JP5499592B2 - ライトガイド、光源装置及び読取装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子からの光を案内して発光させるライトガイド、これを用いた光源装置及び読取装置に関する。

近年、画像等を読み取るためのスキャナや複合機等の光源としてＬＥＤ（Light Emitting Diode）が用いられている。ＬＥＤが光源として用いられることにより、従来のようなＣＣＦＬ（Cold Cathode Fluorescent Lighting(Lamp)）に比べ、装置を小型化することができる（例えば、特許文献１参照）。

特許文献２に記載の、ＬＥＤを搭載した画像読取装置では、ＬＥＤからの光を読み取り面（原稿台）へ導く導光光学系が、複数のＬＥＤの配列方向に周期的に配置された光学面を有し、その光学面は、ＬＥＤの配列方向にパワーを有する。これにより照度ムラが抑制される（例えば、特許文献２の段落[００３１]、図１参照）。

特開２００８−１２３７６６号公報 特開２００９−８０１７３号公報

特許文献１の装置では、光沢性のある対象物や比較的反射率の高い対象物を読み取った場合、照度ムラが表れるという問題がある。

特許文献２の装置では、光沢性のある対象物等を読み取った場合、照度ムラが低減される。しかし、その導光光学系のＬＥＤの配列方向の周期的な光学面の構造自体が原因で、そのＬＥＤの配列方向での照度ムラが発生するという問題がある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、光沢性のある対象物や比較的反射率の高い対象物を読み取る場合でも、照度ムラを低減することができるライトガイド、光源装置、これらを搭載した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、本発明の一形態に係るライトガイドは、入射面と、出射面と、反射面と、導光部とを具備する。
前記入射面は、少なくとも第１の方向に配列された複数の発光素子からの光が入射される。
前記出射面は、前記入射面からの入射光を出射する。
前記反射面は、前記第１の方向及び前記第１の方向とは異なる第２の方向に光学的パワーを有する複数のレンズを有し、前記入射面に対向するように設けられている。
前記導光部は、前記入射面、前記出射面及び前記反射面が形成され、前記入射面から入射された前記光を、前記反射面の前記レンズで反射させて前記出射面に導く。

入射面からの入射光を、複数のレンズにより第１の方向及び第２の方向の両方向に発散させることができる。したがって、光沢性のある対象物や比較的反射率の高い対象物を読み取る場合でも、照度ムラを低減することができる。

前記レンズは、２次元状に配列されていてもよい。

前記ライトガイドは、底面をさらに具備してもよい。前記底面は、前記入射面と前記反射面との間に設けられ、前記出射面に対向するように設けられている。その場合、前記底面に対する前記レンズの前記２次元配列面の角度と、前記レンズの面の前記２次元配列面に対する最大傾斜角度とを加えた角度が１２０°以上であってもよい。

あるいは、前記底面に対する前記レンズの前記２次元配列面の角度と、前記レンズの面の前記２次元配列面に対する最大傾斜角度とを加えた角度が１３０°以上であってもよい。

前記レンズは、ハニカム状に配置されていてもよい。これにより、反射面にレンズを隙間なく配置することができ、照度ムラを低減できる。

本発明の一形態に係る光源装置は、複数の発光素子と、上述のライトガイドとを具備する。

前記発光素子は、前記第１の方向とは異なる第３の方向にも配列されていてもよい。これにより、光源の配置に起因する照度ムラを低減することができる。

本発明の一形態に係る読取装置は、複数の発光素子と、上述のライトガイドと、前記出射面から出射された前記光の照射対象物からの反射光を電気信号に変換する変換素子とを具備する。

以上、本発明によれば、光沢性のある対象物や比較的反射率の高い対象物を読み取る場合でも、照度ムラを低減することができる。

本発明の一実施形態に係る光源装置を示す斜視図である。 図１に示す矢印Ａの方向で見た光源装置の図である。 光源装置の一部を示す平面図である。 ライトガイドの反射面側から見た斜視図である。 その反射面の正面から見た、反射面の一部を示す図である。 図２において、ライトガイドの底面及び反射面付近を拡大して示す図である。 反射面の角度の設定の理由を説明するための図である。 従来品と本実施形態に係るライトガイドのそれぞれの光の照度分布を模式的に示す図である。 光源装置が組み込まれたキャリッジを示す断面図である。 キャリッジを搭載した読取装置として、スキャナ装置を示す斜視図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、シミュレーションにより作成された、本実施形態に係るライトガイドの光線追跡図であり、（Ｃ）は光の均一性を示す図である。 マイクロレンズを有していない（反射面が平面でなる）ライトガイドについて、図１１（Ａ）〜（Ｃ）にそれぞれ対応した図である。 本実施形態に係るライトガイドを用いたスキャナ装置により実際に読み取られたディスク記録媒体の画像である。 マイクロレンズを有していない（反射面が平面でなる）ライトガイドを用いたスキャナ装置により実際に読み取られた、ディスク記録媒体の画像である。 上記特許文献２に係る導光光学系を用いた装置により読み取られた、ディスク記録媒体の画像である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る光源装置を示す斜視図である。図２は、図１に示す矢印Ａの方向で見た光源装置１０の図である。図３は、この光源装置１０の一部を示す平面図である。

