扫描仪的结构和原理

 

 

自1984年第一台平板式扫描仪面世至今,扫描仪已经发展成为除键盘和鼠标之外被广泛应用于计算机的输入设备。由于现在市场上的扫描仪品牌众多、型号复杂,因此在选购时,我们常常遇到许多难懂的专业术语,而在使用过程中,又会遇到扫描速度慢,占用硬盘空间多等问题的困扰。这些问题无疑为我们用好用巧机器带来了巨大的困难。本文针对这一现状,从扫描仪的基本结构来阐述它的工作原理,使我们能够在应用水平上有所提高。


扫描仪工作原理

  扫描仪是图像输入设备。其工作步骤是:1.将欲扫描的原稿正面朝下铺在扫描仪的玻璃板上;2.启动扫描仪驱动程序后,安装在扫描仪内部的可移动光源通过机械传动机构在控制电路的控制下带动装着光学系统和CCD的扫描头与图稿进行相对运动来完成扫描,为了均匀照亮稿件,扫描仪光源为长条形,并沿垂直方向扫过整个原稿,每扫一行就得到原稿横向一行的图像信息;3.照射到原稿上的光线经反射后穿过一个很窄的缝隙,形成横向光带,又经过一组反光镜,由光学透镜聚焦并进入分光镜,经过棱镜和红绿蓝三色滤色镜得到的RGB三条彩色光带,分别照到各自的CCD上,CCD将RGB光带转变为模拟电子信号,此信号又被A/D变换器转变为数字电子信号。至此,反映原稿图像的光信号转变为计算机能够接受的二进制数字电子信号,最后传送至计算机并在计算机内部逐步形成原稿的全图。


反射稿扫描原理图

  扫描仪结构

  扫描仪可分为:滚筒式扫描仪、平板式扫描仪、便携式扫描仪,和行业用高速扫描仪。我们现在详细介绍一下平板扫描仪的硬件结构。

  所有的平板式扫描仪都包括三大部分:扫描头——光学成像部分;步进电机和导轨——传动部分;主板——控制和A/D转换处理电路部分。因为扫描仪是光机电一体化的产品,只有这几部分相互配合,才能将反映图像特征的光信号转换为计算机可接受的电信号。

  扫描头

  扫描头是扫描仪中实现光学成像的重要部分,它包括以下主要部件:灯源、反光镜、镜头以及扫描仪的核心——电荷耦合器件(以下把电荷耦合器件简称为CCD)。

  扫描头的光源两边一般由软橡胶固定,只要拔下连接在CCD电路板上的插头,就可以取下带简单变压器电路的灯管(直径仅3~4毫米)了。

  现在许多扫描仪的光源都采用冷阴极辉光放电技术。它的特点是光源两端没有灯丝,而只有一根电极,所以它具有发光均匀而稳定、结构强度高、使用寿命长、耗电量小、体积小等优点。

  扫描仪的光路是由几个反光镜反射构成的,每个反光镜由两个铁制卡子固定。CCD是一个感光器件,它的作用是将照射在其上的光信号转换为相对应的电信号。CCD是排成一横行的,其中CCD里的每一个单元与每一行里的像素相对应。(每一幅图像都是由上百、上千乃至上百万个像素以格状的排列方式来表示的)。换句话说,如果你的扫描仪的扫描面每一英寸上有300 CCD,那你的扫描仪在一英寸里的最大光学分辨率只有300像素,即300个dpi(Dots Per Inch)。每英寸的点数是扫描仪记录影像清晰度的单位,此数值越大,扫描仪的清晰度就越高,得到的影像文件尺寸也会越大,同样,你的扫描仪每行里有600 CCD单元,那么你的扫描仪最大光学分辨率就是600dpi。

  镜头是把所扫描的信息传送到CCD去处理的最后一关,因此它的好坏也决定着扫描仪的扫描精度。在这里我们所说的扫描仪扫描精度,是指扫描仪的光学分辨率,它主要是由镜头的质量和CCD的数量来决定。而提高CCD的数量,成本要增加很多,所以厂商在不提高成本而又可以使扫描仪的精度提升的前提下,便引出了双镜头扫描技术。所谓双镜头技术,是指使用一个CCD,在扫描头中安装两套不同焦距的镜头组。其作用是利用高质量的透镜把固定范围内的扫描精度提高。

