河北科技大学：《彩色扫描仪原理及优化设计》讲义（沙占友）

彩色扫描仪原理及优化设计 河北科技大学电子信息工程糸 沙占友 2003-04-26

1 彩色扫描仪原理及优化设计 河北科技大学 电子信息工程系 沙占友 2003-04-26 学术交流

彩色扫描仪的原理及优化设计 0引言 彩色扫描仪的产品分类及基本原理 2单片彩色扫描仪的性能特点 3单片彩色扫描仪的工作原理 4单片彩色扫描仪的电路设计 5结语

2 彩色扫描仪的原理及优化设计 • 0 引言 • 1 彩色扫描仪的产品分类及基本原理 • 2 单片彩色扫描仪的性能特点 • 3 单片彩色扫描仪的工作原理 • 4 单片彩色扫描仪的电路设计 • 5 结语

0引言 扫描仪( Scanner)是一种光、电、机一体 化的高科技产品,它是继键盘和鼠标之后又一代用 途广泛的计算机输入设备。 扫描仪自20世纪80年代初问世以来,就以其独特 的数字化“图像”采集能力、低廉的价格和优良的 性能,深受人们的青睐,被誉为计算机的“眼睛

3 0 引言 扫描仪（Scanner）是一种光、电、机一体 化的高科技产品，它是继键盘和鼠标之后又一代用 途广泛的计算机输入设备。 扫描仪自20世纪80年代初问世以来，就以其独特 的数字化“图像”采集能力、低廉的价格和优良的 性能，深受人们的青睐，被誉为计算机的“眼睛

l彩色扫描仪的产品分类及基本原理 11产品分类 a按可扫描的图像类型分类 1)黑白扫描仪(亦称二值扫描仪) 只能扫描黑白二值图像,每个像素为1位(1bi),用0或1来 代表黑或白。这是最简单的一种扫描仪,适合扫描工程图纸 2)灰度扫描仪 将图像的明暗程度划分成256个灰度等级,并且用一个8位 字节来表示一个像素 3)彩色扫描仪 首先产生对应于红、绿、蓝三基色的三幅图像,然后合成 为一幅彩色图像。彩色扫描仪也可通过参数设置来扫描黑白 图像

4 1 彩色扫描仪的产品分类及基本原理 1.1 产品分类 a 按可扫描的图像类型分类 1）黑白扫描仪（亦称二值扫描仪） 只能扫描黑白二值图像，每个像素为1位(1bit)，用0或1来 代表黑或白。这是最简单的一种扫描仪，适合扫描工程图纸。 2）灰度扫描仪 将图像的明暗程度划分成256个灰度等级，并且用一个8位 字节来表示一个像素。 3）彩色扫描仪 首先产生对应于红、绿、蓝三基色的三幅图像，然后合成 为一幅彩色图像。彩色扫描仪也可通过参数设置来扫描黑白 图像

b.按外形分类 )平板式扫描仪(亦称台式扫描仪) 将待扫材料静止放置在平台玻璃板上,通过控制步进电机 和移动光源(灯管)来完成扫描工作。采用冷阴极辉光放电 灯管做光源。是目前应用最广泛的一种扫描仪 2)滚筒式扫描仪 在扫描过程中光源保持静止,通过卷动待扫材料来完成扫 描工作。采用光电倍增管作为光电转换器件 3)手持式扫描仪(亦称掌上型扫描仪) 通过人工移动扫描仪(含光源)来完成扫描的。价格低廉, 携带方便,使用灵活,扫描精度较低 4)笔式扫描仪 笔式扫描仪因其外形像一支笔而得名,主要用于条形码的 输入识别,可用在车站检票、大型超市的商品登记等领域

5 b. 按外形分类 1）平板式扫描仪（亦称台式扫描仪） 将待扫材料静止放置在平台玻璃板上，通过控制步进电机 和移动光源（灯管）来完成扫描工作。采用冷阴极辉光放电 灯管做光源。是目前应用最广泛的一种扫描仪。 2）滚筒式扫描仪 在扫描过程中光源保持静止，通过卷动待扫材料来完成扫 描工作。采用光电倍增管作为光电转换器件。 3）手持式扫描仪（亦称掌上型扫描仪） 通过人工移动扫描仪（含光源）来完成扫描的。价格低廉， 携带方便，使用灵活，扫描精度较低。 4）笔式扫描仪 笔式扫描仪因其外形像一支笔而得名，主要用于条形码的 输入识别，可用在车站检票、大型超市的商品登记等领域

c.按所用传感器分类 1)CCD(电荷耦合器件)扫描仪 数码相机使用的是二维图像的面阵CCD,而扫描仪用的是 维图像的线阵CCD。CCD扫描仪具有一定的景深(约为 3mm),对隆起的书脊甚至实物都可得到清晰的扫描效果。缺 点是成本较高,扫描后对图像数据的处理也相对复杂 2)CIS(接触式图像传感器)扫描仪 以发光二极管(IED)阵列作为光源,扫描光线直接被光耦 合器接收。采用模块化结构,结构简单,不需要预热。缺点是 扫描精度较低,景深小(约为0.3mm,只有CCD景深的1/10 不能扫描实物,适合扫描文稿

