусировки. Это позволило уменьшить размеры и вес планшетных сканеров более чем в два раза (до 3-4 кг). Однако такие сканеры хороши только для исключительно плоских оригиналов, плотно прилегающих к стеклянной поверхности рабочего поля. При этом качество получаемого изображения существенно зависит от наличия посторонних источников света (крышка CIS-сканера во время сканирования должна быть закрыта). В случае объемных оригиналов качество оставляет желать лучшего, в то время как ССО-сканеры дают неплохие результаты и для объемных (до нескольких см в глубину) предметов.
Планшетные сканеры могут быть снабжены дополнительными устройствами, такими как слайд-адаптер, автоподатчик оригиналов и др. Для одних моделей эти устройства предусмотрены, а для других нет.
Слайд-адаптер (Transparency Media Adapter, TMA) - специальная приставка, позволяющая сканировать прозрачные оригиналы. Сканирование прозрачных материалов происходит с помощью проходящего, а не отраженного света. Иначе говоря, прозрачный оригинал должен находиться между источником света и светочувствительными элементами. Слайд-адаптер представляет собой навесной модуль, снабженный лампой, которая движется синхронно с кареткой сканера. Иногда просто равномерно освещают некоторый участок рабочего поля, чтобы не перемещать лампу. Таким образом, главная цель применения слайд-адаптера заключается в изменении положения источника света. «
Если же у вас есть цифровая камера (цифровой фотоаппарат), то слайд-адаптер, скорее всего, вам не нужен.
Если сканировать прозрачные оригиналы без использования слайд-адаптера, то нужно понимать, что при облучении оригинала количества отраженного и проходящего света не равны друг другу. Так, оригинал пропустит какую-то часть падающего цвета, которая затем отразится от белого покрытия крышки сканера и снова пройдет через оригинал. Какая-то часть света отразится от оригинала. Соотношение между частями проходящего и отраженного света зависит от степени прозрачности участка оригинала. Таким образом, светочувствительные элементы матрицы сканера получат свет, дважды прошедший через оригинал, а также свет, отраженный от оригинала. Многократность прохода света через оригинал ослабляет его, а взаимодействие отраженного и проходящего пучков света (интерференция) вызывает искажения и побочные видеоэффекты.
Автоподатчик - устройство, подающее оригиналы в сканер, которое очень удобно использовать при потоковом сканировании однотипных изображений (когда не нужно часто перенастраивать сканер), например, текстов или чертежей приблизительно одинакового качества.
Кроме планшетных, есть и другие типы сканеров: ручные, листопротяжные, барабанные, слайдовые, для сканирования штрих-кодов, скоростные для потоковой работы с документами.
Ручной сканер (Handheld Scanner) - портативный сканер, в котором сканирование осуществляется путем его ручного перемещения по оригиналу. По принципу действия такой сканер аналогичен планшетному. Ширина области сканирования - не более 15см. Первые сканеры для широкого применения появились в продаже в 80-х годах XX века. Они были ручными и позволяли сканировать изображения в оттенках серого цвета. Теперь такие сканеры нелегко найти.
Листопротяжный или роликовый сканер (Sheetfed Scanner) - сканер, в котором оригинал протягивается мимо неподвижной линейной CCD- или CIS-матрицы, разновидность такого сканера - факс-аппарат.
Барабанный сканер (Drum Scanner) - сканер, в котором оригинал закрепляется на вращающемся барабане, а для сканирования используются фотоэлектронные умножители. При этом сканируется точечная область изображения, а сканирующая головка движется вдоль барабана очень близко от оригинала.
Слайдовый сканер (Film-scanner) - разновидность планшетного сканера, предназначенная для сканирования прозрачных материалов (слайдов, негативных фотопленок, рентгеновских снимков и т. п.). Обычно размер таких оригиналов фиксирован. Заметим, что для некоторых планшетных сканеров предусмотрена специальная приставка (слайд-адаптер), предназначенная для сканирования прозрачных материалов (см. выше).
Сканер штрих-кодов (Bar-code Scanner) - сканер, предназначенный для сканирования товарных штрих-кодов. По принципу действия он сходен с ручным сканером и подключается к компьютеру, либо к специализированной торговой системе. При наличии соответствующего программного обеспечения распознавать штрих-коды может любой сканер.
Скоростной сканер для работы с документами (Document Scanner) - разновидность листопротяжного сканера, предназначенная для высокопроизводительного многостраничного ввода. Сканеры могут быть оборудованы приемными и выходными лотками объемом свыше 1000 листов и вводить информацию со скоростью свыше 100 листов в минуту. Некоторые модели этого класса обеспечивают двустороннее (дуплексное) сканирование, подсветку оригинала разными цветами для отсечки цветного фона, компенсацию неоднородности фона, имеют модули динамической обработки разнотипных оригиналов.
Итак, для дома и офиса лучше всего подходит планшетный сканер. Если вы хотите заниматься графическим дизайном, то лучше выбрать CCD-сканер (на основе ПЗС-матрицы), поскольку он позволяет сканировать и объемные предметы. Если вы собираетесь сканировать слайды и другие прозрачные материалы, то следует выбрать сканер, для которого предусмотрен слайд-адаптер. Обычно собственно сканер и подходящий к нему слайд-адаптер продаются отдельно. Если не получается приобрести слайд-адаптер одновременно со сканером, то при необходимости вы сможете сделать это позже. Необходимо также определить максимальные размеры сканируемых изображений. В настоящее время типовым является формат А4, соответствующий обычному листу писчей бумаги. Большинство бытовых сканеров ориентированы именно на этот формат. Для сканирования чертежей и другой конструкторской документации обычно требуется формат A3, соответствующий двум листам формата А4, соединенным по длинной стороне. В настоящее время цены однотипных сканеров для форматов А4 и A3 сближаются. Можно предположить, что оригиналы, не превышающие по размерам формат А4, будут лучше обрабатываться сканером, ориентированным на формат A3.
Перечисленные выше параметры далеко не исчерпывают весь список, но на данном этапе нашего рассмотрения мы пока можем использовать только их. При выборе сканера решающими являются три аспекта: аппаратный интерфейс (способ подключения), оптико-электронная система и программный интерфей с (так называемый TWAIN-модуль). Далее мы рассмотрим их более подробно.

Подключение сканера к компьютеру

Данные результатов сканирования в цифровой форме передаются от сканера в компьютер для последующей обработки и/или хранения в виде файлов. Сканеры могут подключаться к компьютеру различными способами. Иначе говоря, они могут иметь различный аппаратный интерфейс .
Одним из наиболее распространенных является SCSI-интерфейс. Он обеспечивается специальной платой (адаптером, картой), вставляемой в разъем (слот) расширения на материнской плате компьютера. К этой плате можно подключать не только сканер с SCSI-интерфейсом, но и другие устройства (например, жесткие диски). Так что, SCSI-интерфейс обеспечивается отдельным устройством, которое уже, возможно, имеется на вашем компьютере. Почти все планшетные сканеры с SCSI-интерфейсом комплектуются усеченной модификацией SCSI-платы, к которой можно подключить только сканер. Таким образом, если на вашем компьютере нет SCSI-адаптера, но есть свободный подходящий слот на материнской плате, то с подключением сканера не возникнет принципиальных проблем. SCSI-интерфейс надежен и обеспечивает быструю передачу данных. Однако может потребоваться установка платы. Для этого следует при выключенном питании компьютера снять кожух системного блока компьютера и установить в один из свободных и подходящих разъемов интерфейсную плату. Подробности вполне понятно описаны в руководстве к сканеру.
Кроме того, есть планшетные сканеры, имеющие собственную интерфейсную плату, которая помимо передачи данных обеспечивает электрическое питание сканера от системного блока компьютера. При этом питание на сканер будет подаваться только при запуске программы сканирования. Следует иметь в виду, что интерфейсная плата сканера может подходить к ISA-слоту или к PCI-слоту материнской платы компьютера. Поэтому прежде чем выбрать такой сканер, следует выяснить, имеется ли в вашем компьютере свободный подходящий слот.
Если вам часто приходится перемещать сканер, подключая его то к одному, то к другому компьютеру, то описанные выше способы могут показаться неудобными: каждый раз необходимо выключить компьютер, снять крышку, вынуть или установить интерфейсную плату. С другой стороны, все эти хлопоты при соответствующей сноровке требуют всего лишь 5 - 10 минут.
Есть сканеры, подключаемые к USB-порту (к универсальной последовательной шине) компьютера. Это - наиболее удобный и быстрый интерфейс, не требующий установки платы в системный блок, а иногда даже выключения компьютера. USB-порт обеспечивает не только обмен данными между компьютером и подключенным к нему внешним устройством, но и питание этого устройства от системного блока питания. Однако это справедливо не для всех устройств. Некоторые из них снабжены своими блоками питания и тогда, как правило, при соединении их кабелем с компьютером последний приходится выключать. В любом случае перед подключением сканера к USB-порту следует узнать из прилагаемого руководства, как именно это делается. Кроме того, нужно иметь в виду, что USB-порты отсутствуют на старых моделях компьютеров (первых Pentium и более ранних).
Многие модели планшетных сканеров подключаются к параллельному порту (LPT) компьютера, к которому обычно подключается принтер. В этом случае сканер подключается через кабель непосредственно к LPT-порту, а принтер - к дополнительному разъему на корпусе сканера. Этот интерфейс медленнее, чем описанные выше. Для подключения сканера к LPT-порту не требуется снимать крышку системного блока, но выключать компьютер на время этой операции все же необходимо.
Вообще говоря, сканеры с любым из рассмотренных выше интерфейсов могут использоваться для работы с графикой. Однако мы отдаем предпочтение интерфейсам SCSI и USB, исходя из соображений надежности, быстродействия и удобства эксплуатации.

Основные характеристики оптико-электронной системы сканера

Рассмотрим основные характеристики оптико-электронной системы сканера: разрешение, глубину цвета, разрядность, оптическую плотность и область высокого разрешения.

Разрешение

Разрешение (Resolution) или разрешающая способность сканера - параметр, характеризующий максимальную точность или степень детальности представления оригинала в цифровом виде. Разрешение измеряется в пикселах на дюйм (pixels per inch, ppi). Нередко разрешение указывают в точках на дюйм (dots per inch, dpi), но эта единица измерения является традиционной для устройств вывода (принтеров). Говоря о разрешении, мы будем использовать ppi. Различают аппаратное (оптическое) и интерполяционное разрешение сканера.

Аппаратное (оптическое) разрешение

Аппаратное (оптическое) разрешение (Hardware/optical Resolution) непосредственно связано с плотностью размещения светочувствительных элементов в матрице сканера. Это - основной параметр сканера (точнее, его оптико-электронной системы). Обычно указывается разрешение по горизонтали и вертикали, например, 300x600 ppi. Следует ориентироваться на меньшую величину, т. е. на горизонтальное разрешение. Вертикальное разрешение, которое обычно вдвое больше горизонтального, получается в конечном счете интерполяцией (обработкой результатов непосредственного сканирования) и напрямую не связано с плотностью чувствительных элементов (это так называемое разрешение двойного шага ). Чтобы увеличить разрешение сканера, нужно уменьшить размер светочувствительного элемента. Но с уменьшением размера теряется чувствительность элемента к свету и, как следствие, ухудшается соотношение сигнал/шум. Таким образом, повышение разрешения - нетривиальная техническая задача.

Интерполяционное разрешение

Интерполяционное разрешение (Interpolated Resolution) - разрешение изображения, полученного в результате обработки (интерполяции) отсканированного оригинала. Этот искусственный прием повышения разрешения обычно не приводит к увеличению качества изображения. Представьте себе, что реально отсканированные пикселы изображения раздвинуты, а в образовавшиеся промежутки вставлены «вычисленные» пикселы, похожие в каком-то смысле на своих соседей. Результат такой интерполяции зависит от ее алгоритма, но не от сканера. Однако эту операцию можно выполнить средствами графического редактора, например, Photoshop, причем даже лучше, чем собственным программным обеспечением сканера. Интерполяционное разрешение, как правило, в несколько раз больше аппаратного, но практически это ничего не означает, хотя может ввести в заблуждение покупателя. Значимым параметром является именно аппаратное (оптическое) разрешение.
В техническом паспорте сканера иногда указывается просто разрешение. В этом случае имеется в виду аппаратное (оптическое) разрешение. Нередко указываются и аппаратное, и интерполяционное разрешение, например, 600х 1200 (9600) ppi. Здесь 600 - аппаратное разрешение, а 9600 - интерполяционное.

Различимость линий

Различимость линий (Line detectability) - максимальное количество параллельных линий на дюйм, которые воспроизводятся с помощью сканера как раздельные линии (без слипаний). Этот параметр характеризует пригодность сканера для работы с чертежами и другими изображениями, содержащими много мелких деталей. Его значение измеряется в линиях на дюйм (lines per inch, Ipi).

Какое разрешение сканера следует выбрать

Этот вопрос чаще других задают при выборе сканера, поскольку разрешение - один из самых главных параметров сканера, от которого существенно зависит возможность получения высококачественных результатов сканирования. Однако это вовсе не означает, что следует стремиться к максимальному возможному разрешению, тем более, что оно дорого стоит.
Вырабатывая требования к разрешению сканера, важно уяснить общий подход. Сканер является устройством, преобразующим оптическую информацию об оригинале в цифровую форму и, следовательно, осуществляющим ее дискретизацию. Наданном этапе рассмотрения кажется, что чем мельче дискретизация (больше разрешение), тем меньше потерь исходной информации. Однако результаты сканировании предназначены для отображения с помощью некоторого устройства вывода, например, монитора или принтера. Эти устройства имеют свою разрешающую способность. Наконец, глаз человека обладает способностью сглаживать изображения. Кроме того, печатные оригиналы, полученные типографским способом или посредством принтера, также имеют дискретную структуру (печатный растр), хотя это может быть и не заметно для невооруженного глаза. Такие оригиналы обладают собственным разрешением.
Итак, есть оригинал с собственным разрешением, сканер со своей разрешающей способностью и результат сканирования, качество которого должно быть как можно выше. Качество результирующего изображения зависит от установленного разрешения сканера, но до некоторого предела. Если установить разрешение сканера больше собственного разрешения оригинала, то от этого качество результата сканирования, вообще говоря, не улучшится. Мы не хотим сказать, что сканирование с более высоким, чем у оригинала, разрешением бесполезно. Есть ряд причин, когда это нужно делать (например, когда мы собираемся увеличивать изображение при выводе на монитор или принтер или когда надо избавиться от муара). Здесь мы обращаем внимание на то, что улучшение качества результирующего изображения за счет повышения разрешения сканера не беспредельно. Можно увеличивать разрешение сканирования, не добиваясь при этом улучшения качества результирующего изображения, но зато увеличивая его объем и время сканирования.
О выборе разрешения сканирования мы еще неоднократно будем говорить в данной главе. Разрешение сканера - это максимальное разрешение, которое можно установить при сканировании. Так какая же величина разрешения нам нужна? Ответ зависит от того, какие изображения вы собираетесь сканировать и на какие устройства выводить. Ниже мы приведем лишь ориентировочные значения.
Если вы собираетесь сканировать изображения для последующего вывода на экран монитора, то обычно достаточно разрешения 72-l00ppi. Для вывода на обычный офисный или домашний струйный принтер - 100-150 ppi, на высококачественный струйный принтер - от 300 ppi.
При сканировании текстов из газет, журналов и книг с целью последующей обработки программами оптического распознавания символов (OCR - Optical Character Recognition) обычно требуется разрешение 200-400 ppi. Для вывода на экран или принтер эта величину можно уменьшить в несколько раз.
Для любительских фотографий обычно требуется 100-300 ppi. Для иллюстраций из роскошных типографских альбомов и буклетов - 300-600ppi.
Если вы собираетесь увеличивать изображение для вывода на экран или принтер без потери качества (четкости), то разрешение сканирования следует установить с некоторым запасом, т. е. увеличить его в 1,5-2 раза по сравнению с приведенными выше значениями.
Рекламным агентствам, например, требуется высококачественное сканирование слайдов и бумажных оригиналов. При сканировании слайдов для вывода на печать в формате 10x15 см потребуется разрешение 1200 ppi, а в формате А4 - 2400 ppi.
Обобщая изложенное выше, можно сказать, что в большинстве случаев аппаратного разрешения сканера 300 ppi достаточно. Если же сканер имеет разрешение 600 ppi, то это очень хорошо.

Глубина цвета и разрядность

Глубина цвета, как мы уже говорили в главе 1, определяется количеством цветов, которые могут быть переданы (представлены), или количеством разрядов (битов) цифрового кода, содержащим описание цвета одного пиксела. Одно с другим связано простой формулой:

Количество цветов = 2 Количество бит

В сканере электрический аналоговый сигнал с матрицы светочувствительных элементов преобразуется в цифровой посредством аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Цифровой сигнал, несущий информацию о цвете пикселов, характеризуется разрядностью, т. е. количеством двоичных разрядов (битов), которыми кодируется информация о цвете каждого пиксела. АЦП и качество светочувствительных элементов сканера определяют глубину цвета, которую он может обеспечить. В настоящее время все цветные планшетные сканеры для широкого применения обеспечивают как минимум 24-битную глубину цвета (8 бит на каждую из трех базовых составляющих цвета). В пересчете на количество цветов это 2 24 = 16 777 216, чего вполне достаточно. В то же время существуют сканеры с 30-битным и 36-битным представлением цвета (10 и 12 бит соответственно на каждую составляющую). Реально вы будете работать с 24-битным цветом, но при большей разрядности АЦП, имея избыточную информацию, можно производить цветовую коррекцию изображения в большем диапазоне без потери качества. Сканеры, имеющие большую глубину цвета (разрядность), позволяют сохранить больше оттенков и градаций цвета в темных тонах. Кроме того, младшие разряды выходного кода АЦП обычно флуктуируют (содержат ошибки преобразования). Чем большую разрядность имеет АЦП, тем меньше влияние ошибок преобразования на конечный результат.

Оптическая плотность

Понятие оптической плотности (Optical Density) относится прежде всего к сканируемому оригиналу. Этот параметр характеризует способность оригинала поглощать свет; он обозначается как D или OD. Оптическая плотность вычисляется как десятичный логарифм отношения интенсивностей падающего и отраженного (в случае непрозрачных оригиналов) или проходящего (в случае прозрачных оригиналов) света. Минимальная оптическая плотность (D min) соответствует самому светлому (прозрачному) участку оригинала, а максимальная плотность (D max) соответствует самому темному (наименее прозрачному) участку. Диапазон возможных значений оптической плотности заключен между 0 (идеально белый или абсолютно прозрачный оригинал) и 4 (черный или абсолютно непрозрачный оригинал).
Типичные значения оптической плотности некоторых типов оригиналов представлены в следующей таблице:

Динамический диапазон сканера определяется максимальным и минимальным значениями оптической плотности и характеризует его способность работать с различными типами оригиналов. Динамический диапазон сканера связан с его разрядностью (битовой глубиной цвета): чем выше разрядность, тем больше динамический диапазон и наоборот. Для многих планшетных сканеров, главным образом, предназначенных для офисных работ, этот параметр не указывается. В таких случаях считается, что значение оптической плотности приблизительно равно 2,5 (типовое значение для офисных 24-битных сканеров). Для 30-битного сканера этот параметр равен 2,6-3,0, а для 36-битного - от 3,0 и выше.
С увеличением динамического диапазона сканер лучше передает градации яркости в очень светлых и очень темных участках изображения. Наоборот, при недостаточном динамическом диапазоне детали изображения и плавность цветовых переходов в темных и светлых участках теряются.

