用于扫描装置的光源模块的制作方法

专利名称：用于扫描装置的光源模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种扫描仪的发光二极管光源装置，特别是具有前后聚光、左右散光透镜的发光二极管光源装置，即用于扫描装置的光源模块。
背景技术：
一般平台式影像撷取装置，利用一种光源装置以产生扫描所需的光源，用以照射至欲扫描的稿件上，由扫描装置接收经稿件透射或反射的光，以撷取该欲扫描稿件的影像，并将撷取的资料传回至个人计算机等进行影像的处理。而用以照射稿件的光源装置，一般而言产生的光源为线型光源，且该光源在扫描过程必须提供一个稳定不随时间变化亮度的光源，再者在扫描过程该光源的不同位置的光亮度差异也不能太大，以确保撷取影像的亮度的正确、不失真，尤其欲扫描的影像为彩色影像时，该光源必须提供一稳定的白色光源，如此所撷取的影像在亮度、色彩的稳定度及与欲扫描稿件的还原程度各方面都达到高品质。
请参考图1A、B，现有技术的扫描光源为冷阴极灯管10(ColdCathode Fluorescent Lamp；CCFL)或者为一条列状的发光二极管(LED)光源模块。以冷阴极灯管为光源时，由于其光源为无方向性地往四面八方发散16，故以一柱状的凹反射片或反射面12，用以聚集所产生的光14，并照射至欲扫描的稿件上。而且，冷阴极灯管10使用时，必须先将冷阴极灯10管先进行热机，等待冷阴极灯管10的发光情形稳定后才能执行扫描的动作，以撷取所欲扫描的影像。而冷阴极灯管10的平均使用寿命约一万小时，造成扫描光源的使用寿命上的限制，且发光效率不高，发光过程会产生非所需的大量热能，额外消耗大量能源，因此在时间上及功率上有其先天上的缺点。
而以发光二极管22来做为扫描时所需的扫描光源时，除平均使用寿命约十万小时，大幅增加扫描光源的使用时间的限制外，可以有效改善以冷阴极灯管10做为扫描光源时所需的热机过程，并且可达到开机后可立即扫描的便利性。但发光二极管22本身光源的物理特性为往前发散的光源，产生的光源为一圆形光，且光源亮度为由圆形中心往四周递减，见图2A。因此，为克服发光二极管22的先天物理上特性的缺点，使用上必须将发光二极管22密集排列成一条列状，再以一条状凸透镜的导光柱24置于发光二极管22之上(图2B、C)，将发光二极管22所发的光的前后方向上加以聚集，使各发光二极管22所产生的圆形光源可相互重叠且经导光柱24聚集后的光源亮度增加，以达到产生的扫描光源为一亮度足够且随位置变化不大的光源的要求，参考图2D。发光二极管22本身发光效率相当高，可避免如冷阴极灯管10般产生大量热能，但由于使用相当数量的发光二极管22作为扫描的光源，造成无法有效降低光源的所需功率。
因此，如何产生一可符合扫描需求上所需的光源，且达到低消耗功率、提升使用寿命、开机可立即使用的便利性，为目前扫描光源的一重要课题。

发明内容
鉴于上述的发明背景中，现有技术于扫描仪的扫描光源上，无法提供一低消耗功率、高使用寿命及开机可立即使用的便利性的光源，本发明的主要目的在于使用一可前后聚光、左右散光的透镜于发光二极管的上方，使发光二极管所发的光透过该透镜后，光场型成为线型光，借助前后方向的聚光可提升线型光的亮度；左右方向的散光使照射范围的加宽，使发光二极管不需密集排列，使发光二极管的使用数量可有效减少。
本发明的另一目的为，借助装置该前后聚光、左右散光的透镜于发光二极管上以减少发光二极管的使用数量，可使使用上的消耗功率有效地减少。
本发明的再一目的为，借助装置该前后聚光、左右散光的透镜于发光二极管上以减少发光二极管的使用数量，使发光二极管的成本可有效降低。
本发明的又一目的为，借助以发光二极管作为扫描光源，可提供一较长使用寿命的光源，使扫描仪因光源所造成的使用上的寿命限制大幅减少。
本发明的另一目的为，借助以发光二极管作为扫描光源，可提供一开机可立即使用的便利性的光源，使扫描时间上的效率可以大幅提升。
