CN110049217A - 图像传感器、光学成像系统及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像传感器、光学成像系统及制作方法，涉及光学成像技术领域。本发明的主要技术方案为：图像传感器，其包括：光纤传像元件和半导体芯片，所述光纤传像元件包括若干具有预设直径的光纤丝，用于作为探头采集图像并传像；所述半导体芯片的输入端与所述光纤传像元件的第一端紧密连接，用于将光信号转化为电信号；且所述半导体芯片输入端的保护盖被拆除；其中，被摄物体表面贴近所述光纤传像元件的第二端，经过所述光纤传像元件的全反射将图像信息传递至所述半导体芯片，所述半导体芯片将图像信息转化为电信号输出进行成像；本发明避免了光纤传像元件在采集图像的时候发生扭曲、畸变、模糊或分辨率低的问题且提高了分辨率。

Description

图像传感器、光学成像系统及制作方法

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种图像传感器、光学成像系统及制作方法。

背景技术

工业摄像机是一种适用于众多领域应用的高分辨率彩色数字摄像机，其中有一种是包含CCD(Charge Coupled Device，感光耦合组件，为数字相机中可记录光线变化的半导体)感光件的摄像机，因其具有抗干扰能力强、更短快门时间、结构紧凑等优势，现已被广泛地应用到了医学、工业、通信等行业当中；其工作原理是被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上，形成视频信号输出。

然而，镜头与CCD芯片之间存在一定的距离，而工业摄像机的工作环境较为严苛，镜头需要暴露在外部环境之中，环境中粉尘、油雾会进入到镜头与CCD芯片之间，导致镜头在折射传像时发生扭曲、畸变、模糊、分辨率变低等问题，再者，工作环境中多粉尘和油污必然导致经常擦拭镜头继而会损坏镜头表面，造成不可恢复的成像失真。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种图像传感器、光学成像系统及制作方法，主要目的是解决现有工业相机中镜头和CCD芯片之间存在距离，粉尘和油污容易进入二者之间导致镜头传像发生扭曲、畸变、模糊、分辨率低，以及镜头经频繁擦拭造成成像失真的问题。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一方面，本发明实施例提供了一种图像传感器，其包括：

光纤传像元件，所述光纤传像元件包括若干具有预设直径的光纤丝，用于作为探头采集图像并传像；

半导体芯片，所述半导体芯片的输入端与所述光纤传像元件的第一端紧密连接，用于将光信号转化为电信号；且所述半导体芯片输入端的保护盖被拆除；

其中，被摄物体表面贴近所述光纤传像元件的第二端，经过所述光纤传像元件的全反射将图像信息传递至所述半导体芯片，所述半导体芯片将图像信息转化为电信号输出进行成像。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现；

