Источник света и оптика

Источник света - это элемент структуры сканера, который определяет его динамический диапазон и спектральные характеристики. В сканерах предыдущих поколений в качестве источника света использовалась люминисцентная лампа, близкая по характеристикам к лампам дневного света. Основной недостаток таких ламп - слабая стабильность характеристик освещения во времени и по длине лампы. В современных моделях сканеров основной источник света - лампа с холодным катодом, имеющая лучшие параметры и значительно больший срок службы, чем люминисцентная. Характеристики светового потока меняются во времени в процессе сканирования изображения, а также по длине сканируемой строки. Нестабильность источников света особенно сказывается на результате работы сканера с последовательным цветоделением, при котором используется три лампы базовых цветов. Данный принцип цветоделения применяется фирмами изготовителями ограниченно (несколько текущих моделей Epson - единственные из современных марок сканеров с тремя раздельными лампами разных цветов).

Ориентированные на профессиональную работу с цветом сканеры содержат:

· ­процедуру калибровки по интенсивности светового потока от лампы;

· ­систему поддержания стабильности светового потока при изменении температуры;

· ­задержку времени до начала сканирования для первичного прогрева лампы после ее включения.

Световой поток, отраженный от оригинала, проецируется на матрицу ПЗС (см. рис.7, 8), которая преобразует его в электрический сигнал. В оптической схеме большинства планшетных сканеров используется один объектив, который проецирует полную длину строки сканируемого изображения на полную длину строки матрицы ПЗС.

Оптика переноса в планшетном сканере работает с большими апертурными углами. Это приводит к изменению условий сканирования для элементов строки в зависимости от их удаленности от оптической оси системы. Оценка качества фокусировки оптики при тестировании сканера производится по реальной разрешающей способности на границах сканируемой строки.

В профессиональных моделях планшетных сканеров используются оптические схемы со сменными объективами. При переходе к сканированию слайдов с использованием слайд-модуля изменяется оптическая схема сканера (см. рис.9). Объектив Б замещается объективом А, который проецирует на полную длину строки ПЗС только часть ширины рабочего стола сканера. На постоянное число приемных ячеек ПЗС-матрицы проецируется участок меньшей ширины и соответственно возрастает оптическое разрешение. Некоторые профессиональные плоскостные сканеры имеют до 5 переключаемых объективов, что значительно увеличивает их стоимость.

Сканирование слайдов с использованием слайд-модуля не позволяет получить высокое разрешение, необходимое при использовании больших коэффициентов масштабирования на увеличение. Это связано с тем, что световой поток от слайда проходит через стекло сканера, где возникает дополнительное преломление и рассеяние света в самом стекле и на границах сред, а также искажения цвета за счет неравномерного прижима эмульсионного слоя слайда к стеклу. В профессиональном полиграфическом сканере планшетного типа световой поток от эмульсионного слоя слайда попадает непосредственно в оптическую систему без промежуточных плоско-параллельных стекол (см. рис.11). В таком сканере вместо слайд-модуля используется специальный блок для сканирования слайдов.

Рис. 8

Рис. 9

Рис. 10

Сканирующие механизмы планшетных сканеров выпускает ограниченный круг производителей, которые поставляют их по соглашениям другим компаниям. Производители сканеров используют базовый сканирующий механизм с собственным набором программного и аппаратного обеспечения и продают сканер под собственной торговой маркой. Общие принципы, лежащие в основе конструкции планшетного сканера являются практически единым стандартом для любого мирового производителя. Это относится к электроприводам, системам управления перемещением каретки, осветителям, оптике и т.д. Конструкция планшетных сканеров в настоящее время хорошо отработана и технологические проблемы решены в условиях массового производства. Это дает возможность производить сканеры профессионального уровня, такие как AGFA, Linotype-Hell, UMAX и сканеры других известных торговых марок на лицензионной основе в странах с относительно дешевой рабочей силой.

Рис. 11

Разрешающая способность планшетного сканера

Оптическое разрешение планшетного сканера в пикселах на дюйм (ppi) определяется количеством элементов в строке матрицы ПЗС и длиной сканируемой строки в плоскости изображения (шириной рабочей области сканирования).

