Wednesday, April 1, 2020

CCD與CIS掃描儀的特點與區別

一般來講,掃描儀掃描圖像的方式大至有三種,以光電耦合器(CCD)為光電轉換元件的掃描,即我們看到CCD掃描;以接觸式圖像傳感器CIS(或LIDE) 為光電轉換元件的的掃描,即CIS掃描;最後一種就是以光電倍增管 (PMT)為光電轉換元件的掃描。

我用過的掃描儀有方正V70掃描儀(CCD)、中晶F60掃描儀(CCD),目前在用的是佳能CanoScan LiDE 110掃描儀(CIS)。

下面,給大家講述CCD與CIS掃描的特點與區別。

CCD掃描

多數平板式掃描儀使用光電耦合器(CCD)為光電轉換元件,它在圖像掃描設備中最具代表性。其形狀像小型化的複印機,在上蓋板的下面是放置原稿的稿台玻璃。掃描時,將掃描原稿朝下放置到稿台玻璃上,然後將上蓋蓋好,接收到計算機的掃描指令後,即對圖像原稿進行掃描,實施對圖像信息的輸入。

與數字相機類似,在圖像掃描儀中,也使用CCD作圖像傳感器。但不同的是,數字相機使用的是二維平面傳感器,成像時將光圖像轉換成電信號,而圖像掃描儀的CCD是一種線性CCD,即一維圖像傳感器。

掃描儀對圖像畫面進行掃描時,線性CCD將掃描圖像分割成線狀,每條線的寬度大約為10 μm。光源將光線照射到待掃描的圖像原稿上,產生反射光(反射稿所產生的)或透射光(透射稿所產生的),然後經反光鏡組反射到線性CCD中。CCD圖像傳感器根據反射光線強弱的不同轉換成不同大小的電流,經A/D轉換處理,將電信號轉換成數字信號,即產生一行圖像數據。同時,機械傳動機構在控制電路的控制下,步進電機旋轉帶動驅動皮帶,從而驅動光學系統和CCD掃描裝置在傳動導軌上與待掃原稿做相對平行移動,將待掃圖像原稿一條線一條線的掃入,最終完成全部原稿圖像的掃描。

CCD圖像傳感器是平板式掃描儀的核心,其主要作用就是將照射到其上的光圖像轉換成電信號。將CCD圖像傳感器放大,可以發現在10μm的間隔上並行排列着數千個CCD圖像單元,這些圖像單元規則地排成一線,當光線照射到圖像傳感器的感光面上時,每個CCD圖像單元都接受照射其上的光線,並根據感應到的光線強弱,產生相應的電荷。然後,若干電荷以並行的順序進行傳輸。

目前,應用於掃描儀的色分離技術常見的有4種:濾光片色分離技術、光源交替色分離技術、三CCD色分離技術和單CCD色分離掃描技術。

1)濾光片色分離技術

其基本原理是:在線性CCD圖像傳感器的前面加裝一濾光片,濾光片從上向下分為3等份,第1部分為紅色濾光片,第2部分為綠色濾光片,第3部分為藍色濾光片,掃描時通過濾光片的移動使得CCD傳感器分別記錄相應基色下的圖像信息,從而得到三基色的3幅圖像信息。

2)光源交替色分離技術

與濾光片色分離技術的原理類似,這種技術是在鏡頭與掃描原稿之間加設3根發光燈管,其顏色分別為紅(R)、綠(G)和藍(B),掃描圖像時,3根不同顏色的燈管交替發光,從而使CCD得到3幅三基色圖像信息。

3)三CCD色分離技術

與前兩種色分離技術不同,三CCD色分離技術中使用了3個CCD完成掃描成像:光線通過鏡頭,經過一個特殊設計的分光稜鏡將相應顏色的光線反射到相應的CCD圖像傳感器中,每一個CCD產生一種顏色的圖像數據,經過一次掃描即可得到彩色的圖像。因此,可以看出這種分色技術成像速度最快,但其造價最高。

4)單CCD色分離技術

單CCD色分離技術仍然是採用單個線性CCD,不過,在CCD的感光面上加入了濾色鏡,在感光的同時直接進行分色。

CIS掃描

接觸式圖像傳感器CIS(或LIDE)是近些年才出現的名詞,其實這種技術與CCD技術幾乎是同時誕生的。絕大多數手持式掃描儀採用CIS技術。CIS感光器件一般使用製造光敏電阻的硫化鎘作感光材料,硫化鎘光敏電阻本身漏電大,各感光單元之間干擾大,嚴重影響清晰度,這是該類產品掃描精度不高的主要原因。它不能使用冷陰極燈管而只能使用LED發光二極管陣列作為光源,這種光源無論在光色還是在光線的均勻度上都比較差,導致掃描儀的色彩還原能力較低。LED陣列由數百個發光二極管組成,一旦有一個損壞就意味着整個陣列報廢,因此這種類型產品的壽命比較短。無法使用鏡頭成像,只能依靠貼近目標來識別,沒有景深,不能掃描實物,只適用於掃描文稿。CIS對周圍環境溫度的變化比較敏感,環境溫度的變化對掃描結果有明顯的影響,因此對工作環境的溫度有一定的要求。

