掃描儀原理詳細(xì)介紹

掃描儀原理詳細(xì)介紹

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，自問世以來以其獨(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。下面為大家介紹一下掃描儀的工作原理，相信這會(huì)對(duì)我們更好的使用掃描儀有一定的幫助。
一、　掃描儀的組成結(jié)構(gòu)

　　雖然從外型上看，掃描儀的整體感覺十分簡潔、緊湊，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻相當(dāng)復(fù)雜：不僅有復(fù)雜的電子線路控制，而且還包含精密的光學(xué)成像器件，以及設(shè)計(jì)精巧的機(jī)械傳動(dòng)裝置。它們的巧妙結(jié)合構(gòu)成了掃描儀獨(dú)特的工作方式。圖1、圖2所示為典型的平板式掃描儀的內(nèi)部與外部結(jié)構(gòu)。

圖1

圖2

　　從圖中可以看出，掃描儀主要由上蓋、原稿臺(tái)、光學(xué)成像部分、光電轉(zhuǎn)換部分、機(jī)械傳動(dòng)部分組成。

　　 1．上蓋

　　 上蓋主要是將要掃描的原稿壓緊，以防止掃描燈光線泄露。目前隨著三維實(shí)物掃描功能的逐漸普及，為了能夠更加方便、更高質(zhì)量地掃描三維實(shí)物，許多掃描儀在上蓋的設(shè)計(jì)上都“絞盡腦汁”，例如Canon的“Z”型蓋板式設(shè)計(jì)就相當(dāng)獨(dú)特。

　　 2．原稿臺(tái)

　　 原稿臺(tái)主要是用來放置掃描原稿的地方，其四周設(shè)有標(biāo)尺線以方便原稿放置，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。在掃描時(shí)需注意確保稿臺(tái)玻璃清潔，否則會(huì)直接影響掃描圖像的質(zhì)量。另外，要特別注意在放置掃描原稿時(shí)不要損壞稿臺(tái)玻璃，要“輕拿輕放”。稿臺(tái)玻璃的損壞會(huì)影響掃描儀內(nèi)部的其他器件(如成像部件)，尤其是稿臺(tái)玻璃的破損會(huì)使灰塵及雜質(zhì)直接侵入掃描儀內(nèi)部，使掃描品質(zhì)下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成掃描儀的損壞。因此，如果有此類情況發(fā)生，應(yīng)及時(shí)與維修服務(wù)中心聯(lián)系，切不可自行處理。

　 3．光學(xué)成像部分

　　 光學(xué)成像部分俗稱掃描頭(如圖3所示)，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)。
　　

圖3

　　掃描頭的光源一般采用冷陰極輝光放電燈管，燈管兩端沒有燈絲，只有一根電極，具有發(fā)光均勻穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、使用壽命長、耗電量小、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

　　掃描頭還包括幾個(gè)反光鏡，其作用是將原稿的信息反射到鏡頭上，由鏡頭將掃描信息傳送到CCD感光器件，最后由CCD將照射到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

　　鏡頭是把掃描信息傳送到CCD處理的最后一關(guān)，它的好壞決定著掃描儀的精度。掃描精度即是指掃描儀的光學(xué)分辨率，主要是由鏡頭的質(zhì)量和CCD的數(shù)量決定。由于受制造工藝的限制，目前普通掃描頭的最高分辨率為20000像素，應(yīng)用在A4幅面的掃描儀上，可實(shí)現(xiàn)2400dpi的掃描精度，這樣的精度能夠滿足多數(shù)領(lǐng)域的需求。

　　光學(xué)部分是掃描儀的“眼睛”，用來獲取原稿反射的光信息。為保證圖像反射的光線足夠強(qiáng)，由一根冷陰極燈管提供所需的光源。掃描儀對(duì)燈管也有比較嚴(yán)格的要求，首先是色純要好，如果色純不夠，不是完全的白色，再加上色彩調(diào)校系統(tǒng)沒能起到應(yīng)有的效果，那么掃描出來的稿件就可能偏向某種色彩。反過來說，一款掃描儀的所有掃描結(jié)果都有比較一致的偏色現(xiàn)象，可能和燈管的色純有關(guān)系。當(dāng)然造成偏色的因素很多，這只是在硬件方面的原因之一。除了色純要好，還需要強(qiáng)度均勻。如果強(qiáng)度不均勻，就會(huì)大大影響掃描的精度。第三個(gè)問題是能耗與色溫，不管用什么原理，燈管肯定是掃描儀里面的主要能耗之一。要在節(jié)能上下功夫，就要涉及到燈管方面的節(jié)能。當(dāng)然最有效的節(jié)能方法之一就是在不使用掃描儀的時(shí)候讓燈管不工作。

