Казалось бы, тут всё просто. Положил лист, сканер отсканировал, передал данные отсканированного изображения и лазер нарисовал его на фотобарабане.
Это если очень коротко.
Но принцип работы что сканера, полезно знать. Да, в диагностике это пригодится очень редко, и знания эти больше, скажем так, образовательные. Но, тем не менее, иногда помогают сэкономить время и сделать диагностику без использования подменных блоков.
Всяких ручных сканеров и считывателей касаться не будут, это, немного, из другой оперы. Но основной принцип работы там такой же. Как и в фотоаппарате вашего телефона.
Системы сканирования, которые используются (или использовались) в печатающей технике, можно разделить на три основные группы, различающиеся именно по принципу работы:
- Аналоговый сканер.
- Цифровой CCD сканер.
- Цифровой CIS сканер.
Принцип работы аналогового сканера.
Да, это уже история и шанс его встретить исчезающе мал. Поэтому постараюсь коротко.
Может, кто-то прочитает и вспомнит молодость.
Я вспомнил. :)
На картинке цифры относительно указателей немного съехали влево, но не вижу смысла искать нормальную документацию, т. к. эта часть просто ностальгически-информативная.
Аналоговый сканер напрямую связан с процессом печати. В аналоговой технике не было лазера и для снятия заряда с фотобарабана использовался свет, который отражался от листа.
Лампа [3] светит через стекло экспонирования [5] на оригинал. Свет отражается от листа, а от мест, где есть изображение, — нет.
Отражённый свет должен дойти до фотобарабана. Для этого использовалась система зеркал.
Пунктиром отмечен путь света через зеркала [4], [2], [1], фокусирующую линзу [6] (она использовалась для правильной передачи и изменения пропорций изображения), дальше через зеркала [13], [14], [10], защитное стекло [11].
С помощью двигателя, системы тросов, чтобы зеркала в разных положениях передавали свет, не меняя масштаба, каретка двигается вдоль листа, тем самым сканируя изображения.
Так свет попадает на фотобарабан и засвечивает те места, где изображения не будет (в отличие от цифровой техники, где лазер засвечивает места, где будет изображения).
В принцип формирования изображения аналоговой техники погружаться не вижу смысла.
Плюсы:
- На момент изобретения не было аналогов.
- Постоянный доход для сервисных компаний и инженеров.
Видели сколько зеркал? Они очень быстро загрязнялись. Чистить их надо раз в месяц-два-три (всё зависит от частоты использования и места, где установлен).
Минусы:
- Постоянно загрязнялись зеркала. Дополнительные затраты для пользователей.
- Сложность конструкции. Кто хоть раз заново натягивал тросы — поймёт.
Небольшое смещение зеркала — и изображение плывёт. - Громоздкость. При появлении цифровых сканеров конструкция стала проще, меньше и дешевле.
Цифровой CCD сканер.
CCD (Charge-Coupled Device) — это технология, которая позволяет преобразовать свет в электрический заряд.
Для считывания изображений по технологии CCD может использоваться как CCD-линейка, так и CCD-матрица. Разница в том, что на линейке светодиоды расположены в один ряд, а на матрице в два и более.
В сканерах документов используется CCD-линейка, которая выполняет построчное сканирование изображения. Поэтому в этой статье я буду говорить именно про неё.
При этом основная логика работы матрицы такая же, просто «считывание» изображения происходит немного по-другому.
В сканерах с CCD линейка представляет собой массив светочувствительных элементов (пикселей), которые преобразуют световую энергию в электрические сигналы. Эти сигналы обрабатываются и превращаются в цифровое изображение.
Представьте себе линейку, которая "смотрит" на документ через систему зеркал и линз. Каждый элемент этой линейки — это микроскопический датчик, который реагирует на свет.
Устройство СCD линейки.
Для того, чтобы понять принцип работы СCD линейки, надо разобраться из чего она состоит. После этого перейдём к процессу.
1. Светочувствительные элементы (фотодиоды).
Это ячейки, которые накапливают заряд при попадании фотонов (частиц света). Чем больше света попадает на фотодиод, тем больше заряда он накопит.
Если вы сфотографируете белый лист бумаги, все фотодиоды CCD-линейки будут максимально освещены и накопят много заряда. А если на листе есть черные буквы, то фотодиоды под этими участками получат меньше света и накопят меньше заряда.
2. Сдвиговый регистр.
Сдвиговый регистр — это устройство, которое последовательно перемещает электрические заряды от одной ячейки к другой, обеспечивая точную передачу данных от фотодиодов CCD-линейки или матрицы к аналого-цифровому преобразователю.
