CN101790698B

CN101790698B - 光学扫描仪照明系统及方法

Info

Publication number: CN101790698B
Application number: CN2008801049018A
Authority: CN
Inventors: C·G·克尔塞; J·E·沙夫; J·佩崔克
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2008-08-04
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2028-08-04
Also published as: US20090059599A1; CN101790698A; US9172836B2; WO2009029396A1

Abstract

一种具有带有底表面(76)的扫描仪玻璃(58)的光学扫描仪(50)，包括置于玻璃(58)下方的LED照明源(52)和反射器(80)。照明源(52)具有面向目标的表面(70)，该面向目标的表面被定向为以非垂直的角度朝着玻璃引导光。反射器(80)被定向为朝着面向目标的表面(70)引导底表面反射出的光。

Description

光学扫描仪照明系统及方法

背景技术

本公开涉及用于缩减光学器件(reduction-optics)类型扫描仪的照明系统。缩减光学器件扫描仪通常使用冷阴极荧光(CCFL)灯泡来提供扫描图像时产生足够信号所需的高照明水平。熟知CCFL灯泡通常需要显著的预热时间(例如，在几十秒的范围内)，并且有时候还会有输出稳定性的问题。也即是，输出的光会随着时间以及沿灯泡的位置而变化。

作为用于光学扫描仪的CCFL照明系统的一个可能替代是使用LED进行照明。最近几年，高功率明亮白光LED已经被开发出来。给定合适的热设计，LED照明提供的潜在益处是“即时启动”功能和一致的输出水平。但是，使用LED作为缩减光学器件类型扫描仪的照明源会带来设计上的折衷，所述折衷导致有些光不能到达目标区。在此类应用中使用明亮白光LED的一个挑战是实现与CCFL系统基本上相当的总的光输出，同时还要节省成本。

附图说明

结合附图，根据以下的详细描述本发明的各种特征和优点将显而易见，附图通过示例的方式一起示出了本发明的特征，其中：

附图1是具有CCFL照明系统的光学扫描仪的一部分的截面图；

附图2是根据本公开的合并了LED照明系统和反射器的一个实施例的光学扫描仪的一部分的截面图；

附图3是根据本公开的LED照明系统和反射器的三个不同实施例的相对光输出与反射器旋转角度的对应关系图表；以及

附图4是根据本公开的合并了具有反射器的LED照明系统的另一个实施例的光学扫描仪的一部分的截面图，其中所述反射器具有弯曲的反射器表面。

具体实施方式

现在将参考附图中示出的示例性实施例，并且将在此使用特定的语言来描述这些示例性实施例。但是将理解，不打算由此限制本发明的范围。此处所阐述的本发明特征的变化和进一步的修改，以及此处所阐述的本发明原理的附加应用对于掌握本公开的相关领域技术人员来说是能够想到的，并且被认为落入在本发明的范围之内。

如上所述，缩减光学器件类型扫描仪通常包括冷阴极荧光(CCFL)灯泡来提供产生用于图像扫描的足够信号所需要的高照明水平。附图1示出了具有CCFL照明系统的光学扫描仪系统10的一个实施例。这个系统通常包括具有反射器14的CCFL灯泡12，它们两个都被附接到定位于扫描仪玻璃18下方的可移动托架16。来自CCFL灯泡的光照射被放置在扫描仪玻璃顶上的扫描介质20(在其上具有图像)的一部分。撞击目标区域21内的扫描介质的一些光被朝着缩减光学器件和图像传感器系统24向下反射(如箭头22所示)。虽然缩减光学器件和图像传感器系统被描绘为简单的方框，但是可以理解，这个方框旨在代表所有透镜，反射镜，传感器以及通常与缩减光学器件传感器系统相关联的其他结构。当托架16在扫描仪玻璃下面以箭头26所示的方向进行单向或双向线性移动的时候，从扫描介质20反射的并且处于特定窗口或者孔(由虚线28所描绘)内的光22被图像传感器系统感测，并且相继被扫描到传感设备(例如CCD芯片)来以本领域所熟知的方式产生扫描介质上图像的数字图像。

