201109588 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種具有稜形齒肋反射面導光體之 線性光源’特別是一種可以產生預定的照度分佈，對於 聚焦鏡頭與CCD影像感測器形成互補效應的線性光 源，以應用於高解析度之傳真機、印表機及掃描器。
【先前技術】 目前掃描器、傳真機、多功能周邊事物機及影印機 等圖像讀取裝置已廣泛使用於文件儲存或傳送，這些設 備之核心之一為光學引擎模組100(optical engine module)，如第1圖，包含光源（light source)l、反射鏡片 組 140(reflection mirrors)、取像鏡頭 120(pickup lens)及 影像感測器130(image sensor);當光源1發出光線投射 在文件55上，文件55反射光線，經由反射鏡片組 多次反射後，由取像鏡頭120聚焦於影像感測器13〇 成像，所成的影像（image)經由影像感測器B〇轉變上 子訊號。其中，影像感測器130最常使用光輕合元件成電 charge coupling device)，因此光學引擎模組又稱為 〇 合元件模組（CCDM，CCD module) 100。 光1執 光源1常使用冷陰極管（CCFL，cold fluorescent lamp)，但因CCFL需要額外的電壓轉攝 且含有S素元素不符合環保要求，近年已漸被發& @ ath °de (LED，light emitting diode)取代；如美國 專 极 201109588 US20040095620提出使用lED為掃描器的光源。led具 有節省電力及壽命長的優點，然而，使用LED為掃描器 的光源也存在LED光線分佈不如CCFL均勻，使掃描解 析度無法提高或產生明暗不均勻的文件反射光線，因此 常/、月ti使用於低速知描器（l〇W_Spee(J SCanner) 〇 通常光搞合元件模組（CCDM)的光源所發出的光線 要月b /函蓋待知描文件的寬度（appr〇ximateiy same length as a width 〇f the document)，如日本專利 JP11-232912提出使用LEd為光源，在各種柱面鏡（r〇d lens)後端排設LED陣列，以使其照度均勻化，以應用於 掃描器中。 為使光源發出光線均勻，台灣專利TW579640及美 國專利US20050088705揭露不同的掃描器的集光裝置， 其係利用集光元件及導光元件將光源發出的光線引導至 待掃描的文件上。另外，如日本專利jp2〇〇3262735揭露使 用窗狀的反射面以應用於背光模組的導光板（light quide plate);如台灣專利TWI24586，則揭露一種具有鋸齒狀 反射面之線狀光源，具有鋸齒狀反射面及一弧狀出射面 的導光棒，使發光二極體陣列發出的光線經由導光體而 達均句化的目的。US20090015884、US20090015886 則 揭1出在導光體側面設置光源，而於導光體反射面設置多 偃1反射凹槽，以產生均勻的光線分佈。 然而，由於取像鏡頭之光學鏡片（optical lens)的聚焦 曲面（focal surface)影響，光線射入取像鏡頭後，經由取 201109588 像鏡頭聚焦，在取像鏡頭的邊緣之出射的光線強度較 Μ 弱，相對使CCD周圍接受的光線強度較弱；在副掃描 方向均勻照度的光溽，會造成文件影像邊緣較暗，難以 提高掃描器的解析度。如第2圖，為高速高解析度 CCDM使用的CCFL(或氙氣燈）照度分佈及結構示意 圖，當燈管電極72驅動氙氣燈管71發出光線，經由特 定的長度與照明安排’使待掃描文件上副掃描方向（sub scanning direction)照度分佈形成U形的相對照度分佈 • 73，副掃描方向在光源中心74照度較低、兩端較高的 照度，可以補償CCD周圍光線強度較弱，使光耦合元 件模組（CCDM)可以產生均勻強度的影像訊號。另如第 3圖，美國專利US20050195452提出在柱面鏡92(rod lens)後端排設LED陣列91(LED Array)，藉由排列的 LED陣列91加以控制各LED的亮度，使發出的光線在 待掃描文件上的照度（illumination)能形成均勻或形成U 形的照度分佈，藉以改善副掃描方向的均勻性，以取代 φ CCFL應用於高速掃描器中。然而，採用導光體後端使 用LED陣列等技術手段，需要許多的LED單體及複雜 的控制。另一種技術方案是將光源設置於導光體端面， 如第4圖，在光源發出端設置端蓋（end cap)81，避免大 部份的光線由接近端面出逸出，並在多角形的導光體 82設置齒狀反射面（reflective tooth) 82卜以使光源發出 的光線能充份反射以增加光線的利用性，並以不同的齒 形形狀與齒形間距以調整光線射出後的光型。然而，多 角形的導光體與不同的齒形間距，增加製造的困難，成 201109588 本難以下降。 因此，為簡化製造及降低成本，發展在導光體端面 設置LED光源以減少LED使用量，並以便於製造，且 在出射面於副掃描方向形成與文件影像互補的U形照度 分佈、在主掃描方向形成線性集中的照度分佈，將符合 高解析度與高速掃描目的使用。 【發明内容】 本發明之目的為提供一種具有稜形齒肋反射面導光 體之線性光源，係應用於具有取像鏡頭與CCD影像感測 器之光耦合元件模組（CCDM)，線性光源包含一導光體、 一反射蓋及二個發光二極體（LED);其中，導光體係由光 學材料製成，設有入射面、反射面、二折射面及出射面， 反射面與出射面係對應設置，發光二極體（LED)設置於導 光體兩端之入射面；二折射面分別設置於反射面之兩 側；導光體之反射面為具有複數個棱形齒肋結構，每一 稜形齒肋結構設有一切角面，利用反射面將射入導光體 反射面的光線反射至出射面；在主掃描方向出射面為凸 面，其凸面為面向物體側；使發光二極體（LED)發出的光 線由入射面進入，經由反射面反射、折射面折射，由出 射面射出後，可在被照物體（如待掃描文件）上，於主掃 描方向（main scanning direction)形成線性集中（linear convergence)的照度分佈，於副掃描方向形成U形的照 度分佈（illumination distribution)，以補償CCD周圍光線 201109588 強度較弱的現象，形成互補效應，以產生均勻光強度的 影像訊號。 本發明之另一目的為在導光體之入射面設置一入射 凹面’該人射凹面之中心位於該二個發光二極體中心袖 ，線之光軸上’用以提南導光效率，減少光線散溢，提 高導光體出射面的平均照度。 本發明之再一目的為在導光體之出射面，於副掃描 方向設置為凹面，相對於光線出射方向為凸面，用以進 一步提高導光體出射面的兩端照度的強度。 由此，本發明之具有稜形齒肋反射面導光體之線性 光源，其可具有一或多個下述優點： (1) 藉由本發明提出之稜形齒肋反射面的導光體與 安排於兩侧入射面之L E D光源，可以改善習知技藝使用 夕個LED《源的直接照射方式的高成本與複雜控制的 缺點。 (2) 藉由本發明提出之導光體的稜形齒肋反射面的 ，構’可在主掃描方向形成線性集中的照度分佈、在副 掃描方向形成u形的照度分佈，用以補償CCD周圍光 線強度較弱的現象’形成互補，產生均勻光強度的影像 訊號，提供高解析度、高速掃描之需求。 (3) 藉由本發明提出之導光體在出射面設置凹面之 結構（相對於光線出射方㈣凸面）或人射面設置凹面之 結構，可以提高光線利用效率，相對增加光強度。 201109588 【實施方式】 為使本發明更加明確詳實，兹列舉較佳實施例並配 5下列圖不，將本發明之結構及其技術特徵詳述如後。 =參閱第5圖，其係為本發明具有稜形齒肋反射面 :先體之線性光源第一實施例示意圖。請參閱第6圖係 為本發明具有稜形齒肋反射面導光體之線性光源之反射 。請參閱第7圖，其係為本發明實施例之反射 盍不思圖。