TW474094B - Light guide device of image scanner - Google Patents

Description

474094 A7 B7 五、發明説明（） 發明領域： 本發明係有關於一種光導管結構，尤其是一種使用於 接觸式影像感測器（Contact Image Sensor，CIS)裝置中的橢 圓狀光導管結構。 發明背景： 隨著科技的發展，各式各樣的資訊產品不斷的更新與 產生，對於影像擷取裝置例如數位像機或掃描器來說，已 經不再被視為冷門或專門領域所使用的產品，尤其是對掃 描器而言，無論是饋紙式、平台式或是各種高階、低階的 產品都能滿足不同需求的使用者。 ' 得既上的影像掃描裝置 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁}

衣 經濟部智慧財產局員 ^ ， 採外接式或掌上型掃描器，最常利用的光感測裝置為電艾 耦合裝置（Charge-Coupled Device，CCD)。於 CCD 残澳荷 件中，一般都需要光源、反射鏡、和透鏡等 $、、元 整光線，其體積較大。另外有一種使用接觸式影像感=调 (Contact Image Sensor，CIS)所組成的掃描器，由f、測器 源、透鏡、和感測元件等可以組合在較小的空間中於其光 起來更為方便且節省空間，因此已成為掃f 3中’使用 流。 為之發展主 第一圖中所示即為傳統之CIS感測器之 圖。其中標號140為包含整個CIS感測器元件面示意 構’外殼1 40之上半平面則置放待掃描之文 之外殼結 午1 5 0。位於 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )八4規格（210X297公釐） 訂

4^4094 A7 B7 五、發明説明（） 外殼1 4 0的底部為電路板1 〇 〇，上面具有重要的光感測元 件1 1 0，此光感測元件一般可為C μ 0 S或適當的光感測元 件所組成。於光感測元件1丨〇之上方另外配置有柱狀透鏡 陣列1 2 0 ’而位於柱狀透鏡組陣列丨2 〇的旁邊則為光導管 型之光源裝置1 3 0。 當CIS進行操作時，由光導管型之光源裝置13〇所發 出的均勻線狀光源1 6 〇將入射到欲掃描的文件1 5 0上’再 透過底下的柱狀透鏡陣列丨2〇和光感測元件1丨〇接收此 影像訊號並進行處理。 於第二圖中所示則為傳統之光導管型之光源裝置。於 長條狀之光導管200中，發光二極體（Led)220將貼附到光 導官之側面’由LED220所發出的光線將入射到光導管中 產生全反射’由適當的導光設計將光線導向固定的出光方 向，如圖中所示的出光面210。 然而’為了讓長條狀之光導管的光源使用效率增加， 傳統上的光導管設計均會在特定的地方形成容易散射的缺 fe以便引導光線經由出光面射出，但是此類光導管的設計 由於其形狀不佳，很容易使光線因為不規則的反射而破壞 了全反射之條件，導致光線，，漏出，，光導管之外。例如第二 圖中所不的光導管2 00將在光導管底部形成散射點，光線 經由出光面2 1 〇而射出光導管2〇〇。此類傳統型光導管由 於光線的扣失太多，並無法有效的利用極其有限的光源， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A#規格（21〇χ 297公釐 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 474〇94 五 、發明説明（ A7 B7 因而傳統光導管所形4、 β η 丄 化成的光源裝置並不是最好的夹導營 極需要有一種新的伞 光導管結構以改善此不利的因素。 發明目的及概述： 鑒於上述之發明背景中，傳統的光導營由於設計不 又使知光線之使用效率不佳，因此本發明之主要目的之 ’即為δ又计一種接觸式影像感測器之光導營結構，使立 容易控制光源的全反射而產生較佳的光源使用致率，同時 不需另行加工，且易於生產設計。 利用本發明之光導管結構將概述如下： 、光源裝置，此光源裝置由發光二極體（led)和光導管所 :f。發光二極體由紅、綠、藍不同顏色所構成，並貼附 、條形光導官之側邊，以點狀光源入射到光導管中。而 為I有f提昇本發明之光源裝置的使用效率，纟發明採用 的光V官的橫截面係以橢圓形為基礎的橫截面造形，並且 在此橢圓形橫截面的其中一個焦點上切出第一平面，並在 上面P製特殊的油墨，使其成為光源之散射面；另外，在 橢圓形截面的中心點和另一焦點之間，取一適當位置而切 出第一平面，此第二平面即為，，光射出平面，，（或出光面）。由 於橢圓形的特十生，當光線經由其中一焦點發出時，將經過 橢圓面的反射而聚焦到另一焦點上。目此，於本發明的光 導管、…構中’光線若由光導管的側面進入而反射到散射面 上的散射點時’由散射點所發出的光線將經由兩側的橢圓 本紙張尺度適用中國國) A4^m ( 210X297^7 _______丨‘丨- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、11

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4^4094 A7 B7 五、發明説明（） 柱面全反射而聚焦到另一個’’虛擬，，的焦點上，也就是說光 線將由”光射出平面，，射出。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 另外’和本發明之光導管光源裝置配合的周邊元件 中’尚包含了例如感測元件，此感測元件為影像訊號感測 元件如互補式金氧半導體（CM0S)等，可排列成直線的接收 單元以接收聚焦之後的影像光線，然後再經由後續的電路 加以處理。柱狀透鏡組，當光導管光源裝置所發出的線狀 光線經由待掃描文件反射之後，將經由此柱狀透鏡組先加 以聚焦’以便感測元件加以接收。為了接收到線形影像訊 號，此柱狀透鏡組亦排列成長條狀陣列。 經由本發明之橢圓形光導管之設計，在光射出平面將 可得到一最佳的照度，同時因為橢圓面之反射恰好都符合 全反射的條件，因此整根光導管的表面除了散射面上的散 射點之外，不需要另外加工，而可減少額外的製造程序， 因此係為一相當簡潔且易於生產之設計。 圖式簡單說明： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明的較佳實施例將於往後之說明文字中輔以下列 圖形做更詳細的闡述，其中： 第一圖所示為依照傳統方法所形成之接觸式影像感測 器截面示意圖； 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 474〇 A7 B7 i、發明説明（） 第二圖所示為依照傳統方法所形成之接觸式影像感測 器之光導管示意圖； 第三圖所示為依照本發明之較佳實施例所形成之接觸 式影像感測器之截面示意圖；及 第四圖所示為依照本發明之較佳實施例所形成之接觸 式影像感測器之橢圓形光導管橫截面示意圖。 發明詳細說明： 在接觸式影像感測器（CIS)之應用上，光導管 (lightguide)的設計係為了讓點狀光源在光導管中經多次全 反射之後形成一均勻的線狀光源’因此在光導管之底面通 常有散射面（scattering center)之設計。然而，傳統設計在 光能的利用上並無法達到最佳化的效果，因而本發明即針 對此問題而發展出不同的接觸式影像感測器之光導管結 構'而利用本發明所形成之光導管結構的特色將如下所述： 首先參閱第三圖，此圖中所示的即為依照本發明所形 成之接觸式影像感測器的截面示意圖。其中此CIS模組為 長條狀，並可發出線狀光源，以便在掃描器中形成水平方 向的掃描線，但在此取其橫截面以方便說明。在此圖中的 CIS模組將由外殼結構140所支撐及包圍，此外殼結構140 可將CIS模組中的各個元件固定於模組中，以免在操作時 由於元件彼此之間的相對距離變動而產生不良的掃描結 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -------— 4! (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂

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果 於此CIS模組中，光源裝置由光導管 〒s i3 0和貼附於其 側面的發光二極體（LED)所組成（未顯示於此圖中）。一 & 三顆分別代表紅、綠、藍（RGB)不同顏色之T 丄 又 加以貼附， 而光導管130則由壓克力或其它適當的材料所製成。在光 學上，利用全反射之原理將使例如上述LED形成之點光源 發出之光線進入光導管後即被控制沿著光導管的方向前 進二基本上，光線沿著光導管傳送之過程中應儘量避^ = 能量的損失，因此所使用之材料必需非常的均勻，光的吸 收率也要極低。而光導管之表面亦必需非常平滑，否則將 谷易造成光線的不規則反射而破壞全反射的條件。於本發 明中，光線入射到光導管丨30中之後，即經過多次的全反 射及散射而由’’光射出平面，，（或稱為出光面）丨7〇成線狀光 源射出。同時，於本發明之光導管裝置中，雖然其仍為長 條狀之光導官，但橫截面則如第三圖中所示，係為兩長邊 具圓弧狀，而出光面1 7 0和散射面1 8 〇則為直線的橫斷面， 散射面1 80上印製有特殊油墨形成之散射點。經由此設計 的光導官130由於其形狀的特殊及特定的散射點位置，全 部的光線只要入射到散射點後絕大部分均會產生全反射而 由出光面170射出。也就是說，此光導管設計具有容易反 射光線的效果’至於其形成方式將於下面詳加敘述。 先參閱第四圖，此圖即為依照本發明之光導管橫截面 示意圖。由圖中可以清楚的看出光導管13〇之橫截面形狀 本紙張尺度顧巾 _ ( CNS ) '210X297^ ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ^^4094 A7 B7 五、發明説明（） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 實際上係來自一細長之橢圓形，橢圓形具有長短不同的二 軸，同時長軸上亦分成兩個焦點F i及F2。橢圓形橫截面 之中心和其中的一個焦點F1之間將進行截面而切出如圖 中虛線所示的第一個出光面170，實際的出光面170之位 置則可視CIS模組大小、光線聚集、和實際使用情況而定。 另外’於另一焦點F2上亦加以截面而切出第二個散射面 180(如圖中之虛線），同時在此散射面180上將以粗糙面、 印刷塗漆、或印製特殊油墨等方式形成大小不等的散射 點。另外，出光面1 7 0和散射面1 8 0可形成互相平行之二 平面。基本上經由此類刻意製造及控制下所產生的，，缺陷，， 將可達到某些特殊應用的需求。例如在CIS中，有一線形 光源的需求’以便在長條狀表面產生均勻的照度，因此便 在長條狀光導管的散射面1 80上製造一連串，，缺陷，，點的排 列，經由適當安排此類，，缺陷，，的大小及位置，即可得到要 求之線形光源。 橢圓形之反射面由於其形狀特殊，因而具有特殊的光 予特性。當點光源置於其中任一焦點上’則其所發出的光 線經過橢圓的反射之後將聚集在另一焦點上，同時不論由 擴圓上的哪一點所反射，其光學路徑總長將為一常數值。 針對橢圓形的此項特性，於本發明之橢圓狀橫截面光導管 中’由於散射面1 8 0係沿其中一焦點ρ 1加以截斷並在上面 製作散射點，因此所有投射到散射面丨8 〇上之光線大部分 均可符合全反射的條件而經由橢圓形柱面而反射到另一焦 點F2上，但由於出光面丨7〇戴斷於橢圓形中心和焦點F j — — — — i! (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 訂

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五、發明説明（ 之間，因而所有反射的光線將可經由出光面17〇射出。再 者，由於光線使用效率因為此特殊的光導管形狀而增加， 光導管130之橢圓形反射面並不需要特別製作散射層，或 者處理成反射面的方式，因而可以節省製造程序，且為一 相當簡潔且易於生產之設計。 · 再回到第三圖，實際上當以掃描器進行操作 上述之光導管1 3 0所發出的均勻線形光源經過 160的折射之後照射到待掃描文件15〇上，經由 的反射光線則入射到柱狀透鏡陣列丨2 〇加以聚焦 例如互補式金氧半導體（(：^1〇3)感測元件11〇接收 績的訊號處理步驟。若要掃描整份文件，則需要 傳動機構帶動CIS模組，方可進行垂直的掃描。 平台式掃描器中，通常都具備有步進馬達等傳動 責推動CIS模組前進。一般的掃描器之水平解析 疋件U 0的數目有關，但垂直解析度則可經由例 達的控制而有所變化。 時，經由 玻璃上蓋 文件1 5 0 ，然後由 並進行後 掃描器之 在一般的 系統以負 度和感測 如步進馬 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 傳統上之接觸式影像感測器模組中，在光源效率和成 本之間的考量下有許多不同的光導管設計，然而此些設計 部往往無法有效利用光源強度，讓有限的光源漏出光導管 外而形成耗損的情形，但在本發明由橢圓形橫截面所產I 的光導官結構中，由於有效的利用橢圓形之光學特性，光 線在光導管中經多次的全反射之後最後可經由位於擴圓妒 焦點上的散射點順利的再經全反射而由出光面乂 J迻得掃描

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474094 A7 B7_ 五、發明說明（） 文件上，此新型的散射機制可將漏出之光能集中投射至目 標方向，更能提高光能之使用效率。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 如熟悉此技術之人員所瞭解的，以上所述僅為本發明 之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範 圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改 變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍内。 元件符就說明： 140 包含整個CIS感測器元件之外殼結構 150 待掃描之文件 100 電路板 110 光感測元件 120 柱狀透鏡陣列 130 光導管型之光源裝置 160 均勻線狀光源 200 長條狀之光導管 220 發光二極體（LED) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 170，210 出光面 180 散射面 ” 本紙張又度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

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   六、申請專利範圍 1. 一種光源裝置，該裝置至少包含： 光導管（light guide)，該光導管為長條狀，且其橫截面 之形狀係由橢圓形狀加以截斷切成第一平面和第二平面 所組成，該第一平面為出光面，且位於該橢圓形之中點 和第一焦點之間，該第二平面為散射面，且位於該橢圓 形第二焦點上； 發光二極體，貼附於該光導管之側面上以提供點狀光 源到該光導管中。 -----1 .— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 管 導 光 之 述 上 中 其 置 裝 源。 光έ 之时 項散 1有 第具 圍上 範面ΤΠΊτ/一 專二 請第 申該 如的 點 射 散 之 述 上 中 其 置 裝 源 光 之 項 2 ο 第成 圍構 範所 利面 專糙 請粗 申由 如係 點 射 散 之 述 上 中 其 置 裝 源 光 之 項 2 第。 圍成 範構 利所 專墨 請油 申由 如係 管 導 光 之 述 上 中 其 置 裝 源 光 之 項 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 行 平 相 互 係 面 平 二 1第 第該 圍和 範面 專一 請第 申該 如的 層 1鍍 第射 圍反 範過 利經 專不 請圍 申周 如的 管 導 光 之 述 上 中 其 置 裝 源 光 之 項 之 ?·»» 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

   474094 六、申請專利範圍 7. 如申請專利範圍第1項之光源裝置，其中上述之發光二 極體由紅、綠、藍（RGB)不同顏色所構成。 8. 如申請專利範圍第1項之光源裝置，其中係形成線形光 源。 9. 如申請專利範圍第1項之光源裝置，其中上述之發光二 極體所發出的光線係由該光導管之該第一平面射出。 10· —種接觸式影像感測器（Contact Image Sensor，CIS)裝 置，該裝置至少包含： 光源裝置，由具長條狀之光導管（light guide)和貼附於 該光導管側面之發光二極體所組成，該光導管橫截面之 形狀係由橢圓形狀加以截斷切成第一平面和第二平面， 該第一平面為出光面，且位於該橢圓形中心和第一焦點 之間，該第二平面為散射面，且位於該橢圓形第二焦點 上，該光源裝置係形成線形光源； 柱狀透鏡，該光源裝置之該線形光源經由待掃描文件 反射後，形成影像訊號並由該柱狀透鏡聚焦； 感測元件，接收該柱狀透鏡聚焦之後的該影像訊號並 加以處理而形成數位影像。 1 1.如申請專利範圍第1 0項之接觸式影像感測裝置，其中 上述之光導管的該第二平面上具有散射點。 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） » n i n n s ammt i i fn n n « n —Ϊ · n n n 111 1 一· n n n n n n d I — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 9 ο 4 7 4 A8B8C8D8 9(1 六、申請專利範圍 12 ·如申請專利範圍第1 〇項之接觸式影像感測裝置，其中 上述之散射面係由粗糙面所構成。 1 3 ·如申請專利範圍第1 0項之接觸式影像感測裝置，其中 上述之光導管的該第一平面和該第二平面係互相平行。 1 4 ·如申請專利範圍第i 0項之接觸式影像感測裝置，其中 上述之光導管的周圍不經過反射錢層之處理。 i 5 ·如申請專利範圍第1 〇項之接觸式影像感測裝置，其中 上述之發光二極體由紅、綠、藍（RGB)不同顏色所構成。 16·如申請專利範圍第1〇項之接觸式影像感測裝置，其中 上述之柱狀透鏡係形成長條狀陣列，以便接收線狀之該 影像訊號。 1 7.如申請專利範圍第1 〇項之接觸式影像感測裝置，其中 上述之感測元件係為互補式金氧半導體（C Μ〇S)元件。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) n i US · i : - 一 -«4I d ϋ n ·1 «ϋ i— ·

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