CN113287001B - 用于光学系统的多重图像获取装置 - Google Patents

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Abstract

一种图像获取装置包含：第一多个相机，其以互相间隔开的配置进行布置，所述第一多个相机各自具有一视场，每一视场位于一平面中；及第二多个光子发射器，其围绕所述第一多个相机中的每一相机以多重大体上圆周布置进行布置，所述大体上圆周布置内的至少一个光子发射器将光引导到所述第一多个相机中的一者的并非是离其最近的视场的视场。

Description

用于光学系统的多重图像获取装置
技术领域
本发明大体上涉及光学系统，且更特定来说，涉及用于光学系统中的图像获取装置。
背景技术
在所属领域中已知包含图像获取装置的各种类型的光学系统。
发明内容
本发明试图提供一种用于光学系统(特定来说，光学扫描系统)中的多重高分辨率、高处理量、高度紧凑、容易制造的图像获取装置。本发明试图实现这些目标同时提供相对强烈且在空间及角度两者上基本上均匀的照明。本发明对快速且高度准确地读取用于制造电子衬底(例如印刷电路板、半导体晶片、芯片封装衬底及太阳能面板)的生产系统中的配准基准标记特别有用。
因此，提供根据本发明的优选实施例的一种图像获取装置，其包含：第一多个相机，其以互相间隔开的配置布置，所述第一多个相机各自具有一视场，每一视场位于一平面中；及第二多个光子发射器，其围绕所述第一多个相机中的每一相机以多重大体上圆周布置进行布置，所述大体上圆周布置内的至少一个光子发射器将光引导到所述第一多个相机中的一者的并非是离其最近的视场的视场。
优选地，所述第一多个相机的所述互相间隔开的配置包含相机行的交错阵列，当在大体上垂直于所述行的方向的方向上观察时所述第一多个相机的视场至少部分重叠。
优选地，所述平面是被每一视场占据的共同平面。
优选地，所述平面与将通过所述图像获取装置成像的衬底的表面重合。
优选地，每一相机定义相机轴，每一大体上圆周布置在中心与所述相机轴相交。
优选地，所述光子发射器包含LED。
优选地，每一大体上圆周布置包含至少一圈光子发射器。
优选地，所述至少一圈光子发射器包含内圈光子发射器及外圈光子发射器，所述内圈与外圈是大体上同心的。
优选地，包含所述内圈的光子发射器发射第一波长的光，且包含所述外圈的光子发射器发射第二波长的光，所述第一波长与第二波长互不相同。
优选地，包含所述内圈的所述光子发射器是IR LED，且包含所述外圈的所述光子发射器是琥珀色LED。
根据本发明的优选实施例，所述光子发射器将光引导到其的所述视场被所述光子发射器完全照明。
优选地，所述图像获取装置还包含具有上表面及下表面的照明平台，所述上表面在所述第一多个相机近端，所述下表面在所述多个相机远端，所述第二多个光子发射器经安装在所述下表面上。
优选地，多重孔径经形成于所述照明平台中，每一孔径允许所述相机通过其观察所述视场。
优选地，光子发射器的每一大体上圆周布置在圆周上围绕每一孔径。
优选地，每一相机包含远心透镜。
优选地，每一孔径是大体上矩形的。
优选地，所述图像获取装置还包含用于准直所述光的至少一个准直器。
优选地，所述至少一个准直器被安装在准直器板上。
优选地，所述准直器板邻近所述照明平台经定位于所述照明平台与所述平面之间。
优选地，所述图像获取装置还包含用于引导由所述至少一个准直器输出的所述光的至少一个偏转元件。
优选地，所述至少一个偏转元件被安装在偏转器板上。
优选地，所述偏转器板经定位成毗邻所述准直器板。
另外或替代地，所述偏转器板与所述准直器板单片形成。
根据本发明的优选实施例，所述至少一个偏转元件朝向单个视场引导所述光输出。
根据本发明的另一优选实施例，所述至少一个偏转元件朝向一个以上视场引导所述光输出。
另外，提供根据本发明的另一优选实施例的图像获取装置，其包含：第一多个相机，其以互相间隔开的配置进行布置，所述第一多个相机各自具有一视场，每一视场位于一平面中；第二多个光子发射器，其以多重大体上圆周布置进行布置，每一大体上圆周布置照明一视场，每一大体上圆周布置在投射在由其照明的所述视场的所述平面上时在圆周上围绕所述视场；及至少一个大体上圆周布置的至少一个光子发射器，其除了将光引导到由所述至少一个大体上圆周布置照明的所述视场之外还将光引导到至少一个其它视场。
优选地，所述第一多个相机的所述互相间隔开的配置包含相机行的交错阵列，当在大体上垂直于所述行的方向的方向上观察时所述第一多个相机的视场至少部分重叠。
优选地，所述平面是被每一视场占据的共同平面。
优选地，所述平面与将通过所述图像获取装置成像的衬底的表面重合。
优选地，每一相机定义相机轴，每一大体上圆周布置在中心与所述相机轴相交。
优选地，所述光子发射器包含LED。
优选地，每一大体上圆周布置包含至少一圈光子发射器。
优选地，所述至少一圈光子发射器包含内圈光子发射器及外圈光子发射器，所述内圈与外圈是大体上同心的。
优选地，包含所述内圈的光子发射器发射第一波长的光，且包含所述外圈的光子发射器发射第二波长的光，所述第一波长与第二波长互不相同。
优选地，包含所述内圈的所述光子发射器是IR LED，且包含所述外圈的所述光子发射器是琥珀色LED。
优选地，所述图像获取装置还包含具有上表面及下表面的照明平台，所述上表面在所述第一多个相机近端，所述下表面在所述多个相机远端，所述第二多个光子发射器经安装在所述下表面上。
优选地，多重孔径经形成于所述照明平台中，每一孔径允许所述相机通过其观察所述视场。
优选地，光子发射器的每一大体上圆周布置在圆周上围绕每一孔径。
优选地，每一相机包含远心透镜。
优选地，每一孔径是大体上矩形的。
优选地，所述图像获取装置还包含耦合到至少一个光子发射器的至少一个准直器。
优选地，所述至少一个准直器被安装在准直器板上。
优选地，所述准直器板邻近所述照明平台经定位于所述照明平台与所述平面之间。
优选地，所述图像获取装置还包含耦合到所述至少一个准直器的至少一个偏转元件。
优选地，所述至少一个偏转元件被安装在偏转器板上。
优选地，所述偏转器板经定位成毗邻所述准直器板。
另外或替代地，所述偏转器板与所述准直器板单片形成。
根据本发明的优选实施例，所述至少一个准直器经耦合到除了将光引导到由所述大体上圆周布置照明的所述视场之外还将光引导到至少一个其它视场的所述大体上圆周布置的所述至少一个光子发射器，所述至少一个偏转元件除了将光引导到由所述大体上圆周布置照明的所述视场之外还将所述光引导到所述至少一个其它视场。
优选地，所述至少一个偏转元件包含至少一个棱镜，所述棱镜具有成角度以除了朝向由所述大体上圆周布置照明的所述视场引导所述光之外还朝向所述至少一个其它视场引导所述光的多个出射面。
还提供根据本发明的又一优选实施例的一种图像获取装置，其包含：第一多个相机，其以互相间隔开的配置进行布置，所述第一多个相机其各自具有一视场，每一视场位于一平面中；及第二多个光子发射器，其围绕所述第一多个相机中的每一相机以多重布置进行布置，所述第二多个光子发射器的至少一个光子发射器将光引导到所述第一多个相机中的至少一者的并非是离其最近的视场的视场。
优选地，所述第一多个相机的所述互相间隔开的配置包含相机行的交错阵列，当在大体上垂直于所述行的方向的方向上观察时所述第一多个相机的视场至少部分重叠。
优选地，所述平面是被每一视场占据的共同平面。
优选地，所述平面与将通过所述图像获取装置成像的衬底的表面重合。
优选地，每一相机定义相机轴，每一布置与所述相机轴相交。
优选地，所述光子发射器包含LED。
优选地，所述图像获取装置还包含具有上表面及下表面的照明平台，所述上表面在所述第一多个相机近端，所述下表面在所述多个相机远端，所述第二多个光子发射器经安装在所述下表面上。
优选地，多重孔径经形成于所述照明平台中，每一孔径允许所述相机通过其观察所述视场。
优选地，光子发射器的每一布置围绕每一孔径。
优选地，每一相机包含远心透镜。
优选地，每一孔径是大体上矩形的。
优选地，所述图像获取装置还包含用于准直所述光的至少一个准直器。
优选地，所述至少一个准直器被安装在准直器板上。
优选地，所述准直器板邻近所述照明平台经定位于所述照明平台与所述平面之间。
优选地，所述图像获取装置还包含用于引导由所述至少一个准直器输出的所述光的至少一个偏转元件。
优选地，所述至少一个偏转元件包含第三多个轴锥镜。
优选地，所述第三多个轴锥镜包括具有4到10000个轴锥镜/cm2之间的密度的轴锥镜阵列。
根据本发明的优选实施例，所述第三多个轴锥镜包含具有互相类似的光学性质的轴锥镜。
