JP2005503702A - 被写体を照明して撮像する光学系、光学エレメント及びユーザユニット - Google Patents

Abstract

たとえば光学ペン中の光学系が、被写体表面（５）を照射して、この被写体表面（５）の画像を画像平面（６）に伝達するように構成される。この系は、放射線源（１）から放出された第一の放射線を被写体平面（５）に向けて反射し、同時にまた、被写体平面（５）からの第二の放射線を画像平面（６）に向けて伝達する光学コンポーネント（４）を有している。光学コンポーネント（４）は、第一の放射線を反射し、また、第二の放射線を透過させるように配置されている透明な表面部分（４ｂ）を空間的に分離するように配置されている反射表面部分（４ａ）を備えている。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、被写体平面を照明し、また、この被写体平面の画像を画像平面に送信するように構成された光学系に関する。本発明はまた、このような系の光学コンポーネントと、手持ち式ユーザユニットと、被写体平面を照明して、その画像を獲得する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のタイプの光学系は、多くのデバイス、たとえば、撮像機能を持つ手持ち式デバイス、たとえば、手持ち式スキャナや光学ペンなどで用いられている。このようなデバイス中では、内蔵されるこれらの光学系や光学コンポーネントにとっては、出きる限りコンパクトに作って、全体サイズを小さく保つことが重要である。光学ペン中で用いられる光学系の場合、関連する被写体は通常、１センチメートル未満の範囲であり、撮像オプティックスによって形成される画像は通常、数平方ミリメートルの表面内にある。このような光学ペンが、参照してここに組み込むＷＯ ０１／７１６５４に開示されている。もちろん、他のタイプのデバイスに対しては、これ以外のディメンジョンが用いられる。
【０００３】
光学系は一般に、撮像オプティックスと、放射線源と、放射線センサーとを含んでいる。生産上の理由により、光学系に含まれるコンポーネントが、できる限り簡単で、頑丈で、空間効率的であるように搭載されることが重要である。手持ち式デバイス中では、撮像オプティックス及びセンサーを、放射線源と並べて搭載するのが一般的であり、この結果、照射経路と撮像経路とが互いに分離される。しかしながら、このように搭載をするには、手持ち式デバイス中に大きい空間を必要とする。
【０００４】
手持ち式デバイス中の光学系に対する一般的な要件は、これらの光学系が、距離が異なっても被写体を適切に撮像することが可能でなければならないということである。これは、この系が、十分被写界深度を有するべきであることを意味するが、こうするには、この系のＦナンバーが高く、したがって、開口絞りが比較的小さいことが必要である。このような系では、比較的少ない放射線しか、照射された被写体平面から画像平面に到達することができない。したがって、この被写体平面は、高い強度を持つ照明用放射線で露光しなければならない。
【０００５】
さらに、照明経路と撮像経路とが別々になっている光学系においては、被写体平面上の照明されるエリアと撮像されるエリアとは、被写体距離が所与の公称値の場合に一致させることができるだけである。この被写界深度内部のさまざまな被写体距離に対応する必要がある場合にはいつでも、この公称被写体距離で撮像される予定の被写体平面エリアよりかなり大きい被写体平面エリアを照明する必要がある。したがって、放射線源からの放射線は非効率的に用いられ、これがさらに、強力な放射線源に対する必要性を際立たせる。
【０００６】
このような強力な放射線源にはいくつかの欠点、たとえば、高価であるとか、耐久性が低いとか、電力を消費しすぎるとか、かさばるとかの欠点がある。
【０００７】
上記の問題はまた、照明経路と撮像経路とが部分的にオーバラップする光学系においても存在する。ＷＯ ００／７２２８７に、このような光学系を持つ光学ペンが開示されているが、この系では、ビームスプリッタが、放射線源からの放射線を被写体平面に向けて反射して、この被写体平面からの逆反射された放射線を、照明されている被写体平面の画像をセンサー上に形成する撮像オプティックスに対して送信するように構成されている。このような系によっては、利用可能な放射線が非効率的に用いられることになるが、それはビームスプリッタになんらかの干渉があると、かならず、放射線がかなり失われるという結果となるからである。一般的に、放射線源からの入射放射線の５０％は、被写体平面に向けて反射されるのではなく、ビームスプリッタによって送信され、また、一般的に、逆反射された放射線もまたその５０％が、センサーに送信されるのではなく、ビームスプリッタによって反射される。さらに、たぶん強力な放射線源からの入射放射線をこのように送信すれば、かなりの背景放射線が発生しやすいが、これは、センサー上に画像信号を形成する送信済みの逆反射された放射線と干渉する。くわえて、ビームスプリッタは、高価なものとなり兼ねないコンポーネントであり、これは、それが制御された表面と送信特性とを有しなければならない場合に特に当てはまる。
【０００８】
類似の光学装置が、ＧＢ−Ａ−２ １６６ ８３１に開示されている。
【０００９】
先行技術にはまた、ＵＳ−Ａ−６ １１４ ７１２があるが、これには、照明経路と撮像経路とが部分的にオーバラップする光学系のさらに別の形態を持つ手持ち式スキャナが開示されている。
【特許文献１】
国際公開第ＷＯ ００／７２２８７号公報
【特許文献２】
ＧＢ−Ａ−２ １６６ ８３１公報
【特許文献３】
ＵＳ−Ａ−６ １１４ ７１２公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の一つの目的は、光学系に含まれる部品を簡単で、頑丈で、空間効率的に搭載することを可能とし、また、本系中の放射線源からの放射線をより効率的に利用することを可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、この目的は、クレーム１又は３０による光学系と、クレーム３１、４０及び４１による光学コンポーネントと、クレーム５４による手持ち式ユーザユニットと、クレーム５５による方法とによって完全に又は少なくとも部分的に達成される。本発明の好ましい実施形態は、独立クレーム中に定義されている。
【００１２】
本発明の一つの態様によれば、それは、被写体パネルを照射して、被写体平面の画像を画像平面に送信するように構成された光学系に関連するが、前記系は、放射線源によって放出される第一の放射線を被写体平面に向けて反射し、また同時に、被写体平面からの第二の放射線を画像平面に向けて送信する光学コンポーネントを備えており、ここで、この光学コンポーネントは、第一の放射線を反射するように構成された反射表面部分と、第二の放射線を送信するように構成され空間的に分離された透明表面部分とを備えている。
【００１３】
このような光学系では、照明経路と撮像経路とが部分的オーバラップするようになっており、したがって、コンパクトにすることが可能である。このような系では、上述したように、被写界深度内にあるすべての被写体距離に対して、被写体平面上で照明されるエリアと撮像されるエリアとを一致させることが可能である。言い換えれば、この光学系は、この光学系の光軸と実質的に同心である第一の放射線を反射して、被写体平面を照射するように構成することが可能であり、この光軸は、被写体平面から画像平面にいたる第二の放射線の走行経路によって画定される。
【００１４】
さらに、この光学系によって、利用可能な放射線を効率的に使用できるが、これは、放射線源からの第一の放射線の反射を、被写体平面からの第二の放射線の送信とは別々に実行されるということである。したがって、反射表面部分を第一の放射線が反射されるように最適化することが可能であり、一方、透明表面部分を第二の放射線が送信されるように最適化することが可能である。したがって、本発明による光学系は、より強力でない放射線源の使用を可能とすることによって製造コストを削減する及び／又は画像表面上でより強い画像信号を発生する可能性を有している。
【００１５】
反射表面部分と透明表面部分とを空間的に分離することによってまた、画像表面に達する背景放射線の量を最小化されるが、これもまた、反射表面部分と透明表面部分とを別々に最適化できるからである。この理由によって、反射表面部分は、第一の放射線と第二の放射線とに対して実質的に完全反射するのが適当である。
【００１６】
この光学系はまた、反射表面部分と透明表面部分とを同一の光学コンポーネント中に組み込むことによって、簡単で頑丈なものとすることが可能である。
【００１７】
この反射表面部分は、この透明表面部分を包囲するような関係となるように配置される。このような実施形態では、反射表面部分は、したがって、透明表面部分の範囲を画定することになる。
【００１８】
この光学コンポーネントには、透明表面部分を、光学系中の絞りとして配備する。これによって、この系中の別々の部品の数が減少する。これによってまた、光学系の許容誤差が小さくなる。たとえば、光学ペンは、いくつかの小さいもしくは微小な光学エレメントを持つコンパクトな光学系を有し、また、このようなエレメントを要求される精度で製造して搭載するのが困難である。絞りを光学系に組み込むことによって、絞りの製造と組み込みが容易なものとなる。これは、系の被写界深度を決定する開口絞りについて特に当てはまるが、それは、このような絞りは、たとえば光学ペン中では、０．５〜１．０ミリメートル台の直径を有するからである。
【００１９】
さらに、透明表面部分は、放射線源からの第一の放射線からスクリーニングされるように配置して、画像平面に達する第一の放射線の分量を最小化するように配置することが可能である。これは、透明表面部分を、放射線源からの第一の放射線の主方向に対して実質的に平行である平面上に位置付けすることによって遂行される。透明表面部分をこのように配置すると、たとえば、モールディングやグラインディングのステップでの製造という点で便利である。さらに、透明表面部分の平面は、系の光軸に対して実質的に直交する配置にしてもよい。
【００２０】
また、透明表面部分を系の光軸と第一の放射線の主方向との交点を含むように配置すると利点がある。
【００２１】
一つの実施形態では、光学コンポーネントの反射表面部分は、二つの反射ルーフフェースを含むが、これらのフェースは交差してトレンチラインとなって、これで、反射ルーフセクションを形成する。透明表面部分は、この反射ルーフセクション中に、トレンチラインに沿ってこの周辺に形成される。
【００２２】
反射表面部分はさらに、第二の二つの反射ルーフフェースを含むが、この二つのフェースはリッジ状に交差して、反射ルーフセクションの一部を形成するが、このリッジは、トレンチラインと実質的に合わされ、トレンチラインからリッジへの変わり目が、透明表面部分を画定している。このような実施形態では、実質的にすべての入射する第一の放射線を、被写体平面に向けて反射させることが可能であり、入射する第一の放射線のビームプロフィールに対する影響は極めて限られたものとなる。
【００２３】
一つの実施形態では、光学系は光導体を備えているが、これは、光学コンポーネントの一部として組み込んでもよい。このような光導体は、放射線源からの第一の放射線を収集し、これで、放射線源を光学系の機能を損なうことなく反射表面部分から大きな距離をおいて配置することが可能となるように配置してもよい。この光導体は、入射する第一の放射線のビームプロファイルを制御して修正するさらなる機能を有する。
【００２４】
こうする代わりに又はこれに加えて、光学系はある光導体を備えるが、これは、反射表面部分からの第一の放射線を受けるように配置されている。このような光導体は、光学コンポーネントの一部として組み込まれる。この光導体を組み込むとその結果、被写体を反射表面部分に対して位置付けする際の自由度が増す。この光導体はさらに、この光導体に入射する第一の放射線のビームスプリッタの制御下修正を達成するために用いられる。
【００２５】
一つの実施形態では、光学コンポーネントはシェルの形状をしている。このような構成によって、反射表面部分から被写体平面にいたる放射線経路上の屈折率のあらゆる段階的変化を除去することによって、透明表面部分中に第一の放射線が自由に逆反射するのが抑制される。もう一つの利点は、光学系の重量が減ることである。
【００２６】
このシェル状の光学コンポーネントは、反射性材料でコーティングされた又はこの中で製造されるのが適切である。このようなコンポーネントは、反射表面部分上に堆積されているいかなるほこりや粒子に対しても比較的感知性がない。
【００２７】
別の実施形態では、光学コンポーネントはプリズムである。ここで、反射表面部分は、入射する第一と第二の放射線をすべて内部で反射させるように互いに対して配置されている反射表面によって形成される。こうする代わりに又はこれに加えて、反射表面部分の少なくとも一部を反射性材料でコーティングしてもよい。
【００２８】
このプリズムは製造するのが簡単であるが、それは、反射表面部分同士間の所与の関係を得るためには、ほんのいくつかの製造ステップしか必要とされないからである。製造はまた、このプリズムは反射性材料でコーティングする必要がないという事実によっても簡略化され得る。プリズムはまた、比較的頑丈である。他の実施形態では、プリズムの反射表面部分は反射性材料でコーティングされるが、これによって、ほこりや粒子の体積に対してさらに感知性がないコンポーネントが提供されるという利点が得られ、また、どの第一の放射線でもそれが光学コンポーネントから画像平面に向かってリークする危険性が減少する。
【００２９】
この系は、反射表面部分からの第一の放射線を受けるように配置されている屈折表面を備えている。光学コンポーネントの一部として組み込まれるこの屈折表面は、系の光軸に対して傾斜しており、また、第一の放射線が透明表面部分中に逆反射することをすべて防止するようになっているレンズ表面である。
【００３０】
光学コンポーネントがプリズムであるかシェルであるかとは無関係に、透明表面部分には屈折表面、たとえば、撮像レンズ表面が含まれるが、これは、被写体平面からの第二の放射線を受けるように配置されている。これによって、光学系の組み立てが容易になり、また、光学系の許容誤差が小さくなるが、それは、屈折表面が、反射表面部分と透明表面部分とに対して正確に位置付けされるからである。さらに、この系中の自由度の数値が増し、これで、系中に他にも一つ以上の屈折表面を装備する必要をなくすことが可能である。
【００３１】
一つの実施形態では、画像経路を屈曲させ、これで、画像平面が放射線源と実質的に同じレベルに配置されるようにする。このような設計によって、光学系の組み立てと搭載とが容易になる。たとえば、光学系が平坦な印刷回路基板とインタフェースを取り、この基板上に、放射線源と二次元放射線検出器とが搭載される。
【００３２】
他の態様によれば、本発明は、光学系自身と、この光学系又は光学コンポーネントを持った手持ち式ユーザユニットとに関する。その実施形態とそれに対応する利点とは、光学系に関する上記の検討から推察され得るものである。
【００３３】
本発明のさらなる態様によれば、本発明は、被写体平面を照射してその画像を獲得する方法に関するが、この方法は：放射線源を起動して、放射線を発生するステップと、静止している反射表面上で前記発生された放射線の少なくとも一部を受け、それを前記被写体平面に向けて反射させることによって再度方向付けするステップと、前記被写体平面からの第二の放射線を収集して、画像平面上に画像を形成するステップと、を含み、前記第二の放射線が、物理的には前記反射表面部分に接続され、空間的にはこれから分離されている透明表面部分によって収集されることを特徴とする。
【００３４】
この方法の実施形態とそれに対応する利点とは、光学系に関する上記の検討から推測されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
図１に、本発明による光学系の一般的な配置を示す。この光学系は、放射線源１と、放射線センサー２と、撮像オプティックス３と、双対経路コンポーネント４とを含む。この源１は、放射線（図１では鎖線で示されている）を放出するが、この放射線は、被写体平面５上のエリア５ａを照明するように方向付けされる。この撮像オプティクス３は、被写体平面５上のその視野５ｂ内にある放射線（図１では実線で示されている）を収集して、画像平面６上の被写体平面の画像を形成するが、ここで、画像はセンサー２によって捕獲される。
【００３６】
通常は、画像は、光学系の被写界深度５ｃ内に存在するいずれかの被写体で反射した放射線から形成される。このような反射放射線は、源１からの放射線と、他の周辺放射線との合成物である。源１は、放射線を連続的に又は間欠的に放出している。後者の場合、源１の起動とセンサー２の露光とは、一時的に適切に同期を取られる。
【００３７】
源１は、何らかの形態の放射線発生エレメント、たとえば、一つ以上のレーザダイオードや、一つ以上のフィラメントランプ、一つ以上の放電ランプや、一つ以上の発光ダイオードなどである。センサー２は、写真用フィルムもしくは電子検出器などの、何らかの形態の放射線感知デバイス、たとえば、ＣＣＤやＣＭＯＳ検出器などのソリッドステートエリア検出器である。撮像オプティックス３には、光学レンズなどの一つ以上の屈折エレメントと、一つ以上のミラーもしくはプリズムと、開口絞りや視野絞りなどの一つ以上の絞りとを含む。
【００３８】
双対経路コンポーネント４は、系の照明経路と撮像経路とを合併させて、双対コンポーネント４と被写体平面５との間を伸張するように構成されている。この目的のため、双対経路コンポーネント４は、ミラー表面４ａと、それとは別個の透明ウインドウ４ｂとを含む。ミラー表面４ａは、源１からの入射放射線、一般的には、発散する光線の実質的にすべてを、被写体平面５に向けて反射するように配置されている。さらに、被写体平面５からミラー表面４ａ上に落下するあらゆる放射線もまた、反射されて遮られる。透明ウインドウ４ｂは、被写体平面５から収集された放射線を、撮像オプティックス３によって送信するように配置されている。
【００３９】
図１もまた、水平鎖線として図示されている系の光軸を含む。この軸は、透明ウインドウ４ｂの中心を介して光学系を通って、センサー２上の画像の中心まで、視野５ｂの中心からの光線に続くラインとして定義される。
【００４０】
図１の双対コンポーネント４によって、利用可能な放射線を効率的に利用できるが、それは、実質的にすべての入射放射線が、照明エリア５ａに創出されるからである。所望次第では、照明エリア５ａと視野５ｂとは、図１に示すように、光学系の被写界深度５ｃの全体にわたって実質的に一致するようにし、これで、利用可能な放射線を最大限に利用できるようにすることが可能である。
【００４１】
さらに、図１の双対経路コンポーネントによって、被写体平面５からの放射線を効率的に収集することが可能であるが、それは、このような放射線は、透明ウインドウ４ｂを通過する際に最小の損失で収集されるからである。
【００４２】
またさらに、図１の双対経路コンポーネントによって一般に、透明ウインドウ４ｂは、光学系の開口絞りを形成することが可能である。これは、特に、被写界深度が大きく、したがって、開口絞りが微小である系の場合、光学系の製造と組み立ての双方の点で利点となる。
【００４３】
源１が発散放射線を放出する場合、源はミラー表面４ａに対して少し中心からずらして位置付けし、これで、光線全体がミラー表面４ａに衝突するようにしてもよい。これを図１に示すが、ここで、源の光線対称ライン（縦の鎖線として示されている）は、ミラー表面４ａの中心にある透明ウインドウ４ｂの中心から移動させ、これで、源の光線が、透明ウインドウ４ｂの周りで対称的にミラー表面４ａを照明するようにする。
【００４４】
上記の光学系の特定の実施例では、被写体平面５の照明をさらに最適化し、また、透明ウインドウ４ｂを通る入射放射線のあらゆるリークを最小化するのが望ましい。図２〜１０に、このような必要性を完全に又は部分的に満たすさまざまな実施形態を示す。すべての図面において、関連する要素は同じ参照番号をもつ。
【００４５】
図２では、この光学系は、発光ダイオード（ＬＥＤ）という形態の源１と、センサー２と、撮像オプティックス３と、修正型アミーチプリズムという形態の双対経路コンポーネント４とを備えている。アミーチプリズムとは、自身の表面の内の一つの表面中にルーフエッジを備えた直角プリズムである。直角プリズム又はこのような具合にルーフエッジを備えた他の何らかのタイプのプリズムは、通常は、ルーフプリズムと呼ばれる。
【００４６】
図４にさらに詳細に示されているプリズム４は、源１に対向するように配置された照明側面７と、二つのルーフフェース８及び９とを有している。このルーフフェース８と９は、互いに対して傾斜し、また、長尺リッジ１０に沿って互いに交差している。このリッジ１０には、長尺の凹が形成されており、これが、二つの第二のルーフフェース１１と１２を形成しており、この二つのフェースが、反転リッジ１３中で互いに交差している。リッジ１０から１３への変わり目が、菱形エリア１４を形成しており、これが、光学系の開口絞りの役割をする。プリズム４はまた、被写体側面１５を有するが、これは、光学系中で被写体平面に対向している。図１を再度参照すると、ルーフフェース８、９、１１及び１２はミラー表面４ａに対向し、一方、菱形エリア１４は透明ウインドウ４ｂに対向している。
【００４７】
系に含まれる部品は、この系の内部の光線経路が、源１からの放射線の光線が照明側面７を通って双対経路コンポーネント４中に落下して、ルーフフェース８、９、１１又は１２の内の一つ又はいくつかのフェース中に反射されて、被写体側面１５を通過して、被写体平面５を照明するように、互いに対して配置されている。次に、放射線の光線は、被写体平面５から開口１４を通って双対経路コンポーネント４から戻って投光されて、撮像オプティクス３を通過して、画像平面６上に置かれているセンサー２上に落下する。撮像オプティックス３は、被写体の画像がセンサー２上に生成されるように光線を方向付けするように配置されている一つ以上のレンズ又は他の光学コンポーネントを備えている。
【００４８】
照明側面７と被写体側面１５とから見ると、ルーフフェース８、９、１１及び１２は、照明側面７と被写体側面１５に対して４５°の角度を成す反射ルーフセクションを形成している。ルーフフェース８と９は交差して、ライン１０に沿って楔形の長尺トレンチを形成している。ルーフフェース９と１１及び８と１２は、交差して、それぞれの長尺の楔形の第二のトレンチを形成し、一方、第二のルーフフェース１１と１２とは交差して、長尺リッジ１３を形成している。ルーフフェース８、９、１１及び１２は、源１から受領されたすべての光線が完全に内部反射されるような角度になっており、これによって、放射線は、単にコンポーネント４からその被写体側面１５を通って投光される。これに対応して、ルーフフェースは、被写体平面５上の被写体５’から受けたすべての光線を完全に内部反射させる。図２と４では、ルーフフェース８、９；８、１２；９、１１；１１、１２はすべて、直角に交差する。菱形エリア１４は、トレンチからリッジへの変わり目のところで平面的なエリアとして形成される。
【００４９】
菱形エリア１４は、源１から放出された光線からスクリーニングされ、しかも、被写体平面上の視野５ｂ内で放出される光線に対しては透明となるように配置されている（図１）。図２では、点線で示すように、エリア１４は、源１からの放射線の主方向に対して平行に配置されている。別の実施形態（図示せず）では、エリア１４は、源１から少し傾斜している。
【００５０】
図３に、図２の光学系の代替配置を示す。撮像オプティクス３は、ここでは、エリア１４を通過した光線を、源１と実質的に同じ平面に置かれているセンサー２上に落下するように再方向付けするように構成されている。撮像オプティックス３は、この実施形態では、光軸に対して傾斜していて、光線をセンサー２に向けて反射するプリズム又はミラーを含む。この配置による光学系は、容易に、センサー２と源１とを搭載するプリント回路基板上に構築することが可能である。
【００５１】
ルーフフェース８、９、１１及び１２同士の交差角度は、９０°からずれることに注意すべきである。場合によっては、源１からの放射線を前部被写体平面５に向けて反射するという双対経路コンポーネント４の機能を失うことなく、約４５〜１３５°の範囲の角度で交差させている。この交差角度は、たとえば、エリア１４が所望の形状、たとえば、矩形となるように選択される。ルーフフェース８、９、１１及び１２の一部又は全部はさらに、反射性材料、たとえば、アルミ、銀もしくは金などの金属又は誘電体でコーティングされる。
【００５２】
図５に示すような第一の代替実施形態によれば、双対経路コンポーネント４は、長尺リッジ１０に沿って交差して、反射ルーフセクションを形成している二つのルーフフェース８と９を持つルーフプリズムである。凹部が、被写体平面上の視野からの光線に対して透明である三角形のエリア１４を画定するようにリッジ１０に形成されている。この凹部は、また、三角形の低部部分１４’画定しているが、この部分は、反射性材料でコーティングされ、これで、照明側面７に入る源からの放射線が透過するのを防止するようにしてもよい。
