JP4417700B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、デジタル複写機やイメージスキャナ、デジタルラボ等の読み取り装置に使用される原稿照明装置に関する。

近年、発光ダイオード（Light Emitting Diode：以下、ＬＥＤと称す）の開発が活発に行われており、ＬＥＤ素子の明るさは急激に高まっている。ＬＥＤは、一般的に長寿命、高効率、高耐Ｇ性、単色発光などの利点を有しており、多くの照明分野への応用が期待されている。その用途の一つとして、デジタル複写機やイメージスキャナーのような画像読み取り装置の原稿照明装置がある。

図３６は画像読み取り装置を有する画像形成装置の模式図である。
同図において符号１００は画像形成部、２００は画像読み取り部をそれぞれ示す。その他の符号は説明中で直接引用する。
画像形成部１００は、ドラム状の潜像担持体１１１を有し、その周囲に帯電手段としての帯電ローラ１１２、現像装置１１３、転写ローラ１１４、クリーニング装置１１５が配備されている。帯電手段としては「コロナチャージャ」を用いることもできる。更に、画像読み取り部等、外部からの原稿情報を受けてレーザビームＬＢにより光走査を行う光走査装置１１７が設けられ、帯電ローラ１１２と現像装置１１３との間で「光書込による露光」を行うようになっている。

画像形成を行うときは、光導電性の感光体である像担持体１１１が時計回りに等速回転され、その表面が帯電ローラ１１２により均一帯電され、光走査装置１１７のレーザビームＬＢの光書込による露光を受けて静電潜像が形成される。形成された静電潜像は所謂「ネガ潜像」であって画像部が露光されている。転写紙Ｐを収納したカセット１１８は、画像形成装置１００本体に脱着可能であり、図のごとく装着された状態において、収納された転写紙Ｐの最上位の１枚が給紙コロ１２０により給紙され、給紙された転写紙Ｐは、その先端部をレジストローラ対１１９に捕らえられる。レジストローラ対１１９は、像担持体１１１上のトナー画像が転写位置へ移動するのにタイミングを合わせて、転写紙Ｐを転写部へ送り込む。送り込まれた転写紙Ｐは、転写部においてトナー画像と重ね合わせられ転写ローラ１１４の作用によりトナー画像を静電転写される。トナー画像を転写された転写紙Ｐは定着装置１１６へ送られ、定着装置１１６においてトナー画像を定着され、搬送路１２１を通り、排紙ローラ対１２２によりトレイ１２３上に排出される。トナー画像が転写された後の像担持体１１１の表面は、クリーニング装置１１５によりクリーニングされ、残留トナーや紙粉等が除去される。潜像担持体１１１は光導電性の感光体であり、その均一帯電と光走査とにより静電潜像が形成され、形成された静電潜像がトナー画像として可視化される。

画像読み取り部２００は、原稿２０２がコンタクトガラス２０１の上に配置され、コンタクトガラス２０１の下部に配置された第１走行体２０３に搭載された、図示しない照明部により原稿２０２が照明される。原稿２０２からの反射光は、第１走行体２０３の第１ミラー２０３ａにより反射され、その後、第２走行体２０４の第１ミラー２０４ａと第２ミラー２０４ｂで反射され、縮小結像レンズ２０５へ導かれ、ラインセンサー２０６上に結像される。

原稿の長手方向を読み取る場合は、第１走行体２０３がＶの速度で図の右方向へ移動し、それと同時に第２走行体２０４が第１走行体２０３の半分の速度１／２Ｖで右方向へ移動し、原稿全体を読み取る。
通常、画像読み取り装置に用いられる原稿照明装置は、原稿を照らすために、原稿幅とほぼ同じ長さが必要とされるため、原稿照明装置としてのＬＥＤの使用方法としては、ＬＥＤ素子を多数個並べ、アレイ状にして用いる。
ただし、現状のＬＥＤは上述したような優れた特性を有しているものの、画像読み取り装置の照明装置として用いるには、素子1個1個の絶対的な明るさが足りないため、低速読み取り機器や、コンパクト性重視の機器を中心に用いられており、高速読み取り機器や、大型機器には、主に冷陰極蛍光ランプが用いられている。
この欠点を補うために、ＬＥＤアレイを構成するＬＥＤ素子を多数個用いて、ＬＥＤアレイの光量増加を図るのが一般的であるが、光が広く拡散するため、あまり効率が良くない上に、省電力化に逆行するものである。

図３７、図３８は棒状光源を用いた照明装置の断面図である。
両図において符号１は冷陰極蛍光ランプのような棒状光源、２、２’は光学要素として部分円筒状の凹面反射部を有する鏡面部材、３は原稿面などの被照明面、４は被照明面上の副走査方向の照度分布曲線をそれぞれ示す。なお、簡略化のため鏡面部材は反射面のみで代用する。その他の図でも同様とする。
ここで、棒状光源ではどのように光量増加を図るかというと、両図に示すように、棒状光源１から反射される光を部分円筒状の鏡面部材２で反射させることで、原稿面３上に光を集める方法が主に用いられている。ここで部分円筒状というのは、シリンドリカルとも称されており、断面が円、楕円、放物線、双曲線などの２次曲線の一部、もしくはそれに近い形を有し、棒状光源の長さ方向に光源の長さ、あるいは被照明面の長さとほぼ同程度の長さを有している形を言う。

図３９はデジタル複写機やイメージスキャナの受光素子の位置関係を示す模式図である。
同図において符号５は結像レンズ、６は受光素子、７は単体受光部をそれぞれ示す。
デジタル複写機やイメージスキャナにおいては、同図に示すように、原稿からの反射光は結像レンズ５を介して受光素子６の単体受光部７で受光する。ＣＣＤセンサなどの受光素子６は単体受光部７の幅が通常０．０５〜０．１ｍｍ程度と狭い。すなわち、等倍結像の場合で有れば、原稿面上でもそれと等しい狭い幅の領域しか読み取れないことになる。したがって、図３８の例に示すように、光源の光を鋭く集光させてしまうと、ミラー角度のずれなどによる照明位置ずれによって、照度分布曲線４の位置がずれ、単体受光部７に達する光量が大きく変化し、形成される画像に大きく影響を与えることになってしまう。
同図は等倍センサを用いる例を示しているが、縮小光学系を用いて例えば１０分の１に縮小結像させる場合でも、単体受光部７に結像する原稿側の照明領域の幅は、大きくても１ｍｍ程度にしかならないので、上記問題点は同じである。

図４０は照度分布曲線の変化と読み取り位置との関係を示す図である。同図（ａ）、（ｂ）は照度分布曲線の幅が比較的狭い場合、同図（ｃ）、（ｄ）は照度分布曲線の幅が比較的広い場合をそれぞれ示す。ここで比較的と言ったのは、読み取り領域の幅との関係で見た場合を示す。
同図（ａ）、（ｃ）は正常に照明されている状態を示す。
デジタル複写機の場合には、受光部の幅がたとえば０．１ｍｍ程度と狭いため、同図 （ｂ）に示すように、照度分布曲線４の中心位置が読み取り部からずれると、大幅に読み取り領域の照度が落ちてしまう。このため、デジタル複写機やイメージスキャナにおいては、同図（ｃ）、（ｄ）に示すような、副走査対応方向の照度分布曲線４が幅広であり、照明の中心位置が読み取り部からずれても読み取り領域の照度差を生じない原稿照明装置が求められる。そのためには、照度分布の最大値の近傍で、読み取りに必要な幅（上記例では最大約１ｍｍ）に機構的な誤差等による変動幅を加えた幅（例えば片側約１ｍｍ）以上の照度ムラの少ない部分、すなわち、照度の平坦部が有るとよい。

これを満足するための、棒状光源用反射鏡の用い方としては、図３７に示すように、低効率ではあるが光を集め過ぎずに、原稿面を幅広く照明するか、あるいは、複数の平面の組み合わせによって適当な照度分布を作るような構成が提案されている（例えば、特許文献１ 参照。）。しかしながら、この構成は、棒状光源を用いていることを前提としているので、それよりはるかに大きさの小さいＬＥＤに適用するには無理がある。その理由は主として被照明面の幅と光源の発光部の、大きさの比率の違いにある。被照明面の副走査方向の幅は数ｍｍ程度であるが、棒状光源の発光部の大きさはそれより大きいのに対し、ＬＥＤの発光部は被照明面の幅より小さい。この違いにより、光源と被照明面の距離や、反射鏡の大きさなどに違いが出る。
ＬＥＤアレイを用いるために図３７と同じ構成を用いるのは、光利用効率が低過ぎるため、ＬＥＤの明るさ不足を補うという本来の目的を達成することができない。
ＬＥＤを照明光源として用いるための構成も提案されている（例えば、特許文献２ 参照。）。しかしながら、特許文献２に示された構成は被照明領域の照度分布については言及されていない。

