CN1080968C - 变倍光学扫描器 - Google Patents

Abstract

一种变倍光学扫描器，其包括：一扫描光源；一物镜；一影像感测装置；一物镜承载装置，用以承载及移动物镜；一光学路径延迟器，可位于扫描光源至物镜的光路径中，用以改变物面至物镜的光程，配合物镜位置的移动以得到不同的扫描解析度；一驱动装置，连接于物镜承载装置及光学路径延迟器上，藉以控制物面至物镜的光程距离及物镜至影像感测装置的光程距离，使其满足下列关系T＝l’-l，l＝f'(1/M-1)，l’＝f’(1-M)。

Description

变倍光学扫描器

本发明涉及一种光学扫描器，特别涉及一种变倍光学扫描器，其变倍方式可为两段式、多段式或连续式。

随着目前信息技术的发展，对多媒体信息的需求也日益增加，连原本只包含文字的一般文件也逐渐地加入图像资料。为了适应大量图像资料的需求，便需要使用影像撷取器做为将影像输入电脑的工具。以目前而言，在考虑性能与价格的情况下，光学扫描器实际上已经成为一种重要的影像撷取器，然而，光学扫描器的扫描质量仍受到一些限制。通常在判断光学扫描器的优劣时，解析度是一项重要的特征指标。而在光学扫描器系统中，规范解析度高低的元件主要是影像感测装置(Charge-Coupled Device，简称CCD)。

当扫描一定大小的物面时，若要求一定程度的解析度，相对地就需要具有一定图素的CCD来完成扫描动作。所以，若欲提高系统扫描的解析度，一般需要增加CCD的图素数目。但是提高CCD的图素，却会增加系统价格及加长扫描时间。另外一个可提高解析度的方式是改变系统的放大倍率，可是改变系统的放大倍率虽可维持同样的扫描时间，但会使扫描的面积(物面的大小)变小。不过在考虑成本的情况下，如欲提高系统扫描的解析度，例如由600dpi提升至1200dpi，大部分现行的系统都采用改变系统放大倍率的方式。

目前，光学扫描器系统变倍的方式一般多采用变焦镜头(Zoom lens)，但变焦镜头的设计通常十分繁复，且机构也相当复杂。采用此种方式，除了制作上较为困难外，成本也会增加许多。

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种变倍光学扫描器，其在系统焦距固定的情况下，仅利用物距与像距的改变，使得系统的放大倍率得以变化，藉此可改变系统扫描的解析度。

本发明的目的是这样实现的，即提供一种变倍光学扫描器，它包括：一扫描光源，提供扫描物面的光线；一物镜，用以使由物面反射的光线成像；一影像感测装置，用以接收由所述物镜投射来的影像；一物镜承载装置，用以承载所述物镜，并移动所述物镜的位置；一可进入或脱离所述扫描光源至所述影像感测装置光路径中的光学路径延迟器，以及一用以控制所述光学路径延迟器及所述物镜承载装置移动的驱动装置，由此改变所述物面至所述物镜的光程，并配合所述物镜位置的移动，改变所述物镜投射于所述影像感测装置上的影像大小，以得到不同的扫描解析度。

本发明也提供一种变倍光学扫描器一种变倍光学扫描器，它包括：一扫描光源，提供扫描物面的光线；一物镜，用以使由物面反射的光线成像；一影像感测装置，用以接收由所述物镜投射来的影像；一物镜承载装置，用以承载所述物镜，并移动所述物镜的位置；一位于所述扫描光源至所述影像感测装置光路径中的光学路径延迟器，以及一控制所述光学路径延迟器及所述物镜承载装置移动的驱动装置，用以改变所述物面至所述物镜的光程，并配合所述物镜位置的移动，改变所述物镜投射于所述影像感测装置上的影像大小，以得到不同的扫描解析度。

本发明的优点在于，在被扫描文件(物面)及CCD的位置都固定的情况下，利用改变被扫描文件至物镜的光程距离及物镜至CCD的光程距离，以改变扫描器系统的放大倍率，藉以调整解析度；由此可发展出两段式、多段式或连续式的变倍光学扫描器。