可选的，前述的图像传感器，所述光纤丝的预设直径与所述半导体芯片的像元尺寸相互匹配且近似相等。

可选的，前述的图像传感器，所述光纤传像元件包括光纤光锥、光纤倒像器以及光纤面板其中的一种或多种。

可选的，前述的图像传感器，还包括稳定光源；

所述稳定光源设置在所述图像传感器的光纤传像元件的第二端，用于为图像采集提供光源。

另一方面，本发明实施例提供了一种光学成像系统，其包括：

前述任一所述图像传感器；

服务终端，所述服务终端与所述图像传感器的半导体芯片的输出端电连接，用于显示最终成像信息。

另一方面，本发明实施例提供了图像传感器的制作方法，包括如下步骤：

拉制光纤丝至其直径达到预设直径，并制得光纤传像元件；

去除半导体芯片输入端的保护盖；

连接所述光纤传像元件的第一端与所述半导体芯片的输入端。

可选的，前述的拉制光纤丝至其直径达到预设直径，并制得光纤传像元件的方法中：

还包括控制预制棒送料速度和光纤丝拉丝速度，反复拉制两次；

其中，根据棒管体积拉制前后不变的原理有：

其中v₁是预制棒送料速度，v₂是光纤丝的拉丝速度，与分别是已知的玻璃管的外径与内径，为设定的光纤传像元件的直径，d为需要拉成光纤丝的预设直径。

可选的，前述的控制预制棒的送料速度和光纤丝的拉丝速度，反复拉制两次的方法中：

还包括在相连所述光纤丝之间插入光吸收丝。

可选的，前述的所述去除半导体芯片输入端的保护盖的方法中：

对所述半导体芯片的输入端和输出端采用预设温度进行同时加热，并于预设时间段后除去所述保护盖。

可选的，前述的连接所述光纤传像元件的第一端与所述半导体芯片的输入端的方法中：

具体为，通过胶粘剂粘接所述光纤传像元件的第一端与所述半导体芯片的输入端。

借由上述技术方案，本发明图像传感器、光学成像系统及制作方法至少具有下列优点：光纤传像元件与半导体芯片相互连接，不存在间隙，防止各种环境中的粉尘或油污进入，避免了光纤传像元件在采集图像的时候发生扭曲、畸变、模糊或分辨率低的问题，同时光纤传像元件不易吸附或粘附粉尘和油污，而且光纤材质即使经过反复擦拭，也不会发生损坏，即避免了成像失真；半导体芯片的保护盖被去除，与由若干预设直径光纤丝形成的光纤传像元件相连接，依靠光的全反射进行图像传递，提高图像传感器的分辨率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种图像传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种图像传感器中光纤传像元件的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种图像传感器中光纤传像元件的另一种结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种图像传感器中光纤传像元件的又一种结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种图像传感器中光纤传像元件的再一种结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种图像传感器中光纤传像元件的截面示意图；

图7为本发明实施例提供的一种图像传感器的实际拍摄效果图。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种图像传感器、光学成像系统及制作方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

本发明实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

实施例1

参考附图1，本发明实施例提供的图像传感器，其包括光纤传像元件1和半导体芯片2，所述光纤传像元件1包括若干具有预设直径的光纤丝11，用于作为探头采集图像并传像；所述半导体芯片2的输入端21与所述光纤传像元件1的第一端13紧密连接，用于将光信号转化为电信号；且所述半导体芯片2输入端21的保护盖被拆除；

其中，被摄物体表面贴近所述光纤传像元件1的第二端14，经过所述光纤传像元件1的全反射将图像信息传递至所述半导体芯片2，所述半导体芯片2将图像信息转化为电信号输出进行成像。

具体的，为了解决现有工业相机中镜头和CCD芯片之间存在距离，粉尘和油污容易进入二者之间导致镜头传像发生扭曲、畸变、模糊、分辨率低，以及镜头经频繁擦拭造成成像失真的问题，本发明实施例提供的图像传感器，其包括了光纤传像元件1和半导体芯片2，其中所述光纤传像元件1为由数万甚至数十万根预设直径的所述光纤丝11紧密排列组成的光纤材料棒束，其中相邻两光纤丝11之间还设置有光吸收丝15，具有很高的集光能力，可以将前方180度范围内的入射光纤全部收入光纤内部并传输；其中预设直径优选为2μm，因为所述光纤传像元件1的分辨率会随着单根光纤丝11的直径的减小而增大，因而本发明中采用直径为2μm的单根光纤丝11进一步提高传感器整体的分辨率，分辨率可高达250lp/mm以上(其中通常情况下单根光纤丝的直径为6μm，对应的图像传感器的分辨率可以达到100lp/mm以上)；同时利用光纤棒束在光学上零厚度的特性，将其与所述半导体芯片2的输入端21相连接，保证连接后仍然有70％以上的透光率；其中，所述半导体芯片2优选为CCD芯片，将其输入端21的石英保护盖通过加热法和机械法相结合的方式拆除，再将所述光纤传像元件1的第一端13即第一端面与所述半导体芯片2的输入端相连接，保证二者之间无间隙，防止粉尘或油污进入；进一步的，利用所述光纤传像元件1有近贴式成像的特点，因此只需将所述光纤传像元件1的第二端14即第二端面紧贴待测物体表面，利用光的全反射即可实现在油雾、粉尘等恶劣环境中高分辨率与高清晰度的图像采集。

根据上述所列，本发明图像传感器、光学成像系统及制作方法至少具有下列优点：光纤传像元件1与半导体芯片2相互连接，不存在间隙，防止各种环境中的粉尘或油污进入，避免了光纤传像元件1在采集图像的时候发生扭曲、畸变、模糊或分辨率低的问题，同时光纤传像元件1不易吸附或粘附粉尘和油污，而且光纤材质即使经过反复擦拭，也不会发生损坏，即避免了成像失真；半导体芯片2的保护盖被去除，与由若干预设直径光纤丝11形成的光纤传像元件1相连接，依靠光的全反射进行图像传递，提高图像传感器的分辨率。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，具体的理解为：可以同时包含有A与B，可以单独存在A，也可以单独存在B，能够具备上述三种任一中情况。

进一步的，本发明的一个实施例提供一种图像传感器，在具体实施中，所述光纤丝11的预设直径与所述半导体芯片2的像元尺寸相互匹配且近似相等。

具体的，为了实现图像传感器整体高分辨率的成像，本发明采取的技术方案中，将所述半导体芯片2的像元尺寸设计为与单根光纤丝11的预设直径相匹配，其中像元亦称为像素点或像元点，即影像单元，是传感器对景物进行扫描采样的最小单元，像元大小决定了数字影像的分辨率和信息量，像元小则影像分辨率高，信息量大；具体的，本实施例中优选的所述半导体芯片2的像元尺寸为2.2μm，该尺寸是相关技术能够达到的最小的像元尺寸，保证与单根光纤丝11的直径相匹配且能够完全接受到单根光纤丝11采集的全部影像信息，进而提高图像传感器整体的分辨率。