本出願人は先に図４０（ｃ）、（ｄ）に示す照度分布に類似の照度分布を得るための構成を提案した（特願２００３−１４０９２７）。この構成は、光学要素として、点光源の光束出射面の近傍に入射面を有し、読み取り領域に出射面を向けた導光体を有している。この構成によれば、目標とする照度分布が良好に得られるが、導光体の他に反射板も用いるのでやや構成が複雑になり、その分コスト高になりやすい。

特開平６−２２０８７号公報（第３頁、第１図） 特開２００２−９３２２７号公報（第４頁、第１図）

本発明はＬＥＤ素子の明るさ不足を補うための、光利用効率を向上させた構成を提案するものであり、１個のＬＥＤ、もしくは素子数の少ないＬＥＤアレイで、被照射面を明るく照明することを目的とする。構成が簡単でありながら、被照明面の幅方向の照度分布曲線が幅広で照度ムラが少なく、照明領域が機構の誤差範囲でずれても被照明面の照度の変化が少ないか、殆どない照明装置を提供することを目的とする。
また、本発明の構成においては、ＬＥＤ素子と光学要素との取り付け位置関係誤差による照度分布曲線の乱れや照明位置ずれ等の問題を、実用上問題無い範囲に抑えることができる照明装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明では、所定の長さと幅を有する被照明面と、該被照明面に光を照射して、該被照明面からの反射光を利用する照明装置であって、固体状の発光素子と、該発光素子の光束出射面の近傍に光束入射開口部を有し、前記被照明面に向けて光束出射開口部を有する部分円筒状で断面形状が２次曲線からなる凹面反射部を有する光学要素と、を有する光源部を設け、前記発光素子からの照射光による照明領域は一定の照度を有する高照度分布領域を有し、該高照度分布領域を前記被照明面に一致させた照明装置において、前記光学要素は、透明なガラスもしくは合成樹脂からなる部分円筒型部材であり、前記光束入射開口部は平面部からなる光束入射面であり、前記光束出射開口部は前記光束入射面に直交する平面部からなる光束出射面であり、前記両平面部は前記凹面反射部としての２次曲線で接続されており、該２次曲線の対称軸に一致して、もしくは平行に前記光束入射面としての平面部が形成されており、前記発光素子の光束出射面は前記光学要素の前記光束入射面としての平面部に接触して配置され、該発光素子から出射した光束は、前記光束入射面から入射し、前記凹面反射部で内面反射され、前記光束出射面から出射して前記被照明面に向かうことを特徴とする。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の照明装置において、前記発光素子の中心は、前記２次曲線の焦点位置、もしくは該焦点から前記発光素子の光束出射面の最大の長さ以内の距離に配置することを特徴とする。
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の照明装置において、前記凹面反射部は、頂点近傍および、対称軸から見て片側の曲線によって構成されることを特徴とする。
請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の照明装置において、前記発光素子の光束出射面は前記２次曲線の対称軸に平行であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の照明装置において、前記発光素子の光束出射面は前記２次曲線の対称軸に対し所定の角度傾いていることを特徴とする。
請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の照明装置において、前記光束出射面の傾き角は、前記凹面反射部の有効反射領域に対し、最大の光量が入射する角度であることを特徴とする。
請求項７に記載の発明では、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の照明装置において、前記２次曲線として、部分的な直線の連結により２次曲線に近似させたものを含むことを特徴とする。

請求項８に記載の発明では、請求項１ないし７のいずれか１つに記載の照明装置において、前記発光素子は前記被照明面の長さ方向に複数個配列され、前記複数の発光素子の両端を結ぶ長さは、前記被照明面の長さよりも大きいことを特徴とする。

請求項９に記載の発明では、請求項１ないし３、５ないし８のいずれか１つに記載の照明装置において、前記発光素子の光束出射面は前記２次曲線の対称軸に対し所定の角度傾いており、その角度は前記凹面反射部の有効反射領域に対し、前記発光素子の配光分布における半値角ないの光束が入射する角度であることを特徴とする。
請求項１０に記載の発明では、請求項１ないし９のいずれか１つに記載の照明装置において、前記発光素子は、前記２次曲線の対称軸方向にほぼ一致した方向に複数配列されていることを特徴とする。

請求項１１に記載の発明では、請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の照明装置において、前記発光素子の前記光束出射面に、直交する２方向の間で屈折力が異なるレンズが配置されていることを特徴とする。
請求項１２に記載の発明では、請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の照明装置において、前記光学要素の光束出射面と前記被照明面との間に、直交する２方向の間で屈折力が異なるレンズを介在させることを特徴とする。
請求項１３に記載の発明では、請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の照明装置を用いた画像読み取り装置を特徴とする。
請求項１４に記載の発明では、請求項１３に記載の画像読み取り装置を用いた画像形成装置を特徴とする。

本発明の照明装置によれば、被照明面において明るく、且つほぼ一定の照度分布を得ることができ、画像読み取り装置、特にカラー画像読み取り装置に用いたとき、機構的な製造誤差等が有ってもカラーバランスを崩すことのない装置を得ることができる。
本発明の照明装置によれば、ＬＥＤ素子と光学要素との取り付け位置関係誤差による照度分布曲線の乱れや照明位置ずれ等の問題を、実用上問題無い範囲に抑えることができる。

本発明の実施例の説明に先立って、本発明に利用する光学的原理を説明する。
図１は固体発光素子の一例としてＬＥＤの配光分布を示す図である。
同図において符号８は発光点、９は発光点を含む断面における配光分布曲線をそれぞれ示す。
発光体の特性の違いによって配光分布は様々な形を取るが、一般的には断面が円形の配光分布曲線で表して大過ない。発光点が完全に点と見なせる場合は、配光分布を立体的に見たとき、球形になる。ＬＥＤをマクロ的に見た場合点光源として扱えるので、同図に示す配光分布曲線を適用できる。ＬＥＤをミクロ的に扱う場合は、発光部分が大きさを持つことになるので、すべての発光部位が同図に示す配光分布を有するものとして扱うことになる。同図に示す配光分布の場合全発光角度は１８０°であるが、実質的に役に立つ光量の角度範囲はそれよりも狭い。最大の輝度に対しその２分の１の輝度になる角度を半値角と呼ぶが、同図のように断面が円形の場合、半値角は６０°になる。同図の配光分布は中心対象であるから、有効光束の範囲は１２０°になる。断面が円ではなく、楕円形その他の形になった場合でも、半値角で表現すればおよその有効光束の範囲が分かる。

図２は本発明に用いるＬＥＤの一例を示す図である。同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は断面模式図である。
同図において符号１０はＬＥＤ、１１はＬＥＤ基体、１２は発光部、１３はリフレクタ、１４は透明な封入部材、１５は光束出射面をそれぞれ示す。
ほぼ直方体形状のＬＥＤ１０は、中央部に逆円錐台形の凹部を有するＬＥＤ基体１１の凹部の中心にチップと呼ばれる発光点１２を有し、円錐形斜面にリフレクタ１３を形成して封入部材１４として透明な樹脂が充填されており、封入部材１４の端面は光束出射面１５となっている。出射光束の光量の最大値を示す光線は発光点１２の中心から垂直な方向に出射する。これを便宜上このＬＥＤの光軸と呼ぶ。以後の説明においても同様とする。光軸は上記光束出射面１５に対しても垂直である。この構成の場合、リフレクタ１３からの反射光もあるので、光束出射面１５が新たな光源になっているとみなすことができる。光束出射面１５は円形であり、その直径をａとすると、ａは例えば１ｍｍ〜２ｍｍ程度のものがあり、先に述べた被照明面の幅（約１ｍｍ＋許容誤差幅約２ｍｍ）に比べて無視できるもではなくなる。
その意味で同図に示すＬＥＤを面発光素子と呼ぶことがある。

図３は本発明に用いるＬＥＤの他の例を示す図である。同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は断面模式図である。
同図において符号１６はＬＥＤ、１７はＬＥＤ基体、１８は発光部、１９はリフレクタ、２０は透明な封入部材、２１は光束出射面をそれぞれ示す。
前図に示したＬＥＤとの違いは、ＬＥＤ基体１７に設けた凹部が逆四角錐台になっている点だけである。
したがって、光束出射面２１は正方形を含む長方形となる。この場合光束出射面２１の１辺の長さをａとする。
透明な封入部材１４に蛍光体を混入したものがある。この場合、チップはＩｎＧａＮからなる青色発光を行い、ＹＡＧ蛍光体を用いる。それによって、チップが青色発光したとき、同時に蛍光体が励起されて黄色の蛍光を発光する。青色と黄色は互いに補色関係にあるため、両者が一緒に外部へ出ると白色光として認識される。
蛍光体を使わず白色光を出すＬＥＤもある。これは、図示しないが、チップが同一面に複数配置され、互いに異なる色の発光をし、全部が混合されると白色として認識されるものである。たとえば、２個のチップの場合、前記と同様それぞれ青色と黄色の発光をするチップを用いる。３このチップの場合であれば、いわゆる３原色に相当するそれぞれ赤、緑、青を発光するチップを用いる。
本発明ではこれらの白色発光をするＬＥＤもすべて含むものである。

