DE69836042T2

DE69836042T2 - Lineare Beleuchtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69836042T2
Application number: DE69836042T
Authority: DE
Inventors: Tetsuro Takaraduka-shi Nakamura; Eiichiro Kishiwada-shi Tanaka; Takahiko Suminoe-ku Osaka-shi Murata
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1997-03-04
Filing date: 1998-02-27
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2018-02-28
Also published as: KR19980079882A; DE69836042D1; EP0863422A3; EP0863422A2; EP0863422B1; TW404111B; US6351594B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Linearstrahlbeleuchter zur Beleuchtung der Oberfläche eines Originalblattes in der Hauptabtastrichtung, beispielsweise bei einem optischen Bildleser.
Ein üblicher Linearstrahlbeleuchter wird der Einfachheit halber am Beispiel eines optischen Bildlesers erläutert.
In den letzten Jahren sind optische Bildleser weithin gebräuchlich geworden als Leseeinheiten für Facsimiles, Abtaster, Balkencodeleser etc. und als Originalbeleuchtungsquelle für diese Art von Einrichtungen dient eine LED-Anordnung, bei welcher LED-Chips in linearer Form angeordnet sind.
14 zeigt einen Aufbau eines üblichen optischen Bildlesers. In dieser Fig. wird ein Originalblatt 51 (im Folgenden als „Original 51" bezeichnet) mit einer LED-Anordnung 52 beleuchtet, die als Originalbeleuchtungsmittel dient, und das von diesem Original 51 reflektierte Licht wird durch eine Stablinsenanordnung 53 konvergiert und als Eingangssignal einer fotoelektrischen Wandlerelementanordnung 54 zugeführt, um in ein elektrisches Signal umgewandelt zu werden.
Hier beträgt der Abstand von der fotoelektrischen Wandlerelementanordnung 54 zum Original 51 üblicherweise ungefähr 10 mm, und die die Stablinsenanordnung 53 bildenden betreffenden Stablinsen haben eine säulenförmige Form von etwa 0,6 mm Durchmesser.
15 zeigt die Konstruktion einer üblichen LED-Anordnung, bei welcher eine Mehrzahl von LED-Chips 62 linear auf einer Druckschaltungsplatine 61 angeordnet ist, welche die leitende Schicht einer Schaltung bildet. Üblicherweise sind 24 bis 32 solcher LED-Chips 62 auf einer Druckschaltungsplatine untergebracht. Ein solcher LED-Chip 62 hat eine Länge von etwa 2 mm, und die einzelnen LED-Chips 62 sind mit Abständen von etwa 5 mm angeordnet.
Darüber hinaus beschreibt die offen gelegte japanische Patentanmeldung Nr. 8-043633 eine Originalbeleuchtungseinrichtung einer Konstruktion, bei welcher an beiden Enden oder an einem Ende eines Lichtleiters eine Lichtquelle angeordnet ist, deren Licht durch den Lichtleiter übertragen wird. Bei dieser Konstruktion wird es möglich, auf einer Seitenfläche in der Längsrichtung des Lichtleiters einen Lichtdiffusionsbereich, wie etwa eine Hackwellenoberfläche (chopping wave surface), auszubilden, um von der anderen Seitenfläche in der Längsrichtung einen konzentrierten Linearstrahl ausgehen zu lassen.
Während ein Originalbeleuchtungsmittel dann gut arbeitet, wenn nur ein linearer Lichtstrahl in Abtastrichtung vorliegt, hat diese Konstruktion bei Verwendung einer LED-Anordnung einen Nachteil, indem die Beleuchtungseffizienz sinkt, weil die LED-Chips 62 nicht auch in die jeweilige Unterabtastrichtung streuen. Weil weiterhin die LED-Chips in vorbestimmten Intervallen vorgesehen sind, führt dies nicht nur zu Abweichungen der Beleuchtung der Oberfläche des Originals, was eine Verarbeitung wie eine Korrektur der Abschattung erfordert etc., sondern auch die Bildleseeigenschaften des Bildlesers selbst verschlechtern sich auch bei einer solchen Verarbeitung.
Um weiterhin die Beleuchtungsabweichungen für die Oberfläche des Originals auf einem Minimum zu halten, muss man einen bestimmten Abstand zwischen dem Original 51 und der LED-Anordnung 52 einhalten, was wiederum eine größere Anzahl von LED-Chips erfordert, die Größe der Einheit selbst erhöht und die Kosten steigert.
Außerdem ist diese Zwischenfläche der Hackwelle, welche in der offen gelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 8-043633 beschrieben ist, mit Luft bedeckt, die einen niedrigeren Brechungsindex als der Lichtleiter hat. Daher wird das auf diese Zwischenfläche der Hackwelle auftreffende Licht neben dem durch den Lichtleiter übertragenen Licht innerhalb des Lichtleiters totalreflektiert und tritt aus der anderen Seitenfläche aus. Weil jedoch das gesamte Licht nicht notwendigerweise zurück ins Innere des Lichtleiters reflektiert wird, entweicht ein Teil des Lichtes aus dem Lichtleiter heraus und verringert somit die Übertragungseffizienz.
Die EP-A-0607930 bezieht sich auf eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem Lichtleiter. Ein längliches durchscheinendes Element ist an einer Endfläche mit einer LED-Lichtquelle versehen, und es ist ein Lichtreflektionsbereich in Form einer sägezahnförmigen Reflektionsfläche vorgesehen.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung eines Linearstrahlbeleuchters, mit dem sich Abweichungen der Beleuchtung der Oberfläche des Originals steuern lassen, ohne dass die Beleuchtungseffizienz der LED-Anordnung geringer würde. Eine andere Aufgabe liegt in der Schaffung eines Linearstrahlbeleuchters kleiner Abmessungen mit verringertem Abstand zwischen der Lichtabstrahloberfläche und dem Original. Noch eine weitere Aufgabe liegt in der Schaffung eines Linearstrahlbeleuchters, mit dem sich die Übertragungseffizienz des Lichtes drastisch verbessern lässt und die Anzahl der LED-Chips stark verringern lässt. Eine weitere Aufgabe liegt schließlich in der Schaffung eines preisgünstigen Linearstrahlbeleuchters.
Die Erfindung sieht einen Linearstrahlbeleuchter vor mit einem länglichen, lichtdurchlässigen Lichtleiter, einem an einer Seite des Lichtleiters angeordneten Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich, der eine große Anzahl von Hackwellenoberflächen hat, wobei der Beleuchter ferner eine an einem oder beiden Enden des Lichtleiters angeordnete Lichtquelle aufweist, so dass von dieser ausgehendes Licht in den Lichtleiter eintritt, und das im Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich gebrochene oder reflektierte Licht vom Lichtleiter an dessen dem Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich entgegengesetzten anderen Seitenfläche austretende Licht die Form eines linearen Strahls hat, wobei der Beleuchter enthält:
Eine diffuse Oberfläche, welche den Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich überdeckt und sich über einen Raum von ihm erstreckt und der Brechungsindex dieses Raumes kleiner als derjenige des Lichtleiters ist,
einen Verbindungsteil als Verbindung zwischen dem Lichtleiter und der Lichtquelle und
einer Lichtdiffusionsschicht zum Streuen von an die Innenfläche des Verbindungsteils gelieferten Lichts, wobei Länge und Durchmesser des Verbindungsteils den Totalreflektionsbedingungen des in den Lichtleiter von der oder den Lichtquellen eintretenden Lichtes an der Außenwand des Lichtleiters genügen.
Durch diese Konstruktion gelangt von der Lichtquelle emittiertes Licht in den Lichtleiter 1, wird in dem Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich 2 gebrochen oder reflektiert und tritt in Längsrichtung gesehen von der anderen Seitenfläche aus, welche dem Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich 2 gegenüberliegt.
Bei diesem Linearstrahlbeleuchter wird die Erfindung dadurch realisiert, dass der Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich 2 und die Diffusionsoberfläche 8 derart angeordnet sind, dass der Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich 2 überdeckt wird. Hierdurch wird Licht, welches in die vom Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich 2 des Lichtleiters 1 unterschiedlichen Teile eintritt, durch den Lichtleiter 1 übertragen wird und in den Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich 2 eintritt und aus der Austrittsfläche in Form eines Linearstrahls austritt.
Selbst wenn Licht, das in den Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich 2 eintritt, durch diesen Bereich übertragen wird, wird es darüber hinaus zurück zum Inneren des Lichtleiters 1 durch die Diffusionsoberfläche 8 übertragen, die auf dem Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich 2 ausgebildet ist, und kann effizient einen linearen Strahl bilden.
Wenn die Diffusionsoberfläche 8 über einem Raum (beispielsweise einer Luftschicht) angeordnet ist, der nicht optisch an den Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich 2 angepasst ist, dann nimmt der Anteil des unmittelbar zur Diffusionsoberfläche 8 gelangenden Lichtes ab, und der Wirkungsgrad steigt.
Die Form des Lichtleiters 1 kann so gewählt werden, dass seine Querschnittsfläche sich von beiden Enden zur Mitte zunehmend verringert. In diesem Fall kann an beiden Enden des Lichtleiters 1 eine Lichtquelle vorgesehen werden. Weiterhin kann die Form des Lichtleiters 1 so gewählt werden, dass seine Querschnittsfläche von einem Ende zum anderen allmählich abnimmt. In diesem Fall kann die Lichtquelle an einem Ende des Lichtleiters 1 angeordnet werden, und am anderen Ende kann ein Lichtabschluss 38 vorgesehen werden.
Die in Längsrichtung andere Seitenfläche, die Licht vom Lichtleiter 1 abstrahlt, liegt vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zu beiden Endflächen des Lichtleiters 1. Dadurch liegt die vom Licht beleuchtete Oberfläche ebenso wie das Original parallel zur anderen Seitenfläche (Lichtabstrahloberfläche).
Die Querschnittsform des Lichtleiters 1 kann kreisförmig, elliptisch etc. sein. Verwendet man einen elliptischen Querschnitt für den Lichtleiter, dann wird der Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich 2 vorzugsweise am Brennpunkt auf einer Seite der Ellipse vorgesehen. Weiterhin kann der Lichtleiter 1 auch eine Querschnittsform haben, die durch Kombination von zwei Kreisen unterschiedlicher Durchmesser gebildet wird. In diesem Fall erhält der Kreis mit dem größeren Durchmesser die Lichtübertragungsfunktion, während der Kreis mit dem kleineren Durchmesser die Lichtabstrahlfunktion hat.
Um das von der Lichtquelle ausgesandte Licht effizient zum Lichtleiter zu führen, wird zwischen Lichtquelle und Lichtleiter ein Verbindungsteil vorgesehen.
In dem Falle, wo der Querschnitt allmählich von einem Ende zum anderen abnimmt, kann ein Lichtabschluss 38 zur Verarbeitung des Lichtes vorgesehen wird, welches das andere Ende erreicht. Die Konstruktion dieses Lichtabschlusses 38 kann am Außenumfang und an der Endfläche eine Lichtabschirmungsschicht zum Abschirmen von Licht von außen oder eine Lichtdiffusionsschicht zum Streuen von Licht oder eine Lichtreflektionsschicht zum Reflektieren von Licht umfassen.
Die auf einer konkaven Reflektionsfläche 5 ausgebildete Lichtquelle kann durch Anordnen einer Leuchtdiode auf einer Schaltungsplatine gebildet werden. Diese Leuchtdiode und der Verbindungsteil 6 können aus transparentem Kunstharz mit gleichem Brechungsindex wie der Lichtleiter 1 gebildet werden, und die Leuchtdiode oder der Lichtleiter 1 können derart miteinander verbunden werden, dass sie optisch miteinander übereinstimmen.
1 zeigt eine Seitenschnittansicht und eine Draufsicht des Linearstrahlbeleuchters gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
2 ist eine A-A'-Schnittansicht des Linearstrahlbeleuchters gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt eine schematische Darstellung des Lichtbrechungs- und -reflektionsbereiches und/oder der Diffusionsoberfläche des Linearstrahlbeleuchters gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt den Lichtleiterteil des Linearstrahlbeleuchters gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
5 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Lichtbrechungs- und -reflektionsbereichs des Linearstrahlbeleuchters gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Lichtquellenteils des Linearstrahlbeleuchters gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
7 zeigt einen A-A'-Schnitt durch den Linearstrahlbeleuchter gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung.
8 zeigt einen A-A'-Schnitt durch den Linearstrahlbeleuchter gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung.
9 zeigt eine Seitenschnittansicht und eine Draufsicht des Linearstrahlbeleuchters gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
10 zeigt einen B-B'-Schnitt des Linearstrahlbeleuchters gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
11 zeigt eine schematische Darstellung des Lichtbrechungs- und -reflektionsbereichs und/oder der Diffusionsoberfläche des Linearstrahlbeleuchters gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
12 veranschaulicht den Lichtleiterteil des Linearstrahlbeleuchters gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
13 ist eine vergrößerte Ansicht des Lichtabschlussbereichs des Linearstrahlbeleuchters gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
14 zeigt eine Konstruktionszeichnung eines üblichen optischen Bildlesers.
15 ist eine Konstruktionszeichnung nur des LED-Anordnungsteils eines üblichen optischen Bildlesers.
Ausführungsformen der Erfindung
(1. Ausführungsform)
Die erste Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
1(a) zeigt einen Seitenschnitt des Linearstrahlbeleuchters gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung und 1(b) ist eine Draufsicht auf den Linearstrahlbeleuchter gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. 2 zeigt eine Schnittansicht A-A' des Linearstrahlbeleuchters gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. 3 zeigt eine schematische Darstellung des Lichtbrechungs- und -reflektionsbereichs und/oder der Diffusionsoberfläche des Linearstrahlbeleuchters gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, während 4 eine Darstellung in vergrößerter Ansicht nur des Lichtleiterteils des Linearstrahlbeleuchters gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt. 5 ist eine vergrößerte Ansicht des Lichtbrechungs- und -reflektionsbereichs des Linearstrahlbeleuchters gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, und 6 ist eine vergrößerte Darstellung des Lichtquellenteils des Linearstrahlbeleuchters gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Weiterhin zeigen 7 und 8 Schnittansichten des Lichtleiterteils des Linearstrahlbeleuchters gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
Die Querschnittsform des bei der Erfindung verwendeten Lichtleiters kann kreisförmig, elliptisch, etc. sein oder auch eine durch Kombination von zwei Kreisen gebildete Form sein, wie es in den 7 und 8 dargestellt ist, jedoch erfolgt die Erläuterung hier unter Annahme einer Kreisform, wie es beispielsweise 3 zeigt.
Der aus transparentem Material bestehende Lichtleiter 1 ist so konstruiert, wie es die 1(a), (b) zeigen, so dass der Durchmesser des Querschnittskreises von beiden Endflächen zur Mitte zu abnimmt, während ein aus einer großen Anzahl von Zwischenflächen der Hackwelle bestehende Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich 2 auf einer Seitenfläche, in Längsrichtung gesehen, des Lichtleiters 1 vorgesehen ist. An beiden Enden des Lichtleiters 1 ist eine Schaltungsplatine 3 in Form einer konkaven Ebene angeordnet, welche den Lichtquellenteil durch den noch später zu beschreibenden Verbindungsteil 6 bilden, und in der Mitte der Schaltungsplatine 3 ist ein Leuchtdiodenelement (LED) 4 angeordnet. Weiterhin befindet sich über einem Raum (beispielsweise einer Luftschicht), die nicht an den Lichtbrechungs- und Reflektionsteil 2 angepasst ist, eine diffundierende Oberfläche 8 aus einem weißen Kunstharzblatt mit einem hochdiffusionswirksamen Aluminiumblatt hoher Reflektionswirkung, welcher den Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich 2 überdeckt. Am Außenumfang befindet sich an beiden Endflächen des Lichtleiters 1 ein Verbindungsteil 6, auf dessen Fläche sich eine Diffusionsschicht 7 befindet. Die Querschnittsform des Verbindungsteils 6 hat einen Durchmesser, der gleich oder kleiner als derjenige des Lichtleiters 1 ist.
Dieser Lichtleiter 1 ist so geformt, dass zur Einhaltung der Beleuchtungsgleichmäßigkeit an den betreffenden Teilen der Originaloberfläche, die von dem Strahl beleuchtet wird, der Querschnittsbereich sich von beiden Enden zum Mittelteil hin verringert und in der Mitte am kleinsten ist. Weil die Menge des durch den Lichtleiter 1 hindurchtretenden Lichtes mit zunehmendem Abstand von der Lichtquelle an beiden Enden abnimmt, wie noch beschrieben wird, wird die Beleuchtungsintensität auf der Originaloberfläche an den betreffenden Teilen gleichmäßig, wenn der Durchmesser des Lichtleiters proportional zur Lichtmenge ebenfalls reduziert wird. Wenn bei dieser Konstruktion Licht in die Endfläche des Lichtleiters 1 von der Leuchtdiode 4 an beiden Enden des Lichtleiters eintritt, wird dieses Licht mit wiederholter Totalreflektion im Lichtleiter zur Mitte übertragen, wie noch detailliert erläutert wird, und tritt aus der Austrittsoberfläche auf einer geraden Linie gegenüber dem Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich 2 aus.
Die auf dem Außenumfang des Verbindungsteils 6 gebildete Diffusionsfläche 7 lässt sich realisieren durch Beschichtung mit einer Mischung von transparentem Silikonharz und TiO₂, beispielsweise, oder kann durch Einsetzen einer Kappe aus weißem Kunstharz gebildet werden. Weiterhin ist es erwünscht, den Lichtleiter 1, eine große Anzahl von Hackwellenflächen, welche den Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich 2 bilden, und das Verbindungsteil 6 einteilig im Spritzguss unter Verwendung von transparentem Kunstharz auszubilden.
Die Schaltungsplatine 3 wird durch Ausbildung einer Isolierschicht von etwa 100 μm auf einer A1 Printschaltkarte vorbestimmter Dicke hergestellt. Auf die gesamte Oberfläche der Isolierschicht wird eine Kupferfolie (35–70 μm dick) aufgebracht, und durch Ätzen wird eine Schaltung ausgebildet. Nur auf dieser Schaltung wird eine Galvanisierungsschicht mit Gold (oder Silber) von etwa 0,3 μm ausgebildet, und dann wird eine konkave Reflektionsoberfläche 5 durch einen Pressvorgang unter Verwendung konvexer Matrizen ausgebildet.
Diese konkave Reflektionsoberfläche 5 kann die Form eines umgekehrten Kegelstumpfs haben, um Licht von dem Lichtleiter 1 zu reflektieren, und damit wird es möglich, das Licht von dem Leuchtdiodenelement (LED) 4, welches am mittleren Teil der Schaltungsplatine 3 sitzt, in Vorwärtsrichtung (nämlich in Richtung der Endfläche des Lichtleiters 1) und mit einer gewünschten Winkelverteilung zu emittieren. Als Nächstes wird das Leuchtdiodenelement 4 auf der Bodenfläche des umgekehrten Kegelstumpfes an der konkaven Reflektionsoberfläche 5 auf der Schaltungsplatine 3 unter Verwendung eines Matrizenmontierers montiert.
Als Leuchtdiodenelement 4 wird eines aus GaP verwendet, wenn monochrome Bilder zu lesen sind, jedoch wird ein blankes Plättchen grüner Farbe, wie ein quaternäres AlGaInP etc. benutzt, falls große Helligkeit erforderlich ist. Zum Lesen farbiger Bilder kann auch ein Linearstrahlbeleuchter mit geschalteter Lichtquelle verwendet werden, wobei je ein rein rotfarbenes LED-Element (beispielsweise GaAlAs), ein rein grünfarbenes LED-Element (beispielsweise GaN) und ein rein blaufarbenes LED-Element (beispielsweise GaN) auf einem Linearstrahlbeleuchter montiert wird und diese Elemente eins nach dem anderen als rot, grün und blau zum Leuchten gebracht werden.
Der Querschnitt dieses Lichtleiters 1 hat eine kreisförmige Form, wie es in 2 gezeigt ist, und sein Durchmesser beträgt an seiner Endfläche beispielsweise etwa 5 mm. Um das Licht an der dem Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich 2 gegenüberliegenden Austrittsoberfläche in eine gerade Linie zu konvergieren, ist ein Teil des Querschnitts in Form einer konkaven Höhlung in Längsrichtung teilweise weggeschnitten, und der Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich 2 ist an dem weggeschnittenen Teil angeordnet. Wie bereits erwähnt, ist weiterhin eine diffuse Oberfläche 8 auf dem Brechungs- und -reflektionsbereich 2 über einem Raum angeordnet, der optisch nicht an den Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich 2 angepasst ist. Der Durchmesser des Verbindungsteils 6, der etwa mit dem gleichen oder geringfügig kleineren Durchmesser wie der Lichtleiter 1 oder im Bereich von beispielsweise 2–5 mm gewählt ist, beträgt hier etwa 3,2 mm. Der Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich 2 ist grundsätzlich mit ein und derselben Weite in Längsrichtung des Lichtleiters 1 ausgebildet, wie es 1(b) zeigt. Bedenkt man jedoch, dass die Menge des durch den Lichtleiter 1 wandernden Lichts zum mittleren Teil hin abnimmt, dann kann der Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich auch so konstruiert werden, dass er in der Weite von beiden Enden zum Mittelteil hin zunimmt, um die Gleichförmigkeit der Intensität der Beleuchtung beizubehalten, wie es 3(a) zeigt. Es kann auch richtig sein, die Gleichförmigkeit der Beleuchtungsintensität dadurch einzuhalten, dass man den Brechungs- und -reflektionsbereich 2 mit fester Weite an vorbestimmten Längen in Längsrichtung unterbrochen vorsieht, wie es 3(b) zeigt, oder die Länge der Intervalle zum mittleren Teil so verringert, wie es 3(d) zeigt. Ferner kann der Brechungs- und -reflektionsbereich 2 in Längsrichtung derart unterbrochen werden, dass die Weite von beiden Endflächen des Lichtleiters zum Mittelteil zu allmählich zunimmt, wie es 3(c) zeigt.
Da der Brechungs- und -reflektionsbereich 2 von der Diffusionsoberfläche 8 bedeckt ist, wie bereits erwähnt, soll die Diffusionsoberfläche 8 vorzugsweise die gleiche Form wie der Brechungs- und -reflektionsbereich 2 haben, kann jedoch auch derart konstruiert werden, dass der Lichtleiter 1 und nicht die Lichtbeleuchtungsoberfläche bedeckt wird.
Während wie oben beschrieben der Verbindungsteil 6 und der Brechungs- und -reflektionsbereich 2 aus dem gleichen transparenten Kunstharzmaterial wie der Lichtleiter 1 spritzgegossen sind, verbessert sich die Transmissionseffizienz des Lichtes, wenn der Brechungsindex des Materials zu diesem Zeitpunkt beispielsweise auf etwa 1,5 eingestellt wird. Weiterhin ist es wünschenswert, für dieses transparente Harz ein UV-gehärtetes Harz auf Epoxybasis oder auf Basis modifizierten Acrylats zu verwenden, wie etwa wärmebeständiges Acrylharz, Polycarbonat, Amorphes Polyolefin etc. unter Berücksichtigung der Lichtdurchlässigkeit, Wärmebeständigkeit und Fluidität des Harzes zum Zeitpunkt des Spritzgießens, als Beispiel.
Beträgt der Bereich der Länge L des Lichtleiters 1 50 mm–300 mm und die Bereiche des Durchmessers R1 auf der Eintrittsseite des Lichtleiters und des Durchmessers R2 des Lichtleiters an seiner Spitze 0,3 < R2/R1 < 0, dann ist es weiterhin gemäß 4 möglich, das Linearstrahllicht mit gleicher Intensität von der Lichtbeleuchtungsoberfläche in der Hauptabtastrichtung abzustrahlen. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform kann speziell der Lichtleiter 1 mit einer Länge L von beispielsweise 115 mm, einem Durchmesser R1 an beiden Enden von beispielsweise 5 mm, einem Durchmesser R2 am Mittelteil von beispielsweise etwa 2,7 mm gebildet werden, so dass es möglich wird, das durch das Innere des Lichtleiters 1 wandernde Licht total zu reflektieren und dabei einen linearen Strahl gleichförmiger Lichtintensität zu erhalten.
Wie 5 veranschaulicht, kann die Form der Hackwellenoberfläche nach Wunsch gewählt werden, wenn nur der Spitzenwinkel θ der Hackwellenoberfläche im Bereich von 60–120 gehalten wird und die Steigung P der Hackwellenoberfläche innerhalb des Bereichs von 30 μm–500 μm gehalten wird. Bei der Erfindung ist beispielsweise eine Steigung von 300 μm und ein Spitzenwinkel von beispielsweise 90 gewählt.
6 veranschaulicht, dass bei dieser Konstruktion ein Teil des von der Lichtquelle emittierten Lichtes direkt in den Lichtleiter 1 eintritt, während ein anderer Teil erst in die konkave Reflektionsoberfläche 5 eintritt und reflektiert wird und erst dann in den Lichtleiter 1 gelangt.
Auf diese Weise gelangt von dem in den Lichtleiter 1 eintretenden Licht nur die Lichtkomponente b1 in Längsrichtung X in den Verbindungsteil 6 und läuft dann geradewegs in den Lichtleiter 1 hinein. Von den Lichtkomponenten mit einer Komponente in Richtung y senkrecht zur Längsrichtung X wird im Gegensatz dazu das Licht, welches unmittelbar in den Lichtleiter 1 durch das Verbindungsteil 6 eintritt (beispielsweise b3) an der Innenfläche des Lichtleiters 1 totalreflektiert, um den Brechungs- und -reflektionsbereich 2 erreichen zu können. Diese Lichtkomponente b3 wird abrupt nach unten gebogen, indem sie an der Zwischenfläche der Hackwelle des Brechungs- und -reflektionsbereiches gebrochen wird, und wird von der Lichtbeleuchtungsoberfläche (die andere Seitenfläche) durch das Innere des Lichtleiters 1 nach unten abgestrahlt, um die Oberfläche des Originals zu beleuchten. Die Lichtkomponente b4 weiterhin, die oberhalb des Brechungs- und -reflektionsbereiches 2 gelangt, tritt in die Diffusionsoberfläche 8 durch einen optisch nicht an den Brechungs- und -reflektionsbereich 2 angepassten Teil ein, wird von der diffusen Oberfläche 8 gestreut und tritt durch den Brechungs- und -reflektionsbereich 2 erneut in den Lichtleiter 1 ein und wird gelegentlich von der Lichtabstrahlfläche 1 des Lichtleiters 1 nach unten abgestrahlt, um die Oberfläche des Originals 51 zu beleuchten.
