CN201561291U - 具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源，其包含导光体及至少二个发光二极管，导光体设有入射面、反射面、折射面及出射面，反射面为具有棱形齿肋结构；发光二极管设置于导光体两端的入射面。当发光二极管发出光线后，光线进入导光体，经由棱形齿肋反射面将光线反射，并在出射面出射。可在副扫描方向形成U形的照度分布，对于取像镜头与CCD影像传感器形成互补效应，在主扫描方向形成线性集中的照度分布。由此，使被照物的影像可经由CCD影像传感器转换后形成均匀的影像信号，以适用于高分辨率的传真机、打印机及扫描仪的线性光源。

Description

具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源

技术领域

本实用新型涉及一种具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源，尤其涉及一种可以产生预定的照度分布，对于聚焦镜头与CCD影像传感器形成互补效应的线性光源，以应用于高分辨率的传真机、打印机及扫描仪的具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源。

背景技术

目前扫描仪、传真机、多功能周边事物机及复印机等图像读取装置已广泛使用于文件储存或传送，这些设备的核心之一为光学引擎模块100(opticalengine module)，如图1，包含光源(light source)1、反射镜片组140(reflectionmirrors)、取像镜头120(pickup lens)及影像传感器130(image sensor)；当光源1发出光线投射在文件55上，文件55反射光线，经由反射镜片组140多次反射后，由取像镜头120聚焦于影像传感器130上成像，所成的影像(image)经由影像传感器130转变成电子信号。其中，影像传感器130最常使用光耦合组件(CCD，charge coupling device)，因此光学引擎模块100又称为光耦合组件模块(CCDM，CCD module)。

光源1常使用冷阴极管(CCFL，cold cathode fluorescent lamp)，但因CCFL需要额外的电压转换器，且因含有卤素元素而不符合环保要求，近年已渐被发光二极管(LED，light emitting diode)取代；如美国专利US20040095620提出使用LED为扫描仪的光源。LED具有节省电力及寿命长的优点，然而，使用LED为扫描仪的光源也存在LED光线分布不如CCFL均匀的问题，使扫描分辨率无法提高或产生明暗不均匀的文件反射光线，因此常只能使用于低速扫描仪(low-speed scanner)。

通常光耦合组件模块(CCDM)的光源所发出的光线要能涵盖待扫描文件的宽度(approximately the same length as a width of the document)，如日本专利JP11-232912提出使用LED为光源，在各种柱面镜(rod lens)后端排设LED阵列，以使其照度均匀化，以应用于扫描仪中。

为使光源发出的光线均匀，台湾专利TW579640及美国专利US20050088705揭露不同的扫描仪的集光装置，其利用集光组件及导光组件将光源发出的光线引导至待扫描的文件上。另外，如日本专利JP2003262735揭露使用齿状的反射面以应用于背光模块的导光板(light guide plate)；如台湾专利TWI24586，则揭露一种具有锯齿状反射面的线状光源，具有锯齿状反射面及弧状出射面的导光棒，使发光二极管阵列发出的光线经由导光体而达均匀化的目的。US20090015884、US20090015886则提出在导光体侧面设置光源，并在导光体反射面设置多个反射凹槽，以产生均匀的光线分布。

然而，由于取像镜头的光学镜片(optical lens)的聚焦曲面(focal surface)影响，光线射入取像镜头后，经由取像镜头聚焦，在取像镜头的边缘出射的光线强度较弱，相对使CCD周围接受的光线强度较弱；在副扫描方向均匀照度的光源，会造成文件影像边缘较暗，难以提高扫描仪的分辨率。如图2，其为高速高分辨率CCDM使用的CCFL(或氙气灯)照度分布及结构示意图，当灯管电极72驱动氙气灯管71发出光线，经由特定的长度与照明安排，使待扫描文件副扫描方向(sub scanning direction)照度分布形成U形的相对照度分布73，副扫描方向在光源中心74照度较低、两端照度较高，可以补偿CCD周围光线强度，使光耦合组件模块(CCDM)可以产生均匀强度的影像信号。另如图3所示，美国专利US20050195452提出在柱面镜92(rod lens)后端排设LED阵列91(LED Array)，经由排列的LED阵列91加以控制各LED的亮度，使发出的光线在待扫描文件上的照度(illumination)能形成均匀或形成U形的照度分布，据此改善副扫描方向的均匀性，以取代CCFL应用于高速扫描仪中。然而，采用导光体后端使用LED阵列等技术手段，需要许多的LED单体及复杂的控制。另一种技术方案是将光源设置于导光体端面，如图4所示，在光源发出端设置端盖(end cap)81，避免大部份的光线由接近端面处逸出，并在多角形的导光体82设置齿状反射面(reffective tooth)821，以使光源发出的光线能充份反射以增加光线的利用性，并以不同的齿形形状与齿形间距调整光线射出后的光型。然而，多角形的导光体与不同的齿形间距，增加制造的困难，成本难以下降。

因此，为简化制造及降低成本，发展在导光体端面设置LED光源以减少LED使用量，并以便于制造，且出射面在副扫描方向形成与文件影像互补的U形照度分布、在主扫描方向形成线性集中的照度分布，将符合高分辨率与高速扫描目的使用。

实用新型内容

本实用新型是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源，应用于具有取像镜头与CCD影像传感器的光耦合组件模块(CCDM)，线性光源包含导光体、反射盖及两个发光二极管(LED)；其中，导光体由光学材料制成，设有入射面、反射面、两个折射面及出射面，反射面与出射面对应设置，发光二极管(LED)设置于导光体两端的入射面；两个折射面分别设置于反射面的两侧；导光体的反射面具有多个棱形齿肋结构，每一棱形齿肋结构设有切角面，利用反射面将射入导光体反射面的光线反射至出射面；在主扫描方向出射面为凸面，其凸面为面向物体侧；使发光二极管(LED)发出的光线由入射面进入，经由反射面反射、折射面折射，并由出射面射出后，可在被照物体(如待扫描文件)上，在主扫描方向(mainscanning direction)形成线性集中(linear convergence)的照度分布，在副扫描方向形成U形的照度分布(illumination distribution)，以补偿CCD周围光线强度较弱的现象，形成互补效应，由此产生均匀光强度的影像信号。

本实用新型的另一目的在于在导光体的入射面设置入射凹面，该入射凹面的中心位于所述两个发光二极管中心轴连线的光轴上，用以提高导光效率，减少光线散溢，提高导光体出射面的平均照度。

本实用新型的又一目的为在导光体的出射面，副扫描方向设置为凹面，相对于光线出射方向为凸面，用以进一步提高导光体出射面的两端照度的强度。

由此，根据本实用新型的具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源，其可具有一个或多个下述优点：

(1)根据本实用新型提出的棱形齿肋反射面的导光体与安排于两侧入射面的LED光源，可以改善现有技术中使用多个LED光源的直接照射方式的高成本与复杂控制的缺点。

(2)根据本实用新型提出的导光体的棱形齿肋反射面的结构，可在主扫描方向形成线性集中的照度分布、在副扫描方向形成U形的照度分布，用以补偿CCD周围光线强度较弱的现象，形成互补，产生均匀光强度的影像信号，可满足高分辨率、高速扫描的需求。

(3)根据本实用新型提出的导光体在出射面设置凹面的结构(相对于光线出射方向为凸面)或入射面设置凹面的结构，可以提高光线利用效率，相对增加光强度。

附图说明

图1为现有技术的线性光源应用于影像扫描模块的示意图；

图2为现有技术的导光体及照度分布的示意图；

图3为现有技术的导光体及照度分布的示意图；

图4为现有技术的导光体的示意图；

图5为本实用新型的具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源第一实施例的示意图；

图6为本实用新型的具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源的反射面示意图；

图7为本实用新型实施例的反射盖示意图；

图8为本实用新型实施例的部分导光体透视图；

图9为图8的A-A’截面图；

图10为图8的B-B’截面图；

图11为本实用新型实施例的在副扫描方向入射光线反射形成U形照度分布的示意图；

图12为本实用新型实施例的在主扫描方向入射光线反射形成线性集中照度分布的示意图；

图13为本实用新型的具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源第二实施例的示意图；

图14为本实用新型的具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源第三实施例的示意图；

图15为第二实施例的导光体出射面7mm处副扫描方向的位置与照度关系图；

图16为第二实施例的导光体出射面7mm处主扫描方向的位置与照度的均方根值关系图；

图17为第三实施例导光体出射面7mm处副扫描方向的位置与照度的均方根值关系图；

图18为第三实施例的导光体出射面7mm处主扫描方向的位置与照度的均方根值关系图；

图19为第四实施例的导光体出射面7mm处副扫描方向的位置与照度的均方根值关系图；

图20为第四实施例的导光体出射面7mm处主扫描方向的位置与照度的均方根值关系图；

图21为第五实施例的导光体出射面7mm处副扫描方向的位置与照度关系图；以及

图22为第五实施例的导光体出射面7mm处主扫描方向的位置与照度的均方根值关系图。

主要符号说明：1为线性光源(linear light source)；10为导光体(light guide)；11a、11b为发光二极管(LED)；12为出射面(ejective surface)；13为反射面(reflection surface)；131为棱形齿肋(taped saw tooth)；132为切角面；15为入射面(incident surface)；16(16a、16b)为入射凹面(incident concavity)；17为折射面(refractive surface)；18为反射盖(reflective cartridge)；181a、181b为端盖(end cap)；21、22、23为光线(light)；21’、22’、23’为光线(source light)；55为文件(document)；71为氙气灯管(xenon lamp)；72为灯管电极(Lampelectrode)；73为照度分布(illumination distribution)；74为光源中心(center oflight source)；81为端盖(end cap)；82为多角形的导光体(polygonal light guide)；821为齿状反射面(reflective tooth)；91为LED数组(LED Array)；92为柱面镜(rod lens)；100为光学引擎模块(optical engine module)；140为反射镜片组(reflection mirrors)；120为取像镜头(pickup lens)；以及130为影像传感器(imagesensor)。

具体实施方式

为使本实用新型更加明确详实，列举优选实施例并配合下列图示，将本实用新型的结构及其技术特征进行如下描述。

参照图5，其为本实用新型的具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源第一实施例的示意图。图6为本实用新型的具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源的反射面示意图。图7为本实用新型实施例的反射盖示意图。线性光源1包含一个导光体10、反射盖18及两个发光二极管(LED)11a、11b；其中，导光体10由光学材料制成，设有入射面15、反射面13、两个折射面17及出射面12，反射面13与出射面12对应设置，发光二极管(LED)11a、11b设置于导光体10两端的入射面15；两个折射面17分别设置于反射面13的两侧，用以将光线折射；在主扫描方向(Y方向)出射面12为凸面，其凸面为面向物体侧，其曲率半径为R_12Y。其中，导光体10的反射面13为具有多个棱形齿肋131结构，每一棱形齿肋131结构设有切角面132，利用反射面13将射入导光体10反射面13的光线反射至出射面12，如图8至图10所示；其中，θ_c表示切角(chamfer angle)角度，其为切角面132与反射面13所形成的角度；c为切角面132在主扫描方向的投影长度；W为导光体10在主扫描方向的宽度；W₂为棱形齿肋的长度；d为两个齿形反射肋的距离；H为反射面13至出射面12顶点的长度，即为导光杆的高度；Hz为棱形齿肋底部至出射面12顶点的长度。其关系式如下：

H_Z＝H+c sinθ_c                           (1)

${\mathrm{\θ}}_c={\cos }^{-1}\left(\frac{(W-2W_2)}{2c}\right)---\left(2\right)$

进一步，入射面15可设有入射凹面16a、16b，该入射凹面16a、16b面向于发光二极管(LED)11a、11b侧，所述入射面15的入射凹面16a、16b的中心位于所述两个发光二极管(LED)11a、11b中心轴连线的光轴上，其曲率半径分别为R_16a、R_16b。其入射凹面16a、16b在入射面15的直径为Dc，系配合发光二极管11a、11b的直径所设置。

再进一步，在副扫描方向(X方向)，出射面12可设置为凹面，其曲率半径为R_12X，可将副扫描方向射出出射面12的光线照度分布更为聚集。

反射盖18为U形槽，可以容置导光体10，U形槽为金属所制或具有反射层，可以将穿透出导光体10的光线反射进入导光体10；反射盖18进一步包含两个端盖(181a、181b)，用以遮蔽非作用区的光线。

本实用新型的棱形齿肋反射面导光体10为光学材料所制成，光学材料的折射率(refractive index)n_d大于空气的折射率1.0，当LED发出光线后，光线经由两端入射面15进入导光体10，由于导光体10的折射率n_d大于空气的折射率1.0，进入导光体10的光线在临界角度(critical angle)内，只会产生折射而不会产生穿出导光体10；若穿出导光体10的光线，则由反射盖18折射进入导光体10。如图11，由于LED发出的每条光线角度不同，在导光体10内的光线若射至反射面13，经由反射面13的棱形齿肋131结构可将光线反射。在副扫描方向，若LED发出的光线21进入导光体10射至反射面13，光线21被棱形齿肋131反射至出射面12，形成光线21’；若光线22以小于反射临界角射至导光体10折射面17，被折射面17折射后射至反射面13，光线22被棱形齿肋131反射至出射面12，形成光线22’；根据本实用新型的导光体10，在副扫描方向，接近导光体10两端的入射面15，射出出射面12的光线照度较高，在中央部份射出出射面12的光线照度较低，但根据反射面13的棱形齿肋131结构，使中央部份的照度可以提高，形成两端较高中央较低且平的U形照度分布。为达最佳效果，两个齿形反射面13的距离d、反射面13至出射面12顶点的长度H(导光杆的高度)、棱形齿肋131底部至出射面12顶点的长度Hz，则可依据导光体10光学材料的折射率n_d与导光体10在副扫描方向的长度L、发光二极管的直径等相互配合。

光耦合组件模块使用的CCD影像传感器为面传感器(area sensor)，因受取像镜头光学镜片的聚焦曲面影响，在边缘部份光线强度较弱，使面传感器产生的电子信号在边缘部份较低，在中央部份产生的电子信号较均匀，若照射在被照物体(如待扫描文件)的光线，在副扫描方向为均匀的照度分布时(如图1)，经由待扫描文件反射后，被CCD影像传感器所接收，CCD影像传感器所产生的影像信号在两端则会较弱(颜色较暗)，写真程度(degree ofrealism)降低。若使用如图2或本实用新型产生的U形照度分布时，CCD影像传感器所产生的影像信号在两端则会提高，写真程度(degree ofrealism)提高，产生更好的分辨率与影像电子信号。

再如第12图，由主扫描方向，光线21由LED射出后，被棱形齿肋131反射至出射面12，再经由出射面12的凸面R12聚集，形成光线21’；若光线22以小于反射临界角射至导光体10折射面17，被折射面17折射后射至出射面12，再经由出射面12的凸面R12聚集，形成光线22’；若光线23以大于反射临界角射至导光体10折射面17，光线23将穿出导光体10，再被反射盖18反射再进入导光体10，若光线23射至反射面13的切角面132时，光线23被切角面132反射至出射面12，经由出射面12的凸面R12聚集形成光线24’；即根据反射面13的棱形齿肋131与切角面132可将入射的光线21、22、23反射至出射面12，再经由出射面12的凸面R12聚集成为线性集中(linearconvergence)的照度分布。在主扫描方向，经由导光体10发出的光线，可形成照度高宽度小的线性光束(light beam)，提供给影像扫描仪使用。为达最佳效果，切角面132的切角角度，棱形齿肋131长度W₂，则可依据导光体10宽度W、光学材料的折射率n_d、出射面12的凸面的曲率半径R₁₂及出射面12至被扫描文件的距离等相互配合。

为便于说明及比较，以下实施例的具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源1，均为用于A3/A4尺寸的CCD影像传感器的影像扫描仪，待扫描文件宽度为±105mm(210mm宽)；线性光源1包含一个导光体10、反射盖18及两个发光二极管(LED)11a、11b；发光二极管(LED)11a、11b使用高亮度LED，当影像扫描仪启动时，可发出白色的光线。使用的反射盖18为不透明塑料(opaque plastic)所制，形成为U形槽状，内表层镀有铝反射膜层(aluminumreflection layer)，可以将穿透出导光体10的光线反射进入导光体10；反射盖18在导光杆两端设有两个端盖(181a、181b)，用以遮蔽非作用区的光线。为便于说明，下列各实施例均使用相同长度(L＝260mm、±130mm)、相同高度(H＝6.5mm)、相同宽度(W＝6.2mm)的导光体10，出射面12至被扫描文件的距离设为7mm，发光二极管11a、11b直径为2.1mm，两端发光二极管11a、11b发出光线后，经由两个宽度为10mm的端盖(181a、181b)遮蔽后，导光体10在副扫描方向(X方向)发出长度为±120mm的U形照度分布的光线、在主扫描方向(Y方向)发出线性集中的照度分布的光线，以照射被照物体(如待扫描文件)。上述所列的尺寸及数据仅为举例，但本实用新型并不局限于此。

参照图15至图22，其为各实施例在被照物体(距离为7mm)上的副扫描方向及主扫描方向，均方根照度(root mean square illumination)与位置的照度分布图，在副扫描方向显示±140mm的长度(相对于被照物体有效范围为±105mm)、主扫描方向显示±10mm的宽度(若不考虑被光阑所遮断、相对于被照物体有效范围为±2.5mm)。

<第一实施例>

参照图5，其为本实施例的具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源的示意图，在本实施例，导光体10由光学材料聚碳酸酯(PC)制成，折射率(refractiveindex)n_d＝1.58，入射面15为平面、出射面12副扫描方向为平面，导光体10相关参数如表一。

