JPS638727A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 この発明は文書の行を照明する照明装置の改善に関する
ものである。詳細にいえば、この発明は連続した行また
は部分を照明し、画像をレンズを通してセンサ・アレイ
に反射させるスロット読取装置ま姐はページ読取装置に
関するものである。

Ｂ、従来技術 従来技術の照明装置は、入射光またはその経路、あるい
はその両方を変更しなければ、センサ・アレイにおける
画像（像平面と呼ばれることもある）が縁部におけるよ
りも、中心部においてより強いという制限がある。事実
、センサ・アレイにおける光の強さは、所定の入射光と
レンズの中心を通る線の間の角度の余弦の４乗に比例し
て減少すると、理論的に計算されている。これが意味す
るのは、通常、センサ・アレイの照度が中心部で最も高
く、縁部に向かって（センサ・アレイの対応する点に対
するレンズの中心からの角度が増加した場合に）漸進的
に減少するということである。したがって、この現象を
レンズ−余弦の４乗（レンズ−Ｃｏｓ４）の減衰と呼ぶ
。

照度の同様な減衰はランプなどの照明源を使用した結果
として生じるが、この場合、設計者は従来このような光
源を点光源としてモデル化している。

上述のレンズ−ｃｏｓ４現象を処理するための従来のシ
ステムにおいて、幾つかの手法が提案されている。これ
らの手法はマスク、「ドッグ・ボーン」あるいは格子を
含んでおり、これらは中心領域の入射光の一部を除去ま
たは排除するという効果を有するものであって、センシ
ング平面アレイで検知する場合に、光を均一にしようと
いうものである。本節で説明するこれらの装置が望まし
くないのは、製造効率が悪く、困難で、費用がかさみ、
しかもランプを交換する場合、保守に困難をもたらすか
らである。効率が低いのは、光を排除するということが
強力なランプを使わなければならず、付加的な熱を生じ
、かつアセンブリのサイズを大きくする可能性があると
いうことを意味するからである。ドッグ・ボーン・マス
クおよび格子はすべて付加的な部品を必要とし、これ°
らの部品は製造し、在庫し、かつ装置に組み込まなけれ
ばならないものである。さらに、これらの部品はランプ
の近傍にあるのであるから、ランプの交換にはマスクま
たは格子のある程度の分解を必要とし、また電球の交換
後同一位置への再組立てを必要とする。

従来技術は、レンズを含む光学画像装置に関連する他の
問題を扱う解決策を示唆している。米国特許第４５０６
１５２号には、楕円筒形の鏡が端部キャップを有してお
り、かつＦナンバーが２゜０未満のレンズの口径食効果
（ｖｉｇｎｅｔｔｉｎｇ）を、文書に隣接して配置され
た付加的な鏡が調節するという、レンズ口径食を補償す
る装置が提案されている。レンズの口径食とは、レンズ
の鏡胴がレンズの要素に落とす影を指す。この特許は４
０％のレンズ口径食を、鏡５枚の装置の使用によって、
強さの変動が１０％未満となるまで減少できることを教
示している。したがって、この先行特許は本発明に関し
て検討した問題とは異なる問題を対象としたものであり
、極めて多くの部品を付は加えることによってその問題
を解決したものであって、これらの部品の各々はアセン
ブリの費用、大きさおよび嵩を増加させるものとなる。

写真複写機の影を減少させることを対象としたＩＢＭテ
クニカル・ディスクロージャ・プルテン、Ｖｏｌ、１５
．Ｎα２、ｐ、５２１を始めとして、反射画像の品質を
改害するため５その他さまざまな手法が提案されている
。

上記の従来技術について上述したところから明らかなよ
うに、これらの手法には、入力文書から平面状のアレイ
・センサに反射される高品質で、均一な画像を与えるに
あたって、多くの欠点および制限があった。

Ｃ０発明が解決しようとする問題点 この発明の目的は、最初に発生した照明のいずれの部分
をも排除せず、かつ「ドッグ・ボーン」や格子などの付
加的な要素を使わない、はぼ均一な照明を、センサ・ア
レイに提供することにある。