Область высокого разрешения

Некоторые планшетные сканеры могут использовать дополнительный объектив с большой степенью увеличения. Для этого случая в техническом паспорте указываются размеры части области рабочего поля сканера, в которой может осуществляться сканирование с повышенным в несколько раз разрешением. Эта область высокого разрешения (High Resolution Area, HRA) обычно намного меньше рабочего поля.

Программное обеспечение сканера

Программное обеспечение сканера состоит из двух частей: программного интерфейса и пакета прикладных графических программ. Программный интерфейс обеспечивает управление сканером, а также его связь с графическими программами сторонних производителей. Это так называемый TWAIN-модуль или драйвер сканера . Говорят, что TWAIN - аббревиатура Toolkit Without An Interesting Name (Инструменты без интересного имени). По существу, спецификация TWAIN является стандартом прикладного программного интерфейса периферийных устройств, в том числе и сканеров. С TWAIN должны быть совместимы все выпускаемые сканеры, цифровые фотокамеры и другие периферийные устройства ввода данных. Стандарт TWAIN поддерживают практически все графические программы. В состав Windows 98 и более поздних версий включен TWAIN-модуль. Однако все же рекомендуется устанавливать TWAIN-модуль, поставляемый вместе со сканером (также, как лучше устанавливать драйвер производителя устройства).
Подключив сканер к компьютеру и установив TWAIN-модуль, вы получаете возможность вызывать процедуру сканирования из графической программы, например, Photoshop, MS PhotoEditor, ACDSee, FineReader и многих других. В различных программах команды сканирования называются по-разному: Import>TWAIN, Acquire, Сканировать и т. п. В графическом редакторе Photoshop команда сканирования выбирается в меню File>Import (Файл>Импорт), в ACDSee - File>Acquire .
TWAIN-модуль имеет пользовательский интерфейс (диалоговое окно), с помощью которого можно настроить параметры сканирования. Внешний вид и состав параметров этого модуля могут быть различными, поскольку производители программного обеспечения сканера ограничены только собственно стандартом TWAIN, а совершенствовать пользовательский интерфейс им никто не мешает. Вместе с тем, существует стандартный набор параметров, которые присутствуют во всех интерфейсах: выбор режима и области сканирования, разрешения, контрастности, яркости и т. д.
Кроме TWAIN-модуля в программное обеспечение сканера обычно входит какой-нибудь, обычно весьма скромный по возможностям, графический редактор и, возможно, программа оптического распознавания символов (OCR). Если у вас на компьютере уже установлены солидные программы, например, графический редактор Photoshop и система OCR FineReader, то дополнительные программные средства, поставляемые вместе со сканером, вам не нужны.
Заметим, что есть сканеры с собственным программным интерфейсом, отличным от TWAIN. В этом случае результат сканирования сохраняется в файле графического формата (например, TIFF), который затем можно открыть для просмотра и правки в графическом редакторе.

Сканирование

Теперь, когда вы решили проблему выбора сканера, можно приступить к самому интересному - к сканированию изображений, текста и даже объемных предметов для ввода этой информации в компьютер.

Настройка основных параметров сканирования

Рассмотрим основные параметры сканирования, которые можно настраивать с помощью графического интерфейса TWAIN-модуля. Для конкретности мы взяли в качестве примера интерфейс сканера MFS 1200SP фирмы Mustek. Это - однопроходный цветной планшетный сканер на основе ПЗС с оптическим разрешением 600 ppi и интерполяционным разрешением 9600 ppi, глубиной цвета 30 бит, подключаемый к компьютеру посредством SCSI-адаптера или собственной интерфейсной платы; формат А4; масса 1 кг. Этим сканером мы, авторы книги, с удовольствием пользуемся последние пять лет.
Один из типовых способов работы состоит в вызове диалогового окна сканера из прикладной программы, например, из графического редактора или OCR-системы. При этом результат сканирования будет сразу загружен в редактор, что очень удобно, поскольку редко когда обходится без хотя бы легкой коррекции отсканированного изображения. Заметим, что некоторые сканеры включаются автоматически при их вызове из прикладной программы, а для других нужно предварительно включить питание специальным переключателем.

Рис. 120. Диалоговое окно сканера MFS 1200SP фирмы Mustek

В Photoshop сканер вызывается командой File>Import (Файл>Импорт)> Название_сканера . При этом открывается диалоговое окно сканера (интерфейс его TWAIN-модуля). Кроме того, возможно, сразу же будет открыто еще одно окно для предварительного просмотра изображения и выбора области сканирования.
Если оно не открывается автоматически, нажмите кнопку Prescan (Предварительное сканирование) в диалоговом окне сканера.
Итак, диалоговое окно сканера на экране монитора. Следовательно, сканер установлен на компьютере и имеет связь с графической прикладной программой. Теперь можно приступить к собственно сканированию. Откройте крышку сканера, положите на рабочее поле (стекло) оригинал (изображением вниз), закройте крышку и щелкните на кнопке Prescan в диалоговом окне. В результате в окне предварительного просмотра появится изображение оригинала, отсканированное с низким разрешением. Это - черновой эскиз оригинала. До окончательного сканирования еще дело не дошло. Теперь можно выделить область сканирования, т. е. участок оригинала, который вам нужен. Для этого с помощью мыши переместите и/или измените размеры рамки, которая видна на фоне эскиза. Для более точного позиционирования рамки можно использовать клавиши со стрелками при нажатой клавише . Чтобы отсканировать указанную область оригинала при текущих значениях параметров, щелкните на кнопке Scan (Сканировать). В диалоговом окне сканера отображаются размеры изображения в выбранных единицах измерения (пикселах, см, мм или дюймах), а также в килобайтах. В результате отсканированное изображение будет загружено в новое окно графического редактора. Вы можете обработать его, если необходимо, а затем сохранить в файле графического формата (см. главу 3). Однако перед сканированием обычно производят настройку параметров? чтобы получить результат с нужным качеством.
При настройке параметров чаще всего пытаются найти компромисс между качеством результирующего изображения (скана), его объемом и временем сканирования. Обычно улучшение качества сопряжено с увеличением объема занимаемой памяти и времени. Затраты времени становятся весьма заметными, если требуется отсканировать подряд много оригиналов, например, несколько десятков фотографий или страниц журнала. Сканирование с большим запасом разрешения приводит к большим затратам памяти и дискового пространства. Например, цветная фотография размером 4x6 дюймов (примерно 10x15 см) при сканировании с разрешением 600 ppi потребует более 25 Мбайт. Такие большие изображения медленно обрабатываются.
Можно выделить два основных подхода к выбору параметров сканирования. Первый состоит в том, что качество результата должно определяться в первую очередь характеристиками устройств и материалов вывода (монитор, принтеры различного типа, полиграфическая техника, печать на газетной или мелованной бумаге и т. п.). Согласно этому подходу, не стоит создавать изображение очень высокого качества, если его вывод будет производиться устройствами с низкими характеристиками («не в коня корм»). Однако при смене типа устройства вывода часто оказывается, что нужно заново сканировать изображение, но уже при других значениях параметров. Данный подход характерен для офисных работ, но нередко применяется и дизайнерами. Согласно второму подходу, при сканировании следует получить максимально возможную графическую информацию об оригинале, а только затем обработать ее в редакторе применительно к типу устройства вывода. Девиз этого подхода: «от того, что мы имеем, всегда можно отказаться». Этот подход применяют, когда заранее не известно, где и как будет использовано изображение. Он типичен, прежде всего, для дизайнеров.

Выбор режима сканирования

Прежде всего необходимо выбрать режим сканирования (Scan Mode), соответствующий типу оригинала и/или желаемого результата. Как правило, можно выбрать следующие режимы:

• Color (Цветной). Цветное изображение, представленное в модели RGB
• Gray или Grayscale (В оттенках серого). Изображения с плавными переходами оттенков серого цвета
• Artline (Произвольные линии). Черно-белое изображение без полутонов
• Halftone (Полутон). Черно-белое изображение, сформированное регулярно расположенными точками различных размеров или штрихами (печатный растр)

В принципе, вы можете выбрать любой из доступных режимов сканирования, независимо от исходного изображения (оригинала). Например, можно сканировать в цветном режиме оригиналы, выполненные в оттенках серого цвета, и, наоборот, цветные оригиналы можно сканировать в режиме оттенков серого. Выбор оптимального режима зависит как от оригинала, так и от вашей цели. Характеристики режимов в приведенном выше списке служат, главным образом, в качестве ориентиров для новичков. Опытные сканировщики легко выбирают режим в зависимости от того, с чем имеют дело и что хотят получить. Но свой опыт они почерпнули из множества экспериментов. Мы вам советуем идти этим путем. Вот некоторые общие рекомендации.

Рис. 121. Изображение типа Artline

Выбор разрешения сканирования

Сканер, как отмечалось выше, обладает разрешающей способностью, определяемой его конструктивными особенностями. Она может быть аппаратной (оптической) или интерполяционной (реконструированной вычислительными средствами). Разрешающая способность является максимальной характеристикой, определяемой техническими особенностями сканера. Однако при сканировании изображения вы можете произвольно выбрать, с каким разрешением это следует делать в данном конкретном случае. Установленное разрешение сканирования может быть меньше или равно аппаратному (оптическому) разрешению сканера, но может и превышать его. В последнем случае речь может идти только об интерполяционном разрешении. При установленном интерполяционном разрешении сканирования кроме собственно аппаратных средств привлекаются программные преобразования. Последние могут быть хорошими или плохими: все зависит от алгоритма преобразования и исходного изображения.
От выбора разрешения сканирования зависит качество полученного изображения, занимаемый им объем памяти, а также скорость сканирования. Качество изображения это, прежде всего, его четкость, плавность цветовых переходов. Другими словами, хороший результат сканирования не должен выглядеть заметно хуже, чем оригинал.
Чем меньше разрешение, тем меньше объем и временные затраты на сканирование и наоборот. Однако с качеством результата дело обстоит сложнее. Здесь напрашивается аналогия с выбором рыболовной сети. Какую сеть выбрать - с мелкими или крупными ячейками, зависит от размеров рыбы, которую вы хотите поймать. Сканер - это устройство, извлекающее информацию, содержащуюся в изображении. Нельзя получить информации больше, чем ее было в оригинале, но ее описание можно сделать избыточным. Избыточные описания графической информации обычно выражаются в чрезмерно больших объемах соответствующих файлов. В идеале нам нужно настроить сканер так, чтобы извлечь из оригинала как можно больше графической информации, или, по крайней мере, не меньше, чем нужно.
Умение правильно выбирать разрешение сканирования приходит с опытом. Однако эксперименты можно упорядочить, чтобы опытность пришла побыстрее. Изображения для простоты можно разделить на два основных типа: фотографии и рисунки. Изображения типа фотографии (фотоснимки, живопись и т. п.) характеризуются большим количеством оттенков и плавностью их переходов, а рисунки (плакаты, чертежи, гравюры и т. п.) - относительно небольшим количеством оттенков, наличием контуров и повышенной контрастностью. Таким образом, в класс фотографий попадают не только фотоснимки, а к классу рисованной графики относятся не только изображения, созданные карандашом, кистью или пером. Иногда встречаются изображения, которые трудно с уверенностью отнести к тому или иному типу. В этом случае попробуйте и так, и эдак. Далее, возьмите несколько картинок каждого типа и отсканируйте их при различных разрешениях. Начните с минимального значения 72 ppi, увеличивая его с некоторым шагом до величины оптического разрешения сканера. В процессе эксперимента нужно зафиксировать две величины разрешения:

• начиная с которой качество изображения становится приемлемым;
• начиная с которой качество изображения практически не изменяется.

Усреднив полученные данные для каждого типа изображений, вы получите значение разрешения, которое следует устанавливать при первой попытке сканирования. При сканировании дело обстоит примерно так же, как и при использовании профессионального фотоаппарата, когда необходимо вручную установить выдержку, диафрагму и фокусное расстояние (резкость). Опытный фотограф быстро оценивает объект съемки и устанавливает нужные параметры своего аппарата. Однако профессионал сделает несколько снимков одного и того же объекта при немного различающихся настройках фотокамеры. Аналогично, при сканировании нередко приходится предпринимать несколько попыток.
Устанавливая разрешение сканирования, следует также учитывать, будет ли изображение увеличено в размерах при показе его на экране монитора или при выводе на печать. С увеличением размеров (т. е. при растяжении) качество изображения, вообще говоря, может ухудшиться. На этот случай создают изображение с некоторым запасом разрешения. Так, если предполагается увеличивать картинку в два раза, то и разрешение должно быть в два раза больше, чем то, которое было достаточным для исходных размеров. Сдругой стороны, если предполагается выводить на монитор или печать уменьшенное изображение, то, возможно, разрешение следует соответственно уменьшить. Маленькие изображения должны иметь небольшое разрешение. Эта ситуация часто возникает в Web-дизайне, где одна и та же картинка часто представляется в двух вариантах: маленькая (thumbnail, миниатюра) - с низким разрешением, и большая - с высоким разрешением.
Если ваш компьютер обладает достаточно большой памятью и затраты времени на сканирование для вас не критичны, то можно рекомендовать установку разрешения, равного аппаратному (оптическому) разрешению сканера. Затем, если потребуется, разрешение полученного изображения можно уменьшить средствами графического редактора. В Photoshop для этого используется команда Image>Image Size (Изображение>Размер изображения). Однако увеличение разрешения средствами графического редактора не повышает качество изображения. При уменьшении разрешения (downsample) из изображения удаляются пикселы и, таким образом, уменьшается количество графической информации. При увеличении разрешения графический редактор добавляет пикселы, используя для вычисления их значений некоторый алгоритм интерполяции (учета значений соседних пикселов).

Рис. 123. Окно установки размеров и разрешения изображения в Photoshop

Вообще говоря, оптимизировать окончательный вариант изображения лучше средствами мощного графического редактора, такого как Photoshop. Работа с графикой с точки зрения дизайнера (художника) обычно происходит в пространстве графического редактора, а не средств программного обеспечения сканера. Но это не означает, что программные средства сканера (TWAIN-интерфейса) должны быть навсегда забыты. Хотя они и создавались главным образом для того, чтобы пользователь мог работать со сканером, не завися от имеющегося у него пакета графических программ, иногда их можно эффективно применять еще до того, как Photoshop проявит всю свою мощь.
В следующей таблице приведены в качестве примера затраты памяти при сканировании изображения размером 4x4 дюйма (11x11 см) в различных режимах и при различных разрешениях.

Тип изображения	Объем изображения при различных разрешениях
	100 ppi	150 ppi	300 ppi	600 ppi
Color	469 Кбайт	1 Мбайт	4,12 Мбайт	16,5 Мбайт
Gray	156 Кбайт	352 Кбайт	1,37 Мбайт	5,5 Мбайт
Artline	19,5 Кбайт	44 Кбайт	175 Кбайт	703 Кбайт

В заключение разговора о разрешении сканирования напомним обстоятельства, которые приходится дополнительно учитывать при выборе разрешения. Во-первых, если отсканированное изображение предназначается для вывода на печать с помощью лазерного или струйного принтера, то устанавливаемое разрешение может быть в 3-4 раза меньше разрешения принтера. Это справедливо в первую очередь для цветных или полутоновых (в оттенках серого) изображений. Для изображений типа Artline или Halftone разрешение сканирования следует выбирать, по возможности, равным разрешению принтера. Например, если у вас обычный струйный принтер с разрешением 300 ppi, то. попробуйте сначала отсканировать изображение с разрешением 75 ppi. Если результат окажется неудовлетворительным, увеличьте разрешение сканирования в 2 раза. Во-вторых, разрешение часто приходится менять при сканировании изображений из высококачественных печатных изданий. Причина тому так называемый муар - эффект взаимодействия нескольких периодических структур (в данном случае, дискретных структур сканирования и печатного растра). Часто этот побочный оптический эффект устраняется выбором более высокого разрешения сканирования. Подавление муара более подробно будет рассмотрено ниже. В-третьих, при выборе начального и, при необходимости, последующих значений разрешения сканирования следует стремиться к тому, чтобы выбранное разрешение было кратно оптическому разрешению сканера, деленному на целую степень двойки:

Устанавливаемое разрешение = Оптическое разрешение: 2 i , где i = 0, 1,2, 3,...

Например, если оптическое разрешение сканера равно 600 ppi, то устанавливаемое разрешение сканирования должно быть как можно ближе к 600, 300, 150, 75 ppi. Такой выбор способствует достижению наибольшей четкости результата сканирования.

Тоновая коррекция изображения

Программное обеспечение сканеров обычно позволяет устанавливать параметры тоновой коррекции - яркость, контрастность, гамма и другие (например, уровни черного и белого). Возможность настройки этих параметров до сканирования очень важна.
Особенно полезно регулировать уровни черного и белого, если оригинал не контрастный и вялый, т. е. в нем нет областей большой и очень малой яркости, а вся графическая информация сосредоточена в средних тонах. В таких случаях к оригиналу подкладывают белый и черный листы бумаги, а область сканирования выбирают так, чтобы захватить эти специальные вложения. Позже их можно удалить из результата сканирования средствами графического редактора. Этот прием позволяет скорректировать результат автоматической настройки уровней черного и белого, которую производит сканер при предварительном сканировании.
Если результат сканирования слишком темный или светлый, то лучше регулировать параметр гамма (если, конечно, есть такая возможность), чем яркость и контрастность. Напомним, что гамма влияет на средние тона изображения, оставляя неизмененными самые темные и самые светлые пикселы, т. е. сохраняя границы диапазона яркостей пикселов. Другими словами, коррекция изображения с помощью параметра гамма является более щадящей.

Рис. 124. Окно настройки тональных параметров сканера MFS I200SP фирмы Mustek

При тональной коррекции, осуществляемой до окончательного сканирования, следует помнить, что она производится для настройки сканера с целью извлечь из оригинала максимум графической информации. Большое количество графической информации не всегда выражается в виде яркого и контрастного изображения. В случае фотографий, например, контрастный результат сканирования, к которому обычно стремятся новички, чаще всего обусловлен потерями исходной информации. Если предполагается дальнейшая обработка изображения в редакторе, то не следует злоупотреблять завышением яркости и контрастности с помощью программного обеспечения сканера, т. к. при этом можно потерять тонкие детали в темных и очень светлых участках.
Следует иметь в виду, что выбранные значения параметров сканирования сохраняются до тех пор, пока вы их снова не измените. Чтобы восстановить значения параметров, принятые по умолчанию, нужно щелкнуть на кнопке Reset (Восстановить), а чтобы посмотреть на результаты выбора параметров в окне предварительного просмотра, щелкните на кнопке Preview (Предварительный просмотр).
Результат сканирования при необходимости можно откорректировать в графическом редакторе, например, в Photoshop. Обычно без этого не обходится, если только речь не идет о черновом сканировании с качеством факса.