根据本发明的另一优选实施例，所述第三多个轴锥镜包含具有互不相同的光学性质的轴锥镜。
附图说明
从下文结合图式进行的详细描述，将更完整地理解及了解本发明，其中：
图1是根据本发明的优选实施例构造及操作的光学系统的简化说明，所述光学系统包含形成其一部分的图像获取装置；
图2A、2B及2C是图1中展示的类型的图像获取装置的一部分的简化相应透视图说明、侧视图说明及前视图说明；
图3是图1到2C中展示的类型的图像获取装置中的照明平台上的光子发射器组合件布置的简化说明；
图4是光子发射器到图1到2C中展示的类型的图像获取装置中的相机的视场平面上的投射的简化概念说明；
图5A、5B及5C是根据本发明的优选实施例构造及操作的、形成图1到4中展示的类型的图像获取装置的部分的照明组合件及其组件的简化相应说明；
图6是图5A到5C中展示的类型的照明组合件的光学照明模块的简化说明；
图7是从图6中展示的类型的光学照明模块输出的光的简化说明；
图8是根据本发明的另一优选实施例构造及操作的照明组合件的光学照明模块的简化说明；
图9是从图8中展示的类型的光学照明模块输出的光的简化说明；
图10是根据本发明的又另一优选实施例构造及操作的照明组合件的光学照明模块的简化说明；
图11是从图10中展示的类型的光学照明模块输出的光的简化说明；
图12是根据本发明的又另一优选实施例构造及操作的照明组合件的光学照明模块的简化说明；
图13是根据本发明的另一优选实施例构造及操作的光学系统的简化说明，所述光学系统包含形成其一部分的图像获取装置；
图14A、14B及14C是图13中展示的类型的图像获取装置的一部分的简化相应透视图说明、侧视图说明及前视图说明；
图15A、15B及15C是根据本发明的优选实施例构造及操作的、形成图13到14C中展示的类型的图像获取装置的部分的照明组合件及其组件的简化相应说明；
图16是图15A到15C中展示的类型的照明组合件的光学照明模块的简化说明；
图17是从图16中展示的类型的光学照明模块输出的光的简化图示说明；以及
图18是从图16中展示的类型的光学照明模块输出的模拟光的简化图表。
具体实施方式
现在参考图1，其是根据本发明的优选实施例构造及操作的光学系统的简化说明，所述光学系统包含形成其一部分的图像获取装置。
如图1中所见，提供包含图像获取装置102的光学系统100。光学系统100可为采用光学元件且受益于其中包含的图像获取装置的任何类型的系统，例如(仅作为实例)光学扫描系统、光学检验系统、光学处理系统或光学制造系统。在此，作为实例，展示光学系统100是以光学扫描系统及将被安装在其上的图像获取装置102的典型形式体现。然而，应了解，光学系统100的此表示及其中的图像获取装置102的位置仅是说明性的且可根据光学系统100的设计要求被容易地改变。
图像获取装置102优选地包含可操作以照明由光学系统100处理的衬底且随后获取其图像的光学元件。图像获取装置102因此可称为光学头102。如在展示光学头102的放大视图的放大部110处最清楚地看见，光学头102优选地包含以互相间隔开的配置进行布置的第一多个相机120，每一相机具有相关联视场122，每一视场122位于例如平面124的平面中。平面124优选地与将成像的衬底的表面重合，使得相机120的视场122位于衬底表面上。在平面目标的情况中，被视场122占据的平面124可为相机120的所有视场122都位于其内的共同平面。替代地，在将成像的非平面衬底的情况中，相机120的视场122可位于一个以上平面中。
光学头102进一步优选地包含围绕第一多个相机120中的每一相机以多重大体上圆周布置132布置的第二多个光子发射器130，所述光子发射器130优选地照明视场122。本发明的优选实施例的特定特征是，光子发射器的大体上圆周布置132内的至少一个光子发射器将光引导到第一多个相机120中的一者的并非是离那个光子发射器最近的视场的视场122。多个光子发射器130关于多个相机120的此布置允许多个光子发射器130以高度紧凑的形状因子提供对视场122的广角大体上均匀照明，如此后关于图3及4更详细解释。
第二多个光子发射器130优选地被安装在照明平台140的下侧138上。照明平台140优选地定位在相机120的透镜的入射面142下面，从而介接相机120及视场122，其中照明平台140的下侧138在入射面142远端。多重孔径144优选地经形成于照明平台140中，从经照明视场122发出的光穿过其到达相机120。第二多个光子发射器130优选地关于孔径144以非重叠配置在圆周上进行布置，以便照明视场122而不会遮挡从其发出的光，如此后参考图4详述。
可通过各种光束整形光学元件150以上文描述的方式朝向视场122引导由多个光子发射器130发射的光，所述光学元件150可具有准直及/或偏转功能性。此类光学元件150可经安装在在图1中展示为经定位成邻近彼此且邻近照明平台140的一或多个板(例如准直器板152及偏转器板154)上。应了解，可提供与照明平台140分离的准直器及偏转器板152、154，或准直器及偏转器板152、154可与照明平台140整体形成，使得多个光子发射器130及光束整形光学元件150占据单片多层面平台。此后参考图5A到7提供关于由光子发射器130结合光束整形光学元件150形成的照明器组合件的优选结构及功能的另外细节。
第一多个相机120优选地被组织成交错阵列，其包括形成一系列交错列的一系列大体上互相平行偏移的行。在由光学头102扫描衬底期间，衬底及光学头102优选地沿着由箭头156大体上指示的扫描方向相对运动。此运动在光学头102保持静止时可通过衬底在扫描方向156上的移动来进行、在衬底保持静止时可通过光学头102在扫描方向156上的移动来进行或通过光学头102及衬底两者的移动来进行。
从图1的考虑应了解，扫描方向156优选地大体上垂直于相机120的行的方向，使得行的方向定义交叉扫描方向。多个相机120优选地在扫描及交叉扫描方向两者上互相间隔开以便在衬底及光学头102沿着扫描方向156相对运动时允许对衬底的单遍次扫描。
在此，作为实例，可见第一多个相机120包括布置成三个交错的行且能够提供对目标的单遍次扫描的32个个别相机160。然而，应了解，取决于光学系统100的成像要求，第一多个相机120可包括布置成多种阵列架构的更大或更少数目个个别相机160。特定来说，可采用比所说明的数目更少的相机120，使得不能实现对整个衬底的单遍次扫描。在此情况中，沿着扫描方向156的移动可通过在垂直于扫描方向156的交叉扫描方向上进行逐步移动来补足。
参考展示第一多个相机120的代表性部分的图2A到2C可最佳地理解多个相机120的布置及结构。如图2A到2C中所见，第一多个相机120优选地分布在的呈部分重叠的布置的第一行162、第二行164及第三行166之上，如在扫描方向156上观察到。从图2C的考虑最佳地了解，相机160的此交错的部分重叠布置提供如在扫描方向156上观察到的连续横向视场168，借此允许进行对目标的单遍次扫描。作为实例，本文中展示的32相机布置可在交叉扫描方向上提供对具有大约600mm的宽度的衬底的单遍次扫描。
如在图2B及2C中最清楚地看见，每一相机160定义相机轴170，且每一相机160的视场122是在相机160正下方且与相机轴170相交的那个视场。因此，作为实例，第一相机172具有第一对应视场174，第二相机176具有第二对应视场178，以此类推。第二多个光子发射器130的圆周布置132优选地围绕每一相机160的相机轴170大体上居中且与每一相机160的相机轴170相交。
每一相机160优选地包括透镜部分180及连接到其的相关联相机板182。相机板180可为容纳(hosting)用于相机驱动及控制的集成电路传感器芯片及电子器件的印刷电路板(PCB)。相机板182可个别地形成或为了便于制造可形成为共同元件。多个相机120的操作可另外由形成在一组控制板186上的电子电路系统控制。作为实例，一群组八个个别相机160可经连接到定位在相机160后部的单个控制板186且单个控制板186控制。控制板186还可容置用于多个光子发射器130的控制及驱动的电子器件。控制板186可协作地耦合到相机板182以便协调第一多个相机120及第二多个光子发射器130的操作。
透镜部分180特别优选地被体现为远心透镜。适合用于相机160中的远心透镜可为在商业上可购自德国巴特克罗伊茨纳赫的施耐德光学(Schneider Optics of BadKreuznach,Germany)；美国新泽西州的爱特蒙特光学(Edmund Optics of New Jersey,US)；德国芬宁的NET新电子技术有限公司(NET New Electronic Technology GMBH ofFinning,Germany)；及意大利曼图亚光电工程(Opto-Engineering of Mantua,Italy)的类型。