Как указывалось выше, в профессиональных сканерах со сменной оптикой можно повысить оптическую разрешающую способность за счет сокращения формата изображения (см. рис.10, 11). В этом случае физическая граница по оптичекой разрешающей способности определяется минимально возможным размером апертуры для данной длины волны излучения при данных параметрах оптики, а также возможностью фокусировки оптики в плоскости оригинала при различных апертурных углах для различных участков строки. В профессиональных слайдовых сканерах, использующих схему без промежуточных стекол (см. рис.11) граница разрешающей способности составляет около 200 точек/мм, что соответствует размеру апертуры 5 мкм. Аналогичный по значению предел существует и для цветных фотоматериалов профессионального применения, используемых для оригинала.

Механическое разрешение - это величина, обратная интервалу пространственной дискретизации по направлению, ортогональному строке оптического сканирования или шагу, с которым механизм сканирования перемещает матрицу ПЗС, оптику и источник света в направлении параллельно плоскости изображения (см. рис.7). Как правило, механическое разрешение задается изготовителем в 2-4 раза больше оптического. Поскольку ПЗС матрица или другой фоторецептор матричного типа не может сканировать с разрешением выше оптического, недостающие по координате точки формируются интерполяционным путем. При эксплуатации сканера на профессиональном уровне необходимо исключать работу интерполяционных алгоритмов, встроенных в сканер, а операции, использующие интерполяцию выполнять более совершенными средствами графических пакетов.

При сканировании изображения с разрешением меньше оптического, необходимо использовать разрешение, кратное оптическому (для сканера 300х1200 dpi устанавливать 300 dpi или 150 dpi, но не 200 dpi), что позволит вывести операцию интерполяции в средства графического пакета. При необходимости использования разрешения, не кратного оптическому, необходимо устанавливать ближайшее большее значение. При этом интерполяция будет выполняться внутренними средствами сканера, но с избыточным числом базовых отсчетов пространственной дискретизации.

При сканировании вторичных оригиналов (полиграфических оттисков) выбор разрешающей способности является основной настройкой сканера. Полиграфический оттиск можно отнести к категории двухмерных почти периодических сигналов, основная частота которых постоянна для данного изображения и численно задана в виде линиатуры полиграфического растра. В отечественной полиграфии линиатура традиционно измеряется в линиях на сантиметр (л/см) и обозначается буквой "L". Под линией в данном случае понимается ряд печатных элементов точечного растра, вне зависимости от их размера. Заданная в такой форме пространственная частота - это первая гармоника двумерного спектра по одному из ортогональных к линиям растра направлений. Для других направлений значения первой гармоники пространственного спектра отличается от значения линиатуры и является функцией угла поворота растра относительно ортогональной системы координат.

В полиграфической технологии для получения цветных изображений используется совмещение нескольких растровых структур (нескольких пространственных импульсных последовательностей). Каждая растровая структура воспроизводит изображение в одном из базовых цветов в соответствии с используемой системой, например, четырехкрасочной системой CMYK. Результирующая или совмещенная растровая структура образуется непосредственно на этапе печати и присутствует только в оттиске. В совмещенной растровой структуре, кроме основных пространственных частот повторения растровых элементов образуются более низкие комбинационные пространственные частоты периодических сигналов оптической плотности, цветового тона и насыщенности. Различимая зрением часть этих периодических сигналов присутствует на многокрасочном оттиске в виде периодического рисунка, называемого “муар” многокрасочной печати. Сам термин "муар" произошел от французского слова, обозначающего технику впрессовывания волнообразных узоров в ткань. В полиграфии это дополнительный рисунок, возникающий как продукт нелинейного взаимодействия двух или более периодических структур.

При сканировании полиграфического оттиска к существующим периодическим структурам, в т.ч. периодической структуре муара, добавляется периодическая структура сканирования. В результате образуется муар сканирования как продукт взаимодействия нескольких периодических структур с различными пространственными частотами. Этот вид муара заметен уже на экранном изображении, что позволяет контролировать эффективность его устранения на этапе компьютерной обработки. В тоже время, после полного устранения муара, видимого на экранном изображении, он может частично проявиться после растрирования и непосредственно при печати.