  A/D变换器是将模拟量(Analog)转变为数字量(Digital)的半导体元件。从CCD获取的电信号是对应于图像明暗的模拟信号,因为图像由暗到亮的变化是用从低到高的不同电平来表示的,而且它们是连续变化的,即所谓模拟量。A/D变换器的工作是将模拟量数字化,例如将0至1V的线性电压变化表示为0至9的10个等级的方法是:0至小于0.1V的所有电压都变换为数字0、0.1至小于0.2V的所有电压都变换为数字1……0.9至小于1.0V的所有电压都变换为数字9。实际上,A/D变换器能够表示的范围远远大于10,通常是28=256、210=1024或者212=4096。如果扫描仪标明的灰度等级是10bit,则说明这个扫描仪能够将图像分成1024个灰度等级,如果色彩深度为30bit,则说明红、绿、蓝各个通道都有1024个等级。等级数越高,彩色表现越丰富。

  机械部分

  机械部分由步进电机、齿轮、导轨和皮带构成。机械部分的运动完全受主板的控制。

  主板

  扫描仪的主板以一块集成芯片为主,它相当于我们现在计算机里的CPU,其作用是对周边元件实行电源控制(如步进电机在扫描时,相对于扫描物的运动等)。另外,A/D变换器也集成在此芯片内。在主板上还集成着BIOS芯片、扫描仪I/O控制芯片和Cache等芯片。BIOS芯片的主要功能是对扫描仪在启动时进行自检,同时还记录了扫描仪的版本信息。I/O控制芯片提供了连接界面和连接通道。Cache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情况。因此,先把图像数据暂存在Cache里,然后再传输到计算机,这样便减少了上述情况发生的可能性。现在普通扫描仪的Cache为512KB,有些高档扫描仪的Cache可达2MB,当然,Cache越大,数据丢失和影像失真就越小。

  扫描仪性能

  价格方面,便携型在500~1000元左右;台式机从1000至上万元不等;滚筒式扫描仪的分辨率在8000dpi以上,动态范围和彩色位数等指标都很高,价格从几十万元到几百万元不等,因此主要应用于专业领域;高速扫描仪主要是扫描速度快,可达到20~200面 /分钟,主要用于文档扫描。一般扫描仪的主要性能指标有x、y方向的分辨率、色彩分辨率(色彩位数)、扫描幅面、扫描速度和接口方式等。各类扫描仪都标明了它的光学分辨率和最大分辨率。分辨率的单位是dpi,dpi的意思是每英寸的像素点数。那么,对于广大的用户,众多指标里哪一个才是我们应当注意的呢?

  光学分辨率

  光学分辨率是指扫描仪的光学系统可以采集的实际信息量,也就是扫描仪的感光元件—CCD的实际分辨率。例如:最大扫描范围为216mm×297mm(适合于A4纸)的扫描仪,可扫描的最大宽度为8.5英寸(216mm),它的CCD含有5100个单元,其光学分辨率为5100点/8.5英寸=600dpi。目前常见的光学分辨率有600×1200、1000×2000或者更高。由此可见,光学分辨率在某种意义上决定了一台扫描仪的品级。

  最大分辨率

  最大分辨率又叫做内插分辨率,它是在相邻像素之间求出颜色或者灰度的平均值,从而增加像素数的办法。通过内插算法可以增加像素数,但不能增加真正的图像细节。因此,光学分辨率才是真正值得我们注意的。

  色彩分辨率

  色彩分辨率又叫色彩深度、色彩模式、色彩位或色阶,总之都是表示扫描仪分辨色彩或灰度细腻程度的指标,它的单位是bit(位)。色彩位确切的含义是用多少个位来表示扫描得到的一个像素。例如:1bit只能表示黑白像素,因为计算机中的数字使用二进制,所以1bit只能表示两个值:0和1,它们分别代表黑与白。8bit可以表示256个灰度级。24bit可以表示16777216种色彩,其中红(R)、绿(G)、蓝(B)各个通道分别占用8bit,它们各有28=256个等级,24bit以上的色彩为真彩,目前还有采用30bit、36bit、42bit的机种。色彩位数越多,颜色就越逼真,但对于非专业用户来讲,由于受到计算机处理能力和输出打印机分辨率的限制,追求高色彩位给我们带来的只会是浪费。

  接口方式

  接口方式(连接界面),是指扫描仪与计算机之间采用的接口类型。常用的有并行打印机接口、USB接口、SCSI接口和火线接口。SCSI接口的传输速度快,而采用USB接口或火线接口则更简便。采用SCSI接口的扫描仪由于价格偏高、设置相对复杂,所以目前一般应用在设计领域。而USB接口大大方便了多平台用户,只要你的计算机有USB接口,只需要安装驱动程序就可以使用了。但是,由于受到USB接口速度的限制,故采用USB接口的扫描仪一般为民用型或普通办公型。值得我们欣喜的是,苹果公司研制的火线接口(IEEE 1394)现在也加入到扫描仪这一行列里来了。火线接口具有USB接口全部的特性,而且传输速度方面比SCSI接口还要快。由于目前只有苹果电脑内置了火线接口,普及率还不是很高,因此配备这种接口的扫描仪基本用于专业领域。

  扫描仪在应用中应当注意的问题

  选择原稿类型

  扫描仪驱动程序会自动提供扫描原稿类型的选择菜单。“文件”适用于白纸黑字的原稿,扫描仪会按照1个位来表示黑与白两种像素,这样会节省磁盘空间。“杂志和书籍”则适用于既有图片又有文字的图文混排稿样,扫描该类型兼顾文字和具有多个灰度等级的图片。“照片”适用于扫描彩色照片,它要对红绿蓝三个通道进行多等级的采样和存储。进行适当的选择可以在满足要求的情况下节省磁盘空间,不同的扫描仪,可能会提供不同的原稿类型选择。

  分辨率与文件大小

  一般的扫描程序都可以在你预览样稿时自动计算出文件大小,但了解文件大小的计算方法更有助于你在管理扫描文件和确定扫描分辨率时作出适当的选择。二值图像文件的计算公式是:水平尺寸×垂直尺寸×(扫描分辨率)2/8。彩色图像文件的计算公式是:水平尺寸×垂直尺寸×(扫描分辨率)2×3。例如用彩色RGB方式扫描一幅普通彩色照片(3R 3.5×5英寸),扫描分辨率为300dpi,那么得到的图像文件长度为5×3.5×3002×3=4725000字节即4.7MB。如果分辨率选择过高,会造成最终文件尺寸过大,不利于编辑制作,相反的,如果分辨率选择过低,图像质量就不能得到保障了。

  选择扫描分辨率

  扫描分辨率=放大系数×打印分辨率/N (N为打印机喷头色数)

  扫描分辨率越高得到的图像越清晰,但是考虑到如果超过输出设备的分辨率,再清晰的图像也不可能打印出来,仅仅是多占用了磁盘空间,没有实际的价值。因此选择适当的扫描分辨率就很有必要。

  通过以上这些介绍,相信大家对扫描仪已经有一定的了解了。您在购买的时候应当首先了解扫描仪的主要技术指标:分辨率、灰度级、色彩位数、扫描速度、接口方式等。按照目前国内扫描仪的应用范围,我们基本分为专业用户、普通用户和商务用户这三大群体。

  对于专业用户来说,高质量、高速度是必然的选择。因此,如果您属于这类用户的话,我们建议您购买配备SCSI或火线接口的扫描仪。如果您是普通用户的话,配备USB接口的才是您的上上之选。简便的安装、合理的价位和较高的扫描品质这都是您所需要的。虽然600dpi对普通文件及相片的扫描已很足够,但现在1200dpi的扫描仪也不是太贵。如果你需要更细致的效果,那便要至少600dpi的解析度了。而对于商务用户来说,扫描速度可能更为重要一些。

  除了硬件之外,扫描仪的软件也是非常重要的。随着技术的发展,产品日趋同化,配套软件是否丰富、实用,就变得非常关键。有不少厂商在扫描仪销售时都免费赠送价值不菲的专业版汉字识别软件。目前市场上的扫描仪都配有图像输入、文字识别、贺卡制作等配套软件。附送的软件一定要实用。最好有一套辨认能力强的识别软,(OCR)用作文件扫描,及一套图像编辑器用作相片扫描。如果你要制作一些图像文件,那么您最好买一台附送专业图像编辑的软件,如Adobe Photo shopLE。

  更为重要的一点是,无论您是哪种用户,售后服务不可忽视。扫描仪是光机电一体化的高科技产品,技术透明度比较低,不像PC那样易于装配和修理,因此扫描仪的售后服务很重要,一定要选择有能力承担售后服务的供应商。

