Основные элементы конструкции сканеров

Основными элементами и устройствами, входящими в состав сканера, являются:

• источник света;

• фотоприемники;

• оптико­волоконные 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 заключается в непрерывности и плавности спектральной кривой излучения. Для характеристики цветности излучения теплового излучателя пользуются понятием цветовая температура.

Цветовая температура (Тц) — это температура абсолютно черного тела, при котором цветность его излучения совпадает 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, выдерживающий нагревание до высоких температур, приближающих излучение лампы к белому цвету.

Лампы накаливания, применяющиеся в сканерах, должны отвечать ряду специальных требований, поскольку являются частью точной оптической системы. Поэтому для ламп нормируются положение светового центра накала и его размеры. К лампам предъявляют повышенные требования в плане качества стекла колб, размеров, формы и расположения тела накала, конструкции цоколя. К данному типу ламп относятся также лампы накаливания с йодным циклом. Колбы этих ламп изготовляют из кварцевого стекла. Их преимущества перед обычными лампами накаливания заключаются в значительно большем сроке службы, в меньших габаритных размерах, в высокой яркости свечения и в большой световой отдаче.

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 — 0,8­1,43 Па. Для стабилизации 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, обладают высокой интенсивностью, большой светоотдачей, имеют длительный срок службы.

Ксеноновые лампы относятся к разряду источников света высокой интенсивности. В качестве газовой среды в них используют 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. Последнее обстоятельство и определило применение ксеноновых ламп в качестве источников света для фоторепродукционных работ и в анализирующих устройствах сканеров.

Лазер как источник света используется только в черно­белых сканерах, поскольку он дает монохроматическое световое излучение. В черно­белых сканерах наряду с другими источниками света применяются маломощные газовые лазеры: гелий­неоновые и аргоновые.

Фотоприемники. В сканерах плоскостного и проекционного типов, как правило, применяются приборы с зарядовой связью (ПЗС), а в барабанных — фотоэлектронные умножители и фотодиоды.

Работа ПЗС основана на свойстве конденсаторов МОП­структуры (металл — оксид — полупроводник) собирать и накапливать пакеты неосновных носителей зарядов в локализованных потенциальных ямах на границе кремний­оксид кремния. Структура МОП­конденсатора приведена на рис. 8 а. Монокристаллическая кремниевая подложка, например, дырочного р­типа проводимости покрыта диэлектриком — тонким (~0,1 мкм) слоем оксида, на котором расположен металлический электрод­затвор. При приложении к этому электроду положительного относительно подложки напряжения основные носители (дырки) в слое кремния у границы с оксидом будут отталкиваться от электрода, покидая поверхностный слой. Под электродом образуется потенциальная яма — область, обедненная основными носителями. «Глубина» этой ямы зависит от напряжения на затворе U.

Воздействие света приводит к появлению электронно­дырочных пар и к накоплению неосновных носителей (электронов) в потенциальной яме. Накопленный заряд пропорционален освещенности и времени накопления. Направленная передача накопленных зарядов в ПЗС от одного МОП­конденсатора к близко расположенному соседнему производится созданием продольного электрического поля между затворами при подаче на второй затвор более высокого напряжения. Под этим электродом образуется более глубокая потенциальная яма, в которую перетекает зарядовый пакет. Этот процесс иллюстрируется рис. 8 б, на котором штриховкой показана степень заполнения потенциальной ямы неосновными носителями, то есть величина заряда под электродом.

В качестве примера рассмотрим линейную (однострочную) структуру преобразователя, состоящего из цепочки МОП­конденсаторов. На рис. 8 в показано, что одна ячейка, соответствующая одному элементу изображения, состоит из трех МОП­конденсаторов. Затворы соседних ячеек соединены между собой по схеме трехтактного сдвигового регистра. Форма напряжения, прикладываемого к металлическим электродам 1, 2 и 3 каждой ячейки, имеет импульсный характер. Это обеспечивает однонаправленное перемещение накопленных зарядов к выходному устройству. Предположим, что под электродами 1 накоплены заряды, величина которых соответствует распределению освещенности вдоль линейки ПЗС. К электродам 2 и 3 приложено меньшее напряжение, чем к электродам 1, зарядовые области изолируются потенциальными барьерами. Если в процессе развертки к электродам 2 приложить напряжение, равное напряжению на электродах 1, происходит расширение потенциальной ямы и электроны заполняют потенциальную яму под электродами 1 и 2. Далее напряжение на электродах 1 уменьшается и неосновные носители полностью перемещаются под электроды 2. К этому времени на электродах 3 напряжение мало, что приводит к изоляции зарядовых областей между отдельными ячейками линейки.

