CN101995659A - 用于行传感器模块的透镜阵列成像光学设备 - Google Patents

用于行传感器模块的透镜阵列成像光学设备 Download PDF

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Abstract

本发明的实施例涉及用于行传感器模块的透镜阵列成像光学设备，其包括至少两个透镜阵列(100，200)以及布置在两个透镜阵列(100，200)之间的黑遮罩(700)，黑遮罩(700)被构造为避免至少两个透镜阵列(100，200)的相邻透镜器件(110)在图像平面(400)的图像区间(410)内的子图像的重叠。

Description

用于行传感器模块的透镜阵列成像光学设备
技术领域
本发明的实施例涉及可在扫描仪及复印机中使用的用于行传感器(line sensor)模块的透镜阵列成像光学设备，在该情况下，按照时间顺序逐行地对要扫描或复印的对象进行记录，使得在行传感器的平面中产生上述对象行的图像。
背景技术
行传感器模块被广泛应用于扫描仪及复印机。对要扫描或复印的二维对象(例如，纸制文件)进行按照时间顺序沿与记录行垂直的方向(以下被定义为垂直方向)的逐行记录。记录行的数量决定了扫描对象在垂直方向上的分辨率。可以通过行传感器进行单次拍摄来记录每行，行传感器可包括半导体(CCD或CMOS)像素的行阵列。在行阵列中的像素数量决定了扫描对象在水平方向上的分辨率。分辨率的常规值例如是在水平方向及垂直方向上分别为600点/英寸(dpi)。
耦合至行传感器的成像光学设备在行传感器的平面内产生要扫描的对象的整行的光学图像。为此，要扫描的对象被布置在行成像光学设备的对象平面内，并且行传感器被布置在行成像光学设备的图像平面内。
由棒状透镜的阵列构成的行成像光学设备是公知的。可通过较短的梯度折射率光纤(例如，SelfockTM透镜阵列)来实现各个棒状透镜。但是，上述梯度折射率纤维透镜极为昂贵。
这些透镜被设计为在行传感器的平面内产生要扫描的对象的非倒转图像。行传感器通常包括被布置为线状阵列的半导体传感器像素(CCD或CMOS)。每个纤维透镜器件分别捕获对象的一部分，例如约为各个透镜的直径三倍的区域。
通过各个单一透镜产生的局部图像以相当大的重叠度被叠加以最终形成扫描对象的图像。
为了适当地叠加上述较多重叠的局部图像，每个局部图像均为非倒转图像，并具有与对象差不多的相同尺寸(放大倍率为1)。
梯度折射率纤维透镜具有较窄的景深。如果要扫描的对象例如仅被提高0.3或0.4mm，就可能就不能够以要求的分辨率来分辨对象的图像。例如当要扫描的对象并非完全平整并且没有闭合扫描仪来使对象平整时，或当要从书籍复印页面而该书籍页面因装订而在书籍的内侧部分抬升时，会产生上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于行传感器模块的低成本透镜阵列成像光学设备，其具有扩展的景深，以提高对要扫描的对象的焦外位置进行避免的误差宽容度。此外，应当避免杂散光。
通过根据权利要求1的用于行传感器的透镜阵列成像光学设备以及根据权利要求13的用于行传感器的透镜阵列成像光学设备实现了上述目的。
参考附图及相关描述，本发明的实施例的细节将变的清楚。
附图说明
提供的附图有助于对实施例的进一步理解，并结合在说明书中构成其一部分。附图示出了实施例，并与说明书一起用于说明实施例的原理。参考下述详细描述，可以更好地理解其他实施例以及实施例的很多设计优点。附图中的元件并不一定按照相对比例绘制。类似的参考标号表示对应的类似部分。
图1示出了透镜阵列成像光学设备，其包括位于对象平面与图像平面之间的第一透镜阵列及第二透镜阵列，以及布置在第一与第二透镜阵列之间的黑遮罩。
图2示出了与图1类似的透镜阵列成像光学设备，并示出了通过黑遮罩以及第二透镜阵列的透镜器件的受限孔来遮挡光束。
图3示出了透镜阵列光学设备，其包括的第一透镜阵列的表面形状被构造为在中间图像平面的位置处产生远心光束(telecentric light beam)。
