JP6016524B2 - 照明装置および画像読取装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明装置及びそれを用いた画像読取装置に関し、特にイメージスキャナー、複写機、ファクシミリなどに適するものである。

従来、イメージスキャナー、複写機、ファクシミリなど、原稿面を照明して線順次方式で画像読取りを行う画像読取装置に用いられる原稿照明装置は、光源として蛍光灯などの管状（線状）光源を用いて原稿面を照明していた。しかし、光源に関する昨今の技術開発の結果、発光ダイオードＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）の発光効率が向上し、ＬＥＤを使い線状照明装置とする技術が開発されている。

光源としてＬＥＤのような点に近い光源を用いる場合は、複数のＬＥＤを主走査方向（細長い原稿画像領域の長手方向）に配列し、主走査方向の光量分布並びに光量自体の適正化を図る。そして、ＬＥＤからの光を効率良く被照射面である原稿画像領域に導くために、透明部材の内面反射や端面（入射面、射出面）での屈折を利用した導光体を用いることが知られている。

このような原稿照明装置では、光源であるＬＥＤの光放射角の最大強度方向と導光体の入射面との位置関係を正確に形成して光効率を極力高めることが求められる。特許文献１では、ＬＥＤを実装する基板が保持部材としてＬＥＤおよび導光体を保持し、当該基板の導光体を保持する領域を反射面とすることで、光効率の低下を抑えている。

特許４５４２９５４号公報

しかし、上記従来技術では、導光体を保持部材としての基板に両面テープなどの固定化部材を介して保持させた場合に、導光体の入射面に入射した光線の一定量が、固定化部材に入射する。光効率を高める観点から、両面テープなどの固定化部材を反射面にできれば良いが、反射面にすることは難しい。そして、両面テープとして反射率の高い白色の両面テープを用いたとしても、乱反射成分のために光効率が低下する。

本発明の目的は、光源と導光体を一体に保持する保持部材により、光源と導光体の位置関係を光効率を高める所定の位置関係とすると共に、固定化部材への入射光を抑制して光効率を高めることができる照明装置および画像読取装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る照明装置は、光源と、該光源からの光を被照射面に導光する導光体と、前記光源を保持する保持部材と、を備える照明装置であって、前記導光体は、前記光源に対向する入射面と、該入射面から入射した光を被照射面に向けて出射させる出射面と、を有し、前記保持部材は、固定部材を介して前記導光体を保持しており、前記入射面の面法線方向及び前記出射面の面法線方向に平行な断面内において、前記光源からの最大強度の光線が前記入射面にて前記固定部材から離れる方向に屈折するように、前記入射面の面法線方向又は前記導光体における前記固定部材に接する面内の方向と、前記光源の発光面の面法線方向又は前記最大強度の光線が前記光源から出射する方向と、が相対的に傾斜していることを特徴とする。

また、上記原稿照明装置を用いた画像読取装置も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、光源と導光体を一体に保持する保持部材により、光源と導光体の位置関係を光効率を高める所定の位置関係とすると共に、固定化部材への入射光を抑制して光効率を高めることができる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る原稿照明装置の概略構成図、（ｂ）は固定化部材への光入射を抑制した第１の実施形態に係る原稿照明装置における導光体の光線追跡図である。 本発明の実施形態に係る原稿照明装置を搭載した画像読取装置を示す図である。 導光体の入射面の傾斜角θを変化させた場合の原稿照明装置の概略構成図である。 導光体の入射面の傾斜角θを変化させた場合の相対光量を示す図である。 第１の実施形態に係る導光体の成形方法を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る原稿照明装置における導光体の光線追跡図である。 本発明の第３の実施形態に係る原稿照明装置における導光体の光線追跡図である。 従来の原稿照明装置に係る原稿照明装置における導光体の光線追跡図である。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

《第１の実施形態》
（画像読取装置）
図２は、本実施形態に係る照明装置である原稿照明装置を搭載した画像読取装置を示す図である。図中、２００は光源や導光体、結像光学系などを備えたキャリッジ、２０２は原稿台ガラス、２０３は読取対象となる原稿である。ここで、画像読取装置では、原稿台ガラス２０２上に設置された原稿２０３に対して、キャリッジ２００が図中矢印Ａの方向である副走査方向へ走査し、原稿２０３の画像情報を読み取っている。読み取られた画像情報は、図示しないインターフェースを通じて内部の画像処理部、或いはパーソナルコンピュータなどの外部機器へと送られる。

なお、原稿の画像情報を読み取る際、キャリッジ２００に対して原稿２０３を移動させて、画像情報を読み取るようにしても良い。

キャリッジ２００には、光源２０４、導光体２０５が配置され、読取窓２０６近傍から原稿の読み取り領域を照明する。そして、原稿からの反射光或いは散乱光を、読取窓２０６、折り返しミラー２０７ａ〜ｄを介して、結像光学系２０８により、ラインセンサー２０９に結像させている。

（原稿照明装置）
図１（ａ）で、光源１０１は、紙面垂直方向（主走査方向）であるＸ方向に複数配列された発光ダイオード（ＬＥＤ）（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）で構成されている。光源１０１は、導光体１１０を介して長手方向（紙面垂直方向であるＸ方向）に長い線状の原稿画像領域（不図示）を照明する。導光体１１０は、光源１０１に対向する入射面１１１を備え、光源１０１からの光を透過および内面反射（全反射）させて出射面１１３へ導き、出射面１１３から直接あるいは反射ミラーなどを介して原稿画像領域（不図示）を照明する。

光源１０１は基板１０３に実装保持され、アクリル樹脂で形成される導光体１１０は固定化部材１０２（本実施形態では白色の両面テープ）を介して保持部材である基板１０３に固定保持されている。即ち、光源１０１および導光体１１０は、保持部材である基板１０３に一体に保持されている。

（サイドビュー型のＬＥＤ）
図８において、実装される基板３０３に対して光出射面３０２が垂直となる種類のＬＥＤである光源３０１はサイドビュー型と呼ばれ、例えば液晶ディスプレイのバックライトなど、様々な分野の光源として用いられている。後述する本発明の実施形態においてもサイドビュー型のＬＥＤが用いられている。なお、ＬＥＤである光源３０１は一般的に出射面３０２からランバート（輝度が視点の角度によらず同じ）に発光しており、光出射面３０２の法線方向に最大強度を取りながら、この法線方向から±９０度の範囲に広く光線を出射している。

このようなサイドビュー型のＬＥＤである光源３０１と導光体３００を用いて効率の良い原稿照明装置を構成しようとすると、導光体３００と光源３０１の相対位置がずれないよう設置することが求められる。このため、サイドビュー型のＬＥＤである光源３０１と導光体３００を効果的に位置決めするには、導光体３００の入射面３１０近傍を、光源３０１を実装した基板３０３に貼り付け、或いは接着固定するのが良い。

しかしながら、この構造では、光源３０１から出射した光線は導光体３００の入射面３１０に入射し、入射した光線の一部が導光体を固定している固定化部材３０４へ向かう。

固定化部材３０４としては、一般的に両面テープか接着剤が用いられるため、固定化部位での導光体の界面は空気接触面では無くなり、界面での全反射条件が厳しくなる（即ち、全反射に必要な入射角が大きくなってしまう）。この現象により全反射できなかった光線は、固定化部材３０４で吸収されたり、あるいは散乱されたりすることになり、結果的に被照射領域である原稿画像領域へ導光される光線は、その分減少することで照明の光効率が劣化する。

（導光体の入射面の傾斜）
図１（ａ）（ｂ）に示すように、入射面１１１の面法線方向及び出射面１１３の面法線方向に平行な断面内において、導光体１１０の入射面１１１を、導光体４００の入射面４１０の法線方向がＬＥＤである光源４０１の発光面としての光出射面４０２の法線に対して相対的に傾くように傾斜させる。傾斜させる方向は、入射面４１０に入射した光放射角の最大強度方向の光線が屈折によって両面テープなどの固定化部材（固定部材）４０４から離れることになる方向である。即ち、導光体４００において固定化部材４０４が保持部材としての基板４０３に載置される方向と、導光体４００の入射面４１０との為す角度を鈍角とする。これにより、固定化部材４０４に向かう光が減って、照明の光効率の低下を抑制できる。

以下に、入射面を傾斜させた効果について説明する。効果の見積もりは、図３のように、ＬＥＤである光源５０１の光出射面５０４に対し、導光体５１０の入射面５１１の傾斜角θを−８〜８゜の範囲で変化させた場合、導光体５１０の出射面５１３から出射する光線の総量をシミュレーションして行った。ここで、ＬＥＤである光源５０１の出射面５０４は幅（Ｘ方向）２ｍｍ×高さ（Ｙ方向）０．５ｍｍの略矩形、導光体５１０はアクリル樹脂で厚（Ｙ）さ１ｍｍ、長さ（Ｚ）約１０ｍｍの直方体とした。

