專利名稱：導(dǎo)光棒及使用該導(dǎo)光棒的線狀光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種導(dǎo)光棒及使用該導(dǎo)光棒的線狀光源，特別是涉及一種掃描儀、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)等圖像讀取裝置與液晶模塊所用的使用該導(dǎo)光棒的線狀光源。
在掃描儀、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)等圖像讀取裝置中，需用線狀光源來對目標(biāo)進(jìn)行照明。在液晶模塊中，需對液晶背景進(jìn)行照明，所用的一種方法為利用線狀光源，再結(jié)合能將線狀光源變換為面狀光源的導(dǎo)光板，即可為液晶板提供背光。
用于圖像讀取裝置與液晶模塊的線狀光源的現(xiàn)有技術(shù)有如圖1所示，采用冷陰極管的線狀光源1；如圖2所示，采用LED陣列的線狀光源2；如圖3所示，采用LED陣列加柱面透鏡的線狀光源3；如圖4所示，采用柱面導(dǎo)光棒的線狀光源4；如圖5A、圖5B所示，采用柱面導(dǎo)光棒加外殼的線狀光源5；如圖6、圖7、圖8A、圖8B、圖9A、圖9B所示，采用由柱面與斜面相交構(gòu)成的導(dǎo)光棒的線狀光源6。
圖1所示的線狀光源1由冷陰極管11和轉(zhuǎn)換電路12組成。冷陰極管1 1的發(fā)光原理與普通的熒光管(熱陰極管)基本一樣，但電極部分因沒有燈絲構(gòu)造，既簡單又使電極小型化，故適合細(xì)管徑化。該現(xiàn)有技術(shù)由于需配置轉(zhuǎn)換電路12，故體積大；由于冷陰極管11為圓柱體發(fā)光，故光能利用率低；且不能分時產(chǎn)生不同波長的光，易破碎，壽命短。
圖2中，在基板21上安裝有許多個LED 22，比如40個。該現(xiàn)有技術(shù)由于LED 22的輻射立體角可大至半空間，故光能利用率低；由于LED 22之間存在間距與發(fā)光強(qiáng)度不一致，故光均勻性差；由于采用許多個LED 22，故成本高。
圖3中，在基板21上安裝有許多個LED 22，比如40個，同時設(shè)置有柱面透鏡31。與圖2相比，該現(xiàn)有技術(shù)改善了光能利用率與光均勻性，但仍存在光能利用率不高、光均勻性不好及成本高的缺點。
圖4所示的現(xiàn)有技術(shù)，見美國專利第5,400,224號。由柱面構(gòu)成的導(dǎo)光棒71的截面為圓形，也可為矩形、三角形、橢圓形或不規(guī)則形狀等。當(dāng)入射光41射入后，在導(dǎo)光棒71內(nèi)，對于入射角大于臨界角的光線將按無光通量損失的全反射方式進(jìn)行傳播，最終從另一端面射出，形成出射光42；當(dāng)光線落至紋理表面771后，對于入射角小于臨界角的光線將從該表面折射出去，形成從紋理表面折射出來的光線43；同時，與該表面相對的光滑表面也有入射角小于臨界角的光線折射出去，形成從光滑表面折射出來的光線44。該現(xiàn)有技術(shù)由于光線從三面射出，故光能利用率低；由于導(dǎo)光棒71僅為簡單的柱面、紋理表面771僅為簡單的帶狀，故光均勻性差。
圖5A、圖5B所示的現(xiàn)有技術(shù)，見日本專利申請公開號特開平8-163320。線狀光源5由導(dǎo)光棒71、光源組件72、外殼51組成。由柱面構(gòu)成的導(dǎo)光棒71的截面為矩形去掉一個角后形成的五角形，也可為矩形去掉兩個角或兩個以上角后形成的多角形。去掉一個角后所形成的平面即為出射面78。導(dǎo)光棒71在除與出射面78相鄰的兩側(cè)面以外的其他至少一個側(cè)面上設(shè)置有反射層772；在除出射面78及設(shè)置有光源組件72的端面以外的至少一個面上，隔著薄空氣層設(shè)置有外殼51。該現(xiàn)有技術(shù)由于需采用外殼51，故增加了體積與成本；由于導(dǎo)光棒71的截面為矩形去掉若干角所形成的多角形，較易產(chǎn)生入射角小于臨界角的光線，而對從導(dǎo)光棒71表面折射出來的光線，僅能部分經(jīng)外殼51內(nèi)壁反射后重新折射進(jìn)入導(dǎo)光棒71內(nèi)，故光能利用率不夠高；由于僅靠反射層772來調(diào)節(jié)輸出光通量分布，故光均勻性不夠好。
