扫描仪原理详细介绍
扫描仪是计算机中广泛使用的输入设备。作为一种集光电和机械于一体的高科技产品，自问世以来，以其独特的数字“图像”采集能力、低廉的价格和优异的性能得到了迅速发展和广泛推广。下面介绍一下扫描仪的工作原理。我相信这将有助于我们更好地使用扫描仪。
一、扫描仪的组成结构
虽然扫描仪整体给人的感觉是外观非常简洁紧凑，但其内部结构却相当复杂：不仅有复杂的电子电路控制，还包含精密的光学成像装置和精巧的机械传动装置。它们的巧妙组合构成了扫描仪独特的工作模式。图1和图2示出了典型平板扫描仪的内部和外部结构。
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、光电转换部分和机械传动部分组成。
1.上盖
上盖主要用于压住待扫描的原稿，防止扫描光泄漏。目前，随着3D物体扫描功能的逐渐普及，为了更方便、更高质量地扫描3D物体，很多扫描仪在上盖的设计上绞尽脑汁，比如佳能的“Z”盖设计就相当独特。
2.原始表
稿件台主要用于放置扫描稿件，周围有刻度线，方便稿件放置，及时确定稿件的扫描尺寸。中间是透明玻璃，称为文件玻璃。扫描时应注意确保稿台玻璃是干净的，否则会直接影响扫描图像的质量。另外，放置扫描稿时要特别注意不要损坏稿台玻璃，“小心轻放”。稿台玻璃的损坏会影响扫描仪中的其他设备(如成像元件)，尤其是稿台玻璃的损坏会使灰尘和杂质直接侵入扫描仪，降低扫描质量，严重时甚至会导致扫描仪损坏。所以如果出现这种情况，要及时联系维修服务中心，切不可自行处理。
3.光学成像部分
成像部分俗称扫描头(如图3)，即图像信息读取部分，是扫描仪的核心部分，其精度直接影响扫描图像的保真度。它包括以下主要部件：灯管、反射镜、透镜和CCD。
图3
扫描头的光源一般采用冷阴极辉光放电管，只有一个电极，两端没有灯丝。它具有发光均匀稳定、结构强度高、寿命长、功耗低、体积小的优点。
扫描头还包括几个反射镜，其作用是将原始文件的信息反射到透镜上，透镜将扫描信息传输到CCD光敏器件，最后被照射的光信号被CCD转换成电信号。
镜头是将扫描信息传输到CCD进行处理的最后一步，其质量决定了扫描仪的精度。扫描精度是指扫描仪的光学分辨率，主要由镜头质量和CCD数量决定。由于制造工艺的限制，目前普通扫描头的最高分辨率为20000像素，应用于A4扫描仪可以达到2400dpi的扫描精度，可以满足大部分领域的需求。
光学部分是扫描仪的“眼睛”，用来获取原稿反射的光线信息。为了保证图像反射的光足够强，冷阴极管提供了所需的光源。扫描仪对灯也有严格的要求。第一，色纯度好。如果色纯度不够，不是完全白，色彩调节系统达不到预期效果，那么扫描的原稿就可能偏向某一种颜色。另一方面，扫描仪的所有扫描结果都具有一致的色偏，这可能与灯的色纯度有关。当然，造成偏色的因素很多，硬件方面只是原因之一。除了色纯度好，还需要强度均匀。如果强度不均匀，扫描精度会受到很大影响。第三个问题是能耗和色温。不管用什么原理，灯管绝对是扫描仪中的主要能耗之一。要在节能上下功夫，就要涉及到灯具的节能。当然，最有效的节能方法之一是在扫描仪不使用时禁用灯。
刚开始灯的温度比较低，运行一段时间后温度会开始上升，所以这前后扫描效果有差距。扫描仪的很多说明书都说扫描仪工作10~30分钟才能达到理想的效果，这主要是指CCD的效果，当然灯管也会有一些影响。那么矛盾就产生在这里了。为了节约能源，在暂时不使用扫描仪时，有必要关闭灯。但是，当扫描仪重新启用时，灯不能立即进入最佳状态。要让灯一直处于良好状态，就需要它持续工作，但这对节能和灯的寿命都不好。因此，从实用的角度来看，灯具的寿命和能耗一直是用户关心的问题。运行前需要预热扫描仪是处理此问题的一种方法。
