JP2005079495A - 照明装置およびそれを備えた画像取り込み装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の光源を用いて、むらのないライン状の照明を得る。
【解決手段】 照明装置１００は、直線上に離散的に配列された複数の点状光源からなる点状光源アレイ１と、点状光源と同数のレンズを有するレンズアレイ３と、拡散板１１と、集光レンズ４とを有する。レンズアレイ３を射出した各光束は所定の条件式を満足する広がり角を持つ。この広がりによって、各光束が境界部で重ね合わされ、強度の谷間が補正される。拡散板１１により個々の光束のばらつきが低減され、滑らかに重ねあわされる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば写真フィルム等の画像を読み取るために照明光を照射し、その照明画像を撮像素子で電気信号に変換して取り込む画像取り込み装置に関するものである。またその照明装置に関するものである。

写真フィルム等の原稿に照明光を照射し、その照明画像を撮像光学系と撮像素子によって読み取り、照明画像の光学像を電気信号に変換するスキャナ装置がある。このような装置に用いられる光源として従来は冷陰極線管が用いられてきた。ところが、近年は環境問題の観点から水銀の使用を減らす傾向にあり、光源として陰極線管以外のものを用いる必要が生じている。

陰極線管にかわる光源の一つとして発光ダイオード（以下、ＬＥＤと称す）がある。ＬＥＤを光源とする照明装置の例として、複数個のＬＥＤからの光束をそれぞれコリメータレンズにより平行光とし、それらの平行光束を並列に並べることでライン状の照明光を得る照明装置がある。以下の特許文献には、上記照明装置を用いたフィルムスキャナが開示されている。

特開２０００−１１４６０３号公報

特開２０００−１１１８２６号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載の照明装置は、ＬＥＤからの光を平行光としてライン状の照明光束を得ているため、ＬＥＤの配光分布やＬＥＤとコリメータレンズとの組付け誤差等により、隣り合う光束が理想的な形で重なりあうことはない。その結果、これらの光束が隣り合う部分で、光量の落ち込みが生じ照明むらが発生する。

本発明は、上記問題点に鑑み、照明むらの少ない画像取り込み装置用の照明装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の発明の照明装置は、ライン状の照明光を被照明面に形成する照明装置であって、直線上に離散的に配列された複数の点状光源からなる点状光源アレイと、点状光源からの光を集光するために点状光源と同数のレンズ要素を有し、レンズ要素が間隔を空けることなく点状光源の配列方向と平行に配列されたレンズアレイと、レンズアレイ射出後の光束を拡散させる拡散板とを有し、以下の条件式を満足する；
０＜θ＜ｔａｎ^−１（Ｄ/１０Ｌ）
ただし、
θ：レンズアレイ射出後の光線の広がり角、
Ｄ：レンズ要素の配列方向の寸法、
Ｌ：レンズアレイ射出面から被照明面までの距離、
である。

第２の発明の照明装置では、第１の発明の照明装置に関し、前記点状光源は蛍光体が励起されて白色光を放射する発光ダイオードであり、前記レンズアレイの入射面は平面で構成され、該入射面上に黄色の波長帯域の光を選択的に反射する反射膜が形成されている。

第３の発明の照明装置では、第１の発明の照明装置に関し、前記点状光源アレイは、蛍光体が励起されて白色光を放射する発光ダイオードが配列された第１の光源アレイと、赤外光を放射する発光ダイオードが配列された第２の光源アレイであり、第１の光源アレイからの光を透過させ第２の光源アレイからの光を反射させることで同一光軸上に合成して前記レンズアレイに導く合成ミラーを有し、合成ミラーの、第２の光源アレイ側の面に赤外光を選択的に反射する赤外反射膜が、第１の光源アレイ側の面に黄色の波長帯域の光を選択的に反射する反射膜が形成されている。

第４の発明の照明装置では、第１乃至第３の発明の照明装置のいずれかに関し、前記レンズアレイと前記被照明面との間に、さらに集光レンズを有する。

第５の発明は、画像読み取り装置であって、第１の発明の照明装置と、該照明装置によって照明された原稿の光学画像を形成する撮像光学系と、撮像光学系により形成された光学画像を電気信号に変換する撮像素子とを備える。

請求項１の発明では、複数の光源を用いることで充分な照明光量が得られる上に、光源の配光分布の差異やレンズ要素の境界による影響で強度分布に谷間ができたとしても、複数の光束が隣り合う領域で光束が重なり合い、さらに拡散板の効果により、その谷間が補正される。その結果、むらのない照明光束が得られる。

