CN100565558C - 用于通过针孔光圈将物体光学成像到检测装置上的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于通过针孔光圈将物体尤其是光学图样或代码光学成像到检测装置上的系统和方法。根据本发明，这些系统具有设置在照明装置和物体之间的光学衰减元件，这些光学衰减元件基本补偿因针孔光圈导致的系统固有成像缺陷，尤其是由针孔光圈成像到检测装置上的物体图像的系统固有周缘亮度降低。根据本发明，这些光学衰减元件改变物体的照度，以使得物体中心区域接受的照度要低于物体的周缘区域。通过随后利用针孔光圈对物体进行成像，物体的中心区域成像到检测装置上的光强度要高于物体的周缘区域。两种效果的叠加使得根据本发明的成像系统能够实现在检测装置上的基本均匀的系统固有亮度分布。

Description

用于通过针孔光圈将物体光学成像到检测装置上的系统和方法

技术领域

本发明涉及用于光学成像物体，尤其是信息承载光学图样或代码，到检测装置，尤其是利用针孔光圈光学成像到CCD或CMOS元件的系统。本发明特别是涉及具有基本补偿针孔光圈产生的成像缺陷的专用装置的系统，该成像缺陷尤其是通过针孔光圈在检测装置上形成的物体图像亮度的系统固有周缘衰减。

此外，本发明涉及用于捕获光学信息的系统，包括用于光学成像承载光学信息的物体的系统，以及从形成在检测器装置上的物体图像收集物体的光学信息以及提供该信息以便进一步处理或显示的在线评估装置。

此外，本发明涉及测试元件分析系统，包括至少一个测试元件和评估装置，其包含根据本发明的用于收集光学信息的这些系统。

最后，本发明涉及通过针孔光圈将物体光学成像到检测装置上的方法，其能够基本补偿针孔光圈产生的成像缺陷，该成像缺陷尤其是通过针孔光圈在检测装置上形成的物体图像亮度的系统固有周缘衰减。

背景技术

在许多技术领域，将物体光学成像到检测装置上起到主要作用。因此，通过将一维或两维光学图样光学成像到检测装置上，其中该检测装置通常位于专用读取系统例如代码读取器或扫描器中，从而可以收集关于承载这些光学图样的物体的信息，以及将该信息传送到在线评估系统。

通常用于存储或传送信息的光学图样例如有施加到物体的一维(1D，例如条形码)或两维(2D，例如数据矩阵码)代码，这些代码例如是印制或粘附到物体上的，并且包含关于该物体的信息。在该示例中，该信息是编码到代码的光学图样中的。其图像形成在检测装置上，该检测装置首先记录该图样的图像。随后，从其上收集成像物体的信息，并且提供该信息以便进一步处理或显示。因此，例如结构单元、单独部件、中间产物以及最终产物能够被明确识别以及利用这种代码来进行控制，其中这种代码能够控制生产和存储以及当出现错误时能够追踪产品。应用这种代码的典型领域是在制药和健康系统、汽车工业、化学和生物分析器中进行存储和物料输送技术、质量保障、物料监测、生产控制、样本识别以及用于文件处理。

这种光学系统还用于记录光学图样，尤其是在化学和诊断分析系统以及测试元件分析系统中。在这种测试元件分析系统中，采用光学代码主要用于传送特定信息到测试中的评估装置，其中该光学代码信息涉及各测试元件或者专门为例如批量特定编码物体这类物体，以及其中该测试用于每种情况和/或专门的测试元件。例如在文件号码102004011648.2的德国专利申请中描述了这种测试元件分析系统。

用于工业应用领域的光学读取系统通常以反射光学方法采用透镜光学器件，其将光学图样的图像形成在检测装置上。其它的设计例如实现在扫描器中，该扫描器在传输过程中采用部分透明的光学图样或代码。然而通过相对于代码承载物体移动的线传感器或扫描器，通常能够相对简单的记录一维代码，两维光学图样例如2D代码首先成像在检测装置上，这些图像随后通常利用专用软件算法来进行评估。用于两维光学图样的这些读取系统通常采用例如CCD或CMOS传感器的光学矩阵传感器来作为检测装置。

为了获得良好的成像系统成像质量，重要的是这些系统具有这样的成像特性，即，在检测平面中系统固有亮度基本均匀分布。在这种关系中，术语在检测平面中系统固有亮度均匀分布意为，均匀物体尤其是均一特别是均匀结构和均匀染色表面在位于检测平面中的检测装置上的图像亮度分布。这种亮度分布使得获得的信息是关于光学系统的基本成像特性的。这种均匀物体的图像能够被认为是一种背景图像，其表示系统固有成像特性，包括系统固有成像缺陷。成像的、承载信息的物体必须区分于系统固有背景图像，例如是不同亮度或色彩的限定区域的形式。如果系统固有背景图像已经导致检测平面中的亮度出现可观差异，则这些亮度系统固有差异可以叠加到因被成像的、期望的、信息传送所需的实际信息承载物体而产生的亮度差异上，上述因际信息承载物体而产生的亮度差异例如是太亮或太暗的区域的形式。这会大大复杂化、篡改或防止获得和评估被传送的真实信息。

在现有技术中已经提出多种技术方案来实现系统固有亮度在检测平面中的最均一分布：

因此，例如Microsan公司(Freising，德国)的2D代码读取器“Quadrus”具有20个单独高性能LED作为光源，以尽可能均一地照明物体。

德国公开文献DE4221069描述了一种用于成像光学图样例如成像到光传感器的条形码的光学装置。该光学装置包括用于成像条形码的成像透镜以及用于记录和评估条形码的图像的信息的CCD线传感器。该系统还具有设置在条形码和线传感器之间的衰减装置，该衰减装置设计成使得系统固有亮度在传感器上的分布更加均匀，即使会受到成像透镜的结构相关影响。在这种关系中，DE4221069提出的衰减元件包括能够衰减光束的特定空间区域的强度的光学元件，其中该光束在从成像物体上发出之后射到线传感器上。在这种关系中，DE4221069提出尤其是镜面元件，该镜面元件的涂层的中心区域的衍射率要低于周缘，因此适合作为根据本发明的衰减元件。而且，DE4221069提出ND(中性密度)滤波器作为衰减元件，其在中心区域的传输因数要低于周缘，能够用作成像代码和检测装置之间的光学路径中的光衰减滤波器。

