Фотоэлектрические преобразователи
ЦРиРФИ, лекц. 5
Средства и методы цифрового репродуцирования
Компоненты устройств
Оптические элементы
Оптические элементы считывающих и записывающих систем - это фильтры, диафрагмы, дифракционные решетки, призмы, линзы, стекловолоконные световоды, зеркала…. Последние изготавливают из специального оптического стекла с высокой равномерностью свойств, без инородных включений, свилей, пузырьков и т.п.
Основное назначение зеркал - изменение направления светового потока. В отличие от бытового зеркала (см. рис. 5.1, а) отражающей поверхностью его оптического аналога служит не внутренняя, а наружная, обращенная к падающему свету поверхность (см. рис. 5.1, б). Уменьшаются потери энергии и искажения, обусловленные рассеянием, многократным внутренним отражением и преломлением света на поверхностях и в толще стекла.
Полупрозрачное зеркало не только изменяет направление светового потока, но и разделяет его энергию в заданном соотношении (см. рис. 5.1, в). Его разновидностью является дихроическое зеркало с окрашенным слоем, разделяющим световой поток не только по его энергии, но и по спектральному составу. На рис. 5.1( г) это свойство условно поясняют различия формы спектральных характеристик падающего, отраженного и прошедшего световых потоков.
|
| Рис. 5.1 Бытовое (а), оптические: поворотное (б), светоделительное (в) и дихроическое (г) зеркала |
Для изменения направления света применяют также и призмы. Призмы и дихроические зеркала, наряду с такими оптическими элементами, как дифракционные решетки и цветные фильтры, используют и для цветоделения. Из всех цветоделительных элементов цветные фильтры обладают наименьшей энергетической эффективностью, поскольку поглощаемая ими часть светового потока необратимо утрачивается и не используется для формирования других цветоделенных сигналов в анализирующем устройстве.
Нейтральные или «серые» фильтры служат для калибровки интенсивности световых потоков без изменения их цвета. Для плавной регулировки интенсивности светового потока используют оптический клин, пропускание которого определяется толщиной его участка, помещенного в оптический канал, или стеклянный диск с полупрозрачной дорожкой переменной оптической плотности.
Диафрагмы служат, в первую очередь, для задания элемента разложения в сканирующей системе. При необходимости использования считывающих элементов различной величины применяют переменные (ирисовые) диафрагмы или набор диафрагм фиксированной величины. Диафрагму, размер которой учитывает линиатуру растра и масштаб иллюстрации, устанавливают в оптическом канале вручную или автоматически.
Стекловолоконные световоды в анализирующем устройстве позволяют:
|
|
|
· обеспечить эффективный (в большом телесном угле) отбор излучения источника, увеличив его КПД;
|
|
|
· использовать единый источник света для разных целей, например, для освещения как прозрачных, так и непрозрачных оригиналов;
· освещать считываемый участок одновременно с нескольких сторон и тем самым исключить шумы, вносимые в видеосигнал рельефом подложки оригинала отражения;
· установить массивный, громоздкий, энергоемкий и выделяющий значительное количество тепла источник света в стороне от прецизионных микроэлектронных и оптико-механических компонентов считывающего или записывающего устройства.
Двояковыпуклая линза (см. рис. 5.2) применяется в основном для построения изображения освещаемого участка оригинала в плоскости диафрагмы, задающей элемент разложения, или на чувствительном слое ФЭП. В геометрической оптике под изображением понимают место точек, в которых сходятся лучи, отраженные соответствующими точками изображаемого объекта. В таком применении эта линза служит объективом. Ее же называют конденсором, когда, например, для достижения максимальной освещенности излучение, прошедшее через линзу, фиксируют в плоскости его наибольшей концентрации в пространстве в точке F, где встречаются все лучи параллельные оптической оси до входа в линзу.
|
|
|
|
| Рис. 5.2 Построение изображения и концентрация световой энергии двояковыпуклой линзой |
Важным оптическим элементом сканера и электронного цветоделителя-цветокорректора (ЭЦК) является съемный прозрачный цилиндр-оригиналодержатель.
Источники света
Источники света для электрооптического анализа изображений должны отвечать ряду энергетических, спектральных, конструктивных и других технических требований.
Первое из них в самом общем виде можно сформулировать, исходя из необходимости считывания предельных оптических плотностей слайдов, а они на самых темных участках достигают 3,0 - 4,0 ед. Следовательно, мощность источника должна быть такой, чтобы 0,001 или 0,0001 часть его излучения, прошедшая через такие участки, создала сигнал, существенно превышающий собственный шум фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) - его так называемый темновой ток.
