專利名稱：光導向器和線性照明裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光導向器，它用于傳真機、復印機、袖珍掃描儀之類的設備，并尤其涉及一種內置有光導向器的線性照明裝置。
傳真機、復印機、袖珍掃描儀之類的設備都有一種能夠讀取圖像的裝置，比如說，讀取稿件的圖像傳感器。用于讀圖裝置的圖像傳感器，是緊湊型的，它的光通道短并能輕而易舉的裝入設備中。在這種緊湊型圖像傳感器中，要求在線性照明裝置發出的光亮度超過可讀限度時，還能讀取稿件的一部分。在這種情況下，在主掃描方向(縱向)的照明范圍就要求比較大，而在與主掃描方向垂直的副掃描方向要求的是一個較狹窄的帶狀條形范圍。
使用條狀或盤形光導向器、用來照明上述大范圍和窄帶狀范圍的線性照明裝置，以及具有這種線性照明裝置的讀取稿件裝置，可在日本待審專利第Hei8-163320和Hei10-126581號文件中找到。
在
圖13所示的稿件讀取裝置結構圖中，主架101由上凹102和下凹103組成，上凹102內有一外套105，條狀光導向器104放在外套105內，上凹102的開口部分被一盤形玻璃106封閉。底盤108封住下凹103的開口，其上有一光電轉換器(傳感器)107。主架101中還有一柱形透鏡組109。
條狀光導向器104由玻璃或透明樹脂做成。條狀光導向器104在與縱向方向垂直的方向上的截面形次是近似方形的。條狀光導向器104的C形的斜切部分并作為光出射面110。條狀光導向器104還有一如LED的發光裝置(未示出)，它位于縱向兩端的其中一端(即，與紙面垂直的方向上)。發光裝置發出的光從條狀光導向器104的一端被引入條狀光導向器104。在條狀光導向器104中傳播的光線然后在條狀光導向器104一側散射形成散射圖案111。散射光從光出射面110出射，穿過放置稿件的玻璃112射到稿件113的正面。反射光穿過柱形透鏡組109，然后被光電轉換器探測，從而讀出稿件內容。
散射圖案111是用絲印方法在光導向器表面覆上一種白色的材料形成的。但是采用絲印方法會出現這樣的問題絲印點的大小會隨很多因素而變化，如，絲印材料的凝結條件、溶劑的溫度、濕度、稀釋條件、以及由靜電引起的涂覆材料的飛濺等。因而，難以在多數光導向器表面再現成最佳的散射圖案，結果成品率很低。另外，采用絲印方法還會出現的另一個的問題是必須反復修改和重印，直到獲得滿意的均勻度為止，這使得生產周期和生產成本增加。
為解決上述問題，根據本發明的一種光導向器提供了除具有光入射面和光出射面外的非均勻面，以散射至少在其預定表面(側面也可以)上的光。較好的方法是在光導向器注塑成型時同時形成這一非均勻面。非均勻面上的脊線方向可以與光導向器的縱向方向垂直。但最好是非均勻面的脊線方向不在與光導向器的縱向垂直的方向上。
根據本發明的光導向器的非均勻面是在光導向器注塑成型時同時形成的。因此，不再需要用絲印方法形成散射圖案的過程。故，提供經濟的、具有均勻特性的光導向器是可能的。如果非均勻面的脊線方向不垂直于光導向器的縱向方向，從非均勻面的斜面反射的光就有可能直接從光出射面射出。因而可以增加出射光的強度。
在現有的技術中，套在光導向器外面的外套可以防止散射光被無用地射出光導向器。但是，如果非均勻面的形成方向不同于縱向的垂直方向(也就是副掃描方向)，即使不用外套也有可能得到必需的照明亮度。另外，通過改變斜面角度(即，非均勻面脊線與副掃描方向之間的角度)的大小和非均勻面的位置，可以調整射到稿件上的光亮度使其達到最大。
根據本發明的線性照明裝置的光導向器裝在一外套中，使得光導向器的光出射面露在外面。光導向器的一端有一發光裝置，非均勻面從這端向另一端延展。由于光導向器由外套包住，線性照明裝置易于操作(例如，在組裝時沒有必要在光導向器上進行一些諸如防污染的措施)。另外，因為外套可以防止散射光被無用地射出光導向器，因此，可以增加出射光的強度。通過改變從裝有發光裝置的一端到另一端的光反射和散射非均勻面的長度，可以在線性照明裝置的全部照明長度范圍內獲得均勻的光亮度。如果非均勻面的長度固定，通過改變非均勻面形成區域的范圍或者改變非均勻面的斜角，同樣可以在線性照明裝置的全部照明長度范圍內獲得均勻的光亮度。
根據本發明的線性照明裝置可以不使用外套。當不使用外套時，就可以降低線性照明裝置的成本。
下面對照附圖的說明將使上述以及本發明的其他目的、特征和優點更加清楚。
圖1是根據本發明的線性照明裝置的放大圖；圖2是根據本發明光導向器第一實施例的示意圖，其中圖2(a)畫出了使光反射和散射的非均勻面形成的區域，圖2(b)是放大了的光反射和散射非均勻面的結構；圖3是根據本發明光導向器第二實施例的示意圖，其中圖3(a)畫出了使光反射和散射的非均勻面形成的區域，圖3(b)是放大了的光反射和散射非均勻面的結構；圖4展示了在使用常規光導向器的線性照明裝置內光線的傳播原理，其中，常規光導向器中涂敷材料通過絲印方法轉印；圖5展示了在使用光導向器第一實施例的線性照明裝置內光線的傳播原理；圖6展示了在使用光導向器第二實施例的線性照明裝置內光線的傳播原理；圖7是讀圖儀一個實施例的結構示意圖，它使用了根據本發明的線性照明裝置，其中圖7(a)所示的是實際尺寸的剖面圖，圖7(b)顯示了光導向器上光出射面的形狀；圖8給出了常規光導向器上的散射圖案的大致形狀；圖9是一讀圖儀測量的光亮度分布特性圖，所用的讀圖儀有A8尺寸的大小，它采用了常規光導向器的常規線性照明裝置；圖10是一讀圖儀測量的光亮度分布特性圖，所用的讀圖儀有A8尺寸的大小，它采用了根據本發明第一實施例的光導向器的線性照明裝置；圖11是一讀圖儀測量的光亮度分布特性圖，所用的讀圖儀有A8尺寸的大小，它采用了根據本發明第二實施例的光導向器的線性照明裝置；圖12表示采用根據本發明第二實施例的除去了外套的光導向器結構的線性照明裝置的光亮度分布特征的測量值；和圖13是使用常規光導向器的原稿讀取裝置的剖面圖。
將參考附圖對根據本發明的最佳實施例進行說明。圖1是根據本發明的線性照明裝置的放大透視圖。圖2是根據本發明光導向器的第一實施例的透視圖和圖3是根據本發明光導向器的第二實施例的透視圖。
如圖1所示，線性照明裝置內置光導向器1，其中光導向器1嵌在白色外套2內，以這種方式暴露光出射面1a。光源基板3緊靠在白色外套2的一端，其上包含了LED等照明器件。
光導向器1由具有高光傳輸特性的樹脂如丙烯樹脂、聚碳酸酯等或光學玻璃制成。光導向器1的橫截面基本形狀是矩形，其中的一角被斜切成C形，作為光出射面1a。如圖2和圖3所示，在光導向器1相反側提供至少用于散射光線的非均勻面1b。
在圖2和圖3中，(a)表示形成非均勻面1b的區域，(b)表示放大了的非均勻面圖案。
根據本發明第一實施例的光導向器如圖2所示。在光導向器1的相反側提供了多個脊線都與副掃描方向(即垂直于主掃描方向的方向)平行的非均勻面1b。以下是一個非均勻面例子。非均勻面1b的高度、槽間距和頂角分別是0.15mm、0.3mm和90度。如圖2(a)所示，靠近光入射面那側的非均勻面1b的長度較短，隨著非均勻面1b離光入射面的距離變大，非均勻面1b的長度逐漸增加。從光源發出的光強在靠近光入射面處較大，隨著非均勻面1b離光入射面的距離變大，光亮度也隨之變小。因此，如圖2(a)所示，如果非均勻面1b的長度隨著非均勻面遠離光入射面而增加(即，非均勻面是擴展的)，就有可能使得從光出射面1a射出的光強度在主掃描方向的整個長度范圍內是均勻的。在光入射面一側的非均勻面可以是不連續的。特別的，當非均勻面長度變短、難以形成非均勻面時，有可能通過在非均勻面長度范圍內將用于形成非均勻面的間隔改變到某一程度或通過改變連續非均勻面的數目，使得在主掃描方向的整個長度內得到從光出射面1a射出的均勻光亮度。