图4示出了具有两个黑遮罩的透镜阵列成像光学设备。
图5示出了具有三个黑遮罩的透镜阵列成像光学设备。
图6示出了具有两个透镜阵列以及夹置于其间的黑遮罩的透镜阵列成像光学设备的一部分的立体图。
图7示出了具有一个透镜阵列以及用于将由行传感器检测到的图像放大和倒转的装置的透镜阵列成像光学设备。
图8示出了与图7类似的设置。
图9示出了被构造为得到来自对象的远心光的系统。
图10示出了对于图8的构造而言的图像平面中的图像。
图11示出了对于图9的构造而言的图像平面中的图像。
具体实施方式
以下将描述本发明的实施例。必须注意到，以下描述的所有实施例均可以任何方式加以组合，即，并没有对描述的特定实施例彼此之间不能组合的限制。此外，应当注意，图中相同的参考标号表示相同或类似的元件。
应当理解，在不脱离本发明范围的前提下，可以实现其他实施例，或者可进行结构和逻辑的改变。因此，以下详细描述并不应被视为限制，本发明的范围由所附权利要求界定。
应当理解，除非有具体相反的说明，否则这里描述的各个不同实施例的特征可彼此组合。
行成像光学设备的实施例在图1中示出，并包括至少两个透镜阵列100、200，它们每一者均包括透镜器件110、210。这些透镜器件110、210可具有凸面，并可以线状的布置方式来布置。
可通过模注成型处理来制造透镜阵列100、200，这有助于降低制造成本。用于透镜阵列的光学材料可以是任意具有高透光性的材料，例如玻璃或塑料。合适的塑料材料包括丙烯酸树脂(Acrylic)，聚碳酸酯，PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，Zeon(商品名；330R，430R，E48R及其他)，Topas(商品名；5013ls；5013x16；6015s-04及其他)，聚苯乙烯，聚肉桂塑料(Polystyron)，尼龙(Nylon)，莱克桑树脂(Lexan，商品名)，派热克斯玻璃(Pyrex，商品名)，Lustran(商品名)，Lustrex(商品名，乙烯基均聚物)，COC(环烯烃共聚物)，聚苯乙烯(Dylene)，卢塞特树脂(商品名，Lucite)，Ultem(商品名，聚醚酰亚胺)，Tyril(商品名)，Merton(商品名)，Plexiglass(商品名，树脂玻璃)，或TPX(聚甲基戊烯)。
与透镜器件210相对应的每个透镜器件110均在行传感器的平面(即，图像平面400)中产生图像区间410，每个图像区间410均与位于对象平面300内的对象的一个对象区间310相对应。
可以是纸张的对象将被布置在对象平面300中，并可由玻璃板600支撑。第一透镜阵列100的透镜器件110将按条状扫描的对象划分为多个对象区间310，每个对象区间310均与第一透镜阵列100的一个透镜器件110以及第二透镜阵列200的对应透镜器件210相关联。
向对象区间310分配第一透镜阵列100的透镜器件110，每个对象区间310均具有与相关联的透镜器件110、210的宽度对应的宽度。第一透镜阵列100的每个透镜器件110均适于在中间图像平面500处产生相关联的对象区间310的缩小图像。各个对象区间310在中间图像平面500内的中间图像是倒转的。
第二透镜阵列200的透镜器件210适于在行传感器的平面(即，图像平面400)中的图像区间410处产生中间图像的倒转图像。通过上述双重倒转，行传感器处的图像区间410最终相对于对象区间310为非倒转。
为了避免透镜器件110的像场的重叠(即，相邻的透镜器件110在图像平面400中产生的子图像的重叠)，并为了避免在产生图像区间410的图像时上述重叠子图像可能会产生的不适当叠加，将黑遮罩700布置在第一透镜阵列100与第二透镜阵列200之间。
例如通过具有适当尺寸的孔来构造黑遮罩，以使得相邻的各对对应透镜器件110、210的像场(例如，透镜对110a、210a的图像以及透镜对110b、210b的图像)在图像平面400中不会重叠的方式，来阻挡光进入第二透镜阵列200。换言之，单个图像区间410的图像仅通过一对对应的透镜器件110、210(例如，透镜对110a、210a或透镜对110b、210b)来在图像平面400中产生。因此，可以避免相邻对的对应透镜器件110、210的重叠图像的不适当地迭加。
