(57)【要約】【課題】機械的な走査を回避し、比較的短いワーキング距離を有し且つ全体的に小さな文書画像処理システムをもたらすこと。【解決手段】反射屈折撮像システムは、矯正ミラー、レンズ系及び後続の画像処理部を有する。本手法は小さな形状因子のデスクトップ文書撮像システムをもたらし、そのシステムは、書類の高品質高解像度の画像を生成する。【選択図】図４
2009095018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
オブジェクトフィールドに対向して設けられ、光軸を規定する凸状ミラーと、
レンズ系と、
画像センサと、
を、オブジェクトフィールドから対応する撮像フィールドに至る光学経路に沿った順序で有するオフセット反射屈折システムであって、前記凸状ミラー及び前記レンズ系は協同して前記画像センサにおける前記オブジェクトフィールドを撮像し、前記画像センサ及び前記オブジェクトフィールドは前記光軸上の対向する側に設けられるようにしたオフセット反射屈折システム。
【請求項２】
前記凸状ミラーが、前記オブジェクトフィールド及び前記画像フィールド間の歪を実質的に修正する該矯正ミラーである請求項１記載のオフセット反射屈折システム。
【請求項３】
前記矯正ミラーは、
【数１】
2009095018.tif 000005
で規定される回転対称形状を有し、半径d(x)で物点から離れてゆく光線は、半径ｘで前記ミラー及び画像面の双方に当たり、F(x)は前記ミラーの断面形状を表す、或いは
前記矯正ミラーは、
【数２】
2009095018.tif 000006
で規定される回転対称形状を有し、半径d(x)で物点から離れて行く光線は、半径t(x)で前記ミラーに当たり、半径ｘで画像面で反射され、ｆは、F(t)=f+h+f/xtとして幾何学的に与えられる焦点距離であり、ｈはオブジェクト面から前記画像面に至る前記光軸に沿った距離であるようにした請求項２記載のオフセット反射屈折システム。
【請求項４】
前記オブジェクトフィールドが平坦なオブジェクトフィールドであり、前記光軸は前記オブジェクトフィールドに垂直であり、前記凸状ミラーは前記光軸に一致する回転軸に関して回転対称である請求項１記載のオフセット反射屈折システム。
【請求項５】
前記レンズ系はレンズ要素で構成され、レンズ要素総ては前記光軸に関して回転対称である請求項４記載のオフセット反射屈折システム。
【請求項６】
前記レンズ系はレンズ要素を有し、レンズ要素の少なくとも１つは前記光軸に関して回転対称でない請求項４記載のオフセット反射屈折システム。
【請求項７】
前記凸状ミラーは前記光軸に関して約180度の範囲にわたり、前記凸状ミラーは前記光軸で前記オブジェクトフィールドと同じ側に設けられる請求項４記載のオフセット反射屈折システム。
【請求項８】
前記凸状ミラー及び前記レンズ系間に設けられた開口絞りを更に有する請求項１記載のオフセット反射屈折システム。
【請求項９】
前記レンズ系はズームレンズ系である請求項１記載のオフセット反射屈折システム。
【請求項１０】
前記オブジェクトフィールドを照らす光を前記凸状ミラーに向ける光源を更に有する請求項１記載のオフセット反射屈折システム。
【請求項１１】
前記凸状ミラー及びレンズ系は共にMTFを有し、該MTFは前記画像センサのナイキスト周波数以下でゼロには達しないようにした請求項１記載のオフセット反射屈折システム。
【請求項１２】
前記画像センサに結合された画像プロセッサを更に有し、該画像プロセッサは前記画像センサで捕捉された画像に画像処理を施すようにした請求項１記載のオフセット反射屈折システム。
【請求項１３】
前記画像プロセッサは、フィールド依存性ゲインを適用し、前記オブジェクトフィールドの不均一な照度を修正するようにした請求項１２記載のオフセット反射屈折システム。
【請求項１４】
前記画像プロセッサは、フィールド依存性フィルタを適用し、前記凸状ミラー及びレンズ系によっては補償されない収差を修正するようにした請求項１２記載のオフセット反射屈折システム。
【請求項１５】
前記フィールド依存性フィルタが、ウィーナーフィルタである請求項１４記載のオフセット反射屈折システム。
【請求項１６】
8.5”×11”及び／又はA4の文書を撮像する文書撮像装置であって、
前記オブジェクトフィールド及び撮像フィールド間の歪を実質的に修正し、前記オブジェクトフィールドとは反対側に設けられ、光軸を規定し、且つ該光軸に沿って5”以下だけ前記オブジェクトフィールドから隔てられている凸状矯正ミラーと、
レンズ系と、
画像センサと、