进一步的，参考附图2、附图3、附图4以及附图5，本发明的一个实施例提供一种图像传感器，在具体实施中，所述光纤传像元件1包括光纤光锥3、光纤倒像器4以及光纤面板5其中的一种或多种。

具体的，为了完善图像传感器在成像中能够实现成像的放大、缩小、旋转以及增加传感距离等效果，本发明采取的技术方案中，参考附图2，当将所述光纤传像元件1设计为光纤光锥3时，即决定了所述光纤传像元件1的第一端13和第二端14为大小不同的两个端面，当所述第一端13为较大端面时，其与所述半导体芯片2的输入端21连接后则能够实现成像的放大作用，反之所述第一端13为较小的端面时，其与所述半导体芯片2的输入端21连接后则能够实现成像的缩小作用；参考附图3，当将所述光纤传像元件1设计为光纤倒像器4时，其中光纤倒像器可以将图像反转180度，使传输的像成为道理的像，具有分辨率高、传输清晰、体积小且重量轻等特点，即决定了所述光纤传像元件1与半导体芯片2的相接后能够将成像进行旋转180度后进行显示；参考附图4，当将所述光纤传像元件1设计为光纤面板5时，其中光纤面板具有传光效率高，级间耦合损失小、传像清晰以及光学上零厚度的特点，即决定了光纤面板5能够增加厚度延长传感距离且不影响成像效果；参考附图5，将光纤光锥3和光纤面板5相互结合组成新的光纤传像元件1，即参考上述内容可知，当光纤光锥3的小端面与光纤面板5相连接时则可以实现延长传输距离且缩小成像，反之则是延长传输距离且放大成像；进一步的，前述的光纤光锥3、光纤倒像器4以及光纤面板5可以单独作为光纤传像元件1实现对应的一种成像效果，可以两两结合作为光纤传像元件1实现对应的两种成像效果，可以三者同时结合作为光纤传像元件1实现对应的三种成像效果，在此不做过多赘述。

实施例2

进一步的，本发明实施例提供的一种图像传感器，在具体实施中，还包括稳定光源；

所述稳定光源设置在所述图像传感器的光纤传像元件1的第二端14，用于为图像采集提供光源。

具体的，为了保证图像采集或成像过程中的光线稳定，本发明采取的技术方案中，在所述光纤传像元件1的第二端14设置了稳定光源，该稳定光源可以为任何照明设备，固定或活动的设置在第二端14上均可，目的在于为所述光纤传像元件1提供光照，防止作业环境昏暗，影响成像效果；该设置方式为本领域技术人员所熟知，在此不做过多赘述。

实施例3

参考附图1，本发明实施例提供的一种光学成像系统，在具体实施中，其包括：

前述实施例中任一所述图像传感器；

服务终端6，所述服务终端6与所述图像传感器的半导体芯片2的输出端23电连接，用于显示最终成像信息。

具体的，将本发明实施例提供的高分辨率的图像传感器应用在光学成像领域，本发明采取的技术方案中，增设了服务终端6构成光学成像系统，光纤传像元件1与被摄物体9表面相互接触其中，所述服务终端6可以是电脑、笔记本、手机等电子设备。

