聚光装置及其制造方法及影像扫描仪 【技术领域】
本发明涉及一种聚光装置及其制造方法,特别是涉及一种适用于影像扫描仪,且可提高由光源的外围轮廓所发出的光的利用效率的一种聚光装置及其制造方法。本发明还涉及使用这种聚光装置的影像扫描仪。
背景技术
请参阅图1,其为目前市面上可见的典型的平台式(Flat Bed)光学影像扫描仪1(Optical Scanner)实施例。其主要是在一扫描仪1外壳11的上侧表面设有一原稿承载玻璃12(Document Window Glass)以承放一待扫描原稿(图中未示),藉由一驱动装置13带动一光学引擎14(Optical Chassis)在中空外壳11内沿着导杆15方向进行线性运动,以进行玻璃12上的原稿的影像扫描工作。
请参阅图2,其为图1所示常用影像扫描仪1的光学引擎14的A-A剖面图。光学引擎14包括有:一中空壳体141、一光源模块142定位于壳体141之上侧面一适当位置、由多个反射镜片143组构而成的导光装置、一镜头组144(Lens Set)、以及一电荷耦合组件145(Charge Coupled Device,简称CCD)。由光源模块142发出光射向玻璃12上地原稿(图中未示),其原稿影像的反射光进入光学引擎14的壳体141内后,由导光装置的多个反射镜片143将其反射折向以增长光程距离(Optical Length)至一适当长度后,经镜头组144的聚焦而成像于电荷耦合组件145上并将扫描所得的光影像数据转换为可供计算机判读的电信号。
如图1及图2所示的常用光学引擎14,其反射镜片143是藉由在一薄板状的玻璃片上镀银所构成,需要以额外的簧片146、夹具机构或配合螺丝锁固的方式来将其固定在壳体141内侧的预定位置上。并且,由于每一片反射镜片143均只具有一反射面而仅能对光进行单次反射。所以,为了达到镜头组144清晰聚焦成像所需的总光程长度值(Total Track;简称TT值,也就是如图2中所示的Y1+Y2+...+Y5的总值),各反射镜片143间的距离及对应角度便需适当地安排。
如图3所示,为一典型的光源模块142a与一扫描预定区域121之间的相对位置示意图。应当理解的是,图3所示的光源模块142a的设置位置与图2所示的情况虽然左右相反,然而由于其为视角方向的差异且无论是图2或图3均仅为示意图,因此图2与图3的视角方向相反并不会影响到光源模块142a的实质结构,在此叙明。
图3所示的该光源模块142a一般是由包括一光源1421及一聚光反射罩1422所组合构成。该聚光反射罩1422的设置主要是为了将光源1421朝向各方向辐射的光加以反射并聚集朝向位于原稿上或是原稿承载玻璃上的该扫描预定区域121。而目前所有常用的聚光反射罩1422的曲面设计方式,均是以希望由光源1421的“中心点”朝各方向辐射所发出的光在经过聚光反射罩1422反射后能被聚集向该扫描预定区域121的方式设计,以提高光源1421的光利用效率。如图3所示的传统典型的光源模块142a,其聚光反射罩1422大致上即是以“圆弧曲面”作为聚光反射罩1422的反射面曲线。然而,由于圆弧曲面对光的聚集效果不佳,所以后来便在较接近扫描预定区域处增加设置另一反射片,例如图4所示便为其中一例。在图4所示的现有技术中,除了原有环绕于光源1421附近的聚光反射罩1422之外,还在扫描预定区域121处增加一片平面反射片1423,可将原来无法准确聚集在扫描预定区域121的光线再次往扫描预定区域121反射。然而,由于现有技术的反射片1423仅是单纯的平面反射面,且反射片1423与原聚光反射罩1422的曲面设计也不相同更无法相互配合,所以仍非完美的聚光方式。
