JP4788577B2 - ライトガイド、光源装置及び電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、発光素子からの光を案内して線状に発光させるためのライトガイド、これを用いた光源装置及び電子機器に関する。
従来から、画像等を読み取るためのスキャナや複合機等の光源として、CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lighting(Lamp))が用いられている。昨今では、装置本体の薄型化または小型化を実現するために、画像の読み取り部にCIS(Contact Image Sensor)が用いられた機器が登場している(例えば、特許文献1参照。)。CISは、光源としてLED(Light Emitting Diode)を有しており、これにより小型化が達成される。また、CCFLに代えてLEDが用いられることにより、装置の起動時間の短縮化、低消費電力化、水銀レス化等の環境対策における利点もある。
特開2004−72152号公報(段落[0026]、図1)
LED等の固体発光素子がスキャナの光源として用いられる場合、発光素子からの光を均一に読み取りの対象物に導くライトガイドを利用することが考えられる。この場合、ライトガイドは、線状であることが現実的であり、この線状のライトガイドを含む光源装置が移動することにより、読み取り対象物の全体に光を照射することができる。
この場合において、ライトガイドの一端側または両端側から発光素子の光が入射される場合、光量の均一化が困難となり、光量も足りない。光量を増やすために多数の発光素子を用いる場合には、その分装置が大型化するおそれもあり、また、配光ムラの問題も残る。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、均一な光を照射することができる光源装置、これに用いられるライトガイド、当該光源装置を搭載した電子機器を提供することにある。
本発明の別の目的は、スキャナ等の電子機器の小型化または薄型化を達成することにある。
上記目的を達成するため、本発明に係るライトガイドは、直線状に配列された複数の発光素子からの光を入射する入射面と、集光可能な形状に形成され、前記入射面から入射された前記光を出射する出射面と、折れるように設けられ、かつ、前記入射面から前記出射面に向かうにしたがい徐々に体積が増えるように設けられた導光部とを具備する。
本発明では、導光部は徐々に体積が増えるように設けられているので、入射面から入射して拡散する光を、導光部により効率良く導光させ、出射面から集光させて光を出射させる。また、導光部が適切な角度で折れるように設けられていれば、入射面から入射した光が所望の角度に変えられて出射する。これにより、ライトガイドの光路長をできるだけ長くしながら、光を拡散させて均一な光を照射することができるとともに、ライトガイド及びこれが搭載される電子機器の小型化または薄型化を実現することができる。
「折れるように」とは、折れ目がはっきり表れるような形状もよいし、折れ目がはっきりせず多少曲がるように形成されていてもよい。
本発明において、前記出射面は、ブラスト加工された面である。これにより、出射面で集光させて出射させつつ、光を散乱させることができる。その結果、照射対象物に光がより均一に照射される。
本発明において、前記導光部は、前記照射対象物が配置される側とは反対側に配置され、120°〜150°で折れるように設けられた側面を有する。このような範囲の角度であれば、側面からの光の漏れを抑えることができる。その結果、出射面から出射する光量を多くすることができる。
本発明において、前記出射面は、前記複数の発光素子の配列方向に沿って、複数の集光面を有する。これにより、出射面からの出射光の均一化に寄与する。
本発明において、前記入射面は、光の発散形状に形成されている。これにより、入射面からの入射光を効率良く発散させることができ、光の均一化に寄与する。
本発明の他の観点に係るライトガイドは、直線状に配列された複数の発光素子からの光を入射する入射面と、集光可能な形状に形成され、前記入射面から入射された前記光を、前記光の照射対象物に向けて出射する出射面と、前記照射対象物が配置される側に設けられた第1の側面と、前記照射対象物が配置される側とは反対側に配置され、第1の角度で折れるように設けられた第2の側面とを有し、前記入射面から前記出射面へ前記光を導く導光部とを具備する。
