專利名稱：補(bǔ)償物體的不均勻照明的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般來說涉及成象裝置，更具體地說，涉及具有光學(xué)位置檢測系統(tǒng)的手持式或便攜式光掃描器。
光學(xué)掃描裝置在本專業(yè)中是眾所周知的，并且可以用來產(chǎn)生代表被掃描物體，例如照片或者打印文本的頁面的機(jī)器可讀的數(shù)據(jù)信號。在典型的掃描器應(yīng)用場合，由光掃描器產(chǎn)生的圖象數(shù)據(jù)信號可以由個人計算機(jī)用來在適當(dāng)?shù)娘@示裝置，例如陰極射線管或打印機(jī)上再現(xiàn)被掃描物體的圖象。
手持式或便攜式光掃描器是一種設(shè)計成用手移動橫掃被掃描物體或文件的光掃描器。手持式掃描器可以通過數(shù)據(jù)同步傳輸電纜直接連接到計算機(jī)。如果這樣的話，就可以把由手持式掃描器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號“即時”地，即，在采集圖象數(shù)據(jù)的同時傳遞到分開的計算機(jī)。另一種方法是，手持式掃描器可以包括用來存儲圖象數(shù)據(jù)的機(jī)載數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。于是，在完成掃描操作之后，可以借助任何方便的方式，例如電纜或者光學(xué)紅外數(shù)據(jù)鏈路把圖象數(shù)據(jù)下載到分開的計算機(jī)。
手持式或便攜式光掃描器在本專業(yè)中是眾所周知的，并且在以下的美國專利中公開了其各種部件McConica的題為“具有可調(diào)光路徑的手持式掃描器”的美國專利No.5,552,597；McConica等人的題為“用于手持式掃描器的光波導(dǎo)”的美國專利No.5,586,212；Kochis等人的題為“具有機(jī)載電池再充電組件的手持式光掃描器”的美國專利No.5,381,020；以及McConica等人的題為“具有觸覺速度控制組件的手動操作的手持式光掃描器”的美國專利No.5,306,908；所有這些專利所公開的所有方面被包括在本文中作為參考。
通常的手持式光掃描器可以包括用來實(shí)行對物體的掃描的照明和光學(xué)系統(tǒng)。照明系統(tǒng)把物體的一部分(通常稱為“掃描區(qū)”)照亮，而光學(xué)系統(tǒng)收集由被照亮的掃描區(qū)反射的光線，并且把被照亮的掃描區(qū)的小區(qū)域(通常稱為“掃描行”)聚集在設(shè)置于掃描器內(nèi)的光敏檢測器。然后，可以通過使所述掃描行掃過整個物體、通常通過相對于物體移動手持式掃描器，來獲得代表整個物體的圖象數(shù)據(jù)。例如，照明系統(tǒng)可以包括多個發(fā)光二極管(LED)，雖然也可以使用其它類型的光源，例如，熒光燈或白熾燈。光學(xué)系統(tǒng)可以包括“接觸型圖象傳感器”或CIS，用于把被照亮的掃描行聚焦到檢測器表面。另一種方法是，可以利用透鏡和/或反射鏡組件收集來自被照亮的掃描區(qū)的光線并且將其聚焦到檢測器上。
通常，用于檢測由光學(xué)系統(tǒng)聚焦到其上的圖象光線的光敏檢測器包括電荷耦合器件(CCD)，雖然其它器件也可以使用。典型的CCD可以包括單個單元或者“象素”的陣列，每一個象素隨著暴露在光線之下而收集或者產(chǎn)生電荷。由在任何給定的單元或者象素中積累的電荷的數(shù)量與曝光的強(qiáng)度和持續(xù)時間有關(guān)，所以，CCD可以用來檢測聚焦在它上面的圖象的亮點(diǎn)和暗點(diǎn)。
這里所用的術(shù)語“圖象光線”指的是由光學(xué)系統(tǒng)聚焦在檢測器陣列表面上的光線。根據(jù)掃描器的類型和文件的類型，圖象光線可以從被掃描物體反射或者可以透射過所述物體。可以在三個基本步驟中把圖象光線轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。首先，CCD檢測器中的每一個象素把它接收到的光線轉(zhuǎn)換成電荷。接著，由模擬放大器把各象素的電荷轉(zhuǎn)換成模擬電壓。最后，由模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器把模擬電壓數(shù)字化。然后，可以根據(jù)需要處理和/或存儲所述數(shù)字信號。
手持式掃描裝置可以備有位置檢測或“導(dǎo)航”系統(tǒng)，以便確定該手持式掃描器相對于被掃描物體的位置。因此，這種位置檢測系統(tǒng)使掃描器可以把其位置與被掃描物體相聯(lián)系。這種位置相關(guān)性使得即使在一次掃描或“掃掠”期間可能沒有掃描整個物體，也能夠產(chǎn)生被掃描物體的完整的圖象。例如，如果需要對物體進(jìn)行兩次或更多次swipe才能夠掃描整個物體，則由導(dǎo)航系統(tǒng)提供的這種位置相關(guān)性將使得可以把掃描圖象數(shù)據(jù)的各個不同部分“縫合”在一起，以便形成代表整個掃描物體的單一的整體圖象。
一種類型的導(dǎo)航系統(tǒng)利用一對光傳感器來檢測包含在被掃描物體(例如一張其上有文本或圖象的紙)上的某些固有結(jié)構(gòu)特征(例如表面粗糙度，紙纖維取向等)。Holland的題為“檢測紙張纖維圖案的紙張推進(jìn)系統(tǒng)”的美國專利No.5,089,712；以及Allen等人的題為“補(bǔ)償非線性移動的手持式圖象掃描裝置”的美國專利No.5,578,813中公開了上述類型的導(dǎo)航系統(tǒng)的例子，這兩項專利所公開的所有方面被具體地包括在本文中作為參考。