还有人曾经设计出以椭圆曲线作为聚光反射罩1422的反射面截面曲线的设计。例如,美国专利US 5,430,282,即揭露有以椭圆曲线作为聚光反射罩的反射面截面曲线的设计,藉由将光源的中心点与该扫描预定区域分别定位在椭圆曲线的两焦点上,这样,理论上所有由光源的中心点(也就是该椭圆曲线之其中一焦点)所辐射发出的光均可被聚集于该扫描预定区域(也就是该椭圆曲线之另一焦点)上。
综观前述各现有技术的设计原理,是假设光源是“点”光源,其光系仅由光源的中心点向各方向辐射发散。此种论点在当该光源为一传统「钨丝灯泡」时或许适用。然而,由于目前普遍运用在影像扫描仪上的光源1421均是采用荧光光源(fluorescent Lamp),其荧光光源的光并非由光源中心点辐射发散,而是由光源的外围轮廓上的每一点(亦即光源表面内侧的荧光材料)分别朝向各方向辐射发散。因此前述的各现有技术的聚光反射罩的反射面截面曲线设计无法符合目前影像扫描仪的实际需求,其所能提高的光利用效率也很有限,有待进一步改进。
【发明内容】
本发明任务在于提供一种聚光装置及其制造方法以及一种影像扫描仪,其藉由聚光装置的反射曲面的改进设计,可提高由光源的外围轮廓所发出的光的利用效率。
本发明一方面提供一种聚光装置,可配合一光源使用以朝向一预定区域聚光,该光源的截面呈具有一预定尺寸的外围轮廓,且光源的光是由该外围轮廓上的各位置点向各方向辐射发散,而非自光源的中心点向各方向辐射发散,该聚光装置包括:
至少一反射曲面,非封闭式地环绕于该光源并与该外围轮廓相隔一预定距离,用于将射向反射曲面的光加以反射,并且,该反射曲面的截面曲率,是藉由分别依次采取光源外围轮廓上的多个位置点的其一、与该预定区域上之至少一位置点当作椭圆的两焦点,并配合位于光源外的一参考点,来定义出多个椭圆曲线,以使该椭圆曲线穿越该参考点后,再撷取该多个椭圆曲线的包络线的一部份来定义该反射曲面的截面曲率。
优选地,定义该反射曲面的截面曲率所撷取的包络线的该部份至少包括较接近光源的部分。
优选地,该参考点的位置位于由光源的中心点与预定区域的一中心点两点所决定的直线上。
优选地,藉由反射曲面所聚集的光在射到预定区域后会受其反射并产生朝向预定方向行进的反射光,且定义该反射曲面的截面曲率所撷取的包络线的该部份不会遮档该反射光。
优选地,该聚光装置的至少一反射曲面包括一第一反射曲面及一第二反射曲面,该第一及第二反射曲面是两分离的组件且分别为该包络线的一部份。
优选地,该第一反射曲面较接近且非封闭式地环绕光源,而第二反射曲面则邻近该预定区域。
本发明另一方面提供一种影像扫描仪,可对一原稿进行扫描以取得该原稿影像,包括:
一光学引擎,其还包括有:一中空壳体、一光源模块定位于壳体之上侧面一适当位置、一导光装置、以及一影像感应组件,由光源模块发出光射向原稿上的一预定区域,其原稿影像的反射光进入光学引擎的壳体内后,由导光装置将其折向,然后成像于影像感应组件上并将光影像数据转换为可供计算机读取的电信号;以及
一驱动装置,用以驱动,使光学引擎与原稿进行相对运动,以改变该预定区域在原稿上的相对位置;
其中,该光源模块还包括有一光源及一聚光装置,该光源的截面呈具有一预定尺寸的外围轮廓,该聚光装置具有至少一反射曲面,其为非封闭式地环绕于该光源并与该外围轮廓相隔一预定距离,可将射向反射曲面的光加以反射,并且,该反射曲面的截面曲率是藉由分别依次采取光源外围轮廓上的多个位置点的其中之一与该预定区域上的至少一位置点当作椭圆的两焦点,并配合位于光源外的一参考点,来定义出多个椭圆曲线后,以使该椭圆曲线穿越该参考点,再撷取该多个椭圆曲线的包络线的一部份来定义该反射曲面的截面曲率。
优选地,藉由反射曲面所聚集的光在射到原稿上的预定区域后会受原稿的反射并产生朝向预定方向行进的原稿反射影像,且定义该反射曲面的截面曲率所撷取的包络线的该部份不会遮文件该反射影像。