本発明では、第1の角度で折れるように設けられた第2の側面が設けられることにより、光路長をできるだけ長くすることができる。これにより、入射面から入射して拡散する光を均一化させることができるとともに、入射面からの光の角度が変えられて出射するので、ライトガイド及び電子機器の小型化が実現される。また、出射面から集光させて光を出射させることができ、線状の光を効率良く出射させることができる。
本発明において、前記第1の側面は、前記入射面に接続された第1の反射面と、前記第1の角度より小さい第2の角度で前記第1の反射面に接続され、前記出射面に接続された第2の反射面とを有する。出射面の集光形状、第1の角度、第2の角度が適切に設定されることにより、出射面に向かう光が適度に広がり、集光形状の出射面において実質的に平行光にすることができる。これにより、形の良い、つまり正確な線形状の光を照射することができる。
本発明において、前記第2の側面は、前記入射面に接続され、前記入射面から離れるにしたがい前記第1の反射面から徐々に離れるように設けられた第3の反射面を有する。これにより、入射面から入射して拡散する光束の光量を無駄にすることなく導光させることができる。
本発明において、前記導光部は、前記第1の反射面と前記第2の反射面との間で、前記第1の側面から窪むように形成され、前記入射面から前記出射面へ通る光束の一部を遮るシャッター部を有する。これにより、出射面の端部から広がって出射しようとする余分な光を、出射面の端部より内側の領域から出射させることができる。
本発明に係る光源装置は、直線状に配列された複数の発光素子と、前記複数の発光素子からの光を入射する入射面と、集光可能な形状に形成され、前記入射面から入射された前記光を出射する出射面と、折れるように設けられ、かつ、前記入射面から前記出射面に向かうにしたがい徐々に体積が増えるように設けられた導光部とを有するライトガイドとを具備する。
本発明に係る電子機器は、直線状に配列された複数の発光素子と、前記複数の発光素子からの光を入射する入射面と、集光可能な形状に形成され、前記入射面から入射された前記光を出射する出射面と、折れるように設けられ、かつ、前記入射面から前記出射面に向かうにしたがい徐々に体積が増えるように設けられた導光部とを有するライトガイドと、前記出射面から出射された前記光の照射対象物からの反射光を受けて電気信号に変換する光電変換素子とを具備する。
以上のように、本発明によれば、光の照射対象物に均一な光を照射することができる。また、ライトガイド、光源装置及び電子機器の小型化または薄型化を図ることができる。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の一実施の形態に係る光源装置を示す斜視図である。図2は、図1に示す矢印Aの方向で見た光源装置10の図である。図3は、この光源装置10の一部を示す平面図である。
図1及び図3に示すように、光源装置10は、一方向(X方向)に直線状に配置された複数の発光素子2と、この発光素子2から発せられた光を所定の方向に導くライトガイド3とを備えている。発光素子2は、例えばプリント配線基板8に搭載されている。複数の発光素子2の1つには、赤、緑及び青(RGB)の3つの発光源を有するLEDが用いられる。発光素子2は、これらの各色の光が合成された白色を発光する。
しかし、1つの発光素子2が、単色の1つの発光源、または単色の複数の発光源を有する構成であってもよい。その場合、発光素子2ごとに、例えばRGB異なる色の光を発光し、これら各色の光がライトガイド3により混合される。LEDとしては、無機LED、有機LEDのどちらでもよい。
図4は、図1〜図3に示した光源装置10が組み込まれたキャリッジを示す断面図である。図5は、このキャリッジ21を搭載した電子機器として、例えばスキャナ装置を示す斜視図である。スキャナ装置100は、書類や写真等、光の照射対象物22(図2、図4参照)が載置される載置面23を有する本体24と、本体24に開閉可能に装着されたカバー25とを備えている。載置面23は、例えば光の透過率が高いガラスや樹脂等でなる。本体24の内部には、載置面23に載置された照射対象物22の全面を読み取るために、キャリッジ21を直線方向(Y方向)の移動させる図示しないモータ等が設けられている。さらに、本体24の内部には、キャリッジ21の移動をガイドするガイドレール19も設けられている。ガイドレール19は、例えば図4に示すように、キャリッジ21の下部に接続されている。なお、スキャナ装置100の構成は、図に示したような構成に限られず、適宜設計の変更が可能である。
図4に示すように、このキャリッジ21内には、上記光源装置10と、複数のミラー11、12、13、14、15と、結像のためのレンズ系16と、光路長調整素子17と、イメージセンサ(光電変換素子)18とが設けられている。光源装置10からイメージセンサ18までの光路長をできるだけ長くとるため、このように複数のミラー11〜15が配置される。これらのミラー11〜15は、X方向に長尺形状を有している。レンズ系16は、複数のレンズで構成されることが多い。光路長調整素子17は、例えば赤外光と通常光の光路差を調整する。イメージセンサ18としては、例えばCCDが用いられる。必ずしもCCDでなくとも、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)センサであってもよい。イメージセンサ18の種類に応じて、キャリッジ21内の光学系の構成も適宜変更可能である。
図6は、キャリッジ21内の光学系の原理を示す図である。ライトガイド3の後述する出射面6から出射された線状の光は、照射対象物22に照射され、その反射光が、各ミラー(図4参照)11〜15で反射し、レンズ系16を介してイメージセンサ18に入射する。
図2に示すように、ライトガイド3は、複数の発光素子2からの光が入射する入射面7と、入射面7から入射した光を出射する集光可能な形状に形成された出射面6と、入射面7からの光を出射面6まで導く導光部9とを有する。
入射面7は、例えば平面に形成されている。入射面7のZ方向の幅(高さ方向の幅)w1は、発光素子2の発光する側面と実質的に同じ幅、あるいは、それよりわずかに小さい幅に設計されている。このような構成により、出射面6から出射される光に暗線が混じることを防止することができ、光の均一化に寄与する。
導光部9は、折れるように設けられ、入射面7から出射面6に向かうにしたがい徐々に体積が増えるような形状となっている。「折れるように」とは、図2のように折れ目がはっきり表れるような形状もよいし、あるいは、折れ目がはっきりせず曲面形状に形成されていてもよい意味である。
導光部9は、照射対象物22が配置される側に設けられた第1の側面4と、照射対象物22が配置される側とは反対側に配置された第2の側面5とを有する。第1の側面4は、第1の反射面4aと、第2の反射面4bとで構成される。第2の側面5は、第3の反射面5aと第4の反射面5bとで構成される。第3の反射面5a及び第4の反射面5bのなす角度θ1と、第1の反射面4a及び第2の反射面4bのなす角度θ2との関係は、θ1>θ2となっている。つまり、このような関係により、導光部9は、入射面7から出射面6に向かうにしたがい徐々に体積が増えるような形状となっている。さらに換言すれば、第1の反射面4aは入射面7から離れるにしたがい徐々に第3の反射面5aから離れるように設けられている。第2の反射面4bも、入射面7から離れるにしたがい徐々に第4の反射面5bから離れるように設けられている。なお、ここで言う角度とは、水平面X−Yからなす角度という。
特に、θ1は、120°〜150°とされている。典型的にはθ1は142°である。θ2は、θ1より小さい角度であればよく、特に限定されない。後述する出射面6の曲率半径が適切な値となるように、つまり、所望の光束及び光量で出射されるような曲率半径値となるように、θ1やθ2が設定される。
出射面6は、シリンドリカル形状でなる。しかし、シリンドリカル形状に限られず、図2の方向で見て、出射面6の形状が楕円状の線、双曲線等でなっていてもよい。また、出射面6はブラスト加工されていてもよい。ブラスト加工により、出射面6で集光させて出射させつつ、光を散乱させることができる。その結果、照射対象物22に光がより均一に照射される。図3に示すように、各発光素子2間のピッチp1が、図2の破線で示す光路長hより長い場合、光ムラの懸念があるが、ブラスト加工により光の均一化が促進される。その結果、光路長hをピッチp1より短くすることができ、ライトガイド3の薄型化または小型化を図ることができる。ピッチp1は、9〜12mm程度とされるが、発光素子の大きさ、その他の設計により適宜変更可能である。出射面6の曲率半径は、例えば2〜4mm程度とされるが、これに限られない。
