Основные элементы конструкции сканеров

Основными элементами и устройствами, входящими в состав сканера, являются: источник света, фотоприемники, оптико-волоконные световоды, микрообъективы и объективы, светоделительные призмы и зеркала, светофильтры.

Источники света

В качестве источника света в сканерах используются лампы накаливания, люминесцентные, металлогалогенные и ксеноновые лампы и лазеры.

В основе получения светового излучения ламп накаливания лежит тепловое излучение, испускаемое твердым телом при его нагревании. Отличительная особенность тепловых излучателей состоит в непрерывности и плавности спектра излучения. Для характеристики цветности излучения теплового излучателя пользуются понятием цветовая температура.

Цветовая температура (Тц) - это температура абсолютно черного тела, при котором цветность его излучения одинакова с цветностью излучения сравниваемого теплового излучателя. Так, цветовая температура дневного света составляет 6500 K, лампы накаливания с вольфрамовой нитью - 2450 K, дуговой лампы -5500 K. Это значит, что абсолютно черное тело, нагретое до таких же температур, испускает такое же излучение, что и перечисленные источники.

Лампы накаливания состоят из следующих основных конструктивных элементов: стеклянной колбы, нити накала, держателя нити накала и металлического цоколя. У современных ламп накаливания тело накала изготовляют из вольфрамовой проволоки, свитой в одинарную или двойную спираль. Вольфрам - тугоплавкий металл, он выдерживает нагревание до высоких температур, приближающих излучение лампы к белому цвету.

Лампы накаливания, применяемые в сканерах, должны отвечать ряду специальных требований, так как лампы - часть точной оптической системы. Поэтому для них нормируются положение светового центра накала, его размеры. К ним предъявляют повышенные требования в отношении качества стекла колб, размеров, формы и расположения тела накала, конструкции цоколя. К этому типу ламп относятся также лампы накаливания с йодным циклом. Колбы этих ламп изготовляют из кварцевого стекла. Их пре-имущества перед обычными лампами накаливания состоят в том, что срок службы у них значительно выше, габаритные размеры значительно меньше, лампы имеют высокую яркость свечения и большую световую отдачу.

Люминесцентные лампы обладают более высокой экономичностью и большим сроком службы по сравнению с лампами накаливания. Люминесцентные лампы со специальным подбором люминофоров излучают свет, близкий к дневному (белому) свету. Люминесцентная лампа представляет собой цилиндрическую стеклянную трубку, на обоих концах которой впаяны ножки с двумя контактными штырьками. Внутри баллона на цоколе укреплены электроды в виде двойных вольфрамовых спиралей, покрытых слоем окиси бария. В баллон лампы вводят несколько миллиграммов ртути. Пары ртути, в которых происходит газовый разряд, имеют небольшое давление - 0,8-1,43 Па. Для улучшения газового разряда в лампу вводят инертные газы (аргон или криптон). Порошкообразные люминофоры наносят на внутреннюю поверхность трубки в виде тонкого равномерного слоя.

Металлогалогенные лампы испускают свет, близкий к дневному, что позволяет использовать их при цветоделительных работах, обладают высокой интенсивностью, большой светоотдачей, имеют длительный срок службы.

Ксеноновые лампы относятся к разряду источников света высокой интенсивности. В них используют в качестве газовой среды тяжелый инертный газ ксенон, который дает разряд при больших плотностях тока и высоких давлениях. Излучение разряда ксенона образует непрерывный спектр, приближающийся к спектру солнечного света. Это и определило применение ксеноновых ламп: их используют в качестве источников света для фоторепродукционных работ и в анализирующих устройствах сканеров.

Лазер как источник света используется только в черно-белых сканерах, так как дает монохроматическое световое излучение. В черно-белых сканерах наряду с другими источниками света применяются маломощные газовые лазеры: гелий-неоновые и аргоновые.

Фотоприемники

В сканерах плоскостного и проекционного типов применяются приборы с зарядовой связью (ПЗС), а в барабанных - фотоэлектронные умножители и фотодиоды. Иногда бывает наоборот.

Работа ПЗС основана на свойстве конденсаторов МОП-структуры (металл - оксид - полупроводник) собирать и накапливать пакеты неосновных носителей зарядов в локализованных потенциальных ямах на границе кремний - оксид кремния.

Воздействие света приводит к появлению электронно-дырочных пар и накоплению неосновных носителей (электронов) в потенциальной яме. Накопленный заряд пропорционален освещенности и времени накопления. Направленная передача накопленных зарядов в ПЗС от одного МОП-конденсатора к близко расположенному соседнему производится продольным электрическим полем между затворами при подаче на второй затвор более высокого напряжения. Под этим электродом образуется более глубокая потенциальная яма, в которую перетекает зарядовый пакет.

В ПЗС процессы накопления зарядов и их считывание разделены во времени. Развертка производится в промежуток времени, соответствующий обратному ходу. При этом одновременное перемещение зарядов вдоль линейки происходит от первой ячейки слева направо, а сигнал изображения на выходе получается в обратном порядке, начиная с последней ячейки строки. Таким образом, осуществляется самосканирование - передача информации за счет зарядовой связи путем изменения глубины потенциальных ям под электродами МОП-конденсаторов.

Рассматриваемая развертка в направлении строки в сканерах сочетается с механическим перемещением оригинала в перпендикулярном направлении (в направлении кадра). Разработаны линейки, имеющие 8000 ячеек в строке, размер ячейки - 20 мкм. Существуют матричные структуры на ПЗС, создающие сигнал изображения.

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и фотодиоды (ФД) являются составной частью анализирующих устройств барабанного типа. Они предназначены для преобразования изменяющегося по величине отраженного от оригинала или прошедшего через него светового потока в электрический сигнал. Фотоэлектронный умножитель состоит из электронно-оптической секции 1 и секции вторично-электронного умножения 2. В электронно-оптической секции осуществляется преобразование светового потока Ф в фототок 1ф = 8ф на основе внешнего фотоэффекта - эмиссии фотоэлектронов под действием квантов света. Величина е -интегральная чувствительность фотокатода (А/лм).

На внутреннюю поверхность торцевого или бокового окна напыляют тонкую металлическую пленку, практически прозрачную для света и служащую для подачи питания на фотокатод (ФК). Затем на нее наносят светочувствительный слой.

1. Электронно-оптическая секция помимо ФК содержит фокусирующий электрод (ФЭ), диафрагму Д и первый динод Д₁ (эмиттер вторичных электронов). Фотоэлектроны покидают ФК под различными углами к его поверхности и с различными скоростями. Электроды ФК, ФЭ, Д и Д₁ образуют электростатические линзы, обеспечивающие фокусировку и ускорение фотоэлектронов, направляемых на первый динод Д₁.
2. Секция вторично-электронного умножения состоит из нескольких динодов и коллектора К. Между соседними динодами приложены ускоряющие напряжения, снимаемые с делителя 3. Фотоэлектроны, попадая на первый динод Д1, вызывают вторично-электронную эмиссию. Значение коэффициента вторичной эмиссии о = i₂/i₁ зависит от материала и обработки поверхности динода, а также от ускоряющего напряжения. Вторичные электроны попадают на второй динод Д₂. Умноженный поток электронов со второго динода поступает на третий и т.д. Перед динодами расположены сетки. С помощью сеток создается электрическое поле, способствующее фокусировке вторичных электронов. Сетки также экранируют секции динодов друг от друга. Все электроды ФЭУ питаются от стабилизированного источника с помощью делителя 3, на который подается напряжение от -1500 до -2500 В.

В идеализированном случае можно принять значения коэффициентов вторичной эмиссии о₁ = о₂ = ... = о. Тогда на выходе ФЭУ ток коллектора 1к = i₁ o_n, где n - число каскадов вторично-электронного умножения; i₁ = i_ф - ток эмиссии фотокатода. Обычно о = 4-8 и n = 7-12. Фотоэлектронные умножители достаточно широкополосные (длительность фронта сигнала при резких изменениях светового потока не превышает 10^-8 — 10^-9 с). Это означает, что ФЭУ практически не накладывают ограничений на скорость передачи изображений.

Фотодиоды - полупроводниковые приборы с диффузионным переходом, работа которых основана на внутреннем фотоэффекте. На фотодиод подается запирающее напряжение (обратное смещение). По принципу действия фотодиод аналогичен запертому полупроводниковому диоду, обратный ток которого изменяется под действием светового потока Ф. Применяются кремниевые фотодиоды, имеющие квантовый выход около 75% и примерно равномерную спектральную чувствительность в диапазоне 400-1100 нм. Световая характеристика мало зависит от приложенного напряжения и линейна. Рабочее напряжение около 20 В, темновой ток 1-2 мкА, интегральная чувствительность 3 мА/лм.

Кремниевые фотодиоды обладают малой инерционностью, не зависящей от светового потока.