KR101084929B1

KR101084929B1 - 스캐너 장치

Info

Publication number: KR101084929B1
Application number: KR1020090081433A
Authority: KR
Inventors: 조용주
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2011-11-17
Anticipated expiration: 2029-08-31
Also published as: US20110051205A1; US8446644B2; KR20110023504A

Abstract

본 발명은 스캐너 장치에 관한 것이며, 상기 스캐너 장치는 물체의 하단에 위치되어 광이 상기 물체에 반사되도록 조사되는 광원과, 상기 물체의 표면과 경사지도록 경사각을 갖고 상기 광원 하부에 설치되어 상기 광원에서 조사된 광이 상기 물체에서 반사될 때 반사된 광의 경로를 폴딩하는 반사 수단과, 그리고 상기 반사 수단으로부터 반사되는 광의 경로에 설치되고, 상기 반사 수단으로부터 반사된 광을 집광하여 상기 물체의 이미지를 획득하는 촬상 수단을 포함하여 이루어지며, 상기 반사 수단을 이용하여 스캐너의 전체 크기를 소형화하고 스캔하는 시간을 단축하는 효과가 있다.

스캐너, 평판 스캐너, 이미지 센서, 이미지 렌즈

Description

스캐너 장치{scanner apparatus}

본 발명은 스캐너 장치에 관한 것으로, 특히, 반사 수단을 이용하여 스캐너의 크기를 소형화하고 스캔 시간을 단축하는 스캐너 장치에 관한 것이다.

팩시밀리나 스캐너 장비가 처음 개발되었을 때, 화상 입력 장치에 대하여 컬러화의 발전이 활발하게 이루어지지 않았다. 그러나 현재에는 컬러화가 일반화되고, 그에 따라 고 해상도를 확보하기 위해 씨씨디(CCD; Charge Coupled Device) 등의 촬상 소자와 같은 분해능을 확보할 필요가 있다.

이에 따라 높은 공간 주파수에 대해 양호한 콘트라스트를 얻기 위해서는 주변 광량의 저하를 극도로 감소시켜야 하므로, 개구 효율은 100%로 하고 왜곡 수차는 가장 양호하게 보정해야 한다.

이와 같은 종류의 종래 스캐너 장치에서는, 예를 들면, 물체에서 반사하여 스캐너용 렌즈를 투과한 광 속의 광 경로를 상기 광 경로 상에 설치된 CCD 촬상 소자에 이용하여 상기 광원에 해당하는 광전 변환 신호를 이용하는 방법을 사용한다. 이때, 물체에 대하여 가로변의 한 줄의 픽셀 이미지를 스캔한 후 이러한 광학 블록을 세로 방향으로 이동시키면서 CCD의 충전과 방전을 되풀이 하여 세로변의 픽셀 이미지를 획득한다.

이러한 종래 스캐너 장치는 상기 광 경로 상에 CCD 촬상 소자가 바로 설치되므로 스캐너 장치의 전체 크기가 커지며, 라인 스캔 방식을 사용하여 물체 전체의 이미지를 획득하므로 전체 스캔 시간 또한 오래 거리는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 반사 수단을 이용하여 상기 물체로부터 반사되는 광의 광 경로를 폴딩함으로써 전체 스캐너 장치의 크기를 소형화하는 스캐너 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, 라인 스캔 방식에서 2차원 평면 스캔 방식을 사용하여 물체 전체를 스캔하는데 걸리는 스캔 시간을 단축하는 스캐너 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 스캐너 장치는, 물체의 하단에 위치되어 광이 상기 물체에 반사되도록 조사되는 광원과, 상기 물체의 표면과 경사지도록 경사각을 갖고 상기 광원 하부에 설치되어 상기 광원에서 조사된 광이 상기 물체에서 반사될 때 반사된 광의 경로를 폴딩하는 반사 수단과, 그리고 상기 반사 수단으로부터 반사되는 광의 경로에 설치되고, 상기 반사 수단으로부터 반사된 광을 집광하여 상기 물체의 이미지를 획득하는 촬상 수단을 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 광원은 발광 다이오드(LED) 또는 형광 램프이며, 상기 반사 수단은 미러인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 촬상 수단은, 상기 반사 수단으로부터 반사된 광을 집광하는 이미지 렌즈와, 그리고 상기 이미지 렌즈부터 집광된 광을 수광하여 상기 물체의 이 미지를 획득하는 이미지 센서로 이루어진다.

또한, 상기 이미지 렌즈는, 동일 광축을 따라 물체에서 상까지 순서대로, 부의 굴절력을 가지는 제1 렌즈와 부의 굴절력을 가지는 제2 렌즈로 이루어지며, 전체적으로 부의 굴절력을 가지는 제1 렌즈군과, 정의 굴절력을 가지는 제3 렌즈로 이루어진 제2 렌즈군과, 정의 굴절력을 가지는 제4 렌즈와 정의 굴절력을 가지는 제5 렌즈로 이루어지며, 전체적으로 정의 굴절력을 가지는 제3 렌즈군과, 그리고 정의 굴절력을 가지는 제6 렌즈로 이루어진 제4 렌즈군을 포함하여 이루어지며, 상기 제2 렌즈군과 상기 제3 렌즈군 사이에 조리개가 배치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 렌즈군은, 상기 제1 렌즈가 물체를 향하는 면이 볼록하게 형성된 매니스커스 렌즈로 구성되고, 상기 제2 렌즈가 양면이 오목한 바이콘케이브 렌즈로 구성되며, 왜곡 수차를 보정하기 위해 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈 중 적어도 하나가 비구면 렌즈인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제3 렌즈는 양면이 볼록한 릴레이 렌즈인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제3 렌즈군은, 상기 제4 렌즈가 양면이 오목한 바이콘케이브 렌즈로 구성되고, 상기 제5 렌즈가 양면이 볼록한 바이콘벡스 렌즈로 구성되어 상기 제4 렌즈와 상기 제5 렌즈가 접합된 색수차를 보정하기 위한 접합 렌즈인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제6렌즈는 물체를 향하는 면이 오목한 매니스커스 렌즈인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 이미지 렌즈는, 물체로부터 상까지의 거리를 TF라 하고, 상기 이미지 렌즈의 전체 초점거리를 f라 할 때 5<TF<f<10 조건을 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 이미지 센서는 CCD 또는 CMOS로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 경사각의 범위는 25°도 내지 45°인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 반사 수단을 이용하여 상기 물체로부터 반사되는 광의 광 경로를 폴딩함으로써 전체 스캐너 장치의 크기를 컴팩트하게 구현할 수 있다.

또한, 본 발명은 라인 스캔 방식에서 2차원 평면 스캔 방식을 사용하여 물체 전체를 스캔하는데 걸리는 스캔 시간을 단축하는 효과가 있다.

본 발명의 특징, 이점이 이하의 도면과 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 스캐너 장치에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 스캐너 장치를 나타내는 측면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 스캐너 장치(10)는 스캔될 물체(1)를 조사하기 위한 광원(2), 반사 수단(3) 및 촬상 수단(4)을 포함하여 구성된다.

상기 광원(2)은 물체(1)가 놓이는 스캐너 평면의 하단에 위치되어 광이 상기 물체(10)에 반사되도록 조사한다. 또한, 상기 광원(2)은 물체(1)가 놓이는 스캐너 평면의 스캔 영역의 외각(edge)을 둘러싸도록 설치된다. 이러한 상기 광원(2)으로는, 예를 들면, 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED) 또는 형광 램프를 사용한다.

상기 반사 수단(3)은 상기 물체(1)의 표면(이를 테면, 스캔하고자 하는 면)과 경사지도록 경사각을 갖고 상기 광원(2) 하부에 설치되어 상기 광원에서 조사된 광이 상기 물체에서 반사될 때 반사된 광의 경로를 폴딩한다.

여기서, '폴딩(folding)'이란 용어는, 도 1에 도시된 것처럼, 광원(2)으로부터 조사된 광이 상기 물체(1)에 반사되어 상기 반사 수단(3)에 닿는 접촉점(a,b,c)에서 광의 경로가 꺾여 접히는 것을 의미하는 것으로 정의한다.

또한, 상기 반사 수단(3)으로는 주로 미러(mirror)를 사용하며, 상기 반사 수단(3)의 크기는 상기 물체(1)가 놓이는 평면의 스캔 영역의 면적보다 약간 작게 구현할 수 있다.

상기 촬상 수단(4)은 상기 반사 수단(3)으로부터 반사되는 광의 경로에 설치되고, 상기 반사 수단(3)으로부터 반사된 광을 집광하여 상기 물체(1)의 이미지를 획득한다.

이러한 상기 촬상 수단(4)에서 상기 물체(1)에 대한 고 해상도의 이미지를 획득하기 위해서는 상기 반사 수단(3)에 의해 폴딩된 광이 서로 겹쳐지지 않도록 상기 촬상 수단(4)으로 수광되어야 한다.

따라서, 상기 물체(1)의 표면과 상기 반사 수단(3)이 이루는 경사각(θ)은 25° 내지 45° 범위에 있으며, 바람직하게는 30°이다.

만약, 상기 경사각(θ)이 25°보다 작다면, 상기 반사 수단(3)에 의해 폴딩된 광이 서로 겹쳐지지 않도록 하기 위해 상기 촬상 수단(4)이 상기 물체(1)보다 높은 위치에 설치되어야 한다. 반대로, 상기 경사각(θ)이 45°보다 크다면, 상기 반사 수단(3)에 의해 폴딩된 광이 서로 겹쳐지지 않도록 하기 위해 상기 촬상 수단(4)은 상기 반사 수단(3)이 경사진 만큼 더 아래에 설치되어야 하므로 스캐너 장치(10)의 크기가 더 커지게 된다.

한편, 상기 촬상 수단(4)은 상기 반사 수단(3)으로부터 반사되는 광을 집광하는 이미지 렌즈(41~48)와 상기 이미지 렌즈(41~48)로부터 집광된 광을 수광하여 상기 물체(1)의 이미지를 획득하는 이미지 센서(49)를 포함하며, 이러한 촬상 수단(4)이 도 2에 도시된다.

도 2를 참조하면, 상기 이미지 렌즈(41~48)는 4군 6매의 렌즈들(41~47)과 IR 필터(48)로 구성된다.

상기 이미지 렌즈(41~48)는, 동일 광축을 따라 물체(1)에서 상까지 순서대로, 제1 렌즈군(I), 제2 렌즈군(II), 제3 렌즈군(III), 및 제4 렌즈군(IV)으로 배치된다.

또한, 상기 제2 렌즈군(II)과 상기 제3 렌즈군(III) 사이에 조리개(44)가 배치된다. 상기 조리개(44)는 상기 이미지 렌즈(41~48)의 중간에 위치시켜 조리개(44)에 가까운 렌즈(이를 테면, 제3 렌즈(43))를 비구면으로 구성하여 구면 수차를 보정하고, 상기 조리개(44)와 멀리 이격된 상기 제1 렌즈(41)를 비구면으로 구성하여 왜곡 수차를 보정한다.

먼저, 상기 제1 렌즈군(I)은 부의 굴절력을 가지는 제1 렌즈(41)와 부의 굴절력을 가지는 제2 렌즈(42)로 이루어지며, 전체적으로 부의 굴절력을 갖는다.

여기서, 상기 제1 렌즈(41)는 물체를 향하는 면이 볼록하게 형성된 매니스커스(meniscus) 렌즈로 구성되고, 상기 제2 렌즈(42)는 양면이 오목한 바이콘케이브(biconcave) 렌즈로 구성된다. 특히, 상기 제1 렌즈(41)가 물체를 향하면 면이 오목한 경우 왜곡 수차 특성이 저하된다.

또한, 상기 제1 렌즈군(I)은 왜곡 수차를 보정하기 위해 상기 제1 렌즈(41) 또는 상기 제2 렌즈(42) 중 적어도 하나 이상의 면이 비구면인 비구면 렌즈이어야 한다. 다시 말해, 상기 제1 렌즈(41)의 제1 및 제2 면(r1, r2), 그리고 상기 제2 렌즈(42)의 제1 및 제2 면(r3, r4) 중 적어도 하나 이상이 비구면이어야 한다.

상기 제2 렌즈군(II)은 정의 굴절력을 가지는 제3 렌즈(43)로 구성되며, 단일 렌즈로 구성되어 상기 제1 렌즈군(I)과 제3 렌즈군(III)을 이어주는 양면이 볼록한 릴레이 렌즈이다.

상기 제3 렌즈군(III)은 정의 굴절력을 가지는 제4 렌즈(45)와 정의 굴절력을 가지는 제5 렌즈(46)로 이루어지며, 전체적으로 정의 굴절력을 갖는다.

여기서, 상기 제4 렌즈(45)는 양면이 오목한 바이콘케이브(biconcave) 렌즈로 구성되고, 상기 제5 렌즈(46)는 양면이 볼록한 바이콘벡스(biconvex) 렌즈로 구성되어 상기 제4 렌즈(45)와 상기 제5 렌즈(46)가 접합된 접합 렌즈이다.

이러한 상기 제 3렌즈군(III)의 접합 렌즈는 색수차를 보정(제거)한다.

상기 제4 렌즈군(IV)은 정의 굴절력을 가지는 제6 렌즈(47)로 구성되며, 여기서 상기 제6 렌즈(47)는 물체를 향하는 면이 오목한 매니스커스 렌즈이다.

또한, 상기 이미지 렌즈(41~48)의 온도 보상을 하기 위해, 상기 제1 렌즈군(I)의 비구면 렌즈의 굴절력과 크기는 상기 제4 렌즈군(IV)에 대해 굴절력은 반대이나 크기(절대값)는 같거나 비슷하도록 설계하여 구현한다. 또한, 상기 제1 렌즈군(I) 중 1매의 렌즈와 상기 제4 렌즈군의 1매의 렌즈를 플라스틱으로 대체함으로써 비용을 절감하고 온도를 보상할 수 있다.

상기 IR 필터(Infrared cut filter; 48)는 상기 제4 렌즈군(IV)과 상기 이미지 센서(49) 사이의 상기 이미지 센서(49) 앞 단에 설치되어 상술한 바와 같은 4군 6매의 렌즈들(41~47)을 거쳐 집광된 광의 근적외선 영역의 파장들을 제거해주는 역할을 한다.

상기 이미지 센서(49)는 전하 결합 소자(Charge Coupled Device; CCD) 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)로 이루어진다.

한편, 상기 이미지 렌즈(41~48)는 물체로부터 상까지의 거리를 TL이라 하고, 상기 이미지 렌즈(41~48)의 전체 초점거리를 f라 할 때 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이미지 렌즈는 하기 조건식(1)을 만족하도록 구성된다:

5<TF<f<10 (1)

만약, 상기 조건식(1)에서 상한을 벗어나면, 상기 이미지 렌즈(41~48)에 있어 물체부터 상까지의 거리가 너무 커져 실제 제품으로 구현하는 것이 어려우며, 상기 조건식(1)에서 하한을 벗어나면, 시야(Field of view; FOV)가 너무 커져 상기 이미지 렌즈(41~48)의 왜곡 보정이 어렵다.

또한, 상기 이미지 렌즈(41~48)는 상기 제1 렌즈(41)의 초점거리를 f1, 상기 제2 렌즈(42)의 초점거리를 f2, 상기 제3 렌즈(43)의 초점거리를 f3, 상기 제4 렌즈(45)의 초점거리를 f4, 상기 제5 렌즈(46)의 초점거리를 f5, 및 상기 제6 렌즈(47)의 초점거리를 f6라 할 때 하기 조건식들(2)~(6)을 만족하도록 구성된다:

f1/f=-5.08 (2)

f2/f=-2.01 (3)

f3/f=1.90 (4)

f4/f=359 (5)

f5/f=4.94 (6)

이러한 조건에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 상기 스캐너 장치(10)의 이미지 렌즈의 설계 데이터를 표 1에 나타내었다.

면번호	곡률반경(RDY)	두께(THI)	굴절률(Nd)	아베수(vd)
오브젝트(OBJ)	∞	247.000000
1	44.00976	2.044941	1.544000	61.3000
2	14.54647	5.402118
3	-32.33685	1.022471	1.487489	70.4412
4	10.55699	20.171219
5	13.36449	3.743816	1.589129	61.2526
6	-24.57338	1.834107
STO	∞	0.217023
8	-165.40747	0.943819	1.728250	28.3205
9	6.842181	5.977521	1.516800	64.1673
10	-16.16538	6.269616
11	23.51757	4.719096	1.544000	61.3000
12	-255.27287	0.629213
13	∞	0.629213	1.516800	64.1673
14	∞	4.776936
IMG	∞	0.029191

또한, 이러한 조건에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이미지 렌즈의 실험 결과 그래프가 도 3 내지 도 5에 도시된다.