雖然這種導(dǎo)航系統(tǒng)是已知的并且正在被使用，但是，它們并不是沒有問題的。例如，與上述類型的光導(dǎo)航系統(tǒng)相聯(lián)系的一個問題歸因于難以均勻地照亮所述物體上的固有結(jié)構(gòu)特征以便導(dǎo)航傳感器可以檢測這些結(jié)構(gòu)特征。通常用以照亮導(dǎo)航區(qū)的光源(例如紅外發(fā)光二極管(LED))一般不能提供均勻的照明圖案。因此，被照明的導(dǎo)航區(qū)可能包括一個或多個明亮照明區(qū)域和一個或多個次明亮照明區(qū)域。如果所述明亮照明區(qū)域和次明亮照明區(qū)域之間有相當(dāng)大的差異，則導(dǎo)航系統(tǒng)有相當(dāng)大的可能性把照明的不均勻性看作固定的圖案噪聲，這可能導(dǎo)致導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生錯誤的導(dǎo)航信號。這種錯誤的導(dǎo)航信號很可能產(chǎn)生錯誤的位置值，后者可能使圖象數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)不能成功地把在各次掃描期間獲取的各個圖象部分縫合在一起。
上述非均勻照明問題的一種解決方法是提供這樣的光源它具有一個或多個透鏡或反射鏡，以便把光線比較好地分布和聚焦在導(dǎo)航區(qū)上。遺憾的是，這種透鏡或反射鏡系統(tǒng)可能難以制造和對準(zhǔn)，并且，在任何情況下都顯著地增加掃描器的總成本。部分地由于致力于避免上述問題，大多數(shù)光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)使用眾所周知的和容易購買到的類型的具有整體透鏡的發(fā)光二極管。雖然整體透鏡設(shè)計避免了與提供分開的透鏡或反射鏡相聯(lián)系的問題，但是，通常，大多數(shù)這種整體透鏡裝置的質(zhì)量都很差，并且，由這種連透鏡式發(fā)光二極管產(chǎn)生的照明圖案經(jīng)常包含顯著的不均勻性。的確，考慮到掃描器導(dǎo)航系統(tǒng)的一致的和可靠的操作，由這種連透鏡式發(fā)光二極管提供的照明的質(zhì)量是勉強(qiáng)的。
用以形成物體上被照明區(qū)的至少一部分的圖象的光學(xué)系統(tǒng)可以包括定位在與物體上被照明區(qū)隔開一段距離的位置的透鏡；以及孔徑光闌，它是這樣定位的，使得它與透鏡的圖象側(cè)焦平面共平面。在透鏡和物體上被照明區(qū)之間設(shè)置遮斷元件，使得該遮斷元件阻擋來自被照明區(qū)中明亮照明區(qū)域的預(yù)定量的光線，但是，基本上不阻擋來自被照明區(qū)中次明亮照明區(qū)域的光線。
還公開一種用來形成物體上被照明區(qū)的至少一部分的圖象的方法，所述方法包括以下步驟把透鏡定位在與物體上被照明區(qū)隔開一段距離的位置上；把孔徑光闌定位在透鏡的圖象側(cè)焦平面附近；以及在來自明亮照明區(qū)域的光線被透鏡折射之前阻擋來自該明亮照明區(qū)域的預(yù)定量的光線。
附圖中示出示范性的和當(dāng)前知道的最佳實(shí)施例，附圖中

圖1是便攜式圖象掃描器的透視圖，后者具有利用根據(jù)本發(fā)明的用來補(bǔ)償非均勻照明的光學(xué)系統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)；圖2是圖1中所示的便攜式圖象掃描器的立面前視圖；圖3是便攜式圖象掃描器的圖象頭的接觸面的平面圖，顯示兩個導(dǎo)航傳感器孔的位置；圖4是便攜式圖象掃描器的圖象頭的立視圖的沿著圖3的線4-4所取的剖面圖；圖5是被照明的導(dǎo)航區(qū)的示意的表示，顯示明亮照明區(qū)域和次明亮照明區(qū)域；圖6是5中所示的被照明的導(dǎo)航區(qū)的歸一化照明函數(shù)的曲線表示；圖7是用于補(bǔ)償非均勻照明的光學(xué)系統(tǒng)的示意的表示；圖8是透鏡的平面圖，顯示其上的遮斷元件的相對位置；
圖9是所述光學(xué)系統(tǒng)的歸一化的透射函數(shù)的曲線表示；圖10是在圖6和9中分別舉例說明的照明和透射函數(shù)的曲線疊加，以及最后得到的補(bǔ)償后的照明函數(shù)；圖11是透鏡的具有環(huán)形遮斷元件的第二實(shí)施例的平面圖；圖12是透鏡的具有十字形遮斷元件的第三實(shí)施例的平面圖；以及圖13是透鏡的具有包括多根徑向取向的線條的遮斷元件的第四實(shí)施例的平面圖。
這里示出并且描述用于補(bǔ)償物體的非均勻照明的光學(xué)系統(tǒng)10(圖7)，后者可用于便攜式或手持式圖象掃描器14(圖1)中使用的那種類型的光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)12中。如下面將更加詳細(xì)地描述的那樣，光學(xué)系統(tǒng)10補(bǔ)償從其中獲得導(dǎo)航數(shù)據(jù)的物體的非均勻照明，從而提高由光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)12產(chǎn)生的導(dǎo)航數(shù)據(jù)的一致性和可靠性。
在圖1中舉例說明的示范性的應(yīng)用中，便攜式或手持式圖象掃描器14可以用于掃描物體16，例如其上有書面文本20的文件18。光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)12向掃描器14提供位置或者導(dǎo)航信息，從而，使掃描器14幾乎可以掃描任何尺寸的文件，而與便攜式圖象掃描器14的尺寸無關(guān)。例如，可以通過沿著曲折的或者曲線形的、形成一次或多次掃描操作或“掃掠”的掃描路徑22在文件18上移動便攜式圖象掃描器14來掃描整個文件18。然后，由導(dǎo)航系統(tǒng)12提供的位置或?qū)Ш叫畔⒖梢杂脕戆言诿看螔呙杵陂g獲取的各個不同的圖象數(shù)據(jù)段接合或“縫合”在一起，以便形成代表整個被掃描文件18的圖象數(shù)據(jù)。
現(xiàn)在參考圖3和4，導(dǎo)航系統(tǒng)12可以包括第一和第二導(dǎo)航傳感器組件24和26，每一個導(dǎo)航傳感器組件“觀察”被掃描物體16上的相應(yīng)的導(dǎo)航區(qū)(例如，導(dǎo)航區(qū)28)。在一個最佳實(shí)施例中，導(dǎo)航傳感器組件24和26基本上是相同的，所以這里將僅僅描述第一導(dǎo)航傳感器組件24。第一導(dǎo)航傳感器組件24包括光源30，光學(xué)系統(tǒng)10和導(dǎo)航檢測器34。光源30照亮物體16上的導(dǎo)航區(qū)28。光學(xué)系統(tǒng)10把由被照明的導(dǎo)航區(qū)28反射的導(dǎo)航光線32聚焦在導(dǎo)航檢測器34的表面上(圖7)。檢測器34產(chǎn)生對應(yīng)于由被照亮的導(dǎo)航區(qū)28反射的導(dǎo)航光線32的輸出信號(未示出)。可以由導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(未示出)處理來自檢測器34的所述輸出信號，以便產(chǎn)生代表便攜式圖象掃描器14相對于被掃描物體的位置的導(dǎo)航數(shù)據(jù)信號(也未示出)。
現(xiàn)在主要參考圖5，由光源30向?qū)Ш絽^(qū)28提供的照明一般是不均勻的，并且可能包括多個具有不同亮度等級的區(qū)域。例如，被照明的導(dǎo)航區(qū)28可以用位于導(dǎo)航區(qū)28的中心附近的明亮照明區(qū)域38和通常位于導(dǎo)航區(qū)28的周邊的次明亮照明區(qū)域40來表征。此外，應(yīng)當(dāng)指出，實(shí)際上，通?？梢园驯徽彰鞯膶?dǎo)航區(qū)28表征為許多不同亮度的區(qū)域，這些區(qū)域可能位于圖5中所示的位置，也可能不位于圖5中所示的位置。但是，為了便于討論和說明，這里示出和描述只具有不同亮度并且位于圖5中所舉例說明的位置附近的兩個區(qū)域38和40的被照明的導(dǎo)航區(qū)28。就是說，明亮照明區(qū)域38可以位于被照明的導(dǎo)航區(qū)28的中心區(qū)域附近，而次明亮照明區(qū)域40可以位于導(dǎo)航區(qū)28的外側(cè)區(qū)域或周邊附近。
如圖6所示，可以通過照明函數(shù)42，以曲線圖的方式表示圖5中示意地舉例說明的向?qū)Ш絽^(qū)28提供的照明。為了便于說明，把圖6中所示的照明函數(shù)42歸一化，使得明亮照明區(qū)域38被規(guī)定為具有單位亮度。因此，次明亮照明區(qū)域40將具有小于1的亮度等級。例如，在這里示出和描述的假設(shè)的照明函數(shù)42中，次明亮照明區(qū)域40具有0.5的亮度(即，明亮照明區(qū)域38的亮度的一半)。此外，應(yīng)當(dāng)記住，上述不同亮度區(qū)域的數(shù)目(即，2)以及它們的亮度比(即，2∶1)僅僅是示范性的，它們可能代表也可能不代表與特定的照明系統(tǒng)相聯(lián)系的不同亮度區(qū)域的數(shù)目和相應(yīng)的亮度比。
用于導(dǎo)航系統(tǒng)12中的光學(xué)系統(tǒng)10最清楚地示于圖7中，并且可以包括定位在物體16和導(dǎo)航檢測器34之間的透鏡組件36。光學(xué)系統(tǒng)10可以備有位于透鏡組件36和物體16之間的光學(xué)透明窗44，以便使透鏡組件36與灰塵隔絕，并且保護(hù)它不受損壞?？讖焦怅@46可以這樣定位于透鏡36和導(dǎo)航檢測器34之間，使得它基本上同與透鏡組件36相關(guān)的圖象側(cè)焦面48共平面?？讖焦怅@46定位在透鏡36的圖象側(cè)焦面48附近，這使得透鏡組件36是遠(yuǎn)心透鏡系統(tǒng)。因此，這里可以把孔徑光闌46按照另一種方法稱為“遠(yuǎn)心孔徑光闌”。由于這種遠(yuǎn)心透鏡配置的結(jié)果，由包含在物體16上被照明的導(dǎo)航區(qū)28中的各種不同的被照明場點(diǎn)50反射的光線32的錐體在物體16和透鏡組件36的前表面或物側(cè)表面之間的區(qū)域中保持比較好地分開的狀態(tài)。見圖7。
光學(xué)系統(tǒng)10還可以備有這樣定位在物體16和透鏡36之間的遮斷元件54，使得遮斷元件54阻擋來自明亮照明區(qū)域38的預(yù)定量的光線，但是基本上不阻擋來自次明亮照明區(qū)域40的光線。在一個最佳實(shí)施例中，遮斷元件54可以包括淀積在透鏡36的物側(cè)表面52的中心區(qū)域上的基本上圓形的不透明材料，例如黑色涂料，如圖8中最清楚地示出的。另外，如下面將更加詳細(xì)地描述的那樣，其它配置也是可能的。
遠(yuǎn)心透鏡組件36和遮斷元件54的組合產(chǎn)生光學(xué)系統(tǒng)10的透射函數(shù)56，后者包含位于被照明的導(dǎo)航區(qū)28的中心區(qū)域的視場點(diǎn)50的低透射比“吊桶”58。就是說，如果光學(xué)系統(tǒng)10被用來形成被照明的物體的圖象，則透射函數(shù)56的低透射比吊桶58將導(dǎo)致圖象的中心區(qū)域具有減小的亮度等級。因此，如果光學(xué)系統(tǒng)10被用來形成具有基本上與圖6中所示的一樣的照明函數(shù)42(即，被照明區(qū)具有明亮照明區(qū)域38和次明亮照明區(qū)域40)的被照明的導(dǎo)航區(qū)28，則結(jié)果將出現(xiàn)這樣的圖象與實(shí)際情況相比，它好象被更加均勻地照明。光學(xué)系統(tǒng)10通過使對應(yīng)于次明亮照明區(qū)域40(圖5)的區(qū)域具有高透射比并且使對應(yīng)于明亮照明區(qū)域38的區(qū)域具有減小的透射比來補(bǔ)償物體的非均勻照明。用圖形表示，透射函數(shù)56和照明函數(shù)42的組合產(chǎn)生補(bǔ)償后的照明函數(shù)60，如圖10中最清楚地示出的那樣。
