Technologia skanowania (CIS – Contact Image Sensor, CCD – Charge-Coupled Device)

Technologia skanowania określa fundamentalny sposób, w jaki skaner (w tym skaner wielkoformatowy, biurkowy czy zintegrowany w urządzeniu wielofunkcyjnym) przechwytuje obraz z fizycznego dokumentu i przekształca go na dane cyfrowe. Dwie dominujące technologie stosowane w nowoczesnych skanerach to CIS (Contact Image Sensor) oraz CCD (Charge-Coupled Device). Każda z nich ma swoją unikalną konstrukcję, zasadę działania, a co za tym idzie – swoje specyficzne zalety i wady, które czynią je bardziej odpowiednimi do różnych zastosowań.

  1. Technologia CCD (Charge-Coupled Device – Przetwornik Ładunkowo-Sprzężony):
  • Zasada działania: Skanery CCD wykorzystują bardziej złożony i tradycyjny system optyczny. Oryginalny dokument jest oświetlany przez źródło światła (zazwyczaj zimna katoda fluorescencyjna – CCFL lub nowoczesne diody LED). Światło odbite od dokumentu przechodzi przez system luster i soczewek, które skupiają obraz na liniowym przetworniku CCD. Przetwornik CCD to układ światłoczułych elementów (fotodiod), które przekształcają padające na nie światło (o różnym natężeniu w zależności od koloru i jasności skanowanego obszaru) na ładunek elektryczny. Ten ładunek jest następnie przetwarzany na sygnał cyfrowy przez konwerter analogowo-cyfrowy (ADC). W przypadku skanerów kolorowych, obraz jest albo trzykrotnie skanowany przez filtry RGB (czerwony, zielony, niebieski), albo światło białe jest rozszczepiane na trzy składowe kolorystyczne, które padają na oddzielne sekcje CCD lub na pojedynczy CCD z mikrosoczewkami i filtrami kolorów nad poszczególnymi pikselami.
  • Zalety technologii CCD:
    • Doskonała jakość obrazu: Skanery CCD generalnie oferują lepszą wierność kolorów, szerszy zakres dynamiczny (zdolność do rozróżniania subtelnych różnic w jasności, zarówno w ciemnych, jak i jasnych partiach obrazu) oraz lepszą głębię ostrości.
    • Większa głębia ostrości (Depth of Field – DOF): Dzięki zastosowaniu tradycyjnego układu optycznego z soczewkami, skanery CCD mają znacznie większą głębię ostrości. Oznacza to, że potrafią poprawnie zeskanować nie tylko idealnie płaskie dokumenty, ale także obiekty trójwymiarowe lub oryginały o nierównej powierzchni (np. otwarte książki, pomarszczone dokumenty, zszyte materiały, teksturowane nośniki). Obraz pozostaje ostry nawet jeśli powierzchnia dokumentu nie przylega idealnie do szyby skanera.
    • Lepsza reprodukcja szczegółów w cieniach i światłach: Szerszy zakres dynamiczny pozwala na zachowanie detali w bardzo ciemnych i bardzo jasnych obszarach skanowanego oryginału.
    • Mniejsza wrażliwość na niedoskonałości oryginału: Lepiej radzą sobie z zagięciami, cieniami w grzbiecie książki itp.
  • Wady technologii CCD:
    • Bardziej złożona i droższa konstrukcja: System luster, soczewek i przetwornik CCD są bardziej skomplikowane i kosztowne w produkcji.
    • Większe rozmiary i waga urządzenia: Ze względu na konieczność zachowania odpowiednich odległości optycznych, skanery CCD są zazwyczaj większe i cięższe.
    • Większe zużycie energii: Tradycyjne lampy CCFL zużywają więcej energii i wymagają czasu na rozgrzanie (choć coraz częściej zastępowane są przez LED-y).
    • Wolniejszy proces skanowania (potencjalnie): W niektórych implementacjach, zwłaszcza starszych, skanowanie może być wolniejsze.
    • Możliwość zniekształceń geometrycznych: Złożony tor optyczny może być bardziej podatny na niewielkie zniekształcenia, choć w wysokiej jakości skanerach są one minimalizowane.
  1. Technologia CIS (Contact Image Sensor – Kontaktowy Czujnik Obrazu):
  • Zasada działania: Skanery CIS wykorzystują znacznie prostszy i bardziej kompaktowy układ. Zamiast skomplikowanego systemu luster i soczewek, technologia CIS opiera się na długim, liniowym module czujników umieszczonym bardzo blisko skanowanej powierzchni. Moduł ten integruje w sobie trzy kluczowe elementy:
    • Źródło światła: Rząd miniaturowych diod LED (czerwonych, zielonych i niebieskich), które sekwencyjnie lub jednocześnie oświetlają wąski pasek skanowanego dokumentu.
    • Soczewki pręcikowe (rod lens array): Bezpośrednio nad diodami LED i czujnikami znajduje się układ mikrosoczewek (często w postaci jednego długiego elementu), które skupiają światło odbite od dokumentu na elementach światłoczułych.
    • Czujniki obrazu: Liniowy rząd fotodiod, które przekształcają światło na sygnał elektryczny. Każdy piksel czujnika jest sprzężony z odpowiednią diodą LED i mikrosoczewką.
      Moduł CIS przesuwa się wzdłuż dokumentu, skanując go linia po linii. Dzięki bezpośredniemu kontaktowi (lub bardzo małej odległości) z oryginałem, nie ma potrzeby stosowania skomplikowanej optyki pośredniczącej.
  • Zalety technologii CIS:
    • Kompaktowa i lekka konstrukcja: Skanery CIS są znacznie mniejsze, cieńsze i lżejsze niż skanery CCD, co pozwala na tworzenie bardziej smukłych i przenośnych urządzeń, a także na łatwiejszą integrację w urządzeniach wielofunkcyjnych.
    • Niższy koszt produkcji: Prostsza konstrukcja przekłada się na niższe koszty wytwarzania.
    • Niskie zużycie energii: Diody LED zużywają znacznie mniej energii niż lampy CCFL i nie wymagają czasu na rozgrzanie (gotowość do pracy jest niemal natychmiastowa). Zasilanie często może być realizowane bezpośrednio z portu USB.
    • Brak zniekształceń geometrycznych: Bezpośrednie odwzorowanie 1:1 eliminuje ryzyko zniekształceń związanych ze złożonym toru optycznym.
    • Potencjalnie szybsze skanowanie (w niektórych zastosowaniach): Prostszy mechanizm może pozwalać na szybszy przesuw.
  • Wady technologii CIS:
    • Bardzo mała głębia ostrości: Jest to największe ograniczenie technologii CIS. Ponieważ czujnik znajduje się bardzo blisko skanowanej powierzchni, oryginał musi idealnie przylegać do szyby skanera. Wszelkie nierówności, zagięcia, grubsze obszary (np. grzbiet książki) czy obiekty trójwymiarowe będą nieostre lub całkowicie rozmyte poza bardzo wąską płaszczyzną ostrości.
    • Gorsza jakość obrazu w porównaniu do CCD (tradycyjnie): Skanery CIS zazwyczaj oferują węższy zakres dynamiczny, co może prowadzić do utraty detali w cieniach i światłach. Reprodukcja kolorów może być mniej dokładna, a obrazy bardziej podatne na szumy. Jednak nowoczesne, zaawansowane implementacje CIS coraz bardziej niwelują te różnice.
    • Wrażliwość na kurz i zarysowania na szybie: Ze względu na bliskość czujnika, wszelkie zabrudzenia lub rysy na szybie skanera mogą być bardziej widoczne na skanie.

