ПЗС, прибор с зарядовой связью (англ. CCD, charge-coupled device) — общее обозначение класса полупроводниковых приборов, в которых применяется технология управляемого переноса заряда в объёме полупроводника.
Наиболее ярким представителем приборов данного класса является ПЗС-матрица.
Схема образования и переноса заряда в ячейке ПЗС-устройства
Название ПЗС — прибор с зарядовой связью — отражает способ считывания электрического потенциала методом сдвига заряда от элемента к элементу.
ПЗС-устройство состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремниевые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. Один элемент ПЗС-матрицы формируется тремя или четырьмя электродами. Положительное напряжение на одном из электродов создаёт потенциальную яму, куда устремляются электроны из соседней зоны. Последовательное переключение напряжения на электродах перемещает потенциальную яму, а, следовательно, и находящиеся в ней электроны, в определённом направлении. Так происходит перемещение по одной строке матрицы.
Если речь идёт о ПЗС-линейке, то заряд в её единственной строке «перетекает» к выходным каскадам усиления и там преобразуется в уровень напряжения на выходе микросхемы.
У матрицы же, состоящей из многих видеострок, заряд из выходных элементов каждой строки оказывается в ячейке ещё одного сдвигового устройства, устроенного обычно точно таким же образом, но работающего на более высокой частоте сдвига.
Прибор с зарядовой связью был изобретён в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в Лабораториях Белла (AT&T Bell Labs). Лаборатории работали над видеотелефонией (picture phone) и развитием «полупроводниковой пузырьковой памяти» (semiconductor bubble memory). Объединив эти два направления, Бойл и Смит занялись тем, что они назвали «устройствами с зарядовыми пузырьками». Смысл проекта состоял в перемещении заряда по поверхности полупроводника. Так как приборы с зарядовой связью начали свою жизнь как устройства памяти, можно было только поместить заряд во входной регистр устройства. Но стало ясно, что прибор способен получить заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту, то есть могут создаваться изображения при помощи электронов.
С 1975 года начинается активное внедрение телевизионных ПЗС-матриц. А в 1989 году они применялись уже почти в 97 % всех телекамер.
В январе 2006 года за работы над ПЗС У. Бойл и Дж. Смит были удостоены премии Дрейпера Национальной инженерной академии США. В октябре 2009 года каждому «досталось» по четверти Нобелевской премии по физике.
Блуминг (или блюминг) (англ. — ореол, расплывание изображения) в ПЗС — это эффект «растекания» избыточного заряда от пересвеченных областей матрицы ПЗС в соседние ячейки. Основная причина возникновения — ограниченная ёмкость потенциальной ямы для фотоэлектронов в ячейке. Блуминг имеет характерную симметричную форму, определяемую геометрией расположения элементов на матрице. Приблизительно с 2006 года в большинстве любительских устройств блуминг больше не появляется, так как в них стали использоваться специальные антиблуминговые цепи, которые отводят избыточные электроны из ячеек. Однако, отвод электронов по мере заполнения потенциальной ямы приводит к нелинейности характеристики ПЗС и затрудняет измерения. Поэтому в научных целях по-прежнему применяются ПЗС без антиблуминговых цепей, и блуминг часто может быть замечен, например, на спутниковых фотографиях и снимках межпланетных зондов.
Физические принципы работы пзс-матрицы
Упрощенно прибор с зарядовой связью
можно рассматривать как матрицу близко
расположенных МДП-конденсаторов.
Структуры металл-диэлектрик-полупроводник
(МДП-структуры) научились получать в
конце 50-х годов. Были найдены и развиты
технологии, которые обеспечивали низкую
плотность дефектов и примесей в
поверхностном слое полупроводника. Тем
самым уже через 10 лет были заложены
предпосылки для изобретения приборов
с зарядовой связью.
С физической точки зрения ПЗС интересны
тем, что электрический сигнал в них
представлен не током или напряжением,
как в большинстве других твердотельных
приборах, а зарядом. При соответствующей
последовательности тактовых импульсов
напряжения на электродах МДП-конденсаторов
зарядовые пакеты можно переносить между
соседними элементами прибора. Поэтому
такие приборы и названы приборами с
переносом заряда или с зарядовой связью.
На рис. 1 показана структура одного
элемента, линейного трехфазного ПЗС в
режиме накопления. Структура состоит
из слоя кремния р-типа (подложка),
изолирующего слоя двуокиси кремния и
набора пластин-электродов. Один из
электродов смещен более положительно,
чем остальные два, и именно под ним
происходит накопление заряда. Полупроводник
р-типа, получают добавлением (легирование)
к кристаллу кремния акцепторных примесей,
например, атомов бора. Акцепторная
примесь создает в кристалле полупроводника
свободные положительно заряженные
носители — дырки. Дырки в полупроводнике
р-типа являются основными носителями
заряда: свободных электронов там очень
мало. Если теперь подать небольшой
положительный потенциал на один из
электродов ячейки трехфазного ПЗС, а
два других электрода оставить под
нулевым потенциалом относительно
подложки, то под положительно смещенным
электродом образуется область обедненная
основными носителями — дырками. Они
будут оттеснены вглубь кристалла. На
языке энергетических диаграмм это
означает, что под электродом формируется
потенциальная яма.
