Сканеры: виды, устройство, принципы работы

Сразу отметим одно важное обстоятельство. Первые матрицы выглядели именно так, как показано на рисунке, с электродами, сформированными из металла (молибдена). Понятно, что для обеспечения зарядовой связи и возможно полного переноса заряда от затвора к затвору зазор между ними не мог быть большим, что приводило к крайне низкой чувствительности: действительно, почти вся площадь элемента оказывалась непрозрачной для света. Кроме того, при ширине зазора 2 микрона и суммарной его длине для всей матрицы несколько метров весьма вероятно замыкание металлических фаз друг на друга, что приводит к потере работоспособности матрицы.

Радикальным выходом стало предложенное в 1974 г. К. Секеном и М. Томпсеттом из Bell Labs использование электродов из поликристаллического кремния, прозрачного почти во всём видимом диапазоне. В таких приборах для формирования трёхфазной системы электродов используются три последовательно наносимых на подложку уровня поликремния, каждый для своей фазы, которые после формирования электродного рисунка окисляются. Чтобы при окислении поликремния не изменялась толщина под затворного диэлектрика, в современных приборах он делается двухслойным - окисел + нитрид кремния (Si3N4). Первые же приборы с поликремниевыми затворами превзошли по чувствительности вакуумные трубки и даже фотоэмульсию. Кроме того, выращенный на каждом слое поликремния изолирующий окисел (см рис. 6а) резко снизил вероятность межфазного замыкания, а межфазный зазор уменьшился до 0,2 мкм - толщины межфазного окисла.

Теперь, мне кажется, настало время поговорить о достоинствах и ограничениях ПЗС вообще и данной структуры в частности. Разумеется, общие преимущества перехода от вакуумных приборов сразу к ИС высокой степени интеграции очевидны и не нуждаются в комментариях. Остановимся на менее очевидных (а для непосвящённых, возможно, и просто новых) моментах.

Прежде всего, отметим жёсткий растр. В трубках растр создавался сканирующим электронным лучом, и его геометрическое качество зависело от массы факторов - линейности напряжений развёрток, стабильности питающих напряжений, температурных эффектов и т. д. В твердотельных приборах растр задаётся с высокой точностью в процессе изготовления структуры прибора, так что геометрические искажения получаемого изображения определяются только качеством оптики. С жёсткостью растра связаны и такие достоинства, как отсутствие микрофонного эффекта (т. е. изменения параметров электровакуумного прибора из-за акустического воздействия) и нечувствительность к магнитным полям - а ведь искажения в трубках, если не принимать специальных мер, могли порой возникать даже от изменения её положения относительно магнитного поля Земли!

С жёстким растром - и вообще с тем, что это интегральная схема связано и другое преимущество ПЗС, особенно важное для профессиональных цветных камер - совмещение растров датчиков в трех матричных камерах цветного ТВ. Я напомню, как получается цветной сигнал в таких камерах (будь то на ПЗС или на трубках): световой поток от объектива с помощью специальной дихроичной призмы расщепляется на три - соответственно красный, зелёный и синий, поступающие каждый на свой датчик. Ясно, что малейшее рассогласование растров этих датчиков приводит к появлению цветовой окантовки на результирующем изображении. А теперь представьте себе, каких ухищрений стоит добиться совмещения растров для трёх электронно-лучевых приборов! Жёсткий растр и связанная с этим жёсткая привязка выходного сигнала к тактовой частоте упростила и конструкцию одно-матричных цветных камер, в которых для получения информации о цвете используется нанесение непосредственно на фоточувствительную секцию специального фильтра - мозаичного или полосового - так что каждый элемент ПЗС передаёт сигнал только одного какого-то цвета, а полный цветной сигнал получается за счёт соответствующей обработки выходного сигнала ПЗС. Ясно, что однозначная привязка сигнала каждого элемента с сетке частот упрощает эту обработку (нелинейность развёртки в трубках вынуждала формировать специальный индексный сигнал, для чего конструкция мишени трубок для одно-трубочных камер цветного ТВ сильно усложнялась).

Ещё одно достоинство - отсутствие эффекта выжигания. В трубках чрезмерно яркий свет (например, случайно попавший в поле зрения яркий источник света или, не приведи бог, Солнце), приводил к выжиганию - длительному, а иногда и необратимому изменению параметров фото катода - и изображение этого источника (причём негативное) ещё долгое время можно было наблюдать, даже не открывая объектив... Ещё один неприятный эффект, свойственный трубкам (кстати, и фоторезисторным матрицам) и полностью отсутствующий в ПЗС - инерционность. Многие, вероятно, видели хвост, тянущийся за изображением яркой лампы при панорамировании камеры. Именно так проявляется инерционность трубки - даже после исчезновения освещенности данной точки фото катода сигнал с неё не спадает мгновенно. В матрицах ПЗС, накопленный сигнальный заряд полностью выводится при переносе кадра - и к началу следующей экспозиции секция накопления как новенькая.

По сравнению с твердотельными приборами с координатной адресацией (КА) ПЗС сильно выигрывают в однородности сигнала, так как все зарядовые пакеты детектируются одним усилителем (вспомним, что в приборах с КА каждый столбец имеет свой усилитель - со своим коэффициентом усиления). Помимо одинакового для всех зарядовых пакетов коэффициента преобразования заряд-напряжение, усилитель ПЗС характеризуется и значительно меньшим по сравнению с матрицами с КА шумом (это связано с величиной ёмкости преобразования, о чём мы ещё поговорим). И ещё одно достоинство по сравнению с конструкцией, о которой речь пойдёт ниже: вся площадь секции накопления является фоточувствительной, т. е. коэффициент заполнения (fill factor) равен 100%. Эта особенность делает приборы данной организации монополистами в астрономии и вообще везде, где идёт борьба за чувствительность.