請求項２の発明では、色再現性を低下させる黄色の波長域の光を照明光から選択的に除去できるため、読み取り画像の色再現性が向上する。また、入射角特性の影響の少ない光学面に反射膜を設けているため、膜設計や膜の作製が容易である。さらに独立したフィルタ部材が必要でないため、コスト削減にも有効である。

請求項３の発明では、白色光と赤外光とが同一光軸上に合成されるため、二つの光源共にむらのない照明が得られ、また同じ照明状態が得られる。また、黄色の波長帯域の光を選択的に反射する反射膜により、読み取り画像の色再現性が向上する。さらに、独立したフィルタ部材が必要でないため、コスト削減にも有効である。

請求項４の発明では、光源からの光が撮像光学系に無駄なく伝達され、また、原稿に光を集光させる作用を有するので、照明光を有効に利用できる。

請求項５の発明では、照明光にむらがないため、強度むらのない高画質な画像が得られる。

以下、本発明の実施形態において、図面を参照しながら説明する。なお、以下に示す実施形態の相互において、同一の部分や相当する部分には、同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。

図３は、本発明に係る一実施形態である、画像取り込み装置の主要部構成例を模式的に示すブロック図である。図３において、１は白色ＬＥＤアレイ、２は赤外ＬＥＤアレイ、１００は照明装置、９０は照明制御部、５は原稿、８、９は光路折り返しミラー、５０は原稿ホルダー、５５はホルダー駆動部、６は撮像光学系、７は撮像素子、７０は画像処理部、６０は制御部、８０は入出力部である。この画像取り込み装置２００は、画像形成装置（カラー又はモノクロのデジタル複写機、ファクシミリ等）の画像入力部、単体の画像入力機器（イメージリーダ、イメージスキャナ、フィルムスキャナ等）に相当するものである。

そして、原稿５の２次元画像を取り込むために、照明装置１００は原稿面５上にライン状の光を照射する。２次元画像の取り込みのために、原稿５を保持する原稿ホルダー５５は、原稿面と平行でライン光束の長手方向と垂直な方向に移動し（図３の矢印３０の方向）、照明光の原稿５に対する相対的な走査が行われる。なお、この走査は原稿が移動するのではなく、照明装置１００、撮像光学系６および撮像素子７とが、原稿５に対して相対的に移動することで行われてもよい。

照明装置１００は、光源として、白色ＬＥＤアレイ１と赤外ＬＥＤアレイ２を有している。白色ＬＥＤアレイ１は原稿５の像を撮像するために白色光を発光し、赤外ＬＥＤアレイ２は原稿５上の傷やゴミ等を検知するために赤外光を発光する。原稿５の画像を撮像する前に、画像取り込み装置２００は、赤外光によって原稿を走査し、原稿５上の傷やゴミ、埃の画像を得る。この傷、ゴミ等が検知された画像に基づいて、原稿５から読み取った白色光による画像データに対し修正を加え、高品質の画像データを得ることができる。なお、照明装置１００の詳しい構成については、後述する。

照明装置１００によってライン状に照明された原稿５の光学像は、撮像光学系６によって、撮像素子７の撮像面上に形成される。撮像素子７は、原稿５の光学像を電気信号に変換する素子(ラインセンサ）であり、直線上に配列された複数の素子からなるＣＣＤ(Charge Coupled device）が用いられている。ＣＣＤ以外にもＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサ等の固体撮層素子が用いられてもよい。２次元のイメージセンサと比較して、ラインセンサを使用することで安価に高解像度の画像信号を得ることができる。

撮像素子７で電気信号に変換された画像信号は、画像処理部７０で必要に応じたアナログ画像処理、デジタル画像処理、画像圧縮処理等が施される。そして、デジタル映像信号として、図示しないメモリ（半導体メモリ、光ディスク等）に記録されたり、あるいは入出力部８０を介してプリンタ等の画像出力機器や、パーソナルコンピュータ等に伝送されたりする。

制御部６０は、照明制御部９０を介してＬＥＤ１、２の発光の切り替えや、ホルダー駆動部５５を介して原稿ホルダー５０の移動を制御する。また、画像処理部７０や入出力部８０の制御を行う。

