專利名稱：截獲圖象用的掃描裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于截獲例如來自紙張載體信息的掃描裝置，并且特別涉及用于截獲金融證券例如各種類型紙幣上面信息的掃描裝置。
用于截獲紙制圖象載體上信息的各種掃描裝置是已知的。最為公知的裝置是用于閱讀條型碼的手持式掃描器，例如根據(jù)前蘇聯(lián)發(fā)明證書No.1837334授予專利的一種。該裝置包括一光源、一會聚透鏡、一孔徑光闌及一與光闌耦合的光接收器，所有全都光學(xué)同軸。一球面透鏡被裝在被掃描的信息載體和孔徑光闌之間。這種裝置可以具有象圓珠筆桿一樣的形式，并且具有相當(dāng)簡單的結(jié)構(gòu)。然而該裝置的功能被局限于閱讀條形碼，其精度、分辨率和操作速度均不能勝任其它用途。在設(shè)計(jì)上更加完善并具有擴(kuò)展功能的其它手持式設(shè)備也是已知的(例如US-A-5349172，US-A-5354977，WO 94/19766和WO 94/19764)。這些裝置使用LED列陣來照明被掃描的載體，并利用CCD列陣來接收被反射的信號。然而這類裝置并不具有對于大量信息需要掃描的充分功能。
用于截獲圖象和被印刷信息的臺式掃描裝置也是已知的。這種裝置包含一光學(xué)單元，其包括一光源、一光波導(dǎo)、一調(diào)焦和/或載波用的光學(xué)元件組、一光接收器，和一處理來自該光接收器的信號用的A/D變換器(例如俄羅斯聯(lián)邦專利No.2032217和US-A-5295196)。
已知裝置的缺陷在于它們的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和照明器過大的功率消耗。其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性主要是由于其完善的光學(xué)系統(tǒng)使用透鏡、反射鏡等作為聚焦元件，這在制造和為矯正該裝置的操作而需要進(jìn)行精確調(diào)整方面都會遇到困難。此外，為獲得足夠強(qiáng)度的被反射光通量，需要大量的光能量來照明該信息載體。
本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種掃描裝置，其結(jié)構(gòu)簡單并能提供以高性能和高的操作速度，而以低的照明功率截獲例如被傳送的紙或塑料之類載體上的圖象，特別是裝在傳送系統(tǒng)例如鈔票處理機(jī)中的保密文件(如信用卡、身份證明卡和鈔票)上的圖象。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于截獲圖象的掃描裝置，其包含一光學(xué)單元，該光學(xué)單元包括一光源，一光波導(dǎo)和一光接收器，其中該光波導(dǎo)包括一有基本平行邊的透明件，該透明件具有在該平行邊之間延伸的相反兩端，兩端之一面向光源且在該平行邊之間非垂直地延伸；另一端在使用時面向待掃描的圖象，從而使來自光源的光經(jīng)過此一端進(jìn)入光波導(dǎo)，通過此另一端輸出后射在圖象上面并被反射回光波導(dǎo)中，隨后再由光波導(dǎo)射向光接收器。
使用這種形式的光波導(dǎo)能將來自光源的光匯集在載體上面，因而能使比較弱的光源可被利用，而與此同時以緊湊的方式提供將被發(fā)送的光與被接收的光(以及相應(yīng)的發(fā)送和接收設(shè)備)分開的簡單途徑。
現(xiàn)在將參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明的掃描裝置實(shí)例，其中，

圖1為局部以方框圖形式的用于截獲圖象的掃描裝置示意圖；圖2為表示通過光波導(dǎo)的光通量的光跡圖；圖3為未考慮光線在入射及出射面上透射率影響時，光波導(dǎo)利用率(efficiency)與光波導(dǎo)厚度(使用的燈泡半徑為8mm，光波導(dǎo)長度80mm)之間關(guān)系的曲線圖。
用于截獲來自載體1圖象的掃描裝置(參見圖1)，包括一光源、一光波導(dǎo)2、一可旋轉(zhuǎn)反射鏡3、一透鏡4，以及一CCD或其它光敏的線性列陣5(其在此特定實(shí)例中用作圖象接收器)、一CCD列陣的控制單元6，以及一從CCD線性列陣5獲得的信號的A/D變換器7。一般說來，該圖象可以是包括金融證券(例如紙幣、支票、旅行支票和郵政匯票)的所有公開的和隱藏的要素的信息或者圖案。
本實(shí)例中的光源包括六個鎢絲燈泡8，優(yōu)選充以鹵素，每個15W。當(dāng)然，任何其它類型的以及不同于六個的光源也可以使用。光可以是可見的或者不可見的(例如紅外光)或其組合。燈泡被安置為一排，并且位于光波導(dǎo)2的前方而且實(shí)際上與波導(dǎo)2的下部傾斜棱邊10相接觸。光波導(dǎo)2是透明的平行平板，其在本實(shí)例中是由玻璃制成，且其兩端面之一(即底邊10)在本實(shí)例中是和平行邊成45°傾斜的。此傾斜角可以根據(jù)許多因素來改變。這些因素將在下面更詳細(xì)地加以描述，但其包括檢測系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和玻璃的折射率。就涉及檢測系統(tǒng)來說，該棱鏡的角度決定反射鏡3、透鏡4和傳感器5待放置的位置，以及在這方面有一小部分起作用的玻璃的折射率。該傾斜角和玻璃的折射率決定照明系統(tǒng)的特性(強(qiáng)度、均勻性等)。
與光波導(dǎo)的傾斜棱邊10相對的端面11面向載體1并且垂直于平行邊延伸，盡管也可以使用其它的非垂直角度。圖1表示該裝置的方案，其中可旋轉(zhuǎn)反射鏡3被設(shè)置來實(shí)現(xiàn)其緊湊性。反射鏡3是可旋轉(zhuǎn)的，以將光束的偏轉(zhuǎn)調(diào)整到透鏡4和傳感器5上面?？晒┻x擇的濾光片9被安裝在透鏡4和反射鏡3之間。反射鏡3的使用也是任選的。只有當(dāng)一定波長的光要被檢測時才需要濾光片9，例如由于熒光或以紅外光照射。
該傾斜角度將加以選擇，以優(yōu)化光的匯集和分散性能，然而此角度通常在27°-49°的范圍內(nèi)，優(yōu)選為41°-49°。
CCD線性列陣5、CCD列陣的控制單元6以及CCD列陣信號用的A/D變換器7被電連接在一起，并且按傳統(tǒng)方式進(jìn)行工作，以提供列陣5上所接收的線性圖象的數(shù)字輸出。
圖2表示光如何通過光波導(dǎo)2傳播。該圖具有以下指定符號SO-光源8的位置；X-光波導(dǎo)2的厚度；L-光波導(dǎo)2的長度；z-光波導(dǎo)2截獲光的角度；g-無光波導(dǎo)2存在時所具有的光截獲角度；a-入射光與傾斜邊10上法線所成的角度；b-折射光與傾斜邊10上法線所成的角度；r，h-光源SO沿圖示方向距傾斜邊10的距離；δ-從位于光波導(dǎo)上部平端上的點(diǎn)照射到光波導(dǎo)傾斜端上的光線的發(fā)散角(dispersion angle)。
在此情況下r＝4.61mm；h＝1.525mm。
該裝置的作用如下光源8發(fā)出的光通過光波導(dǎo)2的傾斜邊10部分進(jìn)入光波導(dǎo)2(圖1)傳播，然后通過其端面11射到載體1例如紙幣(示意表示在圖2中)的表面上，該紙幣被傳送跨過端面11且與其不相接觸，其間隙在本實(shí)例中測定為0.5-2mm。在其它一些情況下，該紙幣可以非垂直角沿端面11傳送或者跨過它傳送。該間隙可為載體1提供最大的照明，其受到取決于光波導(dǎo)實(shí)際厚度的從光波導(dǎo)2射出光色散的支配。該間隙可保證端面11的表面在該裝置的操作過程中不受損壞和磨損。由載體1反射的光再一次經(jīng)過端面11進(jìn)入光波導(dǎo)2，并通過其傾斜面10幾乎垂直于該平行平板(如圖1所示)的側(cè)面射出，以向透鏡4傳輸。(在圖2中，光波導(dǎo)2和透鏡4之間的光學(xué)元件已被省略)。
