专利名称：用于将目标照亮并使目标成像的光学系统、光学元件和用户单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学系统，用于照亮目标平面，并将目标平面的影像传送到象平面上。本发明还涉及该系统的光学元件，其中用来对目标平面照明及影像捕获的手持用户单元(user unit)和方法。
背景技术：
上述类型的光学系统用在很多设备中，例如具有成像能力的手提设备，如手持式扫描仪和光笔。这些设备中很重要的一点是所包括的光学系统和光学元件的制作要尽可能紧凑以减少总的体积。对于光笔中使用的光学系统，相应的物体一般小于一个厘米，光学成像部分形成的影像范围通常在几个平方毫米内。这种光笔在WO 01/71654中已经公开，此处作为参考。当然，其它类型的设备也包括了不同大小的光学系统。
典型的光学系统包括了光学成像部分，光源(radiation source)和光传感器。由于生产方面的考虑，光学系统中的元件要尽可能简单、牢固和节省空间的安装是很重要的。手持设备中，一般把光学成像部分，传感器和光源并排安装，由此产生分离的照明和成像光路。但这种安装占用了手持设备中大部分空间。
手持式设备中光学系统的放置的典型要求是光学系统必须能够对不同的距离处的物体充分成像。这意味着系统要具有足够大的景深，因此这要求高光圈数和孔径光阑相对小的系统。这种系统能够允许相对较少的辐射光从被照亮的目标平面到达象平面。因此目标平面必须置于高强度的照明辐射下。
另外，照明和成像光路分离的光学系统中，目标平面上的照明区域和成像域只有在给定标称物距时才是一致的。只要需要在景深范围内调节不同的物距，需要照明的区域比标称物距下成像所需的物距大得多。因此，光源的辐射光的使用效率不高，而这进一步加强了对强光源的需求。
而这种强光源有一些缺点，如价格昂贵、不耐用、功耗大以及体积大。
上述问题在照明和成像光路部分重叠的光学系统中也是存在的。WO 00/72287公开了一种带有该类型光学系统的光笔，其中使用了一个分光镜，用于把光源的辐射光反射到目标平面上，并把目标平面回复反射出的任何光都传送到光学成像部分，在传感器上形成了被照亮的目标平面的影像。该系统对可用光利用效率不高，因为分光镜的每次光线交互会导致相当大的光损耗。一般光源的入射光的50％被分光镜传送而没有直接反射到目标平面上，而回复反射光的另外50％被分光镜反射而没有传送到传感器上。另外，假定的强光源的入射光该种传输方式可能会产生显著的背景光，且会和在传感器上形成影像信号的回复反射光产生干涉。此外，分光镜是一个潜在的昂贵的元件，特别是当它具有可控表面和传输特性时。
类似的光学装置在GB-A-2 166 831中已经公开。
现有技术还包含了US-A-6 114 712中公开的手持式扫描仪，它具有另外一种照明和成像光路部分重叠的形式的光学系统。
发明内容
本发明的一个目标是能够简单、牢固、节省空间地安装光学系统中所包含的元件，并且能够提高系统中光源的辐射光的利用率。
根据本发明，该目标完全或至少部分地由权利要求1和30中的光学系统，权利要求31、40和41中的光学元件，权利要求54中的手持用户单元，以及权利要求55中的方法来达到。本发明的优选实施例由从属权利要求来限定。
本发明的一个方面是，它涉及到一种光学系统，用于照亮目标平面，并把目标平面的影像传送到象平面上，上述系统包含一个光学元件，把光源发出的第一辐射光反射到目标平面上，同时把目标平面反射的第二辐射光传送到象平面上，其中光学元件包含了一个用于反射第一辐射光的反射面部分，以及在空间上相分离的用于传送第二辐射光的透射面部分。
该光学系统允许照明和成像光路部分交叠，且因此可使系统紧凑。如上所述，在该系统中对于景深之内的所有物距，能够获得相同的照明和成像区域。换句话说，光学元件能够把第一辐射光按光学系统的光轴的轴向反射到目标平面上，光轴是由目标平面到象平面的第二辐射光的传输光路所确定的。
