Сканеры: виды, устройство, принципы работы

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.





Модели сканеров, поддерживающих VAROS, снабжены устройством для сканирования фотопленок.




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. 



Z-образная крышка стекла экспонирования 





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.

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.



Рис.7. Микрорастр в ПЗС с межстрочным переносом значительно повышает эффективность сбора фотонов



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.






В меню конфигурирования сканера можно включить или выключить предварительный просмотр (что немаловажно, в драйвере реализовано запоминание настроечных параметров изображения, т.е. каждый раз не придется задавать все заново), а также подстроить параметры gamma или назначить цветовой профиль коррекции цвета. 
















В настройках параметров изображения для оцифровки можно вручную задать точку белого и черного цветов, подстроить экспозицию и gamma.







Тоновая коррекция – пожалуй, одна из самых важных процедур сканирования. Стоит отметить великолепную наглядную реализацию данного окна, с цифровым отображением подстраиваемых характеристик.






Баланс серого, а также цветовую насыщенность можно задать в окне “Регулировка цвета”.







Для каждого конкретного типа изображения можно настроить необходимые параметры сканирования.






Все пользовательские настройки отображаются в специальном информационном окне.






Подытоживая описание программной части сканера Epson Perfection 1650, нельзя не отметить грамотный подход программистов компании Epson, ясно представлявших потребности пользователя сканера. В принципе, я нашел все необходимое, изучая программную часть как драйвера, так и прикладных утилит.  Достоинства: 

Великолепная и очень наглядная реализация драйвера и сопутствующего ПО Высокий уровень техподдержки и регулярно обновляемые драйверы Детальное и русифицированное электронное описание сканера с руководством пользователя

Недостатки: 

Изначально нелокализованное программное обеспечение Слабая программа распознавания символов в комплекте



5.1.6.2 Програмное обеспечение Hp

Установка сопутствующего программного обеспечения производится под управлением интерактивной оболочки, написанной на Macromedia Flash с единственного компакт-диска комплекта поставки. Инсталляция программ происходит в два этапа: сначала устанавливается ПО обработки фотографий и изображений HP, а затем, по желанию пользователя, программы Hemera CD Design Creator 32 и JigSaw Puzzler 32 (этот пакет на основе отсканированных изображений позволяет создавать этикетки для компакт-дисков и превращать фотографии в игры-мозаики). Помимо раздела по установке программ, оболочка позволяет перейти к просмотру интерактивных инструкций по подключению, а также к вызову справочной системы.






Собственное ПО Hewlett-Packard требует… 225 Мбайт свободного места на диске! Такой вот монстр! Причем, самое интересное, что пакет программ как-то уж сильно изобилует каскадом тонких настроек, обладает высокой гибкостью и функциональностью, обеспечивает автоматическое разделение оригиналов при пакетном сканировании или имеет красочную графическую оболочку – ничего этого нет, и по этой причине вовсе непонятно, на что уходят сотни мегабайт дискового пространства. Более того, в процессе эксплуатации было отмечено, что программы HP работают крайне нестабильно, время от времени вызывая критические ошибки. Впрочем, об этом позже.






После инсталляции программного обеспечения на рабочем столе появляются ярлычки HP Director и “Папка выгрузки Share-to-Web” (директория, куда будут направляться сканы). Программа HP Director является неким “центром управления”, откуда осуществляется быстрый запуск сопутствующих программ сканирования.







Пользователь может выбрать между сканированием изображений (фотографий, рисунков) и текстовых документов, созданием печатной копии и просмотром отсканированного материала. Давайте рассмотрим каждый программный элемент HP Director. После того как пользователь активирует модуль “Сканировать изображение”, откроется предварительное меню, в котором необходимо будет указать тип оригинала для сканирования (оригинал со стекла, слайды или негативы с адаптера). В принципе, этот запрос можно отключить, установив соответствующую галочку, а тип оригинала задавать непосредственно в программе сканирования. 







После выбора одного из пунктов открывается основное окно программы оцифровки изображений. Напомню, что пакетное сканирование позволяет в режиме предварительного просмотра выделить несколько областей и установить для каждой подходящие параметры (таким образом, пользователь заметно экономит время при одновременном сканировании нескольких оригиналов). Оказалось, что ПО сканера (хоть и занимает четверть гигабайта) не способно разделять сканируемые оригиналы, что весьма печально. Можно, конечно, сканировать всю область оригиналов, после чего вырезать изображения с помощью Photoshop, однако это создаст не только лишнюю работу для пользователя, но и огромный файл на диске. 






