JPH09311279A

JPH09311279A - 照明装置

Info

Publication number: JPH09311279A
Application number: JP8147864A
Authority: JP
Inventors: Masataka Shirato; 昌孝白土
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-05-20
Filing date: 1996-05-20
Publication date: 1997-12-02

Abstract

(57)【要約】【課題】光源からの光を出射させる出射口での光量むら
の影響を受けることなく、必要なライン状の領域内で均
一な照度が得られる照明装置を提供する。【解決手段】光源部１００からの光をライン型ライトガ
イド１０４に導いて光出射面１０５上の所定のピッチで
平行に設けられた複数列の長尺な出射口１２１から出射
させ、この出射された光をシリンドリカルレンズ１０６
で集光して照射面１０７に照射する照明装置において、
シリンドリカルレンズ１０６の焦点距離をｆ、出射口１
２１からシリンドリカルレンズ１０６までの距離をｄ、
シリンドリカルレンズ１０６から照射面１０７までの距
離をＬとしたとき、１／ｆ≠（１／ｄ）＋（１／Ｌ）を
満たすように光学系を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は照明装置に係り、特
に画像読み取りシステムにおいて読み取り対象のライン
状の領域を照明するのに適した照明装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ＣＣＤラインイメージセンサを
用いた画像読み取りシステムでは、書状などの読み取り
対象を照明する必要がある。ラインイメージセンサはラ
イン状の感光領域を有するため、読み取り対象の照明領
域もライン状となることが望ましい。そこで、このよう
な用途の照明装置では、従来よりハロゲンランプのよう
な光源からの光を集光させた後、出射端をライン状に配
列した光ファイバ束を用いたライン型ライトガイドに通
すことでライン状に整列させて、読み取り対象などの照
射面に照射する構成がとられてきた。

【０００３】しかし、ライン型ライトガイドから出射さ
れる光は、比較的大きな角度内に放射されるので、ライ
トガイドの出射口と照明面との距離が数ｃｍ程度でも数
ｃｍの幅に光が広がってしまう。ＣＣＤラインイメージ
センサでは、幅１００μｍ程度のライン状の照明領域し
か必要としないので、これでは光の利用効率があまりに
低いことになる。

【０００４】また、照射面上の照度分布は中心から周辺
部に行くに従い照度が大きく下がる分布となるため、書
状の斜め上から照明を行い、書状の正面からラインセン
サで画像を読み取るような画像読み取りシステムにおい
て、書状が厚み方向に少しでも前後すると照射面の中心
がずれるため照度が低下してしまう。

【０００５】図１７に、この問題点を解決する従来の照
明装置を示す。この照明装置では、ライン状に配列され
た光ファイバ束からなるライン型ライトガイドから出射
される光を照射面上の狭いライン状の領域に集光させる
ために、シリンドリカルレンズを用いている。シリンド
リカルレンズの長さ方向と垂直な面で系を切って見たと
きに、照射面上での照度分布をできるだけ狭い範囲に集
中させるためにライトガイドの出射口の像が照射面上に
形成されるような配置とする。シリンドリカルレンズの
焦点距離をｆ、出射口とシリンドリカルレンズとの距離
をｄ、シリンドリカルレンズと照射面との距離をＬとす
ると、１／ｆ＝（１／ｄ）＋（１／Ｌ）という関係のときに出射口の像が照射面上に形成され
る。但し、ここでシリンドリカルレンズの厚みは無視し
ている。このようにすることにより、ラインイメージセ
ンサによる読み取りに必要な照射面上のライン状の領域
に照度分布を集中させ、光の利用効率を向上させること
ができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の照明装置では照射面上のできるだけ狭いライン状の領
域に照明光を集中させるために、ライン型ライトガイド
の出射口がシリンドリカルレンズに対し照射面上で結像
するように系を配置している。従って、ライトガイドの
出射口からの出射光の光量に位置依存のむらがある、つ
まり出射口内の各位置での出射光量が異なる場合、照射
面上の照度分布にもむらが生じるという問題点があっ
た。

【０００７】本発明は、光源からの光を出射させる出射
口での光量むらの影響を受けることなく、照射対象上の
必要なライン状の領域内で均一な照度が得られる照明装
置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明は光源からの光を出射させる出射口からの光
を照明対象である照射面上のライン状の領域に完全に結
像しないようにレンズで集光して、照射面上における出
射口の像がボケるようにし、もって出射口での光量むら
が照射面に反映されるのを防ぎ、光の利用効率を損なう
ことなく照度分布を一様化するようにしたものである。

【０００９】すなわち、本発明に係る照明装置は、光源
からの光を所定のピッチで平行に設けられた複数列の長
尺な出射口から出射させ、これをシリンドリカルレンズ
により集光して照明対象に照射する場合に、シリンドリ
カルレンズの焦点距離をｆ、出射口からシリンドリカル
レンズまでの距離をｄ、シリンドリカルレンズから照明
対象までの距離をＬとしたとき、１／ｆ≠（１／ｄ）＋（１／Ｌ）（１）の条件を満たすことを特徴とする。

【００１０】この場合、さらに光源解析より見い出され
た所定量だけ結像の位置が照射面より少し遠くにずれる
ように光学系を構成することにより、照射領域内に複数
列の出射口間の間隙に対応する暗い筋が現れるなどの照
度むらが防止され、良好な照明状態が実現される。

【００１１】具体的には、シリンドリカルレンズの焦点
距離をｆ、出射口からシリンドリカルレンズまでの距離
をｄ、シリンドリカルレンズから照明対象までの距離を
Ｌ、出射口から単位距離離れた平面上において該出射口
内の一点の寄与する照度分布の幅をｗとしたとき、［数
１］の式（２）で定義されるパラメータεを０．６３２＜ε＜１．４８（３）の条件を満たすように設定すればよい。この範囲内にパ
ラメータεを設定することにより、照明対象に対する高
い照明効率と照明対象上の照度分布の均一化が達成され
る。

