JP6243143B2 - 画像読取装置用線状光源装置および画像読取装置 - Google Patents

Description

本発明は、線状に広がった光を発する光源装置に関し、特に、原稿の上方から線状の光を照射して画像を読み取るオーバーヘッド型画像読取装置に適した線状光源に関する。

複写機などの画像読取装置では、コンタクトガラス上に載置された原稿に対して線状の光を照射して、原稿によって反射された光をＣＣＤで受光することにより読み取る構成のものが知られている。線状の光を照射する光源装置としては、導光体の端部にＬＥＤを配置して、ＬＥＤからの放射光を導光体で導きながら、所定のピッチのローレット形状で原稿面に向けて出射していく構造のものが知られている。このような線状光源装置では、導光体において光の一部が損失されるため、光の利用効率が低いという問題がある。また、原稿面へ照射される光には、導光体のローレット形状のピッチに対応した光量ムラが生じる。また、強度の大きな光を原稿に照射するために、高出力なＬＥＤを用いた場合、ＬＥＤの発する熱によって、ＬＥＤを搭載する部材や導光体が加熱されるという問題もある。さらに、導光体の幅は、原稿の幅と同等以上必要であるため、光源装置のサイズが原稿サイズに依存し、光源を原稿サイズよりも小型化することができない。

一方、特許文献１には、ＬＥＤのような点光源の光をコリメータレンズと拡散板で線状に広げて、原稿の上方から照射し、原稿で上方へ反射した光をレンズで集光して、一次元配列された受光素子で読み取るオーバーヘッド型画像読取装置が開示されている。この装置では、光源および受光素子の幅を原稿幅よりも小さくできるため、光源と受光素子を原稿の上方に並べて配置することが可能であり、画像読取装置を小型化することができる。

特開２０１１−２５４３３０号公報

特許文献１には、コリメータレンズによってＬＥＤの光を「直線光」にし、さらに拡散板で「読み取り方向に対して平行な方向の線状照射光」にすることが開示されているが（段落００４１，００４２等）、コリメータレンズおよび拡散板の具体的な形状や光学特性については開示されていない。また、線状照射光の光量分布は、画像読取部（受光素子）で受光する際における受光量分布を補完する分布にすることも開示されているが（段落００１６、００５３、００６１等）、どのようなコリメータレンズおよび拡散板であれば、そのような光量分布を実現できるかについては明らかにされていない。

本発明の目的は、発光素子の光を線状に広がった光に変換して出射する線状光源を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、発光素子と、発光素子が発する光を第１方向について収束させ、第１方向に直交する第２方向に線状に広がる扁平な光束を出射するレンズとを有する線状光源装置を提供する。レンズは、発光素子から入射する光のうち、発光素子の光軸を含む所定領域の光束を所定の拡散角で第２方向に拡散させ、光軸を含む所定領域よりも外側の領域の光束を、光軸を含む所定領域の光束の拡散角よりも小さい拡散角で第２方向に拡散させる。これにより、レンズの光軸における出射光量を、第２方向について光軸よりも外側の領域の出射光量よりも低下させる。

本発明によれば、発光素子の光を線状に広がった光に変換して出射する線状光源を提供することができる。

実施形態の線状光源装置の斜視図。 実施形態の線状光源装置から出射される光線を（ａ）ｘ方向、（ｂ）ｙ方向についてそれぞれ示す説明図。 実施形態の線状光源装置の（ａ）焦点４の距離における出射光量の分布をｘ面内の出射角方向およびｙ面内の出射角方向について示す説明図、（ｂ）ｘ面内の出射角方向ごとの出射光量比を示すグラフ、（ｃ）ｙ面内の出射角方向ごとの出射光量比を示すグラフ。 実施形態のレンズ２の（ａ）光軸２０を通りｘ方向に平行な断面形状と光線を示す説明図、（ｂ）光軸２０を通りｙ方向に平行な断面形状と光線を示す説明図。 実施形態のレンズ２の（ａ）上面図、（ｂ）側面図、（ｃ）下面図。 実施形態のレンズ２の（ａ）図１の位置Ｙ１におけるｙ方向に平行な断面図、（ｂ）位置Ｙ２におけるｙ方向に平行な断面図、（ｃ）位置Ｙ３におけるｙ方向に平行な断面図。 実施形態のレンズ２の（ａ）光軸からｘ方向への傾斜角度θが異なる面Ａ，Ｂ，Ｃを示す説明図、（ｂ）光軸を含む面Ａの断面形状と光線を示す説明図、（ｃ）面Ｂの断面形状と光線を示す説明図、（ｄ）面Ｃの断面形状と光線を示す説明図。 実施形態の線状光源装置の発光素子１から、ある傾斜角で出射された光線を示す説明図。 実施形態の線状光源装置の出射角θによる出射光量の変化を示すグラフ。

本発明の実施形態の線状光源装置について図面を用いて説明する。

本発明の線状光源装置は、図１に斜視図を示すように、発光素子１と、レンズ２とを備えている。図２（ａ）、（ｂ）に光線（光束分布）を示すように、レンズ２は、発光素子１が発する光１１を第１方向（ｙ方向）について収束させることにより、第１方向に直交する第２方向（ｘ方向）に線状に広がる扁平な光束１２を出射する。

レンズ２は、図２（ａ）のように、発光素子１から入射する光のうち、発光素子１の光軸２０を含む所定領域１３の光束を所定の拡散角で第２方向（ｘ方向）に拡散させるように構成されている。また、光軸２０を含む所定領域１３よりも外側の領域１４の光束を、所定領域１３の光束の拡散角よりも小さい拡散角で拡散させるように構成されている。これにより、図３（ａ）、（ｂ）に第２方向（ｘ方向）の光量分布を示すように、レンズ２の光軸２０における光量を、第２方向（ｘ方向）について光軸よりも外側の領域の光量よりも低下させる。

上記構成により本発明では、発光素子１の光を線状に広がった光に変換して出射することのできる線状光源を実現することができる。また、第２方向（ｘ方向）については、光軸２０を含む所定領域１３では光束分布を疎とし、その外側の領域１４では光束分布を密にすることができるため、画像読取装置の光源として用いる際の線状の長手方向（ｘ方向）の光量分布を光束の密度の制御により実現することができる。

発光素子１としては、ＬＥＤを用いることが好ましく、特に拡散光を出射するＬＥＤが望ましい。発光素子１の数は、一つであってもよいし、２以上の発光素子を隣接配置した構成であってもよい。本実施形態では、発光素子１の数が一つの場合を例に、以下説明する。また、レンズ２の材質は、例えばプラスチックを用いる。

レンズ２の具体的な形状の一例について以下説明する。

図４（ａ）、（ｂ）にレンズ２の、光軸２０を通りｘ方向およびｙ方向に平行な断面図をそれぞれ示す。レンズ２は、発光素子１からの光が入射する入射面２ａと、光を出射する出射面２ｂとを有する。出射面２ｂは、第２方向（ｘ方向）について、光軸２０を中心とする領域に凹形状３０を備えている。この凹形状３０の全体または中心部により、上述の所定領域１３の光束を所定の拡散角でｘ方向に拡散する。

また、出射面２ｂは、第２方向（ｘ方向）について、凹形状３０の両側にそれぞれ凸形状３１を有する。このように凸形状３１を凹形状３０の両側に配置したことにより、光軸２０を含む所定領域１３よりも外側の領域１４（図２）の光束を、所定領域１３の光束の拡散角よりも小さい拡散角で拡散させることができる。

このような出射面２ｂの形状により、レンズ２の光軸２０における光量を、第２方向（ｘ方向）について外側の領域の光量よりも低下させ、図３（ａ）、（ｂ）のように所望の光量分布を生じさせることができる。

なお、外側の領域１４の最外周部１５（図２（ａ））の光束は、拡散ではなく、平行光や収束光にしてもよい。これにより、第２方向（ｘ方向）の最も外側の領域１５の光量をさらに大きくすることができる。

出射面２ｂは、第１方向（ｙ方向）については凸形状である。これにより、発光素子１が発する光１１を第１方向（ｙ方向）について収束させることができる。

出射面２ｂの第１方向（ｙ方向）についての凸形状の曲率は、光軸２０において最も大きく、光軸２０から離れるにつれ小さくなっている。このようにｙ方向の曲率を設定することにより、図３（ａ）、（ｃ）に光量分布を示したように、ｙ方向において光量分布が一様な領域５０を形成することができる。

