专利名称：补偿物体的不均匀照明的光学系统的制作方法
技术领域：
本发明一般来说涉及成象装置，更具体地说，涉及具有光学位置检测系统的手持式或便携式光扫描器。
光学扫描装置在本专业中是众所周知的，并且可以用来产生代表被扫描物体，例如照片或者打印文本的页面的机器可读的数据信号。在典型的扫描器应用场合，由光扫描器产生的图象数据信号可以由个人计算机用来在适当的显示装置，例如阴极射线管或打印机上再现被扫描物体的图象。
手持式或便携式光扫描器是一种设计成用手移动横扫被扫描物体或文件的光扫描器。手持式扫描器可以通过数据同步传输电缆直接连接到计算机。如果这样的话，就可以把由手持式扫描器产生的数据信号“即时”地，即，在采集图象数据的同时传递到分开的计算机。另一种方法是，手持式扫描器可以包括用来存储图象数据的机载数据存储系统。于是，在完成扫描操作之后，可以借助任何方便的方式，例如电缆或者光学红外数据链路把图象数据下载到分开的计算机。
手持式或便携式光扫描器在本专业中是众所周知的，并且在以下的美国专利中公开了其各种部件McConica的题为“具有可调光路径的手持式扫描器”的美国专利No.5,552,597；McConica等人的题为“用于手持式扫描器的光波导”的美国专利No.5,586,212；Kochis等人的题为“具有机载电池再充电组件的手持式光扫描器”的美国专利No.5,381,020；以及McConica等人的题为“具有触觉速度控制组件的手动操作的手持式光扫描器”的美国专利No.5,306,908；所有这些专利所公开的所有方面被包括在本文中作为参考。
通常的手持式光扫描器可以包括用来实行对物体的扫描的照明和光学系统。照明系统把物体的一部分(通常称为“扫描区”)照亮，而光学系统收集由被照亮的扫描区反射的光线，并且把被照亮的扫描区的小区域(通常称为“扫描行”)聚集在设置于扫描器内的光敏检测器。然后，可以通过使所述扫描行扫过整个物体、通常通过相对于物体移动手持式扫描器，来获得代表整个物体的图象数据。例如，照明系统可以包括多个发光二极管(LED)，虽然也可以使用其它类型的光源，例如，荧光灯或白炽灯。光学系统可以包括“接触型图象传感器”或CIS，用于把被照亮的扫描行聚焦到检测器表面。另一种方法是，可以利用透镜和/或反射镜组件收集来自被照亮的扫描区的光线并且将其聚焦到检测器上。
通常，用于检测由光学系统聚焦到其上的图象光线的光敏检测器包括电荷耦合器件(CCD)，虽然其它器件也可以使用。典型的CCD可以包括单个单元或者“象素”的阵列，每一个象素随着暴露在光线之下而收集或者产生电荷。由在任何给定的单元或者象素中积累的电荷的数量与曝光的强度和持续时间有关，所以，CCD可以用来检测聚焦在它上面的图象的亮点和暗点。
这里所用的术语“图象光线”指的是由光学系统聚焦在检测器阵列表面上的光线。根据扫描器的类型和文件的类型，图象光线可以从被扫描物体反射或者可以透射过所述物体。可以在三个基本步骤中把图象光线转换成数字信号。首先，CCD检测器中的每一个象素把它接收到的光线转换成电荷。接着，由模拟放大器把各象素的电荷转换成模拟电压。最后，由模数(A/D)转换器把模拟电压数字化。然后，可以根据需要处理和/或存储所述数字信号。
手持式扫描装置可以备有位置检测或“导航”系统，以便确定该手持式扫描器相对于被扫描物体的位置。因此，这种位置检测系统使扫描器可以把其位置与被扫描物体相联系。这种位置相关性使得即使在一次扫描或“扫掠”期间可能没有扫描整个物体，也能够产生被扫描物体的完整的图象。例如，如果需要对物体进行两次或更多次swipe才能够扫描整个物体，则由导航系统提供的这种位置相关性将使得可以把扫描图象数据的各个不同部分“缝合”在一起，以便形成代表整个扫描物体的单一的整体图象。
一种类型的导航系统利用一对光传感器来检测包含在被扫描物体(例如一张其上有文本或图象的纸)上的某些固有结构特征(例如表面粗糙度，纸纤维取向等)。Holland的题为“检测纸张纤维图案的纸张推进系统”的美国专利No.5,089,712；以及Allen等人的题为“补偿非线性移动的手持式图象扫描装置”的美国专利No.5,578,813中公开了上述类型的导航系统的例子，这两项专利所公开的所有方面被具体地包括在本文中作为参考。
虽然这种导航系统是已知的并且正在被使用，但是，它们并不是没有问题的。例如，与上述类型的光导航系统相联系的一个问题归因于难以均匀地照亮所述物体上的固有结构特征以便导航传感器可以检测这些结构特征。通常用以照亮导航区的光源(例如红外发光二极管(LED))一般不能提供均匀的照明图案。因此，被照明的导航区可能包括一个或多个明亮照明区域和一个或多个次明亮照明区域。如果所述明亮照明区域和次明亮照明区域之间有相当大的差异，则导航系统有相当大的可能性把照明的不均匀性看作固定的图案噪声，这可能导致导航系统产生错误的导航信号。这种错误的导航信号很可能产生错误的位置值，后者可能使图象数据处理系统不能成功地把在各次扫描期间获取的各个图象部分缝合在一起。
上述非均匀照明问题的一种解决方法是提供这样的光源它具有一个或多个透镜或反射镜，以便把光线比较好地分布和聚焦在导航区上。遗憾的是，这种透镜或反射镜系统可能难以制造和对准，并且，在任何情况下都显著地增加扫描器的总成本。部分地由于致力于避免上述问题，大多数光学导航系统使用众所周知的和容易购买到的类型的具有整体透镜的发光二极管。虽然整体透镜设计避免了与提供分开的透镜或反射镜相联系的问题，但是，通常，大多数这种整体透镜装置的质量都很差，并且，由这种连透镜式发光二极管产生的照明图案经常包含显著的不均匀性。的确，考虑到扫描器导航系统的一致的和可靠的操作，由这种连透镜式发光二极管提供的照明的质量是勉强的。
用以形成物体上被照明区的至少一部分的图象的光学系统可以包括定位在与物体上被照明区隔开一段距离的位置的透镜；以及孔径光阑，它是这样定位的，使得它与透镜的图象侧焦平面共平面。在透镜和物体上被照明区之间设置遮断元件，使得该遮断元件阻挡来自被照明区中明亮照明区域的预定量的光线，但是，基本上不阻挡来自被照明区中次明亮照明区域的光线。
还公开一种用来形成物体上被照明区的至少一部分的图象的方法，所述方法包括以下步骤把透镜定位在与物体上被照明区隔开一段距离的位置上；把孔径光阑定位在透镜的图象侧焦平面附近；以及在来自明亮照明区域的光线被透镜折射之前阻挡来自该明亮照明区域的预定量的光线。
附图中示出示范性的和当前知道的最佳实施例，附图中
图1是便携式图象扫描器的透视图，后者具有利用根据本发明的用来补偿非均匀照明的光学系统的导航系统；图2是图1中所示的便携式图象扫描器的立面前视图；图3是便携式图象扫描器的图象头的接触面的平面图，显示两个导航传感器孔的位置；图4是便携式图象扫描器的图象头的立视图的沿着图3的线4-4所取的剖面图；图5是被照明的导航区的示意的表示，显示明亮照明区域和次明亮照明区域；图6是5中所示的被照明的导航区的归一化照明函数的曲线表示；图7是用于补偿非均匀照明的光学系统的示意的表示；图8是透镜的平面图，显示其上的遮断元件的相对位置；
图9是所述光学系统的归一化的透射函数的曲线表示；图10是在图6和9中分别举例说明的照明和透射函数的曲线叠加，以及最后得到的补偿后的照明函数；图11是透镜的具有环形遮断元件的第二实施例的平面图；图12是透镜的具有十字形遮断元件的第三实施例的平面图；以及图13是透镜的具有包括多根径向取向的线条的遮断元件的第四实施例的平面图。
这里示出并且描述用于补偿物体的非均匀照明的光学系统10(图7)，后者可用于便携式或手持式图象扫描器14(图1)中使用的那种类型的光学导航系统12中。如下面将更加详细地描述的那样，光学系统10补偿从其中获得导航数据的物体的非均匀照明，从而提高由光学导航系统12产生的导航数据的一致性和可靠性。
在图1中举例说明的示范性的应用中，便携式或手持式图象扫描器14可以用于扫描物体16，例如其上有书面文本20的文件18。光学导航系统12向扫描器14提供位置或者导航信息，从而，使扫描器14几乎可以扫描任何尺寸的文件，而与便携式图象扫描器14的尺寸无关。例如，可以通过沿着曲折的或者曲线形的、形成一次或多次扫描操作或“扫掠”的扫描路径22在文件18上移动便携式图象扫描器14来扫描整个文件18。然后，由导航系统12提供的位置或导航信息可以用来把在每次扫描期间获取的各个不同的图象数据段接合或“缝合”在一起，以便形成代表整个被扫描文件18的图象数据。
现在参考图3和4，导航系统12可以包括第一和第二导航传感器组件24和26，每一个导航传感器组件“观察”被扫描物体16上的相应的导航区(例如，导航区28)。在一个最佳实施例中，导航传感器组件24和26基本上是相同的，所以这里将仅仅描述第一导航传感器组件24。第一导航传感器组件24包括光源30，光学系统10和导航检测器34。光源30照亮物体16上的导航区28。光学系统10把由被照明的导航区28反射的导航光线32聚焦在导航检测器34的表面上(图7)。检测器34产生对应于由被照亮的导航区28反射的导航光线32的输出信号(未示出)。可以由导航数据处理系统(未示出)处理来自检测器34的所述输出信号，以便产生代表便携式图象扫描器14相对于被扫描物体的位置的导航数据信号(也未示出)。
现在主要参考图5，由光源30向导航区28提供的照明一般是不均匀的，并且可能包括多个具有不同亮度等级的区域。例如，被照明的导航区28可以用位于导航区28的中心附近的明亮照明区域38和通常位于导航区28的周边的次明亮照明区域40来表征。此外，应当指出，实际上，通常可以把被照明的导航区28表征为许多不同亮度的区域，这些区域可能位于图5中所示的位置，也可能不位于图5中所示的位置。但是，为了便于讨论和说明，这里示出和描述只具有不同亮度并且位于图5中所举例说明的位置附近的两个区域38和40的被照明的导航区28。就是说，明亮照明区域38可以位于被照明的导航区28的中心区域附近，而次明亮照明区域40可以位于导航区28的外侧区域或周边附近。
如图6所示，可以通过照明函数42，以曲线图的方式表示图5中示意地举例说明的向导航区28提供的照明。为了便于说明，把图6中所示的照明函数42归一化，使得明亮照明区域38被规定为具有单位亮度。因此，次明亮照明区域40将具有小于1的亮度等级。例如，在这里示出和描述的假设的照明函数42中，次明亮照明区域40具有0.5的亮度(即，明亮照明区域38的亮度的一半)。此外，应当记住，上述不同亮度区域的数目(即，2)以及它们的亮度比(即，2∶1)仅仅是示范性的，它们可能代表也可能不代表与特定的照明系统相联系的不同亮度区域的数目和相应的亮度比。
用于导航系统12中的光学系统10最清楚地示于图7中，并且可以包括定位在物体16和导航检测器34之间的透镜组件36。光学系统10可以备有位于透镜组件36和物体16之间的光学透明窗44，以便使透镜组件36与灰尘隔绝，并且保护它不受损坏。孔径光阑46可以这样定位于透镜36和导航检测器34之间，使得它基本上同与透镜组件36相关的图象侧焦面48共平面。孔径光阑46定位在透镜36的图象侧焦面48附近，这使得透镜组件36是远心透镜系统。因此，这里可以把孔径光阑46按照另一种方法称为“远心孔径光阑”。由于这种远心透镜配置的结果，由包含在物体16上被照明的导航区28中的各种不同的被照明场点50反射的光线32的锥体在物体16和透镜组件36的前表面或物侧表面之间的区域中保持比较好地分开的状态。见图7。
光学系统10还可以备有这样定位在物体16和透镜36之间的遮断元件54，使得遮断元件54阻挡来自明亮照明区域38的预定量的光线，但是基本上不阻挡来自次明亮照明区域40的光线。在一个最佳实施例中，遮断元件54可以包括淀积在透镜36的物侧表面52的中心区域上的基本上圆形的不透明材料，例如黑色涂料，如图8中最清楚地示出的。另外，如下面将更加详细地描述的那样，其它配置也是可能的。
远心透镜组件36和遮断元件54的组合产生光学系统10的透射函数56，后者包含位于被照明的导航区28的中心区域的视场点50的低透射比“吊桶”58。就是说，如果光学系统10被用来形成被照明的物体的图象，则透射函数56的低透射比吊桶58将导致图象的中心区域具有减小的亮度等级。因此，如果光学系统10被用来形成具有基本上与图6中所示的一样的照明函数42(即，被照明区具有明亮照明区域38和次明亮照明区域40)的被照明的导航区28，则结果将出现这样的图象与实际情况相比，它好象被更加均匀地照明。光学系统10通过使对应于次明亮照明区域40(图5)的区域具有高透射比并且使对应于明亮照明区域38的区域具有减小的透射比来补偿物体的非均匀照明。用图形表示，透射函数56和照明函数42的组合产生补偿后的照明函数60，如图10中最清楚地示出的那样。
可以通过改变遮断元件54的尺寸、形状和位置来控制透射函数56的形状，使得透射和照明函数56和42的组合产生具有所需要的特性或响应的补偿后的照明函数60。例如，在这里示出和描述的实施例中，最好这样调节透射函数56，使得最后得到的补偿后的照明函数60形成一条大体上的直线，如图10中最清楚地示出的那样。这种直线型照明函数60意味着将出现由光学系统10形成的好象被基本上均匀地照明的图象。
与根据本发明的光学系统10相联系的明显的优点是它可以用于补偿物体的非均匀照射，从而可以出现好象物体被更加均匀地照明的物体图象。从而，由该光学系统提供的照明补偿免除了提供用来更均匀地照明物体的高质量或高精度光源的必要性。因此，在这里示出和描述的应用中，光学系统10免除了为了产生更加均匀的照明图案而为导航光源提供附加的反射镜和/或透镜系统的必要性。本发明的另一个优点是可以通过简单地改变遮断元件54的形状和/或位置来使光学系统10的透射函数56满足补偿许许多多非均匀照明中的任何一种的要求。此外，遮断元件54可以容易地和便宜地产生，在一个最佳实施例中，可以包括直接淀积在透镜36的物侧表面52的不透明涂层(例如涂料)。
简单地描述了用于补偿物体的非均匀照明的光学系统10，以及其一些更明显的特征和优点之后，下面将详细地描述根据本发明的光学系统的各种实施例。但是，在继续进行详细的描述之前应当指出，虽然在这里以可以同与便携式或手持式扫描器14相联系的光学导航系统12合作使用的形式示出和描述了光学系统10，但是，它不限于与任何具体类型的光学导航系统12或便携式扫描装置14一起使用。的确，光学系统10可以用于需要补偿待成象的物体的非均匀照明的各式各样的装置和应用场合中的任何一种。因此，不应当认为本发明限于这里示出的和描述的特定的装置和应用场合。
记住以上的考虑，这里以可以用于可能在便携式或手持式图象扫描器14中使用的光学导航系统12的形式示出和描述用来补偿物体的非均匀照明的光学系统10的一个最佳实施例。光学导航系统12产生代表便携式图象扫描器14相对于物体16，例如其上有书面文本20的文件18的位置的导航信号(未示出)。从而，导航系统12使扫描器14几乎可以扫描任何尺寸的文件，而与便携式图象扫描器14的尺寸无关。例如，可以通过沿着曲折的或者曲线形的、形成一次或多次扫描操作或“扫掠”的扫描路径22在文件18上移动便携式图象扫描器14来扫描整个文件18。然后，由导航系统12提供的位置或导航信息可以用来把在每次扫描期间获取的各个不同的图象数据段接合或“缝合”在一起，以便形成代表整个被扫描物体16的图象数据。
现在参考图2-4，便携式图象扫描器14可以包括主体部分62和图象头部分64。主体部分62可以包括有助于用户(未示出)用手操作的总体构形或形状，虽然也可以使用其它构形。在一个最佳实施例中，可以按照容纳便携式图象扫描器14的操作所需的各种电子元件(未示出)的尺寸来制造主体部分62。另一种办法是，可以把各种电子元件中的一些或者全部设置在别处，而利用合适的链路，例如电缆或红外数据链路(未示出)把它们连接到主体部分62。主体部分62还可以备有便携式图象扫描器14的操作所需要的或希望有的显示系统66和各种开关装置68、70和72。虽然在一个最佳实施例中开关装置68、70和72设置在主体部分62的正面，但是，它们也可以设置在便携式图象扫描器14上任何方便的位置。可以由也包含在便携式图象扫描器14的主体部分62内的合适的电源，例如电池(未示出)提供操作便携式图象扫描器14所需要的电功率。但是，由于可能需要或希望用于便携式图象扫描器14的各种电子元件、显示装置、开关装置和电池在本专业中是众所周知的，并且由于对各种元件的描述对于理解和实施本发明不是必须的，所以，这里不更详细地描述用于本发明的一个最佳实施例中的元件，例如，电子元件(未示出)，显示装置66，开关装置68、70和72等等。
现在主要参考图3和4，便携式扫描器14的图象头部分64可以包括安装在主体部分62上的单独的组件。另一种办法是，图象头部分64可以包括与主体部分62成一体的部件。在任何一种情况下，都可以按照容纳图象检测系统74和光学导航系统12的尺寸来制造扫描器14的图象头部分64。就主要方面说，图象检测系统74产生代表包含在被扫描的物体16上被照亮的扫描区域84中的扫描行(未示出)的图象信号(未示出)。导航系统12产生从由被照明的导航区28反射的导航光学32导出的导航数据信号(未示出)。
图象检测系统74可以包括适合于产生与被扫描物体16的各部分相关的图象数据的本专业中目前已知的许许多多成象系统或者将来可能开发的成象系统中的任何一种。因此，不应当把看做限于任何特定类型的图象检测系统74。但是，作为例子，用于本发明的一个最佳实施例中的图象检测系统74可以包括用于把光线78照射到被扫描物体16上的照明系统76。光线78穿过设置在图象头64的接触面82上的长缝80，如图3中最清楚地示出的那样。因此，由照明系统76产生的光线78照亮物体16上通常对应于长缝80的尺寸和形状的扫描区域84。成象系统86把由物体16上被照明的扫描区域84反射的图象光线88投射到检测器90上。检测器90产生与图象光线88有关的图象信号(未示出)。
图象检测系统74各种部件可以包括本专业中众所周知的许许多多部件和器件或者将来可能开发的部件和器件中的任何部件和器件。例如，在一个最佳实施例中，照明系统76可以包括产生其亮度足以照明被扫描物体16上扫描区域84的光线78的发光二极管阵列。另外，也可以使用其它类型的光源，例如白炽灯或日光灯光源。用于把图象光线88投射和聚焦在检测器90的表面上的成象系统86最好包括(但不是必要的)接触型图象传感器，例如以Nippon SheetGlass Company，Limited注册的商标SELFOC为名销售的那种类型的接触型图象传感器。另外，也可以使用例如投影成象系统的其它类型的成象系统。检测器90可以包括具有300ppi(每英寸象素数目)分辨率的线性CCD阵列，例如可以从Austin，TX的TexasInstruments，Inc.买到的，型号为TS105的CCD阵列。另一方面，具有其它分辨率的其它类型的检测器也可使用。
导航系统12最清楚地示于图4和7中，并且主要包括两个子系统光学子系统92和数据处理子系统(未示出)。光学子系统92照亮导航区28并且把被照明的导航区28的至少一部分的图象投影到导航检测器34的表面上。数据处理子系统(未示出)接收来自导航检测器34的图象数据(未示出)并且处理该图象数据，以便产生导航数据(未示出)。在这里示出和描述实施例中，从被扫描物体16上的固有的结构特征导出导航数据。这里使用的术语“固有的结构特征”指的是被扫描物体16的固有结构特征，它们表征物体16而与物体16上的形成图象数据和/或系统登录数据无关。例如，如果被扫描的物体16是包括纸张文件18，则感兴趣的固有结构特征可以是纸纤维。作为另一个例子，如果物体包括光滑的文件或者架空的透明胶片，则感兴趣的所述固有结构特征可以包括由被照明的导航区28产生的镜面反射场。
如上所述，由导航数据处理子系统(未示出)产生的导航数据可以由图象数据处理系统(也未示出)用来把由图象检测系统74在各个不同的扫描过程中产生的图象数据缝合在一起。所述导航处理子系统和缝合算法可以是Holland的题为“检测纸张纤维图案的纸张推进系统”的美国专利No.5,089,712；以及Allen等人的题为“补偿非线性移动的手持式图象扫描装置”的美国专利No.5,578,813中示出和描述的类型，这两项专利所公开的所有方面被具体地包括在本文中作为参考。但是，由于导航处理子系统和用来检测和处理与包含在物体16上的固有结构特征有关的导航数据的方法在美国专利No.5,089,712和美国专利No.5,578,813中有很详细的描述，并且，由于与上述装置和处理方法有关的细节对于理解或实施本发明不是必要的，所以，这里将不对导航处理子系统的各种部件和用来检测和处理导航数据的方法进行更详细的描述。
导航系统12的光学子系统部分92可以包括第一和第二导航传感器24和26，后者观察或监视物体16上的相应的第一和第二导航区(例如，28)。每一个导航传感器24、26利用根据本发明的光学系统10，并且是基本上彼此相同的。因此，将只详细地描述第一导航传感器24。
现在主要参考图4和5，第一导航传感器24可以包括用来通过设置在图象头64的接触面82中的导航孔94照亮导航区28的光源30。光源30可以包括容易从市场上购买到的许许多多光源中的任何一种。例如，在一个最佳实施例中，光源30可以包括这样定位的红外发光二极管，使得由此产生的光线以大约5°至大约30°范围内的入射余角入射到物体16上。入射余角是入射角的余角。因此，如果要检测镜面场的话，则光线可以以大体上正交角入射。类似地，用于检测由被照明的导航区28反射的导航光线32的导航检测器34可以包括容易在市场上购买到的许许多多检测器中的任何一种。例如，在一个最佳实施例中，导航检测器34可以包括具有大约48×48个象素的尺寸和大约600ppi(每英寸的象素数目)分辨率的二维CCD阵列。另外，还可以使用具有不同尺寸和/或分辨率的阵列。
现在参考图5，在大多数情况下，由光源30向导航区28提供的照明通常是不均匀的，并且包括具有各不相同的亮度等级的许多区域。例如，考虑一种假想的情况，其中，被照明的导航区28包含具有两种不同亮度等级的两个不同区域位于被照明的导航区28的中心区域的明亮照明区域38和位于被照明的导航区28的外侧区域的次明亮照明区域40。但是，在进一步描述之前应当指出，上述构形仅仅是示范性的，并且，实际上，通常可以把被照明的导航区28表征为具有许多不同亮度的区域。但是，为了便于讨论和说明，这里示出和描述只具有不同亮度并且位于图5中所举例说明的位置附近的两个区域38和40的被照明的导航区28。
可以通过照明函数42用图解法表示向导航区28提供的照明，其中，沿着横坐标(即，水平轴)标出沿导航区28的位置，并且，沿着纵坐标(即，垂直轴)标出亮度。为了方便，把图6中所示的照明函数42归一化，以便把被照明的导航区28范围内的位置和照度值的最大值都设置为1。这样，在这里示出和描述的例子的情况下，中心区域、即明亮照明区域38被规定为具有1的亮度值，而外侧、即次明亮照明区域40具有大约是中心区域38的亮度值的一半的亮度值。此外，应当记住，上述不同亮度区域的数目(即，2)以及它们的亮度比(即，2∶1)仅仅是示范性的，它们可能代表也可能不代表与特定的照明系统相联系的不同亮度区域的数目和相应的亮度比。
现在主要参考图7，偶然参考图4，光学系统10可以包括这样定位的透镜组件36，使得透镜36位于物体16和检测器34之间。通常，最好(但不是必要的)在透镜组件36和物体16之间设置透明窗44，以便使透镜组件36与灰尘隔绝，并且保护它不受损坏。孔径光阑46可以这样定位于透镜36和检测器34之间，使得它基本上同与透镜组件36相关的图象侧焦面48共平面。孔径光阑46定位在透镜36的图象侧焦面48附近，这使得透镜组件36是远心透镜系统。结果，由包含在物体16上被照明的导航区28中的各种不同的场点50反射的光线32的锥体在物体16和透镜组件36的前表面或物侧表面之间的区域中保持相对地不同的状态并且很好地分开。见图7。
透镜36可以包括许许多多会聚透镜中的任何一种(例如，或者单透镜、或者多透镜组)，对于本专业的普通技术人员来说，在熟悉本发明的精神之后，对于透镜36的选择是显而易见的。因此，不应当把本发明当作只限于任何特定的透镜或多透镜组。透镜36还可以是镀膜或者未镀膜的，也是随特定应用场合的需要而定。例如，在一个最佳实施例中，透镜36可以包括可以从Eindhoven，NL的PhilipsComponents买到的并且具有大约6.0mm的直径和大约8.0mm的焦距的单个会聚透镜。另外，也可以使用具有其它直径和焦距的透镜。
透明窗44可以包括由各种各样适合于光学应用的透明材料(例如，玻璃或塑料)制成的一般平面元件。例如，在一个最佳实施例中，透明窗44由环烯共聚物(COC)制成。
光学组件10还可以备有这样定位在物体16和透镜36之间的遮断元件54，使得它阻挡来自明亮照明区域38的预定量的光线，但是基本上不阻挡来自次明亮照明区域40的光线。在一个最佳实施例中，遮断元件54可以包括淀积在透镜36的物侧表面52的基本上圆形的不透明材料，如图8中最清楚地示出的。另一种办法是，遮断元件54可以位于或者窗44的物侧表面或者窗44的透镜侧表面98。在再一个可供选择的方案中，遮断元件54可以位于透镜36的物侧表面52和物体16之间的任何位置，只要遮断元件54位于基本上散焦的位置、使得其图象不出现在聚焦于检测器14上的图象上。
遮断元件54可以包括各种各样材料中的任何材料，例如金属或者塑料，随遮断元件54将被定位在什么位置而定。例如，在一个实施例中，遮断元件54可以包括这样定位的不透明的金属或塑料，使得它阻挡来自明亮照明区域38的预定量的光线。在另一个实施例中，遮断元件54可以包括直接淀积在透镜36的前侧面52上、或者、如果设置窗44的话、直接淀积在窗44的任意一侧96、98上的不透明材料(例如，黑色涂料或者其它这样的不透明或基本上不透明的材料)。在再一个实施例中，遮断元件54不必是不透明的，而可以包括阻挡入射在它上面的光线中一定百分比光线的半透明材料。在任何一种情况下，所述遮断元件的功能都是要阻挡来自被照明的导航区28上预定位置(即，场点50的轨迹)的预定量的光线。可以按照以下的考虑来确定准备由遮断元件54阻挡的光线的量及其位置。
如上面已经简单地说明的，远心透镜组件36和遮断元件54的组合产生光学系统10的透射函数56，后者包含对应于位于被照明的导航区28的中心区域的场点50的低透射比吊桶58。因此，如果光学系统10被用来形成具有基本上如图6中所示的照明函数42的被照明的导航区28(即，具有明亮照明区域38和次明亮照明区域40的被照明区)的图象，结果将是出现这样的图象与实际情况相比，它好象被更加均匀地照明了。换句话说，光学系统10通过使对应于次明亮照明区域40(图5)的区域具有高透射比并且使对应于明亮照明区域38的区域具有减小的透射比58而补偿了物体的非均匀照明。用图解法来表示，透射函数56与照明函数42组合，形成补偿后的照明函数60，如图10中最清楚地示出的。
可以通过改变遮断元件54的尺寸、形状和位置来控制透射函数56的形状，使得透射和照明函数56和42的组合产生具有所需要的特性或响应的补偿后的照明函数60。例如，在这里示出和描述的实施例中，最好这样调节透射函数56，使得最后得到的补偿后的照明函数60形成一条大体上的直线，如图10中最清楚地示出的那样。这种直线型照明函数60意味着将出现由光学系统10形成的、好象被具有基本上均匀的照明图案的光源照明的图象。
在许多应用场合，可以根据经验，利用光学模拟计算机程序，例如可以从Sinclair Optics得到的OSLO，确定遮断元件54的合适的尺寸、形状和位置。给定可以由实际光源和安装确定的已知照明函数(例如，图5中示出的照明函数42)，然后，利用光学模拟计算机程序确定由处在特定位置的具有尺寸和形状的遮断元件的布局产生的透射函数。然后，可以按照需要修改透射函数(例如，56)，使得当它与特定的照明函数(例如，42)组合时，产生具有所需要的形状的补偿后的照明函数(例如，60)。
作为例子，现在参考图11，可以证明，对于特定的装置，所述遮断元件应当包括基本上与透镜136的中心同心地定位的环形构件154。对于位于被照明的导航区的中心附近的场点来说，这样的遮断元件154将导致光学系统具有增加的透射比。如果照明函数包含被照明的导航区的中心附近的“下落”，则这样的构形是所希望有的。再一种构形也是可能的。例如，所述遮断元件可以采取十字254的形状，如图12中最清楚地示出的，这里(our)可以包括多条径向取向的线条354，如图13中所示。对于使用这种遮断元件的光学系统来说，这种可供选择的形状将产生不同的透射比函数(例如，56)，对于特定的应用场合，这可能是需要的或者所希望的。
如这里显示和描述的第一实施例的情况那样，可以把遮断元件的各种构形(例如，环形元件154，十字形元件254，或者径向排列的线条354)中的任何一种定位或淀积在相应的透镜组件136，236，或336的物侧表面152，252，或352。另一种办法是，如果光学系统设置透明窗，则可以把各种遮断元件定位或淀积在透明窗(例如，44)的或者物侧(例如，96)，或者透镜侧(例如，98)。在再一个实施例中，各种遮断元件(例如154，254，或354)可以包括定位在物体和透镜之间的任何方便的、但基本上散焦的位置上的分开的元件。
可以设想，可以用不同的方法来实现这里所描述的发明思想，并且，要把后附的权利要求书解释为包含本发明的可供选择的实施例，除非受到先有技术的限制。
权利要求
1.一种用以形成物体(16)上被照明区(28)的至少一部分的图象的光学系统(10)，所述被照明区(28)由至少一个明亮照明区域(38)和至少一个次明亮照明区域(40)来表征，所述光学系统(10)包括定位在与所述物体(16)上所述被照明区(28)隔开一段距离的位置的透镜(36)，所述透镜(36)具有图象侧焦面(48)；孔径光阑(46)，它是这样定位的，使得它与所述透镜(36)的所述图象侧焦面(48)共平面；以及遮断元件(54)，它这样定位在所述透镜(36)和所述物体(16)上所述被照明区(28)之间，使得该遮断元件(54)阻挡来自所述明亮照明区域(38)的预定量的光线(32)，但是，基本上不阻挡来自所述次明亮照明区域(40)的光线(32)。
2.权利要求1的光学系统(10)，其特征在于所述透镜(36)包括物侧表面(52)，并且，所述遮断元件(54)定位在所述透镜(36)的所述物侧表面(52)附近。
3.权利要求1或2的光学系统(10)，其特征在于所述遮断元件(54)包括淀积在所述透镜(36)的所述物侧表面(52)上的不透明材料。
4.权利要求1、2或3的光学系统(10)，其特征在于还包括定位在所述透镜(36)的所述物侧表面(52)和所述物体(16)的所述被照明区(28)之间的窗(44)，所述窗(44)具有物侧表面(96)和透镜侧表面(98)。
5.权利要求1、2、3或4的光学系统(10)，其特征在于所述遮断元件(54)定位在所述窗(44)的所述透镜侧表面(98)附近。
6.权利要求1、2、3、4或5的光学系统(10)，其特征在于所述遮断元件(54)包括淀积在所述窗(44)的所述透镜侧表面(98)上的不透明材料。
7.权利要求1、2、3、4、5或6的光学系统(10)，其特征在于所述遮断元件(54)有大体上圆的形状。
8.一种用以形成物体(16)上被照明区(28)的至少一部分的图象的光学系统(10)，所述被照明区(28)由至少一个明亮照明区域(38)和至少一个次明亮照明区域(40)来表征，所述光学系统(10)包括定位在与所述物体(16)隔开一段距离的位置、用来形成所述物体(16)上所述被照明区(28)的至少一部分的图象的透镜装置(36)；远心孔径光阑装置(46)，它有效地与所述透镜装置(36)相联系，用来阻挡所选择的由所述透镜装置(36)折射的光线；以及遮断装置(54)，它定位在所述透镜装置(36)和所述物体(16)之间，用来阻挡来自所述明亮照明区域(38)的预定量的光线(32)，但是，基本上不阻挡来自所述次明亮照明区域(40)的光线(32)。
9.一种形成物体(16)上被照明区(28)的至少一部分的图象的方法，所述被照明区(28)由至少一个明亮照明区域(38)和至少一个次明亮照明区域(40)来表征，所述方法包括以下步骤把透镜(36)定位在与所述物体(16)上所述被照明区(28)隔开一段距离的位置上，所述透镜(36)具有图象侧焦面(48)；把孔径光阑(46)定位在所述透镜(36)的所述图象侧焦平面(48)附近；以及在来自所述明亮照明区域(38)的光线(32)被所述透镜(36)折射之前阻挡来自所述明亮照明区域(38)的预定量的光线(32)。
10.一种用于图象检测装置(14)的导航系统(12)，所述导航系统(12)产生与从物体(16)上被照明的导航区(28)接收到的导航光线(32)有关的导航信号，所述被照明的导航区(28)由至少一个明亮照明区域(38)和至少一个次明亮照明区域(40)来表征，所述导航系统(12)包括检测器(34)；具有图象侧焦面(48)的透镜(36)，所述透镜(36)这样定位在所述检测器(34)和所述物体(16)上所述被照明的导航区(28)之间，使得所述透镜(36)在所述检测器(34)上形成所述被照明的导航区(28)的至少一部分的图象；孔径光阑(46)，它是这样定位的，使得它与所述透镜(36)的所述图象侧焦面(48)共平面；以及遮断元件(54)，它这样定位在所述透镜(36)和所述物体(16)上所述被照明区(28)之间，使得该遮断元件(54)阻挡来自所述明亮照明区域(38)的预定量的导航光线(32)，但是，基本上不阻挡来自所述次明亮照明区域(40)的导航光线(32)。
全文摘要
用以形成物体(16)上被照明区(28)的至少一部分的图象的光学系统(10)可以包括:定位在与物体(16)上被照明区(28)隔开一段距离的位置的透镜(36);以及孔径光阑(46),它是这样定位的,使得它与透镜(36)的图象侧焦面(48)共平面。遮断元件(54)这样定位在透镜(36)和物体(16)上被照明区(28)之间,使得遮断元件(54)阻挡来自被照明区(28)中明亮照明区域(38)的预定量的光线(32),但是,基本上不阻挡来自被照明区(28)中次明亮照明区域(40)的光线(32)。
文档编号H04N1/107GK1258055SQ9912335
公开日2000年6月28日 申请日期1999年10月22日 优先权日1998年12月23日
发明者D·D·波恩 申请人:惠普公司