因此，黑遮罩700包括与各个对象区间310及其对应图像区间410相关联的孔710，并可被布置在中间图像平面500的位置处。孔710的尺寸适于使孔允许来自相关联的对象区间310的光通过，但是，黑遮罩700可遮挡来自与该特定孔相关联的对象区间310相邻的对象区间310的光。该黑遮罩可包括诸如包括黑色染料的塑料或金属之类的任何吸收性材料。
图1所示的实施例适于产生与对象区间310类似地具有相同尺寸的图像区间410。因此，行传感器处的图像区间410被装配到对象条的完整图像内而不会产生任何重叠。在行传感器处传感器像素的数量界定了水平图像分辨率。
各个传感器像素的宽度可处于20μm至40μm的范围内，而各个图像区间410的宽度可约为1mm，因此，在本示例中，各个图像区间410的图像分辨率可包括约25至50个像素。
通过设置黑遮罩700，可以实现下述有益的技术效果。如果各个透镜器件的图像放大倍率恰好为1，并且并没有透镜器件的制造公差导致子图像偏移，则相邻的各对对应透镜器件对的子图像可适当地接合而不会产生劣化或模糊，但是，因为实践中图像放大倍率会略微变化(例如，归因于畸变或归因于因制造误差而造成的各个子图像的位置彼此相对略微偏移)，故不同对的透镜器件对在图像平面中的单一图像区间中所产生的子图像的重叠可能不能够实现完全适当的接合。因此，由不同对的对应联透镜器件110，210对的子图像构成的图像区间会变模糊。在如图1所示的透镜成像光学设备中设置黑遮罩700可防止不同对的对应透镜器件110，210对的子图像的重叠，使得由单一对的对应透镜器件110，210对产生单一图像区间的图像。
透镜器件110、210可以是球面的，对于模制工艺而言这是有利的。透镜器件110，210也可以是非球面的，这可提高透镜阵列成像光学设备的图像品质。透镜阵列100，200也可以相同。
图2涉及与图1类似的包括黑遮罩700的透镜阵列成像光学设备，并示出了黑遮罩700以及第二透镜阵列200的透镜器件210的受限孔是如何遮挡诸如来自对象区间310的外场位置(outer field point)的光束180之类的光束。如图2下部示意性所示，上述遮挡会引起对应的图像区间410上不均匀的强度分布190。
此外，如果未被黑遮罩700遮挡，则光束180会进入与透镜器件210相邻的透镜器件，由此引起串扰。
图3示出了包括第一透镜阵列100的透镜阵列成像光学设备，第一透镜阵列100具有的透镜器件110的表面111，112被构造为使得通过的光束185变为远心形(telecentric shape)。由此，可以避免的如图2所示的黑遮罩700对外场位置的光的不必要的遮挡。第一透镜阵列100的第一表面111的形状被构造为在中间图像平面500处产生图像的成像透镜，并且第一透镜阵列110的第二表面112的形状被构造为以远心形对光束185重新导向的场透镜。
透镜器件的直径D处于0.5至10mm的范围内，具体而言为1.0mm。上述实施例的器件的度量方面的示例包括：玻璃板600的厚度处于2mm至5mm的范围内，具体为3mm，玻璃板600与第一透镜阵列100之间的距离处于0.5×D至10×D的范围内，具体为1.5mm，第一透镜阵列100与第二透镜阵列200之间的距离处于0.5×D至5×D的范围内，具体为1mm，而第二透镜阵列200与图像平面400之间的距离处于1×D至10×D的范围内，具体为3.5mm。第一透镜阵列100及第二透镜阵列200的厚度可处于1×D至5×D的范围内，具体为2.5mm，并且透镜器件110的半径在第一表面111处可处于0.5×D至无限大的范围内，具体为0.9mm，而在第二表面112处可处于0.5×D至无限大的范围内，具体为0.7mm。此外，透镜器件210的半径在第一表面211处可处于0.5×D至无限大的范围内，具体为0.9mm，而在第二表面212处可处于0.5×D至无限大的范围内，具体为0.7mm。
