JP2005086391A - 照明系ならびにそれを用いた画像読取装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高効率な照明系を実現。
【解決手段】 光源からの照射光束のうち、所望の照射領域の近傍へ到達してしまい有効に使用されない光束について、照射面到達前に再び反射部材で拡散反射部へと導き、その光束照射により拡散反射部の輝度を上昇させ、そこからの光束を所望の照射領域への照明に再使用するという構成。
【選択図】 図１

Description

本発明は、より高効率な照明を得るために全ての産業分野、例えば、原稿を照明することで画像情報を読み取る装置用の照明系や、液晶などのバックライト用の照明系、インテリアなどの照明系、などのうち、照明手段の一部に拡散反射部を有するものに好適な照明技術に関するものである。

従来の照明系は、効率の良い照明を実現するために、光源と照明領域の間に集光用の部材を配置するのが一般的に良く知られている技術であり、効率を上げるために、様々な集光部材の形状が提案されてきている。例えば、特開平４−２７３６５７などは、その一例である。また、原稿を直接照明する以外に、光源の背面に反射部材を配して、背後から光束を再利用してやる技術も従来から知られてきている。例えば、特開平１−３０５７６６に従来例として紹介されている図４などは、その一例である。これらの技術は、有効であり、一般的に広く実施させてきている。

しかるに、さらにこれ以上の光束を所望の照射領域に集光しようとすると、照射面上への集光部材の配置方法と配置空間には限界があり、また集光部材を光源から所望の照射領域までの空間近傍に配置し、読取位置に集光させすぎると、読取位置近傍の照射領域からの照り返し光により、一部の製品、例えば画像読取装置などでは安定した照明特性が得られないという問題があった。その一方で、高効率に集光させても、所望の照射領域の近傍には、実際には使用に寄与しない、多くの光束が到達しているという問題点もあり、これらを所望の照射領域に直接導くことは、非常に困難であった。

本発明は、光源から発した光束のうち、所望の被照明領域以外、例えば照明領域の近傍に到達して無駄になってしまうこれらの光束を、被照射領域に、直接到達させるのではなく、照射領域近傍に到達する手前の空間で、再び拡散反射特性を有する部材（これは光源自身であっても良い）へと戻してやり、そこで形成される二次光源部の輝度を実質的に上昇させることで、拡散光の一部を再使用し、所望領域への照明効率を上げてやるものである。

本発明によれば、照明系のより所望の照明領域近傍に到達する光束を再び照明系へと戻してやり、照明する拡散輝度を実質的に上昇させ、照明効率を上げてやることで、照明に使用する電力を相対的に低下させ、省エネルギーに効果があるばかりか、この照明系を搭載する装置の仕様、例えば、画像読取装置であれば読取スピード、液晶バックライトであれば、画面の明るさなどについて、よりハイスペックな商品提供が可能となる。

本発明の実施の形態は、被照射領域を照明可能な拡散反射部材に向けて、光源の外部に配置された反射部材により、被照明領域近傍に向けて射出した際に有効には使用できない光束を再び拡散反射面上に戻してやることで、拡散反射面上に有効に使用されない光束による輝度面を新たに形成することにより実施される。

図１は本発明の基本原理を第一実施形を用いて説明するためのものであり、画像読取装置に応用した系を使用して、請求項１、２、３、９、１０についての内容を説明するためのものである。