При всей несомненной простоте, у матриц с рассмотренной организацией (они называются ПЗС с кадровым переносом) есть один существенный недостаток - собственно, сам кадровый перенос (КП). Тактовая частота, подаваемая на секции во время КП, составляет, как правило, несколько сот Кгц (редко 1-2 МГц), что связано с большой ёмкостью фаз секций (до 10 000 пФ) и тем, что сами электроды имеют распределённые параметры (RC), и тактовые импульсы при их высокой частоте могут просто не дойти до середины электрода. А раз так, то КП занимает существенное время - доли мс. Если теперь учесть, что во время КП секция накопления остаётся освещённой, то яркие участки изображения успевают дать вклад в чужой зарядовый пакет даже за то короткое время, когда он проходит через них. Так на сигнале появляется смаз - вертикальный след от ярких участков изображения размером во весь кадр. Для борьбы с ним применяются разные ухищрения. Так, в малокадровых системах (прикладные системы с низкой кадровой частотой; яркий пример, опять же, - астрономия, где время накопления составляет порой часы) используется механический затвор, или же, если есть такая возможность, просто отключают источник света. В цифровых камерах для компенсации смаза используются достаточно простые алгоритмы обработки изображения (просто запоминается отдельно картинка смаза - её можно, например, получить при нулевом времени накопления - и затем она вычитается из "суммарного" изображения).

Рис. 6б. Прибор с межстрочным переносом (МП)

Однако радикально проблема смаза решается в приборах с межстрочным переносом (МП), завоевавших доминирующее положение на рынке бытовой видеотехники. Их организация изображена на рис. 6б. В отличие от матриц с КП, функции накопления заряда и его переноса здесь разделены. Заряд из элементов накопления (это, как правило, фотодиоды - они тоже обладают ёмкостью и способны накапливать заряд!) передаётся в закрытые от света ПЗС-регистры переноса, то есть секция переноса как бы вставлена в секцию накопления. Теперь перенос зарядового рельефа всего кадра происходит за один такт, и смаз, связанный с переносом, не возникает. Чтобы побороть ещё и искажения, возникающие из-за попадания в каналы переноса носителей, генерируемых в глубине подложки (если только не применяется фильтр ИК отсечки - а в видеокамерах он всегда применяется), к матрице с МП добавляется ещё одна секция памяти с соответствующим числом элементов (рис. 6в). Смаз в такой матрице со строчно-кадровым переносом (СКП) пренебрежимо мал.

Рис. 6в. Секция памяти

По сравнению с матрицами с КП фактор заполнения в матрицах с МП или СКП примерно вдвое меньше, так как около половины площади фоточувствительной поверхности закрыто от света. Чтобы повысить эффективность сбора фотонов, используется микрорастр - массив небольших линзочек.

Он формируется очень просто: на поверхность пластины с уже формированными структурами матрицы наносится слой оптической легкоплавкой пластмассы, из которого методом фотолитографии вырезаются изолированные квадратики, лежащие над каждым элементом. Зазор между отдельными квадратиками невелик. Затем пластина нагревается, пластмасса подплавляется и поверхность отдельных квадратиков приобретает близкую к сферической форму, фокусируя приходящий на её поверхность свет точно на фоточувствительный элемент матрицы. Получается вот что

4.1.1 Параметры и характеристики ПЗС

Перейдём рассмотрим параметры и характеристики ПЗС. Прежде всего, остановимся на их спектральных характеристиках - зависимости выходного сигнала от длины волны, или, что эквивалентно, квантовом выходе - количестве фотоэлектронов на один фотон падающего излучения.

Спектральная характеристика (СХ) ПЗС определяется, причём мультипликативно, двумя факторами - прохождение света через электродную структуру и фотогенерация, вызванная поглощением света непосредственно в полупроводнике (внутренний квантовый выход). Начнём с последнего.

Поглощение света в полупроводнике описывается коэффициентом поглощения - величиной, обратной длине, на которой интенсивность излучения падает в е раз. Далее, фотогенерацию вызывают только фотоны с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны - около 1,2 эВ (что соответствует длине волны чуть больше 1,05 мкм - это ближний ИК диапазон). Фотоны с большей длиной волны просто не поглощаются и соответственно не дают вклада в выходной сигнал, а длина ~1,05 мкм оказывается красной границей фотоэффекта в кремнии. При уменьшении длины волны коэффициент поглощения постепенно растёт; так, при l = 1 мкм свет затухает в е раз на 100 мкм, при l = 0,7 мкм (красный цвет) - на 5 мкм, а при l = 0,5 мкм (зелено-голубой) - на 1 мкм. Что же из этого следует?

Вспомним, что глубина обеднённого слоя (глубина, на которую распространяется электрическое поле затвора вглубь полупроводника) - около 5 мкм. Ясно, что для света, который целиком поглощается внутри этого слоя (при длине волны менее примерно 0,6 мкм), внутренний квантовый выход будет почти 100%, так как происходит мгновенное разделение электронно-дырочных пар электрическим полем. Для более длинных волн значительная доля фотонов поглощается в нейтральной подложке, откуда носители могут попасть в потенциальные ямы только за счёт тепловой диффузии - на что шансов тем меньше, чем глубже родился каждый конкретный электрон. Надо ещё учесть, что сама подложка по своим свойствам неоднородна. Так, практически все западные приборы изготавливаются на эпитаксиальных подложках с толщиной эпитаксиального слоя 10-12 мкм, а российские ПЗС - на подложках с внутренним геттерированием (это специальный процесс, при котором дефекты кристаллической решётки загоняются вглубь подложки, так что поверхностный слой толщиной около 20 мкм становится свободным от дефектов). В обоих этих случаях время жизни свободных носителей вне поверхностного слоя чрезвычайно мало, и они просто не успевают попасть в потенциальные ямы. Это ещё больше снижает внутренний квантовый выход ПЗС для длинноволнового участка спектра.