圖6、圖7所示的現(xiàn)有技術(shù)，見臺灣專利公告號326931。圖6所示線狀光源6由導(dǎo)光棒71和光源組件72組成。圖6中由柱面與斜面相交構(gòu)成的導(dǎo)光棒71，柱面截面為矩形；斜面為斜平面61；與斜平面61相對的為出射面78；在斜平面61上，設(shè)置有表面紋理771與反射層772。圖7所示的線狀光源6由導(dǎo)光棒71和位于導(dǎo)光棒71二端的光源組件72組成。圖7中由柱面與斜面相交構(gòu)成的導(dǎo)光棒71，柱面截面為矩形；斜面由二個傾斜方向相反的斜平面61組成；與斜平面61相對的為出射面78；其余設(shè)置與圖6同。該現(xiàn)有技術(shù)由于導(dǎo)光棒71的截面為矩形，較易產(chǎn)生入射角小于臨界角的光線而造成光通量損失，故光能利用率不高；由于僅靠呈線性變化的斜平面61及反射層772來調(diào)節(jié)輸出光通量分布，故光均勻性不好。
圖8A、圖8B所示的線狀光源6，由導(dǎo)光棒71和位于二端的光源組件72組成。由柱面與斜面相交構(gòu)成的導(dǎo)光棒71，柱面截面為不規(guī)則形狀；斜面由位于導(dǎo)光棒71兩側(cè)的兩對傾斜方向相反的斜平面61組成；出射面78為非圓柱面的其他柱面；與出射面78相對的為涂有反射層772的紋理表面771。該現(xiàn)有技術(shù)由于導(dǎo)光棒71的該種不規(guī)則截面形狀，較易產(chǎn)生入射角小于臨界角的光線而造成光通量損失，故光能利用率不是很高；由于反射層772為簡單的帶狀，僅靠呈線性變化的斜平面61來調(diào)節(jié)輸出光通量分布，故光均勻性不是很好。
圖9A、圖9B所示線狀光源6，由導(dǎo)光棒71、光源組件72組成。由柱面與斜面相交構(gòu)成的導(dǎo)光棒71，柱面截面為不規(guī)則形狀；斜面為斜曲面62；出射面78為不規(guī)則柱面；與出射面78相對的為涂有反射層772的紋理表面771；此外，尚設(shè)置有由二斜面構(gòu)成的溝槽63。該現(xiàn)有技術(shù)由于導(dǎo)光棒71的該種不規(guī)則截面形狀，較易產(chǎn)生入射角小于臨界角的光線而造成光通量損失，故光能利用率不很理想；由于反射層772為簡單的帶狀，僅靠斜曲面62、溝槽63來調(diào)節(jié)輸出光通量分布，故光均勻性不很理想。
本發(fā)明的一個目的，是提供一種體積小、光能利用率高、光均勻性好的導(dǎo)光棒。
本發(fā)明的另一個目的，是提供一種導(dǎo)光棒，該導(dǎo)光棒可截短成為更短的導(dǎo)光棒。
本發(fā)明的再一個目的，是提供一種使用本發(fā)明導(dǎo)光棒的線狀光源，該線狀光源由點狀光源或經(jīng)變換后所得到的點狀光源發(fā)光，經(jīng)本發(fā)明導(dǎo)光棒獲得線狀出射光。
本發(fā)明的又一個目的，是提供一種使用本發(fā)明導(dǎo)光棒的線狀光源，該線狀光源可分時產(chǎn)生所需不同波長的單色光，并可拼長成為更長的線狀光源。
使用本發(fā)明導(dǎo)光棒的線狀光源特別適用于掃描儀、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)等圖像讀取裝置所需的目標(biāo)照明和液晶模塊所需的背景照明。
為了實現(xiàn)上述目的，在本發(fā)明的第一個方面，提供了一種導(dǎo)光棒，它包括傳輸面以及與傳輸面相連的反射面和出射面，反射面帶有表面紋理和反射層且基面為平面或二次柱面，出射面為二次柱面，其中，傳輸面為圓柱面或旋轉(zhuǎn)正圓錐面，導(dǎo)光棒還包括偏轉(zhuǎn)面，偏轉(zhuǎn)面為二次柱面或旋轉(zhuǎn)錐面并與傳輸面相連，使得落至偏轉(zhuǎn)面上的光線被集中反射到反射面上。
上述本發(fā)明的導(dǎo)光棒還可以包括至少一個入射面、至少一個會聚面、尾端面和連接面，并為一用光學(xué)材料成型的實心光棒，其中，入射面為垂直于傳輸面之光軸的第一平面，用以與外界光源組件的出光面緊密連接；會聚面是旋轉(zhuǎn)曲面或旋轉(zhuǎn)錐面，其旋轉(zhuǎn)軸與傳輸面的光軸相同，并連接在入射面和傳輸面之間，用以將大于一定入射角的光有效地朝背離外界光源組件的方向傳播；傳輸面可以對光進(jìn)行無光通量損失的全反射傳輸；偏轉(zhuǎn)面是母線平行于傳輸面光軸的二次柱面或旋轉(zhuǎn)軸平行于傳輸面光軸的旋轉(zhuǎn)錐面，用以將光有效地偏轉(zhuǎn)到反射面；垂直于第一平面并包含傳輸面光軸的平面稱第二平面，反射面的基面為法線平行于第二平面的平面或母線平行于第二平面的二次柱面，用以將光有效地反射到出射面；出射面的母線平行于第二平面，用以將光有效地會聚射出；尾端面是涂有反射層且垂直于傳輸面光軸的平面，用以將抵達(dá)此面的光線重新反射回導(dǎo)光棒中去；連接面為平面或曲面，用以將偏轉(zhuǎn)面、反射面和出射面連接在傳輸面之上，并利用其全反射能力減小光通量損失。
上述本發(fā)明的導(dǎo)光棒也可以有二個入射面和二個會聚面，分別位于導(dǎo)光棒的二端，而尾端面則被取消。
在上述本發(fā)明導(dǎo)光棒垂直于傳輸面光軸的各截面中，偏轉(zhuǎn)面弧線對傳輸面光軸之截點所張的角度沿傳輸面光軸變化，在需要向反射面偏轉(zhuǎn)較多光線而向傳輸面?zhèn)鞑ポ^少光線的地方設(shè)置較大的張角，在需要向反射面偏轉(zhuǎn)較少光線而向傳輸面?zhèn)鞑ポ^多的地方設(shè)置較小的張角，通過改變傳輸面光軸不同位置處的張角，可以有效地調(diào)節(jié)各處的輸出光通量。
在上述本發(fā)明的導(dǎo)光棒中，反射面的表面紋理垂直于傳輸面光軸、不等距且為斜齒形，而其反射層呈不規(guī)則形狀，斜齒形向背離外界光源組件的方向傾斜，以有利于反射光向背離光源組件的方向傳播，在不需要反射面具有較佳漫反射性能的地方，設(shè)置較小的表面紋理密度和較小的反射層面積，而在需要反射面具有較佳的漫反射性能的地方，設(shè)置較大的表面紋理密度和較大的反射層面積，通過改變傳輸面光軸不同位置處的表面紋理密度和反射層面積，可有效地調(diào)節(jié)各處的輸出光通量。
在上述本發(fā)明的導(dǎo)光棒中，截取導(dǎo)光棒的一部分，重新確定被截取導(dǎo)光棒中反射面之反射層的面積，以獲得更短的導(dǎo)光棒。
在本發(fā)明的第二個方面，提供了一種線狀光源，它包括上述本發(fā)明的導(dǎo)光棒和至少位于導(dǎo)光棒一端的光源組件，光源組件的出光面構(gòu)成發(fā)光強(qiáng)度集中于其法線的點狀光源，出光面與導(dǎo)光棒的入射面隔著空氣或透明膠對中緊密連接。
在上述本發(fā)明的線狀光源中，光源組件可以使用一個或多個半導(dǎo)體發(fā)光器件作為其光源，用以發(fā)出所需波長的單色光。
在上述本發(fā)明的線狀光源中，光源組件可以使用白光光源作為其光源，并且光源組件還包括用于從白光產(chǎn)生單色光的分光裝置，以及用于將單色光傳導(dǎo)到導(dǎo)光棒之入射面的光纖。
在上述本發(fā)明的線狀光源中，光源組件可以使用非點狀光源作為其光源，并且光源組件還包括用于將非點狀光源變換成點狀光源的聚光裝置，以及將點狀光源的光傳導(dǎo)到導(dǎo)光棒之入射面的光纖。
本發(fā)明的導(dǎo)光棒，由于傳輸面為圓柱面或旋轉(zhuǎn)正圓錐面，而偏轉(zhuǎn)面、反射面和出射面通過連接面連接在傳輸面上，故具有體積小的特征，從而可使應(yīng)用該導(dǎo)光棒的圖像讀取裝置與液晶模塊進(jìn)一步小型化；由于采用旋轉(zhuǎn)曲面或旋轉(zhuǎn)錐面作會聚面、采用圓柱面或旋轉(zhuǎn)正圓錐面作傳輸面、采用二次柱面或旋轉(zhuǎn)錐面作偏轉(zhuǎn)面、采用帶有表面紋理和反射層的平面或二次柱面作反射面、采用二次柱面作出射面、采用涂有反射層的平面作尾端面，故具有光能利用率高和光均勻性好的特征，從而可降低電功耗、熱耗散和成本，并當(dāng)應(yīng)用于圖像讀取裝置和液晶模塊時，可提高圖像讀取質(zhì)量和液晶視覺質(zhì)量；由于反射面之反射層的面積可重新確定，故具有可截短以獲得更短的導(dǎo)光棒的特征，從而可以靈活應(yīng)用并避免導(dǎo)光棒重新開模支出。
本發(fā)明的線狀光源，由于采用本發(fā)明的導(dǎo)光棒，故可使用發(fā)光波長和發(fā)光強(qiáng)度能滿足應(yīng)用要求的任何點狀光源或經(jīng)變換后所得到的點狀光源作光源。并且，本發(fā)明的線狀光源可分時產(chǎn)生所需不同波長的單色光，當(dāng)應(yīng)用于圖像讀取裝置和液晶模塊時，有利于讀取圖像目標(biāo)關(guān)于不同波長的特征以及變換液晶的目視效果。由于尾端面為涂有反射層的平面，故可將二支分立的線狀光源在尾端面處進(jìn)行拼接，以獲得更長的線狀光源，從而可以靈活應(yīng)用并避免導(dǎo)光棒重新開模支出。
以下結(jié)合


本發(fā)明的較佳實施例，其中附圖包括圖1是現(xiàn)有技術(shù)中采用冷陰極管的線狀光源的平面示意圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)中采用LED陣列的線狀光源的平面示意圖；圖3是現(xiàn)有技術(shù)中采用LED陣列加柱面透鏡的線狀光源的截面示意圖；圖4是現(xiàn)有技術(shù)中采用柱面導(dǎo)光棒的線狀光源的立體示意圖；圖5A是現(xiàn)有技術(shù)中采用柱面導(dǎo)光棒加外殼的線狀光源的立體示意圖；圖5B是圖5A所示的線狀光源的截面示意圖；圖6是現(xiàn)有技術(shù)中采用由柱面與斜面相交構(gòu)成的導(dǎo)光棒的一種線狀光源的立體示意圖；圖7是現(xiàn)有技術(shù)中采用由柱面與斜面相交構(gòu)成的導(dǎo)光棒的一種線狀光源的平面示意圖；圖8A是現(xiàn)有技術(shù)中采用由柱面與斜面相交構(gòu)成的導(dǎo)光棒的一種線狀光源的平面示意圖；圖8B是圖8A所示的線狀光源的截面示意圖9A是現(xiàn)有技術(shù)中采用由柱面與斜面相交構(gòu)成的導(dǎo)光棒的一種線狀光源的平面示意圖；圖9B是圖9A所示的線狀光源的截面示意圖；圖10是本發(fā)明第一實施例的導(dǎo)光棒及使用該導(dǎo)光棒的線狀光源的立體示意圖；圖11是本發(fā)明線狀光源中會聚面采用旋轉(zhuǎn)正圓錐面的光線傳播示意圖；圖12是本發(fā)明線狀光源中傳輸面采用圓柱面的光線傳播示意圖；圖13A是本發(fā)明線狀光源中偏轉(zhuǎn)面采用旋轉(zhuǎn)正圓錐面的截面示意圖；圖13B是圖13A所示的偏轉(zhuǎn)面的設(shè)計示意圖；圖14A是本發(fā)明線狀光源中反射面采用圓柱面的平面示意圖；圖14B是圖14A所示的反射面的光線傳播示意圖；圖15是本發(fā)明線狀光源中出射面采用圓柱面的設(shè)計示意圖；圖16是本發(fā)明第二實施例的導(dǎo)光棒及使用該導(dǎo)光棒的線狀光源的立體示意圖；圖17是本發(fā)明第三實施例的導(dǎo)光棒及使用該導(dǎo)光棒的線狀光源的平面示意圖；圖18是本發(fā)明第四實施例的導(dǎo)光棒及使用該導(dǎo)光棒的線狀光源的平面示意圖。
圖10為本發(fā)明第一實施例的導(dǎo)光棒及使用該導(dǎo)光棒的線狀光源的立體示意圖。本發(fā)明的線狀光源7由本發(fā)明導(dǎo)光棒71和光源組件72組成。
導(dǎo)光棒71為一實心光棒，其用來成型的光學(xué)材料對光源組件72發(fā)出的光的波長，透明率越高越好、霧度越小越好、折射率越大越好；且該光棒的表面粗糙度越小越好。
圖10所示的導(dǎo)光棒71，z＝0～z1部分由入射面73和會聚面74構(gòu)成；z＝z1～z4部分由傳輸面75、偏轉(zhuǎn)面76、反射面77、出射面78、尾端面79和連接面710構(gòu)成；z＝0處為入射面73；z＝z2～z3為出射面78的均勻出光區(qū)域；z＝z4處為尾端面79。
圖10所示的入射面73，由垂直于z軸的平面構(gòu)成。將入射面73設(shè)置為平面的目的，是便于光源組件72的出光面與導(dǎo)光棒71的入射面73緊密連接。
圖10所示的會聚面74，由以z軸為旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)曲面(旋轉(zhuǎn)球面、旋轉(zhuǎn)橢球面、旋轉(zhuǎn)雙曲面、旋轉(zhuǎn)拋物面)或旋轉(zhuǎn)錐面(旋轉(zhuǎn)正圓錐面、旋轉(zhuǎn)橢圓錐面)構(gòu)成?？筛鶕?jù)光源組件72的發(fā)光強(qiáng)度分布，選取不同的旋轉(zhuǎn)曲面或旋轉(zhuǎn)錐面；為方便設(shè)計與加工，一般可采用簡單的旋轉(zhuǎn)正圓錐面。將會聚面74設(shè)置為旋轉(zhuǎn)曲面或旋轉(zhuǎn)錐面的目的，是將光源組件72發(fā)出的大于一定入射角的光有效地向尾端面79方向會聚，以提高光能利用率與光均勻性。圖11中，會聚面74為旋轉(zhuǎn)正圓錐面，對一定入射角的入射光，經(jīng)會聚面74無光通量損失的全反射后，成為平行于z軸的光，向尾端面79方向傳播。
圖10所示的傳輸面75，由以z軸為中心線的圓柱面或以z軸為旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)正圓錐面構(gòu)成，這里圓柱面的中心線和旋轉(zhuǎn)正圓錐面的旋轉(zhuǎn)軸可統(tǒng)稱為傳輸面的光軸。當(dāng)z4較小時，為方便設(shè)計與加工，一般可采用簡單的圓柱面；當(dāng)z4較大時，為有利于尾端面79方向的光通量收集，一般采用旋轉(zhuǎn)正圓錐面。將傳輸面75設(shè)置為圓柱面或旋轉(zhuǎn)正圓錐面的目的，是將光源組件72發(fā)出的光有效地進(jìn)行無光通量損失的全反射傳輸，以提高光能利用率與光均勻性。圖12中，傳輸面75為圓柱面，當(dāng)導(dǎo)光棒71所用光學(xué)材料的折射率大于一定值時，對入射角為0～90°的所有入射光均可以按無光通量損失的全反射方式進(jìn)行傳輸。
