Устройство для сканирования объектов

Полезная модель относится к фотоэлектронной технике, а именно к устройствам для сканирования и может быть использовано при сканировании различных объектов. Устройство содержит источник света, оптическую систему для выравнивания амплитуды света, испускаемого источником, по спектральному диапазону, оптическую систему для разложения светового потока на составляющие спектра и светочувствительный датчик в виде ПЗС матрицы. Матрица включает по меньшей мере два слоя фоточувствительных элементов, выполненных с возможностью поглощения фотонов светового потока фоточувствительными элементами первого относительно их движения слоя ПЗС матрицы и/или по меньшей мере одного из последующих ее слоев при пробое фотонами предыдущих слоев и накопления фоточувствительными элементами слоев электрических зарядов. При этом матрица снабжена электродами параллельного переноса заряда для его перетекания от одного слоя к другому. Технический результат - возможность определения интенсивности светового потока, прошедшего через сканируемый объект или отразившегося от него, в любой части спектра в области видимого излучения и прилегающих к ней областям (инфракрасной или ультрафиолетовой), а также в повышение точности этих данных.

Полезная модель относится к фотоэлектронной технике, а именно к устройствам для сканирования объектов, которые могут быть использованы, в частности: для сканирования любых цветовых носителей информации, как на просвет, так и на отражение (например, кинопленок, фотопленок и т.д.), сканирования любых материальных объектов (как на просвет так и на отражение), в том числе любых небесных тел, а также клеток, частиц, молекул, живых тканей, для дефектоскопии материалов и изделий, для фото-, кино- и видеосъемки, в т.ч. видео наблюдения, для съемки и регистрации голографических объектов, для наблюдения и регистрации степени освещенности материальных объектов и структур на их базе.

В общем случае, задачей сканирования является определение спектральных и яркостных характеристик светового потока, соответствующих характеристикам сканируемого объекта.

Из уровня техники известно устройство для сканирования объектов (см. EP 1564985 A2, 17.08.2005) содержащее источник света, жидкокристаллическую матрицу для разложения светового потока и формирования полос красного, зеленого и синего света (RGB) и светочувствительный датчик в виде ПЗС матрицы.

Недостатком известного устройства является то, что анализ светового потока, несущего в себе информацию о сканируемом объекте, производится только по трем областям спектра (RGB), при этом не учитываются остальные области. Кроме того, ПЗС матрица, используемая в данном устройстве, не обеспечивает «захват» всех фотонов света, попавших на ее поверхность.

Задачей заявленной полезной модели является создание устройства для сканирования объекта, позволяющего получить наиболее качественный цифровой образ.

Технический результат заявленной полезной модели заключается в возможности определения интенсивности светового потока, прошедшего через сканируемый объект (или отразившегося от него), в любой части спектра в области видимого излучения и прилегающих к ней областям (инфракрасной или ультрафиолетовой), а также в повышении точности этих данных.

Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для сканирования объектов содержит источник света, оптическую систему для выравнивания амплитуды света, испускаемого источником, по спектральному диапазону, оптическую систему для разложения светового потока на спектральные составляющие и светочувствительный датчик в виде ПЗС матрицы, включающей по меньшей мере два слоя фоточувствительных элементов, выполненных с возможностью поглощения фотонов светового потока фоточувствительными элементами первого относительно их движения слоя ПЗС матрицы и/или по меньшей мере одного из последующих ее слоев при пробое фотонами предыдущих слоев и накопления фоточувствительными элементами слоев электрических зарядов, при этом матрица снабжена электродами параллельного переноса заряда для его перетекания от одного слоя к другому.

