專利名稱：使用熒光燈和特殊形狀曲面反射鏡的平臺式掃描儀的低成本透明適配器的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及光學掃描儀，更為具體地講涉及一種用于掃描如幻燈片和負片等透明圖象的適配器。
背景技術：
文件掃描儀是將可視圖象如照片、幻燈片或印刷的紙件等等轉換成適于計算機復制，存儲或處理的電子形式。反射式文件掃描儀一般具有一個受控的光源，該光源的光從文件表面反射到光敏器件陣列上。光敏器件將接收的光強轉換成電子信號。幻燈片掃描儀使光透過透明圖象，諸如照相正片幻燈片圖象等等，然后落在光敏器件陣列上。
在反射掃描儀中，可以通過在幻燈片背后放置白色表面掃描出透明圖象。在這種方案中，光通過幻燈片到達白背景，并從白背景反射而第二次透過幻燈片，然后落在光敏器件上。所以，光經過透明圖象的兩次濾光。一般地，這種雙濾光會產生不可接受的灰度、色彩、失真、對比度及其他使打印無法進行的圖象特性的失真。
反射式文件掃描儀可以通過提供獨立的光源從背后照射圖象使得光只是一次通過幻燈片，而適用于掃描透明圖象。在一些系統中，需要獨立的光學系統將圖象投影到光敏器件上。還可以用電機使外部光源相對于圖象移動。
以前的幻燈片掃描有一些缺點。一種途徑是用多個照明燈和散射器提供大的被照明區域。這種方式體積大且較昂貴，但是可以掃描大的幻燈片。另一種途徑是被動幻燈片適配器。完全被動的適配器用反射器匯集掃描儀內部的燈所發光，并將透過透明圖象的光反射到下面將要描述的內部掃描光學系統中。但是，這種裝置比較昂貴且通常被限制在掃描單個幻燈片或一段負片，并提供相對準直的照明，這種照明強調了幻燈片掃描中的灰塵和劃痕。另一個缺點是，使用過程中掃描燈要打開著。幻燈片的下表面散射一部分掃描光，從而減少了掃描的可用動態范圍。
最近的幻燈片適配器，為了給四個幻燈片提供所需的照明區域，采用特殊的光導和散射材料與彎頭熒光燈耦合。這些裝置比全尺寸主動幻燈片適配器要便宜，但比被動適配器要貴。然而仍然需要尋找更便宜的掃描幻燈片和負片的途徑。
發明概要采用特殊設計的塑料反射鏡、直線型熒光燈和散射材料用于幻燈片和負片掃描的廉價幻燈片適配器，可以提供較為均勻的光源。光的均勻性由特殊形狀的反射鏡和散射器提供。
附圖簡要說明
圖1是表示用于掃描35毫米幻燈片的元件的視圖。
圖2是燈、散射器、幻燈片和掃描儀玻璃的截面圖。
圖3是影響散射器截面上照明亮度參數的視圖。
圖4是作為到散射器中心距離函數的散射器表面光強分布曲線圖。
圖5是圖2所示系統理論對模擬光強分布的曲線圖。
圖6是表示漸開線結構的視圖。
圖7是描述燈泡外形尺寸的視圖。
圖8是表示第一修整邊沿設計(Tailored Edge Design)的反射鏡片段結構的視圖。
圖9是表示第二修整邊沿設計的反射鏡片段結構的視圖。
圖10是全反射鏡光線軌跡的視圖。
圖11是采用修整邊沿設計技術之后，散射器表面光強分布作為到散射器中心距離函數的曲線圖。
圖12是在考慮了實際光學效果之后，散射器表面光強分布作為到散射器中心距離函數的曲線圖。
圖13是用公式(6)得到的散射器表面光強分布作為到散射器中心距離函數的曲線圖。
圖14是掃描儀上幻燈片適配器的側視圖。
