Оптико-электронное оснащение лазеров

Принципы и схемы оптического сканирования

4.1. Пояснить термин «сканирование» с акцентом на оптическое обеспечение процесса.

(от англ. scan - поле зрения) рассматривается как управляемое пространственное перемещение по заданному закону достаточно узкого целенаправленного физического (материального) излучения (потока радиоволн, пучка электронов, луча света). Вместе с тем сканирование естественно воспринимать как процесс систематического (последовательного) обзора ограниченной зоны (области, сферы) при строго ориентированном перемещении радиолуча, электронного пучка, оптического луча по определенному маршруту и закону. Сканирование позволяет обнаружить объекты, находящиеся в зоне обзора, наблюдать за ними, считывать и вводить информацию о характеристиках и свойствах объектов.

Оптическое сканирование осуществляется тщательно сфокусированным, целенаправленным лучом света. Этим достаточно жестким условиям в наибольшей степени отвечает оптическое излучение газовых и твердотельных лазеров.

4.2. Рассмотреть принципы, схему, процессы одномерного (линейного) оптического сканирования плоского объекта узким (игольчатым) лучом, исследуя (моделируя) оптические характеристики объекта в проходящем свете.

Игольчатым называется луч света, интенсивность которого по всей длине сосредоточена в области (сечении) весьма небольшой площади. Как правило, предполагается также, что игольчатый луч симметричен относительно основного направления максимальной интенсивности излучения.

В конкретный момент времени узкий луч света неизменного уровня Φ 0 освещает отдельный участок (фрагмент) одномерного (линейного) объекта (например, строки текста) и создает на этом участке сканирующее (световое) пятно (рис. 4.1, а). Далее сканирующее пятно ритмично сдвигается (на рисунке вправо) вдоль объекта, освещая новые его фрагменты. Предполагаемые границы освещаемых фрагментов показаны на рис. 4.1, а пунктирными линиями.

Потоки света Φ пр, проходящие через фрагменты полупрозрачного объекта, далее регистрируются многоэлементным фотоприемником (рис. 4.1, б), причем каждому фрагменту объекта соответствует определенный фоточувствительный элемент фотоприемника. Если фотоприемник является полупроводниковым, то в освещаемом фоточувствительном элементе за счет внутреннего фотоэффекта генерируется заряд электронов, уровень которого пропорционален экспозиции (интенсивности падающего света и длительности освещения). Этот заряд по окончании заданного интервала сканирования передается в выходное устройство фотоприемника, которое формирует видеосигнал электрического напряжения или тока (рис. 4.1, в). Амплитуда такого видеосигнала строго соответствует световому потоку Φ прi , проходящему через i-й фрагмент объекта, и, таким образом, дает четкую информацию об оптической плотности объекта в контролируемой части.

Тем самым оптическое сканирование дает возможность преобразовать оптические характеристики линейного объекта (рис. 4.1, а) в пакет фотогенерированных зарядов разного уровня и далее в последовательность электрических видеосигналов различной амплитуды.

4.3. Отметить особенности линейного сканирования плоского объекта (рис. 4.1, а) при исследовании его оптических характеристик в отраженном свете.

В этом случае сканирование происходит по уже рассмотренному циклу (рис. 4.1, а), но фоточувствительные элементы многоэлементного фотоприемника поочередно воспринимают потоки света Φ отрi , отраженные от соответствующих фрагментов исследуемого объекта (рис. 4.2
). Существенно не изменяются временные диаграммы (рис. 4.1, в) формирования выходных видеосигналов. Очевидно, однако, что в варианте (рис. 4.2
) амплитуда видеосигналов определяется в первую очередь коэффициентом отражения r сканируемого света Φ 0 от объекта (а не коэффициентом пропускания τ, как в предыдущем варианте).

4.4. Рассмотреть принципы, схему, процессы параллельного ввода информации плоским оптическим лучом. Выделить элементы сканирования в рассматриваемом цикле получения и преобразования данных об оптических характеристиках объекта.

Согласно плоским называется луч, у которого угол раствора в одной плоскости много меньше, чем в другой. Плоский луч имеет по всей длине сечение, подобное светоизлучающей щели: достаточно широкое - в одном (например, горизонтальном) направлении, весьма узкое - в другом (вертикальном).

Использование плоского оптического луча позволяет одновременно освещать все фрагменты одномерного (линейного) объекта потоками света одинаковой величины Φ 0 (рис. 4.3, а). Каждый фрагмент объекта имеет непосредственную оптическую связь с соответствующим элементом многоэлементного фотоприемника. Поэтому элементы фотоприемника одновременно воспринимают и регистрируют потоки света Φ прi , проходящие через i-е фрагменты исследуемого объекта.

В каждом элементе полупроводникового фотоприемника за счет внутреннего фотоэффекта генерируются и накапливаются заряды, уровень которых пропорционален конкретным величинам падающих потоков света Φ прi . Далее по известной схемотехнике (с использованием многофазного импульсного возбуждения элементов фотоприемника) накопленный пакет фотогенерированных зарядов переводится в выходное устройство, где формируется в виде последовательности электрических видеосигналов (рис. 4.3, б). Эти сигналы поочередно поступают в выходную цепь устройства по окончании импульса оптического излучения, освещающего объект, с прекращением процесса накопления фотогенерированного заряда.

В устройстве (рис. 4.3, а) осуществляется одновременный параллельный ввод информации, без элементов входного сканирования, характерных для последовательного ввода информации (см. рис. 4.1, а). Вместе с тем последовательное смещение заряда, накопленного в элементах фотоприемника, к его выходу путем импульсного, многофазного возбуждения элементов можно (в значительной степени условно) считать процессом сканирования (по существу считывания) накопленной информации. Такое развитие процесса может быть названо самосканированием .

4.5. Рассмотреть варианты двумерного (двухкоординатного) оптического сканирования объекта (зоны, пространства) узким (игольчатым) лучом света.

Выделим три характерных варианта двумерного сканирования , представленных на рис. 4.4
. На рисунках показаны объекты (плоскости) сканирования, сканирующие (световые) пятна (заштрихованные квадраты) и маршруты их движения в процессе сканирования.

В базовом варианте (рис. 4.4, а
) двухкоординатный просмотр объекта сканирующим пятном осуществляется последовательно и построчно. Сканирующее пятно ритмично проходит первую строку (линейку) слева направо и скачком (достаточно быстро) переходит к началу второй строки, которую далее в заданном ритме проходит слева направо. Эта схема движения светового пятна выдерживается при сканировании последующих строк двумерного объекта.

В варианте (рис. 4.4, б
) осуществляется последовательно-последовательный просмотр объекта сканирующим пятном. По уже рассмотренной методике «чисто» последовательного сканирования (рис. 4.4, а
) просматривается лишь определенная зона (в данном случае третья часть) объекта.

По окончании этого просмотра сканирующее пятно быстро переходит к началу второй зоны (в центре объекта) и последовательно просматривает эту зону по первоначальному маршруту. На заключительном этапе сканируется последняя (правая, третья) зона объекта.

В варианте (рис. 4.4, в
), который естественно считать последовательно-параллельным, все (три) выделенные зоны объекта сканируются одновременно (параллельно) по маршруту последовательного сканирования (рис. 4.4, а
).

4.6. Рассмотреть принципы и варианты параллельного ввода информации об оптических характеристиках двумерного (двухкоординатного) объекта.

В основном техническом варианте (рис. 4.5, а
) исследуемый объект освещается неизменным потоком света Φ 0 одновременно и полностью (по всей площади). Проходящий свет Φ пр в зависимости от оптической плотности различных фрагментов объекта имеет неодинаковую интенсивность. Далее оптический поток Φ пр воспринимается многоэлементным фотоприемником (матричным фоточувствительным прибором с зарядовой связью или с инжекцией заряда). Дальнейшие операции, обеспечивающие восприятие, накопление, сдвиг (перенос) и вывод оптической информации в форме пакетов фотогенерированных электронов и электрических видеосигналов, детально отработаны .

Успешно используется также частичный оптический просмотр объекта (рис. 4.5, б)
по методике «чисто» параллельного ввода оптической информации (рис. 4.5, а
). При этом сканирующее пятно, занимающее лишь часть площади объекта, сдвигается последовательно вдоль поверхности объекта, попеременно освещая необходимые (заданные) участки и зоны. Такой оптический просмотр объекта является по существу параллельно-последовательным.

Параллельный просмотр и ввод оптической информации по схемам (рис. 4.5
) имеет ряд существенных преимуществ: высокое быстродействие, четкую организацию информационных операций, добротную микроэлектронную базу.

4.7. Рассмотреть и наглядно (объемно) представить перемещение узкого (игольчатого) сканирующего луча при винтовом, зигзагообразном, спиральном и коническом просмотре зоны (объекта).

Варианты такого сканирования разнообразны и широко применяются в радиолокации. В полиграфии эти технические приемы используются не столь активно, но по существу могут быть полезны, например, в системах технического зрения.

При сканировании игольчатым лучом сложное движение луча целесообразно рассматривать в виде двух простых движений: переносного и относительного. Переносное (поступательное) движение совершается вокруг неподвижной оси. Относительное движение небольшого радиуса происходит вокруг движущейся оси и обеспечивает дополнительный (локальный) осмотр зоны (объекта) в процессе сканирования.

На рис. 4.6, а показано перемещение луча при винтовом сканировании: переносное движение луча - вращательное с постоянной угловой скоростью; относительное движение луча - колебательное (в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения) со значительно меньшей скоростью.

На рис. 4.6, б, в представлено перемещение луча при зигзагообразном сканировании. При этом учтено, что переносное и относительное движения луча - колебательные, но с различным соотношением скоростей.

Рис. 4.6, г иллюстрирует перемещение луча при спиральном сканировании. Переносное движение такого луча является вращательным, а относительное - колебательным (но в данном примере - с меньшей скоростью).

На рис. 4.6, д показано перемещение луча при поступательно-коническом сканировании. Учитывается, что переносное движение луча - колебательное, а относительное - вращательное (но со значительно большей скоростью). Частный, но распространенный случай поступательно-конического сканирования - «чисто» коническое сканирование - иллюстрируется рис. 4.6, е. В этом случае движение луча является вращательным (круговым), а направление максимальной интенсивности излучения ОА смещено относительно оси вращения ОО? на постоянный угол α.

Способы и средства лазерного сканирования

4.8. Пояснить особенности использования лазерного сканирования в полиграфической технике ввода (считывания, преобразования) и вывода (формирования, записи) изображений.

Разделяют процессы входного и выходного лазерного сканирования ; именно в этих режимах лазеры используются в полиграфии наиболее часто, эффективно и ярко. В первом режиме сканирование лазерным лучом позволяет преобразовать информацию, содержащуюся в двумерном оптическом изображении, в серию одномерных электрических сигналов. Во втором режиме изобразительная информация, физическими носителями которой являются электрические сигналы с переменной (модулированной) амплитудой, частотой, длительностью, путем лазерного сканирования развертывается в двумерное оптическое изображение.

В процессе входного сканирования тщательно сфокусированный лазерный луч перемещается и последовательно освещает небольшие участки (фрагменты) изображения. Реакция объекта на такое локальное (точечное) лазерное воздействие в приходящем или отраженном свете воспринимается фотоприемником, который на каждом этапе (шаге) сканирования формирует электрический видеосигнал. Амплитуда конкретного видеосигнала четко соответствует оптической плотности освещенного фрагмента изображения. Таким образом, последовательность (серия, пакет) видеосигналов заряда, тока, напряжения дискретно представляет (отражает) в импульсной электрической форме оптическую картину регистрируемого изображения. Входное сканирование применяется для считывания, регистрации, ввода, анализа, коррекции изображений в сканерах, читающих и гравировальных автоматах, устройствах цифрового кодирования иллюстраций и шрифтов, цветокорректорах.

В процессе выходного сканирования лазерный луч перемещается по поверхности материала, чувствительного к оптическим воздействиям.

Такой светочувствительной средой могут служить фотопроводящие и электрофотографические слои, фото- и термочувствительные пленки. Реакция конкретного светочувствительного материала на внешнее оптическое (лазерное) воздействие зависит от характеристик (мощности, интенсивности, длительности) лазерного импульса. Модулируя эти характеристики лазерного луча электрическими сигналами, однозначно связанными с оптической плотностью фрагментов изображения (оригинала), можно воспроизвести изображение (получить репродукцию, оттиск, копию исходной оптической картины) на светочувствительном материале. Лазерное выходное сканирование используется для вывода, отображения, формирования, записи изображений в принтерах и электрографических аппаратах, формных и печатных автоматах.

Лазерное сканирование в рассматриваемых (входном и выходном) режимах и процессах существенно различается по функциональным и техническим признакам, нацелено на различные области применения. Однако технические средства входного и выходного лазерного сканирования различаются не столь существенно (во многом однотипны).

