CN1783934A - 文档照明器 - Google Patents

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Abstract

一种文档照明器，包括透光元件，它具有安装在其中形成的空腔中的嵌入式面发光的发光二极管。透光元件上形成一个或多个光学槽口，并且完全被包入白包层中，以便产生从发光二极管发出的光线的内全反射。反射光线在孔处收集，孔又透射高功率和非常均匀的照明分布以照亮文档。

Description

文档照明器
技术领域
所公开的是采用透光元件中的发光二极管的文档照明器。
背景技术
用于照亮文档以便扫描的文档照明系统或装置通常包括诸如钨丝灯或荧光灯之类的照明源和相对的反射器。照明源通常设置在台板或恒速传输(CVT)系统下扫描仪的光学中心线的一侧，而反射器则设置在台板或CVT系统下扫描仪的光学中心线的相对侧。照明源与相对的反射器结合提供由扫描仪扫描的文档或对象的照明。
图1说明可用作独立扫描仪或用于复印机中的文档照明系统的组件。如美国专利No.6236470中所述，系统可用于光透镜扫描系统或数字(图像输入终端)扫描系统(台板或CVT)，以便照亮文档供再现、显示和/或存储在电子存储器、磁介质或光盘中。图1的照明系统包括台板20，文档10放置在其上。文档可通过文档处理机25分布在台板上。文档10由光源50照明，光源50提供有效光源来照射文档的被照明区域。这个光源通常由线性荧光灯(在灯的内表面上带有或没有孔反光涂层60以便形成孔65)或者由线性钨丝灯来提供。如上所述，光源50设置在光学中心线40的一侧。成像系统(未示出)使直接围绕这个光学中心线40的文档部分的图像投影到感光器件、如电荷耦合器件(CCD)上。本领域已知，如果图像被送往CCD传感器或全宽阵列传感器，则从光学中心线40附近的文档反射的光被转换为形成以电子方式表示文档的图像数据的电子信号，以及数据可存储在记录装置、如计算机中的存储装置中。
在光学中心线40的对侧设置了相对反射器30。相对反射器30对于通过把通常没有照射文档的光(沿平行或基本平行于台板20的路径离开光源的光)重新定向到文档的被照明区域来扫描的文档提供间接照明。反射器30以与光源50直接发出的光55的角度相反的角度把散射光57重新反射35到文档10。这种反射抑制了具有非平面特征的文档上的阴影。
虽然照明系统为扫描仪提供了足够的照明，但各种问题与传统照明系统关联。一种这样的问题是在空间可能极为宝贵的情况下灯/反射器组合的大小。另一个问题是这些较大照明系统的修理和维护。
此外，数字输入扫描仪中的绝大多数文档照明器基于线性荧光灯，包括CCFL(冷阴极荧光灯)，它们采用小直径(～2mm)汞(Hg)荧光灯。对于高速、高性能扫描仪，优于较大直径Hg线性荧光灯而使用较大直径(8-10mm)氙(Xe)线性荧光灯。但是，由于Hg灯的高电压要求和热敏感度以及对于降低产品中汞含量的需求，希望开发其它发光技术、如发光二极管(LED)，它们可以高性能等级来工作，但具有较少机械问题、较低能量、高效率以及较少维护和成本。在美国专利No.6598998中描述了这种面发光装置。一种不同类型的点状光源在美国专利申请公开No.2002/0097578 A1中说明。在美国专利No.6017130中讲授了又一种线照明装置。
本公开在以下图2所示的不同透光元件(LTE)100中结合小尺寸光源，从而提供小型文档照明器。
发明内容
本文公开的若干方面包括：
一种装置包括：透光元件(LTE)；在LTE中形成的空腔；定位在空腔内的发光二极管(LED)；在LTE中形成的孔，定位成接收从LED发出的光；在其中，光穿过孔而照亮文档。
一种设备包括：透光元件(LTE)，它具有孔和嵌入LTE内的LED，其中从LED发出的光在内部反射到孔，从而照亮文档；透镜，适合接收文档的反射图像，以及把反射图像聚焦到传感器阵列上，以便把图像转换为电子信号；以及存储装置，把电子信号作为数字数据记录。
附图说明
图1是根据现有技术的文档照明系统的示图，说明灯和反射器相对于待扫描文档的关系。
图2是一个实施例的示图，说明采用所公开的透光元件(LTE)取代图1的文档照明系统的灯和反射器。
图3A和3B分别是一个实施例的正视图和侧视图，说明在其中形成的空腔中配备LED的透光元件。
图4是LED设置在图3A和3B的透光元件中的不同位置的示图，说明如何可通过以使光线的入射角θi大于临界角θcr的方式定位LED来获得光线的内全反射(TIR)。
图5A和图5B分别是另一个实施例的正视图和侧视图，说明不透光镜面衬里在空腔壁上的使用以及漫射性散射体在孔的后壁上的使用。
图6A和图6B分别是又一个实施例的正视图和侧视图，说明为了获得TIR的光学V型槽口的使用。
图7A和图7B分别是又一个实施例的正视图和侧视图，说明把渐变光散射体用于促进在图5A和图5B的孔处收集光线，以便以最大功率和均匀照明分布来照亮文档。
图8A和图8B分别是一个实施例的正视图和侧视图，说明所公开的透光元件，它装入白包层中以便捕捉可能从透光元件的任何表面逸出的任何光，从而增加光功率输出以及改进用来照亮文档的照明分布。
图9A是示图，说明相对图3所示的实施例、沿透光元件的长度的图5-8的实施例的光输出以及照明分布的形状。
图9B是示图，说明相对图3所示的实施例、沿透光元件的宽度的图5-8的实施例的光输出以及照明分布的形状。
具体实施方式
在实施例中说明：
一种装置，用于采用面发光LED以及线性透光元件照亮文档来扫描文档。
透光元件(LTE)包括图2所示的、与图1的台板20和文档10交互的光导100；但是没有灯/反射器配置及其关联的复杂性，如前面所述。光导100包括光源区域110，它发出的光被从光导中引出作为光线120以照亮台板20上的文档10，如图2所示。包括透镜的成像系统43使直接围绕这个光学中心线40的文档部分的图像投影到包括光传感器的线性阵列(全宽阵列传感器)、CCD传感器或感光器的感光器件45(未示出)上。从光学中心线40附近的文档反射的光由感光器件45转换为组成以电子方式表示文档的图像数据的电子信号，而数据可存储在记录装置、如计算机的存储装置中。
图3A和图3B分别说明光导100的正视图和侧视图。光导非限制性地能够照明范围从信和法定尺寸到A3、A4尺寸的页宽文档，并且可适用于36英寸以及6英寸照明器，使得图3A所示的长度I可长达320mm以上。宽度w非限制性地可从大约2mm到大约6mm改变，而高度h则可从大约20mm到大约25mm改变。LED130装在光导100中形成的空腔140内部。从LED内部的光源150发出的光通过腔壁耦合到光导中。斜切孔160在光导中形成，以便接收直接来自LED或者从LED反射的光，下面会进一步说明，并使它重新定向以便照亮孔附近的文档(未示出)。
光导100包括透明丙烯酸材料，但也可使用其它相似材料。空腔140定位在光导中央，但是，应理解，也可采用光导中的其它非中央位置。空腔可以是穿过图3B所示的光导的宽度w的通孔，或者是不跨越整个宽度的盲孔，取决于希望把光导入和导出照明器的方式。LED130可通过多种方式保持在空腔内，其中包括把LED安装在电路板上，电路板又形成靠着光导100的侧壁对于LED的侧翼支撑135，如图3A和图3B所示。电路板可以是用于控制LED130的光源150的电子系统(未示出)的组件。空腔壁被抛光，以便于光从LED130到光导100的其它部分的无阻碍传输。
一般来说，LED130发出的光线151(实线箭头所示)从空腔140沿所有方向放射状地发出，一部分折射153并逸入周围环境，另一部分反射155(虚线箭头所示)回到光导，并在完全离开光导之前来回散射。光线155通过所谓的回射，使得光线155’与原始光线151平行地反射。一些光线将直接进入孔160的区域并投射163到周围区域，其中包括要照亮的文档。应当注意，诸如照射到孔160的斜切表面的156等的光线将以图3A所示的方向156’折射到周围环境介质中。
在科学领域已知，当光从第一介质传播到第二介质时，它不是沿直线继续传播，而是当它穿过相邻介质间的分界时，以离开或朝向对于第一与第二介质之间的分界面绘制的法线的某个角度折射或弯曲。第一介质中的入射光线与法线构成的角称作入射角θi1，以及第二介质中的透射光线与法线构成的角称作折射角θr2。两个角之间的关系取决于两种介质中的每个的折射率η，通过众所周知的斯涅耳定律来控制：Sinθi1/Sinθr2＝ηr2/ηi1，其中下标表示其相应介质(第一或第二介质)的角类型(入射I或折射r)。光在较低密度材料中传播更快，并且具有较高的折射率。最小可能的折射率为真空下的1.0000。因此可证明，如果光线从它更快传播的材料穿过分界进入更慢传播的材料，则光线将朝法线弯曲，反之亦然。还可证明，存在一个称作临界角θcr的入射角，在这个角度上，透射光线可与法线成90°折射，即平行于分界面。对于具有大于θcr的入射角的第一介质中的任何光线，没有光线从第一介质逸出到第二介质，从而产生从分界回到第一介质中的全反射，而没有任何折射光传到第二介质中。在θcr上出现的这种现象称作内全反射(TIR)。
作为示范，如图4所示，从透明丙烯酸中的光源进入周围空气介质的光线的临界角θcr为从大约36.0度至大约45.6度，其中η丙烯酸为大约1.4至大约1.7，以及η空气＝1.0003。会注意到，TIR仅对于从具有高于它正进入的介质的折射率的第一介质传播的光出现。此外，折射角θr在0至90°之间变化，以及对于内全反射，在反射中没有损失光功率。图4说明一般光线的入射角θi以及当折射角θr可与法线n构成90°以便获得TIR时的临界角θcr。以临界角θcr到达由法面N和介质1与介质2之间的分界面形成的交叉点O的光线152’具有90°的折射分量152”和反射分量152。折射分量152”保持与边界面平行并在介质1中。形成入射角θi＞θcr的任何其它光线154则在表示为154’的方向上经历内全反射。在一个实施例中，空腔140可设置在介质1中的不同位置上，以便使光功率和分布最大，同时空腔壁可加上不透明衬里141，以便建立预期入射角。
在本文进一步公开的实施例中，光导具有嵌入LED以便提供内全反射。这可通过形成具有不同截面的空腔140来提供，包括但不限于圆形、正方形、矩形和多边形。空腔的某些部分也可衬以不透明镜面衬里或阻光物143和143’，如图5A和图5B所示，以便允许光线151直接从LED140中的光源150发出，其方式使得从光导壁产生内全反射155，同时阻挡没有正确的入射角因而没有经历内全反射的那些光线。TIR光线在斜切孔160处接收，以便进一步传播以照亮未示出的文档。
在另一个实施例中，通过在孔160的后壁提供附加不透明漫反散衬里170，在孔160处收集的直接光线151’和/或反射光线155进一步漫射167以便提高照明功率和照明分布，如图5A和图5B所示。在空腔壁上形成的不透明镜面衬里(143，143’)以及孔壁上的漫反射散射体(170)可以是连续的、不连续的以及具有不同形状的，其中包括但不限于正方形、矩形、三角形、多边形以及相同和不同形状的延伸形式。
从孔160发出的照明的强度和形状通过从LED发出的光送往孔的良好程度来控制。如上所述，如图3A和图3B所示从空腔中的光源中发出的光将朝所有方向投射，而只有光的一部分将从斜切孔160中发出，它因从光导的所有表面发出的光的其余部分153而具有一般散射的形状和弱功率。另一方面，通过明智地设置不透明镜面衬里的阻光物143和143’，从LED130发出的光可以这样的方式导向，以便促进光从光导的丙烯酸-空气分界面朝孔160反射，并且通过提供来自孔处的附加衬片170的漫散射进一步增强，从而产生输出强度和分布比用图3A和图3B的独立光导所得到的更高的离开孔的光线。图5A和图5B所示的阻光物143和143’沿腔壁形成相对的大约60度的扇区，以及不同角度的其它扇区和角度可用来“微调”从LED发出的光线的镜面特性以获取增强的TIR。空腔以及孔处的不透明衬里具有大约90％的反射率，使得从LED发出的光以较高强度和均匀照明分布在箭头167所示的方向上照射到扫描文档。
一个备选实施例包括一个光学V型槽口180，它在图5A的光导的下边沿形成，如图6A所示。槽口提供与光导的平底面不同的斜面，使得原本会逸出到周围介质的光线因而向光导内部反射，最终在孔处漫散出去，从而把更多功率添加到光导发出的所得照明。因此，槽口增强了TIR，如同一个图中的光线157、157’、157”和157所示。
图6A所示的实施例还可通过提供复合曲面190(虚线所示)代替图6A中所示的V型槽口来进一步增强。复合曲面190经过计算，以便提供在曲面上入射的光线的更增强的内全反射。计算考虑了光导的整体尺寸以及光导中的LED的布置。在图6A所示的实施例的一个方面，一个或多个光学槽口可结合到光导100中。
在又一个实施例中，光导100的后表面可采用一系列漫射白衬片(171，173，175，177以及171’，173’，175’，177’)来形成图案，它们阻碍TIR，并且使内反射光散射并随后以最小功率损失和最大均匀照明分布通过斜切孔160离开光导，如图7A和图7B所示。在一个方面，衬片的大小和位置可改变，以便定制孔处的照明的形状。在另一方面，通过使白漫射衬片渐变，即，在光源附近较小并且越远长度逐渐更大，可使从一端到另一端的照明分布的可变性最小，从而沿整个孔长度产生具有充分输出功率等级的均匀分布。孔本身可按照各种配置来塑造，以便对照明分布整形以及提高曝光效率。
在图8A和图8B所示的备选实施例中，整个光导100可被包入具有从大约60％至大约90％的反射率的不透明白塑料包层200中，它具有把可能离开光导的光线重新反射回到光导的作用，从而提高效率。
图9A和图9B说明与以上公开的实施例对应的各种照明分布的相对幅度和形状。图9A说明沿光导的长度I(在这个示范中大约300mm)的轴向照明分布，而图9B则说明沿孔的斜切宽度w(大约4mm)的截面分布。图9A所示的参考分布210对应于图3A和图3B所示的光导。分布220和230分别对应于具有光学V型槽口的图6A和图6B的光导以及另外还具有白包层的图8A和图8B的光导。在图9A中看到，相对于具有功率(mX)的图3A和图3B的独立光导，光强度的相对输出功率等级通过V型槽口提高大约“n”倍(nX)以及通过包入白包层的光导提高大约“p”倍(pX)，其中p＞n＞m，以及n可从大约3m到大约5m变化，以及p可从大约5m到大约10m变化。此外，与分布210对应的图2的未增强光导具有接近孔160的中部240的较尖锐且高电平尖峰215。在与图6A和图6B的V型槽口光导对应的分布220中，尖峰225被衰减并横跨孔的中部y量，它大于在没有V型槽口的情况中示意表示的I量。在与图8A和图8B的白包层光导对应的分布230中，分布的形状沿光导的孔的整个长度I较平滑235并且更均匀。
类似地，在孔160的宽度w上，相对于图3A和图3B的未增强光导的截面分布210’，对于增强的V型槽口和白包层光导，与图5和图7的光导对应的照明分布220’和230’在幅度以及在均匀度方面分别呈现大约、但不限于5X至10X的实质提高。

Claims (3)

1.一种装置，包括：
透光元件；
在所述透光元件中形成的空腔；
定位在所述空腔内部的发光二极管；
在所述透光元件中形成的孔，定位成接收从所述发光二极管发出的光；
其中所述光穿过所述孔而照亮文档。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述透光元件具有在其面中的一个或多个面上形成的一个或多个光学槽口。
3.一种设备，包括：
透光元件，具有孔以及嵌入所述透光元件内的发光二极管，其中从所述发光二极管发出的光在内部反射到所述孔以照亮文档；
透镜，适合接收所述文档的反射图像以及把所述反射图像聚焦到传感器阵列上，以便把所述图像转换为电子信号；以及
存储装置，把所述电子信号作为数字数据来记录。
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