Кроме того, указанный технический результат достигается за счет того, что:

- ПЗС матрица имеет по меньшей мере две области, выполненные с возможностью поглощения в каждой из них части спектра разложенного светового потока,

- каждая область слоя ПЗС матрицы выполнена в виде по меньшей мере одной строки активных пикселов из фоточувствительных элементов,

- в последнем слое ПЗС матрицы установлены выходные элементы, а пикселы каждой строки в последнем слое соединены электродами последовательного переноса заряда, для перетекания накопленного заряда со всех слоев в каждой строке к выходным элементам,

- устройство дополнительно содержит аналого-цифровой преобразователь, соединенный с выходными элементами ПЗС матрицы, и соединенное с ним устройство хранения информации,

- устройство дополнительно содержит щелевую маску для фокусировки светового потока, выполненную с возможностью размещения в ее центре объекта сканирования,

- источник света выполнен в виде светодиодной матрицы с обратной связью,

- в качестве ПЗС матрицы использована TDI матрица.

Предпочтительный вариант конструкции заявленного устройства для сканирования показан на фиг.1

Устройство для сканирования содержит источник света 1 (например, светодиодная матрица с обратной связью), оптическую систему 2 для нормирования светового потока (для выравнивания амплитуды света по спектральному диапазону), щелевую маску 3, оптическую систему 4 (канал, тракт, систему линз призм, щелей и решеток) для разложения светового потока на составляющие спектра, ПЗС матрицу 5, АЦП (аналого-цифровой преобразователь) 6, соединенный с выходными элементами матрицы и устройство хранения информации 7, соединенное с АЦП 6.

В общем виде ПЗС матрица может представлять собой аналоговую интегральную микросхему, состоящую из светочувствительных элементов (фотодиодов), и использующую технологию ПЗС - приборов с зарядовой связью. Матрица может быть изготовлена из поликремния (или другого материала), отделенного от подложки (например, из кремния), у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. При подаче напряжения на электроды создается потенциальная яма, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции, тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно тем выше итоговый заряд данного пиксела. Таким образом, при сканировании, световой поток, несущий в себе информацию о сканируемом объекте, направляют на светочувствительную поверхность ПЗС-элементов, задача которых состоит в преобразовании энергии фотонов в электрический заряд. В общем случае это происходит следующим образом. Для фотона, упавшего на ПЗС-элемент, есть три варианта развития событий - он либо «срикошетирует» от поверхности, либо будет поглощен в толще полупроводника (материала матрицы), либо «пробьет насквозь» ее «рабочую зону». Фотоны, которые были поглощены матрицей, образуют пару электрон-дырка, если произошло взаимодействие с атомом кристаллической решетки полупроводника, или же только электрон (либо дырку), если взаимодействие было с атомами донорных либо акцепторных примесей. Однако те фотоны, которые «срикошетили» или «пробили» матрицу насквозь не могут быть учтены при определении интенсивности светового потока. Очевидно, что требуется создать такую матрицу, в которой потери от «рикошета» и «прострела навылет» были бы минимизированы.

Эта проблема решается посредством использования многослойной матрицы 5 применяемой в заявленном устройстве. Ее конструкция показана на фиг.2. В отличие от известных аналогов, матрица содержит не один, а по меньшей мере два фоточувствительных слоя 8 активных пикселов 9. При этом каждый из слоев имеет по меньшей мере две области 10, каждая из которых поглощает разложенный световой поток 11 в различных частях светового спектра. Предпочтительно указанные области выполнены в виде одной или нескольких строк. Для переноса электронов от слоя к слою, матрица снабжена электродами 12 параллельного переноса заряда. При этом на последнем слое матрицы пиксели каждой строки (области) матрицы соединены электродами 13 последовательного переноса заряда, для «перетекания» накопленного заряда на всех слоях в каждой из областей к выходным элементам 14 матрицы.

Предпочтительный вариант архитектуры многослойного пиксела 9 в заявленной матрице показан на фиг.3.

Пиксел 9 представляет из себя набор фоточувствительных полупроводниковых элементов 15, размещенных в многослойной подложке 16. Перед первым слоем установлена линза 17 (в случае если используется отраженный свет) и прозрачный электрод 18, который отделен от первого слоя изолятором 19. Каждый слой матрицы имеет зону генерации носителей заряда 20 и зону потенциальной ямы 21 При этом слои отделены друг от друга с помощью прозрачных или полупрозрачных прослоек 22.