В процессе входного лазерного сканирования изображения световое пятно (луч лазера) продвигается по поверхности сканируемого объекта последовательно и ритмично, но дискретно (с небольшим шагом), считывая лишь отдельные фрагменты (растровые элементы) изображения. Таким образом, при подобном сканировании изображение разделяется (растрируется) на отдельные микроэлементы (точки, отрезки, линии) и в дальнейшем обрабатывается, хранится, воспроизводится в дискретной (растрированной) форме.

При выходном лазерном сканировании изображение формируется постепенно из отдельных растровых элементов: линий, отрезков, точек. Эти элементы записывает лазерный луч, причем световое пятно, созданное лазером на поверхности материала, чувствительного к оптическим воздействиям, последовательно (с определенным шагом) перемещаясь в горизонтальном и (или) вертикальном направлениях, обходит в итоге всю фоточувствительную площадь материала, на которой записывается изображение.

Процессы растрирования, используемые при считывании и записи изобразительной информации, непосредственно влияют на оптико-механические способы и средства лазерного сканирования изображений.

4.10. Рассмотреть схемы и маршруты оптико-механической развертки изображений (рис. 4.7
), применяемой в лазерных сканирующих устройствах .

Согласно в полиграфии, как правило, используется метод прямоугольного линейного растрового сканирования изображений. При таком сканировании лазерный луч перемещается (разворачивается) вдоль прямых линий (строк), расположенных весьма близко, сканирование одной линии заканчивается быстрым переходом луча к началу следующей (смежной) линии.

На рис. 4.7
представлены варианты лазерного сканирования изображений, формируемых на светочувствительном материале, который размещается на плоской основе (рис. 4.7, а) или на цилиндрической поверхности (рис. 4.7 б, г
). В вариантах (рис. 4.7 а, б
) на светочувствительном материале записываются линейные растровые линии, а в двух других вариантах используется цилиндрическая запись на внутреннюю (рис. 4.7, в
) или на внешнюю (рис. 4.7, г
) поверхности цилиндра.

Растровая развертка обеспечивается по двум ортогональным составляющим - строчной разверткой (по оси х) и кадровой разверткой (по оси у), которая создает необходимый интервал между соседними строками. Обычно изображение непрерывно формируется вдоль оси х (отклонением лазерного луча) и дискретно вдоль оси у (сдвигом светочувствительного материала).

4.11. Рассмотреть состав и взаимодействие компонентов, пояснить принцип действия лазерного сканирующего устройства , представленного на рис. 4.8
.

Лазер 1 служит источником когерентного оптического излучения, интенсивность которого существенно изменяется модулятором 2. Модулятор управляется электрическими сигналами, отражающими оптическую картину считываемого изображения (оригинала). Телескопическая система 3 расширяет лазерный пучок и уменьшает его расходимость. Система 3 состоит из двух компонентов: объекта, воспринимающего лазерное излучение, и окуляра, формирующего выходные лучи света. Введены зеркала (плоские 4, 9, 10 и сферические 8), объектив 5, многогранный призменный дефлектор 6. Изображение записывается на фотоматериал 7.

В сканирующем устройстве (рис. 4.8
) луч лазера 1 проходит через модулятор 2 и телескопическую систему 3, отражается от зеркал 4 и 10, существенно изменяя направление, и через фокусирующий объектив 5 попадает на грань дефлектора 6. Призма 6 непрерывно вращается с большой частотой. Лазерный луч, отраженный от грани дефлектора 6 и далее от зеркал 8 и 9, достигает фотоматериала 7 и смещается в его плоскости, формируя линию (строку) изображения. Таким образом, особенностью рассматриваемого устройства является послеобъективная развертка изображения. В свою очередь сферическое зеркало 8 и зеркало 10 (с пьезоэлементом) позволяют компенсировать (устранить) искажения при записи изображения, возникающие из-за криволинейности поверхности фотоматериала и неодинакового наклона граней (зеркал) призмы 6.

По данным , в сканирующем устройстве (рис. 4.8
) для горизонтальной развертки изображения используются аргоновый лазер и призменный дефлектор, вращающийся с частотой 4 тыс.об/мин. Частота вращения призмы контролируется тахометром. Изображение записывается лазерным пятном диаметром 25 мкм на формат А2 с линиатурой 400 лин/см. Время вывода полос формата А2 составляет примерно 1 мин.

4.12. Рассмотреть схему построения и принцип действия лазерного сканирующего устройства (рис. 4.9
) с субрастровой записью изображений .

Особенностью такой записи изображений является формирование в процессе горизонтальной развертки строки вертикальной линии (субрастра) высотой h, составляющей несколько миллиметров. Таким образом, фотоматериал экспонируется полосами площадью h × l, где l - длина горизонтальной строки развертки. После завершения экспонирования полосы фотоматериал сдвигается ортогонально строке на величину h.

Устройство (рис. 4.9
), реализующее принцип субрастровой записи изображений, содержит лазер 1, отражающие зеркала 2 и 3, модулятор 4, управляющий интенсивностью лазерного пучка, и телескопическую систему 5, уменьшающую его расходимость, дефлектор 6, отклоняющий луч на высоту h перпендикулярно строке изображения, объектив, состоящий из двух компонентов 7 и 8, фокусирующий лазерный луч на фотоматериал 10, колеблющееся зеркало 9, осуществляющее развертку лазерного луча по строке длиной l.

В процессе сканирования луч лазера 1, отражаясь от системы зеркал 2 и 3, достигает модулятора 4. Это устройство управляется импульсами электрического напряжения и в зависимости от оптической плотности фрагментов записываемого черно-белого изображения пропускает лазерный луч или перекрывает канал его дальнейшего продвижения. Модулированный пучок лазерного излучения далее, проходя через телескопическую систему 5, акустооптический дефлектор 6, фокусирующий объектив 7-8 и отражаясь от колеблющегося зеркала 9, достигает фотоматериала 10 и формирует на его поверхности горизонтальную полосу площадью h × l.

Следует отметить, что в данном сканирующем устройстве, как и в ранее рассмотренном устройстве (рис. 4.8
), обеспечивается послеобъективная развертка изображений.

4.13. Рассмотреть схему построения и принцип действия лазерного сканирующего устройства (рис. 4.10
) с дообъективной разверткой изображения .

Сканирующее устройство содержит аргоновый лазер 1, модулятор 6, дефлекторы 9 и 11 (с вращающимся зеркалом), отражающие (поворотные) зеркала 2, 4, 7, 8, 10 и 13, полупрозрачное зеркало 3, телескопы 5 и 15, объектив 12. Дополнительно введены растровая линейка 16 и кварцевый параллелепипед 17, боковые грани которого покрыты алюминием, а на торцах размещены фотоэлектрические умножители 18 и 19. Лазерный луч записывает изображение на плоскость фоточувствительного материала 14.

Луч лазера 1 отражается от плоского зеркала 2 и расщепляется зеркалом 3 на два луча: основной (показанный далее непрерывными линиями) луч, осуществляющий запись изображения, и вспомогательный (показанный пунктирными линиями) луч, обеспечивающий синхронизацию развертки. Основной луч отражается от зеркала 4, расширяется телескопом 5 и направляется в модулятор 6, который изменяет интенсивность луча по закону, заданному исходным изображением (оригиналом). Модулированный лазерный луч поворотными зеркалами 7 и 8 направляется в акустооптический дефлектор 9, который отклоняет луч в вертикальном направлении (перпендикулярно основному горизонтальному направлению луча). После дефлектора, отражаясь от зеркала 10, лазерный пучок попадает на вращающееся зеркало дефлектора 11, ориентированного на горизонтальную развертку. Объектив 12 с отражением от зеркала 13 фокусирует лазерный луч на плоскость фотоматериала 14. Таким образом, в рассматриваемом сканирующем устройстве запись изображения осуществляется на основе оптической системы дообъективной развертки.

Вспомогательный лазерный луч, отраженный зеркалом 3, расширяется телескопом 15, разворачивается подвижным зеркалом дефлектора 11 и фокусируется объективом 12 на растровую линейку 16. Лучи, прошедшие через линейку, собираются параллелепипедом 17. Фотоэлектрические умножители 18 и 19 преобразуют световые сигналы в электрические, которые, в свою очередь, обеспечивают синхронизацию развертки.

4.14. Указать оптические, оптико-механические, электро- и акустооптические средства, которые применяются в технике лазерного сканирования изображений.

Ритмичное широкодиапазонное отклонение лазерного луча, обеспечивающее в конечном счете построчное сканирование фотоматериала, осуществляется колебательными или вращающимися зеркальными дефлекторами: плоскими, призменными, многогранными. Разнообразен набор зеркал: плоских, сферических, непрозрачных и полупрозрачных, обеспечивающих отражение, отклонение, поворот, пропускание лазерных лучей. Эти же функции в той или иной мере могут выполнять отражающие и преломляющие призмы. Важная роль в технике формирования лазерных лучей и пучков отводится собирающим, рассеивающим, преобразующим линзам, объективам, телескопам. Управляемую модуляцию лазерного излучения осуществляют электро- и акустооптические модуляторы. Дозированное отклонение лазерных лучей обеспечивают акустооптические дефлекторы.

4.15. Пояснить состав и действие оптико-механических устройств , обеспечивающих сканирование лазерным лучом внутренней (рис. 4.11, а
) и внешней (рис. 4.11, б
) поверхностей цилиндра.

Рассматриваемые технические решения имеют прямое отношение к лазерным сканирующим устройствам с цилиндрической записью изображений на фоточувствительные материалы, закрепленные на внутренней (см. рис. 4.7, в
) или на внешней (см. рис. 4.07, г
) поверхности цилиндра. Устройства содержат лазер 1, объектив 2, поворотные зеркала 3, сканируемый цилиндр 4, противовес 5 для балансировки.

По схеме, приведенной на рис. 4.11, а
, сканируется внутренняя поверхность цилиндра, причем используется только одно поворотное зеркало, располагаемое на оптической оси, совмещенной с осью вращающейся системы. Это зеркало также перемещается вместе с объективом параллельно поверхности цилиндра, обеспечивая кадровую развертку. Компактное устройство (рис. 4.11 а
), обладает очевидными техническими достоинствами; однако в таком варианте сканирования затруднителен визуальный контроль воспроизводимого изображения.

На рис. 4.11, б
представлен второй вариант вращающейся фокусирующей системы, в котором осуществляется сканирование внешней поверхности цилиндра. В таком устройстве обеспечивается надежное крепление освещаемого фотоматериала и четко контролируется процесс записи изображения. Однако оптическая система устройства, содержащая несколько жестко фиксированных поворотных зеркал, становится достаточно сложной.

Возможны различные комбинации представленных устройств сканирования; в зависимости от конкретных технических решений функции вращения и перемещения по образующей могут распределяться между объективом и цилиндром.

4.16. Рассмотреть варианты оптико-механических дефлекторов лазерных лучей , представленные на рис. 4.12
.

Представлены дефлекторы с плоским колеблющимся зеркалом (рис. 4.12, а
), вращающиеся призменные дефлекторы с одной отражающей зеркальной поверхностью (рис. 4.12, б
) и с многими зеркальными гранями (рис. 4.12 в, г
).

В дефлекторе (рис. 4.12, а
) плоское зеркало укреплено на роторе двигателя, жестко соединенном с пружиной, создающей вращательный момент. Управление дефлектором для сканирования луча с постоянной скоростью осуществляется генератором линейно изменяющегося напряжения. Согласно данным угол отклонения колеблющихся дефлекторов достигает 40°. Однако частота колебаний зеркала дефлектора невысока (сотни герц), а скорость сканирования невелика.

Высокое качество записи изображений обеспечивает дефлектор с вращающейся трехгранной призмой, имеющей одну зеркальную грань (рис. 4.12, б
). Однако и в этом техническом варианте скорость сканирования оказывается относительно небольшой.

Использование многогранных пирамидальных (рис. 4.12, в
) и призменных (рис. 4.12, г
) дефлекторов позволяет существенно (пропорционально числу граней) увеличить скорость сканирования. В лазерных сканирующих устройствах применяются зеркальные пирамиды и призмы с числом граней от 3 до 8 ; известны призменные дефлекторы с 12 и даже 24 зеркальными гранями . Следует, однако, учитывать, что изготовление многогранных зеркальных дефлекторов с необходимой весьма высокой точностью является сложной технологической задачей.

4.17. Пояснить механизм, выделить технические погрешности сканирования лазерного луча с помощью многогранного зеркального дефлектора .

Согласно рис. 4.13
лазерный луч 1, отраженный от одной из зеркальных граней дефлектора 2, попадает на поверхность фотопроводящего материала 3. В процессе вращения дефлектора угол наклона отражающей грани призмы относительно оси, перпендикулярной поверхности фотоматериала, непрерывно изменяется; при этом отраженный луч на рассматриваемой стадии проходит строку сканируемого изображения. Число таких проходов за один оборот (период) вращения дефлектора равно числу отражающих зеркальных граней призмы.

При таком лазерном сканировании изображение записывается на фотоматериале с характерными искажениями. Следует учитывать, что фокус 4 лазерного луча 1 (рис. 4.13
) перемещается по дуге окружности, фотоматериал 3, размещенный на плоской или цилиндрической основе, имеет в плоскости сканирования ровную (прямолинейную) поверхность, многогранный призменный дефлектор 2 вращается с постоянной скоростью.

