JP3532724B2 - 照明装置およびこれを用いた画像読み取りシステム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術の分野】本発明は、照明対象物上の
ライン状の領域を照明する照明装置および該照明装置を
用いた画像読み取りシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】書状などの照明対象物上のライン状の領
域を照明するための照明装置は、主としてＣＣＤライン
イメージセンサと組み合わせて、原稿上の画像を読み取
る画像読み取りシステムに用いられる。このような画像
読み取りシステム用の照明装置は、図８に示すように直
管型の蛍光管２０１を用いたものが一般的である。すな
わち、蛍光管２０１からの光が凹面反射鏡２０２で集光
され、書状などの照明対象物２０４に照射されることに
より、照明対象物２０４上のライン状の領域が照明され
る。照明された照明対象物２０４上のライン状領域の画
像は、結像レンズ２０５によって照明対象物２０４の正
面に設けられたＣＣＤラインイメージセンサ２０６上に
結像され、読み取られる。

【０００３】蛍光管は発光効率が高く、かつ小型で低コ
ストであるが、光量はあまり大きくないため、図８のよ
うな蛍光管２０１を光源とした構成では照明対象物２０
４上を高い照度で照明することは難しい。画像読み取り
システムの中でも、特に高速の読み取りが求められる産
業用システムにおいては、照明対象物上を高い照度で照
明することが要求されるため、図８の照明装置はこうし
た用途に適さない。

【０００４】そこで、このような高速画像読み取りシス
テムに用いられる照明装置では、図９に示すように光源
部３００にハロゲンランプのような高輝度のランプ３０
１を用い、ここから出る光を凹面反射鏡３０２で一旦集
光し、図示しない熱線カットフィルタを介して光ファイ
バ束３０３に通し、さらにライン型ライトガイド３０４
により光ファイバ束３０３の光出射端を細長く並べ替え
て、照明対象物３０５上にライン状の照明パターンを得
る方式が一般的である。光ファイバ束３０３およびライ
ン型ライトガイド３０４については、例えば特開平６−
１４８４４２、特開平６−５１１２７、特開平６−５１
１２８などに開示されている。照明された照明対象物３
０５上の画像は、図９の場合と同様に結像レンズ３０６
を介して照明対象物３０５の正面に設けられたＣＣＤラ
インイメージセンサ３０７上に結像され、読み取られ
る。

【０００５】しかし、ハロゲンランプのような高輝度の
ランプ３０１は発熱量や消費電力が大きく、冷却用ファ
ンや大きな電源が必要である。また、光ファイバ束３０
３およびライン型ライトガイド３０４は形状が大きく、
コストも高いため、照明装置全体としては光源・電源部
と光ファイバ束を連結した大がかりで高コストなものと
なってしまい、小型化とコスト削減が課題となってい
た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、蛍光
管を用いた従来の照明装置は、発光効率が高く、かつ小
型で低コストであるという利点を持つ反面で、光量はあ
まり大きくないため、高速の画像読み取りシステム用照
明装置として必要な照度が十分に得られないという問題
点があった。

【０００７】一方、ハロゲンランプのような高輝度ラン
プを含む光源と光ファイバ束を用いた照明装置は、高照
度の照明が可能であるが、発熱量および消費電力が大き
く、冷却用ファンや大きな電源が必要であり、また形状
が大きくコスト高であるという問題点があった。

【０００８】本発明は、蛍光管を用いながら照明対象物
上のライン状領域を高い照度で照明することができる照
明装置およびこれを用いた安価で高性能な画像読み取り
処理装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は蛍光管の輝度を光学的手段により向上させ
て、照明対象物上のライン状領域を十分な照度で照明す
るようにしたことを骨子とするものである。

【００１０】すなわち、本発明に係る照明装置は直管型
の蛍光管と、この蛍光管の周面の少なくとも一部に被着
されたプリズムシートと、蛍光管から放射されてプリズ
ムシートを透過した光を集光して照明対象物に照射する
集光素子とを具備することを特徴とする。

【００１１】このように本発明では、特定方向の輝度を
光学的に向上させる効果を持つレンズシートであるプリ
ズムシートを蛍光管の周面に被着させることにより、蛍
光管の特定の出射角方向の輝度を向上させ、さらに蛍光
管面上の各出射点における最大輝度の光線を集光素子を
用いて選択的に照明対象物上に導くことにより、照明対
象物上のライン状の領域において高い照度を得ることが
できる。

【００１２】ここで、プリズムシートは典型的には、一
方の面に断面形状が略三角形の複数の突条が形成され、
他方の面が平滑面からなるプリズム状の凸凹面を持つシ
ート状光学素子である。このようなプリズムシートは、
特定範囲の入射角を持つ光を透過させ、この特定範囲以
外の入射角を持つ光を拡散または反射させるような、光
学的な角度選択性を有する。この性質により、プリズム
シートを拡散性の光源である蛍光管の周面に貼り付ける
と、特定方向の輝度、具体的には蛍光管の管面に垂直な
方向およびその近辺の方向の輝度を向上させることがで
きる。

【００１３】また、プリズムシートを断面形状が略三角
形の突条が蛍光管の長さ方向とほぼ平行となるような向
きに蛍光管の周面に貼り付けると、蛍光管の長さ方向に
関しての光の出射角の制限が緩和されるため、蛍光管の
管面に垂直な方向およびその近辺の方向の輝度を上げる
効果がより顕著に発揮される。

【００１４】本発明において用いるプリズムシートと
は、このような特定方向についての輝度を向上させる性
質のあるシート状光学素子の総称である。なお、プリズ
ムシートにおいては、ある特定方向の輝度が向上するの
と引き替えに、他の方向についての輝度は低下する。こ
の輝度の低下は、突条の長さ方向とシートの法線ベクト
ルを含む面内の出射方向の光線に関しては顕著ではな
く、突条の長さ方向に直交する面内の出射方向の光線に
関して顕著である。

【００１５】このようなプリズムシートを照明装置に応
用した例として、液晶ディスプレイのバックライトが公
知である。光源からの光が入射する導光板上に拡散板と
プリズムシートを置いて、導光板の正面方向の輝度を向
上させ、液晶パネルの視野特性を改善することができ
る。導光板上に配置された拡散板の上にプリズムシート
を置く場合と置かない場合とで輝度を比較すると、プリ
ズムシートを置くことにより、導光板の面に垂直な方向
の輝度が上昇することが知られている。これに対し、本
発明はプリズムシートを蛍光管の周面に被着し、かつプ
リズムシートを透過した光をさらに集光素子で集光して
照明対象物にライン状に照射する点が異なっている。

【００１６】集光素子は光線の偏向作用、特にある一点
から出た光を別のある一点の付近に集める性質を有する
光学素子であり、シリンドリカルレンズや凹面反射鏡
（特に楕円柱型凹面反射鏡）が用いられる。

【００１７】集光素子に凹面反射鏡を用いるときは、特
に蛍光管が円周方向の一部のみから光を出射するアパー
チャ付き蛍光管である場合、アパーチャを形成するため
の遮光マスクの存在により蛍光管により影ができると、
照明対象物上の照度が低下する可能性があるが、このよ
うな場合には蛍光管を反射鏡により反射されて照明対象
物に向かう光の光路から外れた位置に設置することで、
影ができないようにすることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。 （第１の実施形態）図１に、本発明の一実施形態に係る
照明装置を含む画像読み取りシステムの構成を示す。直
管型の蛍光管１０１より発した光は、蛍光管１０１の周
面に貼りつけられたプリズムシート１０２を透過するこ
とによって、蛍光管１０１の管面に垂直な方向およびそ
の近辺の方向の輝度が高められる。

【００１９】プリズムシート１０２を透過した光のう
ち、蛍光管１０１からその管面に垂直な方向およびその
近辺の方向に発した光が集光素子であるシリンドリカル
レンズ１０３により集光された後、照明対象物１０４で
ある例えば書状の表面上にライン状に照射され、このラ
イン状の照射領域が照明される。シリンドリカルレンズ
１０３は、蛍光管１０１の中心軸が照明対象物１０４の
ライン状の照射領域に焦点を結ぶように設置される。

【００２０】このように本実施形態では、蛍光管１０１
とプリズムシート１０２およびシリンドリカルレンズ１
０３により、照明対象物１０４をライン状に照明する照
明装置が構成される。この照明装置は、図１の例では照
明対象物１０４の表面を図の左右両側の斜め上方から照
明するように二箇所に設けられている。

【００２１】こうして照明された照明対象物１０４上の
画像は、結像レンズ１０５を介して照明対象物１０４の
正面に設けられたＣＣＤラインイメージセンサ１０６上
に結像される。ＣＣＤラインイメージセンサ１０６は、
照明対象物１０４上の画像を読み取って電気信号に変換
し、画像信号として図示しない処理部へ出力する。

【００２２】次に、図２および図３を用いて光源部の構
成を詳細に説明する。図２は蛍光管１０１とプリズムシ
ート１０２からなる光源部の構成を示す斜視図であり、
図３はその断面図である。蛍光管１０１は断面円形の棒
状のガラス管１１１の内面に蛍光物質１１２を塗布し、
内部にガス１１３を封入した直管型蛍光管である。そし
て、この例では蛍光管１０１の周面の円周方向の一部に
プリズムシート１０２が透明接着剤１１４により貼り付
けられている。

【００２３】プリズムシート１０２は、図２および図３
に示すように一方の面に略三角形の断面形状を有する突
条が長さ方向に沿って多数形成され、他方の面が平坦に
形成された透明シートからなるプリズム状の凹凸面を持
つシート状光学素子であり、平坦な方の面が蛍光管１０
１の周面に貼り付けられている。このように構成される
プリズムシート１０２は、特定範囲の入射角を持つ光を
透過し、この特定範囲以外の入射角を持つ光を拡散また
は反射させるような、いわゆる光学的な角度選択性を有
する。

【００２４】すなわち、蛍光管１０１から発してプリズ
ムシート１０２の一つの突条に入射する光に注目する
と、これらの光のうち突条を形成する三角形の辺に対し
て鋭角の入射角を持つ光、つまり蛍光管１０１の管面に
垂直な方向およびその近辺の方向の光は、プリズムシー
ト１０２を透過するが、鈍角の入射角を持つ光はプリズ
ムシート１０２で反射または拡散される。一方、プリズ
ムシート１０２を透過した光はプリズムシート１０２に
対して垂直に近い方向に出射する。このようにプリズム
シート１０２に特定範囲の入射角で入射して透過した光
がシリンドリカルレンズ１０３によって集光されること
により、照明対象物１０４上にライン状に照射され、ラ
イン状の領域が照明される。

【００２５】次に、本実施形態による照明装置の効果に
ついて説明する。書状等の照明を行うに当たって高照度
を得るためには、シリンドリカルレンズ等による集光で
は不十分で、光源の輝度の向上が必須である。画像読み
取りのための照明を行う際、もし照明光を真上方向から
当てると、紙面で正反射された成分が直接ＣＣＤイメー
ジセンサに入り、不都合である。また、照明光をあまり
低い角度から当てると、紙面の凸凹などによる影の発生
の影響が大きくなり、やはり不都合である。

【００２６】このように、照明光を照明対象物上に照射
するのに適した照射角（入射方向）は、ある特定範囲の
領域に限られる。一般的に、シリンドリカルレンズのよ
うな集光素子は、照射見込み角を広げることにより照明
対象物上の照度を高める効果がある。しかし、このよう
に照射角の領域が限定されている条件下において、照明
対象物上の照射領域の照度を向上させるには、集光素子
を使用するだけでは限界があり、どうしても光源の輝度
を向上させる必要がある。この要求を達成する上で、プ
リズムシート１０２は大きな効果を発揮する。

【００２７】すなわち、蛍光管１０１の表面はほぼ完全
拡散光源面とみなされるので、ここから発した光は管面
の表側のほぼあらゆる方向に向けて出射される。しか
し、それらの光のうち、照明対象物１０４上の照射領域
付近へ到達し、照明光として有効に用いられる光は、あ
る限られた出射方向に向けて発したものに限られる。従
って、この方向に関してだけでも輝度を向上することが
できれば、照射領域における照度は向上するはずであ
る。

【００２８】また、何らかの方法によってある方向に関
して輝度を向上させることができれば、その方向が都合
よく照射領域の方向を向いていない場合においても、そ
の方向の光をシリンドリカルレンズ１０２のような集光
素子を用いて照射領域付近へ導くことによって、照射領
域における照度を向上させる効果が得られる。

【００２９】本実施形態のようにプリズムシート１０２
を用いると、ある特定の出射方向に関する輝度が向上す
る。プリズムシート１０２は前述のように特定範囲の入
射角の光を透過し、その範囲以外の入射角の光を拡散ま
たは反射させるという光学的な角度選択性を有する。こ
のため、プリズムシート１０２を拡散性の光源である蛍
光管１０１の周面上に貼り付けると、特定出射方向以外
の光が再度光源の方に反射されて再拡散されるという、
再利用作用が起こる。これによって特定方向の輝度を向
上させることができる。

【００３０】そして、このようにしてプリズムシート１
０２により特定方向の輝度が上昇した光をシリンドリカ
ルレンズ１０３によって照明対象物１０４上にライン状
に導くことにより、照明対象物１０４上の照射領域であ
るライン状の領域の輝度を効果的に向上させることがで
きる。

【００３１】また、プリズムシート１０２は図２に示し
たように、断面が略三角形の突条が蛍光管１０１の長さ
方向とほぼ平行となるような向きに蛍光管１０１の周面
に貼り付けられている。このようにプリズムシート１０
２を蛍光管１０１の周面に貼り付けると、蛍光管１０１
の長さ方向に関しての光の出射角の制限が緩和されるた
め、上述した効果がより顕著に発揮される。

【００３２】次に、蛍光管１０１とプリズムシート１０
２からなる光源部の他の構成例について説明する。図１
中に示した光源部では、蛍光管１０１を一般的な全面発
光タイプとし、その周面の一部、すなわち照明対象物１
０４上のライン状の照射領域側（シリンドリカルレンズ
１０３側）の部分にのみプリズムシート１０２を貼り付
けているが、光源部の構成はこれに限られるものではな
く、例えば図４および図５に示すように構成することも
できる。

【００３３】図４は、蛍光管１０１を全面発光タイプと
し、その周面全体にプリズムシート１０２を貼り付けた
場合の例を示している。このように構成しても、プリズ
ムシート１０２を蛍光管１０１の周面の円周方向の一部
のみに貼り付けた図２および図３に示した構成と同様の
効果が得られる。

【００３４】図５は、蛍光管１０１をアパーチャ付きと
し、アパーチャ部にプリズムシート１０２を貼り付けた
例である。アパーチャ付き蛍光管とは、同図に示される
ようにガラス管１１１の周面の円周方向の一部を遮光マ
スク１１５により覆って光が出射されないように遮光
し、遮光マスク１１５で覆われていない部分をアパーチ
ャ１１６として、このアパーチャ１１６からのみ光が出
射されるようにすることにより、出射部の輝度を向上さ
せた蛍光管である。

【００３５】なお、図５のアパーチャ付き蛍光管では、
出射部であるアパーチャ１１６の位置に蛍光物質１１２
が塗布されていないが、ここに蛍光物質が塗布されてい
るアパーチャつき蛍光管を用いた場合にも、同様の効果
が得られる。また、アパーチャ１１６の部分が透明であ
っても不透明であっても構わない。

【００３６】（第２の実施形態）次に、本発明の第２の
実施形態について説明する。図６は、本実施形態に係る
照明装置を含む画像読み取りシステムの構成を示す断面
図である。図１と相対応する要素に同一の参照符号を付
して説明すると、本実施形態では集光素子として楕円柱
型凹面反射鏡１０７を用いた点が第１の実施形態と異な
る。

【００３７】光源部は、第１の実施形態と同様に直管型
の蛍光管１０１およびその周面に貼り付けられたプリズ
ムシート１０２からなり、蛍光管１０１より発した光は
プリズムシート１０２を透過することによって、蛍光管
１０１の管面に垂直な方向およびその近辺の方向の輝度
が高められる。そして、本実施形態ではプリズムシート
１０２を透過した光のうち、蛍光管１０１からその管面
に垂直な方向およびその近辺の方向に発した光が楕円柱
型凹面反射鏡１０７により集光された後、照明対象物１
０４である例えば書状の表面上にライン状に照射され、
このライン状の照射領域が照明される。楕円柱型凹面反
射鏡１０７は、蛍光管１０１の中心軸が照明対象物１０
４のライン状の照射領域に結像するように設置される。

【００３８】このように本実施形態では、蛍光管１０１
とプリズムシート１０２および楕円柱型凹面反射鏡１０
７により、照明対象物１０４をライン状に照明する照明
装置が構成される。この照明装置は、第１の実施形態と
同様に照明対象物１０４の表面を図の左右両側の斜め上
方から照明するように二箇所に設けられている。

【００３９】本実施形態では、蛍光管１０１は図４に示
した全面発光タイプとし、その周面全体にプリズムシー
ト１０２が貼り付けられている。このように光源部を構
成すると、蛍光管１０１の全方向に発した光を楕円柱型
凹面反射鏡１０７により集光して照明対象物１０４上に
照射することができるので、照明効率がより向上する利
点がある。

【００４０】なお、光源部の構成としては図１中に示し
たように蛍光管１０１を全面発光タイプとし、その周面
の一部、すなわち照明対象物１０４上のライン状の照射
領域側にのみプリズムシート１０２を貼り付けた構成と
してよいし、図５に示したように蛍光管１０１をアパー
チャ付きとし、アパーチャ１１６からのみ光が出射され
るようにすることにより出射部の輝度を向上させ、この
アパーチャ部のみにプリズムシート１０２を貼り付けた
構成としてもよい。

【００４１】（第３の実施形態） 次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図７
は、本実施形態に係る照明装置を含む画像読み取りシス
テムの構成を示す断面図である。図６と相対応する要素
に同一の参照符号を付して説明すると、本実施形態では
蛍光管１０１が照明対象物１０４のライン状の照射領域
に向かう光の光路から外れた位置に位置するように蛍光
管１０１および楕円柱型凹面反射鏡１０７を設置した点
が第２の実施形態と異なる。

【００４２】第２の実施形態においては、図６に示した
ように蛍光管１０１が光路中にあるため、特にアパーチ
ャ付き蛍光管を用いた場合には、遮光マスク１１５によ
り蛍光管１０１が影となって照明対象物１０４上の照度
が低下するおそれがある。これに対し、本実施形態にお
いては図７のように蛍光管１０１を光路から外した位置
に配置して、影の影響をなくす構成をとっている。この
ようにすることで、蛍光管１０１としてアパーチャ付き
蛍光管を用いた場合においても、照明対象物１０４上の
照度低下を避けることができる。

【００４３】また、本実施形態においても、凹面反射鏡
１０７としては楕円柱面形状の反射鏡を用いている。こ
の場合、反射鏡１０７の２つの焦点位置に蛍光管１０１
の中心軸と、照明対象物１０４上のライン状の照射領域
をそれぞれ配置することによって、蛍光管１０１からの
光は反射鏡１０７により照明対象物１０４の照射領域に
効率よく集光される。

【００４４】以上、本発明の実施形態について種々説明
したが、本発明は上記実施形態の構成に限定されるもの
ではない。

【００４５】例えば、プリズムシートとしては図に示し
たような形状のものに限定されるものではなく、特定範
囲の入射角を持つ光を透過し、この特定範囲以外の入射
角を持つ光を拡散または反射させる光学的角度選択性を
有するものであれば、どのような構成であっても構わな
い。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によればプ
リズムシートにより蛍光管からの光について特定方向の
輝度を向上させ、この輝度の向上した光のみを集光素子
により照明対象物上の照射部へ集中させて照射すること
によって、同じ蛍光管を用いて照明を行った場合にも、
ライン状の照射領域においてより高い照度を得ることが
できる。

【００４７】従って、安価な蛍光管を用いながらも、高
速な読み取りが求められる画像読み取りシステムにおい
て必要な照度が十分得られるようになり、光ファイバ等
を用いる照明系と比較して大幅なコストダウンと装置の
小型化、および省エネルギーが可能となる。また、従来
の蛍光管を用いた照明装置にわずかな改造を施すことに
より、同じ消費電力でも、ライン状の照射領域の照度を
向上させることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る照明装置を含む
画像読み取りシステムの構成を示す断面図

【図２】本発明における蛍光管とプリズムシートからな
る光源部の一構成例を示す斜視図

【図３】同光源部の構成を示す断面図

【図４】本発明における蛍光管とプリズムシートからな
る光源部の他の構成例を示す断面図

【図５】本発明における蛍光管とプリズムシートからな
る光源部の別の構成例を示す断面図

【図６】本発明の第２の実施形態に係る照明装置を含む
画像読み取りシステムの構成を示す断面図

【図７】本発明の第３の実施形態に係る照明装置を含む
画像読み取りシステムの構成を示す断面図

【図８】従来の直管型蛍光管を用いた照明装置を含む画
像読み取りシステムの構成を示す斜視図

【図９】従来の光ファイバ束を用いた照明装置を含む画
像読み取りシステムの構成を示す斜視図

【符号の説明】

１０１…蛍光管 １０２…プリズムシート １０３…シリンドリカルレンズ １０４…照明対象物 １０５…結像レンズ １０６…ＣＣＤラインイメージセンサ １０７…反射鏡 １１１…ガラス管 １１２…蛍光物質 １１３…封入ガス １１４…透明接着剤 １１５…遮光板 １１６…アパーチャ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｇ０２Ｂ 5/08 Ｇ０３Ｂ 27/54 Ｚ Ｇ０３Ｂ 27/54 Ｈ０４Ｎ 1/04 １０１ Ｈ０４Ｎ 1/04 １０１ Ｆ２１Ｖ 7/12 Ｅ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F21B 5/02 F21B 5/04 F21B 7/00 G02B 3/06 G02B 5/04 G02B 5/08 G03B 27/54 H04N 1/04 101

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直管型の蛍光管と、 前記蛍光管の周面の少なくとも一部に被着されたプリズ
   ムシートと、 前記蛍光管から放射されて前記プリズムシートを透過し
   た光を集光して照明対象物に照射する集光素子とを具備
   し、 前記プリズムシートは、一方の面に略三角形の断面形状
   を有する複数の突条が前記蛍光管の長さ方向とほぼ平行
   となるように前記蛍光管の周面に被着され、他方の面が
   平坦に形成されたシート状光学素子であり、該他方の面
   が前記蛍光管の周面に貼り付けられている ことを特徴と
   する照明装置。
2. 【請求項２】前記集光素子としてシリンドリカルレンズ
   を用いたことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 【請求項３】前記集光素子として凹面反射鏡を用いたこ
   とを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
4. 【請求項４】前記集光素子として凹面反射鏡を用い、前
   記蛍光管を該反射鏡により反射されて照明対象物に向か
   う光の光路から外れた位置に設置したことを特徴とする
   請求項１に記載の照明装置。
5. 【請求項５】前記蛍光管は、円周方向の一部のみから光
   を出射させるためのアパーチャを有することを特徴とす
   る請求項１または４のいずれか１項に記載の照明装置。
6. 【請求項６】請求項１〜５のいずれか１項に記載の照明
   装置と、前記照明対象物上の画像を読み取る読み取り手
   段とを具備することを特徴とする画像読み取りシステ
   ム。