Борьба с муаром

Нередко на изображениях, отсканированных с печатных оригиналов, которые были созданы типографским способом, появляется мелкая узорчатая сетка. При этом обычно она тем заметнее, чем более высокого качества оригинал. Этот эффект называется муаром (moire). По существу муар представляет собой интерференционную картину, получающуюся в результате совмещения типографского растра с другими регулярными структурами, такими как пиксельная структура экрана и дискретный процесс сканирования. Возьмите две расчески с различной частотой зубьев, наложите их друг на друга и посмотрите в проходящем свете, немного сдвигая одну расческу относительно другой. Наблюдаемый оптический эффект и есть то, что называется интерференционной картиной.

Рис. 125. Модель, иллюстрирующая механизм возникновения муара

Графические элементы с периодической структурой (например, сетка микрофона или от комаров, шахматный узор, параллельные или радиально расходящиеся линии) также могут вызвать муар. Муар может возникнуть и на штриховой графике. Но все же с наибольшей вероятностью он появляется при сканировании изображений, полученных типографским способом.

Рис. 126. Мелкая сетка на изображении, особенно на его светлых участках, - муар

Итак, муар может появиться, если оригинал имеет печатный растр, а разрешение сканирования близко к величине, кратной линеатуре печатного растра. Наиболее часто это происходит, когда выбранное разрешение близко к самой линеатуре. Линеатура (пространственная частота - screen frequency) измеряется как количество линий на дюйм (lines per inch, Ipi). Это - характеристика, в первую очередь, печатающих устройств и, во вторую очередь, изображений, полученных на них. Газеты обычно имеют линеатуру 85 Ipi, полиграфическая печать высокого качества - 133 Ipi, высшего качества - 300 Ipi (вариантов линеатур немного).
До сканирования печатного оригинала полезно узнать его линеатуру и выбрать разрешение сканирования, немного (на 5-10%) отличающимся от нее. Однако на практике, если вы не знаете линеатуру отпечатка или не хотите тратить время на ее выяснение, выбирайте разрешение сканирования просто в 1,5-2 раза больше, чем предполагаемая линеатура. Например, при сканировании оригиналов газетного качества разрешение устанавливают 100-170ppi; при сканировании изображений высококачественной печати - более 200 ppi. Иногда советуют сканировать с максимальным (оптическим) разрешением сканера. Это вполне согласуется с общей идеей борьбы с муаром путем выбора подходящего разрешения. Кроме того, этот совет очень хорош в случае высококачественного типографского отпечатка. Следуя ему, вы одновременно добиваетесь максимальной четкости и избавляетесь от муара. Если и в этом случае муар не исчез, попытайтесь немного изменить (уменьшить) разрешение. Однако не следует забывать, что при выборе разрешения приходится учитывать и другие критерии (четкость, объем, время, необходимость увеличения).
Другой способ борьбы с муаром состоит в том, чтобы слегка, на 5-15 градусов, наклонить оригинал. Однако последующее его выравнивание средствами графического редактора может снова привести к появлению муара. Для некоторых картинок этот прием вполне приемлем.
В диалоговом окне программного обеспечения большинства сканеров имеется команда (фильтр), специально предназначенная для подавления муара. Она может называться по-разному: Descreen, Demoire pattern и т. п. Однако пользоваться ими следует осторожно, поскольку они уменьшают четкость изображения (смотрите, как бы с водой не выплеснуть и ребенка!). Впрочем, прием, основанный на размытии изображения и последующем восстановлении четкости в графическом редакторе, применяют довольно часто. В Photoshop для удаления муара сначала добавляют к изображению монохроматический шум (меню Filter ), затем применяют гауссовское размытие (фильтр Gaussian Blur ) и, наконец, восстанавливают четкость с помощью фильтра Sharpen или Unsharp Mask (Нечеткая маска).
Мы уже отмечали в этой главе, что появление муара более вероятно для высококачественных печатных оригиналов, чем для картинок приемлемого качества на газетной бумаге из-за так называемого растискивания (расплывания краски). Впрочем, нередко и на плохой бумаге печатный растр хорошо заметен. В струйных принтерах применяется технология случайного растра, что практически исключает появление муара.
Итак, риск появления муара при сканировании типографских оттисков весьма велик. Муар - не дефект сканера, а проявление природного*взаимодействия света с регулярными структурами на пути его прохождения (в оптике есть раздел, специально посвященный прохождению света через решетки). Муар можно подавлять выбором надлежащего разрешения, а также применением фильтров размывания на уровне программного обеспечения сканера или графического редактора. Можно также уменьшить размеры изображения, чтобы сделать муар менее заметным.

Кольца Ньютона

При сканировании пленок (прозрачных оригиналов) проявляются так называемые кольца Ньютона . Это концентрические радужные помехи. Они возникают при сканировании покоробленных пленок и, главным образом, как результат отражения света в множестве мельчайших капелек влаги, расположенных на поверхности пленки. Опытные сканировщики отмечают, что кольца Ньютона чаще появляются поздней осенью и зимой. Поэтому используйте для пленок специальные рамки, а также просушивайте их (например, обычным феном) перед сканированием. При просушке необходимо, конечно, следить, чтобы из-за перегрева не повредилась эмульсия.

Сканирование фотографий

На практике чаще всего сканируются фотографии. Здесь речь пойдет о сканировании фотоснимков, полученных с помощью обычных фотокамер и отпечатанных на фотобумаге. Обычный пользователь компьютера приобретает сканер в основном именно для этой цели. Цветные фотографии, полученные где-то в 70-х и 80-х годах прошлого века, быстро выцветают. Они не выдерживают никакого сравнения с фотоснимками начала XX века. У нас, например, есть великолепные экземпляры отпечатков образца 1905 года. Со временем они испытали лишь некоторые механические повреждения (царапины, перегибы бумаги), но оставшиеся фрагменты восхищают своей четкостью. Современные фотоотпечатки, возможно, сохранят графическую информацию 20-25 лет. Поэтому лучший способ надежно и надолго сохранить свой домашний фотоархив - отсканировать снимки и записать их на магнитных носителях или лазерных дисках.
При сканировании фотоснимков, полученных с помощью обычных фотокамер и отпечатанных на фотобумаге, проблем с муаром, как правило, не возникает. Выбор разрешения определяется только требуемой четкостью (резкостью), а также размерами изображения. Если вы собираетесь его увеличивать при выводе на экран или печать, то разрешение сканирования следует выбрать с некоторым запасом. Мы уже неоднократно говорили об этом.
Обычные любительские фотографии сканируются, как правило, при разрешении 75-150 ppi, если предполагается выводить их на экран монитора. Для вывода на печать разрешение следует устанавливать примерно равным разрешению принтера. Результат сканирования приходится немного обработать в графическом редакторе (отрегулировать яркость, контрастность, цветовой баланс и т. п.). Если мы собираемся отправить отсканированные фотоснимки по электронной почте тому, кто умеет работать с графикой, то чаше всего мы не делаем обработку, рассчитывая на то, что получатель это сделает, как ему надо. Таким образом, мы пересылаем ему исходную графическую информацию. В Web-дизайне, наоборот, требуется обработать результат сканирования так, чтобы он и выглядел надлежащим образом, и места на диске занимал как можно меньше (загружался в браузер быстрее).
Одна из основных проблем сканирования отпечатков на фотобумаге заключается в так называемых «провалах в тенях». Иначе говоря, сканер не в состоянии зафиксировать детали в темных участках изображения. Эта проблема возникает из-за недостаточного динамического диапазона оптической плотности недорогих офисных сканеров. Попробуйте отпечатать фотографии в более мягком проявителе или на менее контрастной бумаге. Если при этом снимок не потерял насыщенности черного цвета, а проработка деталей в тенях улучшилась, то вы на верном пути. Особую сложность представляет собой сканирование снимков, выполненных в так называемом низком ключе , когда основные полутоновые переходы сконцентрированы в области теней (темных участков). Именно такие фотографии, снятые ночью в свете вспышки или днем при неярком освещении, очень часто создаются как художественные произведения, а не как фотодокументы. Таким фото обычно отдается предпочтение в Web-дизайне. Возможно, в этом случае вам придётся выбирать одно из двух возможных решений:

• печатать фотографии обычным образом, а затем повышать контрастность темных участков в графическом редакторе (инструменты Curves (Кривые) и Levels (Уровни) в Photoshop);
• печатать фотографии светлей и мягче, чем обычно (этим мы переносим теневые участки в более благоприятный для сканера диапазон), а затем повысить общую контрастность снимка в графическом редакторе (инструменты Levels (Уровни) и Brightness/Contrast (Яркость/Контрастность) в Photoshop).

Сканирование объемных предметов

Богатым источником исходного материала для художественных композиций является сканирование объемных предметов. Но не все сканеры могут это делать с приемлемым качеством. CCD-сканерам (т. е. сканерам на основе ПЗС-матрицы) это доступно, а CIS-сканерам - нет. Хотя глубина (третье измерение) объемных оригиналов, достижимая сканером, не превышает нескольких сантиметров, получаемый эффект может быть очень интересным. Однако сразу же предупредим, что попытка отсканировать свое лицо приведет, скорее всего, к ожогу глаз и потере зрения.
При сканировании объемных предметов обычно приходится снимать крышку, что дает доступ свету от внешних источников. Это может ухудшить качество изображения. Поэтому применяйте белую или черную ткань, закрывая ею сканируемый предмет.
Наиболее сложными для сканера являются слишком темные и очень блестящие предметы. В темных предметах плохо выделяются детали. В случае блестящих предметов нужно подобрать их расположение так, чтобы уменьшить ненужные блики. Это относится, в частности, и к книгам с золотым тиснением. Однако золотые фрагменты оформления обложек книг обычно выглядят в результате сканирования не как блестящие, а как темные. Чтобы поправить это, плоскость книги располагают под некоторым углом к плоскости рабочего поля сканера. Для этого можно что-нибудь подложить под какой-нибудь угол книги, например, спичку или коробку от компакт-диска.
На следующих рисунках приведены примеры пограничных случаев сканирования объемных предметов - модели паровоза и часов. Изображение часов не обрабатывалось в графическом редакторе. А вот изображение паровоза пришлось, как говорят, «вытягивать» в Photoshop, поскольку оригинал - из черной матовой пластмассы, плохо отражающей свет. Конечно, для улучшения отражательных свойств можно было бы смочить паровоз растительным или машинным маслом, но мы не стали, поскольку он нам еще нужен, и, кроме того, мы не хотели ненароком испачкать стекло рабочего поля сканера.

Рис. 127. Модель пульта из черной пластмассы - трудный для сканера оригинал из-за слабых отражательных свойств

Рис. 128. Часы в блестящем металлическом корпусе. Блики вполне приемлемы

Средним по отражательным свойствам объектом сканирования является печатная плата. Подобные изображения могут использоваться, например, в качестве иллюстраций книг и статей.

Рис. 129. Сетевая карта, отсканированная при разрешении 300ppi без специальной настройки сканера и обработки изображения в графическом редакторе

Вы можете поэкспериментировать с применением зеркала при сканировании объемных предметов. На стекло рабочего поля устанавливается предмет сканирования, а над ним, под некоторым углом, зеркало. Результат должен содержать, помимо предмета, его зеркальное отражение.

Сканирование текстов

На практике часто приходиться вводить в компьютер информацию из текстовых документов, например, из книг; журналов и газет. Чтобы ускорить этот процесс, применяют сканеры. Однако результат сканирования, вообще говоря, есть просто графическое изображение (рисунок), хотя и содержащее буквы (нарисованные). Если вы сохранили его в файле графического формата, то сможете открыть потом лишь в редакторе или программе просмотра графики. Хотя редактировать тексты в графическом редакторе в принципе возможно, на практике, конечно, никто этого не делает (кроме того, изображение текста с точки зрения компьютера текстом не является, редактировать его придется как рисунок). К тому же хранить текстовую информацию в файлах графического формата - верх расточительности в использовании дискового пространства. Текстовая информация вместе с иллюстративной графикой сканируется, чтобы затем передать ее программе оптического распознавания символов (OCR) , например, FineReader или CunieForm.

Рис. 130. Главное окно программы FineReader

С помошью программы OCR результат сканирования будет разделен на текст и рисунки (если они есть) и может быть сохранен в файле формата, доступного текстовым или табличным редакторам, например, MS Word или MS Excel.
Вы можете сначала отсканировать текстовый документ и сохранить результат в файле графического формата, например, JPEG или TIFF, а затем открыть его в программе OCR и выполнить распознавание (recognize) символов . Но можно поступить и иначе: выполнить сканирование прямо из программы OCR, а затем произвести распознавание. Мы предпочитаем именно этот путь. Кстати, многие программы OCR позволяют произвести сканирование и распознавание с помошью одной команды. Однако в случае, когда вы сканируете много фрагментов, а распознаете лишь некоторые из них, лучше разъединить эти процессы.
Современные программы OCR справляются с ситуацией, когда оригинал положен на рабочее поле сканера не очень прямо. Это удобно, поскольку можно просто небрежно бросать оригиналы на рабочее поле, не слишком заботясь об их выравнивании. Однако не советуем вам злоупотреблять этой возможностью.
Некоторые программы OCR требуют, чтобы текстовый документ был отсканирован в режиме Artline . Солидные и современные программы OCR не обременят вас этим ограничением.
Если оригинал представляет собой просто текст без графики, то сканировать его нужно в режимах Artline или Gray . Режим Artline обычно применяют к высококачественным отпечаткам текста без иллюстраций, полученным, например, с помошью лазерного или струйного принтера. Разрешение сканирования выбирается в зависимости от размера шрифта. Для шрифтов размеров 12 пт и менее разрешение в режиме Artline устанавливают около 400-450 ppi. Для более крупных шрифтов разрешение можно уменьшить до 200-300 ppi. В режиме Gray на один пиксел требуется в 8 раз больше памяти, чем в режиме Artline . Однако при сканировании текстов в этом режиме можно устанавливать меньшее разрешение, чем в режиме Artline , - примерно 150-300 ppi в зависимости от размера и гарнитуры шрифта. Если объем занимаемой памяти и время сканирования для вас не критичны, то советуем выбирать режим Gray . При сканировании документов, содержащих, кроме текста, картинки, следует выбирать режим Gray (или Color , если требуется получить цветные изображения картинок). В этих режимах сканирования удается получить больше графической информации об оригинале, которая важна для высококачественного распознавания символов.
Программа OCR при распознавании текста в графическом изображении использует словари разных языков, что позволяет ей исправлять дефекты сканирования. Тем не менее, ошибки распознавания текста все же остаются. Перед тем как инициировать собственно распознавание, просмотрите результат сканирования. Прежде всего следует обратить внимание на качество отображения таких букв, как «е» и «с», «к» и «н», «л» и «п», «i» и «1», «r» и «г». Если случаев взаимной замены в перечисленных парах букв много, лучше повторить сканирование при большем разрешении. Если результат распознавания содержит слишком много ошибок, то также советуем повторить процедуру сканирования при большем разрешении.
Если вам предстоит сканировать множество страниц с текстовой информацией примерно одинакового качества, то целесообразно сначала не спеша правильно подобрать параметры сканирования. Это можно сделать с помощью экспериментов над небольшим фрагментом документа. Подобрав оптимальные значения параметров, можно затем поставить сканирование и распознавание на поток. Программное обеспечение сканеров и OCR обычно имеют специальную команду, задающую пакетный режим работы (Buth mode ).

Основным методом перевода бумажных документов в электронную форму является сканирование графический образ сканером .

Сканер

универсальные и специальные .

Универсальные сканеры обеспечивают ввод текстовой и графической информации в цветном или черно-белом формате. Среди универсальных сканеров выделяются следующие виды:

· Ручной сканер – самый простой вид сканеров, дающий наименее качественное изображение. Такой сканер не имеет движущихся частей, и сканирование производится путем перемещения сканера над поверхностью документа вручную. Их недостатком является очень узкая полоса сканирования (стандартный лист бумаги приходится сканировать в несколько проходов), а также высокие требования к самому процессу сканирования.

· Листовой сканер – позволяет за одну операцию сканировать лист бумаги стандартного формата. По конструкции напоминает факс-аппарат: оригинал втягивается внутрь специальными роликами (как в принтере) и сканируется по мере перемещения мимо неподвижной светочувствительной матрицы. Обеспечивая высокое качество сканирования, эти сканеры не позволяют обрабатывать книги и журналы без их разброшюровки на отдельные страницы.

· Планшетный сканер – наиболее универсальное устройство, подходящее под большинство задач и позволяющее сканировать любые документы (отдельные листы, книги, журналы и т.д.). Под крышкой сканера располагается прозрачное основание, на которое кладется документ. Блок сканирования перемещается вдоль документа внутри корпуса сканера. Продолжительность сканирования стандартного машинописного листа составляет от одной до нескольких секунд. Планшетные сканеры обеспечивают наилучшее качество и максимальное удобство при работе с бумажными документами.

Многие модели планшетных сканеров имеют возможность установки автоматического загрузчика документов из пачки, а также подключения слайд-модуля, осуществляющего «оцифровку» слайдов и негативных фотопленок для задач профессиональной фотографии или полиграфии.

Специальные типы сканеров предназначены для выполнения специальных функций. К ним относятся следующие:

· Барабанные сканеры обеспечивают наивысшее разрешение сканирования. Оригинал закрепляется на барабане при помощи специальных зажимов, либо при помощи смазки, а сканирование производится построчным перемещением объектива вдоль вращающегося со скоростью порядка 1000 оборотов в минуту барабана. Использование галогенного источника света, световой поток от которого концентрируется на точечной области барабана, позволяет исключить влияние помех и обрабатывать весь спектр оригиналов с высочайшим качеством.

· Сканеры форм - специальные сканеры для ввода информации с заполненных бланков. Это разновидность листовых сканеров. С помощью подобных устройств вводят данные из анкет, опросных листов, избирательных бюллетеней. От сканеров этого типа требуется не высокая разрешающая способность, а очень высокое быстродействие. В частности, для сканеров этого типа автоматизируют подачу бумажных листов в устройство.

· Штрих-сканеры - разновидность ручных сканеров, предназначенных для считывания штрих-кодов с маркировки товаров в магазинах. Штрих-сканеры позволяют автоматизировать процесс подсчета стоимости покупок. Они особенно удобны в торговых помещениях, оборудованных электронной связью и производящих расчеты с покупателями с помощью электронных платежных средств (кредитных карт, смарт-карт и т.п.).

· Слайдовый сканер - специализированный вариант планшетного сканера, разработанный для оцифровки слайдов и негативных фотопленок для задач профессиональной фотографии или полиграфии. Слайд или пленка вставляется в приемную щель и перемещается между лампой подсветки и объективом. Параметры выходного изображения достаточны для фотоальбома или полиграфического воспроизведения.