可以通過改變遮斷元件54的尺寸、形狀和位置來控制透射函數(shù)56的形狀，使得透射和照明函數(shù)56和42的組合產(chǎn)生具有所需要的特性或響應(yīng)的補(bǔ)償后的照明函數(shù)60。例如，在這里示出和描述的實(shí)施例中，最好這樣調(diào)節(jié)透射函數(shù)56，使得最后得到的補(bǔ)償后的照明函數(shù)60形成一條大體上的直線，如圖10中最清楚地示出的那樣。這種直線型照明函數(shù)60意味著將出現(xiàn)由光學(xué)系統(tǒng)10形成的好象被基本上均勻地照明的圖象。
與根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)10相聯(lián)系的明顯的優(yōu)點(diǎn)是它可以用于補(bǔ)償物體的非均勻照射，從而可以出現(xiàn)好象物體被更加均勻地照明的物體圖象。從而，由該光學(xué)系統(tǒng)提供的照明補(bǔ)償免除了提供用來更均勻地照明物體的高質(zhì)量或高精度光源的必要性。因此，在這里示出和描述的應(yīng)用中，光學(xué)系統(tǒng)10免除了為了產(chǎn)生更加均勻的照明圖案而為導(dǎo)航光源提供附加的反射鏡和/或透鏡系統(tǒng)的必要性。本發(fā)明的另一個優(yōu)點(diǎn)是可以通過簡單地改變遮斷元件54的形狀和/或位置來使光學(xué)系統(tǒng)10的透射函數(shù)56滿足補(bǔ)償許許多多非均勻照明中的任何一種的要求。此外，遮斷元件54可以容易地和便宜地產(chǎn)生，在一個最佳實(shí)施例中，可以包括直接淀積在透鏡36的物側(cè)表面52的不透明涂層(例如涂料)。
簡單地描述了用于補(bǔ)償物體的非均勻照明的光學(xué)系統(tǒng)10，以及其一些更明顯的特征和優(yōu)點(diǎn)之后，下面將詳細(xì)地描述根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)的各種實(shí)施例。但是，在繼續(xù)進(jìn)行詳細(xì)的描述之前應(yīng)當(dāng)指出，雖然在這里以可以同與便攜式或手持式掃描器14相聯(lián)系的光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)12合作使用的形式示出和描述了光學(xué)系統(tǒng)10，但是，它不限于與任何具體類型的光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)12或便攜式掃描裝置14一起使用。的確，光學(xué)系統(tǒng)10可以用于需要補(bǔ)償待成象的物體的非均勻照明的各式各樣的裝置和應(yīng)用場合中的任何一種。因此，不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為本發(fā)明限于這里示出的和描述的特定的裝置和應(yīng)用場合。
記住以上的考慮，這里以可以用于可能在便攜式或手持式圖象掃描器14中使用的光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)12的形式示出和描述用來補(bǔ)償物體的非均勻照明的光學(xué)系統(tǒng)10的一個最佳實(shí)施例。光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)12產(chǎn)生代表便攜式圖象掃描器14相對于物體16，例如其上有書面文本20的文件18的位置的導(dǎo)航信號(未示出)。從而，導(dǎo)航系統(tǒng)12使掃描器14幾乎可以掃描任何尺寸的文件，而與便攜式圖象掃描器14的尺寸無關(guān)。例如，可以通過沿著曲折的或者曲線形的、形成一次或多次掃描操作或“掃掠”的掃描路徑22在文件18上移動便攜式圖象掃描器14來掃描整個文件18。然后，由導(dǎo)航系統(tǒng)12提供的位置或?qū)Ш叫畔⒖梢杂脕戆言诿看螔呙杵陂g獲取的各個不同的圖象數(shù)據(jù)段接合或“縫合”在一起，以便形成代表整個被掃描物體16的圖象數(shù)據(jù)。
現(xiàn)在參考圖2-4，便攜式圖象掃描器14可以包括主體部分62和圖象頭部分64。主體部分62可以包括有助于用戶(未示出)用手操作的總體構(gòu)形或形狀，雖然也可以使用其它構(gòu)形。在一個最佳實(shí)施例中，可以按照容納便攜式圖象掃描器14的操作所需的各種電子元件(未示出)的尺寸來制造主體部分62。另一種辦法是，可以把各種電子元件中的一些或者全部設(shè)置在別處，而利用合適的鏈路，例如電纜或紅外數(shù)據(jù)鏈路(未示出)把它們連接到主體部分62。主體部分62還可以備有便攜式圖象掃描器14的操作所需要的或希望有的顯示系統(tǒng)66和各種開關(guān)裝置68、70和72。雖然在一個最佳實(shí)施例中開關(guān)裝置68、70和72設(shè)置在主體部分62的正面，但是，它們也可以設(shè)置在便攜式圖象掃描器14上任何方便的位置?？梢杂梢舶诒銛y式圖象掃描器14的主體部分62內(nèi)的合適的電源，例如電池(未示出)提供操作便攜式圖象掃描器14所需要的電功率。但是，由于可能需要或希望用于便攜式圖象掃描器14的各種電子元件、顯示裝置、開關(guān)裝置和電池在本專業(yè)中是眾所周知的，并且由于對各種元件的描述對于理解和實(shí)施本發(fā)明不是必須的，所以，這里不更詳細(xì)地描述用于本發(fā)明的一個最佳實(shí)施例中的元件，例如，電子元件(未示出)，顯示裝置66，開關(guān)裝置68、70和72等等。