　　燈管剛開始工作的時(shí)候其溫度比較低，運(yùn)行一段以后溫度會(huì)開始升高，那么這前后掃描效果就有差距。很多掃描儀的說明書都說掃描儀在工作10~30分鐘以后才能夠達(dá)到比較理想的效果，這主要是指CCD的效果，當(dāng)然燈管也會(huì)有一定影響。那么矛盾就在這里產(chǎn)生了，要節(jié)能的話勢(shì)必要在暫時(shí)不使用掃描儀的時(shí)候關(guān)閉燈管，但是重新啟用掃描儀的時(shí)候，燈管卻不能馬上進(jìn)入最佳狀態(tài)；要讓燈管一直保持良好狀態(tài)，勢(shì)必要它持續(xù)工作，但是這又對(duì)節(jié)能和燈管壽命不利。所以，從實(shí)用的角度來說，燈管的壽命和能耗問題一直是用戶比較關(guān)心的問題。掃描儀運(yùn)行之前需要預(yù)熱，就是處理這種問題的一種手段。

　　4．光電轉(zhuǎn)換部分

　　光電轉(zhuǎn)換部分是指掃描儀內(nèi)部的主板，如圖4所示。別看掃描儀的光電轉(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。

圖4

光電轉(zhuǎn)換部分主板以一塊集成芯片為主，其作用是控制各部件協(xié)調(diào)一致地動(dòng)作，如步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)等。其中有A／D變換器、BIOS芯片、I／O控制芯片和高速緩存(Cache)。BIOS芯片的主要功能是在掃描儀啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行自檢， I／O控制芯片提供了連接界面和連接通道，高速緩存則是用來暫存圖像數(shù)據(jù)的。如果把圖像數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)接?jì)算機(jī)里，那么就會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失和影像失真等現(xiàn)象，如果先把圖像數(shù)據(jù)暫存在高速緩存里，然后再傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，就減少了上述情況發(fā)生的可能性?，F(xiàn)在普通掃描儀的高速緩存為512KB，高檔掃描儀的高速緩存可達(dá)2MB。

　 5．機(jī)械傳動(dòng)裝置

　　 機(jī)械傳動(dòng)部分主要包括步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)皮帶、滑動(dòng)導(dǎo)軌和齒輪組如圖5。

圖5

　　 (1)步進(jìn)電機(jī)：它是機(jī)械傳動(dòng)部分的核心，是驅(qū)動(dòng)掃描裝置的動(dòng)力源。步進(jìn)電機(jī)其實(shí)就是用脈沖信號(hào)精確控制移動(dòng)的一種電機(jī)，掃描儀的噪音和速度在一定程度上就是由它決定的。這里速度和精度與前面提到的節(jié)能和色溫問題一樣，存在著矛盾。速度越快移動(dòng)單位距離所需的時(shí)間就短，精度就會(huì)降低；精度提高，其結(jié)果是消耗時(shí)間增加，就會(huì)造成速度減慢。

　　 在掃描儀掃描圖像的過程中，掃描頭要依靠步進(jìn)電機(jī)來拖動(dòng)。傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)是依靠齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的。當(dāng)齒輪傳動(dòng)時(shí)，既使是兩個(gè)緊密嚙合的齒輪，在它們的各齒之間都會(huì)留有一些空隙，這是不可避免的，在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，就會(huì)給精度帶來影響，輕則會(huì)使掃描的精度下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使圖像出現(xiàn)一些條紋。所以，微步進(jìn)電機(jī)技術(shù)就在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生的。它采用縮小電機(jī)拖動(dòng)的運(yùn)動(dòng)步幅，可以達(dá)到傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)步幅的三分之一或者四分之一，甚至更低，能精確控制掃描頭的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，避免了往復(fù)運(yùn)動(dòng)中齒輪間的空隙所帶來的缺陷，減少了不穩(wěn)定移動(dòng)所帶來的鋸齒波紋和色彩失真，使掃描速度加快，噪音減小，圖像質(zhì)量明顯提高。