对于特别是移动通信设备中的成像系统或者例如手提式扫描器或便携式测试元件分析系统的手提式系统的应用，必须要考虑其它因素：

-由于通常是大量制造这些系统，所以将尽可能简单且便宜的成像系统集成到这些系统或设备中是有利的。它们必须仍然满足成像质量方面的特定要求，以便确保包含在成像物体中的光学信息得以准确记录和评估。

-采用相对于成像物体扫描运动的许多传统系统具有相对大的结构空间，这是因为它们的透镜系统和控制物体相对于检测装置运动的装置的缘故。由于特别是测试元件分析系统通常设计成便携式手提式设备，所以希望这些系统具有最小可能结构尺寸，其应当处于数立方厘米的范围内。

-简单且便宜的成像系统通常采用的传输方法意味着：由光源来照射成像物体，然后其成像到位于光源相反侧的检测装置。因光源、成像物体和检测装置必须一个接一个前后设置，从而这些系统需要大结构空间，这是系统固有的特性，因此它们应用到便携式系统会受到限制。此外，成像物体必须具有特定光学特性，以便完全采用这种传输方法。因此例如光学代码必须具有至少空间透明区域，以便它们的信息能够被这些系统读取。因此这些成像系统不适用于许多应用领域。

在现有技术中还没有这样的用于光学成像物体的系统：不但设计非常简单且廉价、具有最小可能结构空间，而且还能够不利用成像系统相对于物体运动就可以将成像物体的图像形成在检测装置上，同时能够非常可靠的进行读取。尤其是公知的成像系统仅限制适用于结合到小型便携式系统，尤其是适用于诊断测试元件和分析系统。尤其是公知没有简单的成像系统能够利用简单且廉价装置来实现检测平面内的非常均匀的系统固有亮度分布。

发明内容

本发明的目的是，提供一种消除现有技术缺陷的、用于光学成像物体的系统和方法。本发明的目的尤其是提供用于成像光学图样的系统和方法，尤其是满足用于便携式测试元件分析系统的这些成像系统所需的上述要求的代码。

本发明的另一个目的是，提供一种呈紧凑设计的、用于将物体光学成像到检测装置的简单且廉价系统，该系统具有尽可能均匀的、检测平面内的系统固有亮度分布。

本发明的另一个目的是，提供用于记录和处理光学信息的系统，该系统除成像系统之外还具有附加装置，该附加装置记录成像到检测装置的物体的光学信息，并且提供该信息以便进一步处理或显示。

本发明的另一个目的是，提供测试元件分析系统，包括至少一个测试元件和至少一个评估装置，该至少一个测试元件将信息编码成光学图样的显示，该至少一个评估装置具有用于记录和处理该光学信息的系统。最后，本发明的另一个目的是，提供用于将物体光学成像到检测装置上的方法，其中系统固有亮度分布得以确保在检测平面内尽可能均匀。

技术方案

根据本发明，通过提供一种利用针孔光圈来光学成像物体的系统来实现这些目的。该成像系统基于针孔照相机或照相机暗箱的原理，具有用于将物体图像形成到检测装置上的针孔光圈。例如在“Lexikonder Optik”(Spektrum Akademischer Verlag，Heidelberg，Germany)中更加详细的说明了利用针孔光圈来成像的原理。

基于针孔照相机原理的成像系统的主要优点在于，不需要任何透镜来形成物体图像。透镜和若干透镜的系统具有结构固有成像缺陷，这大大降低了图像质量，因此使得随后的信息处理变得不可能或者错误。光学透镜或透镜系统的结构固有成像缺陷例如有球面像差、色差、色彩放大误差、慧形象差或不对称缺陷、散光、像场曲率、渐晕、失真或衍射。通过利用无透镜成像方法，已经可以大大消除这些成像缺陷。

通过针孔光圈产生的图像基本上没有透镜的这些结构固有成像缺陷，唯一具有的缺陷是因几何形状引发的微弱渐晕，其中该几何形状确保尽可能免于失真的物体成像，其是尽可能免于错译的信息传送的基础。尤其是基于针孔照相机的图像的特征在于几乎无限大的聚集深度。

根据针孔照相机原理的成像方法的另一个优点在于，它能够以紧凑设计获得用于物体成像的简单且廉价系统，它不需要复杂且昂贵的透镜系统，从而能够大大降低设计尺寸。

然而，传统针孔照相机系统具有这样的系统固有特性：亮度向检测平面上形成的图像边缘降低，在本发明的范围内这还被称为周缘亮度降低。该系统固有的、亮度向图像周缘降低很大程度上是因为针孔光圈上的衍射现象，尤其是在大视角上会感觉到，这是因为它和视角的半余弦的四次方成正比。因此，在90度的视角下，在图像的右侧和左侧边缘，仅仅有25％照射到图像中间的光强度照射到检测平面(cos(90°/2)⁴＝0.25)，这对应于亮度向2孔径光阑边缘的降低。该系统固有的、亮度向图像周缘降低之前阻止了根据针孔照相机原理的光学方法更大规模的应用，尤其是在信息承载光学系统中，这是因为根据成像点相对于图像中心的位置不同系统固有亮度分布具有大不均匀度。因此，这些系统固有亮度效应可以叠加到检测平面内的物体图像上，这是因为根据针孔光圈原理，物体中心区域的成像亮度要高于周缘区域。物体或图像的中心区域是靠近成像系统光轴的区域，物体或图像的周缘区域是从成像系统的光轴进一步去除的区域。如果光学图样尤其是光学代码成像在检测平面上时没有大致均匀的系统固有亮度分布，则例如难以指定门限值到图样的亮区或暗区之间的差分，从而不可能正确读取包含在光学图样或代码中的信息。

