Сканеры: виды, устройство, принципы работы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Новейшие технологии сканирования

1.1 E.D.I.T. - новая технология сканирования пленок

1.2 Уникальная технология TwinPlate компании Agfa

2.Технологии улучшения изображения в процессе сканирования

2.1 Digital ICE (Image Correction & Enhancement)

2.2 Технология Digital ROC (Reconstruction Of Color)

2.3 Технология Digital GEM (Grain Equalization Management)

2.4 Digital ICE3

3. Сравнение новой технологии CIS (Contact Image Sensor) с традиционной CCD (Charge Couple Device)

3.1 Сравнение результатов сканирования при использовании CCD и CIS элементов

4. Принцип ПЗС-технологии

4.1 Устройство ПЗС-датчика

4.1.1 Параметры и характеристики ПЗС.

4.1.2 Параметры ПЗС

4.1.2.1 Темновой ток

4.1.2.2. Неоднородность чувствительности

4.1.2.3. Шумы

4.1.2.4 Антиблюминг, или устойчивость к локальным пересветкам.

5. Программное обеспечение сканеров.

5.1 Программная часть.

5.1.1 Драйвер сканера

5.1.2 Графический пакет

5.1.3 Программа распознавания символов.

5.1.4 Другие программные продукты

5.1.5 Качество драйвера

5.1.6 Количество и качество прилагаемого к сканеру ПО

5.1.6.1 Программное обеспечение Epson.

5.1.6.2Програмное обеспечение Hp

6. Источники света и освещенность сканируемого материала

7. Основные технические параметры сканеров

7.1 Разрешающая способность

7.2 Разрядность

7.3 Источник света

7.4 Шум

7.4.1 Случайный шум

7.4.2 Регулярный шум

8. Система транспорта бумаги

8.1 Узлы подачи бумаги

9. Интерфейс сканера

9.1 SCSI 9.2. USB (USB 2.0) 9.3. Параллельный порт

10. Обзор современных сканеров

Заключение

Список использованной литературы.

Введение

Устройство, ставшее сегодня обычным на офисном столе, - это сканер. Если принтер обеспечивает вывод электронного документа на бумагу, то сканер обеспечивает обратный процесс - перевод бумажного документа в электронную форму.

Сканер - это устройства ввода текстовой или графической информации в компьютер путем преобразования ее в цифровой вид для последующего использования , обработки, хранения или вывода.

Настольные сканеры появились в 80-х годах и сразу стали объектом повышенного внимания, но сложность использования, отсутствия универсального программного обеспечения, а самое главное, высокая цена не позволяли выйти сканерам за пределы специализированного использования.

Сканирование документов сегодня все больше заменяет ввод документов с клавиатуры. Сканер вводит в компьютер графическое изображение документа, а соответствующее программное обеспечение, полученное изображение отправляет как факс, преобразовывает в текст, который будет введен в систему электронного делопроизводства, а если текст на иностранном языке, то и переведен. Выбор сканера определяется характером и количеством документов, которые будут сканироваться в службе кадров. Интенсивная компьютеризация офисов не привела к снижению объемов информации, обрабатываемой в бумажном виде. Наоборот, простота изготовления неограниченного числа копий на современном легкодоступном копировальном оборудовании, возможность профессиональной печати на персональных и сетевых принтерах, интенсивная почтовая и факс-переписка привели к резкому увеличению потребления бумаги для деловых нужд. Вопреки распространенному мнению о наступлении эры безбумажной информатизации, аппараты для перевода электронной информации в бумажную форму (принтеры) и размножения информации на бумаге (копиры) пока значительно более распространены, чем сканеры, выполняющие обратный переход от бумажного документа к электронному. Так в бюллетене “Мобиле” список предложения по принтерам и копирам включает более 2700 позиций, а по сканерам - 450. При этом подавляющее большинство аппаратов для вывода на бумагу делает это со скоростью 4-8 и более страниц в минуту, а среди сканеров заметную часть составляют ручные модели, для которых скорость ввода зависит от ловкости рук и при наличии такой ловкости составит не более 0,5 страницы А4 в минуту. Таким образом, существенной составляющей информационного взрыва является бумажный потоп.

Неудобства использования бумаги в качестве носителя информации широко известны. Занимающие дорогую полезную площадь (характерные для офисного пейзажа галереи шкафов и столы, заваленные бумагами), непрочные и физически уязвимые бумажные документы к тому же совершенно неконкурентоспособны по скорости доступа к необходимой информации.

По данным компании Xerox до 60% времени сотрудников в организациях расходуется на поиск необходимых бумаг.

Быстродействующие процессоры и жесткие диски абсолютно беспомощны при необходимости найти в шкафу или на рабочем столе конкретную бумагу. Обойтись без бумаг нельзя, на то есть множество юридических, психологических и организационных причин. На помощь приходят сканеры. До недавнего времени эти устройства использовались преимущественно для оформительских работ и облегчения работы машинисток при вводе в компьютер текстов. В настоящее время информационная промышленность переживает эпоху переоценки ценности сканеров, как устройств для переработки информации в промышленных масштабах. Бумажные документы, проходя сканирование, превращаются в электронные копии - файлы или объекты баз данных и при работе с ними владелец информации получает все преимущества электронной обработки данных. Электронные копии оригинальных документов при хранении занимают намного меньше места, не теряются, не портятся и могут быть мгновенно найдены по запросу с любого рабочего места, подключенного к локальной сети (или теперь уже к сети Internet). При необходимости, весь отсканированный документ или прицельно выбранные области документа (содержащие номера, даты, фамилии или, например, идентифицирующие штрих коды) переводятся в символьный вид с помощью средств оптического распознавания (OCR) и символьный эквивалент информации, записанной или отпечатанной на бумаге, включается в индекс, позволяющий быстро найти нужный документ.

