聚光单元、聚光方法以及光学检测系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及聚光单元、聚光方法以及光学检测系统。
【背景技术】
[0002]为了对测量对象物体的各种特性进行测量，通常使用如下方法:使用光照射测量对象物体，并通过摄像器件检测反射光。
[0003]例如，专利文献I披露了着色物质定量测定装置，该定量测定装置通过检测来自固相的反射光来定量测定在固相期间包含的着色物质。专利文献2披露了使用光来照射原物(original)并检测反射光以由此读取原物的彩色图像的读色器。专利文献3披露了拍摄多光谱图像(mult1-spectral image)或超光谱图像(hyper-spectral image)并能够扫描具有超过三个带宽的二维图像(多光谱图像或超光谱图像)的系统。
[0004]另一方面，图像传感器通常输出取决于入射光量的电信号(像素信号)。为了得到期望的足以执行测量或图像拍摄的输出，需要相应量的光入射到图像传感器。如果来自于光源的光能够有效地入射到图像传感器上，那么，即使在来自光源的照射量相对地小的情况下，也能够以较高的灵敏度实施测量或图像拍摄。
[0005]例如，专利文献4披露了包括具有被设置在光路中的经镜面抛光的内表面的圆筒状聚光器的检验光照射装置以及使用了该装置的固态图像传感器，其中沿该光路，来自光源的照射光被引导到图像传感器。
[0006]引用列表
[0007]专利文献
[0008]专利文献1:JP H10-073534A
[0009]专利文献2:JP S62-029506A
[0010]专利文献3:JP 2007-538856A
[0011]专利文献4:JP 2009-145180A
【发明内容】
[0012]技术问题
[0013]一般而言，对于传感器模块，通常使用图像传感器，在该传感器模块中，图像传感器与用于将入射光引导到图像传感器的光接收透镜组合。原因在于，光接收透镜的最优大小或曲率可随着诸如图像传感器的大小(光接收面积)或光接收透镜与图像传感器之间的距离之类的因素而变化。因此，为了使光更有效地入射到图像传感器上，还需考虑传感器模块中的光接收透镜的特性。
[0014]然而，专利文献I至3中所披露的技术并未提供有效地使光聚集在图像传感器上的具体措施。专利文献4中披露的聚光器的设计没有考虑光接收透镜的特性，因此，可能并未实现足够的聚光效率。
[0015]因此，在本发明中，提供新颖的并且改进的聚光单元、聚光方法以及光学检测系统，它们能够更有效地使光聚集在光接收透镜上。
[0016]问题的解决方案
[0017]根据本发明，提供一种聚光单元，所述聚光单元包括:具有中空的圆顶形状的反射部件，其侧壁是弯曲的并从顶部向底部延伸，所述反射部件具有经镜面抛光的内表面；以及多个光照射部件，其被布置在所述反射部件的外壁的周围，并使用穿过第一开口部的光来照射所述顶部的照射区域，所述第一开口部形成在所述外壁中。所述反射部件包括:第二开口部，其形成在所述顶部的所述照射区域中，以及第三开口部，其形成在所述底部中并面对光接收单元的光接收透镜，所述光接收单元用于对接收的光执行预定处理。所述反射部件将来自所述照射区域并被所述内表面反射的光引导到所述光接收透镜。
[0018]根据本发明，提供一种聚光方法，所述聚光方法包括:使用由多个光照射部件发出并穿过第一开口部的光来照射照射区域，所述光照射部件被布置在反射部件的外壁的周围，所述反射部件具有中空的圆顶形状并且其侧壁是弯曲的并从顶部向底部延伸，所述反射部件具有经镜面抛光的内表面，所述第一开口部形成在所述外壁中，所述照射区域位于所述顶部上；通过所述内表面反射来自所述照射区域的照射光，并且将所反射的光引导到形成在所述反射部件的所述底部中的第二开口部；以及使所引导的光入射在图像传感器模块的光接收透镜上，所述图像传感器模块用于输出取决于接收的光的量的像素信号，所述光接收透镜被设置成面对所述第二开口部。
[0019]根据本发明，提供一种光检测系统，所述光检测系统包括:图像传感器模块，其具有光接收透镜，并用于输出像素信号，所述像素信号取决于通过所述光接收透镜接收的光的量；以及聚光单元，其用于使光聚集在所述光接收透镜上。所述聚光单元包括:具有中空的圆顶形状的反射部件，其侧壁是弯曲的并从顶部向底部延伸，所述反射部件具有经镜面抛光的内表面；以及多个光照射部件，其被布置在所述反射部件的外壁的周围，并使用穿过第一开口部的光来照射所述顶部的照射区域，所述第一开口部形成在所述外壁中。所述反射部件包括:第二开口部，其形成在所述顶部的所述照射区域中，以及第三开口部，其形成在所述底部中并面对光接收单元的光接收透镜，所述光接收单元用于对接收的光执行预定处理。所述反射部件将来自所述照射区域并被所述内表面反射的光引导到所述光接收透镜。
[0020]根据本发明，来自照射区域的光被反射部件的内表面反射并被引导到光接收单元的光接收透镜。因此，来自照射区域的光聚集在光接收透镜上。
[0021]发明的有益效果
[0022]根据如上所述的本发明，能够以更有效的方式使光聚集在光接收透镜上。
【附图说明】
[0023]图1是示出如何将根据本发明的第一实施例的聚光单元安装在图像传感器模块上的立体图。
[0024]图2是沿图1的截面A-A所截取的根据第一实施例的聚光单元的剖视图。
[0025]图3是用于说明根据第一实施例的聚光单元中的反射部件与光照射部件之间的位置关系的说明图。
[0026]图4是用于说明反射部件的形状的说明图。
[0027]图5是示出当根据第一实施例的聚光单元未配备反射部件时的光线追踪模拟的结果的示意图。
[0028]图6是示出当根据第一实施例的聚光单元具有反射部件时的光线追踪模拟的结果的示意图。
[0029]图7是示出由装备有根据本发明的第一实施例的聚光单元的图像传感器模块所检测的光谱的光谱图。
[0030]图8是沿图1的截面A-A所截取的根据本发明的第二实施例的聚光单元的剖视图。
[0031]图9是示出根据第二实施例的聚光单元中的光线追踪模拟的结果的示意图。
[0032]图10是沿图1的截面A-A所截取的根据本发明的第三实施例的聚光单元的剖视图。
[0033]图11是示出根据第三实施例的聚光单元40中的光线追踪模拟的结果的示意图。
[0034]图12是示出根据本发明的第一实施例的聚光单元的变形例的剖视图，其中，聚光单元与光接收单元被一体地形成。
[0035]图13是用于说明根据本发明的第一实施例的聚光单元的变形例的说明图，其中，光照部件的数量被改变。
[0036]图14是用于说明相对于具有较大的会聚角的光接收透镜的反射部件的通用性的说明图。
[0037]图15是用于说明相对于具有较小的会聚角的光接收透镜的反射部件的通用性的说明图。
【具体实施方式】
[0038]以下，将参照附图来详细说明优选的本发明的实施例。注意，在本说明书及附图中，用相同的附图标记来表示具有大致相同的功能与结构的结构性元件，并省略这些结构性元件的重复说明。
[0039]将按下面的顺序进行说明。
[0040]1.第一实施例
[0041]1.1.聚光单元的示例性外观
[0042]1.2.聚光单元的构造
[0043]1.3.反射部件的形状
[0044]1.4.聚光效果
[0045]1.5.应用示例
[0046]2.第二实施例
[0047]2.1.聚光单元的构造
[0048]2.2.聚光效果
[0049]2.3.应用示例
[0050]3.第三实施例
[0051]3.1.聚光单元的构造
[0052]3.2.聚光效果
[0053]4.变形例
[0054]4.1.集成有光接收透镜
[0055]4.2.光照射部件的数量的变化
[0056]4.3.其他的变形例
[0057]5.反射部件的通用性
[0058]6.结论
[0059]根据本发明的第一、第二以及第三实施例的聚光单元被安装在对接收的光执行预定处理的光接收单元中，该聚光单元具有使光聚集在光接收单元上的功能。这里，对于光接收单元的具体示例，在下文中，将通过例示图像传感器模块来给出说明。然而，根据本发明的第一、第二以及第三实施例的聚光单元可应用到其他任何种类的光接收单元，而并不限于被安装在图像传感器模块上的应用。
[0060]1.第一实施例
[0061]1.1.聚光单元的示例性外观
[0062]首先，将参照图1来说明根据本发明的第一实施例的聚光单元的示意性构造。图1是示出如何在图像传感器模块中安装根据本发明的第一实施例的聚光单元的立体图。
[0063]参照图1，聚光单元10包括具有大致圆筒形状的外壳110。外壳110由遮光材料制成，并且具有用于容纳稍后将说明的反射部件或光照射部件等的内部空间。此外，在图1所示的示例中，外壳110在圆筒一侧的圆形表面的大致中心处具有突起形状，该突起形状朝向外壳110的外部方向突起。
[0064]注意，在下面的说明中，将与用于构成外壳110的圆筒的圆形表面垂直的方向定义成z轴。此外，将外壳110的一个表面的突起方向称为向上的方向(图1中所示的z轴正方向)，并且将其相反方向称为向下的方向(图1中所示的z轴负方向)。此外，针对聚光单元10，将在平行于外壳110的上表面以及下表面的平面中彼此垂直的两条坐标轴定义为X轴以及y轴。
[0065]参照图1，在沿外壳110的z轴正方向突起的末端部中设置有用于将外壳110的内部空间与外部连通的上开口部111。此外，尽管图1中并未明确不出，在外壳110的下表面(位于Z轴的负方向上的表面)的大致中心处还设置有用于将外壳110的内部空间与外部连通的下开口部。
[0066]换言之，在聚光单元10的外壳110上，在圆筒的上、下表面的彼此相对的位置处设置有开口部。从上开口部111向外壳I1内部施加的光在聚光单元10内部沿Z轴的负方向被引导的同时聚集到被设置在外壳110的下表面上的下开口部上，并从下开口部向外部出射。
[0067]另一方面，参照图1，图像传感器模块20与聚光单元10的下侧相连接。图像传感器模块20包括具有大致长方体形状的外壳210。外壳210由遮光材料制成，并且具有用于容纳图像传感器等的内部空间。在下面的说明中，将构成外壳210的上表面以及下表面(底表面)的四条边之中的彼此垂直的两条边分别称为X轴方向以及y轴方向。
[0068]在图1所示的示例中，图像传感器模块20在外壳210的上表面的大致中心处具有向上突起的突起形状。而且，尽管图1中并未明确示出，在外壳210的沿z轴正方向突起的末端部中设置有用于使光入射到外壳210内部的光接收开口部。在根据本实施例的图像传感器模块20中，可以不在外壳210的上表面上形成突起形状。在这种情况下，外壳210具有平坦的上表面，并且光接收开口部可被设置在该平面的大致中心处。
[0069]光接收透镜被设置在图像传感器模块20的光接收开口部中。光接收透镜将从光接收开口部入射到外壳210上的光引导到被布置在外壳210内部的图像传感器的光接收面上。换言之，图像传感器模块20经由图像传感器从被设置在外壳210的上表面上的光接收开口部的光接收透镜接收入射光。然后，图像传感器输出取决于所接收的光的量的电信号(像素信号)。
[0070]在本实施例中，聚光单元10与图像传感器模块20连接，使得被设置在外壳110的下表面上的下开口部面对被设置在外壳210的上表面上的光接收开口部。聚光单兀10具有使被从上开口部111朝着外壳110的内部施加的光聚集在图像传感器模块20的光接收透镜上的功能。
[0071]作为使用聚光单元10的具体方式，首先将测量对象物体放置在上开口部111的上表面上。然后，将光从稍后将说明的被设置在外壳110中的光照射部件朝着上开口部111施加，即，朝着被放置在上开口部111上的测量对象物体照射。在聚光单元10内部，从测量对象物体的表面反射的光或在测量对象物体内部散射的光被朝着Z轴负方向引导的同时聚集在被设置在外壳110的下表面上的下开口部上以及聚集在与下开口部相连接的图像传感器模块20的光接收透镜上。因此，从测量对象物体表面反射的光或在测量对象物体内部散射的光能够有效地入射到被设置在图像传感器模块20中的图像传感器上。注意，在下面的说明中，从测量对象物体表面反射的光或在测量对象物体内部散射的光称为散射光或反射光。
[0072]下面，将参照图2以及图3来更详细地说明聚光单元10的功能以及构造。注意，下文中，将通过定义用于表示聚光单元10以及图像传感器模块20的中心的中心轴来给出说明。具体地，如图2中的虚线所示，将沿聚光单元10的外壳110的上、下表面以及图像传感器模块20的外壳210的上、下表面的垂直方向穿过这些表面的中心的轴线定义成中心轴
Co
[0073]聚光单元10以及图像传感器模块20具有关于中心轴c旋转对称的结构。例如，在如图1中所示的本实施例中，聚光单元10以及图像传感器模块20具有所谓的关于中心轴c四重对称(four-fold symmetry)的结构。因此，下面，鉴于上述对称性，将主要通过使用图1中所示的沿截面A_A(在包括y轴与z轴的平面中，穿过中心轴c的截面)所截取的剖视图来说明聚光单元10以及图像传感器模块20的构造。
[0074]1.2.聚光单元的构造
[0075]接着，将参照图2以及图3来详细说明根据第一实施例的聚光单元的构造。图2是沿图1的截面A-A所截取的根据第一实施例的聚光单元的剖视图。图3是用于说明根据第一实施例的聚光单元中的反射部件与光照射部件的位置关系的说明图。注意，在下面的说明中，可以省略上面参照图1所说明的聚光单元以及图像传感器模块的功能与构造。
[0076]参照图2，聚光单元10包括外壳110、圆顶形反射部件120以及多个光照射部件130。
[0077]例如如上面参照图1说明的外壳110大致具有圆筒形状，并且外壳110的大致中心部朝外部突起，即，朝图2中所示的上侧突起。而且，在突起部的末端处，即在上表面上的大致中心部的部分区域处，外壳I1具有大致圆形的上开口部111。在外壳110的下表面上的大致中心部的部分区域中设置有大致圆形的下开口部112。上开口部111以及下开口部112被设置成使得这些开口部的大致中心部与聚光单元10的中心轴c重合。对于上开口部111以及下开口部112的具体尺寸，作为示例，上开口部111可以具有约5毫米的直径，并且下开口部112可以具有约10毫米的直径。
[0078]外壳110具有内部空间，在该内部空间中布置有反射部件120以及多个光照射部件 130。
[0079]反射部件120具有中空的圆顶形状，该中空的圆顶形状以其侧壁从顶部朝向底部弯曲的方式延伸。反射部件120具有经镜面抛光的内表面，并且能够反射入射到内表面上的光。
[0080]反射