另外，光学系统还能够有效利用可用的辐射光，因为光源发出的第一辐射光的反射能够和目标平面传输的第二辐射光有效地分离开来。反射面部分因而能最佳地反射第一辐射光，同时透射面部分能够最佳地传送第二辐射光。因此，本发明的光学系统允许使用功率较小的光源且在象平面上产生较强的影像信号，从而具有降低生产成本的潜力。
反射面和透射面部分的空间分离性还能把到达象平面的背景辐射光强最小化，从而再次使反射面部分和透射面部分的性能得到优化。由于该原因，反射面部分基本上可完全反射第一辐射光和第二辐射光。
光学系统同样要求基于其中的反射面和透射面部分及相同的光学元件安装简便、牢固。
反射面部分可以包围着透射面部分。该实施例中，反射面部分可因而确定透射面部分的大小。
光学元件和透射面部分可一起作为光学系统中的光阑。由此减少了系统中分离部件的数量。这也同样减少了光学系统的容差。例如光笔是只有几个很小或微小的光学部件的紧凑的光学系统，要在要求的精度下生产和安装这些部件是很困难的。在光学元件中加入这个光阑，光阑的生产和安装是很便利的。这对于确定系统景深的孔径光阑尤其确切，因为例如光笔中的光阑的直径大小在0.5-1.0mm之间。
此外，透射面部分可不受光源发出的第一辐射光的影响，这样可以最小化到达象平面的第一辐射光。把透射面部分放置在与光源发出的第一辐射光的主方向基本平行的平面上。透射面部分的这种放置在生产过程中很方便，例如在铸模或研磨步骤中。而且透射面部分的平面基本和系统的光轴垂直。
把透射面部分安装在系统光轴和第一辐射光的主方向的相交处也是很有利的。
在一个实施例中，光学元件的反射面部分包含两个反射脊面，在堑壕线交会形成了一个反射脊面部分。在沿着和包围堑壕线的反射脊面部分内形成透射面部分。
反射面部分还包括两个从属反射脊面，在脊边处相交形成反射脊面，脊边基本和堑壕线对准，并且堑壕线和脊边的过渡所确定的透射面部分对准。该实施例中，几乎所有入射第一辐射光都向目标平面反射，对入射第一辐射光的光束轮廓影响很小。
在一个实施例中，光学系统还包含了一个光导(light guide)，其合并为光学元件的一部分。这种光导用来聚焦光源的第一辐射光，这样光源可以放在离反射面部分距离较远的位置，而不会削弱光学系统的功能。光导的另外一个功能是可以对入射第一辐射光的光束轮廓进行可控的修正。
光学系统还替代地或额外地包括另一个光导，用来接收反射面部分的第一辐射光。这种光导可合并为光学元件的一部分。光导能相对于反射面部分增加放置目标平面的自由度。光导还进一步用来对进入光导的第一辐射光的光束轮廓进行可控的修正。
在一个实施例中，光学元件设计为壳状。这种设置通过在从反射面部分到目标平面的光路中消除折射率的阶变，能够减少第一辐射光中不受控的回复反射光进入透射面部分。另一个优点是可减轻光学系统的重量。
壳状光学元件适宜用反射材料涂覆或制作。这种元件对于反射面部分上沉积的任何污物或微粒相对不敏感。
在另一个实施例中，光学元件是一个棱镜。此处，反射面部分由相互排列的、把入射的第一辐射光完全内部反射的反射面构成。可选地或额外地，反射面部分至少一部分涂覆了反射材料。
棱镜比较容易制作，因为要在反射面之间得到所需的给定关系只需几个制作步骤。制作还可以简化，因为棱镜不是必须要涂覆反射材料。棱镜相对来说也比较牢固。另一个实施例中，棱镜的反射面部分涂覆上了反射材料，它的优点是提供了一种对污渍或微粒的沉积更不敏感的器件，且减少了第一辐射光在光学元件到象平面的路径中的泄漏。
系统还包含了一个折射面，用来接收反射面部分反射出的第一辐射光。折射面也可合并为光学元件的一部分，可以是个相对倾向系统光轴的镜面，适用于防止第一辐射光的回复反射部分进入透射面部分。
不管光学元件是棱镜或者壳状，透射面部分包括一个折射面，如用来接收目标平面的第二辐射光的成像透镜面。这可以便于光学系统的组装，还减少了光学系统的容差，因为折射面是很精确地相对于反射面和透射面部分进行定位的。此外，省去了系统中一个或几个其他的折射面，还增加了系统的自由度的量。
在一个实施例中，成像路径是弯曲的，因此象平面和光源是基本平行的。这种设计便于光学系统的组装和安放。例如光学系统的接口可能是平面印刷电路板，光源和二维光传感器安装在其上。
依据其他方面，本发明涉及到光学元件，以及带有光学系统或光学元件的手持式用户单元。它的实施例以及相应的优点，可从上述关于光学系统的讨论中推知。
依据本发明的另一个方面，涉及到对目标平面照明以及影像捕获的方法，包含激发光源产生辐射光，在固定的反射面部分至少能接收到产生的部分辐射光，并通过反射将其重新定向到目标平面，将目标平面反射的第二辐射光会聚在象平面上形成影像，其中第二辐射光是通过和反射面部分物理连接、但空间分离的透射面部分来会聚的。
这种方法的实施例以及相应的优点，可从上述关于光学系统的讨论中推知。
下面将参照所附示意图，通过本发明现有图示的优选实施例对本发明进行详细描述。
图1是依据本发明的一个光学系统内的光路的侧视图。
图2是依据本发明的光学系统的一个实施例的侧视图。
图3是图2的实施例的另一种可选的排列的侧视图。
图4是图2-3中系统所包括的光学元件的一个实施例的透视图。
图5是图4中光学元件的第一可选实施例的透视图。
图6是光学元件的第二可选实施例的透视图。
图7a-7b是图4中光学元件的变型的透视图。
图8是光学元件的第三可选实施例的透视图，其中元件的内腔用实线表示。
图9是图8中的元件的前面部分的底视图，其中前腔用实线表示。
图10是图8中元件的前端视图。
具体实施例方式
图1显示了依据本发明的一个光学系统的一般设置。光学系统包括一个光源1，光传感器2，光学成像部分3，以及双向元件4。光源1辐射出照向目标平面5上区域5a的光(图1中用虚线表示)。光学成像部分3在目标平面5上视场5b范围内会聚光线，并在象平面6上形成影像，由传感器2捕获。
一般来说，影像由光学系统的景深5c内任何存在的物体所反射的辐射光形成。该反射光是光源1和其他背景光的合成光。光源1可持续或间歇地辐射出光线。在后一种情况下，光源1的激发以及传感器2的曝光宜在时间上同步。
光源1可以是任何形式的发光器件，如一个或多个激光二极管，一个或多个白炽灯，一个或多个放电灯，一个或多个发光二极管等。传感器2可是任何形式的感光设备，如照相底片或电子探测器，例如固态面探测器如CCD或CMOS探测器。光学成像部分3可包括一个或多个折射器件，如光学透镜，一个或多个镜面或棱镜，以及一个或多个光阑，如孔径光阑，场阑等。
双向元件4合并了系统的照明光路和成像光路，在双向元件4和目标平面5间进行延伸。为此，双向元件4包含了一个镜面4a和一个透射窗4b。镜面4a基本把来自光源1的所有入射光反射到目标平面5上，一般是发散光束。此外，从目标平面5落到镜面4a上的任何辐射光也通过反射来阻断。透射窗4b用于传送光学成像部分3从目标平面5会聚的辐射光。
图1也包括了系统的光轴，图示中是水平的链状线。该光轴定义为从视场5b的中心发出的光线，由透射窗4b的中心经过光学系统，到达传感器2上的影像的中心。
图1的双向元件4能有效地利用可用辐射光，因为基本上所有的入射光都能送到照明区域5a。如果需要的话，照明区域5a和视场5b基本上能和光学系统的整个景深5c一致，如图1中所示，从而能把可用辐射光的利用率最大化。
另外，图1的双向元件能够有效地会聚从目标平面反射的辐射光，因为该辐射光能够经透射窗4b以最小损失进行会聚。
再次，图1的双向元件一般容许透射窗4b形成光学系统的孔径光阑。这有利于光学系统的生产和装配，尤其在景深较大的系统中有微小的孔径光阑。
如果光源1发射出发散光束，光源的放置相对镜面4a略微偏移，因此整个光束击中了镜面4a。如图1所示，其中光源光束的对称线(如垂直链状线表示)从镜面4a中心处的透射窗4b的中心移开，这样光源光束对称地照到透射窗4b周围镜面4a之上。
上述光学系统的特定实施例中，能够进一步优化目标平面5的照明，同时还能把通过透射窗4b的入射光的泄漏最小化。图2-10显示完全或部分满足这些需求的不同实施例。所有的示意图中，相应的元件具有相同的附图标记。
图2中，光学系统包含了发光二极管(LED)形式的光源1，传感器2，光学成像系统3和改进的阿米西棱镜形式的双向元件4。阿米西棱镜是直角棱镜，在它的其中一个表面上有脊边。这样具有脊边的直角棱镜或其他类型的棱镜通常认为是屋脊棱镜。