Наиболее предпочтительно использовать в заявленном устройстве TDI матрицу, поскольку она позволит наилучшим образом зарегистрировать весь спектр энергий падающего излучения. При этом каждый слой будет лучше накапливать и передавать энергию взаимодействия между фотонами и электронами, а суммарный заряд этого взаимодействия будет оценен и зафиксирован.

Для описания расширения спектрального состава регистрируемого светового излучения обратимся к описанию цветовых пространств, точнее их моделей.

1). Пространство RGB (фиг.4): Red, Green, Blue - красный, зеленый, синий. Цвет разбит на 3 характеристики, выражающие содержание основных цветов. Модель является аддитивной, так как эти компоненты суммируются. Данное цветовое пространство используется при выводе на экран монитора. Это означает что модель аппаратно зависима, на разных мониторах одинаковые цвета будут выглядеть различно. RGB цвет используется с разной точностью: 8-битный RGB дает 256 цветов, 16-битный 65536 (схема 5-6-5), 24-битный 16777216 (8-8-8). В скобках указаны биты на канал.

2) Пространство CMYK (фиг.5): Cyan, Magenta, Yellow, Key - голубой, пурпурный, желтый, ключ (черный). Данный формат используется в принтерах. Позволяет экономить чернила. К сожалению, нельзя создать красок, аналогичных RGB для печати. Все дело в том, что эти цвета работают только на просвет, т.е. через пленку-фильтр или люминофор монитора. Цвета словно вырезаются соответствующими фильтрами из сплошного спектра. В печати все происходит с точностью до наоборот, т.е. бумага поглощает весь спектр за исключением того цвета, в который она покрашена. Создать краски, являющиеся абсолютно точно "противоположными" (дополнительными) к цветам RGB, не удается, поэтому приходится вводить четвертую дополнительную краску - черную. Ее задача - усилить поглощение света в темных областях, сделать их максимально черными, т.е. увеличить тоновый диапазон печати. Четырехканальный CMYK весомее RGB и обрабатывается медленнее, занимая больше памяти.

3). Пространство HLS (фиг.6): Hue, Lightness, Space - оттенок, яркость, насыщенность. Довольно распространенный формат, удобен для применения различных эффектов. В отличие от двух предыдущих кубический спектров RGB и CMYK, HLS является коническим. Очень сходны с ней модели HSB (Hue, Space, Brightness) и HSV (Hue, Space, Value), так же конические. Эти модели наиболее близки к восприятию цвета человеком. Кроме того, наиболее удобна для оптических и фотометрических расчетов: оттенок соответсвует длине волны, яркость - количеству света, насыщенность - интенсивности. Так что эта модель будет удобна при работе с источниками света и материалами.

4). Пространство CIE XYZ (фиг.7): Нормальная цветовая схема - плоская модель цветопередачи. Красные компоненты цвета вытянуты вдоль оси X координатной плоскости (горизонтально), а зеленые компоненты цвета вытянуты вдоль оси Y (вертикально). При таком способе представления каждому цвету соответствует определенная точка на координатной плоскости. Спектральная чистота цветов уменьшается по мере того, как вы перемещаетесь по координатной плоскости влево. Но в этой модели не учитывается яркость. Данная модель аппаратно независима, поддерживает намного больше цветов, чем способны различать современные устройства (сканеры, мониторы, принтеры) CIE XYZ построено на основе зрительных возможностей так называемого Стандартного Наблюдателя, то есть гипотетического зрителя, возможности которого были тщательно изучены и зафиксированы в ходе проведенных комитетом CIE длительных исследований человеческого зрения. Комитет CIE провел множество экспериментов с огромным количеством людей, предлагая им сравнивать различные цвета, а затем с помощью совокупных данных этих экспериментов построил так называемые функции соответствия цветов (color matching functions) и универсальное цветовое пространство (universal color space), в котором был представлен диапазон видимых цветов, характерный для среднестатистического человека. Функции соответствия цветов - это значения каждой первичной составляющей света, которые должны присутствовать, чтобы человек со средним зрением мог воспринимать все цвета видимого спектра

