专利名称：用于在非接触扫描期间保持文档聚焦的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及图像扫描。具体来说，本发明涉及扫描设备的设计和实施，该扫描设备能够通过不在文档的正面上产生滑动地将文档置于扫描设备的焦点上，从而对正面易损的文档进行扫描。
将诸如商业文件的物理文档图像内容高质量地“扫描”成数字形式的工作一般是由商用设备来完成的，如与计算机连接的文档扫描仪及传真机。文档扫描仪能够(例如)将图像转换成数字形式以包含在计算机文件中。传真机通过电话线路将数字信息发送给其它的传真机，接着后者将还原出原始文档的传真。将文档从物理形式转换成数字形式的工作是在一个图像传感器单元中完成的。图像传感器一般为电荷耦合器件(CCD)或硅图像传感器。光照由一个照明设备提供，而用于将文档表面聚焦至图像传感器的光学器件则由一个或多个平面镜和透镜提供。这种光学结构既能允许文本的缩小或放大也能控制场的深度。这种结构的场深度可以较大，利用这种光学结构就可以在不需要产生接触(以下称“非接触扫描”)的情况下进行扫描。
最近，一种称为接触式图像传感器(CIS)的小型集成化器件已开始被采用作为图像传感器单元。CIS一般包括有聚焦光学器件为窄聚焦透镜阵列深度形式的照明装置(如，梯度折射率透镜阵列，也称为自聚焦透镜阵列)，以及一个或多个处于一个封装之内的传感器阵列。该小型单元通常是被密封的，照明和文档扫描通过单一的“扫描窗口”进行。扫描设备被设计成这样，即，CIS图像传感器单元扫描被置于该单元的焦点处的文档的横向，而文档的纵向则通过文档与传感器单元之间所产生的相对移动而得到扫描。与以前的传感器技术相比，CIS的优点在于易于制造，减少了元件数，运动部件更少，降低了成本，集成化的光学器件以及环境控制的光路。它的缺点之一是其聚焦深度太窄，这一点将在后面得到说明。
文档与传感器单元之间所产生的相对移动可通过两种结构之一获得。第一种一般由“平板”扫描仪和复印机使用。在这种结构中，CIS通常不含有物理扫描仪窗口，文档被放置在其下是图像扫描仪的透明材料片的顶部并且经过此透明材料进行聚焦。CIS图像扫描单元在一驱动机构的作用下沿文档的纵向移动，而文档则保持静止。这种结构不是本发明应用的主要领域。
第二种结构适合于在传真机、手持式扫描仪及送纸型扫描仪中使用，本发明主要应用于这一领域。在这种结构中，CIS单元被装配成使得传感器一透镜系统的焦点与一基本和CIS固定在一起的窗口的外表面相重合。文档必须被基本放置成与用来对文档进行聚焦的扫描窗口相接触，而且在扫描期间，为了保持使文档处于浅聚焦区，则必须保持文档与传感器窗口的接触。由于使用了这种结构，使得密封接触式图像传感器在传真机和其它价格低廉的文档扫描仪中得到了广泛的应用，并且使用这种结构的设备必须被设计成能使被扫描的文档滑过扫描仪窗口。
由于接触式图像传感器结构的上述优点(如相对耐用和价格低廉)，所以采用此技术的传真机和低价黑白灰度文档扫描仪几乎随处可见。但是，接触式图像传感器具有非常小的场深度，大约只有十分之二毫米，所以只有在文档与扫描窗口具有良好接触的情况下才能实现高质量的扫描。接触式图像传感器相对较窄的场深度会导致在场深度可被改变的图像传感器中不会出现的设计问题。近来出现的彩色接触式图像传感器还有另一个设计问题彩色扫描仪被用于照片和打印好的文档，因此接触式图像传感器必须与照片介质相兼容。与多种类型的通用文档材料(如平滑纸张)的接触不是问题。但是，基于接触式图像传感器技术的扫描仪不能对一些不能由扫描单元平滑扫过的材料进行扫描。具体来说，接触式图像传感器不能可靠地用于照片文档。这种缺陷表现在以下几个方面1．由于照片感光乳剂的软特性和吸水特性，照片文档与扫描窗口之间可能会出现“湿”接触，当这种情况发生时，文档与扫描窗口之间的摩擦系数将增加，从而会使文档粘在扫描窗口上，进而导致文档输送出现问题。
2．湿接触点与非湿接触点之间的文档/扫描窗口界面的光学特性不同。部分粘结在窗口上的照片文档会导致扫描出的图像上出现条纹和斑点，此处统称为“污斑”。
3．软的照片感光乳剂比纸件文档更易于受到损坏。照片文档可能会由于其与窗口的平滑接触中产生直接接触、或者在文档与扫描窗口之间有灰尘颗粒而被损伤或划坏。
扫描仪的制造商们已经知道用这类扫描技术对照片进行扫描的缺陷，因而有些制造商提出了在扫描照片时用干净的塑料来保护照片表面的办法。所以就需要解决在用CIS对文档(如照片)进行扫描时所出现的与扫描窗口粘结或被接触损伤的问题。
综上所述，与传统技术相比，CIS具有很多优点，包括减小的部件数和成本以及便于制造和实现。CIS的一个会带来问题的特点在于，其较小的聚焦深度要求扫描期间精确地放置文档。在CIS扫描仪中，此举通过下列步骤完成1)穿过并聚焦至扫描窗口的外表面上，以及2)将文档拽过窗口，并在扫描期间保持对文档的聚焦。上述步骤能够产生一个聚焦的图像，但是却会使扫描仪出现夹纸情况，因而会损坏易损的文档，或者还可能导致某种类型的光学问题。一种解决办法是将扫描仪窗口设计成能够减少与文档的粘结。这种方法的例子可在美国专利申请序列号09/xxx,xxx(1998年7月16日申请)题为“用于通过利用接触式图像传感器对诸如照片的文档进行扫描的改进装置”(发明人Craig等人)看到。此处将要说明的另一种解决办法是将光聚焦在远离图像传感器的点上并在扫描仪的设计中包含进一个文档定位机构。
在本发明中，可按照(例如)与CIS几乎相同的方式制造出焦点位于距图像传感器体一定距离的图像传感器，而且它具有了CIS的全部优点。从一个方面讲，文档定位机构可通过以下措施保持对文档的聚焦1)它提供了一套定位辊，它们基本相对于图像传感器固定，并作为参照物以用于文档的定位；2)一用于支撑文档的台板，它的运动受到弹簧及联动机构的限制。通过正确限制台板的运动，文档的移动就可被控制成使文档可能破损的正面既保持处于焦点之上，又只与定位辊产生接触，同时文档的背面还可以在台板上滑动。拿本发明的这个特点与现有技术所述的含有一个弹簧结构用以保持文档与CIS单元接触的扫描仪(其例子可在给Oliver Wang等人的美国专利5,463,256中看到)相比，Wang等人的机构需要CIS与文档有接触以保持文档的聚焦，在没有这种接触的情况下，它将不会工作。而从本发明的一个方面讲，由于其弹簧机构受到机械限制，所以就可在不与成像单元产生接触的情况下保持文档的聚焦。
本发明的一个目的是允许CIS类扫描仪可用于对具有与扫描窗口粘结倾向的文档进行扫描。
本发明的另一个目的是减少在照片文档扫描期间所出现的文档卡住的情况。
本发明还有一个目的是减少在照片文档扫描期间所出现的污斑情况。
本发明还有一个目的是减少在对具有易损图像表面的文档进行CIS扫描期间所出现的文档划坏情况。
本发明还有一个目的是使文档保持在非接触式图像传感器的聚焦区中，而且在文档的正面上基本没有滑动摩擦。
虽然在下文中对用于减少摩擦的修改进行了说明，但对普通的技术人员来说，其它的修改也将变得清晰易懂，本发明并不受文中所述特定修改的限制。另外，尽管本发明被设计用于照片的扫描，但它也可通用于所有需避免滑动接触的扫描应用以及普通的扫描应用之中。
图1是扫描设备在扫描期间的透视图。
图2是优选实施例的截面图，它显示出了图像传感器与文档控制机构之间的相对移动。
图3是连接有扫描辊的非接触式图像传感器的优选实施例的截面示意图。
图4是连接有扫描辊的图像传感器单元的优选实施例的透视图。
图5是其中文档受到一台板支撑的文档支承机构的优选实施例的截面图。
图6是使用一挠曲的文档支承机构的另一个实施例的透视图。
图7是使用一四杆联动机构的文档支承机构的另一个实施例的俯视图。
图8是从图7所示使用一四杆联动机构的文档支承机构的实施例中文档移动的方向上看去所得到的侧视图。
图9是带有感应文档弯曲的定位机构的另一个实施例的截面图。
图10是根据本发明所述的手持式扫描仪实施例的透视图。
图11是带有与扫描机壳耦合连接的台板并且图像传感器与台板保持平行的另一个实施例的截面图。
图12是台板与图像传感器保持相互平行的另一个实施例的截面图。
图13是台板的优选实施例的截面图。附图中的参考标号100扫描设备101文档
103扫描设备机身105图像传感器输出107图像传感器电子设备109有用的输出111电源113扫描设备开口114扫描设备开口201图像传感器203第一扫描器辊子204第二扫描器辊子205第一扫描器辊子支承件206第二扫描器辊子支承件209台板211弹簧机构213扭杆215第一扫描器辊子转动线216第二扫描器辊子转动线217扭杆固定孔219扭杆固定孔221文档正面223定向及施力机构301传感器机壳303图像传感器阵列305基底307聚焦光学器件(窄场深度)309光源(照明单元)311聚焦区313光束601挠曲水平部分603挠曲水平部分
605挠曲竖直部分606挠曲竖直部分607台板613台板与挠曲的接合处615扫描设备机身与挠曲的接合处703四杆联动机构的连接(非竖直)连杆705四杆联动机构的连接(非竖直)连杆707四杆联动机构的竖直连杆709四杆联动机构的竖直连杆713联动装置一扫描仪设备机身支承件715联动装置一扫描仪台板支承件803扫描设备机身811弹簧机构900扫描设备901扫描设备机身905第一扫描器辊子906第二扫描器辊子907第一扫描器辊子支承件908第二扫描器辊子支承件909台板911定向及施力机构913定位弹簧915扭杆917第一定位辊子918第二定位辊子919第一定位辊子支承件转动线920第二定位辊子支承件转动线921第一定位辊子支承件922第二定位辊子支承件923第一定位辊子支承件转动线
924第二定位辊子支承件转动线1010 工作面1101 台板1103 第一扫描器辊子1104 第二扫描器辊子1105 定向及施力机构1107 扭杆1109 弹簧机构1201 台板1203 第一扫描器辊子1204 第二扫描器辊子1205 第一定向及施力机构1207 第二定向及施力机构优选实施例的说明图1显示出了扫描设备100的外观。虽然图1可以是一个根据现有技术所述的传统扫描仪结构，但现有技术中并没有引用本发明所述的机构或任何其它方面。因此，图1并未被标以“现有技术”。文档101穿过扫描设备的一组开口113，它位于扫描设备机身103的背侧。电子连接包括电源111以及扫描仪输出105，该输出被电子设备107转换成有用的输出109。在扫描期间，文档101按图1所示方向移动穿过扫描设备机身103。
