掃描儀是壹種圖像信號輸入設備。它對原稿進行光學掃描，然後將光學圖像傳輸到光電轉換器變成模擬電信號，再將模擬電信號轉換成數字電信號，最後通過計算機接口發送到計算機。用掃描儀掃描圖像的步驟如下:首先，將待掃描的原稿面朝下放在掃描儀的玻璃板上，原稿可以是文字原稿，也可以是圖畫照片；然後，在掃描儀驅動程序啟動後，安裝在掃描儀中的可移動光源開始掃描原稿。為了均勻照亮原稿，掃描儀光源較長，沿Y方向掃過整篇原稿。照射在原稿上的光經過反射後，通過壹個狹窄的縫隙形成壹個沿X方向的光帶，然後通過壹組反射鏡，由光學透鏡聚焦後進入分光鏡，通過棱鏡和紅、綠、藍三色濾光片得到的三個RGB顏色光帶分別照射在各自的CCD上，CCD將RGB光帶轉換成模擬電信號，再由A/D轉換器轉換成數字電信號。此時，反映原始圖像的光信號被轉換成計算機可接受的二進制數字電子信號，最後通過串行或並行接口發送到計算機。掃描儀每掃描壹行就得到X方向壹行的圖像信息，隨著Y方向的移動，逐漸在計算機中形成手稿的全貌。在掃描儀獲取圖像的過程中，有兩個組件起著關鍵作用。壹個是CCD，把光信號轉換成電信號；另壹個是A/D轉換器，將模擬電信號轉換成數字電信號。這兩個部件的性能直接影響到掃描儀的整體性能指標，也關系到在選購和使用掃描儀時如何正確理解和處理壹些參數和設置。
掃描儀原理的全面分析
掃描儀是計算機中廣泛使用的輸入設備。作為壹種光電、機械壹體化的高科技產品，以其獨特的數字“圖像”采集能力、低廉的價格和優異的性能得到了迅速發展和廣泛普及。下面簡單介紹壹下掃描儀的工作原理，相信會幫助我們更好的使用掃描儀。
壹、掃描儀的組成
雖然掃描儀整體給人的感覺是外觀非常簡潔緊湊，但其內部結構卻相當復雜:不僅有復雜的電子電路控制，還包含精密的光學成像裝置和精心設計的機械傳動裝置。它們的巧妙組合構成了掃描儀獨特的工作模式。圖1顯示了典型平板掃描儀的內部和外部結構。
從圖中可以看出，掃描儀主要由上蓋、原稿臺、光學成像部分、光電轉換部分和機械傳動部分組成。
1.上蓋
上蓋主要用於壓住待掃描的原稿，防止掃描光線泄漏。目前，隨著三維物體掃描功能的逐漸普及，為了更方便、更高質量地掃描三維物體，很多掃描儀在上蓋的設計上“絞盡腦汁”，比如佳能的“Z”蓋設計就相當獨特。
2.原始表
文稿臺主要用來放置掃描稿，周圍有標尺線，方便放置文稿，及時確定文稿的掃描尺寸。中間是透明玻璃，稱為文件玻璃。掃描時要註意保證稿臺玻璃的清潔，否則會直接影響掃描圖像的質量。另外，放置掃描稿時要特別註意不要損壞稿臺玻璃，要“小心輕放”。稿臺玻璃的損壞會影響掃描儀內部的其他設備(如成像元件)，尤其是稿臺玻璃的損壞會使灰塵和雜質直接侵入掃描儀，降低掃描質量，甚至導致掃描儀的損壞。所以如果出現這種情況，要及時聯系維修服務中心，千萬不要自己處理。
3.光學成像部分
光學成像部分俗稱掃描頭(如圖2)，即圖像信息讀取部分。它是掃描儀的核心部件，其精度直接影響掃描圖像的保真度。它包括以下主要部件:燈管、反射鏡、透鏡和電荷耦合器件(CCD)。
掃描頭的光源壹般采用冷陰極輝光放電管，兩端無燈絲，只有壹個電極，具有發光均勻穩定、結構強度高、壽命長、功耗低、體積小等優點。
掃描頭還包括幾個反射鏡，其作用是將原稿的信息反射到透鏡上，透鏡將掃描信息傳輸到CCD光敏器件，最後CCD將照射的光信號轉換成電信號。