【００５３】
本発明の第二の代替実施形態は、一つの側部フェース１６に凹部を持つ直角プリズムをいう形態を持つ図６による双対経路コンポーネント４を備えている。この側部フェースは、源から照明側面７に入る光線と被写体平面から被写体側面１５に入る光線に対する反射表面を形成するようになっている。この凹部は、被写体平面上の視野からの光線に対して透明である矩形エリア１４を画定している。この凹部はまた、照明側面７に入る源からの放射線の透過を防止するように反射性材料でコーティングされる矩形低部部分１４’を画定している。
【００５４】
上記の実施形態の修正例として、双対経路コンポーネント４は、図７ａに示すように被写体側面１５に、又は図７ｂに示すように照明側面７に、又は双方の側面（図示せず）に光導体１７を備えている。図７ａ〜７ｂに示す修正例では、この光導体は、断面形状は矩形であるが、また、たとえば断面形状が三角形又は六角形の光導体を使用することも可能である。
【００５５】
光導体１７は、いくつかの目的の内のどれかに役立つ。この光導体は、被写体平面上の被照明エリアにおける放射線の分布をならすように設計される。この光導体は、また、源１からの放射線を発散させる又は収束されるために用いられる。照明側面７上に光導体があると（図７ｂ）、またその結果、この光導体の端に設置されている源１の位置付けのフレキシビリティが増す。したがって、源１は、光学系の機能を劣化させることなく、たとえば、空間的な理由で、所望次第で双対経路コンポーネント４中の反射表面から任意の所望の距離のところに置くことが可能である。同様に、被写体側面１５上に光導体があると（図７ａ）、この系を、被写体平面を源１とセンサー２とからの任意の所望の距離だけ離れたところに置くように設計することが可能である。コンポーネント４を、所与の長さを持つ直状の光導体を収容できない空間に配置することになっている場合、このような長さは、コンポーネント４の双方の側面７と１５上に光導体を配置することによって達成される。
【００５６】
上記の実施形態のさらなる修正例として、被写体側面１５が、光軸Ａに対して傾斜したレンズ表面として形成される。これによって、境界表面１５中に源から放射線が逆反射されるのを防止又は少なくともその量を軽減する。このような逆反射された源からの放射線は、さもなければ、エリア１４を通過して、センサーに入射する。一般的に言って、被写体側面１５と照明側面７のどちらか又は双方を、屈折表面として形成することが可能である。このような屈折表面の例としては、通常のレンズ表面があるが、これは、球面状又は非球面状の、フレネルレンズであったり、屈折表面であったりする。また、光軸に対して傾斜している平面表面も、この状況では、屈折表面である。これで、被写体側面１５及び／又は照明側面７上の屈折表面を、通常は光学系に存在する互いに別々の屈折エレメントの内の一つ以上の代わりに用いることが可能である。
【００５７】
上記の実施形態のさらなる修正例として、双対コンポーネント４の透明ウインドウ４ｂと１４に、一つ以上の屈折表面、たとえば、レンズ表面が備えられる。したがって、透明ウインドウ４ｂと１４は、被写体平面からの放射線を透過させるだけではなく、放射線をなんらかの制御された仕方で屈折させる。このような修正例は、潜在的に、撮像オプティックスと光学系の組み立てとを簡略化することが可能である。
【００５８】
上記の実施形態のさらなる変更例では、双対経路コンポーネント４は、上記の実施形態の内のどれかにおけるような形状を有するミラー表面を持つシェルとして実現することが可能である。このようなコンポーネントは、反射コーティングがミラー表面を形成している、なんらかの適切な材料、たとえば、プラスチック、ガラス又は金属などから製作可能である。この反射コーティングは、コーティングプロセスで与えられ、また、たとえば、アルミ、銀、金、誘電体などを含む。透明ウインドウ４ｂと１４とは、スルーホール又は適切な形状を持つ透明材料の表面として形成される。代替例では、コンポーネント４全体が、アルミなどの反射性材料でできており、透明ウインドウ４ｂと１４は、反射性材料のスルーホールとして提供される。被写体側面１５と照明側面７、さらに、他の何らか非反射側面はオプションとしてこの変更例には含まれないか、又は、コーティングされずに、透明な、すなわち、非拡散性の材料からできている。
【００５９】
図８〜１０に、双対経路コンポーネントの第三の代替実施形態を示すが、これはシェル形状をしている。図８〜１０に、このコンポーネントを、それぞれ斜視図、前部底面図及び前面図で示しているが、シェル形状のコンポーネント４内部表面を示すのが目的である。したがって、このコンポーネントの本体の輪郭は端に、鎖線で概略を示しているだけであり、一方、内部表面は実線で、又は、一つの内部表面が別の内部表面のため隠されている場合には点線で示されている。
【００６０】
図８に示すように、双対経路コンポーネント４は、印刷回路基板（ＰＣＢ）２０上に取り付けられるようになっているが、この基板は、発光ダイオード（ＬＥＤ）という形態の放射線源１と、エリアセンサー２とを搭載している。したがって、コンポーネント４とＰＣＢ２０とは、図３に示すタイプの光学系を形成する。
【００６１】
このコンポーネントは、低部側面開口部２１を有しており、この開口部は、長尺前部空洞２２中に開口しており、また、源１とはめ合うようになっている。前部空洞２２は、透明エリア１４を含むミラー表面を形成する反射表面８、９、１１及び１２を持つ背部壁２３を有している。このミラー表面は、これまた系の光軸と一致する空洞２２の長手方向中心線と約４５°という角度を成している。図示の実施形態は図４のコンポーネントレイアウトに基づいているが、背部壁２３は、たとえば、図５と６に示すような、所望の機能を達成するためになんらかの適切な形状を有している。
【００６２】
前部空洞２２はさらに、背部壁２３から開放前部フェース２５に伸張する長尺の反射側壁２４によって画定され、これによって、光導体を画定している。図９と１０により明瞭に示すように、側壁２４は、空洞２２の長手方向中心線から少し傾斜しており、これで、前部フェース２５に向かって徐々に断面積が増加する光導体を形成している。このようなテーパーのついた光導体は、源１から放出され、背部壁２３によって反射された放射線の束を収束させたり発散させたりする役割をする。