图2显示了本发明的优选实施例的截面视图。该视图是沿图1所示扫描设备100中的截面A-A作出的，其方向垂直于文档运动的方向，图2还显示了文档控制及扫描单元的细节。与本发明有关的单元是图像传感201以及传感器与定位机构的关系，在本发明优选实施例及其它备选实施例中使用上述扫描单元的目的是为了使文档101的正面221在扫描期间保持聚焦清晰。定位机构的优选实施例包括一套与对应的辊子支承件205和206相连接的第一扫描器辊子203和第二扫描器辊子204，台板209，以及定位及施力机构223。定位及施力机构223由一个或多个定位弹簧211以及一对扭杆213组成。弹簧211的数目应选择成可以在宽度方向(与运动方向相垂直)上均匀分担外力。以下将要说明采用单个弹簧的情况，本领域技术人员应该十分清楚如何修改设计以用于多个弹簧的情况。在扫描之前，定位机构被装配成使扫描器辊子203和204与台板209基本相接触。利用扫描器辊子203和204，并使图像传感器201位于文档正面221一侧上，且使台板209位于文档的背面，本实施例(以及本文中所述的其它实施例)就可允许或者按照图2、4、6、8A、9、10、11和12所示的方向、或者通过使用上述定位机构而按照相反的方向来进行文档扫描。在无论当文档被送入扫描仪时遇到哪套扫描器辊子的情况下，该机构的动作都可通过使台板作适当的运动从而将文档的正面保持处于焦点处。虽然这个动作是优选实施例，但其它的实施例也可在不能双向扫描的情况下将本发明的内容结合进来。
图3是图2所示优选实施例中图像传感器201的截面示意图。在本文中将该传感器称为非接触式图像传感器(NCIS)。图3中还显示出了定位机构的各个组件，它们最好与图像传感器201相连接，这些组件包括扫描器辊子203和204以及辊子支承205和206。与传统的接触式图像传感器不同，传感器201具有一个聚焦区311，它不在图像传感器201的附近。因此，图像传感器201被用于在无接触的情况下对文档101的正面进行成像或聚焦。最好全部与传感器机壳301连接在一起的传感器组件包括传感器阵列303，衬底组件305，一组窄深度(narrow depth)聚焦透镜阵列307形式的聚焦光学器件，以及一个照明单元(光源)309。窄深度的聚焦透镜阵列最好是一梯度折射率透镜阵列(也称为自聚焦透镜阵列，等等。如由日本东京的Nippon Steel Glass公司制造的SELFOC透镜阵列)。传感器阵列303最好由可以分别提供红、绿和蓝输出的单个感色单元组成，传感器阵列是沿平行于和扫描方向相垂直的方向的直线排列，而且其输出耦合至电子设备107。应该明白，此处定义的线性阵列包含有这样一种结构，在该结构中，各红、绿和蓝(RGB)传感器可以不按线性排列，但是其宏观效果应让人感觉到至少是一行平行的图像单元(像素)。其它备选结构(如在同一时刻检测到其中有多行像素)也被包含在“排列成一行”的定义中。电源111为光源提供电能。图像传感器201与文档101相面对的一侧可被打开或覆盖一层透明的覆盖物。图3所示的优选实施例并没有覆盖物。聚焦光学器件307被用于从聚焦区311向传感器阵列303提供光，最好有100％的放大。在本优选实施例中，聚焦光学器件是一个梯度折射率光纤阵列，如Nippon Sheet GlassSLA20DF(NSG America.Inc.,Somerset,New Jersey和Nippon SheetGlass Co.Ltd,Tokyo,Japan生产)或类似产品。从聚焦区311至聚焦光学器件307的光线的最大边界定义出了一个光束313，它必须从聚焦区311穿过至聚焦光学器件307，并从聚焦光学器件307至传感器阵列303，而且不能碰到任何非发射体。图3所示的截面图代表了图像传感器201的整个宽度(在CIS的各侧有超过一个辊子的情况除外)。尽管各个机构可以被做得较长或较短一些，但所有的部件都基本上跨越了文档101的宽度。具体来说，聚焦区311以及文档正面221的被扫描部分都最好跨越扫描设备机身的宽度，如图1和图2所示。
有两个辊子203和204，它们分别相对于运动的方向而被安置在图像传感器201的两侧。在本实施例中，为了容纳宽度并降低成本，辊子203和204都分别由两个如图4的透视图所示的辊子组成。但是，为了便于说明，此处将203和204都看成是一个辊子。应该明白，沿着文档的宽度可以有一个或多个辊子存在。利用任何可允许辊子沿转动线转动的方法，将辊子203和204沿它们各自的转动线215和216分别固定在辊子支承件205和206上。辊子和台板209(见图2)被装配成使得当扫描仪中没有文档存在时，台板与辊子直接存在接触并且台板与聚焦区311交会(见图3)。这样，如果文档的正面与台板和所有扫描器辊子相接触，则它也会穿过聚焦区，进而在扫描期间得到聚焦。图中未示出的是一些驱动部件，如皮带、齿轮、电机以及用于驱动文档穿过扫描仪的电机控制部分。普通熟练人员应该懂得如何将这些部件引入。
台板的优选实施例不一定是平的，它也可是弯曲的，这样就可使文档在扫描期间产生轻微的弯曲，从而帮助引导文档穿过聚焦区。另外，台板的曲线形状还被用于无论文档是按图中所示方向还是按相反的方向运动，都使文档保留在焦点上。也就是说，它相对于垂直于扫描方向的水平中心线是对称的。这种形状以及定位机构允许扫描既可以按照图中所示的方向也可以按照相反的方向来进行。备选实施例可以采用只允许进行单向扫描的形状，这对本领域技术人员来说是很清楚的。图13以放大的形式显示出了台板形状的优选实施例的截面视图。应该注意，由于弯曲是轻微的，所以在图2和图3中台板209和文档101都显得是平坦的。台板的表面基本上是平滑的，这样就可使文档在扫描期间不会遇到尖利的边缘。图13中显示出了台板表面上的A点至H点。在AB和GH部分上，台板基本是平坦的。在位于辊子之间的台板区域中，台板表面由5个弧形构成弧形BC,CD,DE,EF以及FG。与点C和F相接触的扫描器辊子被分别标记为第一和第二扫描器辊子。弧形BC和CD与第一扫描器辊子203在C点上具有一个公切线。