Первичная мера, используемая для снижения заметности муара такого типа - это подбор оптимального угла сканирования изображения. Сканирование выполняется с избыточным разрешением в 2 - 3 раза по отношению к значению, необходимому для выбранной линиатуры полиграфического растра и коэффициента масштабирования. Дальнейшая методика основана на применении:

1. полосовой пространственной фильтрации ("Descreen"), предусмотренной в большинстве программ для поддержки работы сканера, например, в программе "Photolook";

2. низкочастотной пространственной фильтрации, т.е. рамытия различного типа с регулируемыми параметрами по всему изображению или цветовому слою (для программы Photoshop - "Blur", "Blur More" или "Guissan Blur");

3. локальной низкочастотной фильтрации или электронной ретуши;

4. линейных (аффинных) преобразований типа сдвига, поворота, масштабирования при использовании интерполяционных алгоритмов с высокими порядками полинома;

5. нерезкого маскирования ("Unsharp Mask") для частичного восстановления размытых контуров на изображении.

Динамический диапазон планшетного сканера

Динамический диапазон изображения - это множество значений оптической плотности отражения (пропускания) в интервале от максимальной оптической плотности до минимальной оптической плотности.

Значения и определяются в процессе предварительных денситометрических измерений (пакетное сканирование) или при пробном сканирорвании (Prescan). Фрагменты изображения, по которым определяются границы динамического диапазона, должны быть представительны по статистическим или семантическим (смысловым) критериям.

Динамический диапазон сканера - это диапазон оптических плотностей, которые могут быть представлены сканером в виде цифрового сигнала, например, в прямом двоичном n--разрядном коде, единица младшего разряда которого соответствует одной ступени квантования шкалы квантования оптических плотностей. С большой степенью достоверности за динамический диапазон сканера может быть принято максимальное значение оптической плотности, которое может быть представлено сканером в виде значения цифрового сигнала.

Величина ступени квантования и, соответственно, общее число ступеней в шкале не может быть установлено произвольно, исходя только из возможностей аналого-цифрового преобразователя. Каждая ступень квантования, соответствующая единице младшего разряда прямого двоичного кода, должна реально существовать как конечное приращение сигнала от фотоэлектрического преобразователя.

В свою очередь, электрический сигнал с выхода фотоэлектрического преобразователя получает приращение не только от изменения освещенности на его оптическом входе, но и от других случайных факторов, что приводит к появлению шумовой составляющей сигнала.

Понятие шум возникло в областях техники, связанных с акустическим воспроизведением электрических напряжений и токов. Звуковое воспроизведение случайных во времени напряжений и токов дает в слышимом диапазоне шипящий звук, т.е. шум. Стало общепринятым называть шумом флуктуационные токи и напряжения, даже если они никакого звука произвести не могут и их спектр лежит вне области, непосредственно слышимой человеком. Под понятие шум подпадают также случайные флуктуации оптического параметра на изображении: яркости, цветового тона и насыщенности, воспринимаемые зрением человека психологически адекватно слуховому восприятию акустического шума.

Шумовые составляющие разделяются на три основные группы:

· шумы светового потока;

· приборные (аппаратные) шумы аналогового тракта;

· шумы квантования.

Первичным источником шума является сам световой поток, попадающий на фотоэлектрический преобразователь. Число фотоэлектронов, накопленное в ячейке ПЗС, определено с точностью до квадратного корня из их числа (статистика Пуассона).

Например, зарядовый пакет в 10000 электронов будет флуктуировать со среднеквадратическим отклонением в 100 электронов. Такой же статистике подвержен и темновой сигнал, и, следовательно, суммарный (световой + темновой). В сканирующей технике шумами светового потока обычно пренебрегают, т.к. фотоприемники сканеров работают при относительно больших освещенностях.

Источником аппаратного шума является любой элемент электрической схемы: первичный фотопреобразователь, усилитель, канал передачи информации, аналого-цифровой преобразователь и т.д. После аналого-цифрового преобразования возникают шумы квантования, но аппаратные шумы полностью исключаются.