Ｄ０問題点を解決するための手段 この発明はセンサ・アレイ上の反射像が均一であり、複
数の部品による効率の悪さおよび欠点がなく、またこれ
らの部品を使用することで利用できなくなる照明の一部
を使うことのできる照明装置を提供することによって、
従来技術の制限および欠点を解決するものである。

この発明はセンサ・アレイにおける照明がほぼ均一であ
り、最初に発生した照明のいずれの部分をも排除せず、
かつ「ドッグ・ボーン」や格子などの付加的な要素を使
わない照明装置である。

この発明は上述の典型的な形態において、レンズの画像
平面における光跡上での照度の偏差をほぼ５％未満とす
ることが達成されるという利点も有している。

この発明の利点は、照明装置がコンパクトであり、筐体
内で占める体積が少ないということである。さらに、要
素がランプの挿入および交換を容易とすることが有利で
あり、望ましいが、これはランプの寿命が有限であって
、アセンブリ全体の寿命に比較してはるかに短かく、し
たがって定期的な交換を必要とするからである。

この発明はランプの形状がレンズ−ｃｏｓ’減衰関数と
同様な余弦減衰関数を与えることがあるが、しかし指数
が開光角度の余弦の４乗ではなく、２．８乗であるとい
う点で異なっていることも認識したものである。この装
置は理論値に依存することなく、計算値または観測値の
いずれかとして、実際の余弦減衰を補償することを可能
とする。この発明はレンズの口径食をほとんど、あるい
はまったく生じない照明システムを対象とするものであ
る。

Ｅ、実施例 第１図はこの発明の行照明８！構で使用するに適した、
スロット読取アセンブリ１０を示している。

この図面で示すように１文書１２はレール１４ａ、１６
ａの間で画定される経路に沿って移動する。

フィラメント２２を有するランプ２０を担持するランプ
取付は部１８は、レール１６ａに隣接して取り付けられ
ている。ランプ２０からの照明は楕円筒形鏡面２４によ
って入射経路２６に沿って送られ、文書から（文書がレ
ール１６ａの開口（図示せず）を通過した場合）鏡３ｏ
への反射経路２８として送られ１次いでフィルタ３１お
よびレンズ３２を介してセンサ・アレイ３４へ送られる
。

エミッタ・ホイール３６がレール１４ａに取り付けられ
ており、レール１４ａを通って延びているので、読み取
りのためレールを通って通過する文書１２はエミッタ・
ホイール３６と摩擦接触を行ない、これによって文書の
通過速度と同じ速度でホイール３６を回転させる。エミ
ッタ・ホイール３６は次いで、レース１４ａ、１６ａの
間の経路に沿った文書の所定の運動址をそれぞれが示す
パ　　“ルスをもたらす。ソフトウェアとセンサ・アレ
イ３４からの信号を適切に使用することにより、文書か
らの情報または画像の垂直スライスをさまざまな公知の
態様のいずれかで、分離し、記憶または分析することが
できる。

エミッタ・ホイール３６は、装置を横断する手動移動部
材を用いる各種の用途で使用されている。

特に、米国特許第３９１４７８９号で図示説明されてい
る装置を、このエミッタ装置の作動の説明に比較するこ
ともできよう。

上記の説明はスロット読取アセンブリ１０という状況に
おけるものであって、文書またはクレジット・カード、
通帳その他の単位記録部材が開口を横切って手によって
移動させられ、この開口を通して照明光がセンサ・アレ
イ上へ送られ、反射されるものである。もちろん、この
例において移動させられる単位記録の型式、あるいはも
のを手動で移動させることには独自な点は存在せず、両
者とも従来技術において周知のものである。

このスコツ１〜読取装置において、レール１４は可動壁
部材またはプラテン１４ａ、および壁部材をもう一方の
レール１６に向かって抑圧するばね手段１４ｂを包含し
ているので、可変厚の媒体に適合できる。この可変厚媒
体とはある場合には１枚ものの紙であり、他の場合には
通帳の形にまとめられた複数枚の紙であり、さらに他の
場合にはクレジット・カードであってもよい。可動プラ
テン１４ａによって、媒体（すなわち、文書１２）を制
御できない態様でスロット内で動かすことなく、それぞ
れに適合することが可能となる６センサ・アレイ３４は
この実施例においては、市販されている電荷結合デバイ
ス（ＣＣＤ）アレイであり、このアレイにおいて、表示
装置の各セグメントまたは要素に対する電圧はセグメン
１〜または要素に入射する光の量に比例している。

もちろん、この発明のスロット読取アセンブリ１ｏは、
クレジット・カートの磁気ストライプの読取りに使われ
る磁気ヘッドを始めとする、情報を処理するための他の
装置を含むこともできる。

スロット読取装置に対するこのような付加的な装置はこ
の発明と無関係であって、同一の筐体に取り付けられる
ものを除き、必要な相互関係を有していない。

第２図は第１図に関連して図示説明したスロノト読取ア
センブリ１０の拡大し、若干模式化された図面である。

正確な縮尺とはなっていないこの図面において、レール
１４ａ、１６ａが文書１２の両側に示されている。一方
のレール１６ａは照明を通過させる開口または透光スロ
ッＩ−１６ｂを有している。楕円筒形の一部である鏡面
２４が、破線で描かれ、楕円４２の他の部分および楕円
の長軸面４４と共に示されている。図示のランプのフィ
ラメント２２が楕円の一方の焦点に配置されており、か
つレール１６ａのスロットまたは開口１６ｂを通過する
文書１２が楕円のもう一方の焦点に配置されているので
、フィラメントからの光は鏡面２４で反射され、入射光
経路２６に沿って文書に集中される。鏡から文書への光
は入射光であり、参照番号２６で示されている。光は参
照番゛　　号２８で表される反射経路に沿って文書から
反射される。この第２図には示されていない平坦な端部
鏡が照明装置に含まれており、これは以降の図面、すな
わち第３図および第５図に関連して図示説明される。

第３図は第２図の■−ｍ線に沿って取り、矢印の方向か
らみたスロット読取アセンブリ１０の照明装置の側面図
である。この図面において、開口１６ｂは細長い矩形と
して示されており、楕円筒形鏡２４も矩形として示され
ている。楕円筒形荒２４には、平坦な端部鏡２４ａ、２
４ｂが取り付けられており、これらの各々は円筒の軸線
に直角に延び、かつ鏡２４から開口１６ｂに向かって外
方へ延びている。この図面に示すように、一対のランプ
取付は部１８ａ、１８ｂがあり、その各々にはランプ２
０ａ、２０ｂが互いに他方の上方に配置されるように取
り付けられているので、第１図および第２図の上面図で
は一方が他方の下方に隠れている。各ランプはフィラメ
ント２２ａ、２２ｂを含んでおり、これらフィラメント
はコイル状となされており、コイルは楕円筒形鏡２４の
一方の焦点の軸線の長さにほぼ沿って延びている。

ランプ２２のそれぞれはジェネラル・エレク１〜リンク
（Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）礼装であり、第
１図−第５図の実施例においてはＧＥ部品番号３０．２
９、第６図の実施例においてはＤＺＥ／ＦＤＳ１５０Ｗ
、２４Ｖの映写用電球である。これらのランプの各々は
、タングステンのフィラメントを含んでおり、このフィ
ラメン１〜はコイル部分を含んでいる。フィラメントの
コイル部分の中心線は楕円の一方の焦点軸と合致するよ
うに配置されている。すなわち、楕円筒の軸線に平行に
延びている。フィラメントのコイルが楕円筒の焦点の軸
線に沿って配置されているランプを使用することにより
、開口１６に到達する光の余弦減衰は、第３図において
１６ｃと符合の付けられた角度の余弦の４乗に比例する
ことになる。この角度１６ｃは開口１６ｂに対する法線
ないし垂直ｖＡ１６ｄと、入射光線１６ｅの間に示され
ており、この入射光線は鏡２４からの反射によるフィラ
メント２２ａと鏡２４の間の見掛けのジョグ（ｊｏｇ）
によって示されている。

第４図には、３本の光線２８ａ、２８ｂおよび２８ｃが
［３０から反射されたものとして示されている。光線２
８ａはレンズ３２の光学的中心線て逆転され、アレイ３
４に入射する。中心光線２８ａはレンズに対して垂直で
あり、レンズの中心線を通っており、レンズの中心線は
好ましい実施例においては１文書の中心を通っている。

