JP5836740B2 - 導光体および照明装置並びに画像読取装置 - Google Patents

Description

本発明は、導光体および照明装置並びに画像読取装置に関する。特に、イメージスキャナー、複写機、ファクシミリなど、原稿面を照明して線順次方式で画像読取を行う画像読取装置に好適なものである。

従来、イメージスキャナー、複写機、ファクシミリなど、原稿面を照明して順次線状に画像読取りを行う画像読取装置に用いられる照明装置は、蛍光灯などの管状（線状）光源を用いていた。しかし、昨今の技術開発の結果、発光ダイオード（ＬＥＤ）の発光効率が向上し、光源としてＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を用い、照明装置とする技術が開発されている。光源としてＬＥＤのような点光源を用いる場合は、複数の点光源を所定方向（主走査方向）に配列する構成をとる。

ここで、複数の各点光源から出射された光束を原稿面などの読取面に直接照射すると、主走査方向において照度ムラが生じ、読み取った画像に濃度ムラが発生する。そこで、複数の点光源を用いた画像読取装置において、光源の配列方向（主走査方向）の照度ムラの発生を抑制するよう、様々な発明がなされている。

特許文献１には、光源から被対象物（原稿）に至る間に光をランダムに拡散するように、光源の配列方向（主走査方向）に沿って等間隔に光拡散部を設けることで、照度ムラを解消しようとする導光体および照明装置並びに画像読取装置が開示される。光拡散部は、具体的には表面粗し処理、つや消しコーティング処理、シボ処理等により形成される。

また、特許文献２には、主走査方向の照度ムラを改善するために、主走査方向に正のパワー（屈折力）を有するシリンダー面を導光体の反射部に周期的に設けることが開示される。

特開２００５−１５６６００号公報 特開２００９−８０１７３号公報

しかし、特許文献１では、主走査方向の端部において中央部と同様に光束をランダムに拡散してしまうために、所定の被照明領域外にも多くを拡散してしまい、光源から出射した光束の光利用効率が良くない。

また、特許文献２でも、主走査方向に一様に周期的配置されたシリンダー面であるために、主走査方向の端部において中央部と同様に光束を拡散し、所定の被照明領域外にも多くを拡散してしまう。このことで、光源から出射した光束の光利用効率の改善が求められる。また主走査方向の照度ムラに関し、複数の光源が不等間隔に配列される場合には更なる改善が求められる。

複数の光源が不等間隔に配列される場合には、周辺光量を確保するため密に光源が配列される主走査方向の端部では、より粗に配列される中央部に比べ、光の拡散は少なくてよく、また読取範囲外への拡散による効率低下も小さく抑えることが効率上重要となる。一方、光源の配列方向（主走査方向）の中央部では、光源の配列が粗であるため、光量の局所的増減を低減するためには、より拡散効率の高い拡散面が必要となる。

本発明の目的は、所定方向における配列が粗となる領域と密となる領域を備えるように前記所定方向に不等間隔に配置される光源に対応して、前記所定方向に拡散度が異なる拡散機能部を備え、照度ムラの改善を図ることができる導光体を提供することにある。また、同様に照明装置並びに画像読取装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る導光体は、第１の方向において粗になる第１の領域と密になる第２の領域とを有するように配列される光源からの光を導光する導光体であって、前記光源からの光が入射する入射部と、該入射部からの光を導光する導光部と、該導光部からの光を反射する反射部と、該反射部からの光が出射する出射部と、を有し、前記反射部及び前記出射部の少なくとも一方は、前記第１の方向に垂直な第１の断面内において集光作用を有し、かつ、前記第１の方向に配列される第１及び第２の曲面を含み、前記第１の曲面は、前記第１の領域からの光を前記第１の方向に平行な第２の断面内において第１の拡散度で拡散し、前記第２の曲面は、前記第２の領域からの光を前記第２の断面内において前記第１の拡散度よりも低い第２の拡散度で拡散し、前記第１及び第２の曲面の前記第２の断面内における曲率半径をそれぞれＲ１及びＲ２、前記第１及び第２の曲面の配列間隔をそれぞれＰ１及びＰ２、とするとき、前記第１及び第２の拡散度はそれぞれＰ１／Ｒ１、Ｐ２／Ｒ２で表されることを特徴とする。
また、上記導光体を搭載した照明装置並びに画像読取装置も本発明の他の一側面を構成
する。