Bei der oben angeführten Konstruktion sind die entsprechenden Dimensionen derart gewählt worden, dass sie die Bedingungsgleichung (1) der folgenden Form erfüllen: L > (D/2)tan(sin–1(1/nLG)) (1)für den Fall, dass der Durchmesser des Verbindungsteils 6 als D gegeben ist, die Länge als L und der Brechungsindex des Verbindungsteils und des Lichtleiters 1 als nLG, so dass das unmittelbar in den Lichtleiter 1 eintretende Licht an dessen Innenfläche totalreflektiert werden kann.
Die Anordnung ist so getroffen, dass von dem in dem Verbindungsteil 6 eingetretenen Licht die die innere Seitenfläche des Verbindungsteils 6 erreichende Lichtkomponente b2 durch die Diffusionsschicht 7 einmal gestreut wird und dann in den Lichtleiter 1 gelangt. Würde diese Diffusionsschicht 7 nicht vorhanden sein, dann würde das Licht direkt von der Seitenfläche nach außen abgestrahlt, und die Beleuchtung auf der Oberfläche des Originals, welches sich gerade unter diesem Verbindungsteil 6 befindet, würde partiell stark ansteigen und Abweichungen der Beleuchtung verstärken. Ferner kann die Diffusionsschicht 7, die auf dem Außenumfang des Verbindungsteils 6 vorgesehen ist, auch eine reflektierende Schicht sein, welche dieselbe Wirkung wie die Diffusionsschicht hat. Anstelle der Diffusionsschicht kann weiterhin eine Lichtabschirmschicht zum Abschirmen von Licht auf der Außenseite vorgesehen sein. In diesem Fall wird jedoch die Lichtkomponente b2 durch die Lichtabschirmschicht absorbiert mit dem Ergebnis, dass zwar weniger Beleuchtungsabweichungen auftreten, jedoch die Beleuchtungseffizienz kleiner wird verglichen mit dem Fall, wo eine Diffusionsschicht oder eine Reflektionsschicht vorgesehen sind.
Die Lichtkomponente b2, die von der Diffusionsschicht 7 des Verbindungsteils 6 in den Lichtleiter 1 eingetreten ist, wandert in diesen in gleicher Weise wie b3 und b4 und wird als Lichtstrahl abgestrahlt.
Die Eigenschaften eines Linearstrahlbeleuchters für die Größe A4, die aufgrund der oben beschriebenen Konstruktion einen linearen Lichtstrahl bildet, können folgendermaßen gewertet werden:
Bei Verwendung von 4 LED-Elementen (GaP, λ = 565 mm) ergaben sich für die Beleuchtung der Oberfläche des Originals 400 lx und eine Abweichung der Beleuchtung der Oberfläche des Originals von etwa 10% (gemessen mit einem Zwischenraum von 1,1 mm zwischen der Licht abstrahlenden Oberfläche des Linearstrahlbeleuchters und der Oberfläche des Originals). Verglichen mit einem üblichen Linearstrahlbeleuchter könnte die Anzahl der LED-Elemente auf etwa 1/8 reduziert werden. Während bei einem üblichen Linearstrahlbeleuchter ein Abstand von etwa 8–10 mm zwischen der Licht abstrahlenden Oberfläche des Linearstrahlbeleuchters 52 und der Oberfläche des Originals 51 erforderlich war, konnte weiterhin die Beleuchtungsabweichung innerhalb der Toleranz (10%) gehalten werden, selbst wenn der Linearstrahlabtaster 52 näher innerhalb eines Abstandes von nicht mehr als 1,5 mm gebracht wurde. Dadurch wird es möglich, eine Kostenreduzierung von 60% zu erreichen und die Größe der gesamten Vorrichtung auf etwa die Hälfte zu verringern.
Der zwischen dem Brechungs- und -reflektionsbereich 2 und der Diffusionsoberfläche 8 gebildete Raum unterstützt die Totalreflektion im Brechungs- und -reflektionsbereich 2 durch eine Ausbildung aus einem Material mit einem Brechungsindex, der kleiner als derjenige des Lichtleiters ist (beispielsweise eine Luftschicht), und dies kann die Wirkung bemerkenswert erhöhen im Vergleich zum Fall, wo die Diffusionsoberfläche 8 unmittelbar auf dem Brechungs- und -reflektionsbereich 2 ausgebildet ist.
Wie oben gesagt, hat der Linearstrahlbeleuchter gemäß der ersten Ausführungsform eine hohe Beleuchtungseffizienz und geringe Beleuchtungstoleranzen, so dass man einen preiswerten, qualitativ hochwertigen, kompakten und leichten optischen Bildleser erhält, der Bilder mit hoher Auflösung lesen kann.
(Modifizierte Ausführungsform 1)
Zunächst kann die Form des Querschnitts an der Schnittlinie A-A' des Lichtleiters 1 elliptisch gemacht werden, wie es 7 zeigt. Die Ellipse 15 war beispielsweise mit einer Hauptachse von 6 mm und einer Nebenachse von 3 mm konstruiert. In diesem Fall ist ein Teil des Lichtleiters 1 längs der Schnittlinie senkrecht zur Hauptachse der Ellipse 15 durch einen der beiden Brennpunkte entfernt worden, um den Brechungs- und -reflektionsbereich 2 auf der durch diese Schnittlinie gebildeten Ebene zu bilden. Der Durchmesser des Verbindungsteils 6 wurde mit gleicher oder etwas geringerer Größe als die Nebenachse des Lichtleiters, beispielsweise im Bereich von 2–3 mm ausgebildet und so gewählt, dass Licht von der Lichtquelle durch den Lichtleiter 1 geführt wird.
Bei dieser Konstruktion wird das von dem Brechungs- und -reflektionsbereich 2 gebrochene und reflektierte Licht an der Innenfläche des Lichtleiters verringert, und dadurch wird die Beleuchtung durch das auf die Oberfläche des Originals gestrahlte Licht 1,5 mal stärker im Vergleich zu einer Form mit kreisförmigem Querschnitt. Insbesondere im Fall, wo der Brechungs- und -reflektionsbereich 2 an einer Position eines der beiden Brennpunkte der Ellipse vorgesehen ist, ergibt dies eine Verbesserung der Transmissionseffizienz, nachdem das von diesem einen Brennpunkt ausgehende Licht am anderen Brennpunkt der Ellipse einmal konvergiert oder unmittelbar an einem außerhalb der Ellipse gebildeten Brennpunkt konvergiert.
Durch die Wahl einer Ellipsenform für den Querschnitt des Lichtleiters 1, wie oben, wird es möglich, eine hohe Beleuchtungseffizienz zu erhalten und Beleuchtungsschwankungen zu reduzieren und auf diese Weise einen billigen, qualitativ hochwertigen, kompakten und leichten optischen Bildleser zu schaffen, welcher Bilder mit hoher Auflösung lesen kann. Weil außerdem die Breite des auf die Oberfläche des Originals auftreffenden Lichtstroms kleiner ist, kann die Helligkeit des aufgestrahlten Lichtes im Vergleich zum Fall eines kreisförmigen Querschnittes noch mehr intensiviert werden.
