CN1156140C - 光学器件及图象读取设备 - Google Patents

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Abstract

在具有接收光的光电转换元件、照明单元、及其中排列有多个用于把原件反射的光聚焦到光电转换元件上的梯度指数透镜元件的透镜阵列的图象传感器中，梯度指数透镜元件的透镜径向方向的外围部分部分含有用于吸收除所述照明单元发射光的波长分布之外的预定波长光的光吸收体。这样，可精确地排列透镜元件，提供一种即使彼此紧密接触地排列透镜元件，也能免除透镜元件之间的串扰，并且批量生产时性能几乎不发生任何变化的图象传感器及信息处理系统。

Description

光学器件及图象读取设备
技术领域
本发明涉及一种光学器件和一种图象读取设备。
背景技术
传真系统、扫描仪系统或其它任意信息处理系统中的常规读取装置通常使用由照射原件的照明单元，聚焦原件反射的具有原件信息的光的透镜，及把透镜聚焦的反射光转换为电信号的传感器构成的整体图象传感器。
这样的透镜主要分为缩小并形成原件反射光的图象的缩小型透镜，及形成原件反射光的原尺寸图象的原尺寸透镜。
原尺寸透镜最为通用的例子是所谓的透镜阵列，其中排列大量的透镜元件覆盖相应于原件宽度的长度。
近来对小型信息处理系统，例如传真系统或扫描仪系统提出了强烈的需求。由于缩小型透镜需要大的光程长度，因此不希望使用缩小型透镜，透镜阵列，即光程长度小的原尺寸透镜正越来越普及。
在透镜阵列中，多个通过在外围部分和中心部分设置不同的折射率，从而具有透镜功能的圆柱形透镜成行排列在平的侧板上。
梯度指数透镜元件的制造方法可以是离子交换法及互扩散法。在离子交换法中，把含有可交换离子的玻璃棒浸入含有影响折射率分布的离子的熔盐中，或者使之与该熔盐接触，以便交换玻璃棒和熔盐中的离子，从而在玻璃棒中形成折射率分布。在互扩散法中，用同心复式旋转喷嘴按照折射率的降序从中心部分旋转喷出几种折射率不同的透明液态材料(通常为塑料)。同时，各层进行互扩散以形成折射率分布。用紫外线辐射或类似方法固化得到的透镜元件。
下面来说明排列透镜元件的方法。为了防止在梯度指数透镜元件的侧面反射眩光，用折射率几乎等于透镜折射率的光吸收体涂覆透镜元件的外表面。随后高精度地把透镜元件排列在侧板上，并把上侧板放置在透镜元件之上。用粘结剂固定得到的结构以得到透镜阵列。
在排列梯度指数透镜元件时，当使透镜元件彼此紧密接触时，可得到较好的阵列，并且透镜性能，例如析象清晰度稳定，没有任何变化。
涂覆在各个透镜元件的外表面的光吸收体的厚度很小，以便改善透镜元件的外尺寸精度。当彼此紧密接触地排列透镜元件时，串扰光通过每个元件进入相邻的透镜元件，从而降低透镜性能。
为了防止这个问题，在两个相邻透镜元件间设置一个随意的间隙，并在间隙中填充光吸收粘结剂以断开串扰光。
每个透镜元件把原件反射的光透射到传感器IC上的图象形成区域位于由透镜元件独有的孔径角θ确定的图象形成范围XO之内。各个透镜元件的图象形成范围XO彼此搭接，从而在整个透镜阵列中形成一个宽度为2XO的线性图象形成区域。
常规实例存在下述问题。
(1)由于制造技术的缘故，难以从梯度指数透镜元件的中心部分到外围部分形成理想的折射率分布。外围部分的折射率显著偏离理想值。这是降低透镜析象清晰度的原因之一。
(2)排列透镜元件时，在两个相邻透镜元件之间形成随意的间隙。会产生影响透镜性能的制造变化，例如透镜阵列的行距不规则，及透镜元件倾斜等等。
(3)在透镜阵列中，由于大量的透镜元件形成的图象彼此搭接形成最终的图象，因此透镜阵列的焦点深度小于单个透镜元件的焦点深度。
(4)透镜阵列的焦点深度由透镜元件独有的孔径角确定。按常规，不能设置随意的孔径角。
发明内容
本发明的目的是提供具有大的透镜焦点深度及高的性能，并且在批量生产时性能几乎不发生变化的光学器件及图象读取设备。