図４は本発明に用いるＬＥＤのさらに他の例を示す図である。同図（ａ）は断面模式図、同図（ｂ）は仮想光束出射面を示す図である。
同図において符号２２はＬＥＤ、２３はＬＥＤ基体、２４は発光部、２５はレンズ部、２６は仮想光束出射面をそれぞれ示す。
砲弾型と呼ばれるＬＥＤ２２は、ＬＥＤ基体２３のほぼ中央部に発光部２４を有し、ＬＥＤの光束出射側に透明でほぼ半球状のレンズ部２５を有している。レンズ部２５の球面の中心は同図において発光部２４より上に存在するように構成されている。発光部２４からレンズ部２５を見込む角度は、発光部２４の配光分布の半値角以上であることが望ましい。
レンズ部２５の基体２３側は円筒状部２５’になっており、発光部２４から円筒状部２５’を経由して出て行く光束は被照明面方向に行かないので無効な光束となる。有効な光束はレンズ部２５を出るとき光軸に近い側に屈折するので、レンズ部２５を出た後の光束の広がり角は、発光部２４を出射するときの有効光束の出射角より小さくなる。
この構成の場合、レンズ部２５の頂点を含む光軸に垂直な面内における有効光束の存在範囲を仮想光束出射面２６とし、その直径をａとし、前々図における光束出射面１５、前図における光束出射面２１と同等の扱いをする。

図５は本発明に用いるＬＥＤのさらに他の例を示す図である。同図（ａ）は断面模式図、同図（ｂ）は一部省略斜視図である。
同図において符号２７はＬＥＤ、２８はケース、２９は発光部、３０はリフレクタ、３１は封入材、３２はリード、３３は透明蓋をそれぞれ示す。
ＬＥＤ２７は、ケース内に反射部を上方に向けた部分円筒状のリフレクタ３０を有し、その反射面に向けて発光部２９の発光面が下向きに設置してある。リフレクタ３０と発光部２９の間は透明な樹脂からなる封入材３１が充填してある。発光部２９はケース外側からケース上面に張り出したリード３２に接続され、その上面は透明蓋３３が接着され内部を保護している。
発光部からの出射光はリフレクタに至り、反射されて透明蓋３３から外部に出てゆく。ただし、反射光の内、発光部２９自身、およびリード３２に遮られる分、出射光に一部欠けが生ずるが、透明蓋３３の光束が透過する領域を光束出射面とする。。リフレクタ３０の断面が放物面であって、発光部２９がその焦点に一致するように置かれていれば、同図（ａ）に示す断面では出射光は平行光になって出てゆく。この構成では光束出射面はほぼ正方形であり、その１辺の長さをａとする。
図３ないし５に示した構成のＬＥＤも、図２に示したＬＥＤと同様、面発光素子と呼ぶ。
これらのＬＥＤは通常、ドライバ等の回路を含む回路基板に直接的に半田付けされることが多い。また、後述の反射鏡等の光学要素は発光点とのかなり厳密な位置合わせが必要なため、光学要素と回路基板を別々に何かに取り付けるのではなく、例えば回路基板に、光学要素を位置合わせしながら取り付けて後、構造体に取り付けるようにするのがよい。

図６は断面が楕円の反射鏡の焦点に点光源を置いた場合の光路を示す概念図である。
図７は断面が放物線の反射鏡の焦点に点光源を置いた場合の光路を示す概念図である。
図８は断面が双曲線の反射鏡の焦点に点光源を置いた場合の光路を示す概念図である。
各図において符号３４、３５、３６はそれぞれの反射鏡を示す。符号ｆ、ｆ’は焦点、Ｏはそれぞれの曲線の頂点と焦点を結ぶ対称軸を示し、ここでは光軸と呼ぶ。
図６に示す楕円反射鏡では、焦点が２個有り、反射鏡の頂点に近い一方の焦点ｆに置かれた光源から発散する光束は、光軸上の他方の焦点ｆ’に集まる。
図７に示す放物面鏡では、焦点ｆに置かれた光源からの発散光は光軸に平行な光束になる。
図８に示す双曲面鏡では、焦点の定義が上記２例とは異なるがやはり焦点が２個有る。一方の焦点に置いた光源からの発散光は、他方の焦点から出たかの如くに発散する。
本発明の１つの目的である広幅でほぼ一定の照度を得るためには被照明面を置く位置を工夫しなければならない。例えば、図６の場合は、被照明位置を他方の焦点位置の手前、もしくはその焦点位置より後方にずらしておくことになる。その被照明面も実際の構成を考えると、光軸に対し、或る程度の傾きを持たせることになる。それでも目標の分布が得られない場合は、光源そのものを焦点位置からずらすことも必要になる。図７、図８の構成の場合も同様である。

ところで、図６ないし図８は光源を理想的な点光源として図示しているが、現実のＬＥＤは先に示したように、光束出射面が或る程度の大きさを有し、点光源とみなすには無理がある。それは、とりもなおさず、光源中心を焦点位置に置いたとしても、焦点から外れた位置にも発光部が有ることを意味する。したがって、被照明面における照度は、大きさを持つ光源の連続したすべての発光部からの光束の合成として得られることになる。
図には示さなかったが、断面が円の場合は焦点と呼ぶものがないにもかかわらず、光源を中心からずらして置いた場合に、精度は良くないが、中心をはさんで反対側の特定の位置にほぼ集光する。本発明の目的ように、鋭い集光を望まない場合にはこれも利用が可能である。この場合は発光部中心から最も近い円上の点を頂点とし、その点と発光点中心を結ぶ線を光軸とする。
また、鏡面に用いる２次曲線も理想的な曲線として扱ったが、精度の良い２次曲線（３次元的に見れば２次曲面）の製造は難しいので、短い直線を連続的に結んで所望の２次曲線を近似させることにより、疑似２次曲線を作っても良い。精度は落ちるが、元々照度分布に鋭いピーク値を持たせないようにする目的から言えば特に問題は生じない。以下の説明では簡略化のため、すべて２次曲線として説明するが、どの場合にも疑似２次曲線を適用することができる。

図９は楕円面反射鏡の焦点位置に面発光素子を置いたときの光線の反射の様子を示す図である。
同図において符号３７は面発光素子としてのＬＥＤ、３８は光束出射面、３９は楕円面反射鏡をそれぞれ示す。
同図に示すように、一方の焦点ｆの位置に置かれた光源中心から出射する光線は他方の焦点ｆ’に到るが、反射鏡の頂点に近い側の発光部からの光束はすべて、他方の焦点ｆ’より遠い位置で光軸を横切る。逆に反射鏡の頂点から遠い側の発光部からの光束はすべて、他方の焦点ｆ’より近い位置で光軸を横切る。
このように、光源に大きさがあると、たとえ楕円面反射鏡を用いても光束はかなり広い範囲に広がる。

図１０は被照明面に対する光線の集光状態の一例を示す図である。同図は後述の実施例５に示す条件で構成した照明装置によるものである。多数の光線を表示すると繁雑になるので、発光点として中心を含むほぼ等間隔な５点、光線としてほぼ上方に向かう１本と、その左右４５度の角度をもった光線２本の計３本で示した。同図（ａ）ないし（ｅ）は、発光点の位置の違いによる発光点と凹面反射部との間の光線の様子、同図（ｆ）ないし（ｊ）は同様に光源部と被照明面との間の光線の様子を拡大した図である。
同図（ｃ）は発光素子の中心線上の位置、同図（ａ）、（ｅ）は発光素子の中心から端部までの距離の９０％に相当する位置、同図（ｂ）、（ｄ）はそれらの中間点の位置をそれぞれ発光点として選んである。
同図（ａ）ないし（ｅ）では発光点の位置の違いによる反射光の様子に大きな違いは感じられないが、同図（ｆ）ないし（ｊ）から分かるように、発光点のわずかな位置の違いでも、被照明面における光線のバラツキ方はかなり異なる。

