JP2011034862A - ライン照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
長尺状の導光体を用いたライン照明装置において、左右の端部に異なる特性の光源を配置した構造でも、長手方向に一定の特性が得られるようにし、発光波長の異なる光源を導光体の両端部に別々に配置した小型の装置を提供し、また、LEDの選別コストを圧縮し安価な装置を提供する。
【解決手段】
透明部材からなる長尺状の導光体の端部好ましくは両端部に光源を配置したライン照明装置において、導光体の長手方向一側面を出光面とし、出光面の対向側面を凹凸パターン面とし、凹凸パターン面には短手方向に稜線を有する凹凸パターンを配列形成し、出光面と凹凸パターン面との距離が中央付近で大きく両端部で小さくなるように徐変させる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、長尺状の導光体を利用するライン照明装置に関し、特には画像読み取り装置に用いられるライン照明装置に関するものである。

ファクシミリ、電子黒板、電子複写機、紙幣識別センサーその他、画像読取装置に備えるライン照明装置としては、キセノン蛍光ランプなどの放電管、発光ダイオード（LED）チップを多数アレイ状に並べたLEDアレイバー、導光体の端部にLED光源を配置した導光体照明などが用いられている。このうち導光体照明方式は、ウォーミングアップが不要、小型、低消費電力、低発熱、低コストといった優れた特徴を有する。

導光体照明方式では光源を片側端部のみに配置する構造と、両端部に配置する構造の双方がある。一般に片側端部のみに配置する方が装置コスト、装置寸法の点において有利であるが、より照度を大きくしたい場合には、両端部に同じ光源を配置すれば約２倍の照度が得られるため、こうした構造を採用することになる。ところで、両端部に光源を配置する構造であっても、従来の構造は両端部に発光波長や光度が同一の光源を配置するものである。光源として発光波長の異なる発光ダーオード（LED）チップを一つのパッケージに納めた光源モジュールを使用し、各LEDチップを順次発光させる方式があるが、こうした場合にも、両端部に同一の光源モジュールを配置して同一の波長のLEDチップを同期させて発光させるのが常である。

以下に図面により導光体照明方式の基本的な原理を説明する。まず、図１により片側端部に光源を配置する構造について説明する。導光体３の端面に配置された光源１からの発光は入射端面７より導光体内部に取り込まれ、導光体の内面反射により全反射を繰り返して伝播される。導光体の一側面には光を取り出すための凹凸パターン６が形成されている。凹凸パターンは光を反射／拡散させる機能を持ち、凹凸パターンに到達した光の一部は出光面４より導光体外部に出射され原稿５を照明する。入射端面から遠ざかるに従い導光体内の光束密度は低下していくことになるが、凹凸パターンの密度を光束密度に逆比例させて徐々に高くする、または凹凸パターンの形成幅を光束密度に逆比例させて徐々に広くすることによって、長手方向で一定の照度分布を得ることが可能となる。
図２は導光体３の断面図であるが、出光面４はシリンドリカルレンズ面となっており、凹凸パターン６からの反射光を出射光として集光させて原稿5の細長い読み取りエリアを効率的に照明できるようになっている。

次に左右両端部に同一の光源を配置する構造について説明する。両端部に同一の光源１，２を配置する場合には、左端部の光源からの光束と右端部の光源からの光束との和によって長手方向で一定照度となるように設計される。このため凹凸パターン６の密度を図３で示すように両端部で粗に、中央部分で最も密となるように配列する。あるいは凹凸パターン６の形成幅を両端部で狭く、中央部分で最も広くなるように配列する。例として特許文献１では、凹凸パターンである「鋸歯状に形成された反射／拡散のための領域」を図１７（側面）、図１８（下面）に示すように幅を変化させて形成した導光体が提案されている。

図４はこれら従来技術の照明装置における長手方向位置（横軸）と照度（縦軸）との関係を示した図である。このような導光体では左端部に配置された光源１から入射された光による照度は曲線９のように右に向かって徐々に減少する分布となり、右端部に配置された光源２から入射された光による照度は曲線１０のように左に向かって徐々に減少する分布となる。左右両端部の光源を同時に発光させた場合の照度は両者の和となるため曲線１１のように長手方向での照度均一性が得られることになる。