5). Пространство CIE Lab (фиг.8): Усовершенствованная модель XYZ. Конечной целью комитета CIE была разработка повторяемой системы стандартов цветопередачи для производителей красок, чернил, пигментов и других красителей. Самая важная функция этих стандартов - предоставить универсальную схему, в рамках которой можно было бы устанавливать соответствие цветов. В основу этой схемы легли Стандартный Наблюдатель и цветовое пространство XYZ, однако несбалансированная природа пространства XYZ, вызванная тем, что человек различает разницу между оттенками зеленого и желтого гораздо лучше, чем между оттенками красного и пурпурного, сделала эти стандарты трудными для четкой реализации. В результате CIE разработал более однородные цветовые шкалы - CIE Lab и CIE Luv. Из этих двух моделей более широко применяется модель CIE Lab. Хорошо сбалансированная структура цветового пространства Lab основана на той теории, что цвет не может быть одновременно зеленым и красным или желтым и синим. Следовательно, для описания красно-зеленого и желто-синего атрибутов можно воспользоваться одними и теми же значениями. Когда цвет представляется в пространстве CIE Lab, величина L обозначает яркость (luminosity), a - величину красно-зеленой составляющей, a b - величину желто-синей составляющей.

Также существуют и другие цветовых модели (такие как CCY, Luv, модели Манселла и Оствальда) но они используются намного реже.

Как видно из представленных моделей, то наиболее ограниченная и соответственно зависимая модель пространства, это модель пространства RGB, и т.к. все существующие матрицы регистрируют световое излучение именно по этой модели, то яркостная характеристика L, у этих матриц жестко привязана к цветовым характеристикам и любое изменение в яркостном диапазоне, сразу приводит к изменению в цветовом и наоборот.

В нашем случае, т.к. яростная характеристика измеряется отдельно от цветовой, и модель цветового диапазона наиболее соответствует представлению модели CIE Lab, диапазон измеренных цветов и их оттенков ограничивается только количеством шагов регистрации цветового спектра, для данного материала и исполнения матрицы. Таким образом достигается принципиально другой уровень точности при обработки цветовой информации и соответственно диапазон измеряемых и регистрируемых цветовых оттенков ограниченный только математическим аппаратом текущего представления модели пространства CIE Lab.

Заявленное устройство работает следующим образом.

Для сканирования в области видимого излучения используют белый свет, а в случае сканирования в прилегающих к видимой областях - инфракрасный или ультрафиолетовый свет. Свет испускается источником света 1 и нормируется при помощи оптической системы 2, на выходе из которой свет представляет собой поток белого света или близкий к нему, у которого амплитуда (яркость) по всему частотному (спектральному) диапазону выровнена. Далее световой поток проходит через щелевую маску 3, где он преобразуется в узкий световой пучок. В центре щелевой маски размещается объект сканирования (например, пленка или пластина), плоскость которого перемещается перпендикулярно плоскости узкого светового потока. Проходя через этот объект сканирования на просвет или отражаясь от него нормированный поток света, изменяет свой спектральный состав и яркостной характер, а именно, приобретает яркостную характеристику (амплитуда) для каждой длинны волны входящий в видимый (400-700 нм) или близкий к нему световой спектр, в соответствии со сканируемой областью объекта и в зависимости от нанесенной на него цветовой маски. Сформированный таким образом световой поток попадает в оптическую систему 4 и проходя через этот оптический канал в части видимого спектра (400-700 нм) или близкого к видимому, дифференцируется (раскладывается, разлетается в пространстве за счет разных углов преломления для разных длин волн) на бесчисленное множество световых волн (спектральных составляющих). В таком виде световой поток попадает на светочувствительную поверхность ПЗС матрицы 5. При этом разложенный световой поток распределяют по поверхности матрицы 5 таким образом, что образуется по крайней мере две области, в каждой из которых поглощается одна из частей разложенного спектра, т.е. поглощается световой поток с определенной длиной волны. Как было упомянуто ранее при попадании фотонов на поверхность матрицы большинство из них вступают во взаимодействие с фоточувствительными элементами, образуя электроны и накапливая их в зоне потенциальной ямы 21. При этом некоторые фотоны могут пройти насквозь один или несколько слоев 8 матрицы, и в этом случае фотоны будут поглощены одним из последующих слоев. Таким образом заряд будет возникать также и на промежуточных слоях матрицы.

