CN1469136A - 正像等倍透镜阵列 - Google Patents

Abstract

提供一种正像等倍透镜阵列，可减少杂散光、闪光的发生，它是由在两个面上排列形成有凸透镜的透镜板多块重合构成，其中凸透镜排列方向的透镜节距P是正像等倍透镜阵列内形成的倒像的高度2倍以上，而为了不使光线通过上述倒像高度为半径的圆域之外，在接近此倒像形成的位置的表面上于各个透镜元件中设有孔径光阑。

Description

正像等倍透镜阵列

技术领域

本发明涉及正像等倍透镜阵列，特别设计到设有孔径光阑，能防止闪光、杂散光的正像等倍透镜阵列。

背景技术

正像等倍透镜阵列是由在两面上排列有许多凸透镜的平片状透镜板多片叠合实现。例如将透明基片两面上排列有许多凸透镜的树脂透镜板多片重合，可形成正像等倍树脂透镜阵列。

正像等倍光学系统是以物体高度＝正像高度为前提。因此，物体与正像间的光学系统以有对称性为条件，在透镜板组的中央需形成倒像。当透镜板为偶数时在中央两片透镜板之间形成倒像，为奇数时则于中央透镜板的中心位置形成倒像，而光线相对于这种倒像为左右对称的。

图1概示在两面上排列凸透镜8形成的两块透镜板10与12密切重合而获得正像等倍像时的光线状况。图中2为物体，4为像。这时于透镜板10和12的相接面14上形成倒像16。

透镜板可通过模压制造，容易大规模生产，由于轻量、廉价，能够有广泛的应用。其中，特别期望能用于光打印机等成像装置和扫描器等图像读取装置。这类装置虽要求较高的分辨率，但模压的树脂透镜的排列精度由模具的精度决定，因而其特点是可以获得高精度且各个透镜阵列间的特性偏差少。

以上的正像等倍树脂透镜阵列存在下述问题。

(1)透镜板由于是透明基板，透镜以外的部分也为透明的。于是需对透过透镜以外部分的光进行遮光，可以设置遮光膜。但即使设置遮光膜，入射到透镜部份的光相对于邻接的透镜有时也会成为闪光、杂散光。

(2)为了防止闪光、杂散光，当增大遮光膜的面积时，就会减少透过光量。

下面相对于致密的透镜排列结构的情形更详细地说明以上的问题。作为通常的致密透镜排列结构有六方致密排列结构和四方致密排列结构。图2A示明六方致密排列结构下的一个透镜20，这种透镜的实际形状为正六边形，但透镜的直径可视作为正六边形的内切圆22的直径。图2B示明四方致密排列结构下的一个透镜24，这种透镜的实际形状为正方形，透镜的直径视为作为正方形内切圆的直径。

在图1以及图2A与2B中，倒像16必须形成于内切圆22与26的范围内。为了满足必要的分辨率、透过光量的要求规格，可从理论上求得相应的倒像的高度。据此能设计出实际透镜的尺寸。倒像的高度虽可因光学系统的设计而变化，但倒像高度的最大值则必须在透镜半径(实透镜形状的内切圆的半径)之内。若倒像的高度大于透镜半径，倒像的一部分将覆盖相邻透镜而不能正确地成像。

为使倒像的高度小于透镜半镜可以设计所需的光学系统。由于透镜的周边部分有大的像差，故希望设计成使倒像的高度稍小于透镜半径，但倒像的高度小时，透过光量就会减少而图像将变暗，因而在设计中需要考虑两者的平衡。另一方面，若是物体2的高度不必要同透镜半径相等而是在光可进入的范围内，则可以不考虑它与透镜半径相比是大还是小，而能通过光学系统的设计进行选择。

返回参看图2A与2B，通过内切圆22、26外侧实际透镜区域内的光成为闪光。在实际透镜区域之外，通过实际透镜外接圆28、30的相当于其直径的虚拟的透镜直径内的光则成为杂散光。

图3A、3B示明了用于使这种实际透镜相互接触排成六方致密或四方致密而构成的透镜板。实际透镜的排列方向按以下所述定义。具体地说，以多边形实际透镜形状的一边相互接合的并排方向作为排列方向。由此可知，图3A中有六方的排列方向而在图3B中有四方的排列方向。

在将图3A、3B中的透镜板多块重叠构成的正像等倍透镜阵列中，当一对透镜形成的倒像进入内切圆外侧的实际透镜区域中时成为闪光，而进入实际透镜区域外的虚拟透镜直径范围内时部成为杂散光。为了防止出现这种情形，若于实际透镜的边界部设置遮光膜而形成孔径光阑，则能透过倒像的透镜面积减少，使透过光量降低。此外，当遮光膜的宽度与位置等有偏时也易影响光量的不均。在采用了这种正像等倍透镜的成像装置与图像读取装置中，就会发生因闪光造成的光量不均。

发明内容

本发明的目的在于提供闪光、杂散光发生少的正像等倍透镜阵列。

本发明，在由多块两面排列有凸透镜而形成的透镜板重叠构成的正像等倍透镜阵列中，使凸透镜排列方向的透镜节距是正像等倍透镜阵列内形成的倒像高度2倍以上，而在接近倒像形成位置的表面上为了不使光线通过以倒像高度为半径的圆形区域之外，在各个透镜元件中设有孔径光阑。

此时，当透镜板为偶数块，孔径光阑设于在内部形成倒像的中央透镜板内，而孔径光阑侧设于形成倒像的两块透镜板之间。

对于透镜板为奇数块的情形，孔径光阑则设于内部形成有倒像的中央透镜板内。中央的透镜板是由只在一个面上形成了凸透镜的2块单面透镜板与没有凸透镜形成的面相对重合构成，而孔径光阑便设在这两块单面透镜板的重合面上。此外，透镜板为奇数块时，孔径光阑也可设于内部形成有倒像的中央透镜板和与之相向的两侧的透镜板之间。

孔径光阑可以由软片状的遮光膜或附着于透镜板表面上的遮光膜形成。

附图说明

图1概示将两块透镜板重合获得正等倍像时光线的情形。

图2A示明六方致密排列结构中1个透镜的透镜直径与虚拟透镜的直径。

图2B示明四方致密排列结构中1个透镜的透镜直径与虚拟透镜的直径。

图3A示明为使透镜相互接合取六方致密排列构成的透镜板。

图3B示明为使透镜相互接合取四方致密排列构成的透镜板。

图4示明本发明一实施形式的六方致密排列结构的正像等倍透镜阵列。

图5示明本发明一实施形式的四方致密排列结构的正像等倍透镜阵列。

图6例示孔径光阑的具体设计。

图7示明采用图6的孔径光阑的正像等倍透阵列的具体设计倒。

图8示明采用图6的孔径光阑的正像等倍透阵列的另一具体设计例。

图9例示正像等倍透镜阵列中央的透镜板内设置孔径光阑。

图10例示正像等倍透镜阵列中央的透镜板和与之相向的两侧透镜板之间设置孔径光阑。

图11例示于透镜表面上附着遮光膜而在中央透镜板和与之相向的两侧透镜板之间设置孔径光阑。

具体实施方式

图4与5示明本发明一实施形式的六方致密排列结构与四方致密排列结构的正像等倍透镜。此例中将透镜20、24的排列方向的透镜节距P设为倒像高度H的2倍以上。此外设有对以倒像高度H为半径的圆的外部进行遮光的遮光膜，形成了孔径光阑32。在图4与5中，圆形部分示明孔径光阑的孔径33。图4与5的实施形式表明的是倒像高度H等于透镜半径的情形。通常要将倒像的高度H设计成比透镜半径稍小。

上述孔径光阑可以作为一块胶片状的遮光膜夹设于透镜板之间或是以遮光膜附着于透镜表面上而形成。胶片状的遮光膜可以是在光透过率大的胶卷表面上印刷上光吸收层而形成孔径或是在光透过率小的胶片中设置孔口而形成孔径。

