专利名称：光导向器和线性照明装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光导向器，它用于传真机、复印机、袖珍扫描仪之类的设备，并尤其涉及一种内置有光导向器的线性照明装置。
传真机、复印机、袖珍扫描仪之类的设备都有一种能够读取图像的装置，比如说，读取稿件的图像传感器。用于读图装置的图像传感器，是紧凑型的，它的光通道短并能轻而易举的装入设备中。在这种紧凑型图像传感器中，要求在线性照明装置发出的光亮度超过可读限度时，还能读取稿件的一部分。在这种情况下，在主扫描方向(纵向)的照明范围就要求比较大，而在与主扫描方向垂直的副扫描方向要求的是一个较狭窄的带状条形范围。
使用条状或盘形光导向器、用来照明上述大范围和窄带状范围的线性照明装置，以及具有这种线性照明装置的读取稿件装置，可在日本待审专利第Hei8-163320和Hei10-126581号文件中找到。
在
图13所示的稿件读取装置结构图中，主架101由上凹102和下凹103组成，上凹102内有一外套105，条状光导向器104放在外套105内，上凹102的开口部分被一盘形玻璃106封闭。底盘108封住下凹103的开口，其上有一光电转换器(传感器)107。主架101中还有一柱形透镜组109。
条状光导向器104由玻璃或透明树脂做成。条状光导向器104在与纵向方向垂直的方向上的截面形次是近似方形的。条状光导向器104的C形的斜切部分并作为光出射面110。条状光导向器104还有一如LED的发光装置(未示出)，它位于纵向两端的其中一端(即，与纸面垂直的方向上)。发光装置发出的光从条状光导向器104的一端被引入条状光导向器104。在条状光导向器104中传播的光线然后在条状光导向器104一侧散射形成散射图案111。散射光从光出射面110出射，穿过放置稿件的玻璃112射到稿件113的正面。反射光穿过柱形透镜组109，然后被光电转换器探测，从而读出稿件内容。
散射图案111是用丝印方法在光导向器表面覆上一种白色的材料形成的。但是采用丝印方法会出现这样的问题丝印点的大小会随很多因素而变化，如，丝印材料的凝结条件、溶剂的温度、湿度、稀释条件、以及由静电引起的涂覆材料的飞溅等。因而，难以在多数光导向器表面再现成最佳的散射图案，结果成品率很低。另外，采用丝印方法还会出现的另一个的问题是必须反复修改和重印，直到获得满意的均匀度为止，这使得生产周期和生产成本增加。
为解决上述问题，根据本发明的一种光导向器提供了除具有光入射面和光出射面外的非均匀面，以散射至少在其预定表面(侧面也可以)上的光。较好的方法是在光导向器注塑成型时同时形成这一非均匀面。非均匀面上的脊线方向可以与光导向器的纵向方向垂直。但最好是非均匀面的脊线方向不在与光导向器的纵向垂直的方向上。
根据本发明的光导向器的非均匀面是在光导向器注塑成型时同时形成的。因此，不再需要用丝印方法形成散射图案的过程。故，提供经济的、具有均匀特性的光导向器是可能的。如果非均匀面的脊线方向不垂直于光导向器的纵向方向，从非均匀面的斜面反射的光就有可能直接从光出射面射出。因而可以增加出射光的强度。
在现有的技术中，套在光导向器外面的外套可以防止散射光被无用地射出光导向器。但是，如果非均匀面的形成方向不同于纵向的垂直方向(也就是副扫描方向)，即使不用外套也有可能得到必需的照明亮度。另外，通过改变斜面角度(即，非均匀面脊线与副扫描方向之间的角度)的大小和非均匀面的位置，可以调整射到稿件上的光亮度使其达到最大。