Основные источники аппаратного шума:

1. тепловой шум, возникающий как прямое действие температуры на проводник и на любой элемент электрической цепи, обладающий свойствами проводимости;

2. дробовый шум, характерный для вакуумных и полупроводниковых элементов и вызываемый случайным характером прохода носителя электричества (электрона) через потенциальный барьер;

3. шум генерации-рекомбинации свободных носителей электричества в полупроводнике с малыми концентрациями примесей (малой степенью легирования).

Источником теплового шума является любая среда, обладающая свойствами проводника. Электроны в проводнике находятся в беспорядочном тепловом движении. На концах проводника возникает флуктуационная разность потенциалов - случайная функция времени. Среднеквадратическое значение этой функции выражается формулой Найквиста:

Например, резистор сопротивлением 10 кОм при комнатной температуре в полосе частот от 0 до 10 кГц создает напряжение теплового шума. Случайные значения напряжения теплового шума распределены по нормальному закону. Математическое ожидание соответствует.

Дробовый шум (шум дождя по жестяной крыше) возникает за счет дискретного характера протекания электрического тока. Источником дробового шума является любая проводящая среда, по которой протекает электрический ток.

Случайные значения тока дробового шума распределены по нормальному закону и не зависят от температуры. При протекании шумового тока через сопротивление возникает падение напряжения - дробовая составляющая шумового сигнала напряжения.

Кроме перечисленных существует большое число других источников аппаратного шума. Все они оказывают совокупное действие на аналоговый сигнал непосредственно перед аналого--цифровым преобразованием. При отсутствии корреляции и при условии одинакового, нормального закона распределения, случайные шумовые составляющие могут быть просуммированы:

Um- суммарное среднее квадратическое значение шумовой составляющей сигнала.

Чем шире динамический диапазон сканера, тем больше технических средств аналогового тракта ориентировано на снижение абсолютного значения шумового сигнала. Наиболее эффективной мерой для уменьшения шумового сигнала является снижение температуры фотоэлектрического преобразователя и аналогового тракта в целом. Для этой цели используются полупроводниковые микрохолодильники, которые обеспечивают быстрое снижение температуры до для собранных в единый блок элементов аналогового тракта. Шумовые составляющие, не связанные с температурой, снижают за счет использования специальных малошумящих компонентов и другими схемными мерами.

Абсолютное значение суммарной средней квадратической шумовой составляющей может составить до 0,1 В в выходной точке аналогового тракта при диапазоне изменения сигнала 10 В - типичном значении для аналоговых интегральных схем. Комплексное использование перечисленных мер позволяет уменьшить значение шумовой составляющей сигнала до значения 0,001 В и менее.

Абсолютная величина шумовой составляющей сигнала не дает возможности оценить ее мешающее действие по отношению к основному сигналу. Для такой оценки используется отношение сигнал/шум. При аддитивном характере шумовой составляющей, наихудшее соотношение сигнал/шум соответствует области наименьших сигналов на выходе фотоэлектрического преобразователя, т.е. области темных тонов изображения или области максимальных оптических плотностей.

Все фотоэлектрические преобразователи, вне зависимости от принципа работы, имеют линейную характеристику по освещенности для рабочей области динамического диапазона. Для фотоэлектрических преобразователей с накоплением, например ПЗС, характеристика также линейна при постоянном времени экспозиции.

где s - это чувствительность фотоэлектрического преобразователя, - приращения сигнала и освещенности соответственно. В рабочем диапазоне фотоэлектрического преобразователя величина.

Одинаковые приращения оптической плотности на сканируемом изображении создают на выходе фотоэлектрического преобразователя различные приращения сигнала (кривая А на рис.12). Линейная шкала значений оптических плотностей преобразуется в нелинейную шкалу значений электрического сигнала. Динамический диапазон сканера, например, для непрозрачных изображений, при непосредственном квантовании сигнала фотоэлектрического преобразователя (отсутствует аналоговый логарифматор) определяется выражением:

При формате кода в один байт на элемент изображения по каждому цвету, динамический диапазон составляет 2,4. При таком динамическом диапазоне возможно профессионально сканировать только определенные классы изображений (в основном на отражение). Для нелинейных преобразований сигнала, связанных с градационной и цветовой коррекцией требуется представление сигнала 10-ю - 12-ю разрядами двоичного кода (шкала квантования, соответственно 1024 - 4096 ступеней). Для n=10 динамический диапазон составит 3,0 и для n=12 - 3,6 единицы оптической плотности. Это внутренний формат сканера, который после нелинейных преобразований цифрового сигнала в программных средствах сканера, для дальнейшей цифровой обработки в прикладных графических программных пакетах приводится к формату 8 бит на цветовую плоскость.

