Сканеры: виды, устройство, принципы работы (стр. 4 из 15)

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 резкостиГлубина 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 весОтсутствие оптической системы и зеркал позволяет CIS сканерам иметь меньшие тольщину и вес, чем их конкуренты с CCD-элементом.
(2) Лучшая чувствительность к оттенкамCCD 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 производствоCIS-элементы заменяют целый набор компонентов сканера, уменьшая стоимость производства.
(3) Дольше срок службы сканераCCD 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 способностьВ 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 технологияВ 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.

3.1Сравнение 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.