В общем случае спектр излучения осветителя должен охватывать весь видимый диапазон. Применение для этой цели источников, характеризующихся относительно высокими энергетическими показателями, но линейчатым спектром излучения (к таковым относятся оптические квантовые генераторы - лазеры) неудобно. Отсутствие в спектре тех или иных цветов может сделать излучатель «слепым» к ряду красителей, использованных при создании оригинала.
В анализирующих устройствах с электромеханической разверткой изображения по обеим его координатам применяют, как правило, точечные осветители, создающие сканирующее пятно - освещенный участок чуть больше элемента разложения.
В устройствах, частично или целиком использующих вместо механических перемещений электронную развертку, применяют осветители другой конструкции. Так, в «планшетных» сканерах это - равномерно освещающая строку оригинала газосветная трубка, перемещаемая поперек строк электромеханическим приводом.
Для целиком электронной развертки, например при вводе оригиналов передающими ТВ камерами или цифровыми фотоаппаратами, используют полноформатные осветители, аналогичные применяемым для кино-, эпи-, диапроекционных и фоторепродукционных систем. Особое внимание уделяют при этом равномерности освещения по считываемому полю. Удовлетворить этому требованию тем сложнее, чем больше формат считываемого изображения.
|
|
|
Источники излучения записывающих устройств должны не только обладать высокой мощностью для достижения высокой производительности. Их подбирают с учетом соответствия спектрального распределения этой мощности спектру чувствительности материалов, на которых формируют конечное или промежуточное изображение. Для управления потоком энергии, испускаемым, например, лазерами используют внешние электрооптические, акустооптические и т.п. модуляторы и зеркальные гальванометры. Излучением таких источников, как светодиоды непосредственно управляет подаваемый на них сигнал.
фотоэлектрические преобразователи
Среди прочих требований, предъявляемых к ФЭП, наиболее важны их:
· интегральная и спектральная чувствительность;
· уровень собственных шумов;
· диапазон световой характеристики;
· временная и температурная стабильность;
· потребляемая мощность;
· габариты.
Наиболее широко для фотоэлектрического преобразования в современных сканирующих системах применяют приборы, использующие внутренний фотоэлектрический эффект. Малые габариты и незначительная потребляемая мощность органично вписывают их в элементную базу современной микроэлектроники. В то же время, эти приборы изменяют свой фототок в диапазоне освещенностей, отличающихся лишь в 200 - 300 раз [1].
Ограниченная протяженность рабочего участка световой характеристики таких ФЭП (см. рис. 5.3) затрудняет съемку натурных объектов и считывание прозрачных оригиналов с интервалом плотностей, превышающим 3 ед. Наибольший диапазон световой характеристики при малом уровне собственных шумов (темновом токе) и относительно высокой интегральной чувствительности имеют электровакуумные ФЭП - фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Они используют внешний фотоэффект и усиление тока его фотоэлектронов за счет многократной вторичной электронной эмиссии на последовательности вспомогательных электродов - динодов.
 Рис. 5.3 Световая характеристика фотоэлектрического преобразователя
|
Широкое применение в репродукционной технике нашли сканирующие ФЭП - линейки и матрицы фотодиодов и светочувствительных приборов с зарядовой связью - ПЗС. Преимущество последних перед другими ФЭП с внутренним фотоэффектом - возможность последовательной коммутации сигналов элементов в видеотракт путем передачи их значений от одного элемента другому при отсутствии внешней выходной шины для каждого из них. Поэтому помимо фотоэлектрического преобразования такие ФЭП обеспечивают поэлементный обход изображения по одной или двум координатам. Это избавляет от необходимости механических перемещений оригинала и считывающего элемента относительно друг друга. Соответственно повышается надежность и снижается стоимость сканирующего устройства.
Радикально изменяет технологию ввода изображений в репродукционную систему «электронная» или «цифровая» камера, использующая вместо фотопленки матрицу ПЗС. Представленное цифровым кодом изображение иллюстрируемого объекта получают здесь, минуя потери информации, присущие промежуточной фотографической стадии и последующему сканированию полученного на этом этапе изобразительного оригинала. Ограничения к их применению отчасти обусловлены размерностью (разрешающей способностью) используемых ПЗС матриц. Существуют также обсуждаемые далее проблемы адекватной интерпретации смысла получаемых такими камерами цветовых значений.