線性光源1包含一個導光體1〇、一反射蓋Η ^個發光二極體(LED)(lla、llb)，·其中，導光體1〇係 由先學材料製成，設有人射面15、反射面13、二折射面 及出射面12 ’反射面13與出射面12係對應設置，發 光二極體(LED)⑴a、Ub)設置於導光體1()兩端之入射 面15 ;二折射面17分別設置於反射面13之兩側，用以 將先線折射，·在主掃描方向（γ方向）出射面12為凸面， 其凸面為面向物體側，其曲率半徑為。其中，導光 體10之反射面13為具有複數個稜形齒肋 一稜形齒肋m結構設有一切角面132，利用反^面^ 將射入導光體10反射面13的光線反射至出射面12，如 第8圖至第10 11 ;其中，化為切角（Chamfer angle)角度， 為切1面132與反射面13所形成的角度，c為切角面%2. 在，掃描方向的投影長度，W為導光體1〇在主掃描方向 之寬度，d為兩個齒形反射肋的距離，η為反射面13至 =射面12頂點的長度’為導光桿的高度，Ηζ為稜形齒肋 底部至出射面12頂點的長度。其關係式如下：
Hz = H + c sin0 (1) 201109588 ec=c〇s-\^m) ' 2c ) (2) 進一步，入射面15可設有一入射凹面16a、l6b， 該入射凹面16a、16b面向於發光二極體（LED)(lla、Ub) 側，該入射面15的入射凹面16a、16b之中心位於該二 個發光二極體(LED)(lla、llb)中心軸連線之光軸上，其 曲率半徑分別為R10a、Ri0b。其入射凹面16a、16b在入 射面15的直徑為E)C，係配合發光二極體lu、nb的 徑所設置。 眷 再進一步，在副掃描方向（X方向），出射面12可設 置為一凹面，其曲率半徑為Rux，可將副掃描方向射出 出射面12的光線照度分佈更為聚集。 反射蓋18為U形槽，可以容置導光體1〇，u形槽 為金屬所製或具有反射層，可以將穿透出導光體1〇之光 線反射’進入導光體10 ;反射蓋18進一步包含二個端蓋 (181a、181b)，用以遮蔽非作用區的光線。 Φ 本發明具有稜形齒肋尽射面導光體10為光學材料 所製成，光學材料的折射率（refractive index)nd大於空氣 的折射率1.0，當LED發出光線後，光線經由兩端入射 面15進入導光體1〇,由於導光體1〇的折射率…大於空 氣的折射率1.0’進入導光體的光線在臨界角度 (critical angle)内，只會產生折射而不會產生穿出導光體 10;若穿出導光體10的光線，則由反射蓋18折射進入 導光體10。如第11圖，由於LED發出的每條光線角度 不同，在導光體10内的光線若射至反射面13，藉由反 201109588 ^面13的棱形㈣131結構可將光線反射。由副掃描方 向彳LED發出的光線21進入導光體ι〇射至反射面 13,光線21被棱形齒肋131反射至出射面12，形成光 2 21,;若光線22以小於反射臨界角射至導光HH)折射 =丄7 ’被折射S i 7折射後射至反射面工3，光線2 2被稜 形齒肋m反射至出射面12，形成光線22，；藉由本發 明的導光體H)’在副掃描方向’接近導光體1()二端的 入射面15,射出出射面12的光線照度較高，在中央部 份射出出射面12的光線照度較低，但藉由反射面㈣ 稜形齒肋131結構，使中央部份的照度可以提高形成 兩端較高中央較低且平的U形照度分佈。為達最佳效 果，兩個齒形反射面13的距離d、反射面13至出射面 a頂點的長度H(導光桿的高度）、稜形齒肋i3i底部至 出射面12頂點的長度Hz，則可依據導光體1〇光學材料 的折射率nd與導光體1〇在副掃描方向的長度L、發光 二極體的直徑等相互配合。 光耦合元件模組使用的CCD影像感測器為面感測 器（area sensor)，因受取像鏡頭光學鏡片的聚焦曲面影 I，在邊緣部份光線強度較弱，使面感測器產生的電子 訊號在邊緣部份較低，在中央部份產生的電子訊號較均 勻，若照射在被照物體（如待掃描文件）的光線，在副掃 描方向為均勻的照度分佈時（如第丨圖），經由待掃描文 件反射後，被CCD影像感測器所接收，CCD影像感測 益所產生的影像訊號在兩端則會較弱（顏色較暗），寫真 程度（degree of realism)降低。