Czujnik CCD

Czujnik CCD (Charge-Coupled Device) jest jednym z głównych typów czujników obrazu stosowanych w skanerach płaskich o wyższej jakości, niektórych skanerach dokumentowych oraz w starszych aparatach cyfrowych. Jest to element światłoczuły, który przekształca światło odbite od skanowanego dokumentu na sygnały elektryczne, które następnie są digitalizowane i przetwarzane na cyfrowy obraz dokumentu.

Czujnik CCD składa się z linijki (jednowymiarowego rzędu) bardzo małych, gęsto upakowanych elementów światłoczułych (pikseli). Każdy z tych elementów (piksel) gromadzi ładunek elektryczny, którego wielkość jest proporcjonalna do ilości światła, które na niego padło w określonym czasie. Im jaśniejszy obszar dokumentu, od którego odbiło się światło padające na dany element czujnika, tym więcej światunku światła spadło na piksel i tym większy ładunek się w nim zgromadził.

Proces rejestracji obrazu z użyciem czujnika CCD w skanerze płaskim (w połączeniu z układem optycznym z luster i soczewek) wygląda następująco:

  1. Oświetlenie: lampa naświetlająca oświetla fragment dokumentu umieszczony na szybie ekspozycyjnej.
  2. Odbicie i kierowanie światła: światło odbite od tego fragmentu dokumentu jest zbierane przez lustra i kierowane do soczewki.
  3. Rzutowanie na czujnik: Soczewka skupia i rzutuje zmniejszony, ostry obraz tego fragmentu dokumentu na linijkę czujnika CCD. Czujnik CCD to linia bardzo małych elementów światłoczułych (pikseli), a soczewka musi “skurczyć” obraz fragmentu dokumentu, aby dokładnie zmieścił się na tej linijce. Skalowanie obrazu przez soczewkę jest niezbędne, ponieważ czujnik CCD jest znacznie mniejszy niż szerokość skanowanego dokumentu.
  4. Gromadzenie ładunku: każdy element światłoczuły (piksel) na linijce CCD gromadzi ładunek elektryczny proporcjonalny do jasności odpowiadającego mu punktu na dokumencie. Dla skanowania w kolorze, linijka CCD może składać się z trzech równoległych rzędów czujników (dla kolorów czerwonego, zielonego i niebieskiego) lub używać filtry koloru na poszczególnych pikselach, lub też głowica skanująca może wykonywać trzy przebiegi, używając kolejno światła czerwonego, zielonego i niebieskiego (w starszych modelach).
  5. Przesunięcie ładunku: po zakończeniu okresu ekspozycji, zgromadzony ładunek z każdego piksela jest przesuwany wzdłuż linijki CCD, bit po bicie, do końca rzędu (stąd nazwa Charge-Coupled Device – urządzenie sprzężone ładunkiem).
  6. Konwersja na sygnał elektryczny: na końcu linijki CCD, zgromadzony ładunek jest konwertowany na sygnał napięciowy (analogowy).
  7. Digitalizacja: sygnał analogowy jest przesyłany do przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), który konwertuje go na dane cyfrowe.
  8. Przetwarzanie i tworzenie obrazu: cyfrowe dane z kolejnych linii dokumentu (rejestrowanych podczas przesuwania się głowicy skanującej) są łączone i przetwarzane przez procesor skanera, tworząc pełny, cyfrowy obraz dokumentu.

Zalety technologii CCD w skanerach to:

  • Wysoka jakość obrazu: CCD zazwyczaj oferuje lepszą głębię ostrości (zdolność do skanowania pofalowanych dokumentów, książek bez problemów z ostrością) i lepsze odwzorowanie kolorów i tonów niż technologia CIS.
  • Większa czułość na światło: pozwala na rejestrowanie obrazów o lepszej jakości przy słabszym oświetleniu.

Wady technologii CCD to:

  • Większy rozmiar fizyczny: układ optyczny z luster i soczewką sprawia, że skanery CCD są zazwyczaj głębsze i cięższe niż skanery CIS.
  • Wyższe zużycie energii: lampa naświetlająca (często świetlówka CCFL) i mechanizm ruchu wymagają więcej energii.
  • Wyższa cena produkcji: ze względu na bardziej złożoną konstrukcję optyczną.
  • Czas nagrzewania: lampy CCFL wymagają czasu na rozgrzanie przed rozpoczęciem skanowania.

Mimo rosnącej popularności technologii CIS w mniejszych i tańszych skanerach, czujniki CCD są nadal stosowane w skanerach profesjonalnych, skanerach do zdjęć i wysokiej klasy urządzeniach wielofunkcyjnych, gdzie najwyższa jakość obrazu i głębia ostrości są priorytetem.