以下结合附图，描述本发明的实施例，其中：

图1为一简单的成像系统的示意图；

图2A、2B为本发明的一较佳实施例的结构图；

图3为本发明的另一较佳实施例的结构图；

图4A为本发明一实施例中解析度与像距的关系图；

图4B为本发明一实施例中解析度与总长度变化的关系图；

图4C为本发明一实施例中解析度与孔径角的关系图；

图4D为本发明一实施例中解析度与相对照度的关系图。

本发明依据的原理，配合图1说明如下，透镜(或透镜组)1的焦距为f′，物距为-l，像距为l′。根据第一阶光学，即高斯(Gaussian)光学，可以得到下列关系：

同时，

为放大倍率，所以可得 因此l′＝f′(1-M)       (1) $l=f^{\′}(\frac{1}{M}-1)---\left(2\right)$ $T=l^{\′}-l=f^{\′}(2-\frac{1}{M}-M)---\left(3\right)$ 分别将式(1)、(2)、(3)对M微分可得

dl′＝-f′dM $\mathrm{dl}=-f^{\′}\frac{\mathrm{dM}}{M^2}$ $\mathrm{dT}=-f^{\′}(1-\frac{1}{M^2})\mathrm{dM}$

由上面的式子可知，当透镜1的焦距f′为固定时，可经由连续地改变l及l′来改变M，藉以达成本发明的变倍效果及调整解析度的目的。

请参阅图2A、2B所示，本发明变倍光学扫描器的一实施例，其包括：一扫描光源10，提供扫描物面5的光线；一物镜15，用以使由该物面5反射的光线成像；一影像感测装置(CCD)20，用以接收经该物镜15投射的影像；一物镜承载装置25，用以承载该物镜15，并可移动该物镜15的位置；一光学路径延迟器30，可进入或脱离该扫描光源10至该物镜15的光路径中，用以改变该物面5至该物镜15的光程，并配合该物镜15位置的移动，可改变该物镜15投射于该影像感测装置20上的影像大小，以得到不同的扫描解析度；及一驱动装置35，其连接于该物镜承载装置25及该光学路径延迟器30上，用以控制该光学路径延迟器30及该物镜承载装置25的移动，藉以改变该物面5至该物镜15的光程距离及该物镜15至该影像感测装置20的光程距离。

本实施例的变倍扫描器主要应用于两段式扫描解析度间的切换，例如600 dpi与1200 dpi间。如图2A所示，当光学路径延迟器30未置入光路径中时，物镜15位于一特定位置，此时，扫描器解析度为1200 dpi；当需要变倍扫描器的解析度为600 dpi时，利用驱动装置35将光学路径延迟器30置入光路径中，同时将物镜15移动至另一特定位置，如图2B所示，即可大幅度增加物面5至物镜15的光程距离，进而改变扫描器系统的放大倍率，可将解析度自1200dpi改变为600dpi。驱动装置35只是用以将光学路径延迟器30及物镜15分别在两个特定位置间切换，其可利用步进马达及机械元件或仅以机械装置构成，由于其结构属于现有技术，故不再详述。

另外，本实施例中的光学路径延迟器30由三面反射镜31、32、33构成，如图2B所示，当光学路径延迟器30置于光路径中时，可提供一较长的光程距离。至于反射镜6则用以改变光路径方向。

在该两段式变倍扫描器中，虽然物镜承载装置25及光学路径延迟器30均只在两个特定位置间改变，但物面5至物镜15的光程距离及物镜15至影像感测装置20的光程距离实质上需满足下列关系：

l′＝f′(1-M)           (1) $l=f^{\′}(\frac{1}{M}-1)---\left(2\right)$ $T=l^{\′}-l=f^{\′}(2-\frac{1}{M}-M)---\left(3\right)$

其中，T为物面5至影像感测装置20的总光程距离，l为物面5至物镜15的光程距离，l′为物镜15至影像感测装置20的光程距离，f′为物镜15的焦距，M为放大倍率。

在上述实施例中，物镜15可由透镜组取代，其焦距f′固定约为43.9mm。当解析度在600 dpi与1200 dpi间变换时，其相关的数据如下：

解析度(dpi)	放大倍率M	总长度(mm)T	像距(mm)l′	孔径角	视场角
						600	-0.16535	360	51	0.73°	19.3°
1200	-0.3307	234.7	58	1.27°	17.1°