図１は、原稿面２を照明し、その反射光を結像手段７で一次元イメージセンサー８上に投影し、原稿を８の読取方向と垂直に走査（図中では左右方向）されることで読取を行う装置の断面図である。図１に示した光源１は、ライン状の照明を行うのに適した管状光源で、管内には輝度面３１が、管壁の一部には光束が射出してくる４５°から１００°程度の開口部４が形成され、一般的に開口タイプの蛍光灯やＸｅ管と呼ばれる放電管を示したものである。この場合、有限な大きさの輝度面３１を有する光源１の開口部４からは、輝度面３１と開口部４とを結ぶあらゆる方向に光束が射出しているが、それらの光束のうち、実際に読み取りに使用される光束は、結像手段７が見ている原稿面２上の読取部Ｅ１と光束が射出する開口部４とで形成されるに斜線部の空間Ｓ１内部の光束のみであり、それ以外の部分に向かった光束群（代表的なものを破線で示している）は、図１の系においては所望の被照射領域であるＥ１以外の部分、例えばその近傍のＥ２、Ｅ３を照明しているため、有効に使用されることはない。そこで本発明においては、これら所望の被照射領域Ｅ１近傍に到達する光束のうち、有効に利用されない光束の一部を、反射部材５１を用いることで、開口部４を通じて光源１の管壁内の拡散反射面すなわち発光輝度面に再び戻してやることで、光源１の内部の拡散反射面３１の輝度を上昇させ、上昇した輝度からの拡散反射光束を再使用することで、所望の被照射領域Ｅ１の照明効率を高めてやっている。このように光源１そのものに拡散反射特性を有する場合には、光源１そのものに戻してやればよい。この場合の反射部材５１は、光源に近接させて配置された拡散反射板であり、光源の使用波長の全拡散反射率がほぼ１００％近く得られるような、白色拡散板を使用している。拡散反射板５１は、光源に近接している程、採用効果が高い。また、反射部材５１の背面には、原稿面２の不必要な部分Ｅ２やＥ３を照明した光が、拡散反射部材５１の背面で拡散反射して再び原稿面２に戻らないように、黒い色をした枠体で形成されている遮光部材６が機能面の背面側に設けられている。別の言い方をすれば、黒い枠体で出来た遮光部材６の光源１の開口４近傍に拡散反射部材５１が形成されていると考えても良い。原稿面２の不必要な部分Ｅ２やＥ３を照明した光が、再び、原稿面２を照らすと、原稿の情報に応じて、照明状況が変動するために好ましくないのである。一方、拡散反射板５１が光源内の輝度面３１を再照明することによる輝度の上昇量は、設置領域により変化するものであるが、１０％〜３０％上昇というレベルであるため、本来Ｅ１を照射可能な光束を３０％以上遮蔽してしまうと、照明効率アップの効果が薄らいできて、先に述べた遮光部材６による照り返し防止の効果のみとなってしまう。

図２は、第二実施形を説明するためのものであり、請求項１、２、４、５、９、１０を適用した照明系を表している。この実施形では図１の拡散反射板５１の替わりに、鏡面の反射部材５２を採用しているものである。この鏡面反射部材５２の形状は、開口部４と被照射面２上の読取位置Ｅ１とからなる有効な光束で形成される空間Ｓ１をほぼ外すように、開口部４の開口中心Ｐ１を略中心にもつシリンドリカルな円弧状をなしている。即ち、鏡面反射部材５２が、Ｐ１を焦点として、光束の射出部自身を共役な関係で結びつけている。なお、有限の大きさを有する開口部４に対して、その略中心点Ｐ１を代表点にとることが、効率上では最も望ましい。開口中心Ｐ１から見て、同心円状に鏡面反射部材５２を配することで、開口部４から射出した光束のうち、Ｐ１を通過する光束は、再びＰ１を通過して輝度面３１に戻ることが可能となるため、照射面である原稿面２上の所望の被照射領域Ｅ１に到達しない光束群を最も効率よく光源１内の拡散反射面である輝度面３１に戻してやることが可能となるのである。これにより、光源内部の輝度は上昇し、Ｅ１の照度は上昇し、拡散二次光源からの射出光束は増加する。すなわち、光源の光束射出部と２次光源の光束射出部の関係を、共役関係に結びつけることで、高効率な照明系が成り立っているのである。また、この際も、反射部材５２の背面には、原稿面２の不必要な部分Ｅ２やＥ３を照明した光が、鏡面反射部材５２で鏡面反射して再び原稿面２に戻らないように、遮光部材６が機能面の背面側に設けられている。また効率の上昇を目的とする場合には、鏡面反射板５２のＳ１に対する遮蔽量は本来Ｅ１を照射可能な光束を３０％未満に設定することが望ましい。