Затем посредством электродов 12 параллельного переноса заряда образованные электроны со всех слоев «перетекают» к последнему (относительно движение светового потока) слою, в котором с помощью электродов 13 последовательного переноса в каждой строке заряд со всех слоев перемещается с выходным элементам 14 матрицы. При этом по суммарному заряду образованному в каждой области матрицы на всех слоях определяют интенсивность (яркостную характеристику) светового излучения, несущего информацию о сканируемом объекте, в каждой части спектра (для каждого диапазона длин волн).

На фиг.9 представлен график характеристической кривой (Х.К.) сенситометрии. На графики по оси Y(абсцисс) откладывается значения чувствительности (или плотности в случае сравнения с кино или фото пленкой), а по оси X (ординат) значения экспозиции или времени при котором происходит, регистрация процесса накопления заряда под воздействием фотонов падающего света. Значение экспозиции измеряется в люксах на секунду и имеет логарифмическую форму для компактности удобства оценки и восприятия конечных значений. Значения т.н. нейтрально-серого стандартного клина, по которому в настоящее время измеряют значения плотности почернения (недодержки) в нижней части Х.К. или побеления (передержки) в верхней части Х.К, позволяют наилучшим образом описать процесс взаимодействия количества падающих фотонов света и их энергий (и соответственно спектрального состава регистрируемого светового потока) на сам процесс регистрации. На рисунке видно, что расширение динамического диапазона достигается в нижней части Х.К. - за счет смещения участка почернения (недодержки) Х.К. в нижнюю часть и регистрации практически всех фотонов (это происходит за счет конструкции самого первого, и самого чувствительного слоя матрицы, описанной выше), практически на порядок, а в верхней части Х.К. за счет регулировки границы побеления (передержки) т.е. плавного смещения области регистрации или реакции на поток падающих фотонов и ограничения этого потока в верхней части Х.К. (это происходит грубо - за счет подбора материала фоточувствительного слоя, количества примесей в материале, т.е изменения количества носителей заряда, а также изменения размера и толщины, как самих слоев, так и регистрирующих свет областей матрицы, а более точная регулировка и настройка осуществляется путем смещения величины потенциала прикладываемого к электроду слоя и соответственно смещению зоны реакции потенциальной ямы в сторону больших или меньших значений). В области «белого» все пикселы обычной матрицы будут засвечены и определить, например, 100001 фотон из 100000 будет проблематично. В области «черного», наоборот, для определения одиночных фотонов требуется пикселы с высокой чувствительностью и требуется различать, например, 3 от 4 упавших фотона. Используя многослойную матрицу можно варьировать съем информации с каждого слоя и использовать, например первый слой как слой, пропускающий практически все фотоны, и являющийся слоем корректировки ошибок. Или наоборот использовать его как высокочувствительный слой. Также можно изменять чувствительность слоев относительно друг друга, создавая, например логарифмическое распределение чувствительности по слоям. Таким образом, возможно расширить яркостной диапазон, в котором работает заявленная матрица. Существующие матрицы работают, как правило, только в зоне L или Lmax.