1. Новейшие технологии сканирования

1.1 E.D.I.T. - новая технология сканирования пленок

Аббревиатура E.D.I.T. означает Emulsion Direct Imaging Technology. Технология E.D.I.T. запатентована в США (U.S. patent no. 5,574,274). Это буквально означает сканирование со слоя эмульсии. Все знают, что прозрачный оригинал - это полимерная пленка с нанесенными на ней светочувствительными слоями - эмульсией. Применение E.D.I.T. позволяет приблизить работу устройства к возможностям сканирования на барабанном сканере. Теперь между слоем эмульсии и CCD-матрицей сканера отсутствуют стекла, что позволяет избежать паразитных отражений на границах стекло-воздух и воздух-стекло. При сканировании на привычном планшетном сканере со слайд-модулем приходилось мириться с четырьмя такими пограничными отражениями.

Рассмотрим схему сканирования с использованием обычного сканера, приведенную на рис.1.

Рис.1. Схема сканирования с использованием обычного сканера

В этой схеме задействовано три воздушных среды и два стекла. Первое пограничное отражение происходит на границе В3-С1, второе на границе С1-В2, третье В2-С2, и, наконец, четвертое С2-В3. Если вникнуть в эту проблему основательно, то выяснится, что различны характеристики не только стекол,

но и воздушных сред. Дело в том, что воздушные среды В1 и В3 находятся внутри корпусов сканера и слайд-модуля и, соотвественно, отличаются по температуре, влажности и даже химическому составу не только от воздуха в помещении В2, но даже между собой. Если углубляться в проблему дальше, то температурные и физико-химические характеристики различны и у стекол C1 и С2. Все это приводит к невозможности прогнозирования характеристик сред, задействованных в оптической системе и, соотвественно, невозможности не только нейтрализации, но даже учета их в проработке оптической системы.

Для сравнения рассмотрим схему сканирования пленок с использованием технологии E.D.I.T., приведенную на рис. 2.

Рис.2.Схема сканирования пленок с использованием технологии E.D.I.T.

В этом случае не используется стекло и, соответственно, нет отражений на границах воздух-стекло-воздух. Кроме того, воздушная среда, задействованная в оптической системе, всего одна - В1, поскольку весь процесс происходит внутри корпуса сканера. Теоретически, характеристики этой среды можно даже учесть в проработке оптической системы. Не исключено, что появятся профессиональные драйверы с индексом environmental, где будут учитываться температурные и влажностные характеристики воздушной среды, снимаемые с датчиков, установленных внутри корпуса сканера. По-моему, неплохая идея для производителей сканеров. Надеюсь, что компания, которая зарегистрирует это изобретение, пришлет мне приветственную открытку и копию патента на память.

Помимо паразитных отражений, стеклянные поверхности, применяемые в обычных планшетных сканерах, действительно могут вносить искажения в поступающую на CCD информацию. Во-первых, как ни старайся, добиться идеальной равномерности оптических свойств стекла довольно трудно. Во-вторых, в процессе сборки и эксплуатации сканера не исключено оседание пыли на внутренней поверхности стекла. Даже если вы сто раз протрете внешнюю поверхность стекла спиртом, качество изображения от этого не улучшится. В-третьих, оптические свойства стекла напрямую зависят от его толщины. При этом явления рефракции и интерференции, подробно описанные в школьных учебниках физики, в состоянии внести значительные искажения в сканируемый оригинал. Сделать стекло планшетного сканера совсем тонким невозможно, поскольку оно входит в конструкцию корпуса и должно выдерживать хотя бы минимальные нагрузки. Ну и, наконец, паразитный эффект, носящий имя известного физика, - пресловутые Ньютоновы кольца. Не стоит думать, что это совсем уж распространенный дефект. Сканируя слайд на офисном планшетнике получить подобный дефект сложно - оптика сканера просто его "не видит". Эта неприятность будет заметна тем чаще, чем выше качество сканера, который вы используете. И чем сложнее оптическая система сканера, тем заметнее эти Ньютоновы радужные разводы. Кольца Ньютона могут появляться при сканировании прозрачных оригиналов, когда между пленкой и поверхностью стекла образуется тончайший неравномерный воздушный зазор, отмеченный на рис. 1.

В принципе, для преодоления этой проблемы существует по крайней мере три относительно надежных способа. Первый, самый простой, - не сканировать пленки на планшетном сканере вообще, второй - воспользоваться барабанным сканером. Третий, на тот случай, если не годятся первые два - положить пленочный оригинал не на стекло, а на картонку толщиной 1-1,5 мм. с прорезанным окошком. Обеспечив более или менее равномерный воздушный зазор между пленкой и стеклом, вы избегаете появления пресловутых колец и почти ничего не теряете в резкости. Сканер, работающий по технологии E.D.I.T., избавляет вас от необходимости подобных ухищрений. Вы укрепляете слайд в окошке выдвигающегося из корпуса сканера картриджа, все остальное происходит внутри без паразитной рефракции, дифракции и интерференции. При сканировании непрозрачного оригинала на сканере, работающем по технологии E.D.I.T., возникают посторонние отражения на границах воздух-стекло (отражения В1-С1 и С1-В2 на рис.2). Однако при работе в отраженном свете на высококачественном сканере они не способны внести значительных искажений

Помимо E.D.I.T. сканеры нового поколения используют еще одну технологию - Flip Mirror - вращающееся зеркало. Оно (зеркало 5 на рис. 2) используется для перенаправления светового потока в зависимости от типа используемого оригинала. Рассмотрим схему работы сканера с технологией Flip Mirror. В зависимости от типа оригинала вращающееся зеркало 5 занимает положение "а" или "б" и световой поток изменяет свое направление. При работе с пленкой вращающееся зеркало 5 находится в положении "а", при работе в отраженном свете - в положении "б". Использование механической системы перенаправления светового потока позволяет добиться оптимальных характеристик при работе с оригиналами любых типов.

В настоящее время не менее четырех моделей сканеров различных производителей используют запатентованную технологию E.D.I.T. - Agfa DuoScan, Microtek ScanMaker 4 / 5 / 2000. Не исключено, что в самое ближайшее время эта технология получит дальнейшее развитие в профессиональных устройствах для оцифровки графики.

Непрямое светодиодное экспонирование - LED InDirect Exposure LIDE - система, сочетающая в себе все преимущества технологии контактного датчика изображения (CIS - Contact Image Sensor). Сканеры, созданные на основе LIDE, очень компактны. К тому же они допускают вертикальную становку при помощи специальной подставки.