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。扫描仪的光电转换部分虽然有这么小的主板，但却是扫描仪的心脏。它是一个带有各种电子元件的印刷电路板。它是扫描仪的控制系统。在扫描仪的扫描过程中，主要完成CCD信号的输入处理和步进电机的控制，对读取的图像进行任意分辨率的处理或变换成所需的分辨率。
图4
光电转换部分的主板主要是一个集成芯片，它的作用是控制各个部件的协调动作，比如步进电机的运动。有A/D转换器、BIOS芯片、I/O控制芯片和缓存。BIOS的主要功能是在扫描仪启动时执行自检。I/O控制芯片提供连接接口和连接通道，而缓存用于临时存储图像数据。如果将图像数据直接传输到计算机中，会出现数据丢失和图像失真的情况。如果将图像数据暂时存储在缓存中，然后传输到电脑中，会降低出现上述情况的可能性。目前普通扫描仪的缓存是512KB，高端扫描仪的缓存可以达到2MB。
5.机械传动装置
机械传动部分主要包括步进电机、传动带、滑动导轨和齿轮组，如图5所示。
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。步进电机实际上是一种利用脉冲信号精确控制运动的电机。扫描仪的噪音和速度在一定程度上由它决定。在这里，速度和精度与前面提到的节能和色温问题是矛盾的。速度越快，移动单位距离所需的时间越短，精度越低。如果精度提高了，结果时间消耗会增加，速度会变慢。
在扫描图像的过程中，扫描头由步进电机拖动。传统的步进电机依靠齿轮传动来实现运动。齿轮传动时，即使是两个紧密啮合的齿轮也会在齿间留下一些间隙，这是不可避免的。当它们来回移动时，会影响扫描精度。轻者扫描精度会下降，重者图像会出现一些条纹。因此，微型步进电机技术在这种形势下应运而生。通过减少电机的移动步距，可以达到传统步进电机的三分之一或四分之一甚至更低。它能精确控制扫描头的稳定运动，避免往复运动中齿轮间的间隙造成的缺陷，减少运动不稳定造成的锯齿波纹和色彩失真，加快扫描速度，降低噪音，明显提高图像质量。
(2)驱动皮带：在扫描过程中，步进电机通过直接驱动皮带来驱动扫描头扫描图像。
(3)滑动导轨：扫描装置由传动带驱动，在滑动导轨上滑动，实现直线扫描。
(4)齿轮组：是保证机械设备正常运转的中间连接装置。
二、扫描仪的工作原理
了解了扫描仪的组成之后，再来说说扫描仪的工作原理。一般来说，扫描仪扫描图像有三种方式，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的工作原理
平板扫描仪大多采用光电耦合器(CCD)作为光电转换元件，在图像扫描设备中最具代表性。它的形状像一台小型化的复印机，上盖板下面是放置原稿的稿台玻璃。扫描时，将扫描的文件朝下放在文件玻璃上，然后盖上顶盖，在收到计算机的扫描指令后，扫描图像文件并输入图像信息。
与数码相机类似，CCD也用作图像扫描仪中的图像传感器。但不同的是，数码相机采用的是二维平面传感器，在成像时将光图像转化为电信号，而图像扫描仪的CCD是线阵CCD，即一维图像传感器。
扫描仪扫描图像时，线阵CCD将扫描的图像分成线条，每条线条的宽度约为10 m，光源照射待扫描的图像原稿，产生反射光(由反射原稿产生)或透射光(由透射原稿产生)，再由反射镜组反射到线阵CCD。CCD图像传感器根据反射光的强度，将电流转换成不同的大小，经过A/D转换后，将电信号转换成数字信号，即产生一行图像数据。同时，在控制电路的控制下，机械传动机构转动步进电机带动传动带，从而带动光学系统和CCD扫描装置在传动导轨上相对平行于待扫描的原件移动，逐行扫描待扫描的原件，最终完成所有原件图像的扫描。如图6所示。
图6
一般用线阵CCD对原稿进行“一线”扫描称为“主扫描”，而平行移动的线阵CCD的扫描输入称为“副扫描”。
(1)线阵CCD的结构
