JP5494397B2 - Led線状光源および読取装置 - Google Patents

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Description

この発明は、原稿照明装置に用いられるLED線状光源および読取装置に関する。特に、LEDを導光体の端部に配置したLED線状光源および読取装置に関する。
従来から原稿照明装置の光源として、発光ダイオード(LED)を利用した技術が知られている。この技術には、LEDを原稿面の幅方向全体に亘って複数個配置させたアレー型のものと、透光性の樹脂等からなる導光体の端部にLEDを配置し、LEDの放射光を導光体に伝搬させるタイプの二つに分かれている。最近では、LEDの出力が高くなりつつあることから導光体を用いたタイプが注目されている。
導光体を用いた線状光源としては、例えば、特開平11−134918が知られている。
図7は上記公報に記載される線状光源を示す。LED71が導光体72の端部73に配置される。LED71の放射光を、端部73から入射させて、導光体72の内部を伝搬させ、長手方向に沿って伸びる外面から出射光となる。導光体72には、三角波面で構成された反射領域74が設けられており、反射領域74を覆うように拡散反射面75を備えている。また、反射領域74と拡散反射面75との間に光学的マッチングをとらない空間76を設けた構成が開示されている。
さらに、導光体72の端面733には接続部77が設けられ、この接続部77の外周部に拡散層771が形成される。接続部77は断面の形状が円形であり、かつ、導光体72の径と同じか又はそれより小さい。
特開平11−134918公報
ところで、上記線状光源からの放射光を原稿に照射させる際、放射光の均一性を保つために、上記特許文献1の技術では、
(a)円筒状の接続部77の外周に拡散層771を形成し、かつ、導光体72の形状を光源から徐々に小さくする構造、
(b)反射領域74の幅を次第に大きくする構造、
(c)長手方向に一定の幅の反射領域74を間欠的に配置する構造が提案されている。
しかし、このような構造では、光源近傍からの照射光を均一に保つことは、下記の理由から困難であることがわかった。
発明者は、上記と同様な構成の導光体を試作した。図6は導光体72の構成、導光体72を配置した原稿照明装置85の構成、さらには、原稿配置ガラス86上での強度分布を示す。
図6(a)は導光体72の入光部側から見た側面図を示す。使用した導光体72は、透光性のアクリル樹脂にて製作し、全長は320mmである。導光体72の長手方向である光軸に直交する断面の形状が略楕円状であって、光を出射する出射面61を含む上面62と、上面62に対向する凹部631と凸部632とからなる反射面63を含む下面64とからなり、導光体72の下面64には、全体に亘って、導光体72との間に空気層66を介して拡散反射面67が設けられている。また、導光体72の入光端面には円柱状の突出部68が設けられており、その外周部全体には光拡散反射性のある塗料69を塗布している。
LED線状光源を使った照明装置を、複写機やスキャナーなどの読取装置に搭載させる際、照明装置は原稿読取領域に対して斜め方向に配置される。これは、原稿面の読取領域直下には、原稿からの反射光をCCD等へ取り込むために、密着露光タイプではセルフォックレンズが、縮小露光タイプでは折り返しミラーが、配置される等の機構上の制限によるものである。
図6(b)に示すように、原稿配置用ガラス86(以下、単に「ガラス」とも言う)に対して導光体72は、その放射光が集光するガラス86上の位置(仮想線で示したY軸の位置)に対して紙面上左側に配置されている。このような配置により導光体72からの放射光は、原稿面に対して斜めに傾いた方向から照射されることとなる。
図6(c)は、図6(b)のA−A’の断面図を示す。導光体72の他端面722には、反射体723を配置して、導光体72の内部を通って他端面722に到達した光を、反射体723で反射して導光体72に戻している。
