掃描儀的工作原理

掃描儀

工作原理掃描儀簡(jiǎn)介掃描儀是圖像信號(hào)輸入設(shè)備。它對(duì)原稿進(jìn)行光學(xué)掃描，然后將光學(xué)圖像傳送到光電轉(zhuǎn)換器中變?yōu)槟M電信號(hào)，又將模擬電信號(hào)變換成為數(shù)字電信號(hào)，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)接口送至計(jì)算機(jī)中。掃描儀從20世紀(jì)80年代誕生至今，其種類已經(jīng)發(fā)展為手持式、平板(平臺(tái))式、滾筒(饋紙)式三大類。目前，平板式掃描儀已成為市場(chǎng)主流。掃描儀是一種被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備。作為光電、機(jī)械一體化的高科技產(chǎn)品，自問(wèn)世以來(lái)以其獨(dú)特的數(shù)字化“圖像”采集能力，低廉的價(jià)格以及優(yōu)良的性能，得到了迅速的發(fā)展和廣泛的普及。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，目前平板式掃描儀的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。平板式掃描儀的掃描幅面主要為A4和A3，分辨率通常為300～2400dpi（每英寸內(nèi)可掃描到的點(diǎn)數(shù)），色彩位數(shù)可達(dá)36位。掃描時(shí)將圖稿放在掃描儀玻璃板上，由軟件控制整個(gè)掃描過(guò)程，掃描精度很高。目前，平板式掃描儀在辦公自動(dòng)化、平面設(shè)計(jì)、廣告制作等許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。手持式掃描儀

滾筒式掃描儀平板式掃描儀

一、掃描儀的組成結(jié)構(gòu)

上蓋。主要是將要掃描的原稿壓緊，以防止掃描燈的光線泄露。原稿臺(tái)主要是用來(lái)放置掃描的原稿的地方，其四周設(shè)有標(biāo)尺線以方便協(xié)助原稿放置，并能及時(shí)確定原稿掃描尺寸。中間為透明玻璃，稱為稿臺(tái)玻璃。光學(xué)成像部分俗稱掃描頭，即圖像信息讀取部分，它是掃描儀的核心部件，其精度直接影響著掃描圖像的還原逼真程度。它包括以下主要部件：燈管、反光鏡、鏡頭以及電荷耦合器件(CCD)。光電轉(zhuǎn)換部分是指掃描儀內(nèi)部的主板，掃描儀的光電轉(zhuǎn)換部分主板就這么一小塊，但它卻是掃描儀的心臟。它是一塊安置有各種電子元件的印刷電路板。它是掃描儀的控制系統(tǒng)，在掃描儀掃描過(guò)程中，它主要完成CCD信號(hào)的輸入處理，以及對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，將讀取的圖像以任意的解析度進(jìn)行處理或變換所需的解析度。其包括有A／D變換器、BIOS芯片、I／O控制芯片和高速緩存(Cache)。掃描儀工作模擬流程圖光學(xué)成像部分

光電轉(zhuǎn)換部分

除此之外，掃描儀還包括機(jī)械傳動(dòng)部分，主要有步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)皮帶、滑動(dòng)導(dǎo)軌和齒輪組組成。二、掃描儀的工作原理了解了掃描儀的構(gòu)成之后，下面來(lái)談?wù)剴呙鑳x的工作原理。一般來(lái)講，掃描儀掃描圖像的方式大至有三種，即：以光電耦合器(CCD)為光電轉(zhuǎn)換元件的掃描.以接觸式圖像傳感器CIS(或LIDE)為光電轉(zhuǎn)換元件的的掃描.以光電倍增管(PMT)為光電轉(zhuǎn)換元件的掃描.1．以光電耦合器(CCD)為光電轉(zhuǎn)換元件的掃描儀工作原理