次に、照明装置１００の構成について図１、図２および図３を用いて説明する。図３の左右方向を水平方向とし、上下方向を鉛直方向とするとき、図１は照明装置１００、撮像光学系６、および撮像素子７を含む水平断面の光路図であり、図２は照明装置１００の縦断面の光路図である。なお、図１、図2においては折り曲げミラー８、９による光路の折り曲げは省略している。

照明装置１００は、白色ＬＥＤアレイ１、赤外ＬＥＤアレイ２、合成ミラー１０、レンズアレイ３、集光レンズ４、拡散板１１とを有している。それぞれのLEDアレイ１、２は、発光点（略点光源）が直線状に離散的に配列されており、その配列方向（長手方向）は撮像素子７（ラインセンサ）の配列方向と光学的に平行である。長手方向は図１においては紙面に平行な上下方向、図２においては紙面に垂直な方向である。なお、LEDアレイは点状光源１ａ（又は２ａ）が離散的に配列されたものであってもよく、また個々のパーケージングされたLEDが配列されたものであってもよい。

個々の点状光源１ａ（又は２ａ）から発せられた発散光束は、それぞれ、レンズアレイ３により、集光されて発散度合いが変換される。レンズアレイ３は光源の光放射方向に配置され、個々の点状光源１ａに対して１つのレンズ要素３ａが対応している。すなわち、光源１ａの数とレンズアレイ３のレンズ要素３ａの数は同じである。レンズ要素３ａは、平凸レンズであり平面側を光源側に向けて、長手方向に間隔を空けることなく並列に一体的に配置されている。

ここで、レンズアレイ３と光源光束の発散角度について説明する。図６は本実施形態に対応する、レンズアレイ射出後の光束を示す図であり、図７は、従来例に対応する、レンズアレイ射出後の光束を示す図である。

図７に示される場合（例えば特許文献１の場合）は、レンズアレイ３によって、個々の光源から発せられた光束は、集光されて、それぞれ平行光に変換される。完全な平行光束が並列に並べられる場合には、レンズ要素間のつなぎ目や光源の配光分布の差異によって、隣り合う光束の境界で光量が低下する場合がある。

本実施形態の場合には、個々の光源から発せられた光束はレンズアレイ３により集光されて、それぞれ所定の広がり角を持つように変換される。これらの光束が重なりあい、境界部での強度の落ち込みが軽減される。本実施形態では、レンズアレイ３射出後の光路中に拡散板１１が配置されている。拡散板１１は、各光束を滑らかに重ねあわせる作用を持つ。拡散板がない場合には、個々の光源の配光分布や強度、あるいはレンズ要素の光軸や焦点距離がばらつくと、個々の光束の強度分布や強度が変化することになり、その結果、光束を重ね合わせたとしても実用的な強度分布を得ることが困難となる。拡散板を使用することで個々の光源の配光分布や強度、レンズ要素のばらつき等を吸収することができ、質の高い照明光束が得られる。

レンズアレイ３射出後の光束の広がり角θは、レンズ要素３ａの最も長手方向の最外周に入射する光線の広がり角で定義され、以下の条件式（１）を満足することが望ましく、条件式（２）を満足することがさらに望ましい。
０＜θ＜ｔａｎ^‐1(Ｄ/１０Ｌ） （１）
０．０５°＜θ＜ｔａｎ^‐1(Ｄ/１０Ｌ）（２）
ただし、Ｄはレンズ要素の長手方向の寸法であり、Ｌはレンズ要素の射出面から被照明面（原稿５）までの距離である。条件式（１）、（２）の上限値を越えると、光束が隣り合う領域での強度が強くなりすぎ、逆に強度むらが発生してしまう。条件式（１）の下限値を下回ると光束の境界で強度の谷間が発生し、拡散板１１の拡散作用では補正できない照明むらが起こる。条件式（２）の下限値を満足すれば、強い拡散特性を有する拡散板を使用しないでよいため、光の利用効率が低下しない。

条件式（１）を満足する広がり角θを持った光束を並べることで、個々の光束が重なり合い、その境界面での強度の落ち込みが軽減される。その結果、合成された光束断面内での強度むらが軽減される。なお、広がり角θの値はＬＥＤの配光分布、レンズ要素３ａの入射側開口数等によりさらに最適な値に決められる。

また、本実施形態では、レンズアレイ３と拡散板１１との間に集光レンズ４が配置されている。集光レンズ４はレンズアレイ３から射出された光束を撮像光学系６の瞳に集光する役割を持っている。これにより光源からの光が撮像光学系に無駄なく伝達される。また、原稿に光を集光させる作用を有するので、照明光量のアップにつながり、延いては画像信号のＳ/Ｎ比の向上に寄与する。