LIDE(LED In Direct Exposure)二極管直接曝光技術是佳能公司獨創的技術,是一種基於CIS技術的革新技術,它使用三色二極管作為光源。與使用冷陰極燈源的掃描儀相比,二極管具有體積小巧且持久長效等特點,不過它所產生的光線比較弱,很難保證掃描影像所需的亮度。針對這一原因,LIDE技術對二極管裝置及引導光線的光導材料進行了改造,使二極管光源可以產生均勻並且亮度足夠的光線用於掃描。

LIDE型掃描儀由3部分組成,即光導、柱狀透鏡和線性光學傳感器。光導的主要作用是增強紅、綠、蘭三個色彩通道的光照強度,柱狀透鏡則可以確保反射光更好地向傳感器聚焦(這是提高掃描精度的關鍵措施),線性傳感器則最大程度地避免了邊緣變形問題。由於省略了一系列反射鏡,LIDE型掃描儀就能避免因此帶來的各種像差和色差,可以較好地重現原稿的細節和色彩。

LIDE通過接觸式圖像傳感器CIS從近距離接觸以1:1的比例對原稿進行掃描,不需要複雜的光學系統,這就使掃描儀的尺寸可以做的較小,同時也使掃描儀變得非常輕巧。此外,由於二極管光源及掃描頭移動所需要的功耗極小,這類產品能夠通過PC機的USB端口提供所需的電力。

CCD與CIS的區別

通常人們提起掃描儀,會比較注重它的掃描分辨率,而對它所採用的感光元件未必會在意。究竟是選擇CCD型掃描儀,還是選擇CIS型掃描儀,不少用戶都會感到迷惑,哪種掃描儀更適合呢?

簡單說這兩種掃描儀的區別就在於感光器件上,CCD型掃描儀使用的是電子耦合器件,而CIS型掃描儀使用的是接觸式影像感光器件。這兩種感光器件的工作原理大相徑庭: CCD元件本身是整個掃描儀成像的核心,但光源發出的光必須經過鏡片的反射和透鏡的聚焦,這些光學器件的加入使整個掃描儀成本提高;而 CIS掃描儀是利用微小光源發出的光經掃描原稿反射後由感光器件直接接收而成像,CIS感光元件本身足以完成成像任務,不需要鏡片和透鏡的參與,因此產品的組裝非常容易,成本較低。由於CIS掃描儀依靠直接接收反射光成像,技術含量相對較低,在掃描景深等方面表現較差。除了感光部分的差別外,兩種掃描儀其它部分的工作原理基本一致,都是將光信號轉變成數字信息。

對比兩種掃描儀產品,CCD型掃描儀佔有明顯的優勢,但CIS型掃描儀也並非一無是處。

CCD型掃描儀的缺點是:需要一整套光學系統,包括照明冷光源和多個反光鏡和光學鏡頭,通過複雜的光路在CCD傳感器件表面成像。它的組成部件較為複雜,成本相對較高,掃描後對圖像數據的處理也相對複雜。一般使用冷陰極管做光源,需要預熱1分鐘左右才能穩定發光。CCD掃描儀需要通過一系列透鏡、反射鏡成像,所以會產生色彩偏差和光學像差,一般需要通過掃描軟件進行色彩校正。

CIS型掃描儀的優點是:具有模塊化設計,掃描光源、傳感器、放大器集成為一體,結構、原理和光路都極為簡單。由傳感器直接從稿件表面獲取圖像,理論上不會產生色偏和像差,能獲得最接近原稿的圖像效果。能夠降低設計製造成本,而且產品的體積可以設計得更薄、更小,CIS型掃描儀沒有明顯的等待時間。

CIS型掃描儀的缺點是:不能使用鏡頭,只能壓近原稿掃描,掃描精度較低。另外,它的光源只能用LED發光二極管,這種光源無論在光色以及均勻度上都比較差,色域較CCD窄,獲得的色彩不如CCD的豐富,而且光源的壽命比較短。

此外,傳統的CCD掃描儀因為採用光學鏡頭成像於CCD表面,所以它具有一定的景深,對隆起的書脊,甚至實物都可以得到清晰的掃描效果。CIS掃描頭利用傳感器從掃描物體表面得到圖像,景深較短,掃描的層次有些不足,對掃描擺放不平的文稿和圖片顯得有些力不從心,待掃描物體必須平整地放在掃描儀上。CCD的景深至少是CIS的10倍,這意味着CCD掃描儀在一定範圍內對3D物體的掃描是清楚而生動的,而CIS掃描儀掃描略微凹凸不平的物體時,輸出的圖像常會出現模糊和散焦的情況。

高質量的CCD感光元件能保證在質量不變的情況下使用10000小時,而目前的CIS掃描儀的發光元件在使用500小時後,其亮度平均降低30%,也就是說CIS掃描儀的發光元件壽命較短。雖然CIS發光元件壽命較短,但CIS掃描頭價格便宜,更換很方便。

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