Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №9
Шрифт:
Архитектура FT-матрицы (рис. 6) во многом схожа с предыдущей. Различие состоит лишь в том, что здесь добавляется идентичный, но отдельный и нечувствительный к свету параллельный сдвиговый регистр, который называется областью хранения (storage array).
Идея заключается в том, чтобы очень быстро сдвинуть захваченную сцену из фоточувствительной области в область хранения. Перенос зарядовых пакетов из последней выполняется так же, как и для архитектуры FFT. Преимущество такого построения — съемку можно выполнять практически непрерывно. Вследствие того, что для реализации этой архитектуры требуется вдвое большая площадь матрицы, чем для сенсоров FFT, камеры на ее основе имеют меньшее разрешение и более высокую стоимость.
Ограничения FT-архитектуры
После захвата сцены заряд, накопленный каждым пикселом, немедленно передается в защищенный от света параллельный сдвиговый регистр ПЗС. Затем выполняется уже рассмотренный выше перенос заряда на выходные цепи. Во время этого, как и для FT-матриц, может осуществляться захват следующей сцены. Такая архитектура также обеспечивает высокую скорость съемки, причем степень размытости изображения намного ниже, чем для матриц FT-архитектуры. Основным недостатком межстрочных матриц является сложность их изготовления, приводящая к повышению стоимости. Кроме того, у таких матриц ниже чувствительность, поскольку меньше площадь светочувствительной зоны, что равносильно уменьшению апертуры. Это также ведет к увеличению количества ошибок при оцифровке (квантизации) изображения.
Архитектура КМОП-сенсоров
Остановимся вкратце на архитектуре КМОП-сенсоров (детальное изложение принципов их работы требует отдельной статьи). Сенсоры изображений, построенные на базе структур КМОП, выполняют больше функций на микросхеме, чем ПЗС-матрицы. Кроме генерации электронов проводимости под действием падающего света и их переноса, КМОП-сенсоры могут также производить обработку изображений, выделение контуров, способны понижать уровень шума и осуществлять преобразования аналог-код. Однако наиболее привлекательная их особенность — возможность программирования различных функций. Это позволяет делать КМОП-устройства очень гибкими. Такая интеграция функций на одном чипе является основным преимуществом КМОП над ПЗС. Столь высокая степень интеграции не требует установки в цифровых фотокамерах дополнительных чипов, например процессора цифровой обработки сигналов и АЦП. Вдобавок, поскольку КМОП-устройства потребляют меньше энергии, чем ПЗС, они не так нагреваются и, следовательно, имеют более низкий уровень тепловых шумов.
Переворот в технологии КМОП-сенсоров произошел в начале 90-х, когда в лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory — JPL) NASA успешно реализовали Active Pixel Sensors (APS). Теоретические исследования были выполнены еще несколько десятков лет тому назад, но практическое использование активного сенсора отодвинулось до 1993 г.
APS добавляет к каждому пикселу транзисторный усилитель для считывания (рис. 8), что дает возможность преобразовывать заряд в напряжение прямо в пикселе. Это обеспечило также произвольный доступ к фотодетекторам наподобие реализованного в ОЗУ.
С помощью механизма произвольного доступа можно выполнять считывание выбранных групп пикселов. Данная операция получила название кадрированного считывания (windowing readout). Кадрирование позволяет уменьшить размер захваченного изображения и потенциально увеличить скорость считывания по сравнению с ПЗС-сенсорами, поскольку в последних необходимо выгрузить всю информацию. Вдобавок к усилителю внутри пиксела, усилительные схемы могут быть размещены в любом месте по цепи
Однако все дополнительные цепи приводят к тому, что у КМОП-сенсоров традиционно возникают такие трудности, как высокий уровень шума, ток утечки и остаточный заряд. Этим недостаткам есть некоторая компенсация: с помощью дополнительных схем можно устранить темновой ток и уменьшить вносимые им помехи. Неудивительно, что при таких возможностях существует множество модификаций КМОП-сенсоров.
Нами не рассмотрена еще одна, органически связанная с сенсорами изображений, тема — как создается цвет. К ней мы обратимся в дальнейших публикациях.
Наглядное сравнение сканеров CCD И CIS
(автор: NIP с http://www.natahaus.ru )
Незрелый ананас, для человека справедливого,
Всегда хуже зрелой смородины.
(с) Козьма Прутков
Немного теории
CCD (Charge-Coupled Device, прибор с зарядовой связью — ПЗС) — светочувствительный элемент представляет собой узкую полоску из множества фотодатчиков, на которую при сканировании на каждом шаге двигателя отражается от документа и через систему зеркал попадает свет от лампы, установленной на каретке. На каждом шаге каретки сканер фиксирует одну горизонтальную полоску оригинала, разбитую в свою очередь на некоторое количество пикселей на CCD-линейке. Итоговое изображение, составленное из полосок, представляет собой как бы мозаику из пикселей одинакового размера и разного цвета. Для проецирования изображения с подсвеченного оригинала на CCD-линейку используется специальная оптическая система из объектива и нескольких зеркал.
Рис. 1. Устройство каретки сканера на основе CCD матрицы.
CIS (Contact Image Sensor, контактный датчик изображения) — светочувствительный элемент представляет собой линейку одинаковых фотодатчиков, равную по ширине рабочему полю сканирования, непосредственно воспринимающих световой поток от оригинала. Оптическая система — зеркала, преломляющая призма, объектив — полностью отсутствует.
Рис. 2. Устройство каретки сканера на основе CIS матрицы.
Подопытные кролики
Mustek Be@rPaw 120ОCU Plus — планшетный сканер для домашнего использования. В сканере используется CIS-матрица (Contact Image Sensor). Аппаратные разрешения: 600x1200dpi
Epson Perfection 1270 — планшетный сканер, предназначенный для домашних пользователей. В сканере используется цветной линейный датчик CCD (Charge-Coupled Device). Аппаратные разрешения: 1200x2400dpi
Смотри и сравнивай
Чтобы сравнить сканеры CCD и CIS, применительно к оцифровке печатных изданий, я отсканировал в оттенках серого с разрешением 300 dpi один и тоже разворот середины брошюры с текстом в 10-ти миллиметрах от кромки переплета. Для наглядности отличий в резкости получаемого результата сканировал с разной степенью прилегания материала к стеклу. Фильтры пост обработки в драйверах отключены. Полученные сканы обработке, кроме обрезки и преобразования в jpg, не подвергались.