Техническое обслуживание и диагностика неисправностей

4. Техническое обслуживание и диагностика неисправностей

4.1 Конструкция планшетного сканера

Матрица трансформирует изменения цвета и яркости принимаемого светового потока в аналоговые электрические сигналы, которые поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Так как сила тока электронов очень мала, на выходе из матрицы находится усилитель. Усиленный сигнал идет на преобразователь.

Большинство современных сканеров для дома и офиса базируются на матрицах двух типов: на CCD (Charge Coupled Device) или на CIS (Contact Image Sensor). Корпус CIS-сканера плоский, в сравнении с аналогичным CCD-аппаратом (его высота обычно составляет порядка 40-50 мм). Основные достоинства и недостатки этих двух классов сканеров указаны в таблице 3.

Таблица 3 – Достоинства и недостатки CCD- и CIS-сканеров

	Достоинства	Недостатки
CCD	-     Высокая разрешающая способность (недорогие CCD-сканеры имеют на сегодняшний день разрешения до 2400 dpi); -     Долгий срок службы лампы; -     Высокое качество сканирования; -     Большая глубина резкости; -     Возможность работы со слайд-адаптерами и автоподатчиками документов	-     Сравнительно высокая стоимость (по отношению к CIS-сканерам); -     Длительный прогрев лампы перед сканированием; -     Необходимость в дополнительном источнике питания
CIS	-     Небольшие габариты; -     Быстрый старт; -     Невысокая стоимость; -     Низкое энергопотребление (многие CIS-сканеры получают питание по USB); -     Автономность	-     Ограниченное разрешение (до1200 dpi); -     Небольшая глубина резкости; -     Чувствительность к боковой засветке; -     Сравнительно низкое качество сканирования

CCD-сканер обладает большей глубиной резкости, нежели CIS-сканер. Достигается это за счет применения в его конструкции объектива и системы зеркал, изображенных на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4 – Система зеркал CCD-сканера

Рисунок 5 – Система зеркал CIS-сканера

На рисунке 5, для простоты восприятия, нарисовано лишь одно зеркало, тогда как у типового сканера их не менее трех-четырех.

Сканеры с CCD-матрицей распространены гораздо больше, чем CIS-аппараты. Потому, что сканеры в большинстве случаев приобретаются не только для оцифровки листовых текстовых документов, но и для сканирования фотографий и цветных изображений. А CCD-сканер гораздо строже передает цветовые оттенки, света и полутона, нежели CIS-сканер. Погрешность разброса уровней цветовых оттенков, различаемых стандартными CCD-сканерами составляет порядка ±20%, тогда как у CIS-аппаратов эта погрешность составляет ±40%.

Рисунок 6 – Схематическое представление CIS-сенсора

CIS-матрица, показанная на рисунке 6, состоит из светодиодной линейки, которая освещает поверхность сканируемого оригинала, самофокусирующихся микролинз и непосредственно самих сенсоров. Конструкция матрицы очень компактна, таким образом, сканер, в котором используется контактный сенсор, всегда будет намного тоньше CCD-сканера. Такие аппараты имеют довольно низкое энергопотребление; они практически нечувствительны к механическим воздействиям. Но CIS-сканеры, как правило, не приспособлены к работе со слайд-модулями и автоподатчиками документов. Из-за особенностей технологии CIS-матрица обладает сравнительно небольшой глубиной резкости. Например, у CCD-сканеров глубина резкости составляет ±30 мм, у CIS – ±3 мм. У CCD-аппарата вся картина будет резкой, поскольку в его конструкции есть система зеркал и фокусирующая линза. Но достаточно громоздкая оптическая система не позволяет CCD-сканеру достичь столь же компактных размеров, как у CIS-сканера. Некоторые модели CCD-сканеров для дома и офиса обладают оптическим разрешением порядка 3200 dpi, а у CIS-аппаратов оптическое разрешение ограничено 1200 dpi. Сканеры с CIS-матрицей применяются там, где требуется оцифровывать не книги, а листовые оригиналы. Эти сканеры целиком получают питание по шине USB, наиболее выгодны для владельцев портативных компьютеров.

Рисунок 7 – CCD-матрица

На рисунке 7 показана CCD-матрица, которая представляется микросхемой со стеклянным окошком. Сюда и фокусируется отраженный от оригинала свет. Матрица не прекращает работать все то время, пока лафет со сканирующей кареткой, приводимый в движение шаговым электродвигателем, совершает путь от начала планшета, до его конца. Общая дистанция движения лафета по направлению "Y" называется частотой сэмплирования или механическим разрешением сканера. За один шаг матрица целиком захватывает горизонтальную линию планшета, которая называется линией растра. По истечении времени, достаточного для обработки одной такой линии, лафет сканирующего блока перемещается на небольшой шаг, затем сканируется следующая линия, и т.д.