Несмотря на такое разнообразие видов сканеров, устройство и принципы их работы во многом схожи. В качестве примера рассмотрим, как работает планшетный сканер, упрощенная структурная схема которого приведена на рис. 10.

Основными элементами планшетного сканера являются:

· подложка (крышка) – закрывает оригинал, с которого производится сканирование. Изготовляется из черного материала, максимально поглощающего видимую часть спектра, чтобы предотвратить появление на результирующем изображении всевозможных бликов света, отраженного от размещенных за оригиналом предметов;

·
стекло , на котором размещается сканируемый оригинал;

· светодиодная матрица – набор датчиков (светочувствительных элементов), расположенных в одну линию для черно-белого сканирования или в три линии для сканирования в цвете за один проход. В качестве светочувствительных элементов используются приборы с зарядовой связью (ПЗС – CCD – Charge Coupled Device ). Основное назначение матрицы ПЗС – разделить световой поток на три составляющих (красную, зеленую и синюю) и преобразовать уровень освещенности в уровень напряжения;

· оптическая система – состоит из объектива и зеркал (или призмы) и предназначена для проецирования светового потока, отраженного от сканируемого оригинала, на светодиодную матрицу, осуществляющую разделение информации о цветах. Обычно используется один фокусирующий объектив (или линза), который проецирует полную ширину области сканирования на полную ширину матрицы ПЗС;

· лампа – источник света, располагаемая на движущейся каретке и освещающая сканируемую страницу. В современных моделях используются лампы с холодным катодом (Cold Cathode Lamp ), обеспечивающие световой поток заданной интенсивности и имеющие повышенные характеристики долговечности. Ориентированные на профессиональную работу с цветом, сканеры содержат схемы самокалибрации по интенсивности светового потока от лампы и поддержания стабильности светового потока при изменении температуры;

· шаговый двигатель – обеспечивает перемещение оптического блока , в который входят лампа, оптическая система и светодиодная матрица;

· блок усиления сигналов – усиливает аналоговые напряжения с выходов матрицы ПЗС, осуществляет их коррекцию и обработку;

· аналого-цифровой преобразователь (АЦП ) – преобразует аналоговые напряжения в цифровой код;

· контроллер сканера – обеспечивает прием команд от компьютера и выдачу ему полученных цифровых кодов.

Процесс сканирования достаточно прост. Оригинал (лист документа, развернутая книга и т.п.) располагается на прозрачном неподвижном стекле и закрывается крышкой. При подаче с компьютера команды на сканирование включается лампа и сканирующая каретка с оптическим блоком начинает перемещаться вдоль листа. Яркий свет от лампы падает на сканируемый оригинал, а затем, отражаясь от него, световой поток фокусируется оптической системой и поступает на приемник сигнала – матрицу ПЗС, которая порознь воспринимает красную, зеленую и синюю составляющие спектра. Полученные на выходе матрицы ПЗС аналоговые напряжения, пропорциональные спектральным составляющим, усиливаются и подаются в аналого-цифровой преобразователь, который и осуществляет цифровое кодирование. С АЦП информация выходит в «знакомом» компьютеру двоичном виде и, после обработки в контроллере сканера через интерфейс с компьютером поступает в драйвер сканера – обычно это так называемый TWAIN -модуль, с которым уже взаимодействуют прикладные программы.

! Для того, чтобы увидеть принцип работы планшетного сканера, оденьте наушники и выполните двойной щелчок мышью по этому рисунку:

Основные параметры и характеристики сканеров:

1. Разрешение сканирования (Scanning Resolution ) характеризует величину самых мелких деталей изображения, передаваемых при сканировании без искажений. Измеряется обычно в dpi (dot per inch ) - числе отдельно видимых точек на дюйм изображения. Существует несколько видов разрешения, указываемого 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, определяющим детальность получаемых с его помощью изображений. В массовых моделях планшетных сканеров обычно оно бывает равно 600 или 1200 dpi. Сканирование всегда следует выполнять с разрешением, кратным оптическому, при этом интерполяционные искажения будут минимальны.

· Механическое разрешение определяет точность позиционирования каретки с ПЗС-линейкой при перемещении вдоль изображения. Механическое разрешение обычно в 2 раза больше оптического.

· Интерполяционное разрешение получается путем 16-кратного программного увеличения изображения. Оно не несет в себе абсолютно никакой дополнительной информации об изображении по сравнению с реальным разрешением, причем в специализированных пакетах операция масштабирования и интерполяции выполняется зачастую качественнее, чем драйвером сканера.

2. Глубина цвета, илиразрядность (Color Depth ) 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). Количество цветов, воспроизводимых 24-х-битным сканером (8 бит на канал) равно 2 24 = 16 777 216. Более совершенные 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 в основном характерна для дешевых моделей. Профессиональные и полупрофессиональные сканеры имеют и внешнюю разрядность 30, 36, 42 бит или выше.

3. Диапазон оптических плотностей (Optical Density Range ) – это динамический диапазон сканера, который во многом определяется его разрядностью. Он характеризует возможность сканера правильно передавать изображения с большим или с очень маленьким разбросом яркости (возможность отсканировать «фото черной кошки в темной комнате»). Вычисляется как десятичный логарифм от отношения интенсивности падающего на оригинал света к интенсивности отраженного света, и измеряется в ОD (Optical Density ) или просто D : 0,0 D соответствует идеально белому цвету, 4,0 D - идеально черному. У сканера этот диапазон зависит от разрядности: у 36-битного сканера он не превышает 3,6 D, у 30-битного - 3,0 D. Сканируемые изображения обычно обладают диапазоном до 2,5 D для фотографий и 3,5 D для слайдов. Дешевые 24-битные планшетные сканеры имеют динамический диапазон 1,8-2,3 D, хорошие 36-битные - до 3,1-3,4 D.

4. Размер области сканирования . Для планшетных сканеров наиболее распространены форматы A4 и A3, для рулонных сканеров - A4, а для ручных сканеров область сканирования составляет обычно полосу шириной 11 см.

5. Соответствие цветов оригинального изображения его цифровой копии . На сегодняшний день одна из самых распространенных систем управления точностью цветопередачи та, что основана на профилях International Color Consortium (ICC ), описывающая особенности цветопередачи различных устройств. Процесс создания профиля ICC базируется на сканировании специально изготовленной тестовой таблицы и сравнении полученных результатов с эталоном. По результатам и определяются характеристики устройства, учитываемые драйвером и приложениями. В дорогих моделях сканеров применяются специальные программно-аппаратные системы для цветокалибровки.

6. Качество драйвера . Все современные сканеры обмениваются данными с прикладными программами под Windows с помощью программного интерфейса TWAIN , однако предоставляемый драйвером набор функций может быть разным, его обязательно следует уточнить при выборе сканера. Среди них наиболее важны:

· возможность предварительного просмотра изображения с выбором области сканирования и количества цветов;

· возможность регулировки яркости, контраста и нелинейной цветовой коррекции;

· возможность подавления муара при сканировании изображений с печатным растром;

· возможность простейших преобразований изображения (инверсия, поворот и т.п.);

· возможность сетевого сканирования;

· возможность режимов автоматической коррекции контраста и цветопередачи;

· возможность работы сканера (в сочетании с принтером) в режиме копира;

· возможности по цветокалибровке как сканера, так и всей системы;

· возможности по пакетному сканированию;

· возможности тонкой настройки фильтров и параметров цветокоррекции.

7. Количество и качество прилагаемого к сканеру ПО. Традиционно в комплекте со сканерами поставляются ПО обработки изображений (Adobe PhotoDeluxe или Photoshop LE , ULead Photo Impact и др.) и программа оптического распознавания текста (OCR - Optical Character Recognition ). В комплект ПО обычно входят две таких программы: англоязычная (Xerox TextBridge или Caere OmniPage Pro ) и предназначенная для распознавания русских текстов программа OCR - одна из версий FineReader производства ABBY Software .

Высококачественные профессиональные и полупрофессиональные планшетные сканеры производят компании Agfa , Linotype-Hell , Microtek (ряд моделей известны под OEM-логотипом NeuHouse), Umax ; рассчитанную на массового пользователя технику выпускают компании Artec , Epson , Genius , Hewlett-Packard , Mustek , Plustek , Primax и др.

Для различных типов сканеров в табл. 3 приведены типовые значения указанных параметров.

Таблица 3. Значения параметров основных типов сканеров

Для подключения сканеров в настоящее время применяют следующие интерфейсы:

· собственный (Proprietary ) интерфейс разработчика сканера, применявшийся в ранних моделях планшетных и ручных сканеров и представлявший собой специализированную плату на шине ISA , для работы которой требовался драйвер;

· с параллельным портом EPP (LPT , или ECP ) выпускаются самые младшие модели в семействах планшетных сканеров различных производителей. Сканеры с таким интерфейсом имеют, как правило, посредственные характеристики и рассчитаны на выполнение несложных работ;

· интерфейс SCSI является стандартом для подключения высококачественных и высокопроизводительных устройств, обеспечивает межплатформенную совместимость сканера и его малую зависимость от смены операционной системы. К SCSI-сканерам обычно прилагается SCSI-плата на шине ISA , хотя такой сканер можно подключать и к полнофункциональным SCSI-контроллерам на шине PCI . Большинство 30- и 36-разрядных сканеров с разрешением 600 dpi и выше выпускаются с этим интерфейсом;

· интерфейс USB - это интерфейс для подключения сканеров, активно рекомендуемый спецификациями PC98 и PC99 . Удобство единого интерфейса для разных устройств и достаточно высокая пропускная способность привели к тому, что большинство сканеров для непрофессионального применения выпускаются именно с этим интерфейсом.

Для ввода данных в системах трехмерного моделирования и автоматизированного проектирования (САПР, или CAD/CAM - Computer-Aided Design/Modeling ) используется графический планшет (Digitizer – дигитайзер) - кодирующее устройство, позволяющее вводить в компьютер двумерное, в том числе и многоцветное, изображение в виде растрового образа.

В состав графического планшета входит специальный указатель (перо) с датчиком. Собственный контроллер посылает импульсы по расположенной под поверхностью планшета сетке проводников. Получив два таких сигнала, контроллер преобразует их в координаты, передаваемые в ПК. Компьютер переводит эту информацию в координаты точки на экране монитора, соответствующие положению указателя на планшете. Планшеты, предназначенные для рисования, обладают чувствительностью к силе нажатия пера, преобразуя эти данные в толщину или оттенок линии.

Для подключения планшета обычно используется последовательный порт. Распространенными параметрами являются разрешение порядка 2400 dpi и высокая чувствительность к уровням нажатия (256 уровней). Графические планшеты и дигитайзеры производят компании CalComp , Mutoh , Wacom и другие.

Для устройств рукописного ввода информации характерна такая же схема работы, только введенные образы букв дополнительно преобразуются в буквы при помощи специальной программы распознавания, а размер площадки для ввода меньше. Устройства перьевого ввода информации чаще используются в сверхминиатюрных компьютерах PDA (Personal Digital Assistant ) или HPC (Handheld PC ), в которых нет полноценной клавиатуры.

ВЫВОДЫ

1. Клавиатура является основным устройством ввода информации в ПК. Она представляет собой совокупность механических датчиков, воспринимающих давление на клавиши и замыкающих определенную электрическую цепь. Наиболее распространены два типа клавиатур: с механическими и с мембранными переключателями .

Все клавиши разбиты на группы: буквенно-цифровые клавиши , предназначенные для ввода текстов и чисел; клавиши управления курсором (эта группа клавиш может быть использована также для ввода числовых данных, просмотра и редактирования текста на экране); специальные управляющие клавиши (переключение регистров, прерывание работы программы, вывод содержимого экрана на печать, перезагрузка ОС ПК и др.); функциональные клавиши , широко используемые в сервисных программах в качестве управляющих клавиш.

Наиболее распространенным стандартом расположения символьных клавиш является раскладка QWERTY (ЙЦУКЕН ), которая при желании может быть перепрограммирована на другую.

2. Для управления курсором удобным средством является устройство, называемое мышью . Подавляющее число компьютерных мышей используют оптико-механический принцип кодирования перемещения . В переносных ПК вместо мыши используюттрекбол,тачпад,трекпойнт.

3. Для визуального отображения информации используется видеосистема компьютера, включающая монитор (дисплей), видеоадаптер и программное обеспечение (драйверы видеосистемы).Монитор (дисплей) – это устройство визуального отображения текстовой и графической информации на экране кинескопа (электронно-лучевой трубке – ЭЛТ) или жидкокристаллическом экране (ЖК-экране).

К основным параметрам мониторов относятся: кадровая частота монитора, частотастрок, полоса видеосигнала, способ формирования изображения, размерзерна люминофора экрана монитора, разрешающая способность монитора, типоразмер экрана монитора.

Видеоадаптер (видеокарта , видеоконтроллер ) – это внутрисистемное устройство ПК, предназначенное для хранения видеоинформации и ее отображения на экране монитора. Он непосредственно управляет монитором, а также процессом вывода информации на экран с помощью изменения сигналов строчной и кадровой развертки ЭЛТ монитора, яркости элементов изображения и параметров смешения цветов.

4. Принтеры (печатающие устройства) – устройства вывода данных из ЭВМ, преобразующие информационные ASCII-коды в соответствующие им графические символы (буквы, цифры, знаки и т.п.) и фиксирующие эти символы на бумаге.

Принтеры разнятся между собой по различным признакам: по цветности – черно-белые и цветные; по способу формирования символов – знакопечатающие и знакосинтезируюшие; по принципу действия – матричные, термические, струйные, лазерные; по способу печати – ударные, безударные; по способам формирования строк – последовательные, параллельные; по ширине каретки – с широкой (375-450 мм) и узкой (250 мм) кареткой; по длине печатной строки – 80 и 132-136 символов; по набору символов – вплоть до полного набора символов ASCII; по скорости печати ; по разрешающей способности .

5. Основным методом перевода бумажных документов в электронную форму является сканирование - технологический процесс, в результате которого создается графический образ бумажного документа, как бы его «цифровая фотография». Сканирование осуществляется с помощью специального устройства, называемого сканером .

Сканер – это оптико-электронно-механическое устройство, которое предназначено для преобразования визуального образа бумажного документа в графический файл, сохраняющий растровое изображение исходного документа и предаваемый в компьютер для последующей обработки (распознавания, редактирования и т.п.).

По своему предназначению сканеры делятся на универсальные (ручные, листовые и планшетные) и специальные (барабанные, сканеры форм, штрих-сканеры, слайдовые сканеры).

Основные характеристики сканеров: разрешение сканирования (оптическое, механическое и интерполяционное), глубина цвета (разрядность), диапазон оптических плотностей, размер области сканирования, соответствие цветов оригинального изображения его цифровой копии, качество драйверов и прилагаемого программного обеспечения.

Оптико-электронное оснащение лазеров

Оптическое сканирование, параллельный ввод информации об оптических свойствах объектов. Винтовой, зигзагообразный, спиральный, конический просмотр зоны (объекта). Лазерные сканирующие устройства: принципы, способы и схемы построения. Оптическое и оптико-механическое обеспечение лазерного сканирования. Позиционирование и синхронизация лазерного луча. Волоконные световоды в системах с полупроводниковыми лазерами. Техника соединения лазеров и световодов; цилиндрические, сферические, стержневые линзы. Схемотехника управления полупроводниковыми лазерами. Возбуждение, модуляция, ретрансляция лазерного излучения. Стабилизация мощности излучения по электрическим и оптическим каналам.

Принципы и схемы оптического сканирования

4.1. Пояснить термин «сканирование» с акцентом на оптическое обеспечение процесса.

(от англ. scan - поле зрения) рассматривается как управляемое пространственное перемещение по заданному закону достаточно узкого целенаправленного физического (материального) излучения (потока радиоволн, пучка электронов, луча света). Вместе с тем сканирование естественно воспринимать как процесс систематического (последовательного) обзора ограниченной зоны (области, сферы) при строго ориентированном перемещении радиолуча, электронного пучка, оптического луча по определенному маршруту и закону. Сканирование позволяет обнаружить объекты, находящиеся в зоне обзора, наблюдать за ними, считывать и вводить информацию о характеристиках и свойствах объектов.

Оптическое сканирование осуществляется тщательно сфокусированным, целенаправленным лучом света. Этим достаточно жестким условиям в наибольшей степени отвечает оптическое излучение газовых и твердотельных лазеров.

4.2. Рассмотреть принципы, схему, процессы одномерного (линейного) оптического сканирования плоского объекта узким (игольчатым) лучом, исследуя (моделируя) оптические характеристики объекта в проходящем свете.

Игольчатым называется луч света, интенсивность которого по всей длине сосредоточена в области (сечении) весьма небольшой площади. Как правило, предполагается также, что игольчатый луч симметричен относительно основного направления максимальной интенсивности излучения.

В конкретный момент времени узкий луч света неизменного уровня Φ 0 освещает отдельный участок (фрагмент) одномерного (линейного) объекта (например, строки текста) и создает на этом участке сканирующее (световое) пятно (рис. 4.1, а). Далее сканирующее пятно ритмично сдвигается (на рисунке вправо) вдоль объекта, освещая новые его фрагменты. Предполагаемые границы освещаемых фрагментов показаны на рис. 4.1, а пунктирными линиями.

Потоки света Φ пр, проходящие через фрагменты полупрозрачного объекта, далее регистрируются многоэлементным фотоприемником (рис. 4.1, б), причем каждому фрагменту объекта соответствует определенный фоточувствительный элемент фотоприемника. Если фотоприемник является полупроводниковым, то в освещаемом фоточувствительном элементе за счет внутреннего фотоэффекта генерируется заряд электронов, уровень которого пропорционален экспозиции (интенсивности падающего света и длительности освещения). Этот заряд по окончании заданного интервала сканирования передается в выходное устройство фотоприемника, которое формирует видеосигнал электрического напряжения или тока (рис. 4.1, в). Амплитуда такого видеосигнала строго соответствует световому потоку Φ прi , проходящему через i-й фрагмент объекта, и, таким образом, дает четкую информацию об оптической плотности объекта в контролируемой части.

Тем самым оптическое сканирование дает возможность преобразовать оптические характеристики линейного объекта (рис. 4.1, а) в пакет фотогенерированных зарядов разного уровня и далее в последовательность электрических видеосигналов различной амплитуды.

4.3. Отметить особенности линейного сканирования плоского объекта (рис. 4.1, а) при исследовании его оптических характеристик в отраженном свете.

В этом случае сканирование происходит по уже рассмотренному циклу (рис. 4.1, а), но фоточувствительные элементы многоэлементного фотоприемника поочередно воспринимают потоки света Φ отрi , отраженные от соответствующих фрагментов исследуемого объекта (рис. 4.2
). Существенно не изменяются временные диаграммы (рис. 4.1, в) формирования выходных видеосигналов. Очевидно, однако, что в варианте (рис. 4.2
) амплитуда видеосигналов определяется в первую очередь коэффициентом отражения r сканируемого света Φ 0 от объекта (а не коэффициентом пропускания τ, как в предыдущем варианте).