通过将光学元件设置在成像物体和检测平面之间，其中这些光学元件在图像中心区域减少的发自物体的光强度要比图像周缘区域减少的多，从而实现尽可能均匀的检测平面内系统固有亮度分布，这些方法都是公知的。DE4221069描述了这样的元件。该结构的特殊缺陷在于，必须将这些光学元件额外的设置在物体和检测平面之间的光学路径中，这会增加结构深度以及成像系统的复杂性。

在本发明的范围内，令人惊讶的发现，通过根据本发明的光学成像系统，能够基本补偿因利用针孔光圈带来的系统固有成像缺陷，以及同时利用紧凑设计能够实现基本均匀的检测平面内系统固有亮度分布。

根据本发明的技术方案提供一种用于光学成像位于物平面内的物体的系统，包括位于检测平面内的检测装置、用于将物体成像到检测装置的针孔光圈以及用于照明物体的照明装置，其中在该照明装置和该物平面之间设置光学衰减元件，这些光学衰减元件基本补偿因针孔光圈导致的成像缺陷，尤其是由针孔光圈成像到检测平面上的物体图像的系统固有周缘亮度降低。在优选实施例中，将这些光学衰减元件设计成使得，当经针孔光圈成像均匀物体尤其是均匀表面时，它们能够获得形成在检测装置上的物体图像的基本均匀亮度分布。

根据本发明，光学衰减元件位于照明装置和物平面之间，以使得利用这些光学衰减元件来影响物体照度分布。这和现有技术中的系统和方法恰恰相反，在现有技术中，这些衰减元件位于物体和检测平面之间，其中物体照度起初基本上是均一的。

在这种关系中，相对于现有技术的特别优点是，这些光学衰减元件不必再设置在物体和检测平面之间的光学路径中，而是设置在已经存在的照明装置和物平面之间，从而不会增加整个系统的结构尺寸。在特定优选实施例中，这些光学衰减元件设计成使得，通过照明装置来改变物体的照度，以使得物体中心区域接受的照度要低于物体的周缘区域。

令人惊讶的是，这种照明能够基本补偿针孔光圈产生的成像缺陷，尤其是通过针孔光圈在检测装置上形成的物体图像亮度的系统固有周缘衰减，以及在检测平面内实现基本均匀的系统固有亮度分布。根据本发明的光学衰减元件及其结构通过某种方式改变照明装置对物体的照度，以使得物体中心区域接受的照度要低于物体的周缘区域。通过随后利用针孔光圈以这种方式对照明物体进行成像，则物体中心区域的系统固有成像亮度要高于物体周缘区域在检测装置上的系统固有成像亮度。令人惊讶的是，通过叠加这两种效应，根据本发明物体中心区域的照度较弱，而针孔光圈导致物体中心区域的系统固有成像光强度较强，从而通过根据本发明的成像系统能够使得成像到检测装置上的物体图像的系统固有亮度分布基本均匀。这是使得成像物体的光学信息免于错误以及得以可靠评估的基础。

根据本发明对系统固有成像缺陷进行补偿不必非要完全补偿。对于许多应用场合而言，将这些成像缺陷减小到特定程度则足矣。因此，例如在将黑白代码成像到传感器上时，将通过针孔光圈获得的物体中心区域的系统固有更感光成像补偿到以下程度即可：将黑白图样的图像在检测平面内的系统固有亮度分布进行叠加，仍然导致图像原始信息能够得以记录，其中在某些情况下这需要采用例如限定门限值或者灰度值扩散的其它方法。术语检测平面内均匀的亮度分布应当在同样意义上理解。

从原理上讲，所有光源都可以用作本发明意义上的照明装置，包括自然光源，例如太阳光或日照。可以优选采用基本恒定亮度的人造光源，例如电灯泡、辉光灯、放电灯或感应灯，以确保尽可能均匀的、反复的照明成像物体。发光二极管特别优选用作照明装置，尤其是用于便携式系统，这是因为，它们具有如下优点：结构空间非常小，功率消耗低，能够长时间发射基本恒定的光强度，防震性能好以及能够利用直流电压进行操作。

在优选实施例中，采用若干光源作为照明装置，它们整个用于照明物体。如果通过从不同空间方向的若干光源来照明物体，则来自各光源的各光束照射到物体点上，获得在该点照射到物体的总光强度。将若干光源倾斜设置在光学系统的最小可能结构深度至关重要的应用场合下例如便携式系统中显得尤为有利。将若干光源设置成相对于系统光轴的角度不等于0°的倾斜设置具有附加优点，这是因为它能够防止物体成像受到直接反射的影响，以及避免遮蔽物体的特定区域，尤其是在三维物体的情况下。

在优选实施例中，通过反射光学方法来对物体成像。基于反射光学方法的成像系统尤其适用于便携式系统，这是因为这能够实现非常紧凑的设计。在反射光学方法的情况下，由照明装置照射成像物体的表面。由成像系统对从物体表面反射的光成像到检测装置上，在该示例中通过针孔光圈来成像。相比于从后侧照射物体的传输光学方法，对物体表面进行照射使得照明装置能够设置在物平面面对检测平面的侧面位置上，因此能够获得成像系统的特别空间节约结构。