Którą technologię wybrać?

  • CCD jest zazwyczaj preferowane w zastosowaniach, gdzie kluczowa jest najwyższa jakość obrazu, doskonała reprodukcja kolorów, szeroki zakres dynamiczny oraz możliwość skanowania obiektów o nierównej powierzchni lub trójwymiarowych. Dlatego skanery CCD są często wybierane do profesjonalnej archiwizacji dzieł sztuki, fotografii, cennych dokumentów historycznych, czy skanowania książek bez ich spłaszczania. Stosuje się je również w wysokiej klasy skanerach wielkoformatowych do zastosowań graficznych i mapowych.
  • CIS jest doskonałym wyborem tam, gdzie priorytetem są kompaktowe wymiary, niska waga, niskie zużycie energii i niższa cena, a skanowane są głównie płaskie, pojedyncze arkusze dokumentów (np. w typowych zastosowaniach biurowych, w urządzeniach wielofunkcyjnych, w przenośnych skanerach). Nowoczesne skanery CIS oferują już bardzo dobrą jakość do większości standardowych zadań, a ich zalety konstrukcyjne są nie do przecenienia. Wiele skanerów wielkoformatowych przeznaczonych do skanowania rysunków technicznych (CAD/GIS), gdzie dominują linie i jednolite powierzchnie, również z powodzeniem wykorzystuje technologię CIS.

Ostateczny wybór technologii skanowania zależy od specyficznych potrzeb użytkownika, rodzaju skanowanych materiałów oraz budżetu. Warto jednak zaznaczyć, że technologia CIS dynamicznie się rozwija i różnice jakościowe w stosunku do CCD stają się coraz mniej zauważalne w wielu zastosowaniach.