図１１は図１０に示す光線図を合成した図である。図１１（ａ）は図１０（ａ）ないし（ｅ）を合成した図、図１１（ｂ）は図１０（ｆ）ないし（ｊ）を合成した図、図１１（ｃ）は被照明面上での光量分布を示す曲線である。
同図（ｃ）は円形配光分布の各発光点から鉛直上方に対し±９０度の範囲で合計３００万本の光線を追跡した結果を示す図である。これらは、実施例１ないし９においてすべて共通である。
同図（ｃ）において符号Ｇ０は主走査方向中央部近傍における照度分布、Ｇ１は主走査方向端部近くにおける照度分布をそれぞれ示す。ただし、被照明領域の長さを２０ｍｍとした。横軸は実際に使用される領域を含んで副走査方向中心付近の２０ｍｍの幅の領域を示す。この領域を１ｍｍ間隔で２０等分し、各分割領域に入る合計のエネルギーをその領域の中央部にプロットした。
一般に曲線Ｇ０よりＧ１の方が低くなる傾向があり、これをシェーディングと呼んでいる。シェーディング補正の手法は各種確立されているので、曲線Ｇ０とＧ１の違いはあまり気にしなくても済む。むしろそれぞれの曲線内の変化の方が問題となる場合が多い。

図１１（ａ）の様に合成してみると、発光点の位置の違いによる反射方向の変化が明確になる。同図（ｂ）を見ると、被照明面における光線の広がりが明確になる。同図（ｃ）を見ると、読み取り範囲に対する照度分布の様子が分かる。なお、ここでは副走査方向の読み取り範囲を１ｍｍとし、機構その他の誤差による許容誤差範囲を±１ｍｍとする。すなわち、光量分布曲線が最高照度分布域で３ｍｍ以上の幅の所定の平坦部を有しているかどうかで目標を達成しているかどうかを判定する。ここで、所定の平坦部とは、機構が確定したときその照度が設計値通りでなくても、モノクロ画像を取り扱う場合、ＡＧＣなどの電気的補正で実用に差し支えない範囲の変化率に収まっている部分を言い、変化率は３０％くらいまで許容できる。カラー画像を扱う場合は、ＡＧＣの問題よりも、三原色の色バランスの崩れを補正できる範囲に収めるため、上記変化率は１２％くらいまで許容できる。所定の平坦部はその意味から、高照度分布領域と呼ぶ。
設計上は照度分布の幅のほぼ中心位置を目標の読み取り中心位置とするので、その両側各１．５ｍｍの範囲で上記の変化率範囲に収まっていればよい。因みに、同図（ｃ）の場合は、平坦部と見なせる範囲が４〜５ｍｍあるように見える。その平坦部の幅の中心位置を挟む計３ｍｍの範囲における変化率は曲線Ｇ１の方が大きくておよそ３％である。
先に図３７、図３８で示した様な分布の形状の違いは、半値幅の違いである程度見ることができる。半値幅とは最大値の２分の１以上の値を示す領域の横軸の幅のことである。図１１（ｃ）の例では半値幅は曲線Ｇ０で約１１．７ｍｍである。この値が小さいほど曲線は急峻な山部を有することを示す。以下、半値幅は単なる参考値なので曲線Ｇ０に対する値のみを示す。

以下には、本発明によって上記の効果を得る方法について実施例を交えながら説明する。
本発明の目的は高い効率でＬＥＤの光を利用するとともに、被照明部において所定幅以上の照度平坦部を形成することである。しかし、本発明の照明光学系の製造公差は、部品数が少なく追い込み易いとはいえ、写真レンズの製造公差に比べて数倍の許容量を必要とする。このため、ＬＥＤと光学要素の相対的な位置関係が写真レンズの製造公差に比べて数倍の量変化しても、所定の位置に所定幅以上で所定照度以上の照度平坦部を形成する必要がある。
そこで、本発明においては、まず光利用効率と照度平坦部範囲が好適に設計された照明装置を得る。そしてさらに進んで、好適に設計された照明装置の構成に比べて、光学要素の入射光発散作用を故意に所定量だけ強くした照明装置を得る。入射光発散作用を所定量強くすることによって、光の利用効率が低下する代わり、光の入射位置誤差による照度ムラをさらに低減することができる。

図１２は実施例１の照明装置を説明するための図である。同図（ａ）は光線図、同図（ｂ）は被照明面の照度分布曲線を示す図、同図（ｃ）は配置の状態を示す斜視図である。
同図において符号４０は光源としての発光素子、４１は反射鏡をそれぞれ示す。
以下の実施例９までではすべて、断面が２次曲線からなる部分円筒状の凹面鏡を用い、その対称軸を水平におき、対称軸から上半分のみを反射鏡として使用する。ただし、発光素子を置く位置によっては、反射鏡を経た有効光束が被照明面に到達する範囲において、２次曲線の頂点近傍で対称軸より若干下側まで反射鏡として使うこともあり得る。
凹面反射鏡の場合、光束入射開口部というのは明確な開口部を有するわけではないが、反射鏡の頂点近傍の端部と発光素子の光束出射面を結ぶ直線を含む仮想面の、光束通過可能領域を光束入射開口部と定義する。同様に、光束出射開口部としては、反射鏡の頂点から遠い側の端部を通りＹ軸に平行な仮想平面の、光束通過可能領域を光束出射開口部と定義する。

水平方向右方向をＸ軸正方向とし、上方向をＹ軸正方向とする。発光素子は光束出射面の１辺がａ（ｍｍ）の正方形の面発光素子を１個用いるものとし、光束出射面を水平面におき、中心光線がＹ軸正方向に出射するものとする。Ｘ軸方向の位置は焦点位置を０として、光束出射面の中心位置ｘ（ｍｍ）で表現する。Ｙ軸方向の位置は対称軸の位置を０として、光束出射面の位置ｙ（ｍｍ）で表現する。計算の都合上発光素子の出力を１ｗと仮定した。
２次曲線の仕様の表現は曲率半径Ｒ（ｍｍ）と円錐定数Ｋで示す。円錐定数Ｋはその値の範囲によって楕円、放物線、双曲線などに分かれる。
楕円：−１＜Ｋ＜０、放物線：Ｋ＝−１、双曲線：Ｋ＜−１
対称軸に対し被照明面（原稿面）は垂直ではなく或る角度θをもって配置される。これは、被照明面に垂直な方向に画像読み取り素子を置くため、その光束を遮らないようにするからである。なお、光源部から原稿面までの距離も、照度分布を変化させる要因の１つであるので、原稿面のｘ切片の座標を参考値Ｌ（ｍｍ）として示す。

実施例１における仕様は次の通りである。
反射鏡断面 双曲線
Ｒ＝４．０；Ｋ＝−１．３０
光源サイズ ａ＝０．４（小）
光源位置 ｘ＝０、ｙ＝０．３
原稿面位置 Ｌ＝２６（小）
原稿面角度 θ＝２０°
光線追跡の計算に当たっては、光源の各発光点を図１に示した断面円形の配光分布（立体的に言えば球状）を有するものとした。発光点から第２象限に向かって出射する光束は全部反射鏡に達するが、第１象限に出射する光束は、かなり遠い位置で反射鏡に達する場合も生ずる。製造コストのことを考えれば、あまり大きい反射鏡を作ることはできないので、反射鏡のサイズを優先して光量を犠牲にすることもあり得る。反射鏡の光軸からの高さ、すなわちｙ座標を参考値Ｈで示す。実施例１ではＨ＝１８とした。
発光素子の配置位置は焦点位置近傍ではあるが、焦点位置に限定されるものではない。本実施例のように、Ｘ、Ｙ方向の正負いずれにもずらし得る。ただし、ずらす量としては、発光素子の大きさであるａよりは大きくない方がよい。あまり焦点からのずれが大きいと光線のばらつきが大きくなり過ぎ、光量の無駄が多くなる。

同図（ｂ）に示す照度分布曲線は緩やかなカーブを描いており、一見平坦部らしいところが見えないが、最大値を含む周辺で最大値より１２％小さい値までの範囲を見ると曲線Ｇ０で約８．３ｍｍ、Ｇ１で約９ｍｍの幅がある。以下、このように見たときの幅を平坦部の幅と称する。平坦部の幅の中心付近の代わりに、位置の決めやすさのため最大値を含む付近で３ｍｍの幅を特定して変化率を見ると曲線Ｇ０の方が大きくて約４．１％、Ｇ１で約２．８％である。最大値を含む３ｍｍの幅を読み取り設定領域と呼ぶ。
したがって、この構成の光源はモノクロ画像用としては勿論、カラー画像用として十分使える。半値幅は、同図の左側の半値が得られないため測定不能であった。
なお、平坦部を定義する際１２％という値を用いたが、これは条件のより厳しいカラー画像用のデータを用いたためで、モノクロ画像用を設計する場合で有れば、３０％の数値を用いて良い。

