JP2014228770A - 導光体および照明装置並びに画像読取装置 - Google Patents

Abstract

【課題】原稿を照明する際の照度むらの発生を抑制し、高い光利用効率を実現することができる導光体および照明装置並びに画像読取装置を提供する。【解決手段】複数の光源からの光束が入射する入射面と、該入射面に入射した光束を内面反射させる反射面と、該反射面で内面反射した光束を被照明面に向けて出射させる出射面と、を備える導光体であって、前記複数の光源において隣接する光源同士の間隔の最大値をＤ、前記入射面から前記出射面に至る光路のうち最も短い光路の長さをＯＰ、とするとき、以下の式を満たすことを特徴とする。１．８＜ＯＰ／Ｄ＜３【選択図】図１

Description

本発明は、導光体および照明装置並びに画像読取装置に関し、特にイメージスキャナー、複写機、ファクシミリなどの画像読取装置に好適なものである。

従来、イメージスキャナー、複写機、ファクシミリなど、原稿面を照明して線順次方式で画像読取りを行う画像読取装置に用いられる原稿照明装置では、蛍光灯などの管状（線状）光源を用いて原稿面を照明していた。さらに、昨今では、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）の発光効率が向上したため、線状光源の代わりに複数のＬＥＤが主走査方向に配列された構成が採用されている。

しかし、ＬＥＤのような点光源を複数用いて原稿面（画像読取面）を直接照明する場合、主走査方向において照度むらが生じ、読取画像に濃度むらが発生する。そこで、特許文献１では、点光源と照明対象物（原稿）との間の光路上に拡散部を設けることで、点光源からの光束をランダムに拡散させ、照度むらの発生を抑制するようにした照明装置が提案されている。

特開２００５−１５６６００号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構成では、原稿面に向かう光束が拡散部でランダムに拡散されるため、光束が所定の照明領域以外にも拡散されてしまい、光源から出射した光束の光利用効率が低下してしまう。

そこで、本発明の目的は、原稿を照明する際の照度むらの発生を抑制し、高い光利用効率を実現することができる導光体および照明装置並びに画像読取装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る導光体は、複数の光源からの光束が入射する入射面と、該入射面に入射した光束を内面反射させる反射面と、該反射面で内面反射した光束を被照明面に向けて出射させる出射面と、を備える導光体であって、前記複数の光源において隣接する光源同士の間隔の最大値をＤ、前記入射面から前記出射面に至る光路のうち最も短い光路の長さをＯＰ、とするとき、以下の式を満たすことを特徴とする。

１．８＜ＯＰ／Ｄ＜３
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付の図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされる。

本発明によれば、原稿を照明する際の照度むらの発生を抑制し、高い光利用効率を実現することができる導光体および照明装置並びに画像読取装置を提供することができる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る導光体を用いた原稿照明装置を示す図、（ｂ）は導光体の入射面から出射面に至る光線の経路の内、最も短い経路の長さＯＰと、複数の光源の配列方向における隣接した点光源の間隔Ｄとの関係を示す説明図、（ｃ）は複数の光源の配列方向において、導光体の出射面から拡散して被照明面に向う光束を示す図である。 本発明の実施形態に係る導光体を用いた原稿照明装置を搭載した画像読取装置を示す図である。 本発明の実施形態に係る導光体を用いた原稿照明装置に関し、導光体の主走査断面を、複数の光源としてのＬＥＤの主走査方向の配列と共に示した図である。 本発明の第２の実施形態に係る導光体を用いた原稿照明装置を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る導光体に対する比較例を説明する図である。 （ａ）は比較例における原稿面での照度分布を示す図、（ｂ）は比較例における原稿が浮いた場合の読取画像における明暗の縞を示す図である。 本発明の第２の実施形態における照明光束を示す図である。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

《第１の実施形態》
（画像読取装置）
図２に、本実施形態に係る導光体および原稿照明装置を用いた画像読取装置の副走査断面図を示す。ここで、本願明細書では、「主走査方向」、「副走査方向」、「主走査断面」、「副走査断面」を以下のように定義する。すなわち、主走査方向とは複数の光源の配列方向であるＹ方向（第１の方向）、副走査方向とはＸ方向（第２の方向）、主走査断面とはＸＹ断面（第１の断面）、副走査断面とは複数の光源の配列方向に垂直な断面であるＺＸ断面（第２の断面）とする。

図２において、１０１は複数の光源１０６、導光体１０４、結像光学系１１０、ラインセンサー１１１などを一体的に保持して原稿面に対して移動可能なキャリッジ、１０２は原稿台ガラス、１０３は読取対象となる原稿である。キャリッジ１０１の読取窓近傍から原稿の読み取り領域を照明し、原稿からの反射或いは散乱光を読取窓、折り返しミラー１０９、を介して受光手段としての一次元撮像素子であるラインセンサー１１１に結像光学系１１０により結像させている。

ここで、キャリッジ内の複数の光源１０６は、点光源群として主走査方向に複数配列されたＬＥＤ（発光ダイオード）であり、導光体１０７は複数の光源１０６の出射面から出射された光束を反射、あるいは屈折させることにより読取領域へと導いている。そして、原稿台ガラス１０２上に載置された原稿１０３に対して、キャリッジ１０１が図中矢印の方向である副走査方向へ走査する。

このとき、原稿１０３の原稿面で反射した読取光束を受光手段であるラインセンサー１１１に集光する結像光学系を介して、ラインセンサー１１１で順次読み取る。これにより、読み取られた２次元の画像情報は、図示しないインターフェースを通じて内部の画像処理部、或いはパーソナルコンピュータなどの外部機器へと送られる。なお、原稿の画像情報を読み取る際、キャリッジ１０１に対して原稿１０３を移動させ、その画像情報を読み取るようにしても良い。

（導光体および原稿照明装置）
１）導光体の全体構成
図１（ａ）において、ＬＥＤからなる複数の光源１０６から入射した複数の光束は、入射面２０１と出射面１０７をつなぐ助走部の反射面２０２で内面反射（全反射）していく。そして、複数の光源１０６から入射した複数の光束は、偏向面２０３で反射されると出射面１０７へ向けて光路を偏向する、あるいは光反射部材である反射板１０８へ向う光束を出射する出射面１０５へ向かう。

被照明面１０３の画像読取領域は、出射面１０７から直接向かう一方側の光路と、出射面１０５から反射板１０８を介して向かう他方側の光路という左右対称的な２つの光路（両側光路）の光束で原稿台ガラス１０２を介して照明される。なお、導光体１０４の材料はアクリル樹脂であり、射出成型によって形成している。

２）複数の光源
図１（ａ）において、紙面に垂直なＹ方向（主走査方向）に、ＬＥＤからなる複数の光源１０６が直線状に配列される。主走査方向に配列された複数の光源１０６は、導光体１０４の入射面２０１に配置される。複数の光源１０６は、導光体１０４の主走査断面（Ｙ−Ｚ断面）を示す図３において、所定のピッチで主走査方向に配列され、端部へ行くに従って密な構成とし、主走査端部での発光量を中央部に比べ増大させている。

これは、ＬＥＤ配列が有限の幅であり、主走査方向で端部は片側からの光しか得られないこと、また原稿からの光をラインセンサー１１１に導く結像光学系１１０の画角特性を補正するためである。結像光学系１１０の画角特性は、結像光学系の周辺光量低下、光路を折りたたみコンパクト化を図るための折り返しミラー１０９の反射率角度特性、また受光素子おける感度の角度特性等を総合的に考慮したものである。

３）被照明面における照度むらおよび光利用効率の改善
被照明面の近傍で主走査方向に離散的に配置された複数の光源を用いた照明装置は、導光部材を用いる、用いないにかかわらず、被照明面では光源の間隔に起因する照度むらが生じる。また、表面が滑らかで、反射率が高い原稿を読み取る場合、原稿のたわみ等の条件によっては、照明光束の正反射成分が結像光学系に入射し、あたかも鏡を通して照明光学系を読み取ったかのような画像になることがあり、上記の照度むらが強調されることがある。

このような照度むらを低減するには、光源を被照明面から十分に離すか、主走査方向に光束を拡散させることが必要になる（なお、照度むら低減のためにＬＥＤの間隔を短くし、密な状態にすることは、ＬＥＤの個数増につながり、コスト上昇を招くこととなる）。

本発明においては、後者に対し前者を優先する考え方（前者のみ、もしくは前者が主で後者が従の考え方）で、被照明面における照度むらおよび光利用効率の改善を図るものである。

なお、後者に対し前者を優先する際、装置の小型化を図るべく、直接原稿面に向かう光路を偏向面によって約４０度折り曲げることで、導光体をキャリッジ天面に這わせるように配置することが、より好ましい。

また、前者を主とし後者を従とする際には、光利用効率の低下を回避するために拡散の度合いが考慮されることが好ましい。即ち、光束を拡散するために、表面に微細な凹凸を持つ拡散板や、導光体に微細な凹凸を付けることが考えられるが、これらの拡散は等方的な角度分布を持ち、被照射面以外の領域にも拡散した光束が向かい易く、光利用効率の低下を招きやすい。そのため、導光体に用いる拡散機能は、できるだけ弱いものにすることで、光利用効率を低下させ過ぎないようにする必要がある。

３−ａ）導光体の入射面から出射面までの最短経路長
図１（ｂ）に、複数の光源の配列方向における隣接する光源同士の間隔の最大値Ｄに対する、導光体の入射面２０１から出射面１０７までの最も短い経路の長さ（最短経路長）ＯＰの比を変えた場合の、出射面における光束の重なり具合を示す。また、図１（ｃ）に、複数の光源の配列方向において、導光体の出射面から拡散して被照明面に向う光束を示す。

なお、導光体の入射面に入射する複数の光源の主走査方向に広がる発散角度は、それぞれ、８０度乃至１００度（半角が４０度乃至５０度）であり、ここでは一般性を失わない発散角度として９０度を選択している。また、図１（ｃ）で、被照明面を上面とする原稿台１０２の下面までの出射面１０７からの経路のうち、最も短い長さをＬ（ｍｍ）とするとき、３＜Ｌ＜１０となっている。

図１（ｂ）で、最短経路長ＯＰ＝Ｄ（図中Ｐ面）の場合、点Ｐ１、Ｐ３では３個の光源が関与（このうち２個の光源は光束端による照明として関与）、点Ｐ２では２個の光源が関与し、Ｐ面における照度の変化率は許容範囲外であることが判明した。

また、最短経路長ＯＰ＝１．８Ｄ（図中Ｑ面）の場合、点Ｑ１では３個の光源が関与、点Ｑ２では４個の光源が関与、点Ｑ３では４個の光源が関与（このうち１個の光源は光束端による照明として関与）する。このようなＱ面における照度の変化率は、鋭意検討の結果、許容範囲外であることが判明した。

一方、最短経路長ＯＰ＝２．５Ｄ（図中Ｒ面）の場合、点Ｒ１、Ｒ３では５個の光源が関与、点Ｒ２では６個の光源が関与（このうち２個の光源は光束端による照明として関与）し、Ｒ面における照度の変化率は、鋭意検討の結果、許容範囲内であることが判明した。

また、最短経路長ＯＰ＝３Ｄ（図中Ｓ面）の場合、点Ｓ１、Ｓ３では６個の光源が関与、点Ｓ２では７個の光源が関与（このうち２個の光源は光束端による照明として関与）し、Ｓ面における照度の変化率は許容範囲内であることが判明した。但し、最短経路長ＯＰ＝３Ｄ（図中Ｓ面）の場合、装置の小型化の許容範囲外となることが判明した。

このように、装置の小型化を維持しつつ、照度の変化率が許容範囲内となる場合は、以下の条件式を満足する場合であることが、鋭意検討の結果、判明した。

１．８＜ＯＰ／Ｄ＜３
下限値１．８を超える場合、照度むらに関し、好ましくない状況が生ずることについては上述した通りである。下限値１．８より大きければ、複数のＬＥＤから出射する光束が、主走査方向において少なくとも一部重畳させる導光体の出射面で適度に重畳し、良好な照度特性を得ることができる。しかし、上限値３以上となると、光束の重畳は十分であるが、導光体が大きくなり過ぎ、装置の大型化を招く恐れがある。

３−ｂ）導光体の出射面における拡散部
本実施形態では、導光体１０４の出射面１０７、１０５は、複数の光源の配列方向において複数の光源の夫々に対向した拡散部を備え、出射面１０７、１０５から出射する光束を僅かに拡散させる。この拡散部同士の間隔は、複数の光源（点光源群）と同様に、配列方向における中央部から端部にかけて狭くなる。このような拡散部は、導光体を成形する金型を主走査方向で複数の光源に対向した複数箇所で粗面とすることでいわゆるシボ形状を構成することにより形成できる。

(実施例)
副走査断面内で、偏向面２０３への入射光束（光源から出射する光束）の最大強度方向と、偏向面からの反射光束（出射面から被照射面へ出射する光束）の最大強度方向と、が成す角を、３０゜以上に設定して小型化を達成した。そして、隣接する光源との最大間隔Ｄを１２ｍｍとし、導光体の入射面２０１から偏向面２０３で反射し出射面１０７に至る最短経路長ＯＰを約２４ｍｍとした。なお、反射板１０８に向かう光束に関し、入射面２０１から第２出射面１０５に至る最短経路長ＯＰ’を約２２ｍｍとした。これより、出射面１０７に関しては、以下のように、前述の条件式を満足することが分かる。

ＯＰ／Ｄ＝２４／１２＝２．００＞１．８
また、第２出射面１０５に関しても、以下のように、前述の条件式を満足することが分かる。

ＯＰ’／Ｄ＝２２／１２＝１．８３＞１．８
（本実施形態の効果）
本実施形態によれば、光拡散の機能を積極的に利用しなくても、原稿面を照明する際の照度むらを抑制でき、光利用効率を高めることができる。そして、ＬＥＤの数を少なくしてコストを抑えつつ、ＬＥＤ間隔が広がっても照度むらを低減することができる。また、一度副走査断面内で偏向面２０３により光路を折り返して被照明面から光源を離す構成を採ることにより、照明装置全体の小型化を達成することができる。これにより、結像光学系に干渉しないコンパクトな画像読取装置を実現することができる。

また、直線状に配列された複数の光源から出射された複数の光束を被照射面および画像を読み取る結像光学系の光路を挟んで対向する反射部材に導光する導光体においても、被照明領域外への拡散を増やすことなく、照度むらが抑えられ照明の一様化が可能となる。

《第２の実施形態》
以下、図４乃至図７を用いて、第１の実施形態より更に助走路を延ばした第２の実施形態を説明する。図４において、紙面に対し垂直な方向は、ＬＥＤからなる複数の光源４０１が直線状に配列された配列方向である。主走査方向に配列された複数の光源４０１は、導光体４０２の入射面４１１に配置される。複数の光源４０１から入射した複数の光束は、助走部の反射面４１２で内面反射しつつ、偏向面４１３、あるいは反射板４０３へ向け、出射面４１４、４１５へ伝搬する。

出射面４１４、４１５には拡散部を有し、偏向面４１３上の各反射点で全反射し、出射面４１４から出射する光線を拡散させる。また、反射板４０３に向かう光線も出射面４１５通過時に拡散され、主としてこれら２つの光路から原稿台ガラス４０４を通過して読取対象領域を照明する。なお、導光体の材料はアクリル樹脂であり、射出成型によって形成している。

主走査方向に配置されたＬＥＤの最大間隔は、第１の実施形態と同じく１２ｍｍである。この間隔で生じるＬＥＤ一つ一つの照度分布を重畳させることで、原稿読み取り面での照度均一化、さらに原稿が浮いた場合とそうでない場合の分布の差に生じるリップルを低減する。そして、出射面４１４、４１５には、主走査方向で複数の光源に対向する位置に配置される微細凹凸形状が設けられ、出射面４１４、４１５から出射する光線は拡散しつつ、一部は原稿の被照射面へ向う。また一部は、読取光軸を挟んで反対側にある反射板４０３へ向かい、反射板４０３で反射され、図７のように原稿の被照射面へ向かう。

（比較例）
ここで、図５のように導光体の助走部が短く、結果的に導光体内の最短光路長が１１．７ｍｍと短い場合、原稿面での照度分布は図６（ａ）のようになり、ＬＥＤの配列間隔に起因する照度むらが生じやすい。図５に示す比較例における具体的な数値は、以下の通りである。即ち、ＯＰ＝１１．７ｍｍ、Ｄ＝１２ｍｍであり、上述した条件式は満足しない。
ＯＰ／Ｄ＝１１．７／１２＝０．９７５＜１．８
このような比較例において、隣接する光源との間隔を広げるなどして読取位置の照度を均一にできたとしても、助走路が短く隣接するＬＥＤからの光と十分に重畳しないことで、原稿が浮いた場合の照度むらが生じ得る。

また、一般的な複写機では、原稿の読取位置と等価な場所で一度白色基準板を読み取ることで照度のキャリブレーションを行うが、本比較例では、キャリブレーション後に原稿が浮いた場合、原稿読取位置付近での光束重畳状態が大きく変化する。このため、リップルとなって読取画像に明暗の縞ができ、図６（ｂ）のようなむらのある画像となる恐れがある。

(実施例)
本実施形態では、導光体の助走部を約１９ｍｍ、対向反射板に抜ける導光体内の最短光路長を２３．２ｍｍとした。また、ＯＰ＝２３．２ｍｍ、Ｄ＝１２ｍｍであり、上述した条件式を満足する。
ＯＰ／Ｄ＝１．９３＞１．８
（本実施形態の効果）
本実施形態によれば、助走路が更に延びることで、光拡散の機能を積極的に利用しなくても、原稿面を照度むらを抑制して照明でき、光利用効率が良い。そして、少ないＬＥＤでコストを抑えつつ、ＬＥＤ間隔が広がっても照度むらを低減できる。また、一度副走査断面内で偏向面２０３により光路を折り返して被照明面から光源を離す構成を取り、小型化が達成できる。これにより、結像光学系に干渉しないコンパクトな画像読取装置を実現できる。

また、直線状に配列された複数の光源から出射された複数の光束を被照射面および画像を読み取る結像光学系の光路を挟んで対向する反射部材に導光する導光体においても、被照明領域外への拡散を増やすことなく、照度むらが抑えられ照明の一様化が可能となる。

（変形例）
以上、本発明の実施形態について述べたが、本発明はこれに限定されず、同一性の範囲内で種々の変形が可能である。

（変形例１）
上述した実施形態では、複数の光源としてＬＥＤを使用したが、単体では線光源とはならないその他の光源全般にも適用できる。なお、複数の光源は、配列方向に少なくとも３個設けられることが好ましい。

（変形例２）
また、上述した実施形態では、導光体の出射面に複数の光源に対向した複数の拡散部に関し、主走査方向に微細な凹凸面、いわゆるシボ面を形成し、その拡散作用を利用したが、これに限られない。例えば、主走査方向に複数並んだシリンダアレイを用いた拡散部としても良い。

（変形例３）
また、上述した実施形態では、導光体の出射面に複数の光源に対向した複数の拡散部を主走査方向に設けたが、この拡散部を設けずに上記した以下の条件式を満足させるようにしても良い。

１．８＜ＯＰ／Ｄ＜３
１．８＜ＯＰ’／Ｄ＜３

１０４・・導光体、１０６・・複数の光源、１０７・・出射面、２０１・・入射面、２０２・・反射面

Claims (13)

1. 複数の光源からの光束が入射する入射面と、該入射面に入射した光束を内面反射させる反射面と、該反射面で内面反射した光束を被照明面に向けて出射させる出射面と、を備える導光体であって、
   前記複数の光源において隣接する光源同士の間隔の最大値をＤ、前記入射面から前記出射面に至る光路のうち最も短い光路の長さをＯＰ、とするとき、
   以下の式を満たすことを特徴とする導光体。
   １．８＜ＯＰ／Ｄ＜３
2. 前記出射面は、拡散部を有することを特徴とする請求項１に記載の導光体。
3. 前記反射面で内面反射した光束を前記出射面に向けて偏向する偏向面を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の導光体。
4. 前記偏向面に入射する光束の最大強度方向と、前記偏向面により偏向される光束の最大強度方向と、が成す角が３０゜以上であることを特徴とする請求項３に記載の導光体。
5. 前記拡散部は、前記複数の光源の配列方向において複数配列されており、該複数の拡散部における拡散部同士の間隔は、前記複数の光源の配列方向における中央部から端部にかけて狭くなることを特徴とする請求項２に記載の導光体。
6. 前記反射面で内面反射した光束を、前記偏向面を介さずに出射させる第２出射面を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の導光体。
7. 前記入射面から前記第２出射面に至る光路のうち最も短光路の長さをＯＰ’とするとき、以下の式を満たすことを特徴とする請求項６に記載の導光体。
   ＯＰ’＜ＯＰ
8. 前記入射面から前記第２出射面に至る光路のうち最も短い光路の長さをＯＰ’とするとき、以下の式を満たすことを特徴とする請求項６または７に記載の導光体。
   １．８＜ＯＰ’／Ｄ＜３
9. 前記入射面に入射する前記複数の光源の発散角度は、それぞれ８０度乃至１００度であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の導光体。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の導光体と、前記導光体に光束を入射させる前記複数の光源と、を有することを特徴とする照明装置。
11. 請求項１０に記載の照明装置と、前記照明装置により照明された原稿の原稿面にて反射した光束を集光する結像光学系と、該結像光学系からの光束を受光する受光手段と、を有する画像読取装置。
12. 前記照明装置と、前記結像光学系と、前記受光手段と、はキャリッジ内に一体的に保持されており、前記キャリッジは前記原稿面に対して移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の画像読取装置。
13. 前記原稿を載置するための原稿台を更に有し、前記出射面から前記原稿台における前記原稿面に対向する面と反対側の面に至る光路のうち、最も短い光路の長さをＬ（ｍｍ）とするとき、
    以下の式を満たすことを特徴とする請求項１１または１２に記載の画像読取装置。
    ３＜Ｌ＜１０