LIDE-сканеры отличают меньшие размеры и масса, более низкий уровень шума и малое энергопотребление (2,5 Вт). Многие модели оснащены интерфейсом USB, обеспечивающим совместимость как с Windows 98 / 2000, так и с Mac OS версии 8.5 и выше, и позволяющим обойтись всего одним шнуром для соединения с компьютером и для подачи питания.

Если сравнить традиционную конструкцию сканеров с Canon LIDE, то становятся очевидными преимущества последней: меньшее количество оптических элементов, неизбежно влияющих на качество изображения, упрощенная механика привода сканирующего узла и его компактность в целом. Кроме того, в традиционной системе с ПЗС (CCD, Charge-Couple Device - прибор с зарядовой связью) существует ряд проблем, связанных с искажениями изображения по краям.

Значительное количество оптических элементов на пути света в ПЗС-сканере отрицательно влияет на результат сканирования.

В технологии LIDE в качестве источника света используются мощные трехцветные (RGB, Red, Green, Blue - красный, зеленый, синий) светодиоды, обеспечивающие улучшенную цветопередачу и малое энергопотребление по сравнению с ксеноновыми или флуоресцентными лампами. В дополнение к этому разработанный Canon специальный световод собирает лучи в однородный пучок, равномерно экспонирующий сканируемый оригинал по всей ширине.

LIDE позволяет обойтись без системы зеркал и упростить конструкцию.

Цилиндрические линзы фокусируют лучи на светочувствительной линейке.

Цилиндрические линзы (каждая менее 1 мм в диаметре) без искажений собирают отраженный от оригинала свет на сенсорной линейке, представляющей собой новое поколение датчиков изображения. Эти датчики отличаются значительной величиной отношения "сигнал/шум" и сверхвысокой чувствительностью по сравнению с любыми другими существующими сенсорами: 42 бита = 14 бит x 3 цвета RGB! Такое повышение разрядности данных на входе дает сканеру возможность различать больше цветовых градаций в самых светлых и самых темных участках изображения. С микронной точностью датчики собраны на плате в линейку, размер которой соответствует максимальной ширине сканируемого документа.

Оптическая система с изменяемым преломлением - VAriable Refraction Optical System

VAROS - это совершенно новая технология Canon, соединившая в себе достижения компании в оптике и точной механике. VAROS позволяет удвоить аппаратное разрешение сканера без усложнения конструкции привода сканирующего узла.

Сравним VAROS-сканер с другими аппаратами. В традиционной конструкции луч белого света экспонирует сканируемую строку оригинала, направляя ее изображение к считывающей матрице ПЗС (прибор с зарядовой связью) через систему многочисленных зеркал и линз. Разрешающая способность оказывается ограниченной количеством "пикселов" ПЗС.

Разрешение обычного ПЗС-сканера ограничивается количеством элементов в матрице.

Сканирующее устройство на основе оригинальной технологии VAROS компании Canon дополнено стеклянной пластиной, расположенной между линзами и ПЗС-матрицей. Сначала осуществляется сканирование, как в любой аналогичной системе. Затем стеклянная пластина поворачивается, и процесс сканирования повторяется. Это дает сканеру возможность считать данные со смещением в 1/2 пиксела. Программное обеспечение, объединяющее результаты первого и второго этапов сканирования, позволяет получить вдвое больше данных. Иными словами, технология VAROS делает возможным превращение обычного 600-точечного сканера в почти профессиональный аппарат с реальным разрешением 1200 dpi (dots per inch - точек на дюйм). И кстати, немногим дороже по сравнению со сканерами с разрешением 600 dpi.

Сканирование по технологии VAROS осуществляется в 2 этапа, затем результаты обрабатываются программой.

После первого прохода стеклянная пластина поворачивается, отклоняя луч на 1/2 пиксела.

Сформированное изображение действительно (без применения интерполяционных методов улучшения качества) имеет удвоенное разрешение.

Технология удвоения оптической разрешающей способности VAROS незаменима в случаях, когда уровень разрешения является определяющим фактором, например, при сканировании фотопленок. VAROS-сканер в сочетании с фотокамерой и принтером Canon предоставляют в Ваше полное распоряжение все инструменты для обработки изображений - прямо на рабочем столе! Для этого новейшие модели сканеров Canon с технологией VAROS комплектуются специальным адаптером для 35-мм фотопленок, делающим утомительную установку и подключение ранних версий подобных устройств предметом истории. Не говоря уже о том, что теперь средства цифровой обработки изображений в домашних условиях можно приобрести за более доступную цену.

Крышка "Z-lid" позволяет сканировать трехмерные оригиналы, ограничивая попадание лишнего света.

Оригинальная конструкция крышки "Z-lid", помимо тонких бумажных документов, позволяет сканировать объемные оригиналы, например, книги, не повреждая их. Крышка сканера снабжена раздвижным петлевым шарниром, который при необходимости увеличивает расстояние между ней и стеклом экспонирования.

Это дает возможность разместить на стекле объемные или хрупкие оригиналы, а также уменьшить количество постороннего света, попадающего в сканер во время работы.

Линза Галилео - Galileo Lens

Благодаря широкоугольной Линзе Галилео - одной из наиболее важных и уникальных инноваций Canon в технологии сканирования, - расстояние, проходимое отраженным от оригинала светом до считывающего ПЗС, чрезвычайно мало. Это позволило достигнуть реального оптического разрешения в 1200 точек на дюйм при небывалой компактности узла сканирования. Малое относительное отверстие уменьшает потери света, из которого складывается изображение, и, следовательно, улучшает отношение "сигнал/шум".

Увеличенное до 5 число элементов, составляющих оптическую систему Линзы Галилео (5 элементов в 5 группах), обеспечило компенсацию хроматической аберрации и кривизны поля, что позволило достичь высокой MTF (Modulation Transfer Function - модуляционная передаточная функция) - одной из характеристик резкости объектива.

Аберрация - общий термин, используемый для описания различий между идеальным и реальным изображением, формируемым объективом. Так, у высококачественного объектива аберрация должна быть очень незначительной, стремящейся к получению изображения, максимально приближенного к идеальному: точка должна быть отображена как точка, с четкими контурами; перпендикулярная оптической оси плоскость (например, стена), должна отображаться как плоскость; изображение, воссозданное объективом, должно иметь такую же форму, как сам объект. Кроме того, объектив должен точно передавать цвет воспроизводимого объекта. К сожалению, полностью избавиться от аберраций невозможно, их можно только уменьшить.