(Modifizierte Ausführungsform 2)
Gemäß 8 kann weiterhin die Form des an der Ebene A-A' des Lichtleiters 1 geschnittenen Querschnittes als eine Form aus zwei Kreisen 24, 25 unterschiedlichen Durchmessers und zwei geraden Tangenten an diese beiden Kreise gewählt werden. Hier besteht der Lichtleiter 1 nämlich aus einem ersten Kreis 24 zur Übertragung des Lichts von der Lichtquelle und einem zweiten Kreis 25, welcher die Funktion einer Linse hat, durch welche das Licht auf die Oberfläche des Originals gestrahlt wird. Ferner wird der Brechungs- und -reflektionsbereich 2 auf einer Seite in Längsrichtung des ersten Kreises 24 gebildet, während die Diffusionsoberfläche 8 so ausgebildet ist, dass sie den Brechungs- und -reflektionsbereich 2 und einen Teil des zweiten Kreises 25 bedeckt. Wenn auch die Durchmesserabmessungen des ersten Kreises 24 und des zweiten Kreises 25 in diesem Beispiel maximal 5 mm bzw. 3 mm betragen, sind sie nicht notwendigerweise auf diese Werte beschränkt. Hier kann die Querschnittsfläche des ersten Kreises 24 und des zweiten Kreises 25 allmählich zur Mitte reduziert werden, ebenso wie bei den jeweiligen Beispielen, jedoch ist es erwünschter die Querschnittsfläche des ersten Kreises 24 nur zur Mitte zu reduzieren, weil die Menge des durch den Lichtleiter 1 wandernden Lichtes in Richtung zur Mitte abnimmt. Andererseits ist der zweite Kreis 25 so gebildet, dass er in jedem Querschnitt in Längsrichtung des Lichtleiters 1 denselben Durchmesser hat. Weiterhin sind der Endteil des ersten Kreises 24 und die Lichtquelle bei dieser Konstruktion über das Verbindungsteil 6 miteinander verbunden, und der Durchmesser des Verbindungsteils 6 ist mit 5 mm gewählt und damit gleich dem Durchmesser des ersten Kreises 24 oder beispielsweise mit einem etwas geringerem Durchmesser als dieser.
Bei der oben beschriebenen Konstruktion wird das im Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich 2 gebrochene und reflektierte Licht an der Innenseite des Lichtleiters 1 totalreflektiert und konvergiert entlang einer die Mittelpunkte der beiden Kreise 24 und 25 verbindenden geraden Linie außerhalb des zweiten Kreises 25. Dadurch verringert sich die Weite des abgestrahlten Lichtes, und die Beleuchtung des auf die Oberfläche des Originals abgestrahlten Lichtes wird 1,5 mal größer als im Fall, wo der Lichtleiter 1 einen kreisförmigen Querschnitt hat.
Durch eine so ausgebildete Konstruktion, bei welcher der Durchmesser des ersten Kreises 24 auf der Brechungs- und Reflektionsseite größer wird als der Durchmesser des zweiten Kreises 25 auf der Lichtemissionsseite, und bei welcher sowohl der erste Kreis 24 als auch der zweite Kreis 25 durch die beiden Tangentenlinien L1 und L2 miteinander verbunden werden, ist es möglich, die Transmissionseffizienz des Lichtes auf ein Maximum zu verbessern mit geringem Lichtverlust an anderen Stellen als der Lichtbeleuchtungsfläche. Durch Verändern des Durchmessers des zweiten Kreises 25 ist es weiterhin möglich, die Strahlbreite oder Fokusdistanz des auf die Oberfläche des Originals abzustrahlenden Lichtes frei zu variieren.
Der oben beschriebene Linearstrahlbeleuchter hat folgende Eigenschaften: Für eine Papiergröße von A4, welche vier LED-Elemente benötigt, beträgt die Beleuchtungsstärke des auf die Oberfläche des Originals abgestrahlten Lichtes 1000 lx, und Beleuchtungsabweichungen (bemessen bei einem Abstand von 1,1 mm zwischen der Licht abstrahlenden Oberfläche und der Oberfläche des Originals) liegt bei 10%. Verglichen mit einem üblichen Linearstrahlbeleuchter wurde die Anzahl der LED-Elemente auf etwa 1/8 verringert, während der Abstand vom Beleuchter zur Oberfläche des Originals, der üblicherweise mindestens 8–10 mm erfordert hat, kann auf mehr als 1,5 mm herabgesetzt werden, wobei die Beleuchtungsabweichung innerhalb einer Toleranz (10%) gehalten werden kann. Dadurch verringern sich die Kosten um 75% und die Größe des Gerätes selbst um etwa 50%. Im Falle von Farbbildern beträgt unter Verwendung von zwei roten, blauen und grünen LED-Elementen die Beleuchtung der Oberfläche des Originals 2000 lx, und die Beleuchtungsabweichungen liegen für alle Farbelemente bei 10% oder darunter.
Bei einer Querschnittsform des Lichtleiters 1, wie oben beschrieben, aus zwei Kreisen unterschiedlichen Durchmessers und geraden Verbindungstangenten an diese beiden Kreise verbessert sich die Beleuchtungseffizienz der Oberfläche des Originals, und die Beleuchtungstoleranzen werden geringer, so dass es möglich wird, einen billigen, qualitativ hochwertigen, kompakten und leichten optischen Bildleser zum Lesen von Bildern mit hoher Auflösung zu schaffen. Da weiterhin die Weite des auf die Oberfläche des Originals aufgestrahlten Lichtstrahls geringer ist, kann die Beleuchtung des aufgestrahlten Lichtes stärker intensiviert werden im Vergleich zu einem Fall mit kreisförmigem Querschnitt. Außerdem wird es möglich, Breite und Fokusabstand des Lichtstrahls zu verändern.
(Ausführungsform 2)
Die zweite Ausführungsform der Erfindung sei hiermit in Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
9(a) zeigt einen Schnitt durch den Linearstrahlbeleuchter gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung, 9(b) zeigt eine Draufsicht auf den Linearstrahlbeleuchter gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform. 10 zeigt einen Schnitt B-B' durch den Linearstrahlbeleuchter gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung, während 11 eine schematische Darstellung des Lichtbrechungs- und -reflektionsbereichs und/oder der Diffusionsoberfläche des Linearstrahlbeleuchters gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt. 12 ist eine vergrößerte Darstellung von nur einem Lichtleiterteil des Linearstrahlbeleuchters gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung. 13 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Lichtabschlussbereichs des Linearstrahlbeleuchters gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Wie 9 zeigt, befindet sich die Lichtquelle an einem Ende des Lichtleiters 1, dessen anderes Ende einen Lichtabschlussbereich bildet. Bei dieser Ausführungsform werden nachfolgend im Einzelnen hauptsächlich nur die von der ersten Ausführungsform unterschiedlichen Konstruktionseinzelheiten beschrieben.
Der Lichtleiter 1 verringert seine Querschnittsfläche von einem Ende zum anderen und wird am anderen Ende am kleinsten. Weiterhin ist an dem anderen Ende des Lichtleiters 1 ein Lichtabschlussbereich 28 ausgebildet. Eine Lichtdiffusionsschicht 29 ist am Außenumfang und eine Lichtreflektionsschicht 14 an der anderen Endfläche des Lichtabschlussbereiches 28 vorgesehen. Weil die Menge des durch den Lichtleiter 1 übertragenen Lichtes bei seinem Weg von der Lichtquelle zum anderen Ende allmählich abnimmt, kann weiterhin die Gleichförmigkeit der Intensität der Beleuchtung der Oberfläche des Originals selbst bei einer Konstruktion sichergestellt werden, welche eine Lichtdiffusionsschicht 39 und eine Lichtreflektionsschicht 40 anstelle der bei der ersten Ausführungsform verwendeten Lichtquelle hat. Eine Erläuterung der übrigen Teile ist entbehrlich, weil ihre Konstruktion die gleiche wie bei der ersten Ausführungsform ist. Die Erläuterung erfolgt hier unter Verwendung der gleichen Zahl für das gleiche Teil.
Dieser Lichtabschlussbereich 38, der aus dem gleichen transparenten Kunstharz wie der Lichtleiter 1 hergestellt wird, wird vorzugsweise im Spritzgussverfahren einteilig mit dem Lichtleiter 1, dem Verbindungsteil 6 und dem Brechungs- und -reflektionsbereich 2 hergestellt, der eine große Anzahl von Hackwellenoberflächen hat. Ferner ist die am Außenumfang des Lichtabschlussbereichs 28 vorgesehene Lichtdiffusionsschicht 39 durch Beschichtung mit einer Mischung aus transparentem Silikonharz und TiO₂ in gleicher Weise wie die Diffusionsschicht 7 gebildet. Diese Lichtdiffusionsschicht 39 kann auch hergestellt werden durch Einsetzen einer Kappe aus weißem Kunstharz. Schließlich ist die an der Endfläche des Lichtabschlussbereiches 38 vorgesehene Lichtreflektionsschicht 40 entweder durch Ablagerung oder Tauchen von Aluminium oder Aufbringen einer Aluminiumfolie auf den Lichtabschlussbereich 28 mit Hilfe transparenten Klebmittels ausgebildet.
Wie als nächstes in 10 gezeigt ist, ist die Querschnittsform des Lichtleiters ebenso wie bei der ersten Ausführungsform derart gewählt, dass ein Teil Lichtleiters 1 in Form einer konkaven Vertiefung in Längsrichtung ausgeschnitten ist und der Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich 2 auf dem ausgeschnittenen Teil vorgesehen ist und dass auf dem Brechungs- und -reflektionsbereich 2 eine Diffusionsoberfläche 8 über einem Raum angeordnet ist, der optisch nicht an den Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich 2 angepasst ist.