なお、本実施例では拡散板を集光レンズ４の後に配置しているが、この場所に限定される必要はなく、レンズアレイ３から原稿５までの任意の位置に配置すればよい。

図８に、本実施形態の照明光束の長手方向における断面強度分布を示す。図８において、横軸は長手方向の位置座標、縦軸は被照明面（原稿面５）での光強度である。実線が本実施形態における照明光束の強度分布を示しており、破線は、光源からの光をレンズアレイ３により平行光にした場合の強度分布である。被照明面での光量むらが大きく低減していることがわかる。なお、このシミュレーションにおいて、レンズ要素３ａの数は４であり、その長手方向の寸法Ｄは１２ｍｍである。レンズアレイ３の射出面から被照明面（原稿５）までの距離Ｌは４０ｍｍであり、広がり角θは１°に設定している。また、拡散板４は、光線の入射方向を中心にガウシアン分布の強度分布で拡散するものとしている。ガウシアン分布の標準偏差は１°（半角）である。

次に、白色ＬＥＤアレイ１と赤外ＬＥＤアレイ２との合成部について説明する。光源１とレンズアレイ３との間には、可視光透過材料による平板状の合成ミラー１０が、レンズアレイ３の光軸に対して略４５°の傾きを持って配置されている。光源１、２は、その長手方向が、レンズアレイの長手方向と光学的に平行となるよう配置されている。合成ミラー１０のレンズアレイ３側の面には赤外光を反射する赤外反射膜１０ａが設けられている。白色ＬＥＤアレイ１からの光束は合成ミラー１０を透過し、赤外ＬＥＤアレイ２からの光束は赤外反射膜１０ａで反射されて、同一光軸上で合成される。これにより、原稿５上では、白色ＬＥＤアレイ１と赤外ＬＥＤアレイ２の光に対して、波長以外に略同一なむらのない照明状態が得られる。なお、ＬＥＤ１、ＬＥＤ２、合成ミラー１０の配置は図１、図２に限らずそれぞれのＬＥＤからの光束が同一光軸上で合成される配置であればよい。

合成ミラー１０の白色ＬＥＤアレイ１側の面には、黄色の波長帯域の光を反射する色調補正膜１０ｂが設けられている。この膜は、誘電体材料による多層膜を蒸着等の方法で積層させることで得られる。以下に色調補正膜１０ｂの役割について説明する。

本実施形態で用いられている白色ＬＥＤは、青色ＬＥＤチップと蛍光体との組み合わせにより、青色ＬＥＤからの光で蛍光体が励起されて白色光を放射する。また赤外ＬＥＤは８５０ｎｍ付近に発光ピークを有する近赤外光を放射する。撮像素子７は、Ｒ（赤)受光部、Ｇ(緑)受光部、Ｂ(青)受光部の３部分の受光領域を有し、それぞれ赤色、緑色、青色の光に対して感度を有している。図４は、白色ＬＥＤ１ａの放射光の波長分布と撮像素子の分光感度曲線を表している。横軸は波長（ｎｍ単位）であり縦軸はＣＣＤ相対感度およびＬＥＤ相対輝度である。RED、GREEN、BLUEで示される曲線が、撮像素子の分光感度曲線（それぞれ、赤、緑、青に対応）であり、LEDで示される曲線が白色ＬＥＤ１ａの放射光の波長分布である。図４に示されるように、白色ＬＥＤは青色と黄色に発光ピークを有しており、黄色の波長帯域はＲ受光部とＧ受光部との感度の境目に位置している。光源がこのような発光分布を持つことは色再現性を低下させることになる。

そこで、黄色の波長帯域（５８５ｎｍを中心とする波長帯域）のみを取り除く色調補正膜１０ｂを合成ミラー１０に設けることで、色再現性の良い画像が得られる。図５に色調補正膜１０ｂの分光透過率と、画像取り込み装置２００の分光感度特性を示す。横軸は波長（ｎｍ単位）であり縦軸は画像取り込み装置の感度および色調補正膜の透過率である。RED、GREEN、BLUEで示される曲線が、画像取り込み装置２００の分光感度特性である。なお、画像取り込み装置２００の分光感度特性は、光源の分光特性と色調補正膜１０ｂの分光透過率と撮像素子の分光感度を掛け合わせたものである。図５に示されるように、ＧとＲの境界は明確に分離されており、充分な色再現性が得られていることがわかる。