【００１２】また、本発明に係る他の照明装置は、光源
からの光を所定のピッチで平行に設けられた複数列の長
尺な出射口から出射させ、これをシリンドリカルレンズ
により集光して照明対象に照射する場合に、円柱レンズ
の焦点距離をｆ、出射口から円柱レンズの中心までの距
離をｄ、円柱レンズの中心から照明対象までの距離をＬ
としたとき、１／ｆ≠（１／ｄ）＋（１／Ｌ）（４）の条件を満たすことを特徴とする。

【００１３】この場合においても、光源解析より見い出
された所定量だけ結像の位置が照射面より少し遠くにず
れるように光学系を構成することにより、照射領域内に
暗い筋などが現れるなどの照度むらが防止され、良好な
照明状態が実現される。

【００１４】具体的には、円柱レンズの屈折率をｎ、半
径をｒ、出射口のピッチをｐ、出射口から円柱レンズの
中心までの距離をｄ、円柱レンズの中心から照明対象ま
での距離をＬ、出射口から単位距離離れた平面上におい
て該出射口内の一点の寄与する照度分布の幅をｗとし、
ｆ＝ｒ・ｎ／２（ｎ−１）で与えられる近軸焦点距離ｆ
を定義したとき、［数２］の式（５）で定義されるパラ
メータεが［数３］の式（６）の条件を満たし、さらに（ｒ／２ｐ）＞１、かつ１≦ｄ／ｒ＜２（７）の条件を満たすようにすればよい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。

【００１６】（第１の実施形態）図１は本発明の一実施
形態に係る照明装置を含む画像読み取りシステムの構成
を示す図であり、図２は照明装置の要部の構成を示す図
である。

【００１７】光源部１００はランプ１０１と反射鏡１０
２からなり、ランプ１０１から発した光は反射鏡１０２
で集められ、光ファイバ束により構成されるライン型ラ
イトガイドのガイド部１０３に一端（入射端）から入射
する。ライン型ライトガイドのライン配列部１０４の光
出射面１０５から出射した光は、集光レンズであるシリ
ンドリカルレンズ１０６を介して照明対象である照射面
１０７、例えば書状の表面上に照射され、照射面１０７
上のライン状の領域を照明する。ライン型ライトガイド
１０４は、図１の例では照射面１０６の表面を上下両側
の斜め上方から照明するように、二個所に設けられてい
る。

【００１８】こうしてライン型ライトガイドの光出射面
１０５から出射され、さらにシリンドリカルレンズ１０
６により集光された光によって照明された照射面１０７
上の画像は、結像レンズ１０８を介して照射面１０７の
正面に設けられたＣＣＤラインイメージセンサ１０９上
に結像され、ＣＣＤラインイメージセンサ１０９は照射
面１０７上の画像を読み取り、画像信号を図示しない処
理部へ出力する。

【００１９】ライン型ライトガイドの光出射面１０５
は、図３に示すように所定のピッチｐで平行に設けられ
た長尺な、すなわち細長い形状の複数列（この例では二
列）の出射口１２１を有する。このような出射口１２１
を有する光出射面１０５は、具体的には図４（ａ）に示
されるようにライン型ライトガイドを構成する光ファイ
バ束の各光ファイバの出射端１２２を二列に並べること
によって実現することができる。

【００２０】ここで、従来技術のように出射口１２１か
ら出射した光をシリンドリカルレンズ１０６によって照
射面１０７上のライン状の領域に単純に集光させて結像
させた場合には、各列の出射口１２１間の隙間の存在な
どにより生じている出射光量のむら、つまり光強度分布
のむらが照射面１０７上の照度分布にそのまま反映され
てしまい、照度の均一な照明ができない。

【００２１】これに対し、本発明においては照射面１０
７上において出射口１２１の像がある適切な量だけボケ
を生じるように光学系を構成して照明を行う。このボケ
によって、出射口１２１での光強度分布のむらが照射面
１０７に反映されるのを防止し、さらには照射面１０７
上の照度分布を均一化することができる。しかも、単に
照射面１０７上の照度むらが低減されるのみならず、光
の利用効率を下げることなく、照射面１０７上のある一
定の幅のライン状の領域内において、照度分布をほとん
ど一様にすることができる。以下、この効果について説
明する。

【００２２】まず、図２および図３に示したような光出
射面１０５に複数列の長尺な出射口１２１を持つライン
型ライトガイドと、その正面に出射口１２１の長さ方向
に沿って平行に配置されたシリンドリカルレンズ１０６
からなる光学系が照射面１０７上で出射口１２１の像が
結像するような位置関係にある場合、すなわちシリンド
リカルレンズ１０６の焦点距離をｆ、出射口１２１から
シリンドリカルレンズ１０６までの距離をｄ、シリンド
リカルレンズ１０６から照射面１０７までの距離をＬと
して、これらが１／ｆ＝（１／ｄ）＋（１／Ｌ）の関係にある場合を考える。なお、ここでシリンドリカ
ルレンズ１０６の収差は十分小さいものとする。

【００２３】このとき、照射面１０７上には出射口１２
１の像が形成される。この場合、照射面１０７上の照度
分布は、シリンドリカルレンズ１０６の軸方向に見て、
出射口１２１での光強度分布のむらがそのまま拡大／縮
小された形で反映されたものとなる。もちろん、シリン
ドリカルレンズ１０６は軸方向には集光作用を持たない
ことから、出射口１２１の像は結像しない。なお、図２
においてＦＷＨＭは半値全幅である。

