CN100371764C - 小型集成光学成像组件 - Google Patents
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Abstract
用于图像捕捉装置的组件(10，50)包括成像透镜(26，62)、物理上整体邻接到成像透镜(26，62)的第一光学部件(28，64)以及物理上整体邻接到第一光学部件(28，64)的光敏系统(14，54)。成像透镜(26，62)、第一光学部件(28，64)以及光敏系统(14，54)构成单个物理单元。
Description
技术领域
一般来说，本发明涉及成像装置领域，更具体地说，涉及小型集成光学成像组件。
背景技术
诸如扫描仪、复印机、传真机、多功能装置之类的光学成像装置能够“读取”书面文件、照片、幻灯片以及其它物体而产生其图像。所产生的扫描图像可在计算机屏幕上显示、可打印和/或经由电子装置传送到远方。
典型的成像装置可包括光学成像组件，其中包括照明源、光学系统和光敏系统。照明源把光投射到所扫描的物体的一部分上，光学系统收集被照射物体所反射的光。光敏系统则检测反射光，并且响应所检测的光而产生电信号。成像装置的各种部件的装配通常要求精确的定位、定向和对准，确保来自照明源的光正确地照射物体上的目标扫描区域，以及反射光正确地聚焦到光敏系统。组件中各种部件的位置和取向必须保持固定以提供清晰的扫描图像。
发明内容
根据本发明的一个实施例，图像捕捉装置的组件包括成像透镜、物理上整体邻接成像透镜的第一光学部件以及物理上整体邻接第一光学部件的光敏系统。成像透镜、第一光学部件以及光敏系统组成单个物理单元。
根据本发明的另一个实施例，图像捕捉组件包括整体连接第一透光部件的成像透镜以及整体连接第一透光部件的光敏系统。图像光由成像透镜聚焦并经由第一透光部件聚焦到光敏系统上。
根据本发明的又一个实施例，制作图像组件的方法包括把成像透镜在物理上整体邻接透光隔板以及把光敏系统在物理上整体邻接所述透光隔板。
根据本发明的另一个实施例，图像捕捉装置包括物理上整体连接成像透镜的第一光学部件以及物理上整体连接至少一个光学部件的光敏系统。
附图说明
为了更全面地理解本发明及其目的和优点，结合附图来进行以下说明，图中：
图1是根据本发明的小型集成成像组件的水平实施例的截面示意侧视图；
图2是小型集成成像组件的垂直实施例的截面示意侧视图；
图3是小型集成成像组件的另一个水平实施例的截面示意侧视图；
图4是小型集成成像组件的又一个水平实施例的截面示意侧视图；以及
图5是小型集成成像组件的另一个水平实施例的截面示意侧视图。
具体实施方式
通过参照附图的图1至5来最佳理解本发明的优选实施例及其优点，其中相同的标号用于各图的相似和相应部分。
图1是根据本发明的小型集成成像组件10的水平实施例的截面示意侧视图。小型集成成像组件10可用于各种图像捕捉装置中，例如复印机、扫描仪、传真机、多功能装置等等。小型集成成像组件10包括集成光学系统12和光敏系统14，它们彼此结合在一起。成像组件10包含在顶部有压板11的小外壳中。来自照明源17、如发光二极管(LED)阵列或目前已知或稍后开发的其它适当发光装置的入射光16照射物体18的扫描区域。物体18可以是书面文件、照片、幻灯片、胶片或放置在压板11另一侧或者成像组件10的成像窗口上的另一个物体。入射光16照射物体18，并作为图像光20反射到成像组件的集成光学系统12。或者，入射光16’可从相反侧照射物体18，并通过物体18作为图像光20传递到集成光学系统12。在到达光敏系统14之前，图像光20由集成光学系统12来导向和聚焦。集成光学系统12可包括诸如透镜和/或反射镜之类的各种光学部件中的任何部件。
图像光20经由设置在集成光学系统12的第一端21、可用于使图像光20的路径改向的第一光学部件22进入成像组件10。第一光学部件22包括成一定角度的反射面24。图像光20照射到成一定角度的反射面24，并反射到设置在成像组件10的第二端25的光敏系统14。反射面24可以是在集成光学系统12的所选角度的面上形成的金属面或镜面。选择反射面24的倾斜角度，使得从物体18上反射的图像光20进一步反射并照射到光敏系统14的光电检测器。集成光学系统12的第一光学部件22可通过透光或透明的粘合剂接到或安装到光学系统的其余部分。可采用New Jersey的Cranbury的Norland Products Inc.生产的粘合剂、如NOA 61。还可采用把第一光学部件22结合到光学系统12中的其它方法。例如，第一光学部件22可经由机械装置夹到或固定到集成光学系统12上。或者，可通过注射成型法或其它适当的方法与集成光学系统12结合形成透明部分22。