本发明的再一目的为，借助装置该前后聚光、左右散光的透镜于发光二极管上以形成一阵列以提供面光源等不同场合所需的不同光场型。
根据以上所述的目的，本发明提供了具有前后聚光、左右散光的透镜的发光二极管扫描光源装置及其方法。本发明利用该透镜将发光二极管所产生的光前后聚光、左右散光。除发光二极管的使用可使使用上的寿命限制大幅减少，并提供开机可立即使用的便利性的光源，减少时间上的浪费外，前后聚光可使发光二极管产生的光可集中于扫描的条状范围内，增加扫描光源的亮度；而左右散光可使发光二极管光源在左右方向的照射范围加宽，使各个发光二极管不需密集排列，各个发光二极管之间所需的距离可加宽，在相同的扫描宽度下，可有效减少所需的发光二极管的数目，使发光二极管的成本有效降低，并使光源所消耗的功率大幅减少。


图1A为以CCFL为扫描光源的光源装置图的俯视图；图1B为以CCFL为扫描光源的光源装置图的侧视图；图2A为发光二极管照射于一垂直照射方向平面的光场强度随位置变化图；图2B为现有技术的以发光二极管为扫描光源的光源装置的俯视图；图2C为现有技术的以发光二极管为扫描光源的光源装置的侧视图；图2D为现有技术的以发光二极管为扫描光源时，照射于一垂直照射方向平面的光场强度随位置变化图；图3A为白光发光二极管装设于印刷电路板上的相关位置的俯视图；图3B为白光发光二极管装设于印刷电路板上的相关位置的侧视图；图3C为连接白光发光二极管的电源端、接地端至一受处理器控制的电源的示意图；图4A为类似甜甜圈形状的圆形圆柱体的俯视图；图4B为类似甜甜圈形状的圆形圆柱体的剖面侧视图；图4C为一左右对称的马鞍形透镜的示意图；图4D为马鞍形透镜的俯视图；图4E为马鞍形透镜中心位置，在厚度修正前沿前后方向的剖面图；图4F为马鞍形透镜中心位置，在厚度修正后沿前后方向的剖面图；图4G为马鞍形透镜在厚度修正前的侧视图；图4H为马鞍形透镜在厚度修正后的侧视图；图4I为底部有倒三角锥形凸状刻痕的马鞍形透镜的侧视图；图4J为底部有倒三角锥形凸状刻痕的马鞍形透镜的仰视图；
图4K为底部有倒三角锥形凸状刻痕的马鞍形透镜的侧视图；图4L为光线经过底部有倒三角锥形凸状刻痕的马鞍形透镜底部凸状刻痕的示意图；图5A为已固定四根细圆柱于四端点的马鞍形透镜的仰视图；图5B为已固定四根细圆柱于四端点的马鞍形透镜的侧视图；图5C为已固定四根细圆柱于四端点的马鞍形透镜固定于印刷电路板的侧视图；图5D为已固定四根细圆柱于四端点的马鞍形透镜固定于印刷电路板的俯视图；图6A为一个发光二极管经导光柱及经马鞍形透镜后的光场示意图；图6B为多个发光二极管经导光柱及经马鞍形透镜后的叠合光场示意图；图7A为红蓝绿混光发光二极管装设于印刷电路板上的相关位置的俯视图；图7B为连接红蓝绿混光发光二极管的电源端、接地端至一受处理器控制的电源的示意图；图8A到图8D为发光二极管光源模块的不同排列方式示意图。
图中符号说明α最两端的发光二极管与印刷电路板两端的距离β发光二极管的间的距离B混光发光二极管的B色发光二极管G混光发光二极管的G色发光二极管R混光发光二极管的R色发光二极管θi入射角θj折射角10冷阴极灯管12圆柱状的凹面镜14经圆柱状的凹面镜反射的光线
16未经圆柱状的凹面镜反射的光线20装设一条列状发光二极管组的印刷电路板22发光二极管光源24条状的圆柱凸透镜30长条状的印刷电路板32白光发光二极管34长条状的印刷电路板左起a距离的位置36长条状的印刷电路板右起a距离的位置38白光发光二极管的电源端40白光发光二极管的接地端42并联各白光发光二极管电源端的线路44并联各白光发光二极管接地端的线路46连接并联电源端的线路至处理器的导线48连接并联接地端的线路至处理器的导线50圆形圆柱透明塑料52圆形甜甜圈圆柱的直径长54圆形甜甜圈的内直径长56切取线一58切取线二60切取线三62马鞍形透镜的中间部分64马鞍形透镜的两端部分66修正前马鞍形透镜的中心部分的厚度68修正后马鞍形透镜的中心部分的厚度70修正后的马鞍形透镜的底部平面72细圆柱82 一个发光二极管经过马鞍形透镜后的光场型84一个发光二极管经过导光柱后的光场型86一个发光二极管经过马鞍形透镜的光场型88使用导光柱的发光二极管的光场型