Для очень коротких длин волн (менее 270 нм) энергия фотонов достаточна для генерации двух электронно-дырочных пар, так что для них внутренний квантовый выход, на первый взгляд, может превышать 100%. Увы, нет в мире совершенства, и граница раздела окисел-кремний - яркий тому пример. При коротких длинах волн коэффициент поглощения становится настолько большим, а длина поглощения настолько маленькой, что становится существенным вклад поверхностной рекомбинации, то есть только что рождённые пары успевают рекомбинировать, не успев разделиться. Так что в области коротких длин волн внутренний квантовый выход тоже падает, хотя и не до нуля.

Рис.8. Сечение трёхфазного ПЗС с электродами из поликристаллического кремния (вверху, а) и с виртуальной фазой (внизу, б). Около половины площади ячейки свободно от поликремния

Поговорим о пропускании света электродной структурой. Как можно судить по рис. 8а, где схематично изображено сечение ПЗС, свет, попадая в полупроводник, проходит через несколько слоёв с различными оптическими характеристиками, так что неизбежна его интерференция, благо, что толщина этих слоёв соизмерима с длиной волны. И действительно, СХ ПЗС довольно причудлива. Далее, поликристаллический кремний, из которого сделаны электроды, совершенно непрозрачен в области длин волн до 430-450 нм (синий и фиолетовый цвета). В итоге СХ обычного трёхфазного ПЗС с поликремниевыми затворами выглядит так, как показано на рис. 6 красной линией.

Рис. 9. Спектральные характеристики абсолютного квантового выхода: обычного ПЗС (красный), ПЗС с люминофорным покрытием (желтый), с освещением с обратной стороны подложки (зеленый) и с виртуальной фазой (синий).

Использование фотодиодов в матрицах МП и СКП значительно улучшает СХ ПЗС, особенно в коротковолновой части спектра, поскольку уходят проблемы, связанные с электродами. Именно это обстоятельство позволяет таким приборам успешно работать в вещательных и бытовых камерах цветного телевидения. В камерах прикладного и научного направления, где доминируют всё же приборы с КП, применяются совершенно другие подходы.

Самый простой - нанесение люминофора, специального вещества, прозрачного для длинных волн, но преобразующего коротковолновый свет в кванты с большей длиной волны. Этот приём позволяет расширить СХ ПЗС в синюю и УФ область спектра (на рис. 9) показано жёлтым цветом), не затрагивая, впрочем, средне- и длинноволновую часть СХ. Кроме того, в ряде применений, особенно в астрономии, требуется глубокое охлаждение приборов (о необходимости чего мы ещё поговорим), которое люминофорное покрытие не выдерживает. Второй способ, пожалуй, самый трудоёмкий и дорогой, но именно он позволяет добиться фантастических результатов. Состоит он в том, что кристалл ПЗС, уже после изготовления, утоньшается до толщины 10 мкм и менее (и это при размере кристалла в несколько сантиметров!), а свет падает на обратную сторону подложки, специальным образом обработанную. При столь тонкой подложке носители успевают добраться до потенциальных ям (напомним, что они простираются на глубину до 5 мкм), а полное отсутствие каких бы то ни было электродов гарантирует, что практически весь свет, за исключением потерь на отражение, проникает в кремний.

Квантовая эффективность таких матриц (зелёная кривая на рис. 6) достигает иногда 90%, а спектральный диапазон простирается от 180 до 950 нм. Именно такие матрицы, несмотря на дороговизну (порой несколько десятков тысяч долларов - хотя, что это за деньги, если сам телескоп стоит сотни миллионов!), применяются в большинстве серьёзных астрономических проектов, включая космический телескоп "Хаббл" или недавно построенную Южную Европейскую Обсерваторию в Чили с несколькими 8-м телескопами.

И, наконец, третий способ улучшения спектральных характеристик ПЗС - виртуальная фаза, способ, предложенный в 1980 году Ярославом Хинечеком, в то время работавшим в фирме Texas Instruments, для американского проекта Galileo по запуску космического аппарата к Юпитеру. Суть этого способа в том, что один из электродов обычного ПЗС заменяется на мелкий слой p-типа (виртуальный затвор) непосредственно на поверхности кремния, замкнутый на стоп каналы (сам Хинечек модифицировал двухфазный ПЗС; автору ближе ПЗС с виртуальной фазой, полученные из обычных трёхфазных - см. рис. 5б). Доза канала под виртуальным затвором делается больше, чем под тактовыми затворами. Вспомним то, что говорилось про ПЗС со скрытым каналом по поводу фиксации поверхностного потенциала и зависимости глубины потенциальной ямы от дозы легирования канала. Структура с виртуальным затвором, замкнутым на подложку, с точки зрения канала переноса не отличается от состояния фиксации в обычном ПЗС со скрытым каналом. Если к тому же выбрать дозу легирования канала в области виртуальной ямы надлежащим образом, то потенциал канала в ней будет средним между ямой и барьером под тактовыми электродами, так что условия для тактируемого переноса заряда сохраняются.

Достоинства такой структуры несомненны. По сравнению с обычными ПЗС, в ней около половины площади ячейки свободны от поликремния, отсюда высокая чувствительность в синей и УФ области спектра (теоретически даже и до мягкого рентгена). Вместе с тем достигается она при освещении с фронтальной стороны подложки, что явно положительным образом сказывается на их цене. Ещё ПЗС с виртуальной фазой по принципу действия относятся к приборам с МРР, но об этом ниже, там, где речь пойдёт о темновом токе.

Я не мог не упомянуть здесь ПЗС с виртуальной фазой, поскольку именно этим типом приборов я имею честь заниматься уже многие годы (я и не обещал быть беспристрастным...). Эти приборы, в частности, уже много лет используются в системах ориентации российских космических аппаратов (звёздные датчики), и именно на них в 1986 г. впервые в мире было получено детальное изображение кометы Галлея (проект ВЕГА), которое даже попало на почтовые марки некоторых стран.

Поговорим теперь о других параметрах ПЗС (про неэффективность переноса и спектральные характеристики мы уже поговорили). Здесь будут обсуждаться как сами параметры, так и те меры, которые применяются для их улучшения.