本発明によれば、所定方向における配列が粗となる領域と密となる領域を備えるように前記所定方向に不等間隔に配置される光源に対応して、前記所定方向に拡散度が異なる拡散機能部を備えることで、照度ムラの改善を図ることができる導光体を提供できる。また、同様に照明装置並びに画像読取装置を提供できる。

（ａ）は本発明の実施形態に係る照明装置を示す斜視図、（ｂ）は主走査方向の光源および拡散機能部の配置に関する概念図である。 本発明の第１の実施形態に係る導光体における主走査拡散機能部の配列ピッチを示す図である。 第１の実施形態に係る導光体における主走査拡散機能部の配列ピッチを説明する図である。 （ａ）は主走査拡散機能部の形状の条件を説明する図、（ｂ）は形状不良を説明する図である。 （ａ）乃至（ｄ）は主走査拡散機能部の形状不良によって生ずる照度分布の変化を説明する図である。 第１の実施形態に係る照明装置による照度分布を説明する図である。 本発明の実施形態に係る照明装置を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る導光体における主走査拡散機能部の配列ピッチを示す図である。 第２の実施形態に係る導光体における主走査拡散機能部の配列ピッチを説明する図である。 第２の実施形態に係る照明装置による照度分布を説明する図である。 本発明の第３の実施形態に係る導光体の主走査方向照度分布シミュレーション結果を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る導光体の主走査拡散機能部の配列ピッチを説明する図である。 本発明の実施形態に係る照明装置を用いた画像読取装置を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

《第１の実施形態》
（画像読取装置）
図１３は、本実施形態における導光体および照明装置を搭載した画像読取装置１３００の副走査断面図である。照明装置１３０３により、原稿台ガラス１３０２に載置された読取対象である原稿１３０１を照明する。照明された原稿からの光を折り返しミラー１３０４ａ〜１３０４ｄで折り返し、コンパクトにたたみつつ、結像レンズ１３０６によって受光手段であるＣＭＯＳラインセンサー１３０５に結像させている。

そして、照明装置１３０３、ミラー１３０４ａ〜１３０４ｄ、結像レンズ１３０６、ラインセンサー１３０５を格納したキャリッジ１３０７をモータ１３０８により副走査方向（図中Ａ方向）に移動させることで、原稿１３０１の全域の画像情報を読み取っている。

（導光体および照明装置）
図１乃至図５により、本実施形態に係る導光体１１０およびこれを用いた照明装置１００を説明する。図１（ａ）は、本実施形態に係る照明装置の副走査断面［第１の断面］図（Ｚ−Ｘ断面図）を示す。第１の方向であるＹ方向（主走査方向）に配列される複数の光源１０１は、導光体１１０の入射部１１１に配置される。導光体１１０は、入射部１１１の両側に設定された側面１０２ａ、１０２ｂにより光源１０１からの光を導光する導光部１０２を備える。更に導光体１１０は、導光部１０２からの光を反射するようにＹ方向に沿って設けられる反射部１１２と、反射部１１２からの光を原稿面に導くようにＹ方向に沿って設けられる出射部１１３を備える。

そして、導光体１１０は、反射部１１２および出射部１１３の少なくとも一方が、Ｙ方向に交差する方向であるＸ方向（副走査方向）において正の集光作用を有するように構成される。更に導光体１１０は、反射部１１２および出射部１１３の少なくとも一方が、Ｙ方向において複数の拡散機能部を有するように構成される。

図１（ａ）で、複数の光源１０１から入射した複数の光束は、複数の拡散機能部が形成された反射部１１２上の各反射点で全反射し、出射部１１３から出射し、原稿台ガラス１２０を通過して読取対象領域を照明する。

