Что такое линейка сканера



Система автоматической калибровки сканера — в чём подвох?

В этой статье речь пойдет о системе автоматической калибровки сканера. Отметим, что в настоящее время в сканерах МФУ все чаще встречается «контактный датчик изображения» (Contact Image Sensor, CIS), в основе которого лежит тот же самый принцип зарядовой связи. Грубо говоря, CIS это модуль, который в котором объединены: сканирующая линейка CCD с длиной, равной размеру сканируемого изображения; линейка короткофокусных линз, которая заменяет систему зеркал и линз; и лампа экспозиции, роль которой зачастую выполняет линейка светодиодов.

Основные тезисы, вытекающие из теории:

На текущем этапе развития технологий сканирующая линейка в любом сканере имеет отличия чувствительности отдельных пикселов. Это неизбежно.

Если не предпринимать никаких мер по коррекции отличий чувствительности пикселов, то сканируемое изображение обязательно будет «полосатым». Поэтому система автоматической калибровки используется во всех сканерах. Наиболее распространенные термины для обозначения этой системы – AGC (Auto Gain Control, Автоматическая регулировка уровня) и Shading Correction (Теневая коррекция).

Наличие системы автоматической калибровки, помимо решения основной задачи коррекции разной чувствительности пикселов, решает и другие задачи:

  • Не нужно управлять яркостью свечения лампы экспозиции. В определенном диапазоне система может компенсировать избыточно или недостаточно яркий свет лампы. Соответственно, упрощается схема управления лампой, а такое понятие как «регулировка яркости лампы экспозиции», которое в аналоговых машинах было одним из ключевых, становится ненужным и заменяется на цифровую обработку выходного сигнала сканера.
  • Не нужно иметь лампу с равномерной яркостью по всей длине. Система может компенсировать разницу яркости точно так же, как и разницу чувствительности пикселов. Это позволяет использовать линейку светодиодов в качестве лампы.
  • Система может компенсировать старение лампы, и даже пыль на зеркалах. До определенного предела, разумеется

Все, вроде бы, красиво, но есть «слабое звено» — для правильной работы системы автоматической калибровки сканера необходима эталонная белая полоса с одинаковой белизной по всей своей длине. А в реальных условиях эксплуатации эта полоса местами загрязняется и теряет свою белизну. Это приводит к тому, что для пикселей линейки CCD, на которые проецируется уже совсем не белый участок калибровочной полосы, система выставляет избыточную коррекцию – изображение осветляется.

Практические аспекты, связанные со сканером:

Если вы чистите оптику сканера, то не забывайте почистить и белую калибровочную полоску. Она играет очень важную роль в работоспособности системы калибровки.

Типичное положение белой полосы

Несмотря на то, что система автоматической калибровки способна компенсировать загрязнение зеркал и линз, их тоже нужно тщательно чистить. Как минимум, чтобы значения коррекции не выходили за диапазон, в котором система работает правильно. Для очистки зеркал и линз в большинстве случаев достаточно сухой безворсовой салфетки. Если грязь сухой салфеткой не оттирается, то лучше воздержаться от применения «ядреной химии» и попробовать сначала «мягкие» очистители оптики типа “ScreenClene” от Katun.

Полосы осветленного изображения на копиях, параллельные ходу движения каретки сканера, при нормальных отпечатках в режиме принтера, почти однозначно указывают на то, что белая калибровочная полоса местами перестала быть белой. Очистите ее и всю остальную оптику.

Целиком бледная копия при нормальных отпечатках в режиме принтера может иметь несколько причин:

  • Белая полоска в сканере перестала быть белой по всей длине.
  • Загрязнение оптики привело к тому, что увеличившиеся значения коррекции, устанавливаемые системой калибровки, стали неточными, т.е. возникла перекомпенсация.
  • Кто-то накрутил пользовательские и/или сервисные настройки яркости изображения.
  • «Конструктора недосмотрели», т.е. микропрограммное обеспечение аппарата имеет неточный алгоритм обработки сканированного изображения, осветляющий отпечаток. К сожалению, такие случаи нередки.

