JP5735738B2 - 画像読取装置 - Google Patents

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Description

本発明は、原稿の画像を光電的に読み取る画像読取装置に関する。
一般に、デジタル複写機等に搭載される画像読取装置は、結像レンズ、ラインセンサ及び反射ミラーを備えており、これら結像レンズ及びラインセンサは筐体に固定されている(特許文献1)。一方、反射ミラーは、移動可能な走査ユニットに搭載され、原稿に対して副走査方向に移動する。この特許文献1に記載された画像読取装置では、一般に、最大画角が20°程度になるように設計されている。
図25は、画像読取装置における画角を説明するための平面図である。図の縦方向は、画像読取装置における主走査方向に対応している。また、図の横方向は、副走査方向に対応している。反射ミラー522で反射される原稿画像の反射角は、主走査方向の端部と中央部で異なる。つまり、反射ミラー522のうち主走査方向の端部では、光を結像レンズ525に集光させるために、所定の角度θで光を反射する。この角度θのことを画角と言う。一方、主走査方向の中央部に向かうにつれて、画角は、徐々に小さくなって行く。とりわけ、主走査方向の中央部で画角θは0度となる。このように、原稿画像の画角は、反射ミラー522のどの位置で反射されるかに応じて異なっている。
ところで、近年、画像読取装置の小型化が注目されるようになってきている。特許文献2によれば、結像素子として、オフアキシャル反射面が形成された複数のミラーにより結像させるオフアキシャル結像ユニットを採用することで、装置の小型化を図った画像読取装置が提案されている。オフアキシャル反射面は、基準軸光線の入射方向と反射方向が異なり、かつ、曲率を有した反射面のことである。このような小型の画像読取装置だけでなく大型の画像読取装置であっても、光量ムラを補正するためのシェーディング補正が必要となる。一般に、カラー画像読取装置では、ラインセンサの光電変換素子上に、赤(R)、緑(G)及び青(B)の光成分をそれぞれ通過する3つのカラーフィルタを設けている。これら3色のフィルタからの各透過光をRGBラインセンサで受光して光電変換行うことにより、RGBの輝度信号を得る。一般に、光源の照度にはばらつきがあり、しかも結像レンズや結像ミラーでは周辺光量の低下が存在するため、結像面での照度にムラ(シェーディング)が発生する。それゆえ、シェーディング補正が必要となる。一般に、シェーディング補正では、原稿を読み取る直前に、白色基準板をセンサにより読取、この読取結果に基づいてゲインやオフセットを画素ごとに調整している。
特開平3−113961号公報 特開2004−126448号公報 特開2003−087503号公報
しかし、白基準部材を用いてシェーディング補正できるのは、光源の照度ムラや結像レンズの周辺光量低下など、読取光学系の分光特性(分光光学特性)に関連しない光量の変動に限られる。即ち、反射ミラーや結像ミラー、結像レンズの画角の違いによる分光特性の変化の影響については補正できない。
図26は、画角の違いに応じた反射ミラーの分光特性を示した図である。横軸に波長、縦軸に反射率を示している。図26では、画角が大きくなると、全体的に短波長側に分光特性がシフトしていることがわかる(この波長シフトの原理については、後述する)。
このように、画角による分光特性の変化は、原稿画像が反射ミラー、結像ミラー、結像レンズに入射する際の画角に依存している。そのため、画角が大きいほど、その分光特性の変化も大きくなる。尚、読取光学系全体での分光特性は、読取光学系を構成する光源やミラー、イメージセンサ等の全デバイスの分光特性の積として与えられる。よって、シェーディング補正時には、白基準部材の分光特性に光学系全体の画角による分光特性変化が影響することになる。
とりわけ、原稿からの反射光が白基準部材の白色に似た分光特性を持つ色(白や黒、グレーなどの無彩色)の光の場合、確かにシェーディング補正の効果が得られる。しかし、原稿からの反射光が有彩色光の場合は、シェーディング補正を行っても、主走査方向の読取輝度にムラが発生する。これは、白色光を構成するピーク波長の光を基準にしてシェーディング補正することになるため、そのピーク波長と異なる有彩色光のシェーディングについて補正しきれないためである。この問題は、RGBラインセンサで有彩色を読み取るときも、後述する白黒ラインセンサで有彩色を読み取るときも生じ得る。
一般に、主走査方向の端部と中央部とでの画角差が小さければ、光学系の画角による分光特性の変化の影響も小さくなる。例えば、特許文献1に示した画像読取装置のように、反射ミラーからCCDセンサまでの光路長を長くすれば、画角差を小さくすることができる。しかし、光路長を長くすれば、画像読取装置の大型化につながってしまうため、装置の小型化によるコスト削減という目的を達成できなくなってしまう。
また白基準部材に加えて、濃度管理のされた赤色や緑色、青色、シアンやマゼンタ、イエローなど各色の基準板を設け、各色ごとにシェーディング補正係数を決定してもよい。このような方法によっても、有彩色についての主走査方向の読取輝度ムラを低減することができる。しかし、この方法では、濃度管理を必要とする基準板の数が増えるためコストアップが避けられない。また、シェーディング補正用の補正係数を基準板の色数だけメモリに保持しておく必要もある。更に、原稿上の色を判別し、その色に応じて補正係数を選択する回路も必要となる。よって、シェーディング補正回路が煩雑化し大型化するという問題がある。
また特許文献3は、3本ラインのカラーセンサ(RGBラインセンサ)と1本の白黒ラインセンサとを設けた4ラインセンサ型のイメージセンサを提案している。一般に、4本のラインセンサ間では、カラーフィルタの有無によって感度差が発生する。そこで特許文献3では、白黒ラインセンサにもRGBのいずれかのフィルタを蒸着することを提案している。しかし、この場合は、白黒ラインセンサの感度が低下するため、高速読取時にSN(信号対雑音)比が低下する。そこで、白黒ラインセンサにカラーフィルタを蒸着する代わりに、白黒読取速度をカラー読取速度よりも高速にする方法が考えられる。これによりSN比が改善されると考えられる。しかし、カラーセンサの読取速度と白黒ラインセンサの読取速度が異なると、両者間で、上記カラーフィルタの有無による分光特性の感度差が発生し、主走査方向の読取輝度ムラが発生する度合いに差異が生じてしまう。
本発明は、上記従来技術の問題点を解決することを目的とする。
本発明は、主走査方向における読取輝度のムラと画像品質の劣化を低減することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明の一態様に係る画像読取装置は以下のような構成を備える。即ち、
電流値によって光の色度が変化する発光源を複数有し、原稿に光を照射する光源と、
前記光源による照射により前記原稿から反射された反射光を集光して結像する結像手段と、
前記結像手段により結像された反射光を受光し、信号を出力するセンサと、
前記複数の発光源の各々に対して設定された電流値とデューティ比に基づき前記複数の発光源を駆動する駆動手段と、
前記光源により照射された、複数の異なる色のパッチが形成されたチャートからの反射光により前記センサから出力された、前記センサの主走査方向における端部および中央部における信号値に基づき、同一の色の前記パッチに対する前記センサの主走査方向における端部および中央部における信号値の差に応じた値が所定の閾値以下になるように、前記複数の発光源の各々に対する電流値を調整する電流値調整手段と、
前記複数の発光源の各々に対する調整された電流値に基づき、前記複数の発光源の各々における電流のデューティ比を調整するデューティ調整手段と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、主走査方向における読み取り輝度のムラと画像品質の劣化を低減することができる。
