Cảm biến sử dụng trong máy quét: CCD và CIS

(PCWorldVN) Máy quét công nghệ CIS ít hao năng lượng và có kích thước nhỏ, trong khi công nghệ CCD cho ảnh đẹp và độ sâu màu cao hơn.

Bayer Pattern gồm các điểm ảnh hai màu lục, một màu đỏ hoặc hai màu lục, một màu lam đặt kế cạnh nhau.

Hai công nghệ cảm biến được dùng trong máy quét hiện nay là cảm biến tuyến tính CCD (Charge Coupled Device) và cảm biến hình ảnh tiếp xúc CIS (Contact Image Sensors). Công nghệ CIS tuy có sau, cho tốc độ quét nhanh hơn, nhưng so với CCD thì lại không sánh được về độ nét của ảnh. Máy quét sử dụng công nghệ CIS ít hao năng lượng và có kích thước nhỏ gọn. Trong khi đó công nghệ máy quét CCD cho ảnh đẹp hơn và độ sâu màu cao hơn.

Máy quét công nghệ CCD

Thuật ngữ CCD là viết tắt của cụm từ Charge Coupled Device, tạm dịch là “thiết bị tích điện kép”. Công nghệ này còn được dùng trong cả các bộ cảm biến hình ảnh của camera kỹ thuật số. Tuy nhiên, camera số dùng bộ cảm biến CCD gồm nhiều điểm ảnh cực nhỏ, được phủ một lớp lọc Bayer Pattern gồm các điểm ảnh hai màu lục, một màu đỏ hoặc hai màu lục, một màu lam đặt kế cạnh nhau. Lớp này sẽ làm độ phân giải giảm theo hệ số 2 và làm tăng độ nhiễu so với bộ cảm biến dò dòng tuyến tính. Các loại bộ cảm biến hình ảnh CCD dò bề mặt này không thích hợp để dùng cho máy quét vì chúng không quét mà lại chụp ảnh.

Các sơ đồ sau đây cho thấy hình ảnh có lọc Bayer Pattern chụp bằng camera số được tạo ra như thế nào. Kiểu lọc này dùng tốt cho hình ảnh với nhiều chi tiết mờ không rõ nét, nhưng lại không thích hợp để dùng trong máy quét.

Có một trường hợp ngoại lệ của một hãng cung cấp máy quét sách của Pháp. Các máy quét này dùng một loại bộ cảm biến đơn sắc và chụp 3 kiểu phơi sáng với các bộ lọc khác nhau gắn trước bộ cảm biến. Mỗi kiểu phơi sáng dùng tất cả các điểm ảnh và sau đó được bố cục thành một hình ảnh RGB đầy đủ giống như tất cả các máy quét thông thường khác đã thực hiện. Vì mỗi kiểu phơi sáng phải mất hết vài giây nên cần phải đảm bảo rằng vật thể hay camera của máy quét tuyệt đối không được di chuyển, nếu không 3 hình ảnh này sẽ không khớp với nhau. Mẫu máy quét tốt nhất của hãng này dùng chip 140Mpixel để đạt độ phân giải 600dpi trên một bề mặt DINA2.

Sơ đồ dưới đây cho thấy cách một hình ảnh RGB đầy đủ được tạo ra từ 3 kiểu phơi sáng chụp với các bộ lọc đỏ, lục và lam như thế nào. Chỉ có loại camera chụp 3 kiểu phơi sáng có bộ lọc màu mới đạt cùng chất lượng như máy quét có bộ cảm biến dò dòng.

CCD là một thiết bị tương tự nên đòi hỏi phải có một chip chuyển đổi A/D (analog sang digital). Điều này dẫn đến chi phí và kích thước tăng đáng kể, nhưng hầu hết máy quét khay kính phẳng đều sử dụng bộ cảm biến CCD, giúp cho chất lượng hình ảnh tốt nhất, tiếng ồn thấp, phạm vi hoạt động tốt và có màu đồng nhất.

Máy quét dùng công nghệ CCD có các bộ cảm biến tuyến tính để thu thập từng dòng đỏ, lục và lam nối tiếp từ một tài liệu được chiếu sáng với ánh sáng trắng. Hình ảnh được thu nhỏ lại bằng một thấu kính quang học và chiếu lên bộ cảm biến tuyến tính CCD. Vật thể (tài liệu) này đang di chuyển đồng bộ với sự phơi sáng của các yếu tố CCD. Yếu tố đỏ sẽ thu thập một hình ảnh, sau đó là yếu tố lục, rồi đến yếu tố lam. Sau khi máy tính đã di chuyển các dòng này vào đúng vị trí, hình ảnh sẽ chứa các giá trị RGB với độ phân giải đầy đủ mà không gặp tình trạng giống như khi dùng bộ cảm biến CCD Bayer Pattern.