从原理上讲，所有装置都能够用作本发明的意义上的光学衰减元件，只要它们能够基本补偿因针孔光圈导致的系统固有成像缺陷，尤其是通过针孔光圈成像到检测装置上的物体图像亮度的系统固有周缘降低缺陷。从原理上讲，所有装置都能够用作本发明意义上的光学衰减元件，只要它们能够获得检测平面内基本均匀的系统固有亮度分布。

在优选实施例中，光学衰减元件是光圈结构的形式，由低传输率的同心线和高传输率的中间区域构成，它们之间的宽度和/或距离设计成使得物体的中心区域接受的光强度要低于物体的周缘区域。

例如在WO84/00620中描述了这样一种光圈结构。WO84/00620描述的光圈结构由散射透光基底制成，在该散射透光基底的表面上施加电感不透光同心环形线。为了实现期望的空间差分光衰减，等宽的环形线间距向外部连续增加，以使得光圈结构的外部区域比中心区域要更为透光。在另一个实施例中，环形线的间距保持恒定，而这些环形线的宽度向外部连续降低，以使得光圈结构的外部区域比中心区域更为透光。当然，还可以考虑组合不同宽度的环形线和各环形线之间的不同间距，这同样具有物体的中心区域光照强度低于物体周缘区域的效果。除了具有不同透光性的限定区域的这种光圈结构之外，由于光圈结构的透光性基本连续变化以及尤其是从中心向周缘区域增加，所以还可以根据本发明采用特定光圈结构，以便实现空间差分光衰减。这例如能够是环形光圈结构，它具有仅仅微弱透光性或不透光的中心，它向外部邻接越来越透光的区域。这些区域能够连续相互融合，或者形成为离散区域。根据用于照明的光的波长和组分，除了采用不同亮度或灰度色阴之外，还可以采用不同色调，以便实现不同透光性。此外，具有不同光散射或反射特性的区域，例如透明且光散射区域适用于实现空间差分光衰减。结合上述不同实施例，也可以实现照射光的空间差分衰减。

根据本发明的这种光圈结构不必非要构造成环形圆圈或者成旋转对称结构。还可以采用其它不同透光区域的几何结构作为根据本发明的光圈结构，以便实现空间差分光衰减。如果例如不沿系统光轴直接照射物体，而是侧向定位到其上，则适当调整光圈结构是有利的。这例如能够通过以下手段来实现：在面向照射物体的光圈结构的区域和远离物体的光圈结构的区域中，光衰减线的距离和/或宽度有所不同。因此，在倾斜设置光源的情况下，还可以实现根据本发明的物体照明，其基本独立于光源的空间设置。

通过本领域技术人员公知的不同技术，能够制造出不同透光性的光圈结构的区域。这些技术例如是基于曝光方法、照相平版印刷方法、激光烧蚀方法、金属激光方法、涂层技术、印刷技术、蚀刻技术或者机械加工工艺，例如冲压、钻孔或研磨。

除了这些光圈结构之外，还可以根据本发明采用例如透镜或平面镜的光学元件来作为光学衰减元件。例如ND滤波器的光学滤波器也可以根据本发明用作光学衰减元件。这些实施例描述在DE4221069中。

如果采用若干单独光源用于照明物体，则采用相应优化的光学衰减元件也是有利的。在优选实施例中，照明装置包含若干单独光源，在这些单独光源前面设置光学衰减元件，以使得通过叠加物平面中各光源的光强度，物体中心区域的光强度要低于物体的周缘区域。由于物体的各表面点距离各光源的距离不同以及光束以不同角度进行照射，则通过对光圈结构进行变型，同时考虑到各照射方位的差异，仍然可以实现根据本发明的物体照明效果。考虑到各照射方位差异而得以优化的光学衰减元件的这种设计和结构能够利用本领域技术人员公知的几何学和迭代学方法来计算，例如利用计算机程序，例如ASAP(Breault Research Organization，Tucson，Arizona)或Trace Pro(Light Tec，Hyeres，France)。

在优选实施例中，光学衰减元件是具有一个或以上光圈结构的薄膜掩模的形式。通过利用具有这些光圈结构的模板掩模对光敏薄膜进行曝光，从而简单地、低成本地制造出其上安装光圈结构的这种薄膜掩模。这些光圈结构尤其是不同亮度和/或不同色彩的区域。用于制造光圈结构的这些曝光方法尤其适用于精确地、低成本地将非常精细和复杂的光圈结构施加到薄膜掩模上。这些技术和材料还能够低成本地制造出大量精确限定的光圈结构，例如用于人工扫描器或者手提式分析测试系统中采用的光圈结构，尽管数量大，但是必须以恒定高质量和可复制质量来制造这些光圈结构。曝光显影薄膜能够根据本发明用作将光圈结构用作光学衰减元件的薄膜掩模。为此，这种薄膜掩模设置在一个或以上光源和照射物体之间，以便从光源发出的光经薄膜掩模的光圈结构而修正，以使得能够实现期望创造性物体照明，尤其是，物体的中心区域照射到的光强度低于物体的周缘区域，这是由于经光圈结构而创造性修正各个光源的照度以及这些各个光源修正后照度叠加在物平面中的结果。为此，各个薄膜掩模能够设置在每个光源的前面。然而，在特定优选实施例中，各个光圈结构位于共用薄膜掩模上。该实施例中，能够以低成本且简单的方式，在一个步骤中装配整个光圈系统。

从原理上讲，在本发明的意义上，所有装置都能够用作检测装置，只要这些装置能够暂时或永久记录通过针孔光圈成像到检测平面上的成像物体的图像。它们能够例如是辐射敏感薄膜或板、具有在线检测器的聚焦屏、例如CCD或CMOS传感器的线传感器或光学传感器元件。在特定优选实施例中，采用CCD元件或CMOS元件作为检测装置。在采用这种光学传感器元件的情况下，能够以数据形式直接读取物体图像，随后能够进一步处理和存储该数据，以便进一步处理或显示。光学传感器元件尤其适用于便携式系统，因为它们能够进行非常快速的图像记录和处理，而不需要移动部件或处理步骤或耗时且昂贵的显影步骤，并且能够实现为非常紧凑的设计。