を、前記文書の前記オブジェクトフィールドから対応する撮像フィールドに至る光学経路に沿った順序で有し、前記ミラー及び前記レンズ系は、前記オブジェクトフィールドにわたって少なくとも300dpiの解像度で前記画像センサにおける前記オブジェクトフィールドを共に撮像するよう機能し、前記画像センサ及び前記オブジェクトフィールドは前記光軸上の反対側に設けられるようにした文書撮像装置。
【請求項１７】
当該文書撮像装置は、少なくとも60度の半分の視野を有し、前記センサ内の個々の画素の視野は0.03度未満であるようにした請求項１６記載の文書撮像装置。
【請求項１８】
当該文書撮像装置は、前記オブジェクトフィールドにわたって、１色当たり少なくとも300dpiの解像度を有するカラー文書撮像装置である請求項１６記載の文書撮像装置。
【請求項１９】
前記ミラー及び前記レンズ系の間に設けられた開口絞りを更に有し、該開口絞り及び前記レンズ系の間に他のレンズ要素は設けられていないようにした請求項１６記載の文書撮像装置。
【請求項２０】
前記レンズ系は、第１の負レンズ群、第２の正レンズ群及び第３の負レンズ群を前記光学経路に沿った順序で有し、前記開口絞り及び前記第３の負レンズ群の間に他のレンズ要素は設けられていないようにした請求項１９記載の文書撮像装置。
【請求項２１】
前記レンズ系が、フィールド湾曲を修正する第４のレンズ群を更に有し、該第４のレンズ群は前記第３のレンズ群及び前記画像センサの間に設けられるようにした請求項２０記載の文書撮像装置。
【請求項２２】
前記レンズ系は、第１の負レンズ要素、第２の正レンズ要素、第３の正レンズ要素及び第４の負レンズ要素を前記光学経路に沿った順序で有し、前記開口絞り及び前記第４の負レンズ要素の間に他のレンズ要素は設けられていないようにした請求項１９記載の文書撮像装置。
【請求項２３】
前記レンズ系が、フィールド湾曲を修正する第５のレンズ要素を更に有し、該第５のレンズ要素は前記第４の負レンズ要素及び前記画像センサの間に設けられるようにした請求項２２記載の文書撮像装置。
【請求項２４】
前記ミラー及びレンズ系は共にMTFを有し、該MTFは前記画像センサのナイキスト周波数以下でゼロには達しないようにした請求項１９記載の文書撮像装置。
【請求項２５】
前記画像センサに結合された画像プロセッサを更に有し、該画像プロセッサは前記画像センサで捕捉された画像に画像処理を施すようにした請求項１６記載の文書撮像装置。
【請求項２６】
前記画像プロセッサは、フィールド依存性フィルタを適用し、前記ミラー及びレンズ系によっては補償されない収差を修正するようにした請求項２５記載の文書撮像装置。
【請求項２７】
前記ミラーは前記光軸に関して約180度の範囲にわたり、前記ミラーは前記光軸で前記オブジェクトフィールドと同じ側に設けられる請求項１６記載の文書撮像装置。
【請求項２８】
前記レンズ系がズームレンズ系である請求項１６記載の文書撮像装置。
【請求項２９】
前記レンズ系は、F/2.8である又はより高速である請求項１６記載の文書撮像装置。
【請求項３０】
前記ミラー、レンズ系及び画像センサを含む筐体を更に有し、該筐体は携帯できる程度に小さい請求項１６記載の文書撮像装置。
【請求項３１】
前記文書を前記オブジェクトフィールドに位置決めする文書ホルダを更に有する請求項１６記載の文書撮像装置。
【請求項３２】
前記文書が、前記文書ホルダに置かれた際に自動的に撮像されるようにした請求項３１記載の文書撮像装置。
【請求項３３】
前記オブジェクトフィールドを照らす光を前記ミラーに向ける光源を更に有する請求項１６記載の文書撮像装置。
【請求項３４】
コンピュータ装置と通信する通信ポートを更に有する請求項１６記載の文書撮像装置。
【請求項３５】
オブジェクトフィールドに対向して設けられ、光軸を規定する凸状ミラーと、
レンズ系と、
画像センサと、
を、オブジェクトフィールドから対応する撮像フィールドに至る光学経路に沿った順序で有する撮像システムであって、前記レンズ系は、開口絞り、第１の負レンズ群、第２の正レンズ群及び第３の負レンズ群を前記光学経路に沿った順序で有し、前記開口絞り及び前記第３の負レンズ群の間には他のレンズ要素は設けられず、
前記ミラー及び前記レンズ系は協同して前記画像センサにおける前記オブジェクトフィールドを撮像するようにした撮像システム。
【請求項３６】
前記第１の負レンズ群は２枚のレンズ要素で構成され、前記第２の正のレンズ群は１枚のレンズ要素で構成され、前記第３の負レンズ群は１枚の負レンズ要素で構成されるようにした請求項３５記載の撮像システム。
【請求項３７】
４枚のレンズ要素の内少なくとも３つは回転対称な形状である請求項３６記載の撮像システム。
【請求項３８】
前記レンズ系は、フィールド湾曲を修正する第４のレンズ群を更に有し、該第４のレンズ群は前記第３のレンズ群及び前記画像センサの間に設けられているようにした請求項３６記載の撮像システム。
【請求項３９】