90红蓝绿混光发光二极管100 处理器102 电源104 马鞍形透镜106 修正后马鞍形透镜110 马鞍形透镜112 凸状刻痕具体实施方式
本发明的一些实施例会详细描述如下。然而，除了详细描述外，本发明还可以广泛地在其它的实施例施行，且本发明的范围不受限定，其以权利要求书的范围为准。
再者，为提供更清楚的描述及更易理解本发明，扫描光源的不同部分并没有依照尺寸绘图，某些尺寸与其它相关尺度相比已经被夸张；不相关的细节部分也未完全绘出，以求图标的简洁。
首先，定义沿着发光二极管排列方向为左右方向，垂直排列方向为前后方向。
请参考图3A、B，本发明的一较佳实施例为利用一长条状的印刷电路板30，其长约为216毫米，宽度约为2毫米以上。由于最左方的白光发光二极管32的左边及最右方的白光发光二极管32的右方无另外的白光发光二极管的影响，会使其最左右两颗发光二极管以外的两侧区域亮度随距离递减程度将大于两颗发光二极管以内的中间部分，故最左右两侧发光二极管距印刷电路板30两端的距离α需小于发光二极管的间距离β的一半。在本实施例中，于该印刷电路板30上由左起约8毫米位置34，装设一白光发光二极管32，之后于每隔约40毫米装设一白光发光二极管32，最后一颗白光发光二极管32将装设于该印刷电路板上由右起约8毫米位置36。因此，该印刷电路板30上将全部共装设六颗白光发光二极管32。在印刷电路板30内布置一线路，用以分别并联各白光发光二极管32的电源端38、接地端40，如图3C所示，再以导线46、48将印刷电路板30上并联各白光发光二极管32的电源端38、接地端40的线路42、44连接至一电源102，由该电源102提供白光发光二极管32所需的电力。利用一处理器100连接电源102以控制其白光发光二极管32的光源在扫描时的开关与亮度。
以塑料压克力树脂(Methacrylic resin，P毫米A)或聚碳酸脂(Polycardonate，PC)为材质的一外型类似甜甜圈的圆形圆柱透明塑料体50，其圆柱的直径52约为6毫米，其圆形甜甜圈的内直径54约为18毫米，如图4A、B。依切取线56、58、60切割后，可得一外型为马鞍形的透镜104，且左右对称。所得的马鞍形透镜104的外型为中心位置的横切面为厚度约为0.9至3毫米的弧形，两端较中心宽大，其两端为厚度约3至6毫米的弧形，整体的宽度约为6至12毫米，底部与左右两面为为平面，参考图4C。
由于发光二极管的发光特性为往前发散的光源，产生的光源为一圆形光，且光源亮度为由圆形中心往四周逐渐递减，参考图2A。发光二极管所发的光透过该马鞍形透镜104前后聚光、左右散光后，可形成扫描光源所需的线型光源，且由于该马鞍形透镜104的形状为中间部分62狭小，两端部分64宽大的外型，参考图4D，故中间部分62聚光的有效面积62小于两端部分64，可使透过马鞍形透镜104后的线型光的中心与两端的亮度差异减少，提供一更适合于扫描所需的光源。
将前述的马鞍形透镜104的四端以四根圆柱状的细圆柱72，其厚度约为2毫米，以胶固定于马鞍形透镜104的底部平面70的四个端点，参考图5A、B。再将此以固定好四根圆柱72的马鞍形透镜104以白光发光二极管32为中心以胶固定于印刷电路板30上，使每一个白光发光二极管32对应于一马鞍形透镜104，参考图5C、D。此时马鞍形透镜104与发光二极管并未接触，如此可避免白光发光二极管32焊于印刷电路板30有不平整情况时，也会影响马鞍形透镜104安装时的平整度。如此，当一个发光二极管经过马鞍形透镜104后的光场82的亮度将比经过一圆柱形导光柱后的光场84的亮度于左右方向更为平坦，参考图6A。故在达到最低亮度为最高亮度的60％以上的扫描光源的要求条件下，经马鞍形透镜104的叠合光场86所需的发光二极管数目，比经过圆柱形导光柱后的叠合光场88所需的发光二极管数目为少，参考图6B的叠合光场图。