Рис.
1. Элемент трехфазного
П3С. Пиксел — элемент изображения.
В основе работы ПЗС лежит явление
внутреннего фотоэффекта. Когда, в кремнии
поглощается фотон, то генерируется пара
носителей заряда — электрон и дырка.
Электростатическое поле в области
пиксела “растаскивает” эту пару,
вытесняя дырку в глубь кремния. Неосновные
носители заряда, электроны, будут
накапливаться в потенциальной яме под
электродом, к которому подведен
положительный потенциал. Здесь они
могут храниться достаточно длительное
время, поскольку дырок в обедненной
области нет и электроны не рекомбинируют.
Носители, сгенерированные за пределами
обедненной области, медленно движутся
— диффундируют и, обычно, рекомбинируют
с решеткой прежде, чем попадут под
действие градиента поля обедненной
области. Носители, сгенерированные
вблизи обедненной области, могут
диффундировать в стороны и могут попасть
под соседний электрод. В красном и
инфракрасном диапазонах длин волн ПЗС
имеют разрешение хуже, чем в видимом
диапазоне, так как красные фотоны
проникают глубже в кристалл кремния и
зарядовый пакет размывается.
Заряд, накопленный под одним электродом,
в любой момент может быть перенесен под
соседний электрод, если его потенциал
будет увеличен, в то время как потенциал
первого электрода, будет уменьшен (см.
рис. 2). Перенос в трехфазном ПЗС можно
выполнить в одном из двух направлений
(влево или вправо, по рисункам). Все
зарядовые пакеты линейки пикселов будут
переноситься в ту же сторону одновременно.
Двумерный массив (матрицу) пикселов
получают с помощью стоп-каналов,
разделяющих электродную структуру ПЗС
на столбцы. Стоп каналы — это узкие
области, формируемые специальными
технологическими приемами в приповерхностной
области, которые препятствуют растеканию
заряда под соседние столбцы.
Рис.
2. Перенос зарядов в
трехфазном ПЗС.
Рассмотрим общее устройство и принцип работы пзс.
Матрица
состоит из поликремния, отделённого от
кремниевой подложки, у которой при
подаче напряжения через поликремневые
затворы изменяются электрические
потенциалы вблизи электродов (рис.
5).
До
экспонирования обычно подачей определённой
комбинации напряжений на электроды
происходит сброс всех ранее образовавшихся
зарядов и приведение всех элементов в
идентичное состояние.
Далее
комбинация напряжений на электродах
создаёт потенциальную яму, в которой
могут накапливаться электроны,
образовавшиеся в данном пикселе матрицы
в результате воздействия света при
экспонировании. Чем интенсивнее световой
поток во время экспозиции, тем больше
накапливается электронов в потенциальной
яме, соответственно тем выше итоговый
заряд данного пикселя.
После
экспонирования последовательные
изменения напряжения на электродах
формируют в каждом пикселе и рядом с
ним распределение потенциалов, которое
приводит к перетеканию заряда в заданном
направлении, к выходным элементам
матрицы (рис.
5).
Обозначения
на схеме субпикселя ПЗС: 1 —
Фотоны света, прошедшие через объектив.
2 —
Микролинза субпикселя.
3 —
R — красный светофильтр субпикселя.
4 —
Прозрачный электрод из поликристаллического
кремния.
5 —
Изолятор (оксид кремния).
6 —
Кремниевый канал n-типа. Зона генерации
носителей (зона внутреннего фотоэффекта).
7 —
Зона потенциальной ямы (карман n-типа),
где собираются электроны из зоны
генерации носителей.
8 —
Кремниевая подложка p-типа.
Рис.
5.
Пример
субпикселя ПЗС — матрицы (на
примере красного фотодетектора).
Применение
ПЗС является наиболее старой, но, в, то,
же время, лучшей для сканирования
художественных фотографий (по соотношению
цена / качество) технологией. В сканерах
этого типа лист бумаги, положенный на
стеклянную рабочую поверхность сканера,
освещается мощной лампой, а отражённый
световой поток при помощи нескольких
зеркал направляется в объектив, который
фокусирует «картинку» на фотоприёмнике
– линейке светочувствительных элементов,
в качестве которых используется ПЗС —
матрица (Рис.
3).