図１３は実施例２の照明装置を説明するための図である。同図（ａ）は光線図、同図（ｂ）は原稿面の照度分布曲線を示す図である。以下図２０までの（ａ）、（ｂ）は同様である。ただし、図（ｂ）の縦軸のスケールはＬの小中大に対応して変えてある。
なお、実施例９の説明までは、光源及び反射鏡の説明を省略するので符号も省略する。
実施例２における仕様は次の通りである。
反射鏡断面 双曲線
Ｒ＝４．０；Ｋ＝−１．０５；Ｈ＝２０
光源サイズ ａ＝０．４（小）
光源位置 ｘ＝０、ｙ＝０
原稿面位置 Ｌ＝５０（中）
原稿面角度 θ＝２８°
平坦部の幅は、Ｇ０で約６．４ｍｍ、Ｇ１で約６．３ｍｍとなり、読み取り設定領域の照度変化率はＧ０の方が大きく約４．０％、Ｇ１で約２．７％である。半値幅は約１０．４ｍｍであった。

図１４は実施例３の照明装置を説明するための図である。
実施例３における仕様は次の通りである。
反射鏡断面 双曲線
Ｒ＝４．０；Ｋ＝−１．０７；Ｈ＝１９
光源サイズ ａ＝０．４（小）
光源位置 ｘ＝０、ｙ＝０
原稿面位置 Ｌ＝９４（大）
原稿面角度 θ＝−３０°
平坦部の幅は、Ｇ０で約９．９ｍｍ、Ｇ１で約８．１ｍｍとなり、読み取り設定領域の照度変化率はＧ０が約６．５％、Ｇ１の方が大きく約８．１％である。半値幅は同図の右側の半値が得られないため測定不能。

図１５は実施例４の照明装置を説明するための図である。
実施例４における仕様は次の通りである。
反射鏡断面 双曲線
Ｒ＝４．０；Ｋ＝−１．１０；Ｈ＝１８
光源サイズ ａ＝１．０（中）
光源位置 ｘ＝０、ｙ＝０
原稿面位置 Ｌ＝２１（小）
原稿面角度 θ＝−３０°
平坦部の幅は、Ｇ０で約９．１ｍｍ、Ｇ１で約８．０ｍｍとなり、読み取り設定領域の照度変化率はＧ０が約３．４％、Ｇ１の方が大きく約５．５％である。半値幅は約１１．８ｍｍであった。

図１６は実施例５の照明装置を説明するための図である。
実施例５における仕様は次の通りである。
反射鏡断面 楕円
Ｒ＝４．０８；Ｋ＝−０．８８４；Ｈ＝１５
光源サイズ ａ＝１．０（中）
光源位置 ｘ＝−０．２５、ｙ＝０
原稿面位置 Ｌ＝５０（中）
原稿面角度 θ＝３０°
平坦部の幅は、Ｇ０で約５．２ｍｍ、Ｇ１は約５．４ｍｍとなり、読み取り設定領域の照度変化率はＧ０が約２．３％、Ｇ１の方が大きく約３．３％である。半値幅は前述のように、約１１．７であった。

図１７は実施例６の照明装置を説明するための図である。
実施例６における仕様は次の通りである。
反射鏡断面 楕円
Ｒ＝４．０８；Ｋ＝−０．９７；Ｈ＝１９
光源サイズ ａ＝１．０（中）
光源位置 ｘ＝０、ｙ＝０
原稿面位置 Ｌ＝９９（大）
原稿面角度 θ＝１０°
平坦部の幅は、Ｇ０で約５．９ｍｍ、Ｇ１で約６．１ｍｍとなり、読み取り設定領域の照度変化率はＧ０の方が大きく約７．２％、Ｇ１で約４．６％である。半値幅は約１５．９ｍｍであった。

図１８は実施例７の照明装置を説明するための図である。
実施例７における仕様は次の通りである。
反射鏡断面 楕円
Ｒ＝４．０８；Ｋ＝−１．０；Ｈ＝１８
光源サイズ ａ＝２．０（大）
光源位置 ｘ＝０、ｙ＝０
原稿面位置 Ｌ＝１９（小）
原稿面角度 θ＝−４０°
平坦部の幅は、Ｇ０で約１２．９ｍｍ、Ｇ１で約１１．６ｍｍとなり、読み取り設定領域の照度変化率はＧ０で約０．６％、Ｇ１の方が大きく約３．５％である。半値幅は約１５．８ｍｍであった。

図１９は実施例８の照明装置を説明するための図である。
実施例８における仕様は次の通りである。
反射鏡断面 楕円
Ｒ＝５．０；Ｋ＝−０．８５；Ｈ＝２０
光源サイズ ａ＝２．０（大）
光源位置 ｘ＝０、ｙ＝０
原稿面位置 Ｌ＝４９（中）
原稿面角度 θ＝２０°
平坦部の幅は、Ｇ０で約５．５ｍｍ、Ｇ１で約５．６ｍｍとなり、読み取り設定領域の照度変化率はＧ０で約２．５％、Ｇ１の方が大きく約３．４％である。半値幅は約１３．８ｍｍであった。

図２０は実施例９の照明装置を説明するための図である。
実施例９における仕様は次の通りである。
反射鏡断面 楕円
Ｒ＝３．５；Ｋ＝−０．９５；Ｈ＝２０
光源サイズ ａ＝２．０（大）
光源位置 ｘ＝０、ｙ＝０
原稿面位置 Ｌ＝９９．５（大）
原稿面角度 θ＝２０°
平坦部の幅は、Ｇ０で約８．５ｍｍ、Ｇ１で約６．１ｍｍとなり、読み取り設定領域の照度変化率はＧ０で約４．６％、Ｇ１の方が大きく約５．９％である。半値幅は、同図において左右とも半値が得られないため測定不能。

図２１は実施例１ないし９の平坦部の幅をａを横軸として小中大の順で並べた図である。
Ｌおよび曲線Ｇ０、Ｇ１をパラメータとした。図中の１点鎖線は読み取り設定領域の幅として必要な３ｍｍを示す。曲線がこれより上に有れば実用上問題ないので、すべての実施例が目標を満たしている。機構的な誤差の許容幅を大きくとれるという意味では、平坦部の幅はより大きい方が好ましいといえるが、幅が広い分、光量を無駄にすることになるので、読み取り設定幅が間違いなく確保できればあまり大きい幅は必要はないとも言える。この図から見ると、ａが大きくて、Ｌが小さい方が大きな平坦部が得られることが分かる。逆に、Ｌが中くらいであれば、ａの大きさにあまり左右されず、光量が有効に利用されている。
図２２は平坦部の幅をＬを横軸として小中大の順で並べた図である。
この図から見ると、Ｌが中の場合は小さめではあるが比較的平坦部の幅が一定になる。
ややばらつきは有るが、Ｌが小の場合の方が大きな平坦部が得られる。
図２３は３ｍｍの読み取り設定領域の照度変化率をａを横軸として並べたものである。この図からは特にまとまった傾向は見られない。
図２４は照度変化率をＬを横軸として並べた図である。照度変化率は１２％以下であれば実用上差し支えないのですべての実施例が目標を達成している。ただし、小さければ小さいほど良いので、Ｌを小または中にすれば、ほぼ５％以内にはいる。

図２５は主走査方向に複数の発光素子を有する光源装置の例を示す斜視図である。
同図において符号４２は発光素子、４３は反射鏡をそれぞれ示す。
本実施例は実施例５に示した構成を基本とする。原稿面３の主走査方向の長さを３００ｍｍとし、反射鏡４３の有効長さをそれより大きい４００ｍｍとする。
発光素子の数は全部で１７個とし、２０ｍｍ等間隔配置とした。したがって、両端の発光素子の中心間隔は３２０ｍｍとなり、発光素子の両端を結ぶ長さは３２２ｍｍとなり、被照明面の長さよりも長くなっている。
図２６は本実施例による副走査方向における照度分布を示す図である。
この図で見ると端部近傍の照度分布Ｇ１が若干低く出ている。これは端部近傍の発光素子が被照明面の長さとあまり変わらないため、端部近傍では一方向からの照明に頼るためと考えられる。

図２７は実施例１１による副走査方向における照度分布を示す図である。
実施例１１は実施例１０とほぼ同様な構成であるが、違いは発光素子の数をさらに２個増やした点にある。すなわち、実施例１０に示した１７個の発光素子のさらに外側に、２０ｍｍの間隔を置いて各１個の発光素子を置いたものである。両端の発光素子の中心間隔は３６０ｍｍとなる。この構成によれば、被照明面の端部は、その外側６０ｍｍの発光素子からも照明を受けることになるので、照度分布曲線Ｇ１の照度低下がかなり改善されている。

図２８は実施例１２による副走査方向における照度分布を示す図である。
実施例１２では１７個の発光素子の間隔を一部不等間隔にしている。具体的には、中央の発光素子から端へ向かって、４個目までは２２ｍｍずつの等間隔とし、それより外側は順次１．５ｍｍずつ狭くしている。したがって、一番外側（８個目）とそのすぐ内側の発光素子間隔は１６ｍｍとなり、最外側の発光素子の中心間距離は３２２ｍｍとなり被照明面の長さより長くなっている。実施例１１では、発光素子の配列長さと反射鏡の長さが、被照明面に比べて長くなりすぎ、小型化の流れに逆行することになる。本実施例ならば、被照明面の端部近傍でも照度分布曲線Ｇ１で示すように、照度は中央部付近と大差なく、しかも、発光素子の配列長さや反射鏡の長さも実施例１０の場合と大差ない。

