WO2011052101A1 - プリズム板、撮像装置の照明光学系、及びプリズム板の成形型 - Google Patents

プリズム板、撮像装置の照明光学系、及びプリズム板の成形型 Download PDF

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light
mold
prism plate
plate
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山崎行造
岩口功
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富士通フロンテック株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a prism plate capable of controlling the emission direction and the like of incident light, an illumination optical system of an imaging apparatus, and a prism plate mold.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating control of the light emission direction by the prism plate 111.
  • 2 is a diagram of the prism plate 111 as viewed from the II-II direction, and
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the directivity characteristics of the emitted light by the prism plate 111.
  • the prism plate 111 has a prism surface 112 in which prism rows having a large number of ridge lines 113 are arranged in parallel, and light (solid lines and broken lines) incident from the prism surface 112 side is moved to the left and right. It has a function to deflect. Therefore, the prism plate 111 is used in an illumination optical system or the like as an optical element that controls the light emission direction.
  • the light vertically incident on the prism surface 112 is deflected only in the left-right direction (tangential direction) in FIG. 3 and does not go in the direction of the ridge line 113. From FIG. 1 to FIG. 3, it can be seen that the light incident from the prism surface 112 side is deflected by the prism plate 111.
  • the emitted light cannot be directed in the direction of the ridge line 113. Therefore, when it is not desired to create a dead zone while giving directivity to the illumination, that is, in order to distribute the illumination light also in the ridge line direction of the prism row, it is necessary to diffuse the emitted light.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example in which a minute concavo-convex portion (diffusion surface) 114 is formed by performing a blast process on the exit surface of the prism plate 111.
  • FIG. 5 is a diagram showing the directivity characteristics of the emitted light by the prism plate 111 having a blast process on the exit surface, and
  • FIG. 6 is a diagram of the prism plate 111 viewed from the VI-VI direction.
  • the light deflected by the prism plate 111 is diffused on the exit surface, and a part thereof is also directed toward the ridge line 113.
  • the illumination light emitted from the prism plate 111 can be distributed in all directions while maintaining the directivity in the left-right direction.
  • FIG. 7 is a diagram showing a directivity distribution of outgoing light when the prism plate 111 is viewed from the outgoing surface.
  • the light emitted from the prism plate 111 exhibits an elliptical directivity that is long to the left and right. In this way, if a blast process is performed on the exit surface to provide a diffusion effect, a dead zone can be eliminated in the exit direction of illumination. Further, the directivity of the emitted light can be controlled by the strength of blasting.
  • Patent Document 1 discloses a technique in which a minute convex portion is randomly formed on the emission surface side of the outgoing light control plate and light incident from the incident surface side is scattered by the minute convex portion.
  • Patent Document 2 discloses a technique in which oblique incident light from a light guide plate is converted into a vertical direction by a prism sheet, and the emitted light is diffused by minute uneven portions formed on the exit surface.
  • the present invention provides a prism plate, an illumination optical system for an imaging apparatus, and a prism plate mold that can provide directivity in the emission direction of incident light and control the illuminance distribution.
  • the prism plate has a prism surface on which a triangular prism-shaped prism array having a large number of ridge lines on one side is formed, and minute uneven portions formed on the prism surface.
  • the illumination optical system of the imaging apparatus is arranged around the imaging element in the illumination optical system of the imaging apparatus that irradiates the imaging object with light so that the reflected light from the imaging object is received by the imaging element.
  • a ring-shaped prism plate that is arranged toward the plurality of light emitting elements and has minute irregularities formed on the prism surface.
  • the prism plate molding die has a first die and a second die arranged opposite to each other, and a molding material arranged between the first die and the second die is heated and softened to be added.
  • a prism plate molding die for forming a prism plate by pressing, or by injecting a molding material by injecting a molding material between the first die and the second die the first die and the second die
  • a prismatic prism array having a large number of ridge lines is formed on one molding surface, and minute irregularities are formed on the slope of the prism array on the side where at least the prism array of the first mold and the second mold is formed. Part was formed.
  • FIG. 8 is an external perspective view of the prism plate 11 of the present embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing the directivity characteristics of the emitted light by the prism plate 11, and
  • FIG. 10 is a diagram of the prism plate 11 viewed from the XX direction.
  • the prism plate 11 includes a prism surface 12 on which a triangular prism-shaped prism array having a large number of ridge lines 13 is formed on one side, and a minute uneven portion 14 formed on the prism surface 12. Yes.
  • the light incident surface side is referred to as a prism surface 12, and the light exit surface side opposite to the prism surface 12 is referred to as an exit surface 15 for distinction.
  • the prism surface 12 having a triangular prism-shaped prism array can be formed by a known forming means or the like.
  • the minute uneven portion 14 can be formed, for example, by subjecting the prism surface 12 to blasting.
  • the blast treatment is a treatment method in which non-metallic particles such as silica sand and metal particles are sprayed at a high speed on the surface of the workpiece to roughen the surface. In this embodiment, the sand blast treatment is assumed.
  • the minute concavo-convex portion 14 is formed on the slope of the triangular prism shaped prism row.
  • the minute concavo-convex portion 14 forms a light diffusion surface.
  • the minute uneven portion 14 refers to a region in which relatively minute concave portions and convex portions are continuously formed in an array or randomly, for example, by sandblasting.
  • various shapes such as a hemispherical shape, a spherical shape, a cone (trapezoid) shape, or a pyramid (trapezoid) shape can be considered as the shape of the convex portion.
  • the pitch between the concave and convex portions of the minute uneven portion 14 and the height (depth) of the uneven portion can be determined in consideration of the luminance distribution of light from the emission surface 15 and the like. Further, the pitch between the concave and convex portions and the height (depth) of the concave and convex portions are also affected by the wavelength of light used.
  • the prism plate 11 In addition to the case where the large number of ridge lines 13 formed on the prism surface 12 of the prism plate 11 are parallel to each other, when the prism plate 11 is ring-shaped, it has a triangular prism shape having a large number of ridge lines 13 in the radial direction. This includes the case where the prism row is formed on the circumference (see FIG. 17A described later).
  • the concavo-convex portion 14 is formed on the prism surface 12 by sand blasting to form a diffusion surface, a desired luminance distribution of emitted light can be obtained by controlling the injection pressure and the injection time of the sand used. .
  • description of the sandblasting process is omitted here.
  • the minute uneven portion 14 is formed by sandblasting
  • the present invention is not limited thereto.
  • a molding means using a molding die or other means may be used.
  • the directional characteristics of the emitted light from the exit surface 15 can be controlled by blasting the prism surface 12 on the light incident surface side to form the minute uneven portion 14.
  • the directivity characteristic of the emitted light can be freely controlled by the strength of blasting, that is, the depth of the unevenness of the minute unevenness 14.
  • FIG. 9 is a diagram showing the directivity when the blasting process performed on the prism surface 12 of the prism plate 11 is relatively weak. 9 and 10, the light incident on the prism surface 12 from the LED 16 is deflected by refraction at the prism slope of the prism surface 12 and is diffused by the minute uneven portion 14. Then, the light is distributed in all directions including the longitudinal direction of the ridge 13 by diffusing on the prism surface 12.
  • the optical axis O of the light which is the center of the light quantity distribution, proceeds in a direction determined by the angle of the prism slope.
  • the directivity is maintained, and the same directivity as when the blasting process is performed on the exit surface 15 side is obtained. It is considered that the light emitted from the emission surface 15 has directivity characteristics in the direction determined by the prism slope of the prism surface 12 because the individual irregularities of the minute irregularities 14 are shallow when the blast process is weak.
  • FIG. 11 is a diagram showing the directivity characteristics of the emitted light as seen from the exit surface 15 side when the prism surface 12 is subjected to strong blasting.
  • FIG. 12A schematically shows a light refraction state when the prism surface is subjected to strong blasting
  • FIG. 12B schematically shows a light refraction state when the blast injection time onto the prism surface is shortened.
  • FIG. 12C is a diagram schematically illustrating a light refraction state when the blast injection pressure (flow velocity) to the prism surface is lowered.
  • FIG. 12A shows a schematic diagram of surface irregularities in the case of non-directivity of FIG. 20D described later.
  • the individual minute irregularities 14 are deeply irregularized on the entire prism surface 12. Yes.
  • the blasting process is performed from the vertical lower side of the figure (the lower side in the direction perpendicular to the emission surface 15), the surface of each minute uneven portion 14 has a wide range of angles from the vertical surface to the horizontal plane. .
  • each minute uneven portion 14 is, for example, hemispherical or gun-ball shaped (this shape can be controlled by blast flow rate, time, etc.), the normal of the surface of the minute uneven portion 14 is evenly distributed around the vertical direction. Will be.
  • the incident light L from the LED 16 is incident on each minute concavo-convex portion 14 and is deflected according to an angle formed with the normal of the point. For this reason, the light deflection direction is also widely distributed around the vertical direction (no deflection) in FIG. 12A. For this reason, although the incident surface of light on the prism surface 12 is an inclined surface as a whole, it does not affect the deflection direction of the incident light beam. For this reason, it is considered that the prism plate 11 of FIG. 12A exhibits non-directionality as a result.
  • the directivity characteristic of the emitted light can be freely controlled by the strength of the blasting process.
  • the strength of the blasting process can be controlled by the flow rate or the spraying time in the blast granule spraying.
  • the reference of the flow velocity and the injection time in the blast particle injection differ depending on the particle size used for the particle injection, the material of the prism plate 11, and the like.
  • FIG. 12B has shown the schematic diagram of the surface unevenness
  • the density of the minute uneven portions 14 is sparse (the density of the minute uneven portions 14 is half), and half of the inclined portion of the prism surface 12 remains.
  • the incident light has a mixture of prism deflection (uneven portions) and diffusion (uneven portions), and the emitted light has directivity and is diffused.
  • FIG. 12C shows a schematic diagram of surface irregularities when the flow velocity (injection pressure) is weakened as a weak blasting process.
  • the jet pressure is weakened, the depth of the unevenness of the micro uneven portion 14 becomes shallow, and the normal line of the uneven surface is distributed small (for example, 30 ° ⁇ 30 °) around the angle of the prism surface 12.
  • the optical axis of the diffused light becomes the same as the prism deflection (the deflection characteristic of the prism surface 12), the incident light diffuses around the deflection angle, and the diffused light is distributed at the front and back angles.
  • the emitted light has directivity and is diffused.
  • the fine uneven part 14 becomes smooth, it corresponds to performing a weak blast process. For this reason, the emitted light has a strong elliptical directivity characteristic.
  • FIGS. 12A to 12C are schematic diagrams for explanation only, and are different from the actual surface shape.
  • the actual unevenness of the sandblasted prism surface has non-uniform amplitude and period, and may not have a hemispherical shape or bell shape as shown in FIGS. 12A to 12C.
  • the amplitude of the unevenness of the prism surface as a whole is large, and as described above, the direction of the normal of the surface is distributed evenly, and as a result, the emitted light becomes non-directional.
  • the surface irregularity state of the prism surface that is, the surface roughness of the prism surface can be expressed by parameters defined in JIS-B0601.
  • the arithmetic average roughness Ra ( ⁇ m), which is one of them, represents the average line of the amplitude of the surface after expressing the uneven state with a roughness curve corresponding to the cross-sectional shape, taking the x-axis in that direction,
  • Ra 1 / L ⁇ ⁇ 0 L
  • the surface roughness of the prism surface can be expressed by parameters defined in JIS-B0601: 1994 (10-point average roughness Rz). This is a parameter having a meaning similar to the maximum amplitude, which is a value obtained by adding the averages of the peak height and valley depth from the maximum to the fifth, and adding the averages thereof.
  • the uneven amplitude is sufficiently large, and the directivity of the emitted light disappears.
  • the prism plate 11 includes the prism surface 12 on which a triangular prism-shaped prism array having a large number of ridge lines 13 is formed, and the minute uneven portions 14 formed on the prism surface 12.
  • the micro concavo-convex portion 14 can provide directivity in the emission direction of illumination light and can control the illuminance distribution.
  • FIG. 13 and 14 are diagrams showing the prism plate 11 of the present embodiment
  • FIG. 13 is a diagram showing the directivity characteristics of light emitted from the prism plate 11
  • FIG. 14 shows the prism plate 11 as XIV ⁇ . It is the figure seen from the XIV direction.
  • the concavo-convex portion 14 is formed by blasting the prism surface 12 on the light incident side, and the concavo-convex portion 14 'is also blasted on the exit surface 15 on the exit side of the illumination light. Is forming.
  • the light incident on the prism surface 12 is diffused by the minute uneven portion 14 of the prism surface 12 and further diffused by the minute uneven portion 14 ′ of the emitting surface 15 and emitted.
  • the directivity of the emitted light from the exit surface 15 is controlled by the strength of the blast of the incident-side prism surface 12.
  • finer directivity can be controlled by performing blasting on the exit surface 15 in addition to the prism surface 12.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration of the molding die 20 of the prism plate 11 according to the present embodiment.
  • the concavo-convex portion 14 is formed by directly blasting the prism surface 12 of the prism plate 11 .
  • the method for forming the minute uneven portion 14 is not limited to this.
  • it can be formed by molding means.
  • the prism plate 11 is manufactured by molding a plastic material such as acrylic. Therefore, in practice, as shown in FIG. 15, a minute uneven portion 25 is formed in the molding die 20, the minute uneven portion 25 is transferred to the molding material 23, and the prism plate 11 is formed. .
  • the molding die 20 has an upper die 21 and a lower die 22 that are arranged to face each other.
  • a plastic material 23 is disposed between the molding surface 21 a of the upper mold 21 and the molding surface 22 a of the lower mold 22.
  • the plastic material 23 is heated and softened to a predetermined temperature.
  • the upper die 21 and the lower die 22 are moved relatively close to each other to pressurize the plastic material 23 to mold the prism plate 11.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining the above-described pressure molding die, but the same applies to an injection molding (injection) method in which a molding material is injected into a space surrounded by the die. .
  • the molding die 20 has a triangular prism-shaped prism array having a large number of ridge lines 24 formed on the molding surface 22a of the lower mold 22, and a micro uneven portion 25 formed on the slope on which the prism array is formed.
  • the minute uneven portion 25 can be formed by, for example, blasting. By doing so, the prism plate 11 can be molded by transferring the minute irregularities 25 to the molding material 23.
  • minute uneven portions 25 may be formed on the molding surface 21 a of the upper mold 21. Thereby, it is possible to form minute uneven portions on both the prism surface and the exit surface of the prism plate 11 (see FIG. 13 described above).
  • a triangular prism-shaped prism array having a large number of ridge lines 24 is formed on the molding surface 22a of the lower mold 22, and at least on the slope of the prism array of the lower mold 22 on which the prism array is formed.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating an example in which the illumination optical system 10 is applied to an image reading apparatus 30 for reading information.
  • 17A is a diagram of the prism plate 11 as viewed from the prism surface 12 side
  • FIG. 17B is a diagram illustrating the positional relationship between the prism surface 12 and the light guide 33.
  • symbol is attached
  • the illumination optical system 10 of the imaging device 30 irradiates the imaging target 31 with light so that reflected light from the imaging target 31 (for example, a palm) is received by an image sensor 32 as an imaging element. is there.
  • the illumination optical system 10 includes LEDs 16 as a plurality of light emitting elements arranged in an annular shape around the image sensor 32, a ring-shaped light guide (cylindrical body) 33 arranged above the plurality of LEDs 16, A ring-shaped prism plate 11 disposed on the light exit surface 33a of the light guide 33.
  • the light guide 33 is made of, for example, a transparent resin (or glass or the like), guides light from the plurality of LEDs 16 upward, and irradiates the imaging object 31 with uniform light through the prism plate 11.
  • the light guide 33 can guide the light from the LED 16 so as not to leak from the optical path. For this reason, the light guide 33 is formed in a ring shape in accordance with the arrangement state of the LEDs 16.
  • the ring shape refers to a ring shape having a hole in the center, and includes, for example, a circular ring, a square ring, an elliptical ring, and an oval ring.
  • this ring-shaped prism plate 11 is a triangular prism having a large number of ridge lines 13 in the radial direction so as to irradiate the imaging target 31 with light from the exit surface 33 a of the light guide 33.
  • the rows have prism surfaces 12 formed on the circumference. It should be noted that a large number of ridge lines 13 are preferably formed at regular intervals, but are not necessarily strictly spaced. Moreover, although many ridgelines 13 are formed in the radial direction toward the ring center, they do not have to strictly face the ring center.
  • the prism surface 12 is disposed so as to face the plurality of LEDs 16 (the light exit surface 33a side of the light guide 33). Furthermore, a minute uneven portion 14 is formed on the prism surface 12 of the ring-shaped prism plate 11 (see FIG. 17A).
  • the minute uneven portion 14 is the same as that described in the first embodiment and the like.
  • the light emitted from the LED 16 is guided by the ring-shaped light guide 33 toward the imaging target 31 that is a reading target.
  • An imaging system having an image sensor 32 and an optical lens 34 is disposed inside the ring-shaped light guide 33.
  • FIGS. 18A to 18D are views of the illumination optical system 10 of the imaging device 30 as viewed from the exit surface 15 side.
  • FIGS. 18A to 18D are diagrams comparing the directivity distributions of the emitted light from one point (point A) on the prism plate 11.
  • FIGS. 18A to 18D use the blast strength (injection time here) as a parameter.
  • an imaging system including an optical lens 34 and an image sensor 32 is disposed in the center of the imaging device 30.
  • the image sensor 32 is surrounded by a ring-shaped light guide 33 and a ring-shaped prism plate 11 superimposed thereon.
  • a plurality of LEDs 16 arranged in a ring form an illumination light source, and illumination light is emitted from the ring-shaped prism plate 11 via the light guide 33.
  • FIG. 18A to FIG. 18D it is assumed that blasting is not performed on the exit surface 15 side of the prism plate 11.
  • FIG. 18A shows a case where the prism surface 12 of the prism plate 11 is not subjected to blasting and shows the strongest directivity.
  • the light emitted from the point A is directed only in the tangential direction of the ring by the prism plate 11.
  • the illumination from the entire emission surface 15 of the ring-shaped prism plate 11 is added, the illumination is not directed in the radial direction, so that a donut-shaped illumination distribution in which the center of the ring is dark and the surroundings are bright.
  • FIG. 18B shows a case where the prism surface 12 is subjected to weak blasting
  • FIG. 18C shows a case where the prism surface 12 is subjected to stronger blasting.
  • the illumination light is emitted not only in the tangential direction but also in the radial direction.
  • the illumination also reaches the center of the ring.
  • the directivity changes depending on the strength of the blasting process, and the directivity is weaker in the case of FIG. 18C where the blasting process is relatively stronger than in FIG. 18B. For this reason, in FIG. 18C, the ellipse indicating the directivity distribution approaches a circle.
  • FIG. 18D shows a case where the prism surface 12 is sufficiently (strongly) blasted, and the directivity distribution shows omnidirectionality close to a circle.
  • the blasting process is sufficiently strong, the concavo-convex state has a sufficiently large amplitude.
  • the illumination light from the exit surface 15 of the ring-shaped prism plate 11 overlaps at the center of the ring, the illuminance at the center of the ring increases.
  • FIG. 19 is a diagram showing the positional relationship between the exit surface 15 of the prism plate 11 and the evaluation surface (illuminated surface) 17.
  • 20A to 20D are diagrams comparing the illuminance distribution of the illumination light on the evaluation surface 17.
  • the horizontal axis represents the distance r from the optical axis, and the vertical axis represents the illumination intensity (W / m 2).
  • 20A to 20D when the strength of the blasting process is expressed by the injection time, the injection time of FIG. 20A is 0 (no blasting process), and the injection time of FIG. 20B is 0 to 1/2 (weak blasting process).
  • the injection time in FIG. 20C was 1 ⁇ 2 (slightly strong blasting process), and the injection time in FIG. 20D was 1 (strong blasting process).
  • FIG. 21 is a diagram collectively showing the illuminance distributions of FIGS. 20A to 20D.
  • FIG. 20A is a figure corresponding to FIG. 18A.
  • FIG. 20A shows the illuminance distribution when the prism surface 12 (and the exit surface 15) is not blasted. In this case, the illumination light does not reach the center of the ring of the ring-shaped prism plate 11, and the ring periphery has an annularly bright donut-shaped illuminance distribution.
  • FIG. 20B is a diagram corresponding to FIG. 18B.
  • FIG. 20B shows the illuminance distribution when the prism surface 12 is subjected to weak blasting.
  • the illumination light is also distributed in the radial direction due to the diffusion effect of the blasting process, and the illumination reaches the center of the ring while the ring periphery has an annular and bright donut-like feature.
  • FIG. 20C corresponds to FIG. 18C.
  • FIG. 20C shows the illuminance distribution when the blasting process on the prism surface 12 is performed more strongly than in FIG. 18B. In this case, the distribution of the illumination light to the center of the ring is large, and the illuminance distribution is uniform over the entire evaluation surface 17.
  • FIG. 20D corresponds to FIG. 18D.
  • FIG. 20D shows the illuminance distribution when the prism surface 12 is sufficiently (strongly) blasted.
  • the directivity of the emitted light in the ring tangential direction disappears, and the illumination intensity is unimodal (shaped like one mountain) due to the concentration of illumination light at the center of the ring.
  • the shape of this illuminance distribution is basically the same as when the ring-type prism plate 11 is not provided. That is, it is the same as the case where a strong blasting process is performed on one side of a transparent glass flat plate.
  • the strength of the blast processing of the prism surface 12 is changed, the illuminance distribution on the evaluation surface 17 changes as shown in FIGS. 20A to 20D.
  • FIG. 21 collectively shows the illuminance distributions of FIGS. 20A to 20D.
  • the illuminance distribution continuously changes from an annular a curve through a b curve and a c curve to a unimodal d curve due to the strength of the blasting process.
  • the desired illuminance distribution characteristic of the illumination light can be obtained by the strength of the blasting process of the prism surface 12.
  • the illuminance distribution itself can be controlled without depending on the prism plate 11.
  • the illuminance distribution can be controlled only by the radial emission direction and diffusivity even without directivity in the ring tangential direction.
  • both the prism surface 12 and the exit surface 15 of the prism plate 11 may be blasted (see FIG. 13).
  • a plurality of LEDs 16 arranged around the image sensor 32 and a triangular prism shape having a large number of ridge lines 13 in the radial direction so as to irradiate the image sensor 32 with light from the plurality of LEDs 16.
  • a ring-shaped prism plate 11 in which a prism surface 12 having a prism row formed on the periphery thereof is arranged toward the plurality of LEDs 16 and minute uneven portions 14 are formed on the prism surface 12, thereby emitting illumination light.
  • the illuminance distribution can be controlled while giving directional characteristics to the direction.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating the illumination optical system 10 in which the shape of the emission surface 33a of the ring-shaped light guide 33 is a truncated cone-shaped slope.
  • FIG. 23A is a view showing the appearance of the truncated cone-shaped prism plate 11, and FIG. 23B is a view showing an enlargement of the B portion.
  • symbol is attached
  • the emission surface 33a of the light guide 33 and the prism surface 12 of the prism plate 11 are flat surfaces, but in the present embodiment, they have a truncated cone shape. That is, the light emission surface 15 of the light guide 33 is formed into a truncated cone-shaped slope according to the light amount distribution of the LED 16, the size of the light guide 33, the size of the irradiated surface that is the imaging target, the distance to the irradiated surface, and the like. May be more appropriate.
  • the emission surface 15 of the ring-shaped light guide 33 is a truncated cone-shaped slope, and similarly, the shape of the ring-shaped prism plate 11 is also a truncated cone-shaped slope. It becomes a three-dimensional thing.
  • the ring-shaped prism plate 11 disposed so as to overlap the light exit surface 33a of the light guide 33 is formed on a truncated cone-shaped slope.
  • the prism plate 11 has a prism surface 12 on which a triangular prism-shaped prism array having a large number of ridge lines 13 in the radial direction is formed on the circumference. ing.
  • the number of prism rows is, for example, 180 at a vertex angle of 90 degrees and a depth of 0.2 mm (a prism row pitch of 2 °).
  • the fine irregularities 14 are formed on the prism surface 12 by sandblasting.
  • a diffusion surface is formed on the prism surface 12 by the minute uneven portions 14.
  • the concavo-convex portion 14 is formed by performing the blasting process on the prism surface 12 of the prism plate 11
  • the present invention is not limited to this.
  • by performing blasting on both the prism surface 12 and the exit surface 15 it becomes possible to widely control the directivity characteristics of illumination light.
  • the exit surface 33a of the light guide 33 is a truncated cone-shaped inclined surface
  • the exit surface 15 of the prism plate 11 is a truncated cone inclined surface, and light is diffused and emitted from the exit surface 15.
  • the illuminance distribution at this time is considered to conform to the illuminance distribution curves a to d shown in FIG.

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Abstract

　照明光の出射方向に指向性を与え、かつ照度分布を制御することのできるプリズム板を得る。プリズム板１１は、多数の稜線１３を有する三角柱形状のプリズム列が形成されたプリズム面１２と、このプリズム面１２に形成された微小凹凸部１４と、を有している。

Description

プリズム板、撮像装置の照明光学系、及びプリズム板の成形型
　本発明は、入射した光の出射方向等を制御可能なプリズム板、撮像装置の照明光学系、及びプリズム板の成形型に関する。
　図１は、プリズム板１１１による光の出射方向の制御を示す図である。また、図２は、そのプリズム板１１１をＩＩ－ＩＩ方向から見た図であり、図３は、プリズム板１１１による出射光の指向特性を示す図である。
　図１に示すように、プリズム板１１１は、多数の稜線１１３を有するプリズム列が平行に配置されたプリズム面１１２を有し、このプリズム面１１２側から入射する光（実線及び破線）を左右に偏向する機能を備えている。このため、プリズム板１１１は、光の出射方向を制御する光学素子として照明光学系などに用いられている。
　また、図２及び図３の実線で示すように、プリズム面１１２に垂直に入射した光は、図３の左右方向（接線方向）のみに偏向し、稜線１１３の方向には向かわない。
　これらの図１～図３から、プリズム面１１２側から入射した光線は、プリズム板１１１で偏向する様子がわかる。
　また、図１及び図３の破線で示すように、光が垂直ではなく３次元的にいろいろな方向から入射した場合には、出射方向も入射方向に応じて変化するが、やはり稜線１１３の方向には光は指向せず、図３の左右方向に強い指向性を示す。
　このように、入射光の方向を制御しても、稜線１１３の方向には出射光を指向させることはできない。したがって、照明に指向性を持たせながらもデッドゾーンを作りたくない場合、すなわち、プリズム列の稜線方向にも照明光を分配するためには、出射光を拡散させる必要がある。
　図４は、プリズム板１１１の出射面にブラスト処理を施して微小凹凸部（拡散面）１１４を形成した例を示す図である。また、図５は、出射面にブラスト処理を施したプリズム板１１１による出射光の指向特性を示す図であり、図６は、そのプリズム板１１１をＶＩ－ＶＩ方向から見た図である。
　この場合、図５及び図６に示すように，プリズム板１１１で偏向した光は出射面で拡散され，一部は稜線１１３の方向にも指向する。その結果、プリズム板１１１を出射する照明光は左右方向への指向性を維持しながらも全方向に光を分配することができる。
　図７は、プリズム板１１１を出射面から見たときの出射光の指向性分布を示す図である。
　同図７で明らかなように、プリズム板１１１から出射した光は左右に長い楕円状の指向性を示す。このように、出射面にブラスト処理を施して拡散効果を持たせれば、照明の出射方向にデッドゾーンをなくすことができる。また、ブラストの強さによって出射光の指向性を制御することができる。
　同様に、例えば、特許文献１には、出射光制御板の出射面側に微小な凸部をランダムに形成し、この微小な凸部で入射面側から入射した光を散乱させる技術が開示されている。また、特許文献２には、導光板からの斜め入射光をプリズムシートで垂直方向に変換し、さらに出射面に形成した微小凹凸部により出射光を拡散させる技術が開示されている。
　しかしながら、前述した従来技術や、特許文献１及び特許文献２の技術では、図５及び図６から明らかなように、出射光の光軸はプリズムによって偏向しているため、強い指向性を残している。その結果、図７に示す出射光の指向性分布は、常に横長の楕円であり、プリズムの稜線方向への光の分配、すなわち指向性の制御には限界があった。
特許第４１９８２４６号公報 特開２００７－２６４６３９号公報
　本発明は、入射した光の出射方向に指向性を与え、かつ照度分布を制御することのできるプリズム板、撮像装置の照明光学系、及びプリズム板の成形型を提供する。
　プリズム板は、片面に多数の稜線を有する三角柱形状のプリズム列が形成されたプリズム面と、当該プリズム面に形成された微小凹凸部と、を有する。
　また、撮像装置の照明光学系は、撮像対象物からの反射光を撮像素子で受光して撮像すべく前記撮像対象物に光を照射する撮像装置の照明光学系において、前記撮像素子の周囲に配置された複数の発光素子と、前記複数の発光素子からの光を前記撮像対象物に照射すべく、半径方向に多数の稜線を有する三角柱形状のプリズム列が周上に形成されたプリズム面を前記複数の発光素子側に向け配置しかつ前記プリズム面に微小凹凸部を形成したリング状のプリズム板と、を有する。
　さらに、プリズム板の成形型は、対向配置された第１の型及び第２の型を有し、これら第１の型及び第２の型の間に配置された成形素材を加熱軟化して加圧しプリズム板を成形する、あるいは第１の型および第２の型の間に成形素材を射出してプリズム板を射出成形するプリズム板の成形型において、前記第１の型及び第２の型の一方の成形面に、多数の稜線を有する三角柱形状のプリズム列を形成するとともに、前記第１の型及び第２の型の少なくとも前記プリズム列が形成された側の当該プリズム列の斜面に微小凹凸部を形成した。
プリズム板による光の出射方向の制御を示す図である。 同上のプリズム板をＩＩ－ＩＩ方向から見た図である。 プリズム板による出射光の指向特性を示す図である。 プリズム板の出射面にブラスト処理を施して拡散面にした例を示す図である。 出射面にブラスト処理を施したプリズム板による出射光の指向特性を示す図である。 同上のプリズム板をＶＩ－ＶＩ方向から見た図である。 プリズム板を出射面から見たときの出射光の指向性分布を示す図である。 本実施の形態のプリズム板の外観斜視図である。 プリズム板による出射光の指向特性を示す図である。 同上のプリズム板をＸ－Ｘ方向から見た図である。 プリズム面に強いブラスト処理を施した場合の出射面側からみた出射光の指向特性を示す図である。 プリズム面に強いブラスト処理を施した場合の光の屈折状態を模式的に示す図である。 プリズム面へのブラスト噴射時間を短縮した場合の光の屈折状態を模式的に示す図である。 プリズム面へのブラスト噴射圧（流速）を低くした場合の光の屈折状態を模式的に示す図である。 プリズム板から出射した光の指向特性を示す図である。 同上のプリズム板をＸＩＶ－ＸＩＶ方向から見た図である。 プリズム板の成形金型の構成を示す図である。 照明光学系を情報読み取り用の撮像装置に応用した例を示す図である。 プリズム板をプリズム面側から見た図である。 プリズム面と導光体との位置関係を示す図である。 ブラスト処理を施さない場合の出射光の指向特性分布を示す図である。 ブラスト処理が弱い場合の出射光の指向特性分布を示す図である。 ブラスト処理が中程度の場合の出射光の指向特性分布を示す図である。 ブラスト処理が最大の場合の出射光の指向特性分布を示す図である。 プリズム板の出射面と評価面との位置関係を示す図である。 ブラスト処理を施さない場合の出射光による評価面における照度分布を示す図である。 ブラスト処理が弱い場合の出射光による評価面における照度分布を示す図である。 ブラスト処理が中程度の場合の出射光による評価面における照度分布を示す図である。 ブラスト処理が最大の場合の出射光による評価面における照度分布を示す図である。 ブラスト処理を施さない場合からブラスト処理が最大の場合までの夫々の出射光による評価面における照度分布をまとめて示した図である。 リング状の導光体の出射面の形状を円錐台斜面とした照明光学系を示す図である。 円錐台状のプリズム板の外観を示す図である。 同上のＢ部拡大を示す図である。
　以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
　［第１の実施の形態］
　図８は、本実施の形態のプリズム板１１の外観斜視図である。また、図９は、プリズム板１１による出射光の指向特性を示す図であり、図１０は、そのプリズム板１１をＸ－Ｘ方向から見た図である。
　本実施の形態のプリズム板１１は、片面に多数の稜線１３を有する三角柱形状のプリズム列が形成されたプリズム面１２と、このプリズム面１２に形成された微小凹凸部１４と、を有している。
　なお、本実施の形態では、光の入射面側をプリズム面１２とし、また、プリズム面１２と反対側の光の出射面側を出射面１５と呼んで区別する。
　三角柱形状のプリズム列を有するプリズム面１２は、周知の成形手段等によって形成することができる。微小凹凸部１４は、例えば、プリズム面１２にブラスト処理を施すことで形成することができる。なお、ブラスト処理は、被加工物の表面に珪砂等の非金属粒や金属粒を高速で噴きつけ、表面を粗化する処理方法であるが、本実施の形態ではサンドブラスト処理を想定している。また、微小凹凸部１４は、三角柱形状のプリズム列の斜面に形成されている。この微小凹凸部１４により光の拡散面が形成される。
　ここで、微小凹凸部１４とは、例えばサンドブラスト処理により、相対的に微小な凹部と凸部とがアレイ状又はランダムに連続して形成されている領域をいう。例えば、凸部の形状としては、半球形状、球形状、円錐（台）形状、あるいは角錐（台）形状等の種々の形状が考えられる。また、微小凹凸部１４の凹部と凸部のピッチや、凹凸の高さ（深さ）も、出射面１５からの光の輝度分布等を考慮して決定することができる。さらに、これら凹部と凸部のピッチや凹凸の高さ（深さ）は、使用する光の波長によっても影響される。
　なお、プリズム板１１のプリズム面１２に形成された多数の稜線１３は、互いに平行である場合の他に、プリズム板１１がリング状の場合は、半径方向に多数の稜線１３を有する三角柱形状のプリズム列が円周上に形成されている場合も含む（後述する図１７Ａ参照）。
　また、サンドブラスト処理により、プリズム面１２に微小凹凸部１４を形成して拡散面とした場合、使用する砂の射出圧や射出時間を制御することによって所望の出射光の輝度分布を得ることができる。しかし、ここでは、サンドブラスト処理についての説明は省略する。
　さらに、本実施の形態では、微小凹凸部１４を、サンドブラスト処理によって形成した場合について説明したが、これに限らない。例えば、微小凹凸部１４を形成することができれば、必ずしもサンドブラスト処理を用いる必要はなく、成形型を用いた成形手段やそれ以外の手段を用いてもよい。
　このように、光の入射面側であるプリズム面１２にブラスト処理を施して、微小凹凸部１４を形成することにより、出射面１５からの出射光の指向特性を制御することができる。この出射光の指向特性は、ブラストの強さ、すなわち、微小凹凸部１４の凹凸の深さによって自由に制御することができる。