После считывания строки оптическая
головка сканера (или оригинал) передвигается
на один шаг, и производится считывание
следующей строки.
На
каждом шаге каретки сканер фиксирует
одну горизонтальную полоску оригинала,
разбитую в свою очередь на некоторое
количество пикселей на линейке ПЗС.
Итоговое изображение, составленное из
полосок, представляет собой как бы
мозаику, составленную из пикселей
одинакового размера и разного цвета
(рис.
6).
Рис.
6.
Пример
использования линейного ПЗС в планшетном
сканере:
1 —
источник света; 2 —
диафрагма; 3 —
оригинал; 4 —
шкив; 5 —
стекло; 6 —
зеркало; 7 —
каретка; 8 —
плата управления; 9 —
направляющие; 10 —
диафрагма; 11 —
объектив; 12 —
линейка ПЗС; 13 —
фрагмент изображения; 14 —
шаговый двигатель; 15 —
основание; 16 —
тросик.
В
одной линейке ПЗС может быть от нескольких
сотен до нескольких тысяч фоточувствительных
ячеек. Размер элементарной ячейки ПЗС
является критичным параметром, так как
от него зависит не только разрешающая
способность сканера, но и максимальная
величина удерживаемого заряда, а,
следовательно, и динамический диапазон
устройства. Увеличение разрешающей
способности сканера приводит к сужению
его динамического диапазона. Хотя и
считается, что спектральный диапазон
ПЗС может перекрывать весь видимый
спектр, но, как и у большинства
полупроводниковых фотоприемников,
синяя область спектра для них
труднодоступна, а наибольшая
чувствительность наблюдается ближе к
красной области.
Технология
CIS
(Contact Image Sensor).
В
этой технологии используется другой
тип приемного элемента, называемый CIS
(Contact Image Sensor). Этот элемент состоит из
линейки датчиков, непосредственно
воспринимающих световой поток от
оригинала.
Contact
Image Sensor (CIS) (контактный датчик изображения)
представляет собой интегрированный
модуль, содержащий систему освещения,
оптическую систему и светочувствительную
систему.
Светочувствительная
система представляет собой силиконовую
поверхность, разделенную на дискретные
квадратные ячейки (например, на 5000).
Размер каждой ячейки равен дроби, в
числителе которой 1 дюйм, а в знаменателе
необходимое разрешение сканирования.
В CIS-сканере с разрешением 400 dpi размер
ячейки будет 1/400″. Оптическая система
состоит из линейного массива линз,
направляющего свет от документа на
силиконовую поверхность. В этой системе
нет оптического увеличения или уменьшения
(коэффициент 1:1), поэтому такая конструкция
сканера характеризуется наилучшей
разрешающей способностью и геометрической
точностью.
Освещение
обеспечивается светодиодами, эмитирующими
свет в световод, который в свою очередь
направляет свет на документ. Присутствуют
светодиоды (красный, зеленый, голубой),
которые быстро стробируют, выявляя
цветовой состав света. Заметим, что в
этом случае отсутствуют цветовые фильтры
в оптической или светочувствительной
системе. Таким образом, цветовая гамма
CIS-сканера определяется спектром каждого
светодиода, а не фильтрами как в
конструкции CCD-сканера.
В
CIS-сканерах
отсутствуют оптическая система.
Светочувствительная линейка равна по
ширине области сканирования, а каждая
точка сканируемой строки фокусируется
на фотодиоде цилиндрической микролинзой.
Документ освещается «линейкой»
светодиодов, а в цветном сканере –
светодиодами трёх основных цветов (R,
G,
B).
Так как в CIS-сканере
отсутствуют зеркала, объектив, преломляющая
призма и лампа, то конструкция такого
сканера получается очень компактной.
Поэтому
их легко узнать по более тонкому корпусу.
Поскольку CIS-сканеры имеют меньшее
энергопотребление, они не имеют отдельного
блока питания и запитываются через
USB-порт компьютера. К тому же они более
дешевые.
На
Рис.
7
показан процесс сканирования.
Оригинал
протягивается над (или под) стеклом
экспонирования, в непосредственной
близости от которого расположен
сканирующий CIS-модуль, который включает
в себя светодиодную линейку LED, стержневую
линзу и линейку датчиков изображения.
Оригинал подсвечивается с помощью
светодиодной линейки LED. Затем отраженный
от оригинала свет, при помощи стержневой
линзы фокусируется на линейку датчиков
изображения, вызывает в них электрический
сигнал, который затем преобразуется в
цифровой код и сохраняется в виде файла.
Для
сканирования чертежа широкого формата
используются несколько CIS-модулей,
расположенных в шахматном порядке по
всей ширине области сканирования.