图4中详细示出的棱镜4具有面向光源1的照明侧面7，以及两个脊面8，9。两个脊面8，9相互倾斜，并沿延伸脊边10相交。在脊边10形成了一个延伸槽，并形成了两个在反向脊边13处相交的第二脊面11，12。两条脊边10，13之间的过渡形成了一个菱形区域14，作为光学系统的孔径光阑。棱镜4也有一个目标侧面15，在光学系统中面向目标平面5。回到图1，脊面8，9，11，12和镜面4a相对应，而菱形区域14和透射窗4b相对应。
系统中各部分相互之间的放置方式使系统的光路，光源1发出的辐射光通过照明侧面7进入双向元件4，由一个或多个脊面8，9，11，12反射，并经过目标侧面15，照到目标平面5上。然后目标平面5投射的辐射光重新经由双向元件4经过孔径14，通过光学成像部分3，到达位于象平面6中的传感器2上。光学成像部分3包含一个或多个用来引导辐射光的透镜或者其他光学元件，由此在传感器2上生成目标的影像。
如从照明侧面7和目标平面12所观察到的，脊面8，9，11，12形成了与照明和目标侧面7，15成45°角的反射脊部分。脊面8，9相交形成了沿线10的V形延伸沟槽。脊面9，11和8，12相交形成了延伸的V形第二沟槽，而第二脊面11，12相交形成了一个延伸脊边13。脊面8，9，11，12互成角度，由此把从光源1接收到的所有辐射光进行完全内部反射，这使得辐射光仅通过目标侧面15由元件4投影。相应地，脊面把从目标平面5中的目标5’接收到的所有辐射光进行完全内部反射。图2和4中，所有的脊面8，9；8，12；9，11；11，12都以直角相交。菱形区域14在沟槽到脊边的过渡处形成一个平面区域。
菱形区域14不受光源1发出的辐射光影响，对目标平面5(图1)中的视场5b内发射的辐射光能透射。图2中，区域14和光源1发出的辐射光的主方向是平行的，如图示中的点状线B。其他实施例中(未示出)，区域14略微从光源1偏移。
图3示出了图2中光学系统的另一种放置方式。此处光学成像系统3用来当辐射光通过区域14时，将其重新定向，使其落在传感器2上基本与光源1相同的平面上。本实施例中的光学成像部分3包含了一个相对于光轴倾斜的棱镜或镜面，把辐射光反射到传感器2上。这种设置下的光学系统能够很容易地安装在装配了传感器2和光源1的印刷电路板上。
需要注意的是脊面8，9，11，12之间的交角可偏离90°。一些情况下，角度范围在大约45-135°之内不会损害双向元件4把光源1的辐射光完全反射到目标平面5的功能。例如选择交角能得到所需形状的区域14，比如矩形。所有脊面8，9，11，12或一部分脊面还涂覆了反射材料，例如金属如铝，银或金，或绝缘材料。
依据图5中的第一可选实施例所示，双向元件4是一个屋脊棱镜，具有两个脊面8，9，相交形成一个反射脊面部分。在脊边10处形成了沟槽，确定了一个三角形区域14，能透过目标平面上视场内的辐射光。沟槽也确定了一个涂覆反射材料的三角形底部14’，防止光源辐射光传送进入照明侧面7。
本发明的第二可选实施例包含了图6中的双向元件4，形成了在端面16上带有槽的直角棱镜。端面适于对光源发出的以及目标平面上目标端面发出的并进入照明侧面的辐射光形成一个反射面。沟槽确定了一个三角形区域14，能透过目标平面上视场内的辐射光。沟槽也确定了一个涂覆反射材料的三角形底部14’，防止光源辐射光传送进入照明侧面7。
对上述实施例进行修正，双向元件4可在目标侧面15上带有光导17，如图7a所示，或如图7b所示的在照明侧面7上，或两个侧面上都有(未示出)。在图7a-7b示出的修正后的实施例中，光导的横截面是矩形，但也可使用横截面是三角形或六边形的光导。
光导17能满足几个要求。光导的设计能使目标平面上照明区域的辐射光的分布均匀。光导还可用于发散或会聚光源1发出的辐射光。照明侧面7上的光导(图7b)还可增加光源1定位的灵活性，光源置于光导的末端。因此，如果因为空间原因，光源1能放置在离双向元件4中反射面任意所需距离的位置上，而不会减弱光学系统的功能。同样，目标侧面15上的光导(图7a)可使系统的目标平面在离光源1和传感器2任意所需距离上。如果元件4安放的空间不能容纳一个给定长度的直光导，在元件4的两个侧面7，15上都设置光导能得到该长度。
对上述实施例进一步修正，目标侧面15可作为倾向光轴A的透镜面。它能够防止或至少能减弱边界面15回复反射的辐射光量。否则这些回复反射光可能通过区域14射到传感器2上。一般地说，目标侧面15和照明侧面7中任一个，或这两者都作为折射面。这种折射面一般是球面或非球面的透镜面，菲涅耳透镜，以及衍射面。同样本文中倾向光轴的平面也是折射面。例如目标侧面15和/或照明侧面7上的折射面都用被用来替代光学系统中原有的任意一个或多个单独的折射器件。
仍对上述实施例再进一步修正，双向元件4的透射窗4b，14也可有一个或多个折射面，如透镜面。因此，透射窗4b，14不仅传送目标平面的辐射光，也以同样的控制方式把辐射光折射。这种修正具有简化光学成像部分，同时简化光学系统的装配的潜力。
上述实施例又作了一些变化，双向元件4是带有镜面的壳体，形状可以采用上述任一实施例。该元件用任何合适的材料制成反射涂覆层，如橡胶、玻璃或金属，形成了镜面。反射涂覆层在涂覆过程中生成，例如包含了铝，银，金，绝缘材料等。透射窗4b，14可作为具有合适形状的透明材料的通孔或平面。可选地，整个元件4可用反射材料，如铝制成，反射材料上的通孔作为透射窗4b，14。目标侧面15和照明侧面7以及其他任何非反射侧面可不包括在这种变化内，或未涂覆，由透明即非漫射的材料制成。
图8-10示出了双向元件的第三可选实施例，其中它的形状是壳状。图8-10分别示出了元件的透视图、前部的底视图以及前视图，目的是示出壳状元件4的内表面。因此，元件的主体轮廓线只用链状线画出，而内表面用实线表示，或当一个内表面隐到另一个内表面之后时用点状线表示。
如图8所示，双向元件4适于固定在安装了发光二极管(LED)形式的光源1以及面传感器2的印刷电路板(PCB)20上。因此，元件4和PCB 20构成了图3中所示类型的光学系统。
该元件具有一个底面孔21，底面孔开到延长前腔22内，适于和光源1紧密配合。前腔22的后壁23具有反射面8，9，11，12，组成了内含透射域14的镜面。该镜面和腔22的轴向中心线约成45°角，这也是和系统的光轴一致的。尽管图示实施例基于图4中的元件，后壁23也可采用任何形状来获得所需的功能，如图5和图6所示。
前腔22又进一步由延长反射侧壁24确定，后者从后壁23延伸到一个开放式前壁25，由此确定了一个光导。图9和10更清楚地显示出，侧壁24略微偏离腔22的轴向中心线，形成了一个横截面朝着前壁25方向逐渐增大的光导。这种锥形光导能够把光源1发射的光束偏离重新汇聚，并由后壁23反射。
前腔22和上述实施例中的双向元件有着相同的功能，即把来自光源1的辐射光反射到和前壁25相对的目标平面上，再把从目标平面会聚的光通过透射域14传送出。从图9和10可以很清楚地看到，反射面8，9，11，12的位置从入孔21和前壁25端都是可见的。因此，从入孔21或前壁25入射到表面8，9，11，12的光能被完全反射。另一方面，透射域14从前壁25端是可见的，目的是能通过前壁25传送会聚光，而从入孔21处看基本都隐藏了，目的是将光源的辐射光的直接传送最小化。
图8-10的第三可选实施例中的双向元件还有一个后腔26，其设置和前腔22是一致的。后腔26用于接收前腔22透过的光，并将其反射到形状和传感器2紧密配合的底面孔27。后腔26由前壁28、延伸侧壁29和倾斜后壁30所确定。前壁28通过中央透射域31传送前腔22透过的光。侧壁29对接收到的辐射光最好具有低反射率，而后壁30对该辐射光是高反射率的。如图8所示，透射域31是一个透镜面，将目标平面反射回的光在传感器上成像。因为图示起见，图8中第一和第二腔22，26之间的距离被放大了。
依据上述实施例的双向元件4可用铸模方式制成。图2-7的元件适于用能将光源的辐射光和目标平面捕获的光透射的材料制成。图8-10的元件也可用这样的材料制成如果在后壁23，30和侧壁24上增加了高反射率的涂覆层或垫片，可选地在前壁28和侧壁29上使用低传输率和低反射率的涂覆层或垫片。前壁28也可用本身不可透射的形状替代使用涂覆层或垫片，如与图8中前腔22的后壁23类似的形状。材料自身在透射域14，31之间形成了透射光路。