Лечение такой бледноты простое и банальное – проверить установки аппарата, очистить белую полоску, очистить все зеркала и линзы, включая те, до которых добраться нелегко. Иногда загрязнение оптики и белой полосы приводит к тому, что аппарат, будучи не в состоянии выставить адекватные значения коррекции выдает ошибку сканера (ошибка AGC, ошибка лампы экспозиции, «прогрев сканера» и т.п.). При появлении этих ошибок не спешите сходу менять CCD-модуль, как того зачастую требует сервис-мануал. Уже неоднократно упомянутая тщательная очистка всего и вся в сканере спасает от этих ошибок довольно часто, хотя, естественно, и не всегда.

Читайте также:  Принтер hp laserjet 1600 инструкция

Некоторые аппараты имеют возможность регулировки положения каретки сканера под белой полосой во время автокалибровки. Эта регулировка бывает полезной в тех случаях, когда на полосе есть несмываемое повреждение или загрязнение, которое не занимает всю ширину полосы.

И последнее – винты, которые крепят линейку CCD, линзу и некоторые другие детали сканирующего модуля, почти всегда закрашены краской. Это сделано не из-за избытка краски на производстве а означает, что не нужно откручивать эти винты, даже если очень хочется. Вероятность того, что после отвинчивания/завинчивания винтов модуль нормально заработает, очень невысока.

Источник

ПЗС линейка: с чем ее едят


В этой статье я хочу представить свой опыт по использованию линейного ПЗС-фотоприемника. Такая ПЗС-линейка может быть использована в проекте самодельного спектрометра, считывателя штрих-кодов, датчика положения или отклонения лазерного луча, сканера для фото- или кинопленки и много где еще. В моем случае это был лазерный сканер, описывать который в сети мне не позволяет сфера его применения.

Что такое прибор с зарядовой свзью

Чаще всего, когда говорят о ПЗС, имеют в виду различные фотоприемники. Реже — это устройства памяти: регистры сдвига, линии задержки. По своей сути это устройство, чем-то напоминающее память на цилиндрических магнитных доменах, только на кремнии — с помощью создаваемой системой электродов бегущей волны электрического поля по полупроводнику перемещаются сгустки носителей заряда, каким-либо образом образовавшиеся в нем ранее. Таким образом, мы получаем регистр сдвига, имеющий предельно простую структуру и способный запоминать не только последовательность цифровых единиц и нулей, но и аналоговый сигнал.

В ПЗС-приемниках изображения используется как раз вот эта способность данной структуры — последовательно выводить один за другим заряды, накопленные под каждым из пикселов структуры. Кроме того, та же система затворов, что используется для перемещения зарядов, во время экспонирования создает потенциальные ямы, в которых эти заряды накапливаются (либо эти ямы создаются в процессе формирования структуры — подобно встроенному и индуцированному каналам МОП-транзистора). Более сложные структуры включают в себя резистивный затвор, вдоль которого формируется плавный потенциальный склон (так устроены ПЗС-линейки Hamamatsu S11155)., а также разделение зон накопления и переноса зарядов — накопленные заряды всей строки сначала переносятся в буферную строку, а затем уже последовательно выдвигаются на выход вдоль последней.
Простота внутренней структуры выливается в сложность управления ею. Даже простейший вариант ПЗС-линейки требует генерировать двух-или трехфазный сигнал сложной формы с различными уровнями напряжения с крутыми фронтами (при высокой входной емкости, составляющей 1000 и более пФ), сдвинутыми друг относительно друга. Линейки типа Hamamatsu S11155 требуют аж восьми разных сигналов с различными уровнями напряжений высокого и низкого уровня по обе стороны нуля.
К счастью, некоторые фирмы (например, Sony) выпускали линейки, в которых вся эта сложность формируется прямо на кристалле. И для их работы нужно сформировать всего два сигнала: открывающий электронный затвор на время экспозиции, и тактовый. В нашей конструкции именно такая линейка ILX554: ее (как правило, б/у, но вполне работоспособную) несложно приобрести у китайцев на Aliexpress.