【００２４】一方、光学系が照射面１０７上に出射口１
２１の像が結像しないような位置関係にある場合におい
ても、素子の位置関係を変えることなく、シリンドリカ
ルレンズ１０６の焦点距離を適当に調整することによっ
て、つまり１／ｆ′＝（１／ｄ）＋（１／Ｌ）なるｆ′の焦点距離を持つシリンドリカルレンズ１０６
に取り替えることによって、拡大／縮小倍率を変えずに
出射口１２１の像を照射面１０７上に結像させることが
できる。出射口１２１の像の大きさと出射口１０１から
出射される光の分布領域の大きさの比、つまり拡大／縮
小倍率は、出射口１２１からシリンドリカルレンズ１０
６までの距離ｄおよびシリンドリカルレンズ１０６から
照射面１０７までの距離Ｌの比によって決まる。

【００２５】これに対し、本発明に従い出射口１２１の
像を照射面１０７上に結像させない場合、すなわち１／ｆ≠（１／ｄ）＋（１／Ｌ）の条件を満たすように構成した場合には、照射面１０７
上の出射口１２１の像は少しボケたものになる。ボケ具
合は、出射口１２１内の各点からの光線の指向性の強さ
と、結像の強さによって決まる。照射面１０７上におい
て、出射口１２１内の一点が寄与する照度分布、つまり
出射口１２１内の一点から各方向に向けて出射した各光
線が照射面１０７上に形成する像の分布を点像分布関数
（point spread function)と呼ぶことにする。収差が無
視できるような場合には、この照射面１０７上の像は出
射口１２１内のどの点に対しても同じ大きさ、同じ形状
であり、像の照度はその点から出る光の強さに比例す
る。従って、照射面１２１上の照度分布は、出射口１２
１の像と点像分布関数との畳み込み（convolution)を計
算することにより得られる。

【００２６】点像分布関数についてさらに詳しく述べ
る。まず、出射口１２１からの出射光の広がり分布につ
いて近似を行う。出射口１２１上の各点を出た光は、あ
る立体角的広がりを持って放射される。出射口１２１か
らの出射光の広がり方を評価するために、出射口１２１
内のある一点から出射した光の照度分布を出射口１２１
から単位距離だけ離れた平面上において観測した場合、
照度はある点において最大値を取り、その周辺では徐々
に下がる。出射口１２１から単位距離離れた平面上にお
いて、照度が最大値をとる点からの距離を｜ｘ｜とした
ときに、その平面上における照度分布Ｉ_dir（｜ｘ｜）
を次式のように近似して表す。

【００２７】

【数４】出射口１２１が図４（ａ）に示したように多数の光ファ
イバ束の出射端１２２を複数列に並べて構成される場合
には、ｃ＝２．８，ｗ＝０．２４とすると、実際の光フ
ァイバ束の出射口の様子に近いものが得られる。この分
布は、ガウス分布（ｃ＝２の場合）を若干矩形に近付け
たような形状である。これ以降、これらｃ＝２．８，ｗ
＝０．２４の値により検討を行う。

【００２８】また、シリンドリカルレンズ１０６として
無収差と近似できるレンズを用い、出射口１２１内の一
点から発した光をシリンドリカルレンズ１０６で集光し
て照射面１０７に照射した場合には、出射口１２１内の
一点が照射面１０７上で作る像は、出射口１２１の像を
縦横に拡大／縮小して平行移動したものとなる。ここ
で、照射面１０７上に座標（ｘ，ｙ）をとる。照射面１
０７上を光学系の中心軸（光軸）が貫く点を原点とし
て、出射口１２１の長さ方向（シリンドリカルレンズ１
０６の軸方向）にｙ軸をとり、これと垂直方向にｘ軸を
とる。そして、出射口１２１から単位距離だけ離れた平
面での照度分布Ｉ_dir（ｘ，ｙ）を次式とする。

【００２９】

【数５】この場合、照射面１２１上での照度分布Ｉ_PSF（ｘ，
ｙ）は、出射口１２１から単位距離だけれ離れた平面上
の照度分布Ｉ_dir（ｘ，ｙ）に比べて、ｘ軸方向にはｄ
＋Ｌ−（ｄＬ／ｆ）倍に、ｙ軸方向にはｄ＋Ｌ倍にそれ
ぞれ拡大または縮小されて、次式のようになる。

【００３０】

【数６】シリンドリカルレンズ１０６は、軸方向であるｙ軸方向
に関しては集光作用を持たない、つまり−（ｄＬ／ｆ）
の項が無いため、シリンドリカルレンズ１０６を通過し
た光は通常、ｙ軸方向にはｘ軸方向の分布よりはるかに
広い範囲に光が広がる。このため、出射口１２１の長さ
方向およびシリンドリカルレンズ１０６の軸方向の長さ
が十分大きい場合には、照射面１０７上のｙ軸方向の照
度分布は平均化され、ほぼ一様とみなせる。そこで、こ
れ以降はｘ軸方向の照度分布のみを説明する。この場
合、照度分布Ｉ_PSF（ｘ）は次式で表すことができる。

【００３１】

【数７】次に、出射口１２１の像について述べる。出射口１２１
上の光強度分布も、一般には位置によってむらがある。
ここで、図４（ａ）に示したように光ファイバ束を複数
列並べたライン型ライトガイドを用いると、出射口１２
１内においても光ファイバ束を構成する各光ファイバの
出射端１２２に相当する部分（図の○で表される部分）
と、出射端１２２から外れた部分（図の□で囲まれた部
分のうち○で囲まれない部分）とがある。前者からは光
が出射され、その光強度分布はほぼ一様であるが、後者
からは光がほとんど出射されない。

【００３２】ここで、シリンドリカルレンズ１０６が無
収差に近似できるレンズであって、照射面１０７が結像
距離にある場合には、このような出射口１２１での出射
光量むらがそのまま照射面１０７上の照度分布となって
表れる。但し、ｙ軸方向には照度分布は平均化されるの
で、光ファイバ束を複数列並べたライン型ライトガイド
１０４においては、出射口１２１でのｘ軸方向の位置ｘ
における平均的光強度分布Ｉ_src（ｘ）は、光ファイバ
束の一列当たり次式となる。

【００３３】

【数８】この平均的光強度分布Ｉ_src（ｘ）がシリンドリカルレ
ンズ１０６によって照射面１０７上に投影されると、像
はＬ／ｄ倍に拡大され、照射面１０７上の照度分布Ｉ
_scr（ｘ）は次式となる。

【００３４】

【数９】また、光ファイバ束が二列のときの照度分布Ｉ
_scr（ｘ）は次式となる（図４（ｂ）参照）。

【００３５】

【数１０】ライン型光ガイドが光ファイバ束で構成される場合とさ
れない場合に拘らず、出射口１２１の形状に応じてｙ軸
方向に平均化した照度分布Ｉ_scr（ｘ）を用いた設計は
有効であり、そのような変形も本発明に含まれるものと
する。また、上記の半円状の照度分布をそのままＩ_scr
（ｘ）として用いる近似によっても、多くの場合に良好
な設計が得られる。

【００３６】出射口１２１の像が照射面１０７上に結像
しない位置にシリンドリカルレンズ１０６がある場合の
照射面１０７上での照度分布は、出射口１２１の像と点
像分布関数との畳み込みによって決まる。

【００３７】ここで、点像分布関数の半値全幅（１／ｅ
^1/2値全幅）と出射口１２１の像の幅との比によって、
次式のパラメータεを定義する。

【００３８】

【数１１】これは［数１］の式（２）と同じ式であり、ｆはシリン
ドリカルレンズ１０６の焦点距離、ｄは出射口１２１か
らシリンドリカルレンズ１０６までの距離、Ｌはシリン
ドリカルレンズ１０６から照射面１０７までの距離、ｗ
は出射口１２１から単位距離離れた平面上において出射
口１２１内の一点の寄与する照度分布の幅である。この
パラメータεを用いると、照射面１０７上の照度分布
は、出射口１２１が二列ある場合、次式で表すことがで
きる。

【００３９】

【数１２】この式において、関数ｈ（ｘ′，ε）は次式に示す２つ
の関数

【００４０】

【数１３】の畳み込み、つまり、

【００４１】

【数１４】として定義される。これらを用いることにより、点像分
布関数は

【００４２】

【数１５】と表され、また出射口１２１の像は

【００４３】

【数１６】と表すことができる。

【００４４】シリンドリカルレンズ１０６を挿入しない
場合の照射面１０７上の照度分布はｆ→∞、Ｌ／ｄ→
１、ｘ→−ｘとおいたときと同じ分布となるので、ｈ
（−ｘ′，ε）＝ｈ（ｘ′，ε）をも用いることによ
り、出射口１２１が二列あるときの照度分布は次式とな
る。

【００４５】

【数１７】ｗは光源の特性によって決まる定数であり、ｐも光源系
の形式による定数（出射口１２１のピッチ）であるの
で、Ｌ／ｄが決まれば上式を出射口１２１の像の大きさ
が同じになるようにスケール変換することができ、その
場合、照度分布の形状Ｉ_norm（ｘ）はＩ_norm（ｘ′）＝ｈ（ｘ′−１，ε）＋ｈ（ｘ′＋１，ε）（２４）となって、εのみによって決まる。但し、大きさが異な
っていても縦横のスケールを変換して同形になるときは
同じ形状とみなす。ε→０では、完全に結像した状態に
近付き、ε→∞と大きくなるほど像のボケは大きくな
る。

【００４６】以上により、シリンドリカルレンズ１０６
として収差が十分に小さいレンズを用いた場合、照度分
布の形状は［数１１］の式（１５）で定義されるパラメ
ータεによって指定することができる。

【００４７】次に、パラメータεの最適範囲について述
べる。出射口１２１が二列で構成される場合について、
εが様々な場合の照度分布としてｈ（ｘ−１，ε）＋ｈ
（ｘ＋１，ε）を求めた結果を図５に示す。また、この
ときの分布形状の各種比率、すなわち照度の中心値と最
大値の比、周辺値と最大値の比、９０％全幅と１０％全
幅の比、９０％全幅と５０％全幅の比を図６に示す。但
し、図５および図６において、光軸の光の広がり分布を
決める式（７）中の定数ｃは、ｃ＝２．８とした。さら
に、照射面１０７上の照度分布形状の各種値、すなわち
照度の最大値、周辺値、中心値、１０％半幅、５０％半
幅、９０％半幅を図７に示す。

【００４８】図５の曲線を見ると、εが小さいと照射面
１０７の位置０（中心部）に凹みができ、均一性が劣化
することが分かる。ＣＣＤラインイメージセンサのよう
なラインセンサでは、最も読み取る頻度の高い位置は中
心部であり、この部分の照度が照明効率に大きく影響す
る。そのため、十分な照明光率を得るためには、図６に
おける最大値と中心値の比率は少なくとも０．８５以上
であることが望まれ、これによりε＞０．６３２である
ことが要請される。