鏡頭是將掃描信息傳遞給CCD的最後壹道關口，其質量決定了掃描儀的精度。掃描精度是指掃描儀的光學分辨率，主要由鏡頭質量和CCD數量決定。由於制造工藝的限制，目前普通掃描頭的最高分辨率為20000像素。應用在A4幅面掃描儀上，可以達到2400dpi的掃描精度，可以滿足大部分領域的需求。
光學部分是掃描儀的“眼睛”，用來獲取原稿反射的光線信息。為了保證圖像反射的光線足夠強，冷陰極燈管提供了所需的光源。掃描儀對燈也有嚴格的要求。第壹，色純度更好。如果色純度不夠，不是完全白，色彩調節系統沒有發揮應有的作用，那麽掃描的原稿就可能偏向某壹種顏色。反之，壹臺掃描儀的所有掃描結果都有相對壹致的偏色現象。
可能和燈的純度有關。當然，造成偏色的因素有很多，硬件方面只是原因之壹。除了顏色純正，還需要強度均勻。如果強度不均勻，會大大影響掃描精度。第三個問題是能耗和色溫。不管用什麽原理，燈管絕對是掃描儀中的主要能耗之壹。如果要在節能上下功夫，就會涉及到燈具的節能。當然，最有效的節能方法之壹是在不使用掃描儀時讓燈不工作。
燈管的溫度壹開始比較低，運行壹段時間後會開始上升，所以這前後掃描效果有差距。很多規格的掃描儀都說掃描儀工作10~30分鐘才能達到理想的效果，主要指CCD的效果，當然燈管也會有壹些影響。那麽矛盾就產生在這裏了。如果要節能，暫時不使用掃描儀時必須關閉燈，但重啟掃描儀時，燈無法立即進入最佳狀態。為了讓燈保持良好的狀態，需要持續工作，但是對節能和燈的壽命都不好。因此，從實用的角度來看，燈具的壽命和能耗壹直是用戶關心的問題。運行前需要預熱掃描儀是處理此問題的壹種方法。
4.光電轉換部分
光電轉換部分是指掃描儀內部的主板，如圖3所示。掃描儀光電轉換部分的主板雖然那麽小，但卻是掃描儀的心臟。它是壹個帶有各種電子元件的印刷電路板。它是掃描儀的控制系統。在掃描儀的掃描過程中，主要完成CCD信號的輸入處理和步進電機的控制，對讀取的圖像進行任意分辨率的處理或變換成所需的分辨率。
光電轉換部分的主板主要是壹個集成芯片，它的作用是控制各個部件的協調動作，比如步進電機的運動。有A/D轉換器、BIOS芯片、I/O控制芯片和緩存。BIOS芯片的主要功能是在掃描儀啟動時進行自檢。I/O控制芯片提供連接接口和連接通道，緩存用於臨時存儲圖像數據。如果將圖像數據直接傳輸到計算機中，會出現數據丟失和圖像失真的情況。如果將圖像數據暫時存儲在緩存中，然後傳輸到電腦中，會降低出現上述情況的可能性。目前普通掃描儀的緩存是512KB，高端掃描儀的緩存可以達到2MB。
5.機械傳動裝置
機械傳動部分主要包括步進電機、傳動帶、滑動導軌和齒輪組，如圖4所示。
(1)步進電機:它是機械傳動部分的核心，是驅動掃描裝置的動力源。其實步進電機是壹種用脈沖信號精確控制運動的電機，掃描儀的噪音和速度在壹定程度上由它決定。這裏的速度和精度和上面說的節能和色溫是壹樣的，是有矛盾的。速度越快，移動單位距離所需時間越短，精度越低；隨著精度的提高，消耗時間會增加，會使速度變慢。
在掃描儀掃描圖像的過程中，掃描頭由步進電機拖動。傳統的步進電機依靠齒輪傳動來實現運動。齒輪傳動時，即使兩個齒輪緊密嚙合，齒間也會有壹些間隙，這是不可避免的。往復的時候會影響精度，會稍微降低掃描精度，嚴重的會造成圖像出現壹些條紋。因此，微步進電機技術在這種形勢下應運而生。通過減少電機驅動的運動步幅，可達到傳統步進電機步幅的三分之壹或四分之壹甚至更低，並能精確控制掃描頭的平滑運動，避免往復運動中齒輪間的間隙帶來的缺陷，減少運動不穩定帶來的鋸齒波紋和色彩失真，加快掃描速度，降低噪音，明顯提高圖像質量。