前記したように、従来の導光体照明方式で発光波長の異なる複数のLEDチップを使用する場合には、複数のLEDチップをワンパッケージ化した光源モジュールを導光体の片端部、もしくは両端部に配置するのが常である。しかしながら、この方法では以下のような問題がある。
端面より導光体内に効率良く光を取り込むためには、個々のチップが導光体断面より内側の範囲に収まっている必要がある。このため使用するチップ数が多くなると導光体を大径化せざるを得ない。たとえば近年、紙幣の真偽・種別認識用として赤、緑、青の可視光に加えて赤外光、紫外光と多くの発光波長を利用するセンサーが使われてきている。しかしながら、このように多くの発光波長のLEDチップを導光体の片側端部に配置しようとすると、光源自体が大型化するため導光体も大径化し、装置全体の小型化ができなくなる。また導光体が太いことは、読取位置に効率的に集光するうえで不利となる。また特に、紫外線のLEDチップを使用する場合には、紫外線や熱による材料劣化の問題があるため通常の可視光用の汎用的なパッケージ部材を使用したモジュール化ができず、モジュール化した光源を用意するには大きな初期投資が必要となる。

一方、同一のLED光源を両端部に配置する場合であっても、従来の導光体照明方式には以下のような問題がある。LED光源は発光波長分布や光度にバラツキがある。特に蛍光体を使用する白色のLED光源では光度や色度に大きなバラツキができてしまう。左右の光源の特性が異なると、装置として照度や色度の均一性が崩れてしまうため、左右での特性バラツキをできるだけ小さくする必要がある。従来は近い特性のLEDどうしを選別して使用する必要があるため、LED光源の選別コストが嵩みコストを押し上げる要因となっている。

特開平１０−１３３０２６号公開公報

本発明はこのような事情のもとで考え出されたものであって、長尺状導光体の左右の端部に異なる特性の光源を配置した構造でも、長手方向に一定した特性が得られるようにし、発光波長の異なる光源を導光体の両端部に別々に配置した小型の装置を提供し、また、LEDの選別コストを圧縮し安価な装置を提供することを課題としている。

本発明は、透明部材からなる長尺状の導光体の端部に光源を配置したライン照明装置であって、該導光体の長手方向一側面を出光面とし、出光面の対向側面を凹凸パターン面とし、凹凸パターン面には該導光体短手方向に稜線を有する凹凸パターンが配列形成されており、出光面と凹凸パターン面との距離が中央付近で大きく両端部で小さくなるように徐変していることを特徴とするライン照明装置である。

また本発明は、長尺状の導光体の両端部に発光波長の異なる光源を配置することを特徴とする上述のライン照明装置であり、さらに長尺状導光体の出光面がシリンドリカルレンズ面となっており、このシリンドリカルレンズ面の少なくとも一部分に、好ましくは導光体の両端部に近い部分に導光体の長手方向に稜線を持つ複数の凹凸ラインを形成したものであることを特徴とするライン照明装置である。

以下に図面を用いて本発明の好適な実施形態を説明する。

図５は本発明に関わるライン照明装置の特徴を説明する斜視図である。長尺状の導光体３の両端部には光源１、光源２が配置されている。導光体の出光面４は凸形状のシリンドリカルレンズ面となっており、出光面と対向する側は凹凸パターン面１３となっており、凹凸パターン面には短手方向に稜線を有する凹凸パターン６が配列形成されている。図６は照明装置を側面より見た図である。導光体３の凹凸パターン面１３は凸状に湾曲した曲線を描いており、凹凸パターン面１３と出光面４との距離をHとすると、Ｈは中央付近で大きく両端部で小さくなるように徐変している。以下、シリンドリカルレンズ面稜線方向をX軸、凹凸パターン稜線方向をY軸、X軸Z軸の双方と垂直な方向をZ軸とする。

図７は本発明の導光体の側面をさらに拡大した図で、Ａは左側端面付近、Ｂは中央付近、Ｃは右側端面付近を拡大したところを示している。導光体の凹凸パターン面には、Ｙ軸方向に稜線を有する二等辺三角形断面のＶ溝部８とＸ軸方向に平行な面とを組み合わせた凹凸パターンがピッチＰ、Z方向の段差ΔZにより配列している。

以下に本発明で使用する長尺状導光体において、長手方向で均一な照度分布が得られる原理について説明する。図７には、左端面の光源からの光路を模式的に示した。ここで、簡便化のために一定角度で凹凸パターン面に到達する光線を記入している。導光体内を伝達する光線は凹凸パターン面のＶ溝部８に到達したとき、一部は出光面側（図７で下側）に反射されて出光面より出射され、また一部は凹凸パターン裏側（図７で上側）に出射される。凹凸パターン裏側に出射した光はそのままでは原稿面を照明する光として利用されないが、裏側に反射性の部材を密接させて配置することにより、反射部材から反射して間接的に導光体出射面方向に戻された光もシリンドリカルレンズ面により集光されて出射されることになる。一方で凹凸パターン面に到達してもＶ溝部に到達しない光はそのまま全反射して導光体内を伝わることとなる。すなわち凹凸パターン面のうちＶ溝部に到達した光が原稿面側へと出射される。

ここで、Ｖ溝部に到達する光線の確率は図７のＡ，Ｂ，Ｃを比較するとわかるように、右側に行くほど高くなる。即ち、中央付近Bを標準とした時に、その左側AではピッチP内に到達する光線量がその手前に存在するＶ溝部８に影響されて少なくなり、またピッチ内のＶ溝部左斜面の長さも短くなるのでＶ溝部に到達する光線の確率が低くなる。一方、中央付近の右側Ｃではその逆となりＶ溝部に到達する光線の確率が大きくなる。これを図７に記入した光線の本数で説明すれば、Ａでは１つのピッチ内で３本の光線に対して１本がＶ溝部に到達し、Ｂでは１つのピッチ内で４本の光線に対して２本がＶ溝部に到達し、Ｃでは１つのピッチ内で５本の光線に対して３本がＶ溝部に到達している。つまりＶ溝部に到達する率が、１／３、２／４、３／５と変化している。導光体内を伝達する光束の密度は凹凸パターンから出射されるため光源から遠ざかるほど低くなっていくわけであるが、Ｖ溝部に到達する確率は相反して光源から遠くなるに従って高くなるため、左側から入射した光によって長手方向に均一な照度分布を得ることができる。

この導光体の形状は左右対称となっており、右端側に配置された光源からの光も同様の原理により長手方向に均一な照度分布を得ることができることになるので、両端部に異なる発光波長の光源を配置しても各々の光が出光面全体に均一な照度で出光するので装置としての均一性特性を崩す事がない。従って複数の異なる発光波長の光源を用いる必要があり、且つ導光体の径を出来る限り細くして小型ライン照明装置を望む場合に特に好ましく用いられる。

凹凸パターンの形状は図８のような二等辺三角形の凸断面形状でもよい。同様な原理により長手方向で均一な照度分布が得られる。図８においては反射面の凸部８に到達した光のみが出射されることになる。凸部反射面に到達する光線の確率は図８のＡ，Ｂ，Ｃを比較するとわかるように、右側に行くほど高くなる。図８に記入した光線の本数で言えば、Ａでは１つのピッチ内で３本の光線に対して１本、Ｂでは１つのピッチ内で４本の光線に対して２本、Ｃでは１つのピッチ内で５本の光線に対して３本が凸部反射面に到達している。つまり凸部反射面に到達する率が、１／３、２／４、３／５と変化している。

また、凹凸パターンの形状は図９のような台形の凹形状であってもよい。やはり同様な原理により長手方向で均一な照度分布が得られる。図９においては凹反射面に到達した光のみが導光体外に出射されることになる。凹反射面に到達する光線の確率は図９のＡ，Ｂ，Ｃを比較するとわかるように、右側に行くほど高くなる。図９に記入した光線の本数で言えば、Ａでは１つのピッチ内で３本の光線に対して１本、Ｂでは１つのピッチ内で４本の光線に対して２本、Ｃでは１つのピッチ内で５本の光線に対して３本が凹反射面に到達している。つまり凹反射面に到達する率が、１／３、２／４、３／５と変化している。凹反射面に到達した光は導光体外に出射され、直接出光面から、あるいは反射面の裏側に設置された反射部材から導光体内に戻り、間接的に出光面から出射されることになる。

凹凸パターンの配列ピッチは、大きすぎるとピッチによるムラが読取面に反映されてしまうため問題となる。しかしながらインジェクション成形では、微小で鋭利な先端部分は形状を正確に転写することができずダレが生じるため、凹凸が小さくなりすぎると光を正確にコントロールすることが難しくなる。したがって凹凸パターンのピッチとしては０．１ｍｍから１mm程度が最も好適である。

このような微細な凹凸パターンは、金型上に対応する先端形状の刃物（バイト）を使用してＹ軸方向に引き切り加工することで平滑性に優れた凹凸面を金型上に高精度に加工でき、インジェクション成形法によって金型上の凹凸の反転した凹凸形状が転写される。
図７のようなV溝部の凹凸パターンに対応する金型を加工するためには、図１０において先端形状がハッチング部で示したような台形のバイトを用いて切削すればよい。また、図８の凸断面形状の凹凸パターンの場合には、図１１のＡにおいてハッチング部で示した台形のバイトを使用して一旦フラットな部分を階段状に加工した後、図１１のＢにおいて先端形状がハッチング部で示した二等辺三角形のバイトを使用して切削することにより加工できる。また、図９の台形凹形状の凹凸パターンの場合には、図１２のＡにおいてハッチング部で示した台形のバイトを使用して一旦フラットな部分を階段状に加工した後、図１２のＢにおいて先端形状がハッチング部で示した台形のバイトを使用して切削することにより加工できる。
いずれの凹凸パターン形状も、長手方向の分布を均一化させるよう凹凸パターンのピッチ（P）とΔZとを徐変させて加工する。

次に出光面の形状について説明する。
画像読み取り装置に用いられるライン照明装置においては、細長い読取エリア内に導光体からの出射光を効率よく集めることが求められる。このため前述したように出光面を凸状のシリンドリカルレンズ面とするとよい。しかしながら一方で、原稿（読み取り面）の浮きによる読み取り位置の変動や、機械のガタツキや組み立て精度限界に対応するために、短手方向（副走査方向）に対して一定幅での照度安定性が要求される。短手方向に鋭いピークを持つような照度分布では、原稿の浮きによって照度が変化してしまい、読み取り画像に明暗のムラが発生してしまう。また、ユニットのわずかな位置ズレによっても明暗のムラが発生してしまうことになる。

本発明において出光面を凸状のシリンドリカル面とした場合に、主に以下の2つの要因によって短手方向の照度安定性が悪化しやすい傾向がある。
・ 光源近傍においては、LEDから入射された光が直接凹凸パターンへと到達したり、導光体側面で1回、2回と少ない回数反射して到達する。このように特定の光路を経た光が不連続的に凹凸パターンへと到達するが、凹凸パターンは鏡面反射性であるため、特定の光路に対応して特定の方向へと反射し出射することになる。このため、鋭いピークが発生する。また特に、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）と多色のLEDチップを一つのパッケージに収める場合には図１３のようにチップ位置（発光位置）の中心からのずれに応じてピーク位置も異なってくる。
・ 本発明の導光体では凹凸パターン面と出光面先端との距離Hが長手方向位置によって異なっている。集光効果は出光面断面形状が同一の円弧である場合、Hが長くなるほど強くなるため、Hが小さい部分で適度に集光させるように設計するとHが大きい部分（導光体長手中央付近）では集光性が強くなりすぎ鋭いピークとなってしまう。この様子を図14に示す。

このような問題を解決するために、シリンドリカルレンズ面に長手方向に稜線を持つ複数の凹凸ラインを形成することが好適である。図１５は出光面４上に長手方向に稜線をもつ複数の凹凸ライン１２を形成した導光体の断面図であるが、凹凸ライン表面１２は光が出射面から出射される際に、光を短手方向に適度に拡散させる効果を有する。これにより照度の短手方向分布を適正化することができる。さらに、長手方向の位置により1本1本の凹凸ラインの幅や高さを変化させたり、凹凸ラインを長手方向の一部に追加形成することにより、分布の変化を抑えることができる。具体的には上記１の原因により短手方向の安定性が欠如する光源近傍、および上記２の原因で短手方向の照度安定性が欠如する中央付近において大きな拡散効果を得られるように凹凸ラインを配置すればよく、実施例として図１６に示すように出射面４の上に部分的に凹凸ライン１２を設けることにより、全長に亘って短手方向の分布を安定化させることが可能となる。

反射パターン以外の導光体の表面は全て平滑であることが望ましい。平滑性が悪い場合には界面での光散乱が起こるため、制御されていない漏れ光が発生し効率が悪化するばかりでなく、Ｘ軸方向に長い導光体では光源から離れたところまで光が伝達されないため全体を発光させることができなくなる。

導光体の材質としては、用いる光源（ＬＥＤ）の発光波長において高い透過率を持つものが望ましく、アクリル系樹脂、ポリカーボネート樹脂、シクロオレフィン系樹脂、などが好適に用いられる。

本発明のライン照明装置の用途の一つとして貨幣識別用センサ用の照明が挙げられる。光源として紫外線ＬＥＤを使用する場合、導光体の片側端部に紫外線ＬＥＤを配置し、もう一方の端面に可視光や赤外光のＬＥＤを配置する構造が好適である。ただし、このような構造の場合、導光体に入射し出射されずに反対側端部まで伝播された紫外光が、反対側に配置された光源に到達することも生じる。一般的な可視光や赤外光用のＬＥＤ光源は紫外線に対する耐久性が無く特性が劣化する問題が生じる。このような問題を回避するために、可視光、赤外光用の光源と導光体入射面との間に紫外線をカットするフィルムを挿入することが好適である。

片側端部に光源を配置した導光体照明方式の基本原理を説明する側面図 出射光の集光原理を説明する導光体断面図 両側端部に光源を配置した導光体照明方式の構造を説明する側面図 両側端部に光源を配置した導光体照明の照度分布を説明する図 本発明の照明装置の特徴を示す斜視図 本発明の照明装置の特徴を示す側面図 凹凸パターンでの光の挙動を示す図 凹凸パターンでの光の挙動を示す図 凹凸パターンでの光の挙動を示す図 凹凸パターンに対応する金型を加工するプロセスを説明する図 凹凸パターンに対応する金型を加工するプロセスを説明する図 凹凸パターンに対応する金型を加工するプロセスを説明する図 ＬＥＤチップの位置と短手方向照度分布の関係を説明する図 導光体断面形状と光の挙動を説明する図 凹凸ラインの機能を説明する導光体断面図 凹凸ラインの形成例を示す斜視図 従来技術の実施形態を示す構成図（側面） 従来技術の実施形態を示す構成図（下面）

１ 光源（ＬＥＤ）
２ 光源（ＬＥＤ）
３ 導光体
４ 出光面
５ 原稿面
６ 凹凸パターン
７ 入射面
８ Ｖ溝部又は凸部
９ 照度分布曲線
１０ 照度分布曲線
１１ 照度分布曲線
１２ 凹凸ライン
１３ 凹凸パターン面

Claims (3)

1. 透明部材からなる長尺状の導光体の端部に光源を配置したライン照明装置であって、該導光体の長手方向一側面を出光面とし、出光面の対向側面を凹凸パターン面とし、凹凸パターン面には該導光体短手方向に稜線を有する凹凸パターンが配列形成されており、出光面と凹凸パターン面との距離が中央付近で大きく両端部で小さくなるように徐変していることを特徴とするライン照明装置。
2. 両端部に発光波長の異なる光源を配置することを特徴とする請求項１記載のライン照明装置。
3. 出光面がシリンドリカルレンズ面となっており、この面の少なくとも両端部に近い一部分に長手方向に稜線を持つ複数の凹凸ラインを形成したものであることを特徴とする請求項１または２に記載のライン照明装置。

Images