Программа сканирования изображений (драйвер сканера) состоит из трех функциональных групп: окна предварительного просмотра, главного меню и области инструментов. Окно появляется сразу после обращения к сканеру (либо посредством кнопок быстрого сканирования, либо из внешнего программного пакета). Начало работы знаменуется событием разогрева лампы и предварительным сканированием оригинала на планшете. Для ScanJet 3570c эта процедура достаточно длительная и отнимает 50 сек. в “ожидании чуда”. Prescan без затрат времени на прогрев лампы составляет 17 сек. Значение времени тайм-аута для лампы, установленное производителем в драйвере, сравнительно невелико. Операция прогрева лампы в драйвере не отключается, но зато можно задать увеличение тайм-аута для нее. Сделать это лучше сразу.






Драйвер сканера небогат ручными настройками по оцифровке изображения. По большому счету, пользователю предоставляется возможность выбора разрешения сканирования, изменения размера изображения, да произведения тоновой коррекции, на основе картинки в окне предварительного просмотра. Значения фильтра наведения резкости установлены дискретно; цветокоррекция подразумевает выбор между двумя пунктами “обычный цвет” и “улучшенный цвет”; фильтр descreen “прячется” под пунктом “Удалить муар”. Вот, собственно, и все.

После определения границ оригинала в окне предварительного просмотра, а также задания необходимых настроек можно нажать на значок “Принять”, начав, таким образом, процесс сканирования. Если планируется сканировать содержащие текст документы, то в HP Director выбирается соответствующий пункт. В открывшемся окне пользователю ничего не остается, как ответить на вопрос “Что сканируется?”, потому как настроить какие-то параметры сканирования здесь нельзя. Диалоговое окно программы сканирования документов. Интересная особенность: если выбрать место назначения – “Сохранять в файл”, то образ будет записан в виде pdf-файла.






Пожалуй, самая мощная программная утилита – “Галерея для обработки фотографий и изображений HP”. С ее помощью можно не только просматривать всевозможные графические файлы, но и создавать фотоальбомы, записывая их на компакт-диски, осуществлять редактирование и предпечатную подготовку, публиковать личные фотофайлы в Web и др. При обращении к папке, содержащей фотографии, программа представляет их в виде миниатюр. Дальнейшие возможные действия с изображениями обозначены кнопками меню сверху и справа окна.






Полагаю, что каждому, у кого на жестком диске собрано огромное количество фотографий, хотелось бы все это “хозяйство” упорядочить, создав что-то вроде фотоальбомов. Специальная программная утилита HP поможет в этом деле. Произведя выборку интересующих файлов и следуя за мастером создания мультимедиа альбома, Video CD создаешь буквально в два счета.






Следующим этапом, к создаваемому диску прикрепляется музыкальный файл, который будет воспроизводиться во время показа фотографий.







Параметры записи компакт-диска устанавливаются на завершающем этапе подготовки Video CD. 










Подводя промежуточные итоги, касающиеся только прикладного программного обеспечения, можно сказать одно: основные проблемы этого сканера заключены в морально отсталом программном обеспечении, а также в драйвере, не обладающем достаточной гибкостью настроек. По большому счету, драйвер не выдержит сравнения по функциональности со многими, даже устаревшими программными оболочками от таких производителей, как AGFA или Mustek. Отмечу, что задаваемые пользователем перед сканированием настройки не сохраняются, и каждый следующий раз приходится задавать все заново. Что ж, программистам компании HP есть над чем работать. Важно только, чтобы они четко представляли потребности пользователя.   Достоинства: 

Полностью локализованные руководство пользователя и программное обеспечение

Недостатки: 

“Раздутый” объем прикладного ПО, никак не подкрепленный функциональностью Недоработанный драйвер сканера, изобилующий ошибками  




6. Источники света и освещенность сканируемого материала



Для того, чтобы сенсорная система сканера (в подавляющем большинстве случаев она строится на основе линейки элементов с зарядовой связью - Charge-Coupled Device, CCD) могла различать оттенки или цвета на сканируемом листе бумаги, лист должен быть освещен ярким источником света. CCD получает поток отраженного света и переводит его в последовательность бинарных сигналов. Если бумага слишком тонкая, свет от источника может быть пропущен насквозь и, отразившись от белой подложки, выдать на сенсор паразитный отраженный поток. В результате символы на изображении документа оказываются слегка размытыми. Чтобы этого не было в сканерах документов применяют поглощающие черные подложки, а специальные процессоры (или иногда программы на принимающем хост-компьютере) удаляют черный ободок, идущий по краю страницы. Большинство производственных сканеров включают для освещения страницы две слегка разнесенные высокочастотные флуоресцентные лампы, что препятствует образованию на сканированном изображении теней.

