JP2012059493A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、光源装置が大型化することなく、簡素な構成で充分な照度を確保できるライン状の光源装置を提供すること。
【解決手段】 細長い基板の長手方向に並んで配置された複数のＬＥＤと、このＬＥＤの光を反射する反射部材を備えた光源装置において、前記反射部材は、光透過性を有する棒状の導光体を備え、該導光体にその長手方向に、互いに対向する第１の側面と第２の側面とが形成され、前記第１の側面は、該ＬＥＤからの出射光が空気層を介して入射するよう構成された入射面と、該ＬＥＤからの光が当該導光体を透過して出射される出射面とを具備し、前記第２の側面は、その表面が二次曲面状に構成され、かつ、該第２の側面上に反射層が形成されることによって形成された反射面を具備し、前記ＬＥＤの放射光が、前記入射面から入射したのち該導光体を通過し、前記反射面で反射されることによって前記出射面から出射することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、ライン状の光源を形成するための光源装置に関し、例えば画像読取装置において原稿面を照明するための光源装置に関する。

従来、画像読取装置は、コンタクトガラス上に原稿を載置した原稿面に光源からの照明光を照射し、その原稿からの反射光をＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｉｅｓ）イメージセンサに入力することにより、当該画像情報をデジタルの電気信号に変換して読み取るようになされている。光源としては、冷陰極蛍光ランプや希ガス蛍光ランプ等の管状光源が採用されているが、近年、画像読取装置における光源として、低価格で照度が大きいＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、発光ダイオード）が用いられている。

ＬＥＤを用いたライン状光源装置は種々のものがある。その中に、原稿読み取り面において高い照度を得るという目的で、複数のＬＥＤを主走査方向に並べた光源装置がある。

例えば特許文献１には、光源の前方に光透過性の集光体を備えた構造の光源装置が開示されている。
また、特許文献２〜３には、ＬＥＤからの光を反射部材を用いて照射面に向けて反射させた構造が開示されている。これらの技術について、以下において具体的に説明する。

特許文献１記載の技術は、例えば図９に示すように基板８１の上に並べて配置されたＬＥＤ８２と、ＬＥＤ８２の光放射側の前方に位置された概略棒状の集光レンズ８０を備えた光源装置である。ＬＥＤ８２から出射された光は不図示の集光体を介して集光レンズ８０に入射されて、かかる集光レンズ８０を通過するときに集光される。集光された光は集光レンズ８０の表面の二次曲面の構成に従って出射し、不図示のコンタクトガラス上の原稿の原稿面に向けて照射される。

しかしながら、この光源装置では小型化のため照射距離を短くする場合、レンズによって集光するため、レンズ表面から出射した光は収差が生じて理想的に所定の集光面に集光させることが難しい。また、集光レンズの長手方向においては、集光レンズから放射された光の光量差が生じないようにＬＥＤの間隔とＬＥＤから照射面までの距離を調整する必要がある。つまり、照射面の長さ方向において均一な照度を維持するためにはＬＥＤの間隔を所定以上にあけることはできない。このため、ＬＥＤと照射面の距離を短くしてコンパクトな光源を構成するにはＬＥＤの個数を多くしなければならない。

一方、特許文献２〜３に記載される技術によれば、光の照射面までの導光を反射により実現するためより理想的な集光を実現できると共に、ＬＥＤから照射面までの光路長が、ＬＥＤから反射面において折り返すために長くなり、つまり、照射面の間の光路長が長くなり、ＬＥＤの配置間隔をより小さくすることができるといったメリットがある。

特許文献２に記載の技術を図１０及び図１１を参照して説明する。
図１０において、アレイ状に並べられた複数のＬＥＤ９１の光放射側前方に反射面９０が形成されている。このような光源装置によると、図１１に示すようにＬＥＤ９１から出た光は光路９２，９３に示すように反射面９０で反射されてＬＥＤ９１横を通過して、ＬＥＤ９１よりも後方にある反射面の構成に基づいて決定される焦点位置に集光する。この結果、ＬＥＤから照射面Ｑまでの光路長を長くしつつ、照射面Ｑと反射面９０との距離を小さくでき、コンパクトな光源装置を実現できる。

特開２００５−１０２１１２号公報 特開平０９−０４５１２１号公報 特開２００９−０２０３７９号公報

しかしながら、特許文献２に記載の技術を採用して画像読み取り用光源を実現しようとすると、更なる小型化が必要となる。具体的には、この技術では二次曲面を備えた樋状ミラーを用いているが、ＬＥＤ９１から放射される光を効率よくミラーで捕捉しようとすると、ＬＥＤ９１の発光面にほぼ近い位置まで反射面９０の縁部９０ａを延ばして配置する必要があり、このため光源装置が大型化することが避けられない。

また、上記特許文献３に記載の技術は、複数の平面鏡を組合せて反射鏡が構成されたものであるが、この場合、読み取りに必要な狭い幅に収束させることが困難である。つまり、不要な領域を照射してしまうことから、必要な領域において十分な効率で光を照射することができない。

以上のように、上述した従来技術では光源装置をできるだけコンパクトに構成すること及びＬＥＤからの光を効率よく捕捉することの両方を同時に実現することが難しい。
そこで本発明は、前記した従来技術が有する問題点を解決し、光源装置が大型化することなく、簡素な構成で充分な照度を確保できるライン状の光源装置を提供することを目的とする。

（１） 本発明に係る光源装置は、細長い基板の長手方向に並んで配置された複数のＬＥＤと、このＬＥＤの光を反射する反射部材を備えた光源装置において、前記反射部材は、光透過性を有する棒状の導光体を備え、該導光体にその長手方向に、互いに対向する第１の側面と第２の側面とが形成され、前記第１の側面は、該ＬＥＤからの出射光が空気層を介して入射するよう構成された入射面と、該ＬＥＤからの光が当該導光体を透過して出射される出射面とを具備し、前記第２の側面は、その表面が二次曲面状に構成され、かつ、該第２の側面上に反射層が形成されることによって形成された反射面を具備し、前記ＬＥＤの放射光が、前記入射面から入射したのち、該導光体を通過し、前記反射面で反射されることによって、前記出射面から出射することを特徴とする。
（２） また、前記反射面は、前記反射部材の長手方向に直交する断面形状が楕円の一部により構成され、前記出射面は、前記反射部材の長手方向に直交する断面形状が、前記反射面の集光点に一致する前記楕円の焦点位置に中心を有する円の一部により構成されていることを特徴とする。
（３） また、前記反射部材の入射面は平面により構成されているのがよい。
（４） また、前記入射面は二次曲面により構成されているのがよい。

（１）
ＬＥＤからの放射光を、空気層を介して導光体に光を入射する構成を備えているので、入射した光はスネル則により入射平面の法線に対して４２°以内の角度に屈折されるようになり、反射部材の反射面に必要とされる角度領域を十分に小さくすることができ、小型な反射面を実現し、ＬＥＤからの光を効率よく集光して、出射させることができる。
この結果、光源装置をコンパクトに構成し、ＬＥＤからの光を効率よく捕捉することの両方を同時に実現することができる光源装置を提供することができ、小型で簡単な構成でありながら、十分な照度を確保できるライン状の光源装置を提供することができる。
（２）
また、反射部材の反射面が楕円の一部によって構成され、出射面が楕円集光点の位置に中心を有する円の一部によって構成されているので、導光体を通過して出射面から出射する光が屈折が生じることなく、楕円集光点の位置に集光し、照射するようになり、ＬＥＤからの光をいっそう狭い領域に、ほぼ線状となるよう収束させることができる。
（３）
反射部材の入射面が平面により構成されていることで、ＬＥＤの光放射面と反射部材の入射面とを近接して配置することができるようになり、ＬＥＤから放射される光のほとんどを、反射部材に入射させることができるようになる。
（４）
入射面がＬＥＤ側に突出するような曲面で構成される場合、ＬＥＤからの光は入射角度が大きくなるため、反射面の大きさをより小さくすることができ、光源装置のいっそうの小型化を実現することができる。また、入射面が窪みを有するような曲面で構成されるある場合、入射面に戻る光線を少なくすることができるので、ＬＥＤや基板での光損失を低減することができるようになる。

本発明の第１の実施形態に係る光源装置を説明する斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る光源装置を説明する図であり、（Ａ）はＬＥＤの後側からみた正面図、（Ｂ）は（Ａ）において線分Ｄ−Ｄで切断した説明用断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る光源装置の光路を説明する図である。 本発明の第２の実施形態を説明する断面図である 本発明の第３の実施形態を説明する断面図である。 図５において要部を拡大して示す、光路を説明する図である。 本発明の第４の実施形態を説明する断面図である。 本発明の第５の実施形態を説明する断面図である。 従来技術を説明する斜視図である。 他の従来技術を説明する斜視図である。 図１０の光源装置の光路を説明する図である。

本発明の第１の実施の形態を図１ないし図３に基づいて説明する。
本実施形態に係る光源装置１は、パッケージ構造のＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、発光ダイオード）を複数並べて構成されたライン状の照射領域を構成する光源であり、例えば複写機などの画像読取り用の光源として使用される。
反射部材２０は、断面が略矩形状であり、全体が透明な長尺状の棒状体から構成された導光体２１と、この導光体２１の長手方向に沿う側面部分（２３）の表面に形成された反射膜を備えて構成される。反射部材２０は、その長尺状の向きが画像読取時の主走査方向に合わせて位置付けられる。導光体２１の材質としては、例えば透明アクリル（ＰＭＭＡ：ポリメチルメタクリレート）樹脂およびポリカーボネート樹脂などである。

導光体２１は、長さ方向に伸びる第１の側面２２と、この第１の側面２２とほぼ対向して形成された第２の側面２３と、第１、第２の側面に対して概略垂直な面からなる他の側面２４とを備えている。第１の側面２２は、出射面２２Ａが形成されると共に、複数の凹部２５が等間隔に並んで形成されている。

反射部材２０の第１の側面２２上には、凹部２５の上にかぶさるように、当該反射部材２０とほぼ同じ長さを有する透光性のフレキシブルな基板１１が配置されている。この基板１１には、反射部材２０側の面に、複数のＬＥＤ１０が配置されており、各ＬＥＤ１０の光放射面がそれぞれ、導光体２１における第１の側面に形成された入射面２５Ａを臨むように配置されている。この入射面２５Ａは、第１の側面２２に形成された凹部２５の底面によって構成されるものである。
このように、ＬＥＤ１０の位置及び大きさに一致させて凹部２５が形成されることにより、ＬＥＤ１０の周囲に空気層１２が設けられている。

ＬＥＤ１０は、矩形箱状のパッケージ構造を備え、その一方ないしは底面を除く五方向から光が放射される構成を備えるものである。個々のＬＥＤ１０は、例えば高反射体の白色セラミックス基板にＬＥＤ素子が配置され、素子自体は蛍光体を分散させたシリコーンで埋め込まれた構造となっている。本発明においては特に、セラミックスからなる枠体の一面に平面状の光放射面を有する箱状のＬＥＤ（パッケージ）を用いることが好ましい。
そして、ＬＥＤ１０の光放射面を平面にすると共に、導光体２１の入射面２５Ａを平面にすることで、ＬＥＤ１０と入射面２５Ａとを近接して配置することが可能となり、ＬＥＤからの放射光を効率良く導光体２１に入射させることができる。

以下、図２および図３を参照しながら詳細に説明する。
導光体２１における第１の側面２２と対向する第２の側面２３は、ＬＥＤ１０の後方に向けて光を放射する二次曲面を備えている。具体的にいうと、画像読取装置において原稿面の位置に相当する照射面Ｐ１を照射する場合には、点Ｆに第二焦点を備えるような、断面が楕円の一部からなる二次曲面によって構成される。この二次曲面に、金属の蒸着膜などがからなる反射膜２３１が形成されることによって、反射面２３Ａが形成され、上述したように反射部材２０が構成される。なお、導光体２１の側面２４においては、反射膜は形成されていない。

図３は、ＬＥＤ１０から出射された光が導光体２１を通過して出射される様子を説明する断面図である。
ＬＥＤ１０から拡散状態で出射された光は空気層１２を介して導光体２１における凹部２５の入射面２５Ａに入射する。この光は、スネル則に従って、入射平面（２５Ａ）の法線Ａに対して４２°以内の角度に屈折されることになる。例えば、ＬＥＤ１０から出射した光が、光路Ｌ１をたどる場合、ＬＥＤ１０からの光は４２°以内の角度に屈折されて導光体２１内を通過して対向する位置に形成された反射面２３Ａに入射すると、反射面２３Ａの二次曲面の形状に従って反射され、導光体２１の第１の側面２２に向かって折り返される。ＬＥＤ１０の横を通過した反射光は第１の側面２２により形成された出射面２２Ａから出射して光の照射面Ｐ１を照射する。ここで、反射面２３Ａが点Ｆに第二焦点を備えるような楕円の一部により構成される場合、第二焦点の位置（Ｆ）を中心とした比較的狭い幅に収束されるようになる。なお、図３で示した光路から分かるように、楕円曲面による反射面２３Ａにおいて第二焦点位置に忠実に収束しない理由は、光出射面２２Ａから出射するときに生じる屈折が原因である。

ＬＥＤ１０から出射した光が光路Ｌ２をたどる場合、この光は入射面２５Ａの外端部近傍に入射するが、上述した光路Ｌ１と同様に、入射平面（２５Ａ）の法線Ａに対して４２°以内の角度に屈折し、導光体２１の内部を通過して反射面２３Ａに入射する。反射光は、導光体２１の出射面２２Ａを通過して、光の照射面Ｐ１を照射する。
このように、ＬＥＤ１０からの放射光を空気層１２を介在させて導光体２１に入射するので、単に反射面で反射する従来技術（図１１参照）よりも、反射面の大きさを小さくすることができる。しかも、ＬＥＤの放射光は、導光体２１の入射面２５Ａから入射した後、当該導光体２１内を通過して反射面２３Ａで反射され、ＬＥＤ１０側に折り返されて再び導光体２１内を通過し、光を放射したＬＥＤ１０の横を通過してから出射面２２Ａから出射されることになる。

このように、本発明の第１の実施形態に係る光源装置によれば、光の照射面（Ｐ１）までの導光を反射によって行うため、より理想的な集光を実現できると共に、ＬＥＤ１０から照射面（Ｐ１）までの光路長が、ＬＥＤ１０から反射面２３Ａにおいて折り返すために長くなり、つまり、照射面の間の光路長を長くすることができ、ＬＥＤの配置間隔をより小さくすることができるといったＬＥＤからの光を反射によって集光する特性によるメリットを備え、さらに下記の効果を備えている。
すなわち、空気層１２を介して導光体２１に光を入射する構成を備えているので、入射した光はスネル則により入射平面の法線に対して４２°以内の角度に屈折されるようになり、反射面２３Ａに必要とされる角度領域を十分に小さくすることができる。この結果、小型な反射面を実現することができ、ＬＥＤ１０からの光を効率よく集光して、出射させることができる。

以上のように、本発明によれば、装置全体をコンパクトに構成しつつ、ＬＥＤからの光を効率よく捕捉することの両方を同時に実現することができる光源装置を提供することができるようになる。

続いて、図４は、上記第１の実施形態の変形例であり、本発明の第２の実施形態である。なお、図１ないし図３において説明した部分と同じ部分は同じ符号で示し、説明も省略する（以下の実施の形態でも同じ）。
本実施の形態では、図４の断面図において、反射部材２０における反射面２３Ａの形状が楕円の一部により構成されており、対向する出射面２２Ｂの形状が、円の一部によって構成されている。なお、ここでは断面図で示しているが、このような出射面２２Ｂの二次曲面は反射部材２０の長さ方向全長に亘って施されている。

出射面２２Ｂは、断面図において仮想線で示す円Ｃ１の円周上にあり、この円Ｃ１は、反射面２３Ａを構成する楕円の第二焦点位置Ｆにその中心を有するものとなっている。つまり、出射面２２Ｂから点Ｆまでの距離は常に一定であると共に、出射面２２Ｂの法線上に点Ｆが位置されている。

このような第２の実施形態によれば、ＬＥＤ１０から出射した光が光路Ｌ３をたどる場合、光が反射面２３Ａに入射し、反射するまでは上述と同様の光路を進むが、その後、反射光が出射面２２Ｂで出射する際に屈折が生じることなく直進して照射面Ｐ１を照射する。このように、出射面（２２Ｂ）の曲面が、断面図において楕円Ｍ１の集光点である第二焦点の位置（Ｆ）に中心を有する円の一部によって構成されているので、光が出射面２２Ｂで出射するときに常に出射面２２Ｂに対して法線方向になる。この結果、導光体２１と空気との界面で発生する屈折が生じることなく、ＬＥＤ１０からの光を狭い領域にほぼ線状となるよう収束させることができるようになり、画像読取面の照度をいっそう高くすることができるようになる。
なお、このような出射面２２Ｂの曲面は、同図のように反射面２３Ａで反射した光が入射する領域にのみ部分的に形成されていてもよいし、反射部材２０における第１の側面２２の幅方向の全域に形成されていても構わない。

続いて、図５，６を参照して本願の第３の実施形態を説明する。第３の実施形態は、上記第２の実施形態の変形例であり先に、図１ないし図４において説明した部分と同じ部分は同じ符号で示し、説明も省略する。
本実施の形態では、図５の断面図において、導光体２１における光の入射面２５Ｂの形状が曲面によって構成された例であり、この例では緩やかな円の曲面によって構成されている。
同図において仮想線Ｃ２で示す円は、その中心が入射面２５Ｂに対してＬＥＤ１０とは反対側に位置するものである。つまり、入射面２５ＢはＬＥＤ１０に向かって突出するようにその曲面が形成されており、入射面２５Ｂにおける法線（Ａ，Ａ’）は入射面の曲面の構成に従って変位する。

このように、本実施形態に係る反射部材２０のように、入射面２５ＢがＬＥＤ１０に対して突出するような曲面を有する場合、ＬＥＤから任意角度で放射した光は、入射面が平面である場合より入射角度が大きくなるため、光路は法線Ａに近付くように入射する。この結果、反射面の大きさをより小さくすることができるようになる。従ってこの実施形態によれば、光源装置のいっそうの小型化を実現することができる。
ＬＥＤ１０中心から放射した光が導光体２１内を通過する時の光路（Ｌ３）と、ＬＥＤ１０の光軸（同図では法線Ａ上に位置される）との間の角度θが、常に４２°以内になるような緩やかな面により構成されれば、ＬＥＤ１０からの光を洩れなく捕捉することができるようになる。

無論、入射面の構成としては、上記第２の実施形態の形態に限定されることなく変更が可能である。例えば、図７の第４の実施形態に示すように、断面図においてＬＥＤ１０に向かって凹状となるような曲面で構成することも可能である。
図７において、仮想線Ｃ３で示す円は、その中心が入射面２５Ｃに対してＬＥＤ１０側に位置するものとなっており、入射面２５Ｃはこの仮想線Ｃ３に沿う二次曲面で構成されている。
このように入射面２５Ｃは、導光体２１における一方の側面２２が窪みを有するように曲面が構成されており、入射面２５Ｃにおける法線（Ａ，Ａ’’）は、その曲面の構成に従って変位するように構成される。このように、断面図において入射面が窪みを有するような曲面で構成される場合は、入射面２５Ｃに戻る光線を少なくすることができるので、ＬＥＤ１０や基板１１に入射する光を少なくでき、光損失を低減することができるようになる。

無論、この実施形態に係る光源装置においても、前述と同様、ＬＥＤ１０中心から放射した光が導光体２１内を通過する時の光路（Ｌ４）と、ＬＥＤ１０の光軸（同図では法線Ａ上に位置される）との間の角度θが常に４２°以内になるような緩やかな面により構成されていることで、ＬＥＤ１０からの光を洩れなく捕捉することができ、先に説明したことと同じ作用効果が得られるようになる。

図８は、本発明の第５の実施形態を説明する断面図である。この実施形態は、上述した第２の実施形態において、反射面の構成を変更したものである。なお、以下の説明において、図１ないし図７において説明した部分と同じ部分は同じ符号で示し、説明も省略する。
本実施の形態では、図８の断面図において、反射部材２０における反射面２３Ｂの形状が、断面図において、ＬＥＤの位置に焦点を有する放物の一部によって構成されており、対向する出射面２２Ｃの形状が円の一部によって構成されている。なお、ここでは一つの断面で示しているが、このような反射面２３Ｂおよび出射面２２Ｃの二次曲面は、導光体２１の長手方向における全長に亘って施されている。

このような構成によれば、ＬＥＤ１０から出射した光が、光路Ｌ５をたどる場合、ＬＥＤ１０からの光は４２°以内の角度に屈折されて導光体２１内を通過して対向する位置に形成された反射面２３Ｂに入射する。そして、反射面２３Ｂの放物の形状に従って法線Ａに平行な方向に反射され、導光体２１内を通過する。かかる反射光は、第１の側面２２により形成された出射面２２Ｃから出射し、屈折が生じて光の照射面Ｐ１を照射する。
また、ＬＥＤ１０から出射した光が光路Ｌ６をたどる場合も、上述と同様に、入射平面（２５Ａ）の法線Ａに対して４２°以内の角度に屈折し、導光体２１の内部を通過して反射面２３Ｂに入射する。反射光は、平行光に変換された後、導光体２１の出射面２２Ｃを通過して、光の照射面Ｐ１を照射する。
このようにして反射面２３Ｂを放物の一部によって構成する場合には、上述した楕円を例とした実施形態に比較して光学設計が容易になるという利点がある。

以上、本発明に係る光源装置について、種々の形態について説明した。このように本発明によれば、反射部材における反射面と出射面の両方の面を、ＬＥＤと照射面との距離やその他の構成に従って適宜に変更することができるようになる。従って、ＬＥＤからの光を効率よく捕捉しつつ、従来技術では困難であった反射面の構成の小型化を実現することができ、光源装置をできるだけコンパクトに構成することが可能になる。

１ 光源装置
１０ ＬＥＤ
１１ 基板
２０ 反射部材
２１ 導光体
２２ 第１の側面
２３Ａ，２３Ｂ 反射面
２３ 他の側面
２２ 第２の側面
２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ 出射面
２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ 入射面
２３１ 反射層

Claims (4)

1. 細長い基板の長手方向に並んで配置された複数のＬＥＤと、このＬＥＤの光を反射する反射部材を備えた光源装置において、
   前記反射部材は、光透過性を有する棒状の導光体を備え、該導光体にその長手方向に、互いに対向する第１の側面と第２の側面とが形成され、
   前記第１の側面は、該ＬＥＤからの出射光が空気層を介して入射するよう構成された入射面と、該ＬＥＤからの光が当該導光体を透過して出射される出射面とを具備し、
   前記第２の側面は、その表面が二次曲面状に構成され、かつ、該第２の側面上に反射層が形成されることによって形成された反射面を具備し、
   前記ＬＥＤの放射光が、前記入射面から入射したのち、該導光体を通過し、前記反射面で反射されることによって、前記出射面から出射する
   ことを特徴とする光源装置。
2. 前記反射面は、前記反射部材の長手方向に直交する断面形状が楕円の一部により構成され、
   前記出射面は、前記反射部材の長手方向に直交する断面形状が、前記反射面の集光点に一致する前記楕円の焦点位置に中心を有する円の一部により構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記反射部材の入射面は平面により構成されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光源装置。
4. 前記入射面は二次曲面により構成されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光源装置。

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