【００６３】
前部空洞２２は、上記の実施形態の双対経路コンポーネントと同じ機能、すなわち、源１からの放射線を前部フェース２５に対面している被写体平面に向けて反射し、また、被写体平面から収集された放射線が透明エリア１４を透過するようにさせる機能を有している。図９と１０から、反射表面８、９、１１及び１２それぞれは、明らかであるエントリ開口部２１と前部フェース２５の双方から可視であるように配置されていることが明らかである。したがって、エントリ開口部２１又は前部フェース２５からこれらの表面８、９、１１及び１２上に落下する放射線は、全部反射される。他方、透明エリア１４は、収集された放射線が前部フェース２５を透過するようにさせるために、前部フェース２５から可視であるように、また、エントリ開口部２１の視界から実質的に隠されるように配置され、これで、源からの放射線の直接的な透過を最小化するようになっている。
【００６４】
図８〜１０の第三の代替実施形態の双対経路コンポーネントはさらに、前部空洞２２と同じ線に沿って配置されている背部空洞２６を有している。この背部空洞２６は、前部空洞２２からの放射線を受け、この放射線を、センサー２とはめ合うような形状をしている低部側面開口部２７に向けて反射するようになっている。背部空洞２６は、前部壁２８と、長尺側壁２９と、傾斜背部壁３０とによって画定される。前部壁２８は、前部空洞２２からの放射線が中央透明入り口エリア３１を透過するようにさせるように形成されている。側壁２９は受けた放射線に対して低い反射率を有し、一方、背部壁３０はこのような放射線に対して高い反射率を有するのが望ましい。図８に示すように、透明エリア３１は、被写体平面からの放射線をセンサー２上に撮像するようになっているレンズ表面として形成されている。図示し易くするために、第一の空洞２２と第二の空洞２６間の距離は、図８では誇張されている。
【００６５】
上記の実施形態による双対経路コンポーネント４は、モールディングによって製造される。図２〜７のコンポーネントは、源から放出され、被写体平面から捕獲された放射線に対して透明である材料から適切に製造されている。図８〜１０もまた、このような材料でできているが、ただし、高い反射率を持つコーティングや挿入物を背部壁２３と３０及び側壁２４上に追加され、オプションとして、低い透過率と低い反射率を持つコーティング又は挿入物を前部壁２８と側壁２９上に補足される場合である。コーティングや挿入物を用いる代わりに、前部壁２８は、本来非透過性の形状、たとえば、図８の前部空洞２２の背部壁２３の形状に類似の形状を持つように設計される。透明エリア１４と３１同士間の透明な放射線経路が、この材料自身で形成されている。
【００６６】
ある代替例によれば、図８〜１０のコンポーネントは、放射線を遮断する材料からできている。これで、背部壁２３と３０及び側壁２４の上には、高い反射率を持つコーティングや挿入物が必要とされるだけである。透明な放射線経路が、透明エリア１４と３１間を伸張する中空チャネルとして形成されている。
【００６７】
別の代替例によれば、図８〜１０のコンポーネントは、反射性材料でできている。それで、側壁２９上と、オプションとして前部壁２８上に低い反射率を持つコーティングが必要となる。透明反射線経路が、透明エリア１４と３１間を伸張する中空チャネルとして形成される。
【００６８】
本発明を、いくつかの例示の実施形態で上述した。しかしながら、本発明は、決してこれらに限られるものではなく、添付クレームの保護範囲で定義されるところによる他の多くの変更例を含み、これに加えて、当業者には容易に認識されよう。
【００６９】
たとえば、双対経路コンポーネントのミラー表面は、球形、楕円、双曲線、放物線、小面などのいかなる形状でもよい。同様に、双対経路コンポーネントの透明ウインドウは、円形、楕円、多角形などいかなる形状でもよい。
【００７０】
さらに、双対経路コンポーネントのミラー表面は、それぞれ、光軸と源の放射線の主方向とに対してなんらかの適切な角度で配置される。
【００７１】
上述したような被写体平面を照明して撮像する光学系、双対経路コンポーネント及び方法は、光学ペン、バーコードもしくはテキストスキャナ、ポインティングデバイスなどの手持ち式デバイス中で用いられる。しかしながら、本発明はまた、特に、大きい被写界深度及び／又は空間効率的な設計及び／又は効率的な光収集能力が必要とされる場合、他の応用分野、たとえば、コンピュータ及び機械視覚、携帯式の医療及び科学計測、小型カメラなどのデバイスを持つ。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
本発明は、本発明の現在好ましいとされる実施形態を例示する添付の略図を参照して詳細に説明する。
【図１】本発明による光学系の内部の放射線経路の側面図である。
【図２】本発明による光学システムのある実施形態の側面図である。
【図３】図２の実施形態の代替配置の側面図である。
【図４】図２〜３の系に含まれる光学コンポーネントの実施形態の斜視図である。
【図５】図４の光学コンポーネントの第一の代替実施形態の斜視図である。
【図６】光学コンポーネントの第二の代替実施形態の斜視図である。
【図７ａ−７ｂ】図４の光学コンポーネントの修正例の斜視図である。
【図８】光学コンポーネントの第三の代替実施形態の斜視図であり、ここで、コンポーネントの内部空洞は実線で示されている。
【図９】図８のコンポーネントの前部部分の底面図であり、ここで、前部空洞は実線で示されている。
【図１０】図８のコンポーネントの前面図である。

Claims (55)

1. 被写体平面（５）を照射して、前記被写体表面（５）の画像を画像平面（６）に伝達するように構成された光学系であり、前記系は、放射線源（１）から放出された第一の放射線を前記被写体平面（５）に向けて反射し、同時にまた、前記被写体平面（５）からの第二の放射線を前記画像平面（６）に向けて伝達する光学コンポーネントを備え、前記光学コンポーネント（４）は、前記第一の放射線を反射するように配置された反射表面部分（４ａ；８、９、１１、１２）と、前記第二の放射線を透過させるように構成された空間的に分離された透明表面部分（４ｂ；１４）と、を含むことを特徴とする、前記光学系。