从原理上讲，在本发明的意义上，所有光圈都能够用作针孔光圈，只要这些光圈能够将成像物体的图像成像到检测平面中，并且成像质量足以用于记录和评估包含在物体中的光学信息。为了确保尽可能优化成像过程，当设计针孔光圈时，应当要考虑光圈直径、光圈形状和长度这些参数。从针孔照相机的成像原理上讲，随着光圈直径减小，图像会变得更加清晰。然而，光圈边缘的光学衍射还会对光圈尺寸减小设定限度。由于曝光时间主要根据光圈尺寸而定，所以能够采用更大光圈直径，以便曝光时间不会变得过于冗长。理想光圈尺寸特别是根据图像距离(图像距离＝针孔光圈和检测平面之间的距离)而定，例如基于以下公式来相应进行计算： $d=\sqrt{b/500},$ 其中d表示光圈直径，b表示图像距离。光圈孔的形状也会对成像质量造成影响。优选采用圆形孔作为光圈形状，但是也可以采用其他孔形状，例如多边形或缝形孔，或者例如同心圆的若干针孔光圈的组合。理想的孔长度应当尽可能小，以便避免光圈通道内的反射。而且，短的孔长度能够防止屏蔽效应，该屏蔽效应会导致成像物体的边缘区域的光强度偏低。

在特定优选实施例中，针孔光圈的直径为10至1000微米，优选为20至500微米，尤其优选为50至200微米。这种小光圈直径能够使得即使在图像距离短的情况下也能够获得物体的清晰成像。对于便携式系统中的成像系统的应用而言，这尤其有利，这是因为它能够在非常紧凑设计中实现良好的成像质量。通过本领域技术人员公知的多种方法，能够制造出该针孔光圈。除了在基底中钻孔、冲压、掩模或蚀刻出开口从而产生针孔光圈的方法之外，还优选通过薄膜掩模来产生针孔光圈。在该示例中，利用具有针孔光圈的模板掩模来曝光光敏薄膜，随后进行显影，从而该针孔光圈的图像复制到显影薄膜上。该方法还能够可复制地且低成本地制造具有微米范围小直径的大量针孔光圈，并且这些针孔光圈具有足够的边缘质量。该方法的另一个优点是，它可以生产出非常小的光圈长度，因为光敏层的厚度非常小。

在特定优选实施例中，针孔光圈集成到也具有光圈结构的薄膜掩模中。当通过反射光学方法将物体成像到检测平面上时，这是可能的。因此，用于以空间分化方式衰减照射光的光圈结构以及成像针孔光圈能够以这种方式在共同处理步骤中应用到薄膜掩模。这具有额外优点，即，通过具有组合功能的这种薄膜掩模，能够大大简化光学系统的装配。

通过利用合适模板掩模进行曝光，能够高精度地、简单地、低成本地、可复制地大量制造这种薄膜掩模。

根据本发明用于光学成像物体的系统能够特别有利地用于记录和处理光学信息的系统中。因此，本发明的另一个方面描述了用于记录和处理光学信息的系统，其包括：承载光学信息的物体，该光学信息尤其是光学图样或代码的形式；如上所述用于光学成像物体的系统；以及评估装置，该评估装置记录源自检测装置上的物体图像的物体光学信息，以及提供该信息以作进一步处理或显示。

在本发明的意义上的用于记录和处理光学信息的系统可以尤其是便携式或固定式代码读取器或扫描器，但是也可以是分析系统中的子配件，尤其是用于将特定信息传送到相应测试和/或专用测试元件上的评估系统的诊断测试元件分析系统中。用于记录和处理光学信息的这些系统也能够用于采用光学评估的检测反应的分析系统中，以便记录或者进一步评估或显示这些光学检测反应的时程或结果。为此，该可光学检测的检测反应所在的测量范围能够例如通过这些系统来成像和评估。

评估装置可以是本领域技术人员公知的所有系统，只要它们能够将物体图像的光学信息记录到检测装置上，以及将它们转换成数据以便作进一步处理，以及能够提供这些数据以便进一步处理或显示即可。这些评估装置能够有利地结合到检测装置，例如CCD或CMOS传感器中便是如此，它们输出已经进一步处理过的数字图像数据。用于记录和处理光学信息的这些系统的设计具有的优点是，光学系统的专用结构能够使得这些系统设计紧凑。

传统的光学读取系统通常采用扫描技术，其中，例如条形码的成像物体需要相对于光学系统运动。线传感器或激光扫描器通常在该示例中用作检测装置，它首先仅提供线频谱形式的一维图像信息。通过运动通过该代码以及记录许多这些一维线光谱，随后仅计算两维代码图样。一方面，成像物体相对于光学系统运动需要运输机构，该运输机构需要占用较大结构空间，以及需要复杂且精细的运行或控制装置，另一方面，成像物体相对于光学系统的附加运动对于系统的读取可靠性有影响。这些缺陷能够通过根据本发明的用于记录光学信息的系统来克服，其中该系统尤其是能够记录和处理物体的光学信息而不必让成像物体相对于光学系统运动。