光線２８ｃは文書の底部から反射された光線であり、光
線２８ｂは文書の上部から反射されたものである。

角度３４ａが中心光線２８ａと他の光線２８ｂの間に示
されている。この角度３４ａはレンズ３２の結果として
のレンズのロール・オフを計算するための余弦の４乗の
計算に使用される。

第５図は第１図ないし第４図の装置の形状を示すもので
あって、この図面から第７八図ないし第７Ｄ図のような
照度のコンピュータ・シミュレーションを計算すること
ができる。第５図において、フィラメント２２ａ、２２
ｂ、鏡２４、平坦な端部鏡２４ａ、２４ｂおよび文書１
２が第３図と若干類似した図面で示されている。この図
面において、フィラメント２２ａ、２２ｂはそれぞれ、
中心光線２８ａから距、ＩＤＩ、および平坦な端部鏡２
４ａ、２４ｂから内方へ距ｆｉＤ２のところに配置され
ている。鏡２４は長軸２４ｂを有している。

フィラメント２２ａは見かけ上、文書１２から長軸２４
ｄの距離だけ離れた位置２２ｃに配置されており、見か
けの第２の像２２ｄが位置２２ｄにある平坦な端部鏡２
４ａにおけるフィラメント２２ａの反射によってもたら
される。この第２の虚像２２ｄは文書１２から長軸２４
ｄの長さだけ離れ、かつ平坦な端部鏡２４ｄから距離Ｄ
２のところに置かれているようにもみえる。同様にして
、フィラメント２２ｂは文書から長軸２４ｄの距離だけ
はれ、かつ平坦な端部鏡２４ｂから距離Ｄ２だけプラス
またはマイナスしたところに配置された２つの像２２ｅ
、２２ｆを有している。文書の各点において、光の知覚
強さは４つの見かけの光ｇ、　２２　ｃ、２２ｄ、２２
ｅおよび２２ｆの各々からの強さを合計したものに等し
い。点１２ａの場合、これらは光線１２ｂ、１２ｃ、１
２ｄおよび１２ｅで示されている。

面の法線（または文書に対する垂直！りと光線Ｌ２ｃの
間に形成された角度１６ｃが、この図に示されている。

文書の法線と他の光線の各々との間の同様な角度が決定
でき、点１２ａなどの点におけるこのような光線の各々
によってもたらされる照度を決定する基礎となる。光線
１２ｃに沿って文書１２に到達する光の強さは、フィラ
メント２２ｅから文書１２に垂直に到達する光の強さに
、開光角度１６ｃの余弦の２．８乗を掛けたものである
。点１２ａに到達するすべての光は、各々が余弦の２．
８乗に対して補正された４つの見かけの光源のそれぞれ
を合計したものである。フィラメント像２２ｄおよび２
２ｆからの光もそれぞれ、平坦な端部鏡２４ａ、２４ｂ
によって吸収される（失われる）光について補正しなけ
ればならない。

数学的モデルを作成し、文書１２上に良好な（あるいは
「最善」な）光の分布（あるいは照度）をもたらすこと
ができる。このように照明された文書１２からの反射光
の強さは、センサの照明された部分に対して均一な照度
をもたらす。ある程度、「最善の」装置は文書の照明さ
れている部分の大きさ、およびセンサの大きさ、ならび
に照明装置およびセンサからの文書の距離、この装置が
含まれる特定の装置に大幅に依存する距離などの装置の
制約事項に依存するものである。

しかしながら１文書上の照明された領域の幅に対する楕
円の長袖の割合が、キーとなる比率であり、最良の結果
をもたらす長軸の望ましい比率が幅の３１５から５／４
であることが判明した。文書の照明された領域の幅に対
する平坦な端部鏡（および楕円筒形鏡の長さ）の間の距
離が、もうひとつのキーとなる関係である。この点につ
いて、平坦な端部鏡開の距離関係は文書の照明された部
分の１ないし１．５倍が望ましい。さらに、平坦な端部
鏡開の距離に対する部分における平坦な端部鏡の内側の
フィラメントの距離は、制御するのが望ましい第３の変
数であり、この場合、平坦な端部鏡に対するフィラメン
トの距離は平坦な端部鏡開の距離の３−２０％が望まし
い。

第６図には、文書走査器５０という環境におけるこの発
明の概念の使い方が示されている。この第６図に示され
ているように、ランプ５２が楕円筒形鏡５４の焦点の一
方に配置され、文書が通過する線状スリット５５に光を
集中している。反射光は次いで、鏡５６．５６ａによっ
てレンズ６０を介してセンサ５８へ反射される。第１図
−第３図の実施例に関して説明したのと同様な態様にお
いて、レンズ６０によってセンサ５８に焦点の合わされ
た照明が、照度の点でセンサの長さにわたってほぼ均一
なことが望まれる。

第７八図ないし第７Ｄ図は、第６図の文書走査器の実施
例に関するコン♂さ夕・シミュレーションであるが、デ
ータは第１図−第４図の実施例における照度を表すもの
である。第７Ａ図ないし第７Ｄ図はそれぞれ、異なる形
状の装置に基づいた、センサ・アレイ３４における照度
のプロットからなっている。これらのプロットは上述の
余弦の２゜８乗の減衰を使用したコンピュータ・シミ丘
し−ションから得れるたちのであって、理論的な像の強
さを与えるものである。もちろん、実際の装置において
は、不完全なアレイおよび反射器が使用されるので、ば
らつきが生じるが、これらのばらつきはこれらに関する
詳細な情報がなければ、正確に予測できないものである
。これらのプロットは２つのフィラメン１へを、開口か
ら楕円の長軸に等しい距離に置き、かつ各フィラメン１
〜に隣接した平坦な端部鏡によって形成されたコイル状
フィラメントの虚像を使用して生成されたものである。

それ故、プロットは４つの見かけの光源からの見かけの
照明を、見かけの光源の各々に対する適切な源衰を用い
て、各点において合計したものとなる。

第７Ａ図、第７Ｂ図および第７Ｃ図のプロットで示した
装置の各々において、レンズは５０ｍ。

９．６／１倍のレンズである。第７Ｄ図のプロットをも
たらす装置において、レンズは３５ａｎ、９゜６／１倍
のレンズである。

第７Ａ図のプロットをもたらす装置において、アセンブ
リは長さ１２インチであり、８４３インチの長軸を有し
ており、かつランプはエンド・キャップから１／２イン
チ内側に配置されている。

第７Ｂ図のプロットをもたらす装置において、装置は長
さフインチであり、長軸はフインチであり、かつランプ
はエンド・キャップから１／２インチ内側に配置されて
いる。第７Ｃ図の装置において、装置は長さ９．５イン
チで、６．５インチの長軸を有しており、ランプはエン
ド・キャップから１／２インチ内側に配置されている。

第７Ｄ図の装置において、装置は長さ１ｏインチであり
、長軸は６インチであり、かつランプはエンド・キャン
プから７／１０インチ内側に配置されている。プロット
から明らかなように、レンズの画像面における最大の照
明のばらつきは、照明領域の全幅にわたって約２％（第
７Ａ図の装置の場合）と４％（第７Ｄ図の装置の場合）
の間トこある。

もちろん、この発明を遂行する好ましい態様のさまざま
な変更が、文書の照明および平坦なセンサ・アレイ状へ
の光学像形成の分野の技術者には明らかであり、さらに
この発明の特徴の中には、この明細書で説明した他の特
徴を対応して使用することなく使用できるものである。

距離の望ましい比率を好ましい実施例においである程度
精密に規定したが、ある程度のばらつきが可能であるこ
とを理解すべきである（特に、結果が劣化したりあるい
は次善のものであっても、認められる場合）。

さらに、鏡が楕円形であり、文書とランプが楕円の黒点
に置かれた装置について説明を行なったが、結果が最通
なものに満たなくともよいのであれば、この配置の精度
は絶対的なものではない。上述の説明しこおけるセンサ
は、ＣＣＤアレイの好ましい実施例と考えられるもので
あるが、他のもので光伝動体あるいはフィルムを使用し
て、他の用途に役立ててもかまわない。それ故、上述の
説明はこの発明の好ましい実施例を説明するものにすぎ
ず、この発明を制限するものではなく、この発明の範囲
は特許請求の範囲によってのみ画定されるものであるこ
とを理解すべきである。