Поскольку видимость (для сканера) цветов и оттенков на бумаге определяется цветом освещения, белый цвет лампы представляется нейтральным и универсальным (позволяющим видеть точки любого цвета). Однако белые лампы быстро теряют яркость и в сканерах, рассчитанных на продолжительное интенсивное сканирование применяют зеленые фосфорные лампы. При этом сканер проявляет тенденцию к подавлению светло-зеленых и светло-голубых цветов на странице. Этот эффект иногда даже используется при обработке форм (распознаваемые формы печатают на светло-голубых или зеленых бланках). Но исторически многие бумаги в сфере страхования и здравоохранения были изготовлены на розовой или красной бумаге, поэтому широкое распространение получили красные лампы для подавления соответствующего фона. В настоящее время все изготовители производственных сканеров допускают заказ устройства с лампой необходимого цвета или заказ дополнительно одной (нескольких) цветных ламп (или светофильтров) для улучшенного сканирования в конкретных обстоятельствах. 


7. Основные технические параметры сканеров



7.1 Разрешающая способность



Разрешающая способность, или разрешение, — один из наиболее важных параметров, характеризующих возможности сканера. Наиболее распространенная единица измерения разрешающей способности сканеров — количество пикселов на один дюйм (pixels per inch, сокращенно ppi). Не следует отождествлять ppi с более распространенной аббревиатурой dpi (dots per inch, количество точек на дюйм). Последняя единица используется для измерения разрешающей способности растровых печатающих устройств и имеет несколько иной смысл.

Различают оптическое и интерполированное разрешение. Величину оптического разрешения можно вычислить, разделив количество светочувствительных элементов в сканирующей линейке на ширину планшета. Нетрудно сосчитать, что количество светочувствительных элементов у сканера, имеющего оптическое разрешение 600 ppi и формат планшета Legal (то есть шириной 8,5 дюйма, или 216 мм) должно составлять не менее 5100, а при разрешении 1200 ppi — 11 000! Говоря о сканере как об абстрактном цифровом устройстве, важно понимать, что оптическое разрешение — это частота дискретизации, только в данном случае отсчет идет не по времени, а по расстоянию.

В табл. 1 приведены требуемые значения разрешающей способности для наиболее распространенных задач. Как вы можете заметить, при сканировании в отраженном свете в большинстве случаев более чем достаточно разрешения в 300 ppi, а более высокие значения требуются в основном для работы с прозрачными оригиналами, в частности 35-миллиметровыми диапозитивами и негативами.

Многие производители, стремясь привлечь покупателей, указывают в документации и на коробках своих изделий значение оптического разрешения 600x1200 ppi (или соответственно 1200x2400). Однако вдвое большая цифра для вертикальной оси означает не что иное, как сканирование с половинным вертикальным шагом и дальнейшей программной интерполяцией, так что в данном случае оптическое разрешение этих моделей фактически остается равным первой цифре.

Интерполированное разрешение — это повышение количества пикселов в отсканированном изображении за счет программной обработки. Величина интерполированного разрешения может во много раз превышать величину оптического разрешения, однако следует помнить, что количество информации, полученной с оригинала, будет таким же, как и при сканировании с оптическим разрешением. Иными словами, повысить детальность изображения при сканировании с разрешением, превышающим оптическое, не удастся.



7.2 Разрядность



Разрядность, или глубина цвета, определяет максимальное число значений, которые может принимать цвет пикселя. Иными словами, чем больше разрядность при сканировании, тем большее количество оттенков может содержать полученное изображение. Например, при сканировании черно-белого изображения с разрядностью 8 бит мы можем получить 256 градаций серого (28=256), а используя 10 бит — уже 1024 градации (210=1024). Для цветных изображений возможны два варианта указываемой разрядности — количество бит на каждый из базовых цветов либо общее количество бит. В настоящее время стандартом для хранения и передачи полноцветных изображений (например, фотографий) является 24-битный цвет. Поскольку при сканировании цветных оригиналов изображение формируется по аддитивному принципу из трех базовых цветов, то на каждый из них приходится по 8 бит, а количество возможных оттенков составляет около 16,7 млн. (224= 16 777 216). Многие сканеры используют большую разрядность — 12, 14 или 16 бит на цвет (полная разрядность составляет соответственно 36, 42 или 48 бит), однако для записи и дальнейшей обработки изображений эта функция должна поддерживаться применяемым программным обеспечением; в противном случае полученное изображение будет записано в файл с 24-битной разрядностью.

Следует отметить, что более высокая разрядность далеко не всегда подразумевает более высокое качество изображения. Указывая 36- или 48-битную глубину цвета в документации или рекламных материалах, производители зачастую умалчивают о том, что часть битов используется для хранения служебной информации.

Динамический диапазон (максимальная оптическая плотность)

Как известно, более темные участки изображения поглощают большее количество падающего на них света, чем светлые. Величина оптической плотности показывает, насколько темным является данный участок изображения и соответственно какое количество света поглощается и какое отражается (или проходит насквозь в случае прозрачного оригинала). Обычно плотность измеряется для некоего стандартного источника света, имеющего заранее определенный спектр. Значение плотности вычисляется по формуле:



D=log (1/R),



где D — величина плотности, а R — коэффициент отражения (то есть доля отражаемого или проходящего света).

Например, для участка оригинала, отражающего (пропускающего) 15% падающего на него света, величина плотности составит log(1/0,15)= 0,8239.

Чем больше максимальная воспринимаемая плотность, тем больше динамический диапазон данного устройства. Теоретически динамический диапазон ограничен используемой разрядностью. Так, восьми битное монохромное изображение может иметь до 256 градаций, то есть минимальный воспроизводимый оттенок составит 1/256 (0,39%), следовательно, динамический диапазон будет равен log(256)=2,4. Для 10-битного изображения он будет уже немного больше 3, а для 12-битного — 3,61.

Практически это означает, что сканер с большим динамическим диапазоном позволяет лучше воспроизводить темные участки изображений или просто темные изображения (например, передержанные фотоснимки). Следует оговориться, что в реальных условиях динамический диапазон оказывается меньше приведенных выше значений из-за влияния шумов и перекрестных помех.

Плотность подавляющего большинства непрозрачных оригиналов, сканируемых на отражение, как правило, не превышает значения 2,0 (что соответствует участку с однопроцентным отражением), а типичное значение для высококачественных печатных оригиналов составляет 1,6. Слайды и негативы могут иметь участки с плотностью, превышающей 2,0.



7.3 Источник света



Используемый в конструкции того или иного сканера источник света в немалой степени влияет на качество получаемого изображения. В настоящее время используются четыре типа источников света:

Ксеноновые газоразрядные лампы. Их отличает чрезвычайно быстрое время включения, высокая стабильность излучения, небольшие размеры и долгий срок службы. Но, с другой стороны, они не очень эффективны с точки зрения соотношения количества потребляемой энергии и интенсивности светового потока, имеют неидеальный спектр (что может вызвать нарушение точности цветопередачи) и требуют высокого напряжения (порядка 2 кВ). 

Люминесцентные лампы с горячим катодом. Эти лампы обладают наибольшей эффективностью, очень ровным спектром (которым к тому же можно управлять в определенных пределах) и малым временем разогрева (порядка 3-5 с). К отрицательным сторонам можно отнести не очень стабильные характеристики, довольно большие габариты, относительно небольшой срок службы (порядка 1000 часов) и необходимость держать лампу постоянно включенной в процессе работы сканера. 

Люминесцентные лампы с холодным катодом. Такие лампы имеют очень большой срок службы (от 5 до 10 тыс. часов), низкую рабочую температуру, ровный спектр (следует отметить, что конструкция некоторых моделей ламп с холодным катодом оптимизирована для повышения интенсивности светового потока, что негативно отражается на спектральных характеристиках). За перечисленные достоинства приходится расплачиваться довольно большим временем прогрева (от 30 с до нескольких минут) и более высоким, чем у ламп с горячим катодом, энергопотреблением. 

Светодиоды (LED) применяются, как правило, в CIS-сканерах. Они обладают очень малыми габаритами, небольшим энергопотреблением и не требуют времени для прогрева. Во многих случаях используются трехцветные светодиоды, с большой частотой меняющие цвет излучаемого света. Однако светодиоды имеют довольно низкую (по сравнению с лампами) интенсивность светового потока, что снижает скорость сканирования и увеличивает уровень шума на изображении. Весьма неравномерный и ограниченный спектр излучения влечет за собой неизбежное ухудшение цветопередачи. 



7.4 Шум



Как уже упоминалось выше, сканер с 24-битной разрядностью теоретически способен воспроизводить даже довольно темные оригиналы. Однако на практике этому мешают некоторые факторы, обусловленные применяемой технологией получения изображения, и в первую очередь регулярный и случайный шум. Рассмотрим каждый из них подробнее.


7.4.1. Случайный шум

Проявляется в виде «снега», гранулярности или хаотически расположенных инородных точек на изображении и возникает как вследствие нестабильности работы полупроводниковых приборов (при изменении температуры и с течением времени), так и в результате вносимых электронными компонентами искажений. Наиболее заметен такой шум на темных областях изображения, поскольку при равном абсолютном уровне шума отношение «сигнал/шум» на них будет гораздо меньше, чем на светлых участках. Для минимизации случайного шума перед сканированием выполняется процедура калибровки, во время которой измеряются пороговые значения и смещение базового напряжения для каждого светочувствительного элемента.



7.4.2 Регулярный шум

Возникает вследствие перекрестных помех (наводимых с соседних светочувствительных элементов), кратковременных изменений базового напряжения в ПЗС-матрице, воздействия высокочастотных электрических полей, изменения яркости источника света и т.п. Регулярный шум, в отличие от случайного, очень хорошо заметен, поскольку проявляется в виде горизонтальных, вертикальных либо диагональных полос.




8. Система транспорта бумаги



Наискорейший способ получения сканированного изображения - быстро протащить бумажную страницу перед линейкой CCD, пользуясь каким-нибудь способом перемещения бумаги. В скоростных сканерах применяются транспортные механизмы разных типов: роликовые (roller), ременные (belt), ротационные (drum), вакуумные. “Безусловно, лучшего” транспорта, к сожалению, не существует - каждый из применяемых типов механизмов показывает лучшие результаты в специфических условиях применения. 

В сканерах с роликовым транспортом лист проходит между двумя резиновыми роликами (подобным образом работают факс-аппараты). Преимущества этого вида транспорта заключаются в его простоте и низкой стоимости, однако роликовые механизмы обычно не подстраиваются к толщине бумаги и со временем (после некоторого износа роликов) начинают затягивать более одного листа бумаги.

Ременный транспорт протягивает лист между двумя системами нескользящих резиновых ремней. В некоторых сканерах (например, BancTec TDC-2610) предусмотрена прецизионная система настройки взаимного расположения и скорости верхних и нижних ремней, что позволяет тонко настроить сканер на работу с конкретным типом материала. Изображение проецируется на сенсоры с помощью системы зеркал и линз, бумага при подаче почти не изгибается и не соприкасается со стеклом, что позволяет сканировать скрепленные, надорванные и слипшиеся документы. Недостатком этого вида транспорта является большое число ремней в конструкции, и, как следствие чувствительность процесса сканирования к физическому состоянию каждого из них. Неравномерный износ ремней и возможность их повреждения случайными предметами (например, скрепками) должны приниматься во внимание при проектировании технологического процесса с применением сканеров данной конструкции. 

Ротационные сканеры (этот тип механизма используют, в частности, Bell+Howell и Kodak) менее других склонны к замятию листов, и обычно допускают настройку на толщину бумаги, однако сканирование сильно разнородного материала (широких и узких документов, грубой и тонкой бумаги) в одном пакете не рекомендуется. К достоинствам ротационных сканеров принято относить их неприхотливость в работе и возврат отсканированного материала на операторский стол, а к недостаткам несколько повышенное число документов отсканированных с перекосом.

Вакуумный транспорт с прямым протягом оригинала чрезвычайно терпим к качеству бумаги, возможным надрывам документов, сгибам и скрепкам. Применяется по преимуществу в моделях, предназначенных для сканирования очень больших объемов документов. Недостатком является относительно высокая цена устройств (и их технического сопровождения) и складирование отсканированного материала с обратной стороны операторского стола. Впрочем, второй недостаток, как правило, легко устраняется если не бояться первого, так как все изготовители аппаратов этого класса выпускают дополнительное операторское оборудование для повышения эффективности работы с устройством (см. рис. 9). 



8.1 Узлы подачи бумаги



Путь к быстрому сканированию лежит через эффективную подачу документов. Для приложений с сильно разнородным (по толщине бумаги, размерам или полиграфическому исполнению) потоком документов эксперты рекомендуют не пренебрегать ручной подачей. Bell+Howell, BancTec, Kodak, Photomatrix, VisionShape рассматривают ручную подачу большого числа документов как полноправный и вполне практичный способ обращения с устройством. Для недорогих пластиковых моделей Fujitsu и Ricoh ручная подача хотя и возможна, на практике используется редко (лотки приема документов не рассчитаны на частую ручную установку отдельных листов и легко ломаются).

В случае автоматической подачи различают верхнюю и нижнюю автоподачу. Верхняя автоподача (применяется Bell+Howell) предполагает укладку пачки документов “лицом вверх”, так как их обычно читают. Устройство автоподачи снимает верхний лист, специальный ролик, вращающийся в противоположном направлении, препятствует затягиванию в сканер следующего листа. Давление пачки не влияет на подачу, и такая конструкция по сравнению с нижней позволяет устанавливать в устройство большее число документов. Недостатком является склонность к перекосу неровно уложенных документов, с чем призваны бороться предусмотренные конструкцией дополнительные ролики.

