סורקים באפלה: CIS או CCD?

תחיית המת הזה היא הוכחה שהעקשנות משתלמת. לפני שלוש שנים בערך, הטכנולוגיה שנקראת Contact Image Sensor ("חיישן תמונה במגע", CIS בקיצור), פרצה לשוק הסורקים השולחניים וניסתה להגדיר מחדש את מושגי היסוד שלנו. היא הביאה איתה מבנה קומפקטי מאוד - בעיקר דק - מחיר זול והבטחה לשנים ארוכות של עבודה אמינה, הכל הודות למכניזם פשוט בתכלית. בסורק רגיל אלמנט החישה הוא רכיב CCD קטן, "המצלם" את המסמך בעזרת עדשות ומראות. סריקת המסמך נעשית על ידי תנועה מורכבת ומסונכרנת של העדשות והמראות כדי למקד את החלקים השונים של המסמך על ה-CCD בלי לשנות את ההגדלה האופטית (אחרת התמונה הסרוקה תהיה טרפזית). עקרונית זה לא כל-כך קשה, אבל מבחינה מכנית המנגנון רגיש לזעזועים וללכלוך ומבחינה אופטית נדרש גובה מסויים, שמגדיר את העובי המינימלי של הסורק.
בסורק CIS אלמנט החישה אינו רכיב קטן שנזקק לעדשה כדי לראות את כל רוחב העמוד. ולמרות שהעיקרון האלקטרו-אופטי דומה ל-CCD, הוא לא עשוי מגביש סיליקון. היצרנים משתמשים בטכניקה דומה ליצור צגי LCD, שנקראת "סיליקון אמורפי" (או סיליקון זכוכיתי. החומר הוא אותו חומר, אך המבנה הגבישי המסודר של שבבי סיליקון קונונציונליים אינו קיים כאן), כדי לבנות שורה של תאי חישה על פס ברוחב מלא של שטח הסריקה. אותו פס סיליקון אמורפי, שרוחבו כ-21 ס"מ בסורק A4, כולל גם את מקור האור - מאות דיודות פולטות אור (LED), שחלקן פולט אור אדום, אחרות אור ירוק והשאר אור כחול. על ידי הדלקה של דיודות שונות לפרקי זמן קצרצרים (מיקרושניות) "מצלמים" לסירוגין את המסמך בצבעים שונים וקולטים (בתאי החישה), את רכיבי RGB. בסורק קונונציונלי יש מקור אור לבן והפרדת הצבעים נעשית בעזרת פילטרים, תוך בזבוז חלק גדול (כ-80 אחוז), מהאור המקורי. פס הסיליקון מכוסה בפס זכוכית שפני השטח שלו עובדו כדי לייצר אלפי עדשות זעירות, אחת לכל אלמנט חישה, הממקדות את האור המוחזר מפני הנייר לפס הסיליקון. כל המערך המורכב הזה, שיכול לכלול יותר מעשרת אלפים תאי חישה, מאות דיודות ואלפי מיקרו-עדשות, הוא מוט קשיח דק, שרוחבו וגובהו לא יותר ממילימטרים ספורים.

נוגע לא-נוגע

כדי לסרוק את המסמך מספיק להניע את המוט בתנועת גריפה לאורך המסמך כאשר העדשות קרובות ככל האפשר לנייר. למרות שהשם CIS כולל את המילה "מגע", המוט לא ממש נוגע בנייר כי משטח הזכוכית אליו מניחים את המסמך מפריד ביניהם. אבל המהנדסים מנסים להקטין ככל האפשר את עובי המשטח, כי בכך אפשר לשפר את האבחנה בלי להסתבך באופטיקה מדויקת ויקרה. התנועה היחידה בסורק היא הובלת המוט בקו ישר, וזה חוסך הרבה כסף ביצור והרבה כאב ראש בתחזוקה. ניתן לבנות כך סורק שעוביו סנטימטר או שניים וצריכת החשמל - ותפוקת החום - שלו היא אפסית ביחס לסורקים קונונציונליים. אם כל כך טוב, אז למה רע? מה החזיר את סורקי CIS למעבדות הפיתוח למקצה שיפורים שנמשך יותר משנתיים?
הרעש, האחידות והטווח הדינמי הם שלושת המבחנים שהכשילו את הדור הראשון של CIS. קשה לייצר רכיבים אקטיביים "שקטים" מסיליקון אמורפי וקשה מאוד לשמור על תכונות אחידות של אלפי רכיבים כאשר חומר הבסיס אינו גביש אחיד. ברכיב CCD רגיל, המיוצר כשבב על פרוסת סיליקון טהור וגבישי, המהנדסים יכולים לשלוט בדיוק בתכונות החשמליות של כל אלמנט חישה, כמו הרגישות לאור (כך שכולם יגיבו בצורה זהה לגבי הערך המספרי של כל דרגת כהות, מה זה לבן מושלם ושחור מוחלט, וכדומה). הם גם יכולים להקטין למינימום את גורמי הרעש ולהבטיח טווח דינמי מרבי. ברכיב סיליקון אמורפי זה קשה מאוד, במיוחד כאשר מדברים על פס שאורכו למעלה מ-20 ס"מ (יותר מרוחב רוב פרוסות הסיליקון) - פי 10 בערך מרוחב של רכיב CCD בסורק קונונציונלי.
והצורך באחידות מושלמת אינו רק בצד החיישנים. גם מקור האור האחד והיחיד של סורק רגיל מוחלף בסורק CIS במאות נוריות LED, שקשה לגרום להן לפלוט בדיוק את אותה כמות אור ולהאיר את המסמך באחידות. לבסוף, המיקרו-עדשות הן תחליף די פרימיטיבי למערכת האופטית של סורק CCD. נכון שהצמדתן לנייר מקטינה את הצורך בדיוק ובליטוש, אבל כל סטיה קטנה מאחידות גורמת לכמויות שונות של אור להגיע לאלמנטי החישה ובכך מתקלקלת האחידות שכל כך טרחו לקבל בתהליך היצור של מוט הסיליקון. אם אנו רוצים לקבל אחידות סבירה, כך שלא רואים בתמונה הסרוקה קווי אורך המעידים על הבדלים בין הרגישות של אלמנטים שונים, יש צורך להחזיק את כלל הגורמים לאי-אחידות מתחת ל-2% בערך (5 רמות בסקלה של 256). סורקי הדור הראשון לא עמדו בכך.

כתבה זו היא כתבה שישית בסדרה הסוקרת את שוק הסורקים בישראל.