4.1.2 Параметры ПЗС

4.1.2.1 Темновой ток

Как уже упоминалось, темновой ток - это результат спонтанной генерации электронно-дырочных пар и есть явление неизбежное, однако бороться с ним можно. Дело в том, что теоретическая величина темнового тока для кремния (если брать в расчёт только прямую генерацию через запрещённую зону) крайне мала, и на самом деле темновой ток в ПЗС (как и обратные токи в других кремниевых приборах) определяется двустадийной генерацией через промежуточные энергетические уровни в запрещённой зоне. Понятно, что чем меньше концентрация этих уровней - а она определяется качеством исходного кремния, чистотой реактивов и степенью совершенства технологии - тем меньше темновой ток. Понятно также, что граница раздела, где этих уровней заведомо много, даёт заметно больший вклад в темновой ток, чем объём. И вот здесь-то и надо вспомнить про МРР-приборы. Их отличие от обычных ПЗС в том, что под одной из тактовых фаз доза канала увеличена, соответственно и потенциал канала при фиксации будет выше. Таким образом, даже если на всех фазах напряжение на затворе таково, что поверхностный потенциал фиксирован, в канале переноса потенциальный рельеф сохраняется, а значит, возможно, локализованное накопление зарядовых пакетов. Поверхность же замкнута на подложку и исключается из процесса генерации темнового тока.

В настоящее время типовые значения темнового тока для лучших западных ПЗС составляют при комнатной температуре доли нА/см2, или несколько сотен (иногда тысяч) электронов на ячейку в секунду. И если для вещательного и бытового ТВ (время накопления 20 или 40 мс) такой темновой ток незаметен, то для научных применений, где регистрируются потоки в десяток фотонов на элемент, даже столь низкий темновой ток неприемлем. Действительно, время накопления в малокадровых системах, скажем, флуоресцентной микроскопии достигает минут, а в астрономии, когда нужно получить спектр звезды 20-й величины (совершенно типовое дело), - часов. В этом случае на помощь приходит охлаждение матриц. Как всякий термодинамический процесс, темновой ток сильно зависит от абсолютной температуры; принято считать, что при уменьшении температуры на каждые 7-8 градусов он уменьшается вдвое. Для глубокого охлаждения (в астрономических системах) используются азотные криостаты, где матрицы охлаждаются до -100оС. Для более простых систем применяется термоэлектронное охлаждение с использованием батарей Пельтье, которые способны обеспечить перепад в 70оС при подаче напряжения в 5-6 В, так что температура кристалла при комнатной наружной оказывается около -40оС, а темновой ток снижается до ~1 электрона на ячейку в секунду. Эти батареи столь компактны, что монтируются непосредственно в один корпус вместе с кристаллом ПЗС. Такие охлаждаемые приборы широко выпускаются как в США (например, фирмой SITe Technology или Hamamatsu Photonics) и в Европе (EEV, Великобритания), так и в России (фирма "Электрон-Оптроник", С.-Петербург).

Ну и, наконец, в цифровых системах на ПЗС, поскольку характеристика его отличается высокой линейностью, можно просто запоминать темновой сигнал (при данной температуре и данном времени накопления), а затем вычитать его из результирующего.

4.1.2.2 Неоднородность чувствительности

Ячейки ПЗС имеют неодинаковую чувствительность, т. е. даже при абсолютно однородной освещённости сигнал с них разный (иногда этот эффект называют геометрическим шумом). Величина этой неоднородности невелика и обычно не превышает 1-5% (для разных типов приборов), так что, скажем, в обычных ТВ камерах ею можно пренебречь. В научных системах, где требуется высокая фотометрическая точность, применяют довольно простой алгоритм коррекции неравномерности. Поскольку чувствительность каждого индивидуального элемента - фиксированная величина, то для её коррекции при некоторой равномерной освещённости запоминают сигналы со всех элементов прибора - и используют их как коэффициенты коррекции при всех последующих экспозициях. Предварительно, разумеется, проводят коррекцию темнового тока.

4.1.2.3 Шумы

Шумит сам световой поток. То есть число фотоэлектронов, накопленное в ячейке, определено с точностью до квадратного корня из их числа (статистика Пуассона). Например, зарядовый пакет в 10000 электронов от кадра к кадру будет флуктуировать со среднеквадратическим отклонением в 100 электронов. Точно такой же статистике подвержен и темновой сигнал, и, следовательно, суммарный (световой + темновой). Это, однако, не снимает задачи снижения шумов собственно ПЗС, поскольку часто приходится работать с сигналами в десяток-другой фотонов на ячейку (к счастью, не в ТВ системах).

Для качественных приборов, где низки темновой ток и неэффективность переноса, доминирующим источником шума будет выходное устройство. Обратимся ещё раз к рис. 4а и посмотрим на выходное устройство. Оно состоит из ёмкости считывания, как правило, диода, транзистора сброса Q1 и выходного усилителя (обычно это двухкаскадный истоковый повторитель с высоким входным импедансом). Работает такое выходное устройство так. Импульс сброса соединяет диод с источником опорного напряжения Vref., после чего транзистор сброса закрывается, и диод оказывается плавающим, т. е. его потенциал может изменяться при поступлении в него заряда - и он изменяется при следующем такте переноса заряда в регистре. Это изменение потенциала передаётся на выход прибора через усилитель. Так вот, фундаментальным свойством системы ключ - конденсатор (в случае ПЗС это транзистор Q1 и плавающая диффузия) является то, что каждый раз после размыкания ключа исходный потенциал считывающей ёмкости будет разным, причём среднеквадратическая величина этого шума (он называется установочным) равна (kT/C)1/2, а эквивалентный шумовой заряд - (kTC)1/2, где k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, а С - ёмкость считывающего узла. При комнатной температуре установочный шум равен 400C1/2?, если С - в пикофарадах. При этом сам сигнал пропорционален 1/C. Стало быть, чем меньше ёмкость, на которой детектируется заряд, тем больше отношение сигнал/установочный шум для данного считывающего устройства. Именно здесь кроется преимущество ПЗС по сравнению с предшествующими датчиками, где заряд с одного элемента попадал на общую для всего столбца шину.