図３は、第三実施形を説明するためのものであり、請求項１、２、４、５、９、１０を適用した請求項１１の画像読取装置を表している。光源１単独ではなく、被照射面２の所望の照射領域Ｅ１の照度を上げるために、被照射面２のＥ１近傍に向かわない光束を、鏡面反射板９により偏向させることにより、より高効率な系を提供したものである。この場合、所望の照明領域である読取位置Ｅ１に直接到達する有効な照明光束は、斜線部のＳ１、Ｓ２の領域を形成する光束であり、その近傍の光束は、そのままでは、Ｅ１に到達することができない。たとえば、破線で示した光束は、鏡面反射板９により、原稿面２上のＥ２に到達し、有効には利用されることがない。そこで本発明では、鏡面反射板９により、形成される光源１の虚像１´の開口４の虚像４´の中心Ｐ１´と光源１の開口４の中心Ｐ１とを、共役関係に結びつけるように、Ｐ１並びにＰ１´とを焦点にもつ楕円状のシリンドリカル反射部材５３を、Ｓ２の光束の遮蔽量が３０％未満になるように設置して、Ｐ１を発してＥ２に到達してしまう破線で示した光束が、鏡面反射板９を反射した後、反射部材５３を経て、再び光源１の輝度面３１に到達し、輝度面３１で再び拡散反射をして２次光源を形成し、Ｅ１に到達する光束を作り出すことが可能となるのである。この際、原稿面２から照り返してくる光を、再び原稿面に戻さないように、反射部材５３の背面、すなわち原稿面２側には、遮光部材６が形成されている。また効率の上昇を目的とする場合には、鏡面反射板５３のＳ１に対する遮蔽量は本来Ｅ１を照射可能な光束を３０％未満に設定することが望ましい。また、反射部材５３と９とは、一体で成形して、遮光部材６に保持させるような構成をとっても構わない。

図４は、第四実施形を説明するためのものであり、請求項１、２、４、５、９、１０を適用した請求項１１の画像読取装置を表している。光源をデュアルに対向配置させた照明系に、本発明を適用したケースである。所望の照明領域Ｅ１に到達する光束が形成する空間Ｓ１の領域の外側に、２つの光源１の開口部４の中心Ｐ１を互いに焦点に持つ楕円形状をした鏡面反射部材５４が設けられ、互いの射出部を共役な関係に結び付けている。これにより、開口部から発し、所望の照明領域Ｅ１に到達しない光束、たとえば、反射部材５４などが配置されていなかった場合に、原稿面２上のＥ２に到達するような破線で示した光束は、反射部材５４で反射して、対向した光源の開口を通じ、輝度面に到達し、相手側の輝度面に２次光源を形成することで、再びＥ１に到達する光束を発生させることが可能となる。この際にも、原稿面２から照り返した光が、鏡面反射部材５４の背面で鏡面反射して再び原稿面２に戻らないように、遮光部材６が機能面の背面側に設けられ、光源１と一体化して保持されている。また効率の上昇を目的とする場合には、鏡面反射板５４のＳ１に対する遮蔽量は本来Ｅ１を照射可能な光束を３０％未満に設定することが望ましい。

なお、これまでに説明した鏡面を用いた反射曲面５２、５３、５４あるいは、その多段折り曲げによる近似面は、アルミの板を加圧成形してもよいし、所定の表面形状を予め加工しておき、その表面に１００％近い反射率を有する薄い反射テープを貼りつけてもよい。また、形状誤差の敏感度を軽減させるために多少の拡散特性をもたせておいても構わない。

次に本発明に適用可能な別の反射部材として再帰反射部材について説明する。再帰反射部材とは、入射光束と同じ方向に光束を射出することが可能な反射部材のことである。

図５は、請求項６および７に関わる素材の説明図である。この再帰反射部材は、表層にマイクロビーズ状のレンズ１４を敷き詰めたシートであり、入射した光束は、ビーズ１４の内部を反射して外に出て行くため、拡散光源から発した光束を再び拡散光源へと戻す作用を持たせることが可能になる。

図６は、請求項６および８に関わる素材の説明図である。この再帰反射部材は、表層に微細なコーナーキューブ１４すなわち、立体的に見ると３面が直交するような反射面群を敷き詰めたシートである。この９０°で互いに直交しあう反射面１４により、入射した光束は、入射してきた方向に射出していくため、拡散光源から発した光束を再び拡散光源へと戻す作用を持たせることが可能になる。

これらの再帰反射部材は、特に新規なものではなく夜間にヘッドライトによる視認性を上げるために、交通標識などに使用される部材として、広く世の中に知れ渡っている。このような再帰反射部材は、１００％近い全拡散反射率を有しながら、反射後の指向性を失う拡散部材や、１００％近い鏡面反射率を有しながら、光源からの指向性と製作精度に敏感な鏡面反射部材と異なり、光源の指向性に拠らず、一定量の光束を光源に戻すことが可能である。そのため、被照明領域や光源などから離れている場合には特に有効であり、光を受けることができる場所であれば、どこでも本発明の効果を得ることが可能である。また曲面などの立体的な形状配置のための空間を確保できない場合にも有効であり、平面状に形成するだけで、製造上の位置決め精度についても極めてゆるいという特性をもっている。この特性を利用すれば、所望の被照明領域外に設置しておくだけで、本発明の実施形態を実現し、照明効率を上げることが可能となる。すなわち照明系のユニットの外部に配置して、照明系の効率を容易に上げてやることが可能である。これらの部材のうち、光源の特性を損なわないような分光特性、例えば、白色光源などを使用した際にはグレーなどの部材を、赤や緑などの特色光源を使用した際には、光源の発光スペクトル領域をほぼカバーするような分光反射特性の部材を採用することが望ましい。

図７は、請求項１、２、５、６、７または８、９、１０ならびにそれらを利用した請求項１１の画像読取装置の応用例を短手方向の断面を用いて説明するためのものである。図７における画像読取装置は、以下の２つの読取モードをもつ。一つの読取モードは光源１で照明された原稿台ガラス１０の表面を原稿が搬送され、等倍結像素子７により、イメージセンサー８が原稿情報を原稿読み取る流し読みモードであり、もう一つの読取モードは原稿２´を原稿台ガラス１０´上に載置して、その下を照明光源１と等倍結像素子７とイメージセンサー８が一体となって走査し、原稿２´の情報を読み取る原稿固定読みモードである。このような製品形態の画像読取装置において、流し読み用の原稿台ガラス１０の下面に、原稿からの照り返し光に対する遮光措置６を裏面に施した再帰反射部材５５を所望の照射領域Ｅ１すなわち読取位置を囲うように接着させたものである。これにより、流し読みモードにおける、高効率な照明系を実現可能であり、効率が上昇した分を、光源の固定発光に伴う昇温防止に回したり、あるいは高速な読み取りを達成してやることが可能である。また、流し読みモードの場合は、本体との間で、相対的な位置関係のずれが発生するが、再帰反射部材は、平面状に設置されているために、位置ずれについても、鈍感である。すなわち、通常の照明系を設計した後に、その漏れ光が存在する部分に、裏面を遮光処理して貼り付けるだけで、所定の効果を得ることが可能でなのである。