Читайте также:  Почему принтер эпсон выплевывает фотобумагу

Заглянем в даташит

И видим, что из 22 выводов корпуса задействованы лишь 6. Это питание +5В, входные сигналы ROG и CLK, выходной сигнал Vout, вход выбора режима SHSW и земля. И это все.
ROG — это управление электронным затвором (и запуском переноса заряда с фоточувствительной строки на непосредственно сдвиговый регистр). У него активный уровень — нулевой. Чтобы проэкспонировать матрицу, его надо прижать к нулю и подержать, сколько надо — от 5 мкс до нескольких секунд. А потом, отпустив, подождать не меньше 3 мкс (за это время отрабатывает схема переноса заряда). Все это время на входе CLK мы держим высокий уровень. А затем можно считывать линейку, подавая на вход CLK меандр частотой от нескольких десятков килогерц до 2 МГц. При этом при каждом перепаде с единицы в ноль очередной пиксел будет выталкиваться на выход. Таких пикселов в линейке 2088 штук, из них рабочих, светочувствительных — 2048 (реально — на несколько штук больше, но крайние пикселы частично затенены). Даташит рекомендует подавать на матрицу не менее 2090 импульсов CLK для корректной работы.
А как он будет выталкиваться, зависит от того, что на входе SHSW. Если на нем — логическая единица, то на выходе будет получаться довольно замысловатый сигнал:

Причем при переходе CLK из нуля в единицу происходит сброс, а из единицы в ноль — выдача полезного сигнала.
А при нуле на входе SHSW включается встроенная схема выборки-хранения, которая упрощает этот сигнал до простого ступенчатого видеосигнала, где с каждым новым переходом CLK в ноль просто появляется уровень сигнала очередного пиксела и удерживается в течение всего периода сигнала CLK.
Полезный диапазон выходного сигнала идет от некоего темнового уровня, который по данным даташита составляет 2,85 В, а в реальности он может быть различным (в моей линейке — около 3 В), а при насыщении уровень выходного сигнала падает до 1,5-2 В.
В общем-то и все, что нам нужно про эту линейку знать.

Она проста и очевидна. Сигналы CLK и ROG мы генерируем программно с помощью МК, а триггеры Шмитта на входе — простейший способ перейти от 3,3 В к 5 В. Дело в том, что по этим входам в линейке нет никаких буферов, и для корректной работы внутренних схем матрицы нужно подать на них меандр с полным размахом от нуля до пяти вольт и хорошей крутизной фронтов. Указанные на схеме NC7SZ14M5X — очень удобные одиночные инвертирующие триггеры Шмитта с крутыми фронтами и повышенной нагрузочной способностью, и я их часто использую в своих проектах.
С помощью DA1 уровень видеосигнала с линейки «разгоняется» до диапазона, в котором работает АЦП, одновременно убирается «подставка» величиной примерно 1,5 В, соответствующая уровню насыщения. Так как у разных экземпляров ПЗС-линеек достаточно сильно разнятся размах сигнала и величина «подставки», сопротивления R1 и R3 следует подобрать, «уложив» выходной сигнал в необходимый диапазон. При этом нужно учесть, что от сопротивления R1 зависит не только смещение, но и усиление, поэтому сначала нужно подбирать его.
L1 и L2 — ферритовые бусины или маленькие дроссели на 1-2 мкГ типоразмера 0805 или 0603. Резисторы и конденсаторы применены того же типоразмера. Схема собрана на двусторонней плате поверхностным монтажом. Разводку платы не привожу, так как у меня на ней еще много чего.