一方、入射面２ａは、図４（ａ）のように、第２方向（ｘ方向）について、凹形状である。入射面２ａを第２方向（ｘ方向）について凹形状にすることにより、発光素子１から拡散しながら出射される光１１を入射面２ａに対して法線に近い角度で入射させ、ほぼ直進させることができる。よって、発光素子１における拡散角を第２方向（ｘ方向）についてほぼ維持しながら出射面２ｂに入射させ、出射面２ｂで所望の拡散角の分布を生じさせることができる。これにより出射面２ａは、第２方向（ｘ方向）については、光の拡散角を生かしながら光束の疎密を生じさせるように拡散角を調節すればよく、第２方向（ｘ方向）の出射面２ｂの曲率を比較的小さくでき、細やかな制御が可能になる。これに対し、入射面２ａが平面や凸形状とした場合には、発光素子１から入射した光が入射面２ａで一旦収束されるため、出射面２ｂでは、入射面２ａで一旦収束した光を再び拡散させなければならない。このため、出射面２ｂの曲率が大きくなるとともに、出射面２ｂの高さが高くなり、細やかな制御が難しいものとなるため、出射面２ｂの設計が困難になる。よって、入射面２ａは、第２方向（ｘ方向）について凹形状であることが望ましい。

また、図４（ｂ）のように、第１方向（ｙ方向）に平行な断面における入射面２ａの形状は、光軸に直交する直線である。このように入射面２ａを第１方向（ｙ方向）については直線形状にすることにより、発光素子１から拡散しながら出射された光１１を第１方向（ｙ方向）にある程度収束させ、出射面２ｂに入射させることができる。よって、出射面２ｂは、第１方向（ｙ方向）については入射面２ａである程度収束している光をさらに収束すればよいため、出射面２ｂの第１方向（ｙ方向）の曲率を比較的小さく抑えることができ、装置を小型化できる。一方、入射面２ａが第１方向（ｙ方向）に凹形状である場合は、入射面２ａの入射光が収束しないため、出射面２ｂの曲率を大きくしなければならず、装置が大型になる。また、入射面２ａが第１方向（ｙ方向）に凸形状である場合には、入射光をより収束させることができるが、第１方向（ｙ方向）のレンズ形状を維持しようとするとレンズ径を小さくせざるを得ず、入射面２ａに入射する光量が減少し、光の利用効率が低下する。よって、入射面２ａは、第１方向（ｙ方向）について直線形状であることが望ましい。

発光素子１は、図１のように、基板３に搭載されている。レンズ２の外周には、基板３上にレンズ２を支持するための脚部５が接続されている。脚部５は基板３に、熱溶着等により固定されている。レンズ２は、脚部５によって発光素子１と所定の間隔をあけて、発光素子２の上部に支持される。このように、レンズ２に脚部５を設けることにより、コンパクトな線状光源装置を実現することができる。

脚部５は、図１のようにレンズ２の全周に枠状に設けることができる。これにより、発光素子１は、枠状の脚部５とレンズ２により囲われ、発光素子１が配置された空間を外部空間から隔絶することができる。これにより、発光素子１に外部からゴミ等が付着しにくく、発光素子１を長期間安定に動作させることができ、信頼性が向上する。

レンズ２と脚部５は、同じ材料で一体に形成することが可能である。これにより、部品点数を削減することができ、製造工程を簡素化することができるとともに、信頼性がさらに向上する。

レンズ２の具体的な形状を図５等を用いて以下に説明する。図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、本実施形態のレンズ２の一例の上面図、側面図および下面図をそれぞれ示す。図６（ａ），（ｂ），（ｃ）は、レンズ２の、図１に示した位置Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３における第１方向（ｙ方向）に平行な断面図である。図５（ｂ）のように、本実施形態のレンズ２の出射面２ｂは、ｘ方向については、光軸２０を中心とした凹形状３０を備え、その両外側には凸形状３１を備えている。