実施形態に係る画像読取装置の一例を示した断面図。 結像ミラーとCCDラインセンサとの位置関係を示す斜視図。 結像ミラー及び結像ミラー保持部材の一部を示す斜視図。 結像ミラー及び結像ミラー保持部材の一部を拡大した断面図。 実施形態に係る画像読取装置の制御部の機能構成を示すブロック図。 白色LEDの分光特性と、反射ミラーの分光特性の例を示す図。 結像ミラーの分光特性の例を示した図。 ピーク波長で正規化する前と、正規化した後での読取光学系の分光特性を示す図。 イエロー、マゼンタ、シアンの分光感度特性を示す図。 イエローのパッチのチャート例を示す図。 図7の分光特性を持つ読取光学系で図9のチャートを読み取った際の各色の読取輝度を示す図。 画像読取装置におけるシェーディング補正の一例を示すフローチャート。 白基準部材の分光特性と光学系の分光特性、白基準部材の分光特性と、グレー及び黒パッチの分光特性とを比較する図。 金属表面における入射光と反射光との関係を示す図。 媒質を通過する光、薄膜に対して斜入射する例、その斜入射時の各境界面でのフレネル係数を説明する図。 白色LEDの色度と供給電流量の依存性を示す図。 図15のLEDの分光特性を比較した例と、その改善した例を示す図。 白色LEDの光度と供給電流量の依存性を示す図。 白色LEDへの供給電流量をPWM方式で制御する例を示す図。 本実施形態に係る読取感度特性を調整する処理を示すフローチャート。 2つ以上の光源を1つのブロック単位として構成した例を示す図。 LED駆動回路及び周辺回路のブロック図。 LED駆動電流と読取輝度、デューティ比との関係及び読取輝度の一例を示す図。 改善された光学系全体での主走査方向の端部と中央部の分光特性と色帯の分光反射率を比較する図。 図16(B)の分光特性を持つ光学系を使用して色パッチを読み取った場合の主走査方向の中央部と端部での読取輝度差の一例を示す図。 一般的な画像読取装置における画角を説明するための平面図。 画角の違いに応じた反射ミラーの分光特性を示した図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る本発明を限定するものでなく、また本実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明の解決手段に必須のものとは限らない。本実施形態は、白黒読取用のラインセンサで有彩色を読み取った場合だけではなく、カラー読取用のRGBの3ラインセンサで有彩色を読み取った場合においても主走査方向の読取輝度ムラを低減することを意図している。以下の実施形態では、カラー読取用のRGBの3ラインセンサと、白黒読取用のラインセンサとを備えた4ラインセンサ型のイメージセンサを採用した画像読取装置の場合で説明する。そこで、先に白黒読取用のラインセンサによる有彩色の読取輝度ムラについて説明し、後にカラー読取用の3ラインセンサについて説明する。
RGBの3ラインセンサは、R(レッド)用のラインセンサと、G(グリーン)用のラインセンサと、B(ブルー)用のラインセンサとを具備している。これらには、通過波長帯域がそれぞれ異なるRフィルタ、Gフィルタ、Bフィルタ設けられている。これらの光学フィルタは一般にカラーフィルタと呼ばれ、色分離ユニットとして機能する。レンズ等の結像手段により結像された反射散乱光は、これらのカラーフィルタによって色分離される。各色分離された反射散乱光は、対応するラインセンサ(光電変換手段)によって輝度を表す電気信号に変換される。尚、4本目のラインセンサである白黒用のラインセンサには、一般的にはカラーフィルタが付与されない。また、本実施形態で画像読取装置に採用する光源は、青色領域で発光するLED(発光源)と黄色蛍光体とを1チップに封止した白色LED(発光源)である。
図1Aは、実施形態に係る画像読取装置の一例を示した断面図である。
原稿台ガラス101は、原稿Sを載置するためのプラテンガラスである。光源102は、原稿Sに光を照射するための白色LEDアレイである。平面ミラー103,104,105は、原稿Sで反射されて拡散した光を導くための反射鏡である。平面ミラー103、104、105は、それぞれ反射光学系である。このように反射光学系は、複数の光学部品により構成されてもよいし、単一の光学部品により構成されてもよい。平面ミラー保持部材106は、平面ミラー103,104,105を保持するための保持部材である。結像ミラー107,108,109,110は、それぞれオフアキシャル反射面が形成されたミラーである。図1Bは、結像ミラー107、108、109、110とCCDラインセンサ113の位置関係を示す斜視図である。結像ミラー保持部材111は、結像ミラー107,108,109,110を保持するための保持部材である。絞り112は、結像ミラー保持部材111内に設けられ、結像ミラー108からの光を絞る。CCDラインセンサ113は、前述したように4ラインセンサである。CCDラインセンサ113は、結像手段により結像された反射散乱光を光電変換する光電変換手段の一例である。尚、CCDに代えて、CMOSイメージセンサなど、他の形式のセンサが採用されてもよい。走査枠体114は、光源102、平面ミラー103,104,105、結像ミラー保持部材111、CCDラインセンサ113を保持する。結像ミラー107,108,109,110及び結像ミラー保持部材111は、オフアキシャル結像ユニット115を形成する。尚、これらの反射ミラーや結像ミラーは、原稿Sからの反射散乱光を複数枚の平面ミラー及び結像ミラーで集光して結像する結像手段の一例である。
原稿台ガラス101は、読取ユニット枠体116に支持されている。走査枠体114は、読取ユニット枠体116内に配置されており、駆動モータ117、駆動ベルト118の働きにより読取ユニット枠体116内を副走査方向に往復動作する。走査枠体114は、光源、結像手段及び光電変換手段を搭載し、主走査方向に対して直交した副走査方向に移動する移動ユニットの一例である。
次に原稿台ガラス101上に載置された原稿Sを読み取る際の動作について説明する。光源102が点灯し、光源102からの光が原稿Sを照明する。駆動モータ117及び駆動ベルト118は、走査枠体114を副走査方向に移動させることで原稿Sを走査する。光源102が原稿Sに照射した光は原稿Sで反射・拡散する。この拡散光は、平面ミラー103,104,105によりオフアキシャル結像ユニット115に導かれる。こうしてオフアキシャル結像ユニット115に導かれた光は、結像ミラー107〜110で順次反射される。最終的に、拡散光、各結像ミラーに形成されたオフアキシャル反射面の働きにより、CCDラインセンサ113に結像する。CCDラインセンサ113は、受光した光を光電変換することにより、原稿Sの画像を表す電気信号を生成する。
図2(A)は、結像ミラーの拡大図である。結像ミラー107,108,109,110のそれぞれには、図2(A)の斜線部にオフアキシャル反射面が形成されている。固定部202,203は、この結像ミラーの位置を決定し固定する。半球面204は、この結像ミラーのZ方向の位置を決める凸状部材である。半球面204は、3ヶ所に形成されている。突き当て部205は、この結像ミラーのX方向の位置を決定する。突き当て部206は、結像ミラーのY方向の位置を決定する。この結像ミラーのX,Y及びZ方向の各位置を決定する半球面204及び突き当て部205,206は全て固定部202,203に設けられる。固定部202,203の厚さは、オフアキシャル反射面が形成された部分の厚さに比べて薄くなっており、断面二次モーメントが小さくなっている。
図2(B)は、結像ミラー及び結像ミラー保持部材の一部を示す斜視図である。結像ミラー保持部材111には、突起部208、受け面209,210が設けられている。突起部208は3つ設けられており、結像ミラー107,108,109,110に設けられた3つの半球面204を保持する。これにより結像ミラーのZ方向が位置決めされる。受け面209は突き当て部205を保持する。受け面210は、突き当て部205を保持する。これにより、結像ミラーのX及びY方向の位置が決定される。
図3は、結像ミラー及び結像ミラー保持部材の一部を拡大した断面図である。押圧部材211は、結像ミラーを固定するために、結像ミラー保持部材111に取り付けられる。押圧部材211は、3つの半球面204のそれぞれに対応して設けられる。3つの押圧部材211は、それぞれ等しい力で結像ミラーを押圧する。尚、押圧部材211が結像ミラーの固定部202,203に及ぼす力により生じる結像ミラー内部の応力によって、結像ミラー107,108,109,110は変形しようとする。また押圧部材211の取り付け誤差や結像ミラー107,108,109,110の成形誤差により半球面204と押圧部材211の加圧点がずれるとモーメントが発生する。このモーメントによっても、結像ミラー107,108,109,110は変形しようとする。しかし、オフアキシャル反射面が形成された部分よりも固定部202,203の断面二次モーメントが小さいため、固定部202、203が変形して内部応力及びモーメントが吸収される。よって、オフアキシャル反射面の変形は微小となる。
また光源102、CCDラインセンサ113及び駆動モータ117から発生する熱が画像読取装置内の空気を介して結像ミラーに伝わると結像ミラーは熱膨張する。結像ミラーの線膨張係数と結像ミラー保持部材111との線膨張係数は異なるため、結像ミラーを変形させようとする応力が発生する。しかし固定部202,203は、このような内部応力及びモーメントも吸収するため、オフアキシャル反射面の変形を微小にすることが可能である。固定部202,203が変形すれば、オフアキシャル反射面の位置が変化する。しかし、オフアキシャル反射面の位置変化が光学性能に与える影響は、オフアキシャル反射面自体の変形に比べて10分の1程度にすぎない。しかも固定部202,203の変形による位置変化は微小である。よって、本実施形態の固定方法による光学性能の劣化は非常に小さく、実用上、全く問題ない程度となる。
図4は、本発明の実施形態に係る画像読取装置の制御部の機能を説明するブロック図である。
CPU601は、この画像読取装置が備える各ユニットを統括的に制御するユニットである。CCD駆動回路602は、CCDラインセンサ113を駆動制御する回路である。A/D変換部603は、CCDラインセンサ113から出力されるアナログ信号をディジタルデータに変換する。画像処理ASIC604は、A/D変換部603からのデジタルデータに対して画像処理を行う。この画像処理には、例えば、シェーディング補正、CCDラインセンサ113の各ラインセンサの配置に起因する色ズレの補正、原稿の持つコントラストをどの程度忠実に再現できるかを空間周波数特性として表現するMTF(変調伝達関数)特性の補正等がある。画像処理ASIC604は、結像手段を通じて受光された白基準部材からの光を光電変換手段により変換することで生成された電気信号を用いてシェーディング補正を実行するシェーディング補正手段の一例である。DRAM605は、画像データを一時的に保存する記憶装置である。画像処理ASIC604により画像処理された画像データは画像形成装置610に送られる。モータ駆動回路606は、CPU601からの指示に従って駆動モータ117を駆動制御する。画像形成装置610は、この画像読取装置から出力された画像データに基づいて用紙に画像を形成(印刷)する。この画像形成装置610は、複写装置の画像形成部であってもよい。また、画像形成装置610は、画像読取装置から原稿の画像を表す電気信号を受信して画像を形成する画像形成部の一例である。この画像形成部の形式は、電子写真方式、インクジェット方式など、どのような形式であってもよい。
[シェーディング補正]
次に、白基準部材を用いたシェーディング補正について説明する。シェーディング補正では、CCDラインセンサ113から出力される画像データの画素ごとの読取ばらつきが補正される。
まず光源102から白基準部材に光を照射し、白基準部材からの拡散光をCCDラインセンサ113により読み取る。尚、この白基準部材は、濃度管理がされているものとする。画像処理ASIC604は、白基準部材の読取結果を用いて、光源102の照度ムラ、結像ミラー107〜110の周辺光量の低下及びCCDラインセンサ113の画素感度ばらつきに起因したシェーディングデータを取得する。
画像処理ASIC604は、シェーディングデータの各画素値が任意の目標値(例えば輝度値で「245」)になるように、画素ごとにゲイン値を調整する。画像処理ASIC604は、この調整値をゲイン調整値としてDRAM605に記憶する。
次に画像処理ASIC604は、光源102を消灯した状態で、シェーディングデータを取得する。画像処理ASIC604は、CCDラインセンサ113から出力されるデータの各画素値(黒オフセット値)が任意の目標値(例えば、輝度値で「5」)になるように画素ごとにオフセットを調整する。画像処理ASIC604は、この調整値をオフセット調整値としてDRAM605に記憶する。画像処理ASIC604は、CCDラインセンサ113から出力される画像データに対して、ゲイン調整値及びオフセット調整値に基づいて、画素ごとにゲイン調整及びオフセット調整を実行する。以上の処理により白基準部材によるシェーディング補正が完了する。この白基準部材によるシェーディング補正により、光源102の照度ムラや結像ミラー107〜110の周辺光量低下、CCDラインセンサ113の画素感度ばらつきが低減される。即ち、主走査方向には一様な状態で読み取ることが可能になると考えられる。
[画角と分光特性との関係]
原稿Sに照射された光源102からの反射散乱光は、平面ミラー103〜105と結像ミラー107〜110とで順次反射される過程で、画角に応じた分光特性の変化を受ける。但し、各ミラーでの最大画角は一致するとは限らない。主走査方向の原稿画像の反射位置(つまり、最大画角)をミラーごとに異ならしめる。従って以下では、各ミラーの最大画角を個々に表示するのではなく、平面ミラー103〜105で順次反射された後の分光特性として反射ミラーの分光特性を示す。同様に、結像ミラー107〜110で順次反射された後の分光特性として結像ミラーの分光特性を示すことにする。また以下では、各ミラーでの画角に応じた分光特性の変化ではなく、原稿Sの面での画像の読取位置、つまり、像面高さ(以下、像高と略す)に応じた分光特性の変化と表現することにする。
次に像高と画角の関係について説明する。像高が高いことは、光軸中心から離れていること、つまり、画角が大きいことを示している。逆に、像高が低いことは、光軸中心に近いこと、つまり、画角が小さいことを示している。
次に、本実施形態で採用する読取光学系の各素子の特性例について述べる。
図5(A)は、光源102である白色LEDの分光特性の例を示した図である。横軸は波長を、縦軸は相対発光強度を示している。尚、光源の波長ごとの発光強度は分光分布特性と呼ばれる。図5(B)は、平面ミラー103〜105である反射ミラーの分光特性の例を示す図である。更に図6は、結像ミラー107〜110の分光特性の例を示している。図6で、横軸は波長を、縦軸は反射率を示している。尚、光学部品の波長ごとの反射率は、分光反射特性と呼ばれる。
一般に、反射ミラー及び結像ミラーは、それぞれガラスと樹脂上にアルミニウム(Al)を蒸着して製造される。これは、金属薄膜上に誘電体を積層してオーバーコーティングすることで反射率を高めるためである。所望の特性を得るために、設計の中心波長を600nmとし、シミュレーションによる最適化により図5(B)及び図6に示すミラーを作成した。
本実施形態では、広角の結像光学系を採用している。そのため、本実施形態では、特許文献1に示されるような、光源と反射ミラーを固定した走査ユニットで原稿面を走査する縮小光学系よりも、像高(画角)による分光特性の変化は大きい。ここで広角とは、CCDラインセンサ113に結像させるまでの過程で、各ミラーの画角が大きいことを指している。一般に使用される広角レンズでは、35ミリ換算値で500mm以下の焦点距離を持つレンズのことを指す。本実施形態では、レンズの替わりにミラーを使用して画像を結像しているが、焦点距離の定義については、上記広角レンズと同様とする。
図5(B)及び図6において、像高はyで表している。y=0は主走査方向の中心(画角が最小の0度となる位置)に相当する。y=152.4は、主走査方向の端部(画角が最大となる位置)に相当する。図5(B)及び図6には、各像高での分光特性の差異が示されている。光源102である白色LED、平面ミラー103〜105、結像ミラー107〜110、CCDラインセンサ113の感度を含めた、読取光学系全体の分光特性をピーク波長で正規化する前と後とで比較する。
図7(A)は、ピーク波長で正規化する前の読取光学系全体の分光特性を示す図である。図7(B)は、ピーク波長で正規化した後の読取光学系全体の分光特性を示す図である。図7において横軸は波長を、縦軸は感度を示している。尚、受光素子や光学部品の波長ごとの感度は、分光感度特性と呼ばれる。図7(A)、図7(B)では、波長ごとに、読取光学系がどれくらいの感度で読み取れるかを、像高y=0とy=152.4とで比較している。図7(A)では、ピーク波長である波長450nm付近での感度が像高に応じて大きく変化していることがわかる。これは図5(A)の白色LEDのピーク波長450nmに対して、図5(B)及び図6にそれぞれ示している反射ミラーと結像ミラーの分光特性の像高による変化が影響しているためである。
まず図5(B)に示す反射ミラーの分光反射率の像高による変化に関して、波長450nmに注目してみることにする。像高y=0では反射率が63%程度であるのに対し、像高y=152.4では反射率が80%となっている。よって、像高による反射率の差は、17%である。次に図6に示した結像ミラーの分光反射率の像高による変化に関して、波長450nmに注目してみる。像高y=0では、反射率46%程度である。一方、像高y=152.4では56%である。よって、像高の違いによる反射率の差は10%である。読取光学系全体としては、図7(A)の波長450nmに注目する。像高y=0では感度42%程度である。一方、像高y=152.4では、29%である。よって、像高の違いにより感度が13%変化している。
次に、ピーク波長についての感度の差が分光特性全体に与える影響を見るために、ピーク波長で正規化した分光特性(図7(B))について考察する。図7(B)によれば、各波長の感度が、ピーク波長である波長450nm付近の感度により正規化されている。図7(B)によれば、ピーク波長における感度の変化は、波長500nmよりも長波長側の分光特性に大きく影響していることが分かる。特に、変化が大きい波長550nmに注目してみる。像高y=0では感度54%程度である。一方、像高y=152.4では、39%である。よって、像高の違いによる感度の差は15%である。
本実施形態で採用した反射ミラーと結像ミラーの分光特性の例では、反射ミラーと結像ミラーの像高による分光特性の変化が、波長500nmよりも長い波長側の色の読取に、大きな影響を与えることになる。
[主走査方向の読取輝度ムラ]
図8は、一次色であるイエロー、マゼンタ、シアンの分光感度特性を示す図である。特に、波長500nmよりも長い波長側で分光感度特性を大きい色としてイエローがあることがわかる。
図9は、イエローのパッチを主走査方向に一様な濃度で分布したチャートの一例を示す図である。図9に示したチャートでは、イエロー以外に、マゼンタとシアンのパッチも示している。このチャートは、読取光学系の分光特性の変化が色の分光特性の違いにどの程度影響するかを比較するためのものである。
図10は、図7に示した分光特性を持つ読取光学系で、図9に示したチャートを読み取った際の各色の読取輝度を示す図である。図10で、横軸は主走査方向の画素位置を示し、縦軸は読取輝度を示している。
図10において、主走査方向の画素位置で「0」は、像高y=152.4の位置に相当する。この位置は主走査方向の端部であり、画角が最も大きい箇所である。また画素位置の「3500」は像高y=0の位置に相当する。この位置は、主走査方向の中央部であり、画角が最も小さい箇所である。更に、画素位置の「7000」は、像高y=−152.4の位置に相当する。この位置も主走査方向の端部であり、画角が最も大きい箇所となる。反射ミラーも結像ミラーも像高y=0を中心とする対称面となっている。よって、像高y=0を中心に像高の絶対値が大きくなるにつれて、画角も大きくなることを意味している。
図10において、イエローの端部(主走査方向の画素位置の「0」や「7000」)での読取輝度は「137」である。また中央部(主走査方向の画素位置の「3500」)では輝度は「159」となっている。よって主走査方向の端部と中央部とでは、22レベルの読取輝度差がある。シアンやマゼンタについては、主走査方向の端部と中央部で、それぞれ16レベル、11レベルの読取輝度差がある。ここで読取輝度は、白基準部材の読取輝度を輝度「255」として正規化した値に対しての相対値となる。このように、画角が大きい結像光学系を持つ読取光学系では、白基準部材によるシェーディング補正後であっても、主走査方向の読取輝度に差が生じる。この現象を「主走査方向の読取輝度ムラ」と呼ぶことにする。
[有彩色についてのシェーディング補正]
ところで、白基準部材によるシェーディング補正は、光源の照度ムラやラインセンサの出力ばらつき、結像ミラーの周辺光量の低下等を補正するために、画像読取装置では一般に行われている補正処理である。しかし、この白基準部材によるシェーディング補正では、有彩色に関しての主走査方向の読取輝度ムラを補正しきれない。以下では、この理由について述べる。
図11は、本実施形態に係る画像読取装置におけるシェーディング補正の一例を示すフローチャートである。この処理は不図示のメモリに記憶されたプログラムをCPU601が実行することにより達成される。
まずS1101で、CPU601は、原稿台ガラス101上に貼付されている白基準部材の直下まで走査枠体114を移動するようにモータ駆動回路606に指示する。モータ駆動回路606は、この指示に従って駆動モータ117を回転駆動する。次にS1102に進み、CPU601は光源102を点灯させてCCD駆動回路602を制御し、CCDラインセンサ113によりシェーディングデータを取得する。次にS1103に進み、CPU601は、画像処理ASIC604にゲイン値を決定するよう指示する。これにより画像処理ASIC604は、シェーディングデータの各画素値が目標値となるように画素ごとのゲイン調整値を決定する。次にS1104に進み、画像処理ASIC604は、画素ごとのゲイン調整値をDRAM605に格納する。次にS1105で、CPU601は、光源102を消灯する。これにより暗黒状態が作り出される。CCD駆動回路602は、CCDラインセンサ113を動作させ、データを取得する。
次にS1106に進み、画像処理ASIC604は、暗黒状態でのCCDラインセンサ113の読取レベルを黒レベルのオフセット調整値として算出する。そしてS1107で、画像処理ASIC604は、画素ごとのオフセット調整値をDRAM605に格納する。次にS1108で、CPU601は、走査枠体114を原稿台ガラス101上の原稿Sの位置に移動するようにモータ駆動回路606に指示する。モータ駆動回路606は、この指示に従って駆動モータ117を回転駆動する。
次にS1109で、CPU601は、原稿Sの位置に移動した走査枠体114の光源102を点灯させて原稿画像の読取を開始する。このとき走査枠体114は、副走査方向に一定速度で移動する。CCDラインセンサ113は、平面ミラー103〜105と結像ミラー107〜110とで順次反射して結像した原稿の画像データを光電変換する。これにより原稿Sの画像を表す電気信号が得られる。アナログの電気信号は、A/D変換部603でディジタル画像データに変換される。次にS1110に進み、画像処理ASIC604は、画像データについて画素ごとに対応するゲイン調整値をそれぞれ乗算し、得られた各積に対応するオフセット調整値を加算する。次にS1111に進み、画像処理ASIC604は、シェーディング補正された画像データを読取輝度信号として、後段の画像処理プロセスに出力する。
これら一連のシェーディング補正処理のうち、S1103で、画素ごとにゲイン調整値を算出している。このゲイン調整値は、光源102の照度ムラ、CCDラインセンサ113の各画素での感度ばらつきに加えて、平面ミラー103〜105及び結像ミラー107〜110の像高による分光特性の変化の影響も含んだ形で算出されている。
平面ミラー103〜105と結像ミラー107〜110の像高による分光特性変化は、読取光学系全体の像高による分光特性にも影響する。よって、読取光学系の像高による分光特性変化は、読取対象である原稿上の色の分光特性との関連で、読取輝度に影響することになる。読取輝度は、読取光学系の分光特性と、読取対象となる原稿上の色の分光特性との積分で与えられる。そのため、色の分光特性が主走査方向で一定であったとしても、光学系の分光特性が像高により変化することで、読取輝度も像高により変化することになる。従って、基準の白色板が一様な濃度で管理され、光源102の照度ムラやCCDラインセンサ113の感度ばらつきが無視できるほど小さく、更に、平面ミラー103〜105、結像ミラー107〜110の像高による分光特性変化がないと仮定する。この場合のゲイン調整値は、各画素でほぼ同じ値を取ることになる。しかし、前述したように、平面ミラー103〜105、結像ミラー107〜110の像高による分光特性の変化がある。このため、光源102の照度ムラやCCDラインセンサ113の感度ムラの影響が無視できるほど小さくても、ゲイン調整値は各画素で異なってくる。
図12(A)は、白基準部材の分光特性とピーク波長で正規化した光学系の分光特性とを示す図である。この図で、横軸は波長を示し、縦軸は相対感度(反射率)を示している。光学系の分光特性に関しては、像高y=0とy=152.4とについてそれぞれ示している。この図を参照すると、白基準部材の分光特性は、反射率0.9で各波長ほぼ一定であることがわかる。この白基準部材と光学系の分光特性に関する積分値を以下示す。
像高y=0(中央部)において、積分値は「75.7」であり、像高y=152.4(端部)において、積分値は「59.9」である。このように、両者の積分値に大きな差が出る。これらの積分値に対して、ここでは、読取輝度「255」をシェーディング補正の目標値としてゲイン調整値Gを算出する。即ち、像高y=0では、G0=3.38、像高y=152.4では、G152.4=4.26となる。ここで、G0とG152.4は、それぞれ像高y=0とy=152.4でのゲイン調整値である。画像処理ASIC604は、これらの値を、シェーディング補正時に像高y=0と像高y=152.4の位置での補正値として、使用する。このように、光学系の像高による分光特性変化は、シェーディング補正時のゲイン調整値にも影響を与える。