Не вижу сильного смысла углубляться в работу сдвигового регистра.
Запомним, что его задача - передать заряд, который получил фотодиод, к аналого-цифровому преобразователю, и его плюсы в том, что он позволяет получать более качественные изображения
3. Усилитель и аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
Сигналы с CCD-линейки — это аналоговые значения (величины заряда). Чтобы их можно было обработать, они преобразуются в цифровые данные. Для этого используется усилитель и АЦП.
Предположим, заряд соответствует числу 50 (аналоговое значение). АЦП преобразует его в цифровое значение, например, 128 (в градации от 0 до 255).
Поскольку сейчас уже мало шансов встретить чёрно-белый сканер, я буду расписывать пример именно цветного сканирования. Чёрно-белое такое же, но проще.
Цветное сканирование — это процесс получения информации о цвете каждого пикселя на документе.
Для этого используются три основных цвета: красный (Red) , зеленый (Green) и синий (Blue), которые образуют так называемую RGB-модель .
Пример: представьте, что вы смотрите на цветной экран монитора. Каждый пиксель на экране состоит из трех подпикселей (красного, зеленого и синего), которые вместе формируют любой видимый цвет.
В случае CCD-сканера задача заключается в том, чтобы определить интенсивность каждого из этих трех цветов для каждого пикселя документа.
Виды конструкций CCD линеек.
Существует два основных способа цветного сканирования с помощью CCD-линейки:
Использование трех CCD-линеек
В этом случае сканер оснащен тремя отдельными CCD-линейками, каждая из которых отвечает за один из базовых цветов (красный, зеленый или синий). Это достигается с помощью специальных цветных фильтров, установленных перед каждой линейкой.
Принцип работы:
- Освещение документа: Сканер освещает документ красным, зеленым и синим светом одновременно (такая комбинация даёт белый свет).
- Разделение света: Свет, отраженный от сканируемого документа, проходит через систему призм, которая разделяет его на три составляющих: красную, зеленую и синюю.
- Захват данных: Каждая CCD-линейка регистрирует интенсивность своего цвета.
- Объединение данных: Информация с трех линеек комбинируется, чтобы воссоздать полный цветовой диапазон.
Преимущества: Этот метод обеспечивает высокое качество изображения, так как каждый цвет обрабатывается независимо.
Недостатки: Сканеры с тремя CCD-линейками дороже и сложнее в производстве.
Использование одной CCD-линейки с цветовым фильтром RGB
В этом случае используется одна CCD-линейки, перед которой установлен цветовой фильтр RGB. Этот фильтр разделен на полосы, соответствующие красному, зеленому и синему цветам.
Принцип работы:
- Освещение документа: Документ освещается белым светом.
- Фильтрация света: Цветовой фильтр пропускает только определенные длины волн света (красные, зеленые или синие) для каждого фотодиода.
- Захват данных: CCD-линейка последовательно регистрирует интенсивность каждого цвета.
- Построение изображения: Компьютер объединяет данные для каждого пикселя, чтобы воссоздать полноценный цвет.
Пример: Представьте, что вы снимаете документ через окно с цветными стеклами. Каждое стекло пропускает только свой цвет, а ваш глаз (или CCD-линейка) фиксирует информацию о каждом цвете по очереди.
Преимущества: Этот метод дешевле и проще в реализации.
Недостатки: Качество изображения может быть ниже, так как одна линейка должна захватывать информацию о всех трех цветах.
Процесс сканирования
Я тут не буду отдельно расписывать сканирование с автоподатчика документов. Надеюсь, не требуется объяснение, в чём разница.
- При включении аппарата проверяется работоспособность сканера. Для этого аппарат подаёт напряжение на двигатель каретки сканера и она сдвигается чтобы провести калибровку. С нижней стороны стекла экспонирования находится белая калибровочная полоса, для определения эталона белого (а в некоторых аппаратах по ней определяется домашняя позиция), по нему и проводится калибровка сканера.
- Если по каким-то причинам калибровка не пройдена, аппарат либо выдаст ошибку (те, что поумнее), либо будет сканировать некорректно (те, что не поумнее).
- После поступления команды на сканирование или копирование, подаётся напряжение на двигатель, и каретка начинает с определённой равномерной скоростью двигаться вдоль стекла экспонирования,
- Сканер равномерно освещает документ с помощью лампы или светодиодов. Отраженный свет направляется на CCD-линейку через систему зеркал.
В случае трех CCD-линеек свет разделяется на три цветовых канала (красный, зелёный и синий) с помощью призмы.