不幸的是，诸如附图1所示的CCFL扫描系统所具有的一些特性并不总是所期望的。首先，CCFL灯泡往往具有慢的预热时间并且在光输出稳定性方面可能具有缺点。另外，CCFL灯泡是圆的并且围绕其整个圆周发射光，如附图1所示，其中由箭头30所代表的来自CCFL灯泡12的光在所有的方向上辐射出去。这会产生相当大量的被浪费的光。虽然反射器14能够捕获一些光并且将其重定向到目标区域21，但是一定量的光几乎总是被浪费。

用于光学扫描仪的CCFL照明系统的一种可能替代是使用发光二极管(LED)。产生足够(当与良好设计的光导耦合时)用于缩减光学器件扫描系统的照明水平的高功率LED已经被开发出来并且目前在商业上可获得。LED照明提供了“即时启动”功能以及一致的输出水平的潜力。但是，使用LED作为缩减光学器件类型扫描仪的照明源可能带来设计上的某些折衷，所述折衷导致一些光不能到达目标区。

有利地，本发明人已经开发出一种高输出反射器系统，该系统提高了缩减光学器件类型扫描仪中LED照明系统的光使用效率。这个反射器系统捕获否则被反射或浪费的光，并将该光重定向到目标区域以对扫描仪图像进行照明，同时最小化了另外可能由图像反射所产生的图像噪声量。在一个实施例中，本发明人制造了一种具有反射器的LED照明系统，该系统提供的扫描光输出超过CCFL系统的扫描光输出。鉴于高输出LED的发展以及光系统的不断改进(本公开代表其一部分)，相信随着当前发展模式的继续，LED照明系统最终将比CCFL系统更亮。

根据本公开配置的LED照明和反射器系统50的一个实施例在附图2中示出。该系统一般包括LED照明源52(例如，一个或多个高输出LED)和光导54，它们两个都附接到定位于扫描仪玻璃58下面的可移动托架56。光导被设计用于以相对高的均匀性在页面宽度上分布光以及用于随机化输出射线。另外，由于LED固有地生成相对定向的光，所以与LED光源耦合的光导能够比CCFL灯泡生成更加聚焦的照明图案，其中CCFL灯泡是圆的并且围绕着它的整个圆周发射光。

光导54被配置为将来自LED52的光朝着置于扫描仪玻璃顶上的扫描介质62(例如，在其上具有图像的纸)的目标区域60重定向。同在附图1所示的设备中一样，撞击目标区域内的扫描介质的光被朝着缩减光学器件模块64向下反射。如同附图1的实施例那样，缩减光学器件模块旨在代表所有的透镜，反射镜，传感器(例如，CCD传感器)以及通常与任意类型的缩减光学器件传感器设备相关联的其他元件。当托架在扫描仪玻璃下面以箭头66所示的方向进行单向或双向线性移动时，从扫描介质反射的并且处于由虚线68所描绘的特定扫描窗口或孔内的光被缩减光学器件模块接收并相继被扫描到传感设备(例如，CCD传感器，未示出)来以本领域熟知的方式产生扫描介质上图像的数字图像。为了给出尺度的感觉(give a sense of scale)，扫描窗口例如可具有大约5mm的宽度W。

光导系统的一个挑战是将尽可能多的LED发射安置到目标扫描线或目标扫描区上。利用良好设计的光导54，LED照明系统的发射图案(emission pattern)将小于光导的整个圆周。例如，如附图2所示，大部分光的照明发散角θ可以减小到仅仅60-90度。此外，由于几何约束，光导本身由于缩减光学器件模块64的光学设计而从目标照明区60横向偏移。由于这两个设计上的折衷——照明发散角和光导从目标区的横向偏移——相当大量的光不能到达目标区。在一些情况下，多于50％的从光源52发出的光不能到达目标区。该损耗的大部分来自于光在光导和其外壳内的随机化。为了在目标区处产生均匀的照明，光的这种随机化是希望的。虽然光导能够将光准直到小的角度，但是显著量的准直可能降低光的均匀性，这可能导致由于光的非均匀性而造成扫描的图像上的条纹和其他的不规则性。

