平板式掃描儀

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1、硬件設(shè)計(jì)一、基本原理1、掃描儀工作原理平板式掃描儀的基本原理是利用光電元件將檢測到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后將電信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再傳輸給計(jì)算機(jī)，經(jīng)軟件處理后生成掃描文件并再現(xiàn)到計(jì)算機(jī)屏幕上。光學(xué)成像部分俗稱掃描頭（含燈管、反光鏡、透鏡及CCD），它是掃描儀的核心部件，其精度直接影響掃描圖像的逼真程度。平板式掃描儀的工作原理如圖1.1所示。掃描頭在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下從原稿的下面移動(dòng)，不斷讀取原稿的信息。掃描儀光源照射到原稿上的光線經(jīng)反射后形成沿X軸方向的光帶，依次經(jīng)過反射鏡、棱鏡、濾色鏡和聚焦透鏡，將紅（R）、綠（G）、藍(lán)（

2、B）三條彩色光帶分別照到各自的CCD上，由CCD轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。掃描儀每掃描一行，就得到原稿該行的圖像信息。掃描頭不斷地沿Y軸方向移動(dòng)，直到將原稿全部掃描完,所得到的圖像數(shù)據(jù)首先暫存在緩沖器中，然后通過USB等接口按一定順序把圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中并存儲(chǔ)下來，最終獲得一幅完整的圖像。掃描流程如圖1.2所示。圖1.1掃描儀的掃描流程如圖1.2所示圖1.2掃描儀的機(jī)械傳動(dòng)部分主要包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)皮帶、滑動(dòng)導(dǎo)軌和齒輪組。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是用脈沖信號(hào)來精確控制掃描頭移動(dòng)的，傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)依靠齒輪傳動(dòng)來運(yùn)動(dòng)，但齒輪之間

3、的間隙會(huì)使掃描精度降低。目前普遍采用微步進(jìn)電機(jī)技術(shù)來減小電機(jī)拖動(dòng)的運(yùn)動(dòng)步幅，使之達(dá)到傳統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步幅的1/3～1/4，，甚至更低，從而大大減小了由齒輪間隙所帶來的噪聲干擾及色彩失真，使掃描速度加快，圖像質(zhì)量也得到進(jìn)一步提高。掃描裝置在驅(qū)動(dòng)皮帶的驅(qū)動(dòng)下沿滑動(dòng)導(dǎo)軌滑動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)線性掃描。2、步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制原理圖1.3步進(jìn)電機(jī)細(xì)分原理圖為了提高步進(jìn)電機(jī)的性能，細(xì)分驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)廣泛應(yīng)用。細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的原理是通過改變A、B相電流的大小，以改變合成磁場的夾角，從而可將一個(gè)步距角細(xì)分為多步。細(xì)分?jǐn)?shù)越高，電流越平滑，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)就越平穩(wěn)。驅(qū)動(dòng)器一般都具有細(xì)分功

4、能，常見的細(xì)分倍數(shù)有：1/2，1/4，1/8，1/16，1/32，1/64，1/256；或：1/5，1/10，1/20。細(xì)分后步進(jìn)電機(jī)的步距角=電機(jī)固有步距角/細(xì)分?jǐn)?shù)例如：一臺(tái)1.8°電機(jī)設(shè)定為4細(xì)分，其步距角為1.8°/4=0.4°。當(dāng)細(xì)分等級(jí)大于1/4后，電機(jī)的定位精度并不能提高，只是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)更平穩(wěn)。一、方案比較掃描儀所用的傳感器大致分為以下三種（1）光電耦合器(CCD)電荷耦合器件(CCD)在單硅片上集成了幾千到幾萬只光敏三極管，這些光敏三極管分成三列，分別用紅、綠、藍(lán)色的濾色鏡罩住，從而實(shí)現(xiàn)了彩色掃描。光敏三極管受到光線照射時(shí)可產(chǎn)生

5、電流．再經(jīng)放大后輸出。使用CCD作為感光元件的掃描儀，需要通過由一系列透鏡、反射鏡等組成的光學(xué)系統(tǒng)將圖像傳送到CCD芯片上，所以體積一般較大。CCD的優(yōu)勢(shì)在于，經(jīng)它掃描的圖像質(zhì)量較高，具有一定的景深，能掃描凹凸不平的物體，對(duì)隆起的書脊甚至實(shí)物都可得到清晰的掃描效果，CCD的溫度系數(shù)較低，對(duì)于一般的工作，周圍環(huán)境溫度的變化可以忽略不計(jì)。CCD型傳感器的缺點(diǎn)：由于組成CCD的數(shù)千個(gè)光電三極管的距離很近（微米級(jí)），在各光電三極管之間存在著明顯的漏電現(xiàn)象，各感光單元的信號(hào)產(chǎn)生的干擾降低了掃描儀的實(shí)際清晰度；需要一整套光學(xué)系統(tǒng)，包括照明冷光源和多個(gè)反

6、光鏡和光學(xué)鏡頭，通過復(fù)雜的光路在CCD傳感器件表面成像,故掃描儀體積難以做得很??；它的組成部件較為復(fù)雜，成本相對(duì)較高，掃描后對(duì)圖像數(shù)據(jù)的處理也相對(duì)復(fù)雜。一般使用冷陰極管做光源，需要預(yù)熱1分鐘左右才能穩(wěn)定發(fā)光。除此之外，由于CCD需要通過一系列透鏡、反射鏡成像，因此，會(huì)產(chǎn)生色彩偏差和光學(xué)像差，一般需要通過掃描軟件進(jìn)行色彩校正。（2）接觸式圖像傳感器（CIS）CIS(ContactImageSensor)是接觸式圖像傳感器的英文縮寫。CIS以發(fā)光二極管(LED)陣列作為光源，掃描光線不經(jīng)過反射鏡，而是直接被光耦合器接收。CIS器件一般采用制造光

7、敏電阻的硫化鎘做感光材料。CIS型傳感器的優(yōu)點(diǎn)：采用模塊化結(jié)構(gòu)，集掃描光源、傳感器和放大器為一體，結(jié)構(gòu)、原理和光路都極為簡單，沒有附加的光學(xué)部件、不需要預(yù)熱、功耗低、價(jià)格便宜、便于更換；由于傳感器直接從稿件表面獲取圖像，理論上不會(huì)產(chǎn)生像差和色偏，因此能獲得最接近原稿的圖像效果；能夠降低設(shè)計(jì)制造成本，而且產(chǎn)品的體積可以設(shè)計(jì)得更薄、更?。粵]有明顯的等待時(shí)間。CIS型傳感器的缺點(diǎn)：不能做成高分辨率的掃描儀，掃描速度也比較慢。掃描精度較低、景深小(約為0．3mm，只有CCD景深的1／10)、不能掃描實(shí)物、只適合掃描文稿；它的光源只能用LED發(fā)光二極

8、管，這種光源無論在光色以及均勻度上都比較差，色域較CCD窄，獲得的色彩不如CCD的豐富，色彩還原能力遠(yuǎn)不如CCD，而且光源的壽命比較短。此外，它不能使用鏡頭，只能壓近原稿掃描。（