在优选实施例中，集成光学系统12包括成像透镜26、如微透镜阵列或梯度指数(GRIN)透镜。成像透镜26可包括由玻璃、塑料或另一种适当材料制作的一个圆柱元件或其阵列。在优选实施例中，可采用诸如以SELFOC(Nippon Sheet Glass Company，Limited的注册商标)的名义出售的类型的GRIN透镜。连接在成像透镜26和光敏系统14之间的是第二光学部件28。第二光学部件28是光学隔板，它最好是由诸如玻璃、光学性能塑料或另一种适当材料之类的一般透明的固体材料片构成。从成像透镜26发出的图像光20进入光学隔板28，它在其中继续被聚焦并照射到光敏系统14的传感器(没有明确标出)上。在优选实施例中，光敏系统14包括光电检测器阵列，集成光电检测器，例如电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器或目前已知或稍后开发的另一种适当传感器。一般透明的粘合剂可用于把成像透镜26、光学隔板28和光敏系统14结合和粘合在一起。或者，机械方法可用于粘合这些元件。因此，第一光学部件22、成像透镜26、光学隔板28以及光敏系统14在物理上彼此邻接并形成单个的单件结构。
当图像光20到达光敏系统14中的传感器阵列时，随图像光20的强度产生变化的电流。变化的电流转换为数字信号并解释为被扫描物体上的亮和暗区。光敏系统14所产生的信号可传送给成像装置中的微处理器或控制器，在其中对这些信号进行处理或者其它操作。
图2是根据本发明的小型集成成像组件的垂直实施例50的截面示意侧视图。垂直成像组件50一般的取向沿着与从被扫描物体反射的图像光相同的轴。成像组件50包括光学系统52和光敏系统54，它们彼此结合。来自照明源(未标出)、如发光二极管(LED)阵列或目前已知或稍后开发的其它适当发光装置的入射光照射物体58的扫描区域。入射光照射物体58，并作为图像光60投射到成像组件的光学系统52的一般透明的端61。由于垂直成像组件50的取向沿着与来自物体58的图像光60相同的轴，因此不需要使用其它光学部件来改变图像光60的光路。
图像光60进入光学系统52，光学系统可包括诸如透镜和/或反射镜之类的对光线进行导向、聚焦或其它作用的各种光学部件其中的任何部件。在优选实施例中，光学系统52包括成像透镜62、如微透镜阵列或GRIN透镜。成像透镜62可包括由玻璃、光度塑料或另一种适当材料制作的圆柱元件阵列。整体地结合在成像透镜62和光敏系统54之间的是光学隔板64。光学隔板64最好是由诸如玻璃、光度塑料或另一种适当材料之类的一般透明固体材料片构成。从成像透镜62发出的图像光60进入光学隔板64，它在其中继续被聚焦并照射到光敏系统54的传感器上。在优选实施例中，光敏系统54包括接触式图像传感器、光电检测器阵列、如电荷耦合器件之类的集成光电检测器、或者目前已知或稍后开发的另一种适当传感器。当图像光60到达光敏系统54中的传感器阵列时，产生变化的电流，这些电流表示被扫描物体上的亮和暗区。光敏系统54所产生的信号可传送给成像装置中的微处理器或控制器，在其中对这些信号进行处理或者其它操作。
粘合剂、机械装置或其它适当的方式可用来把成像透镜62、光学隔板64和光敏系统54整体接合成单一的单件结构，从而可以实现各部件的精确对准。此外，成像组件50的各部件的直接接合使其尺寸极其紧凑。
例如，根据图像捕捉装置、如平板扫描仪或便携式扫描仪的所需应用，可有利地采用小型集成成像组件的水平或垂直取向。成像组件的紧凑性特别适用于便携式或手持式图像捕捉装置应用。此外，集成结构极大地消除了精确定位各部件的时间和费用而仍得到准确对准。
图3是根据本发明的小型集成成像组件的另一个水平实施例80的截面示意侧视图。成像组件80采用各种光学部件，使其占用面积比图1所示的成像组件10更小。来自照明源(未标出)、如发光二极管阵列和目前已知或稍后开发的其它适当发光装置的入射光照射物体(未标出)的扫描区域。来自照明源的光照射物体，并作为图像光82进入成像组件80。图像光82经由透明的第一光学部件84进入成像组件80。图像光以相同路径继续前进，并照射到成像组件80的成一定角度的反射面86，沿着与成像组件80的纵轴成一条直线的主轴反射，并反射到诸如微透镜阵列或GRIN透镜之类的成像透镜88上。反射面86可以是在光学系统的所选角度的面上形成的金属面或镜面。光学组件的透明部分84可通过透光或透明的粘合剂连接到或安装到光学系统上。或者，可通过注射成型法或其它适当的方法与光学系统的透镜部分88结合形成透明部分84。也可采用固定部件的机械方式。