依据一个可选例，图8-10的元件用阻光材料制成。那么，只需要在后壁23，30和侧壁24上使用高反射率的涂覆层或垫片。在透射域14，31之间延伸出了中空的通路作为透射光路。
依据另一个可选例，图8-10的元件用反射材料制成。那么，只需要在侧壁29，以及可选的在前壁28上使用低反射率的涂覆层。在透射域14，31之间延伸出了中空的通路作为透射光路。
本发明用上述几个优化实施例进行了描述。但是本发明并不局限于这些实施例，还涵盖了许多其他依据从属权利要求的保护范围所确定的变化，另外，很容易被本领域技术人员理解。
例如双向元件的镜面可是任意形状，如球形，椭圆形，双曲线，抛物线，多面体等等。同样，双向元件的透射窗也可是任意形状，如圆形，椭圆形，多边形等等。
此外，双向元件的镜面可分别和光轴及光源辐射光的主方向成任意合适的角度。
此处描述的用于对目标平面照明和成像的光学系统、双向元件以及方法可用在手持式设备中，如光笔，条形码或文字的扫描仪，瞄准设备等。但本发明还能寻求到其他的应用，特别是需要较大景深或空间利用率高的设计或者聚光能力强时，如用于计算机和机器视觉的设备，便携式医疗和科学仪器，迷你照相机等。
权利要求
1.一种光学系统，用于照亮目标平面(5)并将目标平面的影像送到象平面上(6)，上述系统包含了一个光学元件(4)，它将光源(1)发出的第一辐射光反射到目标平面(5)上，同时也把来自目标平面(5)的第二辐射光传送到象平面(6)，其特征在于光学元件(4)包含了一个用来反射第一辐射光的反射面部分(4a；8，9，11，12)以及一个空间上分离的用来传送第二辐射光的透射面部分(4b；14)。
2.如权利要求1中所述的光学系统，其特征在于反射面部分(4a；8，9，11，12)包围着透射面部分(4b；14)。
3.如权利要求1或2中所述的光学系统，其特征在于带有透射面部分(4b；14)的光学元件(4)在光学系统中作为一个光阑。
4.如权利要求3中所述的光学系统，其特征在于透射面部分(4b；14)在光学系统中作为一个孔径光阑。
5.如前述任一权利要求中所述的光学系统，其特征在于光学元件(4)将第一辐射光基本上与光学系统的光轴(A)同心地反射，来照亮目标平面(5)。
6.如前述任一权利要求中所述的光学系统，其特征在于透射面部分(4b；14)不受光源1的第一辐射光的影响。
7.如权利要求6中所述的光学系统，其特征在于透射面部分(4b；14)位于一个与来自光源1的第一辐射光的主方向(B)基本平行的平面上。
8.如权利要求7中所述的光学系统，其特征在于上述平面基本垂直于系统的光轴(A)。
9.如前述任一权利要求中所述的光学系统，其特征在于透射面部分(4b；14)在光学系统的光轴(A)和第一辐射光的主方向(B)之间包括一个相交域。
10.如前述任一权利要求中所述的光学系统，其特征在于反射面部分(4a；8，9，11，12)包含两个反射脊面(8，9)，它们在堑壕线10处相交形成了一个反射脊部分。
11.如权利要求10中所述的光学系统，其特征在于透射面部分(4b；14)是在反射脊部分内沿着堑壕线10并在其周围形成的。
12.如权利要求10或11中所述的光学系统，其特征在于反射面部分(4a；8，9，11，12)包含了两个第二反射脊面(11，12)，它们在脊边(13)相交构成了反射脊部分的一部分，脊边(13)基本上和堑壕线(10)平行，且脊边(13)和堑壕线(10)之间的过渡确定了透射面部分(14)。
13.如权利要求12中所述的光学系统，其特征在于两个第二反射脊面(11，12)以范围在大约45°-135°内的第二脊角相交。
14.如权利要求13中所述的光学系统，其特征在于第二脊角基本上是直角。
15.如权利要求10-14中任一所述的光学系统，其特征在于两个脊面(8，9)以范围在大约45°-135°内的脊角相交。
16.如权利要求15中所述的光学系统，其特征在于脊角基本上是直角。
17.如前述任一权利要求中所述的光学系统，还包含了一个光导(17)，用来接收光源(1)发出的第一辐射光。