【００４９】また、ライン型ライトガイドが複数列の出
射口１２１によって構成されている場合、照射面１０７
上での照度分布の形状Ｉ_norm（ｘ′）は

【００５０】

【数１８】となるが、分布の裾野があまりなだらかで、隣またはそ
の隣の出射口の像の位置での照度ｈ（±２，ε）やｈ
（±４，ε）が大き過ぎると、分布Ｉ_norm（ｘ′）は、
周辺部のｘ′＝０やｘ′＝２（ｍ−１）において小さ
く、中心部のｘ′＝ｍ−１において大きくなったりし
て、照度分布が均一化されず、不都合である。但し、こ
の式中のｘ′は実際の照射面１０７上における長さｘを
ｘ′ｐＬ／２ｄ＝ｘとなるようにスケール変換したもの
である。

【００５１】図８は、出射口１２１が一列のときの照射
面１０７上での照度分布を表している。また、図９の実
線は同じく出射口１２１が一列のときの照射面１０７上
での照度分布を表し、破線は隣の列の出射口１２１が寄
与する照射面上での照度分布を表している。図９から照
度分布が平坦になるためには、出射口１２１の一列分が
寄与する照射面１０７上での照度分布におけるｘ＝０の
値にｘ＝ｐの値の２倍を加えた値が、出射口１２１の一
列の照度分布におけるｘ＝ｐ／２の値の２倍にほぼ等し
くなくてはならないことが分かる。

【００５２】但し、このためには出射口１２１の一列の
照度分布におけるｘ＝２ｐの値がｘ＝０の値に対し十分
小さいことが必要である。この条件が満たされない場合
には点像分布関数が必要以上にボケてしまい、隣の出射
口１２１の像の領域に干渉して、全体として均一な分布
とならない。また、出射口１２１の列を増やしても、増
やした分だけ照度が均一な領域を増やすことができな
い。

【００５３】出射口１２１の一列の照度分布におけるｘ
＝２ｐの値とｘ＝０の値との比は十分小さいことが望ま
しいが、十分な実用性を実現するためには０．００５以
下である必要がある。このことから、ε＜１．４８とい
う条件が求められる。

【００５４】以上の議論により、パラメータεは０．６
３２＜ε＜１．４８の範囲に収まっていることが好まし
い。特に、εが大きくなるに従って照度分布における中
心の凹みが無くなり、遂には中心部の値が最大値に一致
する点がある。ｃ＝２．８では、この照度分布の中心部
の値が最大値に一致する点は、ほぼε＝０．８７であ
る。また、ｃ＝２．０では、この点はほぼε＝０．８１
である。この条件下（例えばε＝０．８７）では、照度
分布はｘ＝０の直線を中心として最も一様性の高い分布
となる。ここでは、このように照度分布が頂上部で平坦
な形状となる条件を最適条件と呼ぶことにする。

【００５５】一例として、出射口１２１から照射面１０
７までの距離がｄ＋Ｌ＝３０ｍｍ、照射面１０７上のラ
イン状の照射領域の幅が４．５ｍｍとなるように光学系
を組む場合について検討する。但し、ｐ＝０．５、ｗ＝
０．２４であり、図４（ａ）のようにファイバ束を二列
に並べるものとする。ε＞＞１の場合を除くと、照射領
域の幅はほぼｐＬ／ｄで決まるので、ｄ＋Ｌ＝３０とｐ
Ｌ／ｄ＝４．５の条件からｄ＝３．３ｍｍ、Ｌ＝２７ｍ
ｍが決まる。

【００５６】最適条件はｃ＝２．８の場合ε＝０．８７
であるので、式（１５）よりｆを逆算すると、シリンド
リカルレンズ１０６の最適焦点距離としてｆ＝３．７０
８１５ｍｍが求まる。このように光学系の各種パラメー
タを決めると、照射面１０７上の幅４．５ｍｍのライン
状の領域全体にわたってほぼ一様な照度分布を得ること
ができる。

【００５７】次に、このようにシリンドリカルレンズ１
０６を含む光学系を最適化した場合の照射面１０７上の
照度分布を、シリンドリカルレンズ１０６が無い場合お
よびシリンドリカルレンズ１０６で出射口１２１の像を
照射面１０７上に完全に結像させた場合の照度分布と比
較する。

【００５８】シリンドリカルレンズ１０６を出射口１２
１と照射面１０７との間に挿入した場合の照度分布は、
式（１７）（１８）で定義した関数ｈ（ｘ′，ε）を用
いて式（１６）で表せることは上述した通りである。

【００５９】また、関数ｈ（ｘ′，ε）が次式で表され
ることも、式（１７）（１８）（１９）で定義した通り
である。

【００６０】

【数１９】但し、ε＝０となる場合には、上式でε→０の極限を考
えることにより、関数ｈ（ｘ′，ε）は次式となる。

【００６１】

【数２０】この式において、式（１８）で定義したｇ（ｘ′）に相
当する右辺の平方根の項に掛かる係数は、ｃ＝２．８の
とき２．２８１１３である。

【００６２】これらのことを基に最適化を行った場合、
シリンドリカルレンズ１０６が無い場合およびシリンド
リカルレンズ１０６で出射口１２１の像を照射面１０７
上に完全に結像させた場合の照射面１０７上の照度分布
のグラフを描くと、図１０のようになる。図中、実線は
前述した最適条件の場合、破線はシリンドリカルレンズ
１０６を挿入しない場合、点線はシリンドリカルレンズ
１０６を挿入して出射口１２１の像を照射面１０７上に
完全に結像させた場合の照射面１０７上の照度分布のｘ
軸方向（シリンドリカルレンズ１０６と直交する方向）
での断面をそれぞれ示している。