Применительно к цветам RGB, из которых складывается цветное цифровое изображение, компенсация хроматической аберрации в Линзе Галилео означает максимальное совмещение трех цветовых составляющих по краям сканируемого документа, а под компенсацией кривизны поля изображения понимают плавность MTF независимо от положения оригинала на стекле экспонирования.

1.2 Уникальная технология TwinPlate компании Agfa

Уникальная схема расположения оригиналов, благодаря которой прозрачные и непрозрачные оригиналы располагаются в сканере в отдельных лотках, обеспечивает прекрасную цветопередачу и высокий диапозон

.

Преимущества технологии заключаются в том, что при сканировании прозрачных оригиналов уменьшается количество рассеивающих стеклянных поверхностей на оптическом пути луча, что приводит к лучшей проработке изображений в тенях и увеличению динамического диапазона

При сканировании слайдов отсутствует стеклянная поверхность между оригиналом и CCD линейкой, что исключает появление помех от пыли, и появления колец Ньютона от соприкосновения слайда со стеклом. Кроме того, в процессе сканирования оригиналов одного типа можно монтировать оригиналы другого, что значительно ускоряет работу и повышает производительность сканера.

Данное решение запатентовано и не применяется остальными фирмами.

2.Технологии улучшения изображения в процессе сканирования.

Для работы с негативами и слайдами компания ASF разработала три технологии, применяемые для устранения дефектов изображения, удаления зерна пленки и восстановления утерянных оттенков изображения Для особо мощных слайд-сканеров предусмотрена технология, объединяющая все перечисленные. Но слайд-сканерами компания ASF не ограничилась. Любой компьютер, используемый для обработки фотографий, обязательно оснащен планшетным сканером. Фотопечать - вещь капризная. Многие фотографии в результате длительного хранения меняют цвета, тускнеют под влиянием света, влажности и температуры, приобретают царапины и другие дефекты. Кроме того, недостатков не лишены зачастую и снимки, только что прошедшие печать (например, передержка или недодержка кадра при фотосъемке или печати). При сканировании цифровое изображение сохраняет такие дефекты, как царапины, трещины, ошибки экспозиции, цветовой сдвиг и т. п. Для облегчения работы с фотоснимками ученые, фотографы и инженеры компании ASF также разработали технологии автоматического восстановления загрязненных, поврежденных или выцветших фотографий, аналогичные технологиям для фотопленок.

2.1 Digital ICE (Image Correction & Enhancement)

Технология автоматического устранения дефектов изображения. Ее бесспорное преимущество в том, что все неповрежденные участки изображения остаются без изменений. При «ручном» устранении дефектов этого достичь практически невозможно. Непосредственно в ходе сканирования определяется точное расположение всех дефектов на оригинале, эти места на оцифрованном изображении удаляются, и значения цветов в этих участках восстанавливаются на основании соседних областей. Не правда ли, похоже на описанный в самом начале способ удаления дефектов? Только вам не придется производить ряд манипуляций, в режиме «быстрой маски» выделять все царапинки и пятнышки и т.д., расположение дефектов предельно точно определится прямо в ходе сканирования. В результате вы получите уже отредактированное изображение, даже если оно было сплошь покрыто царапинами. Такая методика корректирует не только царапины, но и такие дефекты, которые эффективно удалить вручную практически невозможно: брызги воды на пленке, отпечатки и т. п.

Получение «карты дефектов» осуществляется, например, дополнительным сканированием изображения в косых и инфракрасных лучах (такой прием реализован в моделях слайдовых сканеров Nikon Coolscan LS-30/LS2000, Minolta Dimage Scan Elite). В местах дефектов ИК-излучение дополнительно рассеивается, а фокусируется полученное вспомогательное изображение отдельно от основного. Итог - два изображения: основное и «карта дефектов».

Технология автоматического удаления дефектов разработана и для планшетных сканеров. Царапины, поврежденные участки, трещины на старых фотографиях будут эффективно удалены в ходе сканирования.

Для реализации технологии Digital ICE в каждом конкретном сканере необходимо оптимизировать систему формирования изображения, вести алгоритм вычисления точной карты дефектов и алгоритм коррекции дефектных пикселов. При этом, чем выше потенциальные аппаратные возможности самого сканера, тем выше скорость и качество сканирования с коррекцией дефектов.

2.2 Технология Digital ROC (Reconstruction Of Color)

Возвращает утерянные оттенки как негативным, так и позитивным фотопленкам. Анализируя исключительно ту информацию, которую содержит сам оригинал (цветовые градиенты, тоновые кривые отдельных цветовых каналов и т. п.), Digital ROC корректирует цвета и заметно улучшает или полностью восстанавливает качество изображения. Технология реконструкции цветов также осуществляет коррекцию выдержки и цветовых сдвигов фотографий.

О наличии этих недостатков позволяет делать выводы информация, скрытая в самом изображении. При этом корректируются даже цветовые недостатки, вызванные неверной выдержкой, погрешностями освещения в момент съемки (вызванными, например, флуоресцентными или вольфрамовыми источниками света). Как известно, «ручная коррекция» цветовых сдвигов требует некоторых знаний. А затраченное на коррекцию время обратно пропорционально навыкам пользователя.

Предлагаемые же в различных графических приложениях инструменты автоматической коррекции приемлемы только для изображений с минимальными искажениями цветов. Для сильно выцветших или, например, засвеченных снимков они обычно неэффективны.

Алгоритм определения и исправления цветовых недостатков состоит из двух шагов: первоначальное выравнивание цветовых оттенков путем коррекции всех цветовых каналов и последующая коррекция цветовых сдвигов. Если оригинал выцвел в результате неправильного хранения, то динамический диапазон одного или более цветовых каналов сужен относительно других. Поэтому на первом этапе определяются различия тонового диапазона между цветовыми каналами, и с помощью коррекции тоновой кривой каждого канала их диапазоны выравниваются. Следующая ступень - удаление цветовых сдвигов и улучшение контрастности изображения. Все цветовые каналы уравновешиваются, для чего выбирается точка нейтрального серого цвета. Затем каждый канал цвета корректируется отдельно для соответствия черной и белой точкам, реальными для улучшения контраста.

