CCD扫描仪

概述

　　CCD的中文名称是电荷耦合器件，与一般的半导体集成电路相似，它在一块硅单晶上集成了成千上万个光电三极管，这些光电三极管分成三列，分别被红、绿、蓝色的滤色镜罩住，从而实现彩色扫描。光电三极管在受到光线照射时可产生电流，经放大后输出。采用CCD的扫描仪技术经多年的发展已相当成熟，是目前市场上主流扫描仪主要采用的感光元件。CCD的优势在于，经它扫描的图像质量较高，具有一定的景深，能扫描凹凸不平的物体；温度系数较低，对于一般的工作，周围环境温度的变化可以忽略不计。CCD的缺点有：由于组成CCD的数千个光电三极管的距离很近（微米级），在各光电三极管之间存在着明显的漏电现象，各感光单元的信号产生的干扰降低了扫描仪的实际清晰度；由于采用了反射镜、透镜，会产生图像色彩偏差和像差，需要用软件校正；由于CCD需要一套精密的光学系统，故扫描仪体积难以做得很小。

基本原理

　　通过镜头聚焦到 CCD（光电耦合器感应器）将光信号转换成电信号成像的。通过三至四根镜条对反射光线进行全反射以减少聚焦镜头和扫描平台之间距离。在物理上不存在真正的全反射，实际应用中反射镜条越多则对扫描品质的影响越大，CCD的理想值是直接聚焦，实际上很难做到。

　　其光路特性目前市场上有两种：一种是采用几组 CCD 镜头无反射镜直线式光路，另一种是通过三至四根镜头对反射光线进行全反射以减少聚焦镜头和扫描平台之间的距离，存在着反射镜头的反射式光路.

　　光路原理简介

　　采用CCD成像技术的扫描仪光学原理是光源发出的光照射在扫描原稿上产生了反射光，经光学系统（透镜）将其聚焦到 CCD上,CCD(Charge Coupled Device，电荷藕荷器件)是一个包含着一排有许多紧密排列的感光元件构成的集成电路，它将光信号转换成电信号，通过模数转换器， 生成数字图像信号，传送给计算机。由于 CCD中排列的感光原件有限，为了提高分辨率，通常在大幅面扫描仪上采用多组 CCD成像装置，将分段摄取的文本资料经扫描仪处理系统组合起来，成为一条完整的线性影像。CCD感光元件的排列精度及光学系统（透镜）的边缘失真度都直接影响到扫描精度。CCD 是扫描仪关键部件，在几厘米长度的 CCD上要非常精确地排列数千个感光元件，对加工精度的要求是非常严格的，很显然，CCD上感光元件的排列间距误差，安装及调试的误差都直接关系到扫描仪精度。

分离技术

　　多数平板式扫描仪使用光电耦合器(CCD)为光电转换元件，它在图像扫描设备中代表性。其形状像小型化的复印机，在上盖板的下面是放置原稿的稿台玻璃。扫描时，将扫描原稿朝下放置到稿台玻璃上，然后将上盖盖好，接收到计算机的扫描指令后，即对图像原稿进行扫描，实施对图像信息的输入。

　　扫描仪对图像画面进行扫描时，线性CCD将扫描图像分割成线状，每条线的宽度大约为10 μm。光源将光线照射到待扫描的图像原稿上，产生反射光(反射稿所产生的)或透射光(透射稿所产生的)，然后经反光镜组反射到线性CCD中。CCD图像传感器根据反射光线强弱的不同转换成不同大小的电流，经A／D转换处理，将电信号转换成数字信号，即产生一行图像数据。同时，机械传动机构在控制电路的控制下，步进电机旋转带动驱动皮带，从而驱动光学系统和CCD扫描装置在传动导轨上与待扫原稿做相对平行移动，将待扫图像原稿一条线一条线的扫入，最终完成全部原稿图像的扫描。

　　通常，用线性CCD对原稿进行的“一条线”扫描被称为“主扫描”，而将线性CCD平行移动的扫描输入称为“副扫描”。

　　（1）线性CCD的结构

　　CCD图像传感器是平板式扫描仪的核心，其主要作用就是将照射到其上的光图像转换成电信号。将CCD图像传感器放大，可以发现在10μm的间隔上并行排列着数千个CCD图像单元，这些图像单元规则地排成一线，当光线照射到图像传感器的感光面上时，每个CCD图像单元都接受照射其上的光线，并根据感应到的光线强弱，产生相应的电荷。然后，若干电荷以并行的顺序进行传输。

　　（2）光学成像系统

　　一般扫描仪使用的光学成像系统有两种：缩小扫描型光学成像系统和等倍扫描型光学成像系统。缩小型光学系统成像采用2-5cm长度的线性CCD作为光学系统中的图像传感器，由于CCD的尺寸远不及扫描原稿的宽度，因此，这种成像系统中，在CCD的前面有一个镜头，像数字相机一样，用于在扫描时将原稿图像通过镜头缩小后投射到线性CCD上。等倍扫描型光学成像系统则采用与扫描原稿宽度相等的线性CCD作为图像传感器。这种光学成像系统中采用了一种特殊的镜头——特殊镜头组系列，它由上下排列整齐的两排棒状镜头组成。这种棒状镜头的直径为1mm，长约6mm，每一列都有100个以上这样的镜头阵列构成，这种成像系统在手持式扫描仪中较为常见。

　　（3） 色分离技术

　　目前，彩色扫描仪已成为市场的主流，它能够很真实地还原原稿图像的品质。通过彩色扫描仪扫描得到的数字图像，可以看到不论是形状还是色彩，扫描得到的图像都很好地保持了原稿的品质。真实色彩的还原主要应归功于扫描仪独特的色分离技术。由于CCD只是将所感应的光的强弱转换成相应大小的电流，它不可能对所扫描图像的颜色进行识别。因此，扫描仪需要将这些颜色进行分离。我们都知道，红、绿、蓝是光的三基色，即用这3种颜色叠加可以组合出其他任意颜色。就是根据这个特点，扫描仪在扫描图像时，先生成分别对应于红(R)、绿(G)、蓝(B)的三基色的3幅图像，也就是说每幅图像中只包含相应的单色信息，红基色图像中只包含红色的信息、绿基色图像中只包含绿色信息，蓝基色图像中自然只包含蓝色信息。，将这3幅图像合成即得到了彩色的图像。

　　目前，应用于扫描仪的色分离技术常见的有4种：滤光片色分离技术、光源交替色分离技术、三CCD色分离技术和单CCD色分离扫描技术。

　　(4)VAROS技术

　　普通的CCD扫描仪在扫描时，须在被扫描物体表面形成一条细长的白色光带，光线通过一系列镜面和一组透镜，由CCD元件接收光学信号。但是，在这种条件下，光学分辨率被CCD像素数量所限制。在VAROS技术中，CCD元件与透镜之间放置一片平板玻璃，首先，扫描仪进行正常的扫描工作。这一步得到的图像与其他扫描仪基本相同。然后，平板玻璃倾斜，使扫描图像移动1/2个像素，扫描过程重复一次。这样可以使扫描仪读取被移动后的像素的数据。，运用软件合成次与第二次的扫描数据，得到两倍数量的图像信息。换言之，运用VAROS技术，我们可以将普通600dpi的扫描仪变成1200dpi高分辨率的扫描仪。