Преимущества
CCD-сканеров перед CIS-моделями:
В
зависимости от способа сканирования
объекта и самих объектов сканирования
основными типами сканеров являются 4
основные разновидности:
В
этом типе сканеров отсутствует двигатель,
перемещающий устройство сканирования,
поэтому пользователю приходится
сканировать объект вручную, перемещая
по нему сканер. Основным их плюсом
является мобильность, т.е. возможность
«подлезть» туда, откуда невозможно
сканировать другими типами сканеров.
Они
имеют характерные недостатки: низкое
разрешение, малую скорость работы, узкую
полосу сканирования, возможные перекосы
изображения, поскольку пользователю
будет трудно перемещать сканер с
постоянной скоростью.
Однако
существуют «ниши», где использование
их оправдано и необходимо. Например,
в
мобильных офисах, в
редакционной деятельности (сканер –
«карандаш»).
Так же они применяются для
считывания различных этикеток (товарных
кодов), наклеек на упаковках (штрих —
кодов), номеров различных документов
(таможня и т.п.). Эти сканеры конструктивно
оформляются как ручные приборы, которые
позволяют сканировать методом скольжения
сканирующей головки по объекту
сканирования.
Наиболее
распространенный тип сканеров —
планшетный (плоскостной). Почти все
модели имеют съемную крышку, что позволяет
сканировать толстые оригиналы (журналы,
книги). Дополнительно некоторые модели
могут оснащаться механизмом подачи
отдельных листов, что удобно при работе
с программами распознавания текстов —
OCR (Optical Characters Recognition).
Это
сканеры, с помощью которых пользователь
может перевести в цифровой вид текстовую
и графическую информацию, а затем
сохранить ее, передать по линиям связи
или подвергнуть обработке (редактированию,
распознаванию и т.п.) на компьютере.
Представляет собой планшет, внутри
которого под прозрачным стеклом
расположен механизм сканирования.
Планшетные
сканеры, делятся на 3 типа:
1.
Сканеры с подвижной головкой и неподвижным
оригиналом FLATBED
(рис.4.8,
а).
2.
Сканеры с неподвижной головкой и
подвижным оригиналом – SHEEDFED
(рис.
4.8, б).
3.
Сканеры проекционного типа с зеркалом
– OVER
HEAD
(рис.
4.8, в).
Структуры
планшетных сканеров первых двух типов
весьма сходны и отличаются только тем,
что перемещается в процессе сканирования
документа – сканирующая головка при
неподвижном оригинале или наоборот.
Следует,
однако, отметить, что сканеры с неподвижной
сканирующей головкой работают более
точно. В зависимости от конструктивного
исполнения сканеры этих двух типов
позволяют сканировать страницы книг,
журналов и отдельных листов.
Сканеры
проекционного типа по сравнению с двумя
первыми разновидностями планшетных
сканеров являются наиболее точными
устройствами, так как и документ, и
сканирующая головка неподвижны друг
относительно друга. Построчное
сканирование в устройствах этого типа
осуществляется за счёт поворота
проекционного зеркала, которое
обеспечивает отображение строки
документа, расположенной между
осветительными лампами, на ПЗС — элемент.
Слайд-сканеры
— предназначены для сканирования
плёночных слайдов. Выпускаются как
самостоятельные устройства, так и в
виде дополнительных модулей к планшетным
сканерам.
Такие
сканеры предназначены для сканирования
слайдов, микрофильмов микрофишей,
рентгеновских плёнок и т.п.
Они
имеют высокое оптическое разрешение
(6000 dpi
– 236 точек/мм и выше).
Рис.4.9.
Сканер
марки ScanMaker 9800XL (MICROTEK), укомплектован
слайд-модулем (размещен в крышке), со
своим источником света.
Рис.4.10
Рамки
для сканирования и монтажа слайдов
Планшетные
сканеры для сканирования прозрачных
оригиналов могут комплектоваться слайд
— модулем, который имеет свой источник
света, расположенный сверху (рис.4.9
и 4.10).
Такой слайд-модуль устанавливается на
плоскостной сканер вместо простой
крышки, делая сканер универсальным
(плоскостной сканер и установленный
слайд-модуль).
Основное
отличие барабанных сканеров заключается
в том, что оригинал закрепляется на
прозрачном барабане, который вращается
с высокой частотой. Считывающий элемент
располагается максимально близко от
оригинала. Данная структура обеспечивает
высокое качество сканирования. Обычно
в барабанных сканерах установлено три
фотоумножителя, и сканирование
осуществляется за один проход. Барабанные
сканеры способны сканировать непрозрачные
и прозрачные оригиналы.
Барабанные
сканеры дороги, но с их помощью можно
получать изображения с высокой степенью
детализации, которые, в свою очередь,
могут быть использованы для последующего
ретуширования, цветоделения и, наконец,
формирования конечного варианта
представления страницы издания или
пленки для изготовления печатной формы.
