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Abstract

本发明公开了一种近距离的物体成像装置，包括：用于滤除物体散射的光线中入射角大于过滤角度的光线的光线过滤层、用于聚焦入射角小于过滤角度的光线的菲涅尔透镜、用于折叠聚焦光线的楔形光导、用于在焦点处接收折叠聚焦光线的图像传感器。本发明成像装置通过合理巧妙的结构设计，无需精细的工艺制造即能实现物体近距离成像，成像清晰度高，装置易于制造和装配；同时采用轻薄型的光学元件，使得整个装置体积小，质量轻，易于移动和摆放，可广泛应用于各领域的近距离物体成像。

Description

一种近距离的物体成像装置
技术领域
本发明属于光学成像技术领域，具体涉及一种近距离的物体成像装置。
背景技术
传统的物体成像的装置和方法都很简单，如图1所示，将图像传感器设于离平面物体一定距离处，平面物体发出的光线聚焦至图像传感器上，从而通过图像传感器形成平面物体的图像。但为了得到亮度均匀、比例真实的图像，根据光学原理，传统的平面物体成像的装置必须使图像传感器置于离平面物体较远的地方，因此传统的平面物体成像装置应用于平面触摸式电脑会造成整个设备过于庞大。
授权号为US 7,660,047B1的美国专利公开了一种近距离的成像装置，如图2所示，其通过将一块透明的楔形平板的左端面置于图像传感器的镜头前，楔形平板的右端面上刻有大量微小的镀有反射介质的刻面。将平面物体近距离的设于楔形平板上，平面物体发出的光线经菱形镜偏转后从楔形平板的上表面入射，并在楔形平板内发生多次全反射后到达右端面发生反射，进而在楔形平板内发生多次全反射后从左端面射出并到达图像传感器；从而实现了平面物体的近距离成像。
但该近距离的成像装置必须在设计时，保证楔形平板右端面上的刻面角度与设计理想值一致，稍有微小偏差则会导致光线在左端面上的汇聚点与设计理想的汇聚点存在一定的距离偏差，从而影响成像的清晰度；可在实际设计制作过程中，在楔形平板右端面那样小的面积上刻大量微小的刻面，普通工艺往往难以达到该工艺要求，从而导致该近距离成像装置可靠性较低、制造成本较高。同时楔形平板通常材质为有机玻璃，体积密度都较大，从而使得该近距离成像装置重量较大，限制了该近距离成像装置在许多场合领域的应用。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种近距离的物体成像装置，能够实现平面物体的近距离成像，可靠性高，成像清晰，制造简单，成本低，体积小，质量轻，应用广。
一种近距离的物体成像装置，包括：
光线过滤层，用于滤除物体散射的光线中入射角大于过滤角度的光线，并透射入射角小于过滤角度的光线；
菲涅尔透镜，用于聚焦所述的入射角小于过滤角度的光线，并出射聚焦光线；
楔形光导，用于折叠所述的聚焦光线，并出射折叠聚焦光线；
图像传感器，用于在焦点处接收所述的折叠聚焦光线，并根据折叠聚焦光线对物体进行成像。
所述的楔形光导由半透半反射层和与之成楔形角度夹角的反射层构成；所述的半透半反射层为入射面，可以透射部分光线，并反射其余部分的光线。
优选的技术方案中，所述的焦点处为所有入射角为零度的光线对应的折叠聚焦光线汇聚的焦点；垂直光线的能量强度最大，成像效果最佳。
优选的技术方案中，所述的光线过滤层和半透半反射层均为镀有光学薄膜的光学玻璃；元件轻薄，使得整个装置体积小，质量轻，易于移动和摆放。
优选的技术方案中，所述的过滤角度大于0°且小于30°；避免了由于大入射角度光线在楔形光导内的反射次数与小入射角度光线不同，造成图像传感器成像的重影现象。
优选的技术方案中，所述的楔形角度大于0°且小于60°；保证了装置体积的小型化。
本发明的成像原理为：物体发出的散射光线入射至光线过滤层，光线过滤层滤除散射光线中入射角大于过滤角度的光线，并透射入射角小于过滤角度的光线；入射角小于过滤角度的光线入射至菲涅尔透镜，菲涅尔透镜聚焦入射角小于过滤角度的光线，并出射聚焦光线；聚焦光线入射至楔形光导的半透半反射层，半透半反射层透射聚焦光线，使之入射至楔形光导的反射层，反射层反射聚焦光线，使之入射至半透半反射层，半透半反射层反射聚焦光线，使之再次入射至反射层，依此反复折叠聚焦光线并出射折叠聚焦光线；图像传感器在焦点处接收折叠聚焦光线，并根据折叠聚焦光线对物体进行成像。
本发明的有益技术效果为：
(1)本发明成像装置通过合理巧妙的结构设计，无需精细的工艺制造即能实现物体近距离成像，成像清晰度高，装置易于制造和装配。
(2)本发明成像装置所采用都为轻薄型的光学元件，使得整个装置体积小，质量轻，易于移动和摆放。
(3)本发明成像装置采集物体散射的垂直光线作为成像光线，亮度均匀，清晰度高，成像效果佳。