类似地，弧形EF和FG与第一扫描器辊子204在F点上具有一个公切线。另外，部分AB与弧形BC,CD,DE,EF和FG以及部分GH在公切线交会，从而形成了一个平滑的台板表面。还有，弧形DE上与NCIS 201最接近的点既处于聚焦区311之中又位于所有扫描器辊子的公切线上。普通技术人员都清楚，还可以有其它形状的结构，包括一个平坦台板，各套5种弧形，以及各套可以满足要求以使台板与扫描器辊子203和204基本接触并且具有一个穿过聚焦区311的表面的少于或多于5个弧形的形状。图13中所示的形状可以使文档在沿台板表面穿过第一扫描器辊子之后受力以向聚焦区移动。随着文档在扫描仪中的移动，它将遇到第二扫描器辊子，第二扫描器辊子可迫使文档沿着台板的轮廓运动，从而保证将文档平稳地输送过扫描仪，弧形CD在D点上的切线应靠近F点，这样就可使文档平稳地穿过第二扫描器辊子。通过对台板轮廓形状的描述可以看出，从第二套辊子移向第一套辊子的文档也会按照台板的轮廓来运动并可穿过聚焦区。
图4是图像传感器201以及被引入到图像传感器201的设计之中的定位机构的一部分的透视图。该视图显示出了扫描器辊子是如何被引入到图像传感器201之中的详细情况。位于图像传感器两侧的两个扫描器辊子沿图像传感器的宽度方向为文档的宽度提供了支撑。也可使用更多或更少这样的辊子。图中所示的定位机构提供了一个装置，它用于在扫描期间将文档定位于聚焦区之中，而且还不会在文档正面上产生滑动摩擦。
图5是上述定位机构在垂直于文档运动的方向上的详细截面图。图5的视图由图1中的B-B表示。台板209具有足够大的长度和宽度以在聚焦区的最大范围内支撑文档，台板209的宽度最好近似等于扫描设备的开口113(图5中未示出)，而且参考图2，其长度(在运动方向上)最好近似等于扫描器辊子203与204之间的空间距离。其它的实施例可以具有不同长度的部件。如图5所示，扭杆213位于台板209最大宽度端附近，它基本与文档运动的方向对齐。扭杆213通过一些扭杆安装孔217与台板209连接在一起，它允许扭杆沿一与文档运动方向近似平行的轴旋转。另外，各扭杆213都具有一个基本直的部件，它近似与文档运动的方向相平行(见图2)。扭杆213的直部分在扫描设备机身103中穿过扭杆安装孔219。
定位弹簧211近似位于台板209的中心，它被预先压缩以在台板上产生一个指向图像传感器201的力。虽然台板209可以移向或背向扫描器辊子203和204，但扭杆213的动作限制了台板209相对于文档运动方向的纵向运动，这样就可使台板基本保持与扫描器辊子以及聚焦区的平行。
以下将对根据本发明优选实施例所述的可使对文档的扫描在文档正面221上基本没有滑动摩擦的各部件的动作进行更加详细的说明。
利用图3所示图像传感器201以及图13所示台板209，图2、4和5所示的定位机构就可通过在扫描期间的全部时间内将文档正面221保持在聚焦区311中，从而允许进行非接触扫描。在扫描之前，台板209在弹簧211的作用下被迫使与扫描器辊子203和204大致接触。如前面所述的那样，扫描器辊子203和204与所有穿过聚焦区311的扫描器辊子相切。随着文档101通过第一扫描设备开口113被送入扫描设备机身103，它将与第一套扫描器辊子203和台板209基本接触。扫描器辊子203相对于扫描设备的机身103被固定，由弹簧承载的台板背向辊子运动，其运动的距离为文档的厚度。扭杆213限制了台板209的纵向运动，因此台板209始终都保持基本平行于扫描器辊子203。随着文档101沿台板209的滑动，文档正面221将均匀地穿过聚焦区311，因为台板209已受迫而垂直地背向图像传感器201移动相当于文档101厚度的距离。穿过扫描设备机身103的文档101的运动将使文档101在从第二扫描设备开口114(见图2)移出扫描设备机身103之前与第二套扫描器辊子204产生接触。
在本优选实施例中，将扫描器辊子203和204引入图像传感器201可以导致出现小型并易于组装的单元，而且它将总能产生聚焦好的光学器件。为了使待被扫描的文档101的表面221不受到损坏，扫描设备辊子203和204应由能够防止划伤和/或粘结的材料制成，最好选择比文档正面221柔软的软橡胶类材料。台板209可由任何具有中等摩擦系数的硬材料制成，最好是塑料。一个或多个定位弹簧211可以是任何弹簧，或是与台板209相连并可迫使台板209离开扫描器辊子203的张力元件，包括(但不限于)与台板209的任何部位以及扫描设备机身103相连并且可产生朝向图像传感器201的力的螺旋或直弹簧部件。对本领域普通技术人员来说，引入这样一种弹簧的目的是十分清楚的。
弹簧和定位机构的多种组合可用于将台板保持在相对于图像传感器的一个特定距离和方向上，所有的组合都包括在本发明的范围之内。在本实施例中，图像传感器被基本固定在扫描设备机身103上，台板则通过一个弹簧机构而与扫描设备机身103机械连接。在图3所示的优选实施例中，图像传感器201和扫描器辊子203及204的位置相对于扫描设备机身103而固定，迫使台板209向扫描器辊子运动。本发明的这些对象也可通过其它实施例来实现。
在另一个实施例中，如图11所示，台板1101被基本固定，并且图像传感器201和一套扫描器辊子1103及1104被一个定向及施力结构1105迫使向台板运动，该机构由一个扭杆1107和一个弹簧机构1109组成。在另外一个实施例中，如图12所示，台板1201和一套扫描器辊子1203及1204受一第一定向及施力结构1205和一第二定向及施力结构1107的作用而相向运动。