Chất lượng của nguồn ánh sáng trắng sẽ quyết định chất lượng của bản quét. Trước khi loại đèn LED trắng được dùng làm nguồn sáng, các hãng cung cấp máy quét định dạng khổ rộng đã dùng đèn huỳnh quang làm nguồn sáng. Cách này có nhiều bất lợi nên hầu hết các hãng cung cấp máy quét sau này không còn dùng loại đèn này nữa.

Một điểm khác biệt lớn là về chất lượng màu. Loại đèn huỳnh quang 3 dải phổ tốt nhất có độ hoàn màu CRI (color rendering index) lớn hơn 95, được tối ưu hóa để có hiệu suất quang thông lumen cao nhất nhưng không đạt đáp tuyến (đường cong nhạy sáng) của các thành phần CCD. Các loại đèn này phát sáng tối đa trong vùng lục, đỏ và lam của quang phổ để đạt được mức lumen/watt cao nhất. Đáp tuyến quang phổ của đèn LED chất lượng cao thì đồng đều hơn nhiều và không bỏ sót nhiều màu như đèn huỳnh quang.

Hầu hết các loại máy quét cao cấp ngày nay đều dùng bộ cảm biến CCD tam tuyến tính. Các bộ cảm biến này chuyển đổi ánh sáng trên bề mặt của chúng thành tín hiệu điện. Các bộ lọc màu cho màu đỏ, lục và lam trên 3 dãy kế tiếp các thành phần CCD sẽ cho ra một gam màu rất cao, đó là gam màu đặc thù của máy quét CCD mà hầu hết các loại máy quét CIS không thể đạt được. Kích thước điểm ảnh cho bộ cảm biến CCD chất lượng cao là khá lớn, thường khoảng 10x10 µm. Điểm ảnh cỡ lớn hơn giúp giảm nhiễu và các loại hiệu ứng làm giảm chất lượng hình ảnh khác. Tốc độ đo được của các loại bộ cảm biến CCD tuyến tính có thể lên đến 120 Mpixel mỗi giây trên mỗi kênh màu, do đó các loại máy quét nhanh nhất đều dùng loại bộ cảm biến này.

Vài hãng cung cấp máy quét dùng bộ cảm biến tam tuyến tính có thêm một dãy bộ cảm biến thứ tư, vốn là dãy không nhạy màu. Lý do dãy này không nhạy màu là vì tốc độ xử lý một hình ảnh thang độ xám nhanh gấp 3 lần tốc độ xử lý một hình ảnh màu. Nói cách khác, các hãng cung cấp này dùng thêm một dãy thành phần CCD để khắc phục hạn chế về mặt tốc độ. Sở dĩ phải dùng biện pháp này là vì không thể thực hiện cân bằng trắng trong hình ảnh thang độ xám. Quy trình cân bằng trắng nhằm hiệu chuẩn các kênh màu đỏ, lục và lam độc lập với nhau bằng cách dùng một mục tiêu màu trắng tham khảo. Một hình ảnh thang độ xám chính xác về mặt trắc quang (đối với mắt người) dùng 30% màu đỏ, 59% màu lục và 11% màu lam để trắc định hình ảnh.

Một điểm ảnh trên bản gốc có độ phân giải 600dpi thường có kích thước 64x64µm, do đó phải dùng một loại thấu kính cỡ 1:6,4 nếu các thành phần CCD có kích thước 10x10µm. Kết quả là sẽ có một đoạn rãnh dài, thường được gấp lại bằng một cặp gương để kiểm soát kích thước. Đoạn rãnh dài này là một điểm bất lợi vì giá thành cao hơn nhưng có lợi ở chỗ nếu chiều sâu tiêu điểm dài, chiều sâu tiêu điểm sẽ lớn hơn.

Chất lượng của thấu kính là một yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến toàn bộ chất lượng của hệ thống quét, nhưng ít có mặt hạn chế so với ống kính camera số chất lượng cao. Lý do là chỉ phần giữa của ống kính được dùng do đặc tính của bộ cảm biến dòng. Ống kính camera số (digicam) không những có bán kính lớn gần gấp 2 lần mà còn bị hiện tượng quang sai màu, các trường hợp sai số hình học như hiện tượng méo hình gối và bị mất sắc độ ở các góc bên ngoài. Các loại máy quét cũng được dùng cho các ứng dụng kiểm tra chất lượng ngoài việc chỉ chụp hình ảnh, nên độ chính xác là một yếu tố quan trọng. Nói chung, trong lĩnh vực máy quét thì một “bức ảnh đẹp” không thể thay thế cho một bản quét chính xác.