Величина ёмкости считывания в современных ПЗС достигает 0,01-0,03 пФ, что соответствует установочному шуму примерно в 40-70 электронов. Для многих применений такой уровень шума приемлем, однако существует метод, позволяющий практически полностью устранить его. Этот метод предложен М. Уайтом и другими из фирмы Westinghouse в 1974 и носит название двойной коррелированной выборки. Вдумаемся ещё раз в то, когда появляется установочный шум: после размыкания транзистора сброса (отмечу ещё раз, что "после" не значит "из-за"; причина установочного шума - в фундаментальных термодинамических законах), но до поступления заряда в плавающий диод. Поступление сигнального заряда вызывает только изменение потенциала плавающей диффузии, и если предварительно запомнить напряжение установочного шума, то потом его легко вычесть из результирующего сигнала и тем самым полностью его (шум) устранить. Метод двойной коррелированной выборки стал фактически стандартным методом предварительной обработки сигнала для всех малокадровых систем, работающих на сравнительно низких тактовых частотах, да и во многих ТВ камерах.

Остаётся только шум собственно выходного усилителя. Он имеет две компоненты: так называемый шум 1/f, присущий МОП-транзисторам, спектральная плотность которого, как следует из названия, растёт в области низких частот и сильно зависит от степени совершенства технологического процесса, и тепловой шум канала транзисторов, имеющий равномерный (белый) спектр и определяемый в основном геометрией транзистора. Шум 1/f во многом подавляется схемой двойной коррелированной выборки, которая служит фильтром верхних частот, причём степень подавления зависит от соотношения тактовой частоты и частоты излома спектральной характеристики плотности шума. Обычно конструкция выходного усилителя оптимизируется с точки зрения достижения минимального эквивалентного шумового заряда для данных условий применения, а полный эквивалентный шумовой заряд зависит ещё и от тактовой частоты работы ПЗС. Для современных приборов на частоте порядка 100 Кгц типовым считается шум выходного усилителя 3-6 электронов (при охлаждении), а в лучших приборах достигается цифра 2 электрона. Поскольку заряд насыщения (максимальная величина зарядового пакета, передаваемого без искажений) составляет, как правило, 200-500 тыс. электронов, то динамический диапазон ПЗС достигает примерно 100-110 дБ; это примерно 18 или 19 бит. Кстати, динамический диапазон аудио-CD - всего лишь 16 бит. Впрочем, известны экспериментальные конструкции усилителей с шумом... .. 0,5 электрона. То есть электроны считаются поштучно.

4.1.2.4 Антиблюминг, или устойчивость к локальным пересветкам

Из-за явления фиксации поверхностного потенциала скрытый канал запереть нельзя. Что же будет происходить в ячейке ПЗС, когда заряд в ней будет расти и расти? Вернёмся к рис. 2. На нём показано, что с ростом сигнального заряда в потенциальной яме потенциал канала в ней уменьшается, и когда он достигнет значения потенциала в канале по соседним электродом, заряд просто начнёт переливаться через этот незапертый участок канала в соседний элемент - причём в обе стороны. На изображении это проявляется в виде вертикального расплывания ярких деталей изображения. Это явление и называется оптической пересветкой (blooming), и если в системах регистрации слабых сигналов с ним ещё можно мириться (в силу невысокой вероятности с ним столкнуться и возможности изменить время накопления), то в камерах для ТВ оно совершенно недопустимо.

Бороться с блюмингом можно только разработкой специальной конструкции ячейки. Первый способ (горизонтальный антиблюминг) состоит в том, что вдоль каждого столбца фоточувствительных ячеек прокладывается узкая стоковая область, находящаяся под большим положительным потенциалом и отделённая от накапливающей сигнальный заряд потенциальной ямы некоторым барьером, потенциал канала в котором (иногда управляемый отдельным затвором) выше, чем в запертом канале, отделяющем ячейки друг от друга. В этом случае избыточный заряд будет переливаться в сток, и искажения сигнала в соседних элементах не возникает. Если используется специальный затвор управления антиблюмингом, то появляется возможность принудительной очистки заряда из накопительной ячейки даже без её переполнения, что есть не что иное, как электронная регулировка экспозиции.

Ценой горизонтального антиблюминга является некоторое снижение коэффициента заполнения (область стока, ясно, не может дать вклад в сигнал), и увеличение размеров ячейки, что для приборов с малым размером ячейки неприемлемо. В матрицах для ТВ, где размер ячейки, как правило, менее 10 мкм, для борьбы с блюмингом применяется другой, весьма изощрённый способ - вертикальный антиблюминг. При этом стоковая область располагается не рядом, а под накопительной ячейкой, следовательно, увеличения площади ячейки не требуется. Ячейка здесь имеет структуру не просто n+p, как в обычном скрытом канале, а n+pn-, причём средний p-слой служит как бы "подложкой", а собственно n--подложка - стоком антиблюминга. Как можно догадаться, в отсутствие заряда вертикальное распределение потенциала в такой структуре при ступенчатой аппроксимации распределения примесей по глубине будет кусочно-параболическим с одним максимумом и одним минимумом потенциала, и при правильном выборе параметров легирования слоёв (и при тщательном их соблюдении в процессе изготовления!) избыточный заряд из ячейки будет сливаться не вбок, а вниз. Платой за это, помимо сложной технологии, является сильный спад ИК чувствительности прибора (большая часть ИК фотонов, если помните, поглощается на заметной глубине от поверхности) и некоторый спад в красной области, впрочем, волне приемлемый. Потеря же ИК чувствительности для приборов цветного телевидения, право же, беда невеликая.