图7示出了线性CCD。CCD图像传感器是平板扫描仪的核心，其主要功能是将照射在其上的光图像转换成电信号。当放大CCD图像传感器时，可以发现成千上万个CCD图像单元以10m m的间隔平行排列，这些图像单元规则地排列成一条线。当光线照射到图像传感器的感光面上时，每个CCD图像单元接收照射到其上的光线，并根据感应到的光线强度产生相应的电荷。然后，几个电荷以并行顺序传输。
图7
(2)光学成像系统
扫描仪使用的光学成像系统一般有两种：缩小扫描光学成像系统和等扫描光学成像系统。
光学系统采用长度为2-5厘米的线阵CCD作为图像传感器。由于CCD的尺寸远小于被扫描文件的宽度，所以在这个成像系统中，CCD前面有一个镜头，像数码相机一样，用来在扫描过程中通过镜头缩小文件图像，投射到线阵CCD上。
等扫描光学成像系统采用与被扫描文件宽度相同的线阵CCD作为图像传感器。该光学成像系统采用特殊镜头3354特殊镜头组系列，由两排上下整齐排列的棒形透镜组成。棒状透镜直径1mm，长度6mm，每列由100多个透镜阵列组成。这种成像系统在手持扫描仪中很常见。
(3)分色技术
目前，彩色扫描仪已经成为市场的主流，它确实能够还原原始图像的质量。通过彩色扫描仪扫描的数字图像，我们可以看到扫描的图像很好地保持了原稿的质量，无论是形状还是颜色。
真实色彩的还原主要得益于扫描仪独特的分色技术。因为CCD只是把感应光的强度转换成相应量级的电流，所以无法识别扫描图像的颜色。因此，扫描仪需要分离这些颜色。众所周知，红、绿、蓝是光的三原色，也就是任何其他颜色都可以通过这三种颜色叠加而成。根据这一特性，扫描仪在扫描图像时，生成红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色对应的三幅图像，也就是说，每幅图像只包含对应的单色信息，红原色图像只包含红色信息，绿原色图像只包含绿色信息，蓝原色图像自然只包含蓝色信息。最后，将这三幅图像合成为一幅彩色图像。原理如图8所示。
图8
目前扫描仪常用的分色技术有四种：滤光片分色技术、光源交替分色技术、三CCD分色技术和单CCD分色扫描技术。
1)滤光分色技术
基本原理是：在线性CCD图像传感器前安装一个滤光片，滤光片从上到下分成三等份。第一部分是红色滤光片，第二部分是绿色滤光片，第三部分是蓝色滤光片。在扫描过程中，CCD传感器通过滤光片的移动记录相应原色的图像信息，从而获得三原色的三个图像信息。
2)光源交替分色技术
类似于滤镜分色技术的原理，该技术在镜头和扫描原稿之间增加了三个发光管，其颜色分别为红(R)、绿(G)、蓝(B)。扫描一幅图像时，不同颜色的三个管交替发光，使CCD得到三个三基色的图像信息。
3)三CCD分色技术
与前两种分色技术不同的是，三CCD分色技术中使用了三个CCD来完成扫描成像：光线通过透镜，相应颜色的光线通过专门设计的分光棱镜反射到相应的CCD图像传感器上。每个CCD产生一种颜色的图像数据，并且在一次扫描之后可以获得彩色图像。所以可以看出，这种分色技术成像速度最快，但成本最高。
4)单CCD分色技术
单色CCD分色技术仍然使用单个线阵CCD。但是在CCD的感光面上加了一个滤色器，同时可以直接进行分色。
(4)VAROS技术
普通CCD扫描仪扫描时，必须在被扫描物体表面形成一条细长的白光带。光通过一系列的镜子和一组透镜，最后CCD元件接收光信号。然而，在这种情况下，光学分辨率受到CCD像素数量的限制。在VAROS技术中，一块平板玻璃被放置在CCD元件和透镜之间。首先，扫描仪执行正常扫描。这一步得到的图像和其他扫描仪基本相同。然后，倾斜平板玻璃以将扫描图像移动1/2像素，并重复一次扫描过程。这样，扫描仪可以读取移动像素的数据。最后用软件合成第一次和第二次扫描数据，得到两倍的图像信息。换句话说，通过使用VAROS技术，我们可以将一台普通的600dpi扫描仪变成1200dpi的高分辨率扫描仪。
2.接触式图像传感器CIS(或LIDE)
