CN1088219C - 具有光导透明板的图像读取器 - Google Patents

Abstract

一图像读取器装有多个发光二极管(LED_s)排成一列的光源、光导透明板、凹面镜、会聚透镜及光电转换器。透明板装在光源和凹面镜之间，并有照明光出射面，与之倾斜45°有光源的光入射的照明光入射面，两者之间相对的第一和第二侧面。工作中，因为出射面紧密接触文件，防止了光耗散。因为入射面和出射面充分分开，由各LED_s发出的光在透明板中混合。文件的反射光在透明板中传播，然后由入射面反射，并通过会聚透镜从第二侧面穿出进入光电转换器。

Description

具有光导透明板的图像读取器

本发明涉及图像读取器，它照亮了要读取的物体(叫做“读物”)并把照亮区域中的图像信息转换成各种类型的时间序列或空间分布信息，一些图像读取器，还适用于记录转换过的信息。尤其，本发明还涉及用于复印机、数字复印机、传真机、图像扫描机、条型码读取器及类似的装置中的小型、价廉的图像读取器。

近几年，装有图像读取器的图像扫描机、传真机等类似装置的体积已变得更小，价格也更便宜。而且，作为便携式装置的元件的图像读取器，其需求量正越来越大。

图5A示出传统超小型光学型光学读取器的结构。在此光学读取器中，从照明光源50发出的光指向将被读取的文件51，从文件51得到的图像表面反射光由第一镜52、第二镜53及第三镜54偏转。于是，在线性光传感器56上由图像形成透镜单元55形成图像。文件51在一由滚筒58紧压接触的平板玻璃上移动。

图5B示出照明光源50。照明光源50有多个用作发光元件并装在线路板60上的发不二有管61(下面叫做LED_s)。照明光源50从大约5到10毫米远处照亮文件51以减少亮度变化(叫做“波动)。结果是，波动减少到15％以内。

当文件51的尺寸为B4规格且其阅读宽度为256毫米时，大约需要30到50个LED_s61，这里文件51上的亮度是几百勒。从文件51到线性光传感器56的光路长大约是300毫米，且文件51上的图像信息在线性光传感器56上形成一个图像，其大小缩小到约1/10。

对其中有多个LED_s61排成一线的光源50来说，为了使各个LED_s61发出的光线混合在一起，必须把光源50放得远离文件51。原因是，如果光源50的文件51的间距太小，从LED_s发出的光线将不能充分混合，导致亮度有很大变化，即大波动。

同时，从光源50发出的光的亮度与自由空间长度的平方成反比。如果光源50和文件51的间距增加可减小亮度变化，然而将引起亮度不足的问题。

于是，为了解决这样一个问题，提出了图6示出的那种图像读取器，其中在光源71和文件72之间装了一个透明光导73。由光源71发出并入射到此图像读取器光导73上的光被传到其出射端面S3，同时被光导73的侧面S1、S2反射。光从出射端面S3穿出到达文件72。这样，光导73就防止了光的漫射，而使光从光源71射到文件72，直到了防止亮度不足的作用。

然而，在图6示出的已有技术的例子中，必须倾斜于文件安装光导73，这样使文件72的反射光不会被光导73的遮断，并且必须使光导73离文件72有一定距离。结果光在光导73和文件72之间的自由空间中发散，从而不能保证足够的亮度。

本发明的目的是提供一种图像读取器，它能以不变的足够的亮度均匀地照亮读物。

为了达到上述目的，本发明提供的一种图像读取器，通过应用光源发出经光导传到读物上的光，并用光接收装置接收由读物反射的光来读取读物的图像信息，其中光导包括：

对向读物的第一端面；

相应于第一端面以一固定倾斜角倾斜并且光源发出的光从其上入射的第二端面；以及

位于第一端面和第二端面之间互相相对的第一和第二侧面，并且

倾斜角是这样一个角，即光源发出并入射到第二端面的光在光导中向前传播，被第一侧面或第二侧面中至少一个侧面反射并穿出第一端面，以及射到并由读物反射的光从第一端面向第二端面传播，并再次由第二端面反射且从第二端面穿出射向光接收装置。

