扫描仪原理详细介绍

扫描仪原理详细介绍

作者：佚名来源： 发布时间：2009-12-29 11:43:55 [收藏] [评论]

扫描仪原理详细介绍

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。下面为大家介绍一下扫描仪的工作原理，相信这会对我们更好的使用扫描仪有一定的帮助。

一、扫描仪的组成结构

虽然从外型上看，扫描仪的整体感觉十分简洁、紧凑，但其内部结构却相当复杂：不仅有复杂的电子线路控制，而且还包含精密的光学成像器件，以及设计精巧的机械传动装置。它们的巧妙结合构成了扫描仪独特的工作方式。图1、图2所示为典型的平板式扫描仪的内部与外部结构。

图1

图2

从图中可以看出，扫描仪主要由上盖、原稿台、光学成像部分、光电转换部分、机械传动部分组成。

1．上盖

上盖主要是将要扫描的原稿压紧，以防止扫描灯光线泄露。目前随着三维实物扫描功能的逐渐普及，为了能够更加方便、更高质量地扫描三维实物，许多扫描仪在上盖的设计上都“绞尽脑汁”，例如Canon的“Z”

型盖板式设计就相当独特。

2．原稿台

原稿台主要是用来放置扫描原稿的地方，其四周设有标尺线以方便原稿放置，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。在扫描时需注意确保稿台玻璃清洁，否则会直接影响扫描图像的质量。另外，要特别注意在放置扫描原稿时不要损坏稿台玻璃，要“轻拿轻放”。稿台玻璃的损坏会影响扫描仪内部的其他器件(如成像部件)，尤其是稿台玻璃的破损会使灰尘及杂质直接侵入扫描仪内部，使扫描品质下降，严重时会造成扫描仪的损坏。因此，如果有此类情况发生，应及时与维修服务中心联系，切不

可自行处理。

3．光学成像部分

光学成像部分俗称扫描头(如图3所示)，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)。

图3

扫描头的光源一般采用冷阴极辉光放电灯管，灯管两端没有灯丝，只有一根电极，具有发光均匀稳定、结构强度高、使用寿命长、耗电量小、体积小等优点。

扫描头还包括几个反光镜，其作用是将原稿的信息反射到镜头上，由镜头将扫描信息传送到CCD感光

器件，最后由CCD将照射到的光信号转换为电信号。

镜头是把扫描信息传送到CCD处理的最后一关，它的好坏决定着扫描仪的精度。扫描精度即是指扫描仪的光学分辨率，主要是由镜头的质量和CCD的数量决定。由于受制造工艺的限制，目前普通扫描头的最高分辨率为20000像素，应用在A4幅面的扫描仪上，可实现2400dpi的扫描精度，这样的精度能够满足多

数领域的需求。

光学部分是扫描仪的“眼睛”，用来获取原稿反射的光信息。为保证图像反射的光线足够强，由一根冷阴极灯管提供所需的光源。扫描仪对灯管也有比较严格的要求，首先是色纯要好，如果色纯不够，不是完全的白色，再加上色彩调校系统没能起到应有的效果，那么扫描出来的稿件就可能偏向某种色彩。反过来说，一款扫描仪的所有扫描结果都有比较一致的偏色现象，可能和灯管的色纯有关系。当然造成偏色的因素很多，这只是在硬件方面的原因之一。除了色纯要好，还需要强度均匀。如果强度不均匀，就会大大影响扫描的精度。第三个问题是能耗与色温，不管用什么原理，灯管肯定是扫描仪里面的主要能耗之一。要在节能上下功夫，就要涉及到灯管方面的节能。当然最有效的节能方法之一就是在不使用扫描仪的时候让

灯管不工作。

灯管刚开始工作的时候其温度比较低，运行一段以后温度会开始升高，那么这前后扫描效果就有差距。很多扫描仪的说明书都说扫描仪在工作10~30分钟以后才能够达到比较理想的效果，这主要是指CCD的效果，当然灯管也会有一定影响。那么矛盾就在这里产生了，要节能的话势必要在暂时不使用扫描仪的时候关闭灯管，但是重新启用扫描仪的时候，灯管却不能马上进入最佳状态；要让灯管一直保持良好状态，势必要它持续工作，但是这又对节能和灯管寿命不利。所以，从实用的角度来说，灯管的寿命和能耗问题一直是用户比较关心的问题。扫描仪运行之前需要预热，就是处理这种问题的一种手段。

4．光电转换部分

光电转换部分是指扫描仪内部的主板，如图4所示。别看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。

图4

光电转换部分主板以一块集成芯片为主，其作用是控制各部件协调一致地动作，如步进电机的移动等。其中有A／D变换器、BIOS芯片、I／O控制芯片和高速缓存(Cache)。BIOS芯片的主要功能是在扫描仪启动时进行自检，I／O控制芯片提供了连接界面和连接通道，高速缓存则是用来暂存图像数据的。如果把图像数据直接传输到计算机里，那么就会发生数据丢失和影像失真等现象，如果先把图像数据暂存在高速缓存里，然后再传输到计算机，就减少了上述情况发生的可能性。现在普通扫描仪的高速缓存为512KB，高

档扫描仪的高速缓存可达2MB。

5．机械传动装置

机械传动部分主要包括步进电机、驱动皮带、滑动导轨和齿轮组如图5。

图5

(1)步进电机：它是机械传动部分的核心，是驱动扫描装置的动力源。步进电机其实就是用脉冲信号精确控制移动的一种电机，扫描仪的噪音和速度在一定程度上就是由它决定的。这里速度和精度与前面提到的节能和色温问题一样，存在着矛盾。速度越快移动单位距离所需的时间就短，精度就会降低；精度提

高，其结果是消耗时间增加，就会造成速度减慢。

在扫描仪扫描图像的过程中，扫描头要依靠步进电机来拖动。传统的步进电机是依靠齿轮传动来实现运动的。当齿轮传动时，既使是两个紧密啮合的齿轮，在它们的各齿之间都会留有一些空隙，这是不可避免的，在往复运动的时候，就会给精度带来影响，轻则会使扫描的精度下降，严重时会使图像出现一些条纹。所以，微步进电机技术就在这种情况下应运而生的。它采用缩小电机拖动的运动步幅，可以达到传统步进电机步幅的三分之一或者四分之一，甚至更低，能精确控制扫描头的平稳运动，避免了往复运动中齿轮间的空隙所带来的缺陷，减少了不稳定移动所带来的锯齿波纹和色彩失真，使扫描速度加快，噪音减小，

图像质量明显提高。

(2)驱动皮带：扫描过程中，步进电机通过直接驱动皮带实现驱动扫描头，对图像进行扫描。

(3)滑动导轨：扫描装置经驱动皮带的驱动，通过在滑动导轨上的滑动实现线性扫描的过程。

(4)齿轮组：是保证机械设备正常工作的中间衔接设备。

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和以光电倍增管(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，在上盖板的下面是放置原稿的稿台玻璃。扫描时，将扫描原稿朝下放置到稿台玻璃上，然后将上盖盖好，接收到计算机的扫描指令后，即对图像原稿进行扫描，实施对图像信息的输入。

与数字相机类似，在图像扫描仪中，也使用CCD作图像传感器。但不同的是，数字相机使用的是二维平面传感器，成像时将光图像转换成电信号，而图像扫描仪的CCD是一种线性CCD，即一维图像传感

器。