若使用如第2圖或本發明 201109588 ‘產生的u形照度分佈時，CCD影像感測器所產生 =號在兩端則會提高’寫真程度（degree of realism；提 n，產生更好的解析度與影像電子訊號。 再如第12圖’由主掃描方向，光線以咖射出 後，被棱形齒肋131反射至出射面12，再經由出射面η 的凸面r】2聚集，形成光、線21，：若光線22 =射至導光體1〇折射面17，被折射面17折射後： 線22,1二=由出射面12的凸* Rl2聚集，形成光 ^ ，右先線23以大於反射臨界角射至導光體⑺ 將穿出導光體10,再被反射蓋18反射再 „Π)’若光線23射至反射面13之切角面= 日”光線23被切角面.132反射至出射面12，經 =告的凸面Rl2聚集形成光線24’；即藉由反射面^的 夂心肋131與切角面132可將入射的光線21、22 中Γ12,再經由出射面12的凸面^聚集成為 綠性集t (hnear convergence)的照度分佈。在 向，經由導光體10發出的光線，可 :性光束0一)，提供給影像掃描器、二=^ :效：’切角面132之切角角度…齒肋13f= Γ;;= 據導先艘10寬度w、光學材料的折射率二 出射面12的凸面的曲率半經R艿山 文件的距離等相互配合12及出射面12至被掃描
射面於說明及比較’以下實施例之具有稜形齒肋反 =導光體之線性光源^均係料A 景“象感測器之影像掃描器，待掃描文件寬度為 201109588 ±l〇5mm(210mm寬）；線性光源1包含一個導光體1〇、 一反射蓋18及二個發光二極體（LED)(lla、llb);發光 · 一極體（LED)(1 la、1 lb)使用尚亮度LED，當影像掃描器 啟動時，可發出白色的光線。使用的反射蓋18為不透明 塑膠（opaque plastic)所製，為u形槽狀，内表層鍍有鋁 反射膜層（aluminium reflection layer)，可以將穿透出導 光體10之光線反射進入導光體10;反射蓋18在導光桿 兩端設有二個端蓋（181a、181b)，用以遮蔽非作用區的 光線。為便於說明，下列各實施例均使用相同長度春 (L-260mm、士 130mm)、相同高度(H=6.5mm)、相同寬度 (W=6.2mm)的導光體10，出射面12至被掃描文件的距 離設為7mm，發光二極體iia、llb直徑為2 lmm，兩端 發光二極體lla、Ub發出光線後，經由二個寬度為i〇mm 的端蓋（181a、181b)遮蔽後，導光體1〇在副掃描方向（χ 方向）發出長度為士120mm的U形照度分佈的光線、在主 掃描方向（Y方向）發出線性集中的照度分佈的光線，以 照射被照物體（如待掃描文件）。上列之尺寸及數據僅為 舉例’但不以此為限。 零 請參閱第15圓至第22圖，其係為各實施例在被照 物體（距離為7mm)上的副掃描方向及主掃描方向，均方 根照度（root mean square illumination)與位置的照度分佈 圖，在副掃描方向顯示士14〇mm的長度（相對於被照物體 有效範圍為±105mm)'主掃描方向顯示土1〇mm的寬度（若 不考慮被光闌所遮斷、相對於被照物體有效範圍為 土2.5mm)。 12 201109588 〈第一貫施例> 凊參閱苐5圖，禆盍夫每 . ^ A ，、係為本實施例具有稜形齒肋反射 面導光體之線性光泝的早立固丄 .原的不思圖，在本實施例，導光體10 為光予材料聚碳酸醋ΓΡΓΆ也】# ,
)製成’折射率（refractive index) nd=1.58，入射面15為一承；,A ^ 马千面、出射面12副掃描方向為 千面，導光體10相關參數如表一。 參數 折射率！!< 1.58 10.13
0.55 掃描方向曲率半徑 出射面副掃描方向曲率丰