将台板保持在相对于图像传感器的一个特定距离和方向上的定位机构，其更多的组合(使用或不用弹簧机构)全都包含在本发明的范围之内，以下将对它们进行说明。
在另一个实施例中，如图6所示，定向及施力结构由一对分别连接在扫描设备机身103的相对两侧的挠曲以及一个台板607组成。此挠曲是一个直角形弹性片，它能够承受弹性变形。每个挠曲都有两个水平部件601和603以及两个竖直部件605和606。利用挠曲的这种安排，一个竖直部件605利用处于连接位置615上的连接装置被连接在扫描仪机身103的一面上，其表面与运动的方向平行，而另一个竖直部件606则利用处于连接位置613上的连接装置与台板的最近竖直面相连，它也平行于运动的方向。两个挠曲都被连接在台板607的两个宽端面上，如图6所示。部件的连接最好沿与运动方向平行的中心线平面对称。对各挠曲来说，随着一个竖直部件605向另一个竖直部件606的相对移动，水平部件601和603将扭转并弯曲(承受扭力)，这将使运动接近竖直从而提供一个恢复力以使挠曲返回至其初始弯曲但无扭转的形状。因此，挠曲提供的力及运动限制了联动机构的动作。各个挠曲都允许其所连接的台板端面在竖直方向移动，而且其上表面保持平行并可提供一个向上的力。两挠曲的对称结构使台板在竖直方向中移动期间始终保持水平。最好对挠曲的材料和挠曲的初始预应力进行选择以提供预定的恢复力，从而使台板607受力背向扫描器辊子203(该辊子在图6中未示出)移动，这样就不再需要弹簧。在另外一个实施例中，弹簧机构也被用于提供额外的恢复力。
在本实施例中可以注意到，参考标号607所代表的台板可以与由图2、3、4和5的实施例中的参考标号209所代表的单元相等价。本领域技术人员应该清楚，图6中的607可以与209相同，它也可以是一个具有类似功能的不同单元。
四杆联动机构由四个硬杆或连杆组成，每个杆都与两个其它连杆的端铰接，从而形成了一个平行四边形。图7A、7B和7C分别显示出了处于三个不同位置的四杆联动机构。参考图7A，一个典型的四杆联动机构具有两个竖直连杆707和709以及两个连接(非竖直)连杆703和705。一般来说，连杆可以具有任何交叉部分(如，圆形或方形)。铰链(如，铰链711)可通过将连杆连接在一个穿通连杆端的通孔的铰头而被形成，或者如果连杆具有方形或直角形截面，则可用粘接带将其相互连接起来而形成铰链。
定位及弹簧机构还有另一个实施例，如图8A的俯视图以及图8B中的图8A的截面C-C所示，它包括一套一个或多个四杆联动机构。最好使用两个四杆联动机构。各四杆联动机构的一个竖直连杆709都与台板809的一个平行竖直面相连，台板809的表面与运动的方向平行，在第一连接位置上利用了支承件713进行连接。各四杆联动机构的第二个竖直连杆707都利用处于第二连接位置上的支承715而与扫描仪机身803相连。如图8A所示，两个四杆联动机构相对于平行于运动方向的台板的中心线对称地连接。其竖直部件保持与台板809的竖直面相平行。这样，参考图8B，台板就被限制成只能竖直运动，并且其上表面总保持水平。应该注意到，连杆至台板809及扫描仪机身803的表面的支承件最好是刚性的，并与四杆联动机构平面成直角，而且连杆装置平面最好平行于台板809及扫描仪机身803用于连接连杆的表面。获得正确台板运动所需的连杆支撑的最小数目为一端一个单四杆联动机构。其它端上额外的一个或多个连杆可以增加整体结构的刚度，就像在同一端上增加一个或多个连杆的效果一样。
四杆联动机构的动作由连接(非竖直)连杆来控制。在一个备选实施例中，一个单四杆联动机构的等价动作可通过在形成竖直部件的台板和扫描仪机身的表面上使用两个单杆联动装置(也是硬杆)来实现。在这种结构中，对每一个单杆联动装置来说，一个铰头(pin)被用在台板与运动方向平行的竖直面上，而另一个铰头则被用在处于相同水平面上的扫描机身最近的竖直面上，两者相隔一些距离。也就是说，铰头的中心线偏离了一些距离。一个带有用于与铰头准直并连接的通孔的连杆的两端被相对于各个面固定并允许作转动。这样就构成了四杆联动机构的连接(非竖直)连杆之一。位于第一套连接连杆之上(或之下)的另一套通孔和连杆起到了第二连接连杆的作用。这两套连杆的组合制约动作与单个四杆联动机构的动作相同。因此应该明白，在此处和权利要求中，一个四杆联动机构可以包括各类不同的竖直部件，或者也可以使用竖直面以作为竖直连杆。
四杆联动机构的实施例包括一个弹簧机构811，如在上面的优选实施例中所说明的那样，该结构用于在台板809上分担力以使其背向辊子。
应该注意，在这些实施例中，台板、机身以及弹簧机构的参考序号与图2、3、4和5所示实施例中使用的不一样。熟练人员将会清楚，这些部件可以与各实施例中具有类似功能的部件相同也可以不同。
图9的截面图显示了具有扫描设备机身901的扫描设备的另外一个实施例，它在文档中引入了一个弯曲部分用以在扫描期间增加文档的稳定性。本实施例的主要部件包括图像传感器201及其与定位机构的关联部分，后者的目的是为了在扫描期间使文档正面221保持聚焦清晰。在本实施例中，定位机构由以下部分构成两个扫描器辊子905和906，它们分别通过辊子支承件转动线919和920与辊子支承件907和908相连；文档支承结构，以及定向及施力结构911。文档支承机构由台板909和一对定位辊子917及918组成，它们分别通过定位支承件转动线923和924与定位辊子支承件921及922相连。定向及施力结构911由一个或多个定位弹簧913(图中只画出了一个弹簧)以及一对扭杆915组成。在扫描之前，定位机构被装配成使扫描器辊子905和906与定位辊子917和918基本相接触，图像传感器201和扫描器辊子905及906位于文档正面221侧上，且定位辊子917及918和台板909位于文档的背面。定位辊子917及918和扫描器辊子905和906被装配成使定位辊子917及918比扫描器辊子905及906具有更大的分离距离，并且在没有文档的情况下，台板909横切图像传感器的聚焦区311。