多數(shù)平板式掃描儀使用光電耦合器(CCD)為光電轉(zhuǎn)換元件，它在圖像掃描設(shè)備中最具代表性。其形狀像小型化的復(fù)印機(jī)。圖像掃描儀的CCD是一種線性CCD，即一維圖像傳感器。掃描儀對(duì)圖像畫面進(jìn)行掃描時(shí)，線性CCD將掃描圖像分割成線狀，每條線的寬度大約為10μm。光源將光線照射到待掃描的圖像原稿上，產(chǎn)生反射光,CCD圖像傳感器根據(jù)反射光線強(qiáng)弱的不同轉(zhuǎn)換成不同大小的電流，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換處理，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，即產(chǎn)生一行圖像數(shù)據(jù).同時(shí)，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在控制電路的控制下,驅(qū)動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)和CCD掃描裝置在傳動(dòng)導(dǎo)軌上與待掃原稿做相對(duì)平行移動(dòng)，將待掃圖像原稿一條線一條線的掃入。2．接觸式圖像傳感器CIS(或LIDE)的掃描儀工作原理

CIS（Contactimagesensor，簡(jiǎn)稱CIS）感光器件一般使用制造光敏電阻的硫化鎘作感光材料，硫化鎘光敏電阻本身漏電大，各感光單元之間干擾大，嚴(yán)重影響清晰度，這是該類產(chǎn)品掃描精度不高的主要原因。但它具有具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、應(yīng)用方便等優(yōu)點(diǎn)。在一些應(yīng)用場(chǎng)合，CIS傳感器比CCD或CMOS等傳感器有無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。LIDE(LEDInDirectExposure)二極管直接曝光技術(shù)是佳能公司獨(dú)創(chuàng)的技術(shù)，是一種基于CIS技術(shù)的革新技術(shù)，它使用三色二極管作為光源。LIDE通過(guò)接觸式圖像傳感器CIS從近距離接觸以1：1的比例對(duì)原稿進(jìn)行掃描，不需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，這就使掃描儀的尺寸可以做的較小，同時(shí)也使掃描儀變得非常輕巧。此外，由于二極管光源及掃描頭移動(dòng)所需要的功耗極小，這類產(chǎn)品能夠通過(guò)PC機(jī)的USB端口提供所需的電力。

接觸式圖像傳感器CISLIDE(佳能canoscanlide70掃描儀)3．光電倍增管(PhotoMultiplierTube)工作原理與采用線性CCD為圖像傳感器的平板式掃描儀不同，光電倍增管(PMT)為滾筒式掃描儀采用的光電轉(zhuǎn)換元件。光電倍增管實(shí)際是一種電子管，其感光材料主要是由金屬銫的氧化物及其他一些活性金屬(一般是鑭系金屬)的氧化物共同構(gòu)成。這些感光材料在光線的照射下能夠發(fā)射電子，經(jīng)柵極加速后沖擊陽(yáng)電極，最后形成電流，再經(jīng)過(guò)掃描儀的控制芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，就生成了物體的圖像。在所有的掃描技術(shù)中，光電倍增管是性能最為優(yōu)秀的一種，其靈敏度、噪聲系數(shù)、動(dòng)態(tài)密度范圍等關(guān)鍵性指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了CCD及CIS等感光器件。這種感光材料幾乎不受溫度的影響，可以在任何環(huán)境中工作但是這種掃描儀的成本極高，一般只用在最專業(yè)的滾筒式掃描儀上。使用光電倍增管的滾筒式掃描儀的結(jié)構(gòu)三、彩色掃描技術(shù)真實(shí)色彩的還原主要依靠掃描儀獨(dú)特的色分離技術(shù)。由于CCD只是將所感應(yīng)的光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換成相應(yīng)大小的電流，它不可能對(duì)所掃描圖像的顏色進(jìn)行識(shí)別。因此，掃描儀需要將這些顏色進(jìn)行分離。

目前，應(yīng)用于掃描儀的色分離技術(shù)常見的有4種：濾光片色分離技術(shù)、光源交替色分離技術(shù)、三CCD色分離技術(shù)和單CCD色分離掃描技術(shù)。掃描儀在掃描圖像時(shí)，先生成分別對(duì)應(yīng)于紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)的三基色的3幅圖像，也就是說(shuō)每幅圖像中只包含相應(yīng)的單色信息，紅基色圖像中只包含紅色的信息、綠基色圖像中只包含綠色信息，藍(lán)基色圖像中自然只包含藍(lán)色信息。最后，將這3幅圖像合成即得到了彩色的圖像。如下圖示：