表一、第一实施例导光体相关参数

<第二实施例>

参照图13，其为本实施例的具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源的示意图，在本实施例，导光体10由光学材料聚碳酸酯(PC)制成，折射率n_d＝1.58，入射面15具有凹面16，在出射面12副扫描方向为平面，导光体10相关参数如表二。

表二、第二实施例导光体相关参数

待扫描文件设置于距离导光体10两端7mm处，本实施例的具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源1，在距离导光体10两端7mm处的照度分布如图15、图16，分别为副扫描方向的位置与照度关系图与主扫描方向的位置与照度的均方根值关系图；由图15、图16所示，本实施例的线性光源1可在待扫描文件上形成取像镜头与CCD影像传感器互补效应的光源。

<第三实施例>

参照图13，其为本实施例的具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源1的示意图，在本实施例，导光体10由光学材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成，折射率n_d＝1.49，入射面15具有凹面16，在出射面12副扫描方向为平面，导光体10相关参数如表三。

表三、第三实施例导光体相关参数

本实施例的具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源1，在距离导光体10两端7mm处的照度分布如图17、图18，分别为副扫描方向的位置与照度关系图与主扫描方向的位置与照度的均方根值关系图；由图17和图18所示，本实施例的线性光源1可在待扫描文件上形成取像镜头与CCD影像传感器互补效应的光源。

<第四实施例>

参照图14，其为本实施例的具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源1的示意图，在本实施例，导光体10由光学材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成，折射率n_d＝1.49，入射面15具有凹面16，在出射面12副扫描方向为凹面，导光体10相关参数如表四。

表四、第四实施例导光体相关参数

本实施例的具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源1，在距离导光体10两端7mm处的照度分布如图19、图20，分别为副扫描方向的位置与照度关系图与主扫描方向的位置与照度的均方根值关系图；由图19、图20所示，本实施例的线性光源1可在待扫描文件上形成取像镜头与CCD影像传感器互补效应的光源。

<第五实施例>

参照图14，其为本实施例的具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源1的示意图，在本实施例，导光体10由光学材料聚碳酸酯(PC)制成，折射率n_d＝1.58，入射面15具有凹面16，在出射面12副扫描方向为凹面，导光体10相关参数如表五。

表五、第五实施例导光体相关参数

本实施例的具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源1，在距离导光体10两端7mm处的照度分布如图21、图22，分别为副扫描方向的位置与照度关系图与主扫描方向的位置与照度的均方根值关系图；由图21、图22所示，本实施例的线性光源1可在待扫描文件上形成取像镜头与CCD影像传感器互补效应的光源。

综上上述，本实用新型的具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源的功效在于根据棱形齿肋反射面的导光体与安排于两侧入射面的LED光源，可在副扫描方向形成U形的照度分布，在主扫描方向形成线性集中的照度分布，可提供给高分辨率与高速扫描仪使用。

以上所述仅为举例性的，而不是限制性的。任何未脱离本实用新型的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本实用新型的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.一种具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源，应用于具有取像镜头与光耦合组件影像传感器的光耦合组件模块，对被照物体发出光线；其特征在于所述线性光源包含导光体、反射盖及两个发光二极管；

其中，所述导光体由光学材料制成，设有入射面、反射面、两个折射面及出射面，所述反射面与所述出射面对应设置，所述两个发光二极管分别设置于所述导光体两端的所述入射面，所述两个折射面分别设置于所述反射面的两侧；

其中，所述导光体的所述反射面具有多个棱形齿肋结构，每一个所述棱形齿肋结构的两侧设有切角面，利用所述反射面将射入所述导光体的所述反射面的光线反射至所述出射面；在主扫描方向的所述出射面为凸面，该凸面面向所述被照物体侧；

所述两个发光二极管发出的光线由所述入射面进入所述导光体，经由所述反射面反射、所述折射面折射，由所述出射面射出后，可在所述被照物体上的主扫描方向形成线性集中的照度分布、在副扫描方向形成U形的照度分布。

2.根据权利要求1所述的具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源，其特征在于所述导光体的所述入射面设有凹面，所述凹面面向于每一个所述发光二极管侧，所述入射面的所述凹面的中心位于所述两个发光二极管中心轴连线的光轴上。

3.根据权利要求1所述的具有棱形齿肋反射面导光体的线性光源，其特征在于所述导光体的所述出射面在副扫描方向为凹面，所述凹面面向于所述被照物体侧。

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