JP2013197606A - 画像読取装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照明効率が高く、照明深度が大きく、更にはリップルの発生を抑制可能な、薄型の画像読取装置を提供する。
【解決手段】本発明による画像読取装置は、原稿Ｍを照明するための照明光を発生する照明装置１と、照明装置１からの照明光が入射し、該照明光を原稿Ｍへ導光する透明部材５と、原稿からの反射光を結像させる結像光学系３と、結像光学系３によって結像した光を電気信号に変換する光電変換素子４とを備え、透明部材５は、照明装置１からの照明光が入射する際に、原稿Ｍに対してほぼ垂直に交差する方向へ屈折させ、かつ、原稿Ｍからの反射光を全反射させる界面５ａを有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、画像読取装置、特にファクシミリ、コピー機、スキャナ等に使用される画像読取装置に関する。

特許文献１において、カバーガラスと併用した透明基板にＬＥＤとセンサをアレイ状に設置すると共に、前記透明基板と平行に設置されたロッドレンズアレイの前後に４５°に切ったハウジングを設置して、原稿からの反射光を前記ハウジングの４５°に切った面で反射させセンサまで導くことで読取装置の薄型化が行われた画像読取装置が開示されている。

特許第３０６８７１７号

ＬＥＤアレイ及びセンサを設置した基板と撮像系とを設置した場合、ＬＥＤアレイと原稿との間にレンズ等の集光部品を入れることができないため、原稿面上に照明光が集まらず、照明効率が悪い。また、原稿との距離が離れると原稿面上の照度が急激に低下するため、照明深度が取れず、原稿が浮いた場合に充分照明できないという問題がある。また、原稿面とＬＥＤアレイの距離が近いため、ＬＥＤアレイを構成するＬＥＤからの光が主走査方向に充分広がらず、原稿面上に照度ムラ（リップル）が発生しやすいという問題がある。

本発明の目的は、照明効率が高く、照明深度が大きく、更にはリップルの発生を抑制可能な、薄型の画像読取装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る画像読取装置は、原稿を照明するための照明光を発生する照明装置と、照明装置からの照明光が入射し、該照明光を原稿へ導光する透明部材と、原稿からの反射光を結像させる結像光学系と、結像光学系によって結像した光を電気信号に変換する光電変換素子とを備え、透明部材は、照明装置からの照明光が入射する際に、原稿に対して交差する方向へ屈折させ、かつ、原稿からの反射光を全反射させる界面を有することを特徴とする。

また、第２の態様に係る画像読取装置は、第１の態様に係る画像読取装置において、結像光学系及び光電変換素子が第１主面に、照明装置が第２主面にそれぞれ設置された基板と、透明部材の界面に対向して設けられた凹面部を有し、該凹面部で照明光を反射して透明部材へ入射させるミラーとを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、照明装置からの照明光は、ミラーの凹面部で照明光を反射して集光され、透明部材の界面で原稿に対してほぼ垂直に交差する方向へ屈折するため、照明効率を高く、照明深度を大きくすることができる。また、基板の第２主面に光源を設置したことにより、光源と原稿との距離を充分確保できるため、隣り合う光源からの光が混ざり合い、それゆえリップルを抑制することができる。

本発明の実施の形態１による画像読取装置の斜視図である。 本発明の実施の形態１による画像読取装置の断面図である。 本発明の実施の形態１による画像読取装置の展開図である。 本発明による画像読取装置の回路図である。 原稿に照射された照明光の照明範囲を示す図である。 第１傾斜面に入射する照明光の屈折を示す図である。 第１傾斜面で原稿からの反射光が全反射する様子を示す図である。 本発明の実施の形態２による画像読取装置の断面図である。 本発明の実施の形態３による画像読取装置の断面図である。 本発明の実施の形態４による、平面−凹面ミラーが設置された画像読取装置の断面図である。 本発明の実施の形態４による、２曲面ミラーが設置された画像読取装置の断面図である。

本発明の実施形態である画像読取装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による画像読取装置の斜視図である。本発明による画像読取装置１０は、密着イメージセンサ（ＣＩＳ）である。図１に示すように、ｘ方向を主走査方向、ｙ方向を副走査方向、ｚ方向を読取深度方向とする。

図２は、本発明の実施の形態１による画像読取装置の、図１のＡ−Ａ’での断面図である。原稿Ｍは、例えば、紙幣、有価証券、その他の一般文書のイメージ情報である被読取媒体（被照射体）である。

光源１は、アレイ状のＬＥＤ光源を用いることができ、基板６の下面に、ｘ方向に並べて実装される。光源１は、原稿Ｍを照明するための照明光を発生する。

ミラー２は、例えば樹脂やガラスで構成することができ、ｘ方向に延在している。ミラー２の凹面部２aには、例えば金属が蒸着され、或いは金属を研磨して鏡面としたものが設置され、反射面を形成する。凹面部２aは、透明部材５の界面に対向して設けられ、該凹面部２aで照明光を反射して透明部材へ入射させる構成を有する。また、光源１とミラー２との間に散乱シート等を設置してもよい。

ミラー２が有する凹面部２aは、例えば放物面である。放物面の焦点の位置に光源１を設置した場合、ミラー２で反射された光は平行光となる。それゆえ、原稿Ｍまでの距離が遠くなっても光が広がらないため、最も効率よく照明することができる。また、焦点からずらして光源１を設置する場合でも、照明光は凹面部２aでの反射時に集光され、原稿Ｍを効率よく照明することができる。この場合、光源１の設置精度を下げることができる。代替として、凹面部２aは、楕円面又は自由曲面とすることができる。

結像光学系３は、アレイ状に配列したロッドレンズを用いることができ、基板６の上面に設置されている。結像光学系３は、光軸が読取面（原稿面）に平行に配置されており、原稿Ｍからの反射光をセンサＩＣ４に結像させる構成を有する。

センサＩＣ４は、結像光学系３で収束された光を受光し、光電変換して電気信号を出力する。センサＩＣ４には、半導体チップ等で構成された受光部、その他の駆動回路等が搭載されている。

透明部材５は、アクリル、ポリカーボネート等の透明樹脂、又は透明ガラス材等により構成することができる。透明部材５は、結像光学系３の光軸に対して４５°度傾斜した第１傾斜面５ａ、第２傾斜面５ｂを有する。第１傾斜面５ａは、ミラー２で反射された照明光が透明部材５に入射する入射面であり、原稿Ｍで反射された光が全反射する反射面である。

基板６には、光源１、結像光学系３、センサＩＣ４、外部コネクタ８、その他ＡＳＩＣ１１等の電子部品が設置される。信号処理ＩＣ（ＡＳＩＣ）１１は、ＣＰＵ（中央処理装置）１２ａやＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）１２ｂと連動して、センサＩＣ４により受光した光電変換出力等を信号処理する。ＡＳＩＣ１１のＣＰＵ１２ａ、ＲＡＭ１２ｂ及び信号処理回路１２ｃをまとめて信号処理部１２と呼ぶ。

透明体７は、透明部材５と同様に、アクリル、ポリカーボネート等の透明樹脂、又は透明ガラス材等により構成することができる。そのため、透明体７と透明部材５とを一体化してもよい。透明体７は、原稿Ｍの搬送経路を形成し、画像読取装置１０の内部に混入する異物等を防止する。

外部コネクタ８は、センサＩＣ４の光電変換出力、その信号処理出力を含む入出力信号インターフェース用として用いる。

図３は、本発明の実施の形態１による画像読取装置の展開図である。本実施形態では、ミラー２、結像光学系３、センサＩＣ４は、原稿Ｍの有効読取幅（主走査方向の有効読取幅）と同等以上の長さを有する。

次に、図４〜図７を用いて、本実施形態に係る画像読取装置１０の作用及び効果を説明する。
図４は、本発明による画像読取装置の回路図である。最初に、ＡＳＩＣ１１が、ＣＰＵ１２ａに連動して、光源駆動回路１４に光源点灯信号を送信する。光源駆動回路１４は、受信した光源点灯信号を基に、各光源１に所定時間電源を供給する。光源１が発生する照明光は、ミラー２の凹面部２ａで反射し、集光されて透明部材９の第１傾斜面に入射する。

ミラー２で反射した照明光が、屈折率の小さい空気層から屈折率の大きい透明部材５に入射する際、全反射は起こらず、原稿Ｍに対して垂直なｚ方向へ近づく方向に屈折する。透明部材５に入射した照明光は、透明体７を通って原稿Ｍに入射する。

図５は、原稿に照射された照明光の照明範囲を示す図である。Ｍａは、原稿Ｍが透明体７に密着している状態、Ｍｂは、原稿Ｍが浮いており、結像光学系３の最大読取深度の位置にある状態を示している。画像を読み取る際には、原稿Ｍａ上の照明範囲１５及び原稿Ｍｂ上の照明範囲１５を、均一な照度で照明する必要がある。それゆえ、照明範囲１５よりも広い照明幅１６に照明を行う必要がある。

ここで、照明範囲１５の幅をＬ、照明幅１６をｗ、原稿Ｍへの入射角に等しい透明体７からの出射角をθ_ｏｕｔ、原稿Ｍａと原稿Ｍｂとのｚ方向の間隔をｈとして、下記の式（１）が成立する。

Ｌ＝１ｍｍ、ｈ＝３ｍｍ、θ_ｏｕｔ＝１０°の場合、照明幅１６は、ｗ＝１．５ｍｍである。一方、θ_ｏｕｔ＝４５°の場合、照明幅１６は、ｗ＝４ｍｍである。上記の式（１）より、原稿Ｍへの入射角θ_ｏｕｔが大きいほど、照明幅１６を広くする必要があることがわかる。

それゆえ、原稿に対して垂直に近い角度で照明を行った方が副走査方向（ｙ方向）に照明を広げる必要が無く、照明面積を小さくすることができる。その場合、光源１からの発光量が同じであっても原稿上の光密度を大きくすることができるため、原稿Ｍを効率よく照明することができる。

図６は、第１反射面に入射する照明光の屈折を示す図である。簡単のため、透明体７及び透明部材５は屈折率が同じ材料で構成されているとする。第１傾斜面５ａに入射角θ_ｉｎで入射した光の屈折角をφとする。θ_ｉｎとφとの関係は、透明体７及び透明部材５の屈折率をｎとして、屈折の法則より、下記の式（２）で表される。

さらに、透明体７からの出射角θ_ｏｕｔは、屈折の法則より、下記の式（３）で表すことができる。

式（２）、式（３）より、入射角θ_ｉｎとθ_ｏｕｔの関係は、下記の（４）で表すことができる。

透明部材５や透明体７を構成するアクリル、ポリカーボネート等の透明樹脂又は透明ガラス材等は、通常、ｎ＝１．５程度の屈折率を有する。式（４）で、ｎ＝１．５とすると、例えば入射角θ_ｉｎ＝６０°とした場合、出射角θ_ｏｕｔ＝１４．７°である。原稿への入射角が最も垂直に近づくのは、入射角度θ_ｉｎ＝９０°のときであり、そのとき出射角θ_ｏｕｔ＝４．８°である。

図７は、第１反射面で原稿からの反射光が全反射する様子を示す図である。原稿Ｍで反射した光は、透明体７を通って、透明部材５の第１傾斜面に対して角度Ψで入射する。第１反射面で原稿Ｍからの反射光が全反射する角度Ψの条件は、下記の式（５）で表すことができる。

式（５）より、例えば屈折率ｎ＝１．５の場合の全反射する条件は、Ψ≧４１．８°であり、屈折率ｎ＝１．４の場合は、Ψ≧４５．６°である。透明部材５及び透明体７を、屈折率ｎが√２（≒１．４）以下の低屈折率材料で構成した場合、式（４）より出射角θ_ｏｕｔ＝０とすることは可能である。ここで、原稿Ｍからの反射光は、センサＩＣ４に原稿Ｍの画像を結像させるためには、第１傾斜面５ａに入射角Ψ＝４５°で入射する必要がある。よって、ｎ＝１．４の場合、第１傾斜面５ａ、第２傾斜面５ｂで全反射が起こらず、結像光学系３に対して光軸方向に光を入射させることができない。

原稿Ｍに平行光を垂直に入射させた場合、原稿Ｍ上の照度を最も大きくすることができる。しかし、以上の考察により、屈折率ｎが１．５程度の材料で透明部材５及び透明体７を構成した場合、原稿Ｍに対して照明光を垂直に入射させ、かつ、センサＩＣ４に原稿Ｍの画像を結像させることはできないことがわかる。

そこで、できるだけ透明部材５への入射角θ_ｉｎを大きくすることで、ミラー２からの反射光を、原稿に対して交差する方向へ屈折させることができ、その結果、照明効率が高くなる。また、原稿Ｍへの入射角θ_ｏｕｔが小さくなるため、照明深度を大きくすることができる。

結像光学系３に入射した光は、結像され、透明部材５を通って第２傾斜面５ｂに入射する。第２傾斜面は、結像光学系３の光軸に対して４５°傾斜しており、結像された光は全反射して、センサＩＣ４に入射する。

タイミングジェネレータのシステムクロック信号（ＳＣＬＫ）に同期して、ＣＩＳのクロック信号（ＣＬＫ）及びこれに同期したスタート信号（ＳＩ）がセンサＩＣ４に出力される。センサＩＣ４の受光部は、そのタイミングを用いて、光電変換されたアナログ出力（ＳＯ）を出力する。

アナログ出力ＳＯは、ＡＳＩＣ１１のＡ／Ｄ変換回路１３でアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換される。信号処理回路１２ｃでは、サンプル・ホールドを含むシェーディング補正や全ビット補正等が行われる。信号データの補正には、信号データを記憶したＲＡＭ領域と基準データを記憶したＲＡＭ領域からデータを採取し、演算加工する。これらの補正は、ＣＰＵ１２ａの制御の下で行われる。これらの補正により、センサＩＣ４の感度のばらつき、各光源１の不均一性等を減少させることができる。最終的に、ＡＳＩＣ１１で処理された信号は、外部コネクタ８から外部に、原稿Ｍの画像信号として出力される。

以上、本実施形態では、光源１からの照明光を、ミラー２の凹面部２ａで反射させることにより、照明光が集光される。さらに、集光された照明光は、透明部材５の第１傾斜面５ａで屈折し、垂直に近い角度で原稿Ｍに入射する。それゆえ、照明効率を高く、照明深度を大きくすることができる。さらに、凹面部２ａが放物面であり、光源１が放物面の焦点の位置に配置される場合には、ミラー２からの反射光が平行となるため、非常に照明効率が高くなる。

また、光源１は基板の下面に設置されており、光源１と原稿Ｍとの距離を充分確保できるため、隣り合う光源１からの光が混ざり合い、リップルを抑制することができる。さらに、光源１とミラー２の間に散乱シート等を設置した場合、より効果的にリップルを抑制することができる。

また、透明部材５は、第１傾斜面５ａ、第２傾斜面５ｂを有し、原稿Ｍの画像情報を含む光を２回全反射させてセンサＩＣに入射させることができる。それゆえ、光学結像系３を基板６と平行に設置できるため、画像読取装置１０を薄型化することができる。

実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２による画像読取装置の断面図である。本実施形態による画像読取装置１０は、基板６の下面に設置された導光板２０を備える。その他の構成は、実施形態１と同様であり、説明を省略する。

導光板２０は、例えば透明樹脂やガラスで構成される。図８に示すように、導光板２０は、光源１とミラー２との間に設置され、光源１からの照明光をミラーに導光する構成を有する。導光板１２は、光源１と同程度の厚みを有し、結像光学系３及びミラー２と同様に、主走査方向に延在している。

前述のように、原稿Ｍと光源１との距離が短い場合、隣り合った光源１の光が混ざらず、主走査方向の照度分布にムラ（リップル）が発生する。導光板１２を設置した場合、光入射面１２ａから入射した光は、導光板２内で全反射を繰り返しながらミラー２まで伝搬する間に主走査方向に光が広がる。それゆえ、隣り合う光源１からの光が混ざり、リップルを抑制することができる。また、光源１の数を減らしてもリップルが発生しないため、部品点数を削減することができる。

さらに、導光板１２の光入射面１２ａ若しくは光出射面１２ｂのどちらか、又は両方に散乱シートを設置することで、よりリップルを抑制することができる。代替として、シボ加工や微細パターンを作成して光源１からの光を拡散させることもできる。

実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３による画像読取装置の断面図である。本実施形態による画像読取装置１０では、ミラーと透明部材５とを一体化している。その他の構成は、実施形態１と同様であり、説明を省略する。

図９に示すように、透明部材５が有する第１傾斜面５ａの一部において、凹面部５ｃが形成される。凹面部５ｃには、金属が蒸着され、或いは金属テープ等が設置される。これにより、実施形態１で説明したミラー２の凹面部２ａと同様に、光源１からの照明光は、凹面部２ａで反射及び集光され、第１傾斜面５ａに入射する構成を有する。

ミラーと透明部材５とを一体化することにより、部品点数を削減することができる。また、金型ができれば組立てが非常に簡単になるため、生産性が向上する。

実施の形態４．
図１０、図１１は、本発明の実施の形態４による画像読取装置の断面図である。本実施形態では、光源１がｚ方向に光を発生するトップビュー光源である。また、ミラー２は、更なる反射部（２ｂ，２ｃ）を有する。その他の構成は、実施形態１と同様であり、説明を省略する。

実施形態１〜３では、光源１がｙ方向に光を発生するサイドビュー光源を用いた。一般に、サイドビュー光源よりもトップビュー光源の方が大きな光量を発生可能である。また、反射部（２ｂ，２ｃ）で１回反射される際の光量損失を考慮した場合でも、光源１の光量増加の方が大きい。それゆえ、本実施形態による画像読取装置１０は、実施形態１の場合より更に効率よく照明を行うことができる。

図１１に示すように、ミラー２が、２つの凹面部（放物面）を有する場合には、凹面部２ａ，２ｃの焦点を一致させ、凹面部２ｃの焦点と光源１１とを一致させることで、実施形態１と同様に、平行光で照明効率の高い照明を行うことができる。

また、本実施形態では、ミラー２が更なる反射部（２ｂ，２ｃ）を有することにより、実施形態１よりも、原稿Ｍと光源１との間隔を広げることができる。それゆえ、光源１からの照明光は、原稿Ｍに到達するまでに主走査方向に広がり、隣り合う光源１の光と混ざるため、実施形態１の場合よりも主走査方向のリップルが発生しにくくなる。

１ 光源、 ２ ミラー、 ３ 結像光学系、 ４ センサＩＣ、 ５ 透明部材、 ５ａ 第１傾斜面、 ５ｂ 第２傾斜面、 ６ 基板、 ７ 透明体、 ８ 外部コネクタ、 １０ 画像読取装置、 １１ ＡＳＩＣ、 １２ 信号処理部、 １２ａ ＣＰＵ、 １２ｂ ＲＡＭ、 １２ｃ 信号処理回路、 １３ Ａ／Ｄ変換回路、 ２０ 導光板

Claims (8)

1. 原稿を照明するための照明光を発生する照明装置と、
   照明装置からの照明光が入射し、該照明光を原稿へ導光する透明部材と、
   原稿からの反射光を結像させる結像光学系と、
   結像光学系によって結像した光を電気信号に変換する光電変換素子とを備え、
   透明部材は、照明装置からの照明光が入射する際に、原稿に対して交差する方向へ屈折させ、かつ、原稿からの反射光を全反射させる界面を有することを特徴とする画像読取装置。
2. 結像光学系及び光電変換素子が第１主面に、照明装置が第２主面にそれぞれ設置された基板と、
   透明部材の界面に対向して設けられた凹面部を有し、該凹面部で照明光を反射して透明部材へ入射させるミラーとを備えたことを特徴とする請求項１に記載の画像読取装置。
3. 基板の第２主面に設置され、照明装置からの照明光をミラーに導光する導光体を備えたことを特徴とする請求項２に記載の画像読取装置。
4. ミラーと透明部材とを一体化したことを特徴とする請求項２又は３に記載の画像読取装置。
5. ミラーは、照明装置に対向して設けられた凹面部又は平面部を有することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の画像読取装置。
6. 透明部材は、結像光学系によって結像した光を全反射させて光電変換素子に導光する反射面を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の画像読取装置。
7. 照明装置は、原稿の搬送方向と直行する方向に延在するアレイ光源を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の画像読取装置。
8. 原稿を支持する透明体を備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の画像読取装置。

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