図１及び図３に示すように、光源装置１０は、例えば一方向（Ｘ方向）に直線状に配置された複数の発光素子２と、この発光素子２から発せられた光を所定の方向に導くライトガイド３とを備えている。発光素子２は、例えばプリント配線基板８に搭載されている。複数の発光素子２の１つには、赤、緑及び青（ＲＧＢ）の３つの発光源を有するＬＥＤが用いられる。発光素子２は、これらの各色の光が合成された白色を発光する。

しかし、１つの発光素子２が、単色の１つの発光源、または単色の複数の発光源を有する構成であってもよい。その場合、発光素子２ごとに、例えばＲＧＢ異なる色の光を発光し、これら各色の光がライトガイド３により混合される。ＬＥＤとしては、無機ＬＥＤ、有機ＬＥＤのどちらでもよい。

図２に示すように、ライトガイド３は、入射面７、出射面６、反射面（主反射面）６１、及びこれらの面７、６及び６１が形成された導光部５を備える。入射面７には、複数の発光素子２からの光が入射される。導光部５は、入射面７から入射された光を反射し、入射面７に対向する反射面６１で反射させて出射面６に導き、出射面６からその光が出射する。ライトガイド３（導光部５）は、入射面７から出射面６までの途中で折れるように設けられている。「折れるように」とは、図２のように折れ目がはっきり表れるような形状もよいし、あるいは、折れ目がはっきりせず曲面形状に形成されていてもよい意味である。

ライトガイド３は、一体成形により形成される。ライトガイド３の材質として、典型的にはアクリル樹脂であるが、ガラス、ポーリカーボネイト、その他の透明樹脂でもよい。

入射面７は、例えば平面に形成されている。入射面７のＺ方向の幅（高さ方向の幅）ｗ１は、発光素子２が発光する側の面と実質的に同じ幅、あるいは、それよりわずかに小さい幅に設計されている。このような構成により、出射面６から出射される光に暗線が混じることを防止することができ、光の均一化に寄与する。出射面６も平面に形成されている。

図４は、反射面６１側から見たライトガイド３を示す斜視図であり、図５は、その反射面６１の正面から見た、反射面６１の一部を示す図である。反射面６１には、少なくとも、発光素子２の配列方向と、その配列方向とは異なる方向とに光学的パワーを有する複数のレンズとして、複数のマイクロレンズ６２が形成されている。

具体例として、各マイクロレンズ６２は、ライトガイド３の外側に向けて凸形状で、球面または非球面で形成されており、２次元状に配列されている。したがって、各マイクロレンズ６２は、各マイクロレンズ６２の光軸の周囲の方向に光学的パワーを有し、入射面７から入射された光をライトガイド３内で均一に拡散させて反射する機能を有している。

マイクロレンズ６２の２次元の配列の仕方は、典型的にはハニカム状である。これにより、反射面６１にマイクロレンズ６２を隙間なく配置することができ、照度ムラを低減できる。

図６は、図２において、底面６３（入射面７と反射面６１との間に設けられ、出射面６に対抗するように設けられた面）と、反射面６１とを拡大して示す図である。図６において、底面６３に対する各マイクロレンズ６２の２次元状配列面の角度θ１（°）と、各マイクロレンズ６２の表面の、その２次元配列面に対する最大傾斜角度θ２（°）とを加えた角度が１２０以上とされている。つまり、θ１＋θ２≧１２０となっている。θ１＋θ２≧１３２であればなおよい。以下、この理由を説明する。

図７は、その理由を説明するための図である。この図は、左から右方向へ、ライトガイド３の媒質内を通る光Ｂが、反射面６１で反射する様子を示している。図７では、反射面６１の角度は、マイクロレンズ６２の最大傾斜角度θ２を含む角度として描かれており、θ１＋θ２とされている。ライトガイド３の入射面から入射された光Ｂのほとんどは、反射面６１にたどり着くまで実質的に底面６３に平行に進む。この光が反射面６１に入射角θ４で入射する。反射面６１への入射角θ４が全反射となる角度（臨界角）に近づくほど、ライトガイド３における光の利用効率が高くなる。