如所属领域中众所周知，在远心透镜中，归因于光被远心透镜捕获的方式，视场的图像由基本上平行于透镜轴170传播的光线形成。因此，所属领域的技术人员应理解，正是透镜部分180的远心性质与相机板182的图像传感器的光敏区域的大体上矩形形状相结合产生了本文中展示的大体上矩形形状的视场122及对应矩形形状的孔径144。然而，应了解，除了远心透镜之外的类型的透镜可经并入于本发明的第一多个相机120中，在此情况中，可根据需要作出修改以便适应与其相关联的视场的形状。
从图2B的考虑应最佳地了解，视场122的宽度远小于对应相机透镜180的直径，这与相机透镜180的远心性质一致。本发明的特别有利的特征是，第一多个相机120能够提供对目标的单遍次扫描，尽管相机视场远小于相机透镜直径。作为实例，在本发明的光学头102中，可实现单遍次扫描，尽管视场122具有小于对应透镜180的直径的大约20mm的宽度。
这与常规单遍次光学成像系统形成对照，其中单遍次扫描通常通过使用具有至少与相机透镜本身一样大的视场的相机来实现。
现在参考图3，其是图1到2C中展示的类型的图像获取装置中的照明平台的一部分上的光子发射器组合件布置的简化说明。
如图3中所见，第二多个光子发射器130在照明板140的下侧138上围绕孔径144以大体上圆周布置132进行布置。光子发射器130的每一圆周布置132优选地经体现为至少一圈光子发射器，其在此包括(作为实例)包含外圈300及内圈302的一对互相同心的光子发射器圈。光子发射器130的每一对互相同心的外圈300及内圈302优选地在圆周上围绕对应孔径144。然而，应了解，光子发射器的圆周布置132可替代地包括围绕每一孔径144的更大或更少数目的光子发射器圈。
光子发射器130优选地体现为LED。优选地，外圈300的LED成员304提供与内圈302的LED成员306不同波长的光。作为实例，外圈300中的LED 304可为IR LED，且内圈302中的LED 306可为琥珀色LED。然而，应了解，分别包括内圈300及外圈302的LED 304、306可提供各种波长的光且不限于提供互不相同的波长的光。此外，应了解，光子发射器130不限于LED且可包括任何其它合适的光子源，例如二极管激光器、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、垂直外部腔表面发射激光器(VECSEL)、超发光二极管或发光光学纤维的输出端。
本发明的优选实施例的特定特征是第二多个光子发射器130经布置使得外圈300中的至少一者(在此由一圈带条纹的阴影LED 310指示)与外圈300中的另一者(在此由一圈交叉阴影LED 312指示)重叠。由于相邻外圈300互相重叠的布置，外圈300中的至少一者的至少一个光子发射器成员304位于由外圈300中的另一者的光子发射器成员304外接的大体上圆形边界内。在由图3中的阴影线指示的光子发射器的两个示范性的重叠圈的情况中可见，四个交叉阴影LED 312位于由带条纹的阴影LED 310外接的边界内，且四个带条纹的阴影LED 310位于由交叉阴影LED 312外接的边界内。还如图3中描绘，外圈300还可与相邻视场144的内圈302重叠。另外或替代地，内圈302中的相邻者可互相重叠，这取决于其半径。
光子发射器的此多重重叠布置可占据比光子发射器的非多重的非重叠布置占据的体积少得多的体积，借此导致光学头102的大小显著减小。作为实例，图1中说明的包含3行相机160的类型的光学头120在扫描方向156上可占据180mm到220mm的机械深度。尽管本发明的布置紧凑，但本发明的光学头102优选地能够实施对衬底的单遍次扫描，这是归因于其中采用的光子发射器130的唯一多重布置及部分重叠的相机120。光学头102的总深度构成额外衬底扫描长度。如所属领域的技术人员应了解，由本发明实现的紧凑构造可转变为更短的扫描行程、更高速度的操作及更低成本的扫描台。
此外，由于外圈300是重叠的且在特定实施例中内圈302也是重叠的，所以每一圈的半径不太受照明板140上的空间约束严格限制。外圈300既可具有相对大的半径又可具有基本上密集的、在方位上均匀间隔开的光子发射器放置。作为实例，每一圈300可具有在80mm到100mm的范围内的有效光学半径。进一步作为实例，相对于视场144的中心处的透镜光学轴170，内圈302可提供对向20°到30°的照明，且外圈300可提供对向30°到50°的照明。重叠外圈300及内圈302因此在功能上代替庞大得多的相异物理环形灯组合件，从而针对相机120与平面124之间的给定分离提供对视场144的大体上均匀、广角照明。
这与常规成像系统形成对照，其中提供均匀广角照明通常需要大的相机-衬底分离或极其宽阔的照明源布置。
作为实例，相机120的透镜180的入射面142可与和其相关联的视场122分离，且因此与衬底分离开沿着相机轴170取得的在大约50mm到100mm的范围内的距离。特别优选地，通过相机120成像的衬底可与相机120的透镜180的入射面142分离开在70mm到90mm的范围内的距离。此距离可对应于每一视场122的对角线的长度的大约两倍到四倍。如果圈300不重叠，那么相机与视场之间的分离将需要极大的相机间间隔以给出广角照明或会导致对视场的十分窄或不均匀的角照明，两个所述特征都将是不合意的且在本发明中被避免。
另外，至少部分归因于由本发明中的光子发射器的多重的、部分重叠的布置促成的接近的衬底-相机间隔，本发明的系统优选地提供高分辨率图像。作为实例，本发明的光学头可获取具有在6到30μm的范围内(在范围0.01到0.05内的透镜物方数值孔径)且特别优选地在可见光谱的绿色部分中的8到16μm范围内(在范围0.02到0.04内的透镜物方数值孔径)的空间分辨率的图像。提供高分辨率图像是本发明的高度有利的特征且与常规成像系统形成对照，其中通常获取低得多的分辨率的图像。
应理解，在此描绘为包括内圈302及外圈300的多个光子发射器130的大体上圆周布置132不限于严格地为圆形。事实上，光子发射器130的圆周布置132可在大约±20％的公差内偏离真圆。此外，光子发射器130的圆周布置132不限于是平面的。确切来说，圆周布置132可由在大约±15°的公差内相对于视场144以多种方位角定位的光子发射器304、306组成。
可参考图4最佳地理解多个光子发射器130对视场122的照明，图4展示光子发射器到光学头102中的多个相机120的视场122的平面上的投射的简化概念说明。应了解，为了简化及清楚起见，从图4省略光束整形元件150且关于视场122仅描绘光子发射器130。
如图4中所见，当第二多个光子发射器130被投射到被视场122占据的平面124上时，多个光子发射器130在圆周上围绕视场122，且光子发射器130的相邻外圈300(例如由LED 310及312形成的外圈300)互相重叠。
作为实例，外圈300中的一者的LED 310将光引导到由其围绕的第一视场400，如由第一组箭头402指示。外圈300中的另一者的LED 312将光引导到由其围绕的第二视场404，如由第二组箭头406指示。由于LED 310及312的相邻圈300之间的重叠，位于由LED 312外接的边界内的那些LED 310更靠近被LED 312的圈围绕且照明的第二视场404，但将照明引导到更远的第一视场400。类似地，位于由LED 310外接的边界内的那些LED 312更靠近被LED310的圈围绕且照明的第一视场400，但将照明引导到更远的第二视场404。
应了解，尽管在上文已关于两个特定个别视场400及404描述了光子发射器130关于视场122的架构及操作，但上文描述一般适用于根据本发明的优选实施例构造及操作的其它光子发射器及视场。
现在参考图5A、5B及5C，其是根据本发明的优选实施例构造及操作的、形成图1到4中展示的类型的图像获取装置的部分的照明组合件及其组件的经简化的相应说明。
如图5A到5C中所见，在此作为实例由LED的外圈300及内圈302组成的多个光子发射器130的每一圆周布置132位于相机160的相机轴170周围。在此作为实例，展示光束整形光学元件150被准直器板500及其上堆叠的偏转器板502容置。光子发射器130的每一圆周布置132与和其相关联的对应光束整形光学元件150相结合可称为照明组合件504。