現(xiàn)在主要參考圖3和4，便攜式掃描器14的圖象頭部分64可以包括安裝在主體部分62上的單獨(dú)的組件。另一種辦法是，圖象頭部分64可以包括與主體部分62成一體的部件。在任何一種情況下，都可以按照容納圖象檢測系統(tǒng)74和光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)12的尺寸來制造掃描器14的圖象頭部分64。就主要方面說，圖象檢測系統(tǒng)74產(chǎn)生代表包含在被掃描的物體16上被照亮的掃描區(qū)域84中的掃描行(未示出)的圖象信號(未示出)。導(dǎo)航系統(tǒng)12產(chǎn)生從由被照明的導(dǎo)航區(qū)28反射的導(dǎo)航光學(xué)32導(dǎo)出的導(dǎo)航數(shù)據(jù)信號(未示出)。
圖象檢測系統(tǒng)74可以包括適合于產(chǎn)生與被掃描物體16的各部分相關(guān)的圖象數(shù)據(jù)的本專業(yè)中目前已知的許許多多成象系統(tǒng)或者將來可能開發(fā)的成象系統(tǒng)中的任何一種。因此，不應(yīng)當(dāng)把看做限于任何特定類型的圖象檢測系統(tǒng)74。但是，作為例子，用于本發(fā)明的一個最佳實(shí)施例中的圖象檢測系統(tǒng)74可以包括用于把光線78照射到被掃描物體16上的照明系統(tǒng)76。光線78穿過設(shè)置在圖象頭64的接觸面82上的長縫80，如圖3中最清楚地示出的那樣。因此，由照明系統(tǒng)76產(chǎn)生的光線78照亮物體16上通常對應(yīng)于長縫80的尺寸和形狀的掃描區(qū)域84。成象系統(tǒng)86把由物體16上被照明的掃描區(qū)域84反射的圖象光線88投射到檢測器90上。檢測器90產(chǎn)生與圖象光線88有關(guān)的圖象信號(未示出)。
圖象檢測系統(tǒng)74各種部件可以包括本專業(yè)中眾所周知的許許多多部件和器件或者將來可能開發(fā)的部件和器件中的任何部件和器件。例如，在一個最佳實(shí)施例中，照明系統(tǒng)76可以包括產(chǎn)生其亮度足以照明被掃描物體16上掃描區(qū)域84的光線78的發(fā)光二極管陣列。另外，也可以使用其它類型的光源，例如白熾燈或日光燈光源。用于把圖象光線88投射和聚焦在檢測器90的表面上的成象系統(tǒng)86最好包括(但不是必要的)接觸型圖象傳感器，例如以Nippon SheetGlass Company，Limited注冊的商標(biāo)SELFOC為名銷售的那種類型的接觸型圖象傳感器。另外，也可以使用例如投影成象系統(tǒng)的其它類型的成象系統(tǒng)。檢測器90可以包括具有300ppi(每英寸象素數(shù)目)分辨率的線性CCD陣列，例如可以從Austin，TX的TexasInstruments，Inc.買到的，型號為TS105的CCD陣列。另一方面，具有其它分辨率的其它類型的檢測器也可使用。
導(dǎo)航系統(tǒng)12最清楚地示于圖4和7中，并且主要包括兩個子系統(tǒng)光學(xué)子系統(tǒng)92和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)(未示出)。光學(xué)子系統(tǒng)92照亮導(dǎo)航區(qū)28并且把被照明的導(dǎo)航區(qū)28的至少一部分的圖象投影到導(dǎo)航檢測器34的表面上。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)(未示出)接收來自導(dǎo)航檢測器34的圖象數(shù)據(jù)(未示出)并且處理該圖象數(shù)據(jù)，以便產(chǎn)生導(dǎo)航數(shù)據(jù)(未示出)。在這里示出和描述實(shí)施例中，從被掃描物體16上的固有的結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)出導(dǎo)航數(shù)據(jù)。這里使用的術(shù)語“固有的結(jié)構(gòu)特征”指的是被掃描物體16的固有結(jié)構(gòu)特征，它們表征物體16而與物體16上的形成圖象數(shù)據(jù)和/或系統(tǒng)登錄數(shù)據(jù)無關(guān)。例如，如果被掃描的物體16是包括紙張文件18，則感興趣的固有結(jié)構(gòu)特征可以是紙纖維。作為另一個例子，如果物體包括光滑的文件或者架空的透明膠片，則感興趣的所述固有結(jié)構(gòu)特征可以包括由被照明的導(dǎo)航區(qū)28產(chǎn)生的鏡面反射場。
如上所述，由導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)(未示出)產(chǎn)生的導(dǎo)航數(shù)據(jù)可以由圖象數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(也未示出)用來把由圖象檢測系統(tǒng)74在各個不同的掃描過程中產(chǎn)生的圖象數(shù)據(jù)縫合在一起。所述導(dǎo)航處理子系統(tǒng)和縫合算法可以是Holland的題為“檢測紙張纖維圖案的紙張推進(jìn)系統(tǒng)”的美國專利No.5,089,712；以及Allen等人的題為“補(bǔ)償非線性移動的手持式圖象掃描裝置”的美國專利No.5,578,813中示出和描述的類型，這兩項專利所公開的所有方面被具體地包括在本文中作為參考。但是，由于導(dǎo)航處理子系統(tǒng)和用來檢測和處理與包含在物體16上的固有結(jié)構(gòu)特征有關(guān)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)的方法在美國專利No.5,089,712和美國專利No.5,578,813中有很詳細(xì)的描述，并且，由于與上述裝置和處理方法有關(guān)的細(xì)節(jié)對于理解或?qū)嵤┍景l(fā)明不是必要的，所以，這里將不對導(dǎo)航處理子系統(tǒng)的各種部件和用來檢測和處理導(dǎo)航數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