请参阅图3所示本发明变倍光学扫描器的另一实施例，其包括：一扫描光源10，提供扫描物面5的光线；一物镜15，用以使由物面5反射的光线成像；一影像感测装置20，用以接收经该物镜15投射的影像；一物镜承载装置25，用以承载物镜15，并可移动物镜15的位置；及一光学路径延迟器40，位于该扫描光源10至该物镜15的光路径中，用以改变物面5至物镜15的光程，并配合物镜15位置的移动，可改变该物镜15投射于该影像感测装置20上的影像大小，以得到不同的扫描解析度；及一驱动装置36，其连接于该物镜承载装置25及该光学路径延迟器40上，用以控制该光学路径延迟器40及该物镜承载装置25的移动，藉以改变该物面5至该物镜15的光程距离及该物镜15至该影像感测装置20的光程距离，使其满足前述(1)、(2)及(3)式的关系。

本实施例的变倍扫描器可应用于解析度为连续变化的情况，驱动装置36可由马达、齿轮组及导螺管等构成，其结构也属于现有技术，故不再详述。但由于移动物镜15会造成物镜15至影像感测装置20的光程距离的变化，而移动光学路径延迟器40会造成物面5至物镜15的光程距离的变化，故导螺管的设计需能使光学路径延迟器40及物镜15的移动满足下列关系：

dl′＝-f′dM        (4) $\mathrm{dl}=-f^{\′}\frac{\mathrm{dM}}{M^2}---\left(5\right)$ $\mathrm{dT}=-f^{\′}(1-\frac{1}{M^2})\mathrm{dM}---\left(6\right)$

其中，dT为该物面5至该影像感测装置20的总光程距离的微量变化，dl为该物面5至该物镜15的光程距离的微量变化，dl′为该物镜15至该影像感测装置20的光程距离的微量变化。

另外，本实施例中的光学路径延迟器40由四面反射镜41、42、43及44构成，如图3所示，其中，反射镜43、44为固定式，而反射镜41、42为可动式，即当驱动装置36驱动光学路径延迟器40时，会移动反射镜41、42的位置，藉以改变光程距离。

在上述两个实施例中，物镜承载装置及光学路径延迟器均设置于滑轨上，藉以提供物镜承载装置及光学路径延迟器移动时的稳定性。

在上述另一实施例中，当解析度为600dpi，且物距加上像距的总长度为360mm时，其放大倍率为-0.16535，像距为51mm，孔径角(aperture angle)为0.73°，视场角为19.3°。当解析度改变为1200dpi、1800dpi或2400dpi时，其关系如下表所示：

解析度(dpi)	放大倍率M	总长度(mm)T	像距(mm)l′	孔径角	视场角
						600	-0.16535	360	51	0.73°	19.3°
1200	-0.3307	234.7	58	1.27°	17.1 °
						1800	-0.49605	197.8	65.57	1.69°	15.23°
2400	-0.6614	183	72.82	2.03°	13.78°

更进一步的资料请参阅图4A至4D所示，其中，由图4A可知，解析度与像距成正比关系；图4B则指出总长度越短，则解析度越高；图4C显示解析度与孔径角成正比关系；由图4D可推知，解析度与相对照度也接近为反比关系，也就是说，解析度越高，相对照度将越小，不过即使解析度由600dpi提高至2400dpi，相对照度仍能达到50％以上，如此对影像感测装置(CCD)而言，其照度仍可足够维持其正常工作。

Claims (12)

1.一种变倍光学扫描器，其特征在于，它包括：一扫描光源，提供扫描物面的光线；一物镜，用以使由物面反射的光线成像；一影像感测装置，用以接收由所述物镜投射来的影像；一物镜承载装置，用以承载所述物镜，并移动所述物镜的位置；一可进入或脱离所述扫描光源至所述影像感测装置光路径中的光学路径延迟器，以及一用以控制所述光学路径延迟器及所述物镜承载装置移动的驱动装置，由此改变所述物面至所述物镜的光程，并配合所述物镜位置的移动，改变所述物镜投射于所述影像感测装置上的影像大小，以得到不同的扫描解析度。