前記第４のレンズ群が１枚のレンズ要素で構成されるようにした請求項３８記載の撮像システム。
【請求項４０】
前記第４のレンズ群が２枚のレンズ要素で構成されるようにした請求項３８記載の撮像システム。
【請求項４１】
前記第１の負レンズ群は３枚のレンズ要素で構成され、前記第２の正のレンズ群は１枚の正レンズ要素で構成され、前記第３の負レンズ群は１枚の負レンズ要素で構成されるようにした請求項３５記載の撮像システム。
【請求項４２】
前記第１の負レンズ群中の３枚のレンズ要素の１つは非球面の形状を有し、前記第３の負レンズ群中の負レンズ要素は球面の形状を有するようにした請求項４１記載の撮像システム。
【請求項４３】
前記凸状ミラーが、前記オブジェクトフィールド及び前記画像フィールド間の歪を実質的に修正する該矯正ミラーである請求項３５記載の撮像システム。
【請求項４４】
前記矯正ミラーは、
【数３】
2009095018.tif 000007
で規定される回転対称形状を有し、半径d(x)で物点から離れてゆく光線は、半径ｘで前記ミラー及び画像面の双方に当たり、F(x)は前記ミラーの断面形状を表す、或いは
前記矯正ミラーは、
【数４】
2009095018.tif 000008
で規定される回転対称形状を有し、半径d(x)で物点から離れて行く光線は、半径t(x)で前記ミラーに当たり、半径ｘで画像面で反射され、ｆは、F(t)=f+h+f/xtとして幾何学的に与えられる焦点距離であり、ｈはオブジェクト面から前記画像面に至る前記光軸に沿った距離であるようにした請求項４３記載の撮像システム。  
【請求項４５】
前記オブジェクトフィールドが平坦なオブジェクトフィールドであり、前記光軸は前記オブジェクトフィールドに垂直であり、前記凸状ミラーは前記光軸に一致する回転軸に関して回転対称である請求項３５記載の撮像システム。
【請求項４６】
前記レンズ系はズームレンズ系である請求項３５記載の撮像システム。
【請求項４７】
前記凸状ミラー及びレンズ系は共にMTFを有し、該MTFは前記画像センサのナイキスト周波数以下でゼロには達しないようにした請求項３５記載の撮像システム。
【請求項４８】
前記画像センサに結合された画像プロセッサを更に有し、該画像プロセッサは前記画像センサで捕捉された画像に画像処理を施すようにした請求項３５記載の撮像システム。
【請求項４９】
オブジェクトフィールドに対向して設けられ、光軸を規定する凸状ミラーと、
レンズ系と、
画像センサと、
を、オブジェクトフィールドから対応する撮像フィールドに至る光学経路に沿った順序で有する撮像システムであって、前記レンズ系は、開口絞り、第１の負レンズ要素、第２の正レンズ要素、第３の正レンズ要素及び第４の負レンズ要素を前記光学経路に沿った順序で有し、前記開口絞り及び前記第４の負レンズ要素の間には他のレンズ要素は設けられず、
前記ミラー及び前記レンズ系は協同して前記画像センサにおける前記オブジェクトフィールドを撮像するようにした撮像システム。
【請求項５０】
前記レンズ要素の内少なくとも３つは回転対称な形状である請求項４９記載の撮像システム。
【請求項５１】
前記レンズ系は、フィールド湾曲を修正する第５のレンズ要素を更に有し、該第５のレンズ要素は前記第４のレンズ要素及び前記画像センサの間に設けられているようにした請求項４９記載の撮像システム。
【請求項５２】
前記凸状ミラーが、前記オブジェクトフィールド及び前記画像フィールド間の歪を実質的に修正する該矯正ミラーである請求項４９記載の撮像システム。
【請求項５３】
前記矯正ミラーは、
【数５】
2009095018.tif 000009
で規定される回転対称形状を有し、半径d(x)で物点から離れてゆく光線は、半径ｘで前記ミラー及び画像面の双方に当たり、F(x)は前記ミラーの断面形状を表す、或いは
前記矯正ミラーは、
【数６】
2009095018.tif 000010
で規定される回転対称形状を有し、半径d(x)で物点から離れて行く光線は、半径t(x)で前記ミラーに当たり、半径ｘで画像面で反射され、ｆは、F(t)=f+h+f/xtとして幾何学的に与えられる焦点距離であり、ｈはオブジェクト面から前記画像面に至る前記光軸に沿った距離であるようにした請求項５２記載の撮像システム。
【請求項５４】
前記オブジェクトフィールドが平坦なオブジェクトフィールドであり、前記光軸は前記オブジェクトフィールドに垂直であり、前記凸状ミラーは前記光軸に一致する回転軸に関して回転対称である請求項４９記載の撮像システム。
【請求項５５】
前記レンズ系はズームレンズ系である請求項４９記載の撮像システム。
【請求項５６】
前記凸状ミラー及びレンズ系は共にMTFを有し、該MTFは前記画像センサのナイキスト周波数以下でゼロには達しないようにした請求項４９記載の撮像システム。
【請求項５７】
前記画像センサに結合された画像プロセッサを更に有し、該画像プロセッサは前記画像センサで捕捉された画像に画像処理を施すようにした請求項４９記載の撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に文書を画像処理するオフセットシステムを含む反射屈折撮像システム(catadioptric  imaging  system)に関連する。
【背景技術】
【０００２】
書類の高解像度の撮像を行う際、現在のデスクトップ文書撮像システムは一般に或る形式の機械的走査を実行し、大きなワーキング焦点距離(working  focal  distance)を利用し、及び／又は軸上で動作する(即ち、文書は中心に置かれ且つ画像処理システムの光軸に垂直に置かれる。)。現在のデスクトップ文書撮像装置は概して２つのカテゴリに大別できる：伝統的な文書スキャナと、「縦型(tall)」文書撮像装置である。
【０００３】
図１は伝統的な文書スキャナの一例を示す。文書は走査面に置かれ、走査手段がその文書にわたって機械的に走査を行う。この装置は機械的な走査を当てにし、１次元画像捕捉装置を用いて２次元画像を形成する。機械的な平台型の文書スキャナにはいくつかの欠点がある。第１に、走査プロセスが遅く騒々しい。第２に、文書スキャナは嵩張り、携帯性に乏しく、デスクトップアクセサリとしての魅力に欠ける。第３に、その装置は機械的な走査プロセスに起因して多くの電力を消費する。
【０００４】
図２は「縦型の」文書撮像装置の一例を示す。これらのシステムの場合、書類から十分に離れて位置する２次元画像捕捉装置を用いて、文書画像が捕捉される。そのようなシステムは文書からのワーキング距離が非常に長いことを要し、カメラの光軸は文書に対して垂直であり且つ中心にある。そのような縦型の画像処理システムの作動する高さを短縮するには一般に広角画像処理システムを必要とし、広い視野角で深刻な樽形歪(barrel  distortion)(即ち、文書の外側の輪郭に沿う歪)を招いてしまう。
【０００５】
ホワイトボード捕捉画像処理システムのような或る撮像システムは、ある光学的なサブシステムを有し、そのサブシステムは文書面に垂直ではなく、システムの高さを低くする。しかしながらこれらの撮像システムは、光画像に望まれない根本的な歪(keystoning)をもたらす。この根本的な歪は、文書に様々な分解能を導入するので、多くの書類画像処理アプリケーションにとって許容できない有害なものである。画像短縮は、文書スキャン分解能をかなり減らしてしまう。
【０００６】
図３は歪の有害な影響を示す。図３ａは、文書のかなり歪んだ画像に重ねられた２次元センサアレイ(グリッド)を示し、この歪は従来の広角レンズ系で生成されるようなものである。センサは画像の中央で目的の解像度を達成するかもしれないが、周辺での画像の解像度は幾何学的な歪に起因して顕著に劣化している。図３ｂは、根本的な歪と共に文書画像に重ねられた２次元センサアレイ(グリッド)を示す。この場合、文書は文書の或る辺では目的の解像度を達成できるが、反対の辺では、その画像短縮が解像度を劇的に減らしている。
【０００７】
従ってこれらの欠点の全部又は一部を克服する文書画像処理システムが必要とされている。そのようなシステムは好ましくは機械的な走査を回避し、比較的短いワーキング距離を有し且つ全体的に小さなサイズである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、機械的な走査を回避し、比較的短いワーキング距離を有し且つ全体的に小さな文書画像処理システムをもたらすことである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は反射屈折撮像装置を提供することで従来の制約を克服し、その装置は凸状矯正ミラー、レンズ系及び後続の画像処理部を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
あるアプリケーションでは、オフセット反射屈折撮像システムは、300dpiの解像度又はそれ以上で8.5”(インチ)×11”(インチ)のオブジェクトフィールド(物体面)を好ましくはカラーで撮像するように設計される。本システムは、オブジェクトフィールドから対応する画像フィールドに至る光学経路に沿う順序で、凸状ミラー、レンズ系及び画像センサを含む。凸状ミラー及びレンズ系は協同して画像センサ上のオブジェクトフィールドを撮像する。凸状ミラーは光軸を決める。レンズ系はオフセットであり、画像センサ及びオブジェクトフィールドは光軸の反対側にそのオフセットで位置している。画像プロセッサは、画像センサで捕捉された画像の追加的な修正を行う。システム全体は好ましくは小型で携帯可能であり、例えば5”(インチ)より低い高さを有する。
【００１１】
ある変形例では、凸状ミラー及びレンズ系の間に開口絞りが設けられる。他の変形例では、レンズ系は、例えば様々なレンズ要素を互いに動かすことによるズーム機能を有する。更に他の変形例では、本システムは光源も含み、その光源は反対向きに光を方向付け、オブジェクトフィールドを照らす。
【００１２】
本発明の他の形態では、凸状ミラー及びレンズ系は共にそれらが或るMTFを有するように設計され、そのMTFは、画像センサの少なくともナイキスト周波数に至る(ゼロ以上のまま至る)。画像処理の一例は、ウィーナーフィルタ又は他のタイプのフィールド依存性線形フィルタを利用し、凸状ミラー及びレンズ系で補償されない逸脱を修正することである。画像処理は、オブジェクトフィールドにわたる不均一な照明を修正することにも使用可能である。
【００１３】
他の形態では、反射屈折撮像システムは、オブジェクトフィールドから対応する撮像フィールドに至る光学経路に沿って、凸状ミラー、レンズ系及び画像センサを含む。凸状ミラー(例えば、矯正ミラー)及びレンズ系は協同して、画像センサにおけるオブジェクトフィールドを撮像する。レンズ系は第１の負レンズ群、第２の正レンズ群及び第３の負レンズ群を含む。或いは、レンズ系は第１の負レンズ群、第２の正レンズ群、第３の正レンズ群及び第４のフレンズ群を含む。設計例は、第４の、第５の及び第６の設計要素を含み、それらは上記の文書撮像アプリケーションの条件に合うものである。これらの要素は回転対称であってもなくてもよく、非球面であってもなくてもよい。画像処理は上述したようにコントラストを増やすように使用されてもよい。
【００１４】
本発明の他の形態は、上記に関するシステム及びアプリケーション、並びに上記の総てに関する方法を含む。
【００１５】
本発明は他の利点及び特徴も有し、それらは添付図面及び以下の発明の詳細な説明から更に明確になるであろう。
【００１６】
図面は説明目的だけの観点から本発明の実施例を示す。本願で示される構造及び方法の代替例は、本願で説明される発明の原理から逸脱せずに使用されてよいことを、当業者は以下の説明から理解するであろう。
【実施例１】
【００１７】
図４は、本発明によるオフセット文書撮像システム400の斜視図を示す。この特定の撮像装置400は、一度のスパンショットで8.5”×11”の文書450の300dpiフルカラー画像を、機械的走査をせずに捕捉できる。文書450は小さな形状因子の文書撮像システム400と並んで置かれ、この点、従来の図１及び２に示されている配置と異なる。
【００１８】
図５は、図４の撮像システム400の断面図を示し、システムの光学的作用を示している。撮像システム400は凸状ミラー410、レンズ系420及び画像センサ430を含む。凸状ミラー410及びレンズ系420は協同して、画像センサ430における文書450を撮像する。画像プロセッサ440は、画像センサ430で捕捉された画像を更に処理する。例えば、フィールド依存性空間フィルタが、画像を鮮明にするために使用可能である。画像センサ430及び／又は画像プロセッサ440は、例えばUSBや無線接続のように(不図示の)通信ポートを介して他の通信装置と更に通信できる。
【００１９】
この設計の場合、凸状ミラー410は光軸480に関して回転対称である。オブジェクトフィールド450は光軸の中心上にはないという意味で、システム400はオフセットシステムであり、図１の一般的な縦型文書撮像装置の場合とは異なる。図５の設計例の場合、オブジェクトフィールド450は、完全に光軸480の一方側にあり、画像センサ430は完全に光軸の他方側にある。
【００２０】
ミラー410は矯正ミラーであり、屈折のみの広角光学系に一般的な歪を実質的に防ぐ。図６はその効果を示す。図６ａは、標準的な広角反射屈折撮像システムで使用される反射像を示す。この像は相当な幾何学的歪を含んでいる。図６ｂは、矯正ミラーからにより矯正された像を示す。歪は顕著に減っている。
【００２１】
ピンホールカメラ用の完全に矯正するミラーは、米国特許第6,412,961号に示される方法を使って設計することができ、その米国特許は本願のリファレンスに組み入れられる。その方法では、回転対称なミラー410は或る面形状F(x)−figure−を有し、それは次式を満たす：
【数１】
2009095018.tif 000003
ここで、半径d(x)で物点から離れてゆく光線は、半径ｘでミラー及び画像面の双方に当たるものとする(ピンホールカメラの場合、物点から画像面へ唯1つの光線が伝搬することに留意を要する。)。図７ａを参照されたい。d(x)が線形関数の場合、即ちd(x)=ax  の場合(aは定数)、システムに歪はない。
