Сравнительный анализ технологий CIS и CCD в широкоформатных сканерах

CIS (Contact Image Sensor) и CCD (Charge-Coupled Device) — это две основные технологии, используемые в широкоформатных сканерах. Каждая из них имеет свои уникальные характеристики, преимущества и недостатки. В этой статье мы проведем подробное сравнение технологий CIS и CCD в сканерах и рассмотрим их особенности.

Принцип работы CIS и CCD технологий в сканерах широкоформатного типа

CIS технология

Принцип работы CIS-сканера
 

CIS (Contact Image Sensor) технология основана на использовании контактных датчиков изображения. Основные компоненты CIS-сканера включают:

1. Светодиодный (LED) источник света
2. Световод для равномерного распределения света
3. Стеклянную стержневую линзу
4. Линейку датчиков изображения

Процесс сканирования с использованием CIS технологии происходит следующим образом:

1. LED-источник излучает свет, который проходит через световод
2. Световод обеспечивает равномерное распределение света по всей линии сканирования
3. Свет отражается от сканируемого документа
4. Отраженный свет улавливается стержневой линзой из стекла
5. Линза направляет свет на датчики изображения
6. Датчики считывают информацию о каждом пикселе

Ключевая характеристика технологии CIS заключается в расположении сенсоров изображения по всей протяженности линии сканирования. Эти датчики осуществляют считывание данных в соотношении один к одному, что гарантирует исключительную пространственную достоверность при оцифровке документов большого формата. Такая конфигурация позволяет достичь максимальной точности геометрических параметров в процессе широкоформатного сканирования.

CCD технология

Принцип работы CCD-сканера

CCD (Charge-Coupled Device) технология использует фокусируемые датчики изображения. Основные компоненты CCD-сканера включают:

1. Источник дневного света
2. Систему зеркал и линз
3. CCD-камеры (от 1 до 4)
4. Цветовые фильтры

Сканирование происходит следующим образом:

1. Освещается сканируемый документ
2. Отраженные световые лучи направляются через комплекс оптических элементов, включающий зеркала и линзы.
3. Комплекс отражающих поверхностей в сканере формирует оптический путь, эквивалентный дистанции около одного метра.
4. Световые волны попадают на CCD-камеры через цветовые фильтры
5. CCD-камеры считывают информацию о каждом пикселе

В CCD-камерах обычно используются 3 или 4 линейных датчика с различными цветовыми фильтрами (красный, зеленый, синий) для выделения соответствующих составляющих света.
 

Сравнение характеристик CIS и CCD технологий

Геометрическая точность сканирования

Цветовые пространства CCD-сканера, CIS-сканера и струйного плоттера
 

Технология сканирования CIS обеспечивает исключительно высокую геометрическую точность сканирования. Это достигается благодаря тому, что свет напрямую отражается на сенсор сканера, находящийся непосредственно под стеклом экспонирования. Датчики считывают информацию в масштабе 1:1, что минимизирует возможные искажения.

CCD технология имеет ограниченную геометрическую точность по сравнению с CIS. Это связано с тем, что отраженный свет проходит через систему линз и зеркал, где может подвергаться искажениям, известным как сферические аберрации. Однако современные CCD-сканеры используют сложные алгоритмы коррекции для минимизации этих искажений.

Чувствительность к внешним воздействиям

Широкоформатные CIS-сканеры отличаются устойчивостью к внешним воздействиям. Они не подвержены «эффекту склейки», который может возникать в CCD-сканерах. CIS-сканеры калибруются на этапе производства, и откалибровать такую технику будет нужно только в случае, когда проводится замена одной из CIS-линеек.

CCD-сканеры чувствительны к механическим воздействиям и перепадам температур. Это приводит к появлению указанного «эффекта склейки» — видимого расхождения линий на стыках изображений с разных камер. Для устранения этого эффекта требуется периодическая калибровка сканера.

Срок службы источника света

LED-источники света, используемые в CIS-сканерах, имеют больший ресурс работы — до 50000 часов. Это связано с тем, что LED-линейка включается только во время сканирования.

Флуоресцентные лампы, применяемые в широкоформатных CCD-сканерах, имеют меньший ресурс — до 8000 часов. Кроме того, они должны работать даже в режиме ожидания для поддержания рабочих характеристик.

Время выхода в рабочий режим

Сканирующие устройства большого формата на базе CIS-технологии отличаются мгновенной эксплуатационной готовностью. Светодиодная подсветка не нуждается в предварительном прогреве, позволяя приступить к оцифровке документов сразу после включения.

Широкоформатные сканеры, использующие CCD-матрицы, требуют продолжительного периода подготовки — около 60 минут. Это время необходимо для достижения оптимального режима работы флуоресцентного источника освещения. Процесс сканирования можно инициировать раньше, но это неизбежно приведет к нарушению цветопередачи получаемых изображений.

Глубина резкости

CIS-сканеры имеют глубину резкости всего в несколько миллиметров. Это связано с близким расположением датчиков к сканируемому оригиналу.

Широкоформатные CCD-сканеры обладают большей глубиной резкости. Это достигается за счет того, что отраженный свет проходит около метра от объекта до датчиков. Это позволяет получать четкие изображения даже при сканировании объемных объектов или неровных оригиналов.

Габариты и масса сканера

CIS-сканеры отличаются компактностью и небольшим весом. Это достигается за счет отсутствия сложной оптической системы.
Широкоформатные CCD-сканеры имеют большие габариты и вес из-за необходимости размещения оптической системы (зеркал, линз) в корпусе устройства.