在附图2所示的图像扫描系统中，光导54包括面向目标的表面70，大部分光通过该表面发出。该表面以非垂直于扫描仪玻璃58的角度进行定向，并且在附图2的实施例中，该表面以相对于扫描仪玻璃成大约45度被定向。在这种配置中，来自LED光源52的大部分光(这些光大致垂直于面向目标的表面而离开该表面)沿着箭头72所表示的主要光方向被引导向目标区域60。该主要光方向被选择为以最小的反射朝着目标区域引导光。虽然附图2中光导被示出为具有八角形截面，但是其他形状也是可以使用的，例如圆形等等。光导的主要功能是将来自LED的光沿着光导的长度进行分布，以及随机化输出射线。光导可以由各种各样的透射材料制成。例如，各种各样的光学透明的树脂材料(例如丙烯酸树脂或聚碳酸酯)可以被使用。

虽然从面向目标的表面70发出的大部分光被沿着主要光方向72引导，但是一些光并不沿着主要光方向离开。例如，箭头74所表示的一些光以较浅的角度离开光导，并且被从扫描仪玻璃的下表面76反射出去。该光在本文被称为“底部反射光”。另外，虽然主要光发散角能够被减小到低至60-90度，但是如上所述，LED光源52所发射的总光中的一大部分不能到达目标区域60，而是沿其他方向辐射，部分原因是光导54的随机化效应。在一些情况下，多于50％的从光源发出的光不能到达目标区域。不能到达目标区域，而是沿各个方向(例如箭头78所示的横向方向)从光导发射的光在本文被称为“被误导光”。通常，底部反射光和被误导光都会浪费掉。

有利地，本发明人已经开发出一种能够重新捕获底部反射光和被误导光的至少某一部分并将这些光反射回目标区域60的高输出反射器。如附图2所示，反射器80可以被定位在扫描窗口或者孔68的与LED照明源(LED源52和光导54)相对的一侧。在附图2的实施例中，反射器具有平坦的反射器表面81。虽然没有示出，但是反射器被连接到托架56，使得当托架在扫描过程中(沿箭头66的方向)移动时，光导和反射器的相对位置是基本上固定的。反射器以关于水平方向的角度α被定向，这个角度被选择为增加回到目标区域的光反射而不反射来自目标区本身的“循环”光。与角度α和防止反射循环光有关的考虑将在下面进行更详细的讨论。

由于它的位置和取向，反射器80截获某一部分底部反射光。该光由附图2中的箭头74所表示。反射器将底部反射光朝着面向目标的表面70反射回去，如箭头82所示。结果，由箭头82所表示的反射光撞击具有角度的面向目标的表面70并被向上反射到目标区域60。通过这种方式，至少某一部分的底部反射光74被反射回到目标区域中，而不被浪费。

另外，由箭头78所表示的至少某一部分被误导光也被反射器80截获，并且该光被向上反射到目标区域60中。因此，反射器截获两种类型的否则被浪费的光并将其重定向到目标区域中，以用于扫描照明。

该反射器系统所解决的一个问题是重新捕获还没有到达目标区的光，而不会重新捕获已经到达目标区的反射光。已经到达目标区的反射光可能已经被原始文档图像所影响，并且如果循环的话其反射回到目标区域中(并且因此回到缩减光学器件模块)可能破坏被扫描图像的品质。期望的是将反射器相对于光导和目标照明区放置以便在目标区产生照明，该照明不是从目标区本身循环的。放置变量包括反射器的位置(包括角度)和反射器表面的几何形状(即，平坦的或弯曲的)。为实现这一点，本发明人首先使用Snell定律分析反射表面的几何形状。Snell定律(也被称为Descartes定律或者折射定律)是公知的公式，它描述了穿过两种不同的各向同性介质(例如空气和玻璃)之间的边界的光或者其他波的折射与入射角之间的关系。使用这个定律，本发明人分析了期望来自光导的复杂射线图案并生成一阶估计，然后对所得几何形状进行测试以确认反射的图像不会被循环到该系统当中。通过防止被反射的图像光被重定向到目标区域，该系统减少了所得图像中的噪声。

