包括会聚部分的成像导管的光纤面板及其平铺式成像阵列

摘要

包括会聚部分的成像导管的光纤面板及其平铺式成像阵列。成像模块，包括光纤面板，该光纤面板具有图像输入面、平坦的图像输出面、和多个相邻熔接的内反射成像导管，这些导管在图像输入和图像输出面之间延伸。该部分成像导管沿导管轴线延伸，该轴线在一方向上彼此会聚，从而使得通过图像输入面入射的图像沿着至少一个方向的尺寸被减小。成像模块还包括成像探测器阵列，该阵列包括多个感光探测器元件，这些元件根据预定阵列格式排布。该面板被置于探测器阵列前方，从而使得入射到图像输入面的光穿过面板传输，且通过图像输出面与探测器元件光学相连。多个成像模块可以以紧密的方式平铺，以便形成较大规格的成像阵列。

说明书

临时优先权

本发明要求的优先权是基于临时申请号为60/919,168，申请日为2007 年3月21日，发明名称为“包括会聚部分的成像导管的光纤面板以及结 合有该面板的平铺式成像阵列”的申请。该临时申请所公开的全部内容， 包括附图，在本申请中通过引用进行结合。

背景技术

通过由可弯曲的或相邻熔接的光纤组成的光纤束传输光和图像是公 知的技术。图像导管，例如变换器、锥形器和“直通”，是光纤领域技术 人员所公知的。熔融光纤成像导管找到了广泛的应用，作为某些设备中 的组件，该设备的非限制性示例包括如夜视护目镜、步枪范围、X-射线 探测器和医用成像设备。

不同的现有的成像设备包含了耦合有图像探测器阵列，例如电荷耦 合器件(CCD)和互补型金属氧化物半导体(CMOS)电路的光纤组件。 每个这些设备的基础是光纤组件与图像探测器阵列之间的光学耦合，从 而引入光纤组件的第一末端中的图像通过由图像探测器阵列对准的光纤 组件传输。与图像探测器阵列电流耦合的熔融光纤组件包括，或缩小或 放大输入图像的锥形光纤束(锥形体)，缩小或放大取决于被认为输入末 端是缩小还是放大的末端；拉长的“直通”光纤束既不缩小也不放大图像； 以及既不缩小也不放大输入图像的光纤面板。

两个或更多的传统的光纤面板(下文中被称作“面板”)可被彼此邻 接(abutted)以便形成较大格式的平铺式成像阵列，每个面板都与对应 的探测器阵列耦合。然而，由于每个面板的尺寸或“足迹”都必须与其对 应的探测器阵列的足迹匹配以便避免在输入图像中出现缝隙，由于需要 来回对对应于每个面板的图像探测器阵列进行电缆路由选择(例如，接 合线)，平铺多重传统的面板的能力被限制了。例如，尽管通过对探测器 阵列进行取向使得它们的电缆被引出至平铺式阵列的周边而使得2×N阵 列的平铺式面板/探测器阵列对是可行的，但是3×3以及更大的阵列是笨 重的，因为存在与电缆路由至内部(非周边)探测器阵列相关的困难。

为了克服这种与平铺式面板相关以及与它们相关的探测器阵列困 难，以便形成大格式的成像阵列，传统的方形或矩形截面的缩小锥体可 被用于代替传统的面板。然而，如本领域所知的，传统的锥体的横截面 积变化是以长度的函数渐变的。因此，横截面积的减少需要具有较大的 彼此邻接的图像输入末端，而较小的图像输出末端充分间隔开，以便调 节电缆，表示锥体应当比图像输入和图像输出末端之间的面板厚得足够 多。采用相对厚的锥体代替面板，在减缓电缆路由的难度的同时，引入 了另一系列的难度，包括增加了成本和重量和较长光传输长度相关的图 像质量的退化以及锥体制造过程所伴随的缺陷。

