CN1284020C - 可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置 - Google Patents

可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置，其至少包含一提供入射光束的宽频光源、一成像镜群、一非球面像场修正镜以及一线型传感器，且该等组件沿同一光轴依序排列。其中，该成像镜群包含四个可旋转对称的透镜，该等透镜将用于折射入射光束并将其会聚为一线性光束。该像场修正镜亦为可旋转对称结构且呈带状，其长度方向与线型图像方向一致，并设置于该成像镜群与该线型传感器间且靠近该线型传感器的位置处，以相对较大的像场角将线性光束折射于该线型传感器上，从而同时达成有效校正各种像差及缩短总光程的目的。此外，该线型传感器具有一供线性光束聚焦成像用的像平面，并且该像平面上所成的瞬间图像为线型图像。

Description

可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置
技术领域
本发明是有关一种可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置，尤其是有关一种可提供相对较大像场角以校正像差，提供较佳图像品质而且结构简便紧凑的线扫描系统用光学装置。
背景技术
众所周知，在光学设计领域，通常采用一低功率光学组件如像场透镜(又称像场修正镜)等设置于成像平面上或其附近，以有效校正诸如残余像场弯曲、像散及畸变等各类单色像差，尤其是在许多对像场修正要求较高的光学应用上，如投影机，探测器等。
此类像场修正镜设计最先用于匹兹万(Petzval)镜组中。早期，Petzval镜组设计存在残余像散及像场弯曲等各种像差问题，致使其所得图像品质不佳，如美国专利第65729号、德国专利第5761、英国专利第4756号及美国专利第1,479,251号等所揭露的技术。为此，后来大多Petzval镜组均增设一符合要求的像场修正镜设计，以校正上述各类像差，从而改善图像品质，而且不必配以更为复杂的光学设计，如英国专利第127058号、美国专利第2,076,190号、美国专利第2,541,484号及美国专利第2,649,021号等所揭露的光学系统设计。但由于此类现有光学系统所采用的像场修正镜光学表面多为球面设计，因此其像差校正能力仍然十分有限。
另外，较早的光学装置还曾采用另一种本身即具有类似像差校正功能的成像镜群设计，而无需再增设一像场修正镜。然而，相较于前述具单独一像场修正镜的光学系统设计而言，此类光学镜群设计将更为复杂，且需要更多的透镜结构组合以达成同样性能，致使整个光学系统更为复杂。因此，业界更多选择在光学系统中添设一像场修正镜的方式，以简化系统设计同时有效校正各种单色像差。
后来发现，非球面设计的像场修正镜可更进一步改善像差校正功效，而且就其性价比而言，更适用于高性能的光学系统，因此该类非球面设计的像场修正镜逐渐取代原有球面设计的像场修正镜成为新宠儿。例如，美国专利第2,803,997号便揭露有一种采用非球面像场修正镜的远距摄影系统。此外该专利的前案还进一步揭示，非球面像场修正镜的设计明显有助于广角光学系统的性能提升。
目前，许多使用镭射光源的高端光学系统设计，如单色镭射扫描仪等，均在贴近像平面处配置有多个像场修正镜，而且每一像场修正镜至少有一光学表面为非球面，借此有效改善像差校正问题。相关前案可参考美国专利第5,179,465号及美国专利第6,535,317号，这两专利中所揭露的镭射扫描系统用光学装置均包含一发射窄频光束的镭射光源、一用于反射该入射光束并以点扫描方式在主扫描平面内传递该光束的旋转多角镜以及一用于校正像差的带状非球面像场修正镜。另外，此类光学装置还具有校正畸变差的适当f-θ特性，而且其像场修正镜的非球面形光学表面为双侧面对称设计，以符合环形光学表面的数学特性。综上可知，现有此类光学装置并不适用于宽频线扫描产品。
除像差校正的问题外，总光程也是光学系统设计时常需考虑的一项重要指标，尤其是在近距广角影像系统中。所谓总光程是指从物平面至像平面的轴向距离。在近距广角影像系统中，其物平面与透镜系统间距离为有限数值，而其透镜系统至像平面的距离为一固定数值，故该光学系统的总光程亦为一固定数值。据此，当给定一固定目标物大小及放大倍率时，该光学系统的总光程与像场角的正切值大约成反比，亦即像场角愈大，则光程长愈短。线扫描装置即为典型的近距广角影像系统，如常见的平板文件扫描仪产品，便要求总光程尽可能缩短，以使结构更为紧凑，而此将造成光学设计更为困难。以上便是现有近距广角影像系统普遍存在的问题，因此如何改善上述缺陷，提供一种既可缩短总光程，使系统结构更为简便紧凑，又可有效校正各种光学像差的光学装置即为本发明所研究的课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置，其可提供相对较大的像场角，同时缩短总光程并有效校正各类像差，进而使系统结构更为简便紧凑且价格低廉，图像品质亦得以大幅提升。
本发明的又一目的在于提供一种可缩短总光程而用于线扫描系统且具消色差能力的光学装置，其各类像差均可得到有效校正。
本发明的再一目的在于提供一种可缩短总光程而用于线扫描系统且具消色差能力的光学装置，其中瞬间图像沿文件宽度方向呈线型产生，且直线畸变像差问题可得到完全校正。
本发明可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置是通过以下技术方案来实现的：其至少包含一提供入射光束的宽频光源、一成像镜群、一非球面像场修正镜以及一线型传感器，且该等组件沿同一光轴依序排列。其中，该成像镜群包含一定数量且可旋转对称的透镜，该等透镜将用于折射入射光束并将其会聚为一线性光束。该像场修正镜亦为可旋转对称结构且呈带状，其长度方向与线型图像方向一致，并设置于该成像镜群与该线型传感器间且靠近该线型传感器的位置处，以相对较大的像场角将线性光束折射于该线型传感器上，从而同时达成有效校正各种像差及缩短总光程的目的。此外，该线型传感器具有一供线性光束聚焦成像用的像平面，并且该像平面上所成的瞬间图像为线型图像。
通过上述技术方案的实现，本发明可以提供相对较大的像场角，同时有效缩短总光程并校正各种光学像差，从而使整个系统结构更为简便紧凑，而且图像品质也可大幅提升。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
图1为本发明第一优选实施例的可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置的示意图。
图2为根据图1所示本发明第一优选实施例的可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置中像场修正镜的立体图。
图3a及3b分别为根据图1所示本发明第一优选实施例的可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置的像散与畸变示意图。
图4为根据图1所示本发明第一优选实施例的可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置的衍射调制传递函数曲线图。
图5为根据图1所示本发明第一优选实施例的可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置的散焦与对应斑点直径关系示意图。
图6为本发明第二优选实施例的可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置的示意图。
图7为根据图6所示本发明第二优选实施例的可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置中像场修正镜的立体图。
图8a及8b分别为根据图6所示本发明第二优选实施例的可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置的像散与畸变示意图。
图9为根据图6所示本发明第二优选实施例的可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置的衍射调制传递函数曲线图。
图10为根据图6所示本发明第二优选实施例的可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置的散焦及对应斑点直径关系示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及功效，以下特例举实施例并配合附图予以详细说明。
本发明可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置，包含一宽频光源、一成像镜群、一像场修正镜群以及一线型传感器，且该等组件沿同一光轴依序排列。其中，该宽频光源可选择发射一可见光束。该成像镜群包含一定数量且可旋转对称的透镜，该等透镜将用于折射入射光束并将其会聚为一线性光束。该像场修正镜群至少包含一可旋转对称的非球面透镜，该透镜呈带状，且其长度方向与线型图像方向一致，并可设置于该成像镜群与该线型传感器间且靠近该线型传感器的位置处，以相对较大的像场角将线性光束折射于该线型传感器上，从而同时达成有效校正各种像差及缩短总光程的目的。另外，该像场修正镜群的每一透镜均可采用高分子聚合物材料并利用现有低成本精密光学模铸技艺制成，如射出成型或压铸成型等。该线型传感器则通常选用CCD传感器，即电荷耦合传感器，其可提供一供线性光束聚焦成像用的像平面，并且该像平面上所成的瞬间图像为线型图像。
请参阅图1及图2所示，本发明第一优选实施例的可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置包含一宽频光源20、一成像镜群30、一非球面像场修正镜40以及一CCD传感器50，且该等组件沿同一光轴O依序排列。其中，该宽频光源20可发射一可见光束。该成像镜群30包含四个可旋转对称的透镜，用以将该可见光束会聚为一线性光束。该实施例的相关参数请参阅表一，其中R表示透镜表面的曲率半径(单位为毫米)，D则表示两相邻光学表面间厚度(单位为毫米)，Nd则表示波长为587.56nm时的折射率，Vd则表示阿贝系数：
                        表一
  Surface No.   R   D   Nd   Vd
  1   平面   3.00   1.516800   64.2
  2   平面   148.02
  3   60.960   2.00   1.548140   45.8
  4   8.452   1.00
  5   12.053   11.18   1.883000   40.8
  6   -147.885   0.25
  7   平面   0.25
  8   -25.134   1.50   1.922860   20.9
  9   35.545   0.50
  10   144.650   3.32   1.883000   40.8
  11   -13.058   23.18
  12   非球面   2.00   1.493581   57.5
  13   非球面   2.00
  14   平面   0.70   1.493581   57.5
  15   平面
该像场修正镜40亦为可旋转对称结构且呈带状，并定位于该成像镜群30与CCD传感器50所提供的一像平面间且靠近该CCD传感器50的适当位置处。另外，该像场修正镜40的长度方向与线型图像方向一致，其两光学表面12、13均为非球面设计(如表一所示)，并满足下列等式：
X = ( CY 2 / ( 1 + ( 1 - ( 1 + K ) C 2 Y 2 ) ) ) + A 4 Y 4 + A 6 Y 6 + A 8 Y 8 + A 10 Y 10
其中，X为靠近非球面的坐标点从正切平面延伸至非球面顶点的距离；Y为靠近非球面的坐标点垂直光轴的高度；C为非球面表面顶点的曲率；K为二次曲线常数；A4、A6、A8及A10则分别为第四阶、第六阶、第八阶与第十阶的非球面系数。该像场修正镜40两光学表面12、13对应的二次曲线常数及非球面系数均列于表二中：
            表二
  Surface No.12   Surface No.13
  C＝-0.010000   C＝-0.010000
  K＝-1.000000   K＝-1.000000
  A4＝-0.190435×10-3   A4＝-0.147307×10-3
  A6＝0.454775×10-6   A6＝0.262378×10-6
  A8＝0.000000   A8＝0.000000
  A10＝0.000000   A10＝0.000000
另外，该CCD传感器50具有四百万像素，其长度约为40.8mm。基于上述结构以及具体参数设置，本实施例与现有无像场修正镜结构的同类光学系统设计就相关光学指标的比对如下附表三所示：
                        表三
  现有无像场修正镜结构的光学设计   本发明第一优选实施例的光学装置设计
  放大倍率                      0.189x
  可操作波长                      550nm
  有效焦距   ~37mm   24.12mm
  F-number   ~7.2   7.25
  像场半角   ~24.5deg   34.21deg
  总光程   280mm   200mm
  功效的增进   本实施例的总光程缩短28％
由上表可知，相较于现有同类光学系统设计，本实施例因采用非球面像场修正镜40结构而可提供相对较大的像场角，并将总光程缩短28％，从而使整个光学装置结构更为简便紧凑。
此外，图3a及3b分别为本发明第一优选实施例的光学装置像散及畸变示意图，其中图3a中所示的实线代表径向像散曲线，虚线代表切向像散曲线。图4及图5则分别为本发明第一优选实施例的光学装置的衍射调制传递函数曲线图以及散焦与对应斑点直径关系示意图。由上述各图可明显看出，本实施例的各种像差均得到有效校正，并可获得较佳的图像品质。
再请参阅图6及图7所示，本发明第二优选实施例的可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置包含一发射可见光束的宽频光源20、一成像镜群30’、一带状非球面像场修正镜40’及一CCD传感器50’，且该等组件沿同一光轴O’依序排列。其中，该成像镜群30’也包含四个用于将可见光束会聚成一线性光束并且为可旋转对称结构的透镜，但该等透镜的形状及光学参数均不同于上述第一优选实施例。请参阅表四所示的本实施例各项相关光学参数，其中R表示每一透镜表面的曲率半径(单位为毫米)，D表示两相邻光学表面间厚度(单位为毫米)，Nd则表示波长为587.56nm时的折射率，Vd则表示阿贝系数：
                    表四
  Surface No.   R   D   Nd   Vd
  1   平面   3.00   1.516800   64.1
  2   平面   121.03
  3   8.492   2.00   1.487489   70.4
  4   2.940   1.35
  5   9.871   2.90   1.820168   29.7
  6   -28.425   0.10
  7   平面   0.10
  8   -10.184   1.50   1.922860   20.9
  9   14.556   0.10
  10   25.244   2.00   1.787997   47.5
  11   -4.961   10.12
  12   非球面   2.00   1.493581   57.5
  13   非球面   2.00
  14   平面   0.70   1.493581   57.5
  15   平面
如上表所列，该像场修正镜40’的两光学表面12、13也均为非球面设计，并且需满足下列等式：
X = ( CY 2 / ( 1 + ( 1 - ( 1 + K ) C 2 Y 2 ) ) ) + A 4 Y 4 + A 6 Y 6 + A 8 Y 8 + A 10 Y 10
其中，X为靠近非球面的坐标点从正切平面延伸至非球面顶点的距离；Y为靠近非球面的坐标点垂直光轴的高度；C为非球面表面顶点的曲率1/R；K为二次曲线常数；A4、A6、A8及A10则分别为第四阶、第六阶、第八阶与第十阶的非球面系数。但该像场修正镜40’两光学表面12、13的具体形状并不同于本发明第一优选实施例的设计，二者对应的二次曲线常数及非球面系数分别列于表五中：
                       表五
  Surface No.12   Surface No.13
  C＝-0.010000   C＝0.000000
  K＝-1.000000   K＝-1.000000
  A4＝-0.840490×10-3   A4＝-0.533770×10-3
  A6＝0.101137×10-5   A6＝0.331089×10-5
  A8＝0.000000   A8＝0.000000
  A10＝0.000000   A10＝0.000000
此外，该CCD传感器50’也是四百万像素型，但其长度仅为20.4mm。因此，依据上述具体构成，本实施例与现有无像场修正镜结构的同类光学系统设计就相关光学指标的比对请参阅下附表六所示：
                        表六
  现有无像场修正镜结构的光学设计   本发明第二优选实施例的光学装置设计
  放大倍率                   0.0945x
  可操作波长                   550nm
  有效焦距   ~14mm   11.29mm
  F-number   ~6.5   7.25
  像场半角   ~33deg   40.29deg
  总光程   183mm   150mm
  功效的增进   本实施例的总光程缩短18％
由上表可知，相较于现有同类光学系统设计，本实施例因采用非球面像场修正镜40’结构而可提供相对较大的像场角，并使总光程缩短18％，从而使整个光学装置结构更为简便紧凑。
图8a及8b分别为本发明第二优选实施例的光学装置像散及畸变示意图，且该等附图中曲线标号的代表意义均与前述第一优选实施例相同。此外，图9及图10分别为本发明第二优选实施例的光学装置的衍射调制传递函数曲线图以及散焦与对应斑点直径关系示意图。上述各图均清晰表明该本实施例光学装置的各种像差已得到有效校正，并可获得较佳的图像品质。
综上所述，本发明可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置利用至少一带状非球面像场修正镜设计，以提供相对较大的像场角，同时实现缩短总光程及有效校正像差的目的，进而使整个系统结构更为简便紧凑，并可大幅提升图像品质，尤其是在消色差的光学装置应用中，其直线畸变像差更可得到完全校正。

Claims (10)

1、一种可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置，其包括一提供入射光束的光源、用于折射入射光束并将其会聚成一线性光束的成像镜群以及一供所述线性光束聚焦成像用的像平面，并且所述像平面上所得瞬间图像为线型图像，其特征在于：其还包括至少一用于折射所述线性光束的带状非球面像场修正镜，而且所述像场修正镜设置于所述成像镜群与像平面之间，所述光源、成像镜群、像场修正镜以及像平面沿同一光轴排列。
2、如权利要求1所述的可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置，其特征在于：所述入射光束为可见光束。
3、如权利要求1所述的可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置，其特征在于：所述成像镜群包含多个可旋转对称的透镜。
4、如权利要求1所述的可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置，其特征在于：所述像场修正镜为可旋转对称结构。
5、如权利要求1所述的可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置，其特征在于：所述像场修正镜定位于靠近所述像平面的位置处，且其带状镜面长度方向与图像长度方向一致。
6、如权利要求1所述的可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置，其特征在于：所述像场修正镜是由高分子聚合物材料制成。
7、如权利要求6所述的可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置，其特征在于：所述像场修正镜是采用射出成型方式制得。
8、如权利要求6所述的可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置，其特征在于：所述像场修正镜是采用压铸成型方式制得。
9、如权利要求1所述的可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置，其特征在于：所述像平面形成于一线型传感器上。
10、如权利要求9所述的可缩短总光程而用于线扫描系统的光学装置，其特征在于：所述线型传感器为电荷耦合传感器。
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