Ｆ０発明の詳細 な説明したように、この発明によれば、最初に発生した
照明のいずれの部分をも排除せず、かつ「ドッグ・ボー
ン」や格子などの付加的な要素を使わない、センサ・ア
レイにおける照明がほぼ均一となる照明装置が提供され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、説明のためカバーおよび上部反射器を除去し
た、この発明を包含したスコツ１〜読取装置の上面図で
ある。 第２図は、第１図のスロット読取装置の光学通路の拡大
図である。 第３図は、第２図のＩｌ［−１１１線に沿って取り、矢
印の方向から見た図面である。 第４図は、第２図のＩＶ　−ＩＶ線に沿って取り、矢印
の方向から見た、レンズ−ｃｏｓ減哀の角度を示す拡大
断面図である。 第５図は、照度の計算を照明する、照明部分の照明源の
図面である。 第６図は、文書走査器に本発明を適用した構成の図であ
る。 第７Ａ図、第７Ｂ図、第７Ｃ図および第７Ｄ図は、さま
ざまな組合せの装置形状に対するセンサ平面（画像平面
）における照度のプロットである。 １０゛・°・スロット読取アセンブリ、１２・・・・文
書、１２ａ・・・・点、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２
ｅ・・・・光線、１４．１４ａ、１６ａ・・・・レール
、１４ａ・・・・可動壁部材またはプラテン、１４ｂ・
・・・ばね手段、１６ｂ・・・・開口または透光スロッ
ト、１６ｃ、３４ａ・・・・角度、１６　ｄ　・・垂直
線、１６ｅ・・・・入射光線、１８・・・・取付は部、
１８ａ、１８ｂ・・＝ランプ取付は部、２０．２０ａ、
２゜ｂ・・・・ランプ、２２．２２ａ、２２ｂ・・・・
フィラメント、２２ｃ・・・・位置、２２ｄ・・・・第
２の像、２２　ｄ−・−位置、２２ａ、２２ｆ・・・・
像、２４・・・・楕円筒形鏡面、２４ａ　　２４ｂ・・
・・端部鏡、２４ｄ・・・・長軸、２６・・・・入射経
路、２８・・・・反尉経路、２８ａ、２８ｂ、２８　ｃ
　＝　＝光線、３０・・・・鏡、３１・・・・フィルタ
、３２・・・・レンズ、３４・・・・センサ・アレイ、
３６・・・・エミッタ・ホイール４２・・・・楕円、４
４・・・・長軸面、５０・・・・文書走査器、５２・・
・・ランプ、５４・・・・楕円筒形鏡、５５・・・・線
状スリット、５６，５６ａ・・・・鏡、５８・・・・セ
ンサ、６０・・・・レンズ。 第１図 第２図 児学通−酪の樵太図 ■−■断面ス 第３図 第４図 ｙ−ｚ４広大断面図 第５図 照度造計箪１ｂ１：ゎの図 照朋刈０戎の幅

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 平坦な感知面上に集光されたとき、センサの照明部分に
   亘って強度がほぼ均一であるような反射画像を作成する
   ために、文書上のラインを照明するための照明装置にお
   いて、 （ａ）上記文書上の照明されるラインにほぼ平行に延び
   る軸をもつ楕円筒形鏡面と、該軸にほぼ垂直に延びる平
   坦な端面鏡とを有し、該楕円筒形の楕円形の一方の焦点
   が、上記サンサ上に結像すべき上記文書のラインとほぼ
   一致するように上記楕円筒形鏡面が位置付けられている
   鏡手段と、 （ｂ）上記文書から反射された照明を上記センサ上に集
   光するためのレンズと、 （ｃ）上記楕円筒形の楕円形の他方の焦点に沿って延び
   るフィラメントをもつ２個のランプを有し、該２個のラ
   ンプは、上記ランプからの反射された照明が上記センサ
   の照明部分に亘ってほぼ均一な照明強度を有するように
   上記端面鏡の内部に配置されてなる光源、 とを具備する照明装置。