【００６３】最適条件の場合は中心に凹みが無く、中心
付近における照度がシリンドリカルレンズ１０６を挿入
しない場合に比べて２倍程度上昇しており、また設計通
り照射面１０７上の中心付近の幅４．５ｍｍのライン状
の照射領域の照度がほぼ均一化されていることが分か
る。なお、照射領域をさらに絞れば、それに反比例して
照度をさらに上昇させることができ、シリンドリカルレ
ンズ１０６を挿入しない場合に対する優位性が更に明確
になる。

【００６４】以上の説明では、シリンドリカルレンズ１
０６の収差がない場合に近似できるものとして議論を行
ってきたが、その結果得られたパラメータεの条件はシ
リンドリカルレンズ１０６の収差がある場合に適用して
も、実用上十分な性能を持った照明装置を実現できる。

【００６５】（第２の実施形態）次に、本発明の第２の
実施形態について説明する。図１１は本実施形態に係る
照明装置の要部の構成を示す図である。図２と同一部分
に同一符号を付して説明すると、本実施形態では集光レ
ンズとしてシリンドリカルレンズに代えて円柱レンズ２
０６を用いた点が第１の実施形態と異なっている。

【００６６】円柱レンズ２０６は、基本的に無収差シリ
ンドリカルレンズと同様の集光作用があるが、収差の大
きさ故、その振舞いを単純な数式で表現するのは難し
い。もし収差が大きい場合でも、無収差に近似可能な場
合の［数５］の式（５）（［数１］の式（２）と同じ）
に示したパラメータεと同様に、次式のようなパラメー
タε_abrを簡単な式で定義することができれば、無収差
の場合と同様にεが略１という条件から、実用上問題の
無い良好な照度分布が得られると考えられる。

【００６７】

【数２１】円柱レンズ２０６のように収差が大きい集光レンズを用
いた場合、厳密にいえば、点像は出射位置に依存して変
形する。また、この依存性が小さい場合でも、上式の分
子の点像分布関数の全幅は、一般には無収差の場合より
若干異なり、やや小さめの値となる。これらのことか
ら、ε_abrを定義して用いるのは実用的ではない。

【００６８】しかしながら、収差が大きなシリンドリカ
ルレンズを用いる場合のε_abrも収差の小さい極限にお
いては、無収差の場合のεに近付くはずである。よっ
て、収差が大きい場合にも、式（５）によって定義され
たεが、系の振舞いを表現する良い指標として機能する
ことが期待される。以下に述べるように、実際に光線追
跡のシミュレーションを行い、このことを確認した。

【００６９】収差の影響について知るために、具体的に
出射口１２１内にある一点から発して、円柱レンズ２０
６を透過し、照射面１０７に到達する光線の径路につい
て検討する。円柱レンズ２０６の中心付近に入射した光
線は、収差の無い場合と同様の方向へ進み、無収差の場
合の結像距離で集束する。しかし、円柱レンズ２０６の
周辺部に入射した光線は、大きな球面収差のために、無
収差の場合よりも大きく内側に進路を曲げられて、無収
差の場合の結像距離よりレンズ２０６に近い位置で集束
する。このことにより、円柱レンズ２０６を抜けたビー
ムの太さ、および点像分布関数の全幅は、無収差レンズ
の場合と比べて若干細くなる。

【００７０】一般に、収差の大きい光学系を検討する場
合、単純な結像の式を用いて議論することはできず、一
本一本の光線に対して光線追跡を行わなくてはならな
い。そこで円柱レンズ２０６の場合について、円柱レン
ズ２０６の半径ｒ、ライン型ライトガイドの出射口１２
１から対物レンズ２０６の中心部までの距離ｄ、出射口
１２１から照射面１０７までの距離ｄ＋Ｌを種々変化さ
せて光線追跡のシミュレーション計算を行い、最適条
件、つまり中央部の凹みが消えて平坦な大きな照度分布
が得られるような場合のパラメータの組合せを多数調べ
た。

【００７１】この結果、最適と認められたパラメータを
図１２の表に示す。これらは円柱レンズの場合に最適な
照度分布となるような系のパラメータである。これらか
ら式（５）を用いて計算したεを図１３にプロットし
た。図１３において横軸はｄ／（２ｐ）、縦軸はεであ
る。図中にある丸い点は、図１２の表の各データに対応
している。これにより図１２の各データの点は、図１３
のグラフ中のある領域内に分布することを見い出した。
第１の実施形態のように無収差のシリンドリカルレンズ
１０６を用いた場合には、最適条件は図１３のグラフ中
でｄ／（２ｐ）によらずε＝一定と表現されるが、本実
施形態のように円柱レンズ２０６を用いた場合には、収
差の影響でεの値は一定とはならず、ｄ／（２ｐ）と強
い相関を持ちながら、かなりばらつきを持ってしまう。

【００７２】なお、このシミュレーションにおいて、円
柱レンズ２０６を構成するガラスの屈折率はｎ＝１．４
８、出射口１２１内の一点から出る光の方向分布は出射
点から単位距離だけ離れた点にライトガイドの光出射面
に対して垂直にスクリーンを置いた場合に、スクリーン
中央からの距離をｒとしてｅｘｐ（−｜ｒ／ｗ｜ｃ／
２）という分布になるものとした。これらのパラメータ
ｃ，ｗには、ｃ＝２．８、ｗ＝０．２４という値を用い
た。ｃ＝２とするとガウス分布となるが、このシミュレ
ーションにおいてはｃ＝２．８として、ガウス分布より
やや四角張った分布を用いた。