Определим положение середины динамического диапазона изображения по отношению к динамическому диапазону сигнала фотоэлектрического преобразователя. Это параметры сканера, пригодного для работы с прозрачными оригиналами.

Определим максимальное и минимальное значения сигнала на выходе фотоэлектрического преобразователя для границ динамического диапазона изображения:

В выражениях - это величина освещенности фотоэлектрического преобразователя при условии, когда весь свет от источника света достигает фотоэлектрического преобразователя, т.е. коэффициент для прозрачного изображения или коэффициент для непрозрачного изображения. Реально данное условие может быть выполнено только для сканера, работающего с прозрачными изображениями.

При настройке сканера значения сигнала, соответствующие - максимальной и минимальной оптической плотности сканируемого изображения, приводятся к некоторому стандартному динамическому диапазону электрического сигнала. Эта операция называется: установка уровня белого (белой точки) и установка уровня черного (черной точки) и выполняется либо вручную, либо автоматически в режиме предварительного сканирования с пониженным разрешением.

Середина динамического диапазона изображения определяется из выражения:

Соответствующий сигнал на выходе фотоэлектрического преобразователя из выражения:

Для упрощения расчетов примем и приведем значения сигналов к относительному диапазону в долях единицы. В этом случае, значение сигнала, соответствующее составит:

Полученное значение показывает интервал в долях единицы, в котором находятся значения сигнала, соответствующие половине динамического диапазона изображения. Для динамического диапазона аналогового тракта, ограниченного условием, это составит 0,21 В.

Определим численные значения приращения аналогового сигнала для крайних точек динамического диапазона для.

Определим значение для границы динамического диапазона, соответствующей максимальным оптическим плотностям:

Аналогично определим значение для границы динамического диапазона, соответствующей минимальной оптической плотности.

Рис. 12

Из приведенного примера видно, что суммарное действующее значение аппаратных шумов аналогового тракта при использовании основных технических средств снижения шума (0,001 В, см. выше) соизмерима с приращением сигнала в области высоких оптических плотностей. Дальнейшее увеличение соотношения сигнал/шум в области максимальных оптических плотностей возможно при использовании в аналоговом тракте логарифмического преобразования сигнала (график Б на рис.12). Аналоговый логарифмический преобразователь используется в профессиональных полиграфических сканерах высокого класса и позволяет расширить динамический диапазон до значений 4,0--4,5 единиц оптической плотности.

Шумы представляют собой важную проблему в любой области науки и техники, поскольку они определяют нижние пределы как в отношении точности измерений, так и в отношении минимальной величины сигнала, который может быть обработан средствами электроники и представлен с заданной достоверностью квантованным значением. Последним источником шумов при аналого-цифровом преобразовании является операция квантования. При квантовании сигнала возникает случайное отклонение значения сигнала--представителя от действительного значения сигнала, находящегося в интервале, ограниченном размером ступени квантования. Эту случайную погрешность принято называть шумами квантования. Максимальное значение случайной погрешности квантования, т.е. величине ступени квантования. Шумы квантования проявляются на изображении как дополнительные контуры, разделяющие соседние ступени квантования. В отличие от аппаратных шумов, шумы квантования распределены равновероятно в пределах каждой ступени квантования, что учитывается при суммировании. Величина ступени квантования принимается равной среднему квадратическому значению суммарной аппаратной шумовой составляющей:

При таком условии суммарный средний квадратический шум в сигнале увеличивается за счет добавки шума квантования не более чем на 4%.