为了实现上述目的，根据本发明的一个实施例，提供了一种光学器件，它包括照射要拍摄物体的照明单元，具有多个用于形成来自物体的光的图象的透镜的透镜阵列，所述物体在图象形成位置被照明单元照射，其中透镜含有吸收除照明单元发射光的波长之外的预定波长光的光吸收体。
根据另一实施例，提供了一种光学器件，它包括照射要拍摄物体的照明单元，具有多个用于形成来自物体的光的图象的透镜的透镜阵列，用照明单元在图象形成位置照射所述物体，其中透镜含有吸收照明单元发射的光的光吸收体。
根据又一个实施例，提供了一种图象读取设备，它包括：
照射物体的照明单元；
包括布置成彼此相邻的两行的多个圆柱形梯度指数透镜的透镜阵列，用于在图象形成位置形成来自被所述照明单元照射的物体的光的图象，所述透镜阵列被夹在两个侧板之间；以及
包括布置成行的多个光电转换元件的传感器阵列，用于接收由所述透镜阵列形成的光的图象，
其中，所述多个圆柱形梯度指数透镜的每一个包括在透镜的周边部分中的光吸收体，用于吸收具有可被所述光电转换元件探测的波长的光，透镜的光吸收体部分具有一个折射率分布和沿径向的预定的厚度。
根据又一个实施例，提供了一种图象读取设备，它包括照射要拍摄物体的照明单元，具有多个用于形成来自物体的光的图象的透镜的透镜阵列，所述物体在图象形成位置被照明单元照射，接收透镜聚焦的光的光电转换元件，及控制照明单元和光电转换元件的控制装置，其中透镜含有吸收照明单元发射的光的光吸收体。
借助于上述安排，可以提供具有大的透镜焦点深度及高的性能，并且生产时性能几乎不发生变化的光学器件及图象读取设备。
附图说明
结合附图，根据下面的详细说明将易于理解本发明的上述及其它目的，特征和优点。
图1是根据一个实施例的图象传感器的剖视图；
图2是该实施例的图象传感器的平面图；
图3是该实施例的照明单元的侧视图；
图4是该实施例的照明单元的详图；
图5表示了该实施例的照明单元中的光源的发射光谱；
图6是该实施例的传感器阵列的详图；
图7表示了该实施例的传感器IC的光谱灵敏度；
图8是该实施例的透镜阵列的详图；
图9表示了该实施例的透镜元件的折射率分布和光吸收层；
图10表示了该实施例的透镜元件的光吸收层的光吸收特性；
图11是表示含有该实施例的光吸收体的梯度指数透镜部分的一部分的横断面视图；
图12是表示含有该实施例的光吸收体的梯度指数透镜部分的一部分的纵向剖视图；
图13是另一实施例的透镜阵列的详图；
图14是实施例的信息处理系统的剖视图；
图15是实施例的信息处理系统和计算机之间的功能方框图。
具体实施方式
下面参考附图来说明根据第一实施例的图象传感器。
如图1的剖面图和图2的平面图所示，该实施例的图象传感器包括传感器阵列1、透镜阵列2、照明单元3、玻璃盖板4及机架5。在传感器阵列1中，使光电转换元件的数目与读取原件的长度相对应，在玻璃钢制成的传感器板11上高精度地排列具有一列光电转换元件的传感器IC 12。支承原件的玻璃盖板4由透明部件构成。由金属(例如铝)或树脂(例如聚碳酸酯)制成的机架5把传感器阵列1、透镜阵列2、照明单元3及玻璃盖板4固定就位。
下面来说明上面的图象传感器的操作。照明单元3通过顺序地转换R、G及B光束倾斜照射压制并支承在玻璃盖板4上的原件。具有R、G及B颜色信息并被原件反射的光被聚焦在传感器IC 12上。传感器IC 12把具有R、G及B颜色信息的光转换为电信号，并将电信号传输给系统部分(图中未表示出)。系统部分处理三种颜色R、G及B的电信号，并重新生成彩色图象。
图3是照明单元的侧视图，图4是它的详图。照明单元3包括RGB三色LED光源31及由丙烯酸树脂等透明部件制成的光导元件32，在RGB三色LED光源31中整体封装有作为光源的红(R)LED元件311、绿(G)LED元件312及蓝(B)LED元件313。
图5表示了R、G及B LED元件311、312及313的发射波长谱。峰值发射波长分别在600-660nm、510-560nm及450-480nm的范围内选择。
布置RGB三色LED光源31，使得光从光导元件32的一个或两个纵向端部入射。入射光在光导元件32和空气的界面上反复全反射，并在光导元件32中传播。