应了解，尽管为了使描述简化且清楚起见在图5A中说明单个环形照明组合件504，但事实上，照明组合件504中的多者优选地以多重、互相重叠的布置并入于光学头102中，如上文描述。特别优选地，照明平台140、准直器板500及偏转器板502经形成为其上形成有多个互相重叠的照明组合件504的布置的连续、宽阔的元件，如图1到4中说明。
多个光子发射器130的外圈300及内圈302优选地经安装在LED安装板510上，如在展示其放大视图的图5B中最清楚地看见。安装板510优选地包含连接到电路系统的用于控制光子发射器130的操作的多个电容器(未展示)。在优选操作模式中，光子发射器130由电流的短脉冲驱动。这允许在光学头102与被扫描的目标之间的连续相对运动期间获取图像，同时最小化图像模糊。实现此短脉冲驱动的电容器及与其相关联的电路系统可为在指派给与本发明相同的受让人且通过引用并入本文中的第201510828406.3号中国专利申请案中描述的类型。
应理解，安装板510优选地构成照明平台140的区段。因此，尽管本文中将安装板510展示为仅固持其上的光子发射器的内圈302及外圈300，但对应于安装板510的照明平台140的一部分事实上还可容纳额外光子发射器，所述额外光子发射器是侵占外圈300且任选地还侵占内圈302的其它光子发射器圈的成员。
准直器板500优选地定位在LED安装板510正下方且优选地包含光准直器520的阵列，光准直器520的阵列的每一光准直器522优选地与安装板510上的对应光子发射器协作且相对于所述对应光子发射器轴向对准。在此作为实例，光准直器520的阵列包括对应于光子发射器的内圈302及外圈300的双圈阵列。然而，应理解，准直器522可以能够提供由多个光子发射器130发射的光的所需准直的任何合适的配置进行布置。应进一步理解，准直器板500优选地构成光准直器的较大的、优选地平面的薄板的区段，从而形成准直器板152的部分。
根据所采用的特定类型的光子发射器，准直器522可包括球面、圆对称的非球面、圆柱形或自由形体的透镜或反射器中一或多者，包含那些光学元件的菲涅尔(Fresnel)对应物。作为实例，图6中说明的准直器522是单片非球面透镜。
偏转器板502优选地定位在准直器板500正下方且优选地包含光偏转器530的阵列，如在展示其放大视图的图5C中最清楚地看见。光偏转器530的阵列中的每一光偏转器532优选地与对应光子发射器130及准直器522协作且纵向定位在对应光子发射器130及准直器522下方。
每一光偏转器532优选地包括一或多个自由形体的光学元件。作为实例，如在图5C及6中最清楚地看见，光偏转器532可为具有不规则的倒角入射面542及出射面546的棱镜。所属领域的技术人员将认识到，面542及546共同以类似用于使照射在其上的光偏转的自由形体的棱镜的方式起作用。图6中展示的特定设计的自由形体的面542及546额外展示部分光准直功能性，从而补足非球面准直器522的准直功能，以便在相应视场122处实现经改进照明均匀性及效率。偏转器532与准直器522相结合的高偏转效率优选地还最小化杂散光从每一光子发射器到除了希望被每一给定光子发射器照明的视场之外的视场的逸出。应理解，偏转器板502优选地构成形成偏转器板154的部分的光偏转器的较大平面薄板的区段。
应理解，准直器板500及偏转器板502优选地各自仅分别构成准直器板152及偏转器板154的区段。因此，尽管在本文中将准直器板500及偏转器板502展示为在其上分别仅固持两圈准直及偏转元件，但对应于准直器500及偏转器502的准直器板152及偏转器板154的一部分事实上还分别可容纳额外准直器及偏转器元件，所述额外准直器及偏转器元件优选地对应于侵占照明平台140的对应部分上的光子发射器圈的光子发射器且与所述光子发射器协作。
LED安装板510优选地被制造为其上另外优选地安装一些或所有LED驱动电子电路系统的印刷电路板(PCB)。替代地，LED安装板510以及准直器板500及偏转器板502(包含由其容置的各种光学元件)可通过三维打印技术制造(例如，通过荷兰的Luximprint V.O.F制造)。可用于制造准直器元件522及偏转元件532的其它已知制造技术包含注塑成型塑料、计算机数值控制(CNC)机械加工及玻璃模制。应了解，照明组合件504因此由可在低成本下制造且可被容易地组装的大体上平面的、容易制造的元件构造而成。
光子发射器130、准直器522及光偏转器532的每一垂直堆叠可统称为照明模块550。示范性照明模块550在图6中说明，从所述照明模块550输出的光在图7中以高度简化的方式展示。从图6及7的考虑应了解，照明模块550优选地朝向相关联视场122引导由形成照明模块550的一部分的光子发射器(例如LED)发射的经准直光。优选地，准直器522及偏转器532用于以某种方式引导来自光子发射器130的光使得每一照明模块550照明单个视场122的全部，如图7中所见。
应理解，在照明模块550及照明组合件504中包含偏转器532以便朝向视场122引导来自准直器522的经准直光仅是示范性的且偏转器532可被其它光引导机构替换。作为实例，可消除偏转器532，且光可通过所属领域中已知的其它机构朝向视场122成角度。这些机构包含(但不限于)平面折射光束偏转器及衍射光栅，后者在与激光器类型的光子发射器相结合的情况下特别有效。
应了解，在本发明的一些实施例中，可能为有利的是，使至少一个照明组合件504的至少一个照明模块照明一个以上视场122，而非如在照明模块550的情况中所说明的那样仅照明单个视场。
由本发明的照明模块照明一个以上视场可为合意的，这是由于归因于光子发射器130的高度密集布置，分别属于相邻圆周布置132的个别光子发射器130可经标示为定位在照明平台140上的物理相交的位置处。由于仅一个光子发射器可占据照明平台140上的给定位置，所以此在两个或更多个光子发射器130之间创建竞相占据照明平台140上的相同区域的至少部分的冲突区域。
冲突可发生于相邻内圈302的两个或更多个光子发射器130之间、相邻外圈300的两个或更多个光子发射器130之间或相邻内圈302及外圈300的两个或更多个光子发射器130之间。
此冲突可通过使竞相占据相同位置的光子发射器130中的一或多者的位置移位来解决。然而，此解决方案在至少一个竞争光子发射器需要从所述光子发射器所属的圆周布置132移位到远到不可接受的位置从而防止至少一个光子发射器130将所需照明提供到相关联视场122的情况中可能是不可行的。
根据本发明的一个优选实施例，此冲突可替代地通过将单个光子发射器130放置在照明平台140上的冲突位置处来解决，单个光子发射器130形成朝向一个以上视场122引导光的分光照明模块的部分。占据冲突位置的单个光子发射器130通过朝向曾经经标示为被占据那个位置的额外光子发射器照明的视场输出光来有效地替换曾经经标示为占据那个位置的多个光子发射器。占据冲突位置的单个光子发射器130因此除了将光引导到被光子发射器所属的大体上圆周布置132照明的视场之外还将光引导到至少一个其它视场。
即使上述冲突不存在，由本发明的照明模块照明一个以上视场也可为有利的，以便减少照明模块的数目且因此减少在照明平台140上所需的光子发射器的数目。在本发明的特定实施例中，此可降低制造成本、功耗及复杂性。
照明模块550可经修改以便通过由多个偏转元件替换单个偏转元件532来照明一个以上视场。作为实例，偏转元件532可由具有对应于所需光输出光束的数目及定向的数目及定向的面的多个棱镜替换。
经配置以朝向一个以上视场引导光的本发明的照明模块的各个实例及来自其的对应光输出以高度简化的形式在图8到12中说明。
现在转到图8，照明模块850优选地包含光子发射器130、准直元件(例如准直器522)及偏转元件852。应了解，包含于照明模块850中的准直元件不一定具有与准直器522相同的结构且可根据照明模块850的所要性能特性进行优化。偏转元件852优选地被体现为具有第一输出面854及第二输出面856的分裂棱镜。第一输出面854及第二输出面856优选地具有互不相同的定向，且优选地各自经定向以便将光引导到不同视场。举例来说，如图9中所见，第一输出面854可朝向第一视场860投射输出光束，且第二输出面856可朝向第二视场862投射输出光束。第三视场864优选地不被照明模块850照明。
偏转器元件852的输出面854及856在图8及9中被说明为包括凹面。然而，应理解，这些面可替代地被形成为凸的、向外指向或突出的表面，而非向内指向或凹进的表面。
应理解，照明模块850因此实际上至少部分替换原本将分别照明第一视场860及第二视场862的两个个别照明模块550的功能性。