Рисунок 8 – Вид сбоку на CCD-матрицу

На виде сбоку, изображенном на рисунке 8, можно заметить два обычных винта, с помощью которых на этапе сборки сканера производилась точная юстировка матрицы (обратите также внимание на П-образные прорези в печатной плате на виде сверху), чтобы падающий на нее отраженный свет от зеркал ложился бы равномерно по всей ее поверхности. В случае перекоса одного из элементов оптической системы на отсканированном изображении появятся полосы.

Рисунок 9 - Увеличенное изображение части CCD-матрицы (макросъемка произведена цифровым фотоаппаратом Canon EOS D60)

На увеличенной фотографии CCD-матрицы, представленной на рисунке 9, достаточно хорошо видно, что CCD-матрица оснащена собственным RGB-фильтром. Он представляет собой главный элемент системы разделения цветов. Свет можно разделить на его цветовые составляющие, а затем сфокусировать на фильтрах матрицы. Так же элементом системы разделения цветов является объектив сканера, представленный на рисунке 10.

Рисунок 10 - Объектив сканера на самом деле не так велик, как кажется нафотографии

Корпус сканера, представленный на рисунке 11, должен обладать достаточной жесткостью, чтобы исключить возможные перекосы конструкции. Лучше всего, если основа сканера представляет собой металлическое шасси.

Рисунок 11 – Корпус сканера

Корпуса большинства выпускаемых сегодня сканеров для дома и офиса, в целях снижения стоимости, полностью сделаны из пластмассы. В этом случае, необходимую прочность конструкции придают ребра жесткости.

Рисунок 12 - Расположение основных функциональных узлов сканера

Немаловажным элементом корпуса является транспортный фиксатор, показанный на рисунке 12, который уберегает сканирующую каретку от повреждений при транспортировке сканера. Необходимо помнить, что перед включением любого сканера, оснащенного таким фиксатором, нужно осуществить его разблокировку. В противном случае, можно повредить механизмы аппарата.

Корпус аппарата должен быть герметичным, без каких-либо щелей (даже технологических). Должна существовать возможность отделения крышки планшета. Такое свойство аппарата особенно полезно при сканировании таких оригиналов, как толстые книги или журналы.

Края планшета должны иметь пологий спуск – это облегчает задачу по быстрому извлечению оригинала со стекла. Кроме того, между стеклом и планшетом не должно быть никакого зазора, который препятствовал бы извлечению оригинала. Имеется разметка по периметру планшета.

Все сканеры управляются с персонального компьютера, к которому они подключены, а необходимые настройки перед сканированием задаются в пользовательском окне управляющей программы. По этой причине, сканерам для дома и офиса совсем не обязательно иметь собственный блок управления. Однако многие производители идут навстречу самым неподготовленным пользователям, и устанавливают (обычно на лицевую панель) несколько кнопок "быстрого сканирования".

Рисунок 13 - Кнопки быстрого сканирования

На рисунке 13 видно, что каждой кнопке соответствует определенный значок. Типовые функции быстрого старта обычно подразумевают запуск стандартной операции сканирования, с выводом на принтер, с последующей отправкой по электронной почте, по факсу и т.п. Для той или иной кнопки заданы конкретные параметры качества сканирования. Нажатие на ту или иную кнопку сначала приводит к запуску на компьютере приложения (если таковых несколько), отвечающего за вызываемую операцию. Далеко не все SOHO-сканеры снабжены собственным блоком управления, а в профессиональных аппаратах такие элементы отсутствуют.

Абсолютно в каждом сканере используется свой осветитель. Так называется небольшой и мощный модуль, в задачу которого входит включение и выключение лампы сканера (или того, что эту лампу заменяет). В CIS-сканерах в качестве источников света применяют светодиодную линейку, за счет чего данный класс аппаратов потребляет так мало энергии.

В CCD-сканерах оригиналы стандартно освещает люминесцентная лампа с холодным катодом. Ее свет в тысячи раз ярче светодиодов. Но для того чтобы вызвать свечение газа внутри лампы нужно подать на ее вход очень высокое напряжение. Его вырабатывает отдельный блок, показанный на рисунке 14, называемый инвертором.

Рисунок 14 - Высоковольтный модуль (необходим для питания лампы)

Инвертор повышает напряжение с пяти Вольт до нескольких киловольт, а также преобразует постоянный ток в переменный.

Вообще различают три главных вида ламп, использующихся в сканерах:

-     ксеноновая газоразрядная лампа (Xenon Gas Discharge);

-     флуоресцентная лампа с горячим катодом (Hot Cathode Fluorescent);

-     флуоресцентная лампа с холодным катодом (Cold Cathode Fluorescent)

Однако в сканерах для дома и офиса по ряду причин используются лишь лампы с холодным катодом.

