Suche
Close this search box.

CCD oder CIS: Die Technologieentscheidung

IW Featured Image Placeholder Knowledge 042023

In dieser Information Beschreibung werden die beiden Scantechnologien erläutert und in Bezug auf Qualität, Benutzerfreundlichkeit, Preis und Umweltaspekte verglichen. Die beiden Technologien, die in allen Dokumentenscannern verwendet werden, sind Zeilensensoren mit Verkleinerung (CCD genannt) und Kontaktbildsensoren (CIS). Die Abkürzung CCD steht eigentlich für "Charge Coupled Device" (ladungsgekoppeltes Gerät), eine Technologie, die in allen Bildsensoren zum Einsatz kommt, so dass die Verwendung von CCD als Synonym für Zeilensensoren vom Reduktionstyp aus wissenschaftlicher Sicht nicht korrekt ist. Da aber jeder den Begriff CCD für Verkleinerungssensoren verwendet, werden wir ihn auch für Verkleinerungskameras verwenden, um Verwirrung zu vermeiden.

Bayer Pattern CCD
bayerfilter.jpg

Digitalkameras verwenden Flächen-CCDs, die aus vielen extrem kleinen Pixeln bestehen, die mit einem Bayer-Muster bedeckt sind, das aus zwei grünen, einem roten und einem blauen Pixel nebeneinander besteht. Dies verringert die Auflösung um den Faktor zwei und erhöht das Rauschen im Vergleich zu Zeilensensoren. Diese Flächen-CCD-Bildsensoren sind für Scanner nicht geeignet, da sie nicht scannen, sondern Bilder aufnehmen.

Die folgenden Diagramme zeigen, wie ein Bayer-Muster-Bild von einer Digitalkamera erzeugt wird. Dies ist gut genug für Bilder mit vielen unscharfen Details, aber nicht für Scanner

Roter Pattern   Grüner Pattern  Blauer Pattern    Bayer Pattern
+ + =

Wenn ein Anbieter behauptet, einen "Scanner" mit einer One-Shot-Kamera, einer Matrixkamera oder etwas Ähnlichem zu verkaufen, handelt es sich höchstwahrscheinlich nur um eine überteuerte Digitalkamera.

Eine Ausnahme bildet ein französischer Buchscanner-Anbieter. Sie verwenden einen monochromen Sensor und machen drei Belichtungen mit verschiedenen Filtern vor dem Sensor. Bei jeder Belichtung werden alle Pixel verwendet und anschließend zu einem vollständigen RGB-Bild zusammengesetzt, wie es bei allen anderen Scannern der Fall ist. Da jede Belichtung einige Sekunden dauert, muss sichergestellt sein, dass sich weder das Objekt noch die Scannerkamera bewegt, da sonst die drei Bilder nicht übereinstimmen. Das beste Modell dieses Herstellers verwendet einen 140MPixel-Chip, um eine Auflösung von 600dpi auf einer Fläche von DINA2 zu erreichen.

Das folgende Diagramm zeigt, wie ein vollständiges RGB-Bild mit drei Belichtungen mit roten, grünen und blauen Farbfiltern zusammengesetzt ist. Nur dreifach belichtete Kameras mit Farbfiltern haben die gleiche Qualität wie Scanner mit Zeilensensoren.

Roter Pattern   Grüner Pattern  Blauer Pattern      Vollständiges RGB-Bild
+ +      =       

CCD basierte Scanner

CCD-Scanner verfügen über Zeilensensoren, die nacheinander rote, grüne und blaue Linien von einem mit weißem Licht beleuchteten Dokument erfassen. Das Bild wird durch eine Verkleinerungslinse verkleinert und auf den linearen CCD-Sensor projiziert. Das Objekt (Dokument) bewegt sich synchron mit der Belichtung der CCD-Elemente. Das rote Element nimmt ein Bild auf, gefolgt von einem grünen Element und einem blauen Element. Nachdem der Computer diese Zeilen in der richtigen Reihenfolge verschoben hat, besteht das Bild aus RGB-Werten in der vollen Auflösung ohne Bayer-Muster-Artefakte.

Die Qualität des weißen Lichts entscheidet über die Qualität des Scans. Bevor weiße LEDs als Lichtquelle verfügbar waren, verwendeten die Hersteller von Großformatscannern Leuchtstofflampen für diesen Zweck. Die Nachteile von Leuchtstofflampen sind zahlreich, und aufgrund dieser Nachteile verwenden die meisten Scannerhersteller keine Leuchtstofflampen mehr.