優選實施例的詳細說明所述的光學系統是一種主動式幻燈片適配器，它用不同的光學原理和較為便宜的材料提供了一種低成本均勻照明的幻燈片適配器。該適配器采用比完全燈具便宜的直線型熒光燈，和比特殊光導材料便宜的簡單模制的塑料反射鏡。該適配器的散射材料也十分便宜。通過反射鏡和散射器采取的特定形狀實現光線均勻。直線型熒光燈，特殊形狀反射鏡和散射器的組合，在幻燈片后面提供均勻的散射光，使得灰塵和劃痕最小。這種光學系統可以掃描與燈平行放置的多幅35毫米幻燈片和負片帶。反射鏡的長度由燈的長度來確定。如果采用較長的燈，則反射鏡因此應加長。為了在用給定光源情況下盡可能實現最大強度照明，需要使燈非常靠近散射器。但是，燈越靠近散射器，可實現均勻照明的區域越窄。在某些應用場合中，燈與散射器之間的優化間隔是在可實現足夠照明場的最小距離。掃描燈可以關斷來獲得最大的動態范圍，或者打開。適配器可由掃描儀的電源供電，或者可以有自己的電源。
基本設計問題均表示在圖1中。所需照明系統可以均勻地照射幻燈片102或負片，使其可以在平臺式掃描儀108中掃描。還需要用小直徑的冷陰極熒光燈(CCFL)104作為光源，因為CCFL便宜、可靠且易于控制。幻燈片放在掃描儀玻璃106上，且CCFL必須放在幻燈片102的上方，使得幻燈片102在掃描儀中呈背光狀態。圖1所示的簡單配置，幻燈片不是受到均勻照明的。優化的光學系統可以為獲得優化的圖象質量，提供亮度最大且均勻的照明。為了更好地實現這種優化的圖象質量，可以如圖2所示，添加散射器202。熒光燈204是一個發散光源，它向各個方向發出光線。一部分光落在散射器202上，進而將這些光散射到幻燈片206的全部方向，并到達掃描儀的玻璃208的下面。獲知散射器頂表面上的光分布，可有助于附加光學系統的設計，以實現更為均勻的照明。
散射器頂部的照明亮度是燈泡表面亮度，從散射器特定點看去的燈泡外觀尺寸，和散射器上光入射角度的函數。圖3表示了適當測量方法。在圖3中，燈302位于被照明區域中心的上方。如從散射器中心點可以看到的，燈對該點張開一個角A0，304。如果燈泡的直徑是d，則有公式1A0＝2*ASN(d/(2*H))和公式2A(X)＝2*ASN(2*SQRT(H^2+X^2)))隨著我們越來越遠離該中心地觀看散射器，燈的張角A(X)，306越來越小，且照明強度與觀看角度成比例地減小。但是，這不是唯一的影響。隨著到散射器中心距離X的加大，散射器上光的平均入射角θ，308越來越偏離開垂直方向。這有一個在散射器上每個區域看到的燈逐漸變小的效果。換句話說，散射器上的區域僅僅接收入射光垂直投影在其上的那些光，并將這部分光擴展到整個區域上。其結果是，照明隨著參數COS(θ)而減少，其中公式3COS(θ)＝H/SQRT(X^2+H^2)所以，I(O)表示為散射器中心處的照明亮度，而I(X)表示X點的照明亮度公式4I(X)＝A(X)*COS(θ)/A0為了檢驗這個結果，我們可以用Breault Research Organization的軟件Advanced System Analysis Program(ASAP)模擬該系統。獲得的照度表示在圖4中。為了檢驗對照度隨距離而下降這一結論的理解是正確的，將該模擬的結果相對于照度分布的理論推算作一曲線表示在圖5中。在圖5中，中心的亮度正交化為1.0。模擬的照度分布502是鐘形曲線。該曲線右側的附加曲線504，是結合了燈泡外觀尺寸和光入射角的影響所推算的分布。可以看出，吻合得很好。
