JP2000021221A - 線状照明装置 - Google Patents

線状照明装置

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JP2000021221A
JP2000021221A JP10204236A JP20423698A JP2000021221A JP 2000021221 A JP2000021221 A JP 2000021221A JP 10204236 A JP10204236 A JP 10204236A JP 20423698 A JP20423698 A JP 20423698A JP 2000021221 A JP2000021221 A JP 2000021221A
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optical axis
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豊 服部
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Brother Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 効率良く原稿を照射でき、低消費電力で十分
な原稿照度を得ることができ、しかも均一な照度分布を
得ることができる線状照明装置を提供すること。 【解決手段】 導光体50の長手方向の端面に平行な方
向の断面にて、光束射出面の面頂を座標原点0、光軸を
z軸、光軸に垂直な軸をy軸とする座標系をとり、面頂
0から拡散反射部54までz軸上の長さをl0、面頂0
から原稿面までのz軸上の長さをl1、導光体50の空
気に対する屈折率をnとして、拡散反射部54を2次的
な光源とした場合に光束射出面を介して射出した光束が
原稿面に完全結像するための次のような結像式を求め
る。 n(y2+(l0−z)21/2+(y2+(l1+z)2
1/2=nl0+l1 そして、この結像式とレンズの非球面(非円筒面)形状
を表す一般式、 z=cy2/(1+(1−(1+k)c221/2) とから、光束射出面の形状を設計する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、導光体を用いた線
状照明装置の技術分野に属するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、ファクシミリ装置あるいは電子写
真方式を用いた複写機等における画像の読み取り用の照
明装置として、LED等の点光源から発光された光束
を、線状に照射するようにした照明装置が用いられてい
る。このような照明装置は、効率良く原稿を照射できる
と共に、低消費電力で原稿照度を高くすることができる
という利点を有している。
【0003】しかし、低消費電力を達成するためにLE
Dの個数を減らすと、LEDチップに対応した部分の原
稿面の照度は高いが、LEDチップ間の原稿面の照度が
低いという不均一な照度分布になるという問題があっ
た。
【0004】そこで、このようなLED等の点光源を用
いた線状照明装置において、不均一な照度分布を解消す
るために、図10に示すように、透光性部材からなる直
方体形状の導光部60と、同じく透光性部材からなり、
この導光部60に連続して形成された円筒レンズ部61
とを備えた導光体62を用いた線状照明装置が提案され
た。
【0005】この導光体62を用いた線状照明装置は、
前記導光部60の短手方向の端面に点光源としてのLE
D63を取り付け、円筒レンズからなる光束の射出面と
前記導光部60を挟んで対向する面に、光束を反射ある
いは拡散する拡散反射部64が設けられている。
【0006】このような線状照明装置によれば、光束を
効率良く原稿を照射できると共に、低消費電力で原稿照
度を高くすることができ、しかも均一な照度分布を得る
ことができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の線状照明装置によれば、光束の射出部が円筒レンズ
であるため、図10に示すように、導光体62の拡散反
射部64で拡散及び反射され、円筒レンズの光束射出面
により射出された光束は原稿P上で球面収差が生じてい
る。従って、光軸に近い光束は原稿より遠く、光軸から
離れた光束は原稿より手前に集束し、原稿を幅広い帯状
に照明しており、照度が低くなるという問題があった。
【0008】また、このような問題を補うために、高輝
度のLEDを用いて読み取りの際の照度を確保したり、
読み取り時間を長くして読み取り品質を確保していたた
め、照明装置自体が高価となり、また読み取り速度が低
下するという問題があった。
【0009】本発明は上述した問題に鑑みなされたもの
で、効率良く原稿を照射できると共に、低消費電力で十
分な原稿照度を得ることができ、しかも均一な照度分布
を得ることができる線状照明装置を提供することを課題
としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の線状照
明装置は、前記課題を解決するために、透光性部材から
なる柱体形状の導光体により、光源からの光束を原稿面
において線状に照射する線状照明装置であって、前記光
源は、柱体の底面に相当する前記導光体の端面に取り付
けられており、前記導光体は、柱体の側面に相当する位
置に光束射出面が形成された集光レンズ部と、該集光レ
ンズ部に連続して形成された導光部と、該導光部を挟ん
で前記光束射出面の対向側に設けられた拡散反射部とを
備え、前記集光レンズ部の前記光束射出面は、前記拡散
反射部と前記原稿面とを共役な位置関係にする非円筒面
であることを特徴とする。
【0011】請求項1に記載の線状照明装置によれば、
透光性部材からなる柱体形状の導光体の端面のうち、柱
体の底面に相当する位置の端面に取り付けられた光源か
ら光束が射出されると、この光束は導光体の導光部の内
面で全反射を繰り返してその内部を伝播する。そして、
全反射を繰り返すうち、該導光部を挟んで光束射出面の
対向側に設けられた拡散反射部に入射した光束は、当該
拡散反射部において拡散・反射され、前記導光部に連続
して形成された集光レンズ部の外表面であって、柱体の
側面に相当する位置に形成された光束射出面から射出さ
れる。ここにおいて、前記集光レンズ部の前記光束射出
面は、非円筒面であり、しかも、前記拡散反射部と前記
原稿面とを共役な位置関係にするように設計されてい
る。つまり、光源を物点とし原稿面を像点する従来の一
般的な設計手法ではなく、前記拡散反射部を2次的光源
と考え、前記拡散反射部を物点とし原稿面を像点とした
上で、前記光束射出面の非円筒面化を図るという全く新
しい設計手法によるものである。本発明の光束射出面
は、このように前記拡散反射部と前記原稿面とを共役な
位置関係にする非円筒面であるため、前記拡散反射部か
ら射出された光束は、球面収差が無く、原稿面上におい
て極めて幅の狭い線状に集光されることになる。従っ
て、集光効率が高く、照度分布の均一な光束により極め
て良好な照明が行われる。
【0012】請求項2に記載の線状照明装置は、前記課
題を解決するために、請求項1に記載の線状照明装置に
おいて、前記導光体の前記端面に平行な方向の断面にお
ける、前記光束射出面の軌跡は、前記光束射出面の面頂
を座標原点、光軸をz軸、及び光軸に垂直な軸をy軸と
する座標系において、前記面頂から前記拡散反射部まで
z軸上の長さをl0、前記面頂から前記原稿面までのz
軸上の長さをl1、前記導光体の空気に対する屈折率を
nとする時、 n(y2+(l0−z)21/2+(y2+(l1+z)2
1/2=nl0+l1 で表されることを特徴とする。
【0013】請求項2に記載の線状照明装置によれば、
請求項1に記載の線状照明装置の導光体の前記端面に平
行な方向の断面における、前記光束射出面の軌跡は、前
記光束射出面の面頂を座標原点とし、光軸をz軸とし、
及び光軸に垂直な軸をy軸とする座標系において、前記
面頂から前記拡散反射部までz軸上の長さをl0、前記
面頂から前記原稿面までのz軸上の長さをl1、前記導
光体の空気に対する屈折率をnとする時、 n(y2+(l0−z)21/2+(y2+(l1+z)2
1/2=nl0+l1 で表される。従って、拡散反射部を2次的な光源として
みた場合、拡散反射部を物点とし原稿面を像点とする
と、光軸上の物点、即ち拡散反射部における各点は、全
て像点における一点、即ち原稿面の一点に結像する。そ
の結果、拡散反射部から射出された光束は原稿面上にお
いて極めて幅の狭い線状に集光されることになり、集光
効率が高く、照度分布の均一な光束により極めて良好な
照明が行われる。
【0014】請求項3に記載の線状照明装置は、前記課
題を解決するために、請求項1に記載の線状照明装置に
