扫描仪的工作原理

扫描仪工作原理扫描仪简介•扫描仪是图像信号输入设备。它对原稿进行光学扫描，然后将光学图像传送到光电转换器中变为模拟电信号，又将模拟电信号变换成为数字电信号，最后通过计算机接口送至计算机中。•扫描仪从20世纪80年代诞生至今，其种类已经发展为手持式、平板(平台)式、滚筒(馈纸)式三大类。目前，平板式扫描仪已成为市场主流。•扫描仪是一种被广泛应用于计算机的输入设备。作为光电、机械一体化的高科技产品，自问世以来以其独特的数字化“图像”采集能力，低廉的价格以及优良的性能，得到了迅速的发展和广泛的普及。•经过多年发展，目前平板式扫描仪的技术已经相当成熟。平板式扫描仪的扫描幅面主要为A4和A3，分辨率通常为300～2400dpi（每英寸内可扫描到的点数），色彩位数可达36位。扫描时将图稿放在扫描仪玻璃板上，由软件控制整个扫描过程，扫描精度很高。目前，平板式扫描仪在办公自动化、平面设计、广告制作等许多领域都得到了广泛的应用。手持式扫描仪滚筒式扫描仪平板式扫描仪一、扫描仪的组成结构1.上盖。主要是将要扫描的原稿压紧，以防止扫描灯的光线泄露。2.原稿台主要是用来放置扫描的原稿的地方，其四周设有标尺线以方便协助原稿放置，并能及时确定原稿扫描尺寸。中间为透明玻璃，称为稿台玻璃。3.光学成像部分俗称扫描头，即图像信息读取部分，它是扫描仪的核心部件，其精度直接影响着扫描图像的还原逼真程度。它包括以下主要部件：灯管、反光镜、镜头以及电荷耦合器件(CCD)。4.光电转换部分是指扫描仪内部的主板，扫描仪的光电转换部分主板就这么一小块，但它却是扫描仪的心脏。它是一块安置有各种电子元件的印刷电路板。它是扫描仪的控制系统，在扫描仪扫描过程中，它主要完成CCD信号的输入处理，以及对步进电机的控制，将读取的图像以任意的解析度进行处理或变换所需的解析度。其包括有A／D变换器、BIOS芯片、I／O控制芯片和高速缓存(Cache)。扫描仪工作模拟流程图光学成像部分光电转换部分除此之外，扫描仪还包括机械传动部分，主要有步进电机、驱动皮带、滑动导轨和齿轮组组成。二、扫描仪的工作原理•了解了扫描仪的构成之后，下面来谈谈扫描仪的工作原理。一般来讲，扫描仪扫描图像的方式大至有三种，即：•以光电耦合器(CCD)为光电转换元件的扫描.•以接触式图像传感器CIS(或LIDE)为光电转换元件的的扫描.•以光电倍增管(PMT)为光电转换元件的扫描.1．以光电耦合器(CCD)为光电转换元件的扫描仪工作原理•多数平板式扫描仪使用光电耦合器(CCD)为光电转换元件，它在图像扫描设备中最具代表性。其形状像小型化的复印机。•图像扫描仪的CCD是一种线性CCD，即一维图像传感器。扫描仪对图像画面进行扫描时，线性CCD将扫描图像分割成线状，每条线的宽度大约为10μm。光源将光线照射到待扫描的图像原稿上，产生反射光,CCD图像传感器根据反射光线强弱的不同转换成不同大小的电流，经A／D转换处理，将电信号转换成数字信号，即产生一行图像数据.同时，机械传动机构在控制电路的控制下,驱动光学系统和CCD扫描装置在传动导轨上与待扫原稿做相对平行移动，将待扫图像原稿一条线一条线的扫入。2．接触式图像传感器CIS(或LIDE)的扫描仪工作原理•CIS（Contactimagesensor，简称CIS）感光器件一般使用制造光敏电阻的硫化镉作感光材料，硫化镉光敏电阻本身漏电大，各感光单元之间干扰大，严重影响清晰度，这是该类产品扫描精度不高的主要原因。但它具有具有结构简单、体积小、应用方便等优点。在一些应用场合，CIS传感器比CCD或CMOS等传感器有无法比拟的优点。•LIDE(LEDInDirectExposure)二极管直接曝光技术是佳能公司独创的技术，是一种基于CIS技术的革新技术，它使用三色二极管作为光源。LIDE通过接触式图像传感器CIS从近距离接触以1：1的比例对原稿进行扫描，不需要复杂的光学系统，这就使扫描仪的尺寸可以做的较小，同时也使扫描仪变得非常轻巧。此外，由于二极管光源及扫描头移动所需要的功耗极小，这类产品能够通过PC机的USB端口提供所需的电力。接触式图像传感器•CIS•LIDE(佳能canoscanlide70扫描仪)3．光电倍增管(PhotoMultiplierTube)工作原理•与采用线性CCD为图像传感器的平板式扫描仪不同，光电倍增管(PMT)为滚筒式扫描仪采用的光电转换元件。