CN101506982B - 用于获得三维数字图像的电耦合器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电耦合器件，其经改进可获得清晰明了的三维图像，而不需要单独的设备。根据本发明用于获得三维图像的电耦合器件包括：主体(101)，具有开放顶部和在所述主体形成的腔体，以及具有形成于所述主体的外表面上的芯片针，以传输信息至所述数字图像记录装置的电子元件；光接收元件(102)，安装在所述主体内部的底表面上，包括一组对光敏感的多个光学感应器；狭缝板(110)，配置用于覆盖所述主体的腔体的开口，形成为透明部分和不透明部分交替安排。

Description

用于获得三维数字图像的电耦合器件
技术领域
本发明总得来说涉及一种用于数字图像记录装置的电耦合器件(Charge Coupled Device)，尤其涉及一种安装于诸如数码相机、数码摄录机或数码医学影像装置的各种数字图像记录装置的电耦合器件，它使得可以获得非常清楚明晰的三维图像。
背景技术
人眼在水平方向分开大概65mm的距离，对于三维感觉来说，由水平分开所引起的双目差异是至关重要的因素。即，左眼和右眼看到的是不同的二维图像。当这两幅图像通过视网膜传输到大脑时，大脑将这两幅图像精确地组合在一起，由此实现原始三维图像的纵深感和真实感。
目前，已经有多种方法试图通过诸如光学仪器的各种装置来实现三维形状，一些技术已经达到商业化。例如，偏振滤光镜(polarizing filter)方法是一种通过正交偏振装置的结合、应用遮蔽效应的左、右眼获取图像的分离技术，其实施如下，左、右图像通过装有正交偏振装置等的视频投影机投射到屏幕上，左、右图像使用装有正交偏振装置等的眼镜来观看。除了偏振滤光镜方法外，还有一种分时立体再现方法，交替顺序切换左、右图像，左、右图像间存在视差角，将左、右图像呈现给双眼，使用与左、右图像的切换同步的快门眼镜(shutter glasses)将左、右图像以三维图像再现。此外，还有无需特殊眼镜的免镜(glasses-free)法，例如视差栅栏(parallax barrier)法、凸透镜状(lenticular)法、全息(holograph)法。视差栅栏法的实施如下，相应于左、右眼的图像在被称之为视差栅栏的窄缝状开口后交替地布置，且与视差栅栏相隔适当的距离，这样，当左、右图像在特定时间点穿过该开口观看时，图像就可以被准确地分开并呈现出三维图像。凸透镜状法的实施如下，左、右图像以条状布置在半圆柱透镜的焦平面上，称之为凸镜状屏幕(lenticularscreen)，依靠凸透镜状安排的透镜面的方向性而被分开，由此，图像通过凸镜状安排的透镜面观察时，图像呈现出三维图像，而无需眼镜。除了上面提到的方法外，至今，还有多种尝试，试图获得满意的三维图像。但是，这些传统的方法的问题在于需要特殊的装置，偏振滤光镜或透镜状安排的透镜，或者说用于获得三维图像的装置的构建太复杂。相应地，传统方法还具有制造该装置的成本较高的缺陷，普通消费者很难企及这些方法。
韩国专利No.423124，名称为“Three-Dimensional Image System”，由本申请人于2001-6-20提交至专利局，旨在更为简单和优良地获得三维图像。该专利合并入本发明中，公开了一种光学记录装置，胶片等图像记录媒介被放在远远越过菲涅尔区(Fresnel region)的地方，菲涅尔区是光穿过狭缝时直线传播的区域，因此，实现清晰的三维图像，不受在缝处的衍射而生成的余像(afterimage)的干扰。图1是使用狭缝记录三维图像的光学装置的结构的示意图，图2是由本申请人提出的使用狭缝板的三维图像记录装置的图像形成的原理图。不像传统的使用狭缝的装置，图像记录在作为图像记录介质的胶片上，位于穿过狭缝的光线直线传播的菲涅尔区域中，上述专利中，三维图像信息是记录在作为图像记录介质的胶片203上，胶片203与狭缝板相距足够的距离，远远超过菲涅尔区域，因此避免了由于狭缝板204的特点而引起的不需要的余像被记录。即，根据狭缝板的透明部分和不透明部分的比率，确定狭缝板204和胶片203之间的最优图像形成距离。在图2中，“a”表示菲涅尔区域的长度，该区域中穿过狭缝的光直线传播，“b”表示最优图像形成距离，需要图像在超过菲涅尔区域的位置形成。未作描述的参照符201表示图像记录装置的主体，参照符202表示透镜。
韩国专利登记号NO.423124所公开的上述专利，是适于模拟光学仪器的技术，如模拟照相机或摄像机，但是，当今流行的是数字图像记录装置。
图3是传统电耦合器件(CCD)的纵向剖面图。CCD 300包括主体301、光接收元件302和透明玻璃板304；主体301具有开放的顶部和在其中形成的腔体，且多个芯片针(chip pin)形成于其外表面；光接收元件302由多个像素组成，安装于所述主体的底表面上；透明玻璃板304覆盖着所述主体301的腔体的开口。这种CCD适用于根据光接收元件中的光图像信息而累积电荷，光接收元件对穿过透镜的图像光的亮度反应很敏感，这种CCD适于在外部存储装置等中记录和存储电荷。大多数CCD近来采用了这种CCD。但是，仅仅使用传统的CCD本身无法获得三维图像，它仅仅能记录穿过透镜的光的亮度，因此需要单独的装置或单独的软件的支持才能获得三维图像。
发明内容
技术问题
相应地，本发明是针对出现在上述现有技术中的问题而作出的。本发明的一个目的是提供一种电耦合器件，它安装于各种数字图像记录装置上，例如数码照相机和数码摄像机，由此可以改进而直接得到三维图像，而不需要单独手段的支持。
详细地说，本发明的目的是提供一种用于数字图像记录装置的电耦合器件，它可以在设置于该电耦合器件中的光接收元件上直接记录由穿过透镜的光而获得的三维图像的信息，而不需要单独的偏光镜(polarizingglasses)、单独的凸透镜状安排的透镜或其他设备，可以将记录的信息存储于存储器等中。
技术方案
为了达成上述目的，本发明提出一种具有下述技术特点的电耦合器件(CCD)。
本发明提供了一种用于获得三维图像的电耦合器件，该电耦合器件安装于数字图像记录装置以输出目标的图像，该电耦合器件包括：主体、光接收元件、狭缝板；主体具有开放的顶部和在主体中形成的腔体，多个芯片针(chip pin)形成于主体外表以传输信息至数字图像记录装置的电子元件；光接收元件安装于所述主体内部的底表面上，包括一组多个光学感应器；狭缝板配置用于覆盖所述主体的腔体，且狭缝板形成为透明部分和不透明部分交替安排，这些透明部分和不透明部分具有一致的宽度比；其中所述狭缝板和所述光接收元件之间的距离得到优化，使得图像信息能够记录在处于菲涅尔区域外的所述光接收元件上被记录，在菲涅尔区域，穿过透镜后的光穿过所述狭缝板的透明部分以直线传播。
优选地，所述狭缝板和光接收元件间的距离被优化，使得穿过狭缝板的相邻透明部分的衍射光的交叉位于所述光接收元件的图像记录表面。
优选地，所述电耦合器件进一步包括单独的滤色镜(color filter)，其设置在所述狭缝板的顶部，或者所述狭缝板与该滤色镜结合为一体。
优选地，所述透明部分和不透明部分的宽度比在1∶3到1∶6的范围内，或者在3∶1到6∶1的范围内.
优选地，所述狭缝板的透明部分和不透明部分限定狭缝，每个狭缝的形状与选自斜纹形状和同心圆形状中的任意一个相对应。
有利效果
依照本发明的CCD，一个优点是：利用狭缝由透明部分和不透明部分所限定且交替安排的狭缝板，三维图像信息被记录在位于远远超越菲涅尔区域的作为光学记录介质的光接收元件上，因此使得获得了高质量的清晰和无余像的三维图像。
此外，本发明的优点在于：具有一致的宽度比的透明部分和不透明部分被交替安排的狭缝板能够与滤色镜一体结合，使得CCD的构造进一步简化，因此实现了制造过程的紧凑和经济效果，比如减少制造成本。
如上所述，根据本发明的CCD，可以获得具有可靠质量的清晰的三维图像，而不需要单独的复杂的设备。
附图说明
图1是示出利用狭缝来记录三维图像的光学装置结构的示意图；
图2是由本申请明人提出的利用狭缝板的三维图像记录装置的图像形成的原理图；
图3是传统电耦合器件的纵向剖面图；
图4是依照本发明的电耦合器件的纵向剖面图；
图5是安装于图4所示的电耦合器件的狭缝板的平面图和局部放大图；
图6是依照本发明的第二实施例的狭缝板的平面图；
图7是依照本发明的第三实施例的狭缝板的平面图；