本实施例的动作与图2-5所示实施例的动作相类似，只是它具有另外引入的文档弯曲。以下将对文档101穿过扫描仪时定位机构的动作进行说明。随着文档101在第一套扫描器辊子905与定位辊子917之间穿过，文档支承机构将背向图像传感器201移动相对于文档101厚度的距离。扫描器辊子转动线919与定位辊子转动线923之间的不匹配将导致文档101背向图像传感器201而朝台板909产生弯曲。然后，文档101将碰到台板并沿台板移动。由于台板在没有文档时正处于图像传感器聚焦区311之中，而且由于台板与文档支承机构一起背向图像传感器201移动了相对于文档101厚度的距离，所以文档的正面221将穿过扫描仪的聚焦处。然后文档将穿过第二套辊子(906和918)并从扫描设备机身901退出。由机构的这种组合所造成的文档弯曲将在文档沿台板滑动时，增加文档沿聚焦区宽度方向(即，与运动方向相垂直的水平方向)的结构稳定性。这种动作可使扫描期间将文档保持在聚焦区中的工作变得较为容易。即使扫描方向与图9所示的方向相反，定位机构的动作也能使文档保持被聚焦。
图10显示出了本发明另外一个实施例的透视图。在该实施例中，图3和4所示的结构被在一手持式扫描仪中使用。本领域普通技术人员都知道，手持式扫描仪与自动扫描仪之间的主要区别在于文档与扫描仪传感器之间的相对移动是如何实现的。在手持式扫描仪中，它是通过人工移动进行扫描的。带有扫描器辊子的非接触式图像传感器也可被用在手持式扫描仪的工作当中。在这种情况下，扫描器辊子203和204被装配成使得扫描器辊子的公切线穿过聚焦区311(如图3所示)，这样就可使置于工作面1010之上的文档的正面221在扫描期间保持被聚焦。
在另一个图10可以适用的实施例中，图3和4的结构被采纳成可以从扫描仪的机身上移开那些能够实现有力的相对运动的部分，这样就可将该扫描仪当作一个自动扫描仪来使用，或者可以在将辊子和非接触扫描机构移去之后，也可将其当作手持式扫描仪来使用。
至此，尽管对本发明的说明是参考优选实施例来进行的，但这些实施例仅起到说明性的作用。上述用于连接在文档任何一侧的部件之上的多种弹簧和定向机构的组合都可以使文档保持被聚焦而且其正面上基本不会有滑动摩擦。另外，包括直线和曲线文档运动的机构已得到了详细的说明。上述实施例的意图并不是也不应被看成是对本发明的限制。可以看到，在不脱离根据本发明创新概念所述的真实精神和范围的情况下对其做出各种变换和修改，所以应该明白，本发明的范围是由其附加权利要求来定义的。
权利要求
1．一种用于对文档的正面进行扫描的扫描设备，其特征在于包括(a)扫描设备机身；(b)图像传感器，它包括(ⅰ)光敏传感器阵列，它沿与扫描方向垂直的直线排列，传感器阵列具有输出；(ⅱ)处于聚焦透镜阵列的窄深度形式的聚焦光学器件，它们用于将聚焦区的图像聚焦到传感器阵列的焦点上，聚焦的深度是垂直于传感器阵列线向扫描方向延伸的聚焦区的范围，聚焦区线是与传感器阵列线平行的聚焦区线；(ⅲ)光源，它用于将聚焦区的至少一部分照亮；(ⅳ)带有壳内部分和壳外部分的机壳，机壳与扫描设备机身机械连接，其一侧用于将照明光从光源输送到文档正面的一部分上，被照亮的文档正面部分至少有一部分与聚焦区交会，机壳的一侧还能够通过光学器件将照明光从被照亮的文档正面部分输送到传感器阵列之上；(c)与传感器阵列输出电气连接的电子装置，它将传感器阵列输出转换成有用的信号；(d)与光源电气连接的电源，用于为光源提供电能；以及(e)与扫描设备机身机械连接的定位机构，其在扫描期间将文档的正面部分保持在聚焦区之中；上述传感器阵列、光学器件以及光源都与图像传感器机壳的内部连接在一起，而聚焦区则处于图像传感器机壳的外部。
2．如权利要求1所述的扫描设备，其特征在于上述定位机构(e)包括(ⅰ)用于定位文档正面部分的第一扫描器辊子和第二扫描器辊子，第一和第二辊子都具有转动线，这些转动线与传感器阵列线相平行并且被固定在相对于图像传感器的空间上，而且这些辊子分别位于聚焦区线的各侧；(ⅱ)用于在扫描期间为文档提供支撑的台板，其长度大于扫描器辊子之间的距离；(ⅲ)定向及施力机构，它用于限制台板相对于扫描器辊子的运动，台板和辊子被装配成使得文档在扫描期间被夹在台板与辊子之间，定位机构被装配成使得文档在扫描期间沿台板滑动，台板和扫描器辊子一起受力并受到限制，从而在定向及施力机构的作用下只做垂直于聚焦区线的运动，在台板与扫描器辊子之间没有文档的情况下，台板与扫描器辊子基本接触，而且在台板与扫描器辊子之间没有文档时，台板处于聚焦区之中。
3．如权利要求2所述的扫描设备，其特征在于定向及施力机构与台板和扫描设备机身机械连接，而且扫描器辊子和图像传感器也与扫描设备机身机械连接。
4．如权利要求2所述的扫描设备，其特征在于定向及施力机构与图像传感器、扫描器辊子以及扫描设备机身机械连接，并且台板也与扫描设备机身连接。
5．如权利要求2所述的扫描设备，其特征在于定向及施力机构还包括(a)与台板和扫描设备机身机械连接的第一定向及施力机构，以及(b)与第一和第二扫描器辊子、图像传感器及扫描设备机身机械连接的第二定向及施力机构。