　なお、図９は、プリズム板１１のプリズム面１２に施したブラスト処理が比較的弱い場合の指向特性を示す図である。
　図９及び図１０において、ＬＥＤ１６からプリズム面１２に入射した光は、プリズム面１２のプリズム斜面で屈折により偏向すると同時に、微小凹凸部１４によって拡散される。そして、プリズム面１２で拡散することによって稜線１３の長手方向を含む全方向に光が分配される。
　この場合、光量分布の中心である光の光軸Ｏは、プリズム斜面の角度で決まる方向に進む。そして、全体としては指向特性が保たれることになり、出射面１５側にブラスト処理を施した場合と同様な指向特性が得られる。出射面１５から出射する光は、ブラスト処理が弱い場合は微小凹凸部１４の個々の凹凸が浅いため、結果的にプリズム面１２のプリズム斜面で決まる方向に指向特性をもつことになると考えられる。
　図１１は、プリズム面１２に強いブラスト処理を施した場合の出射面１５側からみた出射光の指向特性を示す図である。また、図１２Ａは、プリズム面に強いブラスト処理を施した場合の光の屈折状態を模式的に示す図、図１２Ｂは、プリズム面へのブラスト噴射時間を短縮した場合の光の屈折状態を模式的に示す図、図１２Ｃは、プリズム面へのブラスト噴射圧（流速）を低くした場合の光の屈折状態を模式的に示す図である。
　図１１に示すように、強いブラスト処理によりプリズム面１２に微小凹凸部１４を形成すると、出射面１５からの出射光の指向特性は完全に消失し、無指向性の分布となる。
　図１２Ａは、後述する図２０Ｄの無指向性の場合の表面凹凸の模式図を示したものであり、この場合、個々の微小凹凸部１４は、プリズム面１２の全体に深く凹凸が刻まれている。このとき、ブラスト処理を、図の鉛直下側（出射面１５と垂直方向の下側）から施すとすると、個々の微小凹凸部１４の表面は鉛直面から水平面まで広範囲の角度を有している。また、個々の微小凹凸部１４は、例えば半球状又は鉄砲玉状（この形状はブラスト流速、時間等で制御可能）ゆえ、微小凹凸部１４の表面の法線は鉛直方向を中心にして、まんべんなく分布していることになる。
　ＬＥＤ１６からの入射光線Ｌは、個々の微小な凹凸部１４に入射し、その点の法線とのなす角に従って偏向する。このため、光の偏向方向も、図１２Ａの鉛直方向（偏向なし）を中心に幅広く分布する。このため、プリズム面１２での光の入射面は全体的に斜面となっているものの、入射光線の偏向方向には影響を及ぼさない。このため、この図１２Ａのプリズム板１１は結果的に無指向性を示すことになると考えられる。
　このように、プリズム面１２にブラスト処理を施す場合、ブラスト処理の強弱によって自由に出射光の指向特性を制御することができる。なお、ブラスト処理の強弱は、ブラストの粒体噴射における流速、又は噴射時間などによって制御することができる。また、ブラストの粒体噴射における流速や噴射時間の基準は、粒体噴射に使用する粒径やプリズム板１１の材質等によっても異なってくる。
　また、図１２Ｂは、弱いブラスト処理として噴射時間を短くした場合の表面凹凸の模式図を示している。
　この場合、微小凹凸部１４の密度がまばら（微小凹凸部１４の密度が半分）になって、プリズム面１２の傾斜部分が半分残った状態となっている。これにより、入射光はプリズム偏向（凹凸なし部）と拡散（凹凸部）が混在し、出射光は指向性をもちかつ拡散すると考えられる。
　さらに、図１２Ｃは、弱いブラスト処理として流速（噴射圧）を弱めた場合の表面凹凸の模式図を示している。
　噴射圧を弱くすると、微小凹凸部１４の凹凸の深さが浅くなり、凹凸表面の法線は、プリズム面１２の角度を中心に小さく分布（例えば３０°±３０°）する。その結果、拡散光の光軸はプリズム偏向（プリズム面１２の偏向特性）と同一になり、入射光が偏向角を中心に拡散して、拡散光はその前後の角度に分布すると考えられる。こうして、前記と同様に、出射光は指向性をもちかつ拡散すると考えられる。
　なお、粒体としてガラスビーズを用いてブラスト処理を行う場合は、微小凹凸部１４は滑らかになるため、弱いブラスト処理を施すことに相当する。このため、出射光は楕円状の強い指向特性となる。
　なお、図１２Ａ～図１２Ｃは、あくまでも説明のための模式図であり、実際の表面形状とは異なっている。サンドブラストを施したプリズム面の実際の凹凸は、振幅も周期も不均一で、図１２Ａ～図１２Ｃに示したような半球形状や釣鐘状等にはならない場合もある。
　しかし、全体的にプリズム面の凹凸の振幅は大きく、前述したように、表面の法線の方向がまんべんなく分布して、結果的に出射光は無指向性を示すことになる。
　ここで、プリズム面の表面凹凸の状態、すなわちプリズム面の表面粗さは、ＪＩＳ－Ｂ０６０１に規定されているパラメータで表すことができる。
　その１つである算術平均粗さＲａ（μｍ）は、凹凸の状態を断面形状に相当する粗さ曲線で表した上で、表面の振幅の平均線を求め、その方向にｘ軸をとり、振幅を平均線からの偏差ｆ（ｘ）としたときに、
　
　　　Ｒａ＝１／Ｌ・∫０ Ｌ｜ｆ（ｘ）｜ｄｘ
　
　で表されるパラメータである。
　なお、Ｌは、ｘ軸方向にとった基準長さである。
　また、プリズム面の表面粗さは、ＪＩＳ－Ｂ０６０１：１９９４に規定されているパラメータで表すことができる（十点平均粗さＲｚ）。
　これは、山の高さと谷の深さの夫々最大から５番目まで選び、その平均を加算した値で、最大振幅と類似な意味をもつパラメータである。
　これらのパラメータを用いて、図９及び図１１の凹凸状態を表すと、弱いブラスト処理を施した図９の場合には、例えばＲａ＝０．８μｍ、Ｒｚ＝５．５μｍである。この場合、凹凸振幅が小さく、プリズム斜面で決まる方向への指向性を残す特性となる。
　また、図１１のように、強いブラスト処理を施した場合の表面粗さは、例えばＲａ＝１．６μｍ、Ｒｚ＝１６．４μｍである。この場合、凹凸振幅が十分大きく、出射光の指向性は消失する。
　本実施の形態によれば、プリズム板１１は、多数の稜線１３を有する三角柱形状のプリズム列が形成されたプリズム面１２と、このプリズム面１２に形成された微小凹凸部１４と、を有するので、この微小凹凸部１４により照明光の出射方向に指向性を与え、かつ照度分布を制御することができる。
　［第２の実施の形態］
　図１３及び図１４は、本実施の形態のプリズム板１１を示す図であり、図１３は、プリズム板１１から出射した光の指向特性を示す図、図１４は、そのプリズム板１１をＸＩＶ－ＸＩＶ方向から見た図である。
　なお、第１の実施の形態と同一又は相当する部材には同一の符号を付して説明する。
　本実施の形態では、光の入射側のプリズム面１２にブラスト処理を施して微小凹凸部１４を形成するとともに、照明光の出射側の出射面１５にもブラスト処理を施して微小凹凸部１４’を形成している。こうして、プリズム面１２に入射した光は、プリズム面１２の微小凹凸部１４で拡散され、さらに、出射面１５の微小凹凸部１４’で拡散されて出射される。
　この場合、出射面１５からの出射光の指向性の制御は、入射側のプリズム面１２のブラストの強弱が支配的であることは、第１の実施の形態と同様である。
　本実施の形態によれば、プリズム面１２に加えて出射面１５にもブラスト処理を加えることによって、更に細かい指向性の制御を行うことができる。また、プリズム面１２から入射した光が、入射側のプリズム面１２と出射側の出射面１５との２回の拡散によって、より滑らかな照明光分布が得られるという利点もある。
　［第３の実施の形態］
　図１５は、本実施の形態のプリズム板１１の成形金型２０の構成を示す図である。
　第１の実施の形態では、プリズム板１１のプリズム面１２に直接的にブラスト処理を施し、微小凹凸部１４を形成した場合について説明した。しかし、微小凹凸部１４の形成方法はこれに限らない。例えば、成形手段によっても形成することができる。
　一般に、プリズム板１１は、アクリルなどのプラスチック素材を成形して製造される。このため、実際には、図１５に示すように、成形金型２０に微小凹凸部２５を形成し、この微小凹凸部２５を成形素材２３に転写し、プリズム板１１を成形することが行われる。