18.如前述任一权利要求中所述的光学系统，还包含了一个光导(17)，用来接收反射面部分(4a；8，9，11，12)反射的第一辐射光。
19.如权利要求17或18中所述的光学系统，其特征在于光导(17)的横截面是矩形的。
20.如前述任一权利要求中所述的光学系统，其特征在于光学元件(4)是壳状的。
21.如权利要求1-19中任一所述的光学系统，其特征在于光学元件(4)是一个棱镜。
22.如前述任一权利要求中所述的光学系统，其特征在于反射面部分(4a；8，9，11，12)至少一部分涂覆了反射材料。
23.如前述任一权利要求中所述的光学系统，其特征在于反射面部分(4a；8，9，11，12)基本上能将第一辐射光和第二辐射光完全反射。
24.如前述任一权利要求中所述的光学系统，其特征在于光学元件(4)包含了一个折射面(15)，用来接收来自反射面部分(4a；8，9，11，12)的第一辐射光。
25.如权利要求24中所述的光学系统，其特征在于折射面(15)是一个向系统光轴倾斜的透镜面，用于防止第一辐射光的回复反射进入透射面部分(14)。
26.如前述任一权利要求中所述的光学系统，其特征在于透射面部分(14)包含一个折射面，如用于会聚来自目标平面(5)的第二辐射光的成像透镜面。
27.如前述任一权利要求中所述的光学系统，其特征在于光源(1)基本上与象平面(6)平行。
28.如权利要求27中所述的光学系统，它与一个安装了光源(1)和二维光传感器(2)的印刷电路板(20)相接。
29.如权利要求5，8，9或25中所述的光学系统，其特征在于光轴(A)由第二辐射光从目标平面(5)到象平面(6)的传输路径来确定。
30.一种光学系统，包含了一个发光装置(1)以及一个光学元件(4)，光学元件(4)将来自发光装置(1)的入射第一辐射光引导至目标平面(5)并将目标平面(5)的第二辐射光的影像传送到象平面(6)上，其特征在于光学元件(4)包含了用来将来自发光装置(1)的入射第一辐射光反射至目标平面(5)的装置(4a；8，9，11，12)，以及将来自目标平面(5)的第二辐射光传送到象平面(6)的装置(4b；14)，用于传送的装置(4b；14)和用于反射的装置(4a；8，9，11，12)是空间分离的。
31.一种光学元件，包含了一个反射面部分(4a；8，9，11，12)，用来将来自发光装置(1)的入射第一辐射光反射至光学系统中的目标平面(5)，其特征在于透射面部分(4b；14)和反射面部分(4a；8，9，11，12)是空间分离的，用来将来自目标平面(5)的第二辐射光传送到象平面(6)。
32.如权利要求31中所述的光学元件，其特征在于反射面部分(4a；8，9，11，12)包围着透射面部分(4b；14)。
33.如权利要求31或32中所述的光学元件，其特征在于透射面部分(4b；14)作为光学系统中的光阑。
34.如权利要求31-33中任一所述的光学元件，其特征在于透射面部分(4b；14)不受入射第一辐射光的影响。
35.如权利要求31-34中任一所述的光学元件，其特征在于反射面部分(4a；8，9，11，12)至少一部分涂覆了反射材料。
36.如权利要求31-35中任一所述的光学元件，还包含了一个光导(17)，用来接收光源(1)发出的第一辐射光。
37.如权利要求31-36中任一所述的光学元件，还包含了一个光导(17)，用来接收反射面部分(4a；8，9，11，12)反射的第一辐射光。
38.如权利要求31-37中任一所述的光学元件，是个棱镜。
39.如权利要求31-37中任一所述的光学元件，是壳状。
40.一种光学元件，包含了用来将来自发光装置(1)的入射第一辐射光反射至光学系统中的目标平面(5)的装置(4a；8，9，11，12)，以及将来自目标平面(5)的第二辐射光传送到光学系统中象平面(6)的装置(4b；14)，其特征在于用于传送的装置(4b；14)和用于反射的装置(4a；8，9，11，12)是空间分离的。