図７より、θ３＝（１８０−θ１−θ２）であり、
θ４＝９０−θ３
＝θ１＋θ２−９０
となる。

ここで、入射角θ４がライトガイド３の臨界角である４２°以上であれば、光は反射面６１で全反射する。これは、アクリル等の透明樹脂、あるいはガラスの臨界角である。つまり、θ１＋θ２≧１３２の場合が、最も光の利用効率を高くすることができる。なお、θ１＋θ２の上限値は１８０°でよい。θ１＋θ２の典型例として、上記したように例えば１２０°以上とすることができるが、１３０°以上であってもよいし、１３５°以上であってもよい。

以上のように、本実施形態に係るライトガイド３は、入射面７からの入射光を、複数のマイクロレンズ６２によりライトガイド３内で均一に拡散させることができる。したがって、図８の右側に示すように、出射面６からの光の照度分布を均一にすることができる。図８において、左側には、反射面が平面あるいはシリンドリカル面を有する従来のライトガイドを用いた場合の照度分布を示している。

また、本実施形態に係るライトガイド３では、反射面６１で均一に光を拡散することができるので、光路長ｈ（図２参照）を、特許文献１に記載した従来品より短くすることができる。従来品では、ピッチｐ（図３参照）が光路長ｈより長い場合、照度ムラの発生が多くなる懸念があるが、本実施形態では、光路長ｈと、各発光素子２の配列のピッチｐとの関連性が低く、ライトガイド３の設計の自由度が向上する。

反射面６１にマイクロレンズ６２を形成せず、反射面に銀等のミラー層を形成することが考えられる。しかしながらこの場合、ミラー層の蒸着による形成工程が必要になり、コストが増える結果となる。これに対し、本実施形態では、マイクロレンズ６２を有するライトガイド３を金型により成形することができる。

図９は、上記光源装置１０が組み込まれたキャリッジを示す断面図である。図１０は、このキャリッジ２１を搭載した読取装置として、スキャナ装置を示す斜視図である。スキャナ装置１００は、書類や写真等、光の照射対象物２２（図２、図９参照）が載置される載置面２３を有する本体２４と、本体２４に開閉可能に装着されたカバー２５とを備えている。載置面２３は、例えば光の透過率が高いガラスや樹脂等でなる。本体２４の内部には、載置面２３に載置された照射対象物２２の全面を読み取るために、キャリッジ２１を直線方向（Ｙ方向）の移動させる図示しないモータ等が設けられている。さらに、本体２４の内部には、キャリッジ２１の移動をガイドするガイドレール１９も設けられている。ガイドレール１９は、例えば図１０に示すように、キャリッジ２１の下部に接続されている。なお、スキャナ装置１００の構成は、図に示したような構成に限られず、適宜設計の変更が可能である。

図９に示すように、このキャリッジ２１内には、上記光源装置１０と、複数のミラー１１、１２、１３、１４、１５と、結像のためのレンズ系１６と、光路長調整素子１７と、光電変換素子としてのイメージセンサ１８とが設けられている。光源装置１０からイメージセンサ１８までの光路長をできるだけ長くとるため、このように複数のミラー１１〜１５が配置される。これらのミラー１１〜１５は、Ｘ方向に長尺形状を有している。レンズ系１６は、複数のレンズで構成されることが多い。光路長調整素子１７は、例えば赤外光と通常光の光路差を調整する。イメージセンサ１８としては、例えばＣＣＤが用いられる。ＣＣＤに限られず、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）センサであってもよい。イメージセンサ１８の種類に応じて、キャリッジ２１内の光学系の構成も適宜変更可能である。

上記のように、本実施形態に係るライトガイド３では、入射面７からの入射光を、複数のマイクロレンズ６２によりライトガイド３内で均一に拡散させて反射する。したがって、光沢性のある照射対象物２２や比較的反射率の高い照射対象物２２を読み取る場合でも、照度ムラを低減することができる。

図１１（Ａ）及び（Ｂ）は、シミュレーションにより作成された、本実施形態に係るライトガイド３の光線追跡図である。図１１（Ａ）は断面図であり、図１１（Ｂ）は平面図である。図１１（Ｃ）は、シミュレーションにより作成された、本実施形態に係るライトガイドの均一性を示す、図１１（Ｂ）の平面図に対応する図である。横軸がＸ軸方向（図１等参照）であり、縦軸がＹ軸方向である。

図１２（Ａ）〜（Ｃ）は、マイクロレンズを有していない（反射面が平面でなる）ライトガイドについて、図１１（Ａ）〜（Ｃ）にそれぞれ対応した図である。

これらの図に示すように、図１１のライトガイドの方が、図１２のものに比べ、入射光が反射面６１で均一に拡散されて反射し、照度ムラが低減されているのがわかる。図１１（Ｃ）及び図１２（Ｃ）において、Ｙ軸の−５ｍｍ当たりに発光素子が配列されている。図１１（Ｃ）及び図１２（Ｃ）を比べると、図１１（Ｃ）に現された、白、及びその白に隣接したグレーの薄い帯状の部分が、図１２（Ｃ）のそれより広くなっており、光の拡散の均一性、つまり照度の均一性が向上している。

