Рассмотрим общее устройство и принцип работы ПЗС

Матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов (рис. 5).

До экспонирования обычно подачей определённой комбинации напряжений на электроды происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов и приведение всех элементов в идентичное состояние.

Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции, тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно тем выше итоговый заряд данного пикселя.

После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении, к выходным элементам матрицы (рис. 5).

Обозначения на схеме субпикселя ПЗС: 1 — Фотоны света, прошедшие через объектив. 2 — Микролинза субпикселя. 3 — R — красный светофильтр субпикселя. 4 — Прозрачный электрод из поликристаллического кремния. 5 — Изолятор (оксид кремния). 6 — Кремниевый канал n-типа. Зона генерации носителей (зона внутреннего фотоэффекта). 7 — Зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей. 8 — Кремниевая подложка p-типа.

Рис. 5. Пример субпикселя ПЗС - матрицы (на примере красного фотодетектора).

Применение ПЗС является наиболее старой, но, в, то, же время, лучшей для сканирования художественных фотографий (по соотношению цена / качество) технологией. В сканерах этого типа лист бумаги, положенный на стеклянную рабочую поверхность сканера, освещается мощной лампой, а отражённый световой поток при помощи нескольких зеркал направляется в объектив, который фокусирует «картинку» на фотоприёмнике – линейке светочувствительных элементов, в качестве которых используется ПЗС - матрица (Рис. 3). После считывания строки оптическая головка сканера (или оригинал) передвигается на один шаг, и производится считывание следующей строки.

На каждом шаге каретки сканер фиксирует одну горизонтальную полоску оригинала, разбитую в свою очередь на некоторое количество пикселей на линейке ПЗС. Итоговое изображение, составленное из полосок, представляет собой как бы мозаику, составленную из пикселей одинакового размера и разного цвета (рис. 6).

Рис. 6. Пример использования линейного ПЗС в планшетном сканере: 1 — источник света; 2 — диафрагма; 3 — оригинал; 4 — шкив; 5 — стекло; 6 — зеркало; 7 — каретка; 8 — плата управления; 9 — направляющие; 10 — диафрагма; 11 — объектив; 12 — линейка ПЗС; 13 — фрагмент изображения; 14 — шаговый двигатель; 15 — основание; 16 — тросик.

В одной линейке ПЗС может быть от нескольких сотен до нескольких тысяч фоточувствительных ячеек. Размер элементарной ячейки ПЗС является критичным параметром, так как от него зависит не только разрешающая способность сканера, но и максимальная величина удерживаемого заряда, а, следовательно, и динамический диапазон устройства. Увеличение разрешающей способности сканера приводит к сужению его динамического диапазона. Хотя и считается, что спектральный диапазон ПЗС может перекрывать весь видимый спектр, но, как и у большинства полупроводниковых фотоприемников, синяя область спектра для них труднодоступна, а наибольшая чувствительность наблюдается ближе к красной области.

Технология CIS (Contact Image Sensor).

В этой технологии используется другой тип приемного элемента, называемый CIS (Contact Image Sensor). Этот элемент состоит из линейки датчиков, непосредственно воспринимающих световой поток от оригинала.

Contact Image Sensor (CIS) (контактный датчик изображения) представляет собой интегрированный модуль, содержащий систему освещения, оптическую систему и светочувствительную систему.

Светочувствительная система представляет собой силиконовую поверхность, разделенную на дискретные квадратные ячейки (например, на 5000). Размер каждой ячейки равен дроби, в числителе которой 1 дюйм, а в знаменателе необходимое разрешение сканирования. В CIS-сканере с разрешением 400 dpi размер ячейки будет 1/400". Оптическая система состоит из линейного массива линз, направляющего свет от документа на силиконовую поверхность. В этой системе нет оптического увеличения или уменьшения (коэффициент 1:1), поэтому такая конструкция сканера характеризуется наилучшей разрешающей способностью и геометрической точностью.

Освещение обеспечивается светодиодами, эмитирующими свет в световод, который в свою очередь направляет свет на документ. Присутствуют светодиоды (красный, зеленый, голубой), которые быстро стробируют, выявляя цветовой состав света. Заметим, что в этом случае отсутствуют цветовые фильтры в оптической или светочувствительной системе. Таким образом, цветовая гамма CIS-сканера определяется спектром каждого светодиода, а не фильтрами как в конструкции CCD-сканера.

В CIS-сканерах отсутствуют оптическая система. Светочувствительная линейка равна по ширине области сканирования, а каждая точка сканируемой строки фокусируется на фотодиоде цилиндрической микролинзой. Документ освещается «линейкой» светодиодов, а в цветном сканере – светодиодами трёх основных цветов (R, G, B). Так как в CIS-сканере отсутствуют зеркала, объектив, преломляющая призма и лампа, то конструкция такого сканера получается очень компактной. Поэтому их легко узнать по более тонкому корпусу. Поскольку CIS-сканеры имеют меньшее энергопотребление, они не имеют отдельного блока питания и запитываются через USB-порт компьютера. К тому же они более дешевые.

На Рис. 7 показан процесс сканирования.

Рис. 7. Процесс сканирования CIS.

Оригинал протягивается над (или под) стеклом экспонирования, в непосредственной близости от которого расположен сканирующий CIS-модуль, который включает в себя светодиодную линейку LED, стержневую линзу и линейку датчиков изображения. Оригинал подсвечивается с помощью светодиодной линейки LED. Затем отраженный от оригинала свет, при помощи стержневой линзы фокусируется на линейку датчиков изображения, вызывает в них электрический сигнал, который затем преобразуется в цифровой код и сохраняется в виде файла.

Для сканирования чертежа широкого формата используются несколько CIS-модулей, расположенных в шахматном порядке по всей ширине области сканирования.

Преимущества CCD-сканеров перед CIS-моделями:

· Большая (примерно в 10 раз) глубина резкости. Это означает, что 3-мерные объекты или даже книги и журналы будут отсканированы с хорошей резкостью. При сканировании CIS сканером сканируемый объект должен быть максимально плоским, иначе полученное изображение будет размытым и нерезким.

· Лучшая чувствительность к оттенкам.

· Срок службы таких сканеров значительно продолжительнее. 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 нескольких сотен часов работы.

· CCD-сканеры имеют более высокую разрешающую способность.

Преимущества CIS-сканеров перед CCD-моделями:

· Компактность (тонкий корпус).

· Экономичность (меньшее энергопотребление).

· Светодиоды не нуждаются в прогреве. CIS-сканер может начать работать сразу же после включения.

· Меньшая цена.

ЛЕКЦИЯ 6. В.

Дата добавления: 2014-01-20