光源70は、基板に載置された発光ダイオード701と、その外周を封止する半球状の封止体702と、その封止体702を取り囲むように略円錐状の反射面703を有する反射体704が設けられることで、構成されている。
図6(b)、(c)のガラス86上に記載の小さな長方形の部材は、受光素子88を示している。ガラス86上に配置した受光素子88をZ方向に移動させることにより、ガラス86上の強度分布を測定することができる。
図6(d)には、導光体72から出射され、ガラス86上に集光した光を受光素子88で測定した強度分布を示している。同図における縦軸は、ガラス86の原稿側であって、仮想線aとの交点a1における光の強度値を測定し、導光体72の長手方向(Z軸方向)の中央部(Z=158mm)の強度値を100%とした場合の相対強度(%)を示し、横軸はガラス86上でのZ軸方向の測定位置(mm)を示している。また右図には、入光周辺部の拡大図を示している。
ここで、仮想線aをY軸とし、仮想線aとガラス86の原稿側の交点a1であって、かつ導光体72の入光端面から円柱状の突出部68を除いた位置を原点(0)とし、ガラス86上の原点から、+Z方向(紙面での右方向)と−Z方向(紙面での左方向)とに受光素子88を動かし、ガラス86側に照射される光の相対強度(%)を測定した(同図の丸印)。
同図に示した測定結果としては、Z=−10mmから徐々に出射光が立ち上がり、Z=2.5mmの位置に相対強度135%のピーク値が得られた。また、均一性が得られるまでに導光体72の端面73から円柱状の突出部68を除いた原点から15mmの距離があることがわかった。
以上のように、導光体72の光源周辺部では、出射光の強度ピークを持った分布が発生し、出射光の強度に均一性が得られるまでには、導光体72の入光端面からある程度の距離が必要であった。従って、特許文献1に記載されている構成では、光源周辺部を含めた照射光の均一性を得ることは困難であり、均一性を得るために導光体の全長を長くする、すなわち線状光源装置を長くする必要がある。
導光体72の光源周辺部の出射光の強度ピークは下記のように説明できる。すなわち、光源70から放射され導光体72内に入射した光は、導光体72の界面で全反射を経て導光し、凹部631と凸部632とからなる反射面63に入射する間接的な入射光(間接入射光)と、導光体72の内面で一度も反射することなく直接凹部631と凸部632とからなる反射面63に入射する直接入射光と、に分けて考えられる。
光源70から離れた箇所では、反射面63にあらゆる方向からの間接入射光が到達するため、反射面63より、出射面に向けて全反射する光と、反射面63で屈折して導光体72外に導かれた光が、反射面63の後方に位置する拡散反射面67により、再度、導光体72へ入射され導光体72内へ導光、または出射面から出射される。その結果、原稿面上には適当な広がりを持つ照射形態になる。
しかし、光源70周辺においては、発光ダイオード701からの光が直接入射する直接入射光と、導光体界面の反射を数回程度経た後に反射面63で反射される間接入射光が存在する。さらには、反射面63で屈折して導光体72外に導かれた光が、反射面63の後方に位置する拡散反射面67により、再度、導光体へ入射され導光体内へ導光、または出射面から出射される出射光が存在する。その結果、原稿面上には、均一な光を出射する導光体72の大半の部分に比べ光源70周辺から出射される光は、細く鋭い強度ピークを発生してしまう。
上記のように、凹部631と凸部632とからなる反射面63を設けた場合を説明したが、反射面63に光反射性の塗料を塗布しても同様な事が言える。
この細く鋭い強度ピークを持った出射光は、線状光源の取り付け精度によって、又、読取走査時の導光体支持基板のガタツキなどによっても、原稿面で読み取る反射光の強度を顕著に変動させてしまう。さらに、原稿の浮き、厚い本などによる折り込み部など深度方向にも光量が顕著に変動するといった問題が発生する。
このような理由により、光源近傍からの出射光を制御するのが困難であるため、細く鋭い強度ピーク以降の出射光が均一になる領域を読取可能な発光領域として利用している。従って、導光体の全長を短くすることが困難であった。
