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Scanner (Abtaster)
Scanner tasten eine beliebige Vorlage punktweise ab. Die Auflösung ist
i. a. einstellbar. Es gibt verschiedene Abtastverfahren:
Bei den ersten Abtastern wurde die Vorlage auf eine Trommel aufgespannt,die mit konstanter Geschwindigkeit rotiert. Eine Fotozelle wird inRichtung der Rotationsachse entlang der Vorlage bewegt. Bei jederUmdrehung wird eine Zeile der Vorlage abgetastet.
- feststehende Abtastvorrichtung, die Vorlage wird in Abtastrichtung bewegt
- feststehende Vorlage, der Abtastpunkt bewegt sich über die Vorlage (flying spot)
- Abtastung mit bewegter Blende
Bei modernen Scannern wird die Vorlage über ein optisches Systemauf eine Photodiodenzeile oder einen CCD-Sensor (CCD = ChargeCoupled Device) abgebildet, der das eingelesene Punktraster-Bildan das DVS weiterleitet. Anstelle eines zweidimensionalen CCD- Sensors wird aus Kostengründen meist ein Liniensensor verwendetund die Vorlage zeilenweise abgetastet. Bei manchen Modellen istder Sensor über der Vorlage angeordnet.
Die Detailauflösung eines Scanner wird angegeben in dpi (dots perinch, Bildpunkte pro Zoll) Typischer Wert: 300 dpi 1 Zoll = 2,54 cm
Eine weitere Möglichkeit der Abtastung ist die Digitalisierungeines Videobildes mit einem sogenannten 'Frame-Grabber'.Das Fernsehbild kann über eine relativeinfache Schaltung in einzelne Bildpunkte zerlegt werden:
- Zeilen- und Bildsynchronsignale stehen bereits zur Verfügung; die
einzelnen Zeilen eines Bildes lassen sich einfach detektieren.
- Eine Bildzeile wird in kontinuierlichen Zeitabständen abgetastet und
der entsprechende Grauwert über einen Analog-Digital-Wandler in ein
Datenwort umgewandelt.
Sensortechnik
Der Sensor ist das Herzstück eines jeden Scanners und einer jeden Digitalkamera.
Er ist in erster Linie für die Qualität der aufgenommenen Bilddaten
verantwortlich. Die Bauart des Sensors und seine Eigenschaften entscheiden auch
hauptsächlich über die Eignung für eine bestimmte Anwendung. Im
folgenden soll einzig der Aufbau und die Funktionsweise von CCD-Sensoren (Charge
Coupled Devices = "Ladungssammelnde Bauteile") beschrieben werden.
Diese Sensorbauart hat sich in den Videokameras für industrielle
Bildverarbeitung durchgesetzt. CMOS-Sensoren und Sensoren für
Wärmebildkameras werden hier nicht betrachtet. Diese unterscheiden sich
ohnehin in erster Linie nur durch die Methode, mit denen sie aus Licht oder
Wärmestrahlung Ladungen erzeugen. Der Ladungstransport ist ähnlich oder
gleich wie bei CCDs.
Ein CCD-Sensor besteht aus einem geometrisch sehr exakten Raster von lichtempfindlichen
Zellen (Pixeln). Bei Lichteinfall (Photonen) auf einer dieser Zellen, wird
eine Ladung (Elektronen) in dieser Zelle aufgebaut. Je mehr Licht oder je länger
Licht auf die Zelle fällt, desto größer wird die Ladung (Zahl der
Elektronen), die sich in der Zelle sammelt. Hier wird auch deutlich, daß
die weitverbreitete Meinung falsch ist, die Bildinformation läge auf dem Sensor
bereits in digitaler Form vor. Die Information wird durch die Anzahl der
Elektronen in den Zellen repräsentiert und ist daher analog.
Die einzelnen Pixel berühren sich nicht direkt, sondern sind je nach Sensortyp
voneinanderdurch Stege oder Potentialwälle getrennt. So wird einerseits
verhindert, daß die Ladungsträger (Elektronen) von der einen Zelle in die
andere überlaufen, zum andern sind diese Stege auch für das Auslesen des
Zelleninhalts von Bedeutung. Folglich füllen je nach Sensortyp die lichtempfindlichen
Zellen nicht den ganzen Sensor, sondern ein Teil der Sensorfläche wird als
Transport- bzw. Sperrflächen genutzt. Die von lichtempfindlichen Elementen bedeckte
Fläche bezeichnet man auch als Fillfaktor. Ein Fillfaktor von 100%
würde bedeuten, daß die ganze Fläche lichtempfindlich wäre. In
der Realität ist der Fillfaktor immer kleiner als 100%, da die lichtunempfindlichen
Sperr- und Transportmechanismen Platz beanspruchen. Nach der Belichtung der einzelnen
Zellen werden die Ladungen ausgelesen. Dieser Vorgang erfolgt bei allen Sensortypen
nach dem sogenannten Eimerkettenprinzip.
Die Ladungen aus den Pixelelementen werden über Schieberegister ausgelesen.
Im Schieberegister wird der Inhalt einer Zelle einer benachbarten Zelle übergeben.
Dies kann durch verschiedene Schaltungen erreicht werden, welche die Barrieren zwischen
zwei Zellen (Eimern) auf- oder abbauen.
Um die Ladungen aus den Pixeln gerichtet zu transportieren, wird im allgemeinen ein
Verfahren verwendet, das auf einem 2-, 3- oder 4-Phasen-Schieberegister aufbaut.
Am Beispiel eines 4-Phasen-Schieberegisters soll hier das Verfahren beschrieben
werden. Ein Schieberegister ist aus einzelnen 4-Phasen-Elementen aufgebaut.
Jede der vier Zellen eines solchen Elements kann einzeln angesteuert werden. Durch
eine geeignete Ansteuerung (4-Phasen-Clocking) kann erreicht werden, daß die
Ladungen in dem Schieberegister gerichtet bewegt werden. Der Transport wird durch Auf-
und Abbau von Ladungsschwellen und -Senken bewirkt.
Mit Hilfe dieses Schieberegisters kann der CCD-Sensor ausgelesen werden. Alle
gängigen Flächensensoren arbeiten nach dem gleichen Prinzip. Die Methode,
mit der die Daten aus dem Sensor geschoben werden ist einfach und soll an einem
vereinfachten Sensor gezeigt werden.
- Belichten des Sensors über einen definierten Zeitraum (Integration).
- Verschieben der gesammelten Ladung aller Pixelelemente in die benachbarten
vertikalen Ausleseregister.
- Die Ladungen anschließend zeilenweise in das horizontale Schieberegister
bringen.
- Das horizontale Schieberegister entleeren.
- Nun die nächste Zeile in das horizontale Schieberegister auslesen.
Je nach Sensorgröße müssen diese Schritte solange wiederholt werden,
bis der Sensor komplett ausgelesen ist.