図２９は実施例１３に用いる光学素子を示す図である。同図（ａ）は側面図、同図（ｂ）は斜視図、同図（ｃ）は配置図である。
同図において符号４４は発光素子、４５は光学要素としての合成樹脂またはガラスなどの透明部材からなる部分円筒型部材である。同図（ａ）を参照して説明すると、光束入射面としての平面部４５ａと、光束出射面としての平面部４５ｂがそれぞれの一方の端でほぼ直交しており、それぞれの他方の端は凹面反射部としての曲線（長さ方向を考慮に入れれば２次曲面）４５ｃで接続されている。曲線は一般的に２次曲線の一部であり、この２次曲線の対称軸に一致して、もしくはほぼ平行に平面部４５ａが形成されている。発光素子４４の光束出射面は熱の問題が解決できれば平面部４５ａに接触させて置くことができ、本実施例でも接触させている。
この構成では、発光素子４４から出た光束は、光学要素４５の光束入射面４５ａから入り、凹面反射部４５ｃで内面反射され、光束出射面４５ｂから出て被照明面３に向かう。
本実施例の仕様は次の通りである。
反射鏡断面 楕円
Ｒ＝４．０；Ｋ＝−０．８７５；Ｈ＝１７
光源サイズ ａ＝１．０
光源位置 ｘ＝０、ｙ＝０
原稿面位置 Ｌ＝４４．３
原稿面角度 θ＝２０°
屈折率 １．５１６８
アッベ数 ６４．２
図３０は実施例１３による副走査方向における照度分布を示す図である。
平坦部の幅は、Ｇ０で約１２．４ｍｍ、Ｇ１で約１３．１ｍｍとなり、読み取り設定領域の照度変化率はＧ０で約４．８％、Ｇ１の方が大きく約５．６％である。

図３１は実施例１４の構成を示す側断面図である。
同図において符号４６は発光素子、４７は反射鏡、４８は被照明面、αは発光素子の光束出射面が光軸となす角度をそれぞれ。
本実施例は１個の発光素子を用いて高い被照明面照度を得る示すための構成である。
実施例１３までは、光束出射面の角度について特に断らなかったが、すべてＸ軸に平行で有るとしてきた。しかし、光束の有効利用の見地からは或る程度傾けた方が良いことが分かっている。
本実施例の仕様は次の通りである。
反射鏡断面 円
Ｒ＝３０；Ｋ＝０；Ｈ＝２５
光源サイズ ａ＝２．０
光源位置 ｘ＝０、ｙ＝０．６
光束出射面角度α＝５０°
原稿面位置 Ｌ＝２．８
原稿面角度 θ＝０°
図３２は実施例１４による副走査方向における照度分布を示す図である。
この図から見る限り、照度は複数の発光素子を用いた場合と同程度の値が得られており、平坦部の幅約６．６ｍｍ、読み取り設定領域の照度変化率約７％という値からは、実施例１０ないし１２に引けを取らないが、その構成上、画像読み取り用の光路を確保することができないので、ディスプレイ等の用途を考えることになる。
光束出射面を光軸に対して傾けることは、反射鏡の有効範囲に最大のエネルギーを入射させるためには有意義である。配光分布曲線の最大値を中心に光束を対称的に利用するのが最も効率がよい。好ましくは、半値角内のすべての光束を受けるように反射鏡の大きさを設定するのがよい。

図３３は実施例１５の構成を説明するための図である。
同図において符号４９は第１の光源部、５０は第２の光源部、５１は被照明面、５２は受光素子の存在する方向を示す矢印である。
第１の光源部４９は実施例５で示したをそのまま利用している。第２の光源部５０は、第１の光源部に対して裏返しに近い関係にあり、その仕様は次の通りである。
反射鏡断面 楕円
Ｒ＝４．０；Ｋ＝０．８８；Ｈ＝１５
光源サイズ ａ＝１．０
光源位置 ｘ＝０、ｙ＝０
原稿面位置 Ｌ＝５７
原稿面角度 θ＝１０°
図３４は実施例１５による副走査方向における照度分布を示す図である。
平坦部の幅はＧ０で約５．３ｍｍ、Ｇ１で約５．０ｍｍとなり、読み取り設定領域の照度変化率はＧ０で約３．３％、Ｇ１の方が大きく約５．０％である。半値幅は約１０．５ｍｍであった。
両側から照明することで、実施例５の照度に比べて約２倍の照度が得られたのに加え、照度分布曲線も比較的対称形に近いものが得られた。第２の光源部として第１の光源部と同じもの、すなわち、実施例５に使用した構成をそのまま利用した場合はさらに対称的な分布になる。
照明のスペースが許せば、光源部は２個に限る必要はない。図示はしないが、光源部の数を３個、あるいは４個と増やすことによって、より明るい照明ができることは明らかである。

次に、上記光利用効率と照度平坦部範囲が好適に設計された照明装置の構成の例を示し、取り付け誤差による照度分布の変化を示す。
図４１は光利用効率と照度平坦部範囲が好適に設計された照明装置の構成を説明するための図である。同図（ａ）は光線図、同図（ｂ）は被照明面の照度分布曲線を示す図、同図（ｃ）は配置の状態を示す斜視図である。
本構成の仕様は次の通りである。
反射鏡断面 放物線
Ｒ＝４．０；Ｋ＝−１；Ｈ＝１８
光源数 ｎ＝３
光源サイズ ａ＝１
光源位置 ｘ＝０．１５、ｙ＝０
原稿面位置 Ｌ＝２２．８５
原稿面角度 θ＝３０°

同図（ｂ）に示す照度分布曲線は緩やかなカーブを描いており、一見平坦部らしいところが見えないが、最大値を含む周辺で最大値より１２％小さい値までの範囲を見ると曲線Ｇ０で約５ｍｍ、Ｇ１も約５ｍｍの幅がある。平坦部の幅の中心付近の代わりに、位置の決めやすさのため最大値を含む付近で３ｍｍの幅を特定して変化率を見ると曲線Ｇ０の方が大きくて約６％、Ｇ１で約３．６％である。装置全体に対して、被照明位置は固定であるが、照明装置は若干調整可能に構成されており、設計値からのズレが大きくなければ、被照明位置に最大照度を与えることはできる。調整代を幾らにするかは設計上の問題であるが、被照明面の幅の許容誤差範囲を加えた幅（上記の例で言えば３ｍｍ）と同程度あれば十分である。
したがって、この構成の照明装置はモノクロ画像用としては勿論、カラー画像用として十分使える。
しかし、このような構成を取ると、反射鏡と光源（発光素子）の相対的な位置ズレが発生した場合の照度分布変化は大きくなる。

図４２は図４１に示した照明装置にズレが生じた場合の照度分布を示す図である。
同図（ａ）、（ｂ）は光源が光軸方向に位置ズレを生じた時の照度分布、
同図（ｃ）、（ｄ）は光源が光軸に対し上下方向に位置ズレを生じた時の照度分布、
同図（ｅ）、（ｆ）は光軸に対し発光素子の傾きが生じた時の照度分布、
をそれぞれ示す。ここでいうズレや傾きは、いずれも光源と反射鏡の相対的な位置関係を意味する。
例えば、同図（ａ）、（ｂ）は反射鏡と発光素子の相対位置関係がＸ軸方向に０．３ｍｍ前後した場合における照度分布である。読み取り設定可能領域（グラフの横目盛り１０の付近±３ｍｍ）における照度分布の平坦性は失われており、不具合がある。
また、同図（ｃ）示すように反射鏡と発光素子の相対位置関係がＹ軸上プラスの方向に０．３ｍｍ移動した場合には照度分布の平坦性は失われないが、同図（ｄ）示すように発光素子がＹ軸上マイナスの方向に０．３ｍｍ移動した場合、照度分布の平坦性は失われてしまう。ここで発光素子の移動量を±０．３ｍｍとしたのは、許容製造誤差をそのくらいの範囲に収めたいからである。すなわち、設計上の公差として±０．３ｍｍを設定することができるかどうかを確かめることを目的としている。この値は写真レンズの公差の数倍にあたる大きな値であり、これを公差にできれば製造上問題無い。
同図（ｅ）、（ｆ）に示すように反射鏡と発光素子の間に±１０度という大きな傾きが発生した場合には、被照明面上で実用上問題の無い照度分布を保つので、本実施例においては反射鏡と発光素子の相対的な傾きは問題としない。すなわち、グラフの横目盛り１０の付近±３ｍｍの位置において、発光素子の発光面が反射鏡側に１０度傾いた場合には、曲線Ｇ０、Ｇ１ともに約５ｍｍの平坦部、読み取り設定領域内変化率はＧ０が４％、Ｇ１が１０．８％、発光素子の発光面が被照明面側に１０度傾いた場合には、曲線Ｇ０、Ｇ１ともに約６ｍｍの平坦部、読み取り設定領域内変化率はＧ０が８％、Ｇ１が５．１％となっている。