そこで、本発明の目的は、発光ダイオード701を導光体72の端面733に配置したLED線状光源の端部73近くから出射される光を含めた出射光の均一性が得られるとともに、コンパクトなLED線状光源を提供することである。
第1の発明に係るLED線状光源は、その端部にLEDを配設した略棒状の導光体を備えたLED線状光源において、導光体の入光端面(LEDからの光を入光する端面)に隣接する外周面の一部に光(入光したLEDからの光)を拡散させるための拡散体を設け、導光体端部の導光体外側に光吸収部材を設けたことを特徴とする。
第2の発明に係るLED線状光源は、第1の発明において、導光体の入光端面に隣接する外周面の出射面側に光拡散性のある塗料を塗布したことを特徴とする。
第3の発明に係るLED線状光源は、第1の発明において、導光体の入光端面に隣接する外周面の出射面側に光を拡散させるための凹凸処理を施したことを特徴とする。
また、第の発明に係る読取装置は、上述のLED線状光源装置を組み込んだことを特徴とする。
本発明に係るLED線状光源は、LEDを導光体の長手方向における端部に配置した光源において、端部近くから出射される光を含めた出射光の均一性が得られるととともに、導光体の全長が線状光源として必要な有効発光長程度の長さで足りることから、非常にコンパクトな線状光源にできるという利点がある。
第1の発明の構成によれば、導光体の入光端面(LEDからの光を入光する端面)に隣接する外周面の一部で、入光した光を拡散させることにより、導光体内において、入光部付近の反射面に入射する間接的な入射光を増大させることが可能となり、導光体入光端部に近い位置からより多くの光を出射させることが可能となる。さらに、導光体の上面と対向形成された反射面より、屈折して導光体外に導かれた光の一部を導光体の外部に設けた吸収部材により、吸収させることで、不均一な強度域の箇所を低減させることが可能となる。
第2の発明に係るLED線状光源は、第1の発明において、導光体の入光端面に隣接する外周面の出射面側に光反射性のある塗料を塗布させることで、導光体内に入光された光のうち、出射面側の外周面に到達した光を、導光体入光端面付近の反射面方向へ拡散反射させ、反射面へ入射する間接的な入射光をさらに増大させることが可能となる。これにより、導光体入光端部に近い位置から出射させることが可能となるので、端部から放射される光量を増大し、結果として導光体の全長を有効発光長に近いコンパクトなものとすることができる。
第3の発明に係るLED線状光源は、第1の発明において、導光体の入光端面に隣接する外周面の出射面側に凹凸処理を施すことで、出射面側の外周面に到達した光を拡散反射、あるいは拡散透過させる。拡散反射された光は、導光体入光端面付近の反射面方向へ進光し、反射面へ入射する間接的な入射光となる。また、拡散透過した光は、発光ダイオードと、その外周を封止する半球状の封止体と、その封止体を取り囲むように略円錐状の反射面を有する反射体にて反射され、導光体へ再入射する。その過程でも再度拡散され導光体入光端面付近の反射面方向へ進行し、反射面へ入射する間接的な入射光となる。従って、導光体入光端部に近い位置から出射させることが可能となる。これにより、導光体入光端部に近い位置から出射させることが可能となるので、端部から放射される光量を増大し、結果として、導光体の全長を有効発光長に近いコンパクトなものとすることができる。
第4の発明に係るLED線状光源は、第1の発明において、導光体の上面と対向形成された反射面より、屈折して導光体外に導かれた光のうち、導光体外に導かれた光を変向させる半透明な拡散体により透過・拡散され、後方に位置する拡散反射部材により、反射され、再度半透明な拡散体を透過させることで、さらなる拡散成分を増加させることが可能となり、強度分布の部分的な明暗を低減させることが可能となる。
また、第5の発明に係る読取装置は、上述のLED線状光源を配置した読取装置であって、導光体から均一な光が照射されることで、再現性の良い、正確な複写等が実現できるとともに、読取装置自体をコンパクトにできるといった効果がある。