2.3 Технология Digital GEM (Grain Equalization Management)

Также использует данные, полученные прямо в процессе сканирования. С ее помощью считывается с оригинала и «удаляется» из оцифрованного изображения шум, вызванный зерном пленки. Зерно фотопленки - это группы кристаллов галогенида серебра, из которых состоит светочувствительная фотоэмульсия. Зерно пленки доступно разрешению слайд-сканера, легко воспроизводится на мониторе при просмотре изображения и неизбежно приводит к уменьшению детализации изображения и ощутимому ухудшению его качества. Поэтому возможность получить резкое и четкое изображение без следов зернистости пленки не менее полезна, чем восстановление истинных цветов и оттенков.

Технология Digital ROC и Digital GEM уже в 2001 году были воплощены в слайд-сканере Dimage Scan Multi II от Minolta.

2.4 Digital ICE3

Комбинация этих трех технологий. Слайд-сканер с интегрированными тремя технологиями автоматически обеспечивает превосходный, качественный результат сканирования и у профессионалов, и у любителей. Эти три технологии планируется реализовывать не только в сканерах, но и в цветных копирах, устройствах печати фотокопий и других цифровых устройствах ввода/вывода, где качество изображения и реальность цветов для конечного потребителя первостепенны. В планшетных сканерах можно реализовывать одновременно две технологии - Digital ROC и Digital ICE. Конечно, сканирование с автоматическими улучшениями Digital ROC, Digital GEM и Digital ICE занимает и гораздо больше времени, чем простое сканирование. Но что эти лишние минуты по сравнению с теми часами, которые вы затратили на последующую коррекцию изображения. Однако сканирование с такими функциями (даже с одной, а с двумя-тремя и подавно) предъявляет высокие требования к системным ресурсам: к объему оперативной памяти, свободному месту на жестком диске и т.п.

3. Сравнение новой технологии CIS (Contact Image Sensor) с традиционной CCD (Charge Couple Device)

В большинстве современных сканеров для получения данных об изображении применяется приемный элемент, называемый CCD (Charge-Coupled Device, прибор с зарядовой связью - ПЗС). Эта технология известна уже много лет и используется также в аппаратах факсимильной связи, видеокамерах и других устройствах. В некоторых новых сканерах начинает использоваться другой тип приемного элемента, называемый CIS (Contact Image Sensor). Этот элемент состоит из линейки датчиков, непосредственно воспринимающих световой поток от оригинала, причем линейка имеет ширину, равную ширине рабочей области сканера, а оптическая система - зеркала, призма, обьектив - полностью отсутствует.

Настоящий раздел дипломной работы сравнивает преимущества двух технологий и приводит примеры отсканированных изображений.

Таблица 1. CCD и CIS - сравнительная таблица.

Charge-Coupled Device (CCD)	Contact Image Sensor (CIS)
(1) Лучшая глубина резкости Глубина резкости CCD сканеров в 10 раз больше (+/-3 мм), чем CIS сканеров (+/-0.3мм). Это означает что с CCD сканером 3х-мерные обьекты или даже книги и журналы будут отсканированы с хорошей резкостью, но при сканировании CIS сканером изображение зачастую будет размытым и нерезким.	(1) Меньшие размеры и вес Отсутствие оптической системы и зеркал позволяет CIS сканерам иметь меньшие тольщину и вес, чем их конкуренты с CCD-элементом.
(2) Лучшая чувствительность к оттенкам CCD сканеры различают уровни оттенков +/-20%, тогда как CIS сканеры определяют различия в оттенках только +/-40%. Для пользователя это означает, что передача деталей оттенков будет лучше у CCD сканеров.	(2) Уменьшение затрат на производство CIS-элементы заменяют целый набор компонентов сканера, уменьшая стоимость производства.
(3) Дольше срок службы сканера CCD сканеры обеспечивают стабильно высокое качество сканирования в течение более 10,000 часов. У существующих в настоящее время CIS сканеров наблюдается падение яркости в среднем на 30% после всего 500 часов работы.
(4) Разрешающая способность В настоящее время существуют профессиональные CCD сканеры с оптическим разрешением 3000 точек на дюйм. В CIS технологии оптическое разрешение в настоящее время ограничено 300 dpi.
(5) Хорошо развитая технология В течение многих лет были проданы миллионы сканеров и факсов с CCD элементами. CIS сканеры появились только несколько месяцев назад. И, хотя CIS элементы для факсов существуют уже много лет, только около половины производителей факсов перешли на них, несмотря на низкую цену.

3.1 Сравнение результатов сканирования при использовании CCD и CIS элементо

Все образцы были отсканированы с разрешением 300 dpi (режим RGB) при использовании установок сканирования, принятых по умолчанию. На рабочую поверхность сканеров были помещены часы и журнал, при этом дополнительного прижима образцов (кроме обеспечиваемого крышками сканеров) не производилось.



Charge-Coupled Device (CCD)	Contact Image Sensor (CIS)
Сканирование CCD элементом	Сканирование CIS элементом

Оба изображения - непосредственные результаты сканирования, уменьшенные до ширины 150 пикселей с разрешением 72ppi. Качество изображений не улучшалось ни в какой программе обработки изображений

4. Принцип ПЗС-технологии

Вскоре после того, как был изобретен транзистор и, впоследствии, планарная технология, полупроводниковые приборы заменили вакуумные либо были близки к этому почти во всех областях электроники, за исключением трех, еще долго не поддававшихся "кремнизации" - генераторные лампы для мощных передатчиков, высоковольтные приборы (кенотроны, рентгеновские трубки...) и приборы для ТВ - кинескопы и передающие трубки.