根據本發明第二實施例的光導向器如圖3所示。在光導向器1的相反側提供了多個脊線與副掃描方向(即垂直于主掃描方向的方向)成預定角度傾斜的非均勻面1b。以下是一個非均勻面例子。非均勻面1b的高度、槽間距和頂角分別是0.15mm、0.3mm和90度，非均勻面的脊線和副掃描方向之間的夾角為48度。如圖3(a)所示，靠近光入射面那側非均勻面1b的長度減小，隨著非均勻面1b離光入射面的距離變大，非均勻面1b的長度逐漸增加。從光源發出的光強在靠近光入射面處較大，隨著非均勻面1b離光入射面的距離變大，光亮度也隨之變小。因此，如圖3(a)所示，如果非均勻面1b的長度隨著非均勻面遠離光入射面而增加(即，非均勻面是擴展的)，就有可能使得從光出射面1a射出的光強度在主掃描方向的整個長度范圍內是均勻的。在光入射面一側的非均勻面可以是不連續的。特別是，當非均勻面長度變短、難以形成非均勻面時，有可能通過在非均勻面長度范圍內將用于形成非均勻面的間隔改變到某一程度或通過改變連續非均勻面的數目，使得在主掃描方向的整個長度內得到從光出射面1a射出的均勻光亮度。改變非均勻面的傾斜角也是一個有效的方法。
下一步描述線性照明裝置中光的傳播原理。首先，描述采用常規光散射圖案的光導向器的線性照明裝置。如圖4所示，常規光導向器的光散射圖案是用絲印方法在光導向器的相反側轉印層白色涂料。從光入射面入射的光線在沿主掃描方向(縱向方向)傳播之前在光導向器內產生總反射。一旦光線到達在光導向器相反側用絲印方法形成的光散射圖案(光散射器)，光線就會被漫反射。一部分漫反射的光從光導向器的斜切部分(光出射面)射出。如圖4所示，一部分光線被白色涂料或近處的外套表面散射，并從光出射面散射射出。
圖5表示使用第一實施例光導向器的線性照明裝置內的光輻射情況。從光入射面接收的光在光導向器內產生全反射并沿主掃描方向(縱向方向)傳播。當包含三角形非均勻面的散射器安置在光導向器相反側時，到達這點的光線如圖5所示被折射和傳輸，然后射到外套上，結果就產生了如上所述的相同散射光。也就是說，可以獲得與非均勻面形成在光導向器相反側以印刷白色涂敷材料時相同的效果，由此形成散射圖案。
因為當光導向器注塑成型時可以集成非均勻面，所以可以取消形成常規光導向器的絲印過程。
圖6是第二實施例利用光導向器的線性照明裝置光輻射操作示意圖。在利用第二實施例的光導向器的線性照明裝置中，因為三角形非均勻面的傾斜表面除了具有上述的光散射效果以外還有反射鏡拋光面的效果，所以反射光成份有效地用于提高發射效率。即第二實施例的光導向器和利用此導向器的線性照明裝置，其特征在于在光導向器的反面設置三角形非均勻面的傾斜表面，使得入射光除具有白色涂料形成的光散射器或外套那樣的光擴散作用之外，還可以產生光全反射。下面將參見圖6對光反射的效果進行描述。在第二實施例的光導向器中，三角形非均勻面的脊線設計成具有不平行于副散射方向的形狀，其中由標號①表示的光線可以在三角槽的斜面上發生全反射并從光出射面射出，標有數字②的光線透射過非均勻面的傾斜面，并射到外套表面形成散射光。
第一實施例的光導向器平行于副掃描方向，光導向器射出的只有散射光。另一方面，在第二實施例的光導向器中，如果全反射光的成份可以用作照明，則該成份不經過散射過程。因此，光線①表示沒有光量的損失，該成份可以高效地100％地用于照明過程。另外，在第二實施例的光導向器中，因為全反射光采取直接輻射到三角槽出射面的路線，所以可以把峰值位置與光導向器的端部分開。