  参照以上的介绍,您就可以选择适合自己的扫描仪了。

  目前流行的感光器件

  光电倍增管

  这种扫描器件实际是一种电子管,感光材料主要是金属铯的氧化物,通过掺杂一些活性金属(主要是镧系金属)氧化物进行改性,以提高灵敏度和修正光谱曲线。用这种材料制成的光电阴极射线管,在光线照射下,能够发射电子,称为光电子,经阴极加速放大后冲击阳极,形成电流。在各种感光器件中,光电倍增管是性能最好的一种,无论在灵敏度,噪声系数还是动态范围上都遥遥领先于其它感光器件,更难能可贵的是,它的输出信号在相当大范围内保持着高度的线性输出,使输出信号几乎不用做任何修正就可以获得准确的色彩还原。光电倍增管在各种感光器件中是生产成本最高的,而且由于一次只能扫描一个像素,因此扫描速度很慢,扫描一张图需要几十分钟。因此,它现在只用在最专业的鼓式(大滚筒)扫描仪上,这种扫描仪的价格少则几十万元,多则几百万元,是一种可望而不可及的贵族产品。


采用半导体隔离CCD

  接触式感光器件(CIS或LIDE)

  接触式感光器件,又称CIS器件或LIDE器件,这是近年来刚出现的新名词,最近在市场上被炒得火热。其实,这种技术与CCD技术几乎是同时出现的,它使用的感光材料一般是我们用来制造光敏电阻的硫化镉,它很容易制成一条长的阵列,而且生产成本只有采用半导体隔离CCD的1/3,当时主要是用在低档黑白手持式扫描仪和传真机上,由于尺寸太大,无法使用镜头成像,只能依靠贴近目标来识别,因此光学分辨率最高只能达到200dpi。


采用硅氧化物隔离CCD

  出现转机是在1998年,一些厂家开始另辟捷径,重新搬出了接触式感光器件,经过改进后使分辨率达到了600dpi,然后冠以CIS技术或LIDE技术的商业名称,以新技术的名义推向市场,居然取得了相当大的成功。不过就性能而言,接触式感光器件存在着严重的先天不足,首先由于不能使用镜头,只能贴近稿件扫描,其实际清晰度远远达不到标称指标。同时,硫化镉光敏电阻本身漏电很大,各感光单元之间干扰严重,进一步降低了清晰度,而且由于无法实现同时制造三条平行的感光单元,因此无法同时实现三色扫描。接触式感光器件不能使用常用的冷阴极灯管,因而不得不使用LED发光二极管阵列作为光源,这种光源无论在光色还是在光线的均匀度上都是比较差的。由于LED阵列是由数百个发光二极管组成,一旦有一个损坏,就意味着整个阵列报废,因此这种产品的寿命比较短。但它有一个很重要的优点,那就是重量很轻,体积特别小,对于需要整天带在身边移动办公,还是一个很不错的选择。

  CCD感光器件

  CCD的全称是Charge Couple Device,即我们通常所说的电荷耦合器件。这种感光器件与我们日常使用的半导体集成电路相似。它是利用微电子技术制成的表面光电器件。在一片硅单晶上集成了几千到几万个光电三极管,这些光电三极管分为三列,分别用红绿蓝三色的滤色镜罩住,从而实现彩色扫描。光电三极管在受到光线照射时产生电流,经放大后输出。CCD在摄像机、数码相机和扫描仪中得到了广泛的应用,只不过摄像机中使用的是点阵CCD,通过x、y两个方向来摄取平面图像。而扫描仪中使用的则是线性CCD,它只有x一个方向,y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成。CCD芯片上有许多光敏单元,它们通过把不同的光线转换成不同的电荷,从而形成对应原稿光图像的电荷图像。如果我们想增加图像的分辨率,就必须增加CCD上的光敏单元数量。实际上,CCD的性能决定了扫描仪的x方向的光学分辨率。

  目前流行的CCD有两种:半导体隔离CCD和是硅氧化物隔离CCD。这些CCD是通过在一片硅单晶片上集成了数千到上万个光电三极管构成的,并且这些光电三极管又分成以RGB(红色Red、绿色Green和蓝色Blue)三列为基础的色彩模型来实现彩色扫描。但是由于数千个光电三极管的距离很近(微米级),而半导体隔离CCD各三极管之间的绝缘还是靠半导体PN来隔离的,所以它们之间隔离电阻较小。但是各光电三极管之间存在着明显的漏电现象,导致信号互相干扰,造成扫描仪实际清晰度的降低。而采用硅氧化物隔离技术便解决了上述问题,各光电三极管之间的半导体单晶硅用二氧化硅替代。二氧化硅的绝缘性质非常好,几乎可以杜绝各光电三极管之间的漏电现象,从而使扫描仪的实际清晰度有一个质的飞跃。不过这种技术产品的生产成本比半导体隔离技术产品的成本高几倍,因此目前只能用在5000元以上专业级扫描仪中。而目前市场上的几乎所有家用和办公用扫描仪,都是采用半导体隔离CCD,性能不可能不受影响。

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