CCD扫描技术

以光电耦合器(CCD)为光电转换元件的扫描仪工作原理
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最具代表性。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。
与数字相机类似，在图像扫描仪中，也使用CCD作图像传感器。但不同的是，数字相机使用的是二维平面传感器，成像时将光图像转换成电信号，而图像扫描仪的CCD是一种线性CCD，即一维图像传感器。
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。如图5所示。
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
图6所示为线性CCD。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。最后，将这3幅图像合成即得到了彩色的图像。其原理如图7所示。
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。
1）滤光片色分离技术
其基本原理是：在线性CCD图像传感器的前面加装一滤光片，滤光片从上向下分为3等份，第1部分为红色滤光片，第2部分为绿色滤光片，第3部分为蓝色滤光片，扫描时通过滤光片的移动使得CCD传感器分别记录相应基色下的图像信息，从而得到三基色的3幅图像信息。
2）光源交替色分离技术
与滤光片色分离技术的原理类似，这种技术是在镜头与扫描原稿之间加设3根发光灯管，其颜色分别为红(R)、绿(G)和蓝(B)，扫描图像时，3根不同颜色的灯管交替发光，从而使CCD得到3幅三基色图像信息。
3）三CCD色分离技术
与前两种色分离技术不同，三CCD色分离技术中使用了3个CCD完成扫描成像：光线通过镜头，经过一个特殊设计的分光棱镜将相应颜色的光线反射到相应的CCD图像传感器中，每一个CCD产生一种颜色的图像数据，经过一次扫描即可得到彩色的图像。因此，可以看出这种分色技术成像速度最快，但其造价最高。
4）单CCD色分离技术
单CCD色分离技术仍然是采用单个线性CCD，不过，在CCD的感光面上加入了滤色镜，在感光的同时直接进行分色。
(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，最后由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。最后，运用软件合成第一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。