JP2013048311A - 光照射装置及び画像読み取り装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の光源からの光を導光体で導いて光照射する光照射装置において、装置を大型化することなく発光面法線方向と直交する方向の端部での光量を確保する。
【解決手段】複数のＬＥＤ１０から出射された光を導光体１１を通して原稿に照射する光照射装置であって、複数のＬＥＤ１０は、発光面法線と直交する方向に所定間隔をもって配置され、導光体１１は、ＬＥＤ１０の発光光量が半値となる光が導光体１１における発光面法線と直交する方向の側面で反射するとき、光軸に対する半値となる光の発光方向のなす角度をφ1、発光面法線に対する導光体の側面のなす角度をθ、導光体の屈折率をＮ、としたとき、−２８＜arcSin（１/Ｎ×Sinφ1）−２θ＜２８となる条件を具備することを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は原稿等に光を照射する光照射装置及びこれを備えた画像読み取り装置に関する。

従来、イメージスキャナ、複写機、ファクシミリなどで原稿を読み取る画像読み取り装置にあっては、原稿への光照射部材として蛍光灯などの管状光源を用いていた。しかし、近年ではＬＥＤを光源として用い、複数のＬＥＤを一列に配列して光照射する構成が広く用いられている。

ＬＥＤを用いた画像読み取り装置の場合、図８に示すように、ＬＥＤ１００からの光を導光体１０１によって所定位置に導くことで原稿台ガラス上の原稿に光照射し、このＬＥＤ１００及び導光体１０１をスキャンする。そして、原稿からの反射光をミラー１０２で反射させるとともに、レンズ１０３を介して結像光学系１０４に結像する。

一般に一様な照明光で原稿に光照射して結像光学系１０４に結像する場合、画角をθとしたとき、光軸上の明るさ１に対して画角θの位置ではCosθの４乗の明るさになる（Cos４乗特性）。例えば、画角２５度であれば、光軸上の明るさを１とすると、画角２５度の位置では０.６７の明るさになる。このため、発光面と平行な方向（主走査方向）の端部、すなわち原稿の幅方向端部を照射する光が少なくなる。

そこで、画像読み取り装置に用いられる光照射装置では、被照射面が一様な明るさではなく、画角が増えるにつれて端部を明るくするようにした提案がなされている。例えば、特許文献１では結象レンズのCos４乗特性を予め補正するように、多数個のＬＥＤからの発光量および各ＬＥＤ間の配列ピッチのうち、少なくとも一方を可変にすることで端部を明るくする提案が開示されている。

また、多数個のＬＥＤからの光をそのまま被照射面に照射した場合、無駄になる光が多くなる。そこで、ＬＥＤからの光を効率よく被照射面に照射する方法として導光体についても提案がなされている。例えば、特許文献２では導光体の光入射面に複数のＬＥＤチップからなるＬＥＤアレイを配置し、その光を導光体で所定位置に導いて光照射する。このとき、導光体は柱状であって、光源からの光が入射する光入射面、その上下に位置する上面および下面、さらに下面との内角が鈍角となるように形成された蹴り上げ面、さらに上面と蹴り上げ面との間に光を外部へ射出する光射出面を有する柱状に形成している。そして、前記光入射面から光射出面へ向かうにつれて肉厚が増加するように構成している。このように、下面と上面が光入射面から離れるほど互いの間隔が増加することで、下面および上面に対する光の入射角が鈍角になり、導光体内部での全反射が促され、光射出面へ向かう光量が増加するようになる。

特開昭６１−１４２８５７号公報 特開２００９−２７２２１５号公報

上述の特許文献１に開示された従来技術では、多数個のＬＥＤが配列された方向（主走査方向）の中央部に対して端部の光量を増やすことは可能である。しかし、光源から広がる光を集光する手段がないため、読み取り位置以外にも光が照射してしまい、光量の損失が大きい。このため、十分な光量を確保するには光源の数を増やす必要があり、装置が大型化してしまうことになる。そこで、特許文献２のような導光体を用いることにより、読み取り位置以外に照射光が行かないようにすることが考えられる。

しかしながら、特許文献２にあっては、結象光学系のCos４乗則を考慮したものでないため、画角の大きい結象光学系を用いた場合、主走査方向の端部での光量落ちが発生してしまう。一方、主走査方向にCos４乗則を考慮した光量分布にするには、ＬＥＤアレイが実際に結象光学系で読み取る幅よりも、かなり大きくしなければならなくなる。

本発明は上記点に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の光源からの光を導光体で導いて光照射する光照射装置において、装置を大型化することなく光軸と直交する方向の端部での光量を確保することが可能な光照射装置及びそれを用いた画像読み取り装置を提供するものである。

上記目的を達成するための本発明に係る代表的な構成は、複数の光源をから出射された光を導光体を通して被照射体に照射する光照射装置であって、前記複数の光源は、発光面の面法線方向と直交する方向に所定間隔をもって配置され、前記導光体は、前記光源の発光光量が半値となる光が前記導光体における前記発光面の面法線方向と直交する方向の側面で反射するとき、前記発光面の面法線方向に対する前記半値となる光の発光方向のなす角度をφ1、前記発光面の面法線方向に対する前記導光体の前記側面のなす角度をθ、前記導光体の屈折率をＮ、としたとき、−２８＜arcSin（１/Ｎ×Sinφ1）−２θ＜２８となる条件を具備することを特徴とする。

本発明にあっては、光源の発光面の面法線方向に対する光量が半値となる光の発光方向のなす角度と、前記発光面の面法線方向に対する導光体の前記方向と直交する方向の側面のなす角度を所定の関係にすることで、前記側面付近での光量を確保しつつ、装置の大型化を抑制すること可能となる。

本発明の実施形態に係る画像読取装置の模式説明図である。 光照射装置の模式上視図である。 ＬＥＤからの光が導光体に入射して出射する状態を示す模式説明図である。 従来技術の導光体における主走査端面で反射した光の経路説明図である。 本実施形態の導光体の主走査端面の傾きと、光の経路説明図である。 導光体の主走査端面で反射した光の状態説明図である。 図６の要部拡大説明図である。 従来技術の説明図である。

次に本発明の一実施形態に係る光照射装置を用いた画像読み取り装置について、図面を参照して説明する。

＜全体構成＞
図１は原稿流し読み方式による画像読み取り装置の模式断面図であり、原稿Ｇが搬送ベルト１によって原稿台ガラス２上を搬送され、これを光照射装置Ａによって光照射して原稿情報を読み取るものである。

すなわち、搬送される原稿が読み取り位置Ｐを通過する際に、光照射装置Ａから光照射される。光の被照射体である原稿で反射した光はスリット３を通過して反射ミラー５で反射され、レンズ６を介して結像素子７に結像する。この結像素子７で光電変換処理が行われ、図示しないプリンタ等に伝送されて画像記録が行われる。

光照射装置Ａは光源となる複数のＬＥＤ１０が導光体１１の光入射面に沿って一列に配置され、ＬＥＤ１０からの光が導光体１１によって導かれ、原稿読み取り位置Ｐへ照射されるように構成されている。

＜光照射装置＞
図２は光照射装置の模式上視図である。本実施形態の光照射装置Ａは、一列に配列された複数のＬＥＤ１０と、その光を導く導光体１１で構成されている。そして、本実施形態の画像読取装置は、図２に示すように、同一構成の２個の光照射装置Ａが副走査方向（原稿搬送方向と平行な矢印ａ方向）において読み取り位置Ｐ（図１参照）を中心にして対称的に配置されている。このように、読み取り位置に対して副走査方向の両側から光照射することにより、原稿へ照射する光量を上げることができる。

光照射装置Ａの複数のＬＥＤ１０は導光体１１の光入射面側の主走査方向（副走査方向と直交する矢印ｂ方向）に所定間隔をもって一列に配置されている。ここで、上記のように２個の光照射装置Ａによって読み取り位置の両側から光照射する場合、それぞれの光照射装置ＡのＬＥＤ１０の位置を主走査方向で同じ位置に配置すると、ＬＥＤ１０の有るところと無いところでの明るさの差が大きくなり、照度ムラを生じてしまう。そこで、本実施形態では、図２に示すように、対向した２個の光照射装置ＡのそれぞれのＬＥＤ１０が主走査方向（矢印ａ方向）で互い違いの位置となるように配置している。これにより、主走査方向での照度ムラを改善している。

（光軸と導光体の側面角度）
次に、ＬＥＤ１０から出射した光の光軸と導光体との関係について説明する。図３は本実施形態の光照射装置Ａにおいて、ＬＥＤ１０から導光体１１に入射した光が屈折、反射しながら出射する状態を示す模式上視図である。

ＬＥＤ１０は導光体１１の入射面１１ａに近接し、主走査方向に所定間隔をもって配置されている。ＬＥＤ１０から出射した光は、入射面１１ａから導光体１１に入射し、導光体１１の上面１１ｂ（図１参照）と下面１１ｃ（図１参照）を全反射しながら副走査方向に導かれる。このとき、前記光は主走査方向に広がり、出射面１１ｄからは導光体１１の屈折率による影響で向きを変えて出射する。

そして、ＬＥＤ１０からの光の発光面１０ａ（図５参照）の面法線方向（以下「発光面法線方向」）である副走査方向と直交する方向である主走査方向における導光体１１の側面（以下「主走査端面」という）１１ｅ１，１１ｅ２に到達した光は、主走査端面１１ｅ１，１１ｅ２で全反射して向きを原稿端部方向に変えて出射面１１ｄから出射していく。そして、原稿面を照射し、反射した光がスリット３を通って、反射ミラーやレンズ等の結象光学系を通り、結像素子に到達する。

ここで、導光体に入射した光が主走査端面で反射する場合について説明する。図４は従来技術に係る導光体の説明図である。従来の導光体は、図４に示すように、主走査端面が発光面法線方向と略平行に構成されていた。このため、導光体１１１の入射面１１１ａ側に配置されたＬＥＤ１１０から出射した光が主走査端面１１１ｅ１に到達し、一部の光は全反射して一部の光は屈折して外部に出射する。全反射した光は方向を変え出射面１１１ｄから出射するが、その方向の多くは主走査方向の中央方向に向いている。

また、主走査端面で屈折した光は、主走査方向の読み取り領域外へと進んでいくため、最も光が必要な主走査方向の端部にあまり光が到達しない。

このように、主走査端面に向かった光が有効に使われておらず、原稿の主走査方向端部に照射する光量を上げるには導光体１１１の主走査方向をその読み取り領域よりも長くし、端部近傍の読み取り領域外にもＬＥＤを配置する必要がある。このため、照射装置の主走査方向サイズが大きくなって、大型化すると共に、ＬＥＤの数を増やさなければならなくなってしまう。

この大型化を回避するため、本実施形態にあっては導光体の主走査端面の形状を所定角度で入射面側から出射面側に向けて広がるように構成するものである。これにより、主走査端面に至った光が主走査方向の領域外や中央側に寄り過ぎないようし、読み取り位置における主走査方向端部に向かうようにするものである。

図５は本実施形態のＬＥＤ１０から出射した光の発光面法線方向と導光体端部の角度の関係を説明する図である。なお、図５は一方側の主走査端面１１ｅ１のみを示しているが、他方側の主走査端面１１ｅ２も同様である。

図５に示すように、本実施形態の導光体１１は一方の主走査端面１１ｅ１がＬＥＤ１０の発光面の面法線方向、すなわちＬＥＤ１０から出射する光の光軸と平行な発光面法線Ｌの方向に対して角度θだけ傾斜している。このような導光体１１に入射した光がどのように出射するかについて、主走査方向で最も主走査端面側にあるＬＥＤ１０からの発光光量が半値となる光により説明する。

図５に示すように、ＬＥＤ１０からの光量が半値となる光の発光方向は、発光面法線Ｌに対して角度φで導光体１１の入射面１１ａに入射し、導光体１１の屈折率Ｎにより角度φ1で屈折する。この角度φ1はスネルの法則からarcSin（１/Ｎ×Sinφ）である。

前記角度φ1に屈折した光は発光面法線Ｌに対して角度θで傾斜している導光体の主走査端面１１ｅ１に到達する。このとき、到達した光が主走査端面１１ｅ１で全反射するように、発光面法線Ｌに対する主走査端面１１ｅ１の角度θを設定する。

例えば、導光体１１をポリカーボネートやアクリル等の樹脂材料で構成した場合、導光体の屈折率Ｎは１.５前後であるため、主走査端面１１ｅ１で全反射するための入射角度（φ1−θ）はarcSin(1/1.5)であるから、４２°程度となる。よって、主走査端面１１ｅ１に入射する角度φ1−θが、(φ1−θ)≦４２°になるように、主走査端面１１ｅ１を傾斜角度θを設定する。

上記のように、導光体１１に入射した光のうち、主走査端面１１ｅ１に到達した光が全反射することで、導光体１１の主走査端面１１ｅ１から光が外部に漏れることなく、原稿面へと無駄なく向かうようになる。

なお、図５では主走査端面１１ｅ１全体が角度θで傾いているが、光源のＬＥＤの配光特性に応じて、光と主走査端面との交点が傾いていれば良い。このため、主走査端面１１ｅ１は曲面で構成されていても良く、出射面１１ｄの主走査方向幅が入射面の主走査方向幅よりも大きくなるように構成されていれば良い。

上記のように角度θで傾いた主走査端面１１ｅ１に、発光面法線Ｌに対して角度φ1で入射した光は主走査端面１１ｅ１で全反射し、発光面法線Ｌに対してφ1−２θの角度で出射面に向かう。さらにその光は出射面１１ｄで屈折し、角度φ2で出射して原稿面に向っていく。このとき出射面１１ｄからの光の角度（以下「出射角度」という）φ2＝arcSin（Ｎ×Sin（φ1−２θ））が大きいと、光は原稿面に到達した時に主走査方向の読み取り領域外に照射し、あるいは中央へ向かってしまう。

そこで、本実施形態では導光体１１から出射した光が主走査方向の中央に寄りすぎることなく、かつ、外方へ拡散することがないように、前記出射角度φ2が所定範囲内にあるように構成するものである。前記出射角度φ2について、実験により角度を変えて確認した結果、出射角度φ2が、−４５°＜φ2＜４５°、より好ましくは−３０°＜φ2＜３０°の範囲にあることが望ましいものであった。

出射角度φ2が−４５°よりも小さいと、出射光が主走査方向中央側に寄り過ぎて原稿端部への光照射効果が減少した。また、出射角度φ2が４５°よりも大きいと、出射光が主走査方向端部から外れて過ぎて、この場合も原稿端部への光照射効果が減少した。

そのため、本実施形態では出射角度φ2が±４５°の範囲となるように、発光面法線Ｌに対する導光体１１の主走査端面の角度θを設定している。すなわち、
−４５＜arcSin（Ｎ×Sin（φ1−２θ））＜４５・・・（式１）
の条件を具備するように構成している。このためには、
φ2＝φ1−２θ＝arcSin（１/Ｎ×Sinφ）−２θ
であるから、
−２８＜arcSin（１/Ｎ×Sinφ）−２θ＜２８・・・（式２）
となるように、導光体１１の屈折率Ｎ、主走査端面角度θ、光源からの入射角度φ1を設定している。

上記のように構成することで、主走査方向に配列された複数のＬＥＤのうち、端部付近のＬＥＤから導光体１１に入射した光は、主走査端面１１ｅ１で全反射して原稿面に向かって出射するようになる。そして、導光体１１から出射した光は、主走査方向の外方へ拡散することがなく、また、主走査方向中央部へ向かい過ぎることがなく、原稿面の主走査方向端部での光量が上がり、該端部を効果的に照射するようになる。

また、本実施形態にあっては、導光体１１の入射面１１ａ側の主走査方向に一列に配置された複数のＬＥＤ１０は、配置された間隔が配置方向の中央部よりも端部に向かうにつれて狭くなるように配置されている。このように配置することにより、均等間隔で配置する場合よりも主走査方向端部の光量を上げることができる。

（左右両側の側面角度）
また、本実施形態では、図１に示すように、原稿読み取り位置を中心に副走査方向の対称位置にそれぞれ光照射装置Ａを配置し、読み取り位置の両側から光照射することで光量を上げている。このとき、前述したように対向する光照射装置Ａにそれぞれ配置されたＬＥＤ１０は主走査方向で互い違いの位置になるように配置され（図２参照）、読み取り位置に照射する光の照度ムラをなくしている。

ここで、同一構成の２個の光照射装置Ａを対向させて配置し、ＬＥＤの位置を主走査方向で互い違いに配置する場合、図２に示すように、一方側の主走査端面１１ｅ１と、他方側の主走査端面１１ｅ２での該端面からのＬＥＤ１０の位置は異なっている。このため、導光体１１の主走査端面に光が当たる位置も、それぞれの端面で変化してくる。したがって、導光体１１の両側の主走査端面を左右対称の形状にすると、いずれか一方の主走査端面では、本来光を導きたい方向に光がいかなくなってしまう。

そのため、本実施形態の導光体１１では主走査方向両側の主走査端面において、前述した式２の条件を具備し、読み取り位置での主走査端部の光量を減らさないように、左右で発光面法線に対する角度θ（θ1、θ2）を異ならせている。すなわち、本実施形態の導光体１１は主走査方向中心に対して左右両側の主走査端面の形状が非対称となっている（図２参照）。

これにより、左右いずれの主走査端面の最端部にあるＬＥＤから出射した光量半値の光は、それぞれの主走査端面で全反射するとともに、導光体１１から出射した光が原稿の読み取り位置の主走査方向端部へ効果的に照射する。

そして、同一構成の２個の光照射装置Ａを対向させて配置することで、ＬＥＤの配置が主走査方向で違い違いとなる。

（スリット部と導光体の主走査方向長さ）
主走査端部の光量の落ちを防ぐため、従来より光源を読み取り位置へ光を照射するスリット３の主走査方向長さよりも外側に配置し、導光体の主走査方向長さをスリットの主走査方向長さよりも長くすることが行われている。しかし、その場合は前述したように光照射装置が大型化してしまう。

しかし、導光体１１の主走査方向長さをスリットの長さと同じにすると、導光体１１の主走査方向両側には、これを筐体に取り付けるための取付部が設けられるため、該取付部を導光体が光反射する有効部の一部を使うことになり、光量の損失を招くことになる。

そこで、本実施形態では、図６及び図７に示すように、主走査方向両端部に取付部１１ｆを有する導光体１１の主走査方向長さＬ1をスリット３の主走査方向長さＬｓよりも少し長くなるように構成している。具体的には、１.０＜Ｌ１/Ｌｓ＜１.２となるように構成している。そして、この導光体１１の主走査方向両端部に取付部１１ｆを設けている。

上記のように導光体の主走査方向長さをスリットの長さよりも若干長くすることで、原稿へ照射する光量の損失を減らしつつ光照射装置の大型化を防ぐことができる。

＜実施例＞
ここで、本実施形態に係る光照射装置の具体的な例を、図６、図７を参照して説明する。なお、図６は導光体を主走査方向から見た概略図、図７は主走査方向端部の拡大図である。

導光体１１の入射面１１ａ側に配置されたＬＥＤ１０から出射された光は、入射面１１ａから導光体１１に入射し、導光体１１の内部を通り、出射面１１ｄから出射して原稿台ガラス上の原稿に照射される。このとき、図５、図６に示すように、主走査方向の最端部のＬＥＤからの光は導光体１１の内部に入り、主走査端面１１ｅ１，１１ｅ２に向った光はそれぞれの主走査端面１１ｅ１，１１ｅ２で全反射して方向を変え、原稿がある方向に向きを変えて出射面１１ｄから出射する。

この実施例の導光体１１は、材質がアクリルで構成され、屈折率Ｎは1.492である。そして、光源であるＬＥＤの発光面法線方向に対する一方の主走査端面１１ｅ１の傾き角度θは１５°、他方の主走査端面１１ｅ２の傾き角度θは１８°に構成されている。そして、図示されている光線はＬＥＤ１０の面法線、すなわち発光面法線方向から±７０°でＬＥＤ中心からの光線が描かれている。この±７０度はおよそＬＥＤの指向特性より面法線方向の照度を１００％としたときに３０％になる角度である。この角度を超えるとＬＥＤから出射する照度が急激に落ち始めるため、この角度に設定している。

なお、図５ではＬＥＤ１０の１点から光線が出ているが、実際にはもう少し広い範囲から光が出射しているため、主走査端面１１ｅ１の反射している範囲はもう少し広い範囲になる。

このとき、主走査方向最端部に配置されたＬＥＤ１０は、導光体１１との位置関係が決まるように、ＬＥＤ位置決め部１３に当接されている。そして、前記ＬＥＤ位置決め部１３の主走査方向外側に導光体１１を位置決めして取り付けるための取付部１４が設けられていて、不図示の画像読み取り装置の筐体に取りつけられている。

また、実際に読み取り幅を規定しているスリット３の主走査方向の長さは３２０ｍｍ、導光体１１の主走査方向の長さは３２６ｍｍとなっており、Ｌ１/Ｌｓは１.０２の比で導光体が長くなっている。

そして、導光体１１の副走査方向の長さを決めている入射面と出射面との長さは１４ｍｍで最も端部に配置されたＬＥＤ１０から主走査方向で近い側の主走査端面１１ｅ１までの主走査方向の長さは４.５ｍｍでとなっている。これにより、導光体の主走査端面での反射光が少なくならないようにしつつ、大型化を防いでいる。

なお、前述した実施形態では光照射装置を用いた画像読取装置として、原稿を流し読みする装置を例示したが、原稿を原稿台ガラスに固定し、光照射装置を移動させて原稿を読み取る装置であっても、本発明の光照射装置を好適に用いることができる。

Ａ …光照射装置
Ｇ …原稿
Ｌ …光軸
Ｐ …読み取り位置
１ …搬送ベルト
２ …原稿台ガラス
３ …スリット
５ …反射ミラー
６ …レンズ
７ …結像素子
１０ …ＬＥＤ
１１ …導光体
１１ａ …入射面
１１ｂ …上面
１１ｃ …下面
１１ｄ …出射面
１１ｅ１，１１ｅ２ …主走査端面
１１ｆ …取付部
１３ …ＬＥＤ位置決め部
１４ …取付部

Claims (5)

1. 複数の光源をから出射された光を導光体を通して被照射体に照射する光照射装置であって、
   前記複数の光源は、発光面の面法線方向と直交する方向に所定間隔をもって配置され、
   前記導光体は、前記光源の発光光量が半値となる光が前記導光体における前記発光面の面法線方向と直交する方向の側面で反射するとき、
   前記発光面の面法線方向に対する前記半値となる光の発光方向のなす角度をφ、
   前記発光面の面法線方向に対する前記導光体の前記側面のなす角度をθ、
   前記導光体の屈折率をＮ、としたとき、
   −２８＜arcSin（１/Ｎ×Sinφ）−２×θ＜２８
   となる条件を具備することを特徴とする光照射装置。
2. 前記複数の光源が配置される間隔は、配置方向の中央部よりも端部が狭い間隔であることを特徴とする請求項１記載の光照射装置。
3. 前記導光体は、前記発光面の面法線方向と直交する一方側の側面が前記発光面の面法線方向に対してなす角度と、他方側の側面が前記発光面の面法線方向に対してなす角度が異なることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光照射装置。
4. 前記導光体から出射した光がスリットを通して前記被照射体に照射されるように構成され、前記導光体の前記発光面の面法線方向と直交する方向の長さが前記スリットの長さよりも長いことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光照射装置。
5. 光照射装置により画像に光照射し、その反射光により画像を読み取る画像読み取り装置において、
   前記光照射装置として、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光照射装置を備えたことを特徴とする画像読み取り装置。

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