如图4的照明单元详图所示，在光导元件32中沿其纵向方向连续形成具有细微锯齿的内锯齿部分321。在光导元件32中传播的所有光分量中，与其它光分量不同，入射到锯齿部分321上的光分量以较大的角度被反射向原件的表面。入射到锯齿部分321上的光分量不满足光导元件32和空气之间的界面处的全反射条件，它沿着要求的方向出射。
锯齿部分321的反射面涂覆铝，或者刷涂银或白墨。要不然，仅根据锯齿形状，锯齿部分321会在与空气的界面上对光进行全反射。
另一方面，也可不必形成锯齿形状。通过用白墨刷涂反射面，或者使反射面粗糙，可以获得如上所述的相同效果。为了在原件的表面得到均匀照明，可随着距离光源的间距的增加而增大锯齿的宽度，或者如果只使用白墨，则可增大刷涂面积。
用白色元件或类似物覆盖光导元件32的除光出口部分之外、向原件输出光的部分，以增大原件表面的照明。
图6是传感器阵列1的详图，下面来说明它的结构。
传感器板11具有电导线，包括陶瓷板或用环氧树脂浸渍玻璃纤维得到的玻璃钢基体。
传感器IC 12包括把光转换为电信号的CCD或CMOS光电转换元件，多个传感器IC 12在传感器板11上被排列成一行，并用粘结剂粘结。
传感器IC 12和传感器板11之间的电接触通过金丝13获得。图7表示了传感器IC 12的光谱灵敏度特性。IC 12对比光源的发射波长范围宽的波长范围，尤其是对长波长的红外线具有高的灵敏度。
图8是本实施例中使用的透镜阵列2的详图。
本实施例的透镜阵列2包括梯度指数透镜元件21和含有光吸收体，并围绕着透镜元件21的光吸收层22。
下面来说明作为透镜阵列制造方法的离子交换法和互扩散法。
在离子交换法中，在同心双旋转喷嘴的内喷嘴和外喷嘴中加热并熔化具有可交换离子的中心玻璃，及具有可交换离子并含有光吸收体的光吸收玻璃，并将熔化后的中心玻璃及光吸收玻璃一起旋转喷出，形成具有中心部分及外侧的光吸收层22的双层玻璃棒。把双层玻璃棒切削成适当的尺寸，并把切削后的玻璃棒浸入含有可交换离子的熔盐中。该双层玻璃棒中的可交换离子和熔盐中的可交换离子交换。
离子交换双层玻璃棒用作具有透明的中心部分及围绕的光吸收层22的棒状透镜，透明的中心部分和光吸收层22分别具有图9中所示的折射率分布。
在互扩散法中，当将由同心复式旋转喷嘴按照折射率的降序从中心部分旋转喷出的几种液态塑料具有不同的折射率时，同心复式旋转喷嘴的中心喷嘴的至少一个外喷嘴旋转喷出一层含有光吸收体的液态塑料。进行互扩散以形成折射率分布，并用紫外线辐射固化得到的结构。于是，形成具有透明中心部分和围绕的光吸收层22的棒状透镜，透明中心部分和光吸收层22分别具有折射率分布。
液态塑料通常为具有高透光率的丙烯酸树脂。但是，也可使用其它任意的透光树脂。另一种可选材料是玻璃，只要它可被液化。
就要互扩散的材料来说，可互扩散各层的液态塑料。要不然，也可互扩散液态塑料的一些成分(例如，离子)。
图10表示了本实施例的光吸收层22的光吸收性能。对于光源的所有发射波长及传感器的光谱灵敏度范围，吸收性能基本保持不变。
在用互扩散法制造棒状透镜时，最终使用紫外线固化液态塑料。为此，把光吸收层22的特性设定为在一定的紫外线波长范围或更宽的范围内透过光分量，这是紫外线固化中所需求的。
为了形成具有要求的光吸收特性的光吸收层22，使用含有多种染料、颜料或它们的组合物的塑料作为光吸收体是有用的。
如图11所示，梯度指数透镜的含有光吸收体的部分在径向方向上的厚度可小可大。如图12所示，梯度指数透镜的含有光吸收体的部分可以是外围部分的一部分。
布置并用诸如薄薄地涂覆在玻璃钢材料制成的侧面23上的环氧树脂粘结剂之类的粘结剂涂覆透镜元件21。
把由双层玻璃棒制成的大量透镜元件21彼此接触地排列成一行，并把用粘结剂涂覆的侧板23粘合到透镜元件21上，从而用上下侧板23夹着透镜元件21。在排列透镜元件21时，由于在各个透镜元件21的外表面上存在光吸收层22，因此相邻的透镜元件不必彼此间隔一定的距离，相邻的透镜阵列之间也不必形成光屏蔽层。可得到没有间距误差和θ(倾斜)误差的高精度阵列，并且可防止批量生产时透镜性能的变化。
