我的世界你最懂——扫描仪结构及工作原理（上、下）

周新
1999年 第41期 40版

    随着扫描仪生产技术的发展和价格的下降，平台式扫描仪在办公室、家庭中逐渐普及，为了让读者进一步了解扫描仪如何将彩色图稿、照片转换为数字图形文件送入计算机，本文以图解方式讲解如何拆卸一台VIGOR扫描仪，让我们一齐“进入”扫描仪内部，认识扫描仪的内部零件，并讨论这些部件对扫描仪性能的影响。
#1    一、原理概述
    扫描仪整体为塑料外壳，由顶盖、玻璃平台和底座构成。玻璃平台用于放置被扫描图稿；塑料上盖内侧有一黑色（或白色）的胶垫，其作用是在顶盖放下时以压紧被扫描文件，当前大多数扫描仪采用了浮动顶盖，以适应扫描不同厚度的对像。
    如^414001a^1所示，透过扫描仪的玻璃平台，能看到安装在底座上的机械传动机构、扫描头及电路系统（电路板）。机械传动机构的功能是带动扫描头沿扫描仪纵向移动；扫描头的功能是将光信号转换为电信号；电路系统的功能是处理、传输图像。
    当我们将被扫描图稿正面向下放置在玻璃平台上开始扫描时，机械传动机构带动扫描头沿扫描仪纵向移动，扫描头上光源发出的光线射向图稿，经图稿反射的光线（光信号）进入光电转换器被转换为电信号后，经电路系统处理后送入计算机。
    光电转换机构沿扫描头上横向放置，机械传动机构带动扫描头沿扫描仪纵向每移动一个单位距离，光电转换机构就采集扫描图稿上一条横线上的图形数据，当扫描头沿纵向扫过原稿以后，扫描仪就采集并传输了原稿上的全部图形信息。
#1    二、拆卸扫描仪
#1    1.拆除玻璃平台
    VIGOR扫描仪的玻璃平台的四角各有一只圆孔，用十字螺丝刀伸入圆孔中拧下螺丝，即可向上取下顶盖和玻璃平台。打开扫描仪后，即可看到步进电机、传动皮带、扫描头和电路板等部件。
    有些扫描仪的上下两部分不是用螺丝而是用塑料卡扣衔接，拆卸时用平口小螺丝刀插到缝隙中撬开塑料卡扣，即可分离上下两部分，撬塑料卡扣时动作要轻，不要损坏塑料件。拆开玻璃平台后扫描仪的内部结构如^414001b^2所示。
#1    2.拔下数据软排线
    VIGOR扫描仪内部有两块电路板，一块固定在扫描头后侧，另一块安装在扫描仪后侧，两块电路板通过数据软排线相连接。取下扫描头前需先取下数据软排线。数据软排线卡在电路板上的排线卡槽中，取下软排线时需先将排线卡槽两侧的卡销向外拨，而后即可很轻松的向外抽出软排线，如^414001c^3所示。
#1    3.拆卸扫描头
    扫描头穿在圆形金属杆（导轨）上，由传动皮带带动沿扫描仪纵向运动，只需将圆形金属杆从底座上的塑料卡座中取下，使扫描头脱离传动皮带，即可向上取下扫描头和圆形金属杆，而后将圆形金属杆从扫描头上抽出，如^414001d^4所示。
#1    4.取下灯管
    灯管在扫描头顶部，沿扫描头横向放置，卡在扫描头两侧的塑料卡座上，其供电电源插头插在扫描头后侧的电路板上。只需取下电路板上灯管的供电电源插头，即可从扫描头上取下灯管。最细的灯管只有火柴棍粗细，拆卸、放置时须特别小心。
#1    5.拆除电路板
    拧下两粒螺丝即可取下扫描头上的电路板，在电路板在正面你能看到双列直插封装的CCD器件。由于CCD器件需正对扫描光路中光学透镜，安装还原不当会影响扫描质量，建议一般用户不要拆下扫描头上的电路板。
#1    三、机械传动机构
    机械传动机构由步进电机、传动齿轮、传动皮带组成。扫描头由圆形支撑滑杆支撑，卡在传动皮带上，由传动皮带带动沿支撑滑杆移动，如^414001e^5所示。
    注意：专业级扫描仪采用精密的导螺杆移动扫描头，能获得更高的纵向扫描分辨率和更为稳定的图像。
    机械传动机构步进电机的步进精度决定了扫描仪的纵向扫描精度（分辨率），由于步进电机很容易控制，大多数厂商取垂直分辨率为水平分辨率的两倍生产扫描仪。
#1    四、扫描头
    扫描头是将光信号并将其转换为电信号的组件。常见扫描头上使用的光电转换器件有CCD（Charge－Coup led Device）电荷耦合器件和CIS（Contact Image Sensor）接触式图像传感器（CIS扫描仪工作原理参见本版今年13 期OA专刊《扫描仪之眼》一文。 
    使用CCD器件的扫描头由光源（条形灯管）、三只条形平面反射镜、聚焦透镜（透镜组）和CCD电荷耦合器件组成（如^414001f^6）。条形灯管和条形平面反射镜在扫描头上沿水平方向放置。扫描仪工作时条形灯管发出的平行光线经图稿、条形平面反射镜反射后经聚焦透镜（或透镜组）进入CCD，由CCD将光信号转换为与光强度成正比的模拟电信号。
#1    1.光源