图8是示出穿过透镜的光穿过对应于透明部分的狭缝，图像信息记录在光接收元件上的过程的示意图；
图9至图11是描述对应于不同的图像形成距离的图像之间的差别的光传播路径的示意图。
具体实施方式
图4是依照本发明的电耦合器件的纵向剖面图；图5是安装于图4所示的电耦合器件的狭缝板的平面图和局部放大图。
利用狭缝的典型的三维图像技术是当穿过狭缝的光落在光直线传播的菲涅尔区域中时，图像信息被记录在图像记录介质上。因此，根据传统技术，由于该狭缝，令人不喜欢的效果一定会出现，狭缝的特点所引起的不需要的图案出现在所记录的图像上。
根据本发明的电耦合器件(CCD)100包括：主体101，具有开放顶部和在其中形成的腔体，且芯片针(chip pin)103形成于其外表面部分上以传输信息至图像记录装置的电子元件；光接收元件102，安装于主体101内部的底表面上，配置用于以电信号的形式记录所传送的光的图像信息；狭缝板110，配置用于覆盖主体101的腔体的开口，且狭缝板110形成为由透明部分111和不透明部分112限定的多个狭缝交替地安排。
穿过透镜(未示出)，目标的图像形成于CCD 100的光接收元件102上，它是成像装置，且目标的图像以电荷在光接收元件102中积累。在光接收元件102中所积累的电荷由处理器(未示出)等以预定方式处理，通过模拟/数字(A/D)转换器，经处理的电荷以数字信息存储于诸如存储器的存储装置中。存储在该存储器中的数字图像信息接下来以图像显示在显示装置上，例如液晶显示器(LCD)。
光接收元件102是一组由硅制成的、对光敏感的多个光学感应器或像素。当狭缝板110和光接收元件102的顶部表面之间的距离限定为三维图像可以被记录的图像形成距离时，本发明的图像形成距离延伸越过菲涅尔区域，在菲涅尔区域中，穿过狭缝板110的透明部分的光直线传播。即，光接收元件102位于相距狭缝板足够的距离，超越菲涅尔区域。当由目标反射且穿过透镜(未示出)的光穿过狭缝板110的透明部分111时，光在菲涅尔区域直线传播，不发生衍射。如果光偏离菲涅尔区域，就会发生衍射，因此衍射光形成。穿过对应于透明部分111的狭缝的光由于光接收元件102上的狭缝的特点而形成图案，如上所述。然而，当图像形成距离由零开始逐步增加时，由于光穿过菲涅尔区域，记录在光接收元件上的图像受狭缝的图案的影响逐渐地越来越小。
在该实施例中，如图5所示，使用狭缝板110，在狭缝板110中，多个垂直的透明部分111和不透明部分112交替地安排。多个透明部分111和不透明部分112中的每个优选地形成为宽度为几微米(micrometer)，透明部分的宽度与不透明部分的宽度的比率可在1∶3到1∶6的范围内，或是3∶1到6∶1的范围内。狭缝板110可形成为具有厚度50μm到0.5mm。由本发明的狭缝板110可获得的最优图像形成距离随着透明部分111与不透明部分112的相对宽度的大小或它们的宽度比率而不同。例如，当每个透明部分111的宽度为30μm而每个不透明部分112的宽度为180μm时，本发明的图像形成距离为11mm到12mm。在本发明中，应该注意透明部分111不是在狭缝板110上制作开口。即，本发明的狭缝板110由可用作光学透镜或光学过滤器的材料制成，透明部分111形成为透明的，以使光穿过，与不透明部分112不同。
图8是示出穿过透镜的光穿过对应于透明部分111的狭缝，图像信息记录在光接收元件102上的过程的示意图。置于本发明的CCD 100中的光接收元件102位于相距狭缝板110足够远的距离处，以超越菲涅尔区域。如图所示，经由透镜400穿越透明部分111的光在菲涅尔区域132直线传播，而穿越每个透明部分111的相对的边缘的光被衍射，因此形成衍射光115。参照符118表示本发明的图像形成距离，该距离延伸超过了菲涅尔区域。
图9至图11是描述对应于不同的图像形成距离的图像之间的差别的光传播路径的示意图。