也可再将马鞍形透镜104的中心与两端的曲率再加以些微修正，可再进一步减少经马鞍形透镜104所形成的线行光的中心与两端的亮度差异。将马鞍形透镜104的中心部分62的厚度66稍微磨平、打光而成为较原先薄的厚度68，使马鞍形透镜104在中心部分62的前后方向的曲率变差，故中心部分62的前后聚光效果将较两端为差，参考图4E、F。更进一步，相同的磨平、打光的处理过程，也可以同时将马鞍形透镜104在中心部分62的左右方向的曲率增加，使中心部分62的左右散光效果增加，参考图4G、H。借助将中心部分62在前后方向聚光效果变差及左右方向散光效果增加，使中心部分62的整体聚光效果低于两端部分64的聚光效果，可使发光二极管的光线经该修正后马鞍形透镜106的线型光，其中心与两端的亮度差异可以更加缩小。
此外，上述马鞍形透镜的另一较佳实施例为底部具有多个倒三角锥形的凸状刻痕112的马鞍形透镜110。举一较佳实施例而言，倒三角锥形的凸状刻痕112的高度为0.5毫米，而底部为0.5毫米×0.5毫米，如图4I所示。图4J为底部具有多个倒三角锥形凸状刻痕112的马鞍形透镜110的仰视图，而图4K为底部具有多个倒三角锥形凸状刻痕112的马鞍形透镜110的另一侧视图。
由上述可知发光二极管所发的光透过马鞍形透镜前后聚光、左右散光后，可形成扫描光源所需的线型光源。其由于马鞍形透镜的形状为中间部分狭小而两端部分宽大的外型，使得中间部分聚光的有效面积小于两端部分，以致于透过马鞍形透镜后的线型光的中心与两端的亮度差异减少。然而，当光线经过上述底部马鞍形透镜110底部的倒三角锥形凸状刻痕112时，由于光线折射的关系，入射角θi会偏离折射角θj，使得透过马鞍形透镜后的线型光的中心与两端的亮度差异比底部没有倒三角锥形凸状刻痕的马鞍形透镜更少，请参考图4L。如此一来，底部有倒三角锥形凸状刻痕的马鞍形透镜即可提供一更适合于扫描所需的光源。
本发明的另一较佳实施例为将上述实施例中的白光发光二极管32以红蓝绿(RGB)混光发光二极管90取代，于印刷电路板30之上由左起约8毫米位置34，装设一红蓝绿混光发光二极管90，之后于每隔约40毫米装置一红蓝绿混光发光二极管90，最后一颗红蓝绿混光发光二极管90将装置于该印刷电路板上由右起约8毫米位置36，参考图7A。将红蓝绿各发光二极管电源端、接地端分别连接至一电源102，由该电源102提供红蓝绿混光发光二极管90所需的个别电力。利用一处理器100连接电源102以控制其红蓝绿混光发光二极管90的各色发光二极管R、G、B在扫描时的开关与亮度，可依不同使用情况提供单一光源或不同颜色的混色光源，参考图7B。再将一马鞍形透镜104或修正马鞍形透镜106用四根细圆柱72以红蓝绿混光发光二极管90为中心，固定于红蓝绿混光发光二极管90的上方，且马鞍形透镜104或修正马鞍形透镜106与红蓝绿混光发光二极管90保持不接触。此时透镜104或106除可修正发光二极管的光场型为一线型光外，也可作为红蓝绿混光发光二极管90的混光用，以产生扫描时所需的白色扫描光源或依不同环境所需的不同颜色的扫描光源。
本发明的发光二极管的使用并不限定于全为白光发光二极管或红蓝绿混色发光二极管，而可以混用各种发光二极管以配合使用于各种不同使用场合。
本发明的发光二极管的光源模块除可排列成一线外，参考图8A，亦可排列成交错式的两列数组发光二极管的光源模块、矩阵、交错式矩阵等，参考图8B、C、D。而图8D虽以蜂窝式的交错矩阵表示，但实际上交错式发光二极管的光源模块群相邻两列于列方向上的投影位置并不需要等距，即例如第二列的第二个发光二极管光源模块的投影位置位于第一列的第一个与第二个发光二极管光源模块之间，但第二列的第二个发光二极管光源模块与第一列的第一个、第二个发光二极管光源模块的距离不需要相等，在阵列的情况也是相同。如此，可用以提供面光源等不同场合所需的不同光场型。