Динамический диапазон ограничен не только областью слабых сигналов, но и предельными значениями сигнала, возникающими при сильной освещенности некоторых участков ПЗС (т.н. пересветка). При пересветке по отдельным элементам матрицы ПЗС происходит рост объемного сигнального заряда, что приводит к выравниванию потенциалов между соседними ячейками в строке и перетеканию заряда в эти соседние ячейки. Этот эффект, называемый блюминг (blooming) или оптическая пересветка, приводит к потере четкости в наиболее ярких деталях изображения. Основной метод, которым разработчики ПЗС пользуются для снижения эффекта пересветки, основан на создании 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 отделенная от накапливающей сигнальный заряд потенциальной ямы некоторым потенциальным 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. В элементе, находящемся в условиях пересветки, наступит эффект насыщения по сигналу (ограничение уровня). Если в ПЗС используется специальный затвор в МДП структуре для управления антиблюмингом, то появляется возможность принудительной очистки заряда из накопительной ячейки даже без ее переполнения, что дает возможность электронной регулировки экспозиции за счет изменения времени накопления. Ценой горизонтального антиблюминга является некоторое снижение чувствительности ПЗС за счет уменьшения коэффициента заполнения (область дополнительного стока не может дать вклад в сигнал), и увеличение размеров ячейки, что для приборов с малым размером ячейки неприемлемо.

Динамический диапазон сканера определяется по каждому из базовых цветов, по которым выполняется цветоделение. Способность воспринимать цветовой диапазон оригинала, в основном, зависит от спектральной характеристики первичного фотоэлектрического преобразователя - ПЗС линейки или ПЗС матрицы.

Спектральная характеристика ПЗС определяется двумя факторами:

1. прохождение света через электродную структуру;

2. фотогенерация, вызванная поглощением света непосредственно в полупроводнике (внутренний квантовый выход).

Поглощение света в полупроводнике описывается коэффициентом поглощения - величиной, обратной длине, на которой интенсивность излучения падает в раз. Фотогенерацию вызывают только фотоны с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны - около 1,2 эВ, что соответствует длине волны 1,05 мкм (ближний ИК диапазон). Фотоны с большей длиной волны не поглощаются и не дают вклада в выходной сигнал, а длина 1,05 мкм оказывается красной границей фотоэффекта в кремнии - основном материале для ПЗС фотоприемников.

При уменьшении длины волны коэффициент поглощения постепенно растет. При мкм (ближний ИК диапазон) энергия излучения уменьшается в раз на каждые 100 мкм, при мкм (красный цвет) - на 5 мкм, а при мкм (зелено-голубой) - на 1 мкм. Глубина обедненного слоя (глубина, на которую распространяется электрическое поле затвора вглубь полупроводника) - около 5 мкм. Для света, который целиком поглощается внутри этого слоя (при длине волны менее 0,6 мкм), внутренний квантовый выход будет практически 100%. Для более длинных волн значительная доля фотонов поглощается в нейтральной подложке, откуда носители могут попасть в активную область затвора только за счет тепловой диффузии. Из-за неоднородности подложки тепловая диффузия свободных электронов приводит к увеличению шумовой составляющей сигнала, т.к. процесс диффузии сопровождается дробовым шумом (см. выше по тексту данного раздела). Однородность активной части подложки - это основа для получения прецизионных ПЗС, пригодных для профессионального применения при сканировании слайдов с оптическими плотностями более 3,5.

Большинство западных производителей изготавливают ПЗС на эпитаксиальных подложках с толщиной эпитаксиального слоя 10-12 мкм. Эпитаксиальный слой - это молекулярное продолжение кремниевой основы, отличающееся повышенной однородностью кристаллической структуры и отсутствием примесей. Эпитаксиальный слой образуется при нагревании кремниевой пластины в атмосфере водорода в смеси с четореххлористым кремнием. Соприкасаясь с горячей поверхностью, газ диссоциируется и атомы кремния осаждаются на ней, образуя слой сверх чистого и однородного кремния толщиной 10-15 мкм. Существует другой метод получения рабочего поверхностного слоя - метод внутреннего геттерирования, используемый отечественной промышленностью при изготовлении ПЗС. Это специальный процесс, при котором дефекты кристаллической решетки смещаются вглубь подложки, и поверхностный слой толщиной около 20 мкм становится свободным от дефектов. В обоих этих случаях время жизни свободных носителей (интервал времени между генерацией свободного носителя электричества в полупроводнике до его рекомбинации) вне поверхностного слоя мало, и они не успевают попасть в активную область. Это снижает внутренний квантовый выход ПЗС для длинноволнового участка спектра и одновременно уменьшает дробовую составляюшую шумов.