图4及图5示出了包括附加黑遮罩800、900的透镜阵列成像光学设备。这些附加的黑遮罩800、900可处于透镜阵列100、200的入射位置及/或出射位置，并可以如图4所示对诸如光束186之类的以倾斜角入射的光进行遮挡。因此，这些附加的黑遮罩800、900可辅助黑遮罩700来防止不同的对象区间310的光被成像至单一图像区间410中，由此可进一步抑制串扰及杂射光。
图6示出了透镜阵列成像光学设备的立体图，其包括具有孔710的黑遮罩700，该黑遮罩700被夹置在第一透镜阵列100与第二透镜阵列200之间。在该具体示例中，在图6右侧示出的黑遮罩700的孔710以1mm的间距布置成行，并具有0.6mm的直径。但是，取决于透镜阵列100、200的特性，也可选择具有其他几何结构的孔710。
图7示出了透镜阵列成像光学设备的另一实施例，其具有布置在对象平面300与图像平面400之间的单一透镜阵列100。
透镜阵列100包括多个透镜器件110，每一个均在行传感器的平面(即，图像平面400)内产生倒转并缩小的图像部分410。图像平面400中的每一个图像区间410均与位于对象平面300内的对象的一个对象区间310相关联。
可以是纸张的对象被布置在对象平面300中，并可由玻璃板600支撑。透镜阵列100的透镜器件110将按条扫描的对象划分为多个对象区间310，其中，每一个对象区间310均与一个透镜器件110相关联。
然后，可将各个图像区间410的图像信息内容倒转形成倒转图像410a，并放大形成放大图像410b。可通过用于放大并倒转的装置(例如，用于数字信号处理(DSP)以恢复原始对象的图像)来执行上述处理。通过数字信号处理(DSP)，局部图像410b被无缝地连接至各个相邻的局部图像。
图8示出了与图7类似的设置。如果在玻璃板600与对象平面300之间存在间距Δz(例如，当纸被抬升时)，则图像对象被缩小(de-magnified)。当图像通过数字信号处(DSP)被倒转并放大并且被接合在一起由此恢复整个图像行时，这会引起“假像”(artifact)。
图9示出了解决上述缩小问题的系统。该系统包括两个透镜阵列100、200，但是，它们被布置为在图像平面400处仍会产生倒转图像的构造。透镜器件110、210的曲率半径以及厚度及间距适于得到来自对象的远心光束。
另一优点在于设置透镜阵列使得远心光束朝向图像出射，因为在此情况下，缩小倍率与传感器距离无关。
图10示出了对于参考图8所示的设置，在对象平面300中经过正弦曲线亮度调制的图案在图像平面400中得到的模拟图像，其中对比了Δz＞0与Δz＝0时的情况。可以清楚地看到，当诸如纸张的对象被抬升时，图像被缩小。
图11示出了对于参考图9所示的设置，在对象平面300中经过正弦曲线亮度调制的图案在图像平面400中得到的模拟图像。可以清楚地看到，无论对象是否被抬升，倍率均无变化。
尽管在此已经示出并描述了具体实施例，但本领域的技术人员可以理解，在不脱离上述实施例的范围的前提下，可利用各种不同的替代及/或等同实施方式来替代所示出并描述的具体实施例。本申请意在涵盖这里所述的具体实施例的任何修改示例或改变示例。因此，本发明应仅由权利要求及其等同范围来界定。

Claims (15)

1.一种用于行传感器模块的透镜阵列成像光学设备，包括至少两个具有透镜器件(110，210)的透镜阵列(100，200)，
其中，所述透镜器件(110，210)被构造为将对象平面(300)中的对象区间(310)成像为图像平面(400)中的图像区间(410)，其中
黑遮罩(700)被布置在第一透镜阵列(100)与第二透镜阵列(200)之间，并具有孔(710)，其中，各个所述孔(710)分别与对象区间(310)相关联，并被构造为防止与所述相关联的对象区间(310)相邻的对象区间(310)的光通过。
2.根据权利要求1所述的用于行传感器模块的透镜阵列成像光学设备，其中，
所述第一透镜阵列(100)的第一表面(111)被构造为形成多个成像透镜，并且
