JP6643050B2 - 照明装置、それを備える分光測色装置及び画像形成装置 - Google Patents
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Description
特許文献1は、光ファイバから出射した照明光を、楕円反射面を用いて試料上に集光する装置を開示している。
特許文献2は、LEDから出射した照明光を、中空の楕円反射面を用いて集光する装置を開示している。
特に、特許文献2のように、光源としてLEDを用いている場合は、LED光源内部の発光部の位置ばらつきの公差を制御することは難しく、従って、公差による照明効率の変動が問題となりやすい。
0.1≦Δ/Δ max ≦0.5
なる条件式を満足することを特徴とする。
以下、本実施形態に係る照明光学系を備えた照明装置について図面に基づいて説明する。なお、以下に示す図面は、本実施形態を容易に理解できるようにするために、実際とは異なる縮尺で描かれている場合がある。
LED100は、0.2mm×0.2mmの発光部を有する光源である。
導光体110は、アクリペット(登録商標)から作製されており、入射面111、楕円反射面112、出射面113を備えている。すなわち、導光体110は、アクリペット(樹脂)製の中実の導光体である。なお、ここで、樹脂製の中実の導光体とは、導光体内部まで樹脂が詰まっていることを意味する。また、本実施形態における楕円反射面112の形状に関して、楕円とは、厳密な楕円に限らず、近似的に楕円とみなせる形状(略楕円)を含んでいる。
なお、LED100から出射した光束のうち、楕円反射面112の全反射条件を満たしていない光束のほとんどは、楕円反射面112を透過し、被照射面120上に照射されない。そのような光束については、以降の議論において無視するものとし、説明を明確にするため図中には記載しない。
また、112aは楕円反射面112の被照射面上ではない焦点側の面頂点である。
被照射面220は、XY平面に平行であり、且つ、楕円反射面212の他方の焦点(被照射面220の近位にある焦点)P2を含むように配置されている。
このような照明光学系を、センサに応用していた場合には、検知性能不良によって生産の歩留まりが悪くなったり、検知性能が良好であったとしても、製品ごとの性能ばらつきが大きくなったりしてしまう。
被照射面320は、XY平面に平行であり、且つ、楕円反射面312の他方の焦点P2を含むように配置されている。
すなわち、光源300が楕円反射面312の焦点P1からX方向にずれた位置に配置されているために、被照射面320上の焦点P2の位置に集光しない。そのため、焦点P1に光源300が配置された場合に比べて、被照射面320上の焦点P2の近傍を、集光度を悪化させながら広範囲に照明する。
一方で、本実施形態に係る照明光学系30では、光源称呼配置から光源非称呼配置になっても、図3(a)及び(b)に示されるように、被照射面320上の検知範囲を照射する光束の光量は急激に小さくはならない。
被照射面420は、XY平面に平行であり、且つ、楕円反射面412の他方の焦点P2を含むように配置されている。
ここで、LED光源400から出射される光束の広がり角はX軸方向に対して略−90°〜90°である。
具体的には、光源が中実の導光体に近接して配置されている場合が、それに相当する。
第一実施形態においても、図1(a)、(b)及び(c)に示されるように、照明光学系10において、LED100が導光体110の入射面111に接して(近接して)配置されている。この場合には、導光体110の屈折率をnとすると、LED100から出射される光束の広がり角は、スネルの法則より、−Arcsin(1/n)〜Arcsin(1/n)である。
もし、導光体110がプラスティックやガラス等で作製されている場合、n=1.5であるとすると、LED100から出射される光束の広がり角は、−41.8°〜41.8°となり、広がり角が小さい構成となる。
また、図5(a)及び(b)に示されている値は、光源称呼配置時に被照射面120に照射された光量を1に規格化したときの、1mm2あたりの光量密度である。
換言すると、検知中心位置とは、LED100が称呼配置されているときに、被照射面上の検知範囲内(0.2mm×0.2mm)に照射される光束の光量の和が最も大きくなる位置である。
なお、ここで検知光量とは、被照射面120上に照明された光束の光量に対する、不図示の検出部が検知する光量である。
また、図7(a)及び(b)に示されている値は、光源称呼配置時に被照射面120に照射された光量を1に規格化したときの、1mm2あたりの光量密度である。
これにより、導光体の内部や表面上に楕円反射面の焦点が存在する、照明光学系と比較して、導光体を小型化させることができるという効果が得られる。
これにより、導光体110の入射面111を座面として、楕円反射面112の長軸方向に垂直な断面について、楕円反射面112の高さを測定すると、円形状となるため、形状解析がしやすくなるという効果が得られる。