优选地,该聚光装置具有包括一第一反射曲面及一第二反射曲面,该第一及第二反射曲面是两分离的组件且分别为该包络线的一部份,其中,该第一反射曲面是较接近且非封闭式地环绕光源,而第二反射曲面则较接近该预定区域。
本发明再一方面提供一种聚光装置的制造方法,包括下列步骤:
提供一光源与一预定区域,该光源在截面上呈一预定尺寸的外围轮廓,而该预定区域在相同截面方向上则呈一线段,并决定该光源与预定区域的相对位置;
在光源的外围轮廓的该线段上选取多个位置点,并于预定区域的线段上选取至少一位置点,且于光源较远离预定区域之侧的一预定距离处选择一参考点;
分别选取外围轮廓上多个位置点中的其中之一、以及该线段上至少一位置点中的其一,并将所选取的该两位置点当作一椭圆的两焦点、并配合该参考点,而定义出一椭圆曲线,以使该椭圆曲线穿越该参考点;
改变所选择的外围轮廓与/或线段上的位置点,并重复前一步骤,以产生多个椭圆曲线;
根据该多个椭圆曲线决定一包络线,其中,该聚光装置的一反射曲面的截面为该包络线的一部份。
优选地,藉由反射曲面所聚集的光在射到预定区域后会产生朝向预定方向行进的反射光,且定义该反射曲面的截面所撷取的包络线的该部份不会遮档该反射光。
优选地,该聚光装置具有包括一第一反射曲面及一第二反射曲面,该第一及第二反射曲面是两分离之组件且分别为该包络线的一部份,其中,该第一反射曲面较接近且非封闭式地环绕光源,而第二反射曲面则较接近该预定区域。
本发明提供了一种聚光装置,该聚光装置包括有至少一反射曲面,其为非封闭式地环绕于一光源并与光源的外围轮廓相隔一预定距离,并且,该反射曲面的截面曲率藉由分别依次采取光源外围轮廓上的多个位置点与一预定区域上的多个位置点当作椭圆的两焦点并配合位于光源背侧外的一参考点来定义出多个椭圆曲线后,再撷取该多个椭圆曲线的包络线(Envelope)的一部份来定义该反射曲面的截面曲率。藉此,由光源的外围轮廓上的各位置点所辐射发出的光,均可更有效地被聚集在欲聚光的该预定区域上,而可大幅提高由光源的外围轮廓所发出的光的利用效率。
本发明还提供一种聚光装置,该聚光装置包括有至少一反射曲面,其为非封闭式地环绕于一光源并与光源的外围轮廓相隔一预定距离,并且,该反射曲面的截面曲率是藉由分别依次采取光源外围轮廓上的多个位置点与一预定区域上的中间点当作椭圆的两焦点并配合位于光源背侧外的一参考点来定义出多个椭圆曲线后,再撷取该多个椭圆曲线的包络线(Envelope)的一部份来定义该反射曲面之截面曲率。藉此,可简化复数椭圆及其包络线的产生方式。
本发明还提供提供了一种聚光装置,其中,该聚光装置具有包括一第一反射曲面及一第二反射曲面,该第一及第二反射曲面系两分离之组件且分别为前述包络线之一部份,其中,该第一反射曲面系较接近且非封闭式地环绕光源,而第二反射曲面则较接近该预定区域。藉由将第一及第二反射曲面设计成相同曲面之设计,可使两者具有相辅相成之作用,而更进一步提高聚光效率。
【附图说明】
图1为现有的影像扫描仪示意图;
图2为现有影像扫描仪的光学引擎的示意图;
图3为一现有典型的聚光装置与扫描预定区域之间的相对位置示意图;
图4为另一现有聚光装置与扫描预定区域之间的相对位置示意图;
图5为本发明的聚光装置的第一优选实施例示意图;
图6为本发明的聚光装置的第二优选实施例示意图;
图7为本发明的聚光装置的再一实施例示意图;
附图标号说明
1-扫描仪
11-外壳
12-玻璃
121-扫描预定区域
13-驱动装置
14-光学引擎
141-中空壳体
142、142a-光源模块
1421-光源
1422-聚光反射罩
1423-平面反射片
143-反射镜片
144-镜头组
145-电荷耦合组件
146-簧片
15-导杆
30、30c、30d-本发明之聚光装置