Достаточно сказать, что процессор Пентиум с его 5 миллионами транзисторов потребляет энергии меньше, чем один ламповый триггер, а о массогабаритных показателях, механической стойкости и сроке службы можно не упоминать. Ничего удивительного, что попытки создать твердотельный аналог передающей трубки - после изобретения компанией Texas Instruments планарной технологии в 1960 г. не заставили себя ждать. Все такие разработки без исключения представляли собой матрицу фоточувствительных элементов (как правило, фоторезисторов или фототранзисторов) и схемы сканирования по вертикали и горизонтали (регистры сдвига на биполярных, а позднее и полевых транзисторах). Число элементов разложения этих датчиков не превышало 256 на 256, а качество изображения с них было удручающим - как из-за низкой чувствительности, так и, в первую очередь, из-за числа дефектов, свойственных тогдашнему уровню технологии. Весьма раздражающей для глаза была и структурная неоднородность (выглядевшая как полосатость), связанная с неоднородностью выходных емкостей шин считывания разных столбцов (или строк - в зависимости от организации конкретного прибора).

Луч света забрезжил, как это часто бывает, с неожиданной стороны. В 1970 г. сотрудники фирмы Bell Laboratories У. Бойл и Дж. Смит в поисках электрического аналога схем на цилиндрических магнитных доменах предложили - и продемонстрировали экспериментально - принцип зарядовой связи. Самый первый ПЗС представлял собой аналоговый (!) регистр сдвига на 8 элементов, изготовленный по p-МОП технологии с молибденовыми затворами, а вскоре появились и двумерные матрицы. Очень быстро стало ясно, что присущее ПЗС свойство само сканирования (об этом чуть дальше) устраняет необходимость в регистрах сдвига, создававших столько проблем в предшествующих типах датчиков.

Дальнейший рывок в технологии и параметрах ПЗС был связан с появлением скрытого канала переноса (об этом тоже ниже) и применением прозрачных электродов из поликристаллического кремния, что резко повысило чувствительность приборов. Уже в середине 70-х появились первые коммерческие матрицы производства фирм Fairchild, Bell и RCA в США и Philips в Европе, совместимые с ТВ стандартом (т. е. имеющие разрешение по вертикали 476 или 576 строк - соответственно для американского или европейского стандартов разложения, и, по меньшей мере, 350 элементов разложения по горизонтали). Ну, а вскоре в Японии было налажено массовое производство недорогих ПЗС приемлемого качества для бытовой электроники - и на смену кинокамерам в массовом порядке пришли видеокамеры.

Революционное воздействие оказали ПЗС на астрономию, где их появление по степени влияния сравнимо разве что с тем, которое оказало применение в качестве средства регистрации фотопластинок вместо человеческого глаза (собственно, именно астрономия стала той первой отраслью человеческой деятельности, где фотоэмульсия уступила место кремнию). С другой стороны, и требования, предъявляемые астрономией, особенно космического базирования, к ПЗС, стимулировали развитие технологии их изготовления, и ныне приборы с числом элементов 4096 на 4096 и с квантовым выходом около 90% уже не являются экзотикой.

Ну и, наконец, микроскопия в медицине и биологии, компьютерное зрение и видеоконференции, системы ориентации космических аппаратов и считыватели штрих-кода, телефакс и сканер... - всё это тоже стало возможным и доступным благодаря ПЗС.

4.1 Устройство ПЗС-датчика

Для начала отметим, что ПЗС относятся к изделиям функциональной электроники, то есть их нельзя представить как совокупность транзисторов или же конденсаторов. Сам же принцип зарядовой связи весьма прост и основан на двух равно фундаментальных положениях: 1),одноимённые заряды отталкиваются, и 2),рыба ищет, где глубже. Для начала представим себе МОП-конденсатор (сокращение от слов металл-окисел - полупроводник). Это то, что остаётся от МОП-транзистора, если убрать из него сток и исток, то есть просто электрод, отделённый от кремния слоем диэлектрика. Для определённости будем считать, что полупроводник - p-типа, т. е. концентрация дырок в равновесных условиях много (на несколько порядков) больше, чем электронов.

Что будет, если на такой электрод (его называют затвором) подать положительный потенциал? Первый ответ, который приходит на ум, - "ничего не будет, поскольку диэлектрик не проводит электричества" - не совсем верен, ибо электрическое поле через диэлектрик проникать может. И когда электрическое поле, создаваемое затвором, проникая в кремний сквозь диэлектрик, отталкивает подвижные дырки; возникает обеднённая область - некоторый объём кремния, свободный от основных носителей. При параметрах полупроводниковых подложек, типичных для ПЗС, глубина этой области составляет около 5 мкм. Напротив, электроны, если они каким-либо образом (например, в результате фото генерации) окажутся вблизи, притянутся к затвору и будут накапливаться на границе раздела окисел-кремний непосредственно под затвором, т. е. как бы сваливаются в яму, которая совершенно официально называется потенциальной ямой (рис. 3а).



Рис. 3а Образование потенциальной ямы при приложении напряжения к затвору

При этом электроны по мере накопления в яме частично нейтрализуют электрическое поле, создаваемое в полупроводнике затвором, и, в конце концов, могут полностью его скомпенсировать. Так что всё электрическое поле будет падать только на диэлектрике, и всё вернётся в исходное состояние (так что действительно "ничего не изменилось" - почти!) - за тем исключением, что на границе раздела образуется тонкий слой электронов.

Рис. 3б Перекрытие потенциальных ям двух близко расположенных затворов. Заряд перетекает в яму, в которой потенциальная яма глубже.

Пусть теперь рядом с затвором расположен ещё один, и на него тоже подан положительный потенциал, причём больший, чем на первый (рис. 3б). Так вот, если только затворы расположены достаточно близко, их потенциальны ямы объединяются, и электроны, находящиеся в одной потенциальной яме, перемещаются в соседнюю, если её потенциал выше (т. е. если она глубже), в полном соответствии с упомянутым выше фундаментальным принципом.

Теперь уже должно быть ясно, что если мы имеем цепочку затворов, то можно, подавая на них соответствующие управляющие напряжения, передавать локализованный зарядовый пакет вдоль такой структуры.

Рис. 3в Простейший трёхфазный ПЗС-регистр. Заряд в каждой потенциальной яме разный!