В процессе сканирования фокус 4 лазерного луча оказывается, в основном, вне (выше или ниже) поверхностной линии (строки) сканирования фотоматериала. Поэтому размеры (диаметр) лазерного пятна на фотоматериале изменяются вдоль линии развертки, а форма лазерного пятна не остается постоянной. Вместе с тем расстояние между отражающей гранью призмы и поверхностью фотоматериала (по линии развертки) не остается постоянным (увеличивается от центра к краям фотоматериала), из-за чего скорость движения лазерного пятна по поверхности фотоматериала непрерывно изменяется. Таким образом, лазерная развертка строки изображения оказывается нелинейной.

4.18. Представить и пояснить способы и технические средства, позволяющие устранить погрешности лазерного сканирования фотоматериала с использованием вращающихся зеркальных дефлекторов .

Эффективным оказывается введение параболического полностью отражающего зеркала между многогранным призменным дефлектором и плоскостью развертки лазерного луча (на поверхности фотоматериала). В такой оптической системе фокус лазерного луча перемещается строго по линии развертки и все искажения, связанные с нарушением фокусировки лазерного излучения на поверхности фотоматериала, устраняются. По данным , в сканирующих лазерных устройствах с параболическими зеркалами искажения записываемого изображения не превышают 0,02% при углах развертки до 40°.

Устранение дефектов сканирования и записи изображения, связанных с нелинейностью строчной развертки, достигается применением фокусирующих fθ-объективов, в которых искусственно вводится необходимая дисторсия (искривление). При этом существенно повышается линейность строчной развертки.

4.19. Пояснить действие формирователя символов (рис. 4.14
), в котором стробирование лазерного луча осуществляется с помощью временной шторки .

Скорость сканирования лазерным лучом поверхности фотоматериала (с использованием многогранного зеркала) непостоянна. Расстояние между отражающей гранью зеркала и поверхностью фотоматериала увеличивается от центра к краям; поэтому расстояние, которое лазерный луч проходит к краю фотоматериала, заметно больше, чем к середине экспонируемого объекта. Необходимо, чтобы лазерный луч достигал фотоматериала с определенными временными задержками. Эта операция в устройстве (рис. 4.14
) осуществляется временно 2й шторкой.

Поверхность фоточувствительного барабана 1 перекрывается временной шторкой 2 с узкими прозрачными щелями 3. Расстояние между щелями равно ширине поля печатных символов. Если основной лазерный луч 4 попадает на щель во время сканирования, то фотоприемник, размещенный за щелью, вырабатывает электрический сигнал. Таким образом регистрируется положение основного лазерного луча 4, а вместе с ним и пишущих лазерных лучей 5. Электронное устройство, реагирующее на сигналы фотоприемников, вырабатывает сигналы включения пишущих лазерных лучей. Если записывается несколько горизонтальных точек, то луч остается включенным. Во время одного прохода пишется одна широкая линия лазерным лучом, состоящим из шести пишущих лучей; все поле символа состоит из четырех таких широких линий.

Фоточувствительный барабан вращается непрерывно, поэтому во время одного прохода лазерного луча необходимо устанавливать определенный угол между осью барабана и плоскостью сканирования, что гарантирует параллельность экспонированных строк.

В высокопроизводительных печатающих устройствах отклонение пишущих лазерных лучей обеспечивается акустооптическими дефлекторами, а вместо временной шторки используется оптическое корректирующее устройство (сканирующие линзы плоских фронтов).

4.20. Указать причины нестабильного положения, неритмичного движения лазерного луча при сканировании изображения. Выделить способы и средства синхронизации передвижения лазерного луча в процессе развертки растровой строки.

При сканировании осуществляют синхронизацию положения лазерного луча в плоскости изображения. Для этого следят за координатой сканирующего луча и дискретно вырабатывают синхросигналы по мере прохождения лучом отрезков пути, равных или кратных величине, обратной линиатуре. Системы синхронизации необходимы, так как скорость движения луча вдоль растровой строки непостоянна из-за колебаний электрического напряжения, управляющего оптико-механическим дефлектором, износа механических деталей, неточности в изготовлении зеркальных поверхностей многогранных призм и других причин.

В лазерных сканирующих устройствах синхронизация осуществляется за счет определения положения лазерного луча в ходе развертки растровой строки с помощью измерительных устройств, связанных с дефлектором или расположенных в плоскости изображения. Этот способ реализуется применением систем отсчета синхроимпульсов на основе шкал на растровых дисках и линейках, а также на основе лазерного интерферометра.

4.21. Пояснить назначение и действие системы отсчета синхроимпульсов на основе круговой шкалы (рис. 4.15
).

Сигналы синхронизации в системах отсчета с круговыми шкалами поступают от датчика, состоящего из двух соосно расположенных прозрачных дисков с несколькими группами непрозрачных рисок (рис. 4.15
). Одни из дисков 2 закреплен на валу оптико-механического зеркального дефлектора 1 и вращается вместе с дефлектором. Второй растровый диск 3 неподвижен. Число групп непрозрачных рисок 4 равно числу зеркальных граней дефлектора. Синхроимпульсы создаются двумя парами светодиодов 5 и фототранзисторов 6, расположенных на двух диаметрально противоположных сторонах дисков.

Фокусирующий объектив обеспечивает равномерное движение лазерного луча вдоль строки сканирования, и поэтому, зная угловое перемещение дефлектора, можно точно определить положение лазерного луча в плоскости изображения. Для запуска схемы синхронизации применяется детектор начала строки сканирования.

4.22. Пояснить применение растровых линеек для позиционирования и синхронизации лазерного луча в плоскости изображения.

Высокую точность позиционирования и синхронизации может обеспечить датчик , отслеживающий положение лазерного луча непосредственно в плоскости изображения. Таким датчиком служит растровая линейка - полоса прозрачного материала, на который нанесен растр из непрозрачных рисок.

Сканируется вспомогательным лазерным лучом синхронно с разверткой основного записывающего луча. Свет, прошедший сквозь линейку, собирается фотоприемником, и на выходе электронного формирователя генерируются синхронизирующие импульсы. Частота растровых рисок на линейке определяется требуемой линиатурой в горизонтальном направлении.

В качестве фотоприемника используют фотодиод, длина активной зоны которого равна длине растровой линейки. При использовании точечных фотоприемников световой луч, перемещающийся по растровой линейке, сводится в неподвижную точку с помощью эллиптического зеркала, установленного за растровой линейкой. В одном из фокусов зеркала расположен фотоприемник, а в другом - отражающая грань дефлектора.

Для сбора света, прошедшего линейку, может использоваться кварцевый параллелепипед, покрытый алюминием всюду, кроме торцов. Два фотоэлектрических умножителя, расположенные с торцов параллелепипеда, преобразуют световые сигналы в электрические.

Применение растровых линеек требует дополнительного луча, который создается либо делением основного луча на два, либо вторым лазером, что в обоих случаях значительно усложняет оптическую систему сканирующего устройства.

4.23. Рассмотреть применение в сканирующем устройстве лазерного интерферометра.

Известны сканирующие устройства , в которых используется лазерный интерферометр с несимметричным ходом лучей относительно оси поворота колеблющегося зеркального дефлектора (рис. 4.16). Это достигается установкой отражателей 3 на качающемся зеркале 4 на одинаковом расстоянии от оси его качания. Регистрация углового положения зеркала 4 осуществляется счетом интерференционных полос во входном зрачке фотодатчика 1. Полосы возникают в результате наложения двух когерентных излучений с интенсивностью I 1 иI 2 , которые образованы путем разделения светоделительной призмой 2 вспомогательного лазерного луча сканирующего устройства.

При интерференции наблюдается перераспределение интенсивности света в полосах интерференционной картины. Полная интенсивность определяется соотношением

где σ - оптическая разность хода интерферирующих волн.

Максимум и минимум интенсивности соответственно

при |σ| = 0, 2π, 4π;

при |σ| = π, 3π.

Если I 1 = I 2 , то с учетом

Следовательно, интенсивность будет изменяться от минимального значения I min = 0 до максимального I max = 4I 1 .

Согласно данным измеряют угловые перемещения зеркала в диапазоне углов до ±15° с дискретностью отсчета 0,1".

Оптические преобразователи лазерного излучения

4.24. Пояснить принцип действия телескопической системы, представленной на рис. 4.17
.

Состоит из двух элементов - объектива и окуляра. Задний фокус F об объектива совпадает с передним фокусом F ок окуляра. В лазерных сканирующих устройствах телескопические системы рассматриваемого типа уменьшают расходимость лазерного луча и увеличивают его диаметр.

4.25. Рассмотреть принципы построения и действия объективов, применяемых в лазерных сканирующих устройствах.

Объективы, фокусирующие лазерное излучение, эффективно используются в сканирующих устройствах . Типы таких объективов разнообразны (рис. 4.18).

Одиночная положительная линза (рис. 4.18, а); однако в простой линзовой системе существуют различные аберрации - погрешности восприятия, преобразования, фокусировки оптического излучения. Аберрации исправляются и корректируются в сложных оптических системах. Изображение более высокого качества дают двух- и многолинзовые объективы, например трехлинзовый объектив (рис. 4.18, б).

Роль объектива может выполнять одиночное сферическое зеркало, а также зеркало с параболической или гиперболической поверхностью (рис. 4.18, в).

Широко используются более сложные объективы, например двухзеркальные, содержащие основное вогнутое зеркало с отверстием в центре и контррефлектор, который может быть плоским, вогнутым, выпуклым (в том числе и с асферической поверхностью). По этому принципу (с контррефлектором) построен телескоп Кассегрена (рис. 4.18, г).

Высоким качеством передачи и фокусировки оптического (лазерного) излучения обладают зеркально-линзовые объективы: система Шмидта (рис. 4.18, д), система Максутова (рис. 4.18, е), система апо-хроматического анастигмата (рис. 4.18, ж).

4.26. Пояснить назначение и действие конденсора в преобразователях оптического (лазерного) излучения .

(специальная линза) собирает оптические лучи, попадающие в объектив сканирующего устройства, на фоточувствительную поверхность приемника излучения. Оптическая система (рис. 4.19, а
), состоящая только из объектива (без конденсора), фокусирует излучение, смещенное от оптической оси (показанное на рисунке двойными стрелками), за пределами приемника излучения. При введении конденсора (вторая линза на рис. 4.19, б
) это излучение фокусируется на приемнике.

Четкими фокусирующими свойствами обладает иммерсионный конденсор - полусферическая линза, установленная вплотную к фоточувствительному приемнику (рис. 4.19, в
).

4.27. Представить вариант оптической системы для концентрации лазерного луча на фоточувствительную площадь малого размера.

Такой вариант системы представлен на рис. 4.20
. Без фокусирующих элементов лазерное излучение (при угле расхождения, равном 2φ) создает оптическое пятно диаметром D на поверхности, которая отстоит от лазера на расстоянии L. При введении положительной линзы этот размер уменьшается до размера d << D. Очевидно, однако, что достаточное уменьшение оптического пятна можно получить лишь с использованием короткофокусной линзы; тогда размер пятна d = f"×2φ.

4.28. Пояснить принципы построения и действия зеркальной (рис. 4.21, а) и линзовой (рис. 4.21, б) телескопических систем, преобразующих пучки лазерного излучения.

В телескопической системе (рис. 4.21, а) формирование направленных пучков с угловой расходимостью, меньшей, чем у пучка, выходящего из лазера, достигается введением выпуклого и вогнутого зеркал. В системе Галилея (рис. 4.21, б) в качестве объектива применяется отрицательная линза.

4.29. Рассмотреть (выделить, классифицировать, исследовать) аберрации оптических систем.

Согласно аберрации оптических систем (от лат. aberratio - уклонение) рассматриваются как погрешности изображений, создаваемых такими системами. Аберрации проявляются в том, что оптические изображения в ряде случаев не вполне отчетливы, не точно соответствуют объекту или оказываются окрашенными. Наиболее значительны следующие виды аберраций.

Недостаток оптического изображения, заключающийся в том, что световые лучи, прошедшие вблизи оптической оси, и лучи, прошедшие через отдаленные от оси части оптической системы (например, линзы), не собираются в одну точку. Сферическая аберрация может быть почти полностью устранена применением специально рассчитанных комбинаций линз.

Другим видом аберрации является кома - недостаток оптического изображения (изображение точки имеет вид продолговатого несимметричного пятна), возникающий при косом прохождении световых лучей через оптическую систему. В случае простой линзы размеры пятна пропорциональны квадрату радиуса линзы и углу наклона светового пучка по отношению к оси.

При больших углах наклона пучка к оси существенна аберрация, называемая астигматизмом . Если при прохождении оптической системы сферическая световая волна деформируется и перестает быть сферической, то пучок лучей становится сложным: лучи пересекаются не в одной точке, а в двух взаимно перпендикулярных отрезках прямой линии, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Такой пучок называется астигматическим, а само явление - астигматизмом.