反射器可以是对于扫描仪用途足够耐用以及在可见光谱中具有足够反射的任意材料。反射器材料还可以被选择为实现反射的效率和均匀性。本领域技术人员将认识到有很多反射材料能够在可见光谱中提供90％或者更大的反射率。反射器可以是反射镜(玻璃或者其他)或者反射金属表面。另一方面，非金属反射材料也能被使用。例如，白色不透明的片(聚碳酸酯或者等效物)已经被用于这种反射器表面。另一种已经被使用的材料是

其是商业可获得的聚酯反射带。

本发明人已经考虑并测试了反射器角度α变化的影响。一般而言，发现较陡的反射器角度提供较大的光循环同时还最小化了图像中来自循环图像光的阴影，反射和其他噪声。在大约35度到大约70度范围内的角度被认为是合适的。附图3中示出了根据本公开的白光LED照明系统和反射器的三个不同实施例或配置的相对光输出与反射器旋转角度α的对应关系的图表100。如图例所示，这些测试是在配置用于300dpi和600dpi分辨率两者的扫描仪系统中进行的。左侧显示的100％值表示的是类似附图2中系统的没有反射器80的系统的基本光输出。当反射器以35度的角度α定位时，以300dpi扫描的系统在由CCD传感器通过红色带通滤波器所测量的扫描仪光输出方面具有大于30％的增加，如102所示。在600dpi系统中，通过红色、绿色和蓝色滤波器测量的输出每一个都增加超过20％，如104所示。

当反射器角度增加到45度，300dpi系统和600dpi系统对于所有的颜色都具有大于30％的增加，并且在300dpi系统的情况下增加几乎是40％，如106和108所示。最后，当反射器角度增加到55度，两个系统经历的光增加都大于40％，几乎为50％，如110和112所示。

附图4示出了根据本公开配置的LED照明和反射器系统150的另一个实施例。类似于上面描述的附图2中示出的系统，该系统通常包括定位于扫描仪玻璃158下面的LED照明源152和光导154，如上所述。光导将光从光导朝着扫描仪玻璃的目标区域160重定向。撞击目标区域内的扫描介质162的光在扫描孔168内被朝着缩减光学器件模块164向下反射以产生数字图像。

如同附图2的实施例那样，光导154包括面向目标的表面170，很大一部分光通过该面向目标的表面发出，不过该图中没有示出沿主要光方向从波导发射的光。为了将底部反射光(由射线174所代表)和被误导光(由射线178所代表)重定向回到目标区域160，该实施例包括具有弯曲的反射表面181的反射器180。附图4所示的反射器具有凹反射表面，该凹反射表面具有相对恒定的半径。但是，可以理解其他弯曲表面也是可以使用的。例如，凸表面，不规则的弯曲表面，自由形状(freeform)表面等等也可以被使用，这依赖于特定条件和扫描仪照明系统的具体几何形状。反射器以相对于水平方向的角度α定向，该角度被选择为增加回到目标区域的光反射而不反射来自目标区本身的“循环”光，如前面所讨论的。

由于它的位置和取向，反射器180截获了某一部分底部反射光174并将该光朝着面向目标的表面170反射回去，如箭头182所示，其中该光被向上反射到目标区域160。同样，至少某一部分被误导光178也被反射器截获，并且该光被向上反射到目标区域中。因此，反射器截获两种类型的否则被浪费的光并将其重定向到目标区域中，以用于扫描照明。相信弯曲的反射器可以被优化以重新捕获否则将被浪费的更大部分的底部反射光和被误导光。

该照明系统因此提供一种光学扫描仪，该光学扫描仪具有LED光源和反射器，该反射器被定位为将被反射光和被误导光重定向回到目标区，而不会使已经到达目标区的被反射光循环。该系统允许在缩减光学器件类型扫描仪中使用明亮白光LED以在节省成本的照明系统中实现与CCFL系统的输出基本上相当的总的光输出。