所述第一透镜阵列(100)的第二表面(112)被构造为形成多个场透镜，
其中，所述第一表面(111)及所述第二表面(112)被布置为入射光束以远心形式重新导向在位于所述第一透镜阵列(100)与所述第二透镜阵列(200)之间的中间图像平面(500)。
3.根据权利要求2所述的用于行传感器模块的透镜阵列成像光学设备，其中，
所述第一透镜阵列100及所述第二透镜阵列200每一者的厚度分别处于从1×D至5×D的范围内，并且
在所述第一透镜阵列(100)的所述第一表面(111)处的透镜器件半径以及在所述第二透镜阵列(200)的第一表面(211)处的透镜器件半径为0.6×D或更大，并且
在所述第一透镜阵列(100)的所述第二表面(112)处的透镜器件半径以及在所述第二透镜阵列(200)的第二表面(212)处的透镜器件半径为0.5×D或更大，其中，D是各个透镜器件的直径。
4.根据权利要求1所述的用于行传感器模块的透镜阵列成像光学设备，其中，所述黑遮罩(700)被布置在所述第一透镜阵列(100)与所述第二透镜阵列(200)之间的中间图像平面(500)中。
5.根据权利要求1所述的用于行传感器模块的透镜阵列成像光学设备，包括至少一个附加黑遮罩(800，900)，所述附加黑遮罩具有与各个对象部分(310)相关联的孔，所述至少一个附加黑遮罩被布置在所述对象平面(300)与所述图像平面(400)之间。
6.根据权利要求5所述的用于行传感器模块的透镜阵列成像光学设备，其中，所述至少一个附加黑遮罩(800，900)中的一个被布置在所述对象平面(300)与所述第一透镜阵列(100)之间。
7.根据权利要求5所述的用于行传感器模块的透镜阵列成像光学设备，其中，所述至少一个附加黑遮罩(800，900)中的一个被布置在所述第二透镜阵列(200)与所述图像平面(400)之间。
8.根据权利要求1所述的用于行传感器模块的透镜阵列成像光学设备，其中，所述透镜阵列包括下述任一材料：丙烯酸树脂，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸甲酯，Zeon，Topas，聚苯乙烯，Polystyron，尼龙，莱克桑树脂，派热克斯玻璃，Lustran，Lustrex，环烯烃共聚物，聚苯乙烯，卢塞特树脂，Ultem，Tyril，Merton，Plexiglass，或聚甲基戊烯。
9.根据权利要求1所述的用于行传感器模块的透镜阵列成像光学设备，其中，所述黑遮罩(700，800，900)包括诸如金属或具有黑色染料的塑料之类的任何光吸收材料。
10.根据权利要求1所述的用于行传感器模块的透镜阵列成像光学设备，其中，所述第一透镜阵列(100)与所述第二透镜阵列(200)相同。
11.根据权利要求1所述的用于行传感器模块的透镜阵列成像光学设备，其中，所述透镜器件(110，210)具有球面。
12.根据权利要求1所述的用于行传感器模块的透镜阵列成像光学设备，其中，所述透镜器件(110，210)具有非球面。
13.根据权利要求1所述的用于行传感器模块的透镜阵列成像光学设备，
其中，所述图像区间(410)相对于所述对象区间(310)倒转并缩小，并且
其中，所述透镜器件被构造为得到来自所述对象的远心光束。
14.根据权利要求13所述的用于行传感器模块的透镜阵列成像光学设备，其中，所述透镜器件被构造为得到朝向所述图像出射的远心光束。
15.根据权利要求13所述的用于行传感器模块的透镜阵列成像光学设备，其中，所述透镜阵列(100)包括下述任一材料：丙烯酸树脂，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸甲酯，Zeon，Topas，聚苯乙烯，Polystyron，尼龙，莱克桑树脂，派热克斯玻璃，Lustran，Lustrex，环烯烃共聚物，聚苯乙烯，卢塞特树脂，Ultem，Tyril，Merton，Plexiglass，或聚甲基戊烯。
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