专利名称：超薄型光学图像传感器及其组成方法
技术领域：
此发明涉及变形光学应用，特别涉及可广泛用于指纹仪，扫描仪，以及各种图像传感器。
发明将变形光学原理应用于图像的采集装置，使获得的图像得到补偿、修正、复原。变形光学可以定义为在互相垂直的光轴上具有或产生不相等的放大倍率以产生不同的成像效应。这种成像装置包括一对柱面透镜、光源、折叠反射镜、透明的接收平板、偏转反射镜、图像传感器形成折叠偏转成像光路和电源。变形光学组镜或者说通过在其水平与垂直方向选择不同光学放大倍率的组镜，使其仿射变形达到最小。采用折叠，偏转的成像光路，可缩小体积，使之成为一种超薄型的图像采集装置。由此而来，一个单片的集成电路图像传感器可接收一个微变形甚至无变形的指纹图像，并输出与此相应的视频图像，以作进一步处理。
图2采用变形光学的超薄型指纹传感器的基本原理图。
图3按照本发明原理实际组装的超薄型指纹传感器的器件图和原理图。
图4指纹传感器的详解图。
图5采用变形光学的超薄型指纹传感器的使用流程图。
图6按照本发明原理实际组装的超薄型的指纹传感器的使用流程图。
本发明允许存储图像进入接收板202的角度大大超过90°，水平柱面透镜204通常选用的半径大约为3.28mm，产生微弱的放大倍率大约为1.8-2.2。垂直柱面透镜206通常选用半径大约为2.0mm，将产生较强的放大倍率大约为6.0-8.0。当然也可以根据需要选用其它不同的半径。总之水平柱面透镜204与垂直柱面透镜206组成了变形组镜210，沿相互垂直的两个方向产生了不同的放大倍率，以补偿图像的变形，减少像差。水平镜204与垂直镜206也可以用一简单的带有非球面的平凸镜所替代。
组镜210的放大倍率是由以下几个因素确定的①从图像接收板202到组镜210的距离；②图像进入图像接收板202和进入水平镜204与垂直镜206的角度，此文中的实际组装的超薄型指纹传感器，它的放大倍率可以是预先设计锁定的，也可以是可调的，即通过调整接收板202和变形组镜210之间的距离来调整放大倍率。图像的质量由此得到调整以避免像差。图像的采集可以在一定的距离范围内实现而不引起过度的变形。
图3描述了按照本发明原理实际组装的超薄型指纹传感器300的原理。图像传感器模块300与图2的图像传感器模块200相似，是由图像接收板202，水平柱面透镜204和垂直柱面透镜206组成的变形组镜210，图像传感器208组成。此外还有带有透明光学玻璃板312的外盖310，折叠反射镜302，偏转反射镜304，线路板306，和发光二极管(LED)308或者其他光源也加入了超薄型指纹传感器模块300。
图像接收板202是由一块透明光学板比如透明光学玻璃、光学镜片、塑料等等，来达到接收到更为清晰的图像的目的。在此模块中当有图像出现时，如手指触及了接收板202，在手指与接收板所接触的区域呈现出白色，而没有图像的其它透明区域则呈现出黑色。整个图像采集的区域是呈黑色的，只有当有图象时，比如手指遮盖了接收板上的空间光线，将通过折叠反射镜302反射成像。为了减少周围和外部光进入其成像光路103，图像接收板上可加镀窄带滤光膜。
图4是图3指纹传感器的详解图。所有图四所示的部件与图3均一致。只是从中剖面的角度来分析。光路103从接收板202的上表面进入折叠反射镜302，并由此反射到变形组镜210，首先到水平镜204，然后到垂直镜202，然后再通过偏转反射镜304，反射到图像传感器208。图像传感器208安装在一块电路板306上。偏转反射镜304的作用就是将图像反射到图像传感器208。图像传感器如前面所提可以是CCD或者CMOS所组成的传感器应用装置，比如指纹传感器，扫描仪或是作为一种安全保密装置用于照相机，移动电话，手提计算机以及其它设备。
折叠反射镜302的另一功能是采用大大超过90°，接近180°的反射图像传送以缩小这个装置的体积尺寸。偏转反射镜304的作用是图像通过偏转反射镜304将图像反射为小于或接近于90°，使之结构更为紧凑。与图二相比，由于采用了折叠反射镜302和偏转反射镜304，使图三图四所示系统结构紧凑，更接近于实际应用。更进一步可以采用在图像接收板202的倾斜边缘上镀上反射铝膜，图像接收板202与折叠反射镜302就能合并为一体，使之更加有效地缩小体积尺寸。缩小体积的方法还不仅限于此水平柱面透镜204和垂直柱面透镜206，也可以一片包含有两向不同放大倍率的镜片所替代，或者将水平柱面透镜204与图像接收板202合并为一片边缘为凸面的柱镜。采用一片凹面镜来形成一种远心成像系统，来代替折叠反射镜302，以去除所有的残余楔状失真。