41.一种光学元件，包含的主体包括一个开放式前壁25；由从开放式前壁(25)延伸到后壁部分(23)的内部的外壁部分(24)所确定的一个前腔22；以及邻近后壁部分(23)的外壁部分(24)上的一个入孔(21)，其特征在于后壁部分(23)包含了带有透射面部分(14)的反射面部分(8，9，11，12)，其中第一辐射光通过入孔(21)进入前腔(22)，被反射面部分(8，9，11，12)反射到前壁(25)上，并且第二辐射光通过前壁(25)进入前腔(22)，通过透射面部分(14)传送。
42.如权利要求41中所述的光学元件，其特征在于反射面部分(8，9，11，12)从入孔(21)端和前壁(25)端都是可见的，还在于透射面部分(14)从前壁(25)端是可见的，而从入孔(21)端看基本隐藏。
43.如权利要求41或42中所述的光学元件，其特征在于内部的外壁部分(24)被延长，反射第一辐射光，这样前腔(22)能够把第一辐射光引导到前壁(25)。
44.如权利要求41-43中任一所述的光学元件，其特征在于入孔(21)至少能部分容纳光源(1)。
45.如权利要求41-44中任一所述的光学元件，包括了一个和透射面部分(14)成一直线的折射面。
46.如权利要求41-45中任一所述的光学元件，其特征在于上述主体还包括一个后腔(26)，它由第一端壁部分(28)，第二端壁部分(30)以及在第一和第二端壁部分(28，30)之间延伸出的外壁部分(29)所确定，其中第一端壁部分(28)上的入口(31)用于来自前腔(22)的第二辐射光，邻近第二端壁(30)的外壁部分(29)上有一个用于第二辐射光的出口(27)，并且第二端壁(30)用来反射第二辐射光，且向出口(27)倾斜。
47.如权利要求46中所述的光学元件，其特征在于出口(27)包含了一个能容纳影像传感器(2)的沟槽。
48.如权利要求46或47中所述的光学元件，其特征在于后腔(26)的外壁部分(29)对第二辐射光基本上不反射。
49.如权利要求46-48中任一所述的光学元件，适于装在安装了光源(1)和影像传感器(2)的印刷电路板(20)上，能将光源(1)及影像传感器(2)分别和前腔(22)的入孔(21)及后腔(26)的出口(27)对准。
50.如权利要求46-49中任一所述的光学元件，其特征在于透射面部分(14)包含了一个孔，这个孔开到延伸到后腔(26)的入口(31)的辐射光路上。
51.如权利要求46-49中任一所述的光学元件，其特征在于透射面部分(14)和后腔(26)的入口(31)之间通过一种能透射第二辐射光的材料形成了光路。
52.如权利要求46-51中任一所述的光学元件，其特征在于主体是用一种能透射第二辐射光的材料制成的。
53.如权利要求46-52中任一所述的光学元件，其特征在于第一壁部分(28)包含了一个对准入口(31)的折射面，用来会聚来自目标平面(5)的第二辐射光。
54.一种用于记录目标影像的手持式用户单元，其特征在于如权利要求1-30中任一所述的光学系统，或如权利要求31-53中任一所述的光学元件。
55.用于照亮目标平面(5)并捕获目标平面的影像的方法，包括激活光源(1)以产生辐射光，在固定的反射面部分(4a；8，9，11，12)上至少接收到部分所产生的辐射光，并通过反射将辐射光再引导至目标平面(5)，并且会聚来自目标平面(5)的第二辐射光，以在象平面(6)内形成影像，其特征在于通过一个与反射面部分(4a；8，9，11，12)物理连接但空间分离的透射面部分(4b；14)将第二辐射光会聚。
全文摘要
一个光学系统，例如用在光笔中，用于照亮目标平面(5)，并将目标平面(5)的影像传送到象平面(6)上。该系统有一个光学元件(4)，将来自光源(1)的第一辐射光反射到目标平面(5)上，同时把来自目标平面(5)的第二辐射光传送到象平面(6)。光学元件(4)包括一个用来反射第一辐射光的反射面部分(4a)，以及一个空间分离的用来传送第二辐射光的透射面部分(4b)。
文档编号G02B5/04GK1556936SQ02818354
公开日2004年12月22日 申请日期2002年9月23日 优先权日2001年9月21日
发明者托马斯·克拉温·巴特尔, 托马斯 克拉温 巴特尔 申请人:阿诺托股份公司