對本系統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析提出如下在本實(shí)例中，光波導(dǎo)2的平端11與待掃描的物體幾乎靠緊，且其平端10具有45°的傾斜邊。一般說來，此傾斜邊的角度可在(90-β0)/2+δ至90-β0-δ的范圍內(nèi)變化，其中β0為全內(nèi)反射的臨界角。
對于不同類型的玻璃而言，此角度β0大約在40°(輕冕玻璃)到34°(重火石玻璃)的范圍內(nèi)。我們使用輕冕玻璃(β0為40°)來制做光波導(dǎo)，因其具有最小的吸收系數(shù)。在這種情況下，該傾斜角可從25°+δ變化到50°-δ。通過使用其焦距為8.5mm，f數(shù)為1.5的透鏡4且距該透鏡約120mm，其δ角將約為8.5/1.5/120/n弧度，即等于2°，其中n為玻璃的折射率(其為1.55)。
最佳傾斜角將在27°和49°之間。我們選擇45°，因其非常接近最佳值且便于實(shí)施。
光線從平端11出來，其入射角小于全內(nèi)反射的臨界角(對所使用的輕冕型玻璃為40°)，而折射角“b”必須大于5°。由折射定律sin(a)/sin(b)＝n可知，入射在傾斜端10上的角度a必須超過amin＝8°。在以上遵守的條件下，射在光波導(dǎo)傾斜端10上的所有光線在從光波導(dǎo)的側(cè)壁上實(shí)際被100％反射之后(即其光不能通過該側(cè)壁透射)，將從端面11射出。
在給定的設(shè)計(jì)中最小的入射角將在光波導(dǎo)2的傾斜端面10上。光源8燈泡的玻璃半徑V＝4mm，SO點(diǎn)將位于h＝r tan(45-amin)＝2.7mm的距離上。光波導(dǎo)的厚度使用3mm，則其截獲角z將為z＝(45-amin)+arctan[(x-h)/(x+r)]，約等于39°。光波導(dǎo)的長度L使用72mm，則角度“g”＝2arctan[(x/2)/(l+r)]＝2.2°。
光波導(dǎo)的利用率為K＝Kri·Kro·z/g其中Krj和Kro分別為光波導(dǎo)的入射表面10和出射表面11上的透射率。
假如認(rèn)為K與長度固定時的光波導(dǎo)的厚度有關(guān)，那么可以看出，光波導(dǎo)的利用率隨其厚度的減小而增加，即其越薄越好。另一方面，光波導(dǎo)的最小厚度是由角度δ決定的，且此角度δ予先已按照使透鏡的光強(qiáng)(lightpower)應(yīng)為最大的方式被計(jì)算出來。
對于δ＝2°來說，Xmin＝δ·π/180I＝2.5mm。
使用如此厚度的光波導(dǎo)，要求光學(xué)系統(tǒng)所有元件高精度定位，這就是為什么我們選擇了X＝3mm的原故。
在我們的情況下K＝Krj·Kro·39/2.2＝17.7×Krj·Kro光波導(dǎo)入口處的平均入射角為45°。在此角度下約有93％的光能量進(jìn)入玻璃。出口處的平均入射角為30°。在此角度下約93％的能量被透過。
于是K＝0.93×0.93×17.7＝15圖3表示光波導(dǎo)利用率作為X的函數(shù)。
使用平表面的光波導(dǎo)，容許比較廉價地解決若干技術(shù)問題使光聚焦并射向掃描區(qū)域；將光傳送到光接收元件上。而且，使用平表面的光波導(dǎo)使光學(xué)單元的防塵問題簡單地得到解決。
理論估算表明，光波導(dǎo)2與直接照明相比能使被掃描區(qū)域的照明強(qiáng)度提高約15倍。實(shí)際測量表明照明強(qiáng)度約增加8～9倍。理論估算和實(shí)際測量之間的這種差異被認(rèn)為是由光源的有限尺寸和不精確對準(zhǔn)引起的。
由載體1反射的光線在從光波導(dǎo)2出來之后被反射鏡3反射，然后經(jīng)過濾光片9和透鏡4射到CCD列陣5上面。CCD列陣5所產(chǎn)生的電信號與射在其上的光量成正比，因而與信息載體1表面片段的反射率成正比。