おいて、前記導光体の前記端面に平行な方向の断面にお
いて、光軸に垂直な方向での前記拡散反射部の幅をa、
前記集光レンズ部の横倍率をβ、光軸に垂直な方向に対
する原稿面の角度をθとすると、原稿面上の原稿照明幅
b’は、 b’=−aβ/cosθ で表されることを特徴とする。
【0015】請求項3に記載の線状照明装置によれば、
請求項1に記載の線状照明装置の導光体の前記端面に平
行な方向の断面において、光軸に垂直な方向での前記拡
散反射部の幅をaとし、前記集光レンズ部の横倍率をβ
とし、光軸に垂直な方向に対する原稿面の角度をθとす
ると、原稿面上の原稿照明幅b’は、 b’=−aβ/cosθ で表される。従って、均一な照度分布を実現しつつ、必
要な照明幅を確保することができるので、原稿上の画像
は極めて良好に照明されることになる。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図1
ないし図9に従って説明する。
【0017】図1は本発明の線状照明装置を用いたファ
クシミリ装置等の密着型イメージセンサを示す図であ
る。
【0018】図1に示すように、筐体1には、紙面を貫
く方向に延びて形成された空洞部2が形成されており、
該空洞部2の上部開口位置には、該上部開口を塞ぐよう
に、原稿の幅方向に延びて形成されたプラテンガラス3
が取り付けられている。また、該プラテンガラス3の上
方には、搬送ローラ4が回転自在に設けられており、該
搬送ローラ4の矢印A方向の回転により、搬送ローラ4
とプラテンガラス3との間に原稿Pを挟持しながら該原
稿Pを矢印B方向に搬送させる。また、前記空洞部2の
下部には、本発明の線状照明装置5が所定の角度をもっ
て配置されており、搬送ローラ4とプラテンガラス3と
の間に挟持された原稿Pに対して線状の光束を射出する
ように構成されている。更に、前記空洞部2の前記プラ
テンガラス3の下方には、等倍結像レンズ6が配置され
ており、前記線状照明装置5から射出された光束の原稿
Pからの反射光が入射されるように構成されている。ま
た、等倍結像レンズ6の下方には、基板7上に取り付け
られたラインセンサ8が配置されており、前記反射光は
等倍結像レンズ6によりラインセンサ8の入射面に結像
されるように構成されている。
【0019】以上のような密着型イメージセンサに用い
られる、本実施形態の線状照明装置5を図2に示す。本
実施形態の線状照明装置5は、図2に示すように、透光
性部材からなり、原稿Pの幅方向に延びて形成された柱
体形状の導光体50と、該導光体50の長手方向の両端
面に取り付けられた光源としてのLED53とから構成
されている。導光体50は、直方体形状の導光部51
と、該導光部51に連続して形成され、非円筒面形状の
光束射出面を有する集光レンズ部52とから構成されて
おり、前記導光部51を挟んで該集光レンズ部52の光
束射出面の対向側には、拡散反射部54が形成されてい
る。拡散反射部54は、白色塗料を塗布することで実現
でき、他にもシボ加工やブラスト加工により透光性部材
の表面を粗面化し、その上に反射塗料を塗布すると、拡
散反射効果を高めることができる。また、反射塗料の濃
度を制御したり、粗面化加工処理の程度を制御すること
で、拡散反射率を任意に変えることができる。
【0020】このような構成の線状照明装置5において
は、LED53から発せられた光束は、導光部51内で
全反射を繰り返して導光部51内部を伝播し、また伝播
途中で拡散反射部54に入射する。拡散反射部54に入
射した光束は、該拡散反射部54において拡散反射さ
れ、集光レンズ部52の光束射出面を通って原稿面に射
出されることになる。
【0021】特に、本実施形態の線状照明装置5におい
ては、集光レンズ部52の光束射出面が、拡散反射部5
4を2次的光源と考え、この拡散反射部54と原稿面と
を共役な位置関係にする非円筒面形状に形成されている
ため、拡散反射部54から射出される光束は、極めて高
い集光効率で、かつ、極めて幅の狭い線状の光束とし
て、原稿面上に集光されることになる。集光効率が極め
て高いために、LED53には、比較的輝度の低いもの
を用いることができ、容易に低消費電力化を実現するこ
とができる。また、照射時間が短くても、ラインセンサ
8から得られる信号品質が高いために、高品質で高速な
読み取りが可能な光電変換部を、安価で提供することが
できる。
【0022】次に、本実施形態における光束射出面の形
状について、更に詳しく説明する。図3は本実施形態の