【００２２】
代替法の場合、回転対称ミラー410は次式を満たす面形状F(t)を有する：
【数２】
2009095018.tif 000004
ここで、半径d(x)で物点から離れて行く光線は、半径t(x)でミラーに当たり、半径ｘで画像面に反射される（再び、ピンホールカメラが想定されている。）。ｆは焦点距離であり、F(t)=f+h+f/xtとして幾何学的に与えられ、ここでｈはオブジェクト面450から撮像面430に至る光軸に沿った距離である。これらについては図７ｂを参照されたい。
【００２３】
数式(1)及び(2)で規定されるミラーは、オブジェクト空間450で等しく離れた領域を、ピンホールカメラの撮像面430上の等しく離れた領域に対応付ける。しかしながらこれは厳密にはピンホールカメラに関してのみ正しく、ピンホールカメラの場合、唯１つの光線が各物点から対応する画像点に伝搬する。実際のシステムでは、開口を開けることで、像を不鮮明にする歪(逸脱)を招いてしまう。レンズ系420及び画像プロセッサ440はその不鮮明さを減らすために使用される。その結果、数式(1)又は(2)で規定される形状を厳密に備えているミラーを必ずしも必要としない(及び不利になるかもしれない。)。
【００２４】
図８−１５は、図４−５の文書撮像システムで使用可能な様々なレンズ系420を示す。これらの例では、システムは180度の回転対称なミラー410を使用し、ミラーは画像フィールドを矯正するよう機能する。ミラーは上記の数式(1)及び(2)で説明されているようものと機能的に似ている。しかしながら、ミラーはレンズ系420及び画像プロセッサ440に関連して説明され、所望の最終的な画像品質を達成する。その結果、ミラー410は、閉じた形式の数式(1)又は(2)で与えられる厳密な面形状を備えていない。
【００２５】
レンズ系420は概して３つのレンズ群を含む。ミラー410からセンサ420に至る順に、負レンズ群510、正レンズ群520及び別の負レンズ群530があるが、各レンズ群中のレンズ要素数及びレンズ要素の具体的な設計は、設計例毎に異なってよい。「レンズ要素(lens  element)なる用語は、１枚のレンズを意味し、例えば空気で隔てられた２枚のレンズ（これはレンズ群として言及される）や、一緒に固定された２枚のレンズ(例えば二重レンズ)等を除く。開口絞り415は、ミラー410及びレンズ系420の間に設けられている。
【００２６】
この例における画像処理440は２つのステップを含む。第１ステップは、不均一な照度をその視野にわたって補正する。広角システムは、或る照度劣化量の影響を受けている。目下の設計例に対する相対的な照度曲線は、図８に示されている。8.5”×11”の書類の遠い方の隅で約75パーセント照度が落ちる。画像処理サブシステム440は、これを補正するために単なる利得因子を適用する。第２ステップでは、画像処理サブシステム440は、フィールド依存性の線形な鮮鋭化フィルタを利用してコントラストを復元し、そのフィルタは反射屈折光学系の点広がり関数(point  spread  function)に特に適合している。
【００２７】
この設計例(デザイン)は、Micronにより製造されている1/6インチ8メガピクセルCMOS撮像センサ430に基づいている。このデザインは同じクラスの別の撮像センサ(例えば、シャープ、コダック等により製造される製品)に寸法を適合させてもよい。基準センサ(リファレンスセンサ)430は1.75ミクロンの画素(ピクセル)を使用する。従って撮像システム全体は、280  lp/mmのナイキストレートの解像度を達成しなければならない。そのような解像度の要求は法外である。例えば、目的の300dpi解像度が回折限界の範囲内であることを保証するために、光学系はF/2.8又は更に高速でなければならない。より大きな画素を伴う大きな画像センサ430は、解像度の要求を緩和させるために使用可能である。しかしながら、システム全体の高さが一定に保たれる場合、主光線角度(chief  ray  angle)の増加に起因して、照度は相当大きく落ち込むようになる。
【００２８】
この特定の設計例の場合、ミラー410及びセンサ430は光軸に沿って好ましくは5”だけ或いはそれより少なく離され、装置全体が小さな形状因子になるようにする。図４の例の場合、装置全体のハウジング(筐体)は全高4.5”として示されている(図５)。小さな形状因子は、装置を簡易に持ち運べるようにする。この高さで及び8.5”×11”のオブジェクトフィールドにわたる300dpiの解像度で、システム全体の視野の半分は約60度(より短縮したシステムの場合はそれ以上の角度)になり、センサの個々の画素の視野は約0.02−0.03度になる。