В
барабанных сканерах оригинал с помощью
специальной ленты или масла закрепляется
на поверхности прозрачного цилиндра
из органического стекла (барабана),
укрепленного на массивном основании,
которое обеспечивает его устойчивость.
Барабан вращается с большой частотой,
а находящийся рядом с ним сканирующий
фотоприемник через крошечную апертуру
точка за точкой с высокой точностью
считывает изображение. В большинстве
сканеров, применяемых в полиграфии, в
качестве фотоприемника используется
ФЭУ, который перемещается на прецизионной
винтовой паре вдоль барабана и точечно
сканирует оригинал (при наличии нескольких
ФЭУ он сканирует соответствующее число
точек). Для освещения оригинала
используется мощный ксеноновый или
галогенный источник света, к стабильности
излучения которого предъявляются
высокие требования. При сканировании
прозрачных оригиналов применяется
источник света, расположенный внутри
барабана, а при сканировании отражающих
оригиналов — вне его, рядом с приемником
излучения. Поскольку частота вращения
барабана высокая, на изображении можно
фокусировать чрезвычайно мощный источник
света без риска повредить оригинал.
Яркость источника света, возможность
регулирования фокуса и технология
поэлементной выборки обеспечивают
высокое соотношение «сигнал/шум» и
точную передачу тонов изображения без
перекрестных помех от соседних точек.
Отличительный
признак полиграфических барабанных
сканеров — возможность сканировать
оригиналы, имеющие высокую оптическую
плотность (печатные издания, художественные
работы, слайды, диапозитивы, негативные
пленки), как в отраженном, так и в
проходящем свете с разрешением,
ограниченным лишь размером барабана и
минимальной апертурой. Современные
барабанные сканеры позволяют сканировать
изображение с интерполяционным
разрешением 24 000 dpi.
Большинство
барабанных сканеров имеют горизонтальное
расположение прозрачного барабана.
Известна конструкция сканеров с
вертикальным расположением барабана,
что существенно уменьшает занимаемую
сканером площадь.
Существуют
также листопротяжные (роликовые) сканеры,
в которых оригинал протягивается с
помощью роликов сквозь сканер, где и
считывается его головкой. В отличие от
планшетного сканера неподвижной является
головка. Данный вид сканеров широко
применяется при создании электронных
архивов документов (их еще иногда
называют документ — сканерами), в
библиотеках и архивах, в салонах цифровой
печати.
К
листопротяжным сканерам относятся и
профессиональные роликовые сканеры
для CAM/CAD-приложений, которые используются
в проектных институтах. Основным
достоинством таких сканеров является
то, что они могут сканировать оригиналы
(архивные чертежи, кальки) шириной
формата A0 и толщиной до 15 мм.
Фотоэлектронные
умножители (ФЭУ), используемые в качестве
светочувствительных приборов в барабанных
сканерах, усиливают свет ксеноновой
или вольфрамово-галогенной лампы,
модулированный изображением, который
с помощью конденсорных линз или волоконной
оптики фокусируется на чрезвычайно
малой области оригинала.
(ФЭУ) —
электровакуумный
прибор (рис.4.11),
в котором поток электронов,
излучаемый фотокатодом под действием
оптического излучения (фототок),
усиливается в умножительной системе в
результате вторичной электронной
эмиссии;
ток в цепи анода
(коллектора вторичных электронов)
значительно превышает первоначальный
фототок (обычно в 105
раз и выше). Впервые был предложен и
разработан Л. А. Кубецким в 1930-34.
Наиболее
распространены ФЭУ, в которых усиление
потока электронов осуществляется при
помощи нескольких специальных электродов
изогнутой формы — «динодов», обладающих
коэффициентом вторичной эмиссии больше
1 (рис.4.12).
Для фокусировки и ускорения электронов
на анод и диноды подаётся высокое
напряжение (600—3000 В). Иногда также
применяется магнитная фокусировка,
либо фокусировка в скрещенных электрическом
и магнитном полях.
Фототок,
возникающий в фотоэлементе под
воздействием света, прямо пропорционален
интенсивности падающего на него светового
потока. Особенность ФЭУ как фотоприемника
заключается в том, что благодаря системе
динодов (рис.4.12)
коэффициент пропорциональности удается
увеличить в миллионы раз (до восьми
порядков). Спектральный диапазон ФЭУ
для полиграфических целей также
безупречен, поскольку он полностью
перекрывает видимый спектр световых
волн.
Схема
работы ФЭУ барабанного сканера приведена
на рис.4.13.
Структурная
схема работы барабанного сканера
приведена на рис.4.14.
Рис.
4.13.