なお、色調補正膜（黄色反射膜）は、合成ミラー１０に限らず、例えばレンズアレイ３の平面側（入射面側）に設けてもよく、あるいは集光レンズ４に設けてもよい。色調補正膜をレンズアレイ３の平面側に設けると、光軸の入射角が０°となって補正膜に対する入射角の広がりが小さくなり、より急峻な特性の実現が可能となり、また膜設計や膜の作製が容易になる。色調補正膜を合成ミラーや他の光学素子面（レンズアレイ、集光レンズ）に設けることにより、色調補正フィルタを別部材とする場合と比較して面間反射等による光のロスが小さくなり、また部材数を削減できるためにコストダウンを図ることができる。

以上説明した画像読み取り装置は、透過型の原稿を読み取るものであるが、図９に示すように反射型の画像読み取り装置にも適用できる。反射型の画像読み取り装置は、原稿５で反射された光を撮像光学系６が撮像素子７に結像することで画像信号を得る。光路折り返しミラー９、撮像光学系６および撮像素子７の配置を除き、図１で示す画像取り込み装置と機能的に差はないため、説明は省略する。

また、光源としてLEDを用いているが、これに限らずレーザーダイオードやエレクトロルミネッセンス素子等の他の点状光源であってもよい。

本実施形態の、照明装置、撮像光学系、および撮像素子を含む水平断面の光路図である。 本実施形態の照明装置の縦断面の光路図である。 本実施形態の、画像取り込み装置の主要部構成例を模式的に示すブロック図である。 白色ＬＥＤの放射光の波長分布と撮像素子の分光感度曲線を示す図である。 色調補正膜の分光透過率と、画像取り込み装置の分光特性を示す図である。 本実施形態に対応する、レンズアレイ射出後の光束を示す図である。 従来例に対応する、レンズアレイ射出後の光束を示す図である。 本実施形態の照明光束の長手方向における断面強度分布を示す図である。 反射型の画像取り込み装置の一実施形態を模式的に示す図である。

符号の説明

１ 白色LEDアレイ
２ 赤外LEDアレイ
３ レンズアレイ
４ 集光レンズ
５ 原稿
６ 撮像光学系
７ 撮像素子
１０ 合成ミラー
１０ａ 赤外反射膜
１０ｂ 色調補正膜
５０ 原稿ホルダー
５５ ホルダー駆動部
６０ 制御部
７０ 画像処理部
８０ 入出力部
９０ 照明制御部
１００ 照明装置
２００ 画像取り込み装置

Claims (5)

1. ライン状の照明光を被照明面に形成する照明装置であって、
   直線上に離散的に配列された複数の点状光源からなる点状光源アレイと、
   点状光源からの光を集光するために点状光源と同数のレンズ要素を有し、レンズ要素が間隔を空けることなく点状光源の配列方向と平行に配列されたレンズアレイと、
   レンズアレイ射出後の光束を拡散させる拡散板とを有し、
   以下の条件式を満足することを特徴とする照明装置；
   ０＜θ＜ｔａｎ^−１（Ｄ/１０Ｌ）
   ただし、
   θ：レンズアレイ射出後の光線の広がり角、
   Ｄ：レンズ要素の配列方向の寸法、
   Ｌ：レンズアレイ射出面から被照明面までの距離、
   である。
2. 前記点状光源は蛍光体が励起されて白色光を放射する発光ダイオードであり、前記レンズアレイの入射面は平面で構成され、該入射面上に黄色の波長帯域の光を選択的に反射する反射膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記点状光源アレイは、
   蛍光体が励起されて白色光を放射する発光ダイオードが配列された第１の光源アレイと、
   赤外光を放射する発光ダイオードが配列された第２の光源アレイであり、
   第１の光源アレイからの光を透過させ第２の光源アレイからの光を反射させることで同一光軸上に合成して前記レンズアレイに導く合成ミラーを有し、
   合成ミラーの、第２の光源アレイ側の面に赤外光を選択的に反射する赤外反射膜が、第１の光源アレイ側の面に黄色の波長帯域の光を選択的に反射する反射膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
4. 前記レンズアレイと前記被照明面との間に、さらに集光レンズを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の照明装置。
5. 請求項１に記載の照明装置と、該照明装置によって照明された原稿の光学画像を形成する撮像光学系と、撮像光学系により形成された光学画像を電気信号に変換する撮像素子とを備えたことを特徴とする画像読み取り装置。
   

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