现在转到图10，照明模块1050优选地包含光子发射器130、准直器元件(例如准直器522)及偏转元件1052。偏转元件1052优选地被体现为具有第一输出面1054、第二输出面1056及第三输出面1058的分裂棱镜。第一到第三输出面1054到1058优选地各自经定向以便将光引导到不同视场。输出面1054到1058在图10中被说明为凸面。然而，应理解，这些面还可被设计为凹面，如图11中说明。举例来说，如图11中所见，第一输出面1054可将光引导到第一视场860，第二输出面1056可将光引导到第二视场862，且第三输出面1058可将光引导到第三视场864。
应理解，照明模块1050因此实际上至少部分替换原本将分别照明第一视场860、第二视场862及第三视场864的三个个别照明模块550的功能性。
所属领域的技术人员应了解，分裂照明模块(例如照明模块850及1050)在性能方面相较于非分裂照明模块(例如照明模块550)稍微不同。这是因为每一分裂照明模块关于每一视场仅投射来自其出射孔径的一部分的光。另外，分裂照明模块的光功率经分布在一个以上视场上，从而导致将较少光功率递送到由其照明的每一个别视场。
在基本上漫反射衬底的情况中，光功率的损失在这些效应中往往更显著。相对光功率损失可通过在分裂照明模块内提供物理上更大及/或更高功率的光子发射器130来补偿。另外或替代地，相对功率损失可通过从其它分光照明模块提供额外照明使对每一视场的照明均等化来补偿。
在至少部分镜面反射衬底的情况中，由照明模块对向的角也可能是重要的。在此类情况中，为了保持照明的角范围，图12中说明的类型的分裂照明模块可为有利的。
现在转到图12，照明模块1250优选地包含光子发射器130、准直元件(例如准直器522)及偏转元件1252。偏转元件1252优选地被体现为将光引导到多个视场的多面、凸或凹棱镜。多棱镜设计的偏转元件1252用于遍及其出射面将照明均匀地分布为大量小照明间隙，所述照明间隙被衬底反射性质及成像透镜接受角置乱。
应理解，给定照明组合件可包含本发明的照明模块的任何组合，包含仅照明单个视场的照明模块及照明多个视场的分光照明模块，这取决于照明组合件经并入于其中的光学检验系统的要求。
现在参考图13，其是根据本发明的另一优选实施例构造及操作的光学系统的简化说明，所述光学系统包含形成其一部分的图像获取装置。
如图13中所见，提供包含图像获取装置1302的光学系统1300。光学系统1300可为采用光学元件且受益于在其中包含图像获取装置的任何类型的系统，例如(仅作为实例)光学扫描系统、光学检验系统、光学处理系统或光学制造系统。在此，作为实例，展示光学系统1300是以光学扫描系统及将被安装在其上的图像获取装置1302的典型形式体现。然而，应了解，光学系统1300的此表示及其中图像获取装置1302的位置仅是说明性的且可根据光学系统1300的设计要求被容易地改变。
图像获取装置1302优选地包含可操作以照明由光学系统1300处理的衬底且随后获取其图像的光学元件。图像获取装置1302因此可称为光学头1302。如在展示光学头1302的放大视图的放大部1310处最清楚地看见，光学头1302优选地包含以互相间隔开的配置进行布置的第一多个相机1320，每一相机具有相关联视场1322，每一视场1322位于例如平面1324的平面中。平面1324优选地与将被成像的衬底的表面重合，使得相机1320的视场1322位于衬底表面上。在平面目标的情况中，被视场1322占据的平面1324可为相机1320的所有视场1322都位于其内的共同平面。替代地，在将被成像的非平面衬底的情况中，相机1320的视场1322可位于一个以上平面中。
光学头1302进一步优选地包含围绕第一多个相机1320中的每一相机以多重布置1332进行布置的第二多个光子发射器1330，所述光子发射器1330优选地照明视场1322。特别优选地，光子发射器1330的多重布置1332围绕第一多个相机1320中的每一相机的轴1326布置。
本发明的优选实施例的特定特征是，布置1332中的至少一者的至少一个光子发射器将光引导到第一多个相机1320中的一者的并非是离那个光子发射器最近的视场的视场1322。多个光子发射器1330关于多个相机1320的此布置允许多个光子发射器1330以高度紧凑的形状因子提供对视场1322的广角大体上均匀的照明，如此后更详细解释。
第二多个光子发射器1330优选地被安装在照明平台1340的下侧1338上。照明平台1340优选地定位在相机1320的透镜的入射面1342下面，从而介接相机1320及视场1322，其中照明平台1340的下侧1338在入射面1342远端。多重孔径1344优选地经形成于照明平台1340中，从经照明视场1322发出的光穿过其到达相机1320。第二多个光子发射器1330优选地以非重叠配置关于孔径1344进行布置，以便照明视场1322而不会遮挡从其发出的光。在特定实施例中，光子发射器1330可经分布在照明平台1340的整个区域上以便最大化照明密度及均匀性同时保持紧凑的形状因子。
可通过各种光束整形光学元件1350以上文描述的方式朝向视场1322引导由多个光子发射器1330发射的光，所述光学元件1350可具有准直及/或偏转功能性。此类光学元件1350可经安装在一或多个板上，例如其上优选地安装准直元件的准直器板1352及其上优选地安装偏转元件的偏转器板1354。准直器板1352及偏转器板1354在图13中被展示为经定位成邻近彼此及照明平台1340。应了解，可提供与照明平台1340分离的准直器及偏转器板1352、1354，或准直器及偏转器板1352、1354可与照明平台1340整体形成，使得多个光子发射器1330及光束整形光学元件1350占据单片多层面平台。
图13中说明的本发明的优选实施例的特定特征是，偏转器板1354被体现为具有光偏转功能性的第三多个轴锥镜1355的阵列。轴锥镜阵列1355优选地经形成为通常包括塑料或玻璃的锥形光学元件的紧凑阵列。如所属领域中众所周知，轴锥镜1355使光在相对于光沿着其入射在轴锥镜1355上的垂直方向的所有方向上基本上相等地偏转使得没有光会沿着垂直轴传输且产生一圈经偏转光。在图13中展示的本发明的实施例中，轴锥镜1355通过准直器板1352上的准直元件从第二多个光子发射器1330接收光且又产生照明视场1322的光圈。轴锥镜1355的紧凑阵列的集体效应因此是投射关于视场1322分布的环形辐射。虚拟环照明借此关于每一视场1322创建，而无需光源的物理圆周布置。此后参考图15A到17提供关于由光子发射器1330连同轴锥镜阵列1355及额外光束整形光学元件1350形成的照明器组合件的优选结构及功能的另外细节。
第一多个相机1320优选地被组织成交错阵列，其包括形成一系列交错列的一系列大体上互相平行偏移的行。在由光学头1302扫描衬底期间，衬底及光学头1302优选地沿着由箭头1356大体上指示的扫描方向相对运动。此运动在光学头1302保持静止时可通过衬底在扫描方向1356上的移动进行、在衬底保持静止时可通过光学头1302在扫描方向1356上的移动进行或通过光学头1302及衬底两者的移动进行。
从图13的考虑应了解，扫描方向1356优选地大体上垂直于相机1320的行的方向，使得行的方向定义交叉扫描方向。相机1320优选地在扫描及交叉扫描方向两者上互相间隔开以便在衬底及光学头1302沿着扫描方向1356相对运动时允许对衬底的单遍次扫描。
在此，作为实例，可见第一多个相机1320包括布置成三个交错的行且能够提供对目标的单遍次扫描的32个个别相机1360。然而，应了解，取决于光学系统1300的成像要求，第一多个相机1320可包括布置成多种阵列架构的更大或更少数目个个别相机1360。特定来说，可采用比所说明的数目更少的相机1320，使得不能实现对整个衬底的单遍次扫描。在此情况中，沿着扫描方向1356的移动可通过在垂直于扫描方向1356的交叉扫描方向上进行逐步移动来补足。
参考展示第一多个相机1320的代表性部分的图14A到14C可最佳地理解多个相机1320的布置及结构。如图14A到14C中所见，第一多个相机1320优选地分布在呈部分重叠的布置的第一行1362、第二行1364及第三行1366上，如在扫描方向1356上观察到。从图14C的考虑应最佳地了解，此交错的部分重叠的相机布置提供如在扫描方向1356上观察到的连续横向视场1368，借此允许进行对目标的单遍次扫描。作为实例，本文中展示的32相机布置可在交叉扫描方向上提供对具有大约600mm的宽度的衬底的单遍次扫描。