例えば、図７の場合であれば、等倍結像素子７の側面もしくは側面を保持する部材の表面に再帰反射部材５６を設置することも可能である。この場合、原稿面２からの照り返し光に対しては、ほぼ入射角度が９０°近傍になるため、遮光措置は不要となるか、必要な場合でも若干の遮光用のフード６１を設置してやるだけでよい。図８は、図７を光源１の長手方向が図の左右方向になるように眺めた図であり、本発明が部分的に所望の輝度を向上させる効果を説明するためのものである。この場合、原稿台ガラス１０の下面の画像読取領域外もしくは原稿台ガラス１０上面の、原稿載置基準の指標１１の下面に再帰反射部材５７を設けてやることで、原稿面の長手方向の所望の照明領域外、即ち指標１１と原稿との境界の外側に到達した破線で示した光束は、再び、光源１に再帰反射し、その結果として光源１の端部の輝度が重点的に改善されることになり、有限長の光源１によるライン照明の端部光量落ち現象緩和に役立つ。

このように、光源１の長さが有限であるために発生する端部光量落ちを従来は、側面反射部材９２で補ってやる方法がとられてきたが、原稿２を保持し走査するために設けられた隙間から抜けてしまう二点鎖線で示した光束についても、再帰反射部材５７は有効である。特に、原稿台ガラス１０の上面に取り付けられる指標１１の裏面に予め再帰反射部材５７を接着した後、原稿台ガラス１０に指標１１をとりつけるのが、もっとも無駄がない。

これまでは、光源自身の輝度面が、拡散二次光源となりうる系について説明してきたが、拡散二次光源が光源の外部に設けられた系についても適用可能である。

図８ならびに図９は、請求項２の限定を外した請求項１を説明するための図である。図８は透明な導光体であるライトガイド１２の端部にＬＥＤのような点光源１を配置して、ライトガイド１２の内部の別の端面に拡散二次光源となりうる拡散部３２を、光源１とは別に設け、そこで拡散した実線の光束を、楕円反射面９を使用することで、所望の照明領域Ｅ１を照らすことの出来る導光体タイプの照明系の短手方向の図である、図９は図８を長手方向から眺めた図である。図８においてライトガイド１２の壁面の一部に、拡散二次光源３２を共役関係に結びつけるシリンドリカル面５２を形成し、有効に収束させることが困難な、端面には再帰反射部材５７を設けている。図９において、ライトガイド１２の長手方向端部より入射した光源１の光束は拡散反射輝度面３２で反射した後、シリンドリカル面５２で、反射を繰り返しながら、長手方向に全反射を繰り返して、進んでいく。このとき、ライトガイドの両側から光束を入射させると、ライトガイドの中央部は、光束の減衰に伴い、輝度が低下することがある。その際に、再帰反射部材５７を、長手方向に不均一に取り付け、部分的にその周辺の拡散反射部材３２の輝度を改善させることが可能となる。すなわち拡散反射面３２から出た破線の光束は再帰反射部材５７に入射した後、再び拡散反射部材に戻ってくるため部分的に輝度の効率を高める効果を得られ、ライトガイドにおいて、発生しやすい照度ムラを補正する適用可能となる。

これまでの説明は、反射画像読取装置に適用する系で説明してきたが、本発明は透過原稿読取装置に適用することも可能である。

図１０は、請求項２の限定を外した請求項１の場合において、反射原稿ではなく、フィルムのような透過原稿を読み取るための装置に適用した系であり、一部反射部材５９については、側面図に二点鎖線で対応させて、光源側から眺めた図を、示したものである。複数個のＬＥＤ光源１で拡散板３３を照明することで、まず、拡散板３３上に均質な拡散二次光源を形成し、透過原稿２２を背面から照明し、読取レンズ７を使用して、読取センサー８上に結像させ、透過原稿２２を読取系に対して相対的に移動させることで、透過原稿読取装置を形成している。この拡散板３３と透過原稿２２の間に、所望の照明領域Ｅ１への光束を遮光しないように、光源側から眺めた際にスリット状の再帰反射部材５９を取り付け、Ｅ１に到達しない破線で示した光束を、拡散二次光源を形成している拡散板３３に再び戻してやることで、拡散二次光源の輝度を上昇させ、照明効率を高めているのである。