【００７３】以上のように、無収差シリンドリカルレン
ズ１０６、円柱レンズ２０６のいずれを用いた場合にお
いても、照射面１０７が結像位置よりも少し手前に来る
ように、系のパラメータを結像条件から少しずらすこと
によって、点像分布関数の大きさを調節し、出射口１２
１からの出射光の光量むらを平滑化して、照射領域内に
暗い筋などが現れるなどの照度むらを防ぐことができ
る。

【００７４】以下においては、典型的な場合として屈折
率はｎ＝１．４８、ライン型ラインガイドは光出射面１
０５の出射口１２１に直径０．５ｍｍの光ファイバがピ
ッチ０．５ｍｍで二列に並んだ構成で、出射口１２１の
幅は２ｐ＝１ｍｍであるとする。また、出射口１２１内
の一点からの出射光の立体角的な広がりは、出射口１２
１から単位距離だけ離れた平面上において、半値半幅で
ｗ＝０．２４程度であるとする。さらに、出射口１２１
からの出射光の方向分布、すなわち出射口１２１上の一
点から出た光の寄与する照度分布を出射口１２１から単
位距離だけ離れた平面上で調べた場合、ｃ＝２．８とし
て、ｅｘｐ（−｜ｒ／ｗ｜ｃ／２）とする。

【００７５】ここで、座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を定義して
おく。光軸をｚ軸、円柱レンズ２０６の長さ方向をｙ軸
とする。照射面１０７はｚ軸に垂直であるとする。ま
た、ｙ軸およびｚ軸と垂直にｘ軸をとる。座標系（ｘ，
ｙ，ｚ）の原点はライン型ライトガイドの出射口１２１
の中心点となる。なお、図１１はｚｘ平面で切った断面
を示している。

【００７６】一例として、出射口１２１と照射面１０７
との間隔ｄ＋Ｌ＝３０ｍｍ、出射口１２１の横幅が２０
０ｍｍ程度と十分長いときに、円柱レンズ２０６として
半径２ｍｍのレンズを出射口１２１の前に置く場合につ
いて検討する。

【００７７】この場合、まず出射口１２１から出た光の
うち大部分を円柱レンズ２０６に入射させるとの理由か
ら、ｒ＜ｄ＜２ｒおよびｒ＞２ｐという条件、すなわ
ち、（ｒ／２ｐ）＞１、かつ１≦ｄ／ｒ＜２という条件が要請される。前者は、円柱レンズ２０６に
入射せずにその脇を擦り抜ける光線が十分少なくなるよ
うに、出射口１２１と円柱レンズ２０６の間隔を限定す
る条件である。後者は、円柱レンズ２０６の半径があま
り小さ過ぎると、円柱レンズ２０６の大きさに比べて出
射口１２１の大きさが大き過ぎるために、たとえ円柱レ
ンズ２０６を出射口１２１に接するように置いたとして
も、まだ円柱レンズ２０６の脇を擦り抜ける光線が多く
なってしまう、ということから来る条件である。

【００７８】本実施形態のように円柱レンズ２０６を用
いた場合については、シミュレーション計算を行って、
照射面１０７上の照度分布形状を求めた。その結果、円
柱レンズ２０６の中心部の位置（ライン型ライトガイド
の出射口１２１からレンズ中心までの距離ｄ）をパラメ
ータとした場合の照射面１０７のｘ方向の照度分布は図
１４のようになることが分かった。

【００７９】図１５は、円柱レンズ２０６の半径がｒ＝
２．２ｍｍの場合の照射面１０７上の照度分布を立体的
に表したもので、グラフの高さが照度の大きさを表す。
同様に、図１６はｒ＝３ｍｍの場合の照射面１０７上の
照度分布を立体的に表したもので、やはりグラフの高さ
が照度の大きさを表す。ｒ＝３ｍｍの場合はほぼ焦点距
離に当たる。図１６によると、ｒ＝３ｍｍの場合は照度
分布の中心部に大きな凹みがあり、照射領域の中心に暗
い筋が現れることが分かる。これはライン型ライトガイ
ドのライン配列部１０４の長さ方向へは光が発散するの
に対して、それと垂直方向（ｘ方向）へは光が結像する
方向へ向かうために、照射範囲の中心に暗い筋が出たも
のである。

【００８０】照射面１０７上で照度の最も高い部分の領
域の幅が最も広く、しかも中心の暗い筋が出ないように
するための最適なパラメータとしては、円柱レンズ２０
６の中心部の位置ｄは２．０〜２．４ｍｍ、特に２．２
ｍｍとなる。ｄ＝２．２ｍｍの場合の照度分布を示した
図１５によると、ｄ＝３．０ｍｍの場合とほぼ同程度に
集光していながら中心部に暗い筋は無く、頂上部分の幅
約６．３ｍｍのライン状の領域がほぼ平らな形状になっ
ており、均一な照度を実現していることが分かる。

【００８１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば光
源からライン型ライトガイドなどの光出射部の出射口か
ら出射させ、照射面上のライン状の領域に完全に結像し
ないようにシリンドリカルレンズまたは円柱レンズで集
光して、照射面上における出射口の像がボケるようにし
たことにより、出射口での光量むらが照射面に反映され
るのを防ぎ、光の利用効率を損なうことなく、照射面上
である幅内のライン状の照射領域に対して均一で高い照
度の照明を行うことができる。

【００８２】また、本発明に係る照明装置においては、
照射面上に完全な結像を行わないため、集光レンズとし
て収差が大きなシリンドリカルレンズや円柱レンズを用
いた場合においても、十分な性能を発揮することができ
る。このような収差の大きな集光レンズは、非常に廉価
に製作することが可能である。