図１（ａ）において、前述した複数の光源は、以下のように所定方向に配列される。即ち、複数のＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）からなる光源１０１は、１次元方向であるＹ方向に不等間隔に配列される。画像読取装置に搭載した場合に、この光源配列方向であるＹ方向が、主走査方向となる。また、Ｙ方向に交差するＸ方向が副走査方向となる。なお、図１（ａ）で、Ｚ方向はＸ方向及びＹ方向と直交する方向である。

このように所定方向（主走査方向）に配列される光源に関して、図１（ｂ）に示すように、複数の光源は主走査方向の中央部（第１の領域）で所定値より粗い配列（ピッチＡ）とされる一方、端部（第２の領域）で所定値より密な配列（ピッチＡより小さいピッチＢ）とされる。

図２に、本実施形態の導光体の主走査断面［第２の断面］図（Ｙ−Ｚ断面図）を示す。本実施形態における複数のＬＥＤ光源は、図３に示すピッチで主走査方向（Ｙ方向）の２３領域（領域ａ乃至ｗ）に配列され、端部へ行くに従い密な構成とし、主走査方向の端部での発光量を中央部に比べ増大させている。これはＬＥＤ配列が有限の幅であって、端部は主走査方向片側からの光しか得られないこと、また原稿からの光を受光段に導く結像光学系の画角特性を補正するためである。結像光学系の画角特性は、例えば結像光学系の周辺光量低下、光路を折りたたみコンパクト化を図るためのミラーの反射率角度特性、また受光素子おける感度の角度特性等を総合的に考慮したものである。

なお、導光体１１０の材料は、アクリル樹脂であり、射出成型によって導光体１１０を形成している。

（拡散機能部）
１）全体構成
拡散機能部は、主走査方向（Ｙ方向）における光源の粗となる領域(第１の領域）に対し、Ｙ方向において第１の拡散度を備える第１の曲面配列、光源の密となる領域(第２の領域）に対しＹ方向において第１の拡散度より弱い（低い）第２の拡散度を備える第２の曲面配列を有する。ここで、拡散機能部のＹ方向における曲面配列の曲率半径をＲ、配列間隔をＰとするとき、前述した拡散度の強弱はＰ／Ｒの大小に相当する。

本実施形態において、主走査方向（Ｙ方向）における拡散機能部は、主走査方向断面での曲率半径を共通に１ｍｍと一定化し、導光体側に凹とした複数の凹面として構成される。そして、光源の不等間隔配列に対応して、図３のように領域を２３個に分け、凹面のピッチ（間隔）をそれぞれの領域ごとに変化させて配列される。具体的には、ピッチ（間隔）は、主走査方向（Ｙ方向）の中央部の領域ｌで０．７ｍｍ、最端部の領域ａ，ｗで０．３５ｍｍというように、光源の配列方向で端部に向けてピッチ（間隔）が小さくなるように設定されている。

これにより、光源の配列方向の端部に向けて、段階的に順次拡散機能が低下する構成となる。なお、図３に示すように、拡散機能部のピッチ（間隔）は、主走査方向の中央部の領域ｌに関して、対称的に配列されている。ここで、図１（ｂ）に主走査方向（Ｙ方向）における光源の配置に関連した拡散機能部の配置を概念的に示す。拡散機能部は主走査方向で屈折力を有する一方、主走査方向に交差する副走査方向では屈折力を有さない、即ちシリンドリカル曲面を備えるものであるが、便宜的に図１（ｂ）では主走査方向および副走査方向に同じ屈折力を備えるものとして示している。

前述したように、光源は、中央部で粗の配置（ピッチＡ）を採る一方、両端部で密な配置（ピッチＡより小さいピッチＢ）を採る。これに対し、拡散機能部は中央部で粗の配置（光源のピッチＡ、ピッチＢより小さいピッチＣ）を採り第１の拡散度を有する一方、両端部で密な配置（ピッチＣより小さいピッチＤ）を採り第１の拡散度より弱い（低い）第２の拡散度を有する。

２）主走査方向の拡散作用
拡散機能部に入射した光線は、一度主走査方向（Ｙ方向）に集光するよう偏向される。しかし、その焦点距離よりも集光後の光路がはるかに長いため、結果的には拡散された状態で原稿面に向かうことになり、結果的に主走査方向（Ｙ方向）の拡散作用を有する面となる。

