專利名稱：光學圖象記錄系統及相關的處理系統的制作方法
技術領域：
諸如普通攝影機和電子攝象機之類的光學圖象記錄系統，以許多不同的結構和規(guī)格存在。
便攜式攝影機通常為在衣袋或包中便攜而被小型化。這種便攜攝影機的普遍性問題在于，其規(guī)格和形狀使其用來滿足信用卡或駕駛執(zhí)照之類個人需要是不切實際的和難以使用的。
電子攝象機也以不同的結構存在，用于象內裝在永久設備中的攝象機或作為便攜攝象機的各種應用。這種電子攝象機通常被設計在沿其平面兩個方向要求有最小尺寸的一或多塊印刷電路板(PCB)上。攝象機的高度通常取決于所用透鏡系統的尺寸，而且總體上取決于該系統的焦距。
這些圖象記錄系統的缺點在于其難以小型化。
這種攝影機用現有技術的透鏡系統，經常通過使用有限個數的透鏡，以使其透鏡的有效高度可被降至約為該透鏡系統焦距的1倍來小型化。
僅僅使用少數(典型地是只有1片)透鏡的后果是，所成的圖象具有無法令人滿意的分辨率和性能。因此，為了達到比較好的分辨率，需要減小其孔徑，即使這樣也會使其感光靈敏度降低。
另外，如維持較低的高度，則僅有短焦距因而寬視場角的透鏡可用。透鏡焦距的任何增加，均將導至其高度的增高。
特別是對于電子攝象機來說，其進一步的缺點在于，被記錄的光學信息的傳送，要求使用笨重的外帶纜線來連接攝象機和圖象處理系統，或者要求可互換的存儲器如塑料磁盤或固體存儲器。對于后兩種數據載體來說，笨重的纜線可以避免，但它們要求將控制圖象處理系統的軟件裝載在該數據載體上，便要求其上留有空間。
現有技術JP01-176168公開了一種小型普通電子攝象機，其包括一厚度在10mm之內的塑性樹脂卡形式的攝象機主體。此卡式攝象機包括一CCD二維圖像傳感器和一電子記錄圖象用的半導體存儲器，以及用于連接該卡式攝象機內的電路與圖象再現裝置電路以向其傳送靜止圖象信息的連接器。此攝象機還配備以該卡式攝象機必須平直時擬拆除的可拆卸鏡頭。
DE2659729公開了一種單鏡頭反光袖珍攝影機，其具有兩次90°屈折的光軸以接納內裝的變倍鏡頭。此攝影機通過其殼體一側接收光學信息。這種系統的缺點在于，當其殼體高度比較低時，取景器不能很好地成幀(frame)，即難以通過它觀察并看到物體。對于殼體高度非常低的攝影機來說，不可能通過取景器進行觀察。此外，按比例縮小所公開的光學系統，需要非常小而且薄的鏡片，這對于目前的工藝來說在小限差的范圍內加工是非常困難的，而且掌握起來不切實際。對于應當平貼在壁上(例如作為門用送受話器的一部分)安裝的圖象記錄系統來說，不可能容許通過該攝影機殼體的一側接收光學信息。
DE2553395公開了一種內窺鏡物鏡，其包括一與一波導相連的倒置遠攝物鏡。此內窺鏡既不包括具有較低高度和寬闊表面外形的殼體，又不包括帶有圖象記錄裝置、取景器和固體存儲器的光學圖象記錄系統。此內窺鏡物鏡無法容納在具有S-比小于1.9的(即比圖象記錄系統殼體的高度更大對角線的圖象記錄裝置)圖象記錄系統的殼體中，基于此內窺鏡物鏡的高分辨率圖象記錄系統，也不可能被結合在具有一定規(guī)格擬保存在旅行袋中或以Ⅱ型PCMC1A卡的形式存在的這種殼體中。
JP63-199312公開了一種予計作為小圖象尺寸和短焦距的電子攝象機。此攝象機使用一種非折疊式透鏡系統，具有較長的后焦距以為插入模糊濾光片(blur filter)留有空間。其需要非常薄的鏡頭，這從實用的觀點看是不希望的，因其鏡頭變得非常薄弱，而且對透鏡厚度的變化敏感。這就使實際上將鏡頭的有效高度減至最小成為不可能。因此，非常緊湊的高分辨攝象機不能做到。
EP0676663公開了一種適于用作隱藏式或乘人不備時拍攝的攝象機的小型攝象機。其鏡頭截面的制作是將該攝象機的厚度減至最小。在一實施例中，該攝象機包括其中配置有針孔的平面殼體，而且鏡頭裝在該平面殼體上。只有短焦距可被接受，以便保持平的殼體。其鏡頭為單片的非球面透鏡，從而造成其低分辨率和有限的速度，這對于高分辨應用是不容許的。而且，其后焦距如此之短，以致于無法為包括擬被插在鏡頭和CCD器件之間的多塊雙折射片在內的彩色濾光片提供足夠的空間。因此其對于高分辨應用可能是不真實(aliasing)的。
2．發(fā)明內容光學圖象記錄系統按照本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明的目的在于提供一種用于記錄光學信息的光學圖象記錄系統，該系統可被接納為緊湊的平面結構，特別是接納在可被保存在為裝信用卡而設計的旅行袋或手提包中的小型平面攝象機中。
本發(fā)明的進一步目的在于提供這樣一種光學圖象記錄系統，其光學信息的速度和分辨率實際上保持在可與現有技術緊湊的微型多透鏡系統相比。
本發(fā)明的另一目的在于提供這樣一種光學圖象記錄系統，它可包括雙折射的模糊濾光片，最好為含有不只一塊雙折射晶體片的濾光片。
本發(fā)明又一目的，在于提供對于鏡片厚度變化不太敏感的圖象記錄系統。
根據本發(fā)明，這些目的可通過提供一種用于電子記錄光學信息的光學圖象記錄系統來達到，其包括一透鏡系統及一殼體，所述殼體的形狀為具有低高度及帶有寬闊的表面，且通過其寬闊的表面之一來接收上述光學信息，并且接納帶有光敏區(qū)域的圖象記錄裝置，該系統的特征在于其透鏡系統包括一具有第一光軸的前透鏡組；一由一或多塊具有第二光軸的透鏡組成的后透鏡組，以及一使第一光軸以小于180°的角度彎折向第二光軸的反射元件；而且所述透鏡系統被接納在所述殼體之中，從而確保該光學圖象記錄系統實現緊湊的平面結構。