Многообразие ПЗС не исчерпывается рассмотренными в этом обзоре типами. Так, широкое распространение находят линейки ПЗС - как для считывания одномерных изображений (например, штрих коды), так и в системах, где имеется механическая развёртка по одной координате. Простейшие примеры - телефакс и сканер. Менее очевидные применения - системы наблюдения за земной поверхностью с космических аппаратов или самолётов, где используется движение самого аппарата относительно Земли. Как правило, накопительными элементами в ПЗС-линейках служат фотодиоды; по обе стороны от линейки накопительных элементов располагаются регистры считывания (соответственно для чётных и нечётных элементов - билинейная организация). Номенклатура выпускаемых сейчас линеек довольно широка, а число фоточувствительных элементов колеблется от 1024 до 8192.

Разновидностью приборов для систем с механической развёрткой являются приборы ВЗН - с временной задержкой и накоплением. Их организация тождественна односекционным ПЗС с КП, но отличаются они режимом тактировки по вертикали: секция тактируется непрерывно, причём тактовая частота подбирается такой, что скорость перемещения зарядового рельефа равна скорости перемещения изображения; при этом каждый элемент изображения даёт вклад в один и тот же зарядовый пакет, что, очевидно, увеличивает чувствительность ВЗН по сравнению с обычными линейками в число строк раз. Именно ВЗН широко применяются в космической аппаратуре для наблюдения за земной поверхностью. Число строк в таких приборах колеблется от 64 до 256, а число элементов по горизонтали - от 1024 до 4096.

А вообще приёмники изображения - не единственное применение ПЗС. Так, добавив к регистру ПЗС устройство ввода электрического сигнала, мы получим аналоговую линию задержки, причём время задержки определяется как числом элементов регистра, так и тактовой частотой, а значит, может легко изменяться. Далее. В качестве элемента регистрации зарядового пакета можно использовать не только плавающую диффузию, но и плавающий затвор, характеризующийся неразрушающим считыванием, т. е. получить регистр с отводами. Такие регистры являются основой трансверсальных фильтров, широко применявшихся, например, в обработке радиолокационных сигналов.

Нельзя сказать, что сейчас ПЗС достигли совершенства, хотя за истекшие годы в технологии их изготовления и был достигнут потрясающий прогресс. Диапазон выпускаемых приборов охватывает как миниатюрные матрицы с шагом элементов примерно 3 на 5 мкм (одна из последних разработок Sony), так и гигантские кристаллы форматом 5 тыс. на 5 тыс. элементов и размером кристалла почти 8 на 8 см (фирма DALSA, Канада). Не за горами и появление однокристальных приборов форматом 8 на 8 тысяч элементов, тогда как сейчас приборы сверхбольшого формата (эти астрономы ненасытны...) собираются из двух или четырёх отдельных кристаллов, монтируемых встык на общее основание.

Разумеется, у ПЗС есть и свои проблемы. Самая серьёзная из них - специфическая, ни на что не похожая технология изготовления и чрезвычайно жёсткие требования к однородности исходного кремния и степени совершенства технологического процесса. Если при производстве цифровых приборов разброс параметров по пластине может достигать нескольких крат без заметного влияния на параметры получаемых приборов (поскольку работа идёт с дискретными уровнями напряжения), то в ПЗС изменение, скажем, концентрации легирующей примеси на 10% уже заметно на изображении. Свои проблемы добавляет и размер кристалла, и невозможность резервирования, как в БИС памяти, так что дефектные участки приводят к негодности всего кристалла. Специфическим ограничением является и присущий им по принципу действия последовательный вывод информации, тогда как в ряде применений (например, оптические системы наведения или устройства ориентации космических аппаратов) удобнее иметь датчики с произвольным опросом. Всё это привело к тому, что в последние годы заметный интерес проявляется к т. н. приборам с активной ячейкой (APS - active pixel sensors), изготавливаемым по стандартной КМОП-технологии. Пока уступая по своим параметрам ПЗС, эти приборы быстро прогрессируют. В будущем, вероятно, произойдёт определённое разделение "зон влияния" каждого из этих классов приборов, а может быть, появится что-нибудь совершенно новое.

Ну и чтобы всё же закончить на оптимистической ноте... Недавно фирма Sony анонсировала Microblock CCD - цветную ПЗС-матрицу и чипсет управления ПЗС и обработки видеосигнала, смонтированные в единый корпус со встроенным пластмассовым объективом. На выходе формируется стандартный ТВ сигнал. Размер этой цветной телекамеры - 18,3 на 18,3 на 7,3 миллиметра.

5. Программное обеспечение

Сканер - один из первых продуктов, в комплекте с которым пользователь стал получать помимо самого устройства и аппаратного драйвера, несколько программных продуктов. Суммарная стоимость этих лицензионных продуктов в коробочном исполнении может превышать те деньги, которые вы платите за сканер. Поэтому важно узнавать, что поставляется в комплекте со сканером.

Первое, что обязательно идет в комплекте со сканером - это его Twain драйвер. (technology without an interesting name)

В среде DOS все сканеры работали только со своими программными приложениями. Появление Windows казалось бы, должно было положить конец проблемам связанным с совместимостью сканеров с различным программным обеспечением, но Microsoft не включил сканеры в список устройств, стандартно поддерживаемых Windows. Ведущие производители сканеров и программного обеспечения создали этот стандарт своими силами, и называться он стал TWAIN, что не является никакой аббревиатурой, хотя многие считают, что Twain - это Tool Without Any Interesting Name или инструмент без какого-то ни было интересного названия(см. также http://www.twain.org ).

Сейчас стандарт TWAIN поддерживается всеми производителями настольных сканеров и всеми ведущими производителями графических пакетов и программ распознавания символов. Таким образом выбрав Twain устройство пользователь может напрямую сканировать из своей любимой графической программы., запустив из нее Twain драйвер сканера.