ｙ方向については、レンズ２の出射面２ｂは、図６（ａ）〜（ｃ）のように、どのような位置Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３の断面であっても、凸形状である。図６（ａ）〜（ｃ）からわかるように、ｘ軸方向について光軸２０から遠い位置Ｙ３ほど、光軸２０に近い位置Ｙ１よりも入射面２ａは低い（発光素子１に近い）。これは、図７（ｂ）〜（ｄ）に示したように、発光素子１から拡散しながら光が出射されるため、各拡散角の出射光をレンズ２からほぼ同じ距離で収束させるためである。具体的には、図７（ａ）の面Ａ（光軸２０を含む面）に沿って発光素子１から出射された光（図７（ｂ））と、面Ａから１５度程度傾斜した面Ｂに沿って発光素子１から出射された光（図７（ｃ））と、面Ａから３０度程度傾斜した面Ｃに沿って発光素子１から出射された光（図７（ｄ））は、発光素子１からレンズ２までの距離が異なるため、光の広がり度合いも異なる。レンズ２は、これらの光をそれぞれの傾斜角において、図８のように、レンズ２からほぼ等しい距離で収束させるように設計されている。これにより、ｘ方向に長く延び、ｙ方向に収束した線状の光束を形成している。

また、本実施形態では、一例として、第２方向（ｘ方向）の面内（光軸２０を含むｘ方向に平行な面内：ｘ面内）の光軸２０方向（θ＝０）の出射光量と、最大出射角（θ＝約３５度）の出射光量との比が、およそ１：５であり、かつ、図３（ｂ）のように光軸２０から最大出射角まで連続的に出射光量が変化するように、レンズ２の形状を設計している。しかも、この連続的な出射光量の変化が、ｘ面内の光軸２０からの出射角θに対してＩ＝１／（Ｉ_０×cos^４θ）の曲線とほぼ一致するように設計されている。（ただし、Ｉは、レンズ２の出射光量、Ｉ_０は、θ＝０におけるレンズ２の出射光量である。）このようにレンズ２の形状を設計しているのは、後述する画像読取装置に用いる場合に、受光装置が集光光学系を用いるため、受光素子に入射する光の光量Ｉ’が受光装置への入射角φに応じて変化し、その変化曲線が、Ｉ’＝Ｉ_１×cos^４φで表されるためである。（ただし、Ｉ’は、受光素子への入射光量、Ｉ_１は、受光装置の光軸方向（φ＝０）における入射光量、φは、受光装置の光軸となす角を示す。）このように、線状光源装置の出射光量分布を制御することにより、受光装置の特性を補完することができる。

また、上述してきた本実施形態の線状光源装置は、画像読取装置に用いることができる。本実施形態の画像読取装置は、線状に広げた光束を原稿に照射する線状光源装置と、受光装置とを備える。受光装置は、原稿からの反射光を収束して受光することにより、画像を読み取る。例えば、受光装置は、集光光学系と、線状に配列された受光素子とを含む。本実施形態の線状光源装置は、コンパクトであるため、レンズ２の第２方向（ｘ方向）に沿って、線状光源装置と受光装置をならべて配置することができる。このとき、受光装置の受光素子の配列方向は、線状光源装置のレンズの第２方向に平行となるようにする。これにより、線状光源装置が、原稿に照射した線状の光束の反射光を、受光装置の集光光学系で集光し、効率よく受光素子の配列に入射させて受光することができる。なお、原稿は、線状光源装置の焦点４の前後のいずれかの位置または、焦点４上になるように配置する。これにより、第１方向（ｙ方向）に所定の幅を持ち、第２方向（ｘ方向）に長く伸びた線状の光を原稿に照射することができる。

受光装置は、線状光源装置の片側に１台配置することも可能であるし、線状光源装置の両脇にそれぞれ配置することも可能である。

本発明により、一つの発光素子から出射された光を、コンパクトなレンズ２によって、第２方向（ｘ方向）に拡散し、第１方向（ｙ方向）に収束させて線状の光束とする小型の線状光源装置を実現することができる。

１…発光素子、２…レンズ、２ａ…入射面、２ｂ…出射面、３…基板

Claims (14)