また、基板５０３は、厚さ（Ｙ）１ｍｍの平板とし、反射率を０％（吸収体）と想定した。更に、固定化部材５０２は厚さ（Ｙ）０．０５ｍｍ、幅（Ｚ）５ｍｍの白色の両面テープを想定し、固定化部材５０２の反射における散乱がランバートに、かつ、反射率が５０，７０，９０％となる条件で計算している。

図４に、上記の条件で計算を行った結果を示す。図４では、導光体の入射面の傾斜角θが０゜、つまりＬＥＤである光源の光出射面と導光体の入射面が正対した場合の、導光体の出射面での光量で正規化を行った。ＬＥＤである光源５０１の光出射面５０４と、導光体５１０の入射面５１１とが正対した状態に対し、導光体５１０の入射面５１１が反時計回りに回転する向きを＋、時計回りに回転する向きを−としている。

図４から、導光体の入射面が時計回りに回転すると、ほぼ一様に照明光量が低下するのに対し、反時計回りに回転させた場合、一度低下した光量が再び増加する傾向が見られる。これは、ＬＥＤである光源から入射した光線が、導光体の入射面でＺプラス方向に屈折し、散乱あるいは吸収作用のある固定化部材に向かう光線が減少するためである。

また、入射面を反時計回りに回転し続けると、時計回りに回転させた場合と同様に光量の減少が起こる。これは、ＬＥＤである光源の光出射面と、導光体の入射面との間隔が広がり、その空隙から光線が漏れるためである。

（射出成形の抜き勾配と入射面の傾斜角）
以上の結果から、照明の光効率が最大となるのは、ＬＥＤである光源の光出射面の法線と導光体の入射面の法線とが平行となる場合であるが、導光体を射出成形で作成する場合に、金型の構造上、これは好ましくない。即ち、ＬＥＤである光源の光出射面の法線と導光体の入射面の法線とが平行となる場合には、導光体の入射面と導光部底面（固定化部材が載置される面）が直角となるが、これは射出成形上好ましくない。

画像照明装置に用いられる導光体のような、主走査（Ｘ）方向に長く、かつＺ方向に対してＹ（厚み）方向に短い部品の場合、射出成形では図５のようにＹ方向に離型するよう金型設計を行うのが一般的である。このような金型構造の場合、成形した導光体を金型から取り出す際、入射面７０１が金型に引っかかり、形状異常をおこすのを防ぐ為に抜き勾配と呼ばれる傾斜をつける、即ち導光面と入射面を非直角にすることが有効なためである。

この抜き勾配は、一般的に１〜３度程度付けることが知られているが、本実施形態では付与すべき抜き勾配の方向を入射した光線が屈折によって固定化部材から離れる方向と定め、その量を従来よりも多い、３度以上とすることを特徴としている。即ち、金型取り出し時に形状異常が発生するのを防ぎつつ、光線の利用効率を上げるため、図中反時計回りに入射面を傾け、固定化部材の反射率にも依存するがその傾き角度を３〜５度前後とする。

《第２の実施形態》
図６を用いて、本発明の第２の実施形態に係る原稿照明装置を説明する。本実施形態の原稿照明装置は、第１の実施形態における導光体に対し、入射面の一部を円弧断面に置き換えたものである。即ち、入射面８１０の内、固定化部材８０４から遠い上部８１０ａ（第１の部位）は平面で、その面法線は、入射した光線が屈折によって固定化部材８０４から離れる方向に傾けられている。一方、固定化部材８０４に近い下部８１０ｂ（第２の部位）は、面法線角度が連続的に変化し、光源の光放射角の最大強度方向に対する傾きがより大きくなる曲面となっている。

本実施形態では、導光体８００に関し、固定化部材８０４へより多くの光線が向かいやすい入射面８１０の下部８１０ｂからの光線をＺ＋方向に屈折させる効果が得られ、照明の光効率の向上が見込める。また、鋭利な部位が減り、離型の際の引っ掛かりがより低減され、形状異常を起こしにくい形状となる。