Ein wesentlicher Unterschied ist die Farbqualität. Die besten Dreiband-Leuchtstofflampen mit einem CRI>95 sind für den höchsten Lumen-Output und nicht für die Ansprechkurve der CCD-Elemente optimiert. Diese Röhren emittieren Spitzen im grünen, roten und blauen Bereich des Spektrums und versuchen, die meisten Lumen pro Watt zu erzielen. Die Spektralkurve einer hochwertigen LED ist viel gleichmäßiger und lässt nicht so viele Farben aus wie die Leuchtstofflampen.

Dreilinearer CCD-Sensor

Dreilineare CCD

Die meisten High-End-Scanner verwenden dreilineare CCD-Sensoren. Diese Sensoren wandeln das Licht auf ihrer Oberfläche in elektrische Signale um. Farbfilter für Rot, Grün und Blau auf drei aufeinanderfolgenden Reihen von CCD-Elementen sorgen für eine sehr große Farbskala, die für CCD-Scanner typisch ist und von den meisten CIS-Scannern nicht erreicht wird. Die Pixelgrößen für hochwertige CCD-Sensoren sind ziemlich groß, 10μm x 10μm ist ein typischer Wert. Größere Pixel helfen, Rauschen und andere bildverschlechternde Effekte zu reduzieren. Die Auslesegeschwindigkeit von linearen CCDs kann bis zu 120MPixel pro Sekunde pro Farbkanal betragen, weshalb die schnellsten Scanner alle diese Art von Sensoren verwenden.

Dreilinear + Grauer CCD

Einige Scannerhersteller verwenden dreilineare Sensoren mit einer vierten Reihe von Sensoren, die nicht farbempfindlich sind. Der Grund dafür ist, dass die Bildverarbeitung eines Graustufenbildes dreimal schneller ist als die eines Farbbildes. Mit anderen Worten: Diese Hersteller nutzen die vierte Reihe von CCD-Elementen, um ihre Geschwindigkeitsbegrenzungen zu überwinden. Der Nachteil besteht darin, dass sie bei einem Graustufenbild keinen Weißabgleich durchführen können. Beim Weißabgleich werden die Rot-, Grün- und Blaukanäle unabhängig voneinander anhand eines weißen Referenzziels kalibriert. Bei einem photometrisch korrekten (für das menschliche Auge) Graustufenbild werden 30 % des Rot-, 59 % des Grün- und 11 % des Blauanteils zur Berechnung des Bildes verwendet.

CCD Scanner Linsen

Ein Pixel auf dem Original mit einer Auflösung von 600 dpi hat eine Größe von 64μm x 64μm, daher muss ein Verkleinerungsobjektiv 1:6,4 verwendet werden, wenn die CCD-Elemente 10μm x 10μm groß sind. Dies führt zu einer großen Spurlänge, die in der Regel mit mehreren Spiegeln gefaltet wird, um die Größe unter Kontrolle zu halten. Die lange Spurlänge ist wegen der höheren Kosten ein Nachteil, aber die große Brennweite, die sich aus einer langen Brennweite ergibt, ist ein klarer Vorteil.

Die Qualität des Verkleinerungsobjektivs ist ein sehr wichtiger Faktor, der die Gesamtqualität des Abtastsystems beeinflusst, aber die Einschränkungen sind im Vergleich zu hochwertigen Digitalkameraobjektiven sehr viel geringer. Der Grund dafür ist die Tatsache, dass aufgrund der Beschaffenheit des Zeilensensors nur der mittlere Teil des Objektivs verwendet wird. Ein Digitalkamera-Objektiv müsste nicht nur fast den doppelten Durchmesser haben, sondern würde auch erhebliche Farbabweichungen, geometrische Ungenauigkeiten wie Nadelkissenverzerrungen und einen Verlust an Lichtstärke in den äußeren Ecken aufweisen. Scanner werden auch für Qualitätskontrollanwendungen eingesetzt, die weit über den Punkt hinausgehen, an dem nur ein Bild gemacht werden muss, weshalb Präzision ein Schlüsselfaktor ist. Ein "schönes Verschlussbild" ist kein Ersatz für einen präzisen Scan.