圖10所示的偏轉(zhuǎn)面76，由母線平行z軸的二次柱面(圓柱面、橢圓柱面、雙曲柱面、拋物柱面)或旋轉(zhuǎn)軸平行z軸的旋轉(zhuǎn)錐面(旋轉(zhuǎn)正圓錐面、旋轉(zhuǎn)橢圓錐面)構(gòu)成，它通過連接面710連接至傳輸面75。當(dāng)z4較小時，為方便設(shè)計與加工，一般可采用簡單的圓柱面；當(dāng)z4較大時，為方便設(shè)計與加工，并有利于尾端面79方向的光通量收集，一般可采用簡單的旋轉(zhuǎn)正圓錐面。將偏轉(zhuǎn)面76設(shè)置為二次柱面或旋轉(zhuǎn)錐面的目的，是將光源組件72發(fā)出的光有效地偏轉(zhuǎn)至反射面77，以提高光能利用率與光均勻性。如圖13A所示，偏轉(zhuǎn)面76設(shè)置在y≥0區(qū)間；在導(dǎo)光棒71垂直于z軸的各截面內(nèi)，偏轉(zhuǎn)面76的下邊沿為y＝0，上邊沿與各截面坐標(biāo)原點的連線與x軸所張銳角α隨坐標(biāo)z作非線性變化，角α大時，此處偏轉(zhuǎn)光線能力大、傳輸光線能力小，角α小時，此處偏轉(zhuǎn)光線能力小、傳輸光線能力大，故通過改變不同坐標(biāo)z的角α，即可有效地調(diào)節(jié)輸出光通量分布，從而獲得最佳光能利用率與光均勻性；對于x＞0區(qū)間與x＜0區(qū)間二分立的偏轉(zhuǎn)面76，相對y軸既可為對稱形式，也可為不對稱形式，但為方便設(shè)計與加工，一般可采用簡單的對稱形式。圖13B以旋轉(zhuǎn)正圓錐面的偏轉(zhuǎn)面76為例，闡述偏轉(zhuǎn)面76的一種簡化的設(shè)計方法。圖13B中，x＞0區(qū)間與x＜0區(qū)間內(nèi)的二偏轉(zhuǎn)面76為對稱形式，故偏轉(zhuǎn)面76所用旋轉(zhuǎn)正圓錐面的平行z軸的旋轉(zhuǎn)軸與y軸相交于點I；首先，在圖13B所示的導(dǎo)光棒71垂直于z軸且角α為最大的截面內(nèi)進(jìn)行初始設(shè)計；初始設(shè)計要求是使由該截面坐標(biāo)原點A發(fā)出的光線，如光線AB、光線AC、光線AD，均經(jīng)圓弧BD全反射后落至圓弧EG上，或先落在斜線GH上，再由斜線GH全反射落至圓弧EG上，最佳設(shè)計是直接落至圓弧EG上，并集中于點F附近；初始設(shè)計目的是求出圓弧BD的半徑及其圓心I的坐標(biāo)；其中，點C為圓弧BD的中點，斜線GH的設(shè)計要結(jié)合圓弧BD的設(shè)計一道進(jìn)行，以獲得有效的偏轉(zhuǎn)效果；一旦定下角α為最大時圓弧BD的初始設(shè)計參數(shù)，則可用與傳輸面75所用旋轉(zhuǎn)正圓錐面相同的錐度來定出偏轉(zhuǎn)面76所用旋轉(zhuǎn)正圓錐面的最終設(shè)計參數(shù)；最后，根據(jù)光源組件72的發(fā)光強(qiáng)度分布、導(dǎo)光棒71所用光學(xué)材料的透明率、霧度與折射率、導(dǎo)光棒71的尺寸與結(jié)構(gòu)，利用光線追跡計算機(jī)軟件來確定不同坐標(biāo)z的角α。若偏轉(zhuǎn)面76采用不對稱形式或其他二次柱面與旋轉(zhuǎn)錐面，其設(shè)計方法可參照前述。
圖10所示反射面77，由法線平行yoz平面的平面或母線平行yoz平面的二次柱面(圓柱面、橢圓柱面、雙曲柱面、拋物柱面)構(gòu)成，并以此平面或二次柱面為基面，設(shè)置有平行x軸、不等距且斜齒形的表面紋理771和呈不規(guī)則形狀的反射層772，該平面或二次柱面通過連接面710連接至傳輸面75。為方便設(shè)計與加工，并有利于出射面78收集光線，一般反射面77可采用母線平行z軸的圓柱面。使反射面77帶有表面紋理771和反射層772并將其基面設(shè)置為平面或二次柱面的目的，是將光源組件72發(fā)出的光有效地反射至出射面78，以提高光能利用率與光均勻性。圖14A中，在z＝z1端紋理密度與反射層面積最小，并朝z＝z4方向逐漸增大。紋理密度和反射層面積小時，此處漫反射光線能力小，反之則大，故通過改變不同坐標(biāo)z的紋理密度和反射層面積，即可有效地調(diào)節(jié)輸出光通量分布，從而獲得最佳光能利用率與光均勻性；確定不同坐標(biāo)z的紋理密度與反射層面積，可按前述確定不同坐標(biāo)z處角α的方法進(jìn)行。圖14B所示的表面紋理771的斜齒形，有利于反射光向尾端面79方向傳播。截取導(dǎo)光棒71的一部分，重新確定所截取的導(dǎo)光棒71的反射層772的面積，即可方便地獲得更短的導(dǎo)光棒。
圖10所示的出射面78，由母線平行yoz平面的二次柱面(圓柱面、橢圓柱面、雙曲柱面、拋物柱面)構(gòu)成，它通過連接面710連接至傳輸面75。為方便設(shè)計與加工，一般可采用簡單的圓柱面。將出射面78設(shè)置為二次柱面的目的，是將光源組件72發(fā)出的光有效地會聚射出，以提高光能利用率與光均勻性。圖15中，出射面78為圓柱面，其中心線平行z軸，與y軸相交于點L；設(shè)計圓弧NP時，物點為點K，像點R宜落在照明區(qū)域點Q以外，以保證光均勻性；斜線MN的設(shè)計要結(jié)合圓弧NP的設(shè)計一道進(jìn)行，以充分利用斜線MN的全反射，更多地收集出射光。