Замечательное свойство ПЗС - свойство самосканирования - состоит в том, что для управления цепочкой затворов любой длины достаточно всего трёх тактовых шин. Действительно, для передачи зарядовых пакетов необходимо и достаточно трёх электродов: одного передающего, одного принимающего и одного изолирующего, разделяющего пары принимающих и передающих друг от друга, причём одноимённые электроды таких троек могут быть соединены друг с другом в единую тактовую шину, требующую лишь одного внешнего вывода (рис. 3в). Это и есть простейший трёхфазный регистр сдвига на ПЗС.

Рис. 3г Тактовые диаграммы управления трёхфазным регистром -- это три меандра, сдвинутые на 120 градусов.

Тактовые диаграммы работы такого регистра показаны на рис. 3г. Видно, что для его нормальной работы в каждый момент времени, по крайней мере, на одной тактовой шине должен присутствовать высокий потенциал, и по

крайней мере, на одной - низкий потенциал (потенциал барьера). При повышении потенциала на одной шине и понижении его на другой (предыдущей) происходит одновременная передача всех зарядовых пакетов под соседние затворы, и за полный цикл (один такт на каждой фазной шине) происходит передача (сдвиг) зарядовых пакетов на один элемент регистра.

Для локализации зарядовых пакетов в поперечном направлении формируются так называемые стоп каналы - узкие полоски с повышенной концентрацией основной легирующей примеси, идущие вдоль канала переноса (рис. 3д). Дело в том, что от концентрации легирующей примеси зависит, при каком конкретно напряжении на затворе под ним образуется обеднённая область (этот параметр есть не что иное, как пороговое напряжение МОП-структуры). Из интуитивных соображений понятно, что чем больше концентрация примеси, т. е. чем больше дырок в полупроводнике, тем труднее их отогнать вглубь, т. е. тем выше пороговое напряжение или же, при одном напряжении, тем ниже потенциал в потенциальной яме (если она вообще образовалась).

Рис. 1д Вид на регистр "сверху". Канал переноса в боковом направлении ограничивается стоп каналами.

Понятно, что на полную передачу заряда из одной ямы в другую требуется время, так что при высокой тактовой частоте (а для ТВ стандарта она составляет в регистре считывания 7-13 МГц в зависимости от числа элементов по горизонтали) этого времени может и не хватить. Величина, показывающая, какая часть зарядового пакета передалась в следующий элемент ПЗС, называется эффективностью переноса е. Часто пользуются и связанной с ней величиной неэффективности h = 1-e. Однако частотные ограничения - это ещё полбеды. Беда же в том, что для структуры ПЗС, обсуждавшейся до сих пор, все события происходят в очень тонкой (десятки ангстрем) области у границы раздела окисел-кремний. Сколь бы не была совершенной кристаллическая структура подложки, граница раздела - нарушение однородности кристалла, а из физики твёрдого тела известно, что всякое нарушение однородности кристаллической решётки приводит к возникновению разрешённых энергетических уровней в запрещённой зоне. Ясно, что такое нарушение, как граница раздела, даром не проходит. И образующихся при этом энергетических уровней столько, что они образуют квазинепрерывный спектр, а значит, среди них есть такие, которые способны захватывать электроны из зоны проводимости (ловушки), причём время, через которое захваченный электрон вернётся обратно в зону проводимости, зависит от энергии ловушки (и абсолютной температуры). И получается, что, пока над данной точкой границы раздела нет заряда (а это когда-нибудь, да так), часть ловушек освобождается, эмитируя электрон обратно в зону проводимости, а когда придёт очередной зарядовый пакет - мгновенно заполняется, чтобы снова освободить захваченные электроны после того, как этот зарядовый пакет ушёл, так что освобождённые электроны попадают в другой, пришедший позднее, зарядовый пакет.

Более того, эмиссия электронов с ловушек обратно в зону проводимости, как всякий тепловой процесс, подвержена термодинамической флуктуации и привносит в распределение зарядов по ячейкам шум переноса. Кроме того, часть электронов, попавшая на глубокий уровень с длительным временем эмиссии, может вовсе не вернуться, а называется фиксированными потерями, и особенно заметно при переносе малых зарядовых пакетов. И, наконец, через квазинепрерывный спектр ловушек происходит интенсивная генерация темнового тока (тепловой процесс спонтанного образования электронно-дырочных пар - к сожалению, процесс неизбежный при температуре, отличной от абсолютного нуля, а наличие уровней в запрещённой зоне резко повышает его вероятность).

Все эти неприятности, связанные с поверхностным каналом переноса, удалось полностью (или почти полностью) устранить инженерам фирмы Philips, в 1972 году предложившим ПЗС со скрытым каналом. Это решение, разом убивавшее несколько зайцев, оказалось настолько удачным, что с тех пор все ПЗС выпускаются только со скрытым каналом. От обычного он отличается тем, что в поверхностной области кремния создаётся тонкий (порядка 0,3 - 0,5 мкм) слой с проводимостью противоположного подложке типа и с концентрацией примеси такой, чтобы он мог полностью обедняться при подаче на него напряжения через соответствующий контакт. Что же происходит в такой структуре? Для простоты предположим, что скрытый канал имеет однородную концентрацию примеси по всей глубине. При полном обеднении скрытого канала в нём остаётся нескомпенсированный заряд легирующей примеси (будем считать её примесью N-типа, т. е. остаются положительно заряженные атомы примеси). Кроме того, обеднённая область будет простираться и в подложку, как и для ПЗС с поверхностным каналом, причём в подложке заряд нескомпенсированной примеси - отрицательный. Распределение потенциала при таком ступенчатом распределении объёмного заряда, как следует из уравнения Лапласа, будет кусочно-параболическим с максимумом потенциала, лежащем на некоторой глубине от границы раздела (фактически вблизи металлургической границы p-n перехода скрытый канал - подложка;

Рис. 4а.

Рис.4б. Распределение потенциалов в ПЗС со скрытым каналов при отсутствии сигнального заряда, с сигнальным зарядом и при фиксации поверхностного потенциала.

Всё. Задача решена. Ведь теперь сигнальные электроны собираются именно в области максимума потенциала, нейтрализуя по мере накопления атомы примеси (зелёная линия на рис. 2б; это, в частности, означает, что максимальная плотность накопленного заряда не может превышать поверхностной концентрации примеси - порядка 1,5*1012 см-2), и не достигают поверхности. А значит, уходят все отрицательные моменты, связанные с взаимодействием зарядового пакета с границей раздела. Для дальнейшего изложения отметим ещё, что потенциал канала в максимуме пропорционален дозе легирования канала.

