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扫描仪的工作原理

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  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300~2400 dpi (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. 2. 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。 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。 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)。 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)。 3. 4. 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μ m。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.接触式图像传感器CIS(或LIDE)的扫描仪工作原理 ? CIS(Contact image sensor,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(LED In Direct Exposure)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canoscan lide 70扫描仪) 3. 光电倍增管(Photo Multiplier Tube) 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(dot per inch,每英寸的点数)。 光学分辨率为300×600 dpi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600×1200 dpi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1000×1200 dpi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. ? 3. ? ? ? 4. 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。 扫描仪接口 SCSI(Small Computer System Interface/小型计算机系 统接口)是扫描仪最早使用的接口标准。 EPP(Enhanced Parallel Port,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(Universal Serial Bus,通用串行总线)是一种新型 的支持即插即用的接口标准。 扫描速度 ? 5. ? 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/线毫秒/线毫秒/线毫秒/线。 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。

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