Лампа сканера, показанная на рисунке 15, закреплена на пластмассовом шасси сканирующей каретки непосредственно над отражателем. Сам отражатель имеет форму рефлектора (эффективного "собирателя" и отражателя света) в форме увеличительного зеркала. Свет от него усиливается, чтобы ярко осветить объект на планшете. Отразившись от оригинала на стекле, свет проходит сквозь щель шасси (на рисунке ее контур выделен голубым цветом) и принимается первым, самым длинным зеркалом оптической системы.

Рисунок 15 – Лампа с холодным катодом

Среди очевидных преимуществ лампы с холодным катодом можно отметить большой срок службы, который составляет 5 000 – 10 000 часов. По этой причине в некоторых сканерах не используются отключение лампы после завершения операции сканирования. Кроме этого, лампы не требуют какого-то дополнительного охлаждения и очень дешевы при производстве. Из недостатков - очень медленное включение. Типовое время разогрева лампы от 30 секунд до нескольких минут.

Лампа оказывает важное воздействие на результат сканирования. Даже при небольшом уходе характеристик источника света изменяется и падающий на приемную матрицу отраженный от оригинала световой поток. Отчасти поэтому и нужно столь длительное время разогрева лампы перед сканированием. Некоторые драйверы позволяют уменьшить время разогрева, если качество оцифровки не так важно (например, при сканировании текстовой информации). Чтобы как-то скомпенсировать уход характеристик лампы (а это неизбежно происходит при длительной эксплуатации аппарата), сканеры автоматически выполняют процедуру самокалибровки по черно-белой мишени, располагающейся внутри корпуса.

Рисунок 16

На рисунке 16 изображена цветовая мишень, по которой сканер подстраивает цвета перед сканированием, компенсируя "старение" лампы. Здесь видно также и то, что с течением времени тускнеет не только перманентно освещаемая лампой внутрикорпусная пластмасса, но и сама калибровочная мишень. Это, в свою очередь, приводит к уходу цветов и увеличению цветовых искажений.

Аналого-цифровой преобразователь занимается переводом аналоговых сигналов в цифровую форму. На его вход подается определенное напряжение с матрицы, а на выходе создается его двоичный код.

Подадим, к примеру, на вход преобразователя 4 Вольта, потом 9 Вольт. На его выходе появятся следующие вариации цифр: сначала 00000100, затем 00001001. В двоичном коде это цифры 4 и 9. Количество же нулей и единиц, которыми АЦП выражает измеренное значение – это его разрядность, которая измеряется в битах. Такой параметр, как разрядность преобразователя крайне важен для сканера, ведь он характеризует точность измерения входного сигнала.

Теоретически всегда лучше сканер, у которого разрядность больше. В домашней практике различия между результатами работы 36-ти и 42-х-битных сканеров практически незаметны (человеческий глаз способен различить примерно 24 бита цветовых оттенков, т.е. около 16,7 млн.).

Современные сканеры оснащают специализированными процессорами. В число задач такого процессора входит согласование действий всех цепей и узлов, а также формирование данных об изображении для передачи персональному компьютеру. В некоторых моделях сканеров на процессор возлагаются также функции контроллера интерфейса.

Список программных инструкций для процессора хранится в микросхеме постоянной памяти. Данные в эту микросхему записываются производителем сканера на этапе производства. Содержимое микросхемы называется "микропрограммой" или "firmware". У некоторых профессиональных сканеров предусмотрена возможность ее обновления, но в недорогих моделях для дома и офиса это обычно не требуется.

Помимо микросхемы постоянной памяти в сканерах используется и оперативная память, играющая роль буфера (ее типовые значения – 1 или 2 Мбайт). Сюда направляется сканируемая информация, которая практически сразу передается на ПК. После отправки содержимого из памяти персональному компьютеру, процессор обнуляет буфер для формирования новой посылки. Инструкции для процессора также заносятся в ячейки оперативной памяти, но уже самого процессора (для этого он оснащен несколькими килобайтами собственной оперативной памяти). Организация его памяти построена по принципу конвейера, т.е. после выполнения инструкции, стоящей в очереди первой, ее место занимает вторая, а место последней – новая инструкция.

За обмен информацией и командами между сканером и компьютером отвечает контроллер интерфейса. Данная микросхема может отсутствовать в том случае, если процессор располагает интегрированным модулем контроллера. Сегодняшний ассортимент SOHO-сканеров огранивается интерфейсами USB, FireWire и SCSI, находящимся на интерфейсной плате, изображенной на рисунке 17. В аппаратах с разными интерфейсами установлены такие же разные контроллеры. Между собой они не совместимы.