光学信息通常编码成不同亮度、透光性、光散射、强度或色彩的多种区域的形式，它们彼此之间的特定次序、尺寸或空间关系存储该光学信息。光学信息优选编码成一维或两维光学图样或代码：这些例如包括符号，优选包括字母、数字、特殊字符和/或图样，并且优选表示成机器可读形式。除了这些特殊代码之外，在分析检测反应过程中出现的测量区域或测量范围的色彩或亮度变化、或者例如两维图像或三维物体的其他物体也能够认为是本发明范围内的光学图样。特别优选采用以下两维代码：例如数据矩阵代码、阿芝台克(Aztec)代码、代码一(Code One)代码或Maxi代码。这种代码可以是黑白、白加黑或黑加白代码，或者是彩色代码或多彩色代码，优选通过将其印刷或粘附到物体从而施加到物体。由于2D代码的信息密度比典型1D条形码高十倍，所以几乎能够沿任意期望方向来读取，所以它们能够在相同代码表面面积内放大编码图样的尺寸，从而增加成像和信息处理系统的读取可靠性。因此，2D代码尤其适用于分析系统的应用领域，这是因为它们需要非常高的读取可靠性。

根据本发明的用于记录和处理光学信息的这些系统能够特别有利地用于分析系统尤其是测试元件分析系统中。

因此，本发明的另一个方面描述了测试元件分析系统，包括：测试元件，该测试元件承载光学信息尤其是关于测试类型、批号、制造日期、校验和或者用于校准作用的光学编码信息；以及评估装置，该评估装置包含根据本发明的用于记录和评估测试元件的光学信息的这种系统。

这种测试元件分析系统通常用于分析和医学实验室。本发明还特别涉及分析系统，其中，通过受到良好培训的个人例如通过病人本身来执行分析，从而可以连续监测其健康状况(家庭监测)。这对于每天数次监测糖尿病人的血液葡萄糖浓度以及对于服用阻凝剂药物因此需要定时监测凝固状态的病人来说，尤其具有重要的医学价值。为此，评估设备应当尽可能轻且小，以及要易于搬动，可用电池供电以及具有鲁棒性。例如在DE4305058中描述了这种测试元件分析系统。伴随的测试元件通常是测试带的形式，其通常基本包括通常由塑料材料制成的拉长载体层以及包含检测层以及其他辅助层例如过滤层的测量范围，其中检测层包含检测试剂。此外，测试元件能够包含编码元件作为附加结构，其中该编码元件例如是光学代码的形式。这些元件能够用于传输关于测试元件的通用或具体信息，例如校正数据或批次信息，到评估设备。在优选实施例中，根据本发明，这种信息以光学图样或代码的形式尤其是两维光学代码的形式存储在测试元件上，其中该两维光学代码例如是印刷在测试元件的端部上或者粘接在测试元件的端部上的两维代码。尤其是，这使得关于测试类型、批号、制造日期、校验和或者用于校准作用的数据的信息以光学代码的形式存储在测试元件上。特殊编码元件也可以认为是本发明的范围内的测试元件，其能够引入到评估设备中，或者引入为此目的专门设置的、类似于测试元件的其他评估单元中。这种编码元件例如是专用带，它例如是包括在测试带组件中的，能够包含关于测试类型、批号、制造日期、校验和或者用于校准作用的数据的信息，例如仅能够每测试带组件读取一次。

评估装置具有测试元件保持器以及测量装置，该测试元件保持器用于定位测试元件，以便在测量位置评估测试元件，而该测量装置用于确定关于测试元件的检测反应的结果。在色彩变化的情况下，测量装置例如包含反射式光度计，用于确定检测层的漫反射功率(反射率)。在此应当注意，可光学检测的检测反应出现的测量范围也能够通过根据本发明的用于记录和处理光学信息的系统来成像和评估。该时程或该可光学检测的检测反应的结构也被认为是本发明范围内的光学信息。在电化学测试元件的情况下，测量装置例如包含用于测量电流或电压的合适电路结构。采用根据针孔照相机原理的该创造性照射和成像方法能够在非常紧凑的设计中实现这种测试元件分析系统，这对于便携式系统的应用而言是尤其有利的。根据本发明的该成像系统的简单结构设计使得它们能够廉价地、大量地得以制造，这是因为不需要例如透镜之类的额外光学元件。在这个方面中，根据本发明的实施例具有比公知分析测试元件评估设备优越得多的好处。因此，例如EP0075223描述了一种用于光学检测评估装置中的诊断测试带上的代码的装置，其中，测试带必须相对于读取装置运动，以及附加圆柱透镜需要引入到光学路径中以便实现良好的照射和成像效果。相反，根据本发明的实施例具有以下优点：既不需要测试元件的编码区域相对于光学系统运动，也不需要例如铰接镜之类的其他运动部件或者附加透镜来获取足够成像质量，从而确保可靠的信息传输。根据本发明的实施例不需要额外运动测试带就能够传输信息，从而对于测试元件运动的均匀性没有特殊要求，也同样可以确保可靠地传输和评估编码在测试带上的信息。利用根据本发明的照明和成像系统能够执行静态测量，这增加了读取光学图样的可靠性。

然而，根据本发明的分析系统不仅仅限于测试元件分析系统。还包括了其他分析系统，例如在测试试管中发生化学反应的分析系统。在这些系统中，试管例如可以认为是测试元件，它能够承载光学图样或代码，其中测试类型、批号、制造日期、校验和或者用于校准作用的数据能够取自该光学图样或代码，以及能够由包含根据本发明的成像系统的评估装置来读取。

最后，本发明涉及用于将位于物平面中的物体光学成像到位于检测平面中的检测装置上的方法，其中物体由照明装置来进行照射，以及物体通过针孔光圈成像到检测装置上，以及光学衰减元件设置在照明装置和物平面之间，该光学衰减元件基本补偿因针孔光圈导致的成像缺陷，尤其是由检测装置上的针孔光圈形成的物体图像亮度的系统固有周缘降低。特别是，本发明涉及这样的方法，其中，光学衰减元件导致检测平面中的基本不均匀的系统固有亮度分布，尤其是因光学衰减元件改变照明装置对物体的照明，以使得物体的中心区域的光强度低于物体的周缘区域。

这些实施例，以及和根据本发明的用于光学成像物体的系统相关的上述显影、用于记录和处理光学信息的系统以及测试元件分析系统也能够应用于根据本发明的用于光学成像物体的这些方法。