如在图14B及14C中最清楚地看见，每一相机1360定义相机轴1326，且每一相机1360的视场1322是在相机1360正下方且与相机轴1326相交的那个视场。因此，作为实例，第一相机1372具有第一对应视场1374，第二相机1376具有第二对应视场1378，以此类推，如图14B中所见。第二多个光子发射器1330的布置1332优选地围绕每一相机1360的相机轴1326大体上居中且与每一相机1360的相机轴1326相交。
每一相机1360优选地包括透镜部分1380及连接到其的相关联相机板1382。相机板1382可为容纳用于相机驱动及控制的集成电路传感器芯片及电子器件的印刷电路板(PCB)。相机板1382可个别地形成或为了便于制造可形成为共同元件。多个相机1320的操作可另外由形成在一组控制板1386上的电子电路系统控制。作为实例，一群组八个个别相机1360可经连接到定位在相机1360后部的单个控制板1386且由单个控制板1386控制。控制板1386还可容置用于多个光子发射器1330的控制及驱动的电子器件。控制板1386可协作地耦合到相机板1382以便协调第一多个相机1320及第二多个光子发射器1330的操作。
透镜部分1380特别优选地被体现为远心透镜。适合用于相机1360中的远心透镜可为在商业上可购自德国巴特克罗伊茨纳赫的施耐德光学(Schneider Optics of BadKreuznach,Germany)；美国新泽西州的爱特蒙特光学(Edmund Optics of New Jersey,US)；德国芬宁的NET新电子技术有限公司(NET New Electronic Technology GMBH ofFinning,Germany)；及意大利曼图亚光电工程(Opto-Engineering of Mantua,Italy)的类型。
如所属领域中众所周知，在远心透镜中，归因于光被远心透镜捕获的方式，视场的图像由基本上平行于透镜轴1326传播的光线形成。因此，所属领域的技术人员应理解，正是透镜部分1380的远心性质与相机板1382的图像传感器的光敏区域的大体上矩形形状相结合产生了本文中展示的大体上矩形形状的视场1322及对应矩形形状的孔径1344。然而，应了解，除了远心透镜之外的类型的透镜可经并入于本发明的第一多个相机1320中，在此情况中，可根据需要作出修改以便适应与其相关联的视场的形状。
从图14B的考虑应最佳地了解，视场1322的宽度远小于对应相机透镜1380的直径，这与相机透镜1380的远心性质一致。本发明的特别有利的特征是，第一多个相机1320能够提供对衬底的单遍次扫描，尽管相机视场远小于相机透镜直径。作为实例，在本发明的光学头1302中，可实现单遍次扫描，尽管视场1322具有小于对应透镜1380的直径的大约20mm的宽度。
这与常规单遍次光学成像系统形成对照，其中单遍次扫描通常通过使用具有至少与相机透镜本身一样大的视场的相机来实现。
现在参考图15A、15B及15C，其是根据本发明的优选实施例构造及操作的、形成图13到14C中展示的类型的图像获取装置的部分的照明组合件及其组件的简化相应说明。
如图15A到15C中所见，照明平台1340的一部分上的多个光子发射器1330优选地围绕相机1360的相机轴1326。准直器板1500优选地定位在光子发射器1330及优选地定位在其下方的轴锥镜阵列1355下方。围绕相机1360的光子发射器1330与和其相关联的对应光束整形光学元件1350(包含轴锥镜1355)相结合可称为照明组合件1504。
应了解，尽管为了使描述简化且清楚起见在图15A中说明单个照明组合件1504，但事实上，照明组合件1504中的多者优选地以多重、互相重叠的布置并入于光学头1302中，如上文描述。特别优选地，照明平台1340、准直器板1500及轴锥镜阵列1355优选地经形成为其上形成有多个互相重叠的照明组合件1504的布置的连续、宽阔的元件，如图13到14C中说明。
光子发射器1330优选地经安装在LED安装板1510上，如在展示其放大视图的图15B中最清楚地看见。安装板1510优选地包含连接到电路系统的用于控制光子发射器1330的操作的多个电容器(未展示)。在优选操作模式中，光子发射器1330由电流的短脉冲驱动。这允许在光学头1302与被扫描的目标之间的连续相对运动期间获取图像，同时最小化图像模糊。电容器及与其相关联的实现此短脉冲驱动的电路系统可为在指派给与本发明相同的受让人且通过引用并入本文中的第201510828406.3号中国专利申请案中描述的类型。
应理解，安装板1510优选地构成照明平台1340的区段。应理解，图15B中说明的安装板1510上的光子发射器1330的特定几何布置仅是示范性的，且光子发射器1330可至少部分围绕形成在其中的孔径1344在安装板1510上布置成任何合适的重复或非重复布置。
准直器板1500优选地定位在LED安装板1510正下方且优选地包含光准直器1520的阵列，光准直器1520的阵列的每一光准直器1522优选地与安装板1510上的对应光子发射器协作且纵向定位在所述对应光子发射器下方。事实上，当构造照明组合件1504时，光子发射器1330的密度及布置通常根据可以其构造光准直器1520的阵列的可行密度来设置。
在此作为实例，光准直器1520的阵列包括对应于光子发射器1330的布置的矩形阵列。然而，应理解，准直器1522可经布置成能够提供由多个光子发射器1330发射的光的所需准直的任何合适的配置。作为实例，板1510上的光子发射器1330及板1500上的准直器1522可根据系统要求及工程考虑经布置成六边形栅格、替代性的紧凑形成或不规则阵列。应进一步理解，准直器板1500优选地构成形成准直器板1352的部分的光准直器的较大的优选地平面薄板的区段。
根据所采用的特定类型的光子发射器，准直器1522可包括球面、圆对称的非球面、圆柱形或自由形体的透镜或反射器中的一或多者，包含那些光学元件的菲涅尔(Fresnel)类型的对应物。作为实例，图15A及16中说明的准直器1522是单片非球面透镜。
轴锥镜阵列1355优选地定位在准直器板1500正下方且优选地包含光偏转轴锥镜阵列，如在展示其放大视图的图15C中最清楚地看见。轴锥镜1355可具有六边形、正方形或其它形状的边界，以便允许其紧凑组装成阵列。轴锥镜阵列1355优选地(但不一定)与孔径1344对称。在图15C中说明的轴锥镜阵列1355的实施例中，所有轴锥镜1355被展示为彼此相同的，具有相同尺寸及锥角。然而，应了解，这仅是示范性的，且包括轴锥镜1355的轴锥镜可为互不相同的。举例来说，轴锥镜1355可具有各种尺寸及锥角以便产生一个以上角度的光圈。适合用于本发明中的轴锥镜可为在定制基础上在商业上可购自德国奥尔佩的卡尔容贝克尔有限公司(Jungbecker Karl GmbH&Co.,of Olpe,Germany)；美国伊利诺伊州奈尔斯市的ALP发光组件有限公司(ALP Lighting Components Inc.of Niles,IL,USA)；美国北卡罗来纳州达勒姆的光明科技公司(Bright View Technologies Corporation of Durham,NC,USA)；法国蒙特利尔拉克鲁兹的加乔内SAS(Gaggione SAS of Montreal La Cluse,France)；英国法夫的威力光电有限公司(PowerPhotonic Ltd.of Fife,United Kingdom)；及德国苏尔的CDA有限公司(CDA GmbH of Suhl,Germany)的类型。
LED安装板1510优选地被制造为其上另外优选地被安装一些或所有LED驱动电子电路系统的印刷电路板(PCB)。替代地，LED安装板1510以及准直器板1500(包含安装在其上的各种光学元件)可通过三维打印技术制造(例如，通过荷兰的Luximprint V.O.F制造)。可用于制造准直器元件1522的其它已知制造技术包含注塑成型塑料、计算机数值控制(CNC)机械加工及玻璃模制。应了解，照明组合件1504因此优选地由可在低成本下制造且可被容易地组装的大体上平面的、容易制造的元件构造而成。
光子发射器1330、准直器1522及轴锥镜阵列1355的对应部分1530的每一垂直堆叠可统称为照明模块1550。示范性照明模块1550在图16中说明，从所述照明模块1550输出的光在图17中以高度简化的方式展示。从图15A到17的考虑应了解，由每一光子发射器1330发射的光优选地朝向对应准直器元件1522传播，所述准直器元件1522优选地准直在其处接收到的光且产生经准直光输出。从准直器元件1522输出的经准直光优选地朝向轴锥镜阵列1355的对应部分1530传播。