圖10所示的尾端面79，由涂有反射層并垂直于z軸的平面構(gòu)成。將尾端面79設(shè)置為涂有反射層的平面的目的，是將抵達(dá)尾端面79的光線重新反射回導(dǎo)光棒71中去，以提高光能利用率與光均勻性；也便于將二支分立的線狀光源7在尾端面79處進(jìn)行拼接，以獲得更長的線狀光源。
圖10所示的導(dǎo)光棒71，為減小光通量損失，對于入射面73、會聚面74、傳輸面75、偏轉(zhuǎn)面76、反射面77、出射面78、尾端面79和連接面710，各面在相互連接處應(yīng)以光滑的弧面過渡。連接面710既可為平面，也可為曲面，但為方便設(shè)計與加工，一般可采用簡單的平面。
圖10所示的光源組件72可以使用發(fā)光波長和發(fā)光強(qiáng)度能滿足應(yīng)用要求的任何點狀光源；平行xoy平面的出光面的中心越接近坐標(biāo)原點o越好；出光面的最大尺寸較導(dǎo)光棒71在z＝z1處垂直于z軸的截面最大尺寸越小越好；發(fā)光強(qiáng)度分布越集中于z軸越好。光源組件72的出光面與導(dǎo)光棒71的入射面73的連接方式為隔著空氣二者盡量靠近；隔著透明膠二者盡量靠近，該透明膠對由光源組件72發(fā)出的光的波長，透明率越高越好、霧度越小越好、折射率越接近導(dǎo)光棒71所用光學(xué)材料的折射率越好，以減小界面反射光通量的損失。當(dāng)把發(fā)光波長不同的半導(dǎo)體發(fā)光器件(如LED、LD等)組合起來一道作為點狀光源時，通過電氣控制半導(dǎo)體發(fā)光器件的通斷，即可方便地分時發(fā)出所需不同波長的單色光；當(dāng)采用白光光源時，可在白光光源出光處加一分光裝置，在分光裝置出光處接一光纖以將光傳導(dǎo)至入射面73，通過控制分光裝置，即可方便地分時產(chǎn)生所需不同波長的單色光，此時，白光光源、分光裝置、光纖共同組成光源組件72。當(dāng)采用各類會聚裝置對所用光源發(fā)出的光進(jìn)行會聚，并用光纖將光傳導(dǎo)至入射面73時，所用光源、會聚裝置與光纖共同組成光源組件72。
以下，在上述對本發(fā)明第一實施例的描述基礎(chǔ)上作進(jìn)一步的闡述。
導(dǎo)光棒71所用光學(xué)材料，對由光源組件72發(fā)出的光的波長，厚度為10mm時的透明率大于85％；厚度為10mm、偏角大于2.5°時的霧度小于3％；折射率大于1.414。它可為光學(xué)玻璃、丙烯酸樹脂、聚碳酸酯樹脂、CR-39樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯等光學(xué)材料。導(dǎo)光棒71的表面粗糙度Ra小于0.012μm。
用于A4規(guī)格圖像讀取裝置時，導(dǎo)光棒71總長z4為224mm、z2為4mm、z4-z3為4mm，于是出射面78的均勻出光長度z3-z2為216mm。
為方便設(shè)計與加工，會聚面74采用簡單的以z軸為旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)正圓錐面，在z＝0處垂直于z軸的截面直徑為2.5mm、在z＝z1處垂直于z軸的截面直徑為5mm。
為有利于尾端面79方向的光通量收集，傳輸面75采用以z軸為旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)正圓錐面，在z＝z1處垂直于z軸的截面直徑為5mm、在z＝z4處垂直于z軸的截面直徑為3mm。
為方便設(shè)計與加工，并有利于尾端面79方向的光通量收集，偏轉(zhuǎn)面76采用簡單的旋轉(zhuǎn)軸平行z軸的旋轉(zhuǎn)正圓錐面，且為對稱形式。在z＝z1端，角α最小，并朝z＝z4方向逐漸增大，角α隨坐標(biāo)z作非線性變化，用如下方程來描述α＝ab2-c，其中，α單位為°，z單位為mm，z取值范圍為z1-z4，a、b、c為大于0的系數(shù)。
為方便設(shè)計與加工，并有利于出射面78收集光線，反射面77采用母線平行z軸的圓柱面，并以此圓柱面為基面，設(shè)置平行x軸、不等距且斜齒形的表面紋理771和呈不規(guī)則形狀的反射層772。如圖14A、圖14B所示，在z＝z1端，表面紋理77 1的斜齒距d最大，并朝z＝z4方向逐漸減小，斜齒距d隨坐標(biāo)z作非線性變化，用如下方程來描述d＝-en+f，其中，d單位為mm，n為1、2、3…，在z＝z1端n為1，在z＝z4端n為最大，e、f為大于0的系數(shù)。表面紋理771在導(dǎo)光棒71成型時形成。在z＝z1端，反射層772的面積最小，并朝z＝z4方向逐漸增大，其形狀從間隙大的細(xì)短線段變?yōu)殚g隙小的粗長線段再變?yōu)閷挾仍絹碓綄挼囊粭l實線。反射層772是通過絲網(wǎng)印刷方法將一種涂料涂覆在表面紋理771上而形成的，所述涂料對發(fā)光組件72發(fā)出的光的波長具有高反射率與良好漫反射性能，諸如丙烯系樹脂加二氧化鈦或粉狀硫酸鋇、白色紫外油墨等，為方便設(shè)計與加工，出射面78采用簡單的中心線平行z軸的圓柱面。