Máy quét công nghệ CIS

Các máy quét CIS thường nhỏ và không đắt tiền vì không có hệ thống quang học (không có ống kính, gương, đèn và không có con chip chuyển đổi A/D). Chip CIS thường có nguồn sáng đèn LED tích hợp trong chip với bộ cảm biến. CIS thường được sử dụng trong máy quét dạng khay nạp ADF.

Các loại máy quét phổ thông thường dùng bộ cảm biến công nghệ CIS. Một con chip CCD được kết hợp với một ống kính Selfoc 1:1 đặt rất gần và một hệ thống chiếu sáng bằng đèn LED, tất cả được lắp đặt vào một môđun gọn nhẹ. Các môđun này không đắt tiền lắm và được sản xuất với số lượng rất nhiều cho thị trường máy quét khay kính phẳng (có đầu quét di chuyển qua mặt giấy cố định). Môđun này gồm nhiều chip CCD riêng biệt, mỗi chip có 200-300 điểm ảnh, được nối đối tiếp cạnh nhau để tạo thành một dòng CCD thường dài đến 210mm (thích hợp cho khổ giấy A4).

Ánh sáng trên những môđun CIS này được phát ra qua một thanh ánh sáng mà ở mỗi đầu có một đèn LED 3 màu. Thanh ánh sáng này có lỗ cách nhau không đều, dùng để phát ánh sáng, để đảm bảo phân phối ánh sáng tương đối đều theo chiều dài của môđun.

Các đèn LED được kích xung sao cho có thể thực hiện 3 kiểu phơi sáng mỗi khi chiếu sáng một màu. Các kiểu phơi sáng này sau đó sẽ được kết hợp thành một dòng điểm ảnh RGB. Chiếu sáng bằng đèn LED không cần thời gian làm nóng nhưng thường tạo ra vài loại thành phần màu lạ vì hệ thống này gồm có đèn LED màu đỏ, lục và lam, và từng đèn sẽ được bật sáng một khoảng thời gian 1/3 của một dòng quét. Điều này sẽ tạo ra các cạnh có màu trên các bản gốc đen trắng vì mỗi hình ảnh màu được chụp từ một vị trí hơi khác nhau. Hãng Image Access dùng phương pháp nội suy song tuyến tính để giảm thiểu hiệu ứng này khỏi bị nhìn thấy.

Hầu hết môđun CIS trên máy quét tiêu dùng chỉ có chiếu sáng bằng đèn LED ở một bên dọc theo chiều rộng nên các nếp nhăn và những chỗ bị méo trên bề mặt bị khuếch đại, và chỉ khi nào bề mặt của tài liệu thật đều đặn mới có được hình ảnh tốt. Hiệu ứng khuếch đại này có thể giảm được thiểu phần nào nếu dùng một bộ khuếch tán. Bộ phận tiếp thị của một hãng cung cấp máy quét định dạng khổ rộng nổi tiếng gọi phương pháp này là “khuếch tán đối ngẫu”, giúp phần nào giấu đi yếu tố mà các môđun của họ chỉ có hệ thống “chiếu sáng đơn cạnh”.

Để khắc phục những vấn đề gặp phải với môđun CIS loại dành cho máy quét tiêu dùng, Image Access đã phát triển một loại môđun CIS mới có 2 dãy đèn LED đỏ, lục và lam xuyên qua chiều rộng của môđun. Sơ đồ dưới đây cho thấy mặt cắt ngang của các môđun CIS này. Vì chúng hoàn toàn đối xứng nhau nên sẽ không thấy có vùng tối nào ngay cả khi tài liệu bị nhăn hay không đều.

Đèn LED chất lượng cao dùng trong các loại máy quét cao cấp cũng khắc phục được một điểm thiếu hụt khác mà máy quét CIS thường bị so với máy quét CCD, đó là gam màu nhỏ hơn. Máy quét CIS chất lượng cao sẽ rất giống với máy quét CCD về mặt độ chính xác màu và gam màu.

Vẫn còn một vấn đề khác biệt cơ bản giữa hai loại công nghệ này là độ sâu tiêu điểm của bộ cảm biến CIS thì rất nhỏ, thường chỉ là một phần mười của 1mm. Do đó cần phải áp tài liệu gốc sát với mặt kính quét, gây ra nhiều vấn đề như bị dính bụi, bẩn, vết trầy làm giảm chất lượng hình ảnh và có thể làm hư bản gốc.

Tóm lại, từ trước đến nay đã có rất nhiều tranh cãi sôi nổi về hai loại công nghệ CCD và CIS trong lĩnh vực máy quét. Tuy nhiên, mỗi loại máy quét tốt hay không tốt còn tùy theo người dùng hay hãng cung cấp. Nhưng cuối cùng, quyết định chọn mua còn tùy thuộc vào nhu cầu và túi tiền của khách hàng.

PC World VN, 10/2014