導(dǎo)航系統(tǒng)12的光學(xué)子系統(tǒng)部分92可以包括第一和第二導(dǎo)航傳感器24和26，后者觀察或監(jiān)視物體16上的相應(yīng)的第一和第二導(dǎo)航區(qū)(例如，28)。每一個導(dǎo)航傳感器24、26利用根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)10，并且是基本上彼此相同的。因此，將只詳細(xì)地描述第一導(dǎo)航傳感器24。
現(xiàn)在主要參考圖4和5，第一導(dǎo)航傳感器24可以包括用來通過設(shè)置在圖象頭64的接觸面82中的導(dǎo)航孔94照亮導(dǎo)航區(qū)28的光源30。光源30可以包括容易從市場上購買到的許許多多光源中的任何一種。例如，在一個最佳實(shí)施例中，光源30可以包括這樣定位的紅外發(fā)光二極管，使得由此產(chǎn)生的光線以大約5°至大約30°范圍內(nèi)的入射余角入射到物體16上。入射余角是入射角的余角。因此，如果要檢測鏡面場的話，則光線可以以大體上正交角入射。類似地，用于檢測由被照明的導(dǎo)航區(qū)28反射的導(dǎo)航光線32的導(dǎo)航檢測器34可以包括容易在市場上購買到的許許多多檢測器中的任何一種。例如，在一個最佳實(shí)施例中，導(dǎo)航檢測器34可以包括具有大約48×48個象素的尺寸和大約600ppi(每英寸的象素數(shù)目)分辨率的二維CCD陣列。另外，還可以使用具有不同尺寸和/或分辨率的陣列。
現(xiàn)在參考圖5，在大多數(shù)情況下，由光源30向?qū)Ш絽^(qū)28提供的照明通常是不均勻的，并且包括具有各不相同的亮度等級的許多區(qū)域。例如，考慮一種假想的情況，其中，被照明的導(dǎo)航區(qū)28包含具有兩種不同亮度等級的兩個不同區(qū)域位于被照明的導(dǎo)航區(qū)28的中心區(qū)域的明亮照明區(qū)域38和位于被照明的導(dǎo)航區(qū)28的外側(cè)區(qū)域的次明亮照明區(qū)域40。但是，在進(jìn)一步描述之前應(yīng)當(dāng)指出，上述構(gòu)形僅僅是示范性的，并且，實(shí)際上，通?？梢园驯徽彰鞯膶?dǎo)航區(qū)28表征為具有許多不同亮度的區(qū)域。但是，為了便于討論和說明，這里示出和描述只具有不同亮度并且位于圖5中所舉例說明的位置附近的兩個區(qū)域38和40的被照明的導(dǎo)航區(qū)28。
可以通過照明函數(shù)42用圖解法表示向?qū)Ш絽^(qū)28提供的照明，其中，沿著橫坐標(biāo)(即，水平軸)標(biāo)出沿導(dǎo)航區(qū)28的位置，并且，沿著縱坐標(biāo)(即，垂直軸)標(biāo)出亮度。為了方便，把圖6中所示的照明函數(shù)42歸一化，以便把被照明的導(dǎo)航區(qū)28范圍內(nèi)的位置和照度值的最大值都設(shè)置為1。這樣，在這里示出和描述的例子的情況下，中心區(qū)域、即明亮照明區(qū)域38被規(guī)定為具有1的亮度值，而外側(cè)、即次明亮照明區(qū)域40具有大約是中心區(qū)域38的亮度值的一半的亮度值。此外，應(yīng)當(dāng)記住，上述不同亮度區(qū)域的數(shù)目(即，2)以及它們的亮度比(即，2∶1)僅僅是示范性的，它們可能代表也可能不代表與特定的照明系統(tǒng)相聯(lián)系的不同亮度區(qū)域的數(shù)目和相應(yīng)的亮度比。
現(xiàn)在主要參考圖7，偶然參考圖4，光學(xué)系統(tǒng)10可以包括這樣定位的透鏡組件36，使得透鏡36位于物體16和檢測器34之間。通常，最好(但不是必要的)在透鏡組件36和物體16之間設(shè)置透明窗44，以便使透鏡組件36與灰塵隔絕，并且保護(hù)它不受損壞。孔徑光闌46可以這樣定位于透鏡36和檢測器34之間，使得它基本上同與透鏡組件36相關(guān)的圖象側(cè)焦面48共平面?？讖焦怅@46定位在透鏡36的圖象側(cè)焦面48附近，這使得透鏡組件36是遠(yuǎn)心透鏡系統(tǒng)。結(jié)果，由包含在物體16上被照明的導(dǎo)航區(qū)28中的各種不同的場點(diǎn)50反射的光線32的錐體在物體16和透鏡組件36的前表面或物側(cè)表面之間的區(qū)域中保持相對地不同的狀態(tài)并且很好地分開。見圖7。
透鏡36可以包括許許多多會聚透鏡中的任何一種(例如，或者單透鏡、或者多透鏡組)，對于本專業(yè)的普通技術(shù)人員來說，在熟悉本發(fā)明的精神之后，對于透鏡36的選擇是顯而易見的。因此，不應(yīng)當(dāng)把本發(fā)明當(dāng)作只限于任何特定的透鏡或多透鏡組。透鏡36還可以是鍍膜或者未鍍膜的，也是隨特定應(yīng)用場合的需要而定。例如，在一個最佳實(shí)施例中，透鏡36可以包括可以從Eindhoven，NL的PhilipsComponents買到的并且具有大約6.0mm的直徑和大約8.0mm的焦距的單個會聚透鏡。另外，也可以使用具有其它直徑和焦距的透鏡。
透明窗44可以包括由各種各樣適合于光學(xué)應(yīng)用的透明材料(例如，玻璃或塑料)制成的一般平面元件。例如，在一個最佳實(shí)施例中，透明窗44由環(huán)烯共聚物(COC)制成。
光學(xué)組件10還可以備有這樣定位在物體16和透鏡36之間的遮斷元件54，使得它阻擋來自明亮照明區(qū)域38的預(yù)定量的光線，但是基本上不阻擋來自次明亮照明區(qū)域40的光線。在一個最佳實(shí)施例中，遮斷元件54可以包括淀積在透鏡36的物側(cè)表面52的基本上圓形的不透明材料，如圖8中最清楚地示出的。另一種辦法是，遮斷元件54可以位于或者窗44的物側(cè)表面或者窗44的透鏡側(cè)表面98。在再一個可供選擇的方案中，遮斷元件54可以位于透鏡36的物側(cè)表面52和物體16之間的任何位置，只要遮斷元件54位于基本上散焦的位置、使得其圖象不出現(xiàn)在聚焦于檢測器14上的圖象上。