線状照明装置5の導光体50の前記長手方向の端面に平
行な方向の断面を示す図である。このような線状照明装
置5において、前記光束射出面の面頂を座標原点0、光
軸をz軸、及び光軸に垂直な軸をy軸とする座標系をと
り、前記面頂0から前記拡散反射部54までz軸上の長
さをl0、前記面頂0から前記原稿面までのz軸上の長
さをl1、前記導光体50の空気に対する屈折率をnと
して、光束射出面を介して射出した光束が原稿面に完全
結像するための結像式を考える。但し、本発明において
は、導光体50の端面部に取り付けられたLED53を
光源としてこの結像式を導くのではなく、拡散反射部5
4を2次的な光源としてこの結像式を求める。結像式
は、フェルマーの原理より次のようになる。
【0023】
【数1】n(y2+(l0−z)21/2+(y2+(l1
z)21/2=nl0+l1 この関係式を満足する座標(y,z)の包絡線が前記集
光レンズ部53の光束射出面の形状となる。また、球面
収差を無くすためには、光束射出面の断面形状は、球面
(円筒面)ではなく、非球面(非円筒面)であることが
必要となる。ここで、レンズの非球面(非円筒面)形状
を表す一般式は、
【数2】 z=cy2/(1+(1−(1+k)c221/2) で表される。そこで、前記フェルマーの原理により求め
た関係式に、例えばl0=5.4mm、l1=9.41m
m、n=1,49を代入して、この非球面形状を表す一
般式に変換すると、頂点での曲率を表す係数c=0.7
8、円錐定数k=−0.711549が得られ、光束射
出面の具体的な形状を得ることができる。
【0024】光束射出面をこのような形状にすることに
より、図4に示すように、拡散反射部54から射出した
光束の球面収差を無くし、当該光束を原稿面上に極めて
幅の狭い線状に結像させることができる。
【0025】但し、実際には、以上のような光束により
画像を読み取るためには、ある程度の照明幅が必要であ
る。そして、この照明幅における照度分布は、従来のよ
うに収差による不均一な分布ではなく、上述のように極
めて幅の狭い線状の光束によって均一な分布であること
が必要である。そこで、本実施形態では、導光体50が
図1のように原稿面に対して所定の角度で配置される場
合において、必要な原稿照明幅を得るための拡散反射部
54の幅を次のようにして決定した。
【0026】図5に示すように、導光体50の前記長手
方向の端面に平行な方向の断面において、拡散反射部5
4の短手方向の幅をaとし、集光レンズ部52の横倍率
をβとし、光軸に垂直な方向に対する原稿面の角度をθ
とすると、原稿Pの画像面上の原稿照明幅b’は、
【数3】b’=−aβ/cosθ で表される。従って、拡散反射部54の幅aは、
【数4】a=−b’cosθ/β から求めることができる。本実施形態では、ラインセン
サ8の受光面サイズと配置誤差を考慮して必要な原稿照
明幅b’を定めた後、この数式に基づいて拡散反射部5
4の幅aを求めた。本実施形態では、このようにして拡
散反射部54の幅aを決定したので、原稿照明幅b’に
おいて均一な照度分布を有するように光束を結像させる
ことができる。
【0027】本実施形態では、以上のような結像状態を
確かめるために、前記形状の光束射出面を有する線状照
明装置5の照明解析を、光線追跡に適した光学シミュレ
ータを用いて行った。この照明解析では、導光体50の
左右両側の端面に取り付けたLED53を、2×1.3
mmの矩形面光源とみなし、この光源から各々100万
本の光線を照射させて照明解析を実施した。
【0028】また、この照明解析は、図1に示すような
実際の使用態様に合致させるために、図6(A)に示す
ように線状照明装置5の光軸を、原稿に対する垂直線に
対して35度傾けた。また、原稿中心Oから外れた位置
の照度を求めるために、光軸中心を原稿中心Oから2m
mシフトさせた。なお、この照明解析においては、原稿
Pの搬送方向を+Y方向、その反対方向を−Y方向と
し、原稿中心Oを座標の中心点とした。また、図面の紙
面を貫く方向、即ち原稿Pの幅方向をX方向とし、導光
体50の長手方向の中央に相当する位置をX方向の原点
とした。また、導光体50は図6(B)に示すように長
手方向の長さを280mm、短手方向の長さを10m
m、集光レンズ部52の幅を4mmとした。更に、集光
レンズ部52の横倍率βを2.6、原稿照明幅b’を
3.2mmとした。また、l0=5.4mm、l1=9.
41mm、n=1,49とした。
【0029】図7にこのようにして照明解析を行った場
合の光線分布を示す。図7において、黒点として描かれ
ているのが光線である。図7に示すように、原稿中心O
からマイナス方向に2mmの位置を中心として、光線が
ほぼ均一に、かつ、一定幅をもって結像していることが
判る。
【0030】また、図8に、照度等高線を示す。図8に
おいては、彩度が白に近づく程、照度が高いことを示し
ている。図8から判るように、原稿中心Oからマイナス
方向に2mmの位置を中心として、ほぼ均一な照度分布
が得られることが判る。但し、図8においては、X方向
における両端部、即ちLED53の取り付け位置近傍
に、照度の高い領域が生じている。これは、拡散反射部
54がX方向に均一な反射率を持つものとして解析を行
ったためである。従って、拡散反射部54を、X方向の
原点で反射率が高く、X方向の両端で反射率が低くなる
ように構成すれば、X方向に均一な照度分布にすること
が可能である。
【0031】以上のように、本実施形態の線状照明装置
は、原稿面上に極めて高い効率で集光し、かつ、必要な
原稿照明幅内において均一な照度分布を有する光束によ
り、原稿面を照明できることが確認された。
【0032】なお、上述した実施形態においては、本発
明の線状照明装置を、等倍光学系を用いた光電変換部に
適用した例について説明したが、本発明はこれに限定さ
れるものではなく、例えば図9に示すように、縮小光学
系を用いた光電変化部に適用することができる。図9に
示す光電変換部は、折り返しミラー9と縮小結像レンズ
により、原稿面の反射光をラインセンサ8に結像させて
いる。このような光学系を用いた場合でも、原稿面にお
ける光束の集光効率が極めて高いために、LED53に
は、比較的輝度の低いものを用いることができ、容易に
低消費電力化を実現することができる。また、検出時間
が短くても、ラインセンサ8から得られる信号品質が高
いために、高品質で高速な読み取りが可能な光電変換部
を、安価で提供することができる。
【0033】
【発明の効果】請求項1に記載の線状照明装置によれ
ば、透光性部材からなる柱体形状の導光体により、光源
からの光束を原稿面において線状に照射する線状照明装
置において、導光体の集光レンズ部の光束射出面を、拡
散反射部と原稿面とを共役な位置関係にする非円筒面と
したので、拡散反射部から射出する光束の球面収差を無
くして原稿面上において極めて幅の狭い線状に集光させ
ることができる。その結果、集光効率が高く、照度分布
の均一な光束により極めて良好な照明を行うことができ
る。また、原稿面における光束の集光効率が極めて高い
ために、光源には、比較的輝度の低いものを用いること
ができ、容易に低消費電力化を実現することができる。
また、検出時間が短くても、受光素子から得られる信号
品質を高くすることができるため、高品質で高速な読み
取りが可能な画像読取装置を、安価に提供することがで
きる。
【0034】請求項2に記載の線状照明装置によれば、
請求項1に記載の線状照明装置において、導光体の長手
方向の端面に平行な方向の断面における、光束射出面の
軌跡を、光束射出面の面頂を座標原点、光軸をz軸、及
び光軸に垂直な軸をy軸とする座標系において、前記面
頂から前記拡散反射部までz軸上の長さをl0、前記面
頂から前記原稿面までのz軸上の長さをl1、前記導光
体の空気に対する屈折率をnとする時、 n(y2+(l0−z)21/2+(y2+(l1+z)2
1/2=nl0+l1 で表すように設計したので、拡散反射部から射出された
光束を原稿面上において極めて幅の狭い線状に集光させ
ることができ、集光効率が高く、照度分布の均一な光束