尤其是，此光學圖象記錄系統可以在小型的平面攝象機中配備，且該攝象機可保存在為裝信用卡而設計的旅行袋或小手提包中。與現有技術的攝象機例如卡式攝象機相比，這種攝象機的優(yōu)點在于其透鏡系統在插入象旅行袋或手提包之前不必從殼體中取下。
進一步的優(yōu)點在于，透鏡系統的焦距可以長。與此相反，現有技術的焦距必需短，以便讓短物鏡不會從殼體表面突出太遠。
還有一個優(yōu)點在于，該透鏡系統可以包括光學濾光片(例如模糊濾光片)，尤其是對于高分辨率的電子攝象機來說。
透鏡系統根據本發(fā)明，該透鏡系統包括一具有第一光軸的前透鏡組，一由一或多塊具有第二光軸的透鏡組成的后透鏡組，以及一使第一光軸以小于180°的角度彎折向第二光軸的反射元件，由此而獲得該透鏡系統可被接納在殼體之內，以致于其實際透鏡高度可以保持在比現有技術的小型平面攝象機的非折疊透鏡系統要小。
此外，可以達到讓通過殼體上述寬闊的表面之一接收來的光學信息被該透鏡系統接收并傳送給圖象記錄裝置，而仍保持其速度和分辨率。
前透鏡組和后透鏡組可以分別為負的和/或正的。
在一優(yōu)選實施例中，前透鏡組為負的而且后透鏡組為正的，從而可以實現反向的遠攝鏡頭。
在另一優(yōu)選實施例中，前透鏡組為正的而且后透鏡組為負的，從而可以實現一遠攝鏡頭。
前透鏡組前透鏡組可以由一或多塊透鏡組成。
并且在小視場角而且焦距對于反射元件接收進入透鏡系統的極度光線足夠長的特定情況下，該透鏡組可包括光窗。
前透鏡組可以設計成本領域技術人員公知的形式。所需要的視場角大小乃是前透鏡組形狀和復雜程度的決定因素。對于寬視場角來說，前透鏡組為負的，且與后透鏡組在一起構成一反向攝遠透鏡系統。該透鏡系統的優(yōu)點在于其可被設計成為前透鏡組和后透鏡組之間的反射元件提供空間。對于特別平類型的殼體來說，前透鏡組中最后一個表面的直徑應當減至最小，從而使反射元件的尺寸可被減至最小。對于寬和中角度視場來說，前透鏡組的直徑和復雜程度可通過減小視場角來降低。
視場角的減小可使前透鏡組中的透鏡數量減少，因為小的視場角呈現出小的象差，從而鏡頭的高度可被進一步減小。
而且，減小透鏡系統的速度和/或增長焦距，可使第一透鏡組的直徑被減小，從而使鏡頭高度降低。
在一特定實施例中，前透鏡組做成高屈光的，從而使前透鏡組最后一個表面的直徑和反射元件尺寸較小。然而這將導致大的幾何形狀失真，其對于高質量的透鏡系統是不希望的。但是，通過使用固體圖象傳感器作為圖象記錄裝置，該系統的幾何形狀失真可用電子學方法矯正。前透鏡組可以包括梯度折射率(GRIN)透鏡，特別是基(radical)梯度折射率透鏡，從而可使其透鏡高度降低，或者獲得較高質量的圖象。
非球面透鏡也可以應用。
前透鏡組可以是正的或者負的。在一優(yōu)選實施例中，前透鏡組由單塊負透鏡構成。
后透鏡組根據本發(fā)明，該透鏡系統包括由具有第二光軸的一或多塊透鏡組成的后透鏡組；所述的一或多塊透鏡通過折射、衍射或其相結合將入射光彎曲，從而由其獲得使反射元件反射的光學信息形成圖象。
對于透鏡的個數及其結構進行挑選，使其對于透鏡系統能夠形成具有所需要的視場角、透鏡速度和象質的清晰圖象。尤其對于寬視角和高透鏡速度來說，最好使用多個元件的后透鏡組，從而可以獲得清晰的圖象。
在一實施例中，此復合的后透鏡組包括四塊透鏡和一孔徑光闌，且其透鏡之一為消色差的。其余的透鏡為聚光透鏡、彎月形透鏡和凹透鏡。
適于形成清晰圖象的后透鏡組，可以由技術熟練人員通過采用其它一些透鏡及其組合來設計，且其可被設計成包括其它功能，例如變焦距。
這些透鏡由適合的材料制做，以允許所需要波長的光通過。其波長通常在電磁頻譜的可見區(qū)域，但波長例如在紅外區(qū)域可被包括。其適合的材料對于技術人員是公知的。這些材料包括可透光的玻璃材料、塑料和液體。光學等級的玻璃或塑料為所首選。
尤其是可以使用軸梯度折射率(GRIN)透鏡，從而可獲得簡化了的結構或者較高質量的圖象。
一或多塊透鏡可以包括衍射光學元件，從而使后透鏡組甚至被進一步簡化，速度仍可提高，或者仍可獲得較高質量的圖象。
非球面透鏡也可以應用。
球差、彗差、象散、場曲和畸變各種象差的矯正，就通常的透鏡和物鏡而論可以做到，其好處是厚透鏡尤其是軸梯折射率透鏡以及為數眾多的透鏡可以使用，而不會或者幾乎不會增加有效透鏡高度。這種有效透鏡高度的增加取決于前透鏡組和后透鏡組之間的彎折角度。
厚透鏡組可以包括一或多塊濾光片。
反射元件根據本發(fā)明，該透鏡系統包括以小于180°的角度將第一光軸彎折向第二光軸的反射元件，從而獲得讓由前透鏡組接收來的光學信息(光通量)被發(fā)送給后透鏡組，以便能在圖象接收裝置上面形成圖象。
此反射元件可以是技術人員已知的任何適合的反射元件，例如棱鏡或者反射鏡。
在一優(yōu)選實施例中，該反射元件由平的第一表面反射鏡構成，從而使光通量在此第一表面上被反射而不經過其基片。
應當對此平的第一表面反射鏡的基片加以挑選，以使其對該反射表面運行良好。它可以是剛性材料例如玻璃，尤其是浮法平板玻璃，但是其它材料如塑料或者金屬(例如鋁)也可使用。在一特定實施例中，該反射元件由帶有拋光反射表面的鋁基片構成。
在一優(yōu)選實施例中，此前透鏡組和反射元件包括有棱鏡。