　　 (2)驅(qū)動(dòng)皮帶：掃描過程中，步進(jìn)電機(jī)通過直接驅(qū)動(dòng)皮帶實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)掃描頭，對(duì)圖像進(jìn)行掃描。

　　 (3)滑動(dòng)導(dǎo)軌：掃描裝置經(jīng)驅(qū)動(dòng)皮帶的驅(qū)動(dòng)，通過在滑動(dòng)導(dǎo)軌上的滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)線性掃描的過程。

　　 (4)齒輪組：是保證機(jī)械設(shè)備正常工作的中間銜接設(shè)備。

　　二、 掃描儀的工作原理

　　了解了掃描儀的構(gòu)成之后，下面來談?wù)剴呙鑳x的工作原理。一般來講，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)換元件的的掃描和以光電倍增管 (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)，在上蓋板的下面是放置原稿的稿臺(tái)玻璃。掃描時(shí)，將掃描原稿朝下放置到稿臺(tái)玻璃上，然后將上蓋蓋好，接收到計(jì)算機(jī)的掃描指令后，即對(duì)圖像原稿進(jìn)行掃描，實(shí)施對(duì)圖像信息的輸入。

　　 與數(shù)字相機(jī)類似，在圖像掃描儀中，也使用CCD作圖像傳感器。但不同的是，數(shù)字相機(jī)使用的是二維平面?zhèn)鞲衅?，成像時(shí)將光圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，而圖像掃描儀的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10 μm。光源將光線照射到待掃描的圖像原稿上，產(chǎn)生反射光(反射稿所產(chǎn)生的)或透射光(透射稿所產(chǎn)生的)，然后經(jīng)反光鏡組反射到線性CCD中。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，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)皮帶，從而驅(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，最終完成全部原稿圖像的掃描。如圖6所示。

圖6

　　 通常，用線性CCD對(duì)原稿進(jìn)行的“一條線”掃描被稱為“主掃描”，而將線性CCD平行移動(dòng)的掃描輸入稱為“副掃描”。

　　 （1）線性CCD的結(jié)構(gòu)

　　 圖7所示為線性CCD。CCD圖像傳感器是平板式掃描儀的核心，其主要作用就是將照射到其上的光圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。將CCD圖像傳感器放大，可以發(fā)現(xiàn)在10μm的間隔上并行排列著數(shù)千個(gè)CCD圖像單元，這些圖像單元規(guī)則地排成一線，當(dāng)光線照射到圖像傳感器的感光面上時(shí)，每個(gè)CCD圖像單元都接受照射其上的光線，并根據(jù)感應(yīng)到的光線強(qiáng)弱，產(chǎn)生相應(yīng)的電荷。然后，若干電荷以并行的順序進(jìn)行傳輸。

圖7

　　 （2）光學(xué)成像系統(tǒng)

　　 一般掃描儀使用的光學(xué)成像系統(tǒng)有兩種：縮小掃描型光學(xué)成像系統(tǒng)和等倍掃描型光學(xué)成像系統(tǒng)。

　　 縮小型光學(xué)系統(tǒng)成像采用2-5cm長度的線性CCD作為光學(xué)系統(tǒng)中的圖像傳感器，由于CCD的尺寸遠(yuǎn)不及掃描原稿的寬度，因此，這種成像系統(tǒng)中，在CCD的前面有一個(gè)鏡頭，像數(shù)字相機(jī)一樣，用于在掃描時(shí)將原稿圖像通過鏡頭縮小后投射到線性CCD上。

　　 等倍掃描型光學(xué)成像系統(tǒng)則采用與掃描原稿寬度相等的線性CCD作為圖像傳感器。這種光學(xué)成像系統(tǒng)中采用了一種特殊的鏡頭——特殊鏡頭組系列，它由上下排列整齊的兩排棒狀鏡頭組成。這種棒狀鏡頭的直徑為1mm，長約6mm，每一列都有100個(gè)以上這樣的鏡頭陣列構(gòu)成，這種成像系統(tǒng)在手持式掃描儀中較為常見。

　　（3） 色分離技術(shù)

　　 目前，彩色掃描儀已成為市場(chǎng)的主流，它能夠很真實(shí)地還原原稿圖像的品質(zhì)。通過彩色掃描儀掃描得到的數(shù)字圖像，可以看到不論是形狀還是色彩，掃描得到的圖像都很好地保持了原稿的品質(zhì)。