Аберрация оптической системы, называемая дисторсией , характеризуется неодинаковостью линейного увеличения в пределах всего поля изображения и приводит к нарушению геометрического подобия между объектом и его изображением.

Оптические системы могут обладать сразу несколькими видами аберраций. Исправление аберраций в сложных оптических системах производится надлежащим сочетанием линз и представляет трудную задачу. Те или иные виды аберраций обычно устраняются в соответствии с назначением оптической системы. Перечисленные аберрации оптических систем называются геометрическими.

Несовершенства изображения в оптических системах связаны также с волновой природой света. Они возникают из-за дифракции света на диафрагмах, оправах линз и т.п. Влияние дифракции обычно невелико по сравнению с другими аберрациями оптических систем. Существует еще хроматическая аберрация, связанная с зависимостью показателя преломления от длины волны света, в результате чего при немонохроматическом свете изображения оказываются окрашенными.

4.30. Рассмотреть оптические схемы и технические особенности применения мощных лазеров в технологических операциях обработки твердых материалов (металлов, сплавов, керамики, полупроводниковых кристаллов, алмазов).

Характерной областью такого применения лазеров может служить сверление отверстий мощным лазерным лучом. Эффективной оказывается многоимпульсная лазерная прошивка и обработка отверстий. В таких технологических операциях практикуются специальные оптические схемы фокусировки лазерного излучения, представленные на рис. 4.22
. На этих рисунках используются одинаковые цифровые обозначения: 1 - лазер; 2 - лазерное излучение; 3 - сферические зеркала; 4 - коническая линза; 5 - сферическая линза; 6 - обрабатываемая деталь.

В оптическом варианте (рис. 4.22, а
) фокусируемый лазерный пучок имеет кольцевое поперечное сечение на поверхности детали 6, которое находится на определенном расстоянии от фокальной плоскости. При этом лазерное излучение фокусируется в виде полого конуса.

Использование конической линзы (аксикона) по оптической схеме (рис. 4.22, б
) позволяет сформировать лазерный пучок в фокальной плоскости в виде кольца. Таким техническим путем можно получить отверстия относительно большого радиуса.

Оптическое соединение полупроводниковых лазеров и волоконных световодов

4.31. Пояснить назначение и особенности конструкции волоконных световодов.

Широко и эффективно используются для высокоскоростной помехоустойчивой передачи оптических информационных сигналов на большие расстояния. Самостоятельную «нишу» занимают волоконно-оптические датчики, обладающие уникальными функциональными и техническими возможностями. Для ввода оптического излучения в волоконные световоды успешно применяются полупроводниковые лазеры.

Волоконным световодом служит тонкая гибкая цилиндрическая нить с двухслойной оптической структурой, содержащей внутреннюю жилу (сердцевину) и оболочку (рис. 4.23
). Коэффициент преломления n 1 сердцевины превышает коэффициент преломления n 2 оболочки, что при определенных условиях обеспечивает полное внутреннее отражение света, введенного в сердцевину с торца волокна. Таким образом, введенный свет не выходит за границы внутренней жилы и без существенных потерь распространяется только внутри волоконного световода.

В двухслойном кварцевом волокне внутреннюю световедущую жилу изготавливают из чистого кварца, а оболочкой служит слой кварца, легированного бромом или германием. Кроме кварцевых волоконных световодов изготавливаются многокомпонентные стеклянные или полимерные оптические волокна.

4.32. Для волоконного световода представить количественные оценки числовой апертуры и условий, при которых происходит полное внутреннее отражение введенного оптического излучения.

Апертурой является действующее отверстие оптической системы, определяемое размерами линз или диафрагм. Числовая апертура NA (Numerical Aperture) равна n 0 sinθ max , где n 0 - показатель преломления среды, в которой находится объект, а угол θ max ограничивается размерами линзы (диафрагмы).

Используя такой подход для волоконного световода (рис. 4.24
), учитываем в первую очередь, что на поверхности ввода излучения (в узле а) обеспечивается равенство числовых апертур:

Полное внутреннее отражение (в узле b) достигается, если

Поскольку φ 0 + Ψ 0 = π/2, получаем с учетом и искомое соотношение для числовой апертуры волоконного световода:

В реальных световодах коэффициенты преломления n 1 и n 2 различаются лишь на единицы и даже доли процентов: n 1 ×n 2 . Поэтому для числовой апертуры волоконного световода корректно использовать соотношение

где относительная разность коэффициентов преломления Δ = (n 1 - n 2)/n 1 . Учитывая, что для достаточно чистого кварца коэффициент n 1 = 1,46, получаем согласно

NA = 0,206 при Δ = 1%;

NА = 0,065 при Δ = 0,1%.

Важным самостоятельным параметром световода является максимально допустимый угол

Лишь при углах θ×θ max гарантируется полное внутренне отражение оптического излучения в волоконном световоде.

Если оптическое излучение поступает в световод из воздушной среды, то коэффициент преломления n 0 = 1; в этом случае

Согласно θ max = 11,9° при D = 1%; θ max = 3,7° при Δ = 0,1%.

Возможные варианты распространения оптического излучения в волоконном световоде представлены на рис. 4.25
. Луч 1 поступает в световод под максимально допустимым углом θ max (на грани полного внутреннего отражения). Луч 2 вводится под углом θ<θ max , не выходит за пределы сердцевины и продвигается вглубь световода без заметных потерь. Угол ввода луча 3 недопустимо велик: θ>θ max ; поэтому излучение 3 преломляется, частично выходит за границы сердцевины (в оболочку) и быстро ослабевает в канале светопередачи.

4.33. Пояснить и сравнить механизмы распространения оптического излучения в одномодовых и многомодовых волоконных световодах.

Моды (электромагнитные колебания определенного вида) возбуждаются, генерируются и распространяются в различных сложных колебательных системах, включая объемные диэлектрические (цилиндрические и прямоугольные) резонаторы, радиоволноводы, открытые оптические (лазерные) резонаторы.

Оптическое излучение, которое вводится в торец волоконного световода под углом θ<θ max , испытывает в дальнейшем многократное полное отражение, формируется и распространяется в сердцевине световода в виде электромагнитных (оптических) колебаний строго определенного вида - световодной (направляемой, каналируемой) моды. В волоконных световодах свойства, характеристики, маршруты распространения оптических колебаний (мод) четко прогнозируются: электромагнитное поле в вертикальном сечении световода формируется и фиксируется как стоячая волна, световые колебания горизонтально поляризованы и распространяются с определенной и стабильной частотой.

Распространение получили многомодовые волоконные световоды с резким (ступенчатым) и плавным (градиентным) распределением коэффициента преломления n. Оптические волокна в таких световодах имеют достаточно большой диаметр сердцевины (50-100 мкм) и значительную (~1%) относительную разность коэффициентов преломления, что дает возможность вводить оптическое излучение в широком диапазоне и упрощает согласование световода с источником излучения.

В многомодовом ступенчатом оптическом волокне (рис. 4.26, а
) коэффициент преломления n на границе сердцевины и оболочки резко изменяется от n 1 до n 2 . В такой структуре световая волна полностью отражается на четко выраженной границе слоев и распространение волны происходит по ломаным траекториям. При этом, однако, в световод под разными углами поступает и распространяется множество (десятки и даже сотни) различных световых волн - мод. На рис. 4.26
, а показано распространение в ступенчатом многомодовом световоде трех световых волн различного порядка.

В градиентном оптическом волокне (рис. 4.26, б
) коэффициент преломления n уменьшается от максимального значения n 1 в центре сердцевины к границе с оболочкой плавно (по квадратичному закону). В такой структуре оптические лучи, поступающие в световод под различными углами θ, отражаются на различных расстояниях от горизонтальной оси световода. При этом лучи, распространяющиеся вблизи оси, проходят за один цикл (период колебаний) меньший путь по сравнению с лучами, достигающими границы с оболочкой. Важно, однако, учитывать, что скорость света в среде обратно пропорциональна коэффициенту преломления этой среды; поэтому лучи, проходящие в градиентном волокне различные пути, распространяются вдоль оси волокна с примерно одинаковой скоростью. Таким образом, оптические лучи самофокусируются в единый световой поток, причем распространение света идет по плавным траекториям. Световоды с градиентными волокнами называют также селфоками (от сочетания английских слов self - сам и focus - фокус).

Диаметр сердцевины одного оптического волокна не превышает 5-100 мкм, а относительная разность D коэффициентов преломления составляет 0,2-0,3%. В таких оптических волокнах распространяется только одна мода (рис. 4.26, в
).

4.34. Оценить дисперсию оптического излучения в многомодовых волоконных световодах.

В многомодовом световоде оптические волны различного порядка проходят неодинаковые пути за разное время. Поэтому в таком световоде четко проявляется дисперсия (рассеяние) излучения, которая, в частности, приводит к существенному увеличению длительности (расширению) оптического сигнала на выходе световода.

Этот эффект наглядно иллюстрируется в левой части рис. 4.26
, где представлены импульсы света мощностью Р на входе (в момент t 1) и выходе (в момент t 2) световода. Наиболее значительной оказывается дисперсия в многомодовых ступенчатых световодах (рис. 4.26, а
). В многомодовых градиентных световодах дисперсия (рис. 4.26, б
) относительно невелика. В одномодовых световодах дисперсия отсутствует (не возникает).

Механизм дисперсии оптического излучения четко проявляется в ступенчатом многомодовом световоде. Расчет дисперсии в этом случае проведем с использованием несложного графика (рис. 4.27
), показывающего разницу маршрутов, которые проходят световые лучи в двух крайних вариантах:

1) если излучение вводится перпендикулярно торцу световода (θ = φ = 0), то луч света (соответствующий моде самого низкого порядка) проходит минимальный путь ас, равный l 1 ;

2) если излучение вводится под критическим углом θ = θ max , то угол распространения тоже максимален: φ = φ 0 , а луч света (соответствующий моде самого высокого порядка) проходит наибольший путь ab, равный l 2 . Очевидно, что l 2 = l 1 /cosφ.

Оба указанных маршрута лучи света проходят со скоростью c/n 1 , где с - скорость света в вакууме, а n 1 - коэффициент преломления сердцевины световода. Таким образом, уже в начальной стадии возникает дисперсия излучения:

Используя соотношения , (4.7а) и учитывая, что Δ<< 1, несложно преобразовать соотношение к виду

Полученную формулу можно распространить на весь волоконный световод длиной L. Тогда искомая дисперсия оптического излучения в ступенчатом многомодовом световоде определяется формулой

Например, для световода длиной L = 1 км при n 1 = 1,46 и Δ = 0,01 с учетом с = 3 ×10 5 км/с дисперсия излучения ΔT = 50 нс. Очевидно, что такой световод не может успешно действовать в оптоэлектронной технике наносекундного диапазона, но вполне пригоден для передачи микросекундных оптических сигналов.

Дисперсия оптического излучения в градиентном многомодовом световоде существенно меньше, чем в ступенчатом многомодовом волокне. Анализ показывает, что такая дисперсия оценивается соотношением

Сравнивая и , получаем, что градиентное многомодовое волокно превосходит по быстродействию ступенчатое многомодовое волокно в 2/Δ раз. При Δ = 0,01 такой выигрыш по быстродействию (в 200 раз) весьма ощутим.

4.35. Рассмотреть причины ослабления оптического излучения, оценить потери мощности оптических сигналов в кварцевых волоконных световодах.

Оптическое излучение, распространяясь в волоконном световоде, постепенно ослабевает из-за целого ряда причин и факторов.

Существенным является поглощение и рассеяние в середине световода, обусловленное параметрами и свойствами материала внутренней кварцевой жилы. В их числе потери, присущие материалу и принципиально неустранимые: собственное поглощение в материале световода, рэлеевское рассеяние, вызванное флуктуациями плотности или состава материала. Заметным оказывается примесное поглощение, связанное с действием примесей (гидроксильной группы ОН, ионов металлов группы медь - хром), поглощающих оптическое излучение в видимой и ближней инфракрасной областях спектра.

Потери увеличивают рассеяние излучения в световодной структуре, вызванное геометрическими неоднородностями поверхности раздела сердцевина - оболочка и технологическим разбросом параметров световода: сечения (формы, размеров) сердцевины, пространственного распределения коэффициентов преломления.

Возникают потери на внешнее излучение, вызванные, в частности, микроизгибами световода в местах контакта с защитными оболочками и уплотняющими элементами кабеля.

Для количественной оценки оптических потерь в волоконном световоде вводится параметр

определяющий удельное затухание оптического сигнала (в дБ/км). В соотношении сравниваются мощности оптического излучения на входе P вх и выходе (P вых) световода длиной L (км).

Энергетические потери в волоконном световоде существенно зависят от спектральных характеристик (длины волны) излучения. Согласно зависимость В = φ(λ) для кварцевых световодов имеет четко выраженные минимумы (рис. 4.28
).

По данным , при λ = 0,8 мкм потери составляют 1,5 дБ/км (40% на 1 км световода); при λ = 1,55 мкм удельное затухание В = 0,15 дБ/км (3,5% на 1 км световода).

4.36. Обосновать условия согласования полупроводниковых лазеров и волоконных световодов.