図8(a)、(b)及び(c)はそれぞれ、第二実施形態に係る照明光学系60のYZ、XY及びXZ断面図を示している。
このような構成とすることで、光源100と被照射面120との間の相対的な配置関係についての自由度を得ることができる。また、一般にLEDは、発光面の法線方向において配光強度が最も大きくなるため、法線方向の光束を、楕円反射面112によって反射させやすくすることで、照明効率を有利にすることができる。
また、図9(a)及び(b)に示されている値は、光源称呼配置時に被照射面120に照射された光量を1に規格化したときの、1mm2あたりの光量密度である。
換言すると、検知中心位置とは、LED100が称呼配置されているときに、被照射面上の検知範囲内(0.2mm×0.2mm)に照射される光束の光量の和が最も大きくなる位置である。
従って、本実施形態に係る照明光学系60では、光源称呼配置から光源非称呼配置になっても、被照射面120上の検知範囲を照射する光束の光量(検知光量)は急激に小さくならないことがわかる。
また、入射面111の楕円反射面112の長軸に対する非平行角度を調整することで、LED100の配光分布の強度が大きい、発光面の法線方向の光束を楕円反射面112で全反射させやすくする事ができ、被照射面上に照射される光束の効率を高めることができる。
すなわち、一般に、照明光学系、特に導光体が大きくなればなるほど、光源の配置誤差は大きくなり、逆に、照明光学系、特に導光体が小さくなればなるほど、光源の配置誤差は小さくなる。
これは、照明光学系、特に導光体の大きさに応じて、照明光学系の組み立て方法が異なるためである。
具体的には、図10(a)は、光源500が楕円反射面512の一方の焦点P1上に配置されている(すなわち、Δ=0)場合を示している。また、図10(b)は、光源500が楕円反射面512の一方の焦点P1から所定の距離Δだけずれている場合を示している。さらに、図10(c)は、光源500が楕円反射面512上に配置されている(すなわち、Δ=Δmax)場合を示している。
光源500から出射した、所定の広がり角を有する光束は、楕円反射面512によって反射され、被照射面520上の焦点P2上又は周囲に照射される。
具体的には、離間量Δが大きくなればなるほど、被照射面520上の焦点P2の周囲に集光度を大きく悪化させながら照射されるようになる。
従って、Δ=0のときが集光度が最も良く、Δ=Δmaxのときが集光度が最も悪くなる。もちろん、Δ>Δmax、すなわち、光源500は楕円反射面512を超えて配置することはできない。
ただし、離間量Δがあまりに大きくなると、被照射面520上の検知範囲を照射する光束の光量(検知光量)自体が小さくなってしまう。
0.1Δmax≦Δ≦0.5Δmax
そのとき、焦点P1から交点Paまでの距離をL1、交点Paから焦点P2までの距離をL2とすると、楕円の性質から、以下の式(3)で表される関係が得られる。
従って、第二実施形態に係る照明光学系60における離間量Δは1mmと設定されていることから、離間量Δは、上で述べた、0.1Δmax≦Δ≦0.5Δmaxの関係を満たしていることがわかる。
すなわち、横倍率βは、図11に示される照明光学系においては、以下の式(7)のように表される。
しかしながら、被照射面を反導光体側にずらすと、照明光学系の大型化を招いてしまう一方で、導光体側にずらすと、被照射面と導光体との干渉が問題となる。
すなわち、被照射面の位置を集光位置からずらすよりも、光源を楕円反射面の光源側焦点位置からずらすことによって、被照射位置を集光位置からずらす構成の方が好ましい。
従って、本実施形態において、被照射面上の同程度広範囲を照明する照明光学系を達成するためには、被照射面の位置を集光位置からずらす構成よりも、光源を楕円反射面の光源側焦点位置からずらす構成の方が、効果が大きくなる。そして、被照射面もしくは光源の、それぞれに対応するずらし量を小さく抑える構成を採用することが好ましい。
従って、第二実施形態に係る照明光学系60における楕円反射面横倍率βは、式(8)の関係を満たしていることがわかる。
従って、第二実施形態に係る照明光学系60のように、横倍率βが2以上(縦倍率β2が4以上)を満たすように、楕円反射面を設けることによって、本発明の効果をより顕著に得ることができる。
ここで、入射角度φは、光源の出射方向と、光源の出射方向と楕円反射面との交点Paにおける楕円反射面の接線に垂直な方向との間の角度として定義される。
従って、第二実施形態に係る照明光学系60における入射角度φは、式(11)の関係を満たしていることがわかる。
図12(a)、(b)及び(c)はそれぞれ、第三実施形態に係る照明光学系80のYZ、XY及びXZ断面図を示している。
また、図13(a)及び(b)に示されている値は、光源称呼配置時に被照射面120に照射された光量を1に規格化したときの、1mm2あたりの光量密度である。
換言すると、検知中心位置とは、LED100が称呼配置されているときに、被照射面上の検知範囲内(0.2mm×0.2mm)に照射される光束の光量の和が最も大きくなる位置である。
図14(a)、(b)及び(c)はそれぞれ、第四実施形態に係る照明光学系90のYZ、XY及びXZ断面図を示している。
このような構成とすることで、光源100と被照射面120との間の相対的な配置関係についての自由度を得ることができる。また、一般にLEDは、発光面の法線方向において配光強度が最も大きくなるため、法線方向の光束を、楕円反射面112によって反射させやすくすることで、照明効率を有利にすることができる。
また、図15(a)及び(b)に示されている値は、光源称呼配置時に被照射面120に照射された光量を1に規格化したときの、1mm2あたりの光量密度である。
換言すると、検知中心位置とは、LED100が称呼配置されているときに、被照射面上の検知範囲内(0.2mm×0.2mm)に照射される光束の光量の和が最も大きくなる位置である。
また、入射面111と出射面113とが為す角度が90°であることから、導光体110の保持に有利である。
また、入射面111の楕円反射面112の長軸に対する非平行角度を調整することで、LED100の配光分布の強度が大きい、発光面の法線方向の光束を楕円反射面112で全反射させやすくする事ができ、被照射面上に照射される光束の効率を高めることができる。
また、出射面113の角度を変えることができることにより、楕円反射面112を広くすることができ、照明効率を有利にすることができる。
図16(a)、(b)及び(c)はそれぞれ、第五実施形態に係る照明光学系95のYZ、XY及びXZ断面図を示している。
このような構成とすることで、被照射面120上の照明光の角度を調節することができる。
また、図17(a)及び(b)に示されている値は、光源称呼配置時に被照射面120に照射された光量を1に規格化したときの、1mm2あたりの光量密度である。
換言すると、検知中心位置とは、LED100が称呼配置されているときに、被照射面上の検知範囲内(0.2mm×0.2mm)に照射される光束の光量の和が最も大きくなる位置である。
そのため、被照射面120は、楕円反射面112の被照射面120側の焦点位置P2を含んでいる必要はなく、被照射面120が、導光体110から出射した光束が大凡集光される位置に配置されていれば、本発明の効果を得ることができる。
これにより、LED光源100から出射する光束の広がりを抑制したり、LED光源100から出射する光束を高効率に利用したり、LED光源100を導光体110に組み付ける工程を容易にしたりすることができるという効果が得られる。
こうすることにより、反射面が複数面存在する照明光学系と比較して、導光体の小型化や成形を容易にすることができるという効果が得られる。
これにより、出射面が曲面である照明光学系と比較して、導光体の小型化や加工を容易にすることができるという効果が得られる。
LEDやOLEDは、発光部を小さくすることができるため、センサ等に用いるための照明光学系に好適である。
そのような照明光学系では、発光チップの位置公差が問題となりやすいため、本発明の効果を享受しやすい。
図18は、本実施形態に係る照明光学系が搭載された、画像形成装置に用いられる分光測色装置2000の要部上面図を示している。図19は、本実施形態に係る照明光学系が搭載された、画像形成装置に用いられる分光測色装置2000の要部斜視図を示している。
光源2005及び受光素子2006は、不図示の電気基板上に実装され、電気基板は、ネジによって筐体に固定される。樹脂製の筐体にはスリット2001aが一体成形されている。筐体の開口側には不図示のPET製のカバーシートを備えた不図示のカバーが組み付けられる。カバーの一部には、導光体2002から不図示のカラーパッチへの照射光や、カラーパッチから導光体2002へ導光する反射光の光路を確保する必要のために開口窓を設けられている。開口窓によって、塵埃や紙紛等が筐体内に侵入しないように、開口窓にはカバーシートが取り付けられている。
光源2005から出射した光線は、光源2005と当接している導光体2002の入射面を透過し、楕円反射面によって上側に反射し、出射面を透過して、被照射面上に存在するカラーパッチ等の被検知物へ照射される。
スリット2001aを通過した光束は、回折素子2003によって分光された後、受光素子2006上に波長毎にスリット像として結像される。これは、簡易な構成で小型化に有効なローランド型の分光器構成である。
この分光光学系による被検知範囲は0.2mm×0.2mmであり、且つ、被検知範囲の中心は、光源が称呼位置にあるときに、最も高効率となる位置になる。
図20は、本実施形態に係る照明光学系が搭載された分光測色装置2000を備えるカラー画像形成装置1000の側断面図を示している。
また、カラー画像形成装置1000は、現像器4C、4M、4Y、4BK、転写ベルト14及び転写ローラ5C、5M、5Y、5BKを備えている。
また、カラー画像形成装置1000は、クリーナー6C、6M、6Y、6BKを備えている。
また、カラー画像形成装置1000は、走査光学装置3000を備えている。
形成された静電潜像は、現像器4C、4M、4Y、4BKによって各々、シアン、マゼンダ、イエロー、ブラックの画像に可視像化される(トナー像として現像される)。可視像化された画像は、転写ベルト14上を搬送されてくるシート材P(被転写材)に転写ローラ5C、5M、5Y、5BK(転写器)によって順に静電転写されることによって、シート材P上にカラー画像が形成される。
この後、感光ドラム1C、1M、1Y、1BK面上に残っている残留トナーは、クリーナー6C、6M、6Y、6BKによって除去される。そして、感光ドラム1C、1M、1Y、1BKは、次のカラー画像を形成するために再度1次帯電器2C、2M、2Y、2BKによって一様に帯電される。
転写ベルト14上を精度よく搬送されている間に、感光ドラム1C、1M、1Y、1BK面上に形成されたシアンの画像、マゼンダの画像、イエローの画像及びブラックの画像が順にシート材P上に転写されてカラー画像が形成される。
駆動ローラ11は転写ベルト14の送りを精度よく行っており、回転ムラの小さな不図示の駆動モータと接続している。シート材P上に形成されたカラー画像は、定着器12によって加圧・加熱定着された後、排紙ローラ13などによって搬送されて装置外に排出される。
定着器を経てカラーパッチが画像形成されたシート材Pは、分光測色装置2000によって、シート搬送されるカラーパッチに準じて、カラーパッチ毎の色度を検知する。ここで、画像定着後のシート面上のカラーパッチを測色しているのは、シート種や定着等による色度変化を考慮したうえでカラーマッチングを行う為である。
100 光源
110 導光体
111 入射面
112 楕円反射面
112b 第1の焦点
113 出射面
120 被照射面
Claims (14)
- 光源と、該光源から出射した光束を被照射面に導光する導光体とを備え、
前記導光体は、前記光源からの光束が入射する入射面と、該入射面からの光束を反射する楕円反射面と、該楕円反射面からの光束が出射する出射面とを有し、
前記楕円反射面は、回転楕円体によって定義される楕円面であり、
前記光源は、前記楕円反射面の焦点のうち前記被照射面から遠い方の第1の焦点に対して、前記光源の発光面に垂直な成分を有する方向に離間して配置されており、
前記楕円反射面の二つの焦点を通る軸をz軸、前記回転楕円体と前記z軸との交点を原点、前記z軸及び前記発光面の垂線に平行な断面内における前記回転楕円体の前記原点での曲率半径をR、円錐定数をk、前記断面内における前記発光面の垂線と前記z軸とのなす角度をθ、前記発光面に垂直な方向における前記光源と前記第1の焦点との距離をΔ、
0.1≦Δ/Δ max ≦0.5
なる条件式を満足することを特徴とする照明装置。 - 前記発光面は、前記入射面に隣接していることを特徴とする請求項1に記載の照明装置。
-
- 前記導光体の屈折率をnとするとき、
- 前記入射面は平面であることを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載の照明装置。
- 前記出射面は平面であることを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載の照明装置。
- 前記第1の焦点は、前記導光体の外部にあることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の照明装置。
- 前記楕円反射面の第2の焦点は、前記被照射面上に位置することを特徴とする請求項1乃至7の何れか一項に記載の照明装置。
- 前記導光体が有する反射面は、前記楕円反射面のみであることを特徴とする請求項1乃至8の何れか一項に記載の照明装置。
- 前記楕円反射面には、反射膜が施されていることを特徴とする請求項1乃至9の何れか一項に記載の照明装置。
- 前記入射面は、前記回転楕円体の長軸に対して非平行であることを特徴とする請求項1乃至10の何れか一項に記載の照明装置。
- 前記出射面は、前記回転楕円体の長軸に対して非垂直であることを特徴とする請求項1乃至11の何れか一項に記載の照明装置。
- 請求項1乃至12の何れか一項に記載の照明装置と、前記被照射面からの光を受光素子に導光する回折素子とを備えることを特徴とする分光測色装置。
- 請求項13に記載の分光測色装置と、感光面上に形成される静電潜像をトナー像として現像する現像器と、現像された前記トナー像を被転写材に転写する転写器と、転写された前記トナー像を前記被転写材に定着させる定着器とを備えることを特徴とする画像形成装置。
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