Рис. 8. К пояснению электрической развертки в линейке ПЗС

Для перемещения зарядов из данной ячейки в следующую необходимо сначала перенести их под электроды 3, а затем — под электроды 1 следующей ячейки. Это осуществляется подачей на электроды положительных тактовых импульсов. За три такта изменения напряжений на фазах Ф₁, Ф₂ и Ф₃ зарядовый рельеф в линейке переместится на одну ячейку. В выводном устройстве последовательность зарядов преобразуется в импульсное напряжение, огибающая которого представляет собой сигнал изображения.

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 МОП­конденсаторов.

Сегодня разработаны линейки, имеющие 8000 ячеек в строке, с размером ячейки — 20 мкм. Существуют матричные структуры на ПЗС, создающие сигнал изображения. Датчики свет—сигнал на ПЗС — малогабаритные, потребляющие мало энергии и обеспечивающие высокую геометрическую точность при сканировании изображений.

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и фотодиоды (ФД) используются в основном в устройствах барабанного типа. Фотоэлектронный умножитель состоит из электронно­оптической секции 1 и секции вторично­электронного умножения 2 (рис. 9). В электронно­оптической секции осуществляется преобразование светового потока Ф в фототок на основе внешнего фотоэффекта — эмиссии фотоэлектронов под действием квантов света. Величина — 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.

Электронно­оптическая секция помимо ФК содержит фокусирующий электрод (ФЭ), диафрагму Д и первый динод Д 1 (эмиттер вторичных электронов). Фотоэлектроны покидают ФК под различными углами к его поверхности и с различными скоростями. Электроды ФК, ФЭ, Д и Д 1 образуют электростатические линзы, обеспечивающие фокусировку и ускорение фотоэлектронов, направляемых на первый динод Д 1.

Секция вторично­электронного умножения 2 состоит из нескольких динодов и коллектора К. Между соседними динодами приложены ускоряющие напряжения, снимаемые с делителя 3. Фотоэлектроны, попадая на первый динод Д₁, вызывают вторично­электронную эмиссию. Значение коэффициента вторичной эмиссии 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 (на рис. 9 не показаны), с помощью которых создается электрическое поле, способствующее фокусировке вторичных электронов. Наряду с этим сетки 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.

Рис. 9. Устройство ФЭУ

Рис. 10. Схема действия фотодиода

В идеальном случае можно принять значения коэффициентов вторичной эмиссии . Тогда на выходе ФЭУ ток коллектора , где n — число каскадов вторично­электронного умножения; i₁=i_ф — ток эмиссии фотокатода. Обычно и n=7-12. Чувствительность ФЭУ и число каскадов умножения ограничиваются темновым током и шумами. Основные составляющие темнового тока — термотоки фотокатода и первых динодов, ток автоэлектронной эмиссии с динодов, ток утечки между выводами коллектора и другими электродами. Шумы тока коллектора вызываются дробовыми флуктуациями фотоэмиссии, термоэмиссии и вторично­электронной эмиссии. Отношение «сигнал/помеха» зависит также и от тепловых шумов резистора нагрузки Rн в цепи коллектора. Современные ФЭУ имеют линейную световую характеристику в рабочем диапазоне освещенности. 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 (рис. 10). Применяются кремниевые фотодиоды, имеющие квантовый выход около 75% и примерно равномерную спектральную чувствительность в диапазоне 400­1100 нм. Световая характеристика мало зависит от приложенного напряжения и линейна. Рабочее напряжение около 20 В, темновой ток 1­2 мкА, интегральная чувствительность 3 мА/лм. Кремниевые фотодиоды обладают малой инерционностью, не зависящей от светового потока.

Волоконные световоды находят применение в фотонаборных автоматах, сканерах, денситометрах и другом оборудовании. Они позволяют передавать световую энергию на большие расстояния по криволинейному пути без значительных потерь (рис. 11 б). Волоконные световоды представляют собой жгуты, состоящие из большого числа гибких стеклянных волокон (рис. 11 а) диаметром менее 30 мкм (рис. 11 в). Каждое волокно покрыто тонким (2 мкм) слоем, который отражает попадающий в него изнутри волокна свет, препятствуя его проникновению в соседние волокна. Свет распространяется по волокну за счет многократных отражений от внутренних стенок (см. рис. 11 а). Жгуты световодов имеют круглое или квадратное сечение. Волоконные световоды с нерегулярной укладкой волокон используются для передачи световых излучений, а с регулярной — для передачи изображения.

Рис. 11. Волоконные световоды: а — многократное внутреннее отражение света в волокне световода; б — прохождение света через изогнутое волокно; в — сечение жгута волоконного световода

Системы световодов подчиняются законам геометрической оптики при диаметрах волокон примерно до 0,5 мкм. При меньших диаметрах наблюдаются потери части световой энергии вследствие дифракционных явлений, вызывающих прохождение света через боковую поверхность световода.

Световоды с плавно изменяющимся диаметром называют фоконами (фокусирующими конусами). Они могут быть полыми или монолитными. Волокна конической формы применяют в тех случаях, когда необходимо изменить линейное увеличение передаваемого изображения или интенсивность потока излучения. Из отдельных конических волокон можно формировать жесткие конусы с соотношением входного и выходного диаметров в диапазоне 1:5­1:10. Длина конуса в зависимости от его назначения колеблется от нескольких сантиметров до нескольких дециметров.

Существуют, однако, потери при прохождении света в волокне, которые вызываются отражениями от торцов волокна, поглощением внутри сердцевины световода, рассеянием через его покрытие и т.п.

Общее светопропускание с учетом потерь на торцах на длине 1м для волокна в оболочке (сердцевина — стекло Ф₂, оболочка — молибденовое стекло 46) составляет 60% и на длине 3 м — 38%.

Известны волоконные световоды с различным эффективным (световым) сечением, обычно — 2,5; 3,5; 7,5; 10 мм и более. Длина жгутов — 250, 500, 750, 1000, 1500, 2000 мм и более.

Микрообъективы. Объективы с очень малыми фокусными расстояниями, обеспечивающие большое увеличение (до 90 крат и более), называют микрообъективами. Они используются в микроскопах, электронных цветоделительных машинах, денситометрах и сканерах.

В анализирующих фотоголовках барабанных сканеров допустимо применение только апохроматических микрообъективов, которые исправлены по отношению ко всем основным видам аберрации.

Для микрообъектива очень критична глубина резкости изображаемого пространства, под которой понимают ту часть пространства предметов, что резко изображается объективом. Глубина резкости изображаемого пространства прямо пропорциональна квадрату расстояния от входного зрачка объектива до предмета и обратно пропорциональна диаметру входного зрачка. Микрообъективы устанавливаются на очень малом расстоянии от изображаемого предмета, поэтому глубина резкости изображаемого пространства измеряется всего несколькими десятками микрометров, что накладывает повышенные требования на точность входящих в оптическую систему устройств.

В планшетных и проекционных сканерах применяются фотографические объективы, аналогичные репродукционным объективам.

Светоделительные зеркала и призмы. Во многих узлах электронных цветоделительных машин, в сканерах, а также в некоторых приборах применяются специальные делители излучений, которые делят один световой пучок на два, распространяющихся в разных направлениях. Такие делители лучей называют светоделительными, или полупрозрачными, зеркалами. Особенность светоделительных зеркал заключается в том, что часть падающих на них лучей они отражают, а другую часть — пропускают. Такое зеркало представляет собой хорошо отполированную плоскую стеклянную пластину, на поверхность которой нанесена тонкая полупрозрачная пленка металла. Подбирая толщину этой пленки, можно в широких пределах регулировать соотношение между отраженной и пропущенной частями светового потока.

Светоделительные зеркала бывают двух типов — серые и дихроичные. Серые светоделительные зеркала не изменяют цвета светового пучка при его разделении, тогда как дихроичные пропускают световые лучи избирательно. Дихроичные зеркала используют в сканерах, цветоделительных машинах и приборах для разделения световых пучков на три зоны спектра: синюю, зеленую и красную.

В качестве светоделительных элементов применяются преломляющие призмы. В преломляющих призмах углы падения луча на входную грань и сопряженные с ними углы преломления на выходной грани, как правило, не равны друг другу. Угол между падающим и преломленным лучами называется углом отклонения призмы. Преломляющие призмы разлагают поступающее в спектральный прибор излучение на монохроматические составляющие (спектр).

Светофильтры. Светофильтром называют полупрозрачную среду, предназначенную для избирательного или общего поглощения проходящего через нее светового потока. По оптическим свойствам светофильтры подразделяются на серые (или нейтральные), цветные, теплозащитные.

Серые (или нейтральные) светофильтры поглощают проходящий через них свет неизбирательно, то есть падающий белый световой поток поглощается равномерно по спектру независимо от длины волны излучений.

Цветные светофильтры поглощают падающий на них свет избирательно в зависимости от длины волны падающих излучений.

Теплозащитные светофильтры — это либо фильтры, изготовленные из специального теплостойкого стекла марки СЗС, которые поглощают инфракрасные тепловые излучения и почти без ослабления пропускают излучения видимой части спектра, либо полупрозрачные зеркала, покрытые специальной пленкой, пропускающей видимые излучения и отражающей инфракрасные.

Теплозащитные фильтры применяются в сканерах для защиты от нежелательного действия тепловых излучений на электрические фотоприемники.

Окончание в следующем номере

КомпьюАрт 6'2005

Поиск по сайту: