JP4877048B2 - 導光体および線状光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、ファクシミリ、複写機、イメージスキャナ、バーコードリーダ等に使用する画像読取装置の照明用光源や液晶パネルの導光板を使用したバックライトのエッジ照明用光源等に用いられる導光体および線状光源装置に関する。

近年、パーソナルファクシミリ等の画像読取装置において、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと言う）の出力向上と受光素子としてのＣＣＤ型センサの高感度化により、小型で低消費電力のＬＥＤが読み取り光源装置の光源として使用されるようになってきている。このようなＬＥＤを光源として備えた従来の線状光源装置は、光源の個数を低減させ、且つ均一な照明強度を得ることを目的として、光源から放射される光を導光体に入射させて所望の方向に光を導光させる構成のものが知られている。

図８は、従来の線状光源装置として特開平９−１６３０８０号公報に開示された線状光源装置の構成を示す図である。
線状光源装置は透明樹脂等よりなる導光体１、ＬＥＤよりなる光源２を備えて構成される。導光体１は、軸方向の一端に光取込部３が設けられ、他端に反射膜が形成された平滑面４が設けられている。光源２は、光取込部３に対峙するように配置される。また、導光体１の照射方向と反対側の外周面に、軸方向にのびるローレット溝５が設けられている。ローレット溝５は、切り込み方向が軸方向と直交し、軸方向に沿う断面が二等辺三角形形状となっている。
光源２の出射光は、光取込部３から導光体１の内部に入射し、導光体１内で反射を繰り返し、ローレット溝５の反射面６に反射され、所定の角度を持って導光体１から出射される。

光源２の出射光のうち、光取込部３に対する入射角が大きい光α１は、光取込部３に近いローレット溝５の反射面６で反射される（光α２）。光取込部３に対する入射角が大きい光α１は、ローレット溝５の反射面６に対する入射角が小さい（光α２）ので、垂直に近い（平滑面４方向に若干傾いた）出射角度で導光体１から出射される（光α３）。
一方、光源２の出射光のうち、光取込部３に対する入射角が小さい光β１は、導光体１の軸方向に沿って進み、光取込部３から遠く、平滑面４に近いローレット溝５の反射面６で反射される（光β２）。光取込部３に対する入射角が小さい光β１は、ローレット溝５の反射面６に対する入射角が大きい（光β２）ので、平滑面４方向に傾いた角度をもって導光体１から出射される（光β３）。
特開平９−１６３０８０号公報

しかしながら、図８に示す線状光源装置は、平滑面４方向に傾いた角度をもった光β３が出射するため、読取画像に黒い筋が生じる場合がある。図９は、影４４を説明するために、読取対象４２と光線を示した画像読取装置の一部断面図である。
画像読取装置には、線状光源装置の光出射面９に対向して、光透過性部材よりなる載置面４１が設けられ、取り込みたい画像が記載された読取対象４２を載置面４１に載置して使用される。導光体１の光出射面９から出射した光が載置面４１に対して照射され、読取対象４２の投影像を検出して読取画像とする。
書籍等の厚みのあるものを読取対象４２とするとき、読取対象４２の光照射面と原稿カバー４３との間に、厚みが生じる。読取対象４２は光を透過しないので、読取対象４２の端部を照射する光β３_ａは原稿カバー４３を照射しない。読取対象４２の端部を照射する光β３_ａから軸方向にわずかにずれて照射する光β３_ｂは、原稿カバー４３を照射するが、角度を有するので、読取対象４２の端から軸方向にずれて照射することになる。したがって、光β３_ａと光β３_ｂの間は、光が照射されない影４４となり、読取画像において黒い筋となって表れる。
また、同様のことが読取対象４２に折れ線等の段差がある場合にも起こる。

本発明は、上記の問題点に鑑み、読取対象に厚みや段差がある場合にも、読取画像に黒い筋が現れないように光を放射する導光体および線状光源装置を提供することを目的とする。

本願第１の発明は、軸方向の一方の端部が光取込部となり、側面に軸方向に伸びるローレット溝が形成された画像読取装置の照明用光源に用いられる棒状の導光体において、前記ローレット溝は切り込み方向が当該導光体の軸方向と直交する溝部を複数有し、前記溝部の光取込部側の側面は反射面となり、前記溝部のうち少なくとも１の溝部の反射面は、１次反射面と２次反射面により構成され、前記１次反射面の軸方向端部に前記２次反射面が形成され、前記２次反射面の傾斜角度は、前記１次反射面の傾斜角度より大きく、１次反射面により軸方向に傾いた角度をもつ光として反射された光の少なくとも一部は、前記２次反射面で再度反射され、軸方向の反対方向に傾いた角度をもつ光として反射され、当該導光体から、軸方向に傾いた角度をもつ光と、軸方向の反対方向に傾いた角度をもつ光の両方を読取対象に向けて出射することを特徴とする。
また、本願第２の発明は、第１の発明において、前記溝部は、前記反射面、平坦面および透光面とが、軸方向にこの順で構成され、前記１次反射面と前記２次反射面が構成された前記反射面を有する前記溝部の前記透光面は、１次透光面と２次透光面により構成され、前記２次透光面の軸方向端部に前記１次透光面が形成され、前記２次透光面の傾斜角度は、前記１次透光面の傾斜角度より大きいことを特徴とする。
また、本願第３の発明は、第１の発明において、前記溝部は、前記反射面、平坦面および透光面とが、軸方向にこの順で構成され、前記平坦面は、軸方向から反時計回り方向に傾いていることを特徴とする。
また、本願第４の発明は、第１〜３のいずれか１項に記載の導光体と、前記導光体の前記光取込部に対向して設けられた光源とを有することを特徴とする。

本発明に係る導光体および線状光源装置によれば、ローレット溝の溝部の反射面を１次反射面と２次反射面より構成することによって、線状光源装置から軸方向に異なる２つの角度成分を有する光を読取対象に向けて出射することができるので、読取対象に厚みや段差がある場合でも原稿カバーに影が発生せず、読取画像に黒い筋が現れることがない。

本発明の第１の実施の形態について説明する。図１は、本発明の線状光源装置の構成を示す斜視図である。
線状光源装置は透明樹脂等よりなる導光体１、ＬＥＤよりなる光源２を備えて構成される。導光体１は、円柱状の部品で、軸方向の一端に光取込部３が設けられ、他端は平滑面４となっている。導光体１の側面となる外周面には、軸方向にのびるローレット溝５が設けられており、ローレット溝５に対向する位置が光出射面９となっている。ローレット溝５は、切り込み方向が導光体１の軸方向と直交する溝部７が複数形成されている。

光源２は、例えば樹脂よりなるパッケージ内部に、１つ乃至複数の青色ＬＥＤ素子が配置され、モールド材により青色ＬＥＤを固定し外気から遮断して保護し、蛍光体層により青色ＬＥＤからの青色光を白色光に変換される。なお、一般に、ＬＥＤ素子は、光出力にバラツキがあるが、光源２に複数のＬＥＤ素子を配置した場合は、光源２の光出力が、個々のＬＥＤ素子の光出力に影響されず、一定の光出力を確保することができる。光源２は、光取込部３に対峙するように配置される。

光源２から出射する光は、ランバーシアン型の配光分布を有し、導光体１に向けて照射される。光源２からの出射光が高屈折質媒体に入射する場合、スネルの法則に従い、屈折して角度の小さな光線となる。例えば、光源２からの出射光が、空気を介して屈折率ｎ＝1.49の導光体１に入射する時、入射面が導光体１の中心軸に対して垂面であれば、入射角度が８９°の光線であっても、導光体１の軸に対して４２°傾いた光線、つまり、導光体１の側面（外周面）に対して入射角度が４８°となり、臨界角を超える。従って、導光体の側面が鏡面で軸に対して平行であれば、導光体１に入射した光は、全てが全反射され損失なく導光される。

図２は、本発明の線状光源装置を軸方向Ｘに切断した拡大断面図である。
ローレット溝５は、導光体の軸方向Ｘに垂直で、ローレット溝５から光出射面９に進む径方向Ｙに切込みが入った溝部７が複数設けられ、各溝部７の頂部に平坦面８が形成されている。導光体１内を導光する光量は、光取込部３から遠ざかるにしたがって減少するので、平坦面８の軸方向Ｘの長さを光取込部３から遠ざかるにつれて短くして、軸方向全体にわたって、ローレット溝５で反射される光量を均一にしている。また、より光量を均一にするために、各溝部７の径方向Ｙの長さは光取込部３近傍から平滑面４近傍に近づくに従って深くなるように形成し、溝部７の幅を広げることもある。

光源２から入射した光は、導光体１内壁を反射しながら、ローレット溝５に到達し、反射面６に対する入射角が臨界角を越えた場合は全反射して光出射面９に進み、導光体１から外部に出射する。光取込部３に対する入射角が大きい光Ａ１は、光取込部３に近いローレット溝５の反射面６で反射される。入射光Ａ１は、ローレット溝５の反射面６に対する入射角が小さいので、光出射面９に対してほぼ垂直方向に全反射される。光取込部３に対する入射角が小さい光Ｂ１は、導光体１の軸方向Ｘに沿って進み、光取込部３から遠く、平滑面４に近いローレット溝５の反射面６で反射される。入射光Ｂ１は、ローレット溝５の反射面６に対する入射角が大きいので、光取込部３から平滑面４に進む軸方向Ｘに傾いた角度をもって反射される。

図３は、本発明の導光体１を、図２に示す線分Ａ−Ａ´に沿って径方向Ｙに切断した投影図である。実線は、線分Ａ−Ａ´における導光体１の形状を示し、破線は、ローレット溝５の溝部７を示す。
導光体１の径方向の断面は、完全な円形ではなく、一部に直線部が設けられている。導光体１全体で見ると、外周面に軸方向に伸びる水平面が設けられている。ローレット溝５は、この水平面に設けられている。水平面の方が、容易に精度の高い溝加工することができるためである。
ローレット溝５は、幅方向Ｚにわたって径方向Ｙに同一長さ切込みが入った溝部７を形成する。径方向Ｙと幅方向Ｚの平面の投影図において、溝部７は台形状になっている。

図４は、本発明の導光体のローレット溝５を軸方向Ｘに切断した各溝部７の拡大断面図である。
各溝部７の光取込部３側の側面が反射面６となり、平滑面４側の側面が透光面１０となっている。反射面６は、１次反射面１１と２次反射面１２より構成され、１次反射面１１の軸方向Ｘ端部に２次反射面１２が形成される。溝部７は、光取込部３から平滑面４に進む軸方向Ｘにおいて、径方向Ｙに没入する１次反射面１１が形成され、１次反射面１１に続いて２次反射面１２が形成され、２次反射面１２に続いて平坦面８が形成され、平坦面８に続いて径方向Ｙの反対方向に突出する透光面１０が形成されて構成される。すなわち、溝部７は、軸方向Ｘに向かって１次反射面１１、２次反射面１２、平坦面８、透光面１０の順に形成される。

θ_１は、軸方向Ｘから１次反射面１１までの反時計回りに回転した時の角度を示し、θ_２は、軸方向Ｘの１８０°反対方向から透光面１０までの時計回りに回転した時の角度を示し、θ_３は、軸方向Ｘから２次反射面１２までの反時計回りに回転した時の角度を示す。
光源２からの光を少なくとも半分以上を導光体１で全反射させ同行させるには、光源２から４５°で出射した光、つまり、導光体１内では、導光体１の軸に対して２８°の傾きを持つ光を全反射させる必要がある。このためには、１次反射面１１の傾斜角度θ_１は、光取込部３近傍は２０°で形成されている。また、透光面１０の傾斜角度θ_２は、２８°の傾きを持つ光が当たらないように２８°以上に形成されている。

２次反射面１２の傾斜角度θ_３は１次反射面１１の傾斜角度θ_１より大きくなっている。このため、１次反射面１１で反射した光が２次反射面１２に再び反射する場合が発生する。
２次反射面１２から離れた位置の１次反射面１１に入射した光Ａ１は、軸方向Ｘに傾いた角度をもった光Ａ２として反射される。一方、２次反射面１２近傍の１次反射面１１に入射した光Ｂ１は、２次反射面１２で再度反射され、軸方向Ｘの反対方向に傾いた角度をもった光Ｂ２として反射される。傾斜角度θ_３は７５°〜９０°とすると、出射光Ｂ２が好ましい方向に進むようになる。
反射面６を１次反射面１１と２次反射面１２より構成することによって、光源から導光体内部に１方向に進む光Ａ１、Ｂ１が導光されても、反射面６で反射されて２方向に進む光Ａ２、Ｂ２にすることができる。光Ａ２と光Ｂ２の光量が適当な割合にするため、適宜、調整を行うが、１５°〜２０°の傾きを持つ光の半分程度が２次反射面１２にぶつかるような２次反射面１２の高さに構成することが好ましい。

図５は、光線Ａ２、Ｂ２が読取対象４２に照射された状態を示した画像読取装置の一部断面図である。
図４に示す反射面６で反射された光Ａ２、Ｂ２は、光出射面９を透過して導光体１の外部に出射して、図５に示す読取対象４２を照射する。画像読取装置には、線状光源装置の光出射面９に対向して、光透過性部材よりなる載置面４１が設けられ、取り込みたい画像が記載された読取対象４２を載置面４１に載置して使用される。導光体１の光出射面９から出射した光が載置面４１に対して照射される。画像読取装置は、取り込みたい画像が記載された読取対象４２を載置面４１に載置して使用され、載置面４１に載置された読取対象４２の投影像を、検出して読取画像とする。
書籍等の厚みのあるものを読取対象４２とすると、読取対象４２の光照射面と原稿カバー４３との間に、厚みが生じる。読取対象４２は光を透過しないので、軸方向Ｘに傾いた角度成分をもつ光Ａ２は読取対象４２の端部を照射すると原稿カバー４３を照射しない。しかし、軸方向Ｘの反対方向に傾いた角度成分をもつ光Ｂ２が、原稿カバー４３において光Ａ２が照射できない箇所を、照射することができるので、光が照射されない影が発生しない。
同様のことが読取対象４２に折れ線等の段差がある場合にもいえる。
したがって、ローレット溝５の溝部７の反射面６を１次反射面１１と２次反射面１２より構成することによって、線状光源装置から軸方向Ｘに異なる２つの角度成分を有する光を読取対象４２に向けて出射することができるので、読取対象４２に厚みや段差がある場合でも原稿カバー４３に影が発生せず、読取画像に黒い筋が現れることがない。

本発明の第２の実施形態について説明する。図６は、本発明の導光体のローレット溝５の各溝部７の拡大断面図である。
第２の実施形態は、第１の実施形態の線状光源装置において、ローレット溝５の溝部７の形状を変更したものである。一面からなる反射面６が形成された溝部７ａと、１次反射面１１および２次反射面１２からなる反射面６が形成された溝部７ｂが交互に形成される。溝部７ｂは、溝部７ａの平坦面８から径方向Ｙに没入する矩形状の溝を設けたものである。溝部７ｂに形成される２次反射面１２は、第１の実施形態の２次反射面１２に比べて、径方向Ｙに没入する長さが大きく、その表面積も大きくなっている。また、溝部７ｂに形成される透光面１０も１次透光面１３と２次透光面１４とから構成される。１次透光面１３の傾斜角度θ_４は、軸方向Ｘの反対方向から１次透光面１３までの時計回りに回転した時の角度を示し、溝部７ａの透光面１０の傾斜角度θ_２と略同一となっている。２次透光面１４は、２次反射面１２に対向して設けられる。２次透光面１４の傾斜角度θ_５は、軸方向Ｘの反対方向から２次透光面１４までの時計回りに回転した時の角度を示し、１次透光面１３の傾斜角度θ_４より大きくなっている。

溝部７ａは、軸方向Ｘにおいて、径方向Ｙに没入する反射面６が形成され、反射面６に続いて平坦面８が形成され、平坦面８に続いて径方向Ｙの反対方向に突出する透光面１０が形成されて構成される。すなわち、溝部７ａは、軸方向Ｘに向かって反射面６、平坦面８、透光面１０の順に形成される。
一方、溝部７ｂは、軸方向Ｘにおいて、径方向Ｙに没入する１次反射面１１が形成され、１次反射面１１に続いて２次反射面１２が形成され、２次反射面１２に続いて平坦面８が形成され、平坦面８に続いて径方向Ｙの反対方向に突出する２次透光面１４が形成され、２次透光面１４に続いて１次透光面１３が形成されて構成される。すなわち、溝部７ｂは、軸方向Ｘに向かって１次反射面１１、２次反射面１２、平坦面８、２次透光面１４、１次透光面１３の順に形成される。

溝部７ａの反射面６に入射した光Ａ１は、軸方向Ｘに傾いた角度をもった光Ａ２として反射される。一方、溝部７ｂの１次反射面１１に入射した光Ｂ１は、２次反射面１２の径方向Ｙへの没入長さ（高さ）を長くすることで１次反射面１１への入射角度や入射位置によらず、概ね再度反射され、軸方向Ｘの反対方向に傾いた角度をもった光Ｂ２として反射される。光Ａ１が反射面６に入射する高さと、光Ｂ１が１次反射面１１に入射する高さは略同一であるが、反射された光Ａ２、Ｂ２は異なる方向に進む。
また、光Ａ１、Ｂ１より高い位置から溝部７ｂに照射される光Ｃ１は、２次反射面１２に入射する。２次反射面１２の傾斜角度は大きいので、光Ｃ１の入射角度は臨界角より小さくなり、光Ｃ１は２次反射面１２を透過する。光Ｃ１の透過光は２次透過面１４から再び導光体内部に入射し、軸方向Ｘに導光される光Ｃ２となる。

このように、一面からなる反射面６が形成された溝部７ａと、１次反射面１１および２次反射面１２からなる反射面６が形成された溝部７ｂとを交互に形成することによって、光源から導光体内部に１方向に進む光Ａ１、Ｂ１が導光されても、溝部７ａの反射面６で反射される光Ａ２と、溝部７ｂの１次反射面１１と２次反射面１２で反射される光Ｂ２との、軸方向Ｘに異なる２方向の角度成分を有する光Ａ２、Ｂ２を読取対象４２に向けて出射することができる。また、２次反射面１２を透過する光Ｃ１も再び導光体内部に入射し、軸方向Ｘに導光される光Ｃ２となるので、効率よく光を利用することができる。
なお、一面からなる反射面６が形成された溝部７ａと、１次反射面１１および２次反射面１２からなる反射面６が形成された溝部７ｂとが形成される間隔は、必ずしも交互でなくても良く、一面からなる反射面６が形成された溝部７ａが複数形成されているところに１次反射面１１および２次反射面１２からなる反射面６が形成された溝部７ｂを適当な数だけ挿入してローレット溝５を構成することもできる。また、その逆も可能である。
原稿カバーにおいて読取対象の端部に発生する影を防止するため、導光体の軸方向Ｘの平滑面側の一部のローレット溝５の溝部７に、１次反射面１１および２次反射面１２からなる反射面６が形成された溝部７ｂを形成することもできる。

本発明の第３の実施形態について説明する。図７は、本発明の導光体のローレット溝５の溝部７の一部拡大断面図である。図７（ａ）は、図６に示す溝部７ａについて、平坦面８を軸方向Ｘから反時計回りに傾斜させて形成した場合を示し、図７（ｂ）は、図６に示す溝部７ｂについて、２次反射面１２と２次透過面１４の傾斜角度を９０°以下にした場合を示すものである。
図７（ａ）に示すように、第３の実施形態は、第２の実施形態の線状光源装置において、溝部７ａの平坦面８を軸方向Ｘから反時計回りに傾斜させて形成したものである。平坦面８は、反射面６との接点を支点として軸方向Ｘから反時計回りにわずかに回転した状態になるように形成されている。光Ａ１が平坦面８に入射するとき、平坦面８が軸方向Ｘに平行な場合に比べて、入射角度θ_ａが小さくなる。光Ａ１は平坦面８で入射角度θ_ａに対応する角度で全反射して光Ａ２となる。光Ａ２の軸方向Ｘからの角度θ_ｂは、平坦面８が軸方向Ｘに平行な場合に比べて大きくなり、光Ａ２は径方向Ｙの角度成分を大きくすることができる。

図７（ｂ）に示すように、第３の実施形態は、第２の実施形態の線状光源装置において、溝部７ｂの２次反射面１２と２次透過面１４の傾斜角度を９０°以下にしたものである。２次反射面１２の傾斜角度θ_３を９０°以下にすると、光Ｂ１が１次反射面１１に反射して２次反射面１２に入射するとき、２次反射面１２に対する入射角度θ_ｄが、２次反射面１２の傾斜角度θ_３が９０°の場合に比べて大きくなる。２次反射面１２の出射光Ｂ２は、出射角度も入射角度θ_ｄに対応するので、径方向Ｙからの角度θ_ｅが小さくなる。光Ｂ２は、傾斜角度θ_３が９０°の場合に比べて、軸方向Ｘの反対方向の角度成分が小さくなり、径方向Ｙの角度成分が大きくなるので、径方向Ｙに近い方向に進むようになる。

本発明の線状光源装置の構成を示す斜視図 本発明の線状光源装置の拡大断面図 本発明の導光体を径方向に切断した投影図 本発明の導光体のローレット溝の各溝部の拡大断面図 光線が読取対象に照射された状態を示した画像読取装置の一部断面図 本発明の導光体のローレット溝の各溝部の拡大断面図 本発明の導光体のローレット溝の溝部の一部拡大断面図 従来の線状光源装置の構成を示す断面図 光線が読取対象に照射された状態を示した画像読取装置の一部断面図

符号の説明

１ 導光体
２ 光源
３ 光取込部
４ 平滑面
５ ローレット溝
６ 反射面
７ 溝部
８ 平坦面
９ 光出射面
１０ 透光面
１１ １次反射面
１２ ２次反射面
４１ 載置面
４２ 読取対象
４３ 原稿カバー

Claims (4)

1. 軸方向の一方の端部が光取込部となり、側面に軸方向に伸びるローレット溝が形成された画像読取装置の照明用光源に用いられる棒状の導光体において、
   前記ローレット溝は切り込み方向が当該導光体の軸方向と直交する溝部を複数有し、前記溝部の光取込部側の側面は反射面となり、前記溝部のうち少なくとも１の溝部の反射面は、１次反射面と２次反射面により構成され、前記１次反射面の軸方向端部に前記２次反射面が形成され、前記２次反射面の傾斜角度は、前記１次反射面の傾斜角度より大きく、
   １次反射面により軸方向に傾いた角度をもつ光として反射された光の少なくとも一部は、前記２次反射面で再度反射され、軸方向の反対方向に傾いた角度をもつ光として反射され、
   当該導光体から、軸方向に傾いた角度をもつ光と、軸方向の反対方向に傾いた角度をもつ光の両方を読取対象に向けて出射することを特徴とする導光体。
2. 前記溝部は、前記反射面、平坦面および透光面とが、軸方向にこの順で構成され、前記１次反射面と前記２次反射面が構成された前記反射面を有する前記溝部の前記透光面は、１次透光面と２次透光面により構成され、前記２次透光面の軸方向端部に前記１次透光面が形成され、前記２次透光面の傾斜角度は、前記１次透光面の傾斜角度より大きいことを特徴とする請求項１に記載の導光体。
3. 前記溝部は、前記反射面、平坦面および透光面とが、軸方向にこの順で構成され、前記平坦面は、軸方向から反時計回り方向に傾いていることを特徴とする請求項１に記載の導光体。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の導光体と、前記導光体の前記光取込部に対向して設けられた光源とを有することを特徴とする線状光源装置。

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