扫描仪工作原理

引言

在最近几年里，扫描仪已经成为家庭、办公室的重要组成部分。扫描仪技术无处不在，使用方式也多种多样：

• 平板式扫描仪，也称为台式扫描仪，这是功能最多并且最常用的扫描仪。事实上，本文将主要讨论与平板式扫描仪有关的技术。
• 馈纸式扫描仪与平板式扫描仪相似，不同之处在于文档移动而扫描头固定。馈纸式扫描仪看起来很像小型的便携式打印机。
• 手持式扫描仪的基本技术与平板式扫描仪相同，不过，需要使用者移动它们以完成扫描，而不是使用由电机驱动的传动带。通常，这种类型的扫描仪提供的图像质量不太好。然而，它可用于快速抓取文本。
• 滚筒式扫描仪被出版业用来抓取极为细致的图像。它们使用一种叫做光学倍增管(PMT)的技术。在PMT中，待扫描的文档被安放在一个玻璃滚筒上。在滚筒的中心有一个传感器，它将从文档反射出的光拆分成三束光。每一束光都要通过一个滤色镜进入光学倍增管，在那里光信号被转化成电信号。

中晶Scanmaker系列平板式­扫描仪

扫描仪的基本原理是分析图像并按照某种方式对图像进行处理。通过抓取图像和文本（OCR，即光学字符识别），可以将信息保存到电脑上的文档中。然后，您可以修改或增强图像，将它打印出来或者放在网页上。

在本文中，我们将集中讨论平板式扫描仪，但其基本原理也适用于其他大多数扫描技术。您将了解扫描仪的不同种类、扫描仪的工作原理以及“TWAIN”的含义是什么。您还将了解分辨率、插补以及位深度。

扫描仪的组成

一台典型的平板式扫描仪的组成部分包括：

• 电荷耦合器(CCD)阵列
• 反射镜
• 扫描头
• 玻璃板
• 灯
• 透镜
• 上盖
• 滤色镜
• 步进电机
• 平衡杆
• 传动带
• 电源
• 接口端口
• 控制电路

CCD阵列特写

扫描仪的核心部件是CCD阵列。CCD是扫描仪图像抓取领域最常用的技术。CCD是由大量微小的感光二极管组成，感光二极管能将光子（光）转换成电子（电荷）。这些二极管被称为光点。简而言之，每一个光点都对光敏感——入射到单个光点的光越亮，在这个光点积累的电荷就越多。

您所扫描的文档的图像经过一系列的反射镜、滤色镜和透镜到达CCD阵列。这些元器件的具体排列取决于扫描仪的型号，但基本原理是大致相同的。

在下一页中，您将了解扫描仪的各个部件是怎样协同工作的。

扫描过程

下面是扫描仪扫描文档时要经过的步骤：

• 将文档放在玻璃板上，然后合上上盖。大多数扫描仪上盖的内侧都是白色的，但也有少数是黑色的。上盖提供了统一的背景，以便扫描软件可以将其用作参考点，以确定被扫描文档的尺寸。大多数平板式扫描仪都允许将上盖取下，以便扫描体积比较大的对象，例如一本很厚的书中的一页。

在上图中，您可以看到扫描头顶端的荧光灯。

• 灯是用来照亮文档的。新型扫描仪中的灯要么是冷阴极荧光灯(CCFL)，要么是疝气灯，而老式的扫描仪可能使用标准荧光灯。
  
• 整个装置（反射镜、透镜、滤色镜和CCD阵列）构成了扫描头。扫描头在一条连接到步进电机上的传动带的带动下，慢慢扫过文档。扫描头连到一根平衡杆上，这样可以保证在该遍扫描过程中不会出现摇摆和偏移。“遍”意味着扫描头已经对文档完成了一次完整的扫描过程。

平衡杆被紧紧固定在扫描仪的机身上，并且非常坚固。

• 文档的图像被一个倾斜的反射镜反射到另一个反射镜上。在一些扫描仪中，只有两个反射镜，而其他扫描仪则使用三个反射镜。每一个反射镜都略微弯曲，以便将它反射的图像聚焦到一个较小的表面上。

• 最后一个反射镜将图像反射到一个透镜上。图像经过透镜后穿过一个滤色镜，并聚焦到CCD阵列上。

仔细观察上图，您会看到扫描头中安装的全部三个反射镜外加一个透镜。

在不同的扫描仪中，滤色镜和透镜的排列方式是不同的。有些扫描仪用三遍扫描法。每一遍都在透镜和CCD阵列之间使用一个不同的滤色镜（红色、绿色或黄色）。在三遍扫描完成之后，扫描软件就将三幅经过滤色的图像组合成一幅全色图像。

现在，大多数扫描仪都使用单遍扫描法。透镜将图像拆分为三幅较小的图像。每一幅小图像都通过一个滤色镜（红色、绿色或黄色）投射到CCD阵列的分立部分。然后，扫描仪将CCD阵列的三个部分的数据组合成一幅全色图像。