В случае одной линейки свет проходит через цветовой фильтр RGB. - CCD-линейка регистрирует интенсивность света для каждого цвета. Фотодиоды накапливают заряд в зависимости от количества света. Интенсивность света определяет величину заряда.
Этот процесс называется фотоэлектрическим эффектом. - После завершения сканирования одной строки заряды передаются в сдвиговый регистр. Заряды перемещаются по регистру шаг за шагом.
В это время начинается сканирование следующей строки и так до конца документа. - Заряды, достигшие конца сдвигового регистра, усиливаются и преобразуются в цифровые значения с помощью АЦП. Эти значения представляют собой интенсивность света для каждого пикселя.
Если фотодиод зафиксировал высокую интенсивность красного света, среднюю интенсивность зеленого и низкую интенсивность синего, то пиксель будет «окрашен» в оранжевый цвет. - Цифровые данные для каждого цветового канала объединяются. Форматер или главная плата интерпретируют эти данные как RGB-значения для каждого пикселя отсканированного документа.
- Дальше эти данные либо передаются на компьютер (флешка, почта, сеть и т. п.), либо на блок лазера для дальнейшей печати.
- В итоге мы получаем цифровое полноцветное изображение, где каждый пиксель представлен комбинацией красного, зеленого и синего цветов.
- После завершения сканирования двигатель возвращает каретку в домашнее положение.
Плюсы CCD линеек.
1. Высокая чувствительность.
CCD-линейки обладают высокой чувствительностью к свету, что делает их идеальными для сканирования документов с мелкими деталями. Если на документе есть тонкие линии или текст мелкого шрифта, CCD-сканер сможет их четко зафиксировать.
2. Высокое качество сканирования.
Использование трех CCD-линеек обеспечивает максимальную точность цветопередачи, что особенно важно для профессиональных задач, таких как сканирование фотографий или произведений искусства
3. Коррекция цветов.
Современные сканеры имеют алгоритмы автоматической коррекции цветов, которые компенсируют недостатки освещения и/или использования цветового фильтра RGB.
Минусы CCD линеек
1. Довольно большой размер
Т.к. требуется дополнительное питание и охлаждение, плюс система зеркал, это всё занимает довольно много места (по меркам блока сканера, конечно же).
Как следствие, такие сканеры более дорогие, чем CIS (о них будет дальше).
2. Баланс белого.
Для правильного цветного сканирования важно правильно настроить баланс белого. А для этого недо, чтобы сканер правильно перевёл отсканированный эталон белого, чтобы корректно интерпретировать белый цвет как комбинацию равных значений красного, зелёного и синего.
Если баланс белого настроен не правильно, то белый лист бумаги может казаться желтоватым или голубоватым.
3. Зеркала.
Как и в варианте с аналоговыми аппаратами, зеркала тут слабое место. Они собирают пыль, покрываются налётом и, как следствие, могут начать бледно сканировать, не проходить shading test (тестирование и калибровка сканера по белой полосе снизу стекла экспонирования).
Цифровой CIS сканер
CIS (Contact Image Sensor) — это ещё одна технология, используемая для сканирования документов и изображений.
CIS линейка работает за счет светодиодной подсветки, цветовых фильтров RGB и светочувствительных датчиков (фотодиодов), которые регистрируют интенсивность света для каждого цвета. Данные объединяются для создания полноцветного изображения.
Суть похожа на работу CCD линеек. Но есть и заметное отличие: CCD сканеры, которые используют систему зеркал и линз, а CIS сканеры работают на основе непосредственного контакта с документом через светодиодную подсветку и массив светочувствительных датчиков. Т.е. свет, который отразился от документа, сразу попадает на CIS линейку, которая находится в непосредственной близости к сканируемому документу.
Представьте себе линейку датчиков, которая «смотрит» прямо на документ через стекло сканера. Каждый датчик фиксирует информацию о яркости и цвете с небольшой области документа..
Устройство CIS линейки
Для того, чтобы понять принцип работы CIS линейки, надо разобраться из чего она состоит. После этого перейдём к процессу:
1. Светодиодная подсветка (LED).
CIS линейка оснащена набором светодиодов, которые освещают документ белым светом. Как правило используется комбинация красных, зеленых и синих светодиодов (RGB), совмещение которых даёт белый свет.
Если вы включите фонарик со светодиодами, то увидите, как свет равномерно освещает поверхность. В CIS сканере этот свет направляется на документ.
2. Цветовые фильтры
Перед светочувствительными датчиками установлены микроскопические цветовые фильтры, которые пропускают только определенные длины волн света: красный, зеленый или синий.