4.4. Рассмотреть принципы, схему, процессы параллельного ввода информации плоским оптическим лучом. Выделить элементы сканирования в рассматриваемом цикле получения и преобразования данных об оптических характеристиках объекта.

Согласно плоским называется луч, у которого угол раствора в одной плоскости много меньше, чем в другой. Плоский луч имеет по всей длине сечение, подобное светоизлучающей щели: достаточно широкое - в одном (например, горизонтальном) направлении, весьма узкое - в другом (вертикальном).

Использование плоского оптического луча позволяет одновременно освещать все фрагменты одномерного (линейного) объекта потоками света одинаковой величины Φ 0 (рис. 4.3, а). Каждый фрагмент объекта имеет непосредственную оптическую связь с соответствующим элементом многоэлементного фотоприемника. Поэтому элементы фотоприемника одновременно воспринимают и регистрируют потоки света Φ прi , проходящие через i-е фрагменты исследуемого объекта.

В каждом элементе полупроводникового фотоприемника за счет внутреннего фотоэффекта генерируются и накапливаются заряды, уровень которых пропорционален конкретным величинам падающих потоков света Φ прi . Далее по известной схемотехнике (с использованием многофазного импульсного возбуждения элементов фотоприемника) накопленный пакет фотогенерированных зарядов переводится в выходное устройство, где формируется в виде последовательности электрических видеосигналов (рис. 4.3, б). Эти сигналы поочередно поступают в выходную цепь устройства по окончании импульса оптического излучения, освещающего объект, с прекращением процесса накопления фотогенерированного заряда.

В устройстве (рис. 4.3, а) осуществляется одновременный параллельный ввод информации, без элементов входного сканирования, характерных для последовательного ввода информации (см. рис. 4.1, а). Вместе с тем последовательное смещение заряда, накопленного в элементах фотоприемника, к его выходу путем импульсного, многофазного возбуждения элементов можно (в значительной степени условно) считать процессом сканирования (по существу считывания) накопленной информации. Такое развитие процесса может быть названо самосканированием .

4.5. Рассмотреть варианты двумерного (двухкоординатного) оптического сканирования объекта (зоны, пространства) узким (игольчатым) лучом света.

Выделим три характерных варианта двумерного сканирования , представленных на рис. 4.4
. На рисунках показаны объекты (плоскости) сканирования, сканирующие (световые) пятна (заштрихованные квадраты) и маршруты их движения в процессе сканирования.

В базовом варианте (рис. 4.4, а
) двухкоординатный просмотр объекта сканирующим пятном осуществляется последовательно и построчно. Сканирующее пятно ритмично проходит первую строку (линейку) слева направо и скачком (достаточно быстро) переходит к началу второй строки, которую далее в заданном ритме проходит слева направо. Эта схема движения светового пятна выдерживается при сканировании последующих строк двумерного объекта.

В варианте (рис. 4.4, б
) осуществляется последовательно-последовательный просмотр объекта сканирующим пятном. По уже рассмотренной методике «чисто» последовательного сканирования (рис. 4.4, а
) просматривается лишь определенная зона (в данном случае третья часть) объекта.

По окончании этого просмотра сканирующее пятно быстро переходит к началу второй зоны (в центре объекта) и последовательно просматривает эту зону по первоначальному маршруту. На заключительном этапе сканируется последняя (правая, третья) зона объекта.

В варианте (рис. 4.4, в
), который естественно считать последовательно-параллельным, все (три) выделенные зоны объекта сканируются одновременно (параллельно) по маршруту последовательного сканирования (рис. 4.4, а
).

4.6. Рассмотреть принципы и варианты параллельного ввода информации об оптических характеристиках двумерного (двухкоординатного) объекта.

В основном техническом варианте (рис. 4.5, а
) исследуемый объект освещается неизменным потоком света Φ 0 одновременно и полностью (по всей площади). Проходящий свет Φ пр в зависимости от оптической плотности различных фрагментов объекта имеет неодинаковую интенсивность. Далее оптический поток Φ пр воспринимается многоэлементным фотоприемником (матричным фоточувствительным прибором с зарядовой связью или с инжекцией заряда). Дальнейшие операции, обеспечивающие восприятие, накопление, сдвиг (перенос) и вывод оптической информации в форме пакетов фотогенерированных электронов и электрических видеосигналов, детально отработаны .

Успешно используется также частичный оптический просмотр объекта (рис. 4.5, б)
по методике «чисто» параллельного ввода оптической информации (рис. 4.5, а
). При этом сканирующее пятно, занимающее лишь часть площади объекта, сдвигается последовательно вдоль поверхности объекта, попеременно освещая необходимые (заданные) участки и зоны. Такой оптический просмотр объекта является по существу параллельно-последовательным.

Параллельный просмотр и ввод оптической информации по схемам (рис. 4.5
) имеет ряд существенных преимуществ: высокое быстродействие, четкую организацию информационных операций, добротную микроэлектронную базу.

4.7. Рассмотреть и наглядно (объемно) представить перемещение узкого (игольчатого) сканирующего луча при винтовом, зигзагообразном, спиральном и коническом просмотре зоны (объекта).

Варианты такого сканирования разнообразны и широко применяются в радиолокации. В полиграфии эти технические приемы используются не столь активно, но по существу могут быть полезны, например, в системах технического зрения.

При сканировании игольчатым лучом сложное движение луча целесообразно рассматривать в виде двух простых движений: переносного и относительного. Переносное (поступательное) движение совершается вокруг неподвижной оси. Относительное движение небольшого радиуса происходит вокруг движущейся оси и обеспечивает дополнительный (локальный) осмотр зоны (объекта) в процессе сканирования.

На рис. 4.6, а показано перемещение луча при винтовом сканировании: переносное движение луча - вращательное с постоянной угловой скоростью; относительное движение луча - колебательное (в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения) со значительно меньшей скоростью.

На рис. 4.6, б, в представлено перемещение луча при зигзагообразном сканировании. При этом учтено, что переносное и относительное движения луча - колебательные, но с различным соотношением скоростей.

Рис. 4.6, г иллюстрирует перемещение луча при спиральном сканировании. Переносное движение такого луча является вращательным, а относительное - колебательным (но в данном примере - с меньшей скоростью).

На рис. 4.6, д показано перемещение луча при поступательно-коническом сканировании. Учитывается, что переносное движение луча - колебательное, а относительное - вращательное (но со значительно большей скоростью). Частный, но распространенный случай поступательно-конического сканирования - «чисто» коническое сканирование - иллюстрируется рис. 4.6, е. В этом случае движение луча является вращательным (круговым), а направление максимальной интенсивности излучения ОА смещено относительно оси вращения ОО? на постоянный угол α.

Способы и средства лазерного сканирования

4.8. Пояснить особенности использования лазерного сканирования в полиграфической технике ввода (считывания, преобразования) и вывода (формирования, записи) изображений.

Разделяют процессы входного и выходного лазерного сканирования ; именно в этих режимах лазеры используются в полиграфии наиболее часто, эффективно и ярко. В первом режиме сканирование лазерным лучом позволяет преобразовать информацию, содержащуюся в двумерном оптическом изображении, в серию одномерных электрических сигналов. Во втором режиме изобразительная информация, физическими носителями которой являются электрические сигналы с переменной (модулированной) амплитудой, частотой, длительностью, путем лазерного сканирования развертывается в двумерное оптическое изображение.

В процессе входного сканирования тщательно сфокусированный лазерный луч перемещается и последовательно освещает небольшие участки (фрагменты) изображения. Реакция объекта на такое локальное (точечное) лазерное воздействие в приходящем или отраженном свете воспринимается фотоприемником, который на каждом этапе (шаге) сканирования формирует электрический видеосигнал. Амплитуда конкретного видеосигнала четко соответствует оптической плотности освещенного фрагмента изображения. Таким образом, последовательность (серия, пакет) видеосигналов заряда, тока, напряжения дискретно представляет (отражает) в импульсной электрической форме оптическую картину регистрируемого изображения. Входное сканирование применяется для считывания, регистрации, ввода, анализа, коррекции изображений в сканерах, читающих и гравировальных автоматах, устройствах цифрового кодирования иллюстраций и шрифтов, цветокорректорах.

В процессе выходного сканирования лазерный луч перемещается по поверхности материала, чувствительного к оптическим воздействиям.

Такой светочувствительной средой могут служить фотопроводящие и электрофотографические слои, фото- и термочувствительные пленки. Реакция конкретного светочувствительного материала на внешнее оптическое (лазерное) воздействие зависит от характеристик (мощности, интенсивности, длительности) лазерного импульса. Модулируя эти характеристики лазерного луча электрическими сигналами, однозначно связанными с оптической плотностью фрагментов изображения (оригинала), можно воспроизвести изображение (получить репродукцию, оттиск, копию исходной оптической картины) на светочувствительном материале. Лазерное выходное сканирование используется для вывода, отображения, формирования, записи изображений в принтерах и электрографических аппаратах, формных и печатных автоматах.

Лазерное сканирование в рассматриваемых (входном и выходном) режимах и процессах существенно различается по функциональным и техническим признакам, нацелено на различные области применения. Однако технические средства входного и выходного лазерного сканирования различаются не столь существенно (во многом однотипны).

В процессе входного лазерного сканирования изображения световое пятно (луч лазера) продвигается по поверхности сканируемого объекта последовательно и ритмично, но дискретно (с небольшим шагом), считывая лишь отдельные фрагменты (растровые элементы) изображения. Таким образом, при подобном сканировании изображение разделяется (растрируется) на отдельные микроэлементы (точки, отрезки, линии) и в дальнейшем обрабатывается, хранится, воспроизводится в дискретной (растрированной) форме.

При выходном лазерном сканировании изображение формируется постепенно из отдельных растровых элементов: линий, отрезков, точек. Эти элементы записывает лазерный луч, причем световое пятно, созданное лазером на поверхности материала, чувствительного к оптическим воздействиям, последовательно (с определенным шагом) перемещаясь в горизонтальном и (или) вертикальном направлениях, обходит в итоге всю фоточувствительную площадь материала, на которой записывается изображение.

Процессы растрирования, используемые при считывании и записи изобразительной информации, непосредственно влияют на оптико-механические способы и средства лазерного сканирования изображений.

4.10. Рассмотреть схемы и маршруты оптико-механической развертки изображений (рис. 4.7
), применяемой в лазерных сканирующих устройствах .

Согласно в полиграфии, как правило, используется метод прямоугольного линейного растрового сканирования изображений. При таком сканировании лазерный луч перемещается (разворачивается) вдоль прямых линий (строк), расположенных весьма близко, сканирование одной линии заканчивается быстрым переходом луча к началу следующей (смежной) линии.

На рис. 4.7
представлены варианты лазерного сканирования изображений, формируемых на светочувствительном материале, который размещается на плоской основе (рис. 4.7, а) или на цилиндрической поверхности (рис. 4.7 б, г
). В вариантах (рис. 4.7 а, б
) на светочувствительном материале записываются линейные растровые линии, а в двух других вариантах используется цилиндрическая запись на внутреннюю (рис. 4.7, в
) или на внешнюю (рис. 4.7, г
) поверхности цилиндра.

Растровая развертка обеспечивается по двум ортогональным составляющим - строчной разверткой (по оси х) и кадровой разверткой (по оси у), которая создает необходимый интервал между соседними строками. Обычно изображение непрерывно формируется вдоль оси х (отклонением лазерного луча) и дискретно вдоль оси у (сдвигом светочувствительного материала).

4.11. Рассмотреть состав и взаимодействие компонентов, пояснить принцип действия лазерного сканирующего устройства , представленного на рис. 4.8
.

Лазер 1 служит источником когерентного оптического излучения, интенсивность которого существенно изменяется модулятором 2. Модулятор управляется электрическими сигналами, отражающими оптическую картину считываемого изображения (оригинала). Телескопическая система 3 расширяет лазерный пучок и уменьшает его расходимость. Система 3 состоит из двух компонентов: объекта, воспринимающего лазерное излучение, и окуляра, формирующего выходные лучи света. Введены зеркала (плоские 4, 9, 10 и сферические 8), объектив 5, многогранный призменный дефлектор 6. Изображение записывается на фотоматериал 7.

В сканирующем устройстве (рис. 4.8
) луч лазера 1 проходит через модулятор 2 и телескопическую систему 3, отражается от зеркал 4 и 10, существенно изменяя направление, и через фокусирующий объектив 5 попадает на грань дефлектора 6. Призма 6 непрерывно вращается с большой частотой. Лазерный луч, отраженный от грани дефлектора 6 и далее от зеркал 8 и 9, достигает фотоматериала 7 и смещается в его плоскости, формируя линию (строку) изображения. Таким образом, особенностью рассматриваемого устройства является послеобъективная развертка изображения. В свою очередь сферическое зеркало 8 и зеркало 10 (с пьезоэлементом) позволяют компенсировать (устранить) искажения при записи изображения, возникающие из-за криволинейности поверхности фотоматериала и неодинакового наклона граней (зеркал) призмы 6.

По данным , в сканирующем устройстве (рис. 4.8
) для горизонтальной развертки изображения используются аргоновый лазер и призменный дефлектор, вращающийся с частотой 4 тыс.об/мин. Частота вращения призмы контролируется тахометром. Изображение записывается лазерным пятном диаметром 25 мкм на формат А2 с линиатурой 400 лин/см. Время вывода полос формата А2 составляет примерно 1 мин.

4.12. Рассмотреть схему построения и принцип действия лазерного сканирующего устройства (рис. 4.9
) с субрастровой записью изображений .

Особенностью такой записи изображений является формирование в процессе горизонтальной развертки строки вертикальной линии (субрастра) высотой h, составляющей несколько миллиметров. Таким образом, фотоматериал экспонируется полосами площадью h × l, где l - длина горизонтальной строки развертки. После завершения экспонирования полосы фотоматериал сдвигается ортогонально строке на величину h.

Устройство (рис. 4.9
), реализующее принцип субрастровой записи изображений, содержит лазер 1, отражающие зеркала 2 и 3, модулятор 4, управляющий интенсивностью лазерного пучка, и телескопическую систему 5, уменьшающую его расходимость, дефлектор 6, отклоняющий луч на высоту h перпендикулярно строке изображения, объектив, состоящий из двух компонентов 7 и 8, фокусирующий лазерный луч на фотоматериал 10, колеблющееся зеркало 9, осуществляющее развертку лазерного луча по строке длиной l.

В процессе сканирования луч лазера 1, отражаясь от системы зеркал 2 и 3, достигает модулятора 4. Это устройство управляется импульсами электрического напряжения и в зависимости от оптической плотности фрагментов записываемого черно-белого изображения пропускает лазерный луч или перекрывает канал его дальнейшего продвижения. Модулированный пучок лазерного излучения далее, проходя через телескопическую систему 5, акустооптический дефлектор 6, фокусирующий объектив 7-8 и отражаясь от колеблющегося зеркала 9, достигает фотоматериала 10 и формирует на его поверхности горизонтальную полосу площадью h × l.

Следует отметить, что в данном сканирующем устройстве, как и в ранее рассмотренном устройстве (рис. 4.8
), обеспечивается послеобъективная развертка изображений.

4.13. Рассмотреть схему построения и принцип действия лазерного сканирующего устройства (рис. 4.10
) с дообъективной разверткой изображения .

Сканирующее устройство содержит аргоновый лазер 1, модулятор 6, дефлекторы 9 и 11 (с вращающимся зеркалом), отражающие (поворотные) зеркала 2, 4, 7, 8, 10 и 13, полупрозрачное зеркало 3, телескопы 5 и 15, объектив 12. Дополнительно введены растровая линейка 16 и кварцевый параллелепипед 17, боковые грани которого покрыты алюминием, а на торцах размещены фотоэлектрические умножители 18 и 19. Лазерный луч записывает изображение на плоскость фоточувствительного материала 14.

Луч лазера 1 отражается от плоского зеркала 2 и расщепляется зеркалом 3 на два луча: основной (показанный далее непрерывными линиями) луч, осуществляющий запись изображения, и вспомогательный (показанный пунктирными линиями) луч, обеспечивающий синхронизацию развертки. Основной луч отражается от зеркала 4, расширяется телескопом 5 и направляется в модулятор 6, который изменяет интенсивность луча по закону, заданному исходным изображением (оригиналом). Модулированный лазерный луч поворотными зеркалами 7 и 8 направляется в акустооптический дефлектор 9, который отклоняет луч в вертикальном направлении (перпендикулярно основному горизонтальному направлению луча). После дефлектора, отражаясь от зеркала 10, лазерный пучок попадает на вращающееся зеркало дефлектора 11, ориентированного на горизонтальную развертку. Объектив 12 с отражением от зеркала 13 фокусирует лазерный луч на плоскость фотоматериала 14. Таким образом, в рассматриваемом сканирующем устройстве запись изображения осуществляется на основе оптической системы дообъективной развертки.

Вспомогательный лазерный луч, отраженный зеркалом 3, расширяется телескопом 15, разворачивается подвижным зеркалом дефлектора 11 и фокусируется объективом 12 на растровую линейку 16. Лучи, прошедшие через линейку, собираются параллелепипедом 17. Фотоэлектрические умножители 18 и 19 преобразуют световые сигналы в электрические, которые, в свою очередь, обеспечивают синхронизацию развертки.

4.14. Указать оптические, оптико-механические, электро- и акустооптические средства, которые применяются в технике лазерного сканирования изображений.

Ритмичное широкодиапазонное отклонение лазерного луча, обеспечивающее в конечном счете построчное сканирование фотоматериала, осуществляется колебательными или вращающимися зеркальными дефлекторами: плоскими, призменными, многогранными. Разнообразен набор зеркал: плоских, сферических, непрозрачных и полупрозрачных, обеспечивающих отражение, отклонение, поворот, пропускание лазерных лучей. Эти же функции в той или иной мере могут выполнять отражающие и преломляющие призмы. Важная роль в технике формирования лазерных лучей и пучков отводится собирающим, рассеивающим, преобразующим линзам, объективам, телескопам. Управляемую модуляцию лазерного излучения осуществляют электро- и акустооптические модуляторы. Дозированное отклонение лазерных лучей обеспечивают акустооптические дефлекторы.

4.15. Пояснить состав и действие оптико-механических устройств , обеспечивающих сканирование лазерным лучом внутренней (рис. 4.11, а
) и внешней (рис. 4.11, б
) поверхностей цилиндра.

Рассматриваемые технические решения имеют прямое отношение к лазерным сканирующим устройствам с цилиндрической записью изображений на фоточувствительные материалы, закрепленные на внутренней (см. рис. 4.7, в
) или на внешней (см. рис. 4.07, г
) поверхности цилиндра. Устройства содержат лазер 1, объектив 2, поворотные зеркала 3, сканируемый цилиндр 4, противовес 5 для балансировки.