2. 前記反射表面部分（４ａ；８、９、１１、１２）が、前記透明表面部分（４ｂ；１４）に対してこれを囲むような関係で配置されている、請求項１記載の光学系。
3. 前記光学コンポーネント（４）が、前記透明表面部分（４ｂ；１４）が前記光学系中で絞りとしての役割を果たすように構成されている、請求項１又は２記載の光学系。
4. 前記透明表面部分（４ｂ；１６）が、前記光学系中で開口絞りの役割を果たす、請求項３記載の光学系。
5. 前記光学コンポーネントが、前記第一の放射線を前記光学系の光軸（Ａ）と実質的に同心となるように反射して、前記被写体平面（５）を照射するように前記光学系（４）が構成されている、先行する請求項の内のいずれかに記載の光学系。
6. 前記透明表面部分（４ｂ；１４）が、前記放射線源（１）からの第一の放射線からスクリーニングされるように配置されている、先行する請求項の内のいずれかに記載の光学系。
7. 前記透明表面部分（４ｂ；１４）は、前記放射線源（１）からの第一の放射線の主方向（Ｂ）に対して実質的に平行な平面上に位置している、請求項６記載の光学系。
8. 前記平面が、前記系の前記光軸（Ａ）に対して実質的に直角に配置されている、請求光７記載の光学系。
9. 前記透明表面部分（４ｂ；１４）が、前記光学系の前記光軸（Ａ）と前記第一の放射線の前記主方向（Ｂ）との交点を含むように配置されている、先行する請求項の内のいずれかに記載の光学系。
10. 前記反射表面部分（４ａ；８、９、１１、１２）が、トレンチライン（１０）という形状で交差して、反射ルーフセクションを形成する二つの反射ルーフフェース（８、９）を含む、先行する請求項の内のいずれかに記載の光学系。
11. 前記透明表面部分（４ｂ、１４）が、前記トレンチライン（１０）に沿って、また、この周りに前記反射ルーフセクション中に形成される、請求項１０記載の光学系。
12. 前記反射表面部分（４ａ；８、９、１１、１２）が、前記反射ルーフセクションの一部を形成するようにリッジ（１３）で交差する二つの第二の反射ルーフフェース（１１、１２）を含み、前記リッジ（１３）が、前記トレンチライン（１０）と整合されており、また、前記トレンチライン（１０）から前記リッジ（１３）への変わり目が、前記透明表面部分（１４）を画定する、請求項１０又は１１記載の光学系。
13. 前記二つの第二の反射ルーフフェース（１１、１２）が、約４５〜１３５°の範囲のルーフ角度で交差する、請求項１２記載の光学系。
14. 前記第二のルーフ角度が実質的に直角である、請求項１３記載の光学系。
15. 前記二つのルーフフェース（８、９）が、約４５〜１３５°の範囲にあるルーフ角度で交差する、請求項１０〜１４の内のいずれかに記載の光学系。
16. 前記ルーフ角度が実質的に直角である、請求項１５記載の光学系。
17. 前記放射線源（１）からの前記第一の放射線を受けるように配置されている光導体（１７）をさらに備える、先行する請求項の内のいずれかに記載の光学系。
18. 前記反射表面部分（４ａ；８、９、１１、１２）からの第一の放射線を受けるように配置された光導体（１７）をさらに備える、先行する請求項の内のいずれかに記載の光学系。
19. 前記光導体（１７）は断面形状が矩形である、請求項１７又は１８記載の光学系。
20. 前記光学コンポーネント（４）がシェル形状をしている、先行する請求項の内のいずれかに記載の光学系。
21. 前記光学コンポーネント（４）がプリズムである、請求項１〜１９の内のいずれかに記載の光学系。
22. 前記反射表面部分（４ａ；８、９、１１、１２）の少なくとも一部に、反射性材料がコーティングされている、先行する請求項の内のいずれかに記載の光学系。
23. 前記反射表面部分（４ａ；８、９、１１、１２）が、前記第一の放射線と第二の放射線に対して実質的に全反射的である、先行する請求項の内のいずれかに記載の光学系。
24. 前記光学系（４）が、前記反射表面部分（４ａ；８、９、１１、１２）からの前記第一の放射線を受けるように配置された反射表面（１５）を含む、先行する請求項の内のいずれかに記載の光学系。
25. 前記反射表面（１５）が、前記系の光軸に対して傾斜しており、また、前記第一の放射線が前記透明表面部分（１４）中に逆反射するのを防止するようになっている、請求項２４記載の光学系。
26. 前記透明表面部分（１４）は、前記被写体表面（５）からの第二の放射線を収集する撮像レンズ表面などの屈折表面を含む、先行する請求項の内のいずれかに記載の光学系。
27. 前記放射線源（１）が、前記画像平面（６）と実質的に同じレベルに配置されている、先行する請求項の内のいずれかに記載の光学系。
28. 前記放射線源（１）と二次元放射線検出器（２）とを搭載する印刷回路基板（２０）とインタフェースしている、請求項２７記載の光学系。
29. 前記光軸（Ａ）が、前記被写体平面（５）から前記画像平面（６）に至る走行経路によって画定される、請求項５、８、９及び２５の内のいずれかに記載の光学系。
30. 放射線放出手段（１）と、前記放射線放出手段（１）から入射する第一の放射線を被写体平面（５）に方向付けし、また、前記被写体表面（５）からの第二の放射線の画像を画像平面（６）に伝達する光学コンポーネント（４）とを備える光学系において、前記光学系（４）が、前記放射線源（１）から入射する前記第一の放射線を前記被写体平面（５）に向けて反射する手段（４ａ；８、９、１１、１２）と、前記被写体平面（５）からの第二の放射線を前記画像平面（６）に向けて伝達する手段（４ｂ；１４）とを含み、前記伝達手段（４ｂ；１４）が、前記反射手段（４ａ；８、９、１１、１２）から空間的に分離されている、前記光学系。
31. 放射線源（１）から入射する第一の放射線を光学系中の被写体表面（５）に反射するようになっている反射表面部分（４ａ；９、１、１１、１２）を備える光学コンポーネントであり、前記反射表面部分（４ａ；８、９、１１、１２）から空間的に分離されており、また、前記被写体平面（５）からの第二の放射線を前記光学系の画像平面（６）に伝達するようになっている透明表面部分（４ｂ；１４）を備えることを特徴とする、前記光学コンポーネント。
32. 前記反射表面部分（４ａ；８、９、１１、１２）が、前記透明表面部分（４ｂ、１４）に対してこれを囲むような関係で配置されている、請求項３１記載の光学系。
33. 前記透明表面部分（４ｂ；１４）が前記光学系中で絞りとしての役割を果たすようになっている、請求項３１又は３２記載の光学コンポーネント。