《第３の実施形態》
図７を用いて、本発明の第３の実施形態に係る原稿照明装置を説明する。本実施形態の原稿照明装置は、第１の実施形態と同じ形状である導光体９００を用い、かつＬＥＤである光源９０１の光出射面９０２を導光体９００の入射面９１０と平行になるよう配置したものである。即ち、光源９０１の出射面９０２の面法線方向もしくは光放射角の最大強度方向を固定化部材９０４が保持部材である基板９０３に載置される方向に対し傾斜させたもので、光出射面９０２の法線方向と入射面９１０の法線方向は一致（同じ方向）する構成とする。

本実施形態の場合、導光体９００の入射面９１０を傾けたことによって生じるＬＥＤである光源９０１の光出射面９０２と、導光体９００の入射面９１０との空隙が減少し、照明の光効率を上げることができる。本実施形態では、「へ」の字状に屈曲した基板９０３を使用することで、固定化部材９０４から光線が離れる方向に光を入射させると共に、ＬＥＤである光源９０１の出射面９０２と導光体９００の入射面９１０との空隙を減少させている。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限らず、以下に例示するように種々の変形が可能である。

（変形例１）
上述した実施形態で主走査方向（長手方向）に複数形成された発光ダイオード（ＬＥＤ）のピッチは等間隔でも良いが、長手方向の中央部に比べ端部側でより密となる（ピッチが小さくなる）ようにしても良い。あるいは長手方向の端部側にのみ設けるようにしても良い。

（変形例２）
図７において、導光体９００を従来の導光体３００（図８）に置き換えることもできる。この場合、導光体３００の入射面３１０の法線方向と、光源９０１の光出射面９０２の面法線方向（もしくは光放射角の最大強度方向）と、は相対的に傾斜した関係となる。

あるいは、図７において、従来の平板状の基板３０３を使用しつつ、固定化部材から離れる方向に光を出射する光源を用いても良い。

（変形例３）
また、図１（ｂ）で、光源４０１の光出射面４０２と導光体４００の入射面４１０の間に導光体４００の屈折率より高い屈折率の媒質を挿入して、入射面４１０の傾斜を左上がりでなく右上がりの面とすることもできる。

１０１、４０１・・光源（ＬＥＤ）、１０２、４０４・・固定化部材、１０３、４０３・・基板（保持部材）、１１０、４００・・導光体、１１１、４１０・・導光体の入射面、４０２・・光源の出射面

Claims (10)

1. 光源と、該光源からの光を被照射面に導光する導光体と、前記光源を保持する保持部材と、を備える照明装置であって、
   前記導光体は、前記光源に対向する入射面と、該入射面から入射した光を被照射面に向けて出射させる出射面と、を有し、
   前記保持部材は、固定部材を介して前記導光体を保持しており、
   前記入射面の面法線方向及び前記出射面の面法線方向に平行な断面内において、前記光源からの最大強度の光線が前記入射面にて前記固定部材から離れる方向に屈折するように、前記入射面の面法線方向又は前記導光体における前記固定部材に接する面内の方向と、前記光源の発光面の面法線方向又は前記最大強度の光線が前記光源から出射する方向と、が相対的に傾斜していることを特徴とする照明装置。
2. 前記発光面は、前記保持部材における前記光源を保持する面に対して非平行であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記入射面の面法線方向は、前記発光面の面法線方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 前記導光体において、前記入射面と前記固定部材に接する面との成す角度は鈍角であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の照明装置。
5. 前記発光面は、前記保持部材における前記光源を保持する面に対して垂直であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の照明装置。
6. 前記入射面は、前記最大強度の光線が前記光源から出射する方向に対して面法線が傾斜した平面部と、面法線が連続的に変化する曲面部と、を含み、前記最大強度の光線は、前記平面部において前記固定部材から離れる方向に屈折することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の照明装置。
7. 前記曲面部は、前記平面部よりも前記固定部材に近い位置に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の照明装置。
8. 前記保持部材における前記導光体を保持する面に対して、前記保持部材における前記光源を保持する面が傾斜していることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の照明装置。
9. 前記光源は、前記入射面の面法線方向及び前記出射面の面法線方向に平行な断面に垂直な方向に配列された複数の発光点を含むことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の照明装置。
10. 請求項１乃至９の何れか１項に記載の照明装置を有し、該照明装置によって照明された原稿を読み取ることを特徴とする画像読取装置。