圖7是一種讀圖儀的結構示意圖，它使用了本發明的線照明裝置。這里所說的A8大小的讀圖儀，其線照明裝置的有效長度是約55mm。光導向器1由透明的常用丙烯樹脂制成，具有斜切的C形面，如圖1所示，其中，在副掃描方向的高度和寬度，及在主掃描方向的長度分別是1.5mm、5mm、64mm。斜切部分的尺寸如圖7(b)所示，在每個方向上為0.5mm，光出射面1a的傾角是45度。使用Nichia公司的產品作為LED燈，其發出的光為波長是520nm的綠色光，在前向電流為20mA時輸出功率為1.5mW。外套2由不透明的白色聚碳酸酯材料制成。Nippon Sheet Glass公司生產的，型號為SLA-20E的產品用作柱狀透鏡組。A8大小的讀圖儀剖面圖如圖7(a)所示，圖中標注了實際尺寸。
使用如圖7所示A8大小的讀圖儀對常規結構的光導向器、根據本發明第一實施例的光導向器和第二實施例的光導向器進行線性照明裝置的光亮度分布特性的測量。常規結構的光導向器使用Teikoku Printing Inks Mfg.有限公司生產的具有高反射率的白色墨水作為白色涂料，并通過絲網印刷法形成光散射圖案。圖8中示出了具有常規結構的光導向器光散射圖案的形狀簡圖。
圖9表示對A8大小的使用常規光導向器的讀圖儀的光亮度分布特性的測量結果。圖10表示對A8大小的利用第一實施例的光導向器的讀圖儀的光亮度分布特性的測量結果。圖11表示對A8大小的利用第二實施例的光導向器的讀圖儀的光亮度分布特性的測量結果。在圖9至圖11中，水平軸是副掃描方向，垂直軸是亮度。水平軸的可讀0是副掃描方向的基點(即光導向器的發射面端部)，如圖7(a)所示。在主掃描方向上分別在距光入射面13mm、33mm、53mm的三個位置上對副掃描方向的光亮度進行測量。圖9、10、11示出測量結果。
使用常規光導向器和本發明第一實施例的光導向器的讀圖儀，光亮度峰值點均靠近副掃描方向參考點(即光導向器上光出射面的端部)。這兩種光導向器在離副掃描方向參考點0.6mm處幾乎有相同的亮度。因此，若把光電轉換器安裝在這個位置上，則被讀稿件處的光亮度都相同，并且兩種線性照明裝置的基本性能是一樣的。
在第二實施例的光導向器的讀圖儀中，光亮度峰值點位于離副掃描方向參考點(光導向器上光出射面的端部)1.2mm處。在這個位置上(約1.2mm)其光亮度值是第一實施例光導向器的兩倍。即緊湊型圖像傳感法的讀圖儀中光電轉換元件的安裝位置可以以距離各部位的視點不同的方式(1mm左右)設計，但是也可以調節線照明裝置的性能，使得在任何設備中光電轉換器正上方的稿件都能得到足夠的照明亮度。在本發明中，通過改變非均勻面上脊線與副掃描方向的傾斜調節光的亮度。進一步說，如圖11所示，(在副掃描方向的)亮度分布具有較寬的波形，因此，組裝使用這種緊湊型傳感器的讀圖儀時，光亮度不會因緊湊型傳感器的位置偏差精度而受到影響(或減弱)。相應的，使用第二實施例的光導向器的線性照明裝置，還可以提供相對于位置精確度的偏差均勻而穩定的光亮度。
在利用第二實施例的光導向器的線照明裝置中，即使不使用光導向器外面的外套，也可以獲得令人滿意的光亮度特性。由于非均勻面比常規的光散射器能更有效的利用光反射，包在光導向器外面的外套不再具有非常意義的貢獻。在使用絲網印刷方法做成的光導向器的線性照明裝置中，外套扮演著一種光學角色，它能防止散射光線射出光導向器(光的損失)，并且能使射到其表面的光線反射回光導向器中，從而使得射到光出射面的光線數量增加，照在稿件上的光亮度增大。相反，使用第二實施例的光導向器，光散射成分更少，大大減弱了光的“Lock-in效應”。