接触式图像传感器CIS(或LIDE)是近几年才出现的一个术语。其实这项技术几乎是和CCD技术同时诞生的。大多数手持扫描仪采用CIS技术。CIS光敏器件一般使用用于制作光敏电阻的硫化镉作为光敏材料。硫化镉光敏电阻本身漏电大，光敏单元间干扰大，严重影响清晰度。这是这类产品扫描精度低的主要原因。代替冷阴极灯，只能使用LED阵列作为光源，光色和光均匀性差，导致扫描仪的色彩还原能力低。LED阵列由数百个LED组成，一旦有一个损坏，整个阵列都会报废，所以这类产品寿命较短。不能用镜头成像，只能靠靠近目标来识别。没有景深，所以扫描不到实物。只适合扫描手稿。CIS对环境温度的变化比较敏感，对扫描结果有明显的影响，因此对工作环境温度有一定的要求。
LIDE(LED In Direct Exposure)二极管直接曝光技术是佳能公司的原创技术，是基于CIS技术的创新技术。它使用三色二极管作为光源。与使用冷阴极光源的扫描仪相比，二极管具有体积小、效果持久等特点。然而，它产生的光很弱，因此很难保证扫描图像所需的亮度。为此，LIDE科技对二极管器件和导光材料进行了改革，使二极管光源能够产生均匀且足够亮的扫描用光。
LIDE扫描仪由三部分组成，即光导、柱面透镜和线性光学传感器。光导的主要作用是增强红、绿、蓝颜色通道的光照强度，而柱面透镜可以保证反射光更好地聚焦在传感器上(这是提高扫描精度的关键措施)，而线性传感器可以最大程度地避免边缘变形。由于省略了一系列的镜子，LIDE扫描仪可以避免各种像差和色差，可以再现原稿的细节和色彩。
LIDE通过接触式图像传感器CIS以1: 1的比例近距离扫描原稿。它不需要复杂的光学系统，这使得扫描仪更小更轻。此外，由于二极管光源和扫描头的功耗很小，这类产品可以通过PC的USB端口提供所需的电源。
3.CCD和CIS的区别
通常，当人们提到扫描仪时，他们会更关注它的扫描分辨率，但可能不会关心它使用的感光元件。到底是选择CCD扫描仪还是CIS扫描仪，很多用户都会很困惑。哪款扫描仪比较合适？
简单来说，两款扫描仪的区别在于感光器件。CCD扫描仪使用电子耦合器件，而CIS扫描仪使用接触式图像光敏器件。两种光敏器件的工作原理有很大不同：CCD元件本身是整个扫描仪的核心，但光源发出的光必须经过透镜的反射和聚焦，这些光学器件的加入增加了整个扫描仪的成本；而CIS扫描仪是利用微小光源发出的光被扫描原稿反射，然后直接被光敏器件接收成像。CIS光敏器件本身就足以完成成像任务，不需要镜头和透镜的参与，所以产品的组装非常容易，成本也很低。由于CIS扫描仪依靠直接接收反射光成像，技术含量相对较低，扫描景深性能较差。除了感光部分的不同，两款扫描仪的其他部分工作原理基本相同，都是将光信号转化为数字信息。
与这两种扫描仪产品相比，CCD扫描仪具有明显的优势，但CIS扫描仪也并非一无是处。
CCD扫描仪的缺点是需要一套完整的光学系统，包括一个冷光源、多个反射镜和光学透镜，通过复杂的光路在CCD传感器表面成像。它的部件比较复杂，成本比较高，扫描后图像数据的处理也比较复杂。一般用冷阴极管做光源，需要预热1分钟左右才能稳定发光。CCD扫描仪需要通过一系列的透镜和反射镜成像，所以会产生色差和光学像差。一般需要通过扫描软件进行色彩校正。
CIS扫描仪的优点是模块化设计，集扫描光源、传感器、放大器于一体，结构、原理、光路极其简单。传感器直接从原稿表面获取图像，理论上不会产生偏色和像差，可以获得最接近原稿的图像效果。可以降低设计和制造成本，并且可以将产品的体积设计得更薄和更小。CIS扫描仪没有明显的等待时间。
CIS扫描仪的缺点是：不能使用镜头，只能扫描接近原稿，扫描精度低。另外，它的光源只能使用LED发光二极管。这种光源光色差，均匀性差，色域比CCD窄，获得的色彩不如CCD丰富，寿命短。