３）主走査方向の形状および配置
また、主走査拡散機能部の形状が空気側に凸とした複数の凹面鏡となっているのは、形成する金型の加工を容易にするためである。逆側に凸とした形状の場合には、金型では小さく切れ込んだ形状としなくてはならず、加工が一般に困難なためであるが、加工が可能であれば凹面としてもよい。

主走査方向断面における拡散機能部の曲率半径Ｒ、ピッチＰについては、０．２＜Ｐ／Ｒ＜２とするのが適当である。下限値である０．２に関して、拡散機能部は金型の加工容易性、また樹脂の充填をより確実に行うために細かすぎる形状となってはならず、０．５より小さくなると、金型形状が成形品側にえぐりこむような形状になってしまい、加工・成形ができない。一方、上限値である２に関して、Ｐ／Ｒが２よりも大きくなると、凹凸が小さくなりすぎ、十分な拡散効果を期待できない。

加工・成形上は２以下とするのが良いが、さらに樹脂の充填性など、成形品の形状安定性を向上させるため１．４３以下とすることがより望ましい。なお、充填不良が生じやすい急峻な形状が隣り合うような形状は避けたほうが好ましく、曲率半径を小さくするならばピッチも細かく、また曲率半径を大きくするならばピッチも広くするべきである。

また、拡散機能部の形状が正しく形成できず、図４（ｂ）のように谷部が平板状になった場合において、正反射成分が多い原稿を照明した場合の照度シミュレーション結果を図５に示す。図５（ａ）が形状にダレが無い場合、（ｂ）が形状にダレが生じた場合である。このシミュレーションでは、拡散機能部の曲率半径は０．２５ｍｍ、ピッチは０．３ｍｍ、Ｐ／Ｒ＝１．２である。また、形状にダレが生じた場合のシミュレーションでは、隣り合った凹面の境目に０．１ｍｍの平たん部を設けた。

図５から分かるように、形状にダレが生じると照度分布にリップルが生じている。また、同じように主走査拡散機能部の曲率半径Ｒを０．５ｍｍ、ピッチＰを０．６ｍｍ、Ｐ／Ｒ＝１．２とした場合の照度シミュレーション結果を図５（ｃ），（ｄ）に示す。図５（ｃ）が形状にダレが無い場合、図５（ｄ）が形状にダレが生じた場合である。Ｒ＝０．５の場合（図５（ｄ））、Ｒ＝０．２５の場合（図５（ｂ））に比べてダレの影響が少ないことが分かる。以上より、Ｐ／Ｒ一定でも、ＲまたはＰの大きい拡散機能部の方が、形状のダレに対して強い構成であり、曲率半径Ｒであれば０．３ｍｍ以上、より強い構成とするには０．５ｍｍ以上とするのが望ましい。

本実施形態の照明装置による原稿面における照度分布を図６に示す。図６の実線は原稿面での光量分布、点線は結像光学系での損失分、破線は実際に受光手段に到達する光量の分布である。なお、図６では実際には２次元に分布する光量値を副走査方向に積分し、１次元としたものを示している。図６で、主走査方向の中央部の値でそれぞれ正規化しており、実線で示す照明光量分布ではＡ３縦幅約１５０ｍｍ付近で中央部よりも約１．７倍大きいが、点線で示す結像光学系の効率が端部０．６倍程度に下がる。

このため、最終的にラインセンサーで受光する光量分布は、破線で示す通り、読取領域（主走査領域±約１５０ｍｍ）全域に渡ってほぼ均一となっている。

以上のような構成をとることで、ＬＥＤが離散的に配列されたことによる照度ムラ、また主走査拡散機能部によるリップルを良好に補正し、フラットな照度分布を形成することが可能である。