Почти все современные сканеры поставляются также в комплекте со специальными программами для оптического распознавания символов (OCR), редактирования изображений, а иногда и с другими прикладными программами. К сожалению, большинство программных средств редактирования изображений было разработано в расчете на профессионалов компьюетрной графики и дизайнеров, готовых затратить усилия на освоение мощных, но часто очень сложных инструментальных средств. По мере роста популярности сканеров в промышленности отмечается движение в сторону упрощения пользования программами для редактирования изображений. Хорошими примерами могут служить Adobe PhotoDeluxe и Ulead PhotoImpact (входящие в комплект поставки трех сканеров этого обзора). С другой стороны, опытные пользователи, могли бы подыскать ПО с более мощным редактором изображений, например, Adobe Photoshop

Если вы впервые сталкиваетесь с редактированием изображений, то должны потратить некоторое время на изучение новых концепций как на этапе сканирования, так и редактирования изображений. Например, гамма-коррекция позволяет изменить уровень контрастности для различных уровней яркости. Изменение параметра гамма-коррекции может привести к колоссальным различиям получаемых изображений, а понимание этого процесса поможет вам добиться лучших результатов как от сканера, так и редактора изображений. Возможно, вы захотите также поэкспериментировать с другими параметрами управления в вашем драйвере Twain, чтобы определить их влияние на изображение.

5.1 Программная часть.

Современные программы, работающие под Windows, общаются со сканером через поставляющуюся с ним в комплекте специальную программу - TWAIN-модуль

Twain драйвер сканера - это программное приложение с графическим интерфейсом, которое несет на себе функции панели управления сканером и осуществляет передачу данных от сканера в программное приложение, из которого вы вызываете сканер. С помощью Twain драйвера производится установка параметров и области сканирования, предварительное сканирование и просмотр, обеспечивается возможность цветокорректировки и постобработки получаемого изображения. Кроме сканеров Twain поддерживается также и цифровыми камерами.(на Macintosh модуль сканирования выполняется как Plug-In для Photoshop). Все программы, поддерживающие стандарт TWAIN (таковы все известные программы, как графические, так и OCR), в теории должны работать с любым поддерживающим его сканером (таковы все современные сканеры). На практике некоторые программы распознавания русского текста могут не работать со сканером, с которым предварительно не тестировались разработчиком.

ВАЖНО: поскольку TWAIN-модуль сканера является обычной программой, эта программа может не работать под некоторыми операционными системами вообще (а различаются даже версии Windows 95), или работать из рук вон плохо. Здесь справедлив общий закон "качества драйверов" - драйверы неведомого производства работают не очень надежно, и с выходом очередной версии Windows для нормальной работы понадобится новый драйвер.

Некоторые полезные свойства, не всегда встречающиеся в TWAIN-модулях:

· возможность автоматического определения настроек сканирования.

· окно предварительного просмотра с выбором сканируемого участка и отображением результата производимых настроек и коррекции изображения в реальном времени.

· плавные регулировки яркости, контрастности, гамма-коррекции.

· выбор точек чёрного и белого, желательно и "пипеткой" и заданием значения.

· фильтр подавления печатного растра, многоуровневый или настраиваемый.

· инверсия (негатив) и отражение (переворот) оригинала.

· встроенная система цветосинхронизации с набором профилей, позволяющая скорректировать сканируемое изображение под конкретное устройство вывода или преобразовать его в CMYK.

· возможность сканирования через сеть.

· разнообразные встроенные в драйвер фильтры коррекции резкости и подчёркивания границ изображения. Уступают имеющимся в Adobe Photoshop (исключение - программа LinoColor сканеров Linotype-Hell).

Функциональные возможности, встречающиеся в профессиональных моделях:

· тональная коррекция раздельными по RGB/CMYK кривыми , раздельно в светах, тенях и полутонах.

· компенсация "цветового сдвига" оригинала, численным заданием вычитаемого цвета или указанием образцового цвета, который должна иметь указанная оператором точка изображения после сканирования.

· автоматическое вычитание цвета фотоплёнки слайда (не заменяет собой компенсацию цветового сдвига ввиду возможных собственных искажений цвета на слайде, но и не повредит).

· возможность пакетного и группового сканирования, автоматическое распознавание слайдов в рамках.

· выполнение цветоделения с заданием соответствующих профилей и параметров печати. Издательские пакеты обычно сложнее в настройке цветоделения, но выполняют его качественнее, чем драйвер сканера (исключение - программа LinoColor сканеров Linotype-Hell. Но и обходится она в настоящие деньги). фильтр подавления печатного растра с возможностью тонкой настройки оператором

5.1.1 Драйвер сканера

Говоря о драйвере сканера следует отметить, что он должен предоставлять пользователю значительное количество настроек, обеспечивающее требуемое качество сканирования:

-автоматическую установку оптимальных параметров сканирования;

-окно предварительного просмотра изображения с выбором области сканирования и отображения результата при изменении параметров сканирования;

-регулировку яркости, контрастности и цветовой гаммы;

-установку дополнительных параметров;

Стандартом сегодня является двухуровневая архитектура интерфейса драйвера, предполагающая минимум настроек и интеллектуальное управление сканированием для новичков, с одной стороны, и максимально гибкие продвинутые настройки для опытных пользователей- с другой стороны. Вместе с тем следует иметь в виду, что некоторые производители, предлагая полноценные драйвера для дорогих моделей , поставляют сильно урезанные по своим возможностям драйверы для не дорогих сканеров начального уровня

5.1.2 Графический пакет

С помощью графического пакета осуществляется ввод графических изображений в компьютер. В комплекте со сканерами сейчас поставляются продукты таких фирм, как

Adobe (Photoshop), Ulead (Image Palsgo, IPhoto Plus, IPhoto Express), Micrografx (Picture Publisher) и некоторые другие. Для выбора источника Twain используется команда

File->Select Source. Для вызова сканера используется команда Acquire в меню File. В некоторых приложениях команда Scan.

Наиболее популярен сейчас в России пакет Adobe Photoshop. В зависимости от производителя и позиционируемой модели, вы можете получить в комплекте либо полную версию, либо ограниченную (урезанную или специальную) с возможностью последующего Upgrade со скидкой.