该反射器系统重新捕获来自光导的否则丢失的输出，并将该光导引回到成像窗口中。与围绕灯泡圆周360度地发射光的现有CCFL系统不同，LED/光导组合是一种设计的光学器件，其意欲在圆周上以及沿着长度发射特定照明图案。相对于光导的发射图案定位的反射器是该系统的有益方面。因为由光导提供的更定向的光学输出，在该系统中使用反射器获得的增益要大于在CCFL系统中来自反射器的增益。LED输出的更高效捕获等同于LED解决方案的更高的照明水平以及更低的成本(即，允许更低的功耗或者更小的LED)，这进而允许LED照明的扫描仪系统中足够的照明。如果没有这个反射器系统，可能必须接受更低的图像品质或者等待更明亮的LED的开发。

该系统允许高聚焦深度(由缩减光学器件扫描仪实现)和即时启动扫描。通过将光学优化的反射器系统与超级明亮的白光(或者其他颜色)LED在光学缩减类型扫描仪中组合起来，可以取代传统的CCFL照明系统。反射器位置和具有反射表面的调谐光导的所选组合可以提供高达50％的输出增益，并且相信更大的改进也是可能的。还相信，该种类型的LED照明系统还可以被用在其他的当前使用CCFL灯泡作为背光或照明的应用中。

可以理解，上述提及的布置说明本发明原理的应用。本领域普通技术人员显而易见的是在不脱离权利要求所阐述的本发明的原理和概念的情况下可以进行许多修改。

Claims

1.一种具有扫描仪玻璃(58)的光学扫描仪(50)，其中该扫描仪玻璃具有底表面(76)，所述光学扫描仪(50)包括：

LED照明源(52)以及与所述LED照明源(52)相关联的光导(54)，所述LED照明源(52)和所述光导(54)置于所述玻璃(58)下方，其中所述光导(54)具有面向目标的表面(70)，该面向目标的表面被定向成以非垂直的角度朝着所述玻璃(58)引导光；以及

反射器(80)，其置于所述玻璃(58)下方，被定向为朝着所述面向目标的表面(70)引导从所述底表面(76)反射出的光，

其中，所述反射器(80)以相对于水平方向的大约35度到大约70度的角度被定向，以便增加返回到目标区的光的反射而不会重新捕获已经到达所述目标区的反射光。

2.根据权利要求1的光学扫描仪，还包括扫描孔(68)，其中LED照明源(52)被置于扫描孔的第一侧，以及反射器(80)被定位于扫描孔的第二侧。

3.根据权利要求1的光学扫描仪，其中面向目标的表面(70)被定向为以该非垂直的角度朝着玻璃(58)的目标区引导来自LED照明源的光。

4.根据权利要求3的光学扫描仪，其中所述面向目标的表面(70)被定向为以大约45度的角度朝着玻璃(58)引导LED照明源(52)产生的至少一些光。

5.根据权利要求1的光学扫描仪，其中反射器(80)被定向为朝着扫描仪玻璃的目标区引导来自LED照明源(52)的被误导光，所述被误导光是未到达所述目标区、而沿各个方向从所述光导发射的光。

6.根据权利要求1的光学扫描仪，其中反射器(80)以相对于水平方向的大约55度的角度被定向。

7.根据权利要求1的光学扫描仪，其中反射器(80)由金属或非金属的材料制成。

8.根据权利要求1的光学扫描仪，其中反射器(80)是由被选择为反射至少约90％的入射可见光的材料制成的。

9.根据权利要求1的光学扫描仪，其中反射器(180)具有弯曲的反射器表面(181)。

10.根据权利要求1的光学扫描仪，其中所述反射器(80)由聚碳酸酯制成。

11.根据权利要求1的光学扫描仪，其中所述反射器(80)由玻璃反射镜和置于基板上的反射带中的任何一个制成。