圖12是使用第二實施例的光導向器的、未用外套的線性照明裝置光亮度分布特性測量圖。在離副掃描方向參考點(光導向器上光出射面的對角)1.2mm處，光亮度值是使用了外套的線性照明裝置(見圖11)的76％左右，是使用絲網印刷法做成的光導向器的線性照明裝置(見圖9)的90％左右。亮度性能幾乎在同一水平。因而，實現一種廉價的、簡單的、不需印刷過程和外套(消除數個部分和過程)的線性照明裝置是完全可能的。
在每個實施例中，三角槽的頂角都是90度，但它可以不是90度。需要說明的是，上述討論中，糙面的尺寸大小，槽間距等只是一個例子，實際應用中，這些數值可以根據光導向器的具體規格要求來選擇。進一步說，光導向器的外形是斜切的矩形體，也可以是多邊形體或曲面體。
還需要說明的是，光導向器的外形可以是斜切的矩形體，也可以是另一種形體或曲面體。
如上所述，根據本發明，用于使光散射或反射向光導向器上一預定表面的非均勻面與光導向器形成一體。因而不再需要絲網印刷方法來制作光散射圖案，并且有可能生產廉價的光導向器和線性照明裝置。因為通過注塑成型整體形成光導向器和光反射和散射非均勻面，所以可以形成高精確度的光反射和光散射非均勻面，并提供具有亮度性能偏差很小的光導向器和線性照明裝置。
進一步說，因為調整非均勻面可以改變光亮度峰值點在副掃描方向上的位置，所以即使每一種讀圖儀上的光電轉換器(傳感器)的安裝位置都不一樣，光電轉換器(傳感器)正上方的稿件正面都能得到較好的照明亮度。由于調整非均勻面可以加寬在副掃描方向上的光亮度分布范圍，所以讀圖儀的各個部件，例如線性照明裝置和光電轉換器(傳感器)等，即使具有位置偏差，讀圖儀也能保證具有穩定而均勻的光亮度。再進一步說，通過去除使用包在光導向器外面的外套，可以使得生產線性照明裝置的成本更低。
權利要求
1．能在內表面反射從一端入射的光線并使得這些光線從出射面出射的光導向器，其特征在于此光導向器除了具有一光入射面和一光出射面外，還具有一至少使入射光在預定表面散射入射光線的非均勻面。
2．根據權利要求1所述的光導向器，其特征在于非均勻面在光導向器注塑成型時同時形成。
3．根據權利要求1所述的光導向器，其特征在于形成的非均勻面上的脊線在不同于與光導向器的縱向垂直的方向上延伸。
4．包含權利要求1到3中任何一項所述光導向器的線照明裝置，其特征在于光導向器以其光出射面暴露在外的方式嵌在一外套中。
5．包含權利要求1到3中任何一項所述光導向器的線照明裝置，其特征在于光導向器以其整個表面暴露在外而不是嵌在外套中的方式與裝置結合。
6．包含權利要求1到3中任何一項所述光導向器的線照明裝置，其特征在于在光導向器的一端有一發光裝置，形成的非均勻面的長度從具有發光裝置的一端向另一端的延伸。
7．包含權利要求1到3中任何一項所述的光導向器的線照明裝置，其特征在于在光導向器的一端有一發光裝置，且非均勻面布置成使它的形成區域至少在具有發光裝置的一端是不連續的。
全文摘要
光導向器1的反面具有預定間距的三角槽非均勻面1b。該面1b是在光導向器1注塑成型時同時形成的。從光入射面入射的光在光導向器內產生全反射并沿主掃描方向(縱向)傳播。到達非均勻面1b的光在非均勻面上散射和全反射,該光線是由出射面出射的。主掃描方向上的光強可通過當非均勻面從光入射面延伸時加長非均勻面1b而變得均勻。在副掃描方向光強變為最大的位置可通過調節非均勻面1b脊線和副掃描方向的夾角來改變,且副掃描方向上光強的分布特性也可改變。
文檔編號H04N1/04GK1313514SQ01117819
公開日2001年9月19日 申請日期2001年3月1日 優先權日2000年3月1日
發明者藤野耕三, V·V·瑟里科夫, 河本真司, 田口雅文 申請人:日本板硝子株式會社