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扫描仪的组成结构

2009年12月29日 11:45 www.elecfans.co 作者:佚名 用户评论(0
扫描仪的组成结构

  虽然从外型上看,扫描仪的整体感觉十分简洁、紧凑,但其内部结构却相当复杂:不仅有复杂的电子线路控制,而且还包含精密的光学成像器件,以及设计精巧的机械传动装置。它们的巧妙结合构成了扫描仪独特的工作方式。图1、图2所示为典型的平板式扫描仪的内部与外部结构。

扫描仪原理完全剖析(图一)
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扫描仪原理完全剖析(图二)
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  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、机械传动部分组成。

   1.上盖

   上盖主要是将要扫描的原稿压紧,以防止扫描灯光线泄露。目前随着三维实物扫描功能的逐渐普及,为了能够更加方便、更高质量地扫描三维实物,许多扫描仪在上盖的设计上都“绞尽脑汁”,例如Canon的“Z”型盖板式设计就相当独特。

   2.原稿台

   原稿台主要是用来放置扫描原稿的地方,其四周设有标尺线以方便原稿放置,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。在扫描时需注意确保稿台玻璃清洁,否则会直接影响扫描图像的质量。另外,要特别注意在放置扫描原稿时不要损坏稿台玻璃,要“轻拿轻放”。稿台玻璃的损坏会影响扫描仪内部的其他器件(如成像部件),尤其是稿台玻璃的破损会使灰尘及杂质直接侵入扫描仪内部,使扫描品质下降,严重时会造成扫描仪的损坏。因此,如果有此类情况发生,应及时与维修服务中心联系,切不可自行处理。

  3.光学成像部分

   光学成像部分俗称扫描头(如图3所示),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)。
  

扫描仪原理完全剖析(图三)
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  扫描头的光源一般采用冷阴极辉光放电灯管,灯管两端没有灯丝,只有一根电极,具有发光均匀稳定、结构强度高、使用寿命长、耗电量小、体积小等优点。

  扫描头还包括几个反光镜,其作用是将原稿的信息反射到镜头上,由镜头将扫描信息传送到CCD感光器件,最后由CCD将照射到的光信号转换为电信号。

  镜头是把扫描信息传送到CCD处理的最后一关,它的好坏决定着扫描仪的精度。扫描精度即是指扫描仪的光学分辨率,主要是由镜头的质量和CCD的数量决定。由于受制造工艺的限制,目前普通扫描头的最高分辨率为20000像素,应用在A4幅面的扫描仪上,可实现2400dpi的扫描精度,这样的精度能够满足多数领域的需求。

  光学部分是扫描仪的“眼睛”,用来获取原稿反射的光信息。为保证图像反射的光线足够强,由一根冷阴极灯管提供所需的光源。扫描仪对灯管也有比较严格的要求,首先是色纯要好,如果色纯不够,不是完全的白色,再加上色彩调校系统没能起到应有的效果,那么扫描出来的稿件就可能偏向某种色彩。反过来说,一款扫描仪的所有扫描结果都有比较一致的偏色现象,可能和灯管的色纯有关系。当然造成偏色的因素很多,这只是在硬件方面的原因之一。除了色纯要好,还需要强度均匀。如果强度不均匀,就会大大影响扫描的精度。第三个问题是能耗与色温,不管用什么原理,灯管肯定是扫描仪里面的主要能耗之一。要在节能上下功夫,就要涉及到灯管方面的节能。当然最有效的节能方法之一就是在不使用扫描仪的时候让灯管不工作。

  灯管刚开始工作的时候其温度比较低,运行一段以后温度会开始升高,那么这前后扫描效果就有差距。很多扫描仪的说明书都说扫描仪在工作10~30分钟以后才能够达到比较理想的效果,这主要是指CCD的效果,当然灯管也会有一定影响。那么矛盾就在这里产生了,要节能的话势必要在暂时不使用扫描仪的时候关闭灯管,但是重新启用扫描仪的时候,灯管却不能马上进入最佳状态;要让灯管一直保持良好状态,势必要它持续工作,但是这又对节能和灯管寿命不利。所以,从实用的角度来说,灯管的寿命和能耗问题一直是用户比较关心的问题。扫描仪运行之前需要预热,就是处理这种问题的一种手段。

  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。别看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。

扫描仪原理完全剖析(图四)
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光电转换部分主板以一块集成芯片为主,其作用是控制各部件协调一致地动作,如步进电机的移动等。其中有A/D变换器、BIOS芯片、I/O控制芯片和高速缓存(Cache)。BIOS芯片的主要功能是在扫描仪启动时进行自检, I/O控制芯片提供了连接界面和连接通道,高速缓存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现象,如果先把图像数据暂存在高速缓存里,然后再传输到计算机,就减少了上述情况发生的可能性。现在普通扫描仪的高速缓存为512KB,高档扫描仪的高速缓存可达2MB。

  5.机械传动装置

   机械传动部分主要包括步进电机、驱动皮带、滑动导轨和齿轮组如图5。

扫描仪原理完全剖析(图五)
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   (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。步进电机其实就是用脉冲信号精确控制移动的一种电机,扫描仪的噪音和速度在一定程度上就是由它决定的。这里速度和精度与前面提到的节能和色温问题一样,存在着矛盾。速度越快移动单位距离所需的时间就短,精度就会降低;精度提高,其结果是消耗时间增加,就会造成速度减慢。

   在扫描仪扫描图像的过程中,扫描头要依靠步进电机来拖动。传统的步进电机是依靠齿轮传动来实现运动的。当齿轮传动时,既使是两个紧密啮合的齿轮,在它们的各齿之间都会留有一些空隙,这是不可避免的,在往复运动的时候,就会给精度带来影响,轻则会使扫描的精度下降,严重时会使图像出现一些条纹。所以,微步进电机技术就在这种情况下应运而生的。它采用缩小电机拖动的运动步幅,可以达到传统步进电机步幅的三分之一或者四分之一,甚至更低,能精确控制扫描头的平稳运动,避免了往复运动中齿轮间的空隙所带来的缺陷,减少了不稳定移动所带来的锯齿波纹和色彩失真,使扫描速度加快,噪音减小,图像质量明显提高。

   (2)驱动皮带:扫描过程中,步进电机通过直接驱动皮带实现驱动扫描头,对图像进行扫描。

   (3)滑动导轨:扫描装置经驱动皮带的驱动,通过在滑动导轨上的滑动实现线性扫描的过程。

   (4)齿轮组:是保证机械设备正常工作的中间衔接设备。

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