Программная реализация на МК

Задачей МК является формирование сигнала ROG высокого уровня (не забываем про инверторы!) нужной длительности, затем — небольшой (3-10 мкс) паузы, а после нее — последовательности из 2090 импульсов высокого уровня, разделенных равными им по длительности паузами. Во время этих импульсов (или пауз) через некоторое время после фронта значение освещенности пиксела снимается с помощью набортного или внешнего АЦП. После считывания кадра нужно также сделать паузу до нового импульса ROG — те же 3-10 мкс. После включения питания и, как выяснилось, после долгого (больше 100 мс) неиспользования линейки ее нужно «прочистить», подав вхолостую стандартную серию импульсов на CLK пару-тройку раз.
На STM32 это все разумно сделать на прерывании от таймера. Настроив таймер на генерацию прерываний частотой, соответствующей удвоенной частоте пикселов, мы каждое срабатывание таймера попадаем в прерывание, где попеременно выводим в порт ноль или единицу, и когда выводим ноль, после этого считываем показания с АЦП. И отсчитав 2090 циклов, мы останавливаем таймер. Чтобы считать очередной кадр, нужно сбросить счетчик циклов в ноль, запустить таймер и ждать, пока не считается все.
Примерно вот так, как приведено в данных фрагментах кода.

Читайте также:  Мини hd камера sq11 какая флешка нужна

И вот результат
Результат неплохой. Несмотря на то, что встроенный АЦП не блещет характеристиками, его шумовые характеристики вполне соответствуют шуму ПЗС-линейки. Размах шумовой дорожки темнового сигнала при времени накопления около 1 мс оказывается равен

3-4 уровням квантования и при использовании внешнего 14-разрядного АЦП с прекрасными характеристиками результаты получаются лишь немногим лучше. С ростом же освещенности шумы растут по простой причине: количество фотоэлектронов в каждом из пикселов не так велико (по моим расчетам — около 30 тысяч при насыщении). У лучших приборов эта величина достигает 200 тысяч.
На графике ниже — пример зарегистрированного линейкой «изображения», на котором на фоне освещенной стены стоит темный стенд, на котором закреплен стеклянный полый шарик диаметром 1 см, залитый внутри черным раствором. Пик — это отражение от внешней поверхности этого шарика. Шум на светлых участках — это структура самой стены, усиленная спеклами от лазера, от кадра к кадру он остается неподвижным. Реальный шум линейки значительно меньше.

Другие похожие линейки
Совершенно аналогично работают и некоторые другие 2048-пиксельные черно-белые ПЗС-линейки фирмы SONY — ILX511, ILX551 (у последней отличается цоколевка и ей требуется два напряжения питания — 5 и 9 В), отличающиеся поперечным размером пиксела (от 14 до 200 мкм) и спектральной чувствительностью (ILX554A красно- и ИК-чувствительная, аналогичная с индексом B имеет пониженную чувствительность в ИК области и приближена по чувствительности к глазу, а ILX511B более синечувствительная). Разные у них и динамические характеристики: у ILX551B динамический диапазон за счет малых размеров пиксела достигает 6000 (наша линейка достигает такого ДД при коротких выдержках около 10 мкс).

* * *
В данной статье рассмотрено подключение едва ли не самой простой в использовании ПЗС-линейки. Простота эта обусловлена тем, что вся сложность спрятана у нее под капотом. Если бы не встроенные драйвера, пришлось бы формировать множество разноуровневых сигналов.
К сожалению, по современным меркам, такие ПЗС-линейки со встроенными драйверами имеют не самые лучшие характеристики. Так, у данной линейки динамический диапазон, определенный, как соотношение сигнала насыщения к темновому сигналу, составляет 333:1, а определяемый, как отношение сигнала насыщения к минимальному обнаружимому на фоне шума сигналу — около 1000:1. Но такие приборы не только сложны в использовании, но часто и труднодоступны (та же Hamamatsu требует при покупке ее ПЗС-линеек и других фотоприемников сложных бюрократических формальностей в связи с двойным назначением этих изделий). Вместе с тем, далеко не всегда требуются столь высокие характеристики, и для многих целей параметры данных приборов вполне приемлемы.

Источник

Поделиться с друзьями
СервисКлимат
Adblock
detector