Для очень коротких длин волн (менее 270 нм) энергия фотонов достаточна для генерации двух электронно-дырочных пар, но внутренний квантовый выход не может превышать 100%, т.к. при коротких длинах волн коэффициент поглощения становится настолько большим, а длина поглощения настолько маленькой, что становится существенным вклад поверхностной рекомбинации - образованные за счет энергии излучения пары рекомбинируют, не успев разделиться. Этот процесс определяет границу спектральной характеристики ПЗС в области коротких длин волн (мягкий рентген).

В однострочных и трехстрочных матрицах ПЗС, использующихся в плоскостных сканерах, применяются металлические проводники, полученные методом напыления в вакууме, для управления эффектом передачи заряда. Малое количество строк позволяет использовать непрозрачные проводники без сокращения активной площади полупроводника, участвующего в фотоэлектрическом преобразовании, т.е. без потери чувствительности. Это позволяет сохранить спектральную характеристику кремния от близкого и.к. диапазона до мягкого рентгена. В двухмерной матрице ПЗС, используемой в цифровой камере, спад спектральной характеристики начинается в сине-фиолетовой области видимого диапазона. На спектральную характеристику ПЗС воздействуют оптические свойства прозрачных проводников из поликристаллического кремния, система которых расположена на рабочей поверхности кристалла. Кроме поглощения в слоях поликристаллического кремния возникает интерференция, т.к. свет, попадая в активную область полупроводника, проходит через несколько слоев, толщина которых соизмерима длине волны. Поликристаллический кремний, из которого сделаны электроды, теряет прозрачность в области длин волн около 430 нм (фиолетовый цвет). Это существенно отличает сканер от цифровой камеры, как альтернативные средства ввода изображений в полиграфическую технологию.

Для двухмерных матриц существует несколько методов увеличения чувствительности в сине-фиолетовой области спектра.

Первый способ основан на транспонировании спектра излучения в длинноволновую область. Транспонирование спектра выполняет люминофор, нанесенный на поверхность кремния, прозрачный для длинных волн и преобразующий коротковолновый свет в кванты с большей длиной волны. Это позволяет расширить спектральную характеристику ПЗС в синюю и УФ область спектра. В сканерах и цифровых камерах этот способ не применяется.

Второй способ состоит в том, что кристалл ПЗС, уже после изготовления, утоньшается до толщины 10 мкм и менее (при размере кристалла в несколько сантиметров), а свет падает на обратную сторону подложки, свободную от системы напыленных проводников. Квантовая эффективность таких матриц достигает иногда 90% при спектральном диапазоне от 180 до 950 нм. Матрицы, изготовленные по такой технологии стоят несколько десятков тысяч долларов и применяются в дорогостоящих проектах включая космический телескоп Хаббл или Южную Европейскую Обсерваторию в Чили с несколькими 8-метровыми зеркальными телескопами.

В профессиональной фототехнике используются комбинации различных методов для получения линейной спектральной характеристики в видимой области при умеренных затратах, но проблема снижения чувствительности в сине-фиолетовой области существенно усложняет задачу цветоделения на профессиональном уровне.

Применение ПЗС создает также ряд специфических проблем, полностью отсутствующих при использовании одиночных фотоэлектрических преобразователей, на основе которых строятся барабанные сканеры. Прежде всего это неоднородность чувствительности по отдельным элементам матрицы. При абсолютно однородной освещенности сигнал с каждого элемента матрицы имеет разброс значений в пределах 5-7%. Этот эффект называют геометрическим шумом. В телевизионных камерах и цифровых фото камерах бытового уровня геометрический шум, как правило, не корректируется. В профессиональных сканерах, где требуется высокая фотометрическая точность, применяют алгоритм коррекции неравномерности. Поскольку чувствительность каждого индивидуального элемента - фиксированная величина, то для ее коррекции при некоторой равномерной освещенности запоминают сигналы со всех элементов прибора и используют их как коэффициенты коррекции при всех последующих экспозициях.

Поиск по сайту: