JP2009031423A - 原稿読取用光源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、光利用効率が良好で原稿画像に対して照度が高く且つ照度分布が良好な光を照射することが可能な原稿画像読取光源を低コストで提供することにある。
【解決手段】線状光源2を放熱体10に取り付け、線状光源2の上方に棒状レンズ3を取り付けた。線状光源2と棒状レンズ3が取り付けられた放熱体10と棒状レンズの前方に配置された直線帯板状のリフレクタ11が収容されたキャリッジ12をコンタクトガラス13の下方に線状光源2の長手方向に垂直な方向に移動可能に支持するようにした。レンズ3は長手方向に垂直な面の断面が、レンズ3の光源2に対向する側の面4は光源2側に膨らんだ湾曲線4aとなっており、光源2に対向する側と反対側の面5は、LED1の光軸Xを含む面を挟んだ両側に夫々光源2と反対側に膨らんだ、連続する複数の異なる曲率半径の曲線からなる複合曲線となっている。
【選択図】図4

Description

本発明は原稿読取用光源装置に関するものであり、詳しくは、スキャナー等の原稿読み取り装置の光源として使用する原稿読取用光源装置に関する。
従来、例えば縮小光学系および密着式光学系スキャナー等における原稿の読み取りは、原稿画像上に所定の幅を有する線状光を走査照射し、その反射光または透過光をミラーやレンズで構成された光路を通して線状固体撮像素子(ラインCCD)に結像させ、線状固体撮像素子(ラインCCD)から出力された信号を処理することによって原稿画像を読み取るものである。
そのなかで、光源から出射した光が原稿画像上に照射されるまでの照射光学系として、従来、図7に示すような構成のものが提案されている。
それは、キャリッジ50内にハロゲンランプ等の線状光源51と該線状光源51の近傍に配置されたリフレクタ52を収容し、光源51からの直接光と光源51から出射してリフレクタ52で反射された反射光を集光させてコンタクトガラス53を透過して原稿画像54上に照射し、原稿画像54で反射されてコンタクトガラス53を透過した光を同様にキャリッジ50内に収容されたミラー55を介してラインCCDに至る光路に導入するものである(例えば、特許文献1参照。)。
上記構成の原稿画像読取方法は、原稿画像上に照射される線状光の光量変動20%以内に収まる幅をラインCCDの結像領域の幅の1.5倍以上とし、光学的稼動部(キャリッジ)の取り付け精度の誤差や稼動(走査)時の振動等による照射位置の位置ずれが生じても原稿画像上のラインCCDの結像領域内における光量変動を抑えることができる、というものである。
特開平11−27458号公報
ところで、上述の原稿画像読取方法では、光源51から発せられた光は直接コンタクトガラス53を透過して原稿画像54上に至る第1の光路と、リフレクタ52で反射されて反射光がコンタクトガラス53を透過して原稿画像54上に至る第2の光路との2つの光路に分離される。
このとき、光源51に広指向性を有するハロゲンランプを使用し、且つ光源51の近傍にリフレクタ52を配置して集光効果を図っているが、第1の光路を辿って原稿画像54上に至る光の光量に対して、第2の光路を辿って原稿画像54上に至る光の光量は少ない。
従って、原稿画像54上に照射される線状光の幅方向の稼動方向(副走査方向)の照度分布が不均一となり、原稿画像54の読み取りにむらが生じる。
また、広指向性の光源は原稿画像54の読み取りに寄与しない光(光損失)が多く、光源光の利用効率が良くない。そのため、ハロゲンランプと比較して極めて全光束の少ないLED光源によってハロゲンランプと同等の照射光量を得ようとすると、非常に多くのLED光源を必要とする。
このような問題を解決するために、コンタクトガラスの下方に2本のハロゲンランプを平行に並設し、コンタクトガラスの上方の原稿画像に両ハロゲンランプからの対称光を照射することによって照射光の照度分布を良好なものにしようとしたものがある。
この場合は、光学的に良好な照度分布は得られるが光源に2本のハロゲンランプを使用するために材料費が嵩み、製造コストを上昇させる要因となる。
そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、光利用効率が良好で原稿画像に対して照度が高く且つ照度分布が良好な光を照射することが可能な原稿画像読取光源を低コストで提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の請求項1に記載された発明は、原稿面に照射した光の前記原稿面からの反射光を受光することによって原稿を読み取る原稿読み取り装置に使用される原稿読取用光源装置であって、前記原稿読取用光源装置は線状光源と、該線状光源に平行に並設された、複数の第1の焦点を含む直線状の第1の線状焦点群を通る複数の光軸を含む第1の光軸面および複数の第2の焦点を含む直線状の第2の線状焦点群を通る複数の光軸を含む第2の光軸面を有する棒状レンズと、前記棒状レンズの前記線状光源と反対側に前記棒状レンズと平行に且つ前記棒状レンズの前記第2の光軸面と交差する位置に並設された直線状リフレクタを具備し、前記直線状リフレクタで反射された前記第2の光軸面と前記第1の光軸面が交差する位置の近傍に前記第1の線状焦点群と前記第2の線状焦点群が位置することを特徴とするものである。
また、本発明の請求項2に記載された発明は、請求項1において、前記第1の光軸面と前記直線状リフレクタで反射された前記第2の光軸面が交差する角度は、80°〜100°の範囲内であることを特徴とするものである。
また、本発明の請求項3に記載された発明は、請求項1または2のいずれか1項において、前記第1の線状焦点群と前記第2の線状焦点群の位置する距離は、2mm〜5mmの範囲内であることを特徴とするものである。
また、本発明の請求項4に記載された発明は、請求項1〜3のいずれか1項において、前記棒状レンズを該棒状レンズの長手方向に垂直な面で切断したときの、前記線状光源に対向する側と反対側の面の断面形状が、前記棒状レンズを通る前記線状光源の第3の光軸を挟んだ両側に夫々前記線状光源と反対側に膨らんだ、連続する複数の異なる曲率半径の曲線からなる複合曲線であり、前記複合曲線同士の繋ぎ部分は前記第3の光軸に平行な直線であることを特徴とするものである。
また、本発明の請求項5に記載された発明は、請求項1〜4のいずれか1項において、前記第1の光軸面と前記直線状リフレクタで反射される前の前記第2の光軸面のなす角は40°であることを特徴とするものである。
また、本発明の請求項6に記載された発明は、請求項1〜5のいずれか1項において、前記線状光源は、複数の白色LEDを直線状に配列してなることを特徴とするものである。
また、本発明の請求項7に記載された発明は、請求項1〜6のいずれか1項において、前記原稿読取用光源装置は、前記棒状レンズの前記第1の光軸面および前記直線状リフレクタで反射された前記第2の光軸面が共に、前記原稿面の垂直面に対して40°〜50°の角度を保って前記原稿読み取り装置に前記線状光源の長手方向に垂直な方向に移動可能に取り付けられることを特徴とするものである。
本発明は、本発明は線状光源から放出された光を導光する棒状レンズの光出射面の断面形状を、線状光源の光軸Xを含む面を挟んだ両側に夫々光源と反対側に膨らんだ、連続する複数の異なる曲率半径の曲線からなる複合曲線とした。
その結果、原稿面上の焦点領域における照度分布が均一なものとなった。
また、光軸Xを含む面を挟んだ両側の複合曲線同士の繋ぎ部分をLEDの光軸Xを含む面に平行な直線とした。
その結果、レンズ内における導光損失が少なくて光の利用効率が高く、原稿面への照射光量が多い原稿読取用光源装置となった。
また、レンズの2つの光軸の互いになす角を40°とし、原稿読み取り装置に取り付けるにあたって原稿面の垂線と一方の光軸のなす角を45°とした。
その結果、原稿面で反射された反射光を検知するラインCCDにおいて、読取光に対するノイズ光の検知量が少なく、S/N比の高い原稿読取用光源装置が実現できた。
更に、上記効果は棒状レンズの形状を最適化することによって実現されたものであり、低コストの方法により実現したものである。
以下、この発明の好適な実施形態例を図1〜図6を参照しながら、詳細に説明する(同一部分については同じ符号を付す)。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。
本発明の画像読取用光源装置は、複数のLEDを直線状に配置した線状光源を備えている。個々のLEDはその放出光が光の三原色を構成する赤色光、緑色光、および青色光の波長成分を含むスペクトルを有する白色LEDである。
白色LEDの具体的な構成は、青色光を発光する青色LED素子(チップ)を発光源とする場合、青色LED素子と、青色光に励起されて赤色光に波長変換する赤色蛍光物質と、同様に青色光に励起されて緑色光に波長変換する緑色蛍光物質で構成される。
これにより、青色LED素子から出射された青色光が赤色蛍光物質および緑色蛍光物質を励起することによって波長変換された赤色光および緑色光と、青色LED素子から出射された青色光との加法混色によって白色光を得ることができる。
また、紫外光を発光する紫外LED素子(チップ)を発光源とする場合、紫外LED素子と、紫外光に励起されて赤色光に波長変換する赤色蛍光物質と、同様に紫外光に励起されて緑色光に波長変換する緑色蛍光物質と、同様に紫外光に励起されて青色光に波長変換する青色蛍光物質とで構成される。
これにより、紫外LED素子から出射された紫外光が赤色蛍光物質、緑色蛍光物質および青色蛍光物質を励起することによって波長変換された赤色光、緑色光および青色光の加法混色によって白色光を得ることができる。
また、赤色光を発光する赤色LED素子(チップ)と、緑色光を発光する緑色LED素子(チップ)と青色光を発光する青色LED素子の組み合わせを発光源とする場合、蛍光物質は不用となる。
これにより、赤色LED素子、緑色LED素子および青色LED素子の夫々から出射した赤色光、緑色光および青色光の加法混色によって白色光を得ることができる。
さらに、青色光を発光する青色LED素子(チップ)を発光源とし、青色光に励起されて黄色光に波長変換する黄色蛍光物質とにより形成される白色LEDを用いてもよい。この場合でも、白色光に赤色光、緑色光の波長成分を有するものであるため、使用することが可能である。
上記いずれの構成の白色LED1も、レンズ等の集光手段を設けない場合の指向半値角は一般的に約120°となる(図1参照)。
そして、図2の断面図に示すように、LED線状光源(以下、光源と略称する)2を構成する個々のLED1の光軸X(以下、光軸Xと略称する)上に棒状レンズ(以下、レンズと略称する)3が該光源2に平行に並設されている。レンズ3は、レンズ3を該レンズ3の長手方向に垂直な面で切断したときの断面が以下のような形状を呈している。
まず、レンズ3の光源2に対向する側の面4の断面は光源2側に膨らんだ湾曲線4aとなっている。また、光源2に対向する側と反対側の面5の断面は、光軸Xを含む面を挟んだ両側に夫々光源2と反対側に膨らんだ、連続する複数の異なる曲率半径の曲線からなる複合曲線5a、5bとなっており、光軸Xを含む面を挟んだ両側の複合曲線5a、5b同士の繋ぎ部分の面6は光軸Xを含む面に平行な面(断面形状としては光軸Xを含む面に平行な直線6a)となっている。
そして、光源2を構成するLED1から放出されてレンズ3の光源2に対向する側の面4の光軸Xを挟んだ一方の側の面(以下、光入射面7aと呼称する)に到った光は、光入射面7aで屈折されてレンズ3の光源2に対向する側と反対側の面5の光軸Xを挟んだ前記光入射面7aと同じ側の面(以下、光出射面8aと呼称する)に向かう。
同様に、光源2を構成するLED1から放出されてレンズ3の光源2に対向する側の面4の光軸Xを挟んだ他方の側の面(以下、光入射面7bと呼称する)に到った光は、光入射面7bで屈折されてレンズ3の光源2に対向する側と反対側の面5の光軸Xを挟んだ前記光入射面7bと同じ側の面(以下、光出射面8bと呼称する)に向かう。
レンズ3の各光入射面7a、7bから各光出射面8a、8bに向かう光はレンズ3内を導光されて光出射面8a、8bに至り、夫々光出射面8a、8bで屈折されてレンズ3外に出射される。このとき、レンズ3の光軸Xを挟んだ両光出射面8a、8bは夫々到達した光が外部に出射されるときに所定の方向に集光するような形状とされており、その集光方向はLED1の光軸Xを挟んでLED1の発光点Pを通り互いの交角αが40°となる光軸La方向と光軸Lb方向となっているのが望ましい。
但し、この交角αは後述するコンタクトガラス上の光学特性を満足させるために40°を基準として微調整が施されることもある。
なお、レンズ3の光出射面8a、8b同士の繋ぎ部分の面6は光軸Xを含む面に平行な面となっており、LED1から放出されてレンズ3内に入射し、レンズ3内を導光されて光出射面8a、8bの繋ぎ部近傍に到った光はその繋ぎ部分で反射(全反射)されることなく到達した光のほとんどがレンズ3外に出射される。よって、導光損失の少ないレンズ形状となっている。
それに対し図3に示すように、レンズ3の光出射面8a、8b同士の繋ぎ部分の面と到達する光の光路とのなす角が臨界角以上である場合、到達した光がその部分で反射(全反射)されて光路が所定の方向からずれてしまい、導光損失の大きいレンズとなってしまう。特に光出射面8a、8b同士の繋ぎ部分は到達する光の光束密度が大きい領域であり、この部分での導光損失によって全体の光量のうち多く割合の光量を失うことになる。
本実施形態は図4の断面図に示すように、上述した白色LED1、棒状レンズ3およびLED1とレンズ3の位置関係を備えた構成となっている。具体的には、基板9上に複数の白色LED1を直線状に実装してなる線状光源2を金属等の熱伝導の良好な部材からなる放熱体10に取り付け、線状光源2の上方に棒状レンズ3が配設されている。
そして、光源2とレンズ3が取り付けられた放熱体10および直線帯板状のリフレクタ11を収容したキャリッジ12がコンタクトガラス13の下方に、該コンタクトガラス13面に平行に且つ線状光源2の長手方向に垂直な方向に移動可能に支持されている。このとき、光源2およびレンズ3が取り付けられた放熱体10はLED1の光軸Xと原稿14面となす角βが25°になるように設定されている。
そして上記構成において、LED1から放出されてレンズ3の光軸Xを挟んだコンタクトガラス13側に位置する光入射面7aからレンズ3内に入射した光L1は、レンズ3内を導光されて同じくレンズ3の光軸Xを挟んだコンタクトガラス13側に位置する光出射面8aからレンズ3の外部に出射されて光軸Laに向かって進み、コンタクトガラス13を透過して原稿14面に焦点を結ぶ。
また、LED1から放出されてレンズ3の光軸Xを挟んだコンタクトガラス13と反対側に位置する光入射面7bからレンズ3内に入射した光L2は、レンズ3内を導光されて同じくレンズ3の光軸Xを挟んだコンタクトガラス13と反対側に位置する光出射面8bからレンズ3の外部に出射されて光軸Lbに向かって進み、光軸Lbの進行方向に配置されたリフレクタ11で反射されて反射光がコンタクトガラス13を透過して原稿14面に焦点を結ぶ。なお、本実施形態では、リフレクタ11を直線帯板状、即ち細長い平板状のものとして説明を行なったが、これに変えて長手方向には直線であり、この長手方向に直交する方向を凹形状とした直線凹形状とし、これによりリフレクタ11に集光機能等を備えるものとしてもよい。
そして、LED1から発せられてレンズ3およびコンタクトガラス13を進む光路を辿って原稿14面に焦点を結んだ直接光L1と、LED1から発せられてレンズ3、リフレクタ11およびコンタクトガラス13を進む光路を辿って原稿14面に焦点を結んだ反射光L2とが原稿14面上に近接して照射され、その反射光L12が読取光学系(図示せず)を介してラインCCDによって検出される。
原稿14面に到達する直接光L1および反射光L2の焦点位置は、コンタクトガラス13面に平行に且つ線状光源2の長手方向に垂直な方向において2mm〜5mmの領域内となるように設定されている。
上述の構成では原稿14面の垂線と光軸Laのなす角θは45°となるが角θは45°に限られるものではなく、40°〜50°の範囲が望ましい。その場合は光軸Laと光軸Lbがなす角αが40°であることから、LED1の光軸Xと原稿14面のなす角βは30°〜20°の範囲となる。
なお、リフレクタ11の位置を調整することによってリフレクタ11で反射された光L2と原稿14面の垂線のなす角γも角θと同様に40°〜50°の範囲であることが望ましい。これにより、原稿14面に焦点を結ぶ直接光と反射光の光量バランスの均衡が図られ、焦点位置内での照度分布が均一化できる。この状態を確保するには、角θと角γが共に40°〜50°の範囲で同じ角度となることが最も望ましい。
図5は比較例1の断面図を示している。比較例1は上述の実施形態と構成部材を同一とし、レンズ3の光出射面8a、8bの形状を変えて集光方向を光軸Xを挟んでLED1の発光点Pを通り互いになす角αが広角の60°となる光軸La上と光軸Lb上となるように設定したことが異なる。また、LED1の光軸Xと原稿14面となす角βを15°に設定したことが異なる。
上記2点の差異によって、光軸Laと光軸Lbのなす角αが広角となったために光軸Lbの方向が原稿14と反対側に向き、レンズ3から出射して光軸Lb方向に向かう光が読取光学系に侵入し、ラインCCDでは原稿14での反射光以外の光ノイズとなってS/N比を低下させることになる。
この場合、原稿14面の垂線と光軸Laおよび光軸Lbの夫々のなす角θを40°〜50°の範囲で調整し、LED1の光軸Xと原稿14面のなす角βを20°〜10°としても不具合は解決しない。
図6は比較例2の断面図を示している。比較例2は上述の実施形態と構成部材を同一とし、レンズ3の光出射面8a、8bの形状を変えて集光方向を光軸Xを挟んでLED1の発光点Pを通り互いになす角αが狭角の20°となる光軸La上と光軸Lb上となるように設定したことが異なる。また、LED1の光軸Xと原稿14面となす角βを35°に設定したことが異なる。
上記2点の差異によって、光軸Laと光軸Lbのなす角αが狭角となったためにレンズ3から出射して光軸Lb方向に向かう光を反射するリフレクタ11を原稿14面上に結ぶ焦点に近づく位置に配置する必要が生じる。そのため、リフレクタ11が原稿14面からの反射光の進路を遮ることになり、読取光学系に導入される、原稿14で反射された反射光の光量が低減し、ラインCCDでは検出される信号レベルが低下する。この場合も、上記比較例1と同様にS/N比を低下させることになる。
この場合も、原稿14面の垂線と集光軸Laのなす角θを40°〜50°の範囲で調整し、LED1の光軸Xと原稿14面のなす角βを40°〜30°としても不具合は解決しない。
以上説明したように、本発明は複数のLEDを直線状に配置してなる線状光源から放出された光を導光する棒状レンズの光出射面の断面形状を、LEDの光軸Xを含む面を挟んだ両側に夫々光源と反対側に膨らんだ、連続する複数の異なる曲率半径の曲線からなる複合曲線とすることによってレンズ内を導光されてLEDの光軸Xを含む面を挟んだ両側の光出射面に到達した光を夫々レンズの光軸La、Lb方向に集光するようにした。
その結果、原稿面上に結ぶ、光軸La、Lb上の2つの焦点における光量は互いにほとんど等しいものとなり、原稿面上の焦点領域内の照度分布が均一なものとなった。
また、光軸Xを含む面を挟んだ両側の複合曲線同士の繋ぎ部分の面をLEDの光軸Xを含む面に平行な面(断面形状としては光軸Xを含む面に平行な直線)とした。
その結果、レンズ内における導光損失が少なくて光の利用効率が高く、原稿面への照射光量が多い原稿読取用光源装置となった。
また、レンズの2つの光軸の互いになす角を40°とし、原稿読み取り装置に取り付けるにあたって原稿面の垂線と一方の光軸のなす角を45°とした。
その結果、原稿面で反射された反射光を検知するラインCCDにおいて、読取光に対するノイズ光の検知量が少なく、S/N比の高い原稿読取用光源装置が実現できた。
更に、上記効果は棒状レンズの形状を最適化することによって実現されたものであり、低コストの方法により実現したものである。
本発明の実施形態に使用する線状光源を構成するLEDの指向特性である。 本発明の実施形態に係わる線状光源と棒状レンズの関係を示す断面図である。 本発明の実施形態に使用する棒状レンズの部分断面図である。 本発明の実施形態を装置に取り付けた状態を示す説明図である。 比較例1を装置に取り付けた状態を示す説明図である。 比較例2を装置に取り付けた状態を示す説明図である。 従来例を示す説明図である。
符号の説明
1 LED
2 LED線状光源
3 棒状レンズ
4 面
4a 湾曲線
5 面
5a 複合曲線
5b 複合曲線
6 面
6a 直線
7a 光入射面
7b 光入射面
8a 光出射面
8b 光出射面
9 基板
10 放熱体
11 リフレクタ
12 キャリッジ
13 コンタクトガラス
14 原稿

Claims (7)

  1. 原稿面に照射した光の前記原稿面からの反射光を受光することによって原稿を読み取る原稿読み取り装置に使用される原稿読取用光源装置であって、前記原稿読取用光源装置は線状光源と、該線状光源に平行に並設された、複数の第1の焦点を含む直線状の第1の線状焦点群を通る複数の光軸を含む第1の光軸面および複数の第2の焦点を含む直線状の第2の線状焦点群を通る複数の光軸を含む第2の光軸面を有する棒状レンズと、前記棒状レンズの前記線状光源と反対側に前記棒状レンズと平行に且つ前記棒状レンズの前記第2の光軸面と交差する位置に並設された直線状リフレクタを具備し、前記直線状リフレクタで反射された前記第2の光軸面と前記第1の光軸面が交差する位置の近傍に前記第1の線状焦点群と前記第2の線状焦点群が位置することを特徴とする原稿読取用光源装置。
  2. 前記第1の光軸面と前記直線状リフレクタで反射された前記第2の光軸面が交差する角度は、80°〜100°の範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の原稿読取用光源装置。
  3. 前記第1の線状焦点群と前記第2の線状焦点群の位置する距離は、2mm〜5mmの範囲内であることを特徴とする請求項1または2のいずれか1項に記載の原稿読取用光源装置。
  4. 前記棒状レンズを該棒状レンズの長手方向に垂直な面で切断したときの、前記線状光源に対向する側と反対側の面の断面形状が、前記棒状レンズを通る前記線状光源の第3の光軸を挟んだ両側に夫々前記線状光源と反対側に膨らんだ、連続する複数の異なる曲率半径の曲線からなる複合曲線であり、前記複合曲線同士の繋ぎ部分は前記第3の光軸に平行な直線であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の原稿読取用光源装置。
  5. 前記第1の光軸面と前記直線状リフレクタで反射される前の前記第2の光軸面のなす角は40°であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の原稿読取用光源装置。
  6. 前記線状光源は、複数の白色LEDを直線状に配列してなることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の原稿読取用光源装置。
  7. 前記原稿読取用光源装置は、前記棒状レンズの前記第1の光軸面および前記直線状リフレクタで反射された前記第2の光軸面が共に、前記原稿面の垂直面に対して40°〜50°の角度を保って前記原稿読み取り装置に前記線状光源の長手方向に垂直な方向に移動可能に取り付けられることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の原稿読取用光源装置。
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