根据本发明的线性照明装置的光导向器装在一外套中，使得光导向器的光出射面露在外面。光导向器的一端有一发光装置，非均匀面从这端向另一端延展。由于光导向器由外套包住，线性照明装置易于操作(例如，在组装时没有必要在光导向器上进行一些诸如防污染的措施)。另外，因为外套可以防止散射光被无用地射出光导向器，因此，可以增加出射光的强度。通过改变从装有发光装置的一端到另一端的光反射和散射非均匀面的长度，可以在线性照明装置的全部照明长度范围内获得均匀的光亮度。如果非均匀面的长度固定，通过改变非均匀面形成区域的范围或者改变非均匀面的斜角，同样可以在线性照明装置的全部照明长度范围内获得均匀的光亮度。
根据本发明的线性照明装置可以不使用外套。当不使用外套时，就可以降低线性照明装置的成本。
下面对照附图的说明将使上述以及本发明的其他目的、特征和优点更加清楚。
图1是根据本发明的线性照明装置的放大图；图2是根据本发明光导向器第一实施例的示意图，其中图2(a)画出了使光反射和散射的非均匀面形成的区域，图2(b)是放大了的光反射和散射非均匀面的结构；图3是根据本发明光导向器第二实施例的示意图，其中图3(a)画出了使光反射和散射的非均匀面形成的区域，图3(b)是放大了的光反射和散射非均匀面的结构；图4展示了在使用常规光导向器的线性照明装置内光线的传播原理，其中，常规光导向器中涂敷材料通过丝印方法转印；图5展示了在使用光导向器第一实施例的线性照明装置内光线的传播原理；图6展示了在使用光导向器第二实施例的线性照明装置内光线的传播原理；图7是读图仪一个实施例的结构示意图，它使用了根据本发明的线性照明装置，其中图7(a)所示的是实际尺寸的剖面图，图7(b)显示了光导向器上光出射面的形状；图8给出了常规光导向器上的散射图案的大致形状；图9是一读图仪测量的光亮度分布特性图，所用的读图仪有A8尺寸的大小，它采用了常规光导向器的常规线性照明装置；图10是一读图仪测量的光亮度分布特性图，所用的读图仪有A8尺寸的大小，它采用了根据本发明第一实施例的光导向器的线性照明装置；图11是一读图仪测量的光亮度分布特性图，所用的读图仪有A8尺寸的大小，它采用了根据本发明第二实施例的光导向器的线性照明装置；图12表示采用根据本发明第二实施例的除去了外套的光导向器结构的线性照明装置的光亮度分布特征的测量值；和图13是使用常规光导向器的原稿读取装置的剖面图。
将参考附图对根据本发明的最佳实施例进行说明。图1是根据本发明的线性照明装置的放大透视图。图2是根据本发明光导向器的第一实施例的透视图和图3是根据本发明光导向器的第二实施例的透视图。
如图1所示，线性照明装置内置光导向器1，其中光导向器1嵌在白色外套2内，以这种方式暴露光出射面1a。光源基板3紧靠在白色外套2的一端，其上包含了LED等照明器件。
光导向器1由具有高光传输特性的树脂如丙烯树脂、聚碳酸酯等或光学玻璃制成。光导向器1的横截面基本形状是矩形，其中的一角被斜切成C形，作为光出射面1a。如图2和图3所示，在光导向器1相反侧提供至少用于散射光线的非均匀面1b。
在图2和图3中，(a)表示形成非均匀面1b的区域，(b)表示放大了的非均匀面图案。
根据本发明第一实施例的光导向器如图2所示。在光导向器1的相反侧提供了多个脊线都与副扫描方向(即垂直于主扫描方向的方向)平行的非均匀面1b。以下是一个非均匀面例子。非均匀面1b的高度、槽间距和顶角分别是0.15mm、0.3mm和90度。如图2(a)所示，靠近光入射面那侧的非均匀面1b的长度较短，随着非均匀面1b离光入射面的距离变大，非均匀面1b的长度逐渐增加。从光源发出的光强在靠近光入射面处较大，随着非均匀面1b离光入射面的距离变大，光亮度也随之变小。因此，如图2(a)所示，如果非均匀面1b的长度随着非均匀面远离光入射面而增加(即，非均匀面是扩展的)，就有可能使得从光出射面1a射出的光强度在主扫描方向的整个长度范围内是均匀的。在光入射面一侧的非均匀面可以是不连续的。特别的，当非均匀面长度变短、难以形成非均匀面时，有可能通过在非均匀面长度范围内将用于形成非均匀面的间隔改变到某一程度或通过改变连续非均匀面的数目，使得在主扫描方向的整个长度内得到从光出射面1a射出的均匀光亮度。
根据本发明第二实施例的光导向器如图3所示。在光导向器1的相反侧提供了多个脊线与副扫描方向(即垂直于主扫描方向的方向)成预定角度倾斜的非均匀面1b。以下是一个非均匀面例子。非均匀面1b的高度、槽间距和顶角分别是0.15mm、0.3mm和90度，非均匀面的脊线和副扫描方向之间的夹角为48度。如图3(a)所示，靠近光入射面那侧非均匀面1b的长度减小，随着非均匀面1b离光入射面的距离变大，非均匀面1b的长度逐渐增加。从光源发出的光强在靠近光入射面处较大，随着非均匀面1b离光入射面的距离变大，光亮度也随之变小。因此，如图3(a)所示，如果非均匀面1b的长度随着非均匀面远离光入射面而增加(即，非均匀面是扩展的)，就有可能使得从光出射面1a射出的光强度在主扫描方向的整个长度范围内是均匀的。在光入射面一侧的非均匀面可以是不连续的。特别是，当非均匀面长度变短、难以形成非均匀面时，有可能通过在非均匀面长度范围内将用于形成非均匀面的间隔改变到某一程度或通过改变连续非均匀面的数目，使得在主扫描方向的整个长度内得到从光出射面1a射出的均匀光亮度。改变非均匀面的倾斜角也是一个有效的方法。
下一步描述线性照明装置中光的传播原理。首先，描述采用常规光散射图案的光导向器的线性照明装置。如图4所示，常规光导向器的光散射图案是用丝印方法在光导向器的相反侧转印层白色涂料。从光入射面入射的光线在沿主扫描方向(纵向方向)传播之前在光导向器内产生总反射。一旦光线到达在光导向器相反侧用丝印方法形成的光散射图案(光散射器)，光线就会被漫反射。一部分漫反射的光从光导向器的斜切部分(光出射面)射出。如图4所示，一部分光线被白色涂料或近处的外套表面散射，并从光出射面散射射出。
图5表示使用第一实施例光导向器的线性照明装置内的光辐射情况。从光入射面接收的光在光导向器内产生全反射并沿主扫描方向(纵向方向)传播。当包含三角形非均匀面的散射器安置在光导向器相反侧时，到达这点的光线如图5所示被折射和传输，然后射到外套上，结果就产生了如上所述的相同散射光。也就是说，可以获得与非均匀面形成在光导向器相反侧以印刷白色涂敷材料时相同的效果，由此形成散射图案。
因为当光导向器注塑成型时可以集成非均匀面，所以可以取消形成常规光导向器的丝印过程。
图6是第二实施例利用光导向器的线性照明装置光辐射操作示意图。在利用第二实施例的光导向器的线性照明装置中，因为三角形非均匀面的倾斜表面除了具有上述的光散射效果以外还有反射镜抛光面的效果，所以反射光成份有效地用于提高发射效率。即第二实施例的光导向器和利用此导向器的线性照明装置，其特征在于在光导向器的反面设置三角形非均匀面的倾斜表面，使得入射光除具有白色涂料形成的光散射器或外套那样的光扩散作用之外，还可以产生光全反射。下面将参见图6对光反射的效果进行描述。在第二实施例的光导向器中，三角形非均匀面的脊线设计成具有不平行于副散射方向的形状，其中由标号①表示的光线可以在三角槽的斜面上发生全反射并从光出射面射出，标有数字②的光线透射过非均匀面的倾斜面，并射到外套表面形成散射光。
第一实施例的光导向器平行于副扫描方向，光导向器射出的只有散射光。另一方面，在第二实施例的光导向器中，如果全反射光的成份可以用作照明，则该成份不经过散射过程。因此，光线①表示没有光量的损失，该成份可以高效地100％地用于照明过程。另外，在第二实施例的光导向器中，因为全反射光采取直接辐射到三角槽出射面的路线，所以可以把峰值位置与光导向器的端部分开。