附图说明
图1为传统的物体成像装置的结构示意图。
图2为现有的物体近距离成像装置的结构示意图。
图3为本发明成像装置应用于平面触摸式电脑的结构示意图。
图4为本发明中光线过滤层的光路原理示意图。
图5(a)、图5(b)、图5(c)分别为垂直光线从菲涅尔透镜左边、中间、右边入射聚焦后进入楔形光导并到达图像传感器的光路图。
图6为聚焦光线在楔形光导中折叠传播的等效光路图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关成像原理进行详细说明。
以本发明的成像装置在平面触摸式电脑中的应用为例，如图3所示，平面触摸式电脑包括壳体1，壳体1顶部设有透明平板2；透明平板2为有机玻璃，其上表面具有一层散射介质，其两侧分别设有两个红外发光二极管3(InfraredLED)；红外发光二极管3发出的红外光线进入透明平板2后在上下表面之间不断地全反射；由于透明平板2上表面具有一层散射介质，所以红外光线在每次发生全发射的同时有一部分光线会从透明平板2上表面散射出，使得置于透明平板2上方的物体(例如手指、手掌)被照亮；
透明平板2下方设有与计算机相连的显示层4，显示层4下方设有散射层5，散射层5一端设有发光二极管6；显示层4为用户与计算机信息交互而设置的交互层，发光二极管6发出的光线进入散射层5后从其上表面散射出，使得置于散射层5上方的显示层4被照亮；透明平板2上方的用户可清晰可见显示层4上所显示的信息；
散射层5下方设有光线过滤层7，其为上表面镀有光学薄膜的光学玻璃；透明平板2上方的物体被照亮后会散射红外光线，红外光线经过透明平板2、显示层4和散射层5入射至光线过滤层7，但只有入射角小于15°的红外光线才可以透过光线过滤层7，其余的红外光线则被反射或被吸收，如图4所示；这样可避免由于大入射角度光线在楔形光导内的反射次数与小入射角度光线不同，造成图像传感器成像的重影现象。
光线过滤层7下方设有菲涅尔透镜8，其上表面为由小到大的同心圆刻面；入射角小于15°的红外光线入射至菲涅尔透镜8，菲涅尔透镜8对这些红外光线进行聚焦并出射红外聚焦光线；
菲涅尔透镜8下方设有楔形光导10，楔形光导10由半透半反射层11和与之成10.91°夹角的反射层12构成，半透半反射层11为上表面镀有光学薄膜的光学玻璃，反射层12为平面镜；如图5所示，三条垂直红外光线分别从菲涅尔透镜8的左边、中间、右边入射，经菲涅尔透镜8聚焦后出射三条红外聚焦光线，红外聚焦光线入射至楔形光导10的半透半反射层11，半透半反射层11透射红外聚焦光线(不考虑一部分红外聚焦光线被反射)，使之入射至楔形光导10的反射层12，反射层12反射红外聚焦光线，使之入射至半透半反射层11，半透半反射层11反射红外聚焦光线(不考虑一部分红外聚焦光线被透射)，使之再次入射至反射层12，依此三条红外聚焦光线在楔形光导10中被反射6次，并最终由楔形光导10出射三条汇聚于焦点的红外折叠聚焦光线；
图6为三条红外聚焦光线在楔形光导10中折叠传播的等效光路图，其根据物和像关于反射面对称的性质绘制而成；即红外聚焦光线进入楔形光导10内传播并在半透半反射层11和反射层12之间不断反射的光路等效于红外聚焦光线进入由多个楔形光导按正反顺序叠成的楔形光导栈20内的光路；因此菲涅尔透镜8的焦距也等效成菲涅尔透镜8的中心O到焦点J的距离(本实施方式中菲涅尔透镜8的焦距为半透半反射层11长度的1.73倍)；
最后，图像传感器9在焦点处接收红外折叠聚焦光线，形成透明平板2上方的物体的像，并将图像传送至计算机中进行识别。
应当注意的是，上述实施例中的具体数值只是为作为示例提供的，在本发明的其它实施例中不限于这些数值。可根据不同需求，可能产生各种修改、替换，它们属于所附权利要求或者等同物的范围。

Claims (2)

1.一种近距离的物体成像装置，其特征在于：包括：
光线过滤层，用于滤除物体散射的光线中入射角大于过滤角度的光线，并透射入射角小于过滤角度的光线；
菲涅尔透镜，用于聚焦所述的入射角小于过滤角度的光线，并出射聚焦光线；
楔形光导，用于折叠所述的聚焦光线，并出射折叠聚焦光线；所述的楔形光导由半透半反射层和与之成楔形角度夹角的反射层构成，聚焦光线入射至所述的半透半反射层；
图像传感器，用于在焦点处接收所述的折叠聚焦光线，并根据折叠聚焦光线对物体进行成像；所述的焦点处为所有入射角为零度的光线对应的折叠聚焦光线汇聚的焦点。
2.根据权利要求1所述的近距离的物体成像装置，其特征在于：所述的光线过滤层和半透半反射层均为镀有光学薄膜的光学玻璃。
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