Stitching in CCD-basierten Scannern

Die Tatsache, dass kein Objektiv oder CCD zur Verfügung steht, um 36 Zoll breite Dokumente mit hoher Auflösung auf einmal zu erfassen, führt zum Nachteil von Großformatscannern, der gemeinhin als "Stitching" bezeichnet wird. Der Scanner muss regelmäßig neu kalibriert werden, da er aus drei oder vier unabhängigen CCD-Subsystemen besteht, die jeweils über eigene Linsen und Spiegel verfügen. Dabei wird ein hochpräzises Testobjekt gescannt und der Versatz in horizontaler und vertikaler Richtung zwischen den einzelnen Kameras gemessen. Diese Werte werden später verwendet, um die drei oder vier Bilder der einzelnen CCDs zusammenzufügen.

Bei den WideTEK-Scannern von Image Access sind die optischen Komponenten wie Linsen, Spiegel usw. in einem ultrastabilen Kameragehäuse montiert, um Stitching-Fehler zu vermeiden, die durch die thermische Ausdehnung des Scanners und seiner Befestigungsteile entstehen. Das patentierte Verfahren, bei dem die verbleibenden Stitching-Offsets vor jedem einzelnen Scan kalibriert werden, macht Stitching zu einem "non issue". Es ist weder ein Referenztarget noch ein Stitching-Verfahren erforderlich - eine große Erleichterung für jeden Benutzer, unabhängig von seinem technischen Hintergrund.

CIS-Scanner (Verbraucherqualität)

Einstiegsscanner verwenden Sensoren mit CIS Technologie. Der CCD-Sensor wird mit einem 1:1 Selfoc Objektiv mit sehr geringem Abstand und einem LED-basierten Beleuchtungssystem, die alle in einem kompakten Modul.
Diese Module sind recht preisgünstig und werden in sehr hohen Stückzahlen für den Flachbettscanner-Markt produziert. Das Diagramm unter dem Text zeigt einen Querschnitt durch einen typischen Sensor in Großformatscannern zu finden ist. Das untere Diagramm zeigt dasselbe CIS-Modul von der Scannerseite aus. Das Modul besteht aus vielen einzelnen CCD-Chips mit jeweils 200-300 Pixeln, die aneinandergereiht werden um eine lange CCD-Zeile von typischerweise 210 mm zu bilden (geeignet für A4).

Das Licht dieser CIS-Module für Endverbraucher wird durch einen Lichtstab abgestrahlt, der an jedem Ende eine dreifarbige LED trägt.
Der Lichtstab hat in unterschiedlichem Abstand Hohlräume, die für die Abstrahlung des Lichts verantwortlich sind, um eine einigermaßen gleichmäßige Verteilung über die Länge des Moduls zu gewährleisten.

Diese LEDs werden so gepulst, dass unter der Beleuchtung jeder Farbe, drei Belichtungen gemacht werden. Diese werden anschließend zu einer einzigen Zeile von RGB-Pixeln zusammengesetzt. Einzelheiten über den Aufbau eines CIS-Sensors finden Sie hier(mit einen anderen Beitrag verbinden).

LED-Beleuchtung hat in der Regel keine Aufwärmzeit, führt aber zu einigen Farbartefakten, da LED Beleuchtungssysteme in der Regel aus einer roten, einer grünen und einer blauen LED bestehen, die jeweils für
die Dauer von 1/3 einer Scanzeile eingeschaltet werden. Dies führt zu farbigen Rändern auf Schwarz-Weiß-Vorlagen, da jedes Farbbild von einer leicht unterschiedlichen Position aus aufgenommen wird. Image Access verwendet eine fortschrittliche bilineare Interpolation, um diesen Effekt bis zur Unsichtbarkeit zu reduzieren.

Die meisten CIS-Module für Verbraucher haben eine LED-Beleuchtung nur auf einer Seite über die gesamte Breite, was alle Falten und andere Oberflächenverzerrungen verstärkt und nur dann gute Bilder erzeugt, wenn die Oberfläche des Dokuments sehr gleichmäßig ist. Dieser Verstärkungseffekt kann bis zu einem gewissen Grad reduziert werden, wenn ein Diffusor verwendet wird. Die Marketingabteilung eines bekannten Großformatscanner Herstellers nennt dies "duale Diffusion" und verschleiert damit die Tatsache, dass ihre Module nur eine "einseitige Beleuchtung" haben.

CIS-basierte Scanner (professionelle Qualität)

Um die Probleme mit CIS-Modulen auf Verbraucherebene zu überwinden, entwickelte Image Access ein neues CIS-Modul
mit zwei Reihen roter, grüner und blauer LEDs über die Breite des Moduls. Das Diagramm unten zeigt einen Querschnitt dieser CIS-Module. Da sie vollständig symmetrisch sind, sind keine Schatten sichtbar auch wenn die Dokumente zerknittert oder anderweitig uneben sind.