图7是一种读图仪的结构示意图，它使用了本发明的线照明装置。这里所说的A8大小的读图仪，其线照明装置的有效长度是约55mm。光导向器1由透明的常用丙烯树脂制成，具有斜切的C形面，如图1所示，其中，在副扫描方向的高度和宽度，及在主扫描方向的长度分别是1.5mm、5mm、64mm。斜切部分的尺寸如图7(b)所示，在每个方向上为0.5mm，光出射面1a的倾角是45度。使用Nichia公司的产品作为LED灯，其发出的光为波长是520nm的绿色光，在前向电流为20mA时输出功率为1.5mW。外套2由不透明的白色聚碳酸酯材料制成。Nippon Sheet Glass公司生产的，型号为SLA-20E的产品用作柱状透镜组。A8大小的读图仪剖面图如图7(a)所示，图中标注了实际尺寸。
使用如图7所示A8大小的读图仪对常规结构的光导向器、根据本发明第一实施例的光导向器和第二实施例的光导向器进行线性照明装置的光亮度分布特性的测量。常规结构的光导向器使用Teikoku Printing Inks Mfg.有限公司生产的具有高反射率的白色墨水作为白色涂料，并通过丝网印刷法形成光散射图案。图8中示出了具有常规结构的光导向器光散射图案的形状简图。
图9表示对A8大小的使用常规光导向器的读图仪的光亮度分布特性的测量结果。图10表示对A8大小的利用第一实施例的光导向器的读图仪的光亮度分布特性的测量结果。图11表示对A8大小的利用第二实施例的光导向器的读图仪的光亮度分布特性的测量结果。在图9至图11中，水平轴是副扫描方向，垂直轴是亮度。水平轴的可读0是副扫描方向的基点(即光导向器的发射面端部)，如图7(a)所示。在主扫描方向上分别在距光入射面13mm、33mm、53mm的三个位置上对副扫描方向的光亮度进行测量。图9、10、11示出测量结果。
使用常规光导向器和本发明第一实施例的光导向器的读图仪，光亮度峰值点均靠近副扫描方向参考点(即光导向器上光出射面的端部)。这两种光导向器在离副扫描方向参考点0.6mm处几乎有相同的亮度。因此，若把光电转换器安装在这个位置上，则被读稿件处的光亮度都相同，并且两种线性照明装置的基本性能是一样的。
在第二实施例的光导向器的读图仪中，光亮度峰值点位于离副扫描方向参考点(光导向器上光出射面的端部)1.2mm处。在这个位置上(约1.2mm)其光亮度值是第一实施例光导向器的两倍。即紧凑型图像传感法的读图仪中光电转换元件的安装位置可以以距离各部位的视点不同的方式(1mm左右)设计，但是也可以调节线照明装置的性能，使得在任何设备中光电转换器正上方的稿件都能得到足够的照明亮度。在本发明中，通过改变非均匀面上脊线与副扫描方向的倾斜调节光的亮度。进一步说，如图11所示，(在副扫描方向的)亮度分布具有较宽的波形，因此，组装使用这种紧凑型传感器的读图仪时，光亮度不会因紧凑型传感器的位置偏差精度而受到影响(或减弱)。相应的，使用第二实施例的光导向器的线性照明装置，还可以提供相对于位置精确度的偏差均匀而稳定的光亮度。
在利用第二实施例的光导向器的线照明装置中，即使不使用光导向器外面的外套，也可以获得令人满意的光亮度特性。由于非均匀面比常规的光散射器能更有效的利用光反射，包在光导向器外面的外套不再具有非常意义的贡献。在使用丝网印刷方法做成的光导向器的线性照明装置中，外套扮演着一种光学角色，它能防止散射光线射出光导向器(光的损失)，并且能使射到其表面的光线反射回光导向器中，从而使得射到光出射面的光线数量增加，照在稿件上的光亮度增大。相反，使用第二实施例的光导向器，光散射成分更少，大大减弱了光的“Lock-in效应”。
图12是使用第二实施例的光导向器的、未用外套的线性照明装置光亮度分布特性测量图。在离副扫描方向参考点(光导向器上光出射面的对角)1.2mm处，光亮度值是使用了外套的线性照明装置(见图11)的76％左右，是使用丝网印刷法做成的光导向器的线性照明装置(见图9)的90％左右。亮度性能几乎在同一水平。因而，实现一种廉价的、简单的、不需印刷过程和外套(消除数个部分和过程)的线性照明装置是完全可能的。
在每个实施例中，三角槽的顶角都是90度，但它可以不是90度。需要说明的是，上述讨论中，糙面的尺寸大小，槽间距等只是一个例子，实际应用中，这些数值可以根据光导向器的具体规格要求来选择。进一步说，光导向器的外形是斜切的矩形体，也可以是多边形体或曲面体。
还需要说明的是，光导向器的外形可以是斜切的矩形体，也可以是另一种形体或曲面体。
如上所述，根据本发明，用于使光散射或反射向光导向器上一预定表面的非均匀面与光导向器形成一体。因而不再需要丝网印刷方法来制作光散射图案，并且有可能生产廉价的光导向器和线性照明装置。因为通过注塑成型整体形成光导向器和光反射和散射非均匀面，所以可以形成高精确度的光反射和光散射非均匀面，并提供具有亮度性能偏差很小的光导向器和线性照明装置。
进一步说，因为调整非均匀面可以改变光亮度峰值点在副扫描方向上的位置，所以即使每一种读图仪上的光电转换器(传感器)的安装位置都不一样，光电转换器(传感器)正上方的稿件正面都能得到较好的照明亮度。由于调整非均匀面可以加宽在副扫描方向上的光亮度分布范围，所以读图仪的各个部件，例如线性照明装置和光电转换器(传感器)等，即使具有位置偏差，读图仪也能保证具有稳定而均匀的光亮度。再进一步说，通过去除使用包在光导向器外面的外套，可以使得生产线性照明装置的成本更低。
权利要求
1．能在内表面反射从一端入射的光线并使得这些光线从出射面出射的光导向器，其特征在于此光导向器除了具有一光入射面和一光出射面外，还具有一至少使入射光在预定表面散射入射光线的非均匀面。
2．根据权利要求1所述的光导向器，其特征在于非均匀面在光导向器注塑成型时同时形成。
3．根据权利要求1所述的光导向器，其特征在于形成的非均匀面上的脊线在不同于与光导向器的纵向垂直的方向上延伸。
4．包含权利要求1到3中任何一项所述光导向器的线照明装置，其特征在于光导向器以其光出射面暴露在外的方式嵌在一外套中。
5．包含权利要求1到3中任何一项所述光导向器的线照明装置，其特征在于光导向器以其整个表面暴露在外而不是嵌在外套中的方式与装置结合。
6．包含权利要求1到3中任何一项所述光导向器的线照明装置，其特征在于在光导向器的一端有一发光装置，形成的非均匀面的长度从具有发光装置的一端向另一端的延伸。
7．包含权利要求1到3中任何一项所述的光导向器的线照明装置，其特征在于在光导向器的一端有一发光装置，且非均匀面布置成使它的形成区域至少在具有发光装置的一端是不连续的。
全文摘要
光导向器1的反面具有预定间距的三角槽非均匀面1b。该面1b是在光导向器1注塑成型时同时形成的。从光入射面入射的光在光导向器内产生全反射并沿主扫描方向(纵向)传播。到达非均匀面1b的光在非均匀面上散射和全反射,该光线是由出射面出射的。主扫描方向上的光强可通过当非均匀面从光入射面延伸时加长非均匀面1b而变得均匀。在副扫描方向光强变为最大的位置可通过调节非均匀面1b脊线和副扫描方向的夹角来改变,且副扫描方向上光强的分布特性也可改变。
文档编号H04N1/04GK1313514SQ01117819
公开日2001年9月19日 申请日期2001年3月1日 优先权日2000年3月1日
发明者藤野耕三, V·V·瑟里科夫, 河本真司, 田口雅文 申请人:日本板硝子株式会社