另外，传统的CCD扫描仪由于使用光学镜头在CCD面上成像，具有一定的景深，可以在凸起的书脊甚至实物上得到清晰的扫描效果。CIS扫描头使用传感器从被扫描物体表面获取图像，因此景深较短，扫描水平有些不足。似乎无法扫描凹凸不平的文档和图片，要扫描的对象必须放在扫描仪平面上。CCD的景深至少是CIS的10倍，这意味着CCD扫描仪对3D物体的扫描在一定范围内清晰生动。然而，当CIS扫描仪扫描稍微不均匀的物体时，输出图像经常模糊和散焦。
优质CCD感光元件，同样质量可以使用10000小时。然而，在使用500小时后，当前CIS扫描仪的发光元件的亮度平均下降30%，这意味着CIS扫描仪的发光元件的寿命很短。虽然CIS发光元件寿命短，但CIS扫描头价格便宜，容易更换。
4.光电倍增管的工作原理
与使用线阵CCD作为图像传感器的平板扫描仪不同，光电倍增管是用于鼓式扫描仪的光电转换元件。
在各种光敏器件中，光电倍增管是性能最好的一种，它在灵敏度、噪声系数、动态范围等方面都遥遥领先于其他光敏器件，其输出信号在相当大的范围内保持高度的线性输出，使输出信号无需任何校正就能准确再现。
光电倍增管实际上是一种电子管，其感光材料主要由铯金属的氧化物和一些其他活性金属(一般为镧系金属)的氧化物组成。这些感光材料在光的照射下可以发射电子，经过栅极加速后撞击阳极电极，最终形成电流，由扫描仪的控制芯片转换产生物体的图像。在所有扫描技术中，光电倍增管是最优秀的一种，其灵敏度、噪声系数、动态密度范围等关键指标远远超过CCD、CIS等光敏器件。同样，这种感光材料几乎不受温度影响，可以在任何环境下工作。但是这种扫描仪成本极高，一般只在最专业的鼓式扫描仪上使用。
使用光电倍增管的鼓式扫描仪比使用CCD的平板扫描仪复杂得多。图9和图10为其结构示意图，主要部件有旋转电机、透明鼓、机械传动机构、控制电路和成像装置。
图9
图10
滚筒扫描仪扫描图像时，将待扫描的原始文件附着在透明滚筒上，由步进电机驱动高速旋转，形成高速旋转的圆柱体。同时，从透明辊内部照射高强度点光，投射到原始文件上，对原始文件进行逐点扫描，透射和反射的光通过透镜、反射镜、半透反射镜和红、绿、蓝三色滤光片组成的光路导入光电倍增管进行放大，然后进行模数转换，得到每次扫描。此时，光学信息被转换成数字信息，传输并存储在计算机上，完成扫描任务。它的扫描特点是光信号是逐像素输入的，信号采集精度很高，扫描图像的信息还原很好。
三、扫描仪的工作过程
扫描仪的工作原理并不复杂，从它的工作过程基本就能体现出来。图11是作为例子的CCD扫描仪的工作原理的示意图。扫描的一般工作过程是：
图11
1)扫描开始时，机器内部的光源发出均匀的光照射玻璃面板上的原稿，产生代表图像特征的反射光(反射稿)或透射光(透射稿)。反射光通过玻璃板和一组透镜，分为红、绿、蓝三种颜色，汇聚在CCD光敏元件上，被CCD接受。空白区域比彩色区域能反射更多的光。
2)步进电机驱动扫描头在文档下方移动，读取文档信息。扫描仪的光源呈条状，照射在原稿上的光线经过反射后通过一个狭窄的缝隙，形成一个沿X方向的光带，经过一组反射镜，被光学透镜聚焦后进入分光镜。由棱镜和红、绿、蓝滤色器获得的三个RGB色带分别照射在各自的CCD上，CCD将RGB色带转换成模拟电信号，再由A/D转换器转换成数字电信号。
3)将反映原始图像的光信号转换成计算机可接受的二进制数字电子信号，最终通过USB等接口发送到计算机。扫描仪扫描每一行，得到原稿X方向一行的图像信息，沿Y方向移动，直到扫描完所有原稿。扫描仪获得的图像数据被暂时存储在缓冲器中，然后图像数据被传输到计算机并被顺序存储。当扫描头完成手稿的相对运动，扫描完所有的艺术品，一幅完整的图像就输入了计算机。
4)数字信息被送入计算机的相关处理程序，其中数据以图像应用程序可以使用的格式存在。最后通过软件处理在电脑屏幕上重现。
所以扫描仪简单的工作原理就是利用光电元件将检测到的光信号转换成电信号，再通过模/数转换器将电信号转换成数字信号传输到t