轴锥镜阵列1355中的每一轴锥镜元件优选地用于产生呈圆锥表面1700的形式的光输出，如图17中说明。归因于轴锥镜阵列1355的高度密集布置，轴锥镜阵列1355优选地产生多个重叠的圆锥表面或光圈。轴锥镜阵列1355优选地经结构化及布置使得由其产生的光圈重叠且聚集在视场1322上，借此照明视场1322并最小化落在视场1322之间的区域上的杂散光的量。
根据本发明的特别优选的实施例，轴锥镜阵列1355包括由模制透明塑料材料形成的轴锥镜阵列。塑料材料可包括丙烯酸、聚碳酸酯、环烯烃聚合物或可被模制或塑形成期望的光学设计的任何其它光学级塑料材料中的一或多者。特定来说，使用聚碳酸酯是有利的，这是由于其相对高折射率能够实现大偏转角。轴锥镜可为凸的，如图15A到17中说明。另外或替代地，轴锥镜可为凹的。
轴锥镜阵列1355可具有在4到10000个轴锥镜/cm2的范围内的密度。轴锥镜1355优选地具有在80°到130°的范围内的顶角及在29°到12.5°的范围内(在轴锥镜阵列1355包括丙烯酸塑料的情况中)及在35°到15°的范围内(在轴锥镜阵列1355包括聚碳酸酯的情况中)的对应偏转角。然而，应了解，这些值仅是说明性的且可取决于照明模块1550的光输出要求被所属领域的技术人员容易地改变。特定来说，应了解，在包含于轴锥镜阵列1355中的轴锥镜的数目与每一轴锥镜的大小之间存在折衷，且轴锥镜阵列1355的设计可根据其功能要求进行优化。
如上文描述，阵列1355中的每一轴锥镜圆锥棱镜以相对于轴锥镜轴1702的窄角投射在所有方位方向上大体上相等地传播的光束。此光束优选地以环形光分布1700与衬底表面相交，如图17中展示。与上文描述的本发明的其它优选实施例形成对照，轴锥镜阵列1355的光输出与视场1322中的任何特定者都不相关联。确切来说，轴锥镜阵列1355的光输出基本上均匀地散布遍及被视场1322占据的衬底区1324。入射在视场1322之间的区域上的光因此被浪费。然而，由于多个相机1320的紧凑布置，这样被浪费的光的比例被最小化。
应了解，为了清楚起见，阵列1355的仅单个轴锥镜的光输出在图17中展示。然而，应容易地理解，大体上类似(尽管不一定相同)的光输出优选地被阵列1355中的每一轴锥镜投射。如从每一视场1322的视角观察，整个轴锥镜阵列1355的光输出的集体效应是光的环形角散布相对于远心透镜1380的轴1326具有定义明确的角。
本发明的此实施例的特定优点是，由轴锥镜阵列1355提供的辐照度是高度均匀的且在空间上是基本上不变的，从而展现在由其照明的每一视场1322内的不同位置处的强度的最小变化。可从图18的考虑应了解由轴锥镜阵列1355提供的辐照度的空间不变性，图18说明由图17中说明的类型的照明布置投射的角辐射的模拟结果。
如图18中所见，绘制在两个视场1322A及1322B中的每一者的中心及拐角处所见的模拟角辐射。视场1322A经选择为位于多个相机1320的中间行1364中，而视场1322B经选择为位于边缘行(例如行1362)中。如从角辐射图表的比较应明白，在每一视场1322内及之间的各个位置处所观察到的角辐射是基本上均匀的。
应理解，图18中标绘的角辐射是由根据本发明的优选实施例构造及操作的理想轴锥镜阵列1355提供的辐射的模拟。如所属领域的技术人员应了解，在实际实践中，轴锥镜阵列可包括制造偏差及公差。作为实例，实际轴锥镜顶点将具有有限曲率半径而非所模拟那样的无限陡峭，且邻近轴锥镜通常将通过有限转变区分离而非如模拟那样紧邻。这些制造公差可导致在图18中展示的环形辐射分布内形成间隙，从而使照明的均匀性及移位不变性降级。
为了在本发明的实施例中最小化间隙在被轴锥镜阵列1355投射的环形辐射分布内的形成，轴锥镜阵列1355中的每一轴锥镜优选地相对于轴锥镜阵列1355与对应视场1322之间的分离具有十分小的尺寸。作为实例，轴锥镜阵列1355与视场1322之间分离优选地在比每一轴锥镜的基座的尺寸大约10到100倍之间。因此，由轴锥镜阵列1355投射的辐射图案中的角间隙相对于衬底的光散射性质及成像透镜1380的接受角是一般是无关紧要的。
根据本发明的特定实施例，轴锥镜阵列1355可包括具有大体上相同光学性质的轴锥镜。替代地，轴锥镜阵列1355可由具有互不相同的几何形状(例如互不相同的顶角)且因此具有互不相同的光学性质的轴锥镜形成，作为实例，轴锥镜阵列1355可包括投射两个或更多个互不相同的偏转角的大体上同心角辐射圈的两个或更多个互不相同的几何形状的交错轴锥镜。
交错可包括根据规则或不规则重复图案的第一类型的轴锥镜与第二类型的轴锥镜的交替放置。在特定实施例中，交错可取决于相对于相机轴1326的位置而不同地结构化。
同时提供一个以上偏转角的光圈在其中将在被扫描的衬底上观察的特征包括数个不同反射性质的应用中可为有利的。在此情况中，关于相机轴1326具有小入射角的光可具有增强大体上镜面反射表面(例如金属)的边缘的性质。以相对大的角入射的光可具有增强点缺陷(例如划痕及灰尘颗粒)的性质。然而，以过大的钝角入射的光可能由于减小的整体对比度而是不合意的。
应理解，在轴锥镜阵列1355包括具有两个或更多个几何形状且因此具有两个或更多个偏转角的轴锥镜的情况中，第一几何形状的每一轴锥镜在由第二几何形状的每一轴锥镜产生的角光圈内呈现出辐射间隙，如从视场1322观察。作为实例，轴锥镜阵列1355可包括以15°偏转角投射光圈的、与以35°偏转角投射光圈的第二类型的轴锥镜交错的第一类型的轴锥镜。如在35°辐射圈的方向上从视场1322观察，每一亮点被观察为从定位在观察方向上的第二类型的35°偏转角轴锥镜发出。经定位成邻近35°偏转角轴锥镜的第一类型的15°偏转角轴锥镜将被感知为35°偏转角投射的光圈中的暗点，这是由于15°偏转角轴锥镜促成15°辐射圈。
类似地，如在15°辐射圈的方向上从视场1322观察，每一亮点被观察为从定位在观察方向上的第一类型的15°偏转角轴锥镜发出。经定位成邻近15°偏转角轴锥镜的第二类型的35°偏转角轴锥镜将被感知为15°偏转角投射的光圈中的暗点，这是由于35°偏转角轴锥镜促成35°辐射圈。
然而，假如采用相对密集的轴锥镜阵列，那么可使上述辐射间隙小到对于给定应用来具有可忽略的重要性。
所属领域的技术人员应了解，本发明不受下文特别主张的内容限制。确切来说，本发明的范围包含上文描述的特征的各种组合及子组合以及所属领域的技术人员在参考附图阅读上述描述后会想到的且不属于现有技术的其修改及变化。

Claims (64)

1.一种图像获取装置，其包括：
第一多个相机，其以互相间隔开的配置进行布置，所述第一多个相机各自具有一视场，每一视场位于一平面中；及
第二多个光子发射器，其围绕所述第一多个相机中的每一相机以多重大体上圆周布置进行布置，
所述大体上圆周布置内的至少一个光子发射器将光引导到所述第一多个相机中的一者的并非是离其最近的视场的视场；
其中每一所述大体上圆周布置包括内圈光子发射器及外圈光子发射器，所述内圈与所述外圈是大体上同心的，且其中所述第二多个光子发射器经布置使得相邻外圈中的至少一者互相重叠。
2.根据权利要求1所述的图像获取装置，其中所述第一多个相机的所述互相间隔开的配置包括相机行的交错阵列，当在大体上垂直于所述行的方向的方向上观察时所述第一多个相机的视场至少部分重叠。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的图像获取装置，其中所述平面是被每一所述视场占据的共同平面。
4.根据权利要求3所述的图像获取装置，其中所述平面与将通过所述图像获取装置成像的衬底的表面重合。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的图像获取装置，其中每一相机定义相机轴，每一大体上圆周布置在中心与所述相机轴相交。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的图像获取装置，其中所述光子发射器包括LED。
7.根据权利要求1所述的图像获取装置，其中包括所述内圈的光子发射器发射第一波长的光，且包括所述外圈的光子发射器发射第二波长的光，所述第一波长与所述第二波长互不相同。
8.根据权利要求7所述的图像获取装置，其中包括内圈的所述光子发射器是IR LED，且包括所述外圈的所述光子发射器是琥珀色LED。
9.根据权利要求1或权利要求2所述的图像获取装置，其中所述光子发射器将光引导到其的所述视场被所述光子发射器完全照明。