注意，圖2中的大部分光都向與照明幻燈片無關的方向射出，并浪費掉了。特殊設計的反射鏡結果是使浪費的光轉向返回到幻燈片的邊沿。反射鏡的形狀應當是這樣的使散射器頂端的照度均勻，以確保幻燈片在掃描儀中受到均勻的照明。由于已知光強正比于燈泡的外觀尺寸，我們可以用燈泡的外觀尺寸作為確定反射鏡形狀的設計參數。當到散射器中的距離增大時，燈泡尺寸必須較大。作為第一級設計，平衡光入射角度的參數要比較大。燈泡在散射器邊沿看上去較小的影響被自動地考慮進去。需要補償的僅僅是入射角的影響。增加燈泡外觀尺寸的第一次嘗試的依據是公式5A(X)＝A0/COS(θ(X))為了進行這個嘗試，采用了修整邊沿射線設計(TED)技術。從中間向外構造反射鏡。第一步是構造燈泡后面的反射鏡部分。這部分如圖6所示是漸開線形的。漸開線602可以通過“細繩松開”法來構造或計算。在燈周圍形成纏繞細繩的圖象，其端點在頂部。當松開細繩時，其端點的軌跡為一個漸開線602的曲線。漸開線602具有使光線離開燈進行分布的特性，從而使反射離開要構造的反射鏡的光返回到燈泡上。漸開線線段一旦合適，即可以用TED技術設計反射鏡的其余部分。已經知道如何從公式(5)自散射器上每個點看大燈泡，來平衡入射角改變的影響。即，可以對位置X，A(X)進行計算。從散射器中向右的點702起，可以按需要構造燈泡的外觀尺寸，如7所述。
確定燈泡外觀尺寸的光線一旦確定下來，下一步是構造反射鏡的分段802，它反射正切于燈泡804的右側邊沿光線。具體表示在圖8中。新的反射鏡分段與已經構造的反射鏡部分相接，且隨后調整其取向，以便反射正切于燈泡的邊沿光線。這個取向可以用迭代法繪圖或計算確定。一旦這個反射鏡分段適合了，也注意TED的本質要素。采用自散射器出發落在所需觀看角度A(X)806的任何光線都直接或經反射鏡反射之后而指向燈泡。任何從同一點出發但落在邊界A(X)806之外的光線都將錯過燈泡。按此方法，可以構造出反射鏡，以使燈泡的外觀尺寸沿著散射器逐點精確地確定下來。有了這樣的設計能力，散射器上的任何隨機光分布，都可以簡單地用不同的A(X)806函數來創立。在本文具體情況下，A(X)806函數用于產生散射器上盡可能均勻的光強。這種技術不局限于在散射器上產生均勻強度的光源。它可以簡單地用于產生各種各樣的光強分布。從新的反射鏡分段端部，可以用相同的方法構造新的反射鏡分段。從散射器上的點X2 902出發，構造燈泡的外觀尺寸A(X2)，904。然后剛剛構造的反射鏡分段與另一反射鏡分段相接并使其定位，以便邊沿光線正切于燈泡。如圖9所示。按此方法，可以構造出整個反射鏡，在散射器上獲得強度均勻的光。
圖10表示燈泡直徑為2毫米，且散射器上方的燈泡中心的高度H 310為9毫米時的完整反射鏡。當然，反射鏡關于燈泡是對稱的。圖10表示了一些光線和其通過系統時的光路。為產生分布的光線的數量是500,000。圖10中僅僅表示出一小部分。圖11表示了整個散射器的光強分布效果。盡管在一定程度上比從圖2中出發且其光分布表示在圖4的系統更接近均勻照明，但是仍不是十分均勻。
散射器邊沿比散射器中心照明亮度更高的主要原因是散射器上光的平均入射角與我們在設計中的假設值相比，更接近反射離開反射鏡之后的正交方向。所假設的是沒有反射鏡時的入射角與有適用的反射鏡時的相似。圖10表示出這種影響。為了使光線更為均勻，必須調整A(X)的公式。
但是在調整A(X)的公式之前，應當先改進描述光學系統的光學模型。在不妨礙TED法的表述的情況下，采用了簡化掉無關細節的模型。但是，光學模型在這方面改進要遵從教導。
假設了一些簡化的設想。首先，應當假設等從其外表面隨機地發射光。實際上，熒光燈在輝光放電熒光物質的周圍有一個玻璃薄層。該玻璃層從光學影響很小，但是在調整A(X)之前，它被包括在新的光學模型中。更重要的是，反射鏡是理想反射器。實際上，沒有一個反射鏡能百分之百反射，實際的反射鏡會將光線散射在某一角度范圍內。在A(X)公式更為精確之前，這也應當包括在光學模型中。