上述したように、本発明においては光学要素（本実施例においては反射鏡）の入射光発散作用を所定量強くすることによって、この照度ムラを低減するわけであるが、発散作用を強くすることによって当然被照明面上での照度落ちがある。発光素子の発光量が大きければ問題ないが、本発明においては発光素子の光量は小さいものと仮定しているので、本実施例においては、照度を上げるために発光素子を２列並べる。反射鏡の発散作用が強くなっているため、適切な光源位置以外からの光は、集光すること無く被照明面に導かれる。このため、照度ムラを発生することなく、１列の発光素子の時に比べて照度を上げる作用がある。

図４３は実施例１６の構成を示す図である。同図（ａ）は構成図、同図（ｂ）は被照明面の照度分布曲線を示す図、同図（ｃ）は配置の状態を示す斜視図である。
同図において符号５７、５８は発光素子列をそれぞれ示す。
発光素子列５７と５８は、２次曲線の対称軸方向に並んでおり、図示しない基板によって、２列が一体的に配列されている。
本実施例の構成の仕様は次の通りである。
反射鏡断面 双曲線
Ｒ＝４．０；Ｋ＝−１．２
光源数 ｎ＝６
光源サイズ ａ＝１
光源位置 ｘ＝−０．５５、０．５５（各列のｘ座標）、
ｙ＝０（２列とも同じ）
原稿面位置 Ｌ＝２３．４、２２．３
（同図（ａ）の左列、右列に対する原稿面位置）
原稿面角度 θ＝３０°
本実施例では２列の光源の座標をともに０としたが、両者を同じ値にすることは必須要件ではない。

図４４は図４３に示した照明装置にズレが生じた場合の照度分布を示す図である。
同図（ａ）、（ｂ）は光源が光軸方向に位置ズレを生じた時の照度分布、
同図（ｃ）、（ｄ）は光源が光軸に対し上下方向に位置ズレを生じた時の照度分布、
である。尚、位置ズレをする光源とは、発光素子２列を一体としたものを指す。
同図（ａ）〜（ｄ）に示すように、本構成を用いることによって、上に示した好適に設計された照明装置の構成と比較して照度落ちすることなく、反射鏡と発光素子の相対的な位置ズレによる照度ムラを小さく抑えることができた。本構成においては同図（ｂ）に示すように、平坦部が曲線Ｇ０において約１０ｍｍ、Ｇ１において約１１ｍｍ程度とかなり幅広である。Ｇ０とＧ１で読み取り設定領域が異なるため、仮にグラフの横目盛り１０の付近±３ｍｍに設定した時の、同図（ａ）〜（ｄ）それぞれの平坦部の大きさ（概略値）を以下に示す。矢印の左側は発光素子の位置の変化量、右側は平坦部の幅をそれぞれ示す。
・ 同図（ａ）：ｘ＝−０．３ｍｍ →Ｇ０；１０ｍｍ、Ｇ１；１０ｍｍ
・ 同図（ｂ）：ｘ＝＋０．３ｍｍ →Ｇ０；１０ｍｍ、Ｇ１；１０ｍｍ
・ 同図（ｃ）：ｙ＝−０．３ｍｍ →Ｇ０；１２ｍｍ，Ｇ１；１０ｍｍ
・ 同図（ｄ）：ｙ＝＋０．３ｍｍ →Ｇ０； ９ｍｍ、Ｇ１； ９ｍｍ
以上、どの場合も平坦部の幅は十分確保できている。
また、読み取り設定領域をグラフの横目盛り１０の付近±３ｍｍとし、その内部における変化率を以下に示す。矢印の左側は上記と同じ、右側は変化率をそれぞれ示す。
・ 同図（ａ）：ｘ＝−０．３ｍｍ →Ｇ０；５．５％、Ｇ１；２．３％
・ 同図（ｂ）：ｘ＝＋０．３ｍｍ →Ｇ０；７．１％、Ｇ１；２．６％
・ 同図（ｃ）：ｙ＝−０．３ｍｍ →Ｇ０；１．４％、Ｇ１；４．６％
・ 同図（ｄ）：ｙ＝＋０．３ｍｍ →Ｇ０；７．６％、Ｇ１；９．９％
以上、どの場合も照度の変化率は目標値以内に十分収まっている。
よって、本構成を用いることで、照度落ちなく、取り付け誤差に強い照明系を形成できる。さらなる安定化を求めるのであれば、発光素子列を３列以上にしても良い。

図４５は実施例１７の構成を示す図である。同図（ａ）は構成図、同図（ｂ）は被照明面の照度分布曲線を示す図、同図（ｃ）は配置の状態を示す斜視図である。
同図において符号５９は第１の発光素子列、６０は第２の発光素子列をそれぞれ示す。
実施例１６のように、発光素子を２列単純に並べる方法の問題点は、一つの列の発光素子と隣の列の発光素子とが相互に熱を与えてしまうことである。そこで、同図（ｃ）に示すように、一つの列例えば素子列５９の、発光素子と発光素子の間に、隣の発光素子列６０の発光素子を配置する、いわゆる千鳥足配列にすることで、この問題を軽減できる。
実施例１７の構成の仕様は次の通りである。
反射鏡断面 双曲線
Ｒ＝４．０；Ｋ＝−１．２
光源数 ｎ＝５
光源サイズ ａ＝１
光源位置 ｘ＝−０．５５、０．５５（各列のｘ座標)、
ｙ＝０（２列とも同じ）
原稿面位置 Ｌ＝２３．４、２２．３
（同図（ａ）の左列、右列に対する原稿面位置）
原稿面角度 θ＝３０°

図４６は実施例１８の構成を示す図である。同図（ａ）は構成図、同図（ｂ）は被照明面の照度分布曲線を示す図、同図（ｃ）は配置の状態を示す斜視図である。
同図において符号６１は第１の光源部、６２は第２の光源部をそれぞれ示す。
被照明面の照度低減を補助する実施例１７とは別の方式として、複数の光源部を設置する方法がある。反射鏡の発散度が高く、平坦部が広いため、光源部の被照明面に対する設置位置誤差は多少であれば問題ない。
同図（ａ）に示す２つの光源部６１、６２は各々同じものであり、被照明面の読み取り領域の中心における法線に対して対称に配置されている。
実施例１８の構成の仕様は次の通りである。
反射鏡断面 双曲線
Ｒ＝４．０；Ｋ＝−１．３
光源数 ｎ＝６
光源サイズ ａ＝１
光源位置 ｘ＝０．１５、ｙ＝０
原稿面位置 Ｌ＝２２．８５
原稿面角度 θ＝＋３０°
ただし、座標軸の設定は、図１２の説明において定義した座標軸を、各反射鏡それぞれに、個別に設定した。

図４７は実施例１９の構成を示す図である。同図（ａ）は構成図、同図（ｂ）は被照明面の照度分布曲線を示す図、同図（ｃ）は配置の状態を示す斜視図である。
同図において符号６３はシリンドリカルレンズを示す。
実施例１６において、反射鏡の入射光発散度を増すことで、反射鏡と発光素子の相対的な位置ズレ公差を緩めたのだが、平坦部は必要以上に広く、発光素子の光が極弱い場合には、照度が足りないことも考えられる。そこで、反射鏡の出射光開口部にシリンドリカルレンズ６３を設置し、照度ムラが大きくならない程度に光を集めることで照度を高めた。
実施例１９の構成の仕様は次の通りである。
反射鏡断面 双曲線
Ｒ＝４．０；Ｋ＝−１．２
光源数 ｎ＝５
光源サイズ ａ＝１
光源位置 ｘ＝−０．５５、０．５５(各列のＸ軸座標)、
ｙ＝０（２列とも同じ）
原稿面位置 Ｌ＝２３．４、２２．３
（同図（ａ）の左列、右列に対する原稿面位置）
原稿面角度 θ＝３０°
レンズ硝材 屈折率（ｄ線）;１．５１７分散；６４．２
曲率半径 Ｘ軸上反射鏡に近い面をＲ１面、反対側の面をＲ２面とすると
Ｒ１＝３５ｍｍ、Ｒ２＝１００ｍｍ
レンズ厚 ２ｍｍ
レンズ光軸 ｙ＝５ｍｍ
実施例１９の構成を用いることによって、実施例１６に比べて照度を高めることができる。しかし、コストの問題もあり、発光素子の発光量が必要量ある場合には、必ずしもこの構成を用いなくともよい。
本方式では、レンズ光軸の高さを変えることで、最高照度の位置をずらすことができるので、シリンドリカルレンズの取り付け位置を調整用に利用することもできる。なお、主走査方向があまり長くないときは、主走査方向にも多少の屈折力を持たせて良い。この場合はシリンドリカルレンズではなくアナモフィックレンズになる。