При разработке методов и средств оптического соединения полупроводниковых лазеров и волоконных световодов следует учитывать ряд существенных факторов. Размеры активной (излучающей) зоны полупроводникового лазера в ортогональных направлениях неодинаковы. Весьма узкий (0,1-0,2 мкм) вертикальный слой существенно меньше длины волны излучения, что приводит к резкому увеличению расходимости пучка лазерного излучения в вертикальном направлении. Вместе с тем в горизонтальном направлении активный слой полупроводникового лазера занимает несколько микрометров; поэтому расходимость пучка света в указанном направлении относительно невелика. В результате пучок света, генерируемый полупроводниковым лазером, имеет форму сильно вытянутого эллипса (см. рис. 2.25
). К тому же свет излучается полупроводниковым лазером в виде расходящегося пучка.

Диаметр сердцевины (10-100 мкм) волоконного световода существенно превышает размеры излучающей зоны полупроводникового лазера. Кроме того, жестко ограничен сверху угол ввода излучения в световод, при котором гарантируются полное внутреннее отражение и минимальные потери света в оптическом волокне.

Вместе с тем условия оптического согласования:

совмещение оптических осей (по положению и углу наклона);

согласование по распределению интенсивности (размеру пучка) и по числовой апертуре NA - следует выполнять и для полупроводникового лазера, и для волоконного световода.

Предполагается, что в этих случаях вспомогательные средства (главным образом линзы) не используются. Технические варианты соединения представлены на рис. 4.29.

В простейшем варианте (рис. 4.29, а) совмещаются оптические оси полупроводникового лазера и волоконного световода. Однако угол расходимости пучка лазерного излучения в вертикальном направлении (30-40° и более) заметно превышает максимально допустимый угол ввода излучения в световод (10-20° и менее). Поэтому в оптическое волокно поступает лишь часть излучения лазера, а потери света достигают 7 дБ (80%).

В варианте (рис. 4.29, б) конец оптического волокна искусственно сужается, а поверхность торца формируется в виде микролинзы. При этом потери света сокращаются до 5,8 дБ (65%). В аналогичном техническом решении (рис. 4.29, в) микролинза на конце световода создается локальным травлением (пунктиром на рисунке показана часть световода, удаленная травлением). В этом случае потери вводимого излучения уменьшаются до 3 дБ (50%).

4.38. Представить и иллюстрировать варианты применения фокусирующих линз для оптического согласования полупроводникового лазера и волоконного световода.

Для оптимального оптического согласования полупроводниковых лазеров и волоконных световодов используются линзы цилиндрические, сферические, стержневые (градиентные).

(рис. 4.30, а) позволяет преобразовать сильно вытянутый эллипс пучка лазерного излучения и придать ему на входе в волоконный световод почти круглое сечение. При этом эффективность ввода лазерного излучения в многомодовый световод достигает 30%.

(рис. 4.30, б) обеспечивает преобразование расходящихся лучей лазерного излучения в параллельный пучок света значительного диаметра, что заметно облегчает дальнейшее преобразование и оптимальный ввод оптического излучения. Эффективным элементом такого преобразования и ввода является стержневая (градиентная) линза, которая фокусирует излучение в пучок, сходящийся под необходимым (относительно небольшим) углом с числовой апертурой волоконного световода.

Стержневые линзы имеют цилиндрическую форму с плоскими торцами для ввода оптического излучения. Главное, однако, в том, что в стержневой (градиентной) линзе, как и в градиентном оптическом волокне (рис. 4.26, б
), коэффициент преломления не остается постоянным, а уменьшается пропорционально квадрату расстояния от центральной оси (т.е. квадрату радиуса). Тем не менее в отличие от градиентного световода градиентная линза имеет большой диаметр (1-2 мм) и не имеет оболочки.

На рис. 4.31
, а показаны траектории светового пучка в градиентной линзе. Вводится параллельный пучок, который далее в объеме линзы, как и в градиентном волокне, изменяется (и продвигается) по синусоидальной траектории. Такая траектория распространения света имеет период (шаг)

где g - параметр, определяющий распределение показателя преломления(и, как следствие, степень фокусировки) линзы.

Создавая (вырезая) градиентный стержень определенной длины L, несложно четко сформировать определенные фокусирующие свойства линзы. Если L = L π /2, то согласно рис. 4.21, а можно падающий параллельный пучок света сфокусировать в объеме линзы, а затем вывести его вновь в виде параллельного пучка.

) в активной зоне лазерного диода (ЛД). При небольших уровнях тока I лд полупроводниковый лазер действует как светодиод и генерирует некогерентное оптическое излучение небольшой мощности. При достижении порогового уровня тока I лд оптические колебания в лазерном резонаторе генерируются, становятся когерентными; резко возрастает мощность излучения P изл. Однако генерируемая мощность P изл и в этом режиме пропорциональна уровню тока I лд. Таким образом, возможности изменения (переключения, модуляции) мощности излучения полупроводникового лазера однозначно связаны с целенаправленным изменением инжекционного тока I лд.

В импульсном режиме действия лазерного диода его рабочая точка М (рис. 4.32, а
) фиксируется на пологом участке ватт-амперной характеристики P изл = φ(I лд) в предпороговой области лазера. Резкое увеличение тока I лд переводит рабочую точку на крутой участок характеристики (например, в положение N), что гарантирует возбуждение и интенсивный рост мощности лазерных колебаний. Спад тока I лд и перевод рабочей точки лазера в исходное положение М обеспечивают срыв лазерных колебаний и резкое снижение выходной мощности лазерного излучения.

В аналоговом режиме модуляции лазерных колебаний рабочая точка Q фиксируется на крутом участке ватт-амперной характеристики (рис. 4.32, б
). Изменение тока I лд под действием внешнего информационного сигнала приводит к пропорциональному изменению выходной мощности полупроводникового лазера.

4.40. Пояснить схему построения и принцип действия транзисторного каскада (рис. 4.33
) для управления инжекционным током полупроводникового лазера.

Намеченные (в предыдущем п. 4.39) приемы управления инжекционным током полупроводникового лазера удается четко реализовать, используя каскад (переключатель тока, дифференциальный усилитель), построенный на двух биполярных транзисторах (рис. 4.33, а
). Введены источники постоянных токов I п1 и I п2 . Ток I п1 неизменно протекает по цепи с лазерным диодом ЛД, ток I п2 питает эмиттерные цепи транзисторов T 1 , T 2 и перераспределяется в зависимости от уровня управляющего напряжения e упр

Если e упр > 0,3 В (и существенно выше нулевого потенциала базы транзистора T 2), то транзистор T 1 открыт и проводит ток I п2 , а транзистор T 2 выключен. В этом состоянии лазерный диод ЛД питается только током I п1: I лдmin = I п1 (рис. 4.33, б
).

При e упр < -0,3 В выключен транзистор T 1 , ток I п2 переключается в эмиттерную цепь транзистора T 2 и лазерный диод возбуждается максимальным током I лдmax = I п1 + I п2 . При этом учитывается, что для биполярных транзисторов высокого качества коллекторный (I к) и эмиттерный ( 1. Отметим также, что передаточная характеристика I лд = e упр построена (рис. 4.33, б
) для транзисторов T 1 и T 2 с идентичными вольт-амперными характеристиками (ВАХ) эмиттерных р-n-переходов; поэтому при e упр = 0 ток Iлд = I п1 + 0,5I п2 . Естественный технологический разброс ВАХ приводит к небольшому сдвигу передаточной характеристики (рис. 4.33, б
) по шкале напряжений.

Очевидно, что транзисторный каскад (рис. 4.33, а
) можно использовать как переключатель тока I п2 для цифрового управления лазерным диодом, а также как дифференциальный усилитель сигналов напряжения e упр (t) для аналоговой модуляции лазерного излучения.

4.41. Рассмотреть технические возможности применения полевых транзисторов для управления полупроводниковыми лазерами.

Полевые транзисторы (рис. 4.34, а
) по выходной (стоковой) цепи являются в пентодной области ВАХ I c = φ(U си) параметрическими стабилизаторами тока (рис. 4.34, в) и успешно применяются для четкого, строго регламентированного управления полупроводниковыми лазерами. Ток стока I c эффективно изменяется по затвору сигналами напряжения согласно передаточной характеристике I c = Ψ(U зи), представленной на рис. 4.34, б
.

Рабочая точка М каскада (рис. 4.34, а
) при определенном входном напряжении e упр получена (рис. 4.34, в
) стандартным графоаналитическим решением системы

При таком построении лазерный диод является нелинейной статической нагрузкой полевого транзистора (по цепи стока).

Каскады на полевых транзисторах можно с равным успехом использовать для цифрового и аналогового управления полупроводниковыми лазерами. Удобно оказывается параллельное соединение двух полевых транзисторов по схеме (рис. 4.35
). Один из транзисторов (в данном случае T 2) определяет исходный режим лазерного диода в предпороговой или регенеративной области функционирования. Переключение или модуляцию лазерного излучения осуществляет транзистор T 1 , управляемый аналоговыми или цифровыми информационными сигналами e упр (t).

4.42. Рассмотреть принципы и схемотехнику построения ретрансляторов оптических сигналов (рис. 4.36
).

В волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) значительной длины оптические сигналы, первоначально формируемые лазерными диодами, существенно ослабевают. Поэтому обычно ВОЛС составляется из однотипных фрагментов, соединенных последовательно. На стыках смежных фрагментов ВОЛС действуют усилители-ретрансляторы, восстанавливающие мощность оптических сигналов.

В технически несложном варианте, представленном на рис. 4.36, а
, приемником оптических сигналов, формируемых на выходе фрагментов ВОЛС и поступающих на вход ретранслятора, служит малоинерционный фотодиод с р-i-n-структурой. Фототок I Φ освещаемого фотодиода ФД реагирует на изменения падающего (входного) потока света Ф: I Φ (t) ~ Φ(t) - и изменяет напряжение U 3 на затворе полевого транзистора: U 3 (t) = I Φ (t)R 1 . Сигнал напряжения U 3 (t) модулирует ток стока I c (t) полевого транзистора, а следовательно, ток возбуждения I лд (t) лазерного диода. Выходное излучение Φ вых (t) лазера «следит» за изменениями входного потока света Φ вх (t) без значительных искажений, но существенно превосходит входной оптический сигнал по мощности.

Дополнительными функциональными и техническими возможностями обладает ретранслятор оптических сигналов, построенный по схеме (рис. 4.36, б
). Лазерный диод ЛД постоянно возбужден током I п и действует как генератор оптических сигналов значительной мощности. Выходной поток света Φ вых (t) модулируется током стока I c1 (t) полевого транзистора T 1 . Входное оптическое излучение Φ вх (t) воздействует на полевой транзистор T 2 и изменяет фотоэдс между стоком и истоком (затвором) этого транзистора, которая управляет по затвору током стока I c1 транзистора T 1 и током возбуждения I лд лазерного диода.

Такое управление возможно, если полевой транзистор T 3 выключен (при низком уровне управляющего напряжения e упр). Включение транзистора T 3 напряжением e упр более высокого уровня замыкает управляющую цепь транзистора T 1 и исключает воздействие входного оптического потока Φ вх (t) на выходное излучение Φ вых (t) лазерного диода.

4.43. Пояснить задачи и технику электронной стабилизации тока возбуждения полупроводникового лазера.

Технические задачи стабилизации электрического режима и оптических характеристик полупроводниковых лазеров возникают и существенны в нескольких случаях. Целесообразно четко определить и жестко фиксировать ток постоянного электрического питания лазерного диода, что необходимо и в предпороговой области действия лазера, и в процессе непрерывной генерации лазерных колебаний.

Важно также стабилизировать мощность оптического излучения полупроводникового лазера. По мере возбуждения такого лазера мощность лазерного излучения непрерывно нарастает, но в итоге должна фиксироваться на определенном, четко предсказуемом уровне. При длительном функционировании полупроводникового лазера с инжекционной накачкой большим током выходная мощность лазера постепенно снижается (прибор «деградирует»). Необходимо стабилизировать интенсивность излучения полупроводникового лазера, нейтрализуя процесс деградации.

Эффективной оказывается электронная стабилизация тока возбуждения лазера. При неизменном (стабилизированном) токе I лд четко определяется и надежно поддерживается (сохраняется) электрический режим лазерного диода в предпороговой области (при небольших уровнях тока I лд) или в режиме генерации когерентных колебаний (при значительном токе I лд).

Электронную стабилизацию тока возбуждения полупроводникового лазера несложно осуществить по стандартной схеме, представленной на рис. 4.37
. Постоянный уровень тока I лд обеспечивают операционный усилитель ОУ, источник неизменного (эталонного) напряжения E 0 , усилитель тока на биполярном транзисторе Т, резистор R 2 . Вспомогательную роль играет токоограничивающий резистор R 1 . Учитывается, что дифференциальная разность входных потенциалов ОУ при значительном коэффициенте усиления k KO весьма невелика: E 0 - U a ® 0. Поэтому потенциал U a жестко фиксирован на уровне E 0 , а ток возбуждения лазерного диода I лд = E 0 /R 2 строго определен и поддерживается неизменным (стабилизированным).