Ri2y(mm)__丁1工 切角面角度0 (dq 掃描方 0.55 6.84 d兩(上齒％反射肋的距離 gffgzf二至出射面頂點 <第二實施例> 請參閱第13圖’其係為太 面導光體之線性光源的二本實 ^ , 忍圖’在本實施例，導光體10 =材議，C)製成，折射率…，入射面 具有一凹面16，在屮私；^_ 光體10相關參數如表二。田掃描方向為平面’導 13 201109588 參數 1.58 -10.13 mi掃推徑 mi掃匕向曲率半徑
0.5 切角面角度 sifoif掃描方向的投影 d兩(m=〇齒形反射肋的距離 至出射面頂點 6.85 率半徑R“ 1.2 3.0 待知描文件設置於距離導光體i。兩端7麵處，本實 具有稜形齒肋反射面導光體之線性光源卜在距離 ^九體1〇兩端7麵處的照度分佈如第15圖、第16圖， 分別為副掃描方向之位置與照度關係圖與主掃描方向之 位置與照度的均方根值關係圖；由第15圖、帛16圖所 本實施例之線性光源丨可在待掃描文件上形成取像 鏡頭與CCD影像感測器互補效應的光源。 第三實施例> 請參閱第13圖’係為本實施例具有稜形齒肋反射面 201109588 導光體之線性弁调！ & -立^ 原、1的不意圖，在本實施例，導光體10 為光學材料聚甲基丙烯酸甲酷⑽MA)製成，折射率 人射面15具有一凹面16，在出射面12副掃描 方向為平面，導光體10相關參數如表三。 參數 1.49 MM 率 nH__ f射面气掃描方向曲率半 jM_2Y(mm) _ 守射面副掃描方向曲率丰 _^i2x( mm) 工 38.5 0.5 0.51 角度 影 的距離 f f f肋底部至出射面頂點 i 長度 Hz(mm)___’、 岔射面凹面曲率半徑尺…及 Kl6b 6.82
3.0 實施例之具有稜形齒肋反射面導光體之線性光源 距離導光體1G兩端7mm處的照度分佈如第U圖、 18圖’分別為副掃描方向之位置與照度關係圖與主掃 田方向之位置與照度的均方根值關係圖；由第17圖和第 出圖所示’本實施Μ線性錢1可在待掃描文件上形 成取像鏡頭與CCD影㈣㈣互補效應的光源。 15 201109588 <第四實施例> 明：閱第14圖’為本實施例具有稜形齒肋反 :=線性光源1的示意圖，在本實施例，導光體10為 光學材料聚甲基丙烯酸甲醋(PMMA)製成，折射： 二射具有一凹面16,在出射面12副掃描 万向為凹面，導光體10相關參數如表四。 包例導光體相關參數 折射率h ___ ^射面主掃描方向曲率半徑 Ri2v(mm、_ 出射面副掃描方向曲率半徑 Ri2“mm、______ 刀角面角唐弋r^wj___ 謇今面在主掃描方向的投影 長度c(mm) ，個齒形反射肋的距離 d(mm)__ 稜形齒肋底部至出射面頂點 的長度Hz(mm)_______ 入射面凹面曲率半徑R16a及 Ri6h (mm)___ 入射面凹面首獲Dc (rnm)___ 1.49 -12.01 7175 37.5 0.8 0.55 7.0 -1.2 3.0 本實施例之具有稜形齒肋反射面導光體之線性光源 1，在距離導光體10兩端7mm處的照度分佈如第19圖、 第20圖，分別為副掃描方向之位置與照度關係圖與主掃 描方向之位置與照度的均方根值關係圖；由第19圖、第 20圖所示，本實施例之線性光源1可在待掃描文件上形 成取像鏡頭與CCD影像感測器互補效應的光源。 201109588 <第五實施例> 請參閱第14圖，係為太麻# , 導光體之線性光源！具有稜形齒肋反射面 為光聲姑缺的不思圖，在本實施例，導光體10 ^1； ^ ^ 光體1。相關參數如^射面12副掃描方向為凹面’導 ❿ 徑 向曲率半徑 115ϋ掃描方向的投影 1.58 -10.13 8512 6.85 -2.5 3.0 具有稜形齒肋反射面導光體之線性 導光體10兩端7mm處的照度分佈如第21圖、 圖’分別為副掃描方向之位置與照度關係圖與主掃 2;圖L之位置與照度的均方根值關係圖；由第21圖、第 斤不，本實施例之線性光源1可在待掃描文件上形 17 201109588 201109588 源 成取像鏡頭與CCD影像感測器互補效應的光 歸、’·内上述，本發明之具有稜形齒肋反射面導 線性光源之功效在於藉由稜形齒肢射 排於兩側入射面之LED光源，可在 導= 的照度分佈’在主掃描方向形成線性集中的昭度= 可提供給高解析度與高速掃描器使用。