Схема
работы ФЭУ барабанного сканера:
1 —
источник света; 2 —
объектив; 3 —
барабан; 4 —
оригинал; 5 —
объектив; 6 —
фотоэлектронный умножитель;
7 —
фрагмент аналогового сигнала.
Сканируемый
оригинал
крепится на специальном барабане
.
Чтобы оригинал не повредился от
чрезвычайно яркого источника, свет
поступает по волоконно-оптическому
кабелю
от галогенной лампы
.
Объектив
и
система зеркал
передаёт изображение на светофильтры
и
светоприёмники–ФЭУ. Барабан вращается
с высокой скоростью, постепенно
перемещаясь вдоль оси вращения барабана,
и за каждый оборот барабана снимается
несколько точек изображения.
Ключевыми
параметрами сканера, определяющими
качество сканирования и, естественно,
сферу использования, являются следующие
основные параметры.
Разрешение
сканера
– это совокупность параметров,
характеризующих минимальный размер
деталей изображения, который сканер в
состоянии считать. Рассматривают три
вида разрешения: оптическое,
механическое и интерполяционное.
Оптическое
разрешение характеризует
минимальный размер точки по горизонтали,
которую сканер в состоянии распознать.
В сканерах, использующих для считывания
ПЗС — технологию, эта характеристика
определяется отношением
количества элементов в линии ПЗС —
матрицы (количества разрядов в регистре
фоточувствительных элементов), к ширине
рабочей области. Для
других типов сканеров она определяется
возможностями фокусировки света на
фотопринимающем элементе.
Механическое
разрешение
– количество шагов, которое делает
подвижная сканирующая головка, (количество
шагов, которое совершает подвижный
документ, либо количество элементарных
углов поворота зеркала в проекционном
сканере). Поскольку на каждом шаге
происходит считывание информации ПЗС
— элементами, этот параметр определяет
минимальный размер точки по вертикали,
которую сканер способен распознать.
Например, если для сканера указано
разрешение 300х1200 ppi
(pixel
per
inch
– пиксель/дюйм), то оптическим разрешением
будет 300 ppi,
а механическим – 1200 ppi.
Обычно механическое разрешение в два
раза больше оптического, но встречаются
модели, в которых оно в 4 раза больше
оптического.
Ввиду
того, что ПЗС — элемент не может сканировать
по горизонтали с разрешением больше
оптического, для добавления недостающих
точек используются математические
методы интерполяции (иначе вертикальный
размер любого отсканированного квадрата
получился бы больше горизонтального).
Примечание:
Оптическое разрешение всегда наименьшее
из всех указанных для конкретной модели
сканера, поэтому производители сканеров
часто не указывают его.
Интерполяционное
разрешение
– искусственно увеличенное с помощью
математических методов разрешение.
Программа, входящая в комплект поставки
сканера, пытается довести изображение
до этого разрешения путём добавления
недостающих точек (например, при реальном
разрешении 3 х 3 программа выдаёт 9 х 9).
Этот параметр не имеет ничего общего с
реальными физическими параметрами
сканера и может характеризовать только
программу обработки изображений.
Разрядность
(глубина цвета) –
параметр, характеризующий количество
цветов или оттенков серого (в зависимости
от цветности сканера). Разрядность
означает, сколько бит используется
сканером для представления цвета одной
точки изображения. Различают разрядность
внешнюю и внутреннюю. Внутренняя
разрядность – это количество бит,
представляющих точку для внутренних
операций в сканере (то есть до прохождения
сигналом АЦП и преобразования в цифровой
код). Внешняя разрядность определяет
количество битов на цвет после прохождения
через АЦП. Внешняя разрядность сканеров
обычно 8 бит (256 оттенков серого) для
полутоновых сканеров и 24 бита (по 8 бит
на каждую цветовую составляющую, итого
16,77 млн. цветовых оттенков) – для цветных
сканеров. Внутренняя разрядность обычно
больше внешней разрядности. Дополнительные
биты во внутренней разрядности (если
они есть) используются для улучшения
точности цветопередачи и снижения
влияния искажений на цвет.
Динамический
диапазон
– ещё одна цветовая характеристика.
«Качество» отражения света любым
оригиналом выражает оптическая плотность,
которая вычисляется как десятичный
логарифм отношения светового потока,
падающего на оригинал, к световому
потоку, отражённому от оригинала (для
непрозрачных оригиналов) или прошедшему
сквозь него (для негативов или слайдов).
Оптическая плотность измеряется в OD
(Optical
Density)
или просто D
и может изменяться в диапазоне от 0,0D
для абсолютно белого (прозрачного) цвета
до 4,0D
для идеально чёрного (непрозрачного)
цвета. Поскольку речь идёт о логарифме,
то плотности 2,0D
и 3,0D
будут различаться не на 25%, а в 10 раз.