示例：

下面基于附图和实施例，进一步阐述本发明。所述特性和具体特征可以单独采用或者组合采用，以便获得本发明的优选实施例。

图1示出根据本发明的用于光学成像物体的系统的示例图。

图2示出根据本发明的薄膜掩模的示例性实施例。

图3示出光圈结构的示例性实施例的细节图。

图4示出根据本发明的用于记录和处理光学信息的系统视图，其中该系统可以集成到诊断手提式分析系统中。

图5示出通过CMOS传感器记录的不同表面的图像，这些图像通过根据本发明的光学系统来记录，其中合适的光圈结构用作光学衰减元件。

附图标记的含义：

1	用于光学成像的系统
		2	物体
3	薄膜掩模
		4	针孔光圈
5	光学衰减元件
		6	照明装置
7	检测装置
		8	系统窗(间隔体)
9	冲压掩模
		10	薄膜掩模
11	光圈结构
		12	测试元件
13	测试带保持器
		14	保持器
15	基板
		16	照明和检测单元
17	带光圈
		18	用于检测装置的盖
19	用于电源/数据传送的连接
		20	膜压装置
21	检测装置的外壳

图1示出根据本发明的用于光学成像物体的系统的示例图。用于光学成像的系统1通过利用针孔光圈4使得物体2成像到检测装置7上，其中盖针孔光圈集成到薄膜掩模3中。物平面是成像物体2的编码例如2D代码所处的平面，而检测平面是检测装置7的成像平面所处的平面。这两个平面都必须垂直于系统的光轴，该系统的光轴从物体2开始，垂直穿过针孔光圈4，到达检测装置7。物体2的图像通过所示优选实施例中的反射光学方法形成在检测装置7上。为此，通过若干照明装置6来照射物体2的表面。光学衰减元件5根据本发明设置在各照明装置6和照明物体2之间，其中在所示情况下，光学衰减元件设计成交替基本透光和基本不透光的光圈结构。在所示优选实施例中，光学衰减元件5也集成到薄膜掩模3中。光学衰减元件5改变照明装置6对物体2的照明，以使得物体2的中心区域的光强度低于物体2的周缘区域。在图1中还示出光学系统窗8。这也位于薄膜掩模3和成像物体2之间，并且能够用于界定和限定成像片段以及限定物体2和针孔光圈4之间的距离。

图2示出根据本发明的薄膜掩模的示例性实施例。薄膜掩模3优选通过采用合适的模板掩模进行曝光然后对光敏膜材料进行显影而制得。在所示优选实施例中，光学衰减元件5和针孔光圈4集成到薄膜掩模中，在该示例中，该光学衰减元件是光圈结构的形式。在所示情况下，采用位于不同位置的四个光圈结构，它们均位于照明光源的前部。如果在该示例中采用若干照明源来照明物体，则有利的是，将各光圈结构设计成使得物体的中心区域的光强度低于物体的周边区域，这是因为各光源的光强度在物平面中叠加的结果。为了便于将薄膜掩模定位在光学系统中，在所示实施例中采用额外冲压掩模9。为了便于薄膜掩模的明确识别的特征化，在所示实施例中采用额外的薄膜掩模10。这些都和针孔光圈和光圈结构一起曝光到薄膜上，以及能够例如承载关于针孔光圈的形状和尺寸或者光圈结构的形状和衰减特性的信息。

图3示出光圈结构的示例性实施例的细节图。

该图示出光圈结构11的特殊实施例，它曝光到薄膜掩模3上的光。这种光圈结构根据本发明能够用作光学衰减元件5。在所示实施例中，该光圈结构包括低传输率(暗区)的同心线以及高传输率(亮区)的中间区域，它们彼此之间的宽度和距离设计成使得物体中心区域的光强度低于物体的周边区域。该特殊实施例尤其适用于利用倾向于光轴的光源来创造性照射物体的情况。光圈结构的左上区域中的暗的不透光区域在该示例中位于光源正下方，防止那些不靠近物体的其他区域接受照射，从而避免间接散射光照射。在当前情况下，照射物体应当位于右侧的底部。在该示例中光圈结构的中心部分的不透光区域和透光区域之间的高比值导致物体的中心区域的光强度比较低；在该示例中向周边靠近的光圈结构的不透光区域和透光区域之间的较低比值导致向物体周边区域的光强度逐渐增强，因此使得物体能够根据本发明得以照射。

图4示出根据本发明的用于记录和处理光学信息的系统视图，其中该系统例如能够集成到诊断测试元件分析系统中。

图4a示出一种系统的示意性分解图，其中该系统能够用作诊断测试元件分析系统的部件，用以记录和处理存储在测试元件上的信息。

所示的该系统包含测试带保持器13，其中测试元件12能够插入到该测试带保持器中，以及该测试带保持器用作测试元件12的引导和保持器，而该测试元件12在该示例中是测试带的形式。测试元件12的一端包含由该系统成像的物体2，该物体在该示例中是测试元件12上的两维代码的形式。该测试带保持器13连接到基板15，该基板能够锚固该系统到该分析设备中。在所示实施例中，测试元件保持器13设计成使得成像物体周围的区域形成为所谓的带光圈17，该带光圈限定成像物体的区域。薄膜掩模3位于成像物体2的上方，承载针孔光圈和光学衰减元件，它们都优选为光圈结构。该薄膜掩模3安装在保持器14上，以使得针孔光圈和物平面之间具有限定间距。膜压装置20位于薄膜掩模3上方，一方面，该膜压装置还固定该薄膜掩模3，另一方面，该膜压装置限定薄膜掩模3和检测平面之间的限定距离，以使得能够实现可复制的、限定的成像特性。以及该放大标度能够通过膜压装置20的宽度来限定，并且该放大标度适用于各个传感器。照明和检测单元16位于该膜压装置上方，在该示例中，仅示意性示出该照明和检测单元，以便更好进行清楚显示。这通过保持器14定位在相对于薄膜掩模3以及物平面的限定位置中。