Степень совершенства кристаллической решётки в современных материалах весьма высока, и ныне эффективность переноса в ПЗС со скрытым каналом (собственно, далее речь будет идти только о них) достигает в лучших приборах потрясающих величин 99,9999% (или h = 10-6) на перенос, т. е. после тысячи переносов искажения от неэффективности составляют 0,1%. Достигается это не только из-за крайне низкой плотности ловушек в объёме полупроводника, но и из-за того, что перенос происходит на некотором удалении от затворов, а значит, становятся заметными двумерные эффекты - электрическое поле одного затвора проникает под соседний, создавая тем самым дрейфовую составляющую переноса (тянущее поле), что вытягивает заряд гораздо быстрее, чем просто тепловая диффузия, так что частотные ограничения эффективности в диапазоне частот, характерном для телевизионных матриц, практически незаметны.

Отметим ещё одно отличие ПЗС со срытым каналом от ПЗС с поверхностным каналом: уровни управляющих напряжений для них биполярные, т. е. напряжение барьера - отрицательное. Причём при некотором его значении потенциал на границе раздела достигает нуля и дальше изменяться не может, так как дырки из стоп канала заполняют поверхность, закорачивая её на стопор и экранируя канал от дальнейшего изменения электрического поля затвора.

Это явление называется фиксацией поверхностного потенциала (pin) и используется в ПЗС с виртуальной фазой и т. н. приборах МРР (multi-pin phase), о чём мы ещё поговорим. И ещё: скрытый канал невозможно закрыть; как только наступает фиксация, дальнейшее изменение потенциала канала прекращается.

Теперь, прежде чем рассказать о том, как из одного регистра сделать двумерную матрицу, несколько слов о том, как, собственно, выглядит стандартный телевизионный сигнал черно-белого телевидения. Мы не будем углубляться в детали того или иного ТВ стандарта, а рассмотрим общие принципы формирования сигнала.

Рис. 5. ТВ сигнал

Посмотрим на этот рис. 5, где схематично изображён ТВ сигнал. Он

содержит видеосигналы отдельных строк, разделённые интервалом обратного хода по строке (строчный гасящий интервал), необходимым для того, чтобы электронный луч, как в кинескопе, так и в передающей камере (вспомним, что этот стандарт возник достаточно давно, в эпоху вакуумных приборов) успел вернуться к началу следующей сроки. Во время этого интервала подается и строчный синхроимпульс, формируется не самим датчиком изображения, а замешивается в сигнал электронными схемами камеры). Уровень синхроимпульсов принят за 0, уровень черного в видеосигнале составляет 0,33 В, уровень гасящего - 0,3 В (30 мВ разницы образуют т. н. защитный интервал), максимальный уровень видеосигнала (уровень белого) - 1,00 В. Когда переданы сигналы всех строк одного поля, начинается формирование кадрового гасящего интервала. Строчные синхроимпульсы в это время продолжают формироваться, чтобы не сбивать схемы строчной развёртки кинескопа (в реальности их частота на короткое время, равное 2,5 длительности строки, удваивается, а полярность инвертируется, чтобы обозначить кадровый синхроимпульс), а видеосигнал не формируется. Затем, по окончании кадрового гасящего, начинается прямой ход по кадру для следующего поля. По принятому, например, в Европе стандарту период строчной развёртки составляет 64 мкс, длительность прямого хода по строке - 52 мкс, длительность обратного хода по строке - 12 мкс, а длительность кадрового гасящего - 25 строк. При этом в каждом поле имеется 312,5 строки, из которых 287,5 - активные, т. е. имеющие видеосигнал (полстроки возникает из-за того, что полное число строк в кадре для чересстрочной развёртки нечётное - 625).

Теперь вернёмся к структуре двумерной матрицы ПЗС. Простейший её вариант изображён на рис. 6а. В нём можно выделить два вертикальных регистра сдвига на ПЗС, образующие секцию накопления и секцию хранения с равным числом строк (каждая строка секции образована одной тройкой электродов), горизонтальный регистр сдвига и выходное устройство. Рассмотрим подробнее работу такой структуры.

Рис.6а Структура двумерной матрицы ПЗС

В течение времени прямого хода по кадру секция накопления стоит, т. е. на неё подаются неизменные напряжения, формирующие потенциальные ямы только под одним электродом каждой тройки, скажем, под электродом первой фазы (VS1), причём потенциальные ямы образуются во всех элементах всех строк секции. По горизонтали отдельные ячейки накопления отделены стоп каналами (выделены на рисунке красным цветом). Изображение, проецируемое на секцию накопления, вызывает фотогенерацию - образование электронно-дырочных пар. При этом фотогенерированные электроны остаются в потенциальной яме, дырки же, соответственно, уйдут в подложку или в вдоль поверхности в стоп каналы. Таким образом, под действием света в ячейках накапливается зарядовый рельеф, т. е. в каждой ячейке собирается заряд, пропорциональный её освещённости и времени накопления.

По окончании прямого хода по кадру на обе секции подаются тактовые импульсы, вызывающие синхронный перенос заряда, при этом важно (и это показано на рисунке), что обе секции образуют непрерывный регистр сдвига. После числа тактов, равного числу строк в каждой секции (напомним, что каждая строка образована тремя электродами), весь накопленный зарядовый рельеф целиком переместится в секцию памяти, закрытую от света, а секция накопления будет очищена от заряда. Этот перенос секции в секцию происходит достаточно быстро (фактически он занимает малую часть времени обратного хода по кадру). Теперь, во время следующего цикла накопления (это следующее поле кадровой развёртки), секция накопления накапливает следующий кадр изображения, а из секции памяти заряды построчно, во время обратного хода по строке, передаются в горизонтальный регистр), каждый элемент регистра имеет зарядовую связь с соответствующим столбцом секции памяти, и за один раз передаётся одна строка, и затем выводятся в выходное устройство регистра за время прямого хода по строке, формируя видеосигнал. О выходном устройстве мы подробнее поговорим ниже.