Оптические
плотности для некоторых видов оригиналов
приведены в Таблице
1:
Диапазон
оптических плотностей сканера говорит
о том, какие из цветов оригинала ещё
будут распознаны, а какие – уже нет, то
есть будут восприняты либо как полностью
белые, либо как абсолютно чёрные. Диапазон
оптических плотностей включает в себя
две характеристики: D
min
и D
max.
Первая, (D
min)
– такая оптическая плотность оригинала,
ниже которой сканер будет считать
оригинал идеально белым. Соответственно,
D
max
— такая оптическая плотность оригинала,
выше которой сканер будет воспринимать
оригинал абсолютно чёрным. Сам диапазон
представляет собой разность D
max
– D
min.
В
Таблице 2
указаны типичные динамические диапазоны
для наиболее распространённых типов
сканеров.
Рабочая
область сканера – максимальный формат
документа, который сканер в состоянии
обработать. Формат сканера зависит от
его конструкции и области применения.
Так формат документа для листопротяжных
и ручных сканеров ограничен только по
ширине. Обычные домашние и офисные
сканеры чаще всего соответствуют формату
А4. Профессиональные модели могут иметь
фиксированные размеры, приспособленные
для конкретных оригиналов (например,
слайд-сканер 35-мм плёнки), или просто
иметь большой формат – до А0.
Скорость
сканирования – параметр,
отражающий время, в течение которого
будет отсканирован тот или иной документ.
На самом деле эта характеристика не
может иметь какого-либо значения, так
как зависит от быстродействия компьютера,
объёма его оперативной памяти, от
аппаратного интерфейса и т.д. Поэтому
быстродействие сканера можно оценить
только для конкретного рабочего места.
Иногда этот параметр указывается в
характеристиках сканера в миллисекундах
на линию.
Далее
рассмотрим, как реализуется считывание
цветного изображения на сканерах.
Существует
несколько технологий получения цветного
изображения на сканерах:
Указанные
технологии используются в сканерах
различного класса. Кратко рассмотрим
их сущность.
Рис.4.15.
Структура
сканера с RGB
фильтрами.
Суть
технологии с использованием RGB-фильтров,
заключается в том, что сканируемый
оригинал последовательно освещается
белым светом: сначала через красный
фильтр (R),
затем через зелёный (G)
и, наконец, синий (B)
фильтры. За три прохода сканирующей
головки, образуются файлы с описанием
красной, зелёной и синей цветовыми
составляющими. При этом если АЦП имеет
8 двоичных разрядов, то в каждом цветовом
«слое» передаются 256 оттенков цвета,
что соответствует для одной точки
«суммарного файла» 16,7 миллиона цветовых
оттенков. Недостатки этой технологии:
1.
Сканирование осуществляется за три
прохода головки;
2.
Необходимость последующего программного
выравнивания изображения, так как
возможно размывание оттенков.
Структура
сканера, использующего RGB-фильтры,
получившие в литературе название
вращающихся фильтров, так как конструктивно
фильтры размещались на вращающемся
механизме, приведена на рис.4.15.
Технология
фирм Epson
и Sharp
использует
три источника света для каждого из
основных составляющих белого цвета.
Это позволяет сканировать изображение
за один проход и исключить процедуру
выравнивания пикселей.
Сложность
этого метода заключается в необходимости
подбора источников света с одинаковыми
и стабильными во времени характеристиками.
Фирма
Seiko
Instruments
в
соответствии с разработанной фирмой
технологией заменила ПЗС — элементы
фототранзисторами.
На
ширине 8,5 дюймов (около 216 мм) размещено
10200 фототранзисторов, расположенных в
три колонки по 3400 транзисторов в каждой
(3400 /216 = 15,7 транзистора на миллиметр).
Три цветных RGB-фильтра
расположены так, что каждая колонка
фототранзисторов воспринимает только
один основной цвет. Высокая плотность
размещения транзисторов позволяет
достичь высокой разрешающей способности
(400 dpi
или 16 точек на миллиметр) без использования
редуцирующей линзы
Технология
фирмы Hewlett
Packard
с
использованием Dichroic-фильтров
заключается в следующем:
1.
Источник белого цвета освещает сканируемое
изображение, а отражённый свет через
редуцирующую линзу поступает на
трёхполосный ПЗС — элемент через систему
специальных Dichroic-фильтров
(ДФ) D1
и D2,
приведённых на рис.4.16.
2.
ДФ — фильтр работает на основе физического
явления дихроизма,
которое
заключается в том, что кристаллы фильтра
под действием белого света окрашиваются
в разные цвета в зависимости от положения
оптической оси кристаллов. От этого
изменяется отражательная способность
слоя фильтра.
3.