により極めて良好な照明を行うことができる。
【0035】請求項3に記載の線状照明装置によれば、
請求項1に記載の線状照明装置の導光体の前記端面に平
行な方向の断面において、光軸に垂直な方向での前記拡
散反射部の幅をa、前記集光レンズ部の横倍率をβ、光
軸に垂直な方向に対する原稿面の角度をθとして、原稿
面上の原稿照明幅b’を、 b’=−aβ/cosθ で表すように設計したので、均一な照度分布を実現しつ
つ、必要な照明幅を確保することができ、原稿上の画像
を極めて良好に照明することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態における線状照明装置を用
いた密着イメージセンサの構成わ示す断面図である。
【図2】図1の密着イメージセンサにおける線状照明装
置の構成を示す斜視図である。
【図3】図2の線状照明装置における導光体の集光レン
ズ部の非円筒形状を説明するための断面図である。
【図4】図2の線状照明装置における光路図である。
【図5】図2の線状照明装置における横倍率と照明幅を
説明するための断面図である。
【図6】(A)、(B)は本発明の一実施形態における
照明解析に用いた具体的数値条件を示す図である。
【図7】図6の条件の下で行った照明解析の結果による
光線分布図である。
【図8】図6の条件の下で行った照明解析の結果による
照度分布図である。
【図9】本発明の一実施形態における密着イメージセン
サの他の態様を示す断面図である。
【図10】集光レンズ部が円筒面である従来の線状照明
装置の光路図である。
【符号の説明】
5 線状照明装置 50 導光体 51 導光部 52 集光レンズ部 53 LED 54 拡散反射部

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 透光性部材からなる柱体形状の導光体に
    より、光源からの光束を原稿面において線状に照射する
    線状照明装置であって、 前記光源は、柱体の底面に相当する前記導光体の端面に
    取り付けられており、 前記導光体は、柱体の側面に相当する位置に光束射出面
    が形成された集光レンズ部と、該集光レンズ部に連続し
    て形成された導光部と、該導光部を挟んで前記光束射出
    面の対向側に設けられた拡散反射部とを備え、 前記集光レンズ部の前記光束射出面は、前記拡散反射部
    と前記原稿面とを共役な位置関係にする非円筒面であ
    る、 ことを特徴とする線状照明装置。
  2. 【請求項2】 前記導光体の前記端面に平行な方向の断
    面における、前記光束射出面の軌跡は、前記光束射出面
    の面頂を座標原点、光軸をz軸、及び光軸に垂直な軸を
    y軸とする座標系において、前記面頂から前記拡散反射
    部までz軸上の長さをl0、前記面頂から前記原稿面ま
    でのz軸上の長さをl1、前記導光体の空気に対する屈
    折率をnとする時、 n(y2+(l0−z)21/2+(y2+(l1+z)2
    1/2=nl0+l1 で表されることを特徴とする請求項1に記載の線状照明
    装置。
  3. 【請求項3】 前記導光体の前記端面に平行な方向の断
    面において、光軸に垂直な方向での前記拡散反射部の幅
    をa、前記集光レンズ部の横倍率をβ、光軸に垂直な方
    向に対する原稿面の角度をθとすると、原稿面上の原稿
    照明幅b’は、 b’=−aβ/cosθ で表されることを特徴とする請求項1に記載の線状照明
    装置。
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