34. 前記透明表面部分（４ｂ；１４）が、前記第一の入射放射線からスクリーニングされるように配置されている、請求項３１〜３３の内のいずれかに記載の光学コンポーネント。
35. 前記反射表面部分（４ａ；８、９、１１、１２）の少なくとも一部に、反射性材料がコーティングされる、請求項３１〜３４の内のいずれかに記載の光学コンポーネント。
36. 前記放射線源（１）からの前記第一の放射線を受けるように配置されている光導体（１７）をさらに備える、請求項３１〜３５の内のいずれかに記載の光学コンポーネント。
37. 前記反射表面部分（４ａ；８、９、１１、１２）からの前記第一の放射線を受けるように配置されている光導体（１７）をさらに備える、請求項３１〜３６の内のいずれかに記載の光学コンポーネント。
38. プリズムであり、請求項３１〜３７の内のいずれかに記載の光学コンポーネント。
39. シェル形状をしている、請求項３１〜３７の内のいずれかに記載の光学コンポーネント。
40. 放射線源（１）から入射する第一の放射線を光学系中の被写体平面（５）に反射する手段（４ａ；８、９、１１、１２）と、前記被写体平面（５）からの第二の放射線を前記光学系中の画像平面（６）に向けて伝達する手段（４ｂ；１４）とを備えた光学コンポーネントにおいて、前記伝達手段（４ｂ；１４）が前記反射手段（４ａ；８、９、１１、１２）から空間的に分離されていることを特徴とする、前記光学コンポーネント。
41. 開放前部フェース（２５）と；前記開放前部フェース（２５）から背部壁部分（２３）に伸張する内部周辺壁部分（２４）によって画定される前部空洞（２２）と；前記背部壁部分（２３）に隣接した前記周辺壁部分（２４）中のエントリ開口部（２１）と；を含む本体を備える光学コンポーネントであり、前記背部壁部分（２３）が、透明表面部分（１４）を内部に持つ反射表面部分（８、９、１１、１２）を含み、前記エントリ開口部（２１）を通って前記前部空洞（２２）に入る第一の放射線が、前記反射表面部分（８、９、１１、１２）で反射されて前記前部フェース（２５）に向かい、前記前部フェース（２５）から前記前部空洞（２２）に入る第二の放射線が、前記透明表面部分（１４）を通って伝達される、前記光学コンポーネント。
42. 前記反射表面部分（８、９、１１、１２）が、前記エントリ開口部（２１）と前記前部フェースとから可視であるように配置され、前記透明表面部分（１４）が、前記前部フェース（２５）から可視であり、また、前記エントリ開口部（２１）の視界から実質的に隠されるように配置される、請求項４１記載の光学コンポーネント。
43. 前記内部周辺壁部分（２４）が長尺であり、また、前記第一の放射線を反射し、これで、前記前部空洞（２２）が、前記第一の放射線を前記前部フェース（２５）に誘導する役割を果たすようになっている、請求項４１又は４２記載の光学コンポーネント。
44. 前記エントリ開口部（２１）が、放射線源（１）を少なくとも部分的に収容するように構成されている、請求項４１〜４３の内のいずれかに記載の光学コンポーネント。
45. 前記透明表面部分（１４）と同じ線に沿って配置されている反射表面を含む、請求項４１〜４４の内のいずれかに記載の光学コンポーネント。
46. 前記本体が、第一の端壁部分（２８）と、第二の端壁部分（３０）と、前記第一と第二の端壁部分（２８、３０）間を伸張する周辺壁部分とによって画定される背部空洞（２６）をさらに含み、前記前部空洞（２２）からの前記第二の放射線のための入り口（３１）が、前記第一の端壁部分（２８）に備えられており、前記第二の放射線のための出口（２７）が、前記第二の端壁（３０）に隣接する前記周辺壁部分（２９）に備えられ、前記第二の端壁（３０）が、前記第二の放射線を反射し、また、前記出口に向かって傾斜している、請求項４１〜４５の内のいずれかに記載の光学コンポーネント。
47. 前記出口（２７）が、画像センサー（２）を収容するようになっている凹部を含む、請求項４６記載の光学コンポーネント。
48. 前記背部空洞（２６）の前記周辺壁部分（２９）が、前記第二の放射線を実質的に反射しない、請求項４６又は４７記載の光学コンポーネント。
49. 前記放射線源（１）と画像センサー（２）とを搬送する印刷回路基板（２０）を搭載し、これで、前記放射線源（１）と前記画像センサー（２）とを、前記前部空洞（２２）の前記エントリ開口部（２１）と前記背部空洞（２６）の前記出口（２７）とそれぞれ整合させるようになっている、請求項４６〜４８の内のいずれかに記載の光学コンポーネント。
50. 前記透明表面部分（１４）は、前記背部空洞（２６）の前記入り口（３１）まで伸張している放射線ダクトに対して開口している穴を含む、請求項４６〜４９の内のいずれかに記載の光学コンポーネント。
51. 放射線経路が、前記透明表面部分（１４）と前記背部空洞（２６）の前記入り口（３１）との間で、前記第二の放射線に対して透明な材料で作られている、請求項４６〜４９の内のいずれかに記載の光学コンポーネント。
52. 前記本体が、前記第二の放射線に対して透明である材料からできている、請求項４６〜５１の内のいずれかに記載の光学コンポーネント。
53. 前記第一の壁部分（２８）が、前記入り口（３１）と整合しており、また、前記被写体平面（５）からの前記第二の放射線を収集するようになっている屈折表面を含む、請求項４６〜５２の内のいずれかに記載の光学コンポーネント。
54. 請求項１〜３０の内のいずれかによる光学系又は請求項３１〜５３の内のいずれかによる光学コンポーネントを備えることを特徴とする、被写体の画像を記録する手持ち式ユーザユニット。
55. 被写体平面（５）を照射して、その画像を捕獲する方法であり、前記方法が：
    放射線源（１）を起動して、放射線を発生するステップと；
    前記発生された放射線の少なくとも一部を静止した反射表面部分（４ａ；８、９、１１、１２）上で受けて、前記被写体平面（５）に向けてそれを再方向付けするステップと；
    前記被写体平面（５）からの第二の放射線を収集して、画像平面（６）上で画像を形成するステップと；
    を含み、前記第二の放射線が、前記反射表面部分（４ａ；８、９、１１、１２）に物理的に接続され、しかし、これから空間的に分離されている透明表面部分（４ｂ；１４）を介して収集されることを特徴とする、前記方法。