实施例4

本发明实施例提供的一种图像传感器的制作方法，在具体实施中，包括如下步骤：

S1、拉制光纤丝11至其直径达到预设直径，并制得光纤传像元件1；

控制光纤丝送料速度和光纤丝拉丝速度，反复拉制两次；并且相邻所述光纤丝之间插入光吸收丝；

其中，根据棒管体积拉制前后不变的原理有：

其中v₁是预制棒送料速度，v₂是光纤丝的拉丝速度，与分别是已知的玻璃管的外径与内径，为设定的光纤传像元件的直径，d为需要拉成光纤丝的预设直径；

S2、去除半导体芯片2输入端21的保护盖；

对所述半导体芯片的输入端和输出端采用预设温度进行同时加热，并于预设时间段后除去所述保护盖；

S3、连接所述光纤传像元件1的第一端13与所述半导体芯片2的输入端21；

通过胶粘剂粘接所述光纤传像元件的第一端与所述半导体芯片的输入端。

具体的，参考附图6，根据帮管体积拉制前后不变的原理，将芯玻璃8套设在玻璃管7的内部，进行加热使二者融为一体得到所述预制棒，所述预制棒按照v₁的速度被送入加热炉进行加热并以v₂的速度进行拉丝，反复两次拉制、平磨以及抛光等物理加工工序得到单根光纤丝11直径达到2μm，按照以上步骤将索根套设有玻璃管7的芯玻璃8同时进行上述加工过程，则能够得到本发明所需的光纤传像元件1；进一步的，相邻的单根光纤丝11之间插入若干光吸收丝15作为辅助，则能够获得高对比度与清晰度的图像传输效果；接着将半导体芯片2固定在加热台上，从所述半导体芯片2的上方和下方分别以70度和50度进行持续加热5分钟，5分钟之后用真空吸笔将所述半导体芯片2的输入端21的石英保护盖吸附下来，迅速用聚氨酯丙烯酸酯胶将所述半导体芯片2的输入端21与所述光纤传像元件1的第一端13粘接在一起；将粘接之后的所述半导体芯片2和所述光纤传像元件1在紫外线灯下照射15分钟以上，保证所述聚氨酯丙烯酸酯胶彻底凝固。

进一步的，需要说明的是，为了防止图像传感器工作时发热导致聚氨酯丙烯酸酯胶融化，则将图像传感器配套的USB结构设置为USB3.0接口。

进一步的，参考附图7，本发明实施例提供的图像传感器实际拍摄的效果，图中整个图片是2448像素*2048像素，图中黑色区域为所述半导体芯片2大于所述光纤传像元件1的边缘部分的成像，图中刻度宽度为0.15mm，圆形视场宽度为1.9mm，整个视场内有2000个像素；根据光学分辨率单位的定义即每毫米线对的数量，能够确定的是，图中以四个像素为一个线对时，图中包含了500个线对，那么每毫米线对的数量则为500/1.9，则可以确定的是此时分辨率为250lp/mm，说明本发明实施例提供的图像传感器的分辨率能够达到250lp/mm；当然了，通常意义上的线对是以2个像素来定义或计算的，因而上述分辨率显而易见是最低的能够达到的数值，也就是说本发明实施例提供的图像传感器能够达到比250lp/mm更高的分辨率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，因而以上实施例之间可以进行结合，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种图像传感器，其特征在于，其包括：

光纤传像元件，所述光纤传像元件包括若干具有预设直径的光纤丝，用于作为探头采集图像并传像；

半导体芯片，所述半导体芯片的输入端与所述光纤传像元件的第一端紧密连接，用于将光信号转化为电信号；且所述半导体芯片输入端的保护盖被拆除；

其中，被摄物体表面贴近所述光纤传像元件的第二端，经过所述光纤传像元件的全反射将图像信息传递至所述半导体芯片，所述半导体芯片将图像信息转化为电信号输出进行成像。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于：

所述光纤丝的预设直径与所述半导体芯片的像元尺寸相互匹配且近似相等。

3.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于：

所述光纤传像元件包括光纤光锥、光纤倒像器以及光纤面板其中的一种或多种。

4.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于：

还包括稳定光源；

所述稳定光源设置在所述图像传感器的光纤传像元件的第二端，用于为图像采集提供光源。

5.一种光学成像系统，其特征在于，其包括：

权利要求1-4中的任一所述图像传感器；

服务终端，所述服务终端与所述图像传感器的半导体芯片的输出端电连接，用于显示最终成像信息。

6.基于权利要求1-4中任一所述图像传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

拉制光纤丝至其直径达到预设直径，并制得光纤传像元件；

去除半导体芯片输入端的保护盖；

连接所述光纤传像元件的第一端与所述半导体芯片的输入端。

7.根据权利要求6所述的图像传感器的制作方法，其特征在于，所述拉制光纤丝至其直径达到预设直径，并制得光纤传像元件的方法中：

还包括控制光纤丝送料速度和光纤丝拉丝速度，反复拉制两次；

其中，根据棒管体积拉制前后不变的原理有：

其中v₁是预制棒送料速度，v₂是光纤丝的拉丝速度，与分别是已知的玻璃管的外径与内径，为设定的光纤传像元件的直径，d为需要拉成光纤丝的预设直径。

8.根据权利要求7所述的图像传感器的制作方法，其特征在于，所述控制预制棒送料速度和光纤丝拉丝速度，反复拉制两次的方法中：

还包括在相邻所述光纤丝之间插入光吸收丝。

9.根据权利要求6所述的图像传感器的制作方法，其特征在于，所述去除半导体芯片输入端的保护盖的方法中：

对所述半导体芯片的输入端和输出端采用预设温度进行同时加热，并于预设时间段后除去所述保护盖。

10.根据权利要求6所述的图像传感器的制作方法，其特征在于，所述连接所述光纤传像元件的第一端与所述半导体芯片的输入端的方法中：

具体为，通过胶粘剂粘接所述光纤传像元件的第一端与所述半导体芯片的输入端。