При нижней автоподаче документы укладываются “лицом вниз” и сканер первой сканирует лист, лежащий “на дне” пачки. Если слой документов слишком массивен (ввиду большого их числа или сравнительно плотной бумаги), давление на “дно” осложняет подачу документа или увеличивает вероятность подачи более чем одного листа. Нижняя подача сравнительно редко подает документ с перекосом и допускает постепенное (по мере ввода) пополнение сканируемой пачки документов, избавляя оператора от необходимости готовить документы к сканированию порциями.

Автоподатчики как того, так и другого типа недружественно настроены по отношению к сильным вариациям ширины листа в пачке, но сравнительно легко переносят совместное сканирование длинных и коротких (по ходу протяга) документов.

На практике потери времени в технологическом процессе сканирования зависят от соответствия свойств сканируемого потока документов интеллектуальным и физическим возможностям устройства. При выборе высокопроизводительного сканера необходимо проанализировать специфические особенности его применения в конкретной технологии обработки бумажных документов. Эффект (и немалый) дает лишь тщательно спроектированная технология ввода.




Рис. 10. Скоростной производственный сканер BancTec TDC-2610





Рис. 11. Скоростной производственный сканер Bell+Howell Copiscan 6338



Скоростные производственные сканеры документов выпускаются относительно небольшим числом авторитетных и известных изготовителей. Главные игроки на рынке документных сканеров - компании Fujitsu, Bell+Howell, Kodak, BancTec, Photomatrix, Ricoh, Scan-Optics, VisionShape.




Рис.12. Станция сканирования / микрофильмирования Kodak Digital Science 990





Рис.13. Скоростной сканер Bell+Howell PS/150 с вакуумным транспортом и стендом для складирования отсканированных документов




Рис. 14. Скоростной сканер BancTec S-Series





Рис. 15. Чековый сканер VisionShape B-1000




9. Интерфейс сканера



Даже для выполнения базовых функций, сканер должен располагать некоторым уровнем интеллекта. В процессах производственного сканирования устройство обычно полностью управляемо со стороны хост-компьютера. ПО переопределяет установки сканера (яркость, контрастность, формат подаваемых страниц, черно-белый или полутоновый режим сканирования, ручная или автоматическая подача бумаги и т.п.). При этом между сканером и хост-компьютером передаются данные двух типов - сканированные изображения (видеоданные) и управляющие команды (управление режимами, старт стоп и др.). Многие скоростные сканеры используют для передачи видеоданных специальный параллельный протокол, а для управления пользуются последовательным. Этот интерфейс (получивший название serial/Video) поддерживается специальными интерфейсными контроллерами. Поскольку стандартного протокола для такой связи не существует, некоторые ведущие изготовители сканеров (Bell+Howell, Fujitsu и др.) разработали свои собственные протоколы, а другие (VisionShape, Photomatrix) присоединились к одному из них (выполнив систему команд сканера в стиле эмуляции основного протокола). Интерфейсные контроллеры осуществляют помимо управления сканером специализированные операции по обработке поступающих изображений (аппаратная компрессия, формирование заголовков файлов, изменение ориентации страницы или исправление легкого перекоса).

Цифровые данные от сканера передаются в компьютер посредством аппаратного интерфейса.



9.1 SCSI 



Если Вы собираетесь использовать сканер не с поставляемой в комплекте картой, учтите, что лёгкая совместимость получается только с контроллерами Adaptec, причём не UltraSCSI модификациями. Все остальные варианты могут принести проблемы (я вполне понимаю, что значит ASPI -compliant, но уж поверьте - в данном случае лучше "жить с ISA", чем с не-Adaptec для PCI.) Поставляемые в комплекте со SCSI-моделями интерфейсные карты "не-Adaptec" не обещают подключение других SCSI-устройств, хотя бы потому, что не снабжены драйверами (но для некоторых драйвера можно найти самостоятельно). Однако такие карты напрямую понимаются драйвером сканера и обеспечивают максимально простой и удобный процесс первоначального подключения сканера и перехода на новые версии операционных систем. Некоторые из этих карт не требуют выделения фиксированного прерывания. Adaptec позволит подключить что угодно, но требует прерывания и некоторой возни с установкой. Размер буфера данных в планшетных моделях варьируется от 64кБ до 3МБ. 



9.2 USB (USB 2.0) 







В последнее время довольно большой популярностью стала пользоваться шина USB особенно после включения ее поддержки в операционную систему Windows 9x. Этот тип подключения наиболее подходит неподготовленному пользователю — нужно лишь подключить кабель, а система установит самостоятельно все необходимое программное обеспечение. Также данный интерфейс обладает скоростью передачи данных. И хотя он отстает от SCSI в этом отношении он не требует специальных карт-контролеров, так как USB уже широко поддерживается всеми. И выигрывает в этом отношении у параллельного порта. 