(2)驅動皮帶:掃描時，步進電機通過直接驅動皮帶來驅動掃描頭掃描圖像。
(3)滑動導軌:掃描裝置由傳動帶驅動，通過在滑動導軌上滑動實現直線掃描。
(4)齒輪組:是保證機械設備正常工作的中間連接裝置。
二、掃描儀的工作原理
了解了掃描儀的組成之後，再來說說掃描儀的工作原理。壹般來說，掃描儀掃描圖像的方式有三種，即以光電耦合器(CCD)為光電轉換元件掃描，以接觸式圖像傳感器CIS(或LIDE)為光電轉換元件掃描，以光電倍增管(PMT)為光電轉換元件掃描。
1.以光電耦合器(CCD)為光電轉換元件的掃描儀工作原理。
平板掃描儀大多采用光電耦合器(CCD)作為光電轉換元件，在圖像掃描設備中最具代表性。它的形狀像壹臺小型化的復印機，上蓋板下面是放置原稿的稿臺玻璃。掃描時，將掃描的原稿放在稿臺玻璃上，然後蓋上上蓋。收到計算機的掃描指令後，掃描圖像原稿，輸入圖像信息。
與數碼相機類似，CCD也用作圖像掃描儀中的圖像傳感器。但不同的是，數碼相機采用的是二維平面傳感器，成像時將光圖像轉化為電信號，而圖像掃描儀的CCD是線陣CCD，即壹維圖像傳感器。
掃描儀掃描圖像時，線陣CCD將掃描的圖像分成線，每條線的寬度約為10μ m..光源照射待掃描的圖像原稿，產生反射光(由反射原稿產生)或透射光(由透射原稿產生)，然後通過反射鏡組反射到線陣CCD中。CCD圖像傳感器根據反射光的強度，通過A/D轉換將電信號轉換為數字信號，生成壹行圖像數據。同時，在控制電路的控制下，步進電機旋轉驅動傳動帶，從而帶動光學系統和CCD掃描裝置在驅動導軌上相對平行於待掃描的原稿移動，逐行掃描待掃描的原稿，最終完成所有原稿圖像的掃描。如圖5所示。
壹般用線陣CCD對原稿進行“壹線”掃描稱為“主掃描”，平行移動的線陣CCD的掃描輸入稱為“副掃描”。
(1)線陣CCD的結構
圖6顯示了壹個線性CCD。CCD圖像傳感器是平板掃描儀的核心，其主要功能是將照射在其上的光圖像轉換成電信號。當放大CCD圖像傳感器時，可以發現成千上萬個CCD像元以10μm的間隔平行排列，這些像元有規律地排列成壹條線。當光線照射到圖像傳感器的感光面上時，每個CCD圖像單元接收照射到其上的光線，並根據所感應到的光線的強度產生相應的電荷。然後，幾個電荷以並行順序傳輸。
(2)光學成像系統
壹般掃描儀使用的光學成像系統有兩種:縮小掃描光學成像系統和等掃描光學成像系統。
在簡化的光學系統中，使用長度為2-5cm的線陣CCD作為圖像傳感器。由於CCD的尺寸遠小於掃描原件的寬度，所以在這種成像系統中，CCD前面有壹個鏡頭，像數碼相機壹樣，用來在掃描時將原件圖像經鏡頭縮小後投射到線陣CCD上。
恒定掃描光學成像系統使用與掃描原稿寬度相同的線陣CCD作為圖像傳感器。在這個光學成像系統中，使用了壹個特殊的透鏡組，由上下整齊排列的兩排棒狀透鏡組成。這個棒狀透鏡的直徑為1mm，長度約為6mm，每列由100多個這樣的透鏡陣列組成。這種成像系統在手持式掃描儀中很常見。
(3)分色技術
目前，彩色掃描儀已經成為市場的主流，它可以真實地還原原始圖像的質量。通過彩色掃描儀掃描的數字圖像，我們可以看到掃描的圖像很好地保持了原稿的質量，無論是形狀還是顏色。