Der Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich 2 wird ebenso wie bei der ersten Ausführungsform grundsätzlich mit ein und derselben Weite in Längsrichtung ausgebildet, wie es 9(b) zeigt. Weil jedoch die Menge des durch den Lichtleiter 1 übertragenen Lichtes zum Mittelteil hin abnimmt, muss der Brechungs- und -reflektionsbereich 2 ebenfalls derart konstruiert werden, dass seine Weite von einem Ende zum anderen hin zunimmt, um die Gleichförmigkeit der Beleuchtungsintensität beizubehalten, wie dies 11(a) zeigt. Der Brechungs- und -reflektionsbereich 2 kann hier auch mit Unterbrechungen vorgesehen werden, wie es 11(c) zeigt, oder man sieht eine Konstruktion vor, bei welcher die Brechungs- und -reflektionsbereich 2 in Längsrichtung dieselbe Weite haben und mit fester Länge in regelmäßigen Intervallen in Längsrichtung angeordnet sind, wie es 11(b) zeigt. Weiterhin kann gemäß 11(c) der Brechungs- und -reflektionsbereich 2 so gestaltet werden, dass die Intervalle von einem Ende zum anderen allmählich kleiner werden.
Da der Brechungs- und -reflektionsbereich 2 von der Diffusionsschicht 8 bedeckt ist, hat letzterer vorzugsweise dieselbe Form wie der Brechungs- und -reflektionsbereich 2 oder eine etwas größere Gestalt, ebenso wie bei der ersten Ausführungsform, um den Lichtleiter 1 mit Ausnahme der Lichtabstrahloberfläche zu bedecken.
Wie 12 zeigt, hat bei dieser Ausführungsform der Lichtleiter 1 dieselben Dimensionen hinsichtlich Durchmesser R1 an einem Ende von beispielsweise 5 mm, Durchmesser R2 am anderen Ende von beispielsweise 2 mm und einer Länge L von beispielsweise etwa 230 mm, und mit solchen Abmessungen lässt sich ein linearer Strahl sehr effektiv abstrahlen.
In gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform kann ein Linearstrahlbeleuchter eines Farbbildlesers realisiert werden unter Verwendung von roten, grünen und blauen Elementen als die LED-Elemente, wobei eines jeder dieser Elemente montiert wird.
Bewegungen eines wie oben beschrieben konstruierten Linearstrahlbeleuchters werden später erläutert. Da die Übertragungswege des auf dem Weg abgestrahlten Lichtes, der von der Lichtquelle 5 emittierten Lichtkomponenten bereits früher erläutert worden sind, seien hier nur die Ausgangwege des Lichtes erläutert, welches den Lichtabschlussbereich 38 erreicht hat.
Wie 13 zeigt, wird von dem vom Leuchtdiodenelement 4 ausgesendeten Licht die Lichtkomponente C1, die am Lichtleiter 1, am Brechungs- und -reflektionsbereich 2 und an der Diffusionsoberfläche reflektiert, gebrochen und diffundiert worden ist, von der Lichtreflektionsschicht 40 reflektiert und gelangt vom Lichtleiter 1 in den Lichtabschlussbereich 38. Wenn das von der Lichtreflektionsschicht 40 reflektierte Licht in den Lichtleiter 1 wieder eintritt, wird es am Brechungs- und -reflektionsbereich abrupt abgelenkt und wandert nach unten. Danach tritt das Licht von der Seitenfläche am Boden des Lichtleiters 1 aus, um die Oberfläche des Originals zu beleuchten.
Im Falle wo die Lichtkomponente C2, die vom Lichtleiter 1 in den Lichtabschlussbereich 38 eingetreten ist, die Lichtdiffusionsoberfläche 39 unmittelbar erreicht, ohne an die Lichtreflektionsoberfläche 40 zu gelangen, wird weiterhin diese Lichtkomponente C2 durch die Lichtdiffusionsoberfläche 39 gestreut, um entweder erneut in den Lichtleiter 1 oder in die Lichtdiffusionsoberfläche 39 auf der gegenüberliegenden Seite einzutreten, um dort wiederum gestreut oder auf der Lichtreflektionsoberfläche 40 reflektiert zu werden und von der Seitenfläche am Boden des Lichtleiters 1 auszutreten und die Oberfläche des Originals zu beleuchten.
Von dem in den Lichtleiter 1 eingetretenen Licht kehren die Lichtkomponenten C1 und C2, welche den Lichtabschlussbereich 38 durch wiederholte Totalreflektion erreicht haben, entweder zum Lichtleiter 1 zurück, nachdem sie durch die Lichtreflektionsoberfläche 4 totalreflektiert worden sind, um nochmals verwendet zu werden, oder sie werden von der Lichtdiffusionsoberfläche 39 zur Weiterbenutzung gestreut und werden zur Beleuchtung der Oberfläche des Originals ohne Verluste verwendet.
In gleicher Weise wie bei der am Außenumfang des Verbindungsteils 6 vorgesehenen Diffusionsschicht 7 kann dieselbe Wirkung wie oben bei Verwendung einer Lichtreflektionsschicht oder einer Lichtabschirmschicht anstelle der Lichtdiffusionsschicht 39 erreicht werden. Obgleich das Licht, welches den Lichtabschlussbereich 38 erreicht hat, bei Verwendung einer Lichtabschirmschicht verloren geht, hat diese Vernachlässigung des Lichts, welches den Lichtabschlussbereich 38 erreicht hat, keinen großen Einfluss auf die Gesamteffizienz. Weiterhin kann die gleiche Wirkung wie oben beschrieben auch bei Verwendung einer Lichtreflektionsschicht oder einer Lichtabschirmschicht anstelle der Lichtdiffusionsschicht 40 erhalten werden.
Eine Betrachtung der Eigenschaften eines Linearstrahlbeleuchters für die Größe A4, der einen linearen Strahl aufgrund des oben beschriebenen Mechanismus erzeugt, ergibt Folgendes: Die Beleuchtung auf der Oberfläche des Originals beträgt 370 lx, und die Beleuchtungstoleranzen betragen 10%, selbst im Fall, wo die Anzahl von LED-Elementen (GaP, λ = 565 nm) mit drei gewählt wird und mit einem Abstand von 1,1 mm zwischen der Lichtabstrahloberfläche und der Oberfläche des Originals. Im Vergleich mit einer üblichen LED-Anordnung kann die Anzahl der LED-Elemente auf etwa 1/10 verringert werden. Weiterhin kann der Abstand vom Linearstrahlbeleuchter 52 zur Oberfläche des Originals 51, welcher üblicherweise 8–10 mm als Minimalerfordernis mit einer üblichen LED-Anordnung beträgt, auf nicht mehr als 1,5 mm verringert werden, wobei man Abweichungen der Beleuchtungsstärke innerhalb der Toleranz (10%) halten kann. Dadurch wird es möglich, eine Kostenreduktion von 65% zu erreichen, die Größe des Gerätes selbst auf etwa die Hälfte zu verringern mit einem Bildleser, der einen Linearstrahlbeleuchter gemäß der Erfindung enthält.
Auch bei dieser Ausführungsform ist es möglich, die Reflektionseffizienz des Brechungs- und -reflektionsbereichs 2 zu verbessern, indem man zwischen diesem Bereich 2 und der Diffusionsoberfläche 8 einen Raum aus einem Material bildet, dessen Brechungsindex kleiner als derjenige des Lichtleiters 1 ist.
Wie oben gesagt, hat der Linearstrahlbeleuchter gemäß der zweiten Ausführungsform eine hohe Beleuchtungseffizienz und geringe Beleuchtungsabweichungen, so dass man einen billigen, hoch qualitativen, kompakten und leichten optischen Bildleser realisieren kann, welcher Bilder mit hoher Auflösung lesen kann.
(Modifizierte Ausführungsform 1)
In gleicher Weise wie bei der Ausführungsform 1 kann ferner die Querschnittsform am Schnitt B-B' des Lichtleiters 1 elliptisch ausgebildet werden, wie dies 7 zeigt. In diesem Fall konvergiert das abgestrahlte Licht auf der Verlängerung der Hauptachse der Ellipse, und dadurch reduziert sich die Weite des auf die Oberfläche des Originals abgestrahlten Lichtes und macht die Beleuchtung des auf die Oberfläche des Originals gestrahlten Lichtes 1,5 mal höher im Vergleich zum Fall des kreisförmigen Querschnitts.
Wie im Fall der Anordnung des Brechungs- und -reflektionsbereiches 2 an der Stelle eines der beiden Brennpunkte der Ellipse wird ferner das beste Konvergenzmaß des Lichtes mit verbesserter Transmissionseffizienz erhalten.