9.3 Параллельный порт



Этот интерфейс применим в сканерах низкого уровня. При использовании портов, соответствующих стандарту IEEE 1284 (порты ЕСР и ЕРР), скорость передачи данных увеличивается. Поскольку во всех компьютерах есть параллельный порт, то сканеры с этим интерфейсом наиболее универсальны.

Сканеры с параллельным подключением обладают рядом существенных недостатков. Во-первых, не всегда удается обеспечить нормальную работу сканера и принтера или другого устройства (Zip, LS-120 или CD-ROM), подключенных одновременно к параллельному порту. Во-вторых, скорость передачи данных ограничена скоростью параллельного порта. Даже если в компьютере установлены новые порты ЕСР или ЕРР, они не достигнут такой скорости передачи данных, как при использовании интерфейса SCSI или USB. Это тип подключения сканера можно рекомендовать только в том случае, если по каким-то npичинам другие интерфейсы использовать невозможно. 




10. Обзор современных сканеров



Модель Contex FSS: Монохромные роликовые сканеры для САПР и ГИС • Формат АО • Ширина бумаги 152.4 - 1016 мм (6-40") • Макс, ширина поля сканирования 965 мм (38") • Длина не ограничена • 256 полутонов • Интерфейс SCSI-II, платформы - DOS, Windows, UNIX (SUN, Silicon Graphics, и др.) • Функции обработки растра в реальном времени: кадрирование, инверсия, выравнивание, устранение "мусора", заполнение пропусков в линиях, поворот изображения • 2D адаптивный порог для сканирования неконтрастных оригиналов (синьки) • преобразование между различными графическими форматами. FSS 4300 разрешение 400 dpi, 15с/АО (300dpi) • FSS 8300 разрешение 800 dpi, 15с/АО (200dpi) • FSS 8300 Plus разрешение 800 dpi • Сверхбыстрый сканер (8 секунд/формат АО) • FSS 8300 Сору разрешение 800 dpi, 15c/AO (200dpi) • Сканер с функцией прямого копирования на плоттер; FSS 12300 разрешение 1200 dpi, 24с/АО (200dpi) • FSS 18300 разрешение 1800 dpi, 31 с/АО (200dpi)

Модель Contex FCS: Цветные роликовые сканеры универсального применения; формат АО • Макс, ширина бумаги 1016мм (40"), для моделей Magnum 1310мм(51.5") • Макс, ширина поля сканирования 914мм (36"), для моделей Magnum 1270мм (50") • Длина не ограничена • Для моделей Magnum максимальная толщина носителя 15мм • 24 бита RGB • 8/4 bit Paletted color. Простая цветовая калибровка с помощью стандартных таблиц ANSI IT8, автоматическое или ручное создание цветовой палитры сканера, встроенный модуль JetStream (кроме модели ЗОЮ) обеспечивает высококачественное копирование на цветной плоттер в процессе сканирования. Основные функции аналогичны сканерам серии FSS. FSC ЗОЮ разрешение 300 dpi, 33с/АО (200dpi) • FSC 5010 разрешение 500 dpi, ЗЗс/АО (200dpi) • FSC 6010 разрешение 600 dpi, 48с/АО (200dpi) • FSC 8010 разрешение 800 dpi, 48c/AO (200dpi) • FSC 3050 Magnum разрешение 600 dpi, 48c/AO (400dpi) • FSC 6050 Magnum разрешение 600 dpi, Збс/АО (400dpi) • FSC 8050 Magnum разрешение 800 dpi, 28c/AO (400dpi) • FSC 5010 сору разрешение 500 dpi, 33c/AO (200dpi), сканер с функцией прямого копирования на плоттер • FSC 8010 Сору разрешение 800 dpi, 48с/АО (200dpi), сканер с функцией прямого копирования на плоттер.

Модель Contex TDS 8000: Уникальный монохромный роликовый сканер формата A3 (разрешением 800 dpi) для технической документации • Максимальная ширина поля сканирования 300 мм • Автоподача документов (до 30 листов) • Длина не ограничена • Остальные характеристики аналогичны сканерам серии FSS.




Заключение



Из выше перечисленного можно сделать общий вывод. Сканер и все его разновидности еще долго будут применяться и быть нужными людям. Сканер практически применяется во всех сферах нашей повседневной жизни. Так уже сейчас все данные и архивы переводят в цифровую форму хранения. Это связано с тем что так легче хранить огромные массивы данных, и ориентироваться в них. Все современные системы безопасности базируются на сканерах безопасности.

Не смотря на широкую рекламу сделаную в Голливудских фильмах Они широко применяются в системах защиты особо важных обьектов. Эти сканеры в основном работают по принципу сканирования отпечатка пальца или сетчатки глаза человека.