В рассматриваемом случае фильтрация
отражённого света осуществляется парой
ДФ — фильтров, каждый из которых
представляет собой своеобразный
бутерброд, составленный из двух тонких
и одного более толстого слоя кристаллов.
4.
Первый слой фильтра D1
отражает синюю составляющую белого
света, но пропускает красную и зелёную
составляющие.
Второй
слой фильтра D1
отражает зелёную составляющую, но
пропускает красную составляющие, которая
отражается от третьего слоя фильтра
Структура
сканера на базе Dichroic-фильтра
приведена на рис
4.17
Рис.4.17.
Структура
сканера на базе
По
схеме, приведённой на рис
4.17,
фирмой Ricoh
разработан сканер с использованием
ПЗС, размер элемента в котором составляет
величину около 8 микрон.
В
памяти компьютеров, изображения,
полученные на сканерах, хранятся в
графических файлах в формате TIFF.
TIFF
(Tagged Image File Format, в переводе Тэгированный
Формат Файлов Изображений) — стандартный
формат хранения графических изображений.
Был разработан компанией Aldus в
сотрудничестве с Microsoft. В этом формате
изображение представлено значениями
пикселов (pixel
value).
TIFF
стал популярным форматом для хранения
изображений с большой глубиной цвета.
Используется при сканировании, отправке
факсов, распознавании текста, в полиграфии,
широко поддерживается графическими
приложениями. Фирма Aldus впоследствии
объединилась с Adobe, владеющей в настоящее
время авторским правом на эти спецификации.
Файлы формата TIFF, имеют расширение
.tiff или .tif.
Имеется
возможность сохранять изображение в
файле формата TIFF со сжатием и без сжатия.
Степени сжатия зависят от особенностей
самого сохраняемого изображения, а
также и от используемого алгоритма.
Формат TIFF позволяет использовать все
основные алгоритмы сжатия.
Структура
формата гибкая и позволяет сохранять
изображения в режиме цветов с палитрой,
а также в различных цветовых пространствах:
TIFF
является тэговым форматом и в нём имеются
36 основных видов тэгов:
Напомним,
что тэг
(англ. tag)
это дескриптор, метка, коды внутри
гипертекствого файла, оформленного с
применением языка Hyper
Text
Markup
Language
(HTML). Тэги
определяют, как будут выглядеть
изображение, текст, таблица и другие
элементы на вэб — странице, как они будут
размещены относительно друг друга.
Ниже
приведена таблица основных тэгов,
входящих в формат TIFF.
Эти
теги составляют ядро формата и в
обязательном порядке должны поддерживаться
всеми продуктами, реализующими формат
TIFF в соответствии со спецификацией.
Формат
TIFF
позволяет строить TIFF-файлы
5 классов:
ПЗС-матрица для ультрафиолетового и видимого диапазонов
ПЗС-ма́трица (сокр. от «прибор с зарядовой связью»), или CCD-ма́трица (сокр. от англ. , charge-coupled device) — специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью.
ПЗС-матрицы выпускались и активно использовались компаниями Nikon, Canon, Sony, Fujitsu, Kodak, Panasonic, Philips и многими другими. В России ПЗС-матрицы сегодня разрабатывают и выпускают: ОАО «ЦНИИ „Электрон“» (г. Санкт-Петербург) и его дочернее предприятие АО «НПП „Элар“» (г. Санкт-Петербург,) а также ОАО «НПП „Пульсар“» (г. Москва).
Основная статья: ПЗС
Прибор с зарядовой связью был изобретён в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в Лабораториях Белла (AT&T Bell Labs). Лаборатории работали над видеотелефонией и развитием «полупроводниковой пузырьковой памяти». Приборы с зарядовой связью начали свою жизнь как устройства памяти, в которых можно было только поместить заряд во входной регистр устройства. Однако способность элемента памяти устройства получить заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту сделала данное применение ПЗС устройств основным.
В 1970 году исследователи Bell Labs научились снимать изображения с помощью простых линейных устройств.
Впоследствии под руководством Кадзуо Ивамы компания Sony стала активно заниматься ПЗС, вложив в это крупные средства, и сумела наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер.
Ивама умер в августе 1982 года. Микросхема ПЗС была установлена на его надгробной плите для увековечения его вклада.
В 2009 году эти создатели ПЗС-матрицы были награждены Нобелевской премией по физике.
ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремниевые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов.
До экспонирования — обычно подачей определённой комбинации напряжений на электроды — происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов и приведение всех элементов в идентичное состояние.
Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции, тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно, тем выше итоговый заряд данного пиксела.
После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении, к выходным элементам матрицы.
Пример субпиксела ПЗС-матрицы с карманом n-типа
Архитектура пикселов у производителей разная.
Схема субпикселов ПЗС-матрицы с карманом n-типа (на примере красного фотодетектора)