Während bei der obigen Erläuterung die Diffusionsfläche 8 ohne optische Anpassung über einem Raum gegen den Brechungs- und -reflektionsbereich 2 ausgebildet wurde, lässt sich die gleiche Wirkung auch erreichen, wenn er unmittelbar auf dem Brechungs- und -reflektionsbereich 2 ausgebildet wird, wie es auch bei der ersten Ausführungsform der Fall ist.
Wie oben gesagt, hat der Linearstrahlbeleuchter gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung eine hohe Beleuchtungseffizienz und geringe Beleuchtungsabweichungen, und daher kann ein billiger, qualitativ hochwertiger, kompakter und leichter optischer Bildleser realisiert werden, der Bilder mit hoher Auflösung liest. Da außerdem die Weite des auf die Oberfläche des Originals abgestrahlten Lichtstrahls geringer ist, kann die Beleuchtung des abgestrahlten Lichtes im Vergleich zum Falle eines kreisförmigen Querschnittes stärker intensiviert werden.
(Modifizierte Ausführungsform 2)
Wie in 8 gezeigt, kann weiterhin die Querschnittsform des Lichtleiters 1 mit zwei Kreisen unterschiedlichen Durchmessers und Tangentiallinien an diese beiden Kreise konstruiert werden.
Die optimale Bedingung für Totalreflektion des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichtes erhält man, wenn man den Durchmesser des ersten Kreises 24 größer als denjenigen des zweiten Kreises 25 macht, von dem das Licht abgestrahlt wird, und die Querschnittsform des Lichtleiters mit dem ersten Kreis 24, dem zweiten Kreis 25 und den Tangentiallinien L1 und L2 des ersten Kreises 24 und des zweiten Kreises 25 konstruiert, wodurch eine Verbesserung der Transmissionseffizienz möglich wird.
Diese Ausführungsform ist derart konstruiert, dass der Querschnittsbereich des Lichtleiters 1 von einem Ende zum anderen in dem ersten Kreis 24 abnimmt, während der zweite Kreis 25 an jeder Stelle in Längsrichtung dieselbe Querschnittsfläche beibehält. Während die Durchmesserabmessungen des ersten Kreises 24 und des zweiten Kreises 25 mit maximal beispielsweise 5 mm bzw. 3 mm gegeben sind, wie es auch bei der ersten Ausführungsform der Fall ist, so sind sie doch nicht notwendigerweise auf diese Werte beschränkt. Der Verbindungsteil 6 ist mit gleichem Durchmesser wie der erste Kreis 24 (beispielsweise 5 mm) oder kleiner als dieser (beispielsweise 3 mm) bemessen und ist mit dem ersten Kreis 24 verbunden.
Bei dieser Konstruktion wird das im Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich 2 gebrochene oder reflektierte Licht im Lichtleiter 1 totalreflektiert und konvergiert auf der Verlängerung einer durch die Mittelpunkte der beiden Kreise 24 und 25 verlaufenden Geraden außerhalb des Kreises 25, und dadurch wird die Weite des abgestrahlten Lichtes verringert und die Helligkeit des auf die Oberfläche des Originals aufgestrahlten Lichtes 1,5 mal höher im Vergleich zum Fall des kreisförmigen Querschnitts.
Durch Verändern des Durchmessers des zweiten Kreises 25 wird es weiterhin möglich, die Strahlbreite oder Fokusdistanz des auf die Oberfläche des Originals aufzustrahlenden Lichtes frei zu variieren. Damit kann man einen linearen Strahlbeleuchter mit optimaler Transmissionseffizienz bekommen.
Selbst im Falle der Papiergröße A4, wo die Anzahl der LED-Elemente mit zwei gewählt ist und der Abstand zwischen Lichtabstrahloberfläche und Originaloberfläche 1,1 mm beträgt, beträgt die Beleuchtung des auf die Oberfläche des Originals aufgestrahlten Lichtes 600 lx bei einer Beleuchtungsabweichung von 10%. Verglichen mit einem üblichen Linearstrahlbeleuchter ist die Anzahl der LED-Elemente auf etwa 1/10 verringert worden, während der Abstand von Beleuchtung zur Oberfläche des Originals, der üblicherweise als Minimalbedingung 8–10 mm beträgt, konnte auf nicht mehr als 1,5 mm reduziert werden, wobei Abweichungen der Beleuchtung innerhalb der Toleranz (10%) gehalten werden konnten. Damit ist es möglich, eine Kostenreduzierung von 80% und eine Verringerung der Größe des Gerätes selbst auf etwa die Hälfte zu erreichen. Außerdem konnte im Fall von Farbbildern durch ein LED-Element für blau, grün und rot eine Beleuchtung der Oberfläche des Originals von 1200 lx, eine Beleuchtungsabweichung von 10% oder weniger für alle Farbelemente sichergestellt werden.
Wie oben beschrieben, hat ein Linearstrahlbeleuchter gemäß der zweiten Ausführungsform eine hohe Beleuchtungseffizienz und geringe Beleuchtungsabweichungen, so dass sich ein billiger, qualitativ hochwertiger, kompakter und leichter optischer Bildleser realisieren lässt, der Bilder mit hoher Auflösung lesen kann. Weil die Weite des auf die Oberfläche des Originals aufgestrahlten Lichtstrahles verringert ist, kann außerdem die Helligkeit des aufgestrahlten Lichtes im Vergleich zum Fall eines kreisförmigen Querschnittes stärker intensiviert werden. Man kann also die Strahlbreite oder Fokusdistanz des Lichtes frei verändern.
Weil wie oben erklärt die Erfindung einen Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich mit Hackwellenoberflächen sowie eine Diffusionsoberfläche, welche den Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich überdeckt und das Licht streut, aufweist, tritt das von diesem Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich abgestrahlte Licht an der in Längsrichtung anderen Seitenfläche des Lichtleiters aus, wodurch die Transmissionseffizienz verbessert wird. Dieser Effekt wird weiterhin insbesondere durch die Bildung eines Raumes zwischen dem Brechungs- und -reflektionsbereich und der Diffusionsoberfläche verstärkt, der nicht optisch an den Lichtleiter angepasst ist.
Durch Vorsehen einer Lichtquelle an beiden Enden des Lichtleiters und Ausbildung seines Querschnittes derart, dass er von beiden Endflächen her zum Mittelteil abnimmt, wird es möglich, einen Schnittbereich sicherzustellen, der sich für die Menge des Lichtes eignet, und die Effizienz des Lichtleiters zu verbessern. Falls man die Lichtquelle an einem Ende des Lichtleiters anbringt, lässt sich die gleiche Wirkung erreichen durch allmähliche Verringerung des Lichtleiters von einem Ende zum anderen.
Während für die Querschnittsform des Lichtleiters viele Variationen möglich sind, erlaubt es die erfindungsgemäße Konstruktion mit einer Ellipse oder zwei Kreisen unterschiedlichen Durchmessers und Tangentiallinien an diese beiden Kreise, einen Linearstrahlbeleuchter mit hoher Beleuchtungseffizienz für die Oberfläche des Originals und geringen Beleuchtungsabweichungen zu schaffen. Weiterhin kann ein kompakter und leichter Linearstrahlbeleuchter realisiert werden, weil der Abstand zwischen Linearstrahlbeleuchter und Oberfläche des Originals verringert werden kann.

Claims

Linearstrahlbeleuchter mit einem länglichen lichtdurchlässigen Lichtleiter (1), einem Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich (2) auf einer Seite in der Längsrichtung des Lichtleiters (1), wobei dieser Bereich (2) eine große Anzahl von Hackwellenoberflächen (chopping wave surfaces) umfasst, ferner mit einer an einem oder beiden Enden des Lichtleiters (1) derart vorgesehenen Lichtquelle (4), dass das von ihr ausgehende Licht in den Lichtleiter (1) eintritt und das in dem Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich (2) gebrochene und reflektierte Licht aus dem Lichtleiter (1) von der anderen Seitenfläche, welche den Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich in Längsrichtung des Lichtleiters (1) gegenüberliegt, in Form eines linearen Strahles austritt, wobei der Beleuchter umfasst: einen Verbindungsteil (6) als Verbindung zwischen dem Lichtleiter (1) und der Lichtquelle (4), und eine Lichtdiffusionsschicht (7) zur Diffusion des an die Innenfläche des Verbindungsteils (6) gelieferten Lichtes, und wobei Länge und Durchmesser des Verbindungsteils (6) so bemessen sind, dass an der Außenwand des Lichtleiters (1) die Totalreflektionsbedingungen für das für die Lichtquelle oder den Lichtquellen (4) in den Lichtleiter (1) eintretende Licht erfüllt sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich (2) bedeckende Diffusionsoberfläche (4) über einen Raum davon angeordnet ist, wobei der Brechungsindex des Raumes kleiner als derjenige des Lichtleiters ist.