《第２の実施形態》
図７乃至図１０を用いて、原稿に対して両側より斜め照明を行う本実施形態の照明装置７００を説明する。図７は、本実施形態の導光体を用いた原稿照明装置の副走査断面図（Ｚ−Ｘ断面図）である。主走査方向に配列された複数のＬＥＤからなる光源７０１は、導光体７１０の入射部７１１に配置される。導光体７１０は、入射部７１１の両側に設けられた側面７０３ａ、７０３ｂにより光源７０１からの光を導光する導光部７０３を備える。

光源７０１から入射した複数の光束は、導光部７０３を通って複数の拡散機能部が形成された反射部７１２上の各反射点で一部は上方に全反射し、出射部７１３から原稿面に向けて出射する。また、複数の拡散機能部が形成された反射部７１２上で全反射しなかった残りの光束は、透過部７１４を透過して対向する反射傘７２０へと向かい、反射傘７２０で原稿台ガラス７３０に載置された原稿に向けて反射される。

これにより、原稿は対称的に両側より斜め照明される。なお、入射部から出射部まで一体化された図７に示される導光体は、第１の実施形態と同様に、射出成型によって形成されるアクリル樹脂でできている。本実施形態における複数のＬＥＤ光源７０１は、図８に示すピッチで主走査方向に配列され、端部へ行くに従い密な構成とし、第１の実施形態と同様の理由から主走査方向の端部での発光量を中央部に比べ増大させている。

拡散機能部は主走査方向断面での曲率半径Ｒを０．５ｍｍで一定とし、空気側に凸とした複数の凹面鏡であり、光源の不等間隔配列に対応して、図９のようにその間隔を２３個の領域ごとに変化させて配列している。拡散機能部のピッチ（間隔）は、主走査方向の中央部の領域ｌで０．５ｍｍ、最端部の領域ａ、ｗで０．２２ｍｍというように、端部に向かうに従って狭くなるように構成され、Ｐ／Ｒ比では０．４４〜１と、形状のダレに対する安定性と拡散効率を両立させている。なお、図９に示すように、拡散機能部のピッチ（間隔）は、主走査方向の中央部の領域ｌに関して、対称的に配置されている。

本実施形態の照明装置による、原稿面における照度分布を図１０に示す。図１０の実線は原稿面での光量分布、点線は結像光学系での損失分、破線は実際に受光手段に到達する光量の分布である。また、図では実際には２次元に分布する光量値を副走査方向に積分し、１次元としたものを示している。

以上のような構成をとることで、光源が離散的に配列されたことによる照度ムラ、また主走査拡散機能部によるリップルを良好に補正し、フラットな照度分布を形成することが可能である。

《第３の実施形態》
前述した実施形態では、主走査拡散機能部の曲率半径Ｒ、配列間隔（ピッチ）Ｐのうち、曲率半径Ｒを一定とし、ピッチを可変としていたが、本実施形態では曲率半径Ｒおよびピッチを非一定とするものである。

ここで図１１に、図９の主走査拡散機能部の各領域毎のＰ／Ｒを維持してＲを０．７５〜１．７５まで変化させた場合の主走査方向照度分布シミュレーション結果を示す。Ｒを可変とすることで前述した実施形態と同様の効果を持つ照明装置を構成できる。ここで、図１２に、２３個の領域ａ乃至ｗの各領域における主走査拡散機能部の曲率半径を示す。なお、図１２に示すように、拡散機能部のピッチ（間隔）は、主走査方向の中央部の領域ｌに関して、対称的に配置されている。

（変形例１）
第１、第２の実施形態では、拡散機能部が主走査方向における屈折力が一定であって、
配列間隔（ピッチ）が一定でない構成を採り、第３の実施形態では、拡散機能部が主走査方向における屈折力と配列間隔（ピッチ）が一定でない構成を採った。本発明はこれに限らず、拡散機能部が主走査方向における配列間隔（ピッチ）が一定であって、屈折力が一定でない構成を採ることもできる。この場合、拡散機能部の曲率半径に関連して屈折力が主走査方向において対称となるように構成することが好ましい。