На западном рынке растет известность продуктов фирмы Ulead Inc, которая сейчас создала несколько очень интересных приложений для Web дизайна. Российским пользователям достаточно хорошо известен продукт IPhoto Plus простой в обращение, компактный и предоставляющий пользователю все необходимые средства в начальном редактировании изображений. Новая модификация IPhoto программа IPhoto Express имеет очень доступный. Красивый интерфейс и позволяет нажатием одной кнопки создать календарь, обои или Screen Saver из отсканированного изображения. Программа PhotoImpact представляет собой мощный инструмент в мире графики.

Конечно всегда есть возможность использовать графический пакет, который Вам полюбился, оставив в стороне то, что вы получаете в комплекте со сканером. Если вы хотите иметь графический пакет на русском языке, то рекомендуем обратить внимание на продукцию российской фирмы STOIK Software и графический пакет Picture Man.

5.1.3 Программа распознавания символов

OCR (Optical Character Recognition) - оптическое распознавание символов позволит Вам вводить печатные документы в компьютер с последующим редактированием в текстовом процессоре. В комплекте со сканером, который приехал в Россию пакет распознавания символов распознает все латинские языки, но там отсутствует распознавание русского языка (программные продукты фирм Xerox, Recognita, Caero и другие). Для распознавания русского языка существует две программы Fine Reader 3.0 (фирма БИТ) и CuneiForm (фирма Cognitive Technologies), сканеры доукомплектовываются облегченной версией одной из этих программ российским поставщиком, поэтому требуйте у дилера программу распознавания русского языка.

5.1.4 Другие программные продукты

Кроме необходимых компонентов поставки сканера Twain драйвера, графического пакета и пакета распознавания символов, часто вы получаете со сканером ряд других полезных программ и утилит. Это может быть приложение для прямой печати на принтер или отсылке факсов со сканера, программу переводчик, программу для организации документооборота и многое другое.

5.1.5 Качество драйвера

Все современные сканеры обмениваются данными с прикладными программами под Windows 95/98 и Windows NT при помощи программного интерфейса TWAIN, однако предоставляемый драйвером набор функций может быть разным, его обязательно следует уточнить при выборе сканера. Среди них наиболее важны:

§ возможность предварительного просмотра изображения с выбором области сканирования и количества цветов;

§ возможность регулировки яркости, контраста, и нелинейной цветовой коррекции (обычно задаваемой в виде кривых);

§ возможность подавления муара при сканировании изображений с печатным растром;

§ возможность простейших преобразований изображения (инверсия, поворот и т. п.);

§ возможность сетевого сканирования;

§ возможность режимов автоматической коррекции контраста и цветопередачи;

§ возможность работы сканера (в сочетании с принтером) в режиме копира;

§ возможности по цветокалибровке как сканера, так и всей системы;

§ возможности по пакетному сканированию;

§ возможности тонкой настройки фильтров и параметров цветокоррекции.

5.1.6 Количество и качество прилагаемого к сканеру ПО

5.1.6.1 Программное обеспечение Epson.

Главным стартовым окном является Epson Smart Panel, в котором собраны все необходимые утилиты сканирования. Пользователю достаточно лишь кликнуть на один из восьми значков, чтобы активизировать требуемое для работы приложение.

Значок Copy запускает утилиту копирования, благодаря которой связку сканер-принтер можно использовать в качестве копировального аппарата. Наглядность и простота использования данной утилиты не оставит в раздумьях даже неподготовленного пользователя. Копирование образа оригинала происходит в два прохода. Первый - prescan, во время которого происходит определение границ оригинала и подстройка яркостных значений, и второй - завершающий этап сканирования, с направлением оцифрованного изображения на выбранный принтер. Задав минимум настроечных параметров, пользователь получит вполне функциональный домашний копировальный аппарат.

Следующий значок Scan to E-mail запускает программу сканирования с заранее установленными параметрами, оптимизированными для отправки по электронной почте. Сканирование оригинала, определение его типоразмера, - все проходит автоматически, однако пользователю оставлена возможность перейти на ручной режим. В том случае, если автоматическое сканирование не оправдало себя, можно перейти в режим ручного управления и самолично задать необходимые настройки.

По завершении сканирования одной или серии фотографий, необходимо указать программу электронной почты, посредством которой будет осуществляться отправка.

Значок Scan to OCR предполагает сканирование содержащего текст документа, с дальнейшим направлением последнего программе распознавания. Замечу, что программа распознавания PRESTO, которая идет в комплекте, крайне плохо справляется со своими прямыми обязанностями. Для достижения абсолютных результатов лучше воспользоваться проверенной FineReader

Окно программы подготовки сканов для передачи программе распознавания символов.

Помочь с выводом изображений со сканера на принтер призвана программа Epson Photo Print. Ее главное достоинство - это простота использования. Пользователь практически “в два клика” сможет указать, что ему нужно. Интересно, что программа автоматически определяет ориентацию оригинала и при выводе фотографии по ширине листа займет все полезное место, применив функцию автомасштабируемости.

Программа Epson Scan to Web Ее основное предназначение - закачивать отсканированные изображения на персональную страничку в сети сайтов Epsonphoto.

Окно программы Scan to Web.

Из дополнительных программ (помимо Adobe Acrobat Reader) есть мощный редактор фотоизображений ArcSoft PhotoImpression. С помощью этого пакета можно добавлять спецэффекты к отсканированным образам, производить ретуширование фотографий, убирать “красные глаза”, подготавливать изображения для печати на фотопринтере и многое другое. По большому счету, в первую очередь эта программа понравится начинающим пользователям, для которых Adobe Photoshop чрезвычайно сложен. Теперь стоит рассказать о драйвере сканера, который отличается большей функциональностью и гибкостью. За кажущейся простотой программной оболочки драйвера скрывается практически полный перечень, для данного класса сканера, всевозможных настроек. К сожалению, как и у аппарата от Hewlett-Packard, в драйвере Perfection 1650 нет режима пакетного сканирования. Пожалуй, это единственный недостаток. Главное окно драйвера сканера поделено на область предварительного просмотра и область инструментов. Обратите внимание, фильтр “Нерезкая маска” (Unsharp Mask), использующийся в большинстве случаев при редактировании изображений, не запрятан в недра драйвера.