孔径光阑不必要对应所有的透镜板设置。至少是在倒像形成的位置处设置孔径光阑即可。此时，孔径光阑是把胶片状的遮光膜夹设于透镜板与透镜板之间形成或是将遮光膜附着于相向透镜表面的至少一方而形成。

图6例示这种孔径光阑的具体设计。图6示明用于六方排列结构的正像等倍透镜阵列用的膜状孔径光阑32。倒像的高度H为0.18mm，从而1个圆形孔径33的直径为0.36mm。透镜节距是倒像高度H的2倍以上的0.4mm。图6中表明正六边形的实线示出形成1个圆形孔径33的遮光膜的区域。

图7例示在图1所示的正像等倍透镜阵列中，将图6所示膜状孔径光阑32夹设于2块透镜板10与12之间，可以形成在空间频率4Lp/mm下求得MTF(调制传递函数)60％的光学系统。此MTF表示为： $\mathrm{MTF}=\frac{{i\left(w\right)}_{\max }-i{\left(w\right)}_{\min }}{{i\left(w\right)}_{\max }+{i\left(w\right)}_{\min }}\×100(\%)$ 式中，i(w)_max与i(w)_min表示空间频率w(Lp/mm)下矩形波响应的极大值与极小值。这说明，当MTF约为100％，则可形成忠实于原像的像。

图7中，为简化图面，只示明两块透镜板10、12仅包含1个凸透镜的部分。此外还一齐示明了形成1个圆形孔径33的遮光膜32的平面图。

各透镜板的厚度为1.296mm，各透镜板所具有的凸镜的曲率半径为0.413mm。凸透镜排列方向的透镜节距为0.4mm。

这种正像等倍透镜阵列由于在其中设于倒像形成位置处设有孔径光阑，可以减少闪光与杂散光。

在想进一步降低闪光与杂散光时，若在物体侧的透镜板最前面和像侧透镜板的最后面设置孔径光阑是有效的。图8例示在图7的正像等倍透镜阵列的透镜板10、12的最前面、最后面设置膜状的孔径光阑34、36。孔径光阑34、36孔径的直径为0.4mm，比透镜板10、12之间所设的孔径光阑32的孔径直径稍大。

上面的例子中是将两块透镜板重合起的情形，对于透镜板是4块或4块以上的偶数时相重合的情形，由于倒像是在中央的2块透镜板之间形成，因而可将膜状的孔径光阑夹持地设于2块透镜板之间。此外，如图8所示，在透镜板的最前面、最后面设置膜状孔径光阑，能进一步减少杂散光。

但在将奇数块透镜板重合时，倒像形成于中央的透镜板内部。此时是于中央的透镜板内设有孔径光阑或是在与中央透镜板相向两侧的透镜板之间设置孔径光阑。

图9例示于3块透镜板10、40、12重合构成的正像等倍透镜阵列中央的透镜板内设置孔径光阑。中央透镜板40是由单面上形成有透镜的两块单面透镜板40-1、40-2，以其未形成有透镜的平面侧贴合构成。图中的42表示贴合面。这时的孔径光阑成为在贴合面上夹持设置的膜状孔径光阑44，而且此膜状孔径光阑44的圆形孔径的半径则等于倒像的高度。

图10例示在3块透镜板10、46、12重合构成的正像等倍透镜阵列的中央透镜板46和与之相向的两侧透镜板10、12之间分别设有孔径光阑。这种孔径光阑是通过将1片胶片状的遮光膜夹设于透镜板之间形成的。

图10中，为醒目起见，3块透镜板10、46与12只示明了包含1个凸透镜的部分。各透镜板的厚度都是0.9mm，各个透镜板具有的凸透镜的曲率半径则同为0.5mm，而凸透镜排列方向的透镜节距为0.48mm。中央透镜板46与透镜板10之间设有孔径光阑32a，中央透镜板46与透镜板12之间则设有孔径光阑32b。孔径光阑32a、32b的圆形孔径的直径是0.34mm，孔径光阑32a、32b的圆形孔径的半径等于倒像的高度。

