CN103032821B - 导光体、照明设备和图像读取装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了导光体、照明设备和图像读取装置。一种导光体被提供，在该导光体中：反射部分或光出射部分中的至少一个在与预定方向相交的方向上具有聚光作用；反射部分或光出射部分中的所述至少一个包含在所述预定方向上布置的扩散部分；扩散部分包含：对于光源的稀疏区域在所述预定方向上具有第一扩散程度的第一曲面；以及对于光源的密集区域在所述预定方向上具有比第一扩散程度低的第二扩散程度的第二曲面；以及第一曲面和第二曲面中的每一个具有与在正交于光源被排列的所述预定方向的方向上延伸的圆筒的一部分相对应的形状。

Description

导光体、照明设备和图像读取装置

技术领域

本发明涉及导光体、照明设备和图像读取装置。特别地，本发明适于用于诸如图像扫描仪、复印机和传真机之类的图像读取装置，所述图像读取装置通过照明原稿面利用线依次（line sequential）方法来读取图像。

背景技术

常规上，作为用于图像读取装置的照明设备，已使用诸如荧光灯的管状（线状）光源，诸如图像扫描仪、复印机和传真机之类的所述图像读取装置用于通过依次线状照明原稿面来读取图像。作为近年技术发展的结果，发光二极管（LED）的发光效率已被增强，并且开发了使用LED作为用作照明设备的光源的技术。在使用诸如LED的点光源作为光源的情况下，在预定方向（主扫描方向）上排列多个点光源。

在这种情况下，当直接用从多个点光源发射的光束照射诸如原稿面的读取面时，在主扫描方向上出现照度不均匀性，并且在通过读取获得的图像中出现浓度不均匀性。因此，在使用多个点光源的图像读取装置的领域中，提出了意图在于减小在光源排列方向（主扫描方向）上的照度不均匀性的发明。

日本专利申请公开No.2005-156600公开了如下内容：沿光源排列方向（主扫描方向）以规则的间隔设置光扩散（diffusing）部分，以在从光源到对象（原稿）的范围中随机地扩散光束，从而消除照度不均匀性。具体地，通过表面粗糙化、无光涂敷或织构化来形成各光扩散部分。

日本专利申请公开No.2009-80173公开了如下内容：周期性地在导光体的反射部分中设置圆柱面，所述圆柱面分别在主扫描方向上具有正焦度（折光力），从而在主扫描方向上抑制照度不均匀性。

然而，在日本专利申请公开No.2005-156600中，与导光体的中心类似，光束在其边缘沿主扫描方向随机扩散，由此在要被照明的预定区域以外的区域中也扩散大量的光束。因此，从光源发射的光束的光利用效率变低。

在日本专利申请公开No.2009-80173中，使用在主扫描方向上均匀并周期性地布置的圆柱面。作为结果，与导光体的中心类似，光束在其边缘沿主扫描方向扩散，由此在要被照明的预定区域以外的区域中也扩散大量的光束。因此，需要提高从光源发射的光束的光利用效率。在以不规则间隔排列多个光源的情况下，进一步要求在主扫描方向上抑制照度不均匀性。

在以不规则间隔排列多个光源的情况下，在密集排列光源以确保足够的周边光强度的主扫描方向上的边缘处，光扩散程度会比稀疏排列光源的中心处低。此外，抑制由于超出读取范围的光扩散而导致的效率降低是重要的。另一方面，在光源排列方向（主扫描方向）上的中心处，稀疏地排列光源，因此，需要具有更高的扩散效率的扩散面来减少光强度的局部波动。

发明内容

根据本发明的示例性实施例，提供了一种导光体，该导光体包括：光入射部分，来自光源的光入射到光入射部分，光源在预定方向上以不规则间隔被布置，使得在预定方向上的光源的阵列具有稀疏区域和密集区域；光引导部分，光引导部分用于引导从光源入射通过光入射部分的光；反射部分，反射部分沿所述预定方向设置，用于反射在光引导部分中引导的光；以及光出射部分，光出射部分沿所述预定方向设置，用于使在反射部分上反射的光通过其出射。反射部分或光出射部分中的至少一个在与所述预定方向相交的方向上具有聚光作用。反射部分或光出射部分中的所述至少一个包含在所述预定方向上布置的扩散部分。扩散部分包含：对于稀疏区域在所述预定方向上具有第一扩散程度的第一曲面；以及对于密集区域在所述预定方向上具有比第一扩散程度低的第二扩散程度的第二曲面。第一曲面和第二曲面中的每一个具有与在正交于光源被排列的预定方向的方向上延伸的圆筒的一部分相对应的形状。

从以下参照附图对示例性实施例进行的描述中，本发明的其它特征将变得清晰。

附图说明

图1A是示出根据本发明的第一实施例的照明设备的断面图。

图1B是示出主扫描方向上的光源和扩散部分的布置的概念图。

图2是示出根据本发明的第一实施例的导光体中的主扫描扩散部分的阵列间距的示图。

图3是表示根据本发明的第一实施例的导光体中的主扫描扩散部分的阵列间距的说明表。

图4A是示出主扫描扩散部分的形状的条件的说明图。

图4B是示出在主扫描扩散部分的形状中出现的缺陷的说明图。

图5A是表示由于在主扫描扩散部分的形状中出现的缺陷而出现的照度分布的变化的说明图。

图5B是表示由于在主扫描扩散部分的形状中出现的缺陷而出现的照度分布的变化的说明图。

图5C是表示由于在主扫描扩散部分的形状中出现的缺陷而出现的照度分布的变化的说明图。

图5D是表示由于在主扫描扩散部分的形状中出现的缺陷而出现的照度分布的变化的说明图。

图6是表示根据本发明的第一实施例的照明设备的照度分布的说明图。

图7是示出根据本发明的第二实施例的照明设备的断面图。

图8是示出根据本发明的第二实施例的导光体中的主扫描扩散部分的阵列间距的示图。

图9是表示根据本发明的第二实施例的导光体中的主扫描扩散部分的阵列间距的说明表。

图10是表示根据本发明的第二实施例的照明设备的照度分布的说明图。

图11是表示根据本发明的第三实施例的导光体的主扫描方向上的照度分布的仿真结果的示图。

图12是表示根据本发明的第三实施例的导光体中的主扫描扩散部分的阵列间距的说明表。

图13是示出根据本发明的实施例的使用照明设备的图像读取装置的说明图。

具体实施方式

以下，参照附图描述本发明的示例性实施例。

第一实施例

（图像读取装置）

图13是根据本发明的实施例的安装有照明设备和导光体的图像读取装置1300的副扫描断面图。照明设备1303照射放置在原稿台玻璃1302上作为读取对象的原稿1301。来自被照射的原稿的光在反射镜1304a至1304d上被反射，并通过成像透镜1306成像在作为光接收器的CMOS线传感器1305上。托架1307容纳照明设备1303、反射镜1304a至1304d、成像透镜1306和线传感器1305。托架1307通过电动机1308在副扫描方向（图13的方向“A”）上移动，从而读取原稿1301的整个区域中的图像信息。

（导光体和照明设备）

参照图1A至5D，描述根据本发明的第一实施例的导光体110和使用导光体110的照明设备100。图1A是根据本实施例的照明设备的副扫描断面图（Z-X断面图）。在Y方向（主扫描方向）上排列的多个光源101被布置在导光体110的光入射部分111处。导光体110包含光引导部分102，光引导部分102用于沿设置在光入射部分111的两侧的侧面102a和102b引导来自光源101的光。导光体110还包含反射部分112和光出射部分113，反射部分112沿Y方向被设置以反射在光引导部分102中引导的光，光出射部分113沿Y方向被设置以将在反射部分112上反射的光引导到原稿面。

导光体110的反射部分112或光出射部分113中的至少一个在与Y方向相交的X方向（副扫描方向）上具有聚光作用。此外，导光体110的反射部分112或光出射部分113中的所述至少一个包含在Y方向上布置的多个扩散部分。

在图1A中，从多个光源101入射的多个光束在反射部分112上的反射点处被全反射，所述反射部分112上形成有多个扩散部分。然后，所述光束通过光出射部分113出射，并穿过原稿台玻璃120，从而照明读取对象区域。

在图1A中，以如下方式在预定方向上排列上述的多个光源。即，在作为一维方向的Y方向上以不规则的间隔排列由多个发光二极管（LED）形成的光源101。当照明设备被安装于图像读取装置上时，作为光源排列方向的Y方向与主扫描方向对应。此外，与Y方向相交的X方向与副扫描方向对应。注意，在图1A中，Z方向是与X方向和Y方向正交的方向。

关于这样在预定方向（主扫描方向）上排列的光源，如图1B所示，相对于预定值，更稀疏（以间距A）排列主扫描方向上的中心处的多个光源，而相对于该预定值，更密集（以小于间距A的间距B）排列主扫描方向上的边缘处的多个光源。

图2是根据本实施例的导光体的主扫描断面图（Y-Z断面图）。本实施例的多个LED光源以图3所示的间距在主扫描方向（Y方向）上被排列在23个区域（区域“a”至“w”）中。光源以向着边缘逐渐密集化的方式被排列，使得发光强度在主扫描方向上的边缘处设置得比中心处高。这是由于LED阵列具有有限的宽度，并且在边缘处，只能从主扫描方向上的一侧获得光。此外，这种布置意图在于校正将光从原稿引导到光接收段的成像光学系统的场角特性。综合考虑例如成像光学系统的周边光强度的降低、用于弯曲光路以实现紧致的配置的反射镜反射率的角度特性、以及光接收元件的感光度的角度特性，设置成像光学系统的场角特性。

注意，用于导光体110的材料是丙烯酸树脂，并且通过注射成型来形成导光体110。

（扩散部分）

1）总体配置

扩散部分包含第一曲面和第二曲面，第一曲面对于Y方向上的光源的稀疏区域在主扫描方向（Y方向）上具有第一扩散程度，第二曲面对于光源的密集区域在Y方向上具有比第一扩散程度低的第二扩散程度。在Y方向上排列多个第一曲面和多个第二曲面。在这种情况下，当假定“R”代表Y方向上的扩散部分的各曲面的曲率半径、以及“P”代表其阵列间隔时，上述扩散程度与“P/R”的值对应。

在本实施例中，主扫描方向（Y方向）上布置的扩散部分在沿主扫描方向切取的断面中共同具有1mm的恒定曲率半径，并且被形成为具有在导光体侧凹陷的多个凹面。扩散部分被排列在如图3所示的与光源以不规则间隔的排列对应的23个单独区域中，并且扩散部分以对于各区域改变的凹面的间距（间隔）排列。具体地，间距（间隔）在主扫描方向（Y方向）上的中心处的区域“1”中为0.7mm，在最外侧的边缘处的区域“a”和“w”中为0.35mm。因此，间距（间隔）被设置为在光源阵列方向上向着边缘逐渐变小。

因此，扩散功能在光源阵列方向上向着边缘逐渐并依次减小。注意，如图3所示，扩散部分的间距（间隔）相对于主扫描方向上的中心处的区域“1”被对称设置。图1B在概念上示出与主扫描方向（Y方向）上的光源的布置有关的扩散部分的布置。各扩散部分在主扫描方向上具有折光力，但在与主扫描方向相交的副扫描方向上不具有折光力。即，扩散部分具有圆柱曲面。为了方便，图1B示出假设扩散部分在主扫描方向和副扫描方向上均具有相同的折光力的条件下的布置。

如上所述，中心处的光源被稀疏地（以间距A）布置，而两个边缘处的光源被密集地（以比间距A小的间距B）布置。另一方面，中心处的扩散部分被稀疏地（以比光源的间距A和间距B小的间距C）布置，并具有大小比预定值低的第一扩散功能，而两个边缘处的扩散部分被密集地（以比间距C小的间距D）布置，并具有大小比预定值高的第二扩散功能。

2）主扫描方向上的扩散作用

入射到扩散部分的光束被偏转，以在主扫描方向（Y方向）上被暂时会聚。然而，光束会聚之后的光路比其焦距长得多，结果是光束以扩散状态向原稿面行进，并且形成在主扫描方向（Y方向）上具有扩散作用的面。

3）主扫描方向上的形状和布置

由于可以很容易地加工形成用模具，因此主扫描扩散部分具有在空气侧突起的多个凹面反射镜的形状。在主扫描扩散部分具有在相反侧突起的形状的情况下，形成用模具需要被加工成具有小的切口的形状，因此在这种情况下通常难以加工。如果加工是可能的，那么主扫描扩散部分可被形成为在空气侧具有凹面。

对于沿主扫描方向切取的断面中的扩散部分的曲率半径R和间距P，满足0.2<P/R<2是合适的。关于下限值0.2，扩散部分需要具有足以确保形成用模具的可加工性并可靠性地将树脂填充到形成用模具中的尺寸和形状。当该值变得小于0.2时，形成用模具具有挖入成型的产品中的形状，结果是不能执行加工和成型。另一方面，当P/R的值变得大于上限值2时，突起和凹陷变得极小，使得不能期望足够的扩散效果。

从加工和成型的观点来看，优选的是该值为2或更小，但是为了提高成型的产品的形状的稳定性（包括树脂填充性能），更希望该值为1.43或更小。注意，优选避免如下形状，该形状使得会导致填充失败的突变部分相互相邻。因此，当曲率半径被设置得较小时，间距也需要被设置得较小，并且进一步地，当曲率半径被设置得较大时，间距也需要被设置得较大。

图5A和图5B表示在如下条件下照明具有大量规则反射成分的原稿的情况下的照度的仿真结果，所述条件是各扩散部分不被形成为适当的形状、并因此具有如图4B所示那样的平坦谷地部分。图5A表示在扩散部分的形状不具有平坦部分的情况下的结果，图5B表示在扩散部分的形状具有平坦部分的情况下的结果。

在该仿真中，扩散部分的曲率半径为0.25mm，并且其间距为0.3mm，使得P/R＝1.2。在扩散部分的形状具有平坦部分的仿真中，在相邻的凹面之间的边界上设置0.1mm的平坦部分。

从图5A和图5B可以看出，当扩散部分的形状具有平坦部分时，在照度分布中出现波纹。类似地，图5C和图5D表示在主扫描扩散部分的曲率半径R为0.5mm并且其间距P为0.6mm而使得P/R＝1.2的情况下的照度的仿真结果。图5C表示在主扫描扩散部分的形状不具有平坦部分的情况下的结果，图5D表示在主扫描扩散部分的形状具有平坦部分的情况下的结果。可以理解，在R＝0.5（图5D）的情况下，与R＝0.25（图5B）的情况相比，平坦部分对结果的影响更小。如上所述，即使当P/R的值恒定时，R或P的值较大的扩散部分对于具有平坦部分的形状的影响具有更高的抵抗力。在扩散部分具有较大的曲率半径R的情况下，希望曲率半径R为0.3mm或更大，更希望为0.5mm或更大，以仍得到更高的抵抗力。

图6表示通过使用根据本实施例的照明设备在原稿面处测量的照度分布。在图6中，实线表示在原稿面处测量的光强度分布，点线表示在成像光学系统中出现的损失，虚线表示实际到达光接收器的光的光强度分布。注意，图6表示通过在副扫描方向上积分实际二维分布的光强度值而获得的一维光强度值。在图6中，相对于主扫描方向上的中心处的各值执行归一化。在由实线表示的照明光强度分布中，在A3纸尺寸（ISO216）的约150mm的高度附近，该值大约为其中心处的值的1.7倍，但是在边缘处，由点线表示的成像光学系统的效率大约为中心处的效率的0.6倍。

因此，如虚线所示，最终由线传感器接收的光的光强度分布在整个读取区域（约±150mm的主扫描区域）上基本上是均匀的。

通过上述的配置，能够令人满意地校正由于LED的离散的阵列而导致的照度不均匀性和由于主扫描扩散部分而导致的波纹，从而获得平坦的照度分布。

第二实施例

参照图7至10，描述根据本发明的第二实施例的用于从两侧倾斜地照明原稿的照明设备700。图7是根据本实施例的使用导光体的用于原稿的照明设备的副扫描断面图（Z-X断面图）。由在主扫描方向上排列的多个LED形成的光源701被布置在导光体710的光入射部分711处。导光体710包含光引导部分703，光引导部分703用于沿设置在光入射部分711的两侧的侧面703a和703b引导来自光源701的光。从光源701入射的多个光束穿过光引导部分703，并且，光束的一部分在其上形成有多个扩散部分的反射部分712上的反射点处被向上全反射，并通过光出射部分713向着原稿面出射。在其上形成有多个扩散部分的反射部分712上没有被全反射的光束的剩余部分向着相对的反射体720穿过透光部分714，并向着放置于原稿台玻璃730上的原稿在反射体720上被反射。

因此，以对称的方式从两侧斜着照明原稿。注意，与第一实施例类似，通过一体化从光入射部分到光出射部分的部件而获得的图7的导光体由丙烯酸树脂制成并且通过注射成型形成。根据本实施例的多个LED光源701以图9所示的间距在主扫描方向上被排列。出于与第一实施例相同的原因，光源向着边缘被逐渐密集地布置，使得发光强度在主扫描方向上的边缘处设置得比中心处高。

扩散部分在沿主扫描方向切取的断面上具有0.5mm的恒定曲率半径R，并且被形成为在空气侧突起的多个凹形反射镜。扩散部分以如下间隔被排列，所述间隔对于与不规则间隔的光源阵列对应的如图9所示的各23个区域而改变。各扩散部分的间距（间隔）在主扫描方向上的中心处的区域“1”中为0.5mm，在最外侧的边缘处的区域“a”和“w”中为0.22mm。从而，间距（间隔）被设置为向着边缘逐渐变小。此外，P/R比的范围为从0.44至1，这同时实现了抵抗具有平坦部分的形状的稳定性和扩散效率。注意，如图9所示，相对于主扫描方向上的中心处的区域“1”，对称设置扩散部分的间距（间隔）。

图10表示通过使用根据本实施例的照明设备在原稿面处测量的照度分布。在图10中，实线表示在原稿面处测量的光强度分布，点线表示在成像光学系统中出现的损失，虚线表示实际到达光接收器的光的光强度分布。图10表示通过在副扫描方向上积分实际二维分布的光强度值而获得的一维光强度值。

通过上述配置，能够令人满意地校正由于光源的离散的阵列而导致的照度不均匀性和由于主扫描扩散部分而导致的波纹，从而获得平坦的照度分布。

第三实施例

在上述实施例中，在主扫描扩散部分的曲率半径R和阵列间隔（间距）P中，曲率半径R被设置为恒定并且间距被设置为可变。在本发明的第三实施例中，曲率半径R和间距被设置为不恒定。

图11表示在如下情况下主扫描方向上的照度分布的仿真结果，所述情况是在保持图9所示的主扫描扩散部分的各区域的P/R的值的同时曲率半径R的值从0.75变为1.75。当曲率半径R的值被设置为可变时，可以获得具有与上述实施例相同效果的照明设备。图12表示23个区域“a”至“w”中的主扫描扩散部分的曲率半径。注意，如图12所示，相对于主扫描方向上的中心处的区域“1”对称设置扩散部分的间距（间隔）。

（变更例1）

在第一实施例和第二实施例中，主扫描方向上的各扩散部分的折光力是恒定的，并且其阵列间隔（间距）是不恒定的。在第三实施例中，主扫描方向上的各扩散部分的折光力及其阵列间隔（间距）是不恒定的。本发明不限于此，而主扫描方向上的各扩散部分的阵列间隔（间距）可以是恒定的，并且其折光力可以是不恒定的。在这种情况下，优选的是，关于扩散部分的曲率半径在主扫描方向上对称设置折光力。

（变更例2）

在上述实施例中，主扫描方向上的光入射部分的中心与光源的稀疏区域对应，主扫描方向上的光入射部分的边缘均与光源的密集区域对应，但是本发明不限于此。例如，主扫描方向上的光入射部分的一个边缘可与光源的稀疏区域对应，主扫描方向上的光入射部分的另一个边缘可与光源的密集区域对应。并且，在这种情况下，扩散部分包含对于稀疏区域在主扫描方向上具有第一扩散程度的第一曲面和对于密集区域在主扫描方向上具有比第一扩散程度低的第二扩散程度的第二曲面。

（变更例3）

在上述实施例中，对于反射部分112或712设置多个扩散部分，但是可以对于光出射部分113设置多个扩散部分。作为替代方案，可同时对于反射部分112和光出射部分113设置扩散部分。

（变更例4）

在上述实施例中，扩散部分具有圆柱曲面以利用光的暂时会聚之后的扩散作用，但是，沿阵列方向切取的断面不限于弧形。本发明也适用于被视为在空气侧突起的近似圆形的表面（例如，通过将多个平坦表面整形为曲面而获得的曲面）。

（变更例5）

在上述实施例中，使用LED作为光源，但是本发明也适用于在单体上不是线状光源的光源。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释以包含所有这样的变更方式以及等同的结构和功能。

Claims (12)

1.一种导光体，包括：

光入射部分，来自光源的光入射到所述光入射部分，所述光源沿第一方向被布置为使得所述光源的阵列具有稀疏区域和密集区域；

光引导部分，所述光引导部分用于通过第一侧面和第二侧面引导从所述光源入射通过所述光入射部分的光；

反射部分，用于反射在所述光引导部分中引导的光；以及

光出射部分，用于使在所述反射部分上反射的光通过所述光出射部分出射，

其中，所述反射部分或所述光出射部分中的至少一个在与第一方向垂直的第一断面中具有聚光功能，

其中，所述反射部分或所述光出射部分中的所述至少一个包含在第一方向上布置的第一和第二曲面，

其中，所述第一曲面使来自稀疏区域的光在与第一方向平行的第二断面中扩散第一扩散程度，并且第二曲面使来自密集区域的光在第二断面中扩散比第一扩散程度低的第二扩散程度，以及

其中，所述第一曲面和所述第二曲面中的每一个具有与在垂直于第一方向的方向上延伸的圆筒的一部分相对应的形状。

2.根据权利要求1所述的导光体，其中，所述第一扩散程度和所述第二扩散程度中的每一个用“P/R”表示，其中“R”表示在第二断面中的第一曲面和第二曲面中的每一个的曲率半径，“P”表示其阵列间隔。

3.根据权利要求1所述的导光体，其中，所述第一方向上的所述光入射部分的中心与稀疏区域对应，所述第一方向上的所述光入射部分的边缘均与密集区域对应。

4.根据权利要求1所述的导光体，其中，第二断面中的第一曲面和第二曲面中的每一个的曲率半径包含恒定的曲率半径。

5.根据权利要求1所述的导光体，其中，第二断面中的第一曲面和第二曲面中的每一个的曲率半径包含不恒定的曲率半径，以及，

其中，其阵列间隔包含不恒定的阵列间隔。

6.根据权利要求1所述的导光体，其中，第一曲面和第二曲面中的每一个的阵列间隔包含恒定的阵列间隔。

7.根据权利要求2所述的导光体，其中，满足0.2＜P/R＜2。

8.根据权利要求1所述的导光体，其中，在沿第二断面切取的断面中，第一曲面和第二曲面中的每一个具有在空气侧突起的形状。

9.根据权利要求1所述的导光体，其中，全部第一曲面和第二曲面在第一方向上被对称放置。

10.一种照明设备，包括：

光源，所述光源在第一方向上被布置为使得光源的阵列具有稀疏区域和密集区域；以及

根据权利要求1到9中的任一项所述的导光体，所述导光体用于引导来自所述光源的光。

11.一种图像读取装置，包括：

根据权利要求10所述的照明设备；以及

光接收单元，所述光接收单元被配置为接收来自原稿的光。

12.根据权利要求11所述的图像读取装置，其中，原稿以对称的方式从两侧被斜着照明。