因此，存在对成像模块的需求，该模块包括光学组件，该组件具有 传统的缩减器的图像缩小特性以及传统光纤面板的相对薄的剖面。

发明内容

在一示例性的实施例中，平铺式成像阵列包括平台，其上安装有成 像模块的N×M阵列，上述模块彼此邻接，以便形成“大格式”的成像阵列， 该阵列具有尽可能地接触且无缝的图像输入表面。每个成像模块在整个 阵列中构成“平铺”的形式，且包括图像探测器阵列例如微辐射热计、电 荷耦合器件(CCD)或互补型金属氧化物半导体(CMOS)电路，这些 都是作为非限定性的示例。如相关技术领域所熟知的，典型的图像探测 器是包括大量不连续的探测器元件的集成电路，这些元件(i)根据预定 的阵列格式排布且(ii)在预定波段中对电磁能高度响应。探测器元件的 电输出与复杂的信号处理电路以通信方式链接，该信号处理电路对探测 器元件的电输出进行采样、数字化并将它们存储于计算机存储器中，上 述探测器元件的电输出中的每一个都代表探测到的图像中的一个像素。 然后表示存储的图像的数据可被传输至另一设备例如打印机或视频显示 器。

置于每个图像探测器前方的是光纤面板，该光纤面板包括内反射成 像导管，用于将待成像的场景发出的光传输至探测器阵列的探测器元件 上。典型实施例的每个光纤面板都包括平坦的图像输入面和与该图像输 入面相对且平行的平坦的图像输出面。在图像输入和图像输出面之间延 伸的是多个相邻熔接的、内反射成像导管，用于将输入到图像输入面上 的光传输到并穿过该图像输出面。成像导管在该面板内被取向为使得它 们可以沿导管轴线延伸，该轴线穿过图像输入和图像输出面，且在从图 像输入面到图像输出面的方向上向着(i)一中心点和(ii)一中心轴中的 一个彼此会聚，该中心点或中心轴的空间位置位于与面板相关的探测器 阵列的后方。容易理解，以所述的方式彼此会聚的导管轴线意味着通过 图像输入面输入的图像在穿过面板传输后沿着至少一个方向(例如，水 平或垂直方向)上尺寸减小。经由更具体的、非限制性的实例，图像缩 小光纤面板被构造为使得导管轴线向着中心点会聚，在图像的水平和垂 直方向缩小了输入图像。可区别地，将图像缩小光纤面板构造为，使得 导管轴线向着中心轴会聚，仅仅沿着图像的水平和垂直方向中的一个方 向缩小输入图像。如同通过对详细描述和相关附图的审查所更全面了解 的，其它特征之一是，将包括会聚的成像导管的光纤面板合并入平铺式 阵列促进了相邻面板的紧密邻接和成像模块的N×M阵列中的成像探测 器阵列之间的电缆(例如，接合线)的路由选择。

制造结合有会聚性的光导成像导管部分的光纤面板的示例性的方法 利用了包括应用于制造传统光纤面板的技术。如相关技术领域所公知的， 传统的光纤面板包括多个互相相邻结合(例如，熔接)的光纤成像导管， 每个导管都包括光学芯，该芯具有第一折射率，由具有比第一折射率低 的第二折射率的包层材料包围。此外，在传统的光纤面板中，光学芯沿 着互相平行的轴线延伸。与传统面板的结构一致的是，本发明的不同的 实现方式包括提供或形成图像传输光纤束，包括多个相邻排布的光导成 像导管，该导管通常沿第一和第二束末端之间的纵轴延伸。每个成像导 管都包括光传输芯，该光传输芯具有成像芯折射率，该光传输芯由具有 低于成像芯折射率的成像包层折射率的包层材料包围，从而使得光通过 全内反射穿过成像导管传输，并且从而该多个成像导管结合形成图像传 导光纤束。在不同的形态中，每个芯和包层都包含玻璃。这种结构的形 式是在制造熔融光纤元件中所公知的，因此在发明内容中不再赘述。

熔融光纤束被垂直于它的纵轴进行切割，以便形成至少一个熔融光 纤面板，该光纤面板包括第一和第二平坦面，在两个面之间光导成像导 管以它们的光传输芯彼此平行排列的方式延伸。在不同的实施方式中， 面板的第一和第二面被打磨抛光，以便生成光滑的表面以及，如果需要， 生成具有均匀厚度或替换的轮廓(alternative profile)的面板。

按照具有会聚的成像导管的形式，传统制造的面板被放置成具有至 少一个第一和第二平坦表面与具有预定曲率的成型表面接触。典型地， 该面板被置于第一凹模部分和第二凸模部分之间。根据一个实施方式， 第一凹模部分和第二凸模部分中的每一个都包括球体片段表面。在替换 的实施方式中，每个模具部分都定义了一个圆柱片段。

一旦面板被相对于该至少一个成型表面适当地放置，该面板被加热 至足够高的温度，以使面板变软，并使与弯曲成型表面接触的第一和第 二面中的至少一个与其所接触的弯曲表面一致，从而使得(i)面板中的 光学芯的轴线由相互平行排列变为会聚排列和(ii)面板的第一和第二面 以预设方式弯曲，向着(a)一点和(b)一轴相互会聚。在一典型的成 型处理中，两者之间具有面板的第一和第二模具部分向着彼此被推动， 从而面板的第一和第二面中的一个与凹模部分一致，而第一和第二面中 的另一个与凸模部分一致。如果该模具部分定义了球形(即，特定状况 的类球体)片段(sections)，那么成像导管被取向为使得它们沿着轴线延 伸，该轴线相对于假想球的中心处的中心点成放射状排列。可替换地， 如果第一和第二模具部分定义圆柱形片段，那么模制面板中的成像导管 被取向为使得它们可以沿着轴线延伸，该轴线相对于假想圆柱形的中心 处的中心轴成放射状排列。

一旦该面板在模中弯曲，该面板被充分冷却(或仅仅被允许冷却) 以使其变硬。面板的第一侧是(i)凹陷和(ii)凸起中的一个，而第二侧 是(i)凹陷和(ii)凸起中的另一个。弯曲的面板被沿着两个平面切割， 以便形成光纤面板，该光纤面板包括平坦的图像输入面、在图像输入面 相反侧的图像输出面、和多个会聚的成像导管，该导管在平坦的图像输 入和图像输出面之间延伸。在一典型的方案中，沿其进行切割以形成相 对的图像输入和图像输出面的平面是平行的，但是具有相对于彼此被另 外取向的图像输入和图像输出面的面板也落入本发明的范围和预期中。 成像导管相对于平坦的图像输入和图像输出面的取向使得成像导管的光 输入末端和光输出末端分别与光纤面板的平坦的图像输入面和图像输出 面一致。

在典型的实施方式中，被形成为具有成像导管的面板适合用于平铺 式成像阵列，该面板中成像导管相对于假想球的中心点成放射状排列， 该阵列中结合有N×M个这种面板，其中N和M都大于1。即，“球形的” 面板很适合用于二维阵列。结合有二维阵列的装置的例子包括数码相机 和x-射线屏幕。或者，具有成像导管的“圆柱形的”面板可更适合用于结 合具有N×M个面板的成像阵列的一维(线性)成像设备，该成像导管向 着假想圆柱的中心处的中心轴会聚，其中N和M中的一个＝1。这种一 维设备的例子包括扫描仪和传真机，以及一些数码相机。在不同的设备 中，在该设备中两个或更多的圆柱面板被结合入一维成像阵列，该面板 被对准且彼此粘结，使得该多重面板的成像导管向着位于假想圆柱的中 心处的公共轴会聚。换句话说，与该多个面板相关的多个假想的圆柱的 中心轴被对准，从而沿着一个公共轴延伸。

在后面的详细描述和附图中将对典型的、非限制性的实施例和实施 方式进行更完整的记载和描述。

附图说明

图1所示为示例性的平铺式成像阵列(tiled imaging array)，该阵列 包括多个阵列成像模块，其中每个成像模块包括光纤面板，其中结合有 向着图像探测器阵列会聚的成像导管；

图2描述了例如图1的成像阵列的平铺式成像阵列的侧面或边缘视 图；

图3描述了具有会聚的成像导管的光纤面板的示例性制造方法的步 骤流程；

图4A示出了常规的光纤面板，该光纤面板包括多个光传输芯，该光 传输芯彼此平行排列地支撑于熔融光学包层材料矩阵中；

图4B示意性地描述了位于第一模具部分的凹面和第二模具部分的 凸面之间的图4A的面板；

图4C示出了图4A和4B的面板在第一和第二模具部分的凸起和凹 陷表面之间被加热和压缩后改进成的弯曲面板；

图4D示出了从第一和第二模具部分之间移出的图4C的弯曲面板， 同时也示出了切割平面，沿着该切割平面切割弯曲面板；和

图4E示出了沿图4D中所示的切割平面切割图4C和4D的弯曲面板 后得到的面板。

具体实施方式

后面的对(i)包括有会聚成像导管的光纤面板，(ii)包括成像模块 的平铺式成像阵列，该成像模块具有包括会聚成像导管的光纤面板，和 (iii)制造包括有会聚成像导管的光纤面板的方法的描述实质上是示范性 的，并非用于限制本发明或其应用。在发明内容和具体实施例中描述的 不同的实现过程、外形、变型和实施方式实际上是非限制性的实施例， 落入所附的权利要求的范围之内，并且不用于定义权利要求的最大范围。

根据图1，示例性的平铺式成像阵列100的结构中包括平台110，其 上安装有成像模块120的3×3阵列。如图1和图2的的透视图和侧视图 中所示出的，每个成像模块120都包括图像探测器阵列130和图像缩小 (reducing)光纤面板150。为了能够看到图像探测器阵列130，图1中所 示的光纤面板150的3×3阵列被拉离图像探测器阵列130的3×3阵列， 其中虚线箭头指的是在工作模式下每个光纤面板150都正好位于其对应 的图像探测器阵列130前方。或者采用将多种常规的探测器阵列130中 的任意一个进行一体化(incorporate)的方案，其中探测器阵列130被构 造为在预定的电磁波段检测波长。适合于实现本发明的实施例的典型的 探测器阵列130包括感光探测器元件135，其在实际执行范围内尺寸统一 且间隔均匀。如在发明内容中所提及的，可被结合入不同的替换实施例 中的探测器阵列130的三个示例性类型是(i)微辐射热计(ii)电荷耦合 装置(CCD)和(iii)互补型金属氧化物半导体(CMOS)电路。探测器 阵列130以通信方式链接至数据处理系统200上，该数据处理系统包括 中心处理器205、用于存储表示寄存图像(registered images)215的数据 的存储器210、和用于处理探测器阵列130的电输出和表示寄存图像215 的数据的信号处理算法220。

在图1和图2的示例性的变型中，每个成像模块120的面板150包 括平面图像输入面152和与图像输入面152相对且平行的平面图像输出 面154。每个成像模块120的面板150都位于探测器阵列130前方，从而 入射到图像输入面152上的光穿过面板150传输并通过图像输出面154 与探测器阵列130的探测器元件135光学相连。在图像输入和图像输出 面152和154之间的延伸包括多个相邻的熔融的、内反射成像导管160， 用于将入射到图像输入面152的光传输并穿过图像出射面154。如在图2 的放大的部分中所示，每个成像导管160包括具有成像芯折射率n₁的光 传输芯162，该光传输芯由具有比成像芯折射率n₁低的成像包层折射率 n₂的包层材料164包围，从而光利用全内反射经由成像导管160传输。 在一典型的实施例中，其中成像导管160是相邻熔融的，芯162被支撑 于熔融的包层材料164的矩阵中。

仍然根据图2的示例性的变型，位于面板150中的成像导管160被 取向成沿导管轴线A_C延伸，该轴线在位于图像探测器阵列130后方的空 间中的区域R处会聚，面板150与该图像探测器阵列光学相连。在图2 的示例性的实施例中，成像导管160被取向为使得导管轴线A_C向中心点 P_C处会聚，该点位于面板150的图像输出面154后方，与该图像输出面 间距距离D。在一替换的实施例中，导管轴A_C向中心轴A_CEN会聚。面 板中的导管轴A_C向中心轴A_CEN会聚的面板的实施例将在后面结合图4C 进行详述。尽管图2的示例性的平铺式成像阵列100显示了面板150的 导管轴线A_C会聚于点P_C，结合全文所公开的信息，相关领域的技术人员 应当理解，平铺式成像阵列100可以还包括或者可以替换地包括面板150， 其中导管轴线A_C以其它方式会聚(例如，向着中心轴A_CEN会聚)，并且， 从而，可以依靠图1和图2来支持对包括替换的会聚成像导管160的面 板150的实施例的说明。

根据图1和2，现在描述将不同的包括会聚性的成像导管160的面板 150结合入平铺式成像阵列100的一些优点。每个面板150都包括在图像 输入和图像输出面152和154之间延伸并由斜面(beveled)边缘158定 义的外围156。更特别地，斜面边缘158被取向为使得它们以对应于外围 成像导管160所间隔的角度的角度向着图像输出面154逐渐变尖。具有 “向后变尖”的外围156的多重面板150的图像输入面152彼此相接且保 持紧密的结构，以便定义平铺式成像阵列100的较大规格的图像输入表 面152S。逐渐变尖的外围156在图像输入表面152S处促进面板150之间 的轮廓的最小化，从而造成结构的连续性和，更重要地，输入图像连续 性的假象。除了促进相邻图像输入面152的紧密邻接以外，以图1和2 所示的方式彼此相接的面板150的斜面边缘158组合定义了图像输入表 面152S后方的空隙170(或V形通道)。空隙170促进了平铺式成像阵 列100的图像输入表面152S后方的电缆180(例如，接合线)的路由选 择，和通过允许热量从面板150之间逸出而在某种程度上促进了温度的 稳定性。

现在结合图3至图4E描述图像缩小光纤面板例如图1和图2的面板 150的示例性的制造方法。根据图3，一系列的步骤阐明了制造具有会聚 性的成像导管的光纤面板的制造方法。应当注意图中和下文中所示的一 系列的步骤仅仅是示例性的而不是表示执行这些步骤所必须的顺序。因 此，在没有清楚的与之相反的陈述或者除非由上下文指出的不可避免的 特定顺序(例如，某一实施例，其中不可能在执行另一步骤之前执行一 个特定步骤)的情况下，在图中没有体现出将本说明书或对应的权利要 求理解为本发明的范围应当限定为特定的步骤。此外，尽管与制造方法 的实施例相关的面板及其子元件的附图标记和惯用的与图1和2中的设 备结合使用的附图标记不同，但容易理解的是，示范方法中的产品400P 可被用作图1和2所示的面板150。

现在根据图3和图4A，图3中所给出的示范方法300包括步骤310， 用于提供光纤面板400，该光纤面板包括相对的第一和第二面410和412 以及多个相邻的粘结的光导成像导管420。图4A的示范性的面板400通 常位于第一和第二面410和412中，该第一和第二面是平的且互相平行， 但是也可采用替换方案实现，该方案中最初的面板400具有下面两者中 的至少一个：(i)非平面和(ii)不平行的面410和412，该方案也落入 本发明的范围和预期中。在图4A所示以及与步骤310结合的示范性的面 板400中，每个成像导管420都包括光传输芯422，该光传输芯具有成像 芯折射率n_CORE。每个光传输芯422都由包层材料424包围，该包层材料 具有低于成像芯折射率n_CORE的成像包层折射率n_CLAD，从而光可通过内 反射穿过成像导管420传输。最初的面板400的光学芯422沿互相平行 的芯轴线A_C延伸，该芯轴线A_C穿过面板400的第一和第二面410和412 延伸。

在步骤315中，面板400被放置为使第一和第二面410和412中的 至少一个与具有预定曲率的模板表面(form surface)接触。在图4B中， 图示的模板500(或模型500)包括表现出凹陷表面512的第一模具部分 510和表现出凸起表面522的第二模具部分520。面板400被置于第一模 具部分510的凹陷表面512和第二模具部分520的凸起表面522之间， 从而第一面410中的一个正对凹陷表面512，而第二面412正对凸起表面 522。

根据步骤320，面板400被加热至足够使面板400变软的温度，并且 与弯曲模板表面512或522接触的第一和第二面410和412中的至少一 个被变成与其所接触的弯曲表面512或522一致的形状。在图4C中，第 一和第二表面410和412中的每一个都被变成与弯曲表面一致。更特别 地，当面板400在凹陷和凸起表面512和522之间被挤压时，第一模具 部分510的凹陷表面512被压迫以与面板400的第一面410啮合接触， 而第二模具部分520的凸起表面522被压迫以与面板400的第二面412 啮合接触。图4C示出了当第一和第二面410和412中的每个都分别与凹 陷表面512和凸起表面522一致且分别接触时，面板400中的芯422的 至少一个选定组的芯轴线A_C由互相平行的排列以一定角度地放置成会聚 性的排列。此外，在不同的实施方式中，第一和第二面410和412假定 以相对于(a)一点和(b)一条轴线中的一个相互同心的曲率弯曲。在 图4C所示的方案中，面板400被模铸为形成弯曲面板400C，而芯轴线 A_C被示为向着中心点P_C会聚，该中心点P_C位于假想的球体(图中未示 出)的中心，在一个例子中，作为附加说明的替换的例子，芯轴线A_C是 向着位于假想的圆柱(图中未示出)中心的中心轴A_CEN会聚的。

步骤325规定了对弯曲面板400C进行充分致冷，以使面板400C变 硬(例如，自承重的)。在步骤300处，弯曲面板400C沿着图4D所示 的第一和第二平面P₁和P₂切割，以便形成如图4E所示的光纤面板400P 和多个会聚的成像导管420P，其中光纤面板400P包括平坦的图像输入面 410P_i、在图像输入面410P_i相反侧的平坦的图像输出面412P_o，成像导管 420P在平坦的图像输入和图像输出面410P_i和412P_o之间延伸。在一个典 型的方案中，沿其切割以形成相对的图像输入和图像输出面410P_i和 412P_o的平面P₁和P₂是平行的，如图4E所示，但是以其它相关的方式取 向的具有图像输入和图像输出面410P_i和412P_o的面板400P也在本发明 的范围以及预期内。成像导管420P相对于平坦的图像输入和图像输出面 410P_i和412P_o的取向使得成像导管420P的光输入末端和光输出末端 426P_i和428P_o分别与光纤面板400P的平坦的图像输入面410P_i和平坦的 图像输出面412P_o重合。

在替换的方案中，除了沿着第一和第二平面P1和P2切割弯曲面板 400C之外，光纤面板400P被切割以形成包括至少一个斜面边缘432的 外围430。如同结合图2所描述的，其它优点之一是，斜面边缘432的形 式促进了相邻的面板400P的紧密连接以及电缆180例如相邻面板400P 之间的接合线的路由选择。斜面边缘432被切割成使得它们向着光纤面 板400P的图像输出面412P_o向下逐渐变尖。如图1和2的示例中所示， 具有“向下逐渐变尖”的外围156的多重面板150的图像输入面152可以 以很紧密的方式相互邻接，以形成平铺式成像阵列100的较大幅的图像 输入表面152S，而在面板150之间具有最小的界线(delineations)，从而 实现对结构的设想以及，更重要地，实现输入图像的连续性。

前面的内容是对本发明原理的介绍。此外，由于本领域的技术人员 可以很容易地作出许多改进和修改，因此不应认为前面的内容是将本发 明限定于所示出的以及描述的严格结构和工序。因此，对本发明所采取 的所有适当修改和等效替换都将落入由所附的权利要求书限定的本发明 的范围内。