По схеме, приведенной на рис. 4.11, а
, сканируется внутренняя поверхность цилиндра, причем используется только одно поворотное зеркало, располагаемое на оптической оси, совмещенной с осью вращающейся системы. Это зеркало также перемещается вместе с объективом параллельно поверхности цилиндра, обеспечивая кадровую развертку. Компактное устройство (рис. 4.11 а
), обладает очевидными техническими достоинствами; однако в таком варианте сканирования затруднителен визуальный контроль воспроизводимого изображения.

На рис. 4.11, б
представлен второй вариант вращающейся фокусирующей системы, в котором осуществляется сканирование внешней поверхности цилиндра. В таком устройстве обеспечивается надежное крепление освещаемого фотоматериала и четко контролируется процесс записи изображения. Однако оптическая система устройства, содержащая несколько жестко фиксированных поворотных зеркал, становится достаточно сложной.

Возможны различные комбинации представленных устройств сканирования; в зависимости от конкретных технических решений функции вращения и перемещения по образующей могут распределяться между объективом и цилиндром.

4.16. Рассмотреть варианты оптико-механических дефлекторов лазерных лучей , представленные на рис. 4.12
.

Представлены дефлекторы с плоским колеблющимся зеркалом (рис. 4.12, а
), вращающиеся призменные дефлекторы с одной отражающей зеркальной поверхностью (рис. 4.12, б
) и с многими зеркальными гранями (рис. 4.12 в, г
).

В дефлекторе (рис. 4.12, а
) плоское зеркало укреплено на роторе двигателя, жестко соединенном с пружиной, создающей вращательный момент. Управление дефлектором для сканирования луча с постоянной скоростью осуществляется генератором линейно изменяющегося напряжения. Согласно данным угол отклонения колеблющихся дефлекторов достигает 40°. Однако частота колебаний зеркала дефлектора невысока (сотни герц), а скорость сканирования невелика.

Высокое качество записи изображений обеспечивает дефлектор с вращающейся трехгранной призмой, имеющей одну зеркальную грань (рис. 4.12, б
). Однако и в этом техническом варианте скорость сканирования оказывается относительно небольшой.

Использование многогранных пирамидальных (рис. 4.12, в
) и призменных (рис. 4.12, г
) дефлекторов позволяет существенно (пропорционально числу граней) увеличить скорость сканирования. В лазерных сканирующих устройствах применяются зеркальные пирамиды и призмы с числом граней от 3 до 8 ; известны призменные дефлекторы с 12 и даже 24 зеркальными гранями . Следует, однако, учитывать, что изготовление многогранных зеркальных дефлекторов с необходимой весьма высокой точностью является сложной технологической задачей.

4.17. Пояснить механизм, выделить технические погрешности сканирования лазерного луча с помощью многогранного зеркального дефлектора .

Согласно рис. 4.13
лазерный луч 1, отраженный от одной из зеркальных граней дефлектора 2, попадает на поверхность фотопроводящего материала 3. В процессе вращения дефлектора угол наклона отражающей грани призмы относительно оси, перпендикулярной поверхности фотоматериала, непрерывно изменяется; при этом отраженный луч на рассматриваемой стадии проходит строку сканируемого изображения. Число таких проходов за один оборот (период) вращения дефлектора равно числу отражающих зеркальных граней призмы.

При таком лазерном сканировании изображение записывается на фотоматериале с характерными искажениями. Следует учитывать, что фокус 4 лазерного луча 1 (рис. 4.13
) перемещается по дуге окружности, фотоматериал 3, размещенный на плоской или цилиндрической основе, имеет в плоскости сканирования ровную (прямолинейную) поверхность, многогранный призменный дефлектор 2 вращается с постоянной скоростью.

В процессе сканирования фокус 4 лазерного луча оказывается, в основном, вне (выше или ниже) поверхностной линии (строки) сканирования фотоматериала. Поэтому размеры (диаметр) лазерного пятна на фотоматериале изменяются вдоль линии развертки, а форма лазерного пятна не остается постоянной. Вместе с тем расстояние между отражающей гранью призмы и поверхностью фотоматериала (по линии развертки) не остается постоянным (увеличивается от центра к краям фотоматериала), из-за чего скорость движения лазерного пятна по поверхности фотоматериала непрерывно изменяется. Таким образом, лазерная развертка строки изображения оказывается нелинейной.

4.18. Представить и пояснить способы и технические средства, позволяющие устранить погрешности лазерного сканирования фотоматериала с использованием вращающихся зеркальных дефлекторов .

Эффективным оказывается введение параболического полностью отражающего зеркала между многогранным призменным дефлектором и плоскостью развертки лазерного луча (на поверхности фотоматериала). В такой оптической системе фокус лазерного луча перемещается строго по линии развертки и все искажения, связанные с нарушением фокусировки лазерного излучения на поверхности фотоматериала, устраняются. По данным , в сканирующих лазерных устройствах с параболическими зеркалами искажения записываемого изображения не превышают 0,02% при углах развертки до 40°.

Устранение дефектов сканирования и записи изображения, связанных с нелинейностью строчной развертки, достигается применением фокусирующих fθ-объективов, в которых искусственно вводится необходимая дисторсия (искривление). При этом существенно повышается линейность строчной развертки.

4.19. Пояснить действие формирователя символов (рис. 4.14
), в котором стробирование лазерного луча осуществляется с помощью временной шторки .

Скорость сканирования лазерным лучом поверхности фотоматериала (с использованием многогранного зеркала) непостоянна. Расстояние между отражающей гранью зеркала и поверхностью фотоматериала увеличивается от центра к краям; поэтому расстояние, которое лазерный луч проходит к краю фотоматериала, заметно больше, чем к середине экспонируемого объекта. Необходимо, чтобы лазерный луч достигал фотоматериала с определенными временными задержками. Эта операция в устройстве (рис. 4.14
) осуществляется временно 2й шторкой.

Поверхность фоточувствительного барабана 1 перекрывается временной шторкой 2 с узкими прозрачными щелями 3. Расстояние между щелями равно ширине поля печатных символов. Если основной лазерный луч 4 попадает на щель во время сканирования, то фотоприемник, размещенный за щелью, вырабатывает электрический сигнал. Таким образом регистрируется положение основного лазерного луча 4, а вместе с ним и пишущих лазерных лучей 5. Электронное устройство, реагирующее на сигналы фотоприемников, вырабатывает сигналы включения пишущих лазерных лучей. Если записывается несколько горизонтальных точек, то луч остается включенным. Во время одного прохода пишется одна широкая линия лазерным лучом, состоящим из шести пишущих лучей; все поле символа состоит из четырех таких широких линий.

Фоточувствительный барабан вращается непрерывно, поэтому во время одного прохода лазерного луча необходимо устанавливать определенный угол между осью барабана и плоскостью сканирования, что гарантирует параллельность экспонированных строк.

В высокопроизводительных печатающих устройствах отклонение пишущих лазерных лучей обеспечивается акустооптическими дефлекторами, а вместо временной шторки используется оптическое корректирующее устройство (сканирующие линзы плоских фронтов).

4.20. Указать причины нестабильного положения, неритмичного движения лазерного луча при сканировании изображения. Выделить способы и средства синхронизации передвижения лазерного луча в процессе развертки растровой строки.

При сканировании осуществляют синхронизацию положения лазерного луча в плоскости изображения. Для этого следят за координатой сканирующего луча и дискретно вырабатывают синхросигналы по мере прохождения лучом отрезков пути, равных или кратных величине, обратной линиатуре. Системы синхронизации необходимы, так как скорость движения луча вдоль растровой строки непостоянна из-за колебаний электрического напряжения, управляющего оптико-механическим дефлектором, износа механических деталей, неточности в изготовлении зеркальных поверхностей многогранных призм и других причин.

В лазерных сканирующих устройствах синхронизация осуществляется за счет определения положения лазерного луча в ходе развертки растровой строки с помощью измерительных устройств, связанных с дефлектором или расположенных в плоскости изображения. Этот способ реализуется применением систем отсчета синхроимпульсов на основе шкал на растровых дисках и линейках, а также на основе лазерного интерферометра.

4.21. Пояснить назначение и действие системы отсчета синхроимпульсов на основе круговой шкалы (рис. 4.15
).

Сигналы синхронизации в системах отсчета с круговыми шкалами поступают от датчика, состоящего из двух соосно расположенных прозрачных дисков с несколькими группами непрозрачных рисок (рис. 4.15
). Одни из дисков 2 закреплен на валу оптико-механического зеркального дефлектора 1 и вращается вместе с дефлектором. Второй растровый диск 3 неподвижен. Число групп непрозрачных рисок 4 равно числу зеркальных граней дефлектора. Синхроимпульсы создаются двумя парами светодиодов 5 и фототранзисторов 6, расположенных на двух диаметрально противоположных сторонах дисков.

Фокусирующий объектив обеспечивает равномерное движение лазерного луча вдоль строки сканирования, и поэтому, зная угловое перемещение дефлектора, можно точно определить положение лазерного луча в плоскости изображения. Для запуска схемы синхронизации применяется детектор начала строки сканирования.

4.22. Пояснить применение растровых линеек для позиционирования и синхронизации лазерного луча в плоскости изображения.

Высокую точность позиционирования и синхронизации может обеспечить датчик , отслеживающий положение лазерного луча непосредственно в плоскости изображения. Таким датчиком служит растровая линейка - полоса прозрачного материала, на который нанесен растр из непрозрачных рисок.

Сканируется вспомогательным лазерным лучом синхронно с разверткой основного записывающего луча. Свет, прошедший сквозь линейку, собирается фотоприемником, и на выходе электронного формирователя генерируются синхронизирующие импульсы. Частота растровых рисок на линейке определяется требуемой линиатурой в горизонтальном направлении.

В качестве фотоприемника используют фотодиод, длина активной зоны которого равна длине растровой линейки. При использовании точечных фотоприемников световой луч, перемещающийся по растровой линейке, сводится в неподвижную точку с помощью эллиптического зеркала, установленного за растровой линейкой. В одном из фокусов зеркала расположен фотоприемник, а в другом - отражающая грань дефлектора.

Для сбора света, прошедшего линейку, может использоваться кварцевый параллелепипед, покрытый алюминием всюду, кроме торцов. Два фотоэлектрических умножителя, расположенные с торцов параллелепипеда, преобразуют световые сигналы в электрические.

Применение растровых линеек требует дополнительного луча, который создается либо делением основного луча на два, либо вторым лазером, что в обоих случаях значительно усложняет оптическую систему сканирующего устройства.

4.23. Рассмотреть применение в сканирующем устройстве лазерного интерферометра.

Известны сканирующие устройства , в которых используется лазерный интерферометр с несимметричным ходом лучей относительно оси поворота колеблющегося зеркального дефлектора (рис. 4.16). Это достигается установкой отражателей 3 на качающемся зеркале 4 на одинаковом расстоянии от оси его качания. Регистрация углового положения зеркала 4 осуществляется счетом интерференционных полос во входном зрачке фотодатчика 1. Полосы возникают в результате наложения двух когерентных излучений с интенсивностью I 1 иI 2 , которые образованы путем разделения светоделительной призмой 2 вспомогательного лазерного луча сканирующего устройства.

При интерференции наблюдается перераспределение интенсивности света в полосах интерференционной картины. Полная интенсивность определяется соотношением

где σ - оптическая разность хода интерферирующих волн.

Максимум и минимум интенсивности соответственно

при |σ| = 0, 2π, 4π;

при |σ| = π, 3π.

Если I 1 = I 2 , то с учетом

Следовательно, интенсивность будет изменяться от минимального значения I min = 0 до максимального I max = 4I 1 .

Согласно данным измеряют угловые перемещения зеркала в диапазоне углов до ±15° с дискретностью отсчета 0,1".

Оптические преобразователи лазерного излучения

4.24. Пояснить принцип действия телескопической системы, представленной на рис. 4.17
.

Состоит из двух элементов - объектива и окуляра. Задний фокус F об объектива совпадает с передним фокусом F ок окуляра. В лазерных сканирующих устройствах телескопические системы рассматриваемого типа уменьшают расходимость лазерного луча и увеличивают его диаметр.

4.25. Рассмотреть принципы построения и действия объективов, применяемых в лазерных сканирующих устройствах.

Объективы, фокусирующие лазерное излучение, эффективно используются в сканирующих устройствах . Типы таких объективов разнообразны (рис. 4.18).

Одиночная положительная линза (рис. 4.18, а); однако в простой линзовой системе существуют различные аберрации - погрешности восприятия, преобразования, фокусировки оптического излучения. Аберрации исправляются и корректируются в сложных оптических системах. Изображение более высокого качества дают двух- и многолинзовые объективы, например трехлинзовый объектив (рис. 4.18, б).

Роль объектива может выполнять одиночное сферическое зеркало, а также зеркало с параболической или гиперболической поверхностью (рис. 4.18, в).

Широко используются более сложные объективы, например двухзеркальные, содержащие основное вогнутое зеркало с отверстием в центре и контррефлектор, который может быть плоским, вогнутым, выпуклым (в том числе и с асферической поверхностью). По этому принципу (с контррефлектором) построен телескоп Кассегрена (рис. 4.18, г).

Высоким качеством передачи и фокусировки оптического (лазерного) излучения обладают зеркально-линзовые объективы: система Шмидта (рис. 4.18, д), система Максутова (рис. 4.18, е), система апо-хроматического анастигмата (рис. 4.18, ж).

4.26. Пояснить назначение и действие конденсора в преобразователях оптического (лазерного) излучения .

(специальная линза) собирает оптические лучи, попадающие в объектив сканирующего устройства, на фоточувствительную поверхность приемника излучения. Оптическая система (рис. 4.19, а
), состоящая только из объектива (без конденсора), фокусирует излучение, смещенное от оптической оси (показанное на рисунке двойными стрелками), за пределами приемника излучения. При введении конденсора (вторая линза на рис. 4.19, б
) это излучение фокусируется на приемнике.

Четкими фокусирующими свойствами обладает иммерсионный конденсор - полусферическая линза, установленная вплотную к фоточувствительному приемнику (рис. 4.19, в
).

4.27. Представить вариант оптической системы для концентрации лазерного луча на фоточувствительную площадь малого размера.

Такой вариант системы представлен на рис. 4.20
. Без фокусирующих элементов лазерное излучение (при угле расхождения, равном 2φ) создает оптическое пятно диаметром D на поверхности, которая отстоит от лазера на расстоянии L. При введении положительной линзы этот размер уменьшается до размера d << D. Очевидно, однако, что достаточное уменьшение оптического пятна можно получить лишь с использованием короткофокусной линзы; тогда размер пятна d = f"×2φ.

4.28. Пояснить принципы построения и действия зеркальной (рис. 4.21, а) и линзовой (рис. 4.21, б) телескопических систем, преобразующих пучки лазерного излучения.

В телескопической системе (рис. 4.21, а) формирование направленных пучков с угловой расходимостью, меньшей, чем у пучка, выходящего из лазера, достигается введением выпуклого и вогнутого зеркал. В системе Галилея (рис. 4.21, б) в качестве объектива применяется отрицательная линза.

4.29. Рассмотреть (выделить, классифицировать, исследовать) аберрации оптических систем.

Согласно аберрации оптических систем (от лат. aberratio - уклонение) рассматриваются как погрешности изображений, создаваемых такими системами. Аберрации проявляются в том, что оптические изображения в ряде случаев не вполне отчетливы, не точно соответствуют объекту или оказываются окрашенными. Наиболее значительны следующие виды аберраций.

Недостаток оптического изображения, заключающийся в том, что световые лучи, прошедшие вблизи оптической оси, и лучи, прошедшие через отдаленные от оси части оптической системы (например, линзы), не собираются в одну точку. Сферическая аберрация может быть почти полностью устранена применением специально рассчитанных комбинаций линз.

Другим видом аберрации является кома - недостаток оптического изображения (изображение точки имеет вид продолговатого несимметричного пятна), возникающий при косом прохождении световых лучей через оптическую систему. В случае простой линзы размеры пятна пропорциональны квадрату радиуса линзы и углу наклона светового пучка по отношению к оси.

При больших углах наклона пучка к оси существенна аберрация, называемая астигматизмом . Если при прохождении оптической системы сферическая световая волна деформируется и перестает быть сферической, то пучок лучей становится сложным: лучи пересекаются не в одной точке, а в двух взаимно перпендикулярных отрезках прямой линии, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Такой пучок называется астигматическим, а само явление - астигматизмом.

Аберрация оптической системы, называемая дисторсией , характеризуется неодинаковостью линейного увеличения в пределах всего поля изображения и приводит к нарушению геометрического подобия между объектом и его изображением.

Оптические системы могут обладать сразу несколькими видами аберраций. Исправление аберраций в сложных оптических системах производится надлежащим сочетанием линз и представляет трудную задачу. Те или иные виды аберраций обычно устраняются в соответствии с назначением оптической системы. Перечисленные аберрации оптических систем называются геометрическими.

Несовершенства изображения в оптических системах связаны также с волновой природой света. Они возникают из-за дифракции света на диафрагмах, оправах линз и т.п. Влияние дифракции обычно невелико по сравнению с другими аберрациями оптических систем. Существует еще хроматическая аберрация, связанная с зависимостью показателя преломления от длины волны света, в результате чего при немонохроматическом свете изображения оказываются окрашенными.

4.30. Рассмотреть оптические схемы и технические особенности применения мощных лазеров в технологических операциях обработки твердых материалов (металлов, сплавов, керамики, полупроводниковых кристаллов, алмазов).

Характерной областью такого применения лазеров может служить сверление отверстий мощным лазерным лучом. Эффективной оказывается многоимпульсная лазерная прошивка и обработка отверстий. В таких технологических операциях практикуются специальные оптические схемы фокусировки лазерного излучения, представленные на рис. 4.22
. На этих рисунках используются одинаковые цифровые обозначения: 1 - лазер; 2 - лазерное излучение; 3 - сферические зеркала; 4 - коническая линза; 5 - сферическая линза; 6 - обрабатываемая деталь.

В оптическом варианте (рис. 4.22, а
) фокусируемый лазерный пучок имеет кольцевое поперечное сечение на поверхности детали 6, которое находится на определенном расстоянии от фокальной плоскости. При этом лазерное излучение фокусируется в виде полого конуса.

Использование конической линзы (аксикона) по оптической схеме (рис. 4.22, б
) позволяет сформировать лазерный пучок в фокальной плоскости в виде кольца. Таким техническим путем можно получить отверстия относительно большого радиуса.

Оптическое соединение полупроводниковых лазеров и волоконных световодов

4.31. Пояснить назначение и особенности конструкции волоконных световодов.

Широко и эффективно используются для высокоскоростной помехоустойчивой передачи оптических информационных сигналов на большие расстояния. Самостоятельную «нишу» занимают волоконно-оптические датчики, обладающие уникальными функциональными и техническими возможностями. Для ввода оптического излучения в волоконные световоды успешно применяются полупроводниковые лазеры.