図7は、このライトガイド3を通る光線をシミュレーションにより表した図である。この図から分かるように、入射面7から入射した光線のほとんどが第1及び第2の側面4及び5で全反射して、出射面6から出射するので、出射光量を多くすることができる。角度θ1、θ2が上記したような適切な値に設定されることにより、このような光線を実現することができる。
また、出射面6の形状、θ1、θ2の値により、導光部9において、出射面6に向かう光が適度に広がり、集光形状の出射面6により実質的に平行光にすることができる。これにより、形の良い、つまり正確な線形状の光を照射することができる。
図8は、本実施の形態に係る光源装置10の照度分布特性を模式的に示した図である。図8において、照度分布d1は、光源装置10の長手方向に沿って均一な分布となる。
図9は、例えば導光板32の両端に発光素子2がある場合の照度分布を模式的に示した図である。この例では、照度分布d2は中央が最も強くなる分布をしている。図10は、例えば導光板32の直下に複数の発光素子2がある場合の照度分布を模式的に示した図である。この例では、照度分布d3は発光素子ごとの強弱が見られる。図9及び図10に示す例では、均一な照度分布が得られない。
以上のように、本実施の形態では、導光部9が徐々に体積が増えるように設けられているので、入射面7から入射して拡散する光を、導光部9により効率良く導光させて出光させることができる。すなわち、入射面7から入射して拡散する光束の光量を無駄にすることなく導光させることができる。
また、導光部9が折れるように設けられていることにより、入射面7から入射した光が所望の角度に変えられて出射する。これにより、ライトガイド3の光路長hをできるだけ長くしながら、光を拡散させて均一な光を照射することができるとともに、ライトガイド3及びこれが搭載されるスキャナ装置100の小型化または薄型化を実現することができる。しかしながら、光路長hは、ピッチp1(図3参照)より短くすることができることは既に述べたとおりである。
本実施の形態では、拡散シート等を介していないため、製造コストの上昇を抑えることができるとともに、光源装置10、スキャナ装置100の小型化に寄与する。
図11(A)及び(B)は、従来のCCFL及びLEDによる初動時間をそれぞれ示すグラフである。各グラフの縦軸は光の強度を表し、横軸は電源が導入されてからの時間経過(単位:秒)を表す。このように、一般的にはLEDはRGBの強度差はあるものの、初動時間はCCFLに比べ断然短い。
図12は、本発明の他の実施の形態に係る光源装置であって、この光源装置30を横から示す図である。これ以降の説明では、図2等に示した実施の形態に係る光源装置10の構成や機能等について同様のものは説明を簡略または省略し、異なる点を中心に説明する。
本実施の形態に係るライトガイド33は、第1の反射面34aと第2の反射面34bとの間で、第1の側面34から窪むように形成されたシャッター部34cを備えている。シャッター部34cは、入射面37から出射面36へ通る光束の一部を遮る機能を有する。図13は、このライトガイド33を通る光線をシミュレーションにより表した図である。このように、シャッター部34cが設けられていても、図2に示したライトガイド3と同等の効果を得ることができる。シャッター部34cがない場合、図14の破線で示す光線のように、第3の反射面35aで反射した入射光は、出射面36の端部から広がって出射しようとする。本実施の形態に係るライトガイド33では、第3の反射面35aで反射した入射光がシャッター部34cで反射し、出射面36の端部ではなく中央部の領域から出射させることができる。
図15(A)は、そのようなシャッター部34cが設けられたライトガイド33について、上記角度θ1が150°より大きく設定されたライトガイドを通る光線をシミュレーションにより表した図である。同じく、図15(B)は、そのようなシャッター部34cが設けられたライトガイドについて、角度θ1が120°より小さく設定されたシミュレーション図である。このように、120°〜150°以外の範囲では、光の漏れが大きくなることが分かる。
なお、図15(A)及び図15(B)では、シャッター部34cが設けられたライトガイドについてシミュレーションした。しかし、シャッター部34cがないライトガイドについても、θ1が適切な角度範囲内にない場合、同様に光の漏れが生じる。