Linearstrahlbeleuchter nach Anspruch 1, bei welchem die Diffusionsoberfläche (8) über einen Raum vom Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich (2) angeordnet ist, wobei keine optische Anpassung dieses Raums mit dem Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich (2) vorliegt.
Linearstrahlbeleuchter nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Form des Abschnittes parallel zur Endfläche des Lichtleiters (1) an jeder Position längs des länglichen Lichtleiters (1) ähnlich ist.
Linearstrahlbeleuchter nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welchem die andere Seitenfläche, an welcher das Licht des Lichtleiters (1) austritt, durch eine Ebene gebildet wird, die senkrecht zu der oder jeder Endfläche verläuft, an welcher sich eine Lichtquelle (4) des Lichtleiters (1) befindet.
Linearstrahlbeleuchter nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die andere Seitenfläche, an welcher das Licht des Lichtleiters (1) austritt, linear verläuft und beiden Endflächen des Lichtleiters (1) gegenüberliegt.
Linearstrahlbeleuchter nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Form des Querschnitts parallel zu der Endfläche des Lichtleiters (1) im Wesentlichen kreisförmig ist.
Linearstrahlbeleuchter nach einem der Ansprüche 1–5, bei welchem die Form des Querschnitts parallel zur Endfläche des Lichtleiters (1) im Wesentlichen elliptisch ist.
Linearstrahlbeleuchter nach einem der Ansprüche 1–5, bei welchem die Form des Querschnitts parallel zu der Endfläche des Lichtleiters (1) senkrecht zur Hauptachse der Ellipse verläuft und eine mit einer durch einen der beiden Fokuspunkte durchlaufenden Schnittlinie geschnittene Form ist.
Linearstrahlbeleuchter nach Anspruch 8, bei welchem der Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich (2) auf einer durch die Schnittlinie gebildeten Ebene vorgesehen ist.
Linearstrahlbeleuchter nach einem der Ansprüche 1–5, bei welcher die Form des Querschnittes des Lichtleiters (1) eine mit einem Teil von zwei Kreisen unterschiedlichen Durchmessers und geraden Tangentenlinien an diese beiden Kreise gebildete Form ist.
Linearstrahlbeleuchter nach einem der Ansprüche 6–10, bei welcher auf der Oberfläche auf einer Seite des Lichtleiters (1) eine konkave Vertiefung ausgebildet ist, deren Bodenfläche die Lichtbrechungs- und Reflektionsvertiefung bildet.
Linearstrahlbeleuchter nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Form des Querschnitts parallel zur Endfläche des Lichtleiters (1) des Verbindungsteils (6) kreisförmig ist.
Linearstrahlbeleuchter nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem an der Innenfläche des Verbindungsteils (6) eine Lichtabschirmschicht zum Abschirmen des Lichts von außen vorgesehen ist.
Linearstrahlbeleuchter nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich (2) und/oder die Diffusionsoberfläche (8) mit einem vorbestimmten Muster auf der Oberfläche auf einer Seite des Lichtleiters (1) ausgebildet sind.
Linearstrahlbeleuchter nach Anspruch 14, bei welchem das vorbestimmte Muster derart ausgebildet ist, dass die Breite des Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich (2) und/oder der Diffusionsoberfläche (8) über die Länge des gesamten Teils konsistent ist.
Linearstrahlbeleuchter nach Anspruch 14 oder 15, bei welchem das vorbestimmte Muster derart ausgebildet ist, dass Lichtbrechungs- und Reflektionsoberflächen (2) und/oder Diffusionsoberflächen (8) bestimmter Länge in bestimmten Intervallen angeordnet sind.
Linearstrahlbeleuchter nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem eine Leuchtdiode (4) als die oder jede Lichtquelle verwendet wird.
Linearstrahlbeleuchter nach Anspruch 17, bei welchem die Leuchtdiode (4) auf einer gedruckten Schaltungsplatine (3) montiert ist, die auf der konkaven Reflektionsfläche gebildet ist.
Linearstrahlbeleuchter nach Anspruch 18, bei welchem die Form der konkaven Reflektionsfläche ein invertierter Kegelstumpf ist und die Leuchtdiode (4) auf der Bodenfläche dieses Kegelstumpfes montiert ist.
Linearstrahlbeleuchter nach Anspruch 19, bei welchem die Leuchtdiode (4) und der Lichtleiter (1) aus transparenten Kunstharz bestehen, welches denselben Brechungsindex wie der Lichtleiter hat, und dass die Leuchtdiode (4) und der Lichtleiter (1) derart miteinander verbunden sind, dass sie optisch aneinander angepasst sind.
Linearstrahlbeleuchter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verbindungsteil die Beziehung erfüllt: L > (D/2)tan(sin–1(1/nLG)),wobei L die Länge des Verbindungsteils (6), D der Durchmesser des Verbindungsteils (6) und nLG der Brechungsindex ist, welcher dergleiche für das Verbindungsteil (6) und den Lichtleiter (1) ist.
Linearstrahlbeleuchter nach einem der vorstehenden Ansprüche, welcher zwei Lichtquellen (4) hat, deren jeweils einer sich an jedem Ende des Lichtleiters (1) befindet.
Lichtstrahlbeleuchter nach Anspruch 22, bei welchem die Form des Querschnitts des Lichtleiters (1) mit einem Teil zweier Kreise unterschiedlicher Durchmesser und diese tangierenden geraden Linien gebildet ist.
Linearstrahlbeleuchter nach Anspruch 23, bei welchem die beiden Kreise durch einen ersten Kreis, in dem der Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich (2) vorgesehen ist, und einen zweiten Kreis, von dem das Licht austritt, gebildet werden, wobei der erste Kreis sich in seinem Querschnittsbereich von beiden Enden zum mittleren Teil allmählich verkleinert und der zweite Kreis an jedem Punkt längs des Lichtleiters (1) den selben Querschnittsbereich hat.
Linearstrahlbeleuchter nach Anspruch 22, 23 oder 24, bei welchem der Querschnittsbereich des Lichtleiters (1) von beiden Enden zum mittleren Teil allmählich abnimmt und im mittleren Teil am kleinsten wird.
Linearstrahlbeleuchter nach einem der Ansprüche 22–25, bei welchem das vorbestimmte Muster derart gewählt ist, dass die Lichtbrechungs- und -reflektionsbereiche (2) und/oder die Diffusionsoberflächen (8) im Intervall von beiden Enden zum Mittelteil des Lichtleiters (1) allmählich schmaler werden.
Linearstrahlbeleuchter nach einem der Ansprüche 22–26, bei welchem das vorbestimmte Muster eine solche Breite hat, dass der Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich (2) und/oder die Diffusionsoberfläche (8) von beiden Enden zum Mittelteil des Lichtleiters (1) zunehmend größer wird.
Linearstrahlbeleuchter nach einem der Ansprüche 1–21, bei welchem an einem Ende des Lichtleiters (1) eine einzige Lichtquelle (4) vorgesehen ist.
Linearstrahlbeleuchter nach Anspruch 18, bei welchem der Querschnittsbereich des Lichtleiters (1) von dem Ende, an welchem sich die Lichtquelle (4) befindet, zum Mittelteil graduell abnimmt.
Linearstrahlbeleuchter nach Anspruch 28 oder 29, bei welchem die Querschnittsform des Lichtleiters (1) durch einen Teil zweier Kreise unterschiedlichen Durchmessers und geraden Tangentenlinien an diese Kreise konstruiert ist.
Linearstrahlbeleuchter nach Anspruch 28 oder 28, bei welchem die beiden Kreise durch einen ersten Kreis, in welchem der Lichtbrechungs- und -reflektionsbereich vorgesehen ist, und einen zweiten Kreis, von dem das Licht austritt, gebildet werden und der erste Kreis seinen Querschnittsbereich von einem Ende zum anderen allmählich verringert und der zweite Kreis an jedem Punkt längs des Lichtleiters (1) den selben Querschnittsbereich hat.
Linearstrahlbeleuchter nach einem der Ansprüche 28–31, bei welchem an derjenigen Endfläche, an der sich die Lichtquelle (4) nicht befindet, ein Lichtabschlussbereich mit einer Querschnittsform befindet, die über eine bestimmte Distanz identisch mit der anderen Endfläche ist.
Linearstrahlbeleuchter nach Anspruch 32, bei welchem an der Innenfläche des Abschlussbereichs eine Lichtabschirmschicht zur Abschirmung des Lichts von außen oder eine Lichtreflektionsschicht zum Reflektieren von Licht vorgesehen ist.
Linearstrahlbeleuchter nach Anspruch 32, welchem an der Innenfläche des Lichtabschlussbereiches eine Lichtabschirmschicht zum Abschirmen von Licht von außen oder eine Lichtdiffusionsschicht zum Diffundieren von Licht oder eine Lichtreflektionsschicht zum Reflektieren von Licht vorgesehen ist.