【００８３】従って、このような安価な集光レンズを含
む照明装置をラインイメージセンサと組み合わせて用い
ることによって、照明効率を数倍向上させることが可能
となり、高価な高感度ラインセンサに代えて安価でより
性能の劣るラインセンサを用いた場合でも、十分なＳ／
Ｎを持った読み取り出力を得ることができる。この結
果、性能対価格比の高い画像読み取りシステムを実現す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る照明装置を含む
画像読み取りシステムの全体的な構成を示す斜視図

【図２】本発明の第１の実施形態に係る照明装置の要部
の構成を示す断面図

【図３】図２における光出射面上の出射口を示す図

【図４】図３に示した出射口のさらに詳細な形状と照射
面上の出射口長さ方向に平均化した照度分布を示す図

【図５】同実施形態においてシリンドリカルレンズレン
ズに無収差薄肉レンズを用いた場合の照射面上の照度分
布形状を示す図

【図６】同実施形態においてシリンドリカルレンズレン
ズに無収差薄肉レンズを用いた場合の照射面上の照度分
布形状の各種比率を示す図

【図７】同実施形態においてシリンドリカルレンズレン
ズに無収差薄肉レンズを用いた場合の照射面上の照度分
布形状の各種値を示す図

【図８】同実施形態において出射口が一列の場合につい
てシリンドリカルレンズレンズに無収差薄肉レンズを用
いた場合の照射面上の照度分布形状を示す図

【図９】同実施形態において出射口が一列の場合につい
てシリンドリカルレンズレンズに無収差薄肉レンズを用
いた場合の注目する列の出射口および隣接する列の出射
口が寄与する照射面上の照度分布形状を示す図

【図１０】最適条件・シリンドリカルレンズなし・結像
条件の場合の照射面上の照度分布を比較して示す図

【図１１】本発明の第２の実施形態に係る照明装置の要
部の構成を示す断面図

【図１２】シミュレーションで平坦な照度分布が得られ
る各種のパラメータを示す図

【図１３】シミュレーションで平坦な照度分布が得られ
る各種のパラメータの範囲を示す図

【図１４】半径２ｍｍでスクリーンの距離３０ｍｍのと
きの照度分布を示す図

【図１５】本実施形態における照射面上の好ましい照度
分布の例を示す図

【図１６】照射面上の好ましくない照度分布の例を示す
図

【図１７】従来技術による照明装置の概略構成を示す断
面図

【符号の説明】

１００…光源部１０１…ランプ１０２…反射鏡１０３…ライン型ライトガイドのガイド部１０４…ライン型ライトガイドのライン配列部１０５…ライン型ライトガイドの光出射面１０６…シリンドリカルレンズ１０７…照射面１０８…結像レンズ１０９…ＣＣＤラインイメージセンサ１１０…照度分布１２１…出射口１２２…光ファイバ束の出射端２０６…円柱レンズ２０７…照度分布

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、この光源からの光を所定のピッチで平行に設けられた複
数列の長尺な出射口から出射する光出射手段と、前記出射口から出射された光を集光して照明対象に照射
するシリンドリカルレンズとを有し、前記シリンドリカルレンズの焦点距離をｆ、前記出射口
から前記シリンドリカルレンズまでの距離をｄ、前記シ
リンドリカルレンズから前記照明対象までの距離をＬと
したとき、１／ｆ≠（１／ｄ）＋（１／Ｌ）（１）の条件を満たすことを特徴とする照明装置。
【請求項２】光源と、この光源からの光を所定のピッチで平行に設けられた複
数列の長尺な出射口から出射する光出射手段と、前記出射口から出射された光を集光して照明対象に照射
するシリンドリカルレンズとを有し、前記シリンドリカルレンズの焦点距離をｆ、前記出射口
から前記シリンドリカルレンズまでの距離をｄ、前記シ
リンドリカルレンズから前記照明対象までの距離をＬ、
前記出射口から単位距離離れた平面上において該出射口
内の一点の寄与する照度分布の幅をｗとしたとき、【数１】で定義されるパラメータεが０．６３２＜ε＜１．４８（３）の条件を満たすことを特徴とする照明装置。
【請求項３】光源と、この光源からの光を所定のピッチで平行に設けられた複
数列の長尺な出射口から出射する光出射手段と、前記出射口から出射された光を集光して照明対象に照射
する円柱レンズとを有し、前記円柱レンズの焦点距離をｆ、前記出射口から前記円
柱レンズの中心までの距離をｄ、前記円柱レンズの中心
から前記照明対象までの距離をＬとしたとき、１／ｆ≠（１／ｄ）＋（１／Ｌ）（４）の条件を満たすことを特徴とする照明装置。
【請求項４】光源と、この光源からの光を所定のピッチで平行に設けられた複
数列の長尺な出射口から出射する光出射手段と、前記出射口から出射された光を集光して照明対象に照射
する円柱レンズとを有し、前記円柱レンズの屈折率をｎ、半径をｒ、前記出射口の
ピッチをｐ、前記出射口から前記円柱レンズの中心まで
の距離をｄ、前記円柱レンズの中心から前記照明対象ま
での距離をＬ、前記出射口から単位距離離れた平面上に
おいて該出射口内の一点の寄与する照度分布の幅をｗと
し、ｆ＝ｒ・ｎ／２（ｎ−１）で与えられる近軸焦点距
離ｆを定義したとき、【数２】で定義されるパラメータεが【数３】の条件を満たし、さらに（ｒ／２ｐ）＞１、かつ１≦ｄ／ｒ＜２（７）の条件を満たすことを特徴とする照明装置。
【請求項５】前記光出射手段は、前記光源に一端を対向
させて平行に設けられた複数列の光ファイバ束を有し、
該光ファイバ束の他端を前記出射口とすることを特徴と
する請求項１〜４のいずれか１項に記載の照明装置。