通過使用線性掃描的CCD列陣作為光敏元件，可以通過掃描(截獲)達(dá)到非常高的信息讀出率。來自線性掃描CCD列陣5的模擬信號，然后由變換器7轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，隨后可被饋送給計(jì)算裝置如PC以進(jìn)一步進(jìn)行處理，或者可被饋送給讀出顯示器(未表示)。
本發(fā)明是緊湊的且消耗非常小的功率，并能在讀出甚至半色調(diào)的圖象(畫面)時高速度地運(yùn)轉(zhuǎn)。由于其結(jié)構(gòu)簡單，故在稍作改動之后該裝置可被非常容易地引入任何片材處理機(jī)(如紙幣揀送、付出或計(jì)數(shù)機(jī))中，以便檢測紙幣的各種特性(例如面額、真實(shí)性等)。
權(quán)利要求
1.一種用于截獲圖象的掃描裝置，其包含一光學(xué)單元，該光學(xué)單元包括一光源，一光波導(dǎo)和一光接收器，其中該光波導(dǎo)包括一有基本平行邊的透明件，該透明件具有在該平行邊之間延伸的相反兩端，兩端之一面向光源且在該平行邊之間非垂直地延伸；另一端在使用時面向待掃描的圖象，從而使來自光源的光經(jīng)過此一端進(jìn)入光波導(dǎo)，通過此另一端輸出后射在圖象上面并被反射回光波導(dǎo)中，隨后再由光波導(dǎo)射向光接收器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的掃描裝置，其中所述一端以與所述一些平行邊成41°-49°范圍的角度延伸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的掃描裝置，其中所述一端以(90-β0)/2+δ至90-β0-δ范圍內(nèi)的角度延伸，其中β0為全內(nèi)反射的最大角度，δ為從所述另一端射在所述一端上的光線的發(fā)散角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的掃描裝置，其中所述一端以與所述一些平行邊成27°-49°范圍的角度延伸。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的掃描裝置，其中所述的光波導(dǎo)由光學(xué)等級的玻璃制成。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的掃描裝置，其中所述的光接收器為線性的CCD列陣。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的掃描裝置，進(jìn)一步包括一用于將來自光波導(dǎo)的光聚焦到光接收器上的透鏡。
8.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的掃描裝置，其進(jìn)一步包括一用于將來自光接收器的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的A/D變換器。
全文摘要
一種用于截獲圖象的掃描裝置,其包含一光學(xué)單元,該光學(xué)單元包括一光源(8)、一光波導(dǎo)(2)、一透鏡(4)、一光接收器(5)和一A/D變換器(6),該裝置的區(qū)別特征在于其光波導(dǎo)被成型為一光學(xué)透明的(優(yōu)選由光學(xué)等級的玻璃制做)平行平板,其一端面(10)通常與橫向的兩側(cè)成45°－49°傾斜。光源(8)位于該平板上述傾斜棱邊(10)的下方,同時該平板的相對端面(11)面向圖象載體且與該橫向的兩側(cè)垂直。
文檔編號G06K7/10GK1273658SQ9880988
公開日2000年11月15日 申請日期1998年10月7日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月7日
發(fā)明者瓦萊里·阿列克西弗切·克萊特索夫 申請人:維克特科學(xué)技術(shù)合作社