（変形例２）
上述した実施形態では、入射部において、主走査方向における中央部が光源の粗となる領域に対応し、主走査方向における端部が光源の密となる領域に対応するようにしたが、本発明はこれに限らない。例えば主走査方向における一端部が光源の粗となる領域に対応し、主走査方向における他端部が光源の密となる領域に対応するようにしても良い。この場合も、拡散機能部は、前記粗となる領域に対し主走査方向において第１の拡散度を備える第１の曲面配列、前記密となる領域に対し主走査方向において第１の拡散度より弱い第２の拡散度を備える第２の曲面配列を有するものとする。

（変形例３）
以上の実施形態では、複数の拡散機能部が反射部１１２に設けられたが、出射部１１３に設けられても良い。あるいは、反射部１１２と出射部１１３の双方に設けられても良い。

（変形例４）
また、以上の実施形態では拡散機能部をシリンドリカル曲面とし、一旦集光後の拡散作用を利用したものであるが、配列方向の断面が円弧に限定されず、空気側に凸となり、近似的に円形とみなせる面（例えば複数の平面を曲面状に折り曲げた曲面）にも適用できる。

（変形例５）
以上の実施形態では、光源にＬＥＤを使用しているが、本発明は、単体では線光源とはならないその他の光源全般にも適用できる。

１０１、７０１・・ＬＥＤ光源、１１０、７１０・・導光体、１１１、７１１・・導光体入射部、１１２、７１２・・主走査拡散機能部を備えた反射面、１１３、７１３・・出射部

Claims (15)

1. 第１の方向において粗になる第１の領域と密になる第２の領域とを有するように配列される光源からの光を導光する導光体であって、
   前記光源からの光が入射する入射部と、該入射部からの光を導光する導光部と、該導光部からの光を反射する反射部と、該反射部からの光が出射する出射部と、を有し、前記反射部及び前記出射部の少なくとも一方は、前記第１の方向に垂直な第１の断面内において集光作用を有し、かつ、前記第１の方向に配列される第１及び第２の曲面を含み、
   前記第１の曲面は、前記第１の領域からの光を前記第１の方向に平行な第２の断面内において第１の拡散度で拡散し、前記第２の曲面は、前記第２の領域からの光を前記第２の断面内において前記第１の拡散度よりも低い第２の拡散度で拡散し、
   前記第１及び第２の曲面の前記第２の断面内における曲率半径をそれぞれＲ１及びＲ２、前記第１及び第２の曲面の配列間隔をそれぞれＰ１及びＰ２、とするとき、前記第１及び第２の拡散度はそれぞれＰ１／Ｒ１、Ｐ２／Ｒ２で表されることを特徴とする導光体。
2. ０．２＜Ｐ１／Ｒ１＜２
   ０．２＜Ｐ２／Ｒ２＜２
   なる条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の導光体。
3. 前記第２の曲面は、前記第１の方向において前記第１の曲面よりも端部の側に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の導光体。
4. 前記第１及び第２の曲面の前記第２の断面内における曲率半径は一定であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の導光体。
5. 前記第１及び第２の曲面の前記第２の断面内における曲率半径は非一定であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の導光体。
6. 前記第１及び第２の曲面の配列間隔は非一定であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の導光体。
7. 前記第１及び第２の曲面の配列間隔は、前記第１の方向における中央から最端部に向かうに従い小さくなることを特徴とする請求項６に記載の導光体。
8. 前記第１及び第２の曲面の配列間隔は一定であることを特徴とする請求項５に記載の導光体。
9. 前記第１及び第２の曲面は、前記第２の断面内において前記入射部の反対側に凸となる形状であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の導光体。
10. 前記第１及び第２の曲面は、シリンドリカル曲面であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の導光体。
11. 前記第１及び第２の曲面は、前記第１の方向において対称に配列されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の導光体。
12. 前記入射部からの光が前記反射部を介さずに透過する透過部を有することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の導光体。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の導光体と、前記光源と、を備えることを特徴とする照明装置。
14. 前記導光体は、前記入射部からの光が前記反射部を介さずに透過する透過部を有し、前記透過部からの光を反射する反射傘を備えることを特徴とする請求項１３に記載の照明装置。
15. 原稿を照明する請求項１３または１４に記載の照明装置と、前記原稿からの光を受光する受光手段と、を備えることを特徴とする画像読取装置。