Рисунок 17 - Интерфейсная плата (сочетает SCSI- и USB-порты, а также располагает двумя гнездами для подключения дополнительных модулей)

Основной подвижный модуль сканера – его сканирующая каретка. В нее входят оптический блок, с системой линз и зеркал, светочувствительная матрица, лампа с холодным катодом (если это CCD-сканер) и плата инвертора. К сканирующей каретке жестко закреплен зубчатый протяжный ремень, изображенный на рисунке 18, который приводит в движение шаговый двигатель аппарата.

Рисунок 18 - Элементы протяжного механизма

За плотный контакт ремня с шестеренками отвечает специальная натяжная пружина, которая надевается непосредственно на него. Лафет со сканирующей кареткой, изображенный на рисунке 20, перемещается по направляющим салазкам, вдоль корпуса аппарата.

Шаговый электродвигатель (Step Motor), изображенный на рисунке 19, может поворачивать шпиндель в обе стороны совсем небольшими шажками. Из-за этой особенности всегда есть возможность переместить каретку сканера на строго определенное расстояние.

Рисунок 19 – Шаговый двигатель

Такой двигатель есть в каждом планшетном сканере. Он вращает редуктор (шестеренки, изображенные на рисунке 18) и приводит в движение каретку, в которой заключен оптический блок, лампа и матрица. За выбор направления и скорости вращения отвечает специальная микросхема – контроллер двигателя. Точность перемещения каретки называют механическим разрешением по направлению "Y" (Y-direction)

Рисунок 20

На рисунке 20 показано оптическое разрешение сканера – направление X и его механическое разрешение – направление Y

Оптическое разрешение определяется числом элементов линии матрицы, деленное на ширину рабочей области. Механическое – число шагов сканирующей каретки по направлению движения Y. В спецификациях к сканерам можно встретить обозначения, типа, "600х1200". Здесь вторая цифра и есть механическое разрешение, тогда как первая характеризует оптическое разрешение сканера. Различают также интерполированное разрешение, которое иногда на несколько порядков больше значений оптического, но никак не зависит от физического оснащения аппарата. Функции интерполирования (увеличения оригинального изображения) исполняет программное обеспечение сканера.

Домашние или офисные сканеры потребляют не слишком много энергии от сети. Внутренний блок питания сканера, изображенный на рисунке 21, выдает напряжения 24 Вольт / 0.69 А, 12 Вольт / 0.15 А и 5 Вольт / 1 А. Т.к. для источника света – лампы с холодным катодом, требуется высокое напряжение в несколько киловольт, за ее питание отвечает отдельный блок, который описан выше.

Рисунок 21 – Блок питания сканера

Для многих планшетных сканеров выпускаются сопутствующие дополнительные приспособления, в большинстве случаев приобретаемые отдельно. Из таковых можно отметить автоподатчик документов и адаптер для сканирования прозрачных оригиналов (слайд-адаптер).

Рисунок 22 - Сканер с автоподатчиком документов (представляет собой громоздкую конструкцию)

Автоподатчик бумаги, изображенный на рисунке 22, требуется в тех случаях, когда приходится сканировать множество печатных листов стандартного формата. Удостовериться, что к вашему сканеру можно подключить автоподатчик достаточно просто. Для этого можно просто взглянуть на панель подключений и убедиться в наличии гнезда ADF (Automatic Document Feeder). Автоподатчик документов всегда "привязан" к конкретной модели сканера, либо к серии моделей. Универсального податчика не существует! Причина заключается в том, что данное устройство управляется с интерфейсной платы сканера. Работа податчика невозможна при отсутствии связи со сканером.

Работает автоподатчик следующим образом. После этапа автокалибровки и проверки готовности сканер позиционирует каретку, изображенную на рисунке 23, перед прозрачным окном автоподатчика. Затем, с его входного лотка поочередно забираются листовые оригиналы, и при проходе через означенное окно они оцифровываются.

Рисунок 23 - Вид на прозрачное окошко автоподатчика документов с другой стороны стекла

Слайд-адаптер представляет собой дополнительное приспособление, предназначенное для оцифровки прозрачных оригиналов (пленок, слайдов и негативов). Существуют два типа таких адаптеров: пассивный, который использует лампу сканера, и активный, просвечивающий прозрачный оригинал собственной лампой.

У пассивного слайд-адаптера интенсивность светового потока ниже, чем у активного адаптера. Соответственно, ниже и качество отсканированных изображений, которое вполне приемлемо, к примеру, для Web. Пассивные слайд-адаптеры также отличаются невысокой ценой.

Схема электрическая структурная планшетного сканера приведена на чертеже 230106.КПСД07.001Э1.