发光二极管308用来作为光源，当图像产生在图像接收板上时发光二极管使其产生反射图像。发光二极管所组成的光源在设计上与系统光路103垂直，并与系统光路103、水平柱面透镜204、垂直柱面透镜206处于不同的平面内。在图四的例子中，发光二极管308与折叠反射镜302相互垂直，所以说光源可以顺利地到达图像接收板的采集区域。光源在本发明系统中是必须的，但并不局限于发光二极管，可以是日光或其它环境杂散光均可。
超薄型光学图像装置包括依次以光路连接的光源308、图像接收板202、变形光学组镜210、图像传感器208。在实际应用中图像传感器还需连接到信号输出口，比如USB接插口，并通过它连到计算机。或者也可将超薄型光学图像装置描述为其组成是电源、光路，传感器及USB输出装置。按照本发明的原理，这种USB装置是由一单片传感器集成电路组成以承担全部传感器的控制，图像的采集，图像的预处理和编码以及视频传送。图像输出的接插口可以是USB，也可以是IEEE1394，或其它相似和兼容的接插口。电源也可以通过USB接插口提供，并由计算机来控制。
图5是应用本发明原理的采用变形光学的超薄型光学指纹传感器的框图。第一步502，图像采集平板(通常是由透明的光学材料所制)得到图像。第二步504，在图像采集平板上表面的图像通过变形组镜使之得到补偿。第三步506，已得到补偿、修正的图像，再进入图像传感器。
图6是按照本发明原理实际组装的超薄型指纹传感器的流程框图。第一步602，图像采集平板得到图像。第二步604，一块折叠反射镜将在采集平板上表面的图像反射到变形组镜。第三步606，图像通过变形组镜得到补偿修正。第四步608，已得到修正的图像通过一块偏转反射镜送到图像传感器。第五步610，图像传感器采集到图像。
以上是通过对一具体的指纹传感器剖析达到对本发明的解释和阐述。如前面所提指纹传感器只是本发明的一项应用。事实上超薄型光学图像传感器有着极为广泛的应用。除了指纹传感器外，还可用于光学扫描仪等其它的图像传感装置。因此发明者在此特别声明本文对于本发明的具体应用，以及过程的论述，所采用的解决问题的方法也可更广泛的应用于其它的硬件，软件以及其它各种不同功能的系统上，也可以将此方法建成一独立模块再与其它系统组合。总之，各种运用本原理可以建成的组合件远远不止本文中所提及的。所以本发明的所有条款并不限于在论述中所提到的，而必须是以权力要求书中的为准。
权利要求
1.一种使用变形光学组镜的超薄型光学图像传感器，包括图像接收平板；至少有两种不同光学放大倍率的变形光学镜组；和图像传感器；在图像采集平板上表面的图像通过变形光学组镜得到补偿、修正，修正后的图像再被反射到图像传感器。
2.权利要求1所述的超薄型光学图像传感器，其中的变形光学组镜是由水平柱面透镜和垂直柱面透镜组成。
3.如权利要求1所述的超薄型光学图像传感器，其特征在于，具有垂直于图像采集光路平面的光源。
4.如权利要求1所述的超薄型光学图像传感器，其光源由发光二极管组成。
5.一种采用变形光学组镜的超薄型指纹传感器，包括图像接收平板；至少有两种不同光学放大倍率的变形光学组镜；和图像传感器；在图像接收板上表面的图像通过反射到变形光学组镜并通过变形光学组镜使之得到补偿修正，再将已修正的图像反射到图像传感器。
6.如权利要求5所述的超薄型指纹传感器，其中的变形光学组镜由水平柱面透镜和垂直柱面透镜组成。
7.如权利要求5所述的超薄型光学指纹传感器，其光源垂直于图像采集平面。
8.如权利要求5所述的超薄型光学指纹传感器，其光源为发光二极管。
9.一种采用变形光学的超薄型光学扫描器，包括图像接收平板；至少由两种不同光学放大倍率的变形光学组镜；和图像传感器；在图像接收板上表面的图像通过反射到变形光学组镜，并通过变形光学组镜得到补偿、修正，再将已修正的图像反射到图像传感器。
10.如权利要求9所述的超薄型光学扫描器，其中的变形光学组镜是由水平柱面透镜和垂直柱面透镜组成。
11.如权利要求9所述的超薄型光学扫描器，其特征在于，具有垂直于图像采集平面的光源。
12.如权利要求9所述的超薄型光学扫描器，其光源为发光二极管。