【００２９】
図９ａは、本発明による第１のレンズ系420の断面図を示す。このレンズ系420は３つのレンズ群510，520及び530を含み、全部で５つのレンズ要素を含む。第１レンズ群510は、最初の３つのレンズ要素を含む正レンズ群である。第２レンズ群520は１枚の負レンズであり、第３レンズ群530は非球面の正レンズ要素であり、主光線の角度を最小化するよう機能する。オブジェクト540は、センサ430に対するIRフィルタ／カバーガラスである。この例は、回転対称レンズ要素だけを使用している。第３及び第５の要素は非球面である。光学特性は図９ｂに与えられている。
【００３０】
このデザインは、文書の高さの変動に対処するように焦点距離を変えることができる。例えば、文書が厚さ１cmの書類の束の最上面にあった場合、レンズ系は第４及び第５のレンズ要素520，530双方を動かし、文書から離れるようにズームし、頁全体に亘って300dpiのスキャンを保証できる。
【００３１】
これらの様々な設計条件を達成するため、ディジタル画像処理サブシステム440は、光学システムの至らないところを補正する。不均一な照度を補正するために適用されるフィールド依存性ゲインに加えて、画像センサ430により捕捉された画像にディジタルフィルタが適用され、コントラストを戻す。この場合、9×9ディジタル空間フィルタが使用される。図９ｃは、赤、緑及び青の光軸に近い画像に使用される鮮鋭化フィルタのフィルタ係数を列挙している。
【００３２】
図１０は、0.0656μmの赤色波長に関する光学サブシステムのMTFを示す。設計要求を満たすには設計空間の自由度数が不足していることに起因して、解像度の劣化(ロス)が生じることをMTF曲線は示している。しかしながらこれらの収差は、ディジタル処理により正反対のロスが生じるようにして調整される。図１１ａは、いくつかのフィールドロケーションについての、ディジタル処理前の光学サブシステムのMTFを示す。曲線1100，1110及び1120は(0,0)，(1.60,0)及び(2.27,0)のフィールドロケーション(y,x)にそれぞれ対応する。２つの曲線1110及び1120はMTFの平行及び垂直成分に対応する。波長は0.656μmの赤色波長である。ナイキスト周波数は270  lp/mmであり、回折限界は583  lp/mmである。図１１ｂは、透過なF/2.8回折限界MTFに対してシステムを復元するのに必要な対応するディジタルフィルタスペクトル応答を示す。このようなウィーナーフィルタは画像フィールドにわたって平均的に2.5倍程度(2.5X)ノイズを増幅する。図１１ｂのフィルタ1105，1110及び1125は図１１ａのMTF1100，1110及び1120にそれぞれ対応する。書類が平らでない場合に備えて、更なる画像処理が使用されてもよく、平らでないことは焦点ずれエラーとしてモデル化できる。図１２ａ及び１２ｂは、３つの異なる色についてフィールド湾曲及び歪の曲線を示すグラフである。曲線にはR,G,Bのようにラベルが付けられ、0.656μm、0.588μm及び0.468μmの波長にそれぞれ対応する。
【００３３】
図１３−１５はレンズ系420の代替的な設計例を示す。これらの図面各々に関し、(a)の図はレンズ系の断面図であり、(b)の図は光学特性を示し、(c)及び(d)の図はフィールド湾曲及び歪曲線をそれぞれ示す。どの設計例も概して同様なMTFを有し、画像処理前のMTFは一般に回折限界を十分に下回っているが、ゼロにはならずにナイキストレートに伸びている。その結果、この画像処理は捕捉画像のコントラストを改善することに使用可能である。
【００３４】
３つの設計例は総て３つのレンズ群を使用している：負のもの510、正のもの520及び負のもの530である。図１３は４要素設計例を示し、この設計例は第１の負レンズ群510で２枚のレンズ要素を有する。この設計例での第１の要素は回転対称ではなく、この余分な設計自由度が、フィールド湾曲を補償するのに使用される。図１４は５要素設計例を示し、負−正−負の基本的設計を実現する４要素の後に、フィールド湾曲を主に補正するために使用される１つの要素1440が続くものとして分類できる。図１５は６要素設計例を示し、最後の２つの要素は、フィールド湾曲を補正するのに使用される。
【００３５】
以上の詳細な説明は多くの具体的詳細を含むが、それらは本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきでなく、本発明の様々な具体例及び形態を示すに過ぎない。本発明の範囲は上記で詳細には説明されなかった他の実施例をも含むことが理解されるべきである。例えば、代替実施例の場合、大きくする及び／又は小さくするため及び／又は様々な形状(例えば、8.5”×11”の代わりにA4サイズの形状)に対処するため、システム全体のサイズが調整可能である。一例では、例えば文書オブジェクト又はバーコード印刷を追跡する目的に備えて、より大きな形式のものが平坦面を撮像するのに使用可能である。他の例として、代替例は幾何学的配置をずらすこと(オフセットを付けること)又はミラー410の180度に限定されない。360度全体が撮像可能である。或いは、8.5”×11”のオブジェクト領域の２つが同時に撮像されてもよい。修正例、変更例及び変形例の他の様々なものは、当業者に明らかであり、添付の特許請求の範囲に規定されているような本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、ここで開示された本発明の方法及び装置の配置、動作及び／又は詳細について適用されてもよい。従って本発明の範囲は添付の特許請求の範囲及びその法的均等物により規定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来の文書スキャナを示す図(従来)である。
【図２】縦型文書撮像装置を示す図(従来)である。
【図３】解像度に関する歪の影響を示す図である。
【図４】本発明によるオフセット文書撮像システムの斜視図を示す。
【図５】システムの光学的作用を説明するための図４の撮像システムの断面図を示す。
【図６ａ】標準的な広角反射屈折撮像システムからの反射像を示す図である。
【図６ｂ】矯正ミラーからの反射像を示す図である。
【図７ａ】完全に矯正するミラーを特定するのに使用される変数を示す図である。
【図７ｂ】完全に矯正するミラーを特定するのに使用される変数を示す図である。
【図８】或るシステム例に関する照度減衰(照度ロールオフ)を示す図である。
【図９ａ】本発明による５つのレンズ要素系の断面図を示す。
【図９ｂ】図９ａのレンズ系に対する光学特性の一覧表を示す図である。
【図９ｃ】図９ａのレンズ系と共に使用される画像処理フィルタの一覧表を示す図である。
【図１０】赤色波長の反射屈折光学系のMTFを示すグラフである。
【図１１ａ】反射屈折光学系のMTFを示すグラフである。
【図１１ｂ】回折限界作用に対するシステム全体を復元するのに必要な対応するウィーナーフィルタ応答を示すグラフである。
【図１２ａ】反射屈折光学系に対する３つの異なる色についてフィールド湾曲を示すグラフである。
【図１２ｂ】反射屈折光学系に対する３つの異なる色についての歪を示すグラフである。
【図１３ａ】本発明による４レンズ要素系の断面図を示す。
【図１３ｂ】本発明による４レンズ要素系の光学特性を示す図である。
【図１３ｃ】本発明による４レンズ要素系のフィールド湾曲を示す図である。
【図１３ｄ】本発明による４レンズ要素系の歪曲線を示す図である。
【図１４ａ】本発明による５レンズ要素系の断面図を示す。
【図１４ｂ】本発明による５レンズ要素系の光学特性を示す図である。
【図１４ｃ】本発明による５レンズ要素系のフィールド湾曲を示す図である。
【図１４ｄ】本発明による５レンズ要素系の歪曲線を示す図である。
【図１５ａ】本発明による６レンズ要素系の断面図を示す。
【図１５ｂ】本発明による６レンズ要素系の光学特性を示す図である。
【図１５ｃ】本発明による６レンズ要素系のフィールド湾曲を示す図である。
【図１５ｄ】本発明による６レンズ要素系の歪曲線を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
４００  撮像システム
４１０  凸状ミラー
４１５  開口絞り
４２０  レンズ系
４３０  画像センサ
４４０  画像プロセッサ
４５０  文書
５８０  光軸
５１０，５２０，５３０  レンズ群
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図１０】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１３ｃ】
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【図１３ｄ】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１４ｃ】
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【図１４ｄ】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１５ｃ】
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【図１５ｄ】
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