31、31c、31d-光源
311、311d-外围轮廓
32、32c-第一反射曲面
33-第二反射曲面
37、37d-参考点
38-多个椭圆曲线
39-包络线
50-原稿
51-扫描预定区域
511-中间点
【具体实施方式】
本发明的聚光装置与制造方法的主要精神在于该聚光装置包括有至少一反射曲面,其为非封闭式地环绕于一光源并与光源的外围轮廓相隔一预定距离,并且,该反射曲面的截面曲率是藉由分别依次采取光源外围轮廓上的多个位置点与一预定区域上的多个位置点当作椭圆的两焦点并配合位于光源背侧外的一参考点来定义出多个椭圆曲线后,再撷取该多个椭圆曲线的包络线(Envelope)的一部份来定义该反射曲面的截面曲率。藉此,由光源的外围轮廓上的各位置点所辐射发出的光,均可更有效地被聚集在欲聚光的该预定区域上,而可大幅提高由光源的外围轮廓所发出的光的利用效率。
以下将举出数个优选实施例详细说明本发明的聚光装置及其制造方法的详细结构、操作方式、功效、以及其它特征。
请参阅图5所示,为本发明的聚光装置30及其制造方法的第一优选实施例。在图中虽然仅绘制有该聚光装置30与待扫描原稿的扫描预定区域的示意图,然而本发明的聚光装置30同样也可以设置于如图1与图2所示的影像扫描仪1与光学引擎14上,并且适用于本发明的影像扫描仪1也如图1所示具有相同或类似的光学引擎14、驱动装置13、导杆15、及原稿承载玻璃12等组件。且在光学引擎14中同样具有中空壳体141、导光装置(包括至少一反射镜片143)、镜头组144、以及影像感应组件(例如电荷耦合组件145)。藉由驱动装置使光学引擎与原稿进行相对运动,同时由具有本发明聚光装置30的光源装置发出光射向原稿,其原稿影像的反射光进入光学引擎的壳体内后,由导光装置将其折向,然后成像于影像感应组件上并将光影像数据转换为可供计算机读取的电信号,可对一原稿进行扫描以取得该原稿影像。
本发明主要是针对聚光装置30的部分进行改进。下列说明将主要针对聚光装置30详述,至于影像扫描仪除了聚光装置之外的其它组件说明可参阅以上结合图1与图2的说明,以下将不再赘述。
值得一提的是,虽然前述的本发明聚光装置30的实施例是设置于“平台式(Flat Bed)”且采用“电荷耦合组件(CCD)”的影像扫描仪上。然而,本发明的聚光装置30也可以是设置在“馈纸式(Paper Feed)”影像扫描仪或是使用“CMOS影像感应组件(CMOS Image Sensor;简称CIS)”的影像扫描仪上。
如图5所示,本发明的聚光装置30可配合一光源31,在本优选实施例中是以具有圆形轮廓截面的狭长灯管为例,使用以朝向一原稿50(或原稿承载玻璃)上的扫描预定区域51发射光。
该光源31的截面呈具有一预定尺寸(直径)的外围轮廓311。该光源31的光系自光源的外围轮廓311表面上的各位置点分别朝向各方向辐射发散,而非自光源31的中心点向各方向辐射发散。应当理解,虽然在本优选实施例中是以长条状圆形截面的光源31来作为光源,然而,该光源也可以是球状灯泡、点状或线状排列的LED光源、或具有其它截面轮廓形状的光源。
聚光装置30具有至少一第一反射曲面32,其为非封闭式地环绕于该光源31并与该外围轮廓311相隔一预定距离,使光源31朝向原稿50的该扫描预定区域51侧(可简称为光源31前侧)为开放状态且不受第一反射曲面32所环绕遮蔽,以作为光发射向预定位置的出口。该第一反射曲面32可以藉由在一塑料射出的壳体表面上镀反射膜、贴上光反射贴纸或是塞入反射片的方式来设置光反射面,以便能将射向第一反射曲面32的光加以反射。
本发明的主要精神在于,该第一反射曲面32的截面曲率,是藉由分别依次采取光源31外围轮廓311上的多个位置点、与该预定区域51上的多个位置点当作椭圆的两焦点、并配合位于光源背侧外的一参考点37,来定义出多个椭圆曲线后,再撷取该多个椭圆曲线的包络线(Envelope)的一部份来定义该第一反射曲面32的截面曲率。