　すなわち、成形金型２０は、対向配置された上型２１及び下型２２を有している。そして、これら上型２１の成形面２１ａと下型２２の成形面２２ａとの間に、プラスチック素材２３が配置される。この状態で、プラスチック素材２３を所定温度に加熱軟化する。次いで、上型２１及び下型２２を相対的に接近移動してプラスチック素材２３を加圧し、プリズム板１１を成形する。図１５は上述の加圧成形法の金型を説明する図であるが，成形素材を金型で囲まれた空間に射出して成形する射出成形（インジェクション）法を用いても全く同様である。
　この成形金型２０は、下型２２の成形面２２ａに、多数の稜線２４を有する三角柱形状のプリズム列を形成するとともに、このプリズム列が形成された斜面に、微小凹凸部２５を形成している。この微小凹凸部２５は、例えばブラスト処理によって形成することができる。こうすることで、成形素材２３に微小凹凸部２５を転写してプリズム板１１を成形することができる。ただし、下型２２に微小凹凸部２５を形成する場合、微細加工であればブラスト処理以外の方法を用いても構わない。
　なお、本実施の形態では、下型２２に微小凹凸部２５を形成した場合について説明したが、これに限らない。例えば、上型２１の成形面２１ａにも微小凹凸部を形成してもよい。これにより、プリズム板１１のプリズム面と出射面の両方に微小凹凸部を形成することができる（前述した図１３参照）。
　本実施の形態によれば、例えば下型２２の成形面２２ａに、多数の稜線２４を有する三角柱形状のプリズム列を形成するとともに、少なくともプリズム列が形成された下型２２のプリズム列の斜面に微小凹凸部２５を形成し、この微小凹凸部２５を成形素材２３に転写することで、照明光の出射方向に指向性を与え、かつ照度分布を制御可能なプリズム板１１を得ることができる。
　［第４の実施の形態］
　図１６は、照明光学系１０を情報読み取り用の撮像装置３０に応用した例を示す図である。また、図１７Ａは、プリズム板１１をプリズム面１２側から見た図、図１７Ｂは、プリズム面１２と導光体３３との位置関係を示す図である。なお、第１の実施の形態と同一又は相当する部材には同一の符号を付して説明する。
　この撮像装置３０の照明光学系１０は、撮像対象物３１（例えば手のひら）からの反射光を撮像素子としてのイメージセンサ３２で受光して撮像すべく、撮像対象物３１に光を照射するものである。
　この照明光学系１０は、イメージセンサ３２の周囲に円環状に配置された複数の発光素子としてのＬＥＤ１６と、複数のＬＥＤ１６の上方に配置されたリング状の導光体（円筒体）３３と、この導光体３３の出射面３３ａ上に配置されたリング状のプリズム板１１と、を有している。
　なお、導光体３３は、例えば透明な樹脂（又はガラス等）で構成され、複数のＬＥＤ１６からの光を上方に導き、プリズム板１１を介して撮像対象物３１に均一な光を照射する。この導光体３３により、ＬＥＤ１６からの光が光路から漏れないように導くことが可能である。このため、導光体３３は、ＬＥＤ１６の配置状態に合わせ、リング状に形成されている。
　なお、リング状とは、中央に孔を有する輪状のものをいい、例えば円形リング、方形リング、楕円リング、長円リング等を含む。
　このリング状のプリズム板１１は、図１７Ａに示すように、導光体３３の出射面３３ａからの光を撮像対象物３１に照射すべく、半径方向に多数の稜線１３を有する三角柱形状のプリズム列が円周上に形成されたプリズム面１２を有している。なお、多数の稜線１３は等間隔に形成されていることが望ましいが、必ずしも厳密に等間隔でなくてもよい。また、多数の稜線１３はリング中心に向けて半径方向に形成されているが、厳密にリング中心を向いていなくてもよい。
　また、図１７Ｂに示すように、このプリズム面１２が複数のＬＥＤ１６（導光体３３の出射面３３ａ側）に対向するように配置している。さらに、このリング状のプリズム板１１のプリズム面１２には、微小凹凸部１４が形成されている（図１７Ａ参照）。
　この微小凹凸部１４は、第１の実施の形態等で説明したものと同様である。
　そして、図１６に示したように、ＬＥＤ１６から出射された光は、リング状の導光体３３によって、読取対象である撮像対象物３１に向けて導かれる。リング状の導光体３３の内側には、イメージセンサ３２と光学レンズ３４を有する撮像系が配置されている。
　図１８Ａ～図１８Ｄは、撮像装置３０の照明光学系１０を出射面１５側から見た図である。また、この図１８Ａ～図１８Ｄは、プリズム板１１上の１点（Ａ点）からの出射光の指向特性分布を比較した図である。
　なお、この図１８Ａ～図１８Ｄの指向性分布は、ブラスト強さ（ここでは噴射時間）をパラメータにしている。
　また、撮像装置３０の中央には、光学レンズ３４とイメージセンサ３２からなる撮像系が配置されている。
　そして、このイメージセンサ３２の周囲を、リング状の導光体３３及びその上に重ねられたリング状のプリズム板１１が囲んでいる。この場合、環状に並べられた複数のＬＥＤ１６が照明光源となり、導光体３３を経てリング状のプリズム板１１から照明光が出射される。
　以下に説明する図１８Ａ～図１８Ｄにおいて、プリズム板１１の出射面１５側にはブラスト処理を施していないものとする。
　図１８Ａは、プリズム板１１のプリズム面１２にもブラスト処理を施していない場合であり、最も強い指向性を示す例である。
　この図１８Ａでは、Ａ点から出射した光は、プリズム板１１によってリングの接線方向にのみ指向する。この場合、リング状のプリズム板１１の出射面１５全体からの照明を足し合わせると、半径方向には指向しないため、リングの中心部が暗く周囲が明るいドーナツ状の照明分布になる。
　図１８Ｂは、プリズム面１２に弱いブラスト処理を施した場合であり、図１８Ｃは、それよりも強くプリズム面１２にブラスト処理を施した場合である。
　図１８Ｂ及び図１８Ｃのいずれの場合も、接線方向のみならず半径方向へも照明光が出射されることがわかる。これによって、リングの中心部へも照明が届くようになる。また、ブラスト処理の強さによって指向性が変化し、ブラスト処理が比較的強い図１８Ｃの場合の方が、図１８Ｂに比べて指向性が弱くなっている。このため、図１８Ｃでは、指向性分布を示す楕円が円に近づいている。
　前述のように、表面粗さパラメータによって図１８Ｂ及び図１８Ｃのプリズム面の凹凸状態を表すと、例えばブラスト処理が弱い図１８Ｂの場合は、Ｒａ＝０．８μｍ、Ｒｚ＝５．５μｍである。また、ブラスト処理が中程度の図１８Ｃの場合は、Ｒａ＝１．３μｍ、Ｒｚ＝１２．８μｍである。すなわち、図１８Ｃの方が凹凸の振幅は大きくなっている。
　さらに、図１８Ｄは、プリズム面１２にブラスト処理を十分に（強く）施した場合であり、指向性分布は円に近い無指向性を示している。
　この図１８Ｄの場合のプリズム面の凹凸状態は、例えばＲａ＝１．６μｍ、Ｒｚ＝１６．４μｍである。このように、ブラスト処理が十分に強いため、十分振幅の大きな凹凸状態となっている。
　この場合には、リング状のプリズム板１１の出射面１５からの照明光は、リング中心部で重なることから、リング中心部の照度は高くなる。
　図１９は、プリズム板１１の出射面１５と評価面（被照射面）１７との位置関係を示す図である。
　同図１９では、撮像系の光軸をｚ軸とし、プリズム板１１の出射面１５をｚ＝０の平面としたときに、ｚ＝ｚ１の平面を評価面（被照射面）１７とした図である。
　また、図２０Ａ～図２０Ｄは、評価面１７における照明光の照度分布を比較した図である。なお、横軸を光軸からの距離ｒ、縦軸を照明の照度（Ｗ／ｍ２）としている。
　この図２０Ａ～図２０Ｄは、ブラスト処理の強さを噴射時間で表した場合、図２０Ａの噴射時間は０(ブラスト処理なし)、図２０Ｂの噴射時間は０～１／２(弱いブラスト処理)、図２０Ｃの噴射時間は１／２(若干強いブラスト処理)、図２０Ｄの噴射時間を１(強いブラスト処理)であった。
　さらに、図２１は、図２０Ａ～図２０Ｄの照度分布をまとめて示した図である。
　以上において、図２０Ａは図１８Ａに対応する図である。この図２０Ａは、プリズム面１２（および出射面１５）にブラスト処理がない場合の照度分布を示している。この場合、リング状のプリズム板１１のリング中心部に照明光は届かず、リング周辺部が円環状に明るいドーナツ状の照度分布となる。