1.濾光片色分離技術(shù)各種形狀的濾光片各色濾光片其基本原理是：在線性CCD圖像傳感器的前面加裝一濾光片，濾光片從上向下分為3等份，第1部分為紅色濾光片，第2部分為綠色濾光片，第3部分為藍(lán)色濾光片，掃描時(shí)通過(guò)濾光片的移動(dòng)使得CCD傳感器分別記錄相應(yīng)基色下的圖像信息，從而得到三基色的3幅圖像信息。2.光源交替色分離技術(shù)

與濾光片色分離技術(shù)的原理類似，這種技術(shù)是在鏡頭與掃描原稿之間加設(shè)3根發(fā)光燈管，其顏色分別為紅(R)、綠(G)和藍(lán)(B)，掃描圖像時(shí)，3根不同顏色的燈管交替發(fā)光，從而使CCD得到3幅三基色圖像信息。掃描儀發(fā)光燈管3.三CCD色分離技術(shù)與前兩種色分離技術(shù)不同，三CCD色分離技術(shù)中使用了3個(gè)CCD完成掃描成像：光線通過(guò)鏡頭，經(jīng)過(guò)一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的分光棱鏡將相應(yīng)顏色的光線反射到相應(yīng)的CCD圖像傳感器中，每一個(gè)CCD產(chǎn)生一種顏色的圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)一次掃描即可得到彩色的圖像。因此，可以看出這種分色技術(shù)成像速度最快，但其造價(jià)最高。4.單CCD色分離技術(shù)單CCD色分離技術(shù)仍然是采用單個(gè)線性CCD，不過(guò)，在CCD的感光面上加入了濾色鏡，在感光的同時(shí)直接進(jìn)行分色。

濾色鏡四、掃描儀的性能指標(biāo)

1.分辨率掃描儀對(duì)圖像細(xì)節(jié)的表現(xiàn)能力用分辨率來(lái)衡量。分辨率通常用每英寸掃描圖像上所含有的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)表示，記作dpi(dotperinch，每英寸的點(diǎn)數(shù))。光學(xué)分辨率為300×600dpi的掃描儀，適用于對(duì)圖像掃描質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合，如普通家庭用戶的圖像掃描、辦公室文檔資料的掃描等。光學(xué)分辨率為600×1200dpi的掃描儀，適用于有一定質(zhì)量要求的專用圖像處理。在使用高分辨率對(duì)圖像進(jìn)行掃描后，可保證圖像被放大數(shù)倍后仍保持一定的圖像分辨率以滿足輸出精度要求。光學(xué)分辨率在1000×1200dpi以上的掃描儀屬于專業(yè)掃描儀，價(jià)格比較昂貴。掃描速度慢，生成文件大。

色彩位數(shù)

掃描儀的色彩位數(shù)表示彩色掃描儀所能產(chǎn)生的顏色范圍，標(biāo)志著掃描儀對(duì)色彩的識(shí)別能力。色彩的位數(shù)越高，對(duì)顏色的區(qū)分就越細(xì)膩，所表達(dá)的色彩種類就越豐富。色彩位數(shù)通常表示每個(gè)像素點(diǎn)上顏色的數(shù)據(jù)位數(shù)。掃描儀接口

SCSI(SmallComputerSystemInterface/小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口)是掃描儀最早使用的接口標(biāo)準(zhǔn)。

EPP(EnhancedParallelPort，增強(qiáng)型并行接口)的優(yōu)勢(shì)在于安裝方便，價(jià)格也比SCSI掃描儀便宜。

USB(UniversalSerialBus，通用串行總線)是一種新型的支持即插即用的接口標(biāo)準(zhǔn)。掃描速度掃描一幅彩色圖像需經(jīng)過(guò)預(yù)熱、采樣、數(shù)據(jù)處理、傳輸、還原等步驟，其中每一個(gè)步驟都可能制約掃描速度。而且掃描速度與系統(tǒng)硬件配置、掃描