图9所示为狭缝板110与CCD 100的光接收元件102之间的距离过长的情形，因此，光穿过透明部分111时形成的衍射图案的影响产生。图10所示为狭缝板110与CCD 100的光接收元件102之间的距离过短的情形，因此，光穿过透明部分111时形成的衍射图案的影响产生。本发明的图像形成距离118，即狭缝板110与光接收元件102之间的距离，要长于菲涅尔区域的长度，如前面所提及的。但是，当该距离过长时，图像形成就要受到穿过邻近透明部分111的光的衍射光115的影响。在这种情形，衍射光115的交叉117处在狭缝板110与图像记录表面(即光接收元件102的顶表面)之间。此时，如果三维图像信息转化成电荷，而该电荷在光接收元件102中累积，由于衍射光115的令人不喜欢的作用，条状图案，由白线121表示，就会产生在三维图像上。
相反，当图像形成距离118过短时，衍射光115的交叉117处在光接收元件102的图像记录表面下，如图10所示，由黑线122表示的条状图案，就会产生在三维图像上。这种白条或黑条状图案最终导致输出的三维图像的劣化。
因此，当光接收元件102的图像记录表面允许被放置在与穿过邻近透明部分111的衍射光115的交叉117重合的位置时，就可以获得清晰明了的三维图像，不会受由衍射光115引起的干扰图案的影响。
这里，当衍射光115的交叉117位于光接收元件102的图像记录表面时所得到的狭缝板110与光接收元件102的图像记录表面之间的距离定义为最优图像形成距离。该最优图像形成距离随着透明部分111与不透明部分112的相对宽度的大小(即它们的宽度比率)而改变。
优选地，单独的滤色镜(未示出)设置在狭缝板110的顶部上，与狭缝板110以间隔分开或紧密接触。在这种情况下，由于不需要安装独立的滤色镜，带来的优点是，制造CCD过程得到简化，CCD的组件可以自由设计。
本发明的模式
图6示出依照本发明的另一实施例的狭缝板140。依照本实施例的狭缝板140中，透明部分141和不透明部分142交替地安排且以对角线方向倾斜。当使用形成有在对角线方向上倾斜的狭缝的狭缝板140时，由狭缝引起的方向性就可以得到避免。
图7示出依照本发明的又一实施例的狭缝板150。依照本实施例的狭缝板150中，透明部分151和不透明部分152交替地安排，构成同心圆。当使用具有这种形状的狭缝板150时，狭缝的方向性的控制进一步得到方便。
工业适用性
如上所述，本发明提供了一种电耦合器件，它可以被安装到大多数数字图像记录设备上使用，例如数码相机、数码摄像机以及数字医学影像设备。因此，可以想象，可获得三维图像的本发明的电耦合器件的使用在各产业领域都很高。
此外，由于采用本发明的电耦合器件的数字图像记录装置不需要单独的设备来获得三维图像，该数字图像记录装置可期望广泛应用于实际的多种成像设备领域。

Claims (7)

1.一种用于获得三维图像的电耦合器件，所述电耦合器件安装在数字图像记录装置上以输出目标的图像，其包括：
主体，具有开放顶部和在所述主体形成的腔体，以及具有形成于所述主体的外表面上的芯片针，以传输信息至所述数字图像记录装置的电子元件；
光接收元件，安装在所述主体内部的底表面上，包括一组对光敏感的多个光学感应器；
狭缝板，配置用于覆盖所述主体的腔体的开口，形成为透明部分和不透明部分交替安排，所述透明部分和不透明部分的宽度具有一致的比率；
其中，所述狭缝板与所述光接收元件之间的距离得到优化，使得图像信息可以在超越菲涅尔区域的位置被记录在所述光接收元件上，在菲涅尔区域中，当穿过透镜的光穿过所述狭缝板的透明部分时，光直线传播。
2.如权利要求1所述的电耦合器件，其特征在于：所述狭缝板与所述光接收元件之间的距离得到优化，使得穿过所述狭缝板的邻近的透明部分的干涉光的交叉处于所述光接收元件的图像记录表面。
3.如权利要求1所述的电耦合器件，其特征在于：进一步包括设置于所述狭缝板上的滤色镜。
4.如权利要求3所述的电耦合器件，其特征在于：所述狭缝板与所述滤色镜一体形成。
5.如权利要求1所述的电耦合器件，其特征在于：所述透明部分和所述不透明部分的宽度比率在1∶3到1∶6的范围内。
6.如权利要求1所述的电耦合器件，其特征在于：所述透明部分和所述不透明部分的宽度比率在3∶1到6∶1的范围内。
7.如权利要求1到5中任意一个所述的电耦合器件，其特征在于：所述狭缝板的所述透明部分和所述不透明部分限定了狭缝，每个狭缝具有与选自对角线形状和同心圆形状中任何一个相对应的形状。
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