图10中，本发明的孔径光阑采用的是夹设膜状的形式，但也可由于透镜表面上附着遮光膜的形式来形成孔径光阑。图11例示于透镜表面上附着遮光膜，在中央透镜板46和与之相对的两侧透镜板10、12之间设置孔径光阑38a、38b。这时，最好于中央透镜板46的光入射侧，在相向的透镜板10的透镜形成面上形成孔径光阑38a，而在中央的透镜板46的透镜形成面上形成孔径光阑38b。

在由奇数块透镜板重合成的正像等倍透镜阵列中，为了进一步减少闪光与杂散光时，可如图8所示，于物体侧的透镜板最前面和像侧的透镜板的最后面设置膜状孔径光阑。

根据本发明可以取得下述效果。

(1)借助孔径光阑，由于可防止成像的光线入射到相邻的透镜上，故能有效地防止闪光与杂散光。

(2)由于防止了杂散光与闪光，就能如过去那样不必于透镜孔径内设置孔径光阑，从而可以获得明视的图像。

(3)由于能如过去那样不必于透镜孔径内设置孔径光阑，从而可以减少因孔径光阑尺寸、位置的偏差而影响光亮度的不均。

Claims (15)

1.一种正像等倍透镜阵列，它具有重合的多块透镜板，在各块透镜板的两个面上排列地形成有凸透镜，上述凸透镜排列方向的透镜节距是上述正像等倍透镜阵列内形成的倒像高度的2倍以上，为了不使光线通过以上述倒像高度为半径的圆域之外，在接近此倒像形成的位置的表面上于各个透镜元件中设有孔径光阑。

2.根据权利要求1所述的正像等倍透镜阵列，其中当上述多块透镜板为偶数块时，上述孔径光阑设于上述倒像形成在的2块透镜板之间。

3.根据权利要求2所述的正像等倍透镜阵列，其中上述孔径光阑是由夹设于上述2块透镜板之间的胶片状遮光膜形成的。

4.根据权利要求2所述的正像等倍透镜阵列，其中上述孔径光阑是由在上述2块透镜板之间相向的透镜形成面的至少一方的透镜形成面上所附着的遮光膜形成的。

5.根据权利要求1～4所述的正像等倍透镜阵列，其中上述多块透镜板是2块。

6.根据权利要求1所述的正像等倍透镜阵列，其中上述多块透镜板为奇数板时，上述孔径光阑设于在其内部形成了前述倒像的中央透镜板内。

7.根据权利要求6所述的正像等倍透镜阵列，其中上述中央透镜板是由在单面上形成有凸透镜的2块单面透镜板以其未形成有凸透镜的这面相向贴合构成，而上述孔径光阑则设于上述2块单面透镜板的贴合面上。

8.根据权利要求7所述的正像等倍透镜阵列，其中上述孔径光阑是由夹设于上述2块单面透镜板之间的胶片状遮光膜形成的。

9.根据权利要求7所述的正像等倍透镜阵列，其中上述孔径光阑是由上述2块单面透镜板之间贴合面的至少一方的面上附着的遮光膜形成的。

10.根据权利要求6～9中任一项所述的正像等倍透镜阵列，其中上述多块透镜板是3块。

11.根据权利要求1所述的正像等倍透镜阵列，其中当上述多块透镜板为奇数块时，上述孔径光阑设于在内部形成上述倒像的中央透镜板和与之相向的两则透镜板之间。

12.根据权利要求11所述的正像等倍透镜阵列，其中上述孔径光阑是由上述中央透镜板和与之相向的透镜板之间夹设的胶片状遮光膜形成的。

13.根据权利要求11所述的正像等倍透镜阵列，其中上述孔径光阑是由上述中央透镜板和与之相向的透镜板之间的透镜形成面中至少一方的透镜形成面上附着的遮光膜形成的。

14.根据权利要求13所述的正像等倍透镜阵列，其中上述孔径光阑在上述中央透镜板的光入射侧形成于相向的透镜板的透镜形成面上，而在上述中央透镜板的光出射侧则形成于中央透镜板的透镜形成面上。

15.根据权利要求6～11中任一项所述的正像等倍透镜阵列，其中上述多块透镜板是3块。

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