综合以上所述，本发明揭露了具有前后聚光、左右散光的透镜的发光二极管的装置及其方法，可用以作为扫描光源。根据本发明的具有前后聚光、左右散光的透镜的发光二极管扫描光源装置，除了可以避免冷阴极灯管的预先热机及使用寿命上的限制、增加时间上的效率与扫描仪的使用年限外，更可使发光二极管的圆形光场，透过前后聚光、左右散光的透镜后，修正为一线型光场，并且降低光场的中心部分与两端部分的亮度差异，提供一较现有技术使用圆柱形导光柱的发光二极管扫描光源更佳的光场型，使可较现有技术的发光二极管扫描光源使用更少数目的发光二极管而达到相同的扫描光源的要求，降低发光二极管的使用数量与成本。以上述的实施例而言，单组发光二极管所消耗功率约0.15瓦，六组发光二极管的消耗功率约为0.9瓦，远低于现有技术的冷阴极灯管的消耗功率3至6瓦及发光二极管扫描光源，可有效降低功率的消耗，达到低消耗功率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的保护范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种用于扫描装置的光源模块，其特征在于，包含多个发光二极管，用以提供该扫描装置的光源；以及多个透镜组，一对一固定于该发光二极管光源之上，具第一方向上散光、第二方向上聚光的作用，用以修正该透镜下方的发光二极管产生的光场型，其中该第一方向为沿着该发光二极管的排列方向，该第二方向为垂直该发光二极管的排列方向。
2.如权利要求1所述的用于扫描装置的光源模块，其特征在于，上述的发光二极管包含多个红蓝绿混光发光二极管或多个白光发光二极管。
3.如权利要求1所述的用于扫描装置的光源模块，其特征在于，上述的发光二极管以一处理器来控制其亮度或开关。
4.如权利要求1所述的用于扫描装置的光源模块，其特征在于，上述的透镜组为一马鞍形透镜。
5.如权利要求4所述的用于扫描装置的光源模块，其特征在于，上述的马鞍形透镜底部具有多个凸状刻痕，该多个凸状刻痕的高度为0.5毫米，而凸状刻痕的底部为0.5毫米×0.5毫米。
6.如权利要求4所述的用于扫描装置的光源模块，其特征在于，上述的透镜组为一透镜中心的第二方向的聚光能力小于两端及一透镜中心的第一方向的散光能力大于两端的修正型马鞍形透镜。
7.如权利要求1所述的用于扫描装置的光源模块，其特征在于，上述的透镜组的材质为压克力树脂(P毫米A)或聚碳酸脂(PC)。
8.如权利要求1所述的用于扫描装置的光源模块，其特征在于，上述的多个发光二极管的排列包括于第一方向上排列成一列、于第一方向上排列成交错的两列。
9.如权利要求1所述的用于扫描装置的光源模块，其特征在于，上述的多个发光二极管的排列包括排列成数组或排列成交错式阵列。
10.如权利要求1所述的用于扫描装置的光源模块，其特征在于，上述的透镜组的中心部分的曲率在第一方向上或第二方向上可以与两端的曲率相同或不同。
全文摘要
本发明涉及一种扫描仪的发光二极管光源装置，特别是具有前后聚光、左右散光透镜的发光二极管光源装置，即用于扫描装置的光源模块，使用发光二极管当扫描光源可改善使用冷阴极灯管当扫描光源时所遭遇的高消耗功率、需预先热机及使用寿命上的限制等问题，且利用该透镜可使发光二极管照射至欲扫描稿件的扫描光线的左右范围可更加以延伸，也可改善以往使用发光二极管当光源时，必须大量使用发光二极管以获得较佳的光场平整度的缺点，以减少发光二极管所需的数目，达到低消耗功率的优点。
文档编号G02B26/10GK1488967SQ0214432
公开日2004年4月14日 申请日期2002年10月8日 优先权日2002年10月8日
发明者黄旭华, 方伯华, 许秀娥 申请人:力捷电脑股份有限公司