В рассматриваемой схеме обеспечивается глубокая отрицательная обратная связь. Если ток I лд лазерного диода нестабилен и, например, возрастает, то увеличиваются падение напряжения на резисторе R 2 и потенциал U a инверсного входа ОУ. Поэтому выходное напряжение ОУ снижается и через транзистор Т воздействует на лазерный диод, уменьшая (по существу стабилизируя) ток его возбуждения.

В естественном варианте с конкретным (ограниченным) значением коэффициента усиления k KO уровень тока возбуждения лазерного диода в схеме (рис. 4.37
)

зависит от падения напряжения на лазере (ΔU лд.пр) и эмиттерном р-n-переходе транзистора (ΔU бэ.пр), смещенных в прямом направлении, а также от сопротивления резистора R 1 и коэффициента передачи А транзистора. Влияние этих факторов оказывается незначительным при k KO >> 1 и А 1, что, безусловно, выполняется для ОУ и биполярных транзисторов высокого качества.

4.44. Рассмотреть принцип и схему стабилизации по оптическому каналу тока возбуждения полупроводникового лазера.

Возможные изменения оптического излучения полупроводниковых лазеров четко отслеживают малоинерционные фотоприемники, например фотодиоды с p-i-n-структурой. Введение такого фотоприемника в цепь отрицательной обратной связи, охватывающей лазер, позволяет стабилизировать характеристики лазерного излучателя по оптическим каналам.

Базовая схема оптической стабилизации, представленная на рис. 4.38
, содержит усилитель тока УТ, который управляется сигналами входного тока I упр и питает выходным током I лд (t) лазерный диод ЛД. Фотодиод ФД реагирует на оптическое излучение полупроводникового лазера и создает фототок I Φ (t), действующий как сигнал отрицательной оптической обратной связи.

Согласно ток возбуждения I лд лазера стабилизирован, так как не зависит от коэффициента усиления по току k 1 , а в основном определяется коэффициентами преобразования k 2 и k 3 . В свою очередь, поток Φ лд согласно непосредственно не связан с коэффициентом преобразования k 2 , что существенно и полезно при длительном возбуждении полупроводникового лазера и постепенной деградации его оптического излучения (которая приводит к заметному уменьшению коэффициента k 2 при неизменном токе I лд).

4.45. Рассмотреть схему и принцип действия устройства (рис. 4.39
) с оптической обратной связью. Выделить компоненты схемы, существенно ограничивающие быстродействие устройства.

Детальные разработки базовой идеи (рис. 4.38
), представленные в статье , предполагают активное использование операционных усилителей (ОУ) и транзисторных каскадов.

В несложной схеме (рис. 4.39
) ОУ управляется цифровыми сигналами e упр (t) отрицательной полярности по инверсному входу; при этом небольшой отрицательный уровень сигнала - e упр(0) соответствует логическому 0, а относительно большой (более отрицательный) уровень - e упр(1) - логической 1. ОУ воздействует по базовой цепи на транзисторный каскад с токоограничивающим резистором R 2 . Однако определяющим является канал обратной связи, в котором малоинерционный фотодиод реагирует на оптическое излучение полупроводникового лазера и создает фототок I Φ = k 1 I лд; здесь k 1 - коэффициент передачи по току оптической пары лазер - фотоприемник. Фотодиод шунтирован резистором R 1 ; поэтому ОУ реагирует по прямому (неинвертирующему) входу на потенциал U a = -I Φ R 1 .

В установившемся режиме дифференциальная разность входных потенциалов ОУ U a - e упр 0; таким образом, действующий (возможный) уровень фототока жестко фиксирован: I Φ = e упр /R 1 . Строго определен в такой схеме уровень тока, возбуждающего лазер: I лд = I Φ /k 1 = e упр /(k 1 R 1 .). С учетом дискретных значений цифрового сигнала e упр (t) ток возбуждения полупроводникового лазера в схеме (рис. 4.39
) имеет лишь два четких значения: I лд(0) = e упр(0) /(k 1 R 1 .) и I лд(1) = e упр(1) /(k 1 R 1 .).

Если исходным является управляющий сигнал - e упр(0) , то ток возбуждения I лд(0) невелик и лазер фиксируется в предпороговой области (на грани возбуждения). При резком снижении сигнала e упр (t) до уровня - e упр(1) существенно (до уровня I лд(1)) возрастает ток I лд и полупроводниковый лазер, активно возбуждаясь, генерирует когерентное оптическое излучение.

Таким образом, в рассматриваемой схеме (рис. 4.39
) обратная связь по оптическому каналу задает электрический режим полупроводникового лазера, ограничивает и стабилизирует мощность лазерного излучения.

Представленное устройство можно успешно использовать для цифровой и (или) аналоговой модуляции оптического излучения сигналами e упр (t). Важно, однако, учитывать, что ОУ в таком модуляторе действует одновременно в канале прямой электрической связи, реагируя на модулирующие сигналы e упр (t), и в цепи обратной оптической связи, стабилизируя ток возбуждения и выходную мощность полупроводникового лазера. Частотные возможности ОУ относительно невелики (не выходят за пределы 10-50 МГц), что существенно ограничивает быстродействие лазерного модулятора (рис. 4.39
).

4.46. Рассмотреть схемотехнику и принцип действия устройства (рис. 4.40
). Пояснить техническую роль в схеме переключателя тока, построенного на транзисторах T 2 , T 3 , и операционного усилителя ОУ.

Устройство управления лазером, приведенное на рис. 4.40
, дополнено высокоскоростным транзисторным переключателем тока I п. Этот переключатель реагирует на входные сигналы e упр (t) и непосредственно (по коллекторной цепи транзистора T 3) управляет током возбуждения I лд лазерного диода. При этом ОУ по-прежнему обеспечивает стабилизацию инжекционного тока и выходной мощности лазера в установившемся режиме, но на воздействие импульсных сигналов e упр (t) реагирует замедленно (в финале переходных процессов переключения). Таким образом, транзисторный переключатель тока в схеме (рис. 4.40
) осуществляет высокоскоростное управление полупроводниковым лазером, а более длительные (низкочастотные) процессы стабилизации выполняет ОУ.

Если лазерный модулятор непрерывно действует в режиме весьма высокой импульсной загрузки, то ОУ не успевает «следить» за изменениями тока возбуждения I лд (t) и стабилизирует усредненную мощность лазерного излучения, которая при цифровом управлении существенно превышает минимальную мощность, соответствующую сигналу e упр(0) , но явно не достигает максимальной мощности, которую должны обеспечивать уровни e упр(1) .

4.47. Пояснить схемотехнические особенности устройства (рис. 4.41
). Выделить цепи отрицательной обратной связи по электрическим и оптическим каналам.

В устройстве, представленном на рис. 4.41
, ОУ полностью освобожден от высокоскоростных операций, связанных с воздействием модулирующих сигналов e упр (t). Потенциал инверсного входа ОУ фиксирован на неизменном уровне - E 0 .

Входные импульсные сигналы e упр (t) управляют лазером по коллекторной цепи транзистора T 3 . Особенностью схемы (рис. 4.41
) является введение электрической обратной связи по коллектору транзистора T 2 ; при этом коллекторный ток I k2 непосредственно влияет на потенциал обратной связи U a = (I k2 - I Φ)T 2 и корректирует стабилизирующее действие оптического канала такой связи. Очевидно, однако, что и в этом устройстве при интенсивной импульсной загрузке обратная связь стабилизирует усредненное значение выходной мощности лазерного излучения.

Введение

Дистанционное зондирование является методом получения информации об объекте или явлении без непосредственного физического контакта с данным объектом. Дистанционное зондирование является подразделом географии. В современном понимании, термин в основном относится к технологиям воздушного или космического зондирования местности с целью обнаружения, классификации и анализа объектов земной поверхности, а также атмосферы и океана, при помощи распространяемых сигналов (например, электромагнитной радиации). Разделяют на активное (сигнал сначала излучается самолетом или космическим спутником) и пассивное дистанционное зондирование (регистрируется только сигнал других источников, например, солнечный свет). Пассивные сенсоры дистанционного зондирования регистрируют сигнал, излучаемый или отраженный объектом либо прилегающей территорией. Отраженный солнечный свет – наиболее часто используемый источник излучения, регистрируемый пассивными сенсорами. Примерами пассивного дистанционного зондирования являются цифровая и пленочная фотография, применение инфракрасных, приборов с зарядовой связью и радиометров.

Активные приборы, в свою очередь, излучают сигнал с целью сканирования объекта и пространства, после чего сенсор имеет возможность обнаружить и измерить излучение, отраженное или образованное путём обратного рассеивания целью зондирования. Примерами активных сенсоров дистанционного зондирования являются радар и лидар, которыми измеряется задержка во времени между излучением и регистрацией возвращенного сигнала, таким образом определяя размещение, скорость и направление движения объекта. Дистанционное зондирование предоставляет возможность получать данные об опасных, труднодоступных и быстродвижущихся объектах, а также позволяет проводить наблюдения на обширных участках местности. Примерами применения дистанционного зондирования может быть мониторинг вырубки лесов (например, в бассейне Амазонки), состояния ледников в Арктике и Антарктике, измерение глубины океана с помощью лота. Дистанционное зондирование также приходит на замену дорогостоящим и сравнительно медленным методам сбора информации с поверхности Земли, одновременно гарантируя невмешательство человека в природные процессы на наблюдаемых территориях или объектах. При помощи орбитальных космических аппаратов ученые имеют возможность собирать и передавать данные в различных диапазонах электромагнитного спектра, которые, в сочетании с более масштабными воздушными и наземными измерениями и анализом, обеспечивают необходимый спектр данных для мониторинга актуальных явлений и тенденций, таких как Эль-Ниньо и другие природные феномены, как в кратко-, так и в долгосрочной перспективе. Дистанционное зондирование также имеет прикладное значение в сфере геонаук (к примеру, природопользование), сельском хозяйстве (использование и сохранение природных ресурсов), национальной безопасности (мониторинг приграничных областей).

Обзор основных приборов дистанционного зондирования

Радары, в основном, применяются в системах контроля воздушного трафика, раннего оповещения, мониторинга лесного покрова, сельском хозяйстве и для получения метеорологических данных большого масштаба. Радар Допплера используется правоохранительными организациями для контроля скоростного режима автотранспорта, а также для получения метеорологических данных о скорости и направлении ветра, местоположении и интенсивности осадков. Другие типы получаемой информации включают в себя данные об ионизированном газе в ионосфере. Интерферометрический радар искусственной апертуры используется для получения точных цифровых моделей рельефа больших участков местности.

Лазерные и радиолокационные высотомеры на спутниках обеспечивают получение широкого спектра данных. Измеряя отклонения уровня воды океана, вызванные гравитацией, данные приборы отображают особенности рельефа морского дна с разрешением порядка одной мили. Измеряя высоту и длину волны океанских волн при помощи высотомеров, можно узнать скорость и направление ветра, а также скорость и направление поверхностных океанических течений.

Ультразвуковые (акустические) и радиолокационные датчики используются для измерения уровня моря, приливов и отливов, определения направления волн в прибрежных морских регионах.

Технология светового обнаружения и определения дальности (ЛИДАР) хорошо известна своим применением в военной сфере, в частности, в лазерной навигации снарядов. ЛИДАРЫ используется также для обнаружения и измерения концентрации различных химических веществ в атмосфере, в то время как ЛИДАР на борту самолета может быть использован для измерения высоты объектов и явлений на земле с большей точностью, чем та, которая может быть достигнута при помощи радиолокационной техники. Дистанционное зондирование растительности также является одним из основных применений ЛИДАРа.

Радиометры и фотометры являются наиболее распространенными используемыми инструментами. Они фиксируют отраженное и испускаемое излучение в широком диапазоне частот. Наиболее распространенными являются датчики видимого и инфракрасного диапазонов, затем идут микроволновые, датчики гамма-лучей и, реже, датчики ультрафиолета. Эти приборы также могут быть использованы для обнаружения эмиссионного спектра различных химических веществ, предоставляя данные об их концентрации в атмосфере.

Стереоизображения, полученные при помощи аэрофотосъёмки часто используются при зондировании растительности на поверхности Земли, а также для построения топографических карт при разработке потенциальных маршрутов путём анализа изображений местности, в сочетании с моделированием особенностей окружающей среды, полученных наземными методами.

Мультиспектральные платформы, такие как Landsat активно использовались начиная с 70-х годов. Эти приборы использовались для построения тематических карт путём получения изображений в нескольких длинах волн электромагнитного спектра (мульти-спектра) и, как правило, они применяются на спутниках наблюдения за Землей. Примерами таких миссий являются в том числе программа Landsat или спутник IKONOS. Карты растительного покрова и землепользования, полученные методом тематического картографирования могут быть использованы для разведки полезных ископаемых, обнаружения и мониторинга использования земель, вырубки лесов, и изучения здоровья растений и сельскохозяйственных культур, в том числе огромных участков сельскохозяйственных земель или лесных массивов. Космические снимки программы Landsat используются регулирующими органами для контроля параметров качества воды, включая глубину Секки, плотность хлорофилла и общее содержание фосфора. Метеорологические спутники используются в метеорологии и климатологии.