Цветопередача и динамический диапазон

CCD-сканеры характеризуются обширной палитрой цветов, значительным динамическим диапазоном и достоверной передачей оттенков яркости по всему спектру, от наиболее светлых до максимально темных областей изображения.

CIS-сканеры имеют более скудную цветовую гамму и динамический диапазон по сравнению с CCD. Однако для большинства задач сканирования бумаг и технических чертежей возможностей CIS-сканеров достаточно.

Разрешающая способность

CIS-сканеры обеспечивают высокую разрешающую способность, различают тонкие линии и края объектов на сканируемом изображении.
CCD-сканеры могут уступать CIS-сканерам в четкости передачи деталей.

Области применения CIS и CCD технологий

CIS-сканеры

1. Сканирование технической документации: чертежей, схем, карт
2. Оцифровка черно-белых и цветных документов, где важна точность передачи линий
3. Мобильное сканирование, где важны компактность и мгновенный старт
4. Офисное сканирование больших объемов бумаг

CCD-сканеры

1. Сканирование фотографий и художественных изображений, где важна точная цветопередача
2. Оцифровка материалов с широким динамическим диапазоном (например, рентгеновских снимков)
3. Сканирование объемных объектов и книг, где необходима большая глубина резкости
4. Профессиональная полиграфия и допечатная подготовка

Достоинства и недостатки технологий CCD и CIS

Преимущества CIS

1. Высокая геометрическая точность сканирования
2. Компактность и легкость конструкции сканера
3. Экономное энергопотребление сканера
4. Старт и готовность к работе за 15 секунд 
5. Надежность и серьезный срок службы источника света
6. Отсутствие необходимости в частой калибровке
7. Высокая контрастность и резкость линий
8. Отсутствие искажений, связанных с оптикой

Недостатки CIS

1. Ограниченная глубина резкости
2. Меньший динамический диапазон по сравнению с CCD
3. Ограниченная цветовая гамма
4. Сложность сканирования объемных объектов

Преимущества CCD

1. Широкая цветовая гамма
2. Высокий динамический диапазон
3. Большая глубина резкости
4. Возможность сканирования объемных объектов
5. Высокое отношение сигнал/шум благодаря используемому источнику света

Недостатки CCD

1. Большие габариты и вес сканера
2. Необходима регулярность калибровок
3. Время выхода на рабочий режим требует ожидания
4. Меньший срок службы источника света
5. Возможные искажения из-за оптики
6. Ощутимая стоимость сканера

Выбор между CIS и CCD: ключевые факторы

При выборе между CIS и CCD технологией следует учитывать следующие факторы:

• для технических чертежей и документов лучше подойдет широкоформатный  сканер с CIS-технологией, для фотографий и художественных изображений — CCD;
• если важна точная передача цветов, лучше выбрать CCD;
• CCD обеспечивает большую глубину резкости.

Стоит учитывать, что эксплуатационные характеристики сканеров на основе технологий CIS и CCD существенно различаются в долгосрочной перспективе. Устройства с CCD-матрицами демонстрируют впечатляющую стабильность работы, сохраняя исходные параметры на протяжении 10 000 часов функционирования. В то же время, сканеры на базе CIS-технологии обнаруживают заметное снижение динамического диапазона уже после 500 часов эксплуатации - этот показатель уменьшается примерно на 33%.

CIS-технология славится компактностью и легкостью, что обусловлено отсутствием сложной оптической системы и снижает производственные затраты. Однако, учитывая специфику применения широкоформатных сканеров, которые устанавливаются стационарно на предприятиях и редко перемещаются, разница в весе 5-10 кг при схожих габаритах становится малосущественным фактором. Гораздо большее значение для пользователей имеют такие характеристики, как глубина резкости и точность цветопередачи, которые заслуживают пристального внимания при выборе сканирующего оборудования.

Многие при выборе задаются вопросом — что лучше: тип датчика сканера cis или ccd? CIS-технология использует контактные датчики изображения, расположенные вдоль всей линии сканирования и считывающие информацию в масштабе 1:1, в то время как CCD-технология применяет фокусируемые датчики с оптической системой, уменьшающей изображение до размера сенсора. В целом, CCD обеспечивает более высокое качество, а CIS - более удобен в эксплуатации и доступнее по цене. Современные модели обеих технологий постоянно совершенствуются, сглаживая различия между ними.

Отсутствие сложной оптической системы и минимальные промежутки между сенсорными элементами в CIS-сканерах не препятствуют качественному считыванию текстовой информации и простых черно-белых графических объектов. Несмотря на некоторые ограничения в фокусировке, эти устройства эффективно справляются с оцифровкой базовых документов и схем.

CIS-технология использует контактные датчики изображения, расположенные вдоль всей линии сканирования и считывающие информацию в масштабе 1:1, в то время как CCD-технология применяет фокусируемые датчики с оптической системой, уменьшающей изображение до размера сенсора.

Современные широкоформатные CCD-сканеры эволюционировали, нивелируя традиционные преимущества CIS-технологии. Усовершенствованные системы автоматического обслуживания и управления энергопотреблением, такие как Advance Power Management, обеспечивают быструю готовность к работе и стабильную производительность CCD-устройств. Эти инновации позволяют поддерживать требуемую рабочую температуру, минимизировать шумы и рационально использовать энергию в режиме ожидания, делая CCD-сканеры конкурентоспособными по параметрам, ранее считавшимся сильными сторонами CIS-технологии.

Сканер CCD или CIS — что лучше?

Технологии CCD и CIS имеют свои сильные стороны и области применения. Выбор между ними должен основываться на конкретных требованиях пользователя и специфике задач сканирования.

Для того, чтобы подытожить вышесказанное, предлагаем сравнительную таблицу рассматриваемых технологий: