专利名称：成像设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用圆棒形透镜阵列的成像设备。尤其是涉及一种成像设备，其通过将物体面和像面放置在合适的位置上，在保持基本分辨率的同时还能够保证清晰度的均匀。当这项技术应用于接触图像传感器或LED(发光二极管)打印机时非常有用。
背景技术：
如
图1所示，圆棒形透镜阵列10为单元放大图像光学系统，其中许多圆棒形透镜12以这样的方式排列，即它们的光轴彼此相互平行，而且每个圆棒形透镜12都具有径向方向上的折射率分布。单元放大图像光学系统广泛地应用于传真设备，复印设备，扫描仪，LED打印机中。物体面14面对着圆棒形透镜12的一个端面放置，像面16面对着圆棒形透镜12的另一个端面放置。在图像读取系统中，如图2所示的接触图像传感器，物体面14为原始文件表面而像面16为包含传感器象素的表面。在图像写入系统中，如LED打印机，物体面为LED元件的发光表面，而像面为光电鼓表面。
在这些成像设备的光学位置关系设计中，将MTF(调制传递函数)的平均值MTFave。设定为最大的可能值是非常重要的。平均值MTFave为在透镜阵列方向上(＝圆棒形透镜阵列的长度方向)计算出来的MTF的平均值。顺便说明的是，MTF代表圆棒形透镜阵列的基本分辩率。为此，物体面14和像面16的放置位置至少应满足下面的条件物体侧的透镜工作距离L0(＝从透镜的一个端面到物体面的距离)基本上等于像侧的透镜工作距离L0(＝从透镜的另一个端面到像面的距离)。有时采用的另一种方案为调节物体面与像面之间的距离TC(称为物—像距离TC)以使MTE的平均值MTFave最大。
MTF用下面的方程式表示
MTF(％)＝[(imax－imin)/(imax＋imin)]×100在上面的方程中，项imax和imin是以下面的方式得到的。如图3所示，圆棒形透镜阵列10接收矩形光栅图案(＝原始像)20，并形成该图案的像22。传感器接收像22。对接收的像22的光量的相对最大的imax和相对最小的imin进行测量。当MTF接近100％时，由光学系统形成的像与原始像更精确相似(光学系统的分辨率更大)。
实际的测量是利用图4所示的光学系统进行的。图中，从光源30如卤素灯发出的光穿过滤光器31，漫射板32，矩形测试卡33。由此形成矩形光栅图案。圆棒形透镜阵列10形成了矩形光栅图案的像。CCD图像传感器34接收图像并将其转变为相应的电信号。将圆棒形透镜阵列10在中空箭头方向上移动。通过圆棒形透镜阵列的移动在其整个长度上观测图像。CCD图像传感器34的输出信号波形输出到数据处理器35。数据处理器35对输出波形进行适当地处理以得到波形相对最大的imax和相对最小的imin，并利用它们计算MTF。在透镜阵列长度方向上计算出的MTF的平均值为透镜阵列的MTFave。
除了通过调节物—像距离TC使MTF的平均值MTFave最大的方案外，还有另一个方案。例如，在图像读取系统中，如果平板玻璃能够只在一个方向上限制原始文件的位置偏移，那么为了增加表面焦深，物体面侧最合适的焦点位置偏离平板玻璃表面。这个方案也称为单侧偏移布置。在另一个方案中，为了减轻LED元件的发光变化带来的负面影响，图像读取系统可以采用散焦位置关系。
在圆棒形透镜中，清晰度径向分布在可视的区域内。因此，由圆棒形透镜阵列叠加的图像在长度方向上具有以透镜半径周期(当传感器象素/LED元件与透镜阵列的中心位置对齐时)或透镜直径周期(当传感器象素/LED元件与透镜阵列的中心位置不对齐时)为周期的清晰度波动。如果在600dip或更高分辨率的情况下使用目前市场上的圆棒形透镜，那么这种清晰度波动就不容忽视。
目前应用更高分辨率的趋势引起的问题是在保持基本分辨率的同时不能保证清晰度的均匀。在处理图像读取/写入系统中使用的半色调图像时，就会经常发生光密度的不均匀。
发明内容
相应地，本发明的目的在于提供一种成像设备，其能够在保持基本分辨率的同时保证在透镜阵列方向上清晰度的均匀，因此即使是在处理半色调图像时也能够减轻被忽视的光密度不均匀。
根据本发明，提供一种成像设备，该设备使用了单元放大图像圆棒形透镜阵列，该阵列包括许多以这样方式排列的圆棒形透镜，即它们的光轴彼此相互平行，每个圆棒形透镜在径向方向上都具有一个折射率分布，及其中物体面面对着圆棒形透镜的一个端面放置，像面面对着圆棒形透镜的另一个端面放置，物体侧圆棒形透镜阵列的透镜工作距离基本上等于像侧圆棒形透镜阵列的透镜工作距离。该成像设备是这样改进的，即实际的物—像距离TC0设定在共轭长度TC1与共轭长度TC2之间，其中在共轭长度TC1上，透镜阵列在透镜阵列方向上的MTF的平均值MTFave最大，在共轭长度TC2上，ΔMTF(＝(MTFmax－MTFmin)/MTFave)最小，或者实际的物—像距离TC0等于共轭长度TC2，其中在共轭长度TC2上，ΔMTF最小，并且位移量ΔTC(＝|TC0－TC1|)相对于共轭长度TC1设定在0mm＜ΔTC＜+0.2mm的范围内，其中在共轭长度TC1上，MTFave最大。在该成像设备中，物—像距离TC0最好是设定在+0.05mm＜ΔTC＜+0.15mm的范围内。
本发明发明者研究了这样的现象，即在高清晰度的情况下使用半色调图像时，光密度的不均匀是明显的，并得出下面的结论。经过研究发现1)在评估光密度不均匀时可以方便地使用新的参数ΔMTF，及2)共轭长度TC1通常不等于共轭长度TC2，其中在共轭长度TC1上，透镜阵列方向上的(纵向)MTF的平均值MTFave最大，在共轭长度TC2上，ΔMTF最小。
如上所述，在本发明中，实际的物—像距离TC0设定在共轭长度TC1与共轭长度TC2之间，其中在共轭长度TC1上，透镜阵列在透镜阵列方向上的MTF的平均值MTFave最大，在共轭长度TC2上，ΔMTF(＝(MTFmax－MTFmin)/MTFave)最小，或者实际的物—像距离TC0等于共轭长度TC2，其中在共轭长度TC2上，ΔMTF最小，并且位移量ΔTC(＝|TC0－TC1|)相对于共轭长度TC1设定在0mm＜ΔTC＜+0.2mm的范围内，其中在共轭长度TC1上，MTFave最大。共轭长度TC2相对于共轭长度TC1移动的方向是由圆棒形透镜的折射率分布系数和类似参数(方向共轭长度增加的＋方向或者共轭长度减小的－方向)决定的，其中在共轭长度TC1上，MTFave最大，在共轭长度TC2上，ΔMTF最小。相应地，在本发明中，重要的是将实际的物—像距离TC0设定在共轭长度TC1与共轭长度TC2之间，其中在共轭长度TC1上，透镜阵列在透镜阵列方向上的MTF的平均值MTFave最大，在共轭长度TC2上，ΔMTF最小。另外，在本发明中，物体侧圆棒形透镜阵列的透镜工作距离基本上等于图像侧圆棒形透镜阵列的透镜工作距离。相应地，在物体侧和图像侧每一侧的光位移量为ΔTC/2。因此，MTF的平均值MTFave的减小在容许的范围内。并且在维持高分辨率的同时还保证了在透镜阵列方向上清晰度均匀。相应地，即使在处理半色调图像时密度的不均匀也可以忽略。
本发明公开的主题包含在日本专利申请No.2000—207380(2000年7月7日申请)中，在此将该申请组合为一个整体作为参考。
具体实施例方式
具有下面设计规范的圆棒形透镜阵列的MTF是在长度方向上(透镜元件排列方向)对于不同的更高阶反射率分布系数进行计算的。计算结果如图5所示。在计算中，使用的是24lp/mm(lp/mm＝线对/nn)图案，并且MTFave和ΔMTF是根据物—像距离TC计算的。基本圆棒形透镜阵列的设计规范为圆棒形透镜的直径D0.563mm提供最大MTFave的共轭长度TC19.9mm圆棒形透镜的长度Z04.34mm张角(最大入射角)Θ020°圆棒形透镜的反射率由下面的式子给出n(r)2＝no2.{1－(g.r)2＋h4.(g.r)4＋h6(g.r)6＋h8(g.r)8}其中r从圆棒形透镜光轴径向测量到的距离no圆棒形透镜光轴上的反射率(＝1.625)g反射率分布系数(＝0.8423)h4，h6，h8更高阶反射率分布系数图5中的例子A到D中的更高阶反射率分布系数如表1所列。
例h4h6h8A 1.50 -25 175B 1.50 -27 200C 1.50 -22 200D 1.40 -25 200图5所示例子A到D中的任何一个中，共轭长度TC1都不等于共轭长度TC2，其中在共轭长度TC1上，透镜阵列方向上的圆棒形透镜阵列的MTF的平均值MTFave最大，在共轭长度TC2上，ΔMTF(＝(MTFmax－MTFmin)/MTFave)最小。这些长度之间的差向右或向左移动(在物—像距离增加或减小的方向上)。相应地，如果实际的物—像距离TC0设定在共轭长度TC1与共轭长度TC2之间，其中在共轭长度TC1上，透镜阵列在透镜阵列方向上的MTF的平均值MTFave最大，在共轭长度TC2上，ΔMTF(＝(MTFmax－MTFmin)/MTFave)最小，或者实际的物—像距离TC0等于共轭长度TC2，其中在共轭长度TC2上，ΔMTF最小，并且实际的物—像距离TC0相对于共轭长度TC1是这样设定的，即位移量ΔTC(＝|TC0－TC1|)在0mm＜ΔTC＜+0.2mm的范围内，其中在共轭长度TC1上，MTFave最大，那么它就处在容许的范围内，其中在该范围内MTF的平均值的减少是允许的。因此，在保持高基本分辨率的同时还保证了透镜阵列方向上的清晰度均匀。相应地，即使是处理半色调图像时，光密度不均匀也可以忽略。尤其是在位移量设定在+0.05mm＜ΔTC＜+0.15mm的范围内时，MTFave高而ΔMTF低。也就是说得到了好的效果。
图6为以模拟为基础使用圆棒形透镜阵列规范测量到的MTF的平均值MTFave和ΔMTF’的变化曲线图。测量中，对12lp/m上的MTF全部宽度轮廓进行精确测量，MTF的平均值MTFave和ΔMTF’的变化是以MTF全部宽度轮廓为基础得到的。ΔMTF’用数学式表示为ΔMTF’＝(MTFave－MTFmin)/MTFave在相对于共轭长度TC1ΔTC＝0.1mm的位置上，ΔMTF’取最小值10.3mm，其中共轭长度TC1提供了最大MTFave(10.2mm)。
对具有如下规范的圆棒形透镜阵列的MTF的平均值MTFave和ΔMTF’的变化进行计算。为此使用了图4所示的光学系统。相对于不同的物—像距离TC对12lp/m上的MTF全部宽度轮廓进行计算。计算结果如图7所示。
圆棒形透镜的直径D0.912mm提供最大MTFave的共轭长度TC115.1mm圆棒形透镜的长度Z06.89mm张角(最大入射角)Θ020°圆棒形透镜的反射率n01.627圆棒形透镜的反射率分布系数g0.5348在相对于提供了最大MTFave(14.8mm)的共轭长度TC1ΔTC＝0.1mm的位置上，ΔMTF’取最小值14.9mm。
从上面的描述中可以看出，在本发明成像设备中，实际的物—像距离TC0设定在共轭长度TC1与共轭长度TC2之间，其中在共轭长度TC1上，透镜阵列在透镜阵列方向上的MTF的平均值MTFave最大，在共轭长度TC2上，ΔMTF最小，或者实际的物—像距离TC0等于共轭长度TC2，其中在共轭长度TC2上，ΔMTF最小，并且实际的物—像距离TC0相对于共轭长度TC1是这样设定的，即位移量ΔTC(＝|TC0－TC1|)在0mm＜ΔTC＜+0.2mm的范围内，其中在共轭长度TC1上，MTFave最大。相应地，本发明成功地提供一种成像设备，在长度方向上其清晰度变化较小并且没有大大降低基本分辨率。尤其是当位移量ΔTC设定在+0.05mm＜ΔTC＜+0.15mm的范围内时，可以得到很好的特性，其中平均值MTFave和ΔMTF都得到了很好的平衡。
权利要求
1.一种成像设备，该设备使用了单元放大图像圆棒形透镜阵列，该阵列包括许多以这样方式排列的圆棒形透镜，即它们的光轴彼此相互平行，每个圆棒形透镜在径向方向上都具有一个折射率分布，及其中物体面面对着圆棒形透镜的一个端面放置，像面面对着圆棒形透镜的另一个端面放置，物体侧圆棒形透镜阵列的透镜工作距离基本上等于像侧圆棒形透镜阵列的透镜工作距离，其中实际的物—像距离TC0设定在共轭长度TC1与共轭长度TC2之间，其中在共轭长度TC1上，透镜阵列在透镜阵列方向上的MTF的平均值MTFave最大，在共轭长度TC2上，ΔMTF(＝(MTFmax－MTFmin)/MTFave)最小，
2.根据权利要求1所述的成像设备，其中所述实际的物—像距离TC0等于共轭长度TC2，其中在共轭长度TC2上，ΔMTF最小，且实际的物—像距离TC0相对于共轭长度TC1是这样设定的，即位移量ΔTC(＝|TC0－TC1|)设定在0mm＜ΔTC＜+0.2mm的范围内，其中在共轭长度TC1上，MTFAVE最大。
3.根据权利要求2所述的成像设备，其中所述实际的物—像距离TC0相对于共轭长度TC1是这样设定的，即位移量ΔTC(＝|TC0－TC1|)设定在+0.05mm＜ΔTC＜+0.15mm的范围内，其中在共轭长度TC1上，MTFave最大。
4.一种成像设备，该设备使用了单元放大图像圆棒形透镜阵列，该阵列包括许多以这样方式排列的圆棒形透镜，即它们的光轴彼此相互平行，每个圆棒形透镜在径向方向上都具有一个折射率分布，及其中物体面面对着圆棒形透镜的一个端面放置，像面面对着圆棒形透镜的另一个端面放置，物体侧圆棒形透镜阵列的透镜工作距离基本上等于像侧圆棒形透镜阵列的透镜工作距离，其中所述实际的物—像距离TC0等于共轭长度TC2，其中在共轭长度TC2上，ΔMTF最小，且实际的物—像距离TC0相对于共轭长度TC1是这样设定的，即位移量ΔTC(＝|TC0－TC1|)设定在0mm＜ΔTC＜+0.2mm的范围内，其中在共轭长度TC1上，MTFave最大。
5.根据权利要求4所述的成像设备，其中所述实际的物—像距离TC0相对于共轭长度TC1是这样设定的，即位移量ΔTC(＝|TC0－TC1|)设定在+0.05mm＜ΔTC＜+0.15mm的范围内，其中在共轭长度TC1上，MTFave最大。
6.一种成像设备，该设备包括圆棒形透镜阵列，其中梯度指数的圆棒形透镜以这样的方式排列，即它们的光轴彼此相互平行，该圆棒形透镜阵列具有确定第一共轭长度TC1和第二共轭长度TC2的特性，其中在共轭长度TC1上，透镜阵列方向上的MTF的平均值MTFave最大，在共轭长度TC2上，ΔMTF(＝(MTFmax－MTFmin)/MTFave)最小；面对着圆棒形透镜阵列一个端面的物体面；面对着圆棒形透镜阵列另一个端面的像面；物体面与像面之间的距离TC0落在第一共轭长度TC1与第二共轭长度TC2之间，或距离TC0基本上等于第二共轭长度TC2并且从第一共轭长度TC1偏移预定的位移量ΔTC，其中位移量ΔTC(＝|TC0－TC1|)落在0mm到+0.2mm的范围之内。
全文摘要
一种成像设备,其中物体面(14)面对圆棒形透镜阵列(10)的一个端面放置,像面(16)面对其另一个端面放置。物体侧圆棒形透镜阵列的透镜工作距离基本上等于像侧的透镜工作距离。实际的物—像距离TC0设定在共轭长度TC1与共轭长度TC2之间,其中在共轭长度TC1上,透镜阵列在透镜阵列方向上的MTF的平均值MTF
文档编号H04N1/028GK1332381SQ0112020
公开日2002年1月23日 申请日期2001年7月6日 优先权日2000年7月7日
发明者小木秀也, 壹岐耕一郎, 远山实 申请人:日本板硝子株式会社