图像光82由光学系统来导向和聚焦，然后再送往整体连接到成像透镜88的光学隔板90。光学隔板90由诸如玻璃、光学性能塑料或另一种适当材料之类的、其中一部分所选面制成反光的一般透明固体材料片构成。从成像透镜88发出的图像光82进入光学隔板90，它在其中继续被聚焦并照射到光敏系统96的传感器(没有明确标出)上。在本发明的这个实施例中，光学隔板90包括：透明窗口91，可用于接收来自成像透镜88的光；以及所射面92和94，把图像光经由第二透明窗口95送往光敏系统96。反射面92占据成像透镜88和光学隔板90之间的接触面的一部分，且以不垂直于图像光路径的主轴的角度α来定位。因此，光学隔板90包括复杂形状以及一个或多个反射面。经由透明窗口91进入且从反射面92和94反射的图像光被引向光敏系统96中的光电检测器。还考虑通过材料或工艺来处理光学隔板90的表面，使光只能从一个方向通过。因此，光线一旦进入光学隔板90之后便被反射，直至经由窗口95到达光敏系统96。
在优选实施例中，光敏系统96包括光电检测器阵列、如电荷耦合器件(CCD)类的集成光电检测器、CMOS图像传感器或者目前已知或稍后开发的另一种适当传感器。通过在光学隔板96和光敏系统96之间的接触面上采用一般透明粘合剂，把光敏系统96接合到或安装到光学系统上。
图4是根据本发明的小型集成成像组件的又一个水平实施例110的截面示意侧视图。成像组件110不是采用如上所述以及如图3所示的成像组件80的复杂光学隔板配置，而是采用与图像光的主轴成预定角度安装的简单光学隔板配置，把图像光聚焦并引导到光电检测器。来自照明源(未标出)的入射光照射对象(未标出)的扫描区域。来自照明源的光照射物体，并作为图像光112进入成像组件110。图像光112经由透明光学部件114进入组件110。图像光沿相同路径继续前进，直至照射到光学部件114的成一定角度的反射面116，并沿着与成像组件110的纵轴成一条直线的主轴反射到光学系统的诸如微透镜阵列、GRIN透镜118或另一种适当光学装置之类的成像透镜118上。反射面116可以是在光学系统的所选角度的面上形成的金属面或镜面。光学组件的透明部分114可通过透光或透明的粘合剂连接到或安装到光学系统上。或者，可通过注射成型法或其它适当的方法与光学系统的透镜部分118结合形成透明部分114。可采用机械方式把部件在物理上整体邻接在一起，形成单一的单件结构。
图像光112由光学系统来导向和聚焦，然后引导到光学隔板120。光学隔板120由诸如玻璃、光学性能塑料或另一种适当材料之类的、其中所选面制成反光的一般透明固体材料片来构成。从成像透镜118发出的图像光112经由透明窗口121进入光学隔板120，它在其中继续被聚焦并经由第二透明窗口125引导到光敏系统126中的传感器。在本发明的这个实施例中，光学隔板120包括两个或两个以上反射面，把图像光引导到光敏系统126中的光电检测器。此外，虽然光学隔板120的截面形状为矩形，但它以预定角度安装在透镜118上，使其平行反射面122和124均相对于从透镜118出来的图像光路径倾斜一定角度。如图所示，光学隔板120的两侧及其反射面122和124与垂直于图像光路径的主轴的轴成一定角度β设置。因此，通过光学隔板120的图像光112被其一个或多个成一定角度的反射面反射，将它引至整体接合到光学隔板120的光敏系统126中的光电检测器。与以上所述以及如图3所示的光学隔板90不同，光学隔板120包括具有90°角和平行边的简单规则形状、如直角棱镜。透光粘合剂可用于把光学隔板120可靠地接到透镜118上，以及把光敏系统126接到光学隔板120上。可采用机械方式在物理上完整地结合各部件。
图5是根据本发明的小型集成成像组件的另一个水平实施例140的截面示意侧视图。来自照明源(未标出)、如发光二极管阵列或目前已知或稍后开发的其它适当发光装置的入射光照射物体(未标出)的扫描区域。来自照明源的光照射待扫描的物体，并作为图像光142投射到成像组件140，经由其中的透明光学部件144进入。图像光沿相同路径继续前进，并照射到光学部件的成一定角度的反射面146，沿着与成像组件140的纵轴成一条直线的主轴反射到诸如微透镜阵列或GRIN透镜148之类的成像透镜148上。反射面146可以是在光学系统的所选角度的面上形成的金属面或镜面。透明光学部件144可通过透光或透明的粘合剂连接到或安装到成像透镜148上。或者，光学部件144可通过注射成型法或其它适当的方法与光学系统的透镜部分148整体结合，或者通过机械方式与其整体接合。