本発明のLED線状光源の第1の実施例の構成を示す。 本発明のLED線状光源の第2の実施例の構成を示す。 本発明のLED線状光源の他の実施例を示す。 本発明のLED線状光源の他の構成を示す概略図。 本発明のLED線状光源の他の構成を示す概略図。 従来のLED線状光源の構成を示す。 従来のLED線状光源を示した概略図。
本発明のLED線状光源は、略棒状の導光体からなり、光出射面を含む上面と、上面と対向形成された反射面を含む下面を有する。
導光体の入光端面(LEDからの光が入射する端面)に隣接する外周面の一部には拡散体が形成される。さらに、導光体の反射面では、一部の光を出射面に向けて全反射するとともに、他の光は反射面で屈折して導光体の外に出てしまう。導光体の外に出る光は光吸収部材で吸収される。
この結果、導光体に入光された光は、拡散体で拡散されて、入光部付近の反射面に入射する間接的な光を増大させる。そして、導光体の入光端面に近い出射面より出射させることが可能となる。さらには、光吸収部材により、不均一な強度域の箇所を低減が可能となる。
このような構成により、導光体の光源側から出射される光の均一性を高めるとともに、導光体の全長が線状光源として必要な有効発光長の長さ程度で足りることから非常にコンパクトな線状光源を提供することができる。
図1は、本発明のLED線状光源の第1の実施例を示す。導光体1は、透光性のアクリル樹脂にて製作され、全長は320mmである。図1(a)は光軸方向に直交する導光体1の入光部10から見た側面図を示し、図1(b)は受光素子32を含む測定配置図を示し、図1(c)は図1(b)のA−A’断面図を示す。
導光体1は、出射面2を含む上面3と、上面3に対向配置された下面7と、上面3と下面7とをつなぐ側面8とから構成される。下面7には、凹部4と凸部5とからなる反射面6が形成される。
光源12は、基板に載置された発光ダイオード13と、その外周を封止する半球状の封止体14と、その封止体14を取り囲むように円錐状の反射面15を有する反射鏡16から構成される。
また、光源12からの放射光が入光する導光体1の一端面には突出部17が形成される。突出部17は直径5mm、長さ2mmの円柱形状である。この円柱状の突出部17の外周面18には、出射面側のみに光拡散性を有する塗料19(拡散体)が塗布されている。塗料19は例えば二酸化チタンと透明シリコーン樹脂の混合体である。導光体1の他端面20には端部拡散反射体21が配置される。導光体1の内部を通って他端面20に到達した光は、この端部拡散反射体21にて拡散反射し、再び導光体1に戻される。
導光体1の下面7と側面8には、導光体1と空気層22を介して拡散反射部材23が配置されている。また、入光端面から少し離れた位置、例えば6mm〜14mmには拡散反射部材23が存在することなく切り欠き部24が形成される。導光体1への入射光は、切り欠き部4に到達すると、拡散反射されることなく支持基板25により吸収される。拡散反射部材23は、例えば、白色の拡散シートで形成されている。具体的には、二酸化チタンの微細粒子を混入したポリ・エチレン・テレフタレート(PET)樹脂からなる拡散シート、例えば東レ(株)製ルミラーE6QDを使用している。また、導光体1と拡散反射部材23は支持基板25により固定されている。支持基板25は、例えば、切り欠き部24に黒色のシートを配置、あるいは黒アルマイト処理を施したアルミニウム、もしくは黒色の樹脂にて製作しても良い。
図1(c)において、ガラス31上に記載の小さな長方形の部材は、受光素子32を示している。導光体1から放射された光は、ガラス31上に配置された受光素子32をZ方向に移動させることにより、ガラス31上における光の強度分布を測定することができる。
図1(d)は、ガラス31上における光の強度分布を示す。同図における縦軸は、ガラス31の原稿側であって、仮想線bとの交点b1における光の強度値を測定し、導光体1の長手方向(Z軸方向)の中央部(円柱状の突出部17を除く導光体1の光源12側の位置を0mmとした場合のZ=158mmの位置)の強度値を100%とした場合の相対強度(%)を示す。また、横軸はガラス31上でのZ軸方向の測定位置(mm)を示している。