1. 発光素子と、前記発光素子が発する光を第１方向について収束させ、前記第１方向に直交する第２方向に線状に広がる扁平な光束を出射するレンズとを有し、
   前記レンズは、前記発光素子から入射する光のうち、前記発光素子の光軸を含む所定領域の光束を所定の拡散角で前記第２方向に拡散させ、前記光軸を含む所定領域よりも外側の領域の光束を、前記光軸を含む所定領域の光束の拡散角よりも小さい拡散角で前記第２方向に拡散させ、前記レンズの前記光軸における出射光量を、前記第２方向について前記光軸よりも外側の領域の出射光量よりも低下させ、前記第２方向において前記光軸の方向の出射光量と最大出射角方向の出射光量との比がおよそ１：５であることを特徴とする画像読取装置用線状光源装置。
2. 請求項１に記載の線状光源装置において、前記レンズは、前記発光素子からの光が入射する入射面と、光を出射する出射面とを有し、
   前記出射面は、前記出射面の前記光軸を含む領域が前記第２方向について凹形状であることを特徴とする画像読取装置用線状光源装置。
3. 請求項２に記載の線状光源装置において、前記出射面は、前記第２方向について、前記凹形状の両側にそれぞれ凸形状を有することを特徴とする画像読取装置用線状光源装置。
4. 請求項２ないし３のいずれか１項に記載の線状光源装置において、前記出射面は、前記第１方向について凸形状であることを特徴とする画像読取装置用線状光源装置。
5. 請求項４に記載の線状光源装置において、前記出射面の前記第１方向についての前記凸形状の曲率は、前記光軸において最も大きく、前記光軸から離れるにつれ小さくなっていることを特徴とする画像読取装置用線状光源装置。
6. 請求項２ないし５のいずれか１項に記載の線状光源装置において、前記レンズの前記入射面は、前記第２方向について凹形状であることを特徴とする画像読取装置用線状光源装置。
7. 請求項２ないし６のいずれか１項に記載の線状光源装置において、前記第１方向に平行な断面における前記入射面の形状は、前記光軸に直交する直線であることを特徴とする画像読取装置用線状光源装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の線状光源装置において、前記発光素子を搭載する基板をさらに有し、
   前記レンズの外周には、前記基板上に前記レンズを支持するための脚部が接続され、前記脚部は前記基板に固定され、前記レンズは、前記脚部によって発光素子と間隔をあけて前記発光素子の上部に支持されることを特徴とする画像読取装置用線状光源装置。
9. 請求項８に記載の線状光源装置において、前記脚部は、前記レンズの全周に枠状に設けられ、前記発光素子が配置された空間を外部空間と隔絶していることを特徴とする画像読取装置用線状光源装置。
10. 請求項８または９に記載の線状光源装置において、前記レンズと前記脚部は、同じ材料で一体に形成されていることを特徴とする画像読取装置用線状光源装置。
11. 線状に広げた光束を原稿に照射する画像読取装置用線状光源装置と、前記原稿からの反射光を収束して受光する受光装置とを有する画像読取装置であって、
    前記画像読取装置用線状光源装置は、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のものであることを特徴とする画像読取装置。
12. 請求項１１に記載の画像読取装置において、前記受光装置は、集光光学系と、線状に配列された受光素子とを含み、前記レンズの前記第２方向に沿って、前記画像読取装置用線状光源装置と並べて配置され、
    前記受光装置の前記受光素子の配列方向は、前記画像読取装置用線状光源装置の前記レンズの前記第２方向に平行であることを特徴とする画像読取装置。
13. 請求項１１または１２に記載の画像読取装置において、前記受光装置は、２台であり、前記画像読取装置用線状光源装置の前記第２方向に沿って、前記画像読取装置用線状光源装置の両脇に配置されていることを特徴とする画像読取装置。
14. 発光素子と、前記発光素子が発する光を第１方向について収束させ、前記第１方向に直交する第２方向に線状に広がる扁平な光束を出射するレンズとを有し、
    前記レンズは、前記発光素子からの光が入射する入射面と、光を出射する出射面とを有し、
    該レンズの出射面は、前記出射面の前記発光素子の光軸を含む領域が前記第２方向について凹形状であり、かつ、前記レンズの入射面は、前記第２方向について凹形状であり、
    前記レンズの前記第１方向に平行な断面における前記入射面の形状は、前記光軸に直交する直線であり、
    前記レンズは、前記発光素子から入射する光のうち、前記発光素子の光軸を含む所定領域の光束を所定の拡散角で前記第２方向に拡散させ、前記光軸を含む所定領域よりも外側の領域の光束を、前記光軸を含む所定領域の光束の拡散角よりも小さい拡散角で前記第２方向に拡散させ、前記レンズの前記光軸における出射光量を、前記第２方向について前記光軸よりも外側の領域の出射光量よりも低下させ、前記第２方向において前記光軸の方向の出射光量と最大出射角方向の出射光量との比がおよそ１：５であることを特徴とする画像読取装置用線状光源装置。

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