6．如权利要求2所述的扫描设备，其特征在于扫描器辊子是利用辊子支承件与图像传感器机壳机械连接的，辊子支承件与传感器机壳相连。
7．如权利要求2所述的扫描设备，其特征在于台板由一固定的工作面组成，文档与图像传感器的相对运动为人工运动。
8．如权利要求3所述的扫描设备，其特征在于定向及施力机构包括一个挠曲，该挠曲与台板和扫描设备机身机械连接。
9．如权利要求3所述的扫描设备，其特征在于定向及施力机构包括一个或多个四杆联动机构以及弹簧机构，四杆联动机构和弹簧机构与台板和扫描设备机身机械连接。
10．如权利要求3所述的扫描设备，其特征在于定向及施力机构包括一个或多个扭杆以及弹簧机构，扭杆和弹簧机构与台板和扫描设备机身机械连接。
11．如权利要求1所述的扫描设备，其特征在于定位机构包括(a)第一扫描器辊子和第二扫描器辊子，它们用于在扫描期间对文档的正面部分进行定位，第一和第二辊子都具有转动线，这些转动线平行于聚焦区线并且被基本固定在与图像传感器相对的空间上，而且这些辊子分别位于聚焦区线的不同侧；(b)文档支承机构，包括(ⅰ)第一定位辊子和第二定位辊子，它们都具有转动线，第一和第二定位辊子的转动线之间的距离稍大于第一和第二扫描器辊子的转动线之间的距离；(ⅱ)台板，其长度和宽度足以在聚焦区的最大范围内支撑文档；(ⅲ)支承件，用于固定第一和第二定位辊子转动线以及台板，以及(c)定向及施力机构，用于限制文档支承机构相对于扫描器辊子的运动，文档支承机构和第一及第二扫描器辊子被装配成使得文档在扫描期间被夹在第一定位辊子和第一扫描器辊子之间以及第二定位辊子和第二扫描器辊子之间，定位机构被装配成使得文档在扫描期间沿台板滑动，文档支承机构和扫描器辊子受力相互靠近并受到限制，从而在定向及施力机构的作用下只做基本垂直于聚焦区线的运动，在没有文档被扫描的情况下，第一和第二定位辊子以及第一和第二扫描器辊子被装配成基本接触，而且在台板与第一和第二扫描器辊子之间没有文档时，台板处于聚焦区之中。
12．如权利要求11所述的扫描设备，其特征在于第一和第二扫描器辊子支承件与图像传感器相连接，而且定位机构的第一和第二扫描器辊子分别可旋转地与第一和第二扫描器辊子支承件相连。
13．如权利要求11所述的扫描设备，其特征在于定向及施力机构与文档支承机构及扫描设备机身机械连接，而且第一和第二辊子以及图像传感器也与扫描设备机身机械连接。
14．如权利要求11所述的扫描设备，其特征在于定向及施力机构与图像传感器、第一和第二扫描器辊子以及扫描设备机身机械连接，而且文档支承机构也与扫描设备机身连接。
15．如权利要求11所述的扫描设备，其特征在于定向及施力机构还包括(a)与文档支承机构和扫描设备机身机械连接的第一定向及施力机构，以及(b)与第一和第二扫描器辊子、图像传感器及扫描设备机身机械连接的第二定向及施力机构。
16．如权利要求13所述的扫描设备，其特征在于所述定向及施力机构包括一个挠曲，该挠曲与文档支承机构和扫描设备机身机械连接。
17．如权利要求13所述的扫描设备，其特征在于扫描和定位辊子被装配成通过将第一扫描和定位辊子按照与台板相交点的公切线放置使文档产生弯曲。
18．如权利要求13所述的扫描设备，其特征在于扫描和定位辊子被装配成通过将第二扫描和定位辊子按照与台板相交点的公切线放置使文档产生弯曲。
19．如权利要求13所述的扫描设备，其特征在于定向及施力机构包括一个或多个四杆联动机构，并且四杆联动机构与文档支承机构及扫描设备机身机械连接。
20．如权利要求19所述的扫描设备，其特征在于扫描和定位辊子被装配成通过将第一扫描和定位辊子按照与台板相交点的公切线点放置以使文档产生弯曲。
21．如权利要求19所述的扫描设备，其特征在于扫描和定位辊子被装配成通过将第二扫描和定位辊子按照与台板相交点的公切线放置以使文档产生弯曲。
22．如权利要求13所述的扫描设备，其特征在于定向及施力机构包括一个或多个扭杆，并且扭杆与文档支承机构及扫描设备机身机械连接。
23．如权利要求22所述的扫描设备，其特征在于扫描和定位辊子被装配成通过将第一扫描和定位辊子按照与台板相交点的公切线放置以使文档产生弯曲。
24．如权利要求22所述的扫描设备，其特征在于扫描和定位辊子被装配成通过将第二扫描和定位辊子按照与台板相交点的公切线放置以使文档产生弯曲。
25．一种定位机构，用于对文档正面进行扫描的扫描设备中，该扫描设备含有一扫描设备机身以及一图像传感器，上述图像传感器含有一传感器阵列、一聚焦区以及一图像传感器。
26．如权利要求25所述的定位机构，其特征在于该定位机构包括(ⅰ)用于将文档正面部分定位的第一扫描器辊子和第二扫描器辊子，第一和第二辊子都有转动线，这些转动线与传感器阵列线相平行并且被基本固定在相对于图像传感器的空间上，而且这些辊子分别位于聚焦区线的各侧；(ⅱ)用于在扫描期间为文档提供支撑的台板，其长度大于扫描器辊子之间的距离；(ⅲ)定向及施力机构，它用于限制台板相对于扫描器辊子的运动，台板和辊子的装配使得文档在扫描期间被夹在台板与辊子之间，定位机构的装配使得文档在扫描期间沿台板滑动，台板和扫描器辊子一起受力并受限制，从而在定向及施力机构的作用下只做垂直于聚焦区线的运动，在台板与扫描器辊子之间没有文档的情况下，台板与扫描器辊子接触，而且在台板与扫描器辊子之间没有文档时，台板处于聚焦区之中。
27．如权利要求26所述的扫描设备，其特征在于定向及施力机构与台板和扫描设备机身机械连接，而且扫描器辊子和图像传感器也与扫描设备机身机械连接。