ここで、受光素子32は、ガラス31上の原点から、+Z方向(紙面での右方向)と−Z方向(紙面での左方向)に動かして、ガラス31における光の相対強度(%)が測定される(同図の丸印)。なお、仮想線bをY軸とし、原点(0)は仮想線bとガラス31の原稿側の交点b1の位置であって、かつ、導光体1の入光端面9側から円柱状の突出部17を除いた位置としている。
図1(d)は測定結果を示す。右図は入光周辺部の拡大図を示す。この結果より、Z=−10mmから徐々に出射光が立ち上がり、Z=1mmの位置で相対強度105%となることは分り、すなわち、光源12の周辺部から出射される光を含めた原稿側への出射光に高い均一性が得られたことが示される。
このように導光体1の突出部の外周面18に拡散体を設けることで、出射面に到達した光を拡散反射させて、反射面6への間接的な入射光を増大させる。このため、導光体1の入光端面9に近い位置から均一な光を出射できる。さらに、導光体1の上面3と対向形成された反射面6より、屈折して導光体1の外に導かれた光の一部を導光体1の外部に設けた光吸収部材11により、吸収させることができる。これにより、不均一な強度域の箇所を低減させることが可能となり、導光体1の光源12周辺部から出射される光を含めた出射光の均一性が得られる。また、導光体1の全長が線状光源として必要な有効発光領域の長さ程度で足りることから非常にコンパクトな線状光源を提供できる、といった効果がある。
図2は、本発明のLED線状光源の第2の実施例である。第1の実施例と異なる点は、導光体33の下面34、及び側面35と、拡散反射部材36間には、半透明の拡散シート37を挟んだ点である。半透明の拡散シート37としては、例えば、(株)きもと製の25MBC等が使用できる。
図2(a)において、ガラス31上に記載の小さな長方形の部材は、受光素子32を示している。受光素子32がZ方向に移動すること、ガラス31上の強度分布を測定することができる。
図2(b)はガラス31上の強度分布を示している。同図における縦軸は光の相対強度を示す。具体的には、ガラス31の原稿側であって、図1(b)と同等の配置における仮想線bとの交点b1に相当する位置における光の強度値を測定し、導光体33の長手方向(Z軸方向)の中央部(図1(b)の場合と同じ位置)の強度値を100%とした場合の相対強度(%)を示している。また、横軸はガラス31上でのZ軸方向の測定位置(mm)を示している。
測定は図1(b)と同様で、仮想線bをY軸とし、仮想線bとガラス31の原稿側の交点b1、かつ、導光体33の入光端面9側から円柱状の突出部17を除いた位置を原点(0)とし、ガラス31上の原点から、+Z方向(紙面での右方向)と−Z方向(紙面での左方向)とに受光素子32を動かし、ガラス31側に照射される光の相対強度(%)を測定した。
図2(b)は測定結果であって、右図には入光端面9側周辺の拡大図を示している。この結果よりZ=−10mmから徐々に出射光が立ち上がり、Z=1mmの位置で相対強度101%となることがわかる。これにより、光源12の周辺部から出射される光を含めた出射光の更なる均一性の向上が得られたことがわかる。
このように導光体33の上面38と対向配置された反射面41より屈折して導光体33の外に導かれた光のうち、導光体33の外に導かれた光を変向させる半透明な拡散シート37を有する。そして、この拡散シート37により光は透過・拡散され、その後方に位置する拡散反射部材36により反射し、再度、半透明な拡散シート37を透過させている。さらに、拡散成分を増加させることが可能となり、強度分布の部分的な明暗を低減させることが可能となる。その結果、第1の実施例と同様に導光体33の光源12周辺部から出射される光を含めた出射光のさらなる均一性が得られると共に、導光体33の全長が線状光源として必要な有効発光領域の長さ程度で足りることから非常にコンパクトな線状光源装置にすることができる、といった効果がある。