Волоконным световодом служит тонкая гибкая цилиндрическая нить с двухслойной оптической структурой, содержащей внутреннюю жилу (сердцевину) и оболочку (рис. 4.23
). Коэффициент преломления n 1 сердцевины превышает коэффициент преломления n 2 оболочки, что при определенных условиях обеспечивает полное внутреннее отражение света, введенного в сердцевину с торца волокна. Таким образом, введенный свет не выходит за границы внутренней жилы и без существенных потерь распространяется только внутри волоконного световода.

В двухслойном кварцевом волокне внутреннюю световедущую жилу изготавливают из чистого кварца, а оболочкой служит слой кварца, легированного бромом или германием. Кроме кварцевых волоконных световодов изготавливаются многокомпонентные стеклянные или полимерные оптические волокна.

4.32. Для волоконного световода представить количественные оценки числовой апертуры и условий, при которых происходит полное внутреннее отражение введенного оптического излучения.

Апертурой является действующее отверстие оптической системы, определяемое размерами линз или диафрагм. Числовая апертура NA (Numerical Aperture) равна n 0 sinθ max , где n 0 - показатель преломления среды, в которой находится объект, а угол θ max ограничивается размерами линзы (диафрагмы).

Используя такой подход для волоконного световода (рис. 4.24
), учитываем в первую очередь, что на поверхности ввода излучения (в узле а) обеспечивается равенство числовых апертур:

Полное внутреннее отражение (в узле b) достигается, если

Поскольку φ 0 + Ψ 0 = π/2, получаем с учетом и искомое соотношение для числовой апертуры волоконного световода:

В реальных световодах коэффициенты преломления n 1 и n 2 различаются лишь на единицы и даже доли процентов: n 1 ×n 2 . Поэтому для числовой апертуры волоконного световода корректно использовать соотношение

где относительная разность коэффициентов преломления Δ = (n 1 - n 2)/n 1 . Учитывая, что для достаточно чистого кварца коэффициент n 1 = 1,46, получаем согласно

NA = 0,206 при Δ = 1%;

NА = 0,065 при Δ = 0,1%.

Важным самостоятельным параметром световода является максимально допустимый угол

Лишь при углах θ×θ max гарантируется полное внутренне отражение оптического излучения в волоконном световоде.

Если оптическое излучение поступает в световод из воздушной среды, то коэффициент преломления n 0 = 1; в этом случае

Согласно θ max = 11,9° при D = 1%; θ max = 3,7° при Δ = 0,1%.

Возможные варианты распространения оптического излучения в волоконном световоде представлены на рис. 4.25
. Луч 1 поступает в световод под максимально допустимым углом θ max (на грани полного внутреннего отражения). Луч 2 вводится под углом θ<θ max , не выходит за пределы сердцевины и продвигается вглубь световода без заметных потерь. Угол ввода луча 3 недопустимо велик: θ>θ max ; поэтому излучение 3 преломляется, частично выходит за границы сердцевины (в оболочку) и быстро ослабевает в канале светопередачи.

4.33. Пояснить и сравнить механизмы распространения оптического излучения в одномодовых и многомодовых волоконных световодах.

Моды (электромагнитные колебания определенного вида) возбуждаются, генерируются и распространяются в различных сложных колебательных системах, включая объемные диэлектрические (цилиндрические и прямоугольные) резонаторы, радиоволноводы, открытые оптические (лазерные) резонаторы.

Оптическое излучение, которое вводится в торец волоконного световода под углом θ<θ max , испытывает в дальнейшем многократное полное отражение, формируется и распространяется в сердцевине световода в виде электромагнитных (оптических) колебаний строго определенного вида - световодной (направляемой, каналируемой) моды. В волоконных световодах свойства, характеристики, маршруты распространения оптических колебаний (мод) четко прогнозируются: электромагнитное поле в вертикальном сечении световода формируется и фиксируется как стоячая волна, световые колебания горизонтально поляризованы и распространяются с определенной и стабильной частотой.

Распространение получили многомодовые волоконные световоды с резким (ступенчатым) и плавным (градиентным) распределением коэффициента преломления n. Оптические волокна в таких световодах имеют достаточно большой диаметр сердцевины (50-100 мкм) и значительную (~1%) относительную разность коэффициентов преломления, что дает возможность вводить оптическое излучение в широком диапазоне и упрощает согласование световода с источником излучения.

В многомодовом ступенчатом оптическом волокне (рис. 4.26, а
) коэффициент преломления n на границе сердцевины и оболочки резко изменяется от n 1 до n 2 . В такой структуре световая волна полностью отражается на четко выраженной границе слоев и распространение волны происходит по ломаным траекториям. При этом, однако, в световод под разными углами поступает и распространяется множество (десятки и даже сотни) различных световых волн - мод. На рис. 4.26
, а показано распространение в ступенчатом многомодовом световоде трех световых волн различного порядка.

В градиентном оптическом волокне (рис. 4.26, б
) коэффициент преломления n уменьшается от максимального значения n 1 в центре сердцевины к границе с оболочкой плавно (по квадратичному закону). В такой структуре оптические лучи, поступающие в световод под различными углами θ, отражаются на различных расстояниях от горизонтальной оси световода. При этом лучи, распространяющиеся вблизи оси, проходят за один цикл (период колебаний) меньший путь по сравнению с лучами, достигающими границы с оболочкой. Важно, однако, учитывать, что скорость света в среде обратно пропорциональна коэффициенту преломления этой среды; поэтому лучи, проходящие в градиентном волокне различные пути, распространяются вдоль оси волокна с примерно одинаковой скоростью. Таким образом, оптические лучи самофокусируются в единый световой поток, причем распространение света идет по плавным траекториям. Световоды с градиентными волокнами называют также селфоками (от сочетания английских слов self - сам и focus - фокус).

Диаметр сердцевины одного оптического волокна не превышает 5-100 мкм, а относительная разность D коэффициентов преломления составляет 0,2-0,3%. В таких оптических волокнах распространяется только одна мода (рис. 4.26, в
).

4.34. Оценить дисперсию оптического излучения в многомодовых волоконных световодах.

В многомодовом световоде оптические волны различного порядка проходят неодинаковые пути за разное время. Поэтому в таком световоде четко проявляется дисперсия (рассеяние) излучения, которая, в частности, приводит к существенному увеличению длительности (расширению) оптического сигнала на выходе световода.

Этот эффект наглядно иллюстрируется в левой части рис. 4.26
, где представлены импульсы света мощностью Р на входе (в момент t 1) и выходе (в момент t 2) световода. Наиболее значительной оказывается дисперсия в многомодовых ступенчатых световодах (рис. 4.26, а
). В многомодовых градиентных световодах дисперсия (рис. 4.26, б
) относительно невелика. В одномодовых световодах дисперсия отсутствует (не возникает).

Механизм дисперсии оптического излучения четко проявляется в ступенчатом многомодовом световоде. Расчет дисперсии в этом случае проведем с использованием несложного графика (рис. 4.27
), показывающего разницу маршрутов, которые проходят световые лучи в двух крайних вариантах:

1) если излучение вводится перпендикулярно торцу световода (θ = φ = 0), то луч света (соответствующий моде самого низкого порядка) проходит минимальный путь ас, равный l 1 ;

2) если излучение вводится под критическим углом θ = θ max , то угол распространения тоже максимален: φ = φ 0 , а луч света (соответствующий моде самого высокого порядка) проходит наибольший путь ab, равный l 2 . Очевидно, что l 2 = l 1 /cosφ.

Оба указанных маршрута лучи света проходят со скоростью c/n 1 , где с - скорость света в вакууме, а n 1 - коэффициент преломления сердцевины световода. Таким образом, уже в начальной стадии возникает дисперсия излучения:

Используя соотношения , (4.7а) и учитывая, что Δ<< 1, несложно преобразовать соотношение к виду

Полученную формулу можно распространить на весь волоконный световод длиной L. Тогда искомая дисперсия оптического излучения в ступенчатом многомодовом световоде определяется формулой

Например, для световода длиной L = 1 км при n 1 = 1,46 и Δ = 0,01 с учетом с = 3 ×10 5 км/с дисперсия излучения ΔT = 50 нс. Очевидно, что такой световод не может успешно действовать в оптоэлектронной технике наносекундного диапазона, но вполне пригоден для передачи микросекундных оптических сигналов.

Дисперсия оптического излучения в градиентном многомодовом световоде существенно меньше, чем в ступенчатом многомодовом волокне. Анализ показывает, что такая дисперсия оценивается соотношением

Сравнивая и , получаем, что градиентное многомодовое волокно превосходит по быстродействию ступенчатое многомодовое волокно в 2/Δ раз. При Δ = 0,01 такой выигрыш по быстродействию (в 200 раз) весьма ощутим.

4.35. Рассмотреть причины ослабления оптического излучения, оценить потери мощности оптических сигналов в кварцевых волоконных световодах.

Оптическое излучение, распространяясь в волоконном световоде, постепенно ослабевает из-за целого ряда причин и факторов.

Существенным является поглощение и рассеяние в середине световода, обусловленное параметрами и свойствами материала внутренней кварцевой жилы. В их числе потери, присущие материалу и принципиально неустранимые: собственное поглощение в материале световода, рэлеевское рассеяние, вызванное флуктуациями плотности или состава материала. Заметным оказывается примесное поглощение, связанное с действием примесей (гидроксильной группы ОН, ионов металлов группы медь - хром), поглощающих оптическое излучение в видимой и ближней инфракрасной областях спектра.

Потери увеличивают рассеяние излучения в световодной структуре, вызванное геометрическими неоднородностями поверхности раздела сердцевина - оболочка и технологическим разбросом параметров световода: сечения (формы, размеров) сердцевины, пространственного распределения коэффициентов преломления.

Возникают потери на внешнее излучение, вызванные, в частности, микроизгибами световода в местах контакта с защитными оболочками и уплотняющими элементами кабеля.

Для количественной оценки оптических потерь в волоконном световоде вводится параметр

определяющий удельное затухание оптического сигнала (в дБ/км). В соотношении сравниваются мощности оптического излучения на входе P вх и выходе (P вых) световода длиной L (км).

Энергетические потери в волоконном световоде существенно зависят от спектральных характеристик (длины волны) излучения. Согласно зависимость В = φ(λ) для кварцевых световодов имеет четко выраженные минимумы (рис. 4.28
).

По данным , при λ = 0,8 мкм потери составляют 1,5 дБ/км (40% на 1 км световода); при λ = 1,55 мкм удельное затухание В = 0,15 дБ/км (3,5% на 1 км световода).

4.36. Обосновать условия согласования полупроводниковых лазеров и волоконных световодов.

При разработке методов и средств оптического соединения полупроводниковых лазеров и волоконных световодов следует учитывать ряд существенных факторов. Размеры активной (излучающей) зоны полупроводникового лазера в ортогональных направлениях неодинаковы. Весьма узкий (0,1-0,2 мкм) вертикальный слой существенно меньше длины волны излучения, что приводит к резкому увеличению расходимости пучка лазерного излучения в вертикальном направлении. Вместе с тем в горизонтальном направлении активный слой полупроводникового лазера занимает несколько микрометров; поэтому расходимость пучка света в указанном направлении относительно невелика. В результате пучок света, генерируемый полупроводниковым лазером, имеет форму сильно вытянутого эллипса (см. рис. 2.25
). К тому же свет излучается полупроводниковым лазером в виде расходящегося пучка.

Диаметр сердцевины (10-100 мкм) волоконного световода существенно превышает размеры излучающей зоны полупроводникового лазера. Кроме того, жестко ограничен сверху угол ввода излучения в световод, при котором гарантируются полное внутреннее отражение и минимальные потери света в оптическом волокне.

Вместе с тем условия оптического согласования:

совмещение оптических осей (по положению и углу наклона);

согласование по распределению интенсивности (размеру пучка) и по числовой апертуре NA - следует выполнять и для полупроводникового лазера, и для волоконного световода.

Предполагается, что в этих случаях вспомогательные средства (главным образом линзы) не используются. Технические варианты соединения представлены на рис. 4.29.

В простейшем варианте (рис. 4.29, а) совмещаются оптические оси полупроводникового лазера и волоконного световода. Однако угол расходимости пучка лазерного излучения в вертикальном направлении (30-40° и более) заметно превышает максимально допустимый угол ввода излучения в световод (10-20° и менее). Поэтому в оптическое волокно поступает лишь часть излучения лазера, а потери света достигают 7 дБ (80%).

В варианте (рис. 4.29, б) конец оптического волокна искусственно сужается, а поверхность торца формируется в виде микролинзы. При этом потери света сокращаются до 5,8 дБ (65%). В аналогичном техническом решении (рис. 4.29, в) микролинза на конце световода создается локальным травлением (пунктиром на рисунке показана часть световода, удаленная травлением). В этом случае потери вводимого излучения уменьшаются до 3 дБ (50%).

4.38. Представить и иллюстрировать варианты применения фокусирующих линз для оптического согласования полупроводникового лазера и волоконного световода.

Для оптимального оптического согласования полупроводниковых лазеров и волоконных световодов используются линзы цилиндрические, сферические, стержневые (градиентные).

(рис. 4.30, а) позволяет преобразовать сильно вытянутый эллипс пучка лазерного излучения и придать ему на входе в волоконный световод почти круглое сечение. При этом эффективность ввода лазерного излучения в многомодовый световод достигает 30%.

(рис. 4.30, б) обеспечивает преобразование расходящихся лучей лазерного излучения в параллельный пучок света значительного диаметра, что заметно облегчает дальнейшее преобразование и оптимальный ввод оптического излучения. Эффективным элементом такого преобразования и ввода является стержневая (градиентная) линза, которая фокусирует излучение в пучок, сходящийся под необходимым (относительно небольшим) углом с числовой апертурой волоконного световода.

Стержневые линзы имеют цилиндрическую форму с плоскими торцами для ввода оптического излучения. Главное, однако, в том, что в стержневой (градиентной) линзе, как и в градиентном оптическом волокне (рис. 4.26, б
), коэффициент преломления не остается постоянным, а уменьшается пропорционально квадрату расстояния от центральной оси (т.е. квадрату радиуса). Тем не менее в отличие от градиентного световода градиентная линза имеет большой диаметр (1-2 мм) и не имеет оболочки.

На рис. 4.31
, а показаны траектории светового пучка в градиентной линзе. Вводится параллельный пучок, который далее в объеме линзы, как и в градиентном волокне, изменяется (и продвигается) по синусоидальной траектории. Такая траектория распространения света имеет период (шаг)

где g - параметр, определяющий распределение показателя преломления(и, как следствие, степень фокусировки) линзы.

Создавая (вырезая) градиентный стержень определенной длины L, несложно четко сформировать определенные фокусирующие свойства линзы. Если L = L π /2, то согласно рис. 4.21, а можно падающий параллельный пучок света сфокусировать в объеме линзы, а затем вывести его вновь в виде параллельного пучка.

) в активной зоне лазерного диода (ЛД). При небольших уровнях тока I лд полупроводниковый лазер действует как светодиод и генерирует некогерентное оптическое излучение небольшой мощности. При достижении порогового уровня тока I лд оптические колебания в лазерном резонаторе генерируются, становятся когерентными; резко возрастает мощность излучения P изл. Однако генерируемая мощность P изл и в этом режиме пропорциональна уровню тока I лд. Таким образом, возможности изменения (переключения, модуляции) мощности излучения полупроводникового лазера однозначно связаны с целенаправленным изменением инжекционного тока I лд.

В импульсном режиме действия лазерного диода его рабочая точка М (рис. 4.32, а
) фиксируется на пологом участке ватт-амперной характеристики P изл = φ(I лд) в предпороговой области лазера. Резкое увеличение тока I лд переводит рабочую точку на крутой участок характеристики (например, в положение N), что гарантирует возбуждение и интенсивный рост мощности лазерных колебаний. Спад тока I лд и перевод рабочей точки лазера в исходное положение М обеспечивают срыв лазерных колебаний и резкое снижение выходной мощности лазерного излучения.

В аналоговом режиме модуляции лазерных колебаний рабочая точка Q фиксируется на крутом участке ватт-амперной характеристики (рис. 4.32, б
). Изменение тока I лд под действием внешнего информационного сигнала приводит к пропорциональному изменению выходной мощности полупроводникового лазера.

4.40. Пояснить схему построения и принцип действия транзисторного каскада (рис. 4.33
) для управления инжекционным током полупроводникового лазера.

Намеченные (в предыдущем п. 4.39) приемы управления инжекционным током полупроводникового лазера удается четко реализовать, используя каскад (переключатель тока, дифференциальный усилитель), построенный на двух биполярных транзисторах (рис. 4.33, а
). Введены источники постоянных токов I п1 и I п2 . Ток I п1 неизменно протекает по цепи с лазерным диодом ЛД, ток I п2 питает эмиттерные цепи транзисторов T 1 , T 2 и перераспределяется в зависимости от уровня управляющего напряжения e упр

Если e упр > 0,3 В (и существенно выше нулевого потенциала базы транзистора T 2), то транзистор T 1 открыт и проводит ток I п2 , а транзистор T 2 выключен. В этом состоянии лазерный диод ЛД питается только током I п1: I лдmin = I п1 (рис. 4.33, б
).

При e упр < -0,3 В выключен транзистор T 1 , ток I п2 переключается в эмиттерную цепь транзистора T 2 и лазерный диод возбуждается максимальным током I лдmax = I п1 + I п2 . При этом учитывается, что для биполярных транзисторов высокого качества коллекторный (I к) и эмиттерный ( 1. Отметим также, что передаточная характеристика I лд = e упр построена (рис. 4.33, б
) для транзисторов T 1 и T 2 с идентичными вольт-амперными характеристиками (ВАХ) эмиттерных р-n-переходов; поэтому при e упр = 0 ток Iлд = I п1 + 0,5I п2 . Естественный технологический разброс ВАХ приводит к небольшому сдвигу передаточной характеристики (рис. 4.33, б
) по шкале напряжений.

Очевидно, что транзисторный каскад (рис. 4.33, а
) можно использовать как переключатель тока I п2 для цифрового управления лазерным диодом, а также как дифференциальный усилитель сигналов напряжения e упр (t) для аналоговой модуляции лазерного излучения.

4.41. Рассмотреть технические возможности применения полевых транзисторов для управления полупроводниковыми лазерами.

Полевые транзисторы (рис. 4.34, а
) по выходной (стоковой) цепи являются в пентодной области ВАХ I c = φ(U си) параметрическими стабилизаторами тока (рис. 4.34, в) и успешно применяются для четкого, строго регламентированного управления полупроводниковыми лазерами. Ток стока I c эффективно изменяется по затвору сигналами напряжения согласно передаточной характеристике I c = Ψ(U зи), представленной на рис. 4.34, б
.

Рабочая точка М каскада (рис. 4.34, а
) при определенном входном напряжении e упр получена (рис. 4.34, в
) стандартным графоаналитическим решением системы

При таком построении лазерный диод является нелинейной статической нагрузкой полевого транзистора (по цепи стока).

