Конструктивная реализация механизмов сканирования.

В любом сканирующем устройстве качество получаемых цифровых изображений в большой степени определяется конструктивной реализацией механизма сканирования, особенностью оптической системы, а также от качества, работающих в паре, двух центральных компонентов блока оцифровки изображений:

- трехлинейной светочувствительной матрицы (чаще называемой ПЗС-матрицей);

- аналогово-цифрового преобразователя (АЦП).

С другой стороны, огромную роль в формировании возможностей сканера играет его программное обеспечение, позволяющее производить сложную обработку и преобразование цифровых описаний цветных изображений. В цифровых копирах, как известно, копия по качеству может быть значительно лучше оригинала.

Оцифровка сканируемого изображения в большинстве сканирующих устройств (среднего класса) выполняется с перемещением каретки сканирующей лампы. Механика такой оцифровки состоит в том, что сканирующая лампа, последовательно меняет свое положение, относительно размещенного на столе оригинала, на величину шага, минимальная величина которого определяет механическое разрешение сканера. При этом отраженный от непрозрачного оригинала (или прошедший сквозь прозрачный оригинал) свет фокусируется через оптическую систему на ПЗС-матрицу, находящуюся под ложем сканера. 

Существует несколько вариантов построения кинематики таких сканеров, различающихся по числу и типу подвижных компонентов.

Наиболее распространенный и менее дорогой вариант использует единый, перемещающийся относительно неподвижного стола, модуль с оптической системой и ПЗС-матрицей, в котором происходит обработка светового потока с отсканированной информацией (рис. 1).

Рис. 1. Путь луча в сканере от оригинала до ПЗС (единый, перемещающийся относительно неподвижного стола, модуль с оптической системой и ПЗС-матрицей).

Значительно реже применяется конструкция с неподвижной ПЗС-матрицей (рис. 2), в которой сканирование осуществляется либо за счет движения стола с оригиналом, либо перемещением ламп и компонентов оптической системы.

Конечно, физические принципы построения полупроводниковых ПЗС-структур обуславливают преимущества и недостатки перечисленных вариантов, и любые внешние воздействия, способные даже незначительно повысить рабочую температуру светочувствительных полупроводниковых элементов, приводят к возникновению в них паразитных токов. Кроме того, имеются погрешности, связанные с обработкой светового потока в подвижной оптической системе, кроме того, любой,  даже идеально собранный, механизм со временем изнашивается, что и приводит к снижению точности работы. 

Рис. 2. Принципиальная схема механизма с неподвижной ПЗС-матрицей.

Очень редко на практике в сканирующих устройствах используют почти стационарную оптическую систему, в которой движется только линза авто-фокусировки и неподвижна ПЗС-матрица. Оптическая система играет главную определяющую роль в формировании отчетливого изображения, существенное значение имеет большая глубина резкости и использование длиннофокусной оптики. В процессе сканирования сборка с лампой, зеркалами и линзами «догоняет» вторую оптическую сборку, гарантируя постоянство оптического пути, длину которого разработчики этих сканеров намеренно увеличили.

Системы сканирования  цифровых копировальных машин обычно имеют неподвижную верхнюю часть. Изображение освещается, и отражение попадает через оптическую систему на принимающие фотоэлектрические приборы, например, формирует электрический заряд в ПЗС (рис. 3). От светлых участков оригинала отражается больше света, чем от темных, поэтому и на соответствующие ПЗС воздействует свет различной яркости и формируются соответствующей величины заряды. Сканер обязательно должен начать движение из начального положения. На корпусе машины установлен датчик, фиксирующий начальное положение, а на сканере имеется активатор датчика. Если при включении дат­чик начального положения не активирован, машина сначала приводит сканер в начальное положение. После этого машина получает сигнал «начать прямое движение сканера». При этом лампа экспонирования освещает документ. Вскоре после начала движения упомянутый ранее активатор сигнализирует другому датчику (датчику регистрации) что сканер подошел к определенной точке. Этот сигнал передается на главную плату. В машинах с неподвижным верхом обычно имеется шлейф проводов, который подводит электропитание к лампе. Шлейф двигается вперед-назад вместе с движением сканера и имеет тенденцию ломаться (лампа в этом случае обычно выключается, а машина показывает на дисплее диагностический код неисправности лампы). Не зависимо от того, является верх движущимся или стационарным, сканер должен как-то приводиться в движение для этого сейчас используется шаговый двигатель. Процесс сканирования происходит следующим образом. Оригинал располагается на прозрачном неподвижном стекле, вдоль которого передвигается сканирующая каретка с источником света. Оптическая система сканера, которая состоит из объектива и зеркал, или призмы,  проецирует световой поток от сканируемого оригинала на приёмный элемент. Приёмный элемент преобразует уровень освещенности в уровень заряда в ПЗС. Далее, после возможной коррекции и обработки, аналоговый сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). С АЦП информация выходит уже в  двоичном виде, запоминается в оперативной памяти  и, после обработки в контроллере сканера через интерфейс с главной платой будет использована в блоке управления лазером. Источником  света в сканерах  является обычная флуоресцентная лампа. Ее главный недостаток - слабая стабильность характеристик освещения и ограниченный срок службы. В современных моделях – используется лампа с холодным катодом, имеющая лучшие параметры и значительно больший срок службы.

В обычной оптической системе световой поток от оригинала проецируется на матрицу CCD (ПЗС - прибор с зарядовой связью), которая преобразует его в электрический сигнал. Обычно используется один фокусирующий объектив (или линза), который проецирует полную ширину области сканирования на полную ширину матрицы CCD.