尾端面79為一垂直于z軸的平面，在其表面涂有前述對發(fā)光組件72發(fā)出的光的波長具有高反射率與良好漫反射性能的涂料。
采用主波長分別為470nm、525nm、640nm的三個LED管芯，按品字形緊湊、居中排列在直徑小于2.5mm的光源組件72的圓形出光面內(nèi)，該出光面與入射面73隔著透明膠盡量靠近地進(jìn)行連接，二者間隙小于0.2mm。該出光面的中心點法線與z軸重合，它在與z軸所夾平面孔徑角為45°的立體角范圍內(nèi)發(fā)出的光通量，占在2π立體角半球空間內(nèi)發(fā)出的全部光通量的50％以上。
圖16為本發(fā)明第二實施例的導(dǎo)光棒及使用該導(dǎo)光棒的線狀光源的立體示意圖?，F(xiàn)就與圖10所示的第一實施例的不同之處闡述如下用于A8規(guī)格圖像讀取裝置時，導(dǎo)光棒71總長z1為65mm、z2為4mm、z4-z3為5mm，于是出射面78的均勻出光長度z3-z2為56mm。
會聚面74，在z＝0處垂直于z軸的截面直徑為2mm，在z＝z1處垂直于z軸的截面直徑為3mm。
為方便設(shè)計與加工，傳輸面75采用簡單的以z軸為中心線的圓柱面，在z＝z1、z4處垂直于z軸的截面直徑均為3mm。
為方便設(shè)計與加工，偏轉(zhuǎn)面76采用簡單的母線平行z軸的圓柱面。
采用主波長為525nm的一個LED管芯，將其居中置于直徑小于2mm的光源組件72的圓形出光面內(nèi)，該出光面與入射面73隔著空氣盡量靠近地進(jìn)行連接，二者間隙小于0.1mm。
圖17為本發(fā)明第三實施例的導(dǎo)光棒及使用該導(dǎo)光棒的線狀光源的平面示意圖?，F(xiàn)就與圖10所示的第一實施例和圖16所示的第二實施例的不同之處闡述如下采用非半導(dǎo)體發(fā)光器件的電光源721，如亮度高、壽命長的金屬鹵化物燈等，利用呈球面或非球面(旋轉(zhuǎn)橢球面、旋轉(zhuǎn)雙曲面、旋轉(zhuǎn)拋物面、菲涅爾透鏡)的聚光鏡722以及呈旋轉(zhuǎn)曲面(旋轉(zhuǎn)球面、旋轉(zhuǎn)橢球面、旋轉(zhuǎn)雙曲面、旋轉(zhuǎn)拋物面)的反光鏡723進(jìn)行聚光，以提高光能利用率，再用光纖724將光傳導(dǎo)至入射面73，光纖724出光面與入射面73隔著透明膠725盡量靠近地進(jìn)行連接，二者間隙小于0.2mm。此時，電光源721、聚光鏡722、反光鏡723、光纖724、透明膠725共同組成光源組件72。
圖18為本發(fā)明第四實施例的導(dǎo)光棒及使用該導(dǎo)光棒的線狀光源的平面示意圖。它與圖10所示的第一實施例、圖16所示的第二實例、圖17所示的第三實施例的不同之處在于該線狀光源7在導(dǎo)光棒71二端各設(shè)置一個光源組件72，它可視為由二支圖10、圖16或圖17所述線狀光源(或其組合)沿z軸在未涂反射層的尾端面對中連接而成。
盡管以上描述了本發(fā)明的具體實施例，但這些實施例僅是說明性的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員不脫離本發(fā)明的范圍可以進(jìn)行各種變化和改變，這些變化和改變都落在所附權(quán)利要求書要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種導(dǎo)光棒，它包括傳輸面，以及與所述傳輸面相連的反射面和出射面，所述反射面帶有表面紋理和反射層且基面為平面或二次柱面，所述出射面為二次柱面，其特征在于，所述傳輸面為圓柱面或旋轉(zhuǎn)正圓錐面，所述導(dǎo)光棒還包括偏轉(zhuǎn)面，所述偏轉(zhuǎn)面為二次柱面或旋轉(zhuǎn)錐面并與所述傳輸面相連，使得落至所述偏轉(zhuǎn)面上的光線被集中反射到所述反射面上。