还有一种已经在廉价平板式扫描仪中普遍采用的成像阵列技术，那就是接触式图像传感器(CIS)。CIS用一排排红色、绿色和蓝色的发光二极管(LED)来代替CCD阵列、反射镜、滤色镜、灯和透镜。这种图像传感装置被放置在离文档所在玻璃板很近的位置，它由300到600个传感器构成，以便覆盖整个扫描区域。扫描图像时，发光二极管共同提供白光。然后，被照亮的图像将被传感器阵列抓取。虽然CIS扫描仪价格便宜、质量轻、体积小，但成像质量和分辨率却不如大多数CCD扫描仪。

在考察计算机和扫描仪之间是怎样一起工作之前，首先让我们先讨论一下分辨率。

分辨率和插补

各种扫描仪的分辨率和清晰度不尽相同。大多数平板式扫描仪的真实硬件分辨率至少为300x300点每英寸(dpi)。扫描仪的dpi是由CCD或CIS阵列中每行含有的传感器数量（x方向采样率）与步进电机精度（y方向采样率）的乘积决定的。

步进电机的精度决定了y方向采样率。

举例来说，如果分辨率是300x300 dpi，并且扫描仪能够扫描信件尺寸的文档，那么CCD的每一横行都排列了2,550个传感器。单遍扫描仪可能具有三行共7,650个传感器。在我们的例子中，步进电机能够以1/300英寸的步幅前进。同样，分辨率为600x300的扫描仪所具有的CCD阵列每一横行都排列了5,100个传感器。

大多数扫描仪的扫描区域都是信件尺寸（21.6x27.9厘米）或法定尺寸（27.9x35.6厘米）。

清晰度主要取决于制造镜头所用的光学器件的质量以及光源的亮度。明亮的疝气灯和高质量透镜产生的图像比标准荧光灯和普通透镜产生的图像要清晰得多，因此图像更锐利。

当然，很多扫描仪标明的分辨率是4,800x4,800甚至是9,600x9,600。要达到x方向采样率为9,600的硬件分辨率，要求CCD阵列含有81,600个传感器。如果细看规格说明书，您会发现，这些高分辨率通常标有软件增强、插值分辨率或类似的内容。而这是什么意思？

插补是扫描软件用来增强图像视觉分辨率的过程。它是通过在CCD阵列实际扫描到的像素之间，产生额外的像素来完成的。而这些额外的像素是邻近像素的平均值。例如，如果硬件分辨率是300x300，而插补分辨率是600x300，那么软件在每行中的CCD传感器扫描到的每个像素之间又添加了一个像素。

人们在谈论扫描仪时用到的另一个术语是位深度，又称色彩深度。这只是指扫描仪能够重现的颜色的数量。每个像素要求有24位才能产生标准的真彩色，而市场上销售的扫描仪几乎都支持这一技术。其中，很多扫描仪都提供30或36位的位深度。虽然它们输出的仍然只是24位颜色，但是，它们执行了内部处理，以便在增强的调色板所提供的颜色中选出最好的颜色。24位、30位和36位扫描仪在图像质量方面是否存在显著的差异？关于这个问题人们有很多不同的观点。

图像传输

扫描文档只是整个过程的一个部分。所扫描的图像只有在传输到电脑里之后才有用。扫描仪通常使用以下三种连接方式：

• 并行接口——通过并行端口连接是可以使用的最慢的传输方法。

• 小型计算机系统接口(SCSI)——SCSI需要特殊的SCSI连接。大多数SCSI扫描仪都配有一块专用的SCSI卡，可以将其插入电脑，以便将电脑和扫描仪相连接，但是您也可以用标准的SCSI控制器来代替它。

• 通用串行总线(USB)——USB 扫描仪兼有速度快、使用方便和价格低廉的优点。

• 火线——通常在比较高端的扫描仪中才会出现。火线连接的速度比USB和SCSI都要快。火线接口最适于扫描高分辨率图像。

扫描仪与电脑的连接方式可能 有多种。

TWAIN并不是一个首字母缩略词。它实际上源自短语“Never the twain shall meet”，因为驱动程序是软件和扫描仪之间的媒介。由于电脑用户觉得有必要为每个术语创造一个首字母缩略词，因此TWAIN就成为“Technology Without An Interesting Name”的首字母缩略词。

在您的电脑上，需要一个叫做驱动程序的软件，它知道如何与扫描仪进行通信。大多数扫描仪都使用一种通用语言，那就是TWAIN。TWAIN驱动程序在任何支持TWAIN标准的应用程序和扫描仪之间充当翻译员。这就意味着，应用程序无需了解扫描仪的具体细节就可以直接访问它。例如，您可以选择在Adobe Photoshop中从扫描仪获取图像，因为Photoshop支持TWAIN标准。

除驱动程序以外，大多数扫描仪还带有其他软件。通常包括一个扫描实用程序和某种图像编辑应用程序。很多扫描仪都带有OCR软件。您可以使用OCR扫描文档中的文字，并将它们转换为计算机文本。它使用求均值的方法来确定字符的形状，并将它与正确的字母或数字相匹配。

现代扫描技术的最奇妙之处在于您所得到的正是您所需要的。只需花费不到200美元，就可以买到一台配有很好软件的比较像样的扫描仪，而一台配有极佳软件的很棒的扫描仪也不到1,000美元。所有这些都取决于您的需要和预算。