真實色彩的還原主要歸功於掃描儀獨特的分色技術。因為CCD只是把感應到的光的強度轉換成相應的電流，所以無法識別掃描圖像的顏色。因此，掃描儀需要分離這些顏色。眾所周知，紅綠藍是光的三原色，也就是這三種顏色的疊加可以組合出任何其他顏色。根據這壹特點，掃描儀在掃描壹幅圖像時，生成分別對應紅(R)、綠(G)、藍(B)三原色的三幅圖像，也就是說，每幅圖像只包含相應的單色信息，紅圖像只包含紅信息，綠圖像只包含綠信息，藍圖像自然只包含藍信息。最後，合成三幅圖像以獲得彩色圖像。其原理如圖7所示。
目前掃描儀常用的分色技術有四種:濾光片分色技術、光源交替分色技術、三CCD分色技術和單CCD分色掃描技術。
1)濾光片的分色技術
基本原理是在線性CCD圖像傳感器前安裝壹個濾光片，從上到下分為三等份，1部分為紅色濾光片，第二部分為綠色濾光片，第三部分為藍色濾光片。掃描時，CCD傳感器通過濾光片的移動分別記錄相應原色的圖像信息，從而獲得三原色的三個圖像信息。
2)光源交替分色技術
類似於濾鏡分色技術的原理，這種技術是在鏡頭和掃描原稿之間增加紅(R)、綠(G)、藍(B)三種顏色的發光管。掃描圖像時，三種不同顏色的燈管交替發光，使CCD獲得三種三色圖像信息。
3)三CCD分色技術
與前兩種分色技術不同的是，三CCD分色技術中使用了三個CCD來完成掃描成像:光線通過透鏡，由專門設計的分光棱鏡反射到相應的CCD圖像傳感器上，每個CCD產生壹種顏色的圖像數據，壹次掃描就可以得到壹幅彩色圖像。所以我們可以看到，這種分色技術成像速度最快，但成本最高。
4)單CCD分色技術
單CCD分色技術仍然使用單個線陣CCD，然而在CCD的感光面上增加了壹個濾色器，在感光的同時直接進行分色。
(4)VAROS技術
普通CCD掃描儀掃描時，需要在被掃描物體表面形成壹條細長的白光帶。光通過壹系列的鏡子和壹組透鏡，最後CCD元件接收光信號。然而，在這種情況下，光學分辨率受到CCD像素數量的限制。在VAROS技術中，壹塊平板玻璃被放置在CCD元件和透鏡之間。首先，掃描儀執行正常掃描。這壹步得到的圖像和其他掃描儀基本相同。然後，平板玻璃傾斜以將掃描圖像移動1/2像素，並且掃描過程重復壹次。這允許掃描儀讀取移動像素的數據。最後用軟件合成第壹次和第二次掃描數據，得到兩倍的圖像信息。換句話說，利用VAROS技術，我們可以將普通的600dpi掃描儀變成1200dpi高分辨率掃描儀。
2.接觸式圖像傳感器CIS(或LIDE)
接觸式圖像傳感器CIS(或LIDE)是近幾年才出現的壹個術語。其實這項技術和CCD技術幾乎是同時誕生的。絕大多數手持掃描儀使用CIS技術。CIS光敏器件壹般使用用於制作光敏電阻的硫化鎘作為光敏材料。硫化鎘光敏電阻本身存在較大的漏電和感光單元間的幹擾，嚴重影響清晰度，這是該類產品掃描精度低的主要原因。它不能使用冷陰極管，只能使用LED陣列作為光源，光色和光均勻性差，導致掃描儀的色彩還原能力低。LED陣列由數百個LED組成。壹旦壹個LED損壞，整個陣列就會報廢，所以這類產品的壽命比較短。不能用鏡頭成像，只能靠靠近目標來識別，沒有景深，無法掃描實物，只適合掃描手稿。CIS對環境溫度的變化比較敏感，對掃描結果有明顯的影響，所以對工作環境的溫度有壹定的要求。
LIDE(LED In Direct Exposure)二極管直接曝光技術是佳能的原創技術，是基於CIS技術的創新技術。它使用三色二極管作為光源。與使用冷陰極光源的掃描儀相比，二極管具有體積小、效果持久的特點，但其產生的光較弱，難以保證掃描圖像所需的亮度。鑒於這壹原因，LIDE科技對二極管器件和導光材料進行了改造，以引導光線，使二極管光源能夠產生均勻明亮的掃描用光。