28．如权利要求26所述的定位机构，其特征在于定向及施力机构与图像传感器、扫描器辊子以及扫描设备机身机械连接，并且台板也与扫描设备机身连接。
29．如权利要求26所述的定位机构，其特征在于定向及施力机构还包括(a)与台板和扫描设备机身机械连接的第一定向及施力机构，以及(b)与第一和第二扫描器辊子、图像传感器及扫描设备机身机械连接的第二定向及施力机构。
30．如权利要求26所述的定位机构，其特征在于扫描器辊子是利用辊子支承件与图像传感器机壳机械连接的，辊子支承件与传感器机壳相连。
31．如权利要求26所述的定位机构，其特征在于台板包括一固定的工作面，文档与图像传感器的相对运动为人工操作的运动。
32．如权利要求27所述的定位机构，其特征在于定向及施力机构包括一个挠曲，该挠曲与台板和扫描设备机身机械连接。
33．如权利要求27所述的定位机构，其特征在于定向及施力机构包括一个或多个四杆联动机构以及弹簧机构，四杆联动机构和弹簧机构与台板和扫描设备机身机械连接。
34．如权利要求27所述的定位机构，其特征在于定向及施力机构包括一个或多个扭杆以及一个弹簧机构，扭杆和弹簧机构与台板和扫描设备机身机械连接。
35．如权利要求25所述的定位机构，其特征在于定位机构包括(a)第一扫描器辊子和第二扫描器辊子，它们用于在扫描期间对文档的正面部分进行定位，第一和第二辊子各有一转动线，这些转动线平行于聚焦区线并且被固定在与图像传感器相对的空间上，而且这些辊子分别位于聚焦区线的不同侧；(b)文档支承机构，包括(ⅰ)第一定位辊子和第二定位辊子，它们都具有转动线，第一和第二定位辊子的转动线之间的距离稍大于第一和第二扫描器辊子的转动线之间的距离。ⅱ)台板，其尺寸足以支撑聚焦区的最大范围内的文档；(ⅲ)支承件，用于固定第一和第二定位辊子转动线以及台板，以及(c)定向及施力机构，用于限制文档支承机构相对于扫描器辊子的运动，文档支承机构和第一及第二扫描器辊子的装配使得文档在扫描期间被夹在第一定位辊子和第一扫描器辊子之间以及第二定位辊子和第二扫描器辊子之间，定位机构的装配使得文档在扫描期间沿台板滑动，文档支承机构和扫描器辊子受力相互靠近并受到限制，从而在定向及施力机构的作用下只做基本垂直于聚焦区线的运动，在没有文档被扫描的情况下，第一和第二定位辊子以及第一和第二扫描器辊子相接触，而且在台板与第一和第二扫描器辊子之间没有文档时，台板处于聚焦区之中。
36．如权利要求35所述的定位机构，如权利要求11所述的扫描设备，其中第一和第二扫描器辊子支承件与图像传感器相连接，而且定位机构的第一和第二扫描器辊子分别可旋转地与第一和第二扫描器辊子支承件相连。
37．如权利要求35所述的定位机构，其特征在于定向及施力机构与文档支承机构及扫描设备机身机械连接，而且第一和第二辊子以及图像传感器也与扫描设备机身连接。
38．如权利要求35所述的定位机构，其特征在于定向及施力机构与图像传感器、第一和第二扫描器辊子以及扫描设备机身机械连接，而且文档支承机构也与扫描设备机身连接。
39．如权利要求35所述的定位机构，其特征在于定向及施力机构还包括(a)与文档支承机构和扫描设备机身机械连接的第一定向及施力机构，以及(b)与第一和第二扫描器辊子、图像传感器及扫描设备机身机械连接的第二定向及施力机构。
40．如权利要求37所述的定位机构，其特征在于所述定向及施力机构包括一个挠曲，该挠曲与文档支承机构和扫描设备机身机械连接。
41．如权利要求37所述的定位机构，其特征在于扫描和定位辊子适合于通过将第一扫描和定位辊子按照与台板相交点的公切线放置以使文档产生弯曲。
42．如权利要求37所述的定位机构，其特征在于扫描和定位辊子被装配成通过将第二扫描和定位辊子按照与台板相交点的公切线放置以使文档产生弯曲。
43．如权利要求37所述的定位机构，其特征在于定向及施力机构包括一个或多个四杆联动机构，并且四杆联动机构与文档支承机构及扫描设备机身机械连接。
44．如权利要求43所述的定位机构，其特征在于扫描和定位辊子被装配成通过将第一扫描和定位辊子按照与台板相交点的公切线放置以使文档产生弯曲。
45．如权利要求43所述的定位机构，其特征在于扫描和定位辊子被装配成通过将第二扫描和定位辊子按照与台板相交点的公切线放置以使文档产生弯曲。
46．如权利要求37所述的定位机构，其特征在于定向及施力机构包括一个或多个扭杆，并且扭杆与文档支承机构及扫描设备机身机械连接。
47．如权利要求46所述的定位机构，其特征在于扫描和定位辊子被装配成通过将第一扫描和定位辊子按照与台板相交点的公切线放置以使文档产生弯曲。
48．如权利要求46所述的定位机构，其特征在于扫描和定位辊子被装配成通过将第二扫描和定位辊子按照与台板相交点的公切线放置以使文档产生弯曲。
全文摘要
本发明涉及一种能够利用图像传感器器件(201)对诸如照片(101)之类的文档进行扫描的扫描设备,上述图像传感器使用了具有窄聚焦深度的光学器件(307),它能够在扫描期间避免与文档产生接触。也就是说,传感器器件的聚焦区(311)与图像传感器器件(201)有一定的距离。该扫描设备包括一个定位机构(203,204),它能够在扫描期间使文档的正面保持处于聚焦区之中。
文档编号H04N1/12GK1316156SQ99809016
公开日2001年10月3日 申请日期1999年7月14日 优先权日1998年7月16日
发明者埃里克·拉金, 安娜·常, 戴维·里纳尔迪斯, 海沦·肖风西 申请人:旭丽股份有限公司