Каскады на полевых транзисторах можно с равным успехом использовать для цифрового и аналогового управления полупроводниковыми лазерами. Удобно оказывается параллельное соединение двух полевых транзисторов по схеме (рис. 4.35
). Один из транзисторов (в данном случае T 2) определяет исходный режим лазерного диода в предпороговой или регенеративной области функционирования. Переключение или модуляцию лазерного излучения осуществляет транзистор T 1 , управляемый аналоговыми или цифровыми информационными сигналами e упр (t).

4.42. Рассмотреть принципы и схемотехнику построения ретрансляторов оптических сигналов (рис. 4.36
).

В волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) значительной длины оптические сигналы, первоначально формируемые лазерными диодами, существенно ослабевают. Поэтому обычно ВОЛС составляется из однотипных фрагментов, соединенных последовательно. На стыках смежных фрагментов ВОЛС действуют усилители-ретрансляторы, восстанавливающие мощность оптических сигналов.

В технически несложном варианте, представленном на рис. 4.36, а
, приемником оптических сигналов, формируемых на выходе фрагментов ВОЛС и поступающих на вход ретранслятора, служит малоинерционный фотодиод с р-i-n-структурой. Фототок I Φ освещаемого фотодиода ФД реагирует на изменения падающего (входного) потока света Ф: I Φ (t) ~ Φ(t) - и изменяет напряжение U 3 на затворе полевого транзистора: U 3 (t) = I Φ (t)R 1 . Сигнал напряжения U 3 (t) модулирует ток стока I c (t) полевого транзистора, а следовательно, ток возбуждения I лд (t) лазерного диода. Выходное излучение Φ вых (t) лазера «следит» за изменениями входного потока света Φ вх (t) без значительных искажений, но существенно превосходит входной оптический сигнал по мощности.

Дополнительными функциональными и техническими возможностями обладает ретранслятор оптических сигналов, построенный по схеме (рис. 4.36, б
). Лазерный диод ЛД постоянно возбужден током I п и действует как генератор оптических сигналов значительной мощности. Выходной поток света Φ вых (t) модулируется током стока I c1 (t) полевого транзистора T 1 . Входное оптическое излучение Φ вх (t) воздействует на полевой транзистор T 2 и изменяет фотоэдс между стоком и истоком (затвором) этого транзистора, которая управляет по затвору током стока I c1 транзистора T 1 и током возбуждения I лд лазерного диода.

Такое управление возможно, если полевой транзистор T 3 выключен (при низком уровне управляющего напряжения e упр). Включение транзистора T 3 напряжением e упр более высокого уровня замыкает управляющую цепь транзистора T 1 и исключает воздействие входного оптического потока Φ вх (t) на выходное излучение Φ вых (t) лазерного диода.

4.43. Пояснить задачи и технику электронной стабилизации тока возбуждения полупроводникового лазера.

Технические задачи стабилизации электрического режима и оптических характеристик полупроводниковых лазеров возникают и существенны в нескольких случаях. Целесообразно четко определить и жестко фиксировать ток постоянного электрического питания лазерного диода, что необходимо и в предпороговой области действия лазера, и в процессе непрерывной генерации лазерных колебаний.

Важно также стабилизировать мощность оптического излучения полупроводникового лазера. По мере возбуждения такого лазера мощность лазерного излучения непрерывно нарастает, но в итоге должна фиксироваться на определенном, четко предсказуемом уровне. При длительном функционировании полупроводникового лазера с инжекционной накачкой большим током выходная мощность лазера постепенно снижается (прибор «деградирует»). Необходимо стабилизировать интенсивность излучения полупроводникового лазера, нейтрализуя процесс деградации.

Эффективной оказывается электронная стабилизация тока возбуждения лазера. При неизменном (стабилизированном) токе I лд четко определяется и надежно поддерживается (сохраняется) электрический режим лазерного диода в предпороговой области (при небольших уровнях тока I лд) или в режиме генерации когерентных колебаний (при значительном токе I лд).

Электронную стабилизацию тока возбуждения полупроводникового лазера несложно осуществить по стандартной схеме, представленной на рис. 4.37
. Постоянный уровень тока I лд обеспечивают операционный усилитель ОУ, источник неизменного (эталонного) напряжения E 0 , усилитель тока на биполярном транзисторе Т, резистор R 2 . Вспомогательную роль играет токоограничивающий резистор R 1 . Учитывается, что дифференциальная разность входных потенциалов ОУ при значительном коэффициенте усиления k KO весьма невелика: E 0 - U a ® 0. Поэтому потенциал U a жестко фиксирован на уровне E 0 , а ток возбуждения лазерного диода I лд = E 0 /R 2 строго определен и поддерживается неизменным (стабилизированным).

В рассматриваемой схеме обеспечивается глубокая отрицательная обратная связь. Если ток I лд лазерного диода нестабилен и, например, возрастает, то увеличиваются падение напряжения на резисторе R 2 и потенциал U a инверсного входа ОУ. Поэтому выходное напряжение ОУ снижается и через транзистор Т воздействует на лазерный диод, уменьшая (по существу стабилизируя) ток его возбуждения.

В естественном варианте с конкретным (ограниченным) значением коэффициента усиления k KO уровень тока возбуждения лазерного диода в схеме (рис. 4.37
)

зависит от падения напряжения на лазере (ΔU лд.пр) и эмиттерном р-n-переходе транзистора (ΔU бэ.пр), смещенных в прямом направлении, а также от сопротивления резистора R 1 и коэффициента передачи А транзистора. Влияние этих факторов оказывается незначительным при k KO >> 1 и А 1, что, безусловно, выполняется для ОУ и биполярных транзисторов высокого качества.

4.44. Рассмотреть принцип и схему стабилизации по оптическому каналу тока возбуждения полупроводникового лазера.

Возможные изменения оптического излучения полупроводниковых лазеров четко отслеживают малоинерционные фотоприемники, например фотодиоды с p-i-n-структурой. Введение такого фотоприемника в цепь отрицательной обратной связи, охватывающей лазер, позволяет стабилизировать характеристики лазерного излучателя по оптическим каналам.

Базовая схема оптической стабилизации, представленная на рис. 4.38
, содержит усилитель тока УТ, который управляется сигналами входного тока I упр и питает выходным током I лд (t) лазерный диод ЛД. Фотодиод ФД реагирует на оптическое излучение полупроводникового лазера и создает фототок I Φ (t), действующий как сигнал отрицательной оптической обратной связи.

Согласно ток возбуждения I лд лазера стабилизирован, так как не зависит от коэффициента усиления по току k 1 , а в основном определяется коэффициентами преобразования k 2 и k 3 . В свою очередь, поток Φ лд согласно непосредственно не связан с коэффициентом преобразования k 2 , что существенно и полезно при длительном возбуждении полупроводникового лазера и постепенной деградации его оптического излучения (которая приводит к заметному уменьшению коэффициента k 2 при неизменном токе I лд).

4.45. Рассмотреть схему и принцип действия устройства (рис. 4.39
) с оптической обратной связью. Выделить компоненты схемы, существенно ограничивающие быстродействие устройства.

Детальные разработки базовой идеи (рис. 4.38
), представленные в статье , предполагают активное использование операционных усилителей (ОУ) и транзисторных каскадов.

В несложной схеме (рис. 4.39
) ОУ управляется цифровыми сигналами e упр (t) отрицательной полярности по инверсному входу; при этом небольшой отрицательный уровень сигнала - e упр(0) соответствует логическому 0, а относительно большой (более отрицательный) уровень - e упр(1) - логической 1. ОУ воздействует по базовой цепи на транзисторный каскад с токоограничивающим резистором R 2 . Однако определяющим является канал обратной связи, в котором малоинерционный фотодиод реагирует на оптическое излучение полупроводникового лазера и создает фототок I Φ = k 1 I лд; здесь k 1 - коэффициент передачи по току оптической пары лазер - фотоприемник. Фотодиод шунтирован резистором R 1 ; поэтому ОУ реагирует по прямому (неинвертирующему) входу на потенциал U a = -I Φ R 1 .

В установившемся режиме дифференциальная разность входных потенциалов ОУ U a - e упр 0; таким образом, действующий (возможный) уровень фототока жестко фиксирован: I Φ = e упр /R 1 . Строго определен в такой схеме уровень тока, возбуждающего лазер: I лд = I Φ /k 1 = e упр /(k 1 R 1 .). С учетом дискретных значений цифрового сигнала e упр (t) ток возбуждения полупроводникового лазера в схеме (рис. 4.39
) имеет лишь два четких значения: I лд(0) = e упр(0) /(k 1 R 1 .) и I лд(1) = e упр(1) /(k 1 R 1 .).

Если исходным является управляющий сигнал - e упр(0) , то ток возбуждения I лд(0) невелик и лазер фиксируется в предпороговой области (на грани возбуждения). При резком снижении сигнала e упр (t) до уровня - e упр(1) существенно (до уровня I лд(1)) возрастает ток I лд и полупроводниковый лазер, активно возбуждаясь, генерирует когерентное оптическое излучение.

Таким образом, в рассматриваемой схеме (рис. 4.39
) обратная связь по оптическому каналу задает электрический режим полупроводникового лазера, ограничивает и стабилизирует мощность лазерного излучения.

Представленное устройство можно успешно использовать для цифровой и (или) аналоговой модуляции оптического излучения сигналами e упр (t). Важно, однако, учитывать, что ОУ в таком модуляторе действует одновременно в канале прямой электрической связи, реагируя на модулирующие сигналы e упр (t), и в цепи обратной оптической связи, стабилизируя ток возбуждения и выходную мощность полупроводникового лазера. Частотные возможности ОУ относительно невелики (не выходят за пределы 10-50 МГц), что существенно ограничивает быстродействие лазерного модулятора (рис. 4.39
).

4.46. Рассмотреть схемотехнику и принцип действия устройства (рис. 4.40
). Пояснить техническую роль в схеме переключателя тока, построенного на транзисторах T 2 , T 3 , и операционного усилителя ОУ.

Устройство управления лазером, приведенное на рис. 4.40
, дополнено высокоскоростным транзисторным переключателем тока I п. Этот переключатель реагирует на входные сигналы e упр (t) и непосредственно (по коллекторной цепи транзистора T 3) управляет током возбуждения I лд лазерного диода. При этом ОУ по-прежнему обеспечивает стабилизацию инжекционного тока и выходной мощности лазера в установившемся режиме, но на воздействие импульсных сигналов e упр (t) реагирует замедленно (в финале переходных процессов переключения). Таким образом, транзисторный переключатель тока в схеме (рис. 4.40
) осуществляет высокоскоростное управление полупроводниковым лазером, а более длительные (низкочастотные) процессы стабилизации выполняет ОУ.

Если лазерный модулятор непрерывно действует в режиме весьма высокой импульсной загрузки, то ОУ не успевает «следить» за изменениями тока возбуждения I лд (t) и стабилизирует усредненную мощность лазерного излучения, которая при цифровом управлении существенно превышает минимальную мощность, соответствующую сигналу e упр(0) , но явно не достигает максимальной мощности, которую должны обеспечивать уровни e упр(1) .

4.47. Пояснить схемотехнические особенности устройства (рис. 4.41
). Выделить цепи отрицательной обратной связи по электрическим и оптическим каналам.

В устройстве, представленном на рис. 4.41
, ОУ полностью освобожден от высокоскоростных операций, связанных с воздействием модулирующих сигналов e упр (t). Потенциал инверсного входа ОУ фиксирован на неизменном уровне - E 0 .

Входные импульсные сигналы e упр (t) управляют лазером по коллекторной цепи транзистора T 3 . Особенностью схемы (рис. 4.41
) является введение электрической обратной связи по коллектору транзистора T 2 ; при этом коллекторный ток I k2 непосредственно влияет на потенциал обратной связи U a = (I k2 - I Φ)T 2 и корректирует стабилизирующее действие оптического канала такой связи. Очевидно, однако, что и в этом устройстве при интенсивной импульсной загрузке обратная связь стабилизирует усредненное значение выходной мощности лазерного излучения.

Сканирующие системы появились в сере­дине 70-х годов и к концу 80-х почти полностью вытеснили традицион­ные фотографические и телевизионные системы. Сегодня они являются основными поставщиками данных ДЗЗ при решении задач природно-­ресурсного и экологического мониторинга.

В общих чертах механизм сканирования заключается в следующем. На спутнике имеется сканер, который оснащён фотоэлектрическим или термоэлектрическим приёмником. В этот приёмник попадает отражённое излучение с некоторого участка земной поверхности. Приёмник генерирует электрический сигнал, завися­щий от интенсивности излучения. Величина сигнала фиксируется в памяти устройства, а датчик начинает принимать сигнал со следующего участка земной поверхности. Таким образом, участок за участком, начинает формироваться изображение. Каждый такой участок земной поверхности, отражение от которого было одномоментно зарегистрировано датчиком, на снимке отображается в виде пиксела – наименьшего неделимого элемента изображения. На каждом пикселе отражается осреднённое значение яркости всех объектов, попавших в пределы данного пиксела. Таким образом, чем меньше размер пиксела, тем качественнее изображение можно получить на снимке, так как становится возможным отображение более мелких объектов.

Сканерные системы дистанционного зондирования бывают двух видов – оптико-механические (делятся на линейные и поперечные) и оптико-электронные (продольные и планарные).

В линейных сканерах (для съёмки всей сцены используется один-единственный детекторный элемент

Рисунок 1 – Линейный оптико-механический сканер

В сканерах этого типа установлено зеркало, которое качается из стороны в сторону поперёк направления движения спутника. На зеркало последовательно попадает отраженное излучение от разных участков поверхности вдоль строки, а с зеркала оно уже попадает на детектор. Дойдя до крайней точки строки зеркало начинает вращаться в обратную сторону, считывая следующую строку (спутник за это время пролетел расстояние, соответствующее одной строке пикселов). Таким образом, строка за строкой изображение наращивается. Колебание зеркала поперек маршрута съемки реализует строки изображения, а благодаря движению носителя происходит накопление строк и формируется полное изображение снимка, имеющее строчно-сетчатую поэлементную структуру.

Другой разновидностью линейных сканеров является сканер, в котором зеркало не качается из стороны в сторону, а вращается всегда в одном направлении вокруг своей оси, в диапазоне 360 градусов. Здесь датчик считывает сигнал вдоль строки, а затем, пока датчик делает вокруг своей оси, спутник продвигается на некоторое расстояние вперёд и датчик вновь начинает считывать следующую строку в том же направлении. За одну секунду осуществляется около 7 таких циклов.

В поперечных ПЗС-сканерах , например, сканер TM (Thematic Mapper) спутника Landsat-5, используется линейка детекторов, расположенных вдоль маршрута съёмки. Такая линейка называется линейка ПЗС (прибор с зарядовой связью; название отражает способ считывания электрического потенциала методом сдвига заряда от элемента к элементу). В результате, при каждом цикле движения зеркала все детекторные элементы осуществляют параллельное сканирование земной поверхности. Как и для линейных сканеров, движение датчика может осуществляться из стороны в сторону, когда следующая строка считывается в противоположном направлении, либо вокруг своей оси.

Основным недостатком устройств такого типа является наличие механического сканирующего зеркала, ограничивающего точность географической привязки получаемых изображений и снижающего долговечность и надежность устройства в целом. В оптико-электронных камерах на приборах с зарядовой связью (ПЗС), получивших наименование «push-broom scanner», элементы с механическим сканированием не используются. Строка изображения в одном спектральном диапазоне формируется при помощи линейной матрицы (линейки) детекторов на ПЗС, ориентированной перпендикулярно направлению полета спутника.

Продольные ПЗС-сканеры оснащены ПЗС-линейкой, состоящей из тысяч детекторных элементов, расположенных поперёк маршрута. В результате параллельное сканирование всего набора данных происходит просто за счёт движения платформы по орбите.

Планарный ПЗС представляет собой матрицу датчиков, аналогично матрице в обычном цифровом фотоаппарате. Необ­ходимо обеспечить достаточное время, чтобы определенное количество фотонов попало на датчик. Если датчик находится в движении относи­тельно цели, то применяется пошаговое формирование изображения, чтобы предотвратить размывание.

Независимо от типа сканирующей системы полный угол сканирования поперек маршрута съемки называется углом обзора , а соответствующая величина на поверхности Земли шириной полосы съемки (другое название - ширина полосы охвата ). Расстояние на земной поверхности, соответствующее расстоянию между центрами соседних пикселов, называется наземным интервалом дискретизации (другое название – наземный шаг сканирования ). Наземные интервалы дискретизации вдоль и поперек маршрута съемки определяются соответствующими частотами дискретизации, а также скоростью движения платформы. На практике частоту дискретизации обычно подбирают так, чтобы величина наземного интервала дискретизации была равна размеру мгновенного поля обзора, то есть ширине проекции одного детекторного элемента на земную поверхность (рис. 2 и 3). Таким образом, мгновенные поля обзора соседних пикселов примыкают друг к другу как в продольном, так и в поперечном направлении. Наземный интервал дискретизации вдоль маршрута съемки определяется скоростью платформы и либо частотой дискретизации (для продольных ПЗС-сканеров), либо скоростью сканирования (для линейных и поперечных ПЗС-сканеров), которые подбираются так, чтобы соответствовать мгновенному полю обзора в надире. Использование в некоторых системах более высокой частоты поперечной дискретизации приводит к наложению мгновенных полей обзора и, как следствие, к некоторому улучшению качества данных. Такой метод «избыточного сканирования» применяется, в частности, в съемочных системах Landsat MSS и AVHRR KLM.

Рисунок 2 – Простейшая геометрическая схема расположения детекторного элемента в фокальной плоскости датчика

Рисунок 3 – Связь между проекцией мгновенного поля обзора и интервалом дискретизации для типовых сканеров и для приборов MSS и AVHRR

Наземный интервал дискретизации GSI определяется высотой расположения платформы Н, фокусным расстоянием f и междетекторным интервалом (или, как было отмечено выше, пространственной частотой дискретизации). Если частота дискретизации равна одному пикселу на один междетекторный интервал, наземный интервал в надире , то есть непосредственно под датчиком, задаётся простой формулой:

Где m = f/H – коэффициент геометрического увеличения, а величина междетекторного интервала обычно равна ширине детекторного элемента w .

Мгновенное поле обзора GIFOV зависит от величин H, f и w аналогичным образом. При этом следует заметить, что инженеры-разработчики систем дистанционного зондирования предпочитают использовать в своих расчётах другой параметр – величину мгновенного угла обзора IFOV, равную углу, который образует детекторный элемент с осью оптической системы (рисунок 2). Это обусловлено тем, что IFOV является величиной постоянной и не зависит от рабочей высоты датчика.

Данные, получаемые при помощи оптических датчиков с высоким пространственным разрешением, используются при решении большого числа тематических задач, включая, например, измерение протяженности и классификация растительного покрова, определение состояния сельскохозяйственных культур, геологическое картирование, контроль эрозии почв в береговой зоне и т.д. Однако область применимости этих данных несколько ограничивается тем, что получение качественных оптических снимков возможно только на освещенной части поверхности Земли в ясную, безоблачную погоду.