Такое расположение называется мозаичным фильтром RGB (такая же технология используется в цифровых фотоаппаратах). Как правило, используется матрица Байера, это самая распространённая схема расположения фильтров.
В матрице Байера количество зеленых фильтров в два раза больше, чем красных и синих. Это связано с тем, что человеческий глаз более чувствителен к зеленому цвету.
3. Светочувствительные элементы (фотодиоды).
Дальше всё так же как и в CCD. За фильтрами располагаются фотодиоды, Это ячейки, которые накапливают заряд при попадании фотонов (частиц света). Чем больше света попадает на фотодиод, тем больше заряда он накопит. Каждый датчик регистрирует интенсивность света одного из трех цветов.
Через световой фильтр может пройти только тот цвет, который этот фильтр позволяет пропустить. Если красного мало, то пройдёт мало света и фотодиод, отвечающий за красный цвет, получит небольшой заряд. Но синий свет вместо красного не пройдёт.
4. Микролинзы.
Над датчиками (т.е. в сторону стекла экспонирования) установлены микролинзы, которые фокусируют свет на фотодиоды, увеличивая эффективность захвата.
Краткое описание работы CIS линейки
- Подсветка: Светодиоды освещают документ белым светом.
- Фильтрация: Отраженный свет проходит через цветовые фильтры RGB.
- Захват данных: Фотодиоды регистрируют интенсивность каждого цвета для каждого пикселя.
- Передача данных: Сигналы преобразуются в цифровые значения.
- Обработка: Данные для каждого пикселя объединяются и формируется цветное изображение.
Процесс сканирования.
Несмотря на то, что процесс сильно похож на сканирование с помощью CCD линейки, всё же тут есть и различия. Поэтому в некоторых пунктах будут повторения.
Я тут тоже не буду отдельно расписывать сканирование с автоподатчика. Суть-то та же.
- При включении аппарата проверяется работоспособность сканера. Для этого аппарат подаёт напряжение на двигатель каретки сканера и она сдвигается чтобы провести калибровку. С нижней стороны стекла экспонирования находится белая калибровочная полоса, для определения эталона белого (а в некоторых аппаратах по ней определяется домашняя позиция), по нему и проводится калибровка сканера.
- Если по каким-то причинам калибровка не пройдена, аппарат либо выдаст ошибку (те, что поумнее), либо будет сканировать некорректно (те, что не поумнее).
- После поступления команды на сканирование или копирование, подаётся напряжение на двигатель, и каретка начинает с определённой равномерной скоростью двигаться вдоль стекла экспонирования,
- Светодиоды освещают сканируемую часть документа равномерным белым светом, который получается из комбинации красных, зеленых и синих. Белый свет содержит все цвета спектра, необходимые для формирования цветного изображения.
- Отраженный от документа свет проходит через цветные фильтры. Каждый фильтр пропускает только свой цвет: красный, зеленый или синий.
- Фотодиоды регистрируют интенсивность света, прошедшего через фильтры. Каждый датчик фиксирует данные для одного из трех цветов. Это называется раздельным захватом цветовых каналов.
- Сигналы с фотодиодов усиливаются и передаются в аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Здесь аналоговые значения преобразуются в цифровые. Эти значения представляют собой интенсивность света для каждого пикселя.
Если фотодиод зафиксировал высокую интенсивность красного света, среднюю интенсивность зеленого и низкую интенсивность синего, то пиксель будет «окрашен» в оранжевый цвет. - После завершения сканирования одной строки заряды передаются в дальнейшую обработку и начинается сканирование следующей строки и так до конца документа.
- Цифровые данные для каждого цветового канала объединяются. Форматер или главная плата интерпретируют эти данные как RGB-значения для каждого пикселя отсканированного документа.
- Дальше эти данные либо передаются на компьютер (флешка, почта, сеть и т. п.), либо на блок лазера для дальнейшей печати.
- В итоге мы получаем цифровое полноцветное изображение, где каждый пиксель представлен комбинацией красного, зеленого и синего цветов.
- После завершения сканирования двигатель возвращает каретку в домашнее положение.
Плюсы CIS линеек.
1. Компактность.
CIS сканеры сильно меньше, чем CCD-сканеры. Как следствие уменьшается размер блока сканера и его вес.
2. Низкая стоимость.
Простота конструкции уменьшает стоимость блока сканера, что позволяет его использовать в бюджетных моделях.
3. Низкое потребление энергии.
Т.к. для экспонирования используются только светодиоды, для них требуется меньше энергии и можно использовать менее мощные двигатели привода каретки.
Гринпис счастлив :)).
4. Простота конструкции.