実際のシェーディング補正時のゲイン調整値は、上記の光学系の像高による分光特性変化に加え、光源の照度ムラの影響も受ける。しかし、画像読取装置で使用する光源102の分光特性は、一定の仕様の範囲内で管理されたものである。よって、照度ムラでの分光特性変化は非常に小さく、照度の主走査方向での変化が光源102の照度ムラとして発生する。しかし、光源102の分光特性が主走査方向で変わらなければ、光源102の照度ムラによる主走査方向の読取輝度ムラは、どの色に対しても現われる。即ち、白基準部材の白色だけではなく、他の一般的な無彩色、有彩色についても輝度ムラが現われる。よって、有彩色についてのみだけ、主走査方向の読取輝度ムラが発生することはない。従って、光源102の照度ムラに関しては、白基準部材によるシェーディング補正を行うことで、主走査方向に一様な読取が可能となる。この点で、読取光学系の像高による分光特性変化による主走査方向の読取輝度ムラとは、本質的に異なる。ここで注意したいのは、読取光学系の像高による分光特性変化は、全ての色について白基準部材によるシェーディング補正の効果を減少させるのではない。即ち、無彩色、つまり、白や黒、グレーなどの色については、シェーディング補正の効果が得られるのである。この理由について、以下で説明する。
図12(B)は、図12(A)に示した白基準部材の分光特性と、濃度0.3のグレー及び濃度1.5の黒パッチの分光特性とを比較するための図である。ここでも横軸は波長を示し、縦軸は反射率を示している。
図12(B)によれば、白基準部材の分光特性と同様に、濃度0.3のグレーパッチの反射率は、各波長ともほぼ「0.48」でほぼ一定である。一方、濃度1.5の黒パッチの反射率は、各波長とも0.03でほぼ一定である。この濃度0.3の分光特性と光学系の分光特性を積分した結果は以下の通りである。
像高y=0(中央)において、積分値は「40.0」、像高y=152.4(端部)において、積分値は「31.7」である。このように、積分値に差が出る。これらに、ゲイン調整値G0とG152.4を乗算する。その結果、読取輝度値は、像高y=0(中央部)において「135」、像高y=152.4(端部)において「135」と算出される。
同様に、濃度1.5の分光特性と光学系の分光特性とを積分した結果は、以下の通りである。即ち、像高y=0(中央部)において、積分値は「2.69」、像高y=152.4(端部)において、積分値は「2.13」となる。このように、積分値に若干の差が出ている。これに、ゲイン調整値G0とG152.4を乗算すると、読取輝度値は、像高y=0(中央部)において「9」、像高y=152.4(端部)において「9」となる。つまり、分光特性に関して白基準部材と良く似ている色(400nm〜700nmの各波長のうち、反射率がほぼ一定となる波長(色)で、その反射率の大小は問わない)主走査方向の読取輝度ムラは発生しないことになる。即ち、グレーや黒などでは、白基準部材で決定したゲイン調整値を用いても、主走査方向の読取輝度ムラは発生しないことになる。
ゲイン調整値G0とG152.4は、像高による白基準部材の読取値の変化を補正するように決定される。また、白基準部材とよく似た分光特性を持つ色は、その反射率の大小に拘わらず、像高による読取輝度の変化率はほぼ一定である。そのため、白基準部材によるシェーディング補正によって所望の効果が得られる。
しかし、図8に示したイエローの分光特性について、同様の計算を行うと、イエローの分光特性と光学系の分光特性との積分値は以下の通りとなる。即ち、像高y=0(中央部)において積分値は「48.1」、像高y=152.4(端部)において積分値は「33.7」となる。このように、各像高の積分値に差が出る。これらの積分値に、対応するゲイン調整値G0とG152.4を乗算して読取輝度値を算出する。その結果、像高y=0(中央部)において読取輝度値は「162」、像高y=152.4(端部)においても読取輝度値は「144」となる。このように、像高に応じた読取輝度値に18レベルの差が出ることがわかる。
ここまでの考察ではゲイン調整値にのみ注目したため、オフセット補正値については考慮しなかった。これは、オフセット補正値は、光源を消灯した状態で行うため、光学系の分光特性の影響は受けないからである。
以上説明したように、白基準部材によるシェーディング補正では白基準部材とほぼ相似形の分光特性を持つ無彩色については、主走査方向の読取輝度のムラを低減できる。しかし、有彩色については、白基準部材を用いたシェーディング補正では主走査方向の読取輝度ムラは補正しきれない。このように、広角の結像光学系を持つ画像読取装置では、白基準部材によるシェーディング補正を行っても、有彩色については、主走査方向に読取の輝度ムラが発生する。
次に本実施形態に係る、有彩色で発生する主走査方向の読取輝度ムラを低減する方法に付いて説明する。有彩色で発生する主走査方向の読取輝度ムラを低減する方法として、読取光学系の像高による分光特性の変化を低減する方法が挙げられる。
この方法の1つは、例えば、反射ミラーや結像ミラーに入射する読取画像の画角を小さくすることである。主走査方向の端部での画角を小さくするには、各ミラー間の距離を長くする、つまり、光路長を長く取る必要がある。しかし、ミラー間の距離を長く取るためには、画像読取装置を大きくしなければならない。また、大型化に伴う部材のコストアップも見込まれる。そのため、この方法では、装置の小型化やコストダウンという要求には応えられない。
他の方法としては、白基準部材の他に、濃度管理がされた赤色や緑色、青色、シアンやマゼンタ、イエローなど各色の基準板を設け、原稿の色によってシェーディング補正係数を変更する方法がある。しかし、この方法を採用する場合、濃度管理をする基準板の数が増えてしまう。また、シェーディング補正用の補正係数を各色で記憶しておくためのメモリも必要となる。更に、原稿上の色を判別する回路も必要となってしまうため、コストアップや装置の大型化は避けられない。
そこで本実施形態では、光源のピーク波長近傍の波長帯での反射ミラーと結像ミラーの像高による分光特性変化が小さくなる方法を提案する。具体的には、青色LEDと黄色蛍光体を1チップに封止した白色LEDを主走査方向に複数個配置し、各LEDに供給する電流量を調整することで、各LEDが発光する光の色度を調整し、その供給する電流量をPWM方式で制御する。こうして各LEDが発光する光量を調整している。この方法は、光学系の像高による分光特性の変化が、光源のピーク波長と反射ミラーと結像ミラーの像高による分光特性の変化が重なる部分に大きく起因することに注目することで得られた。これにより、有彩色についての主走査方向の読取輝度ムラが低減される。また、この方法は、コストアップや装置の大型化に関しても、上記の方法と比較して有利である。
本実施形態では、光源として図5(A)に示すような分光特性をもつ白色LEDを使用しており、ピークの波長は450nm付近である。前述のように、この光源のピーク波長に対して、反射ミラー及び結像ミラーの分光特性が像高により変化してしまうことが原因で、白基準部材によるシェーディング補正をしてもなお、有彩色については主走査方向の読取輝度ムラが発生する。そこで、白色LEDのピーク波長450nmにおいて、反射ミラーと結像ミラーの像高による分光特性の変化が小さくなるようにすればよい。
[ミラー分光特性]
ここで、反射ミラー、結像ミラーの分光特性について述べておく。一般に、ミラーは、ガラスやプラスチック、樹脂などの表面に、アルミニウムや銀、クロム、銅などの金属の薄膜を蒸着することで作成されている。よって、ミラーの分光特性は蒸着する金属の種類により異なる。
図13は、金属表面における入射光と反射光との関係を示す図である。金属の表面に光が当たると、表面の薄膜層に存在する金属イオンや自由電子などが光のエネルギーを吸収して共鳴振動を起こす。その振動のエネルギーが金属表面より放出される。これが金属からの光の反射現象である。
ミラーの保護膜として、金属膜上にフッ化マグネシウム(MgF2)などの誘電体多層膜をオーバーコーティングすることで反射率を高めることができる。但し、反射率は、波長や入射角に依存することが知られている。更に、蒸着する反射膜の膜厚を変化させることで、ミラーの分光特性全体を短波長側にシフトできる。これらについて、以下で説明する。
図14(A)は、媒質を通過する光を説明するための図である。一般に、光の位相速度は、光が通過する媒質により異なる。しかし、光の振動数νは変わらない。ここで、光が正弦波振動をしながら、真空、媒質の境界面を垂直に入射しながら進行する場合を考える。真空中の光の屈折率、波長、速さを、それぞれn0,λ0,cとする。媒質中の光の屈折率、波長、速さをそれぞれn,λ,νとする。これらのパラメータにより次式が成立する。
n=c/ν=(λ0・ν)/(λ・ν)=λ0/λ ...式(1.1)
図14(A)に示すように、屈折率nの媒質中の波長λは、真空中の波長の1/nになり、n>1の時、媒質中の波長は、真空中に比べて短くなる。ここで屈折率nの媒質の距離をdとすると、この媒質中に含まれる波の数は、次式の通りである。
d/λ=nd/λ0 ...式(1.2)
これは、距離ndの中に含まれる波長λ0の波の数に等しい。このndを光学距離、又は光学薄膜(optical thickness)という。
図14(B)は、光が薄膜1400に対して斜入射する例を説明する図である。真空中の光の屈折率、波長、入射角をそれぞれn0,λ0,θ0とする。また薄膜1400中の光の屈折率、波長、屈折角をそれぞれn,λ,θとする。また薄膜1400を蒸着している基板1401の屈折率、波長、入射角をそれぞれnm,λm,θmとする。
真空中から光が薄膜1400に斜入射すると光路差が生じする。即ち、薄膜1400の表面で反射する光(図14(B)のPからQに向かう光)と、薄膜に透過した後に薄膜内を進行して基板1401の表面で反射して再度真空中に透過してくる光(図14(B)のRで反射してP'で真空中に出る光)とに光路差が生じる。この光路差PQ'は、次式で表される。
PQ'=nPR−n0PQ
=n(PH/sinθ)−n0PHsinθ0
=(n/sinθ)−n0sinθ0)PH
=(n/sinθ)−n0sinθ0)dtanθ
=(n/sinθ)−nsinθ)dtanθ
=nd(1/cosθ−sin2θ/cosθ)
=nd(1−sin2θ)/cosθ
=ndcosθ …式(1.3)
尚、式(1.3)において、スネルの法則
n0sinθ=nsinθ ...式(1.3.1)
を用いて変換を行っている。つまり、斜入射すると光学薄膜は、垂直入射時のndにcosθを乗算した値になり、垂直入射時よりも光学薄膜は小さくなる。このように、斜入射時には光学薄膜は小さくなる。尚、光学薄膜は小さくなると分光特性が変化する。
図14(C)は、図14(B)に示した薄膜1400への斜入射時の各境界面(真空と薄膜、薄膜と基板)でのフレネル係数を説明する図である。ρ0は、真空から薄膜1400へ入射する際のフレネルの反射係数を示す。τ0は、真空から薄膜1400へ入射する際のフレネルの透過係数である。ρ1は、薄膜1400から基板1401へ入射する際のフレネルの反射係数である。またτ1は、薄膜1400から基板1401へ入射する際のフレネルの透過係数である。
このような単層薄膜での反射率Rfは、一般に下式(1.4)のように表せられる。尚、fは偏波を示すサフィックスである。即ち、fはsまたはpで、それぞれs偏波、p偏波を示す。
Rf=(ρ0f2+ρ1f2+2ρ0fρ1fcos2δ)/(1+(ρ0fρ1f)2+2ρ0fρ1fcos2δ) …式(1.4)
ここで、ρ0f,ρ1fは、それぞれs偏波、p偏波のフレネル反射係数を示している。
ρ0f=(η0f−ηf)/(η0f+ηf)
ρ1f=(ηf−ηmf)/(ηf+ηmf) ...式(1.5)
この式(1.5)において、η0f,ηf,ηmfは、下式(1.6)で定義される。
η0s=n0cosθ0
η0p=n0/cosθ0
ηs =ncosθ
ηp =n/cosθ
ηms=nmcosθm
ηmp=nm/cosθm ...式(1.6)
式(1.6)において、n0,n,nmは、それぞれ、真空中、薄膜1400中、基板1401中の屈折率を示している。θ0は真空から薄膜への入射角である。θは真空から薄膜への屈折角である。θmは、薄膜から基板への屈折角である。尚、各屈折率と入射角には、スネルの法則が成り立つ。
n0sinθ0=ncosθ=nmcosθm ...式(1.7)
また、式(1.4)中のδは、薄膜中の位相変化を示している。δは、式(1.3)より、次式で求められる。
δ=(2π/λ)ndcosθ ...式(1.8)
この式(1.8)に示すように、薄膜への入射角により光学薄膜は変化する。また、光学薄膜の変化は、薄膜中の位相変化を引き起こす。この薄膜中の位相変化δは、式(1.4)に示すように、反射率Rfに影響する。以上に述べた原理で、反射ミラー及び結像ミラーには、像高(入射角)に応じて分光特性の変化が生じる。
本実施形態では、白基準部材によるシェーディング補正しても残る有彩色の主走査方向の読取輝度ムラを低減することを目的としている。そこで、白色LEDのピーク波長450nmにおいて、反射ミラーと結像ミラーの像高による分光特性の変化が小さくなるようにする。
[LEDによる調色と読取特性]
反射ミラーと結像ミラーの像高による分光特性の変化を小さくするために、本実施形態では、白色LEDへ供給する電流量により白色LEDが発光する光の色度が変化する特性を利用する。LEDへ供給する電流量が主走査方向の端部から中央部にかけて連続的に変化するように電流量を制御することにより、LEDが発光する光の色度を主走査方向の各位置で異ならせる。但し、LEDへ供給する電流量を変化させると、その発光する光量も変化してしまう。つまり、LEDの色度を異ならせるためにLEDへ供給する電流量を異ならせると、LEDの光量が目標光量と異なってしまう。そこで、LEDの駆動をPWM方式で制御することにより、LEDの光量を目標光量に制御する。ここでPWM方式とは、パルス幅変調という変調方法の一種であり、パルス波のデューティ比を変化させて変調する方式である。
まず、どのようにLEDへ供給する電流量を調整するかを説明する。先ず本実施形態で使用する白色LEDの特性について説明し、そのLED特性から光学系として求める読取特性を特定する。
白色LEDのピーク波長450nmと緑色の波長帯のピーク波長550nmとの相関関係を考える。図7(A)で、ピーク波長450nmで、そのピーク感度は、端部(y=152.4)に比べて中心(y=0)は、約1.4倍程度である。それに比べて波長550nmでのピーク感度は、端部と中央部でほぼ同じである。従って、ピーク波長450nmでの感度差が光学系の読取特性差となる。この白色LEDのピーク波長450nmと緑色の波長帯のピーク波長550nmとの相関関係が、主走査方向の中央部と端部とで同程度であれば、光学系の読取特性も主走査方向の中央部と端部で近似することになる。つまり、白色LEDのピーク波長450nmと緑色の波長帯のピーク波長550nmとの相関関係が、主走査方向の中央部と端部とで同程度になるように、LEDへ供給する電流量を調整すればよい。
図15は、白色LEDの色度と供給電流量との依存性を示す図である。ここではLEDへ供給する電流のデューティ比は100%とする。ここで横軸は色度xを表し、縦軸は色度yを表す。図から、1mAを通電した時の色度は、x=0.317,y=0.35であり、LEDに供給する電流量を増加させるに従い、色度はx=0.29,y=0.30の方向にシフトしていく。この色度のシフトは、発光する青色LEDの分光感度は、駆動電流量を増やすことにより大きくなるが、青色LEDと合成して白色を生成する黄色蛍光体の分光感度は、青色LEDに供給される電流量とは無関係に一定であるためである。つまり、青色LEDの波長450nmのピーク感度が黄色蛍光体の波長550nmでのピーク感度に比べて、相対的に高くなることに起因している。
図16(A)は、図15の色度−電流依存性のあるLEDの分光特性を、駆動電流が20mAと100mAの場合で比較した図である。ここで横軸は波長、縦軸は相対感度を表す。図中、点線でプロットした点は、白色LEDを20mAで駆動した時の分光特性を示し、実線は、100mAで駆動した時の分光特性を示している。
図16(A)から、ピーク波長450nm付近では20mA駆動時と100mA駆動時で、若干のピーク値に対応する波長がシフトしているのが分かる。これは、駆動する電流量が増大したことによる熱発生に起因する波長シフトと推測される。緑色の波長帯のピーク波長550nm付近では、20mAでの駆動時に比べ、100mA駆動時の方が、ピーク感度が下がっている。これは前述したように、LEDの駆動電流量の増大に伴い、青色LEDの波長450nmのピーク感度が黄色蛍光体の波長550nmのピーク感度に比べて、相対的に高くなるためである。このLEDの供給電流量に対する分光特性の変化を利用することで、光学系の読取特性を所望の特性になるように調整する。
[LED光量のPWM方式による制御]
前述の方法でLEDへの供給電流を変化させると、その発光する光量もまた変化することになる。そこで本実施形態では、LEDへ供給する電力量をPWM方式により、LEDの光量を目標光量に制御する。
図17は、白色LEDの光度と供給電流量の依存性を示す図である。横軸に順電流、横方向に相対光度を示す。図17で、20mA供給時での光度を「1」とすると、100mA供給時の光度は「5.5」となり、その光度は5.5倍になっている。いま、ここで20mAでの光量が必要十分な光量とすると、100mAの供給時には、必要とする光量の5.5倍もの電流を流すことになる。そこで、PWM方式でLEDへ供給する電力量を制御する。
図18は、白色LEDへの供給電力量をPWM方式で制御する例を示す図である。ここでは横軸が時間、縦軸が供給電流量を表している。図17から、端部での電流供給量(20mA)と比較して、中央部の電流供給量は5倍(100mA)で、その光度は5.5倍となることから、必要な実効電流量は、1/5.5倍であることが分かる。つまり、端部での電流供給をデューティ比100%で行う場合、中央部への電流供給は、単位時間あたり2/11=18.2%程度でよいことになる。
このLEDの供給電流量に対するPWM方式による制御により、不必要な光量増加を防止し、光学系の読取特性を所望の特性になるように調整する。
図19は、主走査方向の端部と中央部でLEDの発光色度を供給電流量で調整し、光学系全体の読取特性が、主走査方向の端部と中央部でほぼ一致するように調整するフローチャートを示す。
先ずS1901で、図20に示すように主走査方向に2つ以上の複数個の白色LEDで構成される各LEDに供給する電流量と、PWM制御を行う場合は、各LEDでのディーティ比を設定する。初期調整には、全LEDに同じ電流量で同じデューティ比の設定を行ってもよいし、予め設定されたプロファイルに従って設定してもよい。尚、設定の詳細は後述する。次にS1902で読み取るチャートは、図9に示すような、主走査方向に一様な濃度を有する色帯を有し、主走査方向の端部から中央部にかけて2つ以上のポイントの輝度データを取得する。尚、ここで読み取るチャートは、図9のように、CMYの3色に限定されるものではなく、RGBやその他の色を色帯にしたものでもよい。
次にS1903に進み、S1902で読み取ったチャートの輝度データを保管する。次にS1904に進み、S1903で保管された輝度データから、主走査方向の端部と中央部で輝度差がチャートにある全ての色の中で最大となる色を検索する。そしてS1905で、その輝度差が閾値X%(例えば3%)以内であるか否かを判定する。具体的には、次式(1.9)での判定を行う。
X>{(注目色の主走査方向の最大値)−(注目色の主走査方向の最小値)}/[{(注目色の主走査方向の最大値)+(注目色の主走査方向の最小値)}/2] ...式(1.9)
次にS1905に進み、主走査方向の端部と中央部で輝度差がチャートにある全ての色の中で最大となる色の輝度差が閾値X%以内かを判定する。その結果、閾値X%を超える場合はS1901に戻って、LEDの駆動電流量の設定及びその電流ディーティ比を再設定して、再度S1902のチャート読取を行い、S1904の面内差最大色の検索を行うことを繰り返す。このS1905での動作の詳細は後述する。そしてS1905で、閾値X%を以内であると判定するとLEDの調整を終了する。
図21は、本実施形態に係るLED駆動回路及び周辺回路のブロック図である。
CPU601から、LED電流量調整(電流設定)部2101及びLEDデューティ調整(デューティ設定)部2103へ、各調整パラメータが設定される。その調整パラメータは、図19に示すフローチャートに従って決定された値である。LED電流量調整テーブル記憶部2102は、CPU601からLED電流量調整部2101に要求された調整パラメータを実現する設定を記憶しているテーブルを有している。LEDデューティ調整テーブル記憶部2104は、図22(B)に示すテーブルを有している。これにより、CPU601からLEDデューティ調整部2103に要求されたパラメータ、及び、LED電流量調整部2101で決定されたLEDへの電流量に対応するデューティ比を決定できる。
ここでLED電流量調整テーブル記憶部2102には、図22(A)に示すような駆動電流に対するチャートの読取輝度がテーブルとして記憶されている。図22(A)を参照して、輝度差が最大となっている色の主走査方向の端部と中央部での読取輝度差は、どの電流設定値の組合せにより読取輝度差が最も小さくなるかを選択する。
例えば、20mAでLEDを駆動している場合、その読取輝度は、中央部=168.4、端部=151.8となり、その読取輝度差は、168.1−151.8=16.6となる。20mA駆動の時の中央部の読取輝度「168.4」に最も値が近い端部の読取輝度は、100mA駆動時の端部の読取輝度「169.9」であり、その読取輝度差は、169.9−168.4=1.5となる。これは20mA駆動時の主走査方向の読取輝度差「16.6」の約1割である。
このようにして決定した主走査方向の端部と中央部の各LEDへ供給する電流量に対して、図19のS1905では、主走査方向の端部と中央部で輝度差がチャートにある全ての色の中で最大となる色の輝度差が閾値X%以内かの判定を行う。ここで、判定の閾値X=3%とする。
(端部と中央部ともに20mAの時)
(168.4−151.8)/{(168.4+151.8)/2}=10.3[%]
(端部=100mA、中央部=20mAの時)
(169.9−168.4)/{(169.9+168.4)/2}=0.8[%]
このように、端部の駆動電流を100mA、中央部の駆動電流を20mAとした場合、判定閾値3%を下回るため、黄色についてはこの組合せで主走査方向の読取輝度ムラがほぼなくなることが予想される。そこで実際に上記組合せ(端部の駆動電流を100mA、中央部の駆動電流を20mA)で、再度チャートを読み取り、他の色においても、上記の判定閾値X=3%をクリアできるかを確認する。その確認の結果、チャートの全ての色について、判定閾値をクリアした場合、その組合せ(LEDの端部と中央部に供給する電流量の組合せ)を正式な電流値として、LED電流量調整部2101に設定する。そしてもし、全ての色について判定閾値をクリアする組合せがないならば、主走査方向の端部と中央部の差分の最大値が最も小さい組合せを採用しても良い。また或いは、特定の色(例えば、RGBやCMYなどの基本的な色)について、判定閾値をクリアする組合せを採用してもよい。
LEDデューティ調整テーブル記憶部2104には、図22(B)に示すようなLED供給電流量に対するデューティ比がテーブルとして記憶されている。図17に示すように、LEDの発光量は駆動電流値に対してほぼ線形的に変化する。図22(B)のテーブルを参照して、LED電流量調整部2101で設定された各LEDの電流供給量に対して設定するべきデューティ比(オン期間とオフ期間の比)を決定する。
このようにして決定された駆動電流値及びデューティ比の設定をLED駆動回路2105へ行い、LED2106を点灯制御する。尚、図21では、1つのLEDを例に説明したが、LED駆動回路2105で駆動するLED2106の数は1つに限定されるものではない。但し、各LEDへ供給する電流量を個別に設定するためには、LEDの個数だけ電流量を調整する回路が必要となる。しかし、LEDの個数が多くなると、その電流量を調整する回路も多くなり、基板上に占める回路の面積が大きくなってしまう。
そこで本実施形態では、図20に示すように、6個のLEDを1つのブロックとして考え、そのブロック毎に、供給する電流量を調整する方法を採用した。この方法を採用することにより、電流を供給する回路の個数を従来の1/6へ大幅に削減できる。尚、ブロックとして制御するLEDの個数は6個に限定されるものではなく、その個数は主走査方向の輝度の連続性に大きく影響を与えない範囲で自由な個数を設定すればよい。また図20に示すように、複数のLEDを1つのブロックとして制御する場合には、各ブロックでLED電流量調整部2101及びLEDデューティ調整部2103、LED駆動回路2105を持てばよい。
次にS1901で行うLEDへの供給電流量調整の効果について説明する。
図16(B)は、図16(A)で示した特性を利用して、光学系全体での主走査方向の端部と中央部の分光特性差を改善した例を示す図である。ここでは横軸が波長、縦軸が感度を表している。図中、点線でプロットしたもの(y=0)が、主走査方向の中央部における光学系全体の分光特性である。また、実線でプロットしたもの(y=152.4)が、主走査方向の端部における光学系全体の分光特性を表している。
図16(B)より、青色LEDのピーク波長450nm付近での主走査方向端部と中央部での波長シフト、及び、黄色蛍光体のピーク波長550nm付近での主走査方向端部と中央部での感度相違などが若干見られるが、概ね一致していることがわかる。ここで、図16(B)において、青色LEDのピーク波長450nm付近での、主走査方向の端部と中央部での波長シフトが、読取輝度に与える影響について述べる。
図16(B)の読取光学系の分光特性で、最も影響があると推定されるのは、青色LEDのピーク波長450nm付近の波長シフトである。この波長シフトに伴い読取輝度が影響を受ける色は、波長シフトを起こしている波長帯に分光反射率の大きな変化がある色である。前述のように読取輝度は、読取光学系の分光特性と読み取る対象の色の分光反射率との積分である。従って、読取光学系全体の分光特性が集中するピーク波長付近において、そのピーク波長がシフトすることは、読取光学系の分光特性と読み取る対象の色の分光反射率との積分値が変化することを意味する。
図23は、図16(B)で示す、改善された光学系全体での主走査方向の端部と中央部の分光特性と水色と青色の分光反射率を比較する図である。ここでは横軸が波長、縦軸が感度あるいは反射率を表している。水色と青色の主走査方向における読取輝度差を図22(C)に示す。図22(C)からも、青色LEDのピーク波長シフトによって受ける読取輝度差は、それほど大きくないことが分かる。これは、波長450nm付近に見られる青色LEDの分光特性は非常に鋭く、500nm〜700nmに見られる黄色蛍光体の分光特性は非常になだらかであるためである。そして450nmのピークで影響を受ける範囲と黄色蛍光体のなだらかな分光特性で影響を受ける範囲では、後者の方が大きいことを示している。
図7(B)で示した光学系の調色前の分光特性において、青色LEDのピーク波長450nm付近では、主走査方向の端部と中央部で大きな差はなかった。しかし、黄色蛍光体の主走査方向端部の感度は、中央部と比較して13%程度低い。そこで、図16(A)に示したLEDへの供給電流量の違いによる、白色LED発光色度の違いを利用する。
具体的には、図7(B)において、波長550nm付近のピーク感度が主走査方向の端部に比べて大きい中央部に対して、図16(A)で示すように波長100mAで駆動するLEDを採用する。これにより、波長550nm付近のピーク感度の影響を20mAで駆動する場合と比較して小さくする。つまり、主走査方向の中央部と端部で、読取光学系の分光特性の差を小さくする。そうすることで、同じ色を主走査方向の端部と中央部で読み取った時の読取輝度差が小さくなり、主走査方向の読取輝度ムラを低減できる。
図24(A)は、図16(B)に示した分光特性を持つ光学系を使用して、100色の色帯を読み取った場合の、主走査方向の中央部と端部での読取輝度差を表す図である。これら100色は、無彩色(グレー)で段階的に濃度を表した無彩色部(No.1〜No.20)と、RGBとCMYを含む全色域を含む有彩色部(No.21〜No.100の色帯)で構成されている。また、各色の読取輝度は、前述のように、白基準部材の読取輝度を「255」として正規化した値に対する相対値である。
図24(A)において、横軸は各色の番号(ナンバー)、縦軸は読取輝度差を表す。図中、□は、LEDによる調色前(図7(B)の分光特性を持つ光学系)での主走査方向の中央部と端部の読取の輝度差を示し、▲は、LEDによる調色後(図16(B)の分光特性を持つ光学系)での読取輝度差を表す。この図24(A)からも、LED調色前には、主走査方向の端部と中央部で、最大で16レベル程度の読取輝度差があったが、LED調色後には、最大でも3レベル程度の読取輝度差まで低減していることが分かる。
図24(B)は、図24(A)に示した100色の色帯の主走査方向の中央部と端部での読取輝度差のワースト3をLED調色前後で比較した図である。
LED調色前においては、主に黄色系の色味を持つ色帯の読取輝度差が大きいが、LED調色後においては、ほぼ読取輝度差がないレベル(2レベル以下)にまで読取輝度差が低減している。これは、図7(B)で黄色蛍光体のピーク波長550nm付近での主走査方向の端部と中央部での分光特性が大きく異なっていた。これに対して図16(B)で、黄色蛍光体のピーク波長550nm付近での主走査方向の端部と中央部での分光特性変化がほぼなくなっていることに起因している。
[LEDの端部と中央部以外の供給電流量]
ここまでの手順では、主走査方向の端部と中央部での議論を主に行ってきた。中央部と端部以外の場所、中央部y=0(像高は一番低い位置)から像高が若干高い位置などにおけるLED色度の調整量については、中央部と端部へのLED供給量の差から線形的に求めればよい。具体的には、中央部の供給電流量をIc、端部をItとすると、任意の位置x(x=0〜152.4)における供給電流量Ixは、次式(1.10)で表すことができる。
Ix=(1−x/152.4)Ic+(x/152.4)It ...式(1.10)
例えば、y=50の位置での供給電流量は、上式(1.10)に、x=50,Ic=100,It=20を代入して、67.75mAと求められる。このようにして、LEDの各位置において、必要な電流量を求めればよい。
[LEDの端部と中央部以外へ供給する電流のデューティ比]
ここまでの例では、LEDへの供給電流量の場合と同様に、各LEDへ供給する電流のデューティ比についても、主走査方向の端部と中央部との比較で示してきた。主走査方向の端部と中央部以外の位置においては、式(1.10)で決定される任意の位置におけるLED供給電流量から、図22(B)で示したテーブルに則って各LEDへ供給する電流のデューティ比を決定することができる。
更に、図20に示したように、複数のLEDをブロック単位で制御する場合であっても、前述のLEDへ供給する電流量と同様に、LEDへ供給する電流のデューティ比に関しても適用できる。各ブロックに供給する電流のデューティ比を決めるだけでよい。
尚、前述のように、LEDのPWM制御では電流、電圧が変化しないので色度の変化はほぼない。従って、上記の方法により所望の色度で、所望の光量を主走査方向の任意の位置で得ることができるのである。
以上説明したように本実施形態によれば、画像読取装置の主走査方向の端部から中央部にかけての読取時の分光感度差が存在する場合に、LEDへの供給電流を主走査方向の端部から中央部にかけて連続的に変化させる。これにより、読取光学系の分光特性を主走査方向で略一様になるように調整できる。またこのようにして調整することにより、本来の光量からは必要以上に明るくなる電流量である箇所のLED光量については、PWM方式により抑制する。この組合せにより、装置の大型化やコストアップ、基準板の色数増加、回路構成の複雑化などを軽減される。更に、有彩色の主走査方向における読取輝度のムラを低減することもできる。
また、結像手段の一部である結像ミラーの反射面は、オフアキシャル反射面とすることが望ましい。オフアキシャル反射面は、基準軸光線の入射方向と反射方向が異なり、かつ、曲率を有した反射面である。よって、オフアキシャル反射面は、画像読取装置を小型化するのに有利である。
また本実施形態は、白基準部材のみを用いてシェーディング補正するような画像読取装置において特に有効である。一般に、白基準部材のみを用いてシェーディング補正すると、有彩色については十分にシェーディング補正することが難しい。よって、有彩色についても十分にシェーディング補正することが可能となる。従って、色の管理された白以外の色の基準板を削減できる。
画像読取装置を小型化するには、光源、結像手段及び光電変換手段を一体化した移動ユニットを採用することが望ましい。しかし、このような移動ユニットを採用すると、主走査方向の端部と中央部とで画角の差が大きくなり、分光特性の差も生じやすい。よって、このような移動ユニットを採用しても、輝度ムラを低く抑えることが可能となる。尚、複写機などの画像形成装置では、画像読取装置における輝度ムラは、色ムラに直結する。よって、輝度ムラを低減できれば、画像形成装置の色ムラを低減することが可能となる。
(その他の実施例)
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(又はCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。

Claims (4)

  1. 電流値によって光の色度が変化する発光源を複数有し、原稿に光を照射する光源と、
    前記光源による照射により前記原稿から反射された反射光を集光して結像する結像手段と、
    前記結像手段により結像された反射光を受光し、信号を出力するセンサと、
    前記複数の発光源の各々に対して設定された電流値とデューティ比に基づき前記複数の発光源を駆動する駆動手段と、
    前記光源により照射された、複数の異なる色のパッチが形成されたチャートからの反射光により前記センサから出力された、前記センサの主走査方向における端部および中央部における信号値に基づき、同一の色の前記パッチに対する前記センサの主走査方向における端部および中央部における信号値の差に応じた値が所定の閾値以下になるように、前記複数の発光源の各々に対する電流値を調整する電流値調整手段と、
    前記複数の発光源の各々に対する調整された電流値に基づき、前記複数の発光源の各々における電流のデューティ比を調整するデューティ調整手段と、
    を有することを特徴とする画像読取装置。
  2. 前記発光源は、青色で発光するLEDと黄色蛍光体を1チップに封止した白色LEDを含むことを特徴とする請求項1記載の画像読取装置。
  3. 前記結像手段により結像された反射光を色分離する、それぞれ異なる通過波長帯域を有する複数の色分離手段を更に有し、
    前記センサは、前記色分離手段により色分離された反射光をそれぞれ電気信号に変換することを特徴とする請求項1又は2に記載の画像読取装置。
  4. 前記デューティ調整手段は、前記電流量に対応するデューティ比を記憶する記憶手段を有し、前記記憶手段に記憶されたデューティ比に従って前記電流量を調整することを特徴とする請求項1に記載の画像読取装置。
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