図16は、本発明のさらに別の実施の形態に係る光源装置の一部を示す平面図である。この光源装置50のライトガイド43の出射面46には、複数の発光素子2の配列方向に沿って、複数の集光面46aが形成されている。この例では、1つ1つの発光素子2に対応して集光面46aがそれぞれ形成されている。しかし、必ずしも1つの発光素子2に1つの集光面が対応していなくてもよく、例えば2以上の発光素子2に1つの集光面46aが対応していてもよい。この集光面46aは、球面、トロイダル面等に形成することができる。このライトガイド43を横から見た場合、図2または図12に示したライトガイド3または33と同様の形状になる。
このような複数の集光面46aが設けられることにより、出射面46からの出射光の均一化に寄与する。
図17は、本発明のさらに別の実施の形態に係る光源装置の一部を示す平面図である。この光源装置70のライトガイド53の入射面57は、光を発散させるための形状、例えばプリズムが形成されている。プリズムの大きさは、適宜設計可能である。発散形状としては、プリズム以外にも、各発光素子2に対応して凹面が形成されていてもよい。これにより、入射面57からの入射光を効率良く発散させることができ、光の均一化に寄与する。
図18は、本発明のさらに別の実施形態に係る光源装置の一部を示す平面図である。この光源装置90の各発光素子2は、ライトガイド63の端部63aに取り付けられた発光素子2ほど、その発光面が内側へ向くように配置されている。これにより、ライトガイド63の端部63aにおける照度の低下をより軽減でき、したがって、当該端部63aの照度をより均一に維持することができる。
図19(A)は、図18に示した光源装置90の左側半分の照度分布を示す図である。光源装置90の右側半分も、これと対称な照度分布となり、全体では左右へ広がりの少ない分布となる。ちなみに図19(B)は、図3に示した光源装置10の照度分布を示す図である。
本発明に係る実施の形態は、以上説明した実施の形態に限定されず、他の種々の実施形態が考えられる。
上記各実施の形態に係る光源装置10、30、50、70、90のうち少なくとも2つが組み合わされてもよい。
電子機器として、スキャナ装置100単体を示したが、プリンタ機能と一体となったコピー機や複合機であってもよい。
例えば、上記各実施の形態では、発光素子が横1列に並ぶ構成を説明した。しかし、発光素子は、横に複数列に並ぶように配置されてもよい。
本発明の一実施の形態に係る光源装置を示す斜視図である。 図1に示す矢印Aの方向で見た光源装置の図である。 光源装置の一部を示す平面図である。 光源装置が組み込まれたキャリッジを示す断面図である。 キャリッジを搭載した電子機器として、例えばスキャナ装置を示す斜視図である。 キャリッジ内の光学系の原理を示す図である。 ライトガイドを通る光線をシミュレーションにより表した図である。 本実施の形態に係る光源装置の照度分布特性を模式的に示した図である。 導光板の両端に発光素子がある場合の照度分布を模式的に示した図である。 導光板の直下に複数の発光素子がある場合の照度分布を模式的に示した図である。 従来のCCFL及びLEDによる初動時間をそれぞれ示すグラフである。 本発明の他の実施の形態に係る光源装置であって、この光源装置を横から示す図である。 図12に示すライトガイドを通る光線をシミュレーションにより表した図である。 シャッター部の機能を説明するための光源装置の図である。 (A)は、角度θ2が150°より大きく設定されたライトガイドを通る光線をシミュレーションにより表した図である。(B)は、角度θ2が120°より小さく設定されたシミュレーション図である。 本発明のさらに別の実施の形態に係る光源装置の一部を示す平面図である。 本発明のさらに別の実施の形態に係る光源装置の一部を示す平面図である。 本発明のさらに別の実施形態に係る光源装置の一部を示す平面図である。 (A)は、図18に示した光源装置の左側半分の照度分布を示す図である。(B)は、図3に示した光源装置の照度分布を示す図である。
符号の説明
θ1…角度(第1の角度)
θ2…角度(第2の角度)
2…発光素子
3、33、43、53、63…ライトガイド
4、34…第1の側面、
4a、34a…第1の反射面
4b、34b…第2の反射面
5、35…第2の側面
5a、35a…第3の反射面
5b、35b…第4の反射面
6、36、46…出射面
7、37、47、57…入射面
9…導光部
10、30、50、70、90…光源装置
18…イメージセンサ
22…照射対象物
34c…シャッター部
46a…集光面
100…スキャナ装置

Claims (6)

  1. 直線状に配列された複数の発光素子からの光を入射する入射面と、