圖12表述了采用與圖11結果相同的A(X)公式(5)，但是燈和反射鏡的模型更為接近實際，所得到模擬光均勻度。不僅是入射角的影響和場邊沿的強度，而且還必須考慮光學系統的實際影響，以實現均勻的照度。
經過一些實驗之后發現，用下述公式可改善模擬的均勻度公式6A(X)＝A0*(1/COS(θA(X)))^1.15圖13表示了用公式(6)改善的光均勻度。
在所述的示例中，采用了在散射器上方9毫米的燈泡高度H 310。這不是隨機的選擇。燈越靠近散射器，所得到的照明亮度可以越大。中心處的照明由A0，公式1確定，H 310減小時，該值增大。但是，越是試圖使散射器邊沿更亮而與中心相匹配，反射鏡就越發彎曲，且因此可獲得的最大均勻照明場越窄。在實現40毫米寬照明區，同時可放置散射器的情況下，9毫米的高度H 310是最靠近燈泡的點。直徑更大或表面更亮的其他類型的燈泡會需要不同的高度。
常規的制造方法可以生產出精度足夠高的反射鏡。用拋光模具注塑，再在其表面真空鍍鋁可以可靠地制造出反射鏡。重要的是相對于反射鏡使燈泡精確定位。這種關系的微小偏差都會導致照明均勻度的明顯改變。圖14表示了燈泡1402，和散射器1406安裝在反射鏡1404上的情況。然后，該組裝單元可以安置在掃描儀表面1410上，并用于掃描幻燈片1408。
為了說明和解釋的目的，前文已經對本發明進行了描述。但這不是將本發明窮盡地表述或限制到一個精確的公開形式中，從上述教導中能夠得出的其他改型和變化也是可以的。為了解釋發明原理和其實際用途，選出和描述了實施例，從而使本領域普通技術人員可以按最好的方式在各個實施例和在適于特殊用途的各種改型中實現本發明。 書用于解釋本發明包括的其他各種實施例，除非是被現有技術限定的內容。
權利要求
1.一種用于掃描幻燈片和負片的光學系統，包括一提供光源的直線型熒光燈；在直線型熒光燈上方的反射鏡，用于使燈下面的散射器上有均勻光分布；位于燈和反射鏡下面的散射器，用于散射到達散射器下表面的光。
2.權利要求1的光學系統，其中反射鏡的形狀近似為沿著直線型熒光燈長軸對稱的雙漸開線。
3.權利要求1的光學系統，其中燈的高度近似為散射器上方9毫米。
4.權利要求3的光學系統，其中散射器大約在40毫米寬的區域上受到均勻照射。
5.權利要求4的光學系統，其中燈的直徑近似為2毫米。
6.一種構造強度受控的光源的方法，所述的方法包括下述步驟a.導出所需光強關于光源到照射表面距離的數學表達式；b.用修整邊沿射線設計技術，根據(a)中導出的表達式設計反射鏡的形狀。
7.如權利要求6所述的方法，進一步包括下述步驟a.構造反射鏡模型和光源組件，并測量實際光強分布；b.根據本權利要求步驟(a)中測量的實驗數據，調整權利要求6中步驟(b)所用的設計技術；c.在本權利要求(b)步驟之后重復本權利要求(a)，直至反射鏡和光源組件達到所需受控強度的光源。
8.權利要求6所述的方法，其中受控的光強分布是均勻恒定的。
9.權利要求7所述的方法，其中受控的光強分布是均勻恒定的。
10.權利要求8所述的方法，其中制造的裝置用于掃描幻燈片和負片。
全文摘要
一種用于在平臺式掃描儀上掃描幻燈片的光學系統。用一個直線型光源、特殊曲面反射鏡和散射器在幻燈片或膠片負片帶的上方提供較為均勻的分散照明。反射鏡的具體形狀用前沿修整邊沿射線技術來確定。這在幻燈片的后面提供了一個散射光,以使得灰塵和劃痕的影響達到最小。
文檔編號H04N1/028GK1348112SQ0113534
公開日2002年5月8日 申請日期2001年9月30日 優先權日2000年10月5日
發明者D·W·博德, R·D·湯普森, D·E·布蘭德 申請人:惠普公司