•光电倍增管实际是一种电子管，其感光材料主要是由金属铯的氧化物及其他一些活性金属(一般是镧系金属)的氧化物共同构成。这些感光材料在光线的照射下能够发射电子，经栅极加速后冲击阳电极，最后形成电流，再经过扫描仪的控制芯片进行转换，就生成了物体的图像。•在所有的扫描技术中，光电倍增管是性能最为优秀的一种，其灵敏度、噪声系数、动态密度范围等关键性指标远远超过了CCD及CIS等感光器件。这种感光材料几乎不受温度的影响，可以在任何环境中工作但是这种扫描仪的成本极高，一般只用在最专业的滚筒式扫描仪上。使用光电倍增管的滚筒式扫描仪的结构三、彩色扫描技术•真实色彩的还原主要依靠扫描仪独特的色分离技术。由于CCD只是将所感应的光的强弱转换成相应大小的电流，它不可能对所扫描图像的颜色进行识别。因此，扫描仪需要将这些颜色进行分离。目前，应用于扫描仪的色分离技术常见的有4种：滤光片色分离技术、光源交替色分离技术、三CCD色分离技术和单CCD色分离扫描技术。•扫描仪在扫描图像时，先生成分别对应于红(R)、绿(G)、蓝(B)的三基色的3幅图像，也就是说每幅图像中只包含相应的单色信息，红基色图像中只包含红色的信息、绿基色图像中只包含绿色信息，蓝基色图像中自然只包含蓝色信息。最后，将这3幅图像合成即得到了彩色的图像。如下图示：1.滤光片色分离技术各种形状的滤光片各色滤光片其基本原理是：在线性CCD图像传感器的前面加装一滤光片，滤光片从上向下分为3等份，第1部分为红色滤光片，第2部分为绿色滤光片，第3部分为蓝色滤光片，扫描时通过滤光片的移动使得CCD传感器分别记录相应基色下的图像信息，从而得到三基色的3幅图像信息。2.光源交替色分离技术与滤光片色分离技术的原理类似，这种技术是在镜头与扫描原稿之间加设3根发光灯管，其颜色分别为红(R)、绿(G)和蓝(B)，扫描图像时，3根不同颜色的灯管交替发光，从而使CCD得到3幅三基色图像信息。扫描仪发光灯管3.三CCD色分离技术与前两种色分离技术不同，三CCD色分离技术中使用了3个CCD完成扫描成像：光线通过镜头，经过一个特殊设计的分光棱镜将相应颜色的光线反射到相应的CCD图像传感器中，每一个CCD产生一种颜色的图像数据，经过一次扫描即可得到彩色的图像。因此，可以看出这种分色技术成像速度最快，但其造价最高。4.单CCD色分离技术单CCD色分离技术仍然是采用单个线性CCD，不过，在CCD的感光面上加入了滤色镜，在感光的同时直接进行分色。滤色镜四、扫描仪的性能指标1.分辨率•扫描仪对图像细节的表现能力用分辨率来衡量。分辨率通常用每英寸扫描图像上所含有的像素点个数表示，记作dpi(dotperinch，每英寸的点数)。•光学分辨率为300×600dpi的扫描仪，适用于对图像扫描质量要求不高的场合，如普通家庭用户的图像扫描、办公室文档资料的扫描等。•光学分辨率为600×1200dpi的扫描仪，适用于有一定质量要求的专用图像处理。在使用高分辨率对图像进行扫描后，可保证图像被放大数倍后仍保持一定的图像分辨率以满足输出精度要求。•光学分辨率在1000×1200dpi以上的扫描仪属于专业扫描仪，价格比较昂贵。扫描速度慢，生成文件大。2.色彩位数•扫描仪的色彩位数表示彩色扫描仪所能产生的颜色范围，标志着扫描仪对色彩的识别能力。色彩的位数越高，对颜色的区分就越细腻，所表达的色彩种类就越丰富。色彩位数通常表示每个像素点上颜色的数据位数。3.扫描仪接口•SCSI(SmallComputerSystemInterface/小型计算机系统接口)是扫描仪最早使用的接口标准。•EPP(EnhancedParallelPort，增强型并行接口)的优势在于安装方便，价格也比SCSI扫描仪便宜。•USB(UniversalSerialBus，通用串行总线)是一种新型的支持即插即用的接口标准。4.扫描速度•扫描一幅彩色图像需经过预热、采样、数据处理、传输、还原等步骤，其中每一个步骤都可能制约扫描速度。而且扫描速度与系统硬件配置、扫描分辨率设置和扫描图稿的尺寸等有密切关系，一般扫描黑白、灰度图像为2毫秒/线～100毫秒/线，扫描彩色图像为5毫秒/线～200毫秒/线。5.扫描幅面•扫描仪的扫描幅面通常有A4、A4+，A3等规格。对普通用途的扫描(照片、文档文件)而言，扫描幅面为A4和A4+的扫描仪已经可以满足应用要求。对于幅面较大的原稿，可采用多次分区域扫描后再拼接的方法来实现扫描。