    集光可能な形状に形成され、前記入射面から入射された前記光を、前記光の照射対象物に向けて出射する出射面と、
    折れるように設けられ、かつ、前記入射面から前記出射面に向かうにしたがい徐々に体積が増えるように設けられた導光部と
    を具備し、
    前記入射面は、光の発散形状に形成されており、
    前記導光部は、前記照射対象物が配置される側で前記入射面と前記出射面とに接続された第1の側面と、前記照射対象物が配置される側とは反対側で前記入射面と前記出射面とに接続された第2の側面とを有し、
    前記第1の側面は、前記入射面に接続された第1の反射面と、当該第1の反射面に接続され、かつ、前記出射面に接続された第2の反射面とを有し、
    前記第2の側面は、前記入射面に接続された第3の反射面と、当該第3の反射面に接続され、かつ、前記出射面に接続された第4の反射面とを有し、
    前記第1の反射面と前記第2の反射面とがなす前記照射対象物が配置される側の角度は、前記第3の反射面と前記第4の反射面とがなす前記照射対象物が配置される側の角度より小さいことを特徴とするライトガイド。
  2. 請求項1に記載のライトガイドであって、
    前記出射面は、ブラスト加工された面であることを特徴とするライトガイド。
  3. 請求項1に記載のライトガイドであって、
    前記導光部は、
    前記第3の反射面と前記第4の反射面とがなす前記照射対象物が配置される側の角度は、120°〜150°であることを特徴とするライトガイド。
  4. 請求項1に記載のライトガイドであって、
    前記出射面は、
    前記複数の発光素子の配列方向に沿って、複数の集光面を有することを特徴とするライトガイド。
  5. 直線状に配列された複数の発光素子と、
    前記複数の発光素子からの光を入射する入射面と、集光可能な形状に形成され、前記入射面から入射された前記光を、前記光の照射対象物に向けて出射する出射面と、折れるように設けられ、かつ、前記入射面から前記出射面に向かうにしたがい徐々に体積が増えるように設けられた導光部とを有するライトガイドと
    を具備し、
    前記入射面は、光の発散形状に形成されており、
    前記導光部は、前記照射対象物が配置される側で前記入射面と前記出射面とに接続された第1の側面と、前記照射対象物が配置される側とは反対側で前記入射面と前記出射面とに接続された第2の側面とを有し、
    前記第1の側面は、前記入射面に接続された第1の反射面と、当該第1の反射面に接続され、かつ、前記出射面に接続された第2の反射面とを有し、
    前記第2の側面は、前記入射面に接続された第3の反射面と、当該第3の反射面に接続され、かつ、前記出射面に接続された第4の反射面とを有し、
    前記第1の反射面と前記第2の反射面とがなす前記照射対象物が配置される側の角度は、前記第3の反射面と前記第4の反射面とがなす前記照射対象物が配置される側の角度より小さいことを特徴とする光源装置。
  6. 直線状に配列された複数の発光素子と、
    前記複数の発光素子からの光を入射する入射面と、集光可能な形状に形成され、前記入射面から入射された前記光を、前記光の照射対象物に向けて出射する出射面と、折れるように設けられ、かつ、前記入射面から前記出射面に向かうにしたがい徐々に体積が増えるように設けられた導光部とを有するライトガイドと、
    前記出射面から出射された前記光の照射対象物からの反射光を受けて電気信号に変換する光電変換素子と
    を具備し、
    前記入射面は、光の発散形状に形成されており、
    前記導光部は、前記照射対象物が配置される側で前記入射面と前記出射面とに接続された第1の側面と、前記照射対象物が配置される側とは反対側で前記入射面と前記出射面とに接続された第2の側面とを有し、
    前記第1の側面は、前記入射面に接続された第1の反射面と、当該第1の反射面に接続され、かつ、前記出射面に接続された第2の反射面とを有し、
    前記第2の側面は、前記入射面に接続された第3の反射面と、当該第3の反射面に接続され、かつ、前記出射面に接続された第4の反射面とを有し、
    前記第1の反射面と前記第2の反射面とがなす前記照射対象物が配置される側の角度は、前記第3の反射面と前記第4の反射面とがなす前記照射対象物が配置される側の角度より小さいことを特徴とする電子機器。
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