遮斷元件54可以包括各種各樣材料中的任何材料，例如金屬或者塑料，隨遮斷元件54將被定位在什么位置而定。例如，在一個實(shí)施例中，遮斷元件54可以包括這樣定位的不透明的金屬或塑料，使得它阻擋來自明亮照明區(qū)域38的預(yù)定量的光線。在另一個實(shí)施例中，遮斷元件54可以包括直接淀積在透鏡36的前側(cè)面52上、或者、如果設(shè)置窗44的話、直接淀積在窗44的任意一側(cè)96、98上的不透明材料(例如，黑色涂料或者其它這樣的不透明或基本上不透明的材料)。在再一個實(shí)施例中，遮斷元件54不必是不透明的，而可以包括阻擋入射在它上面的光線中一定百分比光線的半透明材料。在任何一種情況下，所述遮斷元件的功能都是要阻擋來自被照明的導(dǎo)航區(qū)28上預(yù)定位置(即，場點(diǎn)50的軌跡)的預(yù)定量的光線?？梢园凑找韵碌目紤]來確定準(zhǔn)備由遮斷元件54阻擋的光線的量及其位置。
如上面已經(jīng)簡單地說明的，遠(yuǎn)心透鏡組件36和遮斷元件54的組合產(chǎn)生光學(xué)系統(tǒng)10的透射函數(shù)56，后者包含對應(yīng)于位于被照明的導(dǎo)航區(qū)28的中心區(qū)域的場點(diǎn)50的低透射比吊桶58。因此，如果光學(xué)系統(tǒng)10被用來形成具有基本上如圖6中所示的照明函數(shù)42的被照明的導(dǎo)航區(qū)28(即，具有明亮照明區(qū)域38和次明亮照明區(qū)域40的被照明區(qū))的圖象，結(jié)果將是出現(xiàn)這樣的圖象與實(shí)際情況相比，它好象被更加均勻地照明了。換句話說，光學(xué)系統(tǒng)10通過使對應(yīng)于次明亮照明區(qū)域40(圖5)的區(qū)域具有高透射比并且使對應(yīng)于明亮照明區(qū)域38的區(qū)域具有減小的透射比58而補(bǔ)償了物體的非均勻照明。用圖解法來表示，透射函數(shù)56與照明函數(shù)42組合，形成補(bǔ)償后的照明函數(shù)60，如圖10中最清楚地示出的。
可以通過改變遮斷元件54的尺寸、形狀和位置來控制透射函數(shù)56的形狀，使得透射和照明函數(shù)56和42的組合產(chǎn)生具有所需要的特性或響應(yīng)的補(bǔ)償后的照明函數(shù)60。例如，在這里示出和描述的實(shí)施例中，最好這樣調(diào)節(jié)透射函數(shù)56，使得最后得到的補(bǔ)償后的照明函數(shù)60形成一條大體上的直線，如圖10中最清楚地示出的那樣。這種直線型照明函數(shù)60意味著將出現(xiàn)由光學(xué)系統(tǒng)10形成的、好象被具有基本上均勻的照明圖案的光源照明的圖象。
在許多應(yīng)用場合，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，利用光學(xué)模擬計算機(jī)程序，例如可以從Sinclair Optics得到的OSLO，確定遮斷元件54的合適的尺寸、形狀和位置。給定可以由實(shí)際光源和安裝確定的已知照明函數(shù)(例如，圖5中示出的照明函數(shù)42)，然后，利用光學(xué)模擬計算機(jī)程序確定由處在特定位置的具有尺寸和形狀的遮斷元件的布局產(chǎn)生的透射函數(shù)。然后，可以按照需要修改透射函數(shù)(例如，56)，使得當(dāng)它與特定的照明函數(shù)(例如，42)組合時，產(chǎn)生具有所需要的形狀的補(bǔ)償后的照明函數(shù)(例如，60)。
作為例子，現(xiàn)在參考圖11，可以證明，對于特定的裝置，所述遮斷元件應(yīng)當(dāng)包括基本上與透鏡136的中心同心地定位的環(huán)形構(gòu)件154。對于位于被照明的導(dǎo)航區(qū)的中心附近的場點(diǎn)來說，這樣的遮斷元件154將導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)具有增加的透射比。如果照明函數(shù)包含被照明的導(dǎo)航區(qū)的中心附近的“下落”，則這樣的構(gòu)形是所希望有的。再一種構(gòu)形也是可能的。例如，所述遮斷元件可以采取十字254的形狀，如圖12中最清楚地示出的，這里(our)可以包括多條徑向取向的線條354，如圖13中所示。對于使用這種遮斷元件的光學(xué)系統(tǒng)來說，這種可供選擇的形狀將產(chǎn)生不同的透射比函數(shù)(例如，56)，對于特定的應(yīng)用場合，這可能是需要的或者所希望的。
如這里顯示和描述的第一實(shí)施例的情況那樣，可以把遮斷元件的各種構(gòu)形(例如，環(huán)形元件154，十字形元件254，或者徑向排列的線條354)中的任何一種定位或淀積在相應(yīng)的透鏡組件136，236，或336的物側(cè)表面152，252，或352。另一種辦法是，如果光學(xué)系統(tǒng)設(shè)置透明窗，則可以把各種遮斷元件定位或淀積在透明窗(例如，44)的或者物側(cè)(例如，96)，或者透鏡側(cè)(例如，98)。在再一個實(shí)施例中，各種遮斷元件(例如154，254，或354)可以包括定位在物體和透鏡之間的任何方便的、但基本上散焦的位置上的分開的元件。
可以設(shè)想，可以用不同的方法來實(shí)現(xiàn)這里所描述的發(fā)明思想，并且，要把后附的權(quán)利要求書解釋為包含本發(fā)明的可供選擇的實(shí)施例，除非受到先有技術(shù)的限制。
權(quán)利要求