10.根据权利要求1或权利要求2所述的图像获取装置，且其还包括具有上表面及下表面的照明平台，所述上表面在所述第一多个相机近端，所述下表面在所述多个相机远端，所述第二多个光子发射器经安装在所述下表面上。
11.根据权利要求10所述的图像获取装置，其中多重孔径经形成于所述照明平台中，每一孔径允许所述相机通过其观察所述视场。
12.根据权利要求11所述的图像获取装置，其中光子发射器的每一所述大体上圆周布置在圆周上围绕每一所述孔径。
13.根据权利要求12所述的图像获取装置，其中每一所述相机包括远心透镜。
14.根据权利要求13所述的图像获取装置，其中每一所述孔径是大体上矩形的。
15.根据权利要求10所述的图像获取装置，且其还包括用于准直所述光的至少一个准直器。
16.根据权利要求15所述的图像获取装置，其中所述至少一个准直器经安装在准直器板上。
17.根据权利要求16所述的图像获取装置，其中所述准直器板邻近所述照明平台经定位于所述照明平台与所述平面之间。
18.根据权利要求17所述的图像获取装置，且其还包括用于引导由所述至少一个准直器输出的所述光的至少一个偏转元件。
19.根据权利要求18所述的图像获取装置，其中所述至少一个偏转元件经安装在偏转器板上。
20.根据权利要求19所述的图像获取装置，其中所述偏转器板经定位成毗邻所述准直器板。
21.根据权利要求19所述的图像获取装置，其中所述偏转器板与所述准直器板单片形成。
22.根据权利要求18所述的图像获取装置，其中所述至少一个偏转元件朝向单个视场引导所述光输出。
23.根据权利要求18所述的图像获取装置，其中所述至少一个偏转元件朝向一个以上视场引导所述光输出。
24.一种图像获取装置，其包括：
第一多个相机，其以互相间隔开的配置进行布置，所述第一多个相机各自具有一视场，每一视场位于一平面中；
第二多个光子发射器，其以多重大体上圆周布置进行布置，每一大体上圆周布置照明一视场，每一大体上圆周布置在投射在由其照明的所述视场的所述平面上时在圆周上围绕所述视场；及
至少一个大体上圆周布置的至少一个光子发射器，其除了将光引导到由所述至少一个大体上圆周布置照明的所述视场之外还将光引导到至少一个其它视场；
其中每一所述大体上圆周布置包括内圈光子发射器及外圈光子发射器，所述内圈与所述外圈是大体上同心的，且其中所述第二多个光子发射器经布置使得相邻外圈中的至少一者互相重叠。
25.根据权利要求24所述的图像获取装置，其中所述第一多个相机的所述互相间隔开的配置包括相机行的交错阵列，当在大体上垂直于所述行的方向的方向上观察时所述第一多个相机的视场至少部分重叠。
26.根据权利要求24或权利要求25所述的图像获取装置，其中所述平面是被每一所述视场占据的共同平面。
27.根据权利要求26所述的图像获取装置，其中所述平面与将通过所述图像获取装置成像的衬底的表面重合。
28.根据权利要求24或权利要求25所述的图像获取装置，其中每一相机定义相机轴，每一大体上圆周布置在中心与所述相机轴相交。
29.根据权利要求24或权利要求25所述的图像获取装置，其中所述光子发射器包括LED。
30.根据权利要求24所述的图像获取装置，其中包括所述内圈的光子发射器发射第一波长的光，且包括所述外圈的光子发射器发射第二波长的光，所述第一波长与所述第二波长互不相同。
31.根据权利要求30所述的图像获取装置，其中包括内圈的所述光子发射器是IR LED，且包括所述外圈的所述光子发射器是琥珀色LED。
32.根据权利要求24或权利要求25所述的图像获取装置，且其还包括具有上表面及下表面的照明平台，所述上表面在所述第一多个相机近端，所述下表面在所述多个相机远端，所述第二多个光子发射器经安装在所述下表面上。
33.根据权利要求32所述的图像获取装置，其中多重孔径经形成于所述照明平台中，每一孔径允许所述相机通过其观察所述视场。
34.根据权利要求33所述的图像获取装置，其中光子发射器的每一所述大体上圆周布置在圆周上围绕每一所述孔径。
35.根据权利要求34所述的图像获取装置，其中每一所述相机包括远心透镜。
36.根据权利要求35所述的图像获取装置，其中每一所述孔径是大体上矩形的。
37.根据权利要求32所述的图像获取装置，且其还包括耦合到至少一个光子发射器的至少一个准直器。
38.根据权利要求37所述的图像获取装置，其中所述至少一个准直器经安装在准直器板上。
39.根据权利要求38所述的图像获取装置，其中所述准直器板邻近所述照明平台经定位于所述照明平台与所述平面之间。
40.根据权利要求39所述的图像获取装置，且其还包括耦合到所述至少一个准直器的至少一个偏转元件。
41.根据权利要求40所述的图像获取装置，其中所述至少一个偏转元件经安装在偏转器板上。
42.根据权利要求41所述的图像获取装置，其中所述偏转器板经定位成毗邻所述准直器板。
43.根据权利要求41所述的图像获取装置，其中所述偏转器板与所述准直器板单片形成。
44.根据权利要求40所述的图像获取装置，其中所述至少一个准直器经耦合到除了将光引导到由所述大体上圆周布置照明的所述视场之外还将光引导到至少一个其它视场的所述大体上圆周布置的所述至少一个光子发射器，
所述至少一个偏转元件除了将光引导到由所述大体上圆周布置照明的所述视场之外还将所述光引导到所述至少一个其它视场。
45.根据权利要求44所述的图像获取装置，其中所述至少一个偏转元件包括至少一个棱镜，所述棱镜具有成角度以除了朝向由所述大体上圆周布置照明的所述视场引导所述光之外还朝向所述至少一个其它视场引导所述光的多个出射面。
46.一种图像获取装置，其包括：
第一多个相机，其以互相间隔开的配置进行布置，所述第一多个相机各自具有一视场，每一视场位于一平面中；及
第二多个光子发射器，其围绕所述第一多个相机中的每一相机以多重配置进行布置，
所述第二多个光子发射器中的至少一个光子发射器将光引导到所述第一多个相机中的至少一者的并非是离其最近的视场的视场；
其中每一所述布置包括内圈光子发射器及外圈光子发射器，所述内圈与所述外圈是大体上同心的，且其中所述第二多个光子发射器经布置使得相邻外圈中的至少一者互相重叠。
47.根据权利要求46所述的图像获取装置，其中所述第一多个相机的所述互相间隔开的配置包括相机行的交错阵列，当在大体上垂直于所述行的方向的方向上观察时所述第一多个相机的视场至少部分重叠。
48.根据权利要求46或权利要求47所述的图像获取装置，其中所述平面是被每一所述视场占据的共同平面。
49.根据权利要求48所述的图像获取装置，其中所述平面与将通过所述图像获取装置成像的衬底的表面重合。
50.根据权利要求46或权利要求47所述的图像获取装置，其中每一相机定义相机轴，每一布置与所述相机轴相交。
51.根据权利要求46或权利要求47所述的图像获取装置，其中所述光子发射器包括LED。
52.根据权利要求46或权利要求47所述的图像获取装置，且其还包括具有上表面及下表面的照明平台，所述上表面在所述第一多个相机近端，所述下表面在所述多个相机远端，所述第二多个光子发射器经安装在所述下表面上。
53.根据权利要求52所述的图像获取装置，其中多重孔径经形成于所述照明平台中，每一孔径允许所述相机通过其观察所述视场。
54.根据权利要求53所述的图像获取装置，其中光子发射器的每一所述布置围绕每一所述孔径。
55.根据权利要求53所述的图像获取装置，其中每一所述相机包括远心透镜。
56.根据权利要求55所述的图像获取装置，其中每一所述孔径是大体上矩形的。
57.根据权利要求52所述的图像获取装置，且其还包括用于准直所述光的至少一个准直器。
58.根据权利要求57所述的图像获取装置，其中所述至少一个准直器经安装在准直器板上。
59.根据权利要求58所述的图像获取装置，其中所述准直器板邻近所述照明平台经定位于所述照明平台与所述平面之间。
60.根据权利要求59所述的图像获取装置，且其还包括用于引导由所述至少一个准直器输出的所述光的至少一个偏转元件。
61.根据权利要求60所述的图像获取装置，其中所述至少一个偏转元件包括第三多个轴锥镜。
62.根据权利要求61所述的图像获取装置，其中所述第三多个轴锥镜包括具有4到10000个轴锥镜/cm2之间的密度的轴锥镜阵列。
63.根据权利要求61所述的图像获取装置，其中所述第三多个轴锥镜包括具有互相类似的光学性质的轴锥镜。
64.根据权利要求61所述的图像获取装置，其中所述第三多个轴锥镜包括具有互不相同的光学性质的轴锥镜。
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