6 c. 按所用传感器分类 1）CCD（电荷耦合器件）扫描仪 数码相机使用的是二维图像的面阵CCD，而扫描仪用的是一 维图像的线阵CCD。CCD扫描仪具有一定的景深（约为 3mm），对隆起的书脊甚至实物都可得到清晰的扫描效果。缺 点是成本较高，扫描后对图像数据的处理也相对复杂。 2）CIS（接触式图像传感器）扫描仪 以发光二极管（LED）阵列作为光源，扫描光线直接被光耦 合器接收。采用模块化结构，结构简单，不需要预热。缺点是 扫描精度较低，景深小（约为0.3 mm，只有CCD景深的1/10） 不能扫描实物，适合扫描文稿

3)光电倍增管(PMT)扫描仪 光电倍增管是一种电子管,其感光材料主要是由金属铯的 氧化物构成的。在所有感光器件中,光电倍增管的性能最 佳,其灵敏度、噪声系数、动态密度范围、温度特性等指 标均优于CCD及CIS。最难能可贵的是它的输出信号能在很 宽的范围内保持极高的线性度,几乎不用做任何修正即可 获得准确的色彩还原。但其价格昂贵,少则几十万元,多 则几百万元,仅用于专业扫描仪(滚筒式扫描仪)

7 3） 光电倍增管（PMT）扫描仪 光电倍增管是一种电子管，其感光材料主要是由金属铯的 氧化物构成的。在所有感光器件中，光电倍增管的性能最 佳，其灵敏度、噪声系数、动态密度范围、温度特性等指 标均优于CCD及CIS。最难能可贵的是它的输出信号能在很 宽的范围内保持极高的线性度，几乎不用做任何修正即可 获得准确的色彩还原。但其价格昂贵，少则几十万元，多 则几百万元，仅用于专业扫描仪（滚筒式扫描仪）

表1扫描仪常用传感器性能一览表 传感器种类 灵敏度/lx 噪声系数动态范围/隔离电阻/温度系数/℃ dB 光电倍增管 10-12 90~100∝ 10 PMT 硅氧化物隔离10-8~10-910-9~10-12 80~95 >100M 10 10 CCD 半导体隔离 10-8~10-9 10-8~10-9 70~80 1M10-6~10-7 CCD 接触式感光器件10-6~10-7 10-5~10-6 50~60 1~100k 10-2~10-3 CIS(LED阵列) 8

8 表1 扫描仪常用传感器性能一览表 传感器种类 灵敏度／lx 噪声系数 动态范围／ dB 隔离电阻／ Ω 温度系数／℃ 光电倍增管 PMT 10－12 10－12 90～100 ∞ 10－12 硅氧化物隔离 CCD 10－8～10－9 10－9～10－12 80～95 ≥100M 10－6～10－7 半导体隔离 CCD 10－8～10－9 10－8～10－9 70～80 ≥1M 10－6～10－7 接触式感光器件 CIS（LED阵列） 10－6～10－7 10－5～10－6 50～60 1～100k 10－2～10－3

d.按通信接口分类 扫描仪与计算机的通信接口有以下四种: EPP( Enhanced parallel port,增强型并 行口) USB(通用串行接口) SCSI(Small Computer System Interface 小型计算机系统接口) IEEE1394( Fire Wire port,又称火线接

9 d. 按通信接口分类 扫描仪与计算机的通信接口有以下四种： EPP（Enhanced Parallel Port，增强型并 行口） USB（通用串行接口） SCSI（Small Computer System Interface， 小型计算机系统接口） IEEE1394（Fire Wire Port，又称火线接 口）

表2扫描仪与计算机的4种通信接囗 接口类 EPP USB1.1 USB2.0 SCSI IEEE1394 型 接口名 称 增强型并行口通用串行总线通用串行总线小型计算机系火线接口 接口 接口 统接口 最大传输速 率 I Mbps 12Mbps 480 Mbps 160Mbps 400Mbps 主要特 热插拔 点 热插拔,正热插拔 热插拔,迅速需配接口卡 被USB淘汰 推广 高稳定性,需同时支持 配接口卡 64个设备

10 表2 扫描仪与计算机的4种通信接口 接 口 类 型 EPP USB1.1 USB2.0 SCSI IEEE1394 接 口 名 称 增强型并行口 通用串行总线 接口 通用串行总线 接口 小 型 计算 机 系 统接口 火线接口 最大传输速 率 1Mbps 12Mbps 480 Mbps 160Mbps 400Mbps 主 要 特 点 热插拔，正 被USB淘汰 热插拔 热插拔，迅速 推广 需配接口卡， 高稳定性，需 配接口卡 热插拔， 同时支持 64个设备