　　 真實(shí)色彩的還原主要應(yīng)歸功于掃描儀獨(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。我們都知道，紅、綠、藍(lán)是光的三基色，即用這3種顏色疊加可以組合出其他任意顏色。就是根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，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。其原理如圖8所示。

圖8

　　 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)。

　　 1）濾光片色分離技術(shù)

　　 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。

　　 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：光線通過鏡頭，經(jīng)過一個(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，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。

　　(4)VAROS技術(shù)

　　 普通的CCD掃描儀在掃描時(shí)，須在被掃描物體表面形成一條細(xì)長的白色光帶，光線通過一系列鏡面和一組透鏡，最后由CCD元件接收光學(xué)信號(hào)。但是，在這種條件下，光學(xué)分辨率被CCD像素?cái)?shù)量所限制。在VAROS技術(shù)中，CCD元件與透鏡之間放置一片平板玻璃，首先，掃描儀進(jìn)行正常的掃描工作。這一步得到的圖像與其他掃描儀基本相同。然后，平板玻璃傾斜，使掃描圖像移動(dòng)1/2個(gè)像素，掃描過程重復(fù)一次。這樣可以使掃描儀讀取被移動(dòng)后的像素的數(shù)據(jù)。最后，運(yùn)用軟件合成第一次與第二次的掃描數(shù)據(jù)，得到兩倍數(shù)量的圖像信息。換言之，運(yùn)用VAROS技術(shù)，我們可以將普通600dpi的掃描儀變成1200dpi高分辨率的掃描儀。

　　2．接觸式圖像傳感器CIS(或LIDE)

　　接觸式圖像傳感器CIS(或LIDE)是近些年才出現(xiàn)的名詞，其實(shí)這種技術(shù)與CCD技術(shù)幾乎是同時(shí)誕生的。絕大多數(shù)手持式掃描儀采用CIS技術(shù)。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。它不能使用冷陰極燈管而只能使用LED發(fā)光二極管陣列作為光源，這種光源無論在光色還是在光線的均勻度上都比較差，導(dǎo)致掃描儀的色彩還原能力較低。LED陣列由數(shù)百個(gè)發(fā)光二極管組成，一旦有一個(gè)損壞就意味著整個(gè)陣列報(bào)廢，因此這種類型產(chǎn)品的壽命比較短。無法使用鏡頭成像，只能依靠貼近目標(biāo)來識(shí)別，沒有景深，不能掃描實(shí)物，只適用于掃描文稿。CIS對(duì)周圍環(huán)境溫度的變化比較敏感，環(huán)境溫度的變化對(duì)掃描結(jié)果有明顯的影響，因此對(duì)工作環(huán)境的溫度有一定的要求。

　　LIDE(LED In Direct Exposure)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。與使用冷陰極燈源的掃描儀相比，二極管具有體積小巧且持久長效等特點(diǎn)，不過它所產(chǎn)生的光線比較弱，很難保證掃描影像所需的亮度。針對(duì)這一原因，LIDE技術(shù)對(duì)二極管裝置及引導(dǎo)光線的光導(dǎo)材料進(jìn)行了改造，使二極管光源可以產(chǎn)生均勻并且亮度足夠的光線用于掃描。

　　LIDE型掃描儀由3部分組成，即光導(dǎo)、柱狀透鏡和線性光學(xué)傳感器。光導(dǎo)的主要作用是增強(qiáng)紅、綠、蘭三個(gè)色彩通道的光照強(qiáng)度，柱狀透鏡則可以確保反射光更好地向傳感器聚焦(這是提高掃描精度的關(guān)鍵措施)，線性傳感器則最大程度地避免了邊緣變形問題。由于省略了一系列反射鏡，LIDE型掃描儀就能避免因此帶來的各種像差和色差，可以較好地重現(xiàn)原稿的細(xì)節(jié)和色彩。

　　LIDE通過接觸式圖像傳感器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PC機(jī)的USB端口提供所需的電力。

　　3．CCD與CIS的區(qū)別

　　通常人們提起掃描儀，會(huì)比較注重它的掃描分辨率，而對(duì)它所采用的感光元件未必會(huì)在意。究竟是選擇CCD型掃描儀，還是選擇CIS型掃描儀，不少用戶都會(huì)感到迷惑，哪種掃描儀更適合呢?