図3は、本発明の拡散体の実施例である。図3(a)は、突出部の外周面18に光拡散性のある塗料42が形成される。もしくは、光拡散性のある塗料42が塗布されたテープ状のシートを貼り付けた場合を示している。光拡散性の材質として、例えば、二酸化チタン、硫酸バリウム、シリカ、アルミナなどの微細粒子と透明シリコーン樹脂の混合体が挙げられる。図3(b)は、導光体1の突出部の外周面18の出射面側に凹凸処理43(拡散体)を施した場合を示している。凹凸処理43は、レーザー、もしくはフロスト加工により、または、導光体1の射出成形時に金型に凹凸処理を施し一体成形で製作することにより形成できる。図3(a)、または、図3(b)で示したように、突出部の外周面18に塗布、または、形成することで、光源12近傍の導光体1の上面と対向配置された反射面に到達する光を増大することができる。
また、上述した第1、及び、第2の実施例においては、導光体の一端面に設けた光源12による光量が不十分である場合、例えば、図4に示すように、導光体44の他端面45にも光源46を設けることができる。
また、図5のように、導光体47の出射面からの放射光の強度分布において、入光端面近傍以外の箇所で不均一な強度域がある場合、例えば、導光体47の他端面53近傍に強度が高い場合などにおいても、当該位置に吸収部材52を設けることができる。
導光体 1
光出射面 2
上面 3
凹部 4
凸部 5
反射面 6
下面 7
側面 8
入光端面 9
入光部 10
吸収部材 11
光源 12
発光ダイオード 13
封止体 14
反射面 15
反射鏡 16
突出部 17
外周面 18
塗料 19
他端面 20
端部拡散反射体 21
空気層 22
拡散反射部材 23
切り欠き部 24
支持基板 25
原稿配置用ガラス 31
受光素子 32
導光体 33
下面 34
側面 35
拡散反射部材 36
拡散シート 37
上面 38
凹部 39
凸部 40
反射面 41
塗料 42
凹凸処理 43
導光体 44
他端面 45
光源 46
導光体 47
上面 48
凹部 49
凸部 50
反射面 51
吸収部材 52
他端面 53
光出射面 61
上面 62
反射面 63
凹部 631
凸部 632
下面 64
側面 65
空気層 66
拡散反射面 67
突出部 68
塗料 69
光源 70
発光ダイオード 701
封止体 702
反射面 703
反射体 704
LED 71
導光体 72
端部 73
端面 733
光屈折・反射領域 74
拡散反射面 75
空間 76
接続部 77
拡散層 771
原稿面 81
線状照明装置 82
原稿照明装置 85
原稿配置ガラス 86
受光素子 88

Claims (4)

  1. 端部にLEDを配設した棒状の導光体を備えたLED線状光源において、
    該導光体はその長手方向である光軸に直交する断面の形状が円弧状であって、光を出射する光出射面を含む上面と、該上面に対して光軸に沿って平行に配置され該上面に対向する反射面を含む下面とを有し、
    前記導光体の入光端面に隣接する外周面の出射面側のみに光を拡散させるための拡散体を設け、
    前記導光体の下面の外側には、拡散反射部材が設けられており、
    前記拡散反射部材には切欠き部が形成されており、
    前記反射面の形成された導光体の端部近傍であって、前記導光体の外に導かれ前記切欠き部に到達した光を当該導光体の外部で吸収する光吸収部材を設けたことを特徴とするLED線状光源。
  2. 前記拡散体は光拡散性のある塗料であることを特徴とする請求項1に記載のLED線状光源。
  3. 前記拡散体は導光体に施された凹凸処理部分であることを特徴とする請求項1に記載のLED線状光源。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1に記載のLED線状光源装置を組み込んだことを特徴とする読取装置。
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