    扫描仪通过读取反射或透射的光线来获取图像信息，光源的品质好坏将严重影响到最终扫描结果。目前的扫描仪产品基本上都使用了低压辉光放电管，低压辉光放电管无灯丝，寿命长，发光稳定，可以获得极高的扫描质量。
#1    2.镜头
    镜头的功能是将光线会聚于感光元件CCD上，以产生清晰的不失真的图像。镜头是影响图像质量的极为精密的重要光学部件。大多普及型扫描仪使用单定焦镜头获取图像，要将A4（210mm）幅面宽图形信息会聚于CCD上要求镜头有较大的张角，如镜头质量不好，扫描图像的边缘会产生像差和色散，导致图像边缘变形和色彩失真。
    ·为改善图像质量，高档扫描仪使用多组镜头分别对不同区域的图形取样，以减小像差和色散，产生均匀清晰的图像。
    ·有些高档扫描仪采用可调焦距镜头以适应不同面积扫描对象，在扫描较小面积的图像时，通过调焦获得较高的分辨率。
#1    3.光电转换器件CCD
    光电转换器件CCD集成有众多光敏器件芯片表面，这些光敏器件在一条直线上排列，当光线经镜头会聚成像在CCD表面上时，每个光敏器件会因感受到光强的不同而感应出不同数量的电荷，译码电路根据每一光敏器件耦合的电荷量形成与入射光强度成比例的模拟电信号（指大小连续变化的电信号）输出。
    光电转换器件CCD广泛用于摄像机、数码相机和扫描仪中，摄像机和数码相机中使用是面阵CCD，可摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性CCD，只接收一条直线上的图像数据。
    CCD只能感应到接收光线的强度，不能分辨图像的色彩。获取彩色图像有两种常用方式，一是在CCD芯片的光敏元件表面的每个像素上加彩色滤色片构成彩色成像CCD，二是用用分光系统将入射光分为红绿蓝三色光，用三片CCD分别接收。
#1　　五、电路系统
　　扫描仪电路系统的作用是转换、处理、传输图像信号。扫描仪电路系统主要由模数转换器、图像处理器和接口电路组成。步进电机驱动电路、图像处理器、缓冲器和输出接口安装在扫描仪后侧的电路板上，感光元件CCD、模数转换器装在扫描头后侧的电路板上，扫描仪电路框图如^424001a^7所示。
#1　　1.模数转换器
　　模数（A／D）转换器接收感光元件CCD传来的模拟电信号，将它转换成为二进制数字信号（每一位二进制数即对应一个像素的数据）后，再送图像处理器处理。
　　模数转换器的数据宽度决定扫描仪的色彩位数和灰度级。如标称24位色彩的扫描仪，红（R）绿（G）蓝（B）各个通道分别采用8位的A／D转换器转换图像信号，可将每一颜色的图像分为2～8共256等级，形成2～24种色彩，这也是我们常说的24位真彩色。
#1　　2.图像处理器
　　图像处理器将（A／D）转换器传来的二进制数字信号，进行运算、处理后经接口电路送往计算机。将图像传送给计算机以前，扫描仪至少要校正好图像的白平衡、亮度、对比度等参数，而扫描仪的一些新技术如色彩提升、硬件去网功能等也要求扫描仪进行处理。由于不同扫描仪生产厂商处理图像的技术、运算方法不同，使扫描输出的图像有相当大的差异。
　　运算、处理扫描后产生的大量数据需要很多时间，目前很多高速扫描仪将一个专门进行运算的CPU电路置于扫描仪内部，并配上缓冲存储器，这种方法能节约20％以上的时间。^424001b^8是Umax Astra 1200S的接口电路板，板上保留有CPU（8031）安装空位，其后代2000、2100、2400的电路板上安装有CPU，速度比1220系列快很多。
#1　　3.硬件接口
　　扫描仪的硬件接口指扫描仪与电脑的联接方式，常见扫描仪的接口有SCSI接口、EPP接口和USB接口。SCSI接口扫描仪数据传输速度快，缺点是售价高，安装较为复杂；EPP接口和USB接口扫描仪安装方便，对家庭和办公用户非常适用。
#1　　4.电源
　　早期扫描仪耗电量大，使用内置式电源，内置式交流供电装置无论采用何种屏蔽方式，仍无法避免电磁干扰对扫描质量的影响，甚至影响到扫描仪的正常工作。沉重的金属屏蔽层也大大增加了扫描仪的重量。随着扫描仪耗电量的迅速下降，目前大多扫描仪采用了外置式直流电源供电，并在扫描仪内的电路板上安装有稳压电路，能有效的减少电磁干扰对扫描质量的影响。
#1　　六、结束语
　　扫描仪还有滚筒扫描仪、手持式扫描仪、条码读入器、卡片阅读机、透明胶片扫描仪等品种，这些扫描仪与平台扫描仪工作原理相似，内部结构则完全不同，本文仅对最常见的CCD平台扫描仪作了一般介绍，希望能对你了解扫描仪有一定的帮助。


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