最终把各个透镜元件21切削成要求的高度Z0，并抛光各个透镜的表面得到镜面，从而完成透镜阵列2。
使用由上述方法制造的透镜阵列2的图象传感器的析象清晰度可被改善，这是由于在各个透镜元件21的外表面上，形成了吸收图象传感器的光源中使用的波长范围中的光的光吸收层的缘故，透镜元件21的折射率分布偏离了理想析象清晰度的折射率分布。
当在成品，例如读取装置中不能充分地屏蔽进入图象传感器的外部光时，在透镜元件的外围部分中含有用于吸收对应于传感器IC的灵敏度范围的波长范围中的光的吸收体。于是可减小外部光，例如噪声的影响。
图象传感器的光源通常发射可见光，而一般的传感器IC对红外线，而不是对可见光具有较高的灵敏度。当在透镜元件的外围部分中合有吸收红外线的染料时，可有效地减小外部光的影响。
当从外围部分到透镜元件21的中心部分的光吸收层22的厚度增大时，减小透镜元件的孔径角以增大焦点深度。使用这一特征的产品中可获得下述优点。
例如，在使原件通过其自身内部到达图象传感器以读取原件的纸片通过型扫描仪中，即使原件有一定程度的左右摆动，一个距离阵列(range array)也可在传感器IC上形成原件图象。于是，可简化原有的纸片通过机构，降低成本。
在原件固定不动，移动图象传感器来读取原件图象的平板扫描仪中，本发明可解决书的边缘部分浮起，不能聚焦的常规问题。
当透镜元件的光吸收层22的厚度增大时，焦点深度增大，而透镜阵列2的透光度降低。为了和传感器灵敏度匹配，必须加以注意。
当由于低的传感器灵敏度而不能得到预定的传感器输出时，使用两排透镜元件(如图13所示)几乎使透镜透光度增大一倍。
下面来说明制造根据本发明的图象传感器的方法。
把照明单元3和透镜阵列2插入机架5中形成的预定槽中，并在横向和纵向方向上定位。
把玻璃盖板4粘结在机架5的内表面上，以便从右和左夹着照明单元3和透镜阵列2，从而使得透镜阵列的上表面几乎和机架4及照明单元3齐平，而照明单元3的包装(wrap)校正销322和透镜阵列2的上表面紧贴着玻璃盖板4。
在没有任何互叠(wrap)的情况下，高精度定位并固定照明单元3和透镜阵列2。照明单元3可准确地向要求的照明位置发射光，并可在整个透镜阵列2中形成清晰的图象。
传感器阵列1被安装在机架5中，并用粘结剂固定，或者部分地嵌入机架中。通过焊接或类似方法使照明单元3的导线314和传感器板11电连接，从而完成图象传感器。
下面参考图14来说明把本发明的图象传感器应用于一种信息处理系统的应用例子。
图14表示了使用本发明的图象传感器的信息处理系统(例如传真系统)。
输纸辊701把原件输送到读取位置。分离件702逐一分离原件，并可靠地输送各个原件。使传送辊703位于图象传感器700的读取位置，以便调节原件的读取面，并传送原件。记录介质W是一卷纸。图象传感器700读取的图象信息，或者在传真系统中外部传输的图象数据形成于记录介质W上。形成图象的打印头704包括热压头，气泡喷射打印头或类似物。该打印头可以是串式的或者线式的。压板辊705把记录介质输送到打印位置，并调节打印面。控制面板706包括接收操作者输入的显示部分。系统控制板707包括控制相应部件的控制器，光电转换元件驱动电路，图象信息处理单元及发射器/接收器。信息处理系统还包括电源708。
在该系统中，系统控制电路板707上的微计算机控制所有的操作。该微计算机还控制图象传感器700，控制照明单元3的开关，及控制驱动传感器阵列1。
系统控制电路板707上的信号处理电路实现在记录介质W上记录图象传感器700读取的图象信号的处理，及用于外部输出图象传感器700读取的图象信号的图象处理。
在本实施例中，图象传感器700包含在信息处理系统中。当通常的外部光(例如来自室内照明中使用的荧光或白炽灯的灯光，或者从室外进入的阳光)通过位于原件输送路径上的进纸口709或出纸口710时，外部光进入图象传感器700附近的部分中。