Методом спектральной визуализации получают изображения, в которых каждый пиксель содержит полную спектральную информацию, отображая узкие спектральные диапазоны в пределах непрерывного спектра. Приборы спектральной визуализации используются для решения различных задач, в том числе применяются в минералогии, биологии, военном деле, измерениях параметров окружающей среды.

В рамках борьбы с опустыниванием, дистанционное зондирование позволяет наблюдать за областями, которые находятся в зоне риска в долгосрочной перспективе, определять факторы опустынивания, оценивать глубину их воздействия, а также предоставлять необходимую информацию лицам, ответственным за принятие решений по принятию соответствующих мер охраны окружающей среды.

Достоинства современных космических ДДЗ высокого разрешения:

Высокое пространственное разрешение – не хуже 1 м в панхроматическом режиме

Высокое радиометрическое разрешение – не менее 11 бит на пиксел в панхроматическом режиме

Наличие 4 спектральных каналов, в том числе 1 инфракрасного

Возможность получения стереосъемки

Возможность обновления картографического материала масштаба не хуже 1:5000

Периодичность получения данных на одну и ту же область на земной поверхности - 1-5 дней в зависимости от широты

Возможность заказа области произвольной формы, в т.ч. съемка протяженных объектов

Возможность получения «перспективной» съемки с отклонением от надира до 45 градусов

Большой архив – миллионы полученных снимков

Оперативность: возможность начала съемки в течение 1 дня с момента размещения заказа

Простота размещения заказа – нет необходимости получения разрешения от государственных организаций на проведение съемки

Простота обработки: заказчик получает данные, готовые для использования в ГИС.

Оптико-электронный тип съемки

Оптико-электронный (ОЭ) способ относится к невидимому диапазону съемки (нефотографическому). Ему всего несколько десятилетий существования. Необходимость оперативной передачи материалов съемки из космоса привела к интенсивному его развитию, а также к сканерных съемочных систем. При значительном разнообразии конструктивных решении они основаны на общем принципе.

Принцип сканерной съемки заключается в поэлементном считывании вдоль узкой полосы отраженного земной поверхностью излучения, а развертка изображения идет за счет движения носителя, поэтому оно принимается непрерывно.

Используются следующие виды съемок: маршрутная, площадная, конвергентная (стереосъемка) и протяженного объекта (рис. «Схемы ОЭ съемки»).

Излучение, поступившее от источника с Земли, преобразуется на носителе (самолете или ИСЗ) в электрический сигнал, затем в виде радиосигнала сбрасывается на наземную приемную станцию, где снова преобразуется в электрический сигнал и фиксируется на магнитных носителях. При такой съемке появляется возможность в течение длительного времени непрерывно и оперативно получать информацию (в режиме реального времени или с задержкой на несколько часов) и передавать ее на приемную станцию.

Разрешение при оптико-электронном способе сканирования бывает:

· сверхвысокое,

· высокое,

· среднее,

· низкое.

Первые сканирующие системы для съемки в оптическом диапазоне спектра имели разрешение 1-2 км, но их совершенствование идет очень быстро, и в настоящее время достигнуто разрешение в несколько метров.

Сканерная съемка чаще выполняется в многозональном варианте. Большинство сканеров, работающих в оптическом диапазоне, имеют три одинаковых канала:

· 0,5-0,6 мкм;

· 0,6-0,7 мкм;

· 0,8-1,1 мкм.

К ним в разных конструкциях добавляются каналы в других участках спектра:

в ближнем инфракрасном,

в тепловом инфракрасном,

панхроматический канал, обеспечивающий получение снимков с более высоким разрешением.

В последние годы появилась тенденция создания гиперспектральньх съемочных систем, ведущих съемку в 10 и более каналах.

Достоинство оптико-электронный съемки. Это их дискретный характер, благодаря чему снимки могут быть представлены:

В виде цифровой записи на магнитной ленте

В виде фотоизображения (фотоснимки).

Похожая информация.

Изобретение относится к технике получения изображения контролируемых объектов с помощью оптико-электронных систем с оптико-механической разверткой. Цель изобретения - улучшение качества передачи изображения путем увеличения числа строк разложения в кадре и повышение быстродействия. Изобретение позволяет повысить число строк в кадре при малом числе граней зеркального многогранника. На основе способа может быть создано малогабаритное сканирующее устройство с телевизионной частотой кадров и повышенным числом строк в кадре. Способ заключается в том, что осуществляют развертку одновременно М-параллельных элементарных строк, расположенных вплотную друг к другу, вторую кадровую развертку осуществляют непрерывной с угловой скоростью к2 =pMd э F к в пределах угла 2 первую кадровую развертку производят с шагом 2=M(p-s-1/N)d э а отношение углов устанавливают из условия , при этом число активных строк в кадре определяют из соотношения: z= M, где (m-1) - целое число крайних в растре М-строчных подкадров, во время которых производится обратный ход второй кадровой развертки, m= 1,2,3. ..; d э - угловая ширина строки; s - целое число пассивных перемежающихся полей в кадре, во время которых осуществляется обратный ход второй кадровой развертки, s=0,1,2...; с - КПД строчной развертки; к - угол обзора по кадру. Устройство, реализующее данный способ, содержит зеркальное N-гранное зеркало 1 с разным наклоном граней к его оси вращения, плоское зеркало 2, объектив 3 и М-элементный приемник 4 излучения. Пирамида 1 осуществляет строчную развертку и дискретную с шагом 2= =M(p-s-1/N)d э и частотой pF k первую кадровую развертку N-подкадров по М-элементарных строк, плоское зеркало 2 осуществляет вторую кадровую развертку с угловой скоростью w к2 = pMd э F k частотой F k кадров.

Изобретение относится к технике получения изображения контролируемых объектов с помощью оптико-электронных систем с оптико-механической разверткой. Цель изобретения улучшение качества передачи изображения путем увеличения числа строк разложения в кадре и повышение быстродействия. На чертеже представлена оптическая схема устройства, реализующего предложенный способ. Устройство для осуществления предложенного способа содержит зеркальное N-гранное зеркало 1 с разным наклоном граней к его оси вращения, плоское зеркало 2, объектив 3 и М-элементный приемник 4 излучения. Грани N-гранного зеркала 1 наклонены к оси вращения в соответствии с формулой к = o +k, где o наименьший из углов наклона граней к оси, k=0,1,2,3.N-1, шаг в угловом расположении многогранников. Чувствительные элементы приемника 4 излучения расположены в виде линейки, проекция которой в плоскость предметов перпендикулярна к направлению строчной развертки. Устройство работает следующим образом. Поток излучения от объекта, отразившись от зеркальной грани N-гранного зеркала 1, попадает на плоское зеркало 2 второй кадровой развертки. После отражения от зеркала 2 этот поток фокусируется объективом 3 на чувствительные элементы приемника 4 излучения, являющегося преобразователем изменений потока излучения в электрический сигнал. Предложенный способ оптико-механического сканирования обеспечивает Z= M cтрок разложения в кадре. По сравнению с аналогом число Z строк увеличивается примерно в (p-s) раз без увеличения числа граней N многогранного зеркала, а по сравнению с прототипом число Z строк увеличивается примерно в М раз. При этом обеспечивается достаточный промежуток времени для обратного хода второй кадровой развертки. Упрощается также осуществление второй кадровой развертки, так как она является непрерывной, а не шаговой. При заданном числе Z строк, варьируя величины M, p, s и m, можно определить оптимальное число подкадров в перемещающихся полях, которое осуществляется при минимальных габаритах и массе сканирующего устройства. Повышение быстродействия по сравнению с прототипом заключается в уменьшении, примерно в М раз, числа p перемещающихся полей в кадре (во столько же раз уменьшается число оборотов N-гранного зеркала). Повышение быстродействия достигается также за счет упрощения реализации второй кадровой развертки, ввиду ее непрерывного характера на рабочем участке и достаточного промежутка времени для обратного хода, для которого используется время s-пассивных перемещающихся полей в кадре, время m-1 крайних в растре подкадров, а также промежуток между двумя последовательными во времени активными участками строчной развертки. По сравнению с аналогом, примерно в N раз уменьшается амплитуда угла отклонения по кадру и в N раз уменьшается угловая скорость качания плоского зеркала. На основе предложенного решения может быть создано малогабаритное сканирующее оптико-механическое устройство с телевизионной частотой кадров и повышенным числом строк в кадре.

Формула изобретения

Способ оптико-механического сканирования, заключающийся в том, что осуществляют строчную развертку кадра с частотой pNF k , где р целое число перемежающихся полей в кадре, N количество подкадров в каждом поле, F k кадровая частота, дискретную первую кадровую развертку с частотой pF k , числом (N-1) шагов и шагом 2, а также вторую кадровую развертку с частотой F k в пределах угла 2, обеспечивающего заполнение строками кадра, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества передачи изображения путем увеличения числа строк разложения в кадре и повышения быстродействия, осуществляют развертку одновременно М-параллельных элементарных строк, расположенных вплотную друг к другу, вторую кадровую развертку осуществляют непрерывно с угловой скоростью w k2 = pMd э F k в пределах угла 2 первую кадровую развертку производят с шагом 2 = M(p-s-1/N), а отношение углов устанавливают из условия при этом число активных строк в кадре определяют из соотношения Z M где (m 1) целое число крайних в растре М-строчных подкадров, во время которых производится обратный ход второй кадровой развертки, m 1,2,3, d э угловая ширина строки; s целое число пассивных перемежающихся полей в кадре, во время которых осуществляется обратный ход второй кадровой развертки, s 0,1,2, c КПД строчной развертки; к угол обзора по кадру.

Изобретение относится к области приборов, предназначенных для преобразования электромагнитного излучения в электрический сигнал, несущий информацию об изображении, при размещении этих приборов на подвижном основании

Изобретение относится к области формирования потока видеоданных вращающимся секторным фотоприемником. Способ основан на формировании сигналов от фоточувствительных элементов, установленных по площади вращающегося сенсора, их последующей организации в ядра пространственного дифференцирования, выходные сигналы которых подвергаются аналого-цифровому преобразованию и их дальнейшей цифровой обработке. Фоточувствительные элементы устанавливают последовательно на равных расстояниях между собой на дугах с дискретными радиусами от Rmin до Rmax на площади вращающегося сенсора, имеющему форму усеченного сектора круга, который обращен большей стороной к внешнему диаметру вращения. Фототоки от фоточувствительных элементов усиливают по постоянному току и ограничивают по полосе частот в зависимости от чувствительности фотоэлементов и частоты вращения сенсора. Собственные шумы минимизируют и корректируют амплитудно-частотные характеристики каналов передачи сигналов каждого фоточувствительного элемента с последующим формированием ядер пространственного дифференцирования, сигналы с которых подвергают аналогово-цифровому преобразованию и последующей цифровой обработке. Технический результат - повышение качества изображения. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к технике получения изображения контролируемых объектов с помощью оптико-электронных систем с оптико-механической разверткой

Для офисных и домашних задач, а также для большинства работ по компьютерной графике лучше всего подходят так называемые планшетные сканеры . Различные модели этого типа шире других представлены в продаже. Поэтому начнем с рассмотрения принципов построения и функционирования сканеров именно этого типа. Уяснение этих принципов позволит лучше понять значение технических характеристик, которые учитываются при выборе сканеров.

Планшетный сканер (Flatbed scanner) представляет собой прямоугольный пластмассовый корпус с крышкой. Под крышкой находится стеклянная поверхность, на которую помещается оригинал, предназначенный для сканирования. Через это стекло можно разглядеть кое-что из внутренностей сканера. В сканере имеется подвижная каретка, на которой установлены лампа подсветки и система зеркал. Каретка перемещается посредством так называемого шагового двигателя . Свет лампы отражается от оригинала и через систему зеркал и фокусирующих линз попадает на так называемую матрицу , состоящую из датчиков , вырабатывающих электрические сигналы, величина которых определяется интенсивностью падающего на них света. Эти датчики основаны на светочувствительных элементах, называемых приборами с зарядовой связью (ПЗС, Couple Charged Device - CCD). Точнее говоря, на поверхности ПЗС образуется электрический заряд, пропорциональный интенсивности падающего света. Далее нужно только преобразовать величину этого заряда в другую электрическую величину - напряжение. Несколько ПЗС располагаются рядом на одной линейке.

Электрический сигнал на выходе ПЗС является аналоговой величиной (т.е. ее изменение аналогично изменению входной величины - интенсивности света). Далее происходит преобразование аналогового сигнала в цифровую форму с последующей обработкой и передачей в компьютер для дальнейшего использования. Эту функцию выполняет специальное устройство, называемое аналого-цифровым преобразователем (АЦП, Analog-to-digital Converter - ADC). Таким образом, на каждом шаге перемещения каретки сканер считывает одну горизонтальную полоску оригинала, разбитую на дискретные элементы (пикселы), количество которых равно количеству ПЗС на линейке. Все отсканированное изображение состоит из нескольких таких полос.