여기서, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이미지 렌즈의 파장에 따른 구면수차를 나타내는 그래프이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 비점 수차를 나타내는 그래프이며, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 % 왜곡을 나타내는 그래프이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 스캐너 장치(10)는 반사 수단(3)을 사용하여 스캐너 장치(10)의 크기를 소형화할 수 있으며, 고해상도 이미지 렌즈를 사용함으로써 구면 수차, 비점 수차, 및 왜곡 수차를 양호하게 보정 할 수 있어 높은 광학적 특성을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 물체의 전체 이미지를 한번에 스캔할 수 있으므로 스캔 시간을 단축할 수 있게 된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 스캐너 장치를 나타내는 측면도.

도 2는 도 1에 도시된 촬상 수단을 나타내는 도면.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이미지 렌즈의 파장에 따른 구면수차를 나타내는 그래프.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 비점 수차를 나타내는 그래프.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 % 왜곡을 나타내는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 스캐너 장치

1: 물체 2: 광원

3: 반사 수단 4: 촬상 수단

Claims

물체의 하단에 위치되어 광이 상기 물체에 반사되도록 조사되는 광원;

상기 물체의 표면과 경사지도록 경사각을 갖고 상기 광원 하부에 설치되어 상기 광원에서 조사된 광이 상기 물체에서 반사될 때 반사된 광의 경로를 폴딩하는 반사 수단; 및

상기 반사 수단으로부터 반사되는 광의 경로에 설치되고, 상기 반사 수단으로부터 반사된 광을 집광하여 상기 물체의 이미지를 획득하는 촬상 수단을 포함하며,

상기 이미지 렌즈는,

동일 광축을 따라 물체에서 상까지 순서대로, 부의 굴절력을 가지는 제1 렌즈와 부의 굴절력을 가지는 제2 렌즈로 이루어지며, 전체적으로 부의 굴절력을 가지는 제1 렌즈군;

정의 굴절력을 가지는 제3 렌즈로 이루어진 제2 렌즈군;

정의 굴절력을 가지는 제4 렌즈와 정의 굴절력을 가지는 제5 렌즈로 이루어지며, 전체적으로 정의 굴절력을 가지는 제3 렌즈군; 및

정의 굴절력을 가지는 제6 렌즈로 이루어진 제4 렌즈군을 포함하여 이루어지며, 상기 제2 렌즈군과 상기 제3 렌즈군 사이에 조리개가 배치된 것을 특징으로 하는 스캐너 장치.
제1항에 있어서, 상기 광원은 발광 다이오드(LED) 또는 형광 램프인 것을 특징으로 하는 스캐너 장치.
제1항에 있어서, 상기 반사 수단은 미러인 것을 특징으로 하는 스캐너 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 촬상 수단은,

상기 반사 수단으로부터 반사된 광을 집광하는 이미지 렌즈; 및

상기 이미지 렌즈부터 집광된 광을 수광하여 상기 물체의 이미지를 획득하는 이미지 센서로 이루어진 것을 특징으로 하는 스캐너 장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 제1 렌즈군은,

상기 제1 렌즈가 물체를 향하는 면이 볼록하게 형성된 매니스커스 렌즈로 구성되고, 상기 제2 렌즈가 양면이 오목한 바이콘케이브 렌즈로 구성되며, 왜곡 수차를 보정하기 위해 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈 중 적어도 하나가 비구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 스캐너 장치.
제1항에 있어서, 상기 제3 렌즈는 양면이 볼록한 릴레이 렌즈인 것을 특징으로 하는 스캐너 장치.
제1항에 있어서, 상기 제3 렌즈군은,

상기 제4 렌즈가 양면이 오목한 바이콘케이브 렌즈로 구성되고, 상기 제5 렌즈가 양면이 볼록한 바이콘벡스 렌즈로 구성되어 상기 제4 렌즈와 상기 제5 렌즈가 접합된 색수차를 보정하기 위한 접합 렌즈인 것을 특징으로 하는 스캐너 장치.
제1항에 있어서, 상기 제6렌즈는 물체를 향하는 면이 오목한 매니스커스 렌즈인 것을 특징으로 하는 스캐너 장치.
제1항에 있어서, 상기 이미지 렌즈는,

하기의 조건식:

5<TF<f<10

(여기서, TF는 물체로부터 상까지의 거리, f는 이미지 렌즈의 전체 초점거리임)을 만족하는 초점거리를 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스캐너 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 촬상 수단은 CCD 또는 CMOS로 이루어진 것을 특징으로 하는 스캐너 장치.
제1항에 있어서, 상기 경사각의 범위는 25°도 내지 45°인 것을 특징으로 하는 스캐너 장치.