1.一種用以形成物體(16)上被照明區(qū)(28)的至少一部分的圖象的光學(xué)系統(tǒng)(10)，所述被照明區(qū)(28)由至少一個明亮照明區(qū)域(38)和至少一個次明亮照明區(qū)域(40)來表征，所述光學(xué)系統(tǒng)(10)包括定位在與所述物體(16)上所述被照明區(qū)(28)隔開一段距離的位置的透鏡(36)，所述透鏡(36)具有圖象側(cè)焦面(48)；孔徑光闌(46)，它是這樣定位的，使得它與所述透鏡(36)的所述圖象側(cè)焦面(48)共平面；以及遮斷元件(54)，它這樣定位在所述透鏡(36)和所述物體(16)上所述被照明區(qū)(28)之間，使得該遮斷元件(54)阻擋來自所述明亮照明區(qū)域(38)的預(yù)定量的光線(32)，但是，基本上不阻擋來自所述次明亮照明區(qū)域(40)的光線(32)。
2.權(quán)利要求1的光學(xué)系統(tǒng)(10)，其特征在于所述透鏡(36)包括物側(cè)表面(52)，并且，所述遮斷元件(54)定位在所述透鏡(36)的所述物側(cè)表面(52)附近。
3.權(quán)利要求1或2的光學(xué)系統(tǒng)(10)，其特征在于所述遮斷元件(54)包括淀積在所述透鏡(36)的所述物側(cè)表面(52)上的不透明材料。
4.權(quán)利要求1、2或3的光學(xué)系統(tǒng)(10)，其特征在于還包括定位在所述透鏡(36)的所述物側(cè)表面(52)和所述物體(16)的所述被照明區(qū)(28)之間的窗(44)，所述窗(44)具有物側(cè)表面(96)和透鏡側(cè)表面(98)。
5.權(quán)利要求1、2、3或4的光學(xué)系統(tǒng)(10)，其特征在于所述遮斷元件(54)定位在所述窗(44)的所述透鏡側(cè)表面(98)附近。
6.權(quán)利要求1、2、3、4或5的光學(xué)系統(tǒng)(10)，其特征在于所述遮斷元件(54)包括淀積在所述窗(44)的所述透鏡側(cè)表面(98)上的不透明材料。
7.權(quán)利要求1、2、3、4、5或6的光學(xué)系統(tǒng)(10)，其特征在于所述遮斷元件(54)有大體上圓的形狀。
8.一種用以形成物體(16)上被照明區(qū)(28)的至少一部分的圖象的光學(xué)系統(tǒng)(10)，所述被照明區(qū)(28)由至少一個明亮照明區(qū)域(38)和至少一個次明亮照明區(qū)域(40)來表征，所述光學(xué)系統(tǒng)(10)包括定位在與所述物體(16)隔開一段距離的位置、用來形成所述物體(16)上所述被照明區(qū)(28)的至少一部分的圖象的透鏡裝置(36)；遠(yuǎn)心孔徑光闌裝置(46)，它有效地與所述透鏡裝置(36)相聯(lián)系，用來阻擋所選擇的由所述透鏡裝置(36)折射的光線；以及遮斷裝置(54)，它定位在所述透鏡裝置(36)和所述物體(16)之間，用來阻擋來自所述明亮照明區(qū)域(38)的預(yù)定量的光線(32)，但是，基本上不阻擋來自所述次明亮照明區(qū)域(40)的光線(32)。
9.一種形成物體(16)上被照明區(qū)(28)的至少一部分的圖象的方法，所述被照明區(qū)(28)由至少一個明亮照明區(qū)域(38)和至少一個次明亮照明區(qū)域(40)來表征，所述方法包括以下步驟把透鏡(36)定位在與所述物體(16)上所述被照明區(qū)(28)隔開一段距離的位置上，所述透鏡(36)具有圖象側(cè)焦面(48)；把孔徑光闌(46)定位在所述透鏡(36)的所述圖象側(cè)焦平面(48)附近；以及在來自所述明亮照明區(qū)域(38)的光線(32)被所述透鏡(36)折射之前阻擋來自所述明亮照明區(qū)域(38)的預(yù)定量的光線(32)。
10.一種用于圖象檢測裝置(14)的導(dǎo)航系統(tǒng)(12)，所述導(dǎo)航系統(tǒng)(12)產(chǎn)生與從物體(16)上被照明的導(dǎo)航區(qū)(28)接收到的導(dǎo)航光線(32)有關(guān)的導(dǎo)航信號，所述被照明的導(dǎo)航區(qū)(28)由至少一個明亮照明區(qū)域(38)和至少一個次明亮照明區(qū)域(40)來表征，所述導(dǎo)航系統(tǒng)(12)包括檢測器(34)；具有圖象側(cè)焦面(48)的透鏡(36)，所述透鏡(36)這樣定位在所述檢測器(34)和所述物體(16)上所述被照明的導(dǎo)航區(qū)(28)之間，使得所述透鏡(36)在所述檢測器(34)上形成所述被照明的導(dǎo)航區(qū)(28)的至少一部分的圖象；孔徑光闌(46)，它是這樣定位的，使得它與所述透鏡(36)的所述圖象側(cè)焦面(48)共平面；以及遮斷元件(54)，它這樣定位在所述透鏡(36)和所述物體(16)上所述被照明區(qū)(28)之間，使得該遮斷元件(54)阻擋來自所述明亮照明區(qū)域(38)的預(yù)定量的導(dǎo)航光線(32)，但是，基本上不阻擋來自所述次明亮照明區(qū)域(40)的導(dǎo)航光線(32)。
全文摘要
用以形成物體(16)上被照明區(qū)(28)的至少一部分的圖象的光學(xué)系統(tǒng)(10)可以包括:定位在與物體(16)上被照明區(qū)(28)隔開一段距離的位置的透鏡(36);以及孔徑光闌(46),它是這樣定位的,使得它與透鏡(36)的圖象側(cè)焦面(48)共平面。遮斷元件(54)這樣定位在透鏡(36)和物體(16)上被照明區(qū)(28)之間,使得遮斷元件(54)阻擋來自被照明區(qū)(28)中明亮照明區(qū)域(38)的預(yù)定量的光線(32),但是,基本上不阻擋來自被照明區(qū)(28)中次明亮照明區(qū)域(40)的光線(32)。
文檔編號H04N1/107GK1258055SQ9912335
公開日2000年6月28日 申請日期1999年10月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月23日
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