…、度刀佈 :上所述僅為舉例性’而非為 神與範，，而對其進行之等效= 更，均應包含於後附之中請專利㈣中。 欠 201109588 【圖式簡單說明】 第 1 圖 。之:為習知技藝之線性光源應用於影像掃 之不意圖； :係、為習知技藝之導光體一及照度分佈之示意圖; 第4^/ 糸為習知技藝之導光體三及照度分佈之示意圖； 弟4圖係、為習知技藝之導光體四之示意圖； 圖係為本發明具有稜形齒肋反射面導光體 光源第一實施例示意圖； 第6圖、係為本發明具有稜形齒肋反射面導光體之線性 光源之反射面示意圖； __ 圖係為本發明實施例之反射蓋示意圖；. 第 8 、 圖/系為本發明實施例之導光體透視詳圖（僅為一 段）； 第9圖係為第10圖之Α-Α，截面圖； 第10圖係為第1〇圖之Β_Β，截面圖； 第11圖係'為本發明實施例在副掃描方向入射光線反射 形成U形照度分佈示意圖； 2圖係為本發明實施例在主掃描方向入射光線反射 形成線性集中照度分佈示意圖； 第13圖係為本發明具有稜形齒肋反射面導光體之線性 光源第二實施例示意圖； 第14圖係為本發明具有稜形齒肋反射面導光體之線性 201109588 第15 第16 第17 第18 第19 第20 第21 第22 光源第三實施例示意圖； 圖係為第二實施例導光體出射面7mm處副掃描方 ' 向之位置與照度關係圖；. 圖係為第二實施例導光體出射面7mm處主掃描方 向之位置與照度的均方根值關係圖； 圖係為第三實施例導光體出射面7mm處副婦描方 向之位置與照度的均方根值關係圖； 圖係為第三實施例導光體出射面7mm處主掃描方 向之位置與照度的均方根值關係圖； ® 圖係為第四實施例導光體出射面7mm處副掃描方 向之位置與照度的均方根值關係圖； 圖係為第四實施例導光體出射面7mm處主掃描方 向之位置與照度的均方根值關係圖； 圖係為第五實施例導光體出射面7mm處副掃描方 向之位置與照度關係圖；以及 圖係為第五實施例導光體出射面7mm處主掃描方 _ 向之位置與照度的均方根值關係圖。 20 201109588 . 【主要元件符號說明】 1 :線性光源（linear light source); 10 :導光體（light guide); 11a、lib :發光二極體（LED); 12 :出射面（ejective surface); 13 :反身十面（reflection surface); • 131 :稜形齒肋(taped sawtooth); 132 :切角面； 15 :入身十面（incident surface); 16(16a、16b):入射凹面（incident concavity); 17 :折射面（refractive surface) 18 :反射蓋（reflective cartridge); 181a、181b:端蓋（end cap); φ 21、22、23 :光線(light); 21’、22’、23’ ：光線（source light); 55 :文件（document); 71 :氤氣燈管（xenon lamp); 72 :燈管電極（Lamp electrode); 73 :照度分佈（illumination distribution); 74 :光源中心（center of light source); 81 :端蓋（end cap); 21 201109588 82 :多角形的導光體（polygonal light guide); 821 :齒狀反射面（reflective tooth); 91 · LED 陣列（LED Array); 92 :柱面鏡（rod lens); 100 :光學引擎模組（optical engine module); 140 :反射鏡片組（reflection mirrors); 120 :取像鏡頭（pickup lens);以及 130 :影像感測器（image sensor)。 22