2.如权利要求1所述的变倍光学扫描器，其特征在于，所述驱动装置控制所述物面至所述物镜的光程距离变化，及所述物镜至所述影像感测装置的光程距离变化，所述二光程距离实质上满足下列关系：

T＝l′-l＝f′(2-1/M-M)，

l＝f′(1/M-1)，

l′＝f′(1-M)；

其中，T为所述物面至所述影像感测装置的总光程距离，l为所述物面至所述物镜的光程距离，l′为所述物镜至所述影像感测装置的光程距离，f′为所述物镜的焦距，M为放大倍率。

3.如权利要求2所述的变倍光学扫描器，其特征在于，所述驱动装置用以控制所述光学路径延迟器及所述物镜承载装置的移动，所述二光程距离实质上同时满足下列关系： $\mathrm{dT}=-f^{\′}(1-\frac{1}{M^2})\mathrm{dM},$ $\mathrm{dl}=-f^{\′}\frac{\mathrm{dM}}{M^2},$

dl′＝-f′dM；

其中，dT为所述物面至所述影像感测装置的总光程距离的微量变化，dl为所述物面至所述物镜的光程距离的微量变化，dl′为所述物镜至所述影像感测装置的光程距离的微量变化，f′为所述物镜的焦距，M为放大倍率。

4.如权利要求1至3中任一项所述的变倍光学扫描器，其特征在于，它还包括一平面镜，用以改变光程的方向。

5.如权利要求1至3中任一项所述的变倍光学扫描器，其特征在于，所述光学路径延迟器为一组平面镜。

6.如权利要求5所述的变倍光学扫描器，其特征在于，所述光学路径延迟器包括三个反射镜。

7.一种变倍光学扫描器，其特征在于，它包括：一扫描光源，提供扫描物面的光线；一物镜，用以使由物面反射的光线成像；一影像感测装置，用以接收由所述物镜投射来的影像；一物镜承载装置，用以承载所述物镜，并移动所述物镜的位置；一位于所述扫描光源至所述影像感测装置光路径中的光学路径延迟器，以及一控制所述光学路径延迟器及所述物镜承载装置移动的驱动装置，用以改变所述物面至所述物镜的光程，并配合所述物镜位置的移动，改变所述物镜投射于所述影像感测装置上的影像大小，以得到不同的扫描解析度。

8.如权利要求7所述的变倍光学扫描器，其特征在于，所述驱动装置控制所述物面至所述物镜的光程距离变化，及所述物镜至所述影像感测装置的光程距离变化，所述二光程距离实质上满足下列关系：

T＝l′-l＝f′(2-1/M-M)，

l＝f′(1/M-1)，

l′＝f′(1-M)；

其中，T为所述物面至所述影像感测装置的总光程距离，l为所述物面至所述物镜的光程距离，l′为所述物镜至所述影像感测装置的光程距离，f′为所述物镜的焦距，M为放大倍率。

9.如权利要求8所述的变倍光学扫描器，其特征在于，所述驱动装置用以控制所述光学路径延迟器及所述物镜承载装置的移动，所述二光程距离实质上同时满足下列关系： $\mathrm{dT}=-f^{\′}(1-\frac{1}{M^2})\mathrm{dM},$ $\mathrm{dl}=-f^{\′}\frac{\mathrm{dM}}{M^2},$ dl′＝-f′dM；

其中，dT为所述物面至所述影像感测装置的总光程距离的微量变化，dl为所述物面至所述物镜的光程距离的微量变化，dl′为所述物镜至所述影像感测装置的光程距离的微量变化，f′为所述物镜的焦距，M为放大倍率。

10.如权利要求7至9中任一项所述的变倍光学扫描器，其特征在于，它还包括一平面镜，用以改变光程的方向。

11.如权利要求7至9中任一项所述的变倍光学扫描器，其特征在于，所述光学路径延迟器为一组平面镜。

12.如权利要求11所述的变倍光学扫描器，其特征在于，所述光学路径延迟器包括两个固定式反射镜及两个可动式反射镜。

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