Считывающие устройства
Различие в стоимости и соответственно в эффективности систем ввода изображений составляет несколько порядков. Они отличаются по:
· типу считываемых изображений;
· конструкции развертывающего устройства;
· траектории сканирующего пятна;
· размерам обрабатываемых оригиналов;
· типу фотоэлектрического преобразователя;
· числу оптических каналов;
· разрешающей способности;
· разрядности АЦП и т. д.
Выбирая сканирующее оборудование, учитывают, прежде всего, характер работы и ее объем. Примером могут служить два случая, в одном из которых используются только черно-белые непрозрачные оригиналы, а в другом - и цветные прозрачные.
Основным иллюстрационным материалом однокрасочных газет долгое время являлись черно-белые фотографии, поступавшие от корреспондентов, рекламных и информационных агентств по почте, фототелеграфу или другими доступными способами. Масштаб таких изображений в полосе составлял в среднем 70-90%. Репродуцирование без увеличения резко снижает требования к разрешающей способности считывающего устройства. К тому же, интервал плотностей подобных оригиналов, как правило, не превышает 2,0 ед. и для ввода изображений мог использоваться недорогой и надежный в работе планшетный настольный сканер с разрешающей способностью порядка 12 лин/мм (300 т/дюйм) и линейкой ПЗС в качестве ФЭП.
Оригиналами для цветного иллюстрированного еженедельника до недавнего времени являлись, большей частью, слайды, интервал плотностей у которых достигает, как уже указывалось, 3~4 ед., а размер в полосе издания может оказаться в десятки раз большим. Не исключались и другие оригиналы, например, непрозрачные рисованные, фотографические и живописные, имеющие, как правило, значительно больший, чем слайды, исходный формат. К тому же, общий объем иллюстраций, подлежащих переработке, может потребовать от устройства ввода высокой производительности. Подготовке издания такого типа лучше отвечало, несмотря на большую стоимость, устройство с креплением и сканированием оригиналов на прозрачном цилиндре, с плотностью линий развертки порядка 200 лин/мм (5000 точек на дюйм) и ФЭУ в качестве фотоэлектрического преобразователя.
Электрооптический анализ
На рис. 5.4 схематически представлено устройство считывания закрепленного на цилиндре 1 оригинала 2 анализирующей головкой, установленной на каретке 3, имеющей возможность перемещения вдоль образующей цилиндра 1 с помощью ходового винта 4 по высокоточным направляющим (на рис. не показаны). Анализирующая головка содержит расположенные на каретке 3 осветители 5, конденсоры 6, объектив 7, апертурную диафрагму 8 и ФЭП 9. Конденсоры 6 установлены таким образом, чтобы обеспечивать максимальную освещенность в считываемой точке 10 оригинала 2, изображение которой объектив 7 строит в плоскости апертурной диафрагмы 8. Быстрая, или, пользуясь термином телевидения, строчная, развертка обеспечивается вращением цилиндра 1. Медленная, или кадровая, развертка происходит за счет перемещения анализирующей головки и ее считывающего пятна вдоль цилиндра и неподвижного в этом направлении оригинала.
Свет источников 5, отраженный оригиналом 2, создает в электрической нагрузке Rн преобразователя 9 напряжение видеосигнала uc пропорциональное коэффициенту отражения, усредненному по площади проекции апертурной диафрагмы 8 на оригинал 2. Чувствительный слой самого ФЭП в подобных случаях работает как бы по световому потоку. Поэтому именно величиной этой диафрагмы задается элемент разложения изображения на пространственные дискреты в процессе сканирования.
 Рис. 5.4 Одноканалыное считывающее устройство с разверткой оригинала на цилиндре
|
В качестве осветителей 5 в современных устройствах используют выходы трех-пяти стекловолоконных световодов, подающих световую энергию на считываемый участок с разных сторон, чтобы исключить флуктуации сигнала, обусловленные фактурой поверхности оригинала.
При освещении считываемого пятна непрозрачного оригинала только с одной стороны (см. рис. 5.5) величина энергии, поступающей к фотоприемнику, зависит, кроме прочего, еще и от угла отражения, непостоянство которого вызвано микронеровностями поверхности. Если же пятно освещено с разных сторон множеством источников, эти флуктуации усредняются.
 Рис. 5.5 Изменяя угол отражения однонаправленного освещения, рельеф подложки оригинала вызывает нежелательные флуктуации в считанном сигнале изображения
|
Плотность линий развертки (частоту разложения изображения на отдельные строки) при фиксированной скорости вращения цилиндра изменяют, управляя скоростью перемещения считывающей головки и соответствующим образом подбирая размер апертурной диафрагмы.
Дата добавления: 2021-12-10; просмотров: 15; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!