Рис. 119. Схема устройства и работы планшетного сканера на основе ПЗС (CCD): свет лампы отражается от оригинала и через оптическую систему попадает на матрицу светочувствительных элементов, а затем на аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

В цветных сканерах сейчас используются, как правило, трехрядная матрица ПЗС и подсветка оригинала калиброванным белым светом. Каждый ряд матрицы предназначен для восприятия одной из базовых цветовых составляющих света (красной, зеленой и синей). Чтобы разделить цвета, используют либо призму, разлагающую луч белого света на цветные составляющие, либо специальное фильтрующее покрытие ПЗС. Однако существуют цветные сканеры и с однорядной матрицей ПЗС, в которых оригинал по очереди подсвечивается тремя лампами базовых цветов. Однорядная технология с тройной подсветкой считается устаревшей.

Выше мы описали принципы построения и работы так называемых однопроходных сканеров, которые сканируют оригинал за один проход каретки. Однако еще встречаются, хотя больше и не выпускаются промышленностью, трехпроходные сканеры. Это сканеры с однорядной матрицей ПЗС. В них при каждом проходе каретки вдоль оригинала используется один из базовых цветных светофильтров: за каждый проход снимается информация по одному из трех цветовых каналов изображения. Эта технология также устарела.

Кроме CCD-сканеров, основанных на матрице ПЗС, имеются CIS-сканеры (Contact Image Sensor), в которых применяется фотоэлементная технология.

Светочувствительные матрицы, выполненные по этой технологии, воспринимают отраженный оригиналом спет непосредственно через стекло сканера без использования оптических систем фокусировки. Это позволило уменьшить размеры и вес планшетных сканеров более чем в два раза (до 3-4 кг). Однако такие сканеры хороши только для исключительно плоских оригиналов, плотно прилегающих к стеклянной поверхности рабочего поля. При этом качество получаемого изображения существенно зависит от наличия посторонних источников света (крышка CIS-сканера во время сканирования должна быть закрыта). В случае объемных оригиналов качество оставляет желать лучшего, в то время как ССО-сканеры дают неплохие результаты и для объемных (до нескольких см в глубину) предметов.

Планшетные сканеры могут быть снабжены дополнительными устройствами, такими как слайд-адаптер, автоподатчик оригиналов и др. Для одних моделей эти устройства предусмотрены, а для других нет.

Слайд-адаптер (Transparency Media Adapter, TMA) - специальная приставка, позволяющая сканировать прозрачные оригиналы. Сканирование прозрачных материалов происходит с помощью проходящего, а не отраженного света. Иначе говоря, прозрачный оригинал должен находиться между источником света и светочувствительными элементами. Слайд-адаптер представляет собой навесной модуль, снабженный лампой, которая движется синхронно с кареткой сканера. Иногда просто равномерно освещают некоторый участок рабочего поля, чтобы не перемещать лампу. Таким образом, главная цель применения слайд-адаптера заключается в изменении положения источника света.

Если же у вас есть цифровая камера (цифровой фотоаппарат), то слайд-адаптер, скорее всего, вам не нужен.

Если сканировать прозрачные оригиналы без использования слайд-адаптера, то нужно понимать, что при облучении оригинала количества отраженного и проходящего света не равны друг другу. Так, оригинал пропустит какую-то часть падающего цвета, которая затем отразится от белого покрытия крышки сканера и снова пройдет через оригинал. Какая-то часть света отразится от оригинала. Соотношение между частями проходящего и отраженного света зависит от степени прозрачности участка оригинала. Таким образом, светочувствительные элементы матрицы сканера получат свет, дважды прошедший через оригинал, а также свет, отраженный от оригинала. Многократность прохода света через оригинал ослабляет его, а взаимодействие отраженного и проходящего пучков света (интерференция) вызывает искажения и побочные видеоэффекты.

Автоподатчик - устройство, подающее оригиналы в сканер, которое очень удобно использовать при потоковом сканировании однотипных изображений (когда не нужно часто перенастраивать сканер), например, текстов или чертежей приблизительно одинакового качества.

Кроме планшетных, есть и другие типы сканеров: ручные, листопротяжные, барабанные, слайдовые, для сканирования штрих-кодов, скоростные для потоковой работы с документами.

Ручной сканер (Handheld Scanner) - портативный сканер, в котором сканирование осуществляется путем его ручного перемещения по оригиналу. По принципу действия такой сканер аналогичен планшетному. Ширина области сканирования - не более 15см. Первые сканеры для широкого применения появились в продаже в 80-х годах XX века. Они были ручными и позволяли сканировать изображения в оттенках серого цвета. Теперь такие сканеры нелегко найти.

Листопротяжный или роликовый сканер (Sheetfed Scanner) - сканер, в котором оригинал протягивается мимо неподвижной линейной CCD- или CIS-матрицы, разновидность такого сканера - факс-аппарат.

Барабанный сканер (Drum Scanner) - сканер, в котором оригинал закрепляется на вращающемся барабане, а для сканирования используются фотоэлектронные умножители. При этом сканируется точечная область изображения, а сканирующая головка движется вдоль барабана очень близко от оригинала.

Слайдовый сканер (Film-scanner) - разновидность планшетного сканера, предназначенная для сканирования прозрачных материалов (слайдов, негативных фотопленок, рентгеновских снимков и т. п.). Обычно размер таких оригиналов фиксирован. Заметим, что для некоторых планшетных сканеров предусмотрена специальная приставка (слайд-адаптер), предназначенная для сканирования прозрачных материалов (см. выше).

Сканер штрих-кодов (Bar-code Scanner) - сканер, предназначенный для сканирования товарных штрих-кодов. По принципу действия он сходен с ручным сканером и подключается к компьютеру, либо к специализированной торговой системе. При наличии соответствующего программного обеспечения распознавать штрих-коды может любой сканер.

Скоростной сканер для работы с документами (Document Scanner) - разновидность листопротяжного сканера, предназначенная для высокопроизводительного многостраничного ввода. Сканеры могут быть оборудованы приемными и выходными лотками объемом свыше 1000 листов и вводить информацию со скоростью свыше 100 листов в минуту. Некоторые модели этого класса обеспечивают двустороннее (дуплексное) сканирование, подсветку оригинала разными цветами для отсечки цветного фона, компенсацию неоднородности фона, имеют модули динамической обработки разнотипных оригиналов.

Итак, для дома и офиса лучше всего подходит планшетный сканер. Если вы хотите заниматься графическим дизайном, то лучше выбрать CCD-сканер (на основе ПЗС-матрицы), поскольку он позволяет сканировать и объемные предметы. Если вы собираетесь сканировать слайды и другие прозрачные материалы, то следует выбрать сканер, для которого предусмотрен слайд-адаптер. Обычно собственно сканер и подходящий к нему слайд-адаптер продаются отдельно. Если не получается приобрести слайд-адаптер одновременно со сканером, то при необходимости вы сможете сделать это позже. Необходимо также определить максимальные размеры сканируемых изображений. В настоящее время типовым является формат А4, соответствующий обычному листу писчей бумаги. Большинство бытовых сканеров ориентированы именно на этот формат. Для сканирования чертежей и другой конструкторской документации обычно требуется формат A3, соответствующий двум листам формата А4, соединенным по длинной стороне. В настоящее время цены однотипных сканеров для форматов А4 и A3 сближаются. Можно предположить, что оригиналы, не превышающие по размерам формат А4, будут лучше обрабатываться сканером, ориентированным на формат A3.

Перечисленные выше параметры далеко не исчерпывают весь список, но на данном этапе нашего рассмотрения мы пока можем использовать только их. При выборе сканера решающими являются три аспекта: аппаратный интерфейс (способ подключения), оптико-электронная система и программный интерфей с (так называемый TWAIN-модуль). Далее мы рассмотрим их более подробно.

Матрица является важнейшей частью любого сканера. Матрица трансформирует изменения цвета и яркости принимаемого светового потока в аналоговые электрические сигналы, которые будут понятны лишь единственному ее электронному другу – аналого-цифровому преобразователю (АЦП). С этой точки зрения, АЦП можно сравнить с гидом-переводчиком, неизменным ее компаньоном. Только он как никто другой понимает матрицу, ведь никакие процессоры или контроллеры не разберут ее аналоговые сигналы без предварительного толкования преобразователем. Только он способен обеспечить работой всех своих цифровых коллег, воспринимающих лишь один язык – язык нулей и единиц.

Световой поток, падая на поверхность матрицы, буквально "вышибает" электроны из ее чувствительных ячеек. И чем ярче свет, тем больше электронов окажется в накопителях матрицы, тем больше будет их сила, когда они непрерывным потоком ринутся к выходу. Однако сила тока электронов настолько несоизмеримо мала, что вряд ли их "услышит" даже самый чувствительный АЦП.

Именно поэтому на выходе из матрицы их ждет усилитель, который сравним с огромным рупором, превращающим, образно говоря, даже комариный писк в вой громогласной сирены. Усиленный сигнал (пока еще аналоговый) "взвесит" преобразователь, и присвоит каждому электрону цифровое значение, согласно его силе тока.

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).

CCD-сканер обладает большей глубиной резкости, нежели его CIS-собрат. Достигается это за счет применения в его конструкции объектива и системы зеркал.

На рисунке, 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. Объяснить это можно тем, что сканеры в большинстве случаев приобретаются не только для оцифровки листовых текстовых документов, но и для сканирования фотографий и цветных изображений. Погрешность разброса уровней цветовых оттенков, различаемых стандартными CCD-сканерами составляет порядка ±20%, тогда как у CIS-аппаратов эта погрешность составляет уже ±40%.

CIS-матрица 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 своего CCD-собрата. К тому же, такие аппараты славятся низким энергопотреблением; они практически нечувствительны к механическим воздействиям. Однако CIS-сканеры несколько ограничены в применении: аппараты, как правило, не приспособлены к работе со слайд-модулями и автоподатчиками документов.

Из-за особенностей технологии CIS-матрица обладает сравнительно небольшой глубиной резкости. Для сравнения, у CCD-сканеров глубина резкости составляет ±30 мм, у CIS – ±3 мм. Другими словами, положив на планшет такого сканера толстую книгу, получишь скан с размытой полосой посередине, т.е. в том месте, где оригинал не соприкасается со стеклом.

У CCD-аппарата вся картина будет резкой, поскольку в его конструкции есть система зеркал и фокусирующая линза. В свою очередь, именно достаточно громоздкая оптическая система и не позволяет CCD-сканеру достичь столь же компактных размеров, как у CIS-собрата.

В плане разрешающей способности CIS-сканеры также не конкурент CCD. Уже сейчас некоторые модели CCD-сканеров для дома и офиса обладают оптическим разрешением порядка 3200 dpi, тогда как у CIS-аппаратов оптическое разрешение ограничено пока что 1200 dpi.

Сканеры с CIS-матрицей нашли свое применение там, где требуется оцифровывать не книги, а листовые оригиналы. Тот факт, что эти сканеры целиком получают питание по шине USB и не нуждаются в дополнительном источнике питания, пришелся как нельзя кстати владельцам портативных компьютеров.

CCD-матрица представляется "большой микросхемой" со стеклянным окошком. Именно сюда и фокусируется отраженный от оригинала свет. Матрица не прекращает работать все то время, пока лафет со сканирующей кареткой, приводимый шаговым электродвигателем, совершает путь от начала планшета, до его конца. Замечу, что общая дистанция движения лафета по направлению "Y" называется частотой сэмплирования или механическим разрешением сканера (об этом мы поговорим чуть позже). 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, и наступает очередь для сканирования следующей линии, и т.д.

Самый важный элемент сканера – CCD-матрица

На виде сбоку можно заметить два обычных винта, которые выполняют "деликатную" роль". С их помощью 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. Кстати, в случае перекоса одного из элементов оптической системы воссозданное компьютером изображение окажется "полосатым".

На увеличенной фотографии CCD-матрицы достаточно хорошо видно, что CCD-матрица оснащена собственным RGB-фильтром. Именно он и представляет собой главный элемент системы разделения цветов, о чем многие говорят, но мало кто представляет, как на самом деле это работает. Обычно, многие обозреватели ограничиваются стандартной формулировкой: "стандартный планшетный сканер использует источник света, систему разделения цветов и прибор с зарядовой связью (CCD) для сбора оптической информации о сканируемом объекте". На самом деле, свет можно разделить на его цветовые составляющие, а затем сфокусировать на фильтрах матрицы. Столь же немаловажным элементом системы разделения цветов является объектив сканера.

Корпус

Корпус сканера должен обладать достаточной жесткостью, чтобы исключить возможные перекосы конструкции. Безусловно, лучше всего, если основа сканера представляет собой металлическое шасси. Однако 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, которые можно сравнить с нервюрами и лонжеронами самолета.

Оптическая система сканера не терпит пыли, поэтому корпус аппарата должен быть герметичным, без каких-либо щелей (даже технологических).

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.

Блок управления

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".

Кнопки быстрого сканирования – элемент, без
которого можно обойтись