扫描仪是什么时候发明的?
前者通过镜头聚焦在CCD上,将光信号转换成电信号成像,后者紧贴被扫描原稿表面进行接触式扫描。
对比两种扫描方式可以看出,CIS作为接触式扫描设备,景深较小,对实物和凹凸不平的稿件扫描效果较差。CCD扫描仪通过镜头直接聚焦在CCD上,所以它的景深比CIS扫描仪大很多,扫描物体非常方便。虽然以前很多人认为CIS扫描仪可以做得非常小巧,CCD扫描仪一般比较笨重,但是一些厂商推出的超薄CCD扫描仪改变了这种情况,使得CIS扫描仪原有的优势减弱了很多。
CCD扫描仪占据绝对的市场主导地位,而CIS扫描仪技术难以突破。除了在移动应用市场有一点空间外,没有其他的立足点,将面临CCD扫描仪更大的压力。
光电转换元件就是光敏器件,是扫描仪的核心。它的光电转换特性,如光谱响应、光稳定性、灵敏度和噪声等,对图像信息的传输非常重要。
目前,扫描仪中使用的光敏器件主要有电荷耦合器件(CCD)、接触式图像传感器(CIS)和光电倍增管(PMT)。
电荷耦合器件
贝尔实验室在1969年发明了CCD(电荷耦合器件),类似于计算机芯片的CMOS技术,也可以用作计算机存储器和逻辑运算芯片。CCD最突出的特点是以电荷为信号,基本功能是电荷存储和电荷转移。因此,CCD的工作过程主要是电荷产生、存储、传输和探测。CCD因其体积小、成本低而广泛应用于扫描仪中。
电荷耦合器件有两种,半导体隔离型CCD和氧化硅隔离型CCD,它们是由几千到几万个三极管集成在一个硅单晶上形成的。这些三极管分为三列,分别覆盖有红、绿、蓝三色滤光片。三极管发光时,会产生电流。通过对这些电流进行排序和放大,可以实现光信号和电信号之间的相互转换。两种CCD相比,氧化硅隔离CCD优于半导体隔离CCD。由于半导体隔离型CCD是通过三极管之间的PN结电阻来绝缘的,所以相邻三极管之间会因为隔离电阻小而产生漏电,使得光敏单元产生的信号相互干扰,导致光电转换的精度下降。使用氧化硅隔离会大大减少漏电现象,因为氧化硅(主要是二氧化硅)是绝缘体,可以更精确地实现光电转换,减少损耗。
扫描仪中的感光器件CCD是一种成熟的技术,成本低,成像质量更高,有些甚至可以和滚筒扫描仪中使用的光电倍增管相媲美,性价比很高。这种扫描技术因为是在物体表面成像,所以具有一定的景深,在扫描不平整的物体时可以达到一定程度的立体感。而且采用硅单晶技术的CCD对环境温度要求低,应用范围广。
接触式图像传感器CIS
1998一种基于CMOS工艺的接触式图像传感器CIS(接触式图像传感器)也诞生了。CIS扫描仪将光源、聚焦镜头和传感器一起固定在一个罩内,不需要调整或预热,因此启动速度比CCD扫描仪快。CIS扫描仪比CCD扫描仪更小,制造成本更低。
其实接触式图像传感器的CIS技术和CCD技术几乎是同时诞生的。早期其光学分辨率只能达到200dpi,广泛应用于低档手持黑白扫描仪。但与CCD相比,它具有噪声大、动态范围小、扫描精度低等优点,所以很快就从扫描仪市场上消失了,之后只能在传真机上看到。1998之后,国际扫描仪市场竞争非常激烈,持续的降价让很多厂商亏损严重。于是一些厂商开始另辟蹊径,再次搬出了CIS接触感光器件。改进后分辨率达到600dpi,然后以新技术的名义推向市场。此外,其生产成本仅为CCD的三分之一,因此使用CIS的平台扫描仪开始出现。
CIS光敏器件一般使用用于制作光敏电阻的硫化镉作为光敏材料。硫化镉光敏电阻本身存在较大的漏电和感光单元间的干扰,严重影响清晰度,是该类产品扫描精度低的主要原因。它不能使用冷阴极管,只能使用LED阵列作为光源,光色和光均匀性差,导致扫描仪的色彩还原能力低。LED阵列由数百个LED组成。一旦一个LED损坏,整个阵列就会报废,所以这类产品的寿命比较短。CIS无法使用镜头进行成像,只能依靠靠近目标进行识别。没有景深,CIS无法扫描物体,只适合扫描手稿。CIS对环境温度的变化比较敏感,因此对工作环境的温度有一定的要求,环境温度的变化对扫描结果有明显的影响。
尽管有上述缺点,早期的CIS扫描仪还有一个CCD扫描仪无法比拟的优势,那就是重量很轻,体积极小,可以把产品做得很薄。早期市场上流行的超薄扫描仪大多使用CIS光敏器件。但随着技术的发展,超薄CCD扫描仪开始进入市场,使得CIS扫描仪逐渐失去了仅有的优势。
光电倍增管
在各种光敏器件中,光电倍增管的性能最好,在灵敏度、噪声系数、动态范围等方面都遥遥领先于其他光敏器件,其输出信号在相当大的范围内保持高度的线性输出,使输出信号无需任何校正就能准确还原。有了良好的线性输出,就保证了良好的色彩还原能力,这在专业领域是非常重要的能力。
光电倍增管实际上是一个电子管,由光电阴极、一系列二次电子发射体、倍增电极和阳极组成。其感光材料主要由氧化铯和其他活性金属(一般为镧系金属)的氧化物组成。这些感光材料在光的照射下会发出电子,经过栅极加速后会撞击阳极电极,最终形成电流,由扫描仪的控制芯片转换生成物体的图像。
由于其固定的高电流增益和低噪声,它是最灵敏的光电探测器。在所有扫描技术中,光电倍增管的性能最好,其灵敏度、噪声系数、动态密度范围等关键指标远超CCD和CIS。同样,这种感光材料几乎不受温度影响,可以在任何环境下工作。但是这种扫描仪成本极高,一般只用于专业的滚筒扫描仪。