如图5所示的实施例中,该包络线的产生方法可包括下列步骤:
步骤一,提供该光源31与该预定区域51,该光源31于截面上呈一预定尺寸之外围轮廓311,而该预定区域51于相同截面方向上则呈一线段511,并决定该光源与该预定区域的相对位置。
步骤二,在位于光源背侧一适当距离外选择一参考点37,并于光源31的外围轮廓311、与预定区域51的该线段511上,分别选取多个位置点;例如图5所示的本实施例中,于光源31的外围轮廓311上可选取C0,C1,...Cn共n个点,而于预定区域51的该线段511上也选取C0’,C1’,...Cn’共n个点。原则上,该参考点37的位置以位于由光源31圆心与线段511中点两点所决定的直线上为佳,而参考点37与光源31外围轮廓311间的距离则可以实验方式求取其最佳值,以使光源31对该线段511的聚光效果最佳。在本优选实施例中,光源31的截面呈圆形轮廓,该参考点37的位置位于由光源31圆心与线段511中点两点所决定的直线上,且假设参考点37与光源31外周缘轮廓的最短距离为X,光源31外周缘轮廓的直径为D时,以0<X/D<1为佳,且当0.4<X/D<0.8时可有更佳聚光效果。
步骤三,分别选取外围轮廓311上多个位置点中的其中之一、以及该线段511上多个位置点中的其中之一,并将所选取之该两位置点当作一椭圆的两焦点并配合该参考点37,而定义出一椭圆曲线;例如图5所示的本实施例中,可取C0与C0’为一组配合参考点37而定义一椭圆曲线E0。而此所述的所谓“配合参考点37”是指该参考点37必须落在所定义的椭圆曲线E0上。
步骤四,改变所选择的外围轮廓311与/或线段511上的位置点,并重复前一步骤,以产生多个椭圆曲线;例如,依次取C0与C0’,C1与C1’,...,一直到取Cn与Cn’为一组,则可分别定义出椭圆曲线E0,E1,...En,一共可产生n个椭圆曲线,而各个椭圆曲线E0,E1,...En均会穿越该参考点37。
步骤五,根据该多个椭圆曲线决定一包络线(Envelope),其中,该聚光装置30的第一反射曲面32的截面便是属于该包络线的一部份。
如图中所示,所绘出的包络线在较接近光源31背侧的部分(亦即第一反射曲面32)部分的截面略呈一ω形状,也就是说,第一反射曲面32于较接近光源31背侧(较远离预定区域51之侧称为光源31背侧)部分是朝向光源31背侧突起,而成类似ω形状。而该参考点37则恰位于该ω形状的中间突点位置。
当然,以上所述仅为本发明聚光装置30的反射曲面32的设计制造方法的其中一实施例,并非唯一实施例。例如,于步骤三与步骤四中对于外围轮廓311与线段511上的多个位置点的选取配对顺序,亦可改为由C0搭配Cn’、C1搭配Cn-1’、...Cn搭配C0’的方式,来定义出n个椭圆曲线。或者,亦可由C0分别搭配C0’至Cn’,C1也搭配C0’至Cn’,一直到Cn也搭配C0’至Cn’,来产生n2个椭圆曲线。甚者,亦可能在外围轮廓上取n个位置点,而线段上则m个位置点,来产生n乘m个椭圆曲线。