Отсутствие сложной оптической системы зеркал и линз сильно уменьшает количество неисправностей, упрощает диагностику (если что - меняем линейку сканера для проверки). Так же плата управления таким сканером сильно проще.
Минусы CIS линеек.
1. Низкая глубина резкости.
Одним из ограничений CIS технологии является низкая глубина резкости. Это означает, что документ должен быть идеально плоским, чтобы избежать размытия.
Т.е. все изгибы и неровности будут отсканированы. В отличие от CCD линеек, где засветка оригинала более интенсивная.
2. Более требовательны к внешнему освещению.
CIS линейки, в отличии от CCD, менее эффективны в условиях слабой освещенности.
Причина в тех же светодиодах. Света они дают меньше, и, чтобы лист был полностью засвечен, требуется хорошее, равномерное внешнее освещение (светло должно быть в комнате).
Ремарка для наблюдательных. В описании работы CCD линеек я писал, что там для засветки тоже используется светодиодная линейка, следовательно должны быть те же проблемы.
Но, не забываем, что в CDD так же использует сдвиговый регистр, который усиливает сигнал.
3. Баланс белого.
Для правильного цветного сканирования важно правильно настроить баланс белого. А для этого надо, чтобы сканер правильно перевёл отсканированный эталон белого, чтобы корректно интерпретировать белый цвет как комбинацию равных значений красного, зелёного и синего.
Если баланс белого настроен не правильно, то белый лист бумаги может казаться желтоватым или голубоватым.
Возможные проблемы.
1. Бледное сканирование или белые полосы при сканировании.
Как правило такие проблемы возникают только с CCD линейками.
Проблема с грязных зеркалах, линзе, лампе засветки. В большинстве случаев проблема решается чисткой (сухой, мягкой, безворсовой тряпкой).
2. Тёмное сканирование или тёмные (чёрные) полосы при сканировании.
Грязное стекло, следы от ручки или замазки, любые преграды на пути света дают тёмные дефекты. Если свет не проходит, значит, в итоге получим тёмный дефект.
Также, при в случае с CIS, причиной может быть избыток света (например, неплотно прижатая крышка сканера).
3. Неправильно передаются цвета.
Выход из строя линейки санирования. Можно попробовать протереть сухой, безворсовой, мягкой тряпкой. Но чаще всего помогает только замена.
Например лист с фоном какого либо цвета.
4. Из сканера раздаётся треск.
Да, я, в основном, говорил про сканирование и свет. Но передвижение каретки тоже относится к сканированию.
Причина - неисправность редуктора иди привода ремня каретки (зависит от конструкции.
Ломаются шестерни, рвутся ремни, клинит двигатели, каретка не выходит в домашнюю позицию (не видит её) и бьётся о край сканера.
Решение зависит от причины.
5. Ошибка калибровки сканера.
Перед началом работы аппарат всегда проверят работоспособность своих компонентов. Сканер не исключение.
Помимо проверок движения сканера (тестируется двигатель), работоспособности датчика домашнего положения (если он есть), аппарат проверяет работоспособность сканирующей линейки.
Выглядит это так:
С внутренней стороны сканера есть специальная белая калибровочная полоса.
При построении светового изображения белый цвет у нас получается при смешивании всех цветов (писал об этом тут).
Для проверки сканер светит на белую полосу нужным цветом (или всеми сразу, зависит от технологии), и сверяет полученные значения (т.е. проверяет какой заряд свет передал фотодиодам).
Если значения в норме, то сканер прошёл проверку, если нет — не прошёл.
Решения тут только два:
- Протереть сканирующую линейку, стекла, зеркала и линзы (есил есть) и саму калибровочную полосу.
- Если не пожет, то дальеш только замена сканирующей линейки.
______________________________________________________________________________________________
На этом со сканерами закончу.
Пока писал статью, то часто попадалась аббревиатура RGB. Также, возможно, вам знакома аббревиатура CMYK. Это отдельная тема про построение цвета.
Разницу между RGB и CMYK распишу в отдельной статье, иначе эта статья будет сильно перегружена. К тому же при описании CMYK надо касаться работы ленты переноса изображения.
Если есть какие-то вопросы, дополнения и пожелания — прошу в комментарии.
Может какую-то часть надо более полно раскрыть, может какие-то проблемы не описал иои описал не правильно.
Я никогда не против внести разумные исправления.
Так же можно подписаться на Телеграмм, чтобы было проще следить за выходом новых статей.
______________________________________________________________________________________
А если у вас есть какой-то вопрос (по неисправностям, объяснить как что-то работает, вопросы по сотрудничеству или что-то другое) , то его можно задать мне заполнив форму.