輔助反射元件在另一優(yōu)選實施例中，該透鏡系統包括將第二光軸彎折向圖象記錄裝置的光軸的輔助反射元件，從而可以獲得外形特別緊湊的透鏡系統。
此輔助反射元件可如上述對于第一反射元件那樣加以挑選。
在一優(yōu)選實施例中，此輔助反射元件由棱鏡構成。
孔徑光闌該透鏡系統的孔徑光闌可以按技術人員已知的任何適合的方式進行設計。最好該孔徑光闌由裝在第一反射元件之后而尤其是裝在后透鏡組中的光闌來解決。
光軸的彎折和取向根據本發(fā)明，該透鏡系統為帶有反射元件而將第一光軸以小于180°的角度彎折向第二光軸的彎折了的透鏡系統，從而由其獲得使該透鏡系統可保持緊湊，尤其是比現有技術的非彎折透鏡系統更加緊湊。
由此進一步獲得比較厚的透鏡也可以使用，特別是在后透鏡組中，從而可以使用比較不易碎(non-fragile)規(guī)格的鏡片，例如梯度折射率透鏡(GRIN lenses)，特別是軸梯度折射率透鏡。這種透鏡可從美國亞利桑那州Tuscon的Lightpath Technologies買到。
而且還可以得到，后透鏡組可由若干透鏡構成，從而使其與由少數個透鏡組成的后透鏡組相比，能夠對象差實行更好地控制。這在設計高速透鏡系統(比較典型的是具有大直徑的前透鏡組的透鏡系統)時是重要的。
在一優(yōu)選實施例中，第一光軸和第二光軸之間形成的角度等于或小于90°，從而可以獲得特別緊湊的透鏡系統。
并且在又一優(yōu)選實施例中，第二光軸和圖象記錄裝置的光軸之間形成的角度等于或小于90°，從而根據圖象記錄裝置的大小可獲得更加緊湊的透鏡系統。如果圖象記錄裝置比較大(這是常有的情況)，則得到的系統更緊湊。
光軸的取向可以針對任意適合的目的進行設計。在一優(yōu)選實施例中，第一光軸和圖象記錄裝置的光軸基本上在同一平面內。
此外，最好使第一光軸和圖象記錄裝置的光軸基本上平行。
S-比特別優(yōu)選的透鏡系統，其所具有的光學系統高度H除以所成圖象外圓直徑D之比S小于4，最好等于或小于2.55，更好等于或小于1.7，而且等于或小于1.2最為可??；上述光學系統高度H，乃是從光學系統(包括透鏡、濾光片、孔徑光闌、圖象記錄裝置及其殼體)的任意部分在第一光軸上投影的最大長度。
如從該表示式可以看出的那樣，小的S-比將提供緊湊的光學系統。
特別優(yōu)選的光學系統所具有的S-比為2.55或者更小，從而由其獲得使該透鏡系統能夠形成適合于例如高分辨率的1/4”CCD器件規(guī)格的圖象，而且整個光學系統可被接納在其高度b與PCMCIAⅢ型標準符合的圖象記錄系統的殼體中。
對于容易調整(alignment)的具有增大壁厚和較大傍軸圖象高度的“重載”實施例來說，其S比最好為2.1或者更小。
另一優(yōu)選的光學系統具有S比為1.7或者更小，從而可由其獲得采用1/4”圖象記錄裝置如CCD器件的高分辨率光學系統，能被接納在高度b約為7mm的圖象記錄系統的殼體中，這對于將該圖象記錄系統保存在例如裝信用卡的旅行袋和小包中是需要的。
又一優(yōu)選的光學系統具有S比為1.2或者更小，從而可由其獲得采用1/4”圖象記錄裝置如CCD器件的高分辨率光學系統，能被接納在高度b符合PCMCIAⅡ型標準的圖象記錄系統的殼體中。
對于前透鏡具有良好防護的“重載”實施例來說，S-比為1或者更小是所首選的。
該S-比并不局限于這里指出的那些應用。此處可以設計具有S-比適合上述應用的相稱系統。
高度比特別優(yōu)選是使該透鏡系統的有效透鏡高度h與有效焦距f的高度比小于1.7，最好小于1.5，從而可以獲得比現有技術的高分辨率透鏡系統格外緊湊的平面構形。
通過寬闊的表面接收光學信息根據本發(fā)明，該透鏡系統通過該光學圖象記錄系統殼體上寬闊的表面之一接收光學信息，從而由其獲得使取景器很好地成幀，即其易于通過該取景器觀察且只看到擬被成象的物體。由于殼體的高度可能非常低，故其通過殼體的側面接收光學信息是不適合的。
對于從側面接收光學信息的系統來說，將取景器穩(wěn)定地放在眼睛前方可能很難作到。此外，對于這種系統來說，取景器將占據大量空間。
與這種系統相反，本發(fā)明的光學圖象記錄系統將非常容易地保持靜止和操作。沒有聳出使用者的部分，且其可在一或兩只手中保持穩(wěn)定，從而使其以人機矯正方式進行操作。對于壁裝的平面圖象記錄系統來說，必須通過寬闊的表面來接收光學信息。
圖象記錄裝置根據本發(fā)明，其殼體接納一具有光敏區(qū)域的圖象記錄裝置。圖象記錄裝置可包括能夠記錄為透鏡系統形成圖象的光學信息的任何適用的器件，其光學信息的形式為在圖象處理系統中可進行處理的信號。
最好使圖象記錄裝置為一光敏的電器件，特別是象電荷耦合器件(CCD)之類的固體圖象傳感器、金屬氧化物半導體(MOS)或類似器件。
當使用固體圖象傳感器時，透鏡系統的幾何畸變可以電子學方式矯正，從而可允許該透系統具有大的幾何畸變。其所具有的優(yōu)點是使前透鏡組可以做到強折射，進而使前透鏡組最后表面的直徑和第一反射元件的尺寸可被減至最小，進而透鏡系統的高度可被減小。
圖象記錄裝置的長寬比可在很寬的限度內進行挑選，只要從光軸測量的圖象記錄裝置的有效場半徑在透鏡系統的實象高度范圍內。如此半徑比較大，則將存在未對所成圖象暴露的“死”象素。通常，4/3的長寬比用于固體圖象傳感器，但長寬比例如16/9也可使用。
濾光片該透鏡系統還可包括一或多塊濾光片，其根據本發(fā)明的長的后焦距和彎折的透鏡系統，可被結合在殼體中而不會增加透鏡的有效高度。
在一優(yōu)選的實施例中，該透鏡系統包括插在后透鏡組中最后透鏡和圖象記錄裝置之間的防假譜(anti-aliasing)濾光片。
最好使此防假譜濾光片為裝在后透鏡組和圖象記錄裝置之間的模糊濾光片，從而使由帶有彩色濾光片系列的圖象記錄裝置(例如CCD器件)在其表面上和具有高清晰度的物體上產生的假譜(aliasing)可被減少。
該模糊濾光片可如技術上公知的那樣制做。它可以包括其厚度通常比光學系統焦距要大的一或多塊雙折射石英晶體片。其設計取決于該圖象記錄裝置的象素和彩色濾光片系列的結構。
最好讓該濾光片的光軸與光學系統的第二光軸平行，從而由其獲得使透鏡的有效高度可保持較低，即使該濾光片比焦距厚。
濾光片可以裝在任何適當的位置。在一優(yōu)選實施例例如在上述形式的電子攝象機中，濾光片被裝在透鏡系統和圖象記錄裝置之間。
濾光片可為若干毫米厚。然而如果濾光片是厚的并且安裝在輔助反射元件的后面，則其可能需要較大的有效透鏡高度。
如果濾光片比較薄，例如僅由很少幾個元件組成，或者如果后焦距非常長，則由此獲得輔助反射元件可以插在后透鏡組的后面，最好在濾光片之后。由此進一步獲得，第二光軸可被彎折向圖象記錄裝置的光軸，從而使在標準殼體中的圖象記錄裝置可被采用，且其可被直接裝到例如印刷電路板上。
模糊濾光片可以由紅外光線阻擋濾光片或其它濾光片或者其組合來組成。
對于并不需要模糊濾光片的光學圖象記錄系統來說，例如帶有固定的孔徑光闌而且彩色濾光片陣列圖(colour filter array pattern)允許通過透鏡系統離焦產生旋轉對稱性模糊的光學圖象記錄系統，其光學濾光片可由一或多塊蒸鍍的濾光片組成，從而由其獲得只需要非常小的空間來接納此濾光片。
在這種情況下，考慮到濾光片的光譜特性隨入射角度變化，光學濾光片可被蒸鍍在一透鏡表面上。為了減少這種效果，最好將濾光片放在使主光線與濾光片表面垂直的位置。在一優(yōu)選實施例中，蒸鍍的濾光片被加在第一塊透鏡的凹表面上。
當使用雙折射模糊濾光片時，需要矯正該濾光片引入的象差。這種矯正對于技術人員是已知的。
殼體根據本發(fā)明，其殼體可以是任何具有如下構形的適當殼體，其具有低的高度并帶有寬闊的表面且通過該表面之一接收光學信息，該殼體可以接納光學圖象記錄系統，并可從外部對此光學圖象記錄系統提供機械和光學保護。
在一適合的實施例中，該殼體由帶有適當材料薄壁的剛性結構組成，例如模壓的塑料、壓鑄的輕金屬合金或者成形金屬板。其壁還可由合成材料如碳纖維增強的塑性樹脂構成，從而獲得特別優(yōu)選的輕而且機械性能強的殼體。
此外，為了防止光學圖象記錄系統靜電放電和確保其電磁兼容性，其殼體可由導電材料如碳纖維構成或包括該材料。
一般說來，殼體的高度小于20mm，從而可由其獲得該殼體具有足夠平的構形，以接納在圖象處理系統中的最通用規(guī)格的長方孔(slot)中。
在一特別優(yōu)選的實施例中，其高度小于或等于10.5mm，從而使該殼體高度符合PCMCIAⅢ型標準。
最優(yōu)選其高度小于或等于5.0mm，從而使該殼體高度符合PCMCIAⅡ型標準。
為了插入旅行袋，最大為7mm的高度是所需要的。
存儲、發(fā)送和接收電子信號光學圖象記錄系統的殼體，進一步還可包括用于調焦、白平衡控制、自動增益控制等的各種輔助設備。它還可包括電源，例如電池。
在一優(yōu)選實施側中，該殼體進一步包括一用于儲存控制外部裝置操作用的控制信息的電子信號的裝置。
在一特殊實施例中，最好其殼體包括用于將控制信息輸入該外部裝置用的裝置，由此而使外部裝置(例如未被予置來處理光學圖象記錄系統的光學圖象的圖象處理系統)的操作，可以受輸入該外部裝置的特定控制信息控制。
控制信息包括系統操作軟件，例如用于控制圖象處理系統的軟件和用于圖象處理的軟件。
電信號的發(fā)送可以按照技術人員已知的任何合適途徑進行，例如或者通過直接將光學圖象記錄系統的電路與處理系統的電路相連，或者通過無線的發(fā)送/接收。
當采用直接連接時，最好使該連接的導引受到控制。因此，在一優(yōu)選實施例中，其殼體進一步包括使其連接在切口、凹槽等中導向用的導引裝置。
不需要將其殼體插到圖象處理系統中。在一實施例中，顯示屏連在光學圖象記錄系統的殼體上。這種連接可以是固定的或者不固定的，而且顯示屏可與該殼體整體相連。
尤其是，無線發(fā)送/接收的實施例具有的優(yōu)點是，避免采用安全措施來保證光學圖象記錄系統和處理系統中該連接的導引。
在一優(yōu)選實施例中，用于發(fā)送電信號的裝置包括模擬和/或數字傳輸的無線發(fā)射機。
而且用于接收電信號的裝置，包括模擬和/或數字傳輸的無線接收機。
無線發(fā)射機和接收機可以是技術人員已知的任何適合的這類裝置，例如無線電發(fā)射機/接收機或者光學發(fā)射機/接收機。
光學圖象記錄和處理系統另一方面，本發(fā)明的目的在于提供一種光學圖象記錄和處理系統，作為該系統，光學信息能夠很容易地從光學圖象記錄系統傳送給相關的處理系統。
根據本發(fā)明，此目的通過提供一種用于記錄和處理光學信息及其它信息的電信號的光學圖象記錄和處理系統來達到；所述系統包括用于發(fā)送及接收由帶有數據總線接口的一對連接裝置構成的電信號的裝置，其中所述一對連接裝置之一被提供在光學圖象記錄系統中，以與被接納在圖象處理系統中的另一連接裝置直接相連。
在一優(yōu)選實施例中，光學圖象記錄系統的連接裝置被提供在其端面上，從而使具有多路連接的特別簡單的連接能夠建立，而且用于高速通訊的并行數據總線可以提供。此外，該連接裝置是高抗機械應力的，且其對于抗靜電放電(ESD)提供良好的防護。
在一優(yōu)選實施例中，圖象處理系統供給長方孔形式的連接裝置，從而保證光學圖象記錄系統以簡單而安全的方式與其適配及連接，而不使用笨重的纜線。光學圖象記錄系統可以局部或者完全插在該長方孔中，從而保證其敏感部分(例如透鏡系統)在與圖象處理系統相連時免受機械影響。
而且在一優(yōu)選實施例中，光學圖象記錄系統和處理系統的長方孔，包括用于導引其相互連接從而保證其安全連接的導向裝置。
尤其是，此光學圖象記錄和處理系統最好包括本發(fā)明的光學圖象記錄系統。
適合的圖象處理系統在技術上是已知的。它們包括計算機(如小型計算機、膝上型計算機)，電話、移動電話和隨身聽，傳真機，打印機，顯示屏和磁帶錄象機，但并不局限于此。
3．附圖簡述

圖1A,1B和1C表示現有技術的光學圖象記錄系統；圖2A,2B,3A,3B,4及5表示根據本發(fā)明的優(yōu)選光學圖象記錄系統的剖視和頂視圖；圖6表示根據本發(fā)明優(yōu)選實施例的透鏡系統的光線追跡，其與圖2A的三合鏡(TP)相同，但不帶濾光片27；圖7表示圖6所示優(yōu)選實施例的透鏡系統的光斑圖；圖8表示圖6所示優(yōu)選實施例的透鏡系統的多色衍射調制傳遞函數(MTF)；圖9表示圖6所示優(yōu)選實施例的透鏡系統的象場彎曲(A)和幾何畸變(B)；圖10A,10B和10C表示本發(fā)明的圖象記錄系統優(yōu)選實施例的三個視圖；圖11表示未被插入圖象處理系統中的光學圖象記錄系統的優(yōu)選實施例；圖12表示插入也被表示在圖11中的圖象處理系統中的圖11所示光學圖象記錄系統優(yōu)選實施例；圖13A及13B表示局部及完全插入圖象處理系統中的圖象記錄系統優(yōu)選實施例的剖視圖；圖14A,14B,14C及14D表示本發(fā)明的圖象記錄系統的導向裝置的優(yōu)選實施例，而且圖15表示圖象記錄系統及其與圖象處理系統相連實施例的框圖。
4．詳細描述現有技術圖1A表示現有技術的光學圖象記錄系統的寬闊表面的示意頂視圖。該圖象記錄系統包括具有寬闊表面的平的殼體10；透鏡系統11，所述透鏡系統被可分離地表示為從A-A線表示其端視圖的圖1B及1C；二維圖象記錄裝置12和連接裝置13。
光學信息被透鏡系統11接收并轉換成圖象。二維圖象記錄裝置12，則將此光學信息轉換成可被處理并儲存在半導體存儲器中的電信息。
來自半導體存儲器的電信息，可通過連接裝置13傳送給圖象處理系統。
在圖1B中，有效透鏡高度h、光學系統高度H和殼體高度b被表示出來。
為使整個圖象記錄系統具有平面構形，需要如圖1C那樣將透鏡系統11分離。
本發(fā)明的優(yōu)選實施方案圖2A表示根據本發(fā)明的光學圖象記錄系統優(yōu)選實施例的剖視圖，圖2B表示其頂視圖。它包括由前透鏡組21、后透鏡組22、反射元件23、輔助反射元件24、孔徑光闌26和濾光片27組成的透鏡系統。外圓直徑為D的光學圖象28，由此透鏡系統形成并由圖象記錄裝置25轉換成電信號。
該光學圖象記錄系統進一步包括一具有寬闊的表面201及202和低高度b的殼體20，所述殼體中裝有透鏡系統和圖象記錄裝置。
與圖1的現有技術相比，本透鏡系統被接納在殼體20中，從而使光學圖象記錄系統總是具有低高度b和堅固的結構。光學系統高度H以及有效透鏡高度h要比殼體高度b小。
光學信息通過具有光軸211的前透鏡組21被接收，然后以一定角度被反射元件23反射到后透鏡組22的光軸221。輔助反射元件24則將此未聚焦的圖象反射到具有光軸251的圖象記錄裝置25的光敏表面上。
在優(yōu)選實施例中，半視場角為33°，這是比較寬的視場。為了給前透鏡組21和后透鏡組22之間的反射元件23提供足夠的空間，倒置攝遠原理被選定。此倒置攝遠原理進一步的優(yōu)點是，它能提供相當標準的圖象照明均勻性和清晰度。而且它能為濾光片提供空間。
前透鏡組21僅由一塊透鏡構成，所述透鏡是強色散的。通過讓前透鏡組21中只有一塊透鏡，通過讓所述的透鏡為強色散的，可以將前透鏡21的高度及其最后表面的直徑減至最小。由此而使反射元件23的高度被減至最小，從而使光學系統的高度H和殼體20的高度b被減至最小。
在優(yōu)選實施例中，前透鏡組21中的第一塊透鏡是由BAK50制做的，它是具有良好的化學和氣候穩(wěn)定性的硬質抗延展玻璃型號。
其它玻璃型號或者例如塑料可用于該透鏡系統，然而應當承認這可能對其性能有影響。本發(fā)明優(yōu)選實施例中使用的所有規(guī)定的玻璃型號，都可從德國肖特玻璃廠Hatterbergstrasse 10,D-6500Mainz買到。
后透鏡組22是由四組元件組成的聚光元件，其中之一為消色差透鏡。由于前透鏡組21接收的光學信息是以小于180°的角度被反射元件23反射的，故后透鏡組22能長度并不影響或僅略微影響殼體20的高度b。因此后透鏡組22中可能有許多塊透鏡和大的相對孔徑，并且獲得相當清晰的圖象。此外，有可能使用一些例如象后透鏡組22中的第一塊透鏡和消色差透鏡那樣的比較厚的透鏡和消色差透鏡。
圖6所示本發(fā)明的優(yōu)選實施例的透鏡系統的數據，表示在表1中。
表1

單位mm有效焦距f:3.98孔徑F#2.8該透鏡系統具有1.2的S-比使其適合于做“重載”的“旅行袋攝象機”，通過將其縮小約13％的比例(through about 13％down scalingit)對于帶有高度b符合PCMCIAⅡ型標準的殼體的圖象記錄系統是理想的。
技術人員可以考慮性能的變化，選擇適合于其它替換設計的各種透鏡元件及其它元件的數據和材料。
反射元件23和24在優(yōu)選實施例中為在第一表面上形成的反射鏡。它們可以由棱鏡來取代。
在具有單鏡頭反射(SLR)功能的實施例中，輔助反射元件可以由分束鏡代替，其將該透鏡系統形成的圖象28分成兩個圖象一個聚焦在圖象記錄裝置25上面，另一個如技術上已知那樣被轉換入取景器。按照這種方式，在非常平的設計中可以實現變焦功能。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，圖象記錄裝置25為二維列陣的CCD器件圖象傳感器。由透鏡系統形成的光學圖象28，經此圖象記錄裝置25轉換成電信號。這些電信號可被進行處理和儲存在數據存儲器件(典型地是半導體存儲器)上。
圖3A和3B表示具有非旋轉對稱的前透鏡組元件和減小了的角度a的實施例中的透鏡系統和光學圖象記錄裝置25。由于本實施例中圖象記錄裝置25的有效部分為矩形的，所以遠離孔徑光闌26的透鏡并不需要為旋轉對稱的。在圖3A中該性能被利用來減小角度a，由此獲得透鏡系統的有效鏡頭高度h可被減小，或者從反射元件24至圖象記錄裝置25的光軸251的長度可以增加而不會增加有效透鏡高度h。這在其壁處在比CCD器件的有效部分高的水平上的外殼31中采用CCD器件(或其它類型的光學圖象記錄裝置)時是重要的。其表示在圖3A中。通過使有效透鏡高度h大大小于光學系統的總高度H，有可能將CCD器件25直接裝在印刷電路板32上面，從而使光學圖象記錄系統的電子學部分可被簡化并做得更緊湊，因為只要求一塊印刷電路板。另外，根據“印刷電路板上加芯片”(chips on board)工藝的一般原理，元件33可以裝在印刷電路板32的兩則，而不增加光學系統的總高度H和光學圖象記錄系統的高度b。其表示在圖3B中。
圖4以從前透鏡組21至圖象記錄裝置25具有U-形光路的實施例，表示該透鏡系統和圖象記錄裝置。如圖2及3所示，由前透鏡組21接收來的光學信息，被反射元件23反射給后透鏡組22。由透鏡系統形成的圖象隨后被反射元件24反射給圖象記錄裝置25。
在有效透鏡高度h必須非常小以及前透鏡組21中具有不只一塊透鏡場合下的一些應用中，圖4所示的實施例特別有用。
當從具有光軸211的第一光學元件的前點至反射元件23的光軸211的長度比較長時(由于前透鏡組比較大)，圖4所示的實施例可以采用，以便將總高度H降低，或者為了使其有可能在標準外殼中采用CCD器件。此外，濾光片如模糊濾光片可被插在反射元件24和圖象記錄裝置25之間。
圖5以只有一個反射元件23的實施例表示其透鏡系統和圖象記錄裝置25。在本發(fā)明的這個實施例中，第二個反射元件24已被省去，從而使元件的個數減少且透鏡系統被簡化。
此本發(fā)明的優(yōu)選實施例允許圖象記錄裝置25沿光軸221的方向厚一些。對于圖象記錄裝置25需要很好地冷卻場合的應用來說，例如在要求大的信噪比的弱光條件下，圖5的實施例可以采用。它在圖象記錄裝置25的背面可以提供空間以便安置一或多個冷卻裝置，例如散熱片、冷卻風扇或者珀爾帖(peltier)元件。由于后焦距長并且省去了第二個反射元件24，故此實施例進一步可在后透鏡組22的最后透鏡和光學圖象記錄裝置25之間為很大厚度的濾光片提供空間。與圖象記錄裝置25有關，雙折射模糊濾光片通?？商峁┹^好的圖象質量。此本發(fā)明的實施例可為許多平板雙折射模糊濾光片提供空間，以改進象質。由于彎折角a可以選擇，故沿光軸211方向從殼體20外表面201至圖象記錄裝置25中心的距離可被選擇為接近殼體20的高度b的一半。按照這種方式，圖象記錄裝置25可以利用殼體20中現有的全部高度，因而其尺寸可以增至最大，從而保證其最佳分辨率和靈敏度。
圖6表示根據本發(fā)明優(yōu)選實施例的透鏡系統的光線追跡。此光線追跡被表示以光軸211,221和251在紙面上以及孔徑F#:2.8。
圖7表示圖6所示優(yōu)選實施例的透鏡系統的光斑圖。四個場被表示為A,B,C和D。對于這四個場的數據表示在表2中D表2

附注主光線。
比例尺長度L為20微米。
RMS半徑是指光斑的均方根半徑。在這些計算中未考慮衍射現象。該分析是通過使用由美國P.O.Box 18228,Tucson,Az85731,FocusSoftware Inc.得到的光學設計程序Zemax V.2.8和V.4.0作出的。
圖8表示對于圖6所示優(yōu)選實施例的透鏡系統全口徑的多色衍射調制傳遞函數(MTF)。該MTF為以下四個場表示A,B,C和D。這些場與圖7的四個場相同，DL是衍射極限。y-軸為正弦光柵物體的圖象的對比度。x-軸為成象光柵中每毫米周期(cycle)的空間頻率。
圖9表示圖6所示優(yōu)選實施例的透鏡系統的象場彎曲(A)和幾何畸變(B)。該象場彎曲曲線表示從實際象面至傍軸象面的距離作為視場角的函數。x-軸為以毫米表示的場曲。整個y-軸等于63°的全視場。子午焦線(T)和孤矢焦線(S)對以下三種不同的波長表示0.486微米，0.588微米以及0.656微米。