　図２０Ｂは図１８Ｂに対応する図である。この図２０Ｂは、プリズム面１２に弱いブラスト処理を施した場合の照度分布を示している。この場合、ブラスト処理の拡散効果によって半径方向にも照明光が分配され、リング周辺部が円環状に明るいドーナツ状の特徴をもちながらリング中心部へも照明が届いている。
　図２０Ｃは図１８Ｃに対応する図である。この図２０Ｃは、プリズム面１２へのブラスト処理を図１８Ｂよりも強く施した場合の照度分布を示している。この場合、リング中心部への照明光の分配が大きくなり、評価面１７の全体に均一な照度分布となっている。
　図２０Ｄは図１８Ｄに対応する図である。この図２０Ｄは、プリズム面１２へ十分に（強く）ブラスト処理を施した場合の照度分布を示している。この場合、出射光のリング接線方向への指向性は消失し、リング中心部への照明光の集中により単峰性（１つの山のような形状）の照度分布となっている。この照度分布の形は、リング型のプリズム板１１がない場合と基本的に同じである。すなわち、透明なガラス平板の片面に強いブラスト処理を施した場合と同様である。
　このように、プリズム面１２のブラスト処理の強さを変えていくと、評価面１７における照度分布は図２０Ａ～図２０Ｄのように変化する。
　図２１は、図２０Ａ～図２０Ｄの照度分布をまとめて示したものである。
　同図２１のように、ブラスト処理の強弱により、照度分布は、円環状のａ曲線から、ｂ曲線，ｃ曲線を経て、単峰性のｄ曲線まで連続的に変化する。このように、プリズム面１２のブラスト処理の強弱によって所望の照明光の照度分布特性を得ることができる。
　なお、照明光の出射にあたり、リング接線方向に指向特性を持たせることは、撮像系においては取得画像に物体表面の陰影をつけたり、あるいは陰影を避ける場合に効果がある。
　また、リング接線方向に指向特性を持たせることで、物体からの反射光にも指向特性を与えて正反射光を避けたり、強調したりすることもできる。一方、照度分布そのものはプリズム板１１によらずとも制御することができる。例えば、照度分布は、リング接線方向への指向性がなくても半径方向の出射方向と拡散度のみで制御することができる。
　なお、本実施の形態では、プリズム板１１の出射面１５側にはブラスト処理を施していないものとして説明したが、これに限らない。例えば、プリズム板１１のプリズム面１２と出射面１５の両方にブラスト処理を施してもよい（図１３参照）。この場合は、プリズム面１２のみにブラスト処理を施した場合に比較して、照明光の出射方向の指向特性と照度分布を幅広く制御することができる。
　本実施の形態によれば、イメージセンサ３２の周囲に配置された複数のＬＥＤ１６と、この複数のＬＥＤ１６からの光をイメージセンサ３２に照射すべく、半径方向に多数の稜線１３を有する三角柱形状のプリズム列が周上に形成されたプリズム面１２を複数のＬＥＤ１６側に向け配置しかつプリズム面１２に微小凹凸部１４を形成したリング状のプリズム板１１と、を有することにより、照明光の出射方向に指向特性を与えながら照度分布を制御することができる。
　［第５の実施の形態］
　図２２は、リング状の導光体３３の出射面３３ａの形状を円錐台状の斜面とした照明光学系１０を示す図である。また、図２３Ａは、円錐台状のプリズム板１１の外観を示す図、図２３Ｂは、そのＢ部拡大を示す図である。なお、第１の実施の形態と同一又は相当する部材には同一の符号を付して説明する。
　第１～第４の実施の形態では、導光体３３の出射面３３ａ及びプリズム板１１のプリズム面１２を平面としていたが、本実施の形態では円錐台状とした。
　すなわち、ＬＥＤ１６の光量分布、導光体３３のサイズ、撮像対象物である被照射面のサイズ及び被照射面までの距離などによって、導光体３３の出射面１５を円錐台状の斜面とする方が適切な場合がある。
　この場合には、図２２に示すように、リング状の導光体３３の出射面１５を円錐台状の斜面とし、同様に、リング状のプリズム板１１の形状も、円錐台状の斜面をもつ立体的なものになる。
　図２３Ａにおいて、導光体３３の出射面３３ａに重ねて配置されるリング状のプリズム板１１は、円錐台状の斜面に形成されている。また、図２３Ｂにおいて、このプリズム板１１は、第４の実施の形態と同様に、半径方向に多数の稜線１３を有する三角柱形状のプリズム列が円周上に形成されたプリズム面１２を有している。このプリズム列は、例えば頂角９０度、深さ０．２ｍｍで１８０本（プリズム列のピッチ２°）である。
　さらに、図２３Ｂに示すように、プリズム面１２にサンドブラストにより微小凹凸部１４を形成している。この微小凹凸部１４により、プリズム面１２に拡散面が形成されている。
　なお、本実施の形態では、プリズム板１１のプリズム面１２にブラスト処理を施して微小凹凸部１４を形成した場合について説明したが、これに限らない。例えば、プリズム面１２と出射面１５の両方にブラスト処理を施すことによって（図１３参照）、照明光の指向特性を幅広く制御することが可能となる。
　本実施の形態によれば、導光体３３の出射面３３ａを円錐台状の傾斜面とし、また、プリズム板１１の出射面１５を円錐台斜面として、その出射面１５から光を拡散出射させることにより、照明光の出射方向に指向特性を与えながら照度分布を制御することができる。このときの照度分布は、前述した図２１の照度分布曲線ａ～ｄに準じるものと考えられる。

Claims (12)

  1. 　片面に多数の稜線を有する三角柱形状のプリズム列が形成されたプリズム面と、
    　当該プリズム面に形成された微小凹凸部と、を有する
    　ことを特徴とするプリズム板。
  2. 　前記微小凹凸部の凹凸の深さを、前記プリズム面に入射した光が前記プリズム面と反対側の出射面から出射する光の指向特性に応じて変化させた
    　ことを特徴とする請求項１に記載のプリズム板。
  3. 　前記微小凹凸部をブラスト処理により形成した
    　ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプリズム板。
  4. 　前記微小凹凸部を、前記プリズム面と前記出射面の両方に形成した
    　ことを特徴とする請求項１に記載のプリズム板。
  5. 　前記プリズム面を円錐台状の斜面に形成した
    　ことを特徴とする請求項１に記載のプリズム板。
  6. 　撮像対象物からの反射光を撮像素子で受光して撮像すべく前記撮像対象物に光を照射する撮像装置の照明光学系において、
    　前記撮像素子の周囲に配置された複数の発光素子と、
    　前記複数の発光素子からの光を前記撮像対象物に照射すべく、半径方向に多数の稜線を有する三角柱形状のプリズム列が周上に形成されたプリズム面を前記複数の発光素子側に向け配置しかつ前記プリズム面に微小凹凸部を形成したリング状のプリズム板と、を有する
    　ことを特徴とする撮像装置の照明光学系。
  7. 　前記微小凹凸部の凹凸の深さを、前記プリズム面に入射した光が前記プリズム面と反対側の出射面から出射する光の指向特性に応じて変化させた
    　ことを特徴とする請求項６に記載の撮像装置の照明光学系。
  8. 　前記微小凹凸部をブラスト処理により形成した
    　ことを特徴とする請求項６又は７に記載の撮像装置の照明光学系。
  9. 　前記微小凹凸部を、前記プリズム面と前記出射面の両方に形成した
    　ことを特徴とする請求項６に記載の撮像装置の照明光学系。
  10. 　前記プリズム面を円錐台状の斜面に形成した
    　ことを特徴とする請求項６に記載の撮像装置の照明光学系。
  11. 　対向配置された第１の型及び第２の型を有し、これら第１の型及び第２の型の間に配置された成形素材を加熱軟化して加圧しプリズム板を成形する、あるいは第１および第２の型に囲まれた空間に成形素材を射出してプリズム板を成形するプリズム板の成形型において、
    　前記第１の型及び第２の型の一方の成形面に、多数の稜線を有する三角柱形状のプリズム列を形成するとともに、
    　前記第１の型及び第２の型の少なくとも前記プリズム列が形成された側の当該プリズム列の斜面に微小凹凸部を形成した
    　ことを特徴とするプリズム板の成形型。
  12. 　前記微小凹凸部をブラスト処理により形成した
    　ことを特徴とする請求項１１に記載のプリズム板の成形型。
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