外部光中除了可见光成分外，还含有大量的红外成分。为了防止图象信号受到外部光的干扰，在图象传感器700中使用的透镜阵列的梯度指数元件中使用充分吸收红外线的光吸收体是有效的。
图15表示了使用各个实施例中说明的图象传感器700的信息处理系统。包括有图象传感器700的图象读取设备150和个人计算机160相连，以构成信息处理系统。读取的图象信息输出给个人计算机160或者输送到网络中。
参考图15，CPU170用作控制整个图象读取设备150的第一控制装置。图象传感器700包括上面所述的CCD光源和CCD行传感器，并用作为把原始图象转换为图象信号的读取单元。模拟信号处理电路116进行诸如图象传感器700输出的模拟图象信号的增益调节之类的模拟处理。
A/D转换器118把模拟信号处理电路116的输出转换为数字信号。数字图象处理电路180利用存储器122对A/D转换器118的输出数据进行诸如黑点校正处理，灰度系数变换及放大处理之类的图象处理。接口(I/F)124外部输出数字图象处理电路180处理后的数字图象数据。
接口124遵守诸如个人计算机中通常采用的SCSI或Bi-Centronics之类的标准。
模拟信号处理电路116、A/D转换器118、数字图象处理电路180及存储器122构成信号处理装置。
用作为第二控制装置的个人计算机装有磁光盘驱动器、硬盘驱动器及软盘驱动器。
显示器134显示个人计算机160上的操作。鼠标/键盘133用于向个人计算机160输入命令。
接口135在个人计算机160和图象读取设备150之间交换数据、命令和图象读取设备的状态信息。
个人计算机160能够用鼠标/键盘133向图象读取设备150输入读取指令。
当从鼠标/键盘133输入读取指令时，CPU136通过接口135向图象读取设备150传输读命令。个人计算机160根据ROM137中存储的控制程序控制图象读取设备。控制程序可存储在诸如装在辅助存储器132中的磁光盘或软盘之类的存储介质中，加载到个人计算机160的RAM138中，并由CPU136执行。
在信息处理系统中应用图象传感器700产生较大的适用性。
在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以作出本发明的各种不同实施例。应明白除了权利要求中规定的以外，本发明并不限于说明书中描述的特定实施例。

Claims (10)

1.一种图象读取设备，它包括：
照射物体的照明单元(3)；
包括布置成彼此相邻的两行的多个圆柱形梯度指数透镜(21)的透镜阵列(2)，用于在图象形成位置形成来自被所述照明单元照射的物体的光的图象，所述透镜阵列被夹在两个侧板(23)之间；以及
包括布置成行的多个光电转换元件(12)的传感器阵列(11)，用于接收由所述透镜阵列形成的光的图象，
其中，所述多个圆柱形梯度指数透镜的每一个在其周边部分包括光吸收体(22)，用于吸收具有可被所述光电转换元件探测的波长的光，透镜的光吸收体部分具有沿径向的预定的厚度和一个折射率分布。
2.按照权利要求1所述的设备，还包括对来自所述传感器阵列的图象信息输出进行预定的信号处理的信号处理装置(116，180)。
3.按照权利要求1所述的设备，还包括用于改变物体和所述传感器阵列之间的相对位置的移动装置(701，703)。
4.按照权利要求1所述的设备，还包括用于和外部设备(160)连接的接口装置(124)。
5.按照权利要求1所述的设备，其中所述光吸收体吸收具有所述照明装置发射的光的波长之外的预定波长的光。
6.按照权利要求1所述的设备，其中所述光吸收体吸收红外线。
7.按照权利要求1所述的设备，其中所述光吸收体透射紫外光中预定波长的光。
8.按照权利要求1所述的设备，其中所述光吸收体吸收具有由所述照明单元发射的波长的光。
9.按照权利要求1所述的设备，其中所述照明单元包括多个LED(31)。
10.按照权利要求9所述的设备，其中所述LED是红色的、绿色的和蓝色的。
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