2.如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)光棒，其特征在于，所述導(dǎo)光棒還包括至少一個入射面、至少一個會聚面、尾端面和連接面，并為一用光學(xué)材料成型的實心光棒，其中，所述入射面為垂直于所述傳輸面之光軸的第一平面，用以與外界光源組件的出光面緊密連接；所述會聚面是旋轉(zhuǎn)曲面或旋轉(zhuǎn)錐面，其旋轉(zhuǎn)軸與所述傳輸面的光軸相同，并連接在所述入射面和所述傳輸面之間，用以將大于一定入射角的光有效地朝背離所述外界光源組件的方向傳播；所述傳輸面可以對光進(jìn)行無光通量損失的全反射傳輸；所述偏轉(zhuǎn)面是母線平行于所述傳輸面光軸的二次柱面或旋轉(zhuǎn)軸平行于所述傳輸面光軸的旋轉(zhuǎn)錐面，用以將光有效地偏轉(zhuǎn)到所述反射面；垂直于所述第一平面并包含所述傳輸面光軸的平面稱第二平面，所述反射面的基面為法線平行于所述第二平面的平面或母線平行于所述第二平面的二次柱面，用以將光有效地反射到所述出射面；所述出射面的母線平行于所述第二平面，用以將光有效地會聚射出；所述尾端面是涂有反射層且垂直于所述傳輸面光軸的平面，用以將抵達(dá)此面的光線重新反射回所述導(dǎo)光棒中去；所述連接面為平面或曲面，用以將所述偏轉(zhuǎn)面、所述反射面和所述出射面連接在所述傳輸面之上，并利用其全反射能力減小光通量損失。
3.如權(quán)利要求2所述的導(dǎo)光棒，其特征在于，所述導(dǎo)光棒有二個所述入射面和二個所述會聚面，分別位于所述導(dǎo)光棒的二端，所述尾端面被取消。
4.如權(quán)利要求1-3中任何一項所述的導(dǎo)光棒，其特征在于，在所述導(dǎo)光棒垂直于所述傳輸面光軸的各截面中，所述偏轉(zhuǎn)面弧線對所述傳輸面光軸之截點所張的角度沿所述傳輸面光軸變化，在需要向所述反射面偏轉(zhuǎn)較多光線而向所述傳輸面?zhèn)鞑ポ^少光線的地方設(shè)置較大的張角，在需要向所述反射面偏轉(zhuǎn)較少光線而向所述傳輸面?zhèn)鞑ポ^多的地方設(shè)置較小的張角，通過改變所述傳輸面光軸不同位置處的所述張角，可以有效地調(diào)節(jié)各處的輸出光通量。
5.如權(quán)利要求1-3中任何一項所述的導(dǎo)光棒，其特征在于，所述反射面的所述表面紋理垂直于所述傳輸面光軸、不等距且為斜齒形，而其所述反射層呈不規(guī)則形狀，所述斜齒形向背離所述外界光源組件的方向傾斜，以有利于反射光向背離所述光源組件的方向傳播，在不需要所述反射面具有較佳漫反射性能的地方，設(shè)置較小的表面紋理密度和較小的反射層面積，而在需要所述反射面具有較佳漫反射性能的地方，設(shè)置較大的表面紋理密度和較大的反射層面積，通過改變所述傳輸面光軸不同位置處的表面紋理密度和反射層面積，可有效地調(diào)節(jié)各處的輸出光通量。
6.如權(quán)利要求1-3中任何一項所述的導(dǎo)光棒，其特征在于，截取所述導(dǎo)光棒的一部分，重新確定被截取導(dǎo)光棒中所述反射面之反射層的面積，以獲得更短的導(dǎo)光棒。
7.一種線狀光源，它包括導(dǎo)光棒和至少位于所述導(dǎo)光棒一端的光源組件，其特征在于，使用如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)光棒，并且所述光源組件的出光面構(gòu)成發(fā)光強(qiáng)度集中于其法線的點狀光源，所述出光面與所述導(dǎo)光棒的入射面隔著空氣或透明膠對中緊密連接。
8.如權(quán)利要求7所述的線狀光源，其特征在于，所述光源組件使用一個或多個半導(dǎo)體發(fā)光器件作為其光源，用以發(fā)出所需波長的單色光。
9.如權(quán)利要求7所述的線狀光源，其特征在于，所述光源組件使用白光光源作為其光源，并且所述光源組件還包括用于從所述白光產(chǎn)生單色光的分光裝置，以及用于將所述單色光傳導(dǎo)到所述導(dǎo)光棒之所述入射面的光纖。
10.如權(quán)利要求7所述的線狀光源，其特征在于，所述光源組件使用非點狀光源作為其光源，并且所述光源組件還包括用于將非點狀光源變換成點狀光源的聚光裝置，以及將所述點狀光源的光傳導(dǎo)到所述導(dǎo)光棒之所述入射面的光纖。
全文摘要
一種導(dǎo)光棒,它采用圓柱面或旋轉(zhuǎn)正圓錐面作傳輸面,并在此傳輸面上連接有為二次柱面或旋轉(zhuǎn)錐面的偏轉(zhuǎn)面、帶有表面紋理和反射層且基面為平面或二次柱面的反射面以及為二次柱面的出射面,具有體積小、光能利用率高、光均勻性好和可裁短以獲得更短的導(dǎo)光棒的優(yōu)點。一種線狀光源,它由上述導(dǎo)光棒和光源組件組成,除上述導(dǎo)光棒帶來的優(yōu)點外,還具有易分時產(chǎn)生所需不同波長的單色光、可拼長以獲得更長的線狀光源以及成本低的優(yōu)點。
文檔編號G03G13/00GK1266205SQ9910394
公開日2000年9月13日 申請日期1999年3月8日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月8日
發(fā)明者曾信夫, 吳榮曜 申請人:百利電子影像有限公司, 景傳光電股份有限公司