专利名称：一种成像设备的调整照度分布装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种成像设备的调整照度分布装置，特别是涉及一种使成像的照度可分布的更均匀的成像设备的调整照度分布装置。
以往使用电脑的周边设备扫描器(SCANNER)扫描图片或文字时，所呈现的影像会有中间较亮、两侧较暗的情形，这种情形也会发生在光学设备的应用如照相机中，特别是广角镜头的照像机，这是因为光源在成像设备中的馀弦四次方效应(cosine fourth Law)所造成，如
图1、2所示，使均匀发光物(线光源)10经一般成像设备11成像12后，在成像处的照度分布呈现中间较亮、两侧较暗。图中所示E像的照度，E0在光轴上的照度，E(x=0)=E0，Φ视角，hi像高，si像距，Φ=tan-1hi/2/siθ入射角，θ=tan-1|x|/si。
修正这种照度cosine四次方效应(也就是中间较亮、两侧较暗的成像照度分布状态)，一般的作法有二种一、修改照射被成像物的光源的亮度(1)遮挡光源的中间部份亮度，使成像处中间的照度趋近于两侧的照度。
(2)加强光源两侧的照度，使成像处两侧的照度可趋近于中间的照度。
这种方法虽然具有一定的成效，但是却使得成本增加。
二、如图3所示，加上一片相对于入射角θ横向设置的遮光挡板13在被成像物(线光源)10与像12之间以限制光通量，并利用该遮光挡板13的高度(中间较高、两侧较低)来调整限制光通量的多寡，因为该遮光挡板13中间较高，可阻挡较多的光，两侧较低，可让较多的光通过，藉以修正cosine四次方效应。但是，这种方法仍具有以下的缺点该遮光挡板13是以塑胶射出成型，射出的公差大，使得该遮光挡板13的形状不准确。
本实用新型的目的在于提供一种成像设备的调整照度分布的方法及装置，可以修正成像的cosine四次方效应，使像的照度分布更为均匀。
本实用新型的技术方案在于提供一种成像设备的调整照度分布的装置，其特征在于藉由在透镜组的第一面透镜前面、后面纵向设置一个具适当宽度的不透光调光光阑，并在一个光学设备内置放一个可透光的孔径光阑，由被成像物上不同点往人瞳中心看去时，该调光光阑或其像能遮蔽该人瞳的透光部份的不同区域，也就是该调光光阑或其像遮蔽人瞳的位置，会随观察角不同而移动，而达到被成像物在通过该透镜组及该孔径光阑后，像的照度分布是一特定函数，特别是均匀的分布。
本实用新型技术方案还在于提供以下附加特征该调光光阑的形状是配合被成像物的照度分布、该孔径光阑透光部份的形状及欲达成的像的照度分布。
一种成像设备的调整照度分布的装置，包括一个由至少一透镜所组成的透镜组及一个孔径光阑，该孔径光阑具有一透光部份，该成像设备是将一被成像物在经过该透镜组及该孔径光阑后成像，在该孔径光阑和整个成像设备的被成像物间的透镜组所组成的孔径光阑的像是人瞳，更包括一个设在该透镜组的第一面透镜之后的调光光阑。
该调光光阑的形状是配合被成像物的照度分布、该孔径光阑透光部份的形状及欲达成的像的照度分布。
本实用新型与已有技术相比优点和积极效果非常明显，由上述技术方案可知本实用新型的优点在于一、本实用新型藉由在透镜组的第一面透镜的前面或后面的预定位置处，纵向设置一不透光且具有预定宽度的调光光阑，使得该调光光阑或调光光阑的像遮蔽人瞳的位置会随观察角不同而移动，达到被成像物在通过该透镜组及该孔径光阑成像后，像的照度分布是均匀的。
二、本实用新型的调光光阑修正光源的cosine四次方效应比以往采用遮光挡板的形状简单，在制作上更为方便，不须增加额外的零件成本，且对原有的机构不须作太多修改，且以往以遮光挡板修正cosine四次方效应只利用遮光挡板的形状与孔径光阑透光部份的形状相配合，并未利用遮光挡板遮蔽人瞳的位置随观察角不同而移动，所以，本实用新型比以往以遮光挡板修正cosine四次方效应更隹。
下面通过最佳实施例及附图对本实用新型的一种成像设备的调整照度分布的装置进行详细说明，附图中
图1是均匀发光物经一般成像设备成像后，在成像处的照度分布图。
图2是
图1一般成像设备的物-像关系示意图。
图3是一般用以修正馀弦四次方效应的遮光挡板示意图。
图4是本实用新型较隹实施例的物-像关系侧视示意图。
图5是图4的部份放大俯视示意图。
图6是等效人瞳与调光光阑的位置关系示意图。
(入射角θ是介于0与tan-1(W RS/2/d)之间。)图7是等效人瞳与调光光阑的位置关系示意图。
(入射角θ是介于tan-1(W RS/2/d)与tan-1((r-W RS/2)/d)之间)。
图8是等效人瞳与调光光阑的位置关系示意图。
(入射角θ是介于tan-1((r-W RS/2)/d)与tan-1((r+W RS/2)/d)之间。
图9是衰减率α≡T·cos4θ与入射角θ的关系示意图。
图10是等效人瞳与调光光阑的位置关系示意图。
(入射角θ=0)如图4所示，本实用新型的成像设备的调整照度分布的装置，包括一个由至少一透镜所组成的透镜组2、一个孔径光阑3及一调光光阑6，该透镜组2包括一个第一面透镜20及一个最后一面透镜21，在该第一面透镜20及最后一面透镜21之间所设置的透镜数量可依设备需求而定，在本实施例中，并未在该第一面透镜20及最后一面透镜21之间设置其他透镜，只有在其两者之间设置该孔径光阑3，该孔径光阑3是光学设备中除了调光光阑6外，限制光通量最大的元件，该孔径光阑3具有一个透光部份30，该透光部份30是圆形、正方形、矩形、三角形或其他形状，在本实施例中是采用圆形，该成像设备使一被成像物4在经过该透镜组2及该孔径光阑3后成像，而在该孔径光阑3和整个成像设备的被成像物4之间的第一面透镜20所组成的孔径光阑3的像是采用人瞳31。
在该透镜组2的第一面透镜20的前面的预定位置处设置该不透光的调光光阑6，该调光光阑6是采纵向设置，并具有一预定的宽度，该调光光阑6的形状必需配合被成像物4(线光源)发光的照度分布、该孔径光阑3透光部份30的形状以及所欲达成的像的照度分布而加以设计，在本实施例中该调光光阑6的形状是采用长方形。
当该调光光阑6是设在该第一面透镜20及被成像物4之间时，则由该被成像物4上不同点往该人瞳31中心点看去，该调光光阑6皆遮蔽该人瞳31的透光部份310的不同区域，也就是说该调光光阑3遮蔽人瞳31的位置会随观察角不同而移动，可达到该被成像物4在通过该透镜组2及该孔径光阑3后，像的照度分布是均匀的，也就是可以达到修正成像的cosine四次方效应。
如图5所示，是图4的部份放大俯视示意图，其中EP(Entrance Pupil)是人瞳31；RS(Rectifying Stop)是调光光阑6；d是为RS与EP的间距，h0是被成像物4的高度；θ为入射角，也就是该主光线40与光轴41(Optical Axis)的夹角。将该被成像物4上各点视为点光源，其发出的光只有对着该人瞳31所张立体角内的光能通过光学设备，在这光锥中，通过该人瞳31中心点的这道光线是主光线(Chief Ray)40；φ为两条光线的夹角，这两条光线是由该光轴41上的物点发出，并通过该人瞳31的边缘。
本实用新型较隹实施例的装置确实可以达到修正成像的cosine四次方效应，也就是整平照度方布的目的，如图6、7、8是图4中在该调光光阑6位置上的等效人瞳60与调光光阑6的位置关系示意图，当入射角θ不同时，通光面积也不相同一、首先，配合图5、6所示，r=Z RS·tanφ/2(r，如图6所示)当0＜θ＜tan-1W RS/2/d计算右半边透光区面积A1=πr2/2-[(r2sinψ·cosψ)+r2(π/2-ψ)]，计算左半边透光区面积A2=πr2/2-[(r2sinψ′·cosψ′)+r2(π/2-ψ′)]所以，总通光面积A=A1+A2二、接着，配合图5、7所示，r=Z RS·tanφ/2当tan-1W RS/2/d＜θ＜tan-1((r-W RS/2)/d)计算右半边透光区面积A1=πr2/2-[(r2sinψ·cosψ)+r2(π/2-ψ)]，计算左半边透光区面积A2=πr2/2+[(r2sinψ′·cosψ′)+r2(π/2-ψ′)]所以，总通光面积A=A1+A2三、配合图5、8所示，r=Z RS·tanφ/2当tan-1((r-W RS/2)/d)＜θ＜tan-1((r+W RS/2)/d)总通光面积A=πr2-[r2ψ′-r2sinψ′·cosψ′]由上述可知，因为原通光面积为πr2，因此与原通光面积比较，现在的透光率是T=A/πr2，加上cosine四次方效应因子，最后到达像面的照度分布为Ei≡Eo·T·cos4θ·k，其中
Eo被成像物的照度分布，K常数。
另定义衰减率α≡T·cos4θ如果d=2.91mm,r=1mm,W RS=0.436mm，则衰减率α与入射角θ的关系图，如图9所示，其最大值与最小值的比率为1.04，而以往因cosine四次方效应造成的衰减率α=cos4θ(T=1)的最大值与最小值的比率则为1.38，因此，藉由本实用新型的该调光光阑6的使用，能达成修正成像的cosine四次方效应，整平照度分布的目的。
如图4、5所示，本实用新型第一较隹实施例是藉由在该透镜组2的第一面透镜20前面的预定位置处，纵向设置一个长方形的不透光调光光阑6，且该调光光阑6具有一预定的宽度，配合图5、10所示，并配合三角公式，计算出该调光光阑6的确实位置(Z RS)及宽度(W RS)等二叁数一、当入射角θ为0时，成像处所见的光是为光源A处所发出的光(暂时不考虑该调光光阑6的影响)，光受限于该人瞳31的大小(人瞳31直径为W EP)，只能有一光锥通过光学设备透镜组2，在该调光光阑6的确实位置(Z RS)处，光锥的截面积大小为A EP。
∴φ很小∴tanφ=sinφ=W EP/L0=φ,r=Z RS·tan(φ/2)A EP=(Z RS·W EP/L0·1/2)2·π=r2·π二、如果使θ=0与θ=Φ=tan-1h0/2/L0时(h0为物高)，二者的衰减率α≡T·cos4θ相等。
(1)先安排该调光光阑6的位置，使θ=Φ时，该调光光阑6恰好不会成为光通量的障碍物，此时T(θ=Φ)=1
由图5得到cotφ=W RS/2/(Z max-Z RS)因此，W RS=2(Z max-Z RS)·cotφ……(A式)其中Z max=L0·h0/(ho+W EP),cotφ=h0/2/Z max(2)然后，控制该调光光阑6的宽度WRS，以使α=T(θ=0)=T(Φ)·cos4Φ=cos4Φ如
图10所示，当θ=0时，调光光阑遮光的截面积为A RSA RS(W RS·(r+rsinω)/2)·2=W RS·r(1+sinω)其中r=Z RS·tan(φ/2)=Z RS·W EP/2L0sinω=[1-(W RS/2)2/r2]1/2∴T=1-A RS/A EP=1-W RS{1+[1-(W RS/2)2/r2]1/2}/(Z RS·W EP/2L0·π)=COS4Φ……………(B式)三、由(A)、(B)二式，可得出W RS及Z RS(1)先整理(B)式Z RS·W EP/2L0·π(1-COS4Φ)=W RS{1+[1-(W RS·L0/(Z RS·W EP))2]1/2}使Y=Z RS/W RS,Ki=W EP·π(1-COS4Φ)/2L0,K2=WEP/L0套入(B)式，则(K1Y-1)2=1-1/(K22Y2)←K12K22Y4-2K1K22Y3+1=0←Y=γ1、γ2、γ3、γ4(得到四个根)取其中的一为Y的解当Y=γ，则Z RS=γW RS
(2)代入(A)式W RS=2(Z max-Z RS)·cotφ可得到W RS=2Z max·cotφ/(1+2r·cot)由上述的计算可获得该调光光阑6的确实位置Z RS，以及该调光光阑6的宽度W RS，只要将不透光的该调光光阑6设置好后，就可使得由该被成像物4上不同点往该人瞳31看去时，该调光光阑6皆遮蔽该孔径光阑3的人瞳31透光部份的不同区域，达到该被成像物4在通过该透镜组2及该孔径光阑3成像后，像的照度分布是均匀的，有效地修正成像的cosine四次方效应。
本实用新型的第二较隹实施例是将不透光的调光光阑61设在该第一面透镜20后及像面5之间的预定位置处(关于该第二较隹实施例中调光光阑的确实位置计算，将计算如后，且不另以图式示意，必要时可叁考图4所示)，使当由该被成像物4上不同点往该人瞳31中心看去时，调光光阑61的像遮蔽该人瞳31透光部份310的不同区域，也就是该调光光阑61的像62遮蔽人瞳31的位置会随观察角不同而移动，藉此达到该被成像物4在通过该透镜组2及该孔径光阑3成像后，像的照度分布是一特定函数，特别是均匀的分布。
一、如图4所示，将第一较隹实施例中已求得的调光光阑6透过第一面透镜20成像，并按下列公式以求得第二较隹实施例的调光光阑61的位置-1/P+1/q=1/f1其中，f1为第一面透镜20的焦距。
P为第一较隹实施例中已求得的调光光阑6到第一面透镜20的距离。
q为第一较隹实施例中已求得的调光光阑6的像到第一面透镜20的距离。(P、q是以第一面透镜20为原点，向左为+，向右为-，f1为聚透镜时，f1＞0,f1为发散透镜时，f1＜0)如果所求得的成像位置在该最后一面透镜21与第一面透镜20之间，则将该调光光阑61设置于此，否则，必须将第一较隹实施例中已求得的该调光光阑6的像透过最后一面透镜21再次成像，以求得该调光光阑61的位置，其公式如下-1/(q-L)+1/q′=1/f2其中，q′为透过该第一面透镜20及最后一面透镜21成像后的调光光阑61的像62与最后一面透镜21的间的距离，符号定义与P、q相同。
f2该最后一面透镜21的焦距，符号定义与f1相同。
L第一面透镜20与最后一面透镜21的距离。
二、宽度经过该第一面透镜20，其放大率M1=q/P，经过该最后一面透镜21，其放大率M2=q′/(q-L)，因此，总放大率为M=M1·M2，如果原已求得的调光光阑宽度为W RS，而第二较隹实施例的调光光阑宽度为W′RS(1)只以该第一面透镜20成像而求得第二较隹实施例的调光光阑61，则为W′RS=W RS·M1(2)以该第一面透镜20及第二面透镜21成像而求得第二较隹实施例的的调光光阑，则为W′RS=W RS·M1·M2。
由以上的计算，即可获得第二较隹实施例的调光光阑的确实位置及宽度W′RS，而原来第一较隹实施例中求得的调光光阑就成了第二较隹实施例的调光光阑61的像62，只要将该不透光的调光光阑61设置好后，就可使得由该被成像物4上不同点往该人瞳31看去时，该调光光阑61的像62皆遮蔽该孔径光阑3的人瞳31透光部份的不同区域，达到该被成像物4在通过该透镜组2及该孔径光阑3成像后，像的照度分布是均匀的，有效修正成像的cosine四次方效应。
权利要求1．一种成像设备的调整照度分布的装置，包括一个由至少一透镜所组成的透镜组及一个孔径光阑，该孔径光阑具有一透光部份，该成像设备是将一被成像物在经过该透镜组及该孔径光阑后成像，在该孔径光阑和整个成像设备的被成像物间的透镜组所组成的孔径光阑的像人瞳，其特征在于还包括一个且位在该透镜组的第一面透镜前面的调光光阑，该调光光阑是纵向设置，且当由该被成像物上不同点往该人瞳中心看去时，会遮蔽该人瞳透光部份的不同区域。
2．如权利要求1所述成像设备的调整照度分布的装置，其特征在于该调光光阑的形状是配合被成像物的照度分布、该孔径光阑透光部份的形状及欲达成的像的照度分布。
3．一种成像设备的调整照度分布的装置，包括一个由至少一透镜所组成的透镜组及一个孔径光阑，该孔径光阑具有一透光部份，该成像设备是将一被成像物在经过该透镜组及该孔径光阑后成像，在该孔径光阑和整个成像设备的被成像物间的透镜组所组成的孔径光阑的像是人瞳，其特征在于更包括一个设在该透镜组的第一面透镜之后的调光光阑。
4．如权利要求3所述成像设备的调整照度分布的装置，其特征在于该调光光阑的形状是配合被成像物的照度分布、该孔径光阑透光部份的形状及欲达成的像的照度分布。
专利摘要一种成像设备的调整照度分布装置,包括一由至少一透镜所组成的透镜组及一孔径光阑,孔径光阑具有一透光部分,成像设备是将一被成像物在经过透镜组及孔径光阑后成像,在孔径光阑和整个成像设备的被成像物间的透镜组所组成的孔径光阑的像是人瞳,一调光光阑纵向设置在透镜组的第一面透镜前面或后面,使得当由被成像物上不同点往该入瞳透光部分之不同区域,藉使被成像物成像后具均匀的照度。
文档编号G02B26/02GK2339999SQ97229889
公开日1999年9月22日 申请日期1997年12月19日 优先权日1997年12月19日
发明者李哲迪 申请人:景通科技股份有限公司