Die hochwertigen LEDs, die in WideTEK-Scannern verwendet werden, überwinden auch ein weiteres Manko von CIS-Scannern gegenüber CCD-Scannern, nämlich den geringeren Farbumfang.
Unsere CIS-Scanner kommen unseren CCD Scannern in Bezug auf Farbtreue und Farbumfang ziemlich nahe.

Ein Problem bleibt bestehen und ist ein grundlegender Unterschied zwischen den beiden Technologien. Die Tiefenschärfe von CIS-Sensoren ist sehr gering, in der Regel ein Bruchteil eines Millimeters. Dies macht es erforderlich das Originaldokument gegen die Oberfläche des Scanglases zu führen.
Das führt zu allen Problemen, die man sich leicht vorstellen kann: Schmutz, Staub und Kratzer beeinträchtigen die Bildqualität und können das Original beschädigen.

Stitching in CIS-basierten Scannern

Einige Anbieter von Großformatscannern verwenden vier oder fünf dieser CIS-Module auf Verbraucherebene nebeneinander montiert, um eine Scanbreite von 36 Zoll oder mehr zu erreichen. Stitching-Effekte und geometrische Verzerrungen sind aufgrund des optischen 1:1-Systems und des festen Abstands zwischen den einzelnen Modulen weitaus geringer als bei einem CCD-Scanner.
Dies gilt nicht für Scanner, bei denen die CIS Module in Transportrichtung versetzt sind, wie es bei allen Großformatscannern der Fall ist. Dies gilt nicht für Scanner, bei denen die CIS Module in Transportrichtung versetzt sind, wie es bei allen Großformatscannern der Fall ist.
Wegen des großen Abstandes zwischen den einzelnen Modulen, der bis zu 1000 Zeilen betragen kann, ist das Stitching abhängig von den Eigenschaften des Dokuments und erfordert ein sehr steifes Transportsystem.

Image Access WideTEK-Scanner verfügen über einen software basierten Algorithmus für das automatische Stitching.
Dieser Algorithmus vergleicht die überlappenden Bilder der einzelnen Sensoren und passt den Stitching-Offset auf Basis der Inhaltsanalyse an.
Daher müssen die CIS-basierten WideTEK-Scanner nur im Werk oder bei Reparaturen justiert werden, ansonsten verhalten sie sich wie ein solider Einzelsensor.

Großformat-Scannertechnologie im Vergleich

Fazit

Im Bereich der Großformatscanner wird heftig über CCD- und CIS-Technologie gestritten.
Für beide werden die gleichen Argumente verwendet, je nachdem, welche Technologie der jeweilige Autor oder Anbieter bevorzugt.
Gibt es wirklich eine "Technologieentscheidung" zu treffen?
Imageware sieht in beiden Technologien Vorteile, und wir denken, dass die Entscheidung von den Bedürfnissen und dem Budget des Kunden abhängt.

Viele der Artikel und Anzeigen, die wir in letzter Zeit gelesen haben, enthielten sowohl irreführende als auch
falsche Aussagen.
Wir haben Artikeln gelesen wie:


"CCD unterstützt eine größere Farbskala/Bittiefe und erfasst 48 Bit Farbe im Vergleich zu 24 Bit Farbe bei CIS, Aus diesem Grund wird CCD in den heutigen Digitalkameras verwendet."


Selbst ein technisch nicht versierter Benutzer wird sofort zu dem Schluss kommen, dass die Auflösung des A/D-Wandlers nichts mit der Quelle des Signals zu tun hat. Beide Technologien erzeugen ein analoges Ausgangssignal das in einem späteren Schritt durch den A/D-Wandler digitalisiert wird. Dieser kann eine beliebige Auflösung zwischen 8 Bit und 48 Bit haben, ist aber unabhängig vom CCD/CIS-Sensor.

Der letzte Teil der obigen Aussage hat die höchste Punktzahl für Unsinn, die wir bisher gefunden haben. Warum würde irgendjemand auf der Welt überhaupt in Erwägung ziehen, einen Kontaktbildsensor mit einer maximalen Brennweite von einem Zehntel Millimeter und einer Bildgröße von 1 x 5000 Pixel für eine Digitalkamera zu verwenden? Diese
Logik bleibt das Geheimnis des Autors.

Image Access bevorzugt keine der beiden Technologien, denn beide haben ihre stärkere und schwächere Seiten. Wir sind davon überzeugt, dass die Kaufentscheidung des Kunden von weitaus wichtigeren Kriterien beeinflusst wird als der "richtigen Technologie".