對于幾何畸變來說，整個y-軸等于63°的全視場。x-軸上的單位是以百分數表示。
圖10A,10B和10C表示本發(fā)明的圖象記錄系統優(yōu)選實施例的三個視圖。在此優(yōu)選實施例中殼體20為卡形，由此使其可被保存在裝信用卡的旅行袋或小手提包中。此外，它包括帶有插頭1003的連接裝置1001，而且殼體20配備以導向裝置1004，從而使其有可能將光學圖象記錄系統插在圖象處理系統的長方孔中并與其相連接。光學信息被透鏡系統接收并形成圖象，如上針對圖2A及2B所示實施例描述的那樣。圖象記錄裝置25則將此光學信息轉換成電信息儲存在固體存儲器1002中。在優(yōu)選實施例中，此存儲器是可拆卸的和可更換的。固體存儲器是技術上已知的快速存儲器。其它各種存儲器件也可以使用。寬闊的表面201和202使其有可能使用一或多塊印刷電路板，來安裝為控制圖象記錄裝置25和處理來自該裝置25的電信息所需要的電子線路和元件。此外，寬闊的表面201和202，使其有可能提供帶有有效的、“容易使用的”取景器(用于瞄準擬被記錄的物體)的光學圖象記錄系統。此光學圖象記錄系統還包括其觸發(fā)用的快門1007。通過使用極化轉換開關(polarization keys)1005，從而獲得圖象記錄系統在其插入圖象處理系統時不會顛倒。此極化轉換開關還可能保證該圖象記錄系統只能被插在圖象處理系統和具有合適電壓及插頭形狀的充電器中。導向裝置1004幫助將圖象記錄系統插在與其匹配的圖象處理系統、充電器之類中。這也就意味著殼體20可以具有各種結構、尺寸和形狀，并且還能很容易地插入相匹配單元。按照這種途徑，有可能增加或減少一些特征并在導向裝置1004提供的同一“框架”中得到靈活結構的平臺。連接裝置1001的插頭1003被收藏在其內部。由此可使其免受機械和電的應力(例如靜電放電)作用，否則可能損壞光學圖象記錄系統中敏感的電子線路。
圖11表示未插在圖象處理系統1100中的光學圖象記錄系統1000。圖象記錄系統1000的導向裝置1004(畫陰影的部分)與圖象處理系統1100的導向裝置1101相匹配，保證兩個系統安全方便地相連接。
圖12表示被插在圖象處理系統1100中的光學圖象記錄系統1000。當兩系統被連在一起時，它們在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中作為一個單獨單元出現。
圖13A和13B表示優(yōu)選實施例的圖象記錄裝置1000被局部和完全插入圖象處理系統1100中的剖視圖。圖象處理系統1100包括與圖象記錄系統1000的接插件1001和極化轉換開關1005相匹配的接插件1301和極化轉換開關1302。
圖14A,14B,14C和14D表示本發(fā)明圖象記錄系統的導向裝置1004的優(yōu)選實施例。殼體20上的畫陰影部分為該導向裝置1004的優(yōu)選實施例。其全部沿著殼體20的側面伸展，從而在圖象記錄系統殼體20的總長度上取得良好的導向。此外，特別是在連接裝置1001的周圍能夠獲得良好的導向。按照這種方式，本優(yōu)選實施例中有可能在連接裝置1001和1301中采用小而脆弱的插頭。因而可以使用大量的插頭，并可形成快速并行的數據總線。
圖15表示圖象記錄裝置及其與圖象處理系統相連實施例的方框圖。光學信息通過透鏡系統1501接收并形成被圖象記錄裝置25記錄的圖象。電信息隨后如技術上已知的那樣通到CCD器件驅動部分1502和信號處理部分1503。其輸出信號經過模/數轉換器1504轉換成數字形式。數據總線1505在圖象記錄系統的每個部分之間交換信息。用于圖象處理系統1100的圖象處理軟件被儲存在存儲器1506中，且當圖象記錄系統1000通過導線或無線與圖象處理系統1100相連時可被向其傳輸。按照這種方式可以獲得，來自圖象記錄系統的數據可在任意圖象處理系統中進行處理，只要該圖象處理系統包括與其相匹配的連接裝置和/或接收/發(fā)射裝置，以及能夠操作圖象記錄系統提供的軟件的操作系統。
此外，信號處理和由透鏡系統1501引入的幾何畸變的矯正可在處理方框1508中完成，此后該數據在數據壓縮器1509中被壓縮。然后該數據可被儲存在存儲器1002中。光學緩沖存儲器1507可保證來自模/數轉換器1504的數據在其于1508中處理和1509中進行數據壓縮之前可被暫時儲存。
儲存在存儲器1002中的數據，可經過數據總線控制器1505和連接裝置1001及1301傳送給圖象處理系統1100。該數據在圖象和數據處理裝置1510中進行處理。
因此，包括幾何畸變在內的處理并不在圖象記錄系統1000中進行，但在圖象處理系統1100中能夠很好地完成。
圖象記錄系統和圖象處理系統的結構可以變化并進行技術上已知的不同設計，正如分束棱鏡可以插在透鏡1501和圖象記錄裝置25之間那樣，從而可以利用紅(R)、綠(G)蘭(B)三色分色圖象。
權利要求
1．一種用于電子記錄光學信息的光學圖象記錄系統，包括透鏡系統(21,22,23)和殼體(20)，所述殼體具有低高度(b)和寬闊表面(201,202)的構形，且通過其寬闊表面之一接收上述光學信息，并且接納具有光敏區(qū)域的圖象記錄裝置(25)，其特征在于該透鏡系統包括具有第一光軸(211)的前透鏡組(21)；由一或多塊具有第二光軸(221)的透鏡組成的后透鏡組(22)；以及以小于180°的角度(a)將第一光軸(211)彎折向第二光軸(221)的反射元件(23)，而且上述透鏡系統被接納在上述殼體中。