在本发明的图像读取器中，从光源发出的光入射到光导的第二端面。此入射光在相对设置的第一端面和第二端面之间传播和反射，并从倾斜于第二端面的第一端面穿出。

于是，从第一端面输出的出射光射到读物上并被反射，进入第一端面。已进入第一端面的光向第二端面传播，入射到第二端面上并被反射，从面指向第二端面，从第二端面穿出射向光接收装置。已接收从第二端面入射的光的光接收装置根据接收到的光读取读物的图像信息。

如上所述，在本发明中，因为在光源和读物之间装有光导，所以在从光源发出的光传播通过光源和读物之间的光导时就抑制了光的损失。因此，光能得以高效率利用。同时，因为在光导中光线混合在一起，消除了波动即亮度的变化，这样实现了均匀的照明。此外，光导的存在加长了光源和读物的间距，这也对减少读物上亮度的变化有作用。此外，由于第二端面(照明光入射面)的折射作用，使照明光线以一合适的角度入射到文件即读物上。因此，消除了由于对文件表面照明角度不同引起的光接收的变化。

同样，在本发明中，用来照亮读物的光从相对读物的第一端面出射，并且由读物反射的光入射到第一端面。因而，允许第一端面与读物紧密接触。从而，防止了光向第一端面和读物之间的读物的外面耗散。结果，增强了用来照亮读物的亮度。还有，因为从读物发出的图像光入射到第一端面(照明光的穿出面)，所以光导和读物(文件等)可互相紧密接触。相应地，防止了从光导输出的照明光的发散，且防止了从读物发出的图像光的发散，从而高效率地运用了光。

从上说明很明显，依据本发明，可同时实现读物照明光强的增强及照明变化的减少。

同时，在本发明中，从光源发出的光入射到相对光源的第二端面，且由读物反射并入射到第一端面的光入射到第二端面从而被反射。即，第二端面既用作从光源发出的光的入射面，也用作来自读物的光的反射面，从而简化了光导的结构。因为从文件等读物得到的图像光通过照明光入射面即第二端面的反射而改变了它向第二侧面传播的方向，图像光从与照明光入射面不同面的第二侧面向外穿出。因此，图像光不再被照明光源或其它光学系统遮断，从而对光源或类似装置的安装没有限制。

此外，光导的第一端面可用作与文件的接触面，因而不再需要文件平板玻璃了。

依据本发明的一个实施例，如果光导的折射率为n，则由第一端面和第二端面形成的角为θ且θ≥sin^-1(l/n)。

这样，从读物反射的光完全由第二端面反射。相应地，减少了第二端面的反射损耗。因为减少了含有图像信息的光的损耗量，所以提高了图像的读取性能。

此外，依据本发明的一个实施例，第一侧面和第二侧面大体上互相平行。

运用这种结构，由第一侧面和第二侧面反射的向第一端面传播的光的反射角不随光的行进而变化。相应地，从第一端面输出的出射光的角度确定与光导从光源向读物延伸的某一方向的光导尺寸无关。结果，可容易地控制读物上光的入射角，从而只有发散的反射光在光接收装置的光接收线上形成图像。

此外，依据本发明的一个实施例，如此设定光导的折射率、光从光源入射到光导的方向及倾斜角，从而在光导中传播的光将全部反射而射到第一和第二侧面。

采用这种结构，从光源发出的光能在光导中传播而不会从第一侧面和第二侧面泄漏。

此外，依据本发明的一个实施例，图像读取器包括具有用于反射从光源发出的光的反射面的光反射装置，从而使反射面反射的光指向光导的第二端面。

这样，由光源发出的光无损耗地引入光导的第二端面。

在一实施例中，光反射装置的反射面由一曲面或多个相互弯曲的表面构成。

这样，从光源来的光线被反射，从而以大致相同的特定角度入射到光导的第二端面上。

此外，依据本发明的一个实施例，光导具有由第一和第二端面及第一和第二侧面包围的直角梯形剖面，第一端面与第一和第二侧面成直角。

这样，从光源发出的照明光入射到形成直角梯形倾斜面的第二端面上，并从形成具有第一和第二侧面的直角梯形的直角的第一端面输出。这样，因为照明光入射角(第二端面)的面积大于照明光出射面(第一端面)，在第二端面上获得大量从光源来的光，且提高了光的使用率。此外，通过控制光导第一端面的厚度尺寸可控制文件表面的亮度，其中第一端面是光导照明光的出射面。此外，光导结构简单而容易制造，因而能期望降低成本。

依据一个实施例，包含至少一个第一端面的表面层由耐磨物质制成。

这样，当扫描与相对读物的第一端面接触移动的读物时，可防止第一端面的磨损。相应地，因为第一端面可防止变形，并可防止光路随时间而变化，从而避免了读取性能的劣化。

图1是依据本发明的图像读取器一个实施例的主要部分的透视图；

图2A是示出从侧面看本实施例的一个方面的侧视图；

图2B是说明本实施例中图像光的出射角的图；

图2C是说明本实施例中图像光斜交光线出射角的图；

图2D示出在一光电转换器的光接收表面上的变形图像；

图2E是示出本实施例中光电转换器的结构的透视图；

图2F是示出光电转换器结构的侧视图；

图3A是示出从本实施例中的光源光的直接入射到透明板上的光路图；

图3B是示出光源发出的光由凹面镜反射而入射到透明板上的光路图；

图4A是没有反射镜的变型图像读取器的实质部分的侧视图；

图4B和4C是在LED_s的两边分别具有反射镜的变型图像读取器的实质部分的侧视图；

图4D、4E和4F是变型图像读取器的实质部分的侧视图，其中在光源一端和透明板一端之间倾斜延伸的反射镜分别配有平板形镜、曲面板镜及弯板形镜；

图5A是已有技术图像读取器的示意图；

图5B是已有技术图像读取器的光源透视图；

图6是另一已有技术图像读取器的示意图；

图7是说明已有技术中实验实施例的图。

图1是示出依据本发明图像读取器一个实施例从侧面斜看的照明单元R。照明单元R具有一有直角梯形剖面的光导透明板1、一凹面镜2及一光源3。光源3具有印刷线路板5，多个在印刷线路板5上排成一直线的LED_s(发光二极管)，及连接到印刷线路板5的接头6。

图2A中所示，透明板1具有相对于文件11的照明光出射面1a，及相对于出射面1a的方向以不变倾斜角45°倾斜的照明光入射面16。文件11是要读取的对象，照明光出射面1a是第一端面，照明光入射面1b是第二端面。

在此实施例中，包含透明板1的照明光出射面1a的表面层100是由叫做硬壳的紫外线硬化型丙烯酸透明树脂制成的。

此外，透明板1具有位于照明光出射面1a和照明光入射面1b之间且互相相对的第一侧面1d和第二侧面1c。第二侧面1c包含一光拾取面1c-1，通过它光从透明板1中拾取，并且光拾取面1c-1接近并相对于照明光入射面1b。

如图2A所示，透明板1装在文件11和凹面镜2之间，照明光出射面1a相对于文件11，而照明光入射面1b相对于凹面镜2的曲面形反射凹面2b。文件11由滚筒12驱动并在透明板1的照明光出射面1a和滚筒12之间被扫描。

光源3的印刷线路板5的下端部分5a装在与凹面镜2的凹面2b相连的凹槽2c中，上端部分5b相对于并大致上与透明板1的第一侧面1d平行。此外，LED_s在稍高于印刷线路板5的下端部分5a的位置排成一行。

此外，在相对于透明板1的光拾取面1c-1并与其离开一特定距离的位置上装有一会聚透镜9。除此之外，还配备有由会聚透镜9聚集的光照明的光电转换器10，使它的光检测线位于会聚透镜9的图像形成位置中。光电转换器10以LED_s4延伸线的横向被扫描。如图2E和2F所示，光电转换器10有一线形CCD传感器33，其中端子32焊接在印刷线路板36上。线形CCD传感器33的盖玻璃34同其光接收表面相连。主要由带盖玻璃34的线形CCD传感器33、印刷线路板36及端子32组成的线形CCD传感器组件10a装在板31上，且端子32与用于信号拾取的连接器35连接。必须注意，在图2E中指明为光检测构件的水平线代表线形CCD传感器33中的光检测线。

如图3A所示，在具有上述结构的图像读取器中，从光源3发出的部分光直接传到透明板1的照明光入射面1b。此外，如图3B所示，从光源3发出的另一部分光传到凹面镜2的凹面2b，然后被凹面2b反射并指向透明板1的入射面1b。

然后，入射到入射面1b的部分光由入射面1b折射，且进入透明板1。此外，象图2A中的照明光线7那样，当光被透明板1的至少一个第一侧面1d或第二侧面1c反射时，就在透明板1中向照明光出射面1a传播。同时，入射到入射面1b的另一部分光在被入射面1b折射后进入透明板1，并直接向照明光出射面1a传播而不被第一侧面1d或第二侧面1c反射。

到达照明光出射面1a的光经出射面1a折射，从出射面1a向文件11传播。然后，被文件11反射后，光传播到照明光出射面1a，然后在那里折射，再在透明板1中向照明光入射面1b传播。向照明光入射面1b传播的所有光线中，只有基本上在透明板1中直线传播的光线才被照明光入射面1b反射，从而从第二侧面1c的光拾取面1c-1向会聚透镜9传播。

然后，向会聚透镜9传播的光由会聚透镜9聚焦并入射到光电转换器10上。光电转换器10依据入射光读取文件11的图像信息。

如上所述，本实施例的图像读取器具有装在文件11和光源3之间的透明板1，因而从光源3发出的光通过透明板1加到文件11上。透明板1的存在可抑制从光源3发出的光在透明板1中传播时光的耗散，并且增加了光源3和文件11之间的光路长度。结果，依据本实施例，文件11大体上被光线均匀地照射。

此外，本实施例是如此安装的，即透明板1的照明光出射面1a与文件11紧密接触。相应地，防止了光在透明板1和文件11之间的耗散，从而高效率地使用了光。同样，因为光线在透明板1中混合，可获得均匀的照度。此外，通过照明光入射面1b的折射作用，可获得合适的角度使照明光线7入射到文件11上。相应地，消除了因相应于文件表面的照明角度不同而引起的光接收的变化。

依据本实施例，因为文件11被明亮地照射而没有光强变化，可提高图像读取性能。

同时，依据本实施例，透明板1的照明光出射面1a既用作指向文件11的光的出射面，也用作由文件11反射的光的入射面。此外，透明板1的照明光入射面1b既用作光源3发出的光的入射面，也用作文件11反射的光的反射面。即，透明板1的出射面1a和入射面1b都起两个作用。结果，简化了透明板1的结构。

换言之，依据本实施例，因为从文件11来的图像光在照明光入射面1b被反射，图像光从第二侧面1c中穿出，而不从照明光入射面1b穿出。相应地，图像光不会被用于照明光源的LED_s或其它光学系统遮断，从而对光源或类似装置的安装没有限制。此外，因为透明板1的出射面1a用作与文件11的接触面，就不再需要文件平板玻璃了。仍依据本实施例，透明板1的直角梯形剖面由出射面1a、入射面1b及第一侧面1d和第二侧面1c包围，其中照明光出射面1a与第一和第二侧面1d及1c垂直。如此简单的透明板1形状可做到降低成本。此外，从LED_s得到的照明光通过形成直角梯形倾斜面的入射面1b进入透明板1，然后从与第一和第二侧面1d及1c一起形成直角梯形直角的出射面1a穿出。因为倾斜的关系，照明光入射面1b的面积大于照明光出射面1a，故从LED_s发出的光能有效地使用。此外，通过控制相应于透明板1的厚度的照明光出射面1a的宽度，可容易地控制文件表面的照度。特别是，在对于文件照明可没有问题地使用减少宽度的区域时，通过减少照明光出射面1a的宽度可增强文件表面的照度。

同时，在本实施例中，由具有折射率n＝1.49的丙烯酸制成的透明板1的照明光出射面1a和照明光入射面1b所形成的角θ为45°。角θ满足以下方程，即全反射的条件：

θ≥sin^-1(1/1.49)＝42.16°

相应地，在本实施例中，由文件11反射而一般直接向照明光入射面1b传播的光由入射面1b全反射。即，防止了包含图像信息的直线传播光的耗散，从而提高了图像读取性能。

当透明板1由普通材料而不是由丙烯酸制成时，上述角θ＝45°满足全反射条件。这在表1中示出。

                          表1

n	sin-1(l/n)	材料
				1.491.521.591.75	42.1641.1438.9734.85	丙烯酸BK7(玻璃)聚苯乙烯SF13(玻璃)	*折射率n是用光波长λ＝546.1纳米得的值。

相反地，设定角θ＝45°不能满足全反射条件的材料是那些折射率低于1.41的材料。虽然通常不使用这些低折射率的材料，但是通过使设定角θ的值大于sin^-1(l/n)，可使用这种材料。

同时，因为用作光导的透明板1具有直角梯形剖面，以倾斜角θ＝45°垂直落在照明光出射面1a的图像光L将如图2B所示从图像光出射面1c-1垂直穿出。这时，若倾斜角θ≠45°，垂直入射图像光L就以出射角θ₂≠90°穿出。在如图2C所示的情况下，在光电转换器10的光接收表面的一直线图像变形，因为在纵向中心和两端之间失去了线性。原因在于，如图2C和2D所示，从透明板1的出射角1c-1横向端向透镜9倾斜传播的斜交光线B₁、B₂已经被出射面1c-1折射得比从出射面1c-1向透镜9垂直传播的光线A更厉害。具体地讲，如果文件表面上的线条允许的最大位移为0.1毫米，对图2B中所示13毫米高的透明板1的允许倾斜θ的值是45°±3°。

在本实施例中，透明板1的第一侧面1d和第二侧面1c大体上互相平行。相应地，从光源3入射到透明板1并且当被第一侧面1d与/或第二侧面1c反射而向前传播的光，无论发生多少次反射其反射角都不变。即，反射角由照明光入射面1b和照明光出射面1a形成的角θ确定。从而，如图3A和3B所示，容易设定从透明板1的照明光出射面1a到文件11的光线的入射角φ₁、φ₂、φ₃、φ₄的值满足一条件，即只有它们的发散的反射光在光检测线上形成图像。众所周知，上述条件是|θ₁-θ₂|接近25°到30°或更大的值，这里θ₁(包括中φ₁、φ₂、φ₃、φ₄)是光入射到文件上的入射角，而θ₂是从文件反射的一部分光并且对在光检测线上形成图像有贡献的光的反射角(θ₁和θ₂都是相对于文件表面的法线方向的夹角)。反射角接近θ₁，特例θ₁＝θ₂的反射光叫做“镜面反射”，并且是一种不适合用来区分文件的色浓度的光。为确实防止这种光进入光检测线，|θ₁-θ₂|的值定为25°到30°或以上。这样设定后，光检测线只接收发散的反射光。在本实施例中，因为θ设为接近0°，则θ₁适当设为25°到30°或以上。

在本实施例中，透明板1由折射率为1.49的丙烯酸制成，并且由出射面1a和入射面1b形成的夹角θ为45°。从而，如果入射面1b上的光入射角定在45°以内，那么文件11上的光入射角φ₁到φ₄定为25°或以上。于是，入射到文件11上的光线的入射角φ₁到φ₄的值定为满足只有发散的反射光在光检测线上形成图像的条件。结果，能可靠地判别印在文件11上的图像密度。

光入射角φ₁到φ₄将不会随透明板1的出射面1a和入射面1b的间距而变化。从而，可增加透明板1设计的自由度。此外，在透明板1中向出射面1a传播的光全部由第一侧面1d和第二侧面1c反射。结果，防止了光的耗散，从而实现了对文件11更明亮的照明。

此外，本实施例的图像读取器包括用于反射从光源3得到的光并使它指向透明板1的照明光入射面1b的凹面镜2，相应地，由光源3发出的光天损失地引入到照明光入射面1b。同时，因为凹面镜2的反射凹面2b是一曲面，从不同方向入射到反射凹面2b上的光线以某种程度上限定的方向入射到入射面1b。特别是，如图3B所示，如果反射凹面2b做成一抛物面且光源3的LED_s位于抛物面的焦点位置，那么由反射凹面2b反射的光将以大约45°的入射角入射到入射面1b上。结果，文件11上反射光线的入射角φ₁到φ₄统一变为25°或以上，这是一个满足上述条件的角度。结果，能可靠地判定印在文件11上的图像密度。

此外，在本实施例中，含有透明板1的照明光出射面1a的表面层100由紫外线固化型丙烯酸透明树脂制成，叫做硬壳。相应地，即使文件11被滚筒12与出射面1a直接压力接触而被扫描时，出射面1a仍可防止磨损。结果，防止了照明光出射面1a的变形，从而防止光路随时间而改变，且防止了读取性能的下降。此外，因为出射面1a不要求配用特殊的光导构件，简化了系统结构。

其次，由实验结果具体表现的本实施例照明改进效果在表2中示出。对此实验，在已有技术实施例中文件表面D上光线L的入射角为45°，使用固定于一板上并与文件表面的光学距离为10毫米的LED_s，如图7所示。如下面表2所示，依据本实施例，文件表面平均亮度增加到已有技术实施例的1.2倍，并且LED_s的数量大约是已有技术实施例的一半。

                    表2

	已有技术	本发明
			文件表面D上照明区域(4毫米×270毫米)的平均亮度LEDs数量	400勒32	480勒18

在本实施例中，透明板1由丙烯酸制成，也可由冕牌玻璃制成。

图4A-4F示出上述把凹面镜2用作光反射装置的实施例的变型实施例。图4A的实施例没有凹面镜2。图4B示出的实施例在光源3的LED_s的两侧都装在平板形反射镜41，41。图4C的实施例在LED_s的两侧都有曲面反射镜42，42。图4D示出的实施例有一块从接近于LED_s的地方向透明板1的边缘1s延伸的平板形反射镜43。分别如图4E和4F所示，可用弯曲平板形反射镜44或曲折平板形反射镜45替代平板形反射镜43。

在本实施例中，含有出射面1a的表面层100虽然一直是用含丙烯酸透明树脂的硬壳制成的，但是也可换用含硅酸树脂的硬壳制造。同样，表面层100还可以是由溅射处理的SiO₂制成的无机硬壳。

此外，在本实施例中虽然光源3一直是通过将LED_s在印刷线路板5上排成一行而形成的伪线性光源，但是也可使用如荧光管和场致发光器件等线性光源。

很明显，上述发明同样可以许多方式变化，这些变化并不认为背离了本发明的精神和范围，在本技术领域内的技术人员显然都熟悉的这些变化，都包含在以下权利要求的范围内。

Claims (8)

1.一种通过由一光导向一读物施加从光源得到的光并且用一光接收装置来接收读物反射的光来读取读物图像信息的图像读取器，其特征在于，

所述光导包括：

相对读物的第一端面；

相对于第一端面以一固定倾斜角倾斜并在其上有光源得到的光入射的第二端面；以及

位于第一端面和第二端面之间并且互相相对的第一和第二侧面，以及

所述倾斜角是这样一个角，即当从光源得到并入射到第二端面的光在被至少一个第一侧面或第二侧面反射时在光导中向前传播，并从第一端面穿出，而射到读物并由读物反射的光从第一端面向第二端面传播，再由第二端面反射，且从第二端面穿出向光接收装置传播。

2.如权利要求1所述的图像读取器，其特征在于，如果光导的折射率是n，那么由第一端面和第二端面形成的角定为θ≥sin^-1(1/n)。

3.如权利要求1所述的图像读取器，其特征在于，第一侧面和第二侧面大致上相互平行。

4.如权利要求1所述的图像读取器，其特征在于，这样来设定光导的折射率、从光源发出的光向光导入射的方向及倾斜角，从而在光导中传播的光将在射到第一和第二侧面时被全部反射。

5.如权利要求1所述的图像读取器，其特征在于，它包含的光反射装置，具有一用于反射从光源来的光的反射面，从而由反射面反射的光指向光导的第二端面。

6.如权利要求5所述的图像读取器，其特征在于，光反射装置的反射面由一曲面或多个互相曲折的面构成。

7.如权利要求1所述的图像读取器，其特征在于，光导的直角梯形剖面由第一和第二端面及第一和第二侧面包围，其中第一端面垂直于第一和第二侧面。

8.如权利要求1所述的图像读取器，其特征在于，包含至少一层第一端面的表面层由耐磨损物质制成。

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