　　簡單說這兩種掃描儀的區(qū)別就在于感光器件上，CCD型掃描儀使用的是電子耦合器件，而CIS型掃描儀使用的是接觸式影像感光器件。這兩種感光器件的工作原理大相徑庭： CCD元件本身是整個(gè)掃描儀成像的核心，但光源發(fā)出的光必須經(jīng)過鏡片的反射和透鏡的聚焦，這些光學(xué)器件的加入使整個(gè)掃描儀成本提高；而 CIS掃描儀是利用微小光源發(fā)出的光經(jīng)掃描原稿反射后由感光器件直接接收而成像，CIS感光元件本身足以完成成像任務(wù)，不需要鏡片和透鏡的參與，因此產(chǎn)品的組裝非常容易，成本較低。由于CIS掃描儀依靠直接接收反射光成像，技術(shù)含量相對(duì)較低，在掃描景深等方面表現(xiàn)較差。除了感光部分的差別外，兩種掃描儀其它部分的工作原理基本一致，都是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信息。

　　對(duì)比兩種掃描儀產(chǎn)品，CCD型掃描儀占有明顯的優(yōu)勢(shì)，但CIS型掃描儀也并非一無是處。

　　 CCD型掃描儀的缺點(diǎn)是：需要一整套光學(xué)系統(tǒng)，包括照明冷光源和多個(gè)反光鏡和光學(xué)鏡頭，通過復(fù)雜的光路在CCD傳感器件表面成像。它的組成部件較為復(fù)雜，成本相對(duì)較高，掃描后對(duì)圖像數(shù)據(jù)的處理也相對(duì)復(fù)雜。一般使用冷陰極管做光源，需要預(yù)熱1分鐘左右才能穩(wěn)定發(fā)光。CCD掃描儀需要通過一系列透鏡、反射鏡成像，所以會(huì)產(chǎn)生色彩偏差和光學(xué)像差，一般需要通過掃描軟件進(jìn)行色彩校正。

　　CIS型掃描儀的優(yōu)點(diǎn)是：具有模塊化設(shè)計(jì)，掃描光源、傳感器、放大器集成為一體，結(jié)構(gòu)、原理和光路都極為簡單。由傳感器直接從稿件表面獲取圖像，理論上不會(huì)產(chǎn)生色偏和像差，能獲得最接近原稿的圖像效果。能夠降低設(shè)計(jì)制造成本，而且產(chǎn)品的體積可以設(shè)計(jì)得更薄、更小，CIS型掃描儀沒有明顯的等待時(shí)間。

　　CIS型掃描儀的缺點(diǎn)是：不能使用鏡頭，只能壓近原稿掃描，掃描精度較低。另外，它的光源只能用LED發(fā)光二極管，這種光源無論在光色以及均勻度上都比較差，色域較CCD窄，獲得的色彩不如CCD的豐富，而且光源的壽命比較短。

　　此外，傳統(tǒng)的CCD掃描儀因?yàn)椴捎霉鈱W(xué)鏡頭成像于CCD表面，所以它具有一定的景深，對(duì)隆起的書脊，甚至實(shí)物都可以得到清晰的掃描效果。CIS掃描頭利用傳感器從掃描物體表面得到圖像，景深較短，掃描的層次有些不足，對(duì)掃描擺放不平的文稿和圖片顯得有些力不從心，待掃描物體必須平整地放在掃描儀上。CCD的景深至少是CIS的10倍，這意味著CCD掃描儀在一定范圍內(nèi)對(duì)3D物體的掃描是清楚而生動(dòng)的，而CIS掃描儀掃描略微凹凸不平的物體時(shí)，輸出的圖像常會(huì)出現(xiàn)模糊和散焦的情況。

　　高質(zhì)量的CCD感光元件能保證在質(zhì)量不變的情況下使用10000小時(shí)，而目前的CIS掃描儀的發(fā)光元件在使用500小時(shí)后，其亮度平均降低30％，也就是說CIS掃描儀的發(fā)光元件壽命較短。雖然CIS發(fā)光元件壽命較短，但CIS掃描頭價(jià)格便宜，更換很方便。

　　4． 光電倍增管(Photo Multiplier Tube) 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。