13.一种采用变形光学组镜的超薄型光学图像传感器，包括图像接收板；至少有两种不同光学放大倍率的变形光学组镜；图像传感器；一块折叠反射镜，用于将在图像接收板上表面的图像折叠反射到变形组镜；和一块偏转反射镜，用于将通过变形组镜的图像反射到图像传感器；在图像接收板上表面的图像，通过反射到变形光学组镜，并通过变形光学组镜使之得到补偿、修正，再将已修正图像反射到图像传感器。
14.如权利要求13所述的超薄型光学图像传感器，其中的变形光学组镜由水平柱面透镜和垂直柱面透镜组成。
15.如权利要求13所述的超薄型光学图像传感器，其光源垂直于图像采集平面。
16.如权利要求13所述的超薄型光学图像传感器，其光源为发光二极管。
17.一种采用变形光学组镜的超薄型光学指纹传感器，包括图像接收板；至少有两种不同光学放大倍率的变形光学组镜；指纹传感器；一块折叠反射镜，用于将在图像接收板上表面的图像折叠反射到变形组镜；和一块偏转反射镜，用于将通过变形组镜的图像反射到指纹传感器；在图像接收板上表面的图像，通过反射到变形光学组镜，并通过变形光学组镜使之得到补偿、修正，再将已修正图像反射到指纹传感器。
18.如权利要求17所述的超薄型光学指纹传感器，其中的变形光学组镜是由水平柱面透镜和垂直柱面透镜组成。
19.如权利要求17所述的超薄型光学指纹传感器，其光源垂直于图像采集光路平面。
20.如权利要求17所述的超薄型光学指纹传感器，其光源为发光二极管。
21.一种采用变形光学组镜的超薄型光学扫描器，包括图像接收板；至少有两种不同光学放大倍率的变形光学组镜；扫描器；一块折叠反射镜，用于将在图像接收板上表面的图像折叠反射到变形组镜；和一块偏转反射镜，用于将通过变形组镜的图像反射到图像扫描器；在图像接收板上表面的图像，通过反射到变形光学组镜，并通过变形光学组镜使之得到补偿、修正，再将已修正图像反射到图像扫描器。
22.如权利要求21所述的超薄型光学扫描器，其中的变形光学组镜是由水平柱面透镜和垂直柱面透镜组成。
23.如权利要求21所述的超薄型光学扫描器，其光源垂直于图像采集光路平面。
24.如权利要求21所述的超薄型光学扫描器，其光源为发光二极管。
25.一种组成超薄型光学图像传感器的方法，包括如下步骤在图像接收平板上接收到一幅图像；利用变形光学组镜，对所接收的图像进行补偿、修正处理；再将已经过修正的图像送到图像采集传感器进行储存与处理。
26.如权利要求25所述的方法，其处理过程包含有通过一块折叠反射镜将接收到的图像折叠反射到变形光学组镜；利用变形光学组镜对折叠反射得到的图像进行补偿；通过一块偏转反射镜将已经过补偿修正的图像再反射到图像采集传感器。
27.一种组成超薄型光学指纹传感器的方法，包括如下步骤在图像接收平板上接收到一幅图像；利用变形光学组镜，对所接收的图像进行补偿、修正处理；再将已经过修正的图像送到图像采集传感器进行储存与处理。
28.如权利要求27所述的方法，其处理过程包含有通过一块折叠反射镜将接收到的图像折叠反射到变形光学组镜；利用变形光学组镜对折叠反射得到的图像进行补偿；通过一块偏转反射镜将已经过补偿修正的图像再反射到图像采集传感器。
29.一种组成超薄型光学扫描器的方法，包括如下步骤在图像接收平板上接收到一幅图像；利用变形光学组镜，对所接收的图像进行补偿、修正处理；再将已经过修正的图像送到图像采集传感器进行储存与处理。
30.如权利要求29所述的方法，处理过程包含有通过一块折叠反射镜将接收到的图像折叠反射到变形光学组镜；利用变形光学组镜对折叠反射得到的图像进行补偿；通过一块偏转反射镜将已经过补偿修正的图像再反射到图像采集传感器。
全文摘要
本发明涉及一种采用变形光学组镜的超薄型光学图像传感器，包括图像接收板，至少由两种不同光学放大倍率的变形光学组镜和图像传感器。从图像接收板得到的图像通过变形光学组镜，使之从光学上图像得到补偿和修正，再将已修正的图像送到图像传感器。按照本发明所实际组装的传感器还加上了一块折叠反射镜和一块偏转反射镜，使之结构更为紧凑。折叠反射镜将接收到的图像折叠反射到变形光学组镜，偏转反射镜通过变形光学组镜已得到补偿修正的图像再反射到图像采集传感器。
文档编号G02B3/02GK1414400SQ0214407
公开日2003年4月30日 申请日期2002年9月29日 优先权日2001年10月25日
发明者冯琛 申请人:美国光撷科技有限公司