图像光142由成像透镜来导向和聚焦，然后引导到光学隔板150。光学隔板150整体接合到成像透镜118上，并且由诸如玻璃、光度塑料或另一种适当材料之类的一般透明固体材料片构成。可采用透光粘合剂把光学隔板150与成像透镜118粘合，或者通过另一种适当方式。从成像透镜148发出的图像光142进入光学隔板150，它在其中继续被聚焦并引导到光敏系统156中的传感器(没有明确标出)上。在本发明的这个实施例中，光学隔板150包括至少一个成一定角度的反射面，用于把图像光引向光敏系统156。如图所示，图像光142照射与光路的主轴成一定角度设置的第一反射面154，然后再照射与图像光路的主轴完全平行设置的第二反射面152，最后到达光敏系统156。本例中，光敏系统156包括光电检测器，它们设置在与光路的主轴完全平行、而不是象先前实施例中所述的与其垂直的平面上。因此，光学隔板150可包括复杂形状以及多个反射面152、154。从反射面152和154反射的图像光被引至光敏系统156中的光电检测器。光电检测器接收图像光，然后响应图像光中传递的亮暗信息而产生适当的电信号。光敏系统156可采用透光粘合剂整体接合到光学隔板150或者与其整体构造在一起。或者，可采用机械方式把光敏系统156牢固地接合到光学隔板150上。
与采用安装在印刷电路板或基板上的分立独立部件的接触式图像传感器模块的传统构造相比，所述成像组件的各个实施例包括成为单一小型单元的集成光电部件。较小的占用面积使小型组件能够用于要求便携性的应用中。此外，通过构造单一集成单元，能够更轻松地实现各部件的精确对准。
在本发明的实施例中，扫描的照明可由薄LED光棒、光纤光导管或其它目前已知或稍后开发的技术来产生。来自现有光源的光，例如在成像组件位于液晶显示器或阴极射线管监视器中的实施例中，屏幕照明可用作扫描物体的照明源。此外，集成光电部件的方法可通过采用粘合剂、实现集成构造的制作工艺或者其它适当的工艺来进行。应当指出，图1-5是理想化的示意图，其中所示的尺寸和角度只是说明性的。另外，对于光学组件中的部分反射面，也可采用全内折射来代替。
Claims (9)
1.一种用于图像捕捉装置的组件(10，50)，包括：
成像透镜(26，62)；
光学隔板(28，64)，在物理上整体邻接所述成像透镜(26，62)；以及
光敏系统(14，54)，在物理上整体邻接所述光学隔板(28，64)，从而使所述成像透镜(26，62)、所述光学隔板(28，64)以及光敏系统(14，54)组成单个物理单元；
所述用于图像捕捉装置的组件还包括在物理上整体邻接所述成像透镜(26，62)的第二光学部件(22)，所述第二光学部件(22)具有至少一个反射面，可用于接收图像光，并把所述图像光沿所述组件的纵轴引导到所述成像透镜(26，62)。
2.如权利要求1所述的组件(10，50)，其特征在于所述成像透镜(26，62)包括棒形透镜阵列。
3.如权利要求1所述的组件(10，50)，其特征在于所述光学隔板(28，64)包括物理上整体邻接在所述成像透镜(26，62)和光敏系统(14，54)之间的透光部件。
4.如权利要求3所述的组件(10，50)，其特征在于通过注射成型整体地形成所述光学隔板(28，64)和所述成像透镜(26，62)。
5.如权利要求1所述的组件(10，50)，其特征在于通过注射成型整体地形成所述第二光学部件(22)和所述成像透镜(26，62)。
6.一种用于制作权利要求1所述的用于图像捕捉装置的组件的方法，包括：
把成像透镜(26，62)在物理上整体邻接到透光隔板(28，64)；以及
把光敏系统(14，54)在物理上整体邻接到所述透光隔板(28，64)。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于把成像透镜(26，62)在物理上整体邻接到透光隔板(28，64)包括采用透光粘合剂把所述透光隔板(28，64)连接到所述成像透镜(26，62)上。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于把成像透镜(26，62)在物理上整体邻接到透光隔板(28，64)包括通过注射成型来形成所述成像透镜(26，62)和所述透光隔板(28，64)。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于把光敏系统(14，54)在物理上整体邻接到所述透光隔板(28，64)包括采用透光粘合剂把所述光敏系统(14，54)连接到所述透光隔板(28，64)上。
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