图4b示出该照明和检测单元16的细节图，在该示例中，该照明和检测单元为进行透视而从底侧示出。该照明和检测单元16具有检测装置7，在该示例中，该检测装置优选为CMOS传感器的形式。该检测装置7安装在外壳21中。为了保护检测装置7免受损坏，可以在它前面设置一个透明盖18。如同在CMOS传感器的所示示例那样，该系统的评估装置能够集成到其中，但是也可以形成为单独的部件和电路。将该单元连接到评估装置的其他信息处理系统的连接部19在该示例中用于对照明和检测单元16进行供电以及用于数据传输。在当前示例中，照明装置6由四个LED组成，它们都相对于成像系统的光轴倾斜设置。当成像系统的最小可能结构深度变得重要时，照明源的这种倾斜结构尤其是有利的。

图5示出由CMOS传感器记录的不同表面的图像，它们由根据本发明的光学系统所记录，该光学系统包含合适的光圈结构作为光学衰减元件。图5的第一列示出在每种示例中所采用的薄膜掩模的图像具有对应的光圈结构，第二列示出由CMOS传感器记录的底板聚酯表面(Melinex PET聚酯膜，DuPont)，第三列示出由CMOS传感器记录的光面相纸的图像。这种均质尤其是均匀结构且均匀染色的表面能够用于获取关于检测平面内的系统固有亮度分布的信息。这种亮度分布使得能够获取关于光学系统的系统固有成像特性的信息。

在每种示例中，采用具有4光圈结构的薄膜掩模，每个光圈结构均包括低传输率的同心圆(暗区)以及高传输率的中间区域(亮区)，其中不透光区域和透光区域之间的比值向相应光圈结构的周边方向逐渐降低。为了改进照明状况，位于光源下方的光圈结构的部分也变暗。

图5a)示出一种薄膜掩模，其中，透光区域还设置在包括同心线的光圈结构周围。采用这种薄膜掩模的均质表面的CMOS记录值示出基本交叉形结构，其中亮区位于照明装置之间，而暗区位于角落部分。

图5b)示出一种薄膜掩模，其类似于5a)，其中，位于照明装置下面的光圈结构的部分的尺寸已经减小。采用这种薄膜掩模的均质表面的CMOS记录值也示出基本交叉形结构，其中，亮区的区域比5a)中要更广。

图5c)示出一种薄膜掩模，其中，在包括同心线的光圈结构周围不存在额外的透光区域，但是该区域是不透光的。位于照明装置下面的光圈结构的部分再次设置在中心。采用这种光圈结构的CMOS记录值示出检测平面中均匀得多的亮度分布。根据本发明的这种光圈结构检测平面中的成像物体基本免于系统固有成像缺陷，因此能够获得尽可能免于误差的可靠信息传送。

Claims (15)

1.一种用于光学成像位于物平面内的物体的系统，包括：

位于检测平面内的检测装置，

用于将物体成像到检测装置位于在物平面与检测平面之间的针孔光圈，以及用于照明在物平面内的物体的照明装置，

其特征在于

在该照明装置和该物平面之间设置光学衰减元件，这些光学衰减元件改变通过照明装置对物体的照明，以使得物体中心区域接受的照度要低于物体的周缘区域，以基本补偿由针孔光圈成像到检测装置上的物体图像的系统固有周缘亮度降低。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于

这些光学衰减元件是光圈结构的形式，包括低传输率的同心线和高传输率的中间区域，它们之间的宽度和/或距离设计成使得物体的中心区域接受的光强度要低于物体的周缘区域。

3.如权利要求1至2之一所述的系统，其特征在于

该照明装置包含若干单独光源，在这些单独光源前面设置光学衰减元件，以使得通过叠加物平面中各光源的光强度，物体中心区域的光强度要低于物体的周缘区域。

4.如权利要求1至2之一所述的系统，其特征在于

这些光学衰减元件是具有一个或以上光圈结构的薄膜掩模的形式。

5.如权利要求1至2之一所述的系统，其特征在于

针孔光圈是薄膜掩模的形式，直径为10至1000微米。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于

针孔光圈的直径为20至500微米。

7.如权利要求5所述的系统，其特征在于

针孔光圈的直径为50至200微米。

8.如权利要求5所述的系统，其特征在于

该物体通过反射光学方法成像到检测装置上，以及该针孔光圈集成到薄膜掩模中。

9.如权利要求1至2之一所述的系统，其特征在于

该检测装置是光学传感器元件。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于

该检测装置是CCD元件或CMOS元件。

11.一种用于记录和处理光学信息的系统，包括：

承载光学信息的物体，

如权利要求1至10之一所述的用于光学成像物体的系统，以及

评估装置，该评估装置记录源自检测装置上的物体图像的物体光学信息，以及提供该信息以作进一步处理或显示。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于

该光学信息是光学图样或代码的形式。

13.一种测试元件分析系统，包括：

测试元件，该测试元件承载光学信息，以及

根据权利要求11所述的用于记录和处理光学信息的系统。

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于

光学信息是关于测试类型、批号、制造日期、校验或者用于校准作用的光学编码信息

15.一种用于将位于物平面中的物体光学成像到位于检测平面中的检测装置上的方法，其中物体由照明装置来进行照射，以及物体通过针孔光圈成像到检测装置上，

其特征在于

光学衰减元件设置在照明装置和物平面之间，该光学衰减元件改变通过照明装置对物体的照明，以使得物体中心区域接受的照度要低于物体的周缘区域，以基本补偿由针孔光圈成像到检测装置上的物体图像的系统固有周缘亮度降低。

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