Таким образом, за счет использования оптической системы для предварительного разложения светового потока на спектральные составляющие, заявленное устройство позволяет определять интенсивность светового потока, несущего информацию о сканируемом объекте, в любой части спектра. При этом использование матрицы, имеющей множество слоев, позволяет наиболее точно определить эту интенсивность, за счет максимального поглощения слоями матрицы фотонов света.

Заявленное устройство позволяет получать более качественный цифровой образ за счет:

1) увеличения различимости градаций серого (до 10 раз) при той же мощности или освещенности объекта, либо получить то же качество различимости при освещенности меньшей освещенности, чем известными способами. Динамический яркостной коэффициент различимости D (соотношения самого светлого участка к самому темному) с применением заявленного способа - D=4, а различимость 10000, с применением аналогичных способов - D=3, различимость 1000.

2) Значительного увеличения различимости количества цветовых оттенков (до 16.000.000 раз) по сравнению с существующими сегодня технологиями. С применением существующих способов различимость спектра 2 в 24 степени (линейная система). С применением заявленного способа различимость спектра 2 в 48 степени (логарифмическая система).

Описанная конструкция может быть реализована, в частности, в следующих устройствах: киносканеры, кинокамеры, телекамеры, видеокамеры, фотокамеры, цифровой камеры наблюдения, движения, ночного видения и др., цифровые бинокли, подзорные трубы, телескопы, электронные микроскопы, дефектоскопы, копиры, парктроники, медицинские зонды, устройства для «искусственного зрения», устройства ручного ввода, геодезические устройства регистрации, метеорологические устройства регистрации, устройства для астрономической съемки и аэрофотосъемки, стерео и 3D сканеры, сканеры документооборота, устройства обратной связи, в системах регистрации объектов, устройства для наблюдения и регистрации освещенности объектов материальной структуры.

Следует отметить, что раскрытая в описании конструкция устройства для сканирования является предпочтительным вариантом реализации заявленной полезной модели, но не ограничивающим приведенную в заявке совокупность существенных признаков. При этом вся указанная совокупность направлена на достижение упомянутого технического результата.

1. Устройство для сканирования объектов, содержащее источник света, оптическую систему для выравнивания амплитуды света, испускаемого источником, по спектральному диапазону, оптическую систему для разложения светового потока на составляющие спектра и светочувствительный датчик в виде ПЗС матрицы, отличающееся тем, что ПЗС матрица включает, по меньшей мере, два слоя фоточувствительных элементов, выполненных с возможностью поглощения фотонов светового потока фоточувствительными элементами первого, относительно их движения, слоя ПЗС матрицы и/или, по меньшей мере, одного из последующих ее слоев при пробое фотонами предыдущих слоев и накопления фоточувствительными элементами слоев электрических зарядов, при этом матрица снабжена электродами параллельного переноса заряда для его перетекания от одного слоя к другому.

2. Устройство по п.1, в котором ПЗС матрица имеет, по меньшей мере, две области, выполненные с возможностью поглощения в каждой из них части спектра разложенного светового потока.

3. Устройство по п.1, в котором каждая упомянутая область слоя ПЗС матрицы выполнена в виде, по меньшей мере, одной строки активных пикселов из фоточувствительных элементов.

4. Устройство по п.1, в котором в последнем слое ПЗС матрицы установлены выходные элементы, а пикселы каждой строки в последнем слое соединены электродами последовательного переноса заряда, для перетекания накопленного заряда со всех слоев в каждой строке к выходным элементам.

5. Устройство по п.4, дополнительно содержащее аналого-цифровой преобразователь, соединенный с выходными элементами ПЗС матрицы, и соединенное с ним устройство хранения информации.

6. Устройство по п.1, дополнительно содержащее щелевую маску для фокусировки светового потока, выполненную с возможностью размещения в ее центре объекта сканирования.

7. Устройство по п.1, в котором источник света выполнен в виде светодиодной матрицы с обратной связью.

8. Устройство по п.1, в котором в качестве ПЗС матрицы использована TDI матрица.