2．根據權利要求1的光學圖象記錄系統，其中所述透鏡系統包括一使第二光軸(221)彎折向圖象記錄裝置的光軸(251)的輔助反射元件(24)。
3．根據權利要求1和2的光學圖象記錄系統，其中第一光軸(211)和第二光軸(221)構成的角度(a)等于或小于90°。
4．根據權利要求1-3的光學圖象記錄系統，其中第二光軸(221)和圖象記錄裝置的光軸(251)構成的角度等于或小于90°。
5．根據權利要求1-4的光學圖象記錄系統，其中第一光軸(211)和圖象記錄裝置的光軸(251)基本上在同一平面內。
6．根據權利要求1-5的光學圖象記錄系統，其中第一光軸(211)和圖象記錄裝置的光軸(251)基本上平行。
7．根據權利要求1的光學圖象記錄系統，其中圖象記錄裝置為電荷耦合器件。
8．根據權利要求1的光學圖象記錄系統，其中該透鏡系統所具有的光學系統高度(H)除以所成圖象(28)的外圓直徑(D)之此(S)小于4，優(yōu)選等于或小于2.55，更好等于或小于1.7，最好小于1.2；所述光學系統高度(H)為從光學系統(包括透鏡、濾光片、孔徑光闌、圖象記錄裝置及其殼體)任意部分在第一光軸上投影的最大長度。
9．根據權利要求1的光學圖象記錄系統，其中該透鏡系統的有效透鏡高度(h)與有效焦距(f)之高度比小于1.7，優(yōu)選小于1.5。
10．根據權利要求1-9的光學圖象記錄系統，其中所述殼體的高度小于20mm，優(yōu)選小于或等于10.5mm，更好小于或等于7mm，最好小于或等于5mm。
11．根據權利要求1-10的光學圖象記錄系統，其中前透鏡組(21)和第一反射元件(23)包含棱鏡。
12．根據權利要求1-11的光學圖象記錄系統，其中輔助反射元件(24)由棱鏡構成。
13．根據權利要求1-12的光學圖象記錄系統，其中該透鏡系統的孔徑光闌是由裝在第一反射元件之后特別是裝在后透鏡組(22)中的光闌(26)確定的。
14．根據權利要求1-13的光學圖象記錄系統，其中所述殼體進一步包括用于儲存、傳送和接收光學信息及住來于外部裝置的其它信息的電子信號的裝置。
15．根據權利要求14的光學圖象記錄系統，其中用于發(fā)送和接收電子信號的裝置包括帶有數據總線接口的連接裝置(1001)。
16．根據權利要求15的系統，其中該連接裝置被接納在上述殼體的端面上。
17．根據權利要求14的系統，其中用于儲存電子信號的存儲裝置包括可交換存儲器(1002)。
18．根據權利要求1-17的系統，其中該殼體進一步包括用于儲存控制外部裝置操作的控制信息的電子信號的裝置。
19．根據權利要求18的系統，包括用于將控制信息輸入外部裝置的裝置。
20．根據權利要求14-19的系統，其中用于發(fā)送電子信號的裝置包括模擬和/或數字傳輸的無線發(fā)射器。
21．根據權利要求14-19的系統，其中用于接收電子信號的裝置包括模擬和/或數字傳輸的無線接收器。
22．根據權利要求1-21的系統，其中所述殼體進一步包括用于其在長方孔中導向的導向裝置。
23．一種用于記錄和處理光學信息和其它信息的電信號的光學圖象記錄和處理系統，所述系統包括用于傳送和接收由帶有數據總線接口的一對連接裝置(1001,1301)構成的電子信號的裝置，其中所述一對連接裝置之一(1001)被接納在光學圖象記錄系統中，以與被接納在圖象處理系統中的另一連接裝置(1301)直接相連。
24．根據權利要求23的系統，其中光學圖象記錄系統的連接裝置被接納在其端面上。
25．根據權利要求23-24的系統，其中圖象處理系統將連接裝置(1301)接納在長方孔(1102)中。
26．根據權利要求23-25的系統，其中光學圖象記錄系統和光學圖象處理系統包括導引其相互連接用的導向裝置(1004,1101)。
27．根據權利要求23-26的系統，包括根據權利要求1-22的光學圖象記錄系統。
全文摘要
一種用于電子記錄光學信息的光學圖象記錄系統,包括透鏡系統(21,22,23)及一殼體(20);所述殼體的形狀為具有低高度(b)及帶有寬闊的表面(201,202),且通過該表面之一接收上述光學信息,并且接納帶有光敏區(qū)域的圖象記錄裝置(25);其中該透鏡系統包括:一具有第一光軸(211)的前透鏡組(21);一由一或多塊具有第二光軸(221)的透鏡組成的后透鏡組(22);以及一使第一光軸(211)以小于180°的角度(a)彎折向第二光軸(221)的反射元件(23);其中所述透鏡系統被接納在上述殼體中。以及用于記錄和處理光學信息及其它信息的電信號的光學圖象記錄和處理系統,所述系統包括用于發(fā)送和接收由帶有數據總線接口的一對連接裝置(1001,1301)構成的電子信號的裝置,其中所述一對連接裝置之一(1001)被提供在光學圖象記錄系統中,以與被接納在圖象處理系統中的另一連接裝置(1301)直接相連;尤其是該系統還包括用于導引其相互連接的導向裝置(1004,1101)。
文檔編號H04N5/335GK1225180SQ9719641
公開日1999年8月4日 申請日期1997年6月17日 優(yōu)先權日1996年6月18日
發(fā)明者赫曼·舍林 申請人:赫曼·舍林