図４８は本発明の照明装置に適した発光素子用レンズを示す概要図である。
同図において符号６４はＬＥＤ、６５は発光部、６６はレンズ部をそれぞれ示す。
本実施例では、実施例１６〜１９のような照明系全体の構成ではなく、本発明のようなスキャナ用の照明系に用いるのに適した、発光素子の実施例を示す。
図４に示したように、ＬＥＤ２２の先端に半球状レンズ部２５が設置され一体となり、光出射方向を狭め、指向性を高めようとする発光素子が既に市場に出回っている。しかし、本発明にこの素子を用いた場合、全ての方向に対して発光素子の指向性が高いため、主走査読み取り方向において照度ムラが発生してしまう。
このため、本発明には同図に示すようなシリンドリカルレンズ６６を発光部６５の直上につけたＬＥＤ６４を用いるとよい。このようなシリンドリカルレンズ６６を用いれば、副走査方向には光を集め、主走査方向には光を集めないので、一方向に長い被照明面を照明するのに最適である。

図３５は本発明の照明装置を投影装置（プロジェクタ）に用いた例を示す図である。
同図において符号５３は照明装置、５４は画像表示素子、５５は投影レンズ、５６はスクリーンをそれぞれ示す。
画像表示素子５４はＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）に代表される反射型表示素子を用いる。
照明装置５３から出射した光束は、被照明面としての画像表示素子５４に入射する。ＤＭＤの場合、画素を形成する微少サイズの反射鏡で、別途入力される画像情報によって反射方向を２方向のいずれかにスイッチングされる。一方の反射方向に対応する位置に置かれた投影レンズ５５に入った光束がスクリーン５６上に結像することによって画像が表示される。投影される画像は、静止画、動画いずれもあり得る。

本発明の固体発光素子の一例としてＬＥＤの配光分布を示す図である。 本発明に用いるＬＥＤの一例を示す図である。 本発明に用いるＬＥＤの他の例を示す図である。 本発明に用いるＬＥＤのさらに他の例を示す図である。 本発明に用いるＬＥＤのさらに他の例を示す図である。 断面が楕円の反射鏡の焦点に点光源を置いた場合の光路を示す概念図である。 断面が放物線の反射鏡の焦点に点光源を置いた場合の光路を示す概念図である。 断面が双曲線の反射鏡の焦点に点光源を置いた場合の光路を示す概念図である。 楕円面反射鏡の焦点位置に面発光素子を置いたときの光線の反射の様子を示す図である。 被照明面に対する光線の集光状態の一例を示す図である。 図１０に示す光線図を合成した図である。 実施例１の照明装置を説明するための図である。 実施例２の照明装置を説明するための図である。 実施例３の照明装置を説明するためのである。 実施例４の照明装置を説明するための図である。 実施例５の照明装置を説明するための図である。 実施例６の照明装置を説明するための図である。 実施例７の照明装置を説明するための図である。 実施例８の照明装置を説明するための図である。 実施例９の照明装置を説明するための図である。 実施例１ないし９の照度分布図をａおよびＬの小中大の順で並べた図である。 平坦部の幅をＬを横軸に小中大の順で並べた図である。 ３ｍｍの読み取り設定領域の照度変化率をａを横軸に並べた図である。 照度変化率をＬを横軸に並べた図である。 主走査方向に複数の発光素子を有する光源装置の例を示す斜視図である。 実施例１０による副走査方向における照度分布を示す図である。 実施例１１による副走査方向における照度分布を示す図である。 実施例１２による副走査方向における照度分布を示す図である。 実施例１３に用いる光学素子を示す図である。 実施例１３による副走査方向における照度分布を示す図である。 実施例１４の構成を示す側断面図である。 実施例１４による副走査方向における照度分布を示す図である。 実施例１５の構成を説明するための図である。 実施例１５による副走査方向における照度分布を示す図である。 本発明の照明装置をプロジェクタに用いた例を示す図である。 画像読み取り装置を有する画像形成装置の模式図である。 棒状光源を用いた照明装置の断面図である。 棒状光源を用いた照明装置の断面図である。 デジタル複写機やイメージスキャナの受光素子の位置関係を示す模式図である。 照度分布曲線の変化と読み取り位置との関係を示す図である。 光利用効率と照度平坦部範囲が好適に設計された照明装置の構成を説明するための図である。 図４１に示した照明装置にズレが生じた場合の照度分布を示す図である。 実施例１６の構成を示す図である。 図４３に示した照明装置にズレが生じた場合の照度分布を示す図である。 実施例１７の構成を示す図である。 実施例１８の構成を示す図である。 実施例１９の構成を示す図である。 本発明の照明装置に適した発光素子用レンズを示す概要図である。

符号の説明

１ 棒状光源
２ 凹面反射鏡
３ 被照明面
４ 照度分布曲線
５ 結像レンズ
６ 受光素子
８ 発光点
９ 配光分布曲線
１０ ＬＥＤ
３４ 楕円面反射鏡
３５ 放物面鏡
３６ 双曲面鏡

Claims (14)

1. 所定の長さと幅を有する被照明面と、該被照明面に光を照射して、該被照明面からの反射光を利用する照明装置であって、
   固体状の発光素子と、該発光素子の光束出射面の近傍に光束入射開口部を有し、前記被照明面に向けて光束出射開口部を有する部分円筒状で断面形状が２次曲線からなる凹面反射部を有する光学要素と、を有する光源部を設け、前記発光素子からの照射光による照明領域は一定の照度を有する高照度分布領域を有し、該高照度分布領域を前記被照明面に一致させた照明装置において、
   前記光学要素は、透明なガラスもしくは合成樹脂からなる部分円筒型部材であり、前記光束入射開口部は平面部からなる光束入射面であり、前記光束出射開口部は前記光束入射面に直交する平面部からなる光束出射面であり、前記両平面部は前記凹面反射部としての２次曲線で接続されており、該２次曲線の対称軸に一致して、もしくは平行に前記光束入射面としての平面部が形成されており、
   前記発光素子の光束出射面は前記光学要素の前記光束入射面としての平面部に接触して配置され、該発光素子から出射した光束は、前記光束入射面から入射し、前記凹面反射部で内面反射され、前記光束出射面から出射して前記被照明面に向かうことを特徴とする照明装置。
2. 請求項１に記載の照明装置において、前記発光素子の中心は、前記２次曲線の焦点位置、もしくは該焦点から前記発光素子の光束出射面の長さ以内の距離に配置することを特徴とする照明装置。
3. 請求項１または２に記載の照明装置において、前記凹面反射部は、頂点近傍および、対称軸から見て片側の曲線によって構成されることを特徴とする照明装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載の照明装置において、前記発光素子の光束出射面は前記２次曲線の対称軸に平行であることを特徴とする照明装置。
5. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載の照明装置において、前記発光素子の光束出射面は前記２次曲線の対称軸に対し所定の角度傾いていることを特徴とする照明装置。
6. 請求項５に記載の照明装置において、前記光束出射面の傾き角は、前記凹面反射部の有効反射領域に対し、最大の光量が入射する角度であることを特徴とする照明装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか１つに記載の照明装置において、前記２次曲線として、部分的な直線の連結により２次曲線に近似させたものを含むことを特徴とする照明装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか１つに記載の照明装置において、前記発光素子は前記被照明面の長さ方向に複数個配列され、複数の発光素子の両端を結ぶ長さは、前記被照明面の長さよりも大きいことを特徴とする照明装置。
9. 請求項１ないし３、５ないし８のいずれか１つに記載の照明装置において、前記発光素子の光束出射面は前記２次曲線の対称軸に対し所定の角度傾いており、その角度は前記凹面反射部の有効反射領域に対し、前記発光素子の配光分布における半値角ないの光束が入射する角度であることを特徴とする照明装置。
10. 請求項１ないし９のいずれか１つに記載の照明装置において、前記発光素子は、前記２次曲線の対称軸方向にほぼ一致した方向に複数配列されていることを特徴とする照明装置。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の照明装置において、前記発光素子の前記光束出射面に、直交する２方向の間で屈折力が異なるレンズが配置されていることを特徴とする照明装置。
12. 請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の照明装置において、前記光学要素の光束出射面と前記被照明面との間に、直交する２方向の間で屈折力が異なるレンズを介在させることを特徴とする照明装置。
13. 請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の照明装置を用いたことを特徴とする画像読み取り装置。
14. 請求項１３に記載の画像読み取り装置を用いたことを特徴とする画像形成装置。

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