扫描仪之眼——CIS 潘敏、周新 1999年 第13期 40版 在传真机领域，CIS（Contact Image Sensor，接触式图像传感器）技术已经取代CCD（Charge－Coupled Device，电荷耦合器件）技术，而在扫描仪领域，CIS技术也向传统的CCD技术提出了挑战，市场上出现了一批外观优美、价格低廉的CIS扫描仪。目前，CIS扫描仪在欧洲和日本市场已具有相当大的影响力。CIS技术能取代CCD技术吗？让我们来看看，CIS技术到底是怎么回事? #1 一、单光源CIS扫描仪的扫描头结构 掀开CIS扫描仪的盖板，可看到CIS扫描仪的移动部分——扫描头（如^134001a^1），扫描头是一个细长条部件，CIS器件在扫描头内沿横向水平排列，横跨整个扫描幅面宽度，从正上方看，CIS扫描头仅2.5cm宽，中间有一条细缝，细缝的上表面用玻璃顶盖罩住，从玻璃顶盖向下可观察到LED（发光二极管）顶部的三棱镜和光电接收管顶部的聚焦透镜。向上取下外壳和玻璃顶盖，可看到陶瓷底座，在陶瓷底座上安装有一横排扫描光源（LED）、三横排光电接收器件（光电接收管）和相应的图像信号放大器（运算放大器）。 ^134001b^2是CIS扫描头的断面图，扫描光源（LED）顶部的三棱镜和光电接收器件（光电接收管）顶部的聚焦透镜卡在外壳上。 LED、光电接收管和运算放大器均为半导体器件，热稳定性较差，如安装在常规电路板上，其热稳定性不太良好。有些CIS扫描仪用陶瓷底座代替常规电路板以增加热稳定性。 #1 二、CIS扫描仪工作原理 CIS扫描仪工作时，LED发射出白光，经三棱镜折射（分色）后，成为一组按一定光谱分配的光线射向待扫图形，这些光线经待扫图形反射后，通过透镜到达三组光电接收管，由于不同颜色的光经三棱镜折射后偏移的角度不同，因而这些光线经反射后会进入安装在不同位置的三组光电接收管（如图2）。三组光电接收管分别接收红、绿、蓝三组不同强度的光信号，然后再将其转换为与红、绿、蓝三组光强度成比例的模拟电信号，以后再送往运算放大器放大，经数模转换器转换后从接口电路送往计算机。 当扫描仪的机械传动机构带动扫描头沿纵向扫过图形（如^134001c^3）以后，在扫描头中沿横向排列的感光元件就采集并传输了全部图形信息。 ^134001d^4为CIS扫描头电路原理图。早期CIS扫描头中的LED、光电接收管和运算放大器使用不同电压等级的电源。较新CIS扫描头的上述器件使用同一组5V的电源供电。 #1 三、三色光源CIS扫描仪 三色光源CIS扫描仪（如^134001e^5）是CIS扫描仪的另一种形式。三色光源CIS扫描仪的扫描头与前述单光源CIS扫描仪的扫描头结构略有不同，这种CIS扫描头上安装有红、绿、蓝三横排LED作为光源，而且仅安装有一横排光电接收管。三色光源扫描仪工作时，由三组光源依次分别发光，发出的光线先经待扫图形反射，再由光电接收管依次接收后输出三基色图像信号。 前述单光源CIS扫描仪同时接收三色光信号；而三色光源扫描仪需依次接收三色光，这种方式显然会影响扫描速度。 #1 四、CIS扫描仪技术特点 1.设计方面的特点 CCD技术需要一整套光学系统，包括照明冷光源、多个反光镜和光学镜头，通过复杂的光路（如^134001f^6）在CCD传感器件表面成像，因此，它的组成部件较为复杂、成本相对较高、扫描后获得的图像数据的处理也相对复杂一些。 CIS扫描仪的扫描光源、传感器、放大器集成为一体，其结构、原理和光路都极为简单。生产过程中的装配、调整和日后的维修也非常方便。此外，由于CIS扫描仪中没有灯管和光学镜头等玻璃器件，因此抗震性能好于CCD扫描仪，运输方便。 2.体积和重量方面的特点 体积小、重量轻是CIS扫描仪最大的优点，由于没有附加的光学部件，移动部分又轻又小，整个扫描仪厚度仅有4.5～6.5cm左右，重量一般为CCD扫描仪的一半。 3.预热与功耗方面的特点 CCD扫描仪一般使用冷阴极管做光源，需要预热1分钟左右才能稳定发光，扫描仪打开后不能立刻使用；而CIS扫描仪不需预热，接通电源即可进行扫描工作。 CIS扫描仪不工作时，可将扫描头收回到起始点，同时将光源关闭，以降低整机功耗。下次使用时从省电状态转入扫描状态非常迅速，几乎没有明显的等待时间，而CCD扫描仪关闭光源后重新预热需要较长时间。 4.分辨率方面的特点 专业级CCD扫描仪能达到3000 dpi 的分辨率，而目前市场上使用CIS感光元件的扫描仪最高分辨率为600dpi，较CCD感光元件存在相当大的差距，所以CIS感光元件仅用于低档平板扫描仪中。 5.色彩方面的特点 从CCD和CIS感光元件的色调统计图（如^134001g^7）中可以看出，CIS感光元件的色域较CCD窄，也就是说，用CIS感光元件获得的色彩不如CCD的丰富。 6.色偏和像差方面的特点 因为CCD扫描仪需要通过一系列透镜、反射镜成像，所以会产生色彩偏差和光学像差，一般需要通过扫描软件进行色彩校正。而CIS扫描仪由传感器直接从稿件表面获取图像，理论上不会产生色偏和像差，能获得最接近原稿的图像效果。 7.灰度方面的特点 CCD扫描仪能反映±20％等级的对比度，而CIS扫描仪仅能反映±40％的对比度。也就是说，CCD的层次、阴影细节比CIS的好。 8.景深方面的特点 传统的CCD扫描仪因为采用光学镜头成像于CCD表面，所以它具有相当长的景深，对隆起的书脊、甚至实物都可以得到清晰的扫描效果。CIS扫描头利用传感器从扫描物体表面得到图像，景深较短，扫描的层次有些不足，对扫描摆放不平的文稿和图片显得有些力不从心，待扫描物体必须平整地放在扫描仪上。CCD的景深（±3mm）至少是CIS（±0.3mm）的十倍，这意味着CCD扫描仪在一定范围内对3D物体的扫描是清楚而生动的；而CIS扫描仪扫描略微凹凸不平的物体时，输出的图像常会出现模糊和散焦的情况。 9.使用寿命方面的特点 高质量的CCD感光元件能保证在质量不变的情况下使用10000小时。而目前的CIS扫描仪的发光元件在使用500小时后，其亮度平均降低30％。也就是说CIS扫描仪的发光元件寿命较短。虽然CIS发光元件寿命较短，但CIS扫描头价格便宜，更换很方便。请注意，CCD扫描仪的光源（灯管）也是易损部件，同样需要更换。 小结：采用CIS感光元件的扫描仪具有体积小、重量轻、器件少、集成度高和抗震性好（相对CCD扫描仪而言）等优点。其价格较低，能胜任一般家庭用户、办公用户的要求。CIS技术虽然前景光明，在低价扫描仪市场对CCD扫描仪有一定的冲击，但由于其技术上的一些弱点，想在专业应用领域取代CCD技术还需努力。