　　在各種感光器件中，光電倍增管是性能最好的一種，無論在靈敏度、噪聲系數(shù)還是動(dòng)態(tài)范圍上都遙遙領(lǐng)先于其他感光器件，而且它的輸出信號(hào)在相當(dāng)大范圍內(nèi)保持著高度的線性輸出，使輸出信號(hào)幾乎不用做任何修正就可以獲得準(zhǔn)確的色彩還原。

　　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)柵極加速后沖擊陽電極，最后形成電流，再經(jīng)過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)超過了CCD及CIS等感光器件。同樣，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。

　　 采用光電倍增管的滾筒式掃描儀較采用CCD的平板式掃描儀復(fù)雜許多，圖9、圖10所示為其結(jié)構(gòu)圖，它的主要組成部件有旋轉(zhuǎn)電機(jī)、透明滾筒、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制電路和成像裝置等。

　　 滾筒式掃描儀掃描圖像時(shí)，將要掃描的原稿貼附在透明滾筒上，滾筒在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，高速旋轉(zhuǎn)形成高速旋轉(zhuǎn)柱面，同時(shí)，高強(qiáng)度的點(diǎn)光源光線從透明滾筒內(nèi)部照射出來，投射到原稿上逐點(diǎn)對(duì)原稿進(jìn)行掃描，并將透射和反射光線經(jīng)由透鏡、反射鏡、半透明反射鏡、紅綠藍(lán)濾色片所構(gòu)成的光路將光線引導(dǎo)到光電倍增管進(jìn)行放大，然后進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)而獲得每個(gè)掃描像素點(diǎn)的紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三基色的分色顏色值。這時(shí)，光信息被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息傳送，并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上，完成掃描任務(wù)。它的掃描特點(diǎn)是一個(gè)像素一個(gè)像素地輸入光信號(hào)，信號(hào)采集精度很高，且掃描圖像的信息還原性很好。

　　三、掃描儀的工作過程

　　掃描儀的工作原理并不復(fù)雜，從它的工作過程就能夠基本反映出來，圖11為以CCD型掃描儀為例的工作原理示意圖。其掃描的一般工作過程是：

圖11

　　 1)開始掃描時(shí)，機(jī)內(nèi)光源發(fā)出均勻光線照亮玻璃面板上的原稿，產(chǎn)生表示圖像特征的反射光(反射稿)或透射光(透射稿)。反射光經(jīng)過玻璃板和一組鏡頭，分成紅綠藍(lán)3種顏色匯聚在CCD感光元件上，被CCD接受。其中空白的地方比有色彩的地方能反射更多的光。

　　 2)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)掃描頭在原稿下面移動(dòng)，讀取原稿信息。掃描儀的光源為長條形，照射到原稿上的光線經(jīng)反射后穿過一個(gè)很窄的縫隙，形成沿x方向的光帶，經(jīng)過一組反光鏡，由光學(xué)透鏡聚焦并進(jìn)入分光鏡。經(jīng)過棱鏡和紅綠藍(lán)三色濾色鏡得到的RGB三條彩色光帶分別照到各自的CCD上，CCD將RGB光帶轉(zhuǎn)變?yōu)?a target="_blank">模擬電子信號(hào)，此信號(hào)又被A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字電子信號(hào)。

　　 3)反映原稿圖像的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)能夠接受的二進(jìn)制數(shù)字電子信號(hào)，最后通過 USB等接口送至計(jì)算機(jī)。掃描儀每掃描一行就得到原稿x方向一行的圖像信息，隨著沿y方向的移動(dòng)，直至原稿全部被掃描。經(jīng)由掃描儀得到的圖像數(shù)據(jù)被暫存在緩沖器中，然后按照先后順序把圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)并存儲(chǔ)起來。當(dāng)掃描頭完成對(duì)原稿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將圖稿全部掃描一遍，一幅完整的圖像就輸入到計(jì)算機(jī)中去了。

　　 4)數(shù)字信息被送入計(jì)算機(jī)的相關(guān)處理程序，在此數(shù)據(jù)以圖像應(yīng)用程序能使用的格式存在。最后通過軟件處理再現(xiàn)到計(jì)算機(jī)屏幕上。

　　 所以說，掃描儀的簡單工作原理就是利用光電元件將檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再將電信號(hào)通過模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。無論何種類型的掃描儀，它們的工作過程都是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。所以，光電轉(zhuǎn)換是它們的核心工作原理。掃描儀的性能取決于它把任意變化的模擬電平轉(zhuǎn)換成數(shù)值的能力。