Также широко применяются сканеры в торговле. Специальные сканеры штрих-кода используются в супермаркетах, оптовых магазинах, складах. При считывании штрих-кода рабочий сразу получает информацию от товаре что облегчает его работу. Широкое использование штриховых кодов было обусловлено необходимостью обеспечить автоматизированный ввод информации в компьютерные системы управления, который отличался бы высокой надежностью, простотой и экономичностью. Мы сталкиваемся со штриховыми кодами, покупая товары в магазинах, сдавая багаж в аэропортах... Этот список можно продолжить, но уже приведенных примеров достаточно, чтобы убедиться, что потребность в их изготовлении значительна.

Также широко применяют Листопротяжные сканеры - которые по конструкции и принципу работы напоминают обычный факс-аппарат или машинку для проверки подлинности денежных купюр. Оригинал втягивается внутрь специальными роликами и сканируется по мере прохождения мимо светочувствительной матрицы. Упрощенные варианты этих сканеров используются в офисах для распознавания текста и сканирования упрощенной графики типа визиток и фирменных бланков, а также в паре с факс-модемом для отправки факсимильных сообщений. Специальные модели используются в медицине для оцифровки рентгеновских снимков и историй болезни. 

Планшетные сканеры - самое распространенное семейство сканеров, представителей которого можно встретить как в домашних условиях, так и на столе у профессионала или в любом офисе. Самая прогресирующая ветвь сканеров. Прогресс в этой области идет семимильными шагами. Если например взять для примера сканер 7-летней давности и сравнить его с современным планшетником то можно сразу отметить что увеличилось оптическое разрешение сканера на целый порядок, скорость сканирования, применение новых интерфейсов привело уже к тому что сканер мгновенно переносит электронную копию на компьютер (USB,IEEE1394), а количество дополнительных функций (слайд-модули и т.д) позволяют применять сканеры в специфической роли – сканирование фотопленок без применения специальных слайд-сканеров. Планшетный сканер является наиболее универсальным инструментом, подходящим под большинство задач, модели авторитетных производителей неприхотливы и надежны, просты в установке и использовании, разнообразие выпускаемых модификаций позволяет подобрать сканер практически под любые средства и требования. Большинство моделей имеет возможность установки автоматического загрузчика документов из пачки. Разрешение современных планшетников достигает 4800 ppi (при разрешении 1500-2000ppi у сканеров 5-7 лет назад) и сейчас уже планшетные сканеры по качеству сканирования вплотную подбираются к барабаным сканерам которые считаются самой старшей ветвью сканеров, и ими пользуются только профессионалы сканирование производится перемещением объектива вдоль вращающегося со скоростью порядка 1000 оборотов в минуту барабана. Использование галогенного источника света, световой поток от которого концентрируется на точечной области барабана, позволяет исключить влияние помех и обрабатывать весь спектр оригиналов с высочайшим качеством. модели высшего класса способны выдать свыше 10000ppi но недостатком этих сканеров остается высокая цена (15000$ и выше). Еще есть один тип сканера-проекционный сканер в основном его применяют для сканирования 3D обьектов и создания их, по принципу работы он напоминает фотоувеличитель. С его помощью часто создаются 3х мерные объекты которые используются как макеты, а часто применяются в фильмах для создания спец. эффектов.

Сканеры все еще продолжают развиваться, их технические характеристики будут расти. 

В современном мире сейчас идет тенденция к минитюаризации, это также коснется и сканеров уже сейчас датчики ПЗС уменьшаются и повышается плотность их размещения на линейке, что следовательно повышает оптическое разрешение сканера . Возможно скоро уже уйдет со сцены такой тип сканера как ручной и его заменят различные приспособления (например сканирующих ручек C-Pen) которые используя такие новейшие интерфейсы как IrDa,Bluetooth и другие переносят данные сразу в компьютер. Уже отходит LPT интерфейс с помощью которого старые сканеры соединяется с ПК так как он уже морально и физически устарел и его уже заменили USB, FIREWIRE. В возможно в будущем появятся универсальные сканеры которые при высоком оптическом разрешении, скорости сканирования и будут многофункицональными устройствами. Это видно уже сейчас когда планшетный сканер может помимо простого сканирования выполнять сканирование пленок и объемных предметов что уже говорит о универсальности устройства. 


Список использованной литературы



1. Компьютер Пресс 1-12№\2005г.

2. Hard&Soft 1-12\2005г.

3.Upgrade 1-12\2005г.

4.CHIP 1-12\2005г.

5. Internet:

www.scan.tomsk.ru 

www.scaners.ru

www.sovetnik.ru

www.referat.ru

www.5balov.ru

www.infocom.uz

www.aport.ru

www.rambler.ru

www.yandex.ru

www.km.ru