LIDE掃描儀由三部分組成，即光導、柱面透鏡和線性光學傳感器。導光的主要作用是增強紅、綠、藍三個顏色通道的光照強度。柱面透鏡可以保證反射光更好的聚焦在傳感器上(這是提高掃描精度的關鍵措施)，線性傳感器可以最大程度的避免邊緣變形問題。由於省略了壹系列的反射鏡，LIDE掃描儀可以避免各種像差和色差，可以很好地再現原稿的細節和色彩。
LIDE通過接觸式圖像傳感器CIS以1: 1的比例掃描原稿，使掃描儀更小更輕。另外，由於二極管光源和掃描頭的功耗很小，這類產品可以通過PC的USB口提供所需的電源。
3.3的區別。CCD和CIS
通常，當人們提到掃描儀時，他們會更關註它的掃描分辨率，但他們可能不會關心它使用的感光元件。到底是選擇CCD掃描儀還是CIS掃描儀，很多用戶都會很困惑。哪款掃描儀比較合適？
簡單來說，兩款掃描儀的區別在於感光器件。CCD掃描儀使用電子耦合裝置，而CIS掃描儀使用接觸式圖像感光裝置。這兩種光敏器件的工作原理截然不同:CCD元件本身是整個掃描儀成像的核心，但光源發出的光必須經過透鏡的反射和聚焦，這些光學器件的加入增加了整個掃描儀的成本；而CIS掃描儀是利用微小光源發出的光被掃描的原稿反射，然後直接被光敏器件接收。CIS光敏器件本身就足以完成成像任務，不需要鏡頭和透鏡的參與，所以產品的組裝非常容易，成本也很低。由於CIS掃描儀依靠直接接收反射光進行成像，技術含量相對較低，掃描景深性能較差。除了感光部分的不同，兩款掃描儀的其他部分工作原理基本相同，都是將光信號轉化為數字信息。
比較這兩種掃描儀產品，CCD掃描儀具有明顯的優勢，但CIS掃描儀也並非壹無是處。
CCD掃描儀的缺點是需要壹整套光學系統，包括照明冷光源、多面反射鏡和光學透鏡，通過復雜的光路在CCD傳感器表面成像。其部件復雜，成本相對較高，掃描後圖像數據的處理也相對復雜。壹般采用冷陰極管作為光源，需要預熱1分鐘左右才能穩定發光。CCD掃描儀需要通過壹系列的透鏡和反射鏡成像，所以會產生色差和光學像差，壹般需要通過掃描軟件進行色彩校正。
CIS掃描儀的優點是模塊化設計，集成了掃描光源、傳感器和放大器，結構、原理和光路極其簡單。傳感器直接從原稿表面獲得的圖像理論上不會產生色偏和像差，可以獲得最接近原稿的圖像效果。可以降低設計和制造成本，產品的體積可以設計得更薄更小，CIS掃描儀沒有明顯的等待時間。
CIS掃描儀的缺點是不能使用鏡頭，只能進行接近原稿的掃描，掃描精度低。另外它的光源只能用LED，色彩和均勻性差，色域比CCD窄，色彩不豐富，壽命更短。
此外，由於傳統的CCD掃描儀采用光學鏡頭在CCD面上成像，具有壹定的景深，可以在凸起的書脊甚至實物上得到清晰的掃描效果。CIS掃描頭使用傳感器從被掃描物體的表面獲取圖像。景深較短，掃描水平有些不足，似乎無法掃描參差不齊的稿件和圖片。要掃描的物體必須平穩地放置在掃描儀上。CCD的景深至少是CIS的10倍，也就是說CCD掃描儀在壹定範圍內掃描3D物體清晰生動，而CIS掃描儀在掃描稍微不均勻的物體時，輸出圖像往往會出現模糊和散焦。
高質量的CCD感光元件，同樣質量可以使用10000小時。然而，目前的CIS掃描儀的發光元件的亮度在使用500小時後平均降低了30%，這意味著CIS掃描儀的發光元件的壽命很短。盡管CIS發光元件的壽命很短，但CIS掃描頭價格低廉，易於更換。