なお、これまでの説明における各反射部材の組合せ等については、自由に変更できることはいうまでもない。また、上記説明は特にその採用が有効である画像読取装置に適用した例について説明してきたが、本発明は、これに留まることなく、拡散照明とその拡散照明による所望の被照射領域を有し、拡散照明の輝度を上昇させ、照明効率を上げてやることが有効である製品全てに応用可能であることはいうまでもない。

本発明の第一実施形の説明図 本発明の第二実施形の説明図 本発明の第三実施形の説明図 本発明の第四実施形の説明図 再帰反射部材の説明図 再帰反射部材の説明図 本発明の第五実施形の短手方向の説明図 本発明の第五実施形の長手方向の説明図 本発明の第六実施形の短手方向の説明図 本発明の第六実施形の長手方向の説明図 本発明の第七実施形の説明図

符号の説明

１ 光源
２ 原稿面
４ 開口部
７ 結像手段
８ イメージセンサー
９ 鏡面反射板
１０ 原稿台ガラス
１１ 指標
１２ ライトガイド
１３ マイクロビーズレンズ
１４ コーナーキューブ
３１、３２、３３ 拡散面
５１、５２、５３〜５９ 反射部材
６１、６２ 遮光部材

Claims (11)

1. 所望の照射領域を照明するために複数の要素からなる照明系において、該照明系は、少なくとも、
   光源と、
   光源からの光束が入射した際に拡散反射することで、拡散反射光の一部の光束が所望の照射領域を照明するための２次光源となり得る照明部と、
   光源からの光束のうち所望の照射領域に到達する光束を概ね遮蔽しないような位置に配置された光源とは別体の反射部材と、
   からなり、該反射部材の一部は該拡散反射照明部が発する光束のうち該所望の照射領域に到達しない光束の一部を、再び拡散反射２次光源部へ戻すような特性を有することを特徴とする照明系。
2. 請求項１において、該光源とは面発光する輝度面を有する光源であり、
   光束が入射した際の拡散反射２次光源とは、該光源の該輝度面そのものである、
   ことを特徴とする照明系。
3. 請求項１または２において、
   拡散反射２次光源部へ非到達光束を戻すような特性を有する一部の反射部材とは、
   ２次光源部に近接して対向配置された拡散反射部材であることを特徴とする照明系。
4. 請求項１または２において、
   拡散反射２次光源部へ非到達光束を戻すような特性を有する一部の反射部材とは、
   光源の光束射出部と２次光源の光束射出部の関係を、共役関係に結びつけ、光源からの光束を再び光源へと反射させる部材であることを特徴とする照明系。
5. 請求項４において、
   光源とは、開口内部に発光輝度面が形成された開口部を有する光源であり、
   光束射出部とはこの開口部の略中心であることを特徴とする照明系。
6. 請求項１または２において、
   拡散反射２次光源部へ非到達光束を戻すような特性を有する一部の反射部材とは、
   再帰反射特性を有する部材であることを特徴とする照明系。
7. 請求項６において、再帰反射特性を有する部材とは、
   表層にマイクロビーズの敷き詰められたシートであることを特徴とする照明系。
8. 請求項６において、再帰反射特性を有する部材とは、
   表層にコーナーキューブの敷き詰められたシートであることを特徴とする照明系。
9. 請求項１または２において、
   拡散反射２次光源部へ非到達光束を反射させるような特性を有する一部の反射部材の反射面は、所望の照射領域から照り返して戻ってくる照射光束を再び所望の照射領域に戻さないよう、被照射領域に対して反射機能面は背面をむけ、該背面と被照射部の間には、被照射面からの照明光を再び被照射部に戻さないような遮光措置がほどこされていることを特徴とする照明系。
10. 請求項１において、
    光源からの光束のうち所望の照射領域に到達する光束を概ね遮蔽しないような位置とは、遮蔽することによる直接到達光束の減少量で３０％未満であるような位置であることを特徴とする照明系。
11. 請求項１乃至１０記載の照明系を使用したことを特徴とする画像読取装置。
    

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