至于,该包络线的产生方式可藉由数学推导的方式、或是由制图法(也可设计用计算机软件来自动绘图)的方式来求得。其中关于包络线的数学推导公式,为一现有的计算公式,细节可参考由NASA(National Aeronauticsand Space Administration)的Scientific and Technical Information Division所出版的NASA Reference Publication 1212期刊AVSCOM Technical Report88-C-035报告,报告名称为“Theory of Gearing”,作者为Faydor L.Litvin(其撰写该报告时任职于The University of Illinois at Chicago,Department ofMechanical Engineering),于该报告第68页起的第4.2章节名称为“Envelopofa Locus of Planar Curves”中即有关于“包络线”的相关数学推导公式。而至于藉由制图法来取得包络线的方法,则可使用手工绘图、或是计算机自动绘图的方式,依据前述步骤一至步骤四的步骤,绘制出多数个(可能是十数个、上百个或是上千个)椭圆曲线后,再根据该多数个椭圆曲线的外围各切点的各位置处加以切线方向相互连接而形成一新曲线,其中,该聚光装置30的第一反射曲面32的截面便属于该新曲线的一部份。而于另一实施例中,所述的该新曲线亦可是根据该多数个椭圆曲线中外围相互重叠密度最大的各位置处加以连接而形成者。
另,由于藉由聚光装置30所聚集的光在射到原稿50上的该预定区域51后,会受原稿50的反射并产生朝向预定方向行进的原稿反射影像。所以,在图5所示的本实施例中,该第一反射曲面32,乃是仅撷取包络线较接近光源31的部分所构成,而较接近预定区域51的部分则不包括在第一反射曲面32中。因此,藉由第一反射曲面32所聚集之光在射到该预定区域51后所产生之反射光(也就是欲进行扫描之原稿的反射影像),将不会受到第一反射曲面32的遮檔。
在本发明的另一优选实施例中,当该光源31的外型为一球状荧光灯泡时,由于光源31(球状荧光灯泡)不同位置的各截面大小不一,所以依据光源31不同截面位置所依次决定的多个第一反射曲面32截面轮廓虽分别呈ω形状但其尺寸位置亦将略有不同,以整体观之,当该光源31的外型为一球状荧光灯泡时其第一反射曲面32整体的立体形状将呈现类似碗状结构,但该碗状结构第一反射曲面32的中间部分(亦即参考点37的位置)将朝向光源31突出,也就是其截面仍将如图5所示。
请参阅图6为本发明的聚光装置30c的另一实施例,其与前述图5的实施例的不同点在于,该聚光装置30c包括有一第一反射曲面32c及一第二反射曲面33,该第一及第二反射曲面32c,33是两分离的组件且分别为相同包络线的一部份。其中,该第一反射曲面32c较接近且非封闭式地环绕光源31c,而第二反射曲面33则邻近该预定区域51,两者之间的间隔则至少可让前述原稿反射影像所通过。藉由将第一及第二反射曲面32c,33设计成相同曲面的设计,可使两者具有相辅相成的作用,因此相对于如图4所示的采用不同曲率设计之反射片1423的现有技术而言,图6所示的本发明实施例将可更进一步提高聚光效率。
请参阅图7,其为本发明的聚光装置30d的再一实施例,其与前述图5的实施例的不同点在于,图7所示的包络线39的产生方式将更为简化,如图7所示,本优选实施例的包络线39,是藉由分别依次采取光源31d外围轮廓311d上的多个位置点319、然后再分别与该预定区域51上的其中一位置点(通常以该预定区域51之中间点511为最佳)来当作椭圆的两焦点、并配合位于光源背侧一适当距离外的参考点37d,来定义出多个椭圆曲线38后,再撷取该多个椭圆曲线38的包络线39(Envelope)的一部份来定义该第一反射曲面(可另参考图6所示之第一反射曲面32c)的截面曲率。由于本优选实施例仅选取预定区域51的中间点作为椭圆的其中一焦点,所以无论于多个椭圆曲线38或包络线39的绘制或产生方式上均可相对简化。
以上所述是利用优选实施例详细说明本发明,而非限制本发明的范围。所以,对于本领域的技术人员来说,在上述描述的基础上作出依序改变及调整,仍将不失本发明的要义所在,也不脱离本发明的精神和范围。