4.光電倍增管的工作原理
不同於以線陣CCD為圖像傳感器的平板掃描儀，光電倍增管是壹種用於滾筒掃描儀的光電轉換元件。
在各種光敏器件中，光電倍增管是性能最好的壹種，它在靈敏度、噪聲系數、動態範圍等方面都遙遙領先於其他光敏器件，其輸出信號在相當大的範圍內保持高度的線性輸出，使輸出信號無需任何校正就能準確還原。
光電倍增管實際上是電子管的壹種，其感光材料主要由氧化銫和其他活性金屬(壹般為鑭系金屬)的氧化物組成。這些感光材料在光的照射下會發出電子，經過柵極加速後會撞擊陽極電極，最終形成電流，由掃描儀的控制芯片轉換生成物體的圖像。在所有掃描技術中，光電倍增管的性能最好，其靈敏度、噪聲系數、動態密度範圍等關鍵指標遠超CCD和CIS。同樣，這種感光材料幾乎不受溫度影響，可以在任何環境下工作。但是這種掃描儀成本極高，壹般只在最專業的滾筒掃描儀上使用。
帶有光電倍增管的鼓式掃描儀比帶有CCD的平板掃描儀復雜得多。結構圖如圖8和圖9所示。其主要部件包括旋轉電機、透明鼓、機械傳動機構、控制電路和成像裝置。
滾筒掃描儀掃描圖像時，將待掃描的原稿附著在透明滾筒上，由步進電機驅動高速旋轉，形成高速旋轉的圓柱體。同時，高強度的點光線從透明輥內部照射，投射到原稿上，對原稿進行逐點掃描，透射和反射的光線通過透鏡、反射鏡、半透反射鏡和紅、綠、藍濾光片組成的光路，導向光電倍增管進行放大，然後進行模數轉換，得到每次掃描。此時，光學信息被轉換成數字信息進行傳輸並存儲在計算機中，完成掃描任務。它的掃描特點是光信號是逐像素輸入的，信號采集精度很高，掃描圖像的信息還原性很強。
三、掃描儀的工作過程
掃描儀的工作原理並不復雜，從它的工作過程基本就能體現出來。掃描的壹般工作過程是:
1)，內部光源發出均勻的光照射玻璃面板上的原稿，產生代表圖像特征的反射光(反射稿)或透射光(透射稿)。反射光經過壹塊玻璃板和壹組透鏡，分成紅、綠、藍三種顏色，匯聚在CCD光敏元件上，被CCD接受。空白區域比彩色區域能反射更多的光。
2)步進電機驅動掃描頭在原稿下方移動，讀取原稿信息。掃描儀的光源是壹個長條形，照射在原稿上的光經過反射後通過壹個狹窄的縫隙，形成壹個沿X方向的光帶，經過壹組反射鏡，被光學透鏡聚焦後進入分光鏡。由棱鏡和紅、綠、藍濾色片得到的三個RGB色帶分別照射在各自的CCD上，CCD將RGB色帶轉換成模擬電信號，再由A/D轉換器轉換成數字電信號。
3)將反映原始圖像的光信號轉換成計算機可接受的二進制數字電子信號，最後通過USB等接口發送給計算機。掃描儀每掃描壹行就獲得原稿X方向壹行的圖像信息，並沿Y方向移動，直到掃描完所有原稿。掃描儀獲得的圖像數據被暫時存儲在緩沖器中，然後圖像數據被傳輸到計算機並被順序存儲。當掃描頭完成手稿的相對移動，掃描完所有的圖紙，壹幅完整的圖像就輸入到計算機中。
4)數字信息被發送到計算機的相關處理程序，其中數據以圖像應用程序可以使用的格式存在。最後通過軟件處理在電腦屏幕上重現。
所以掃描儀簡單的工作原理就是利用光電元件將檢測到的光信號轉換成電信號，再通過模/數轉換器將電信號轉換成數字信號傳輸給計算機。無論是哪種掃描儀，它們的工作過程都是將光信號轉化為電信號。因此，光電轉換是它們的核心工作原理。掃描儀的性能取決於其將任意模擬電平轉換為數值的能力。