図１３は、本実施形態に係るライトガイド３を用いたスキャナ装置１００により実際に読み取られたディスク記録媒体の画像である。図１４は、マイクロレンズを有していない（反射面が平面でなる）ライトガイドを用いたスキャナ装置により実際に読み取られた、ディスク記録媒体の画像である。図１５は、上記特許文献２に係る導光光学系を用いた装置により読み取られた、ディスク記録媒体の画像である。図１３〜１５で、ディスク記録媒体は、どれも同一物が用いられた。

図１４及び１５の画像を比較すると、特許文献２の装置で読み取られた画像の方（図１５）が、照度ムラが低減されている。しかし、図１３及び１５を比較すると、図１３に示した本実施形態の方がさらに照度ムラが低減されているのがわかる。図１５では、特にディスク記録媒体の上下の部分において、明暗それぞれの線がほぼ同じピッチで現れているのがわかる。

本発明に係る実施形態は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態がある。

発光素子２として、ＬＥＤの代わりにレーザダイオードが用いられてもよい。

ライトガイドの主反射面の正面から見たマイクロレンズの形状は、少なくとも配列方向、及び、その配列方向は異なる方向の２方向に光学的パワーを有しているものであれば、何でもよい。例えば、その形状は、円、楕円、三角以上の多角形、これらのうち少なくとも２つの組合せでもよい。

あるいは、マイクロレンズは、その光学的パワーが、例えば少なくともその２方向で異なるような形状に形成されていてもよい。そのようなマイクロレンズ６２の形状として、典型的には、楕円が挙げられる。その場合、楕円の長軸（または短軸）が、発光素子２の配列方向に一致していてもよい。

また、その楕円の長軸及び短軸の長さ比を適宜設定することにより、その照度分布を適宜変更することができる。

マイクロレンズの配列の仕方は、ハニカム状で正六角形状に限られず、縦横マトリクス状に整列していてもよいし、ランダムな配列であってもよい。また、各マイクロレンズ同士の間が隙間があってもよい。その場合においても、主反射面の正面から見た各マイクロレンズの形状は、少なくとも上記２方向に光学的パワーを有するものであれば何でもよい。

マイクロレンズ６２は凸レンズであったが、凹レンズであってもよい。つまり、主反射面が、ライトガイド内に向けて複数の凹みが形成される形態であってもよい。

上記実施形態では、発光素子２が直線状に一列に並んで配列されていた。しかし、発光素子２はＺ軸方向に複数列で設けられていてもよい。その場合、それら各発光素子が互い違いにずれて（例えばハニカム状に）配置されていてもよい。発光素子自体の大きさが小さくなれば、入射面７の面積を図１のものと同じにして発光素子の数を増やすことができる。

ライトガイドの出射面は、球面または非球面の凸形状であってもよい。あるいは、出射面は、ブラスト加工により形成された平面であってもよい。

２…発光素子
３…ライトガイド
６…出射面
７…入射面
１０…光源装置
１８…イメージセンサ
２２…照射対象物
６１…反射面
６２…マイクロレンズ
６３…底面
１００…スキャナ装置

Claims (5)

1. 少なくとも第１の方向に配列された複数の発光素子からの光が入射される入射面と、
   前記入射面からの入射光を出射する出射面と、
   前記第１の方向及び前記第１の方向とは異なる第２の方向に光学的パワーを有する複数のレンズを有し、前記入射面に対向するように設けられた反射面と、
   前記入射面と前記反射面との間に設けられ、前記出射面に対向するように設けられた底面と、
   前記入射面、前記出射面及び前記反射面が形成され、前記入射面から入射された前記光を、前記反射面の前記レンズで反射させて前記出射面に導く導光部とを具備し、
   前記複数のレンズは、前記反射面全面にハニカム状に互いに隙間なく配置され、
   前記底面に対する前記レンズの２次元状配列面の角度と、前記レンズの面の２次元状配列面に対する最大傾斜角度とを加えた角度が１２０°以上１８０°以下である
   ライトガイド。
2. 請求項１に記載のライトガイドであって、
   前記底面に対する前記レンズの前記２次元状配列面の角度と、前記レンズの面の前記２次元状配列面に対する最大傾斜角度とを加えた角度が１３５°以上１８０°以下であるライトガイド。
3. 少なくとも第１の方向に配列された複数の発光素子と、ライトガイドとを具備する光源装置であって、
   前記ライトガイドは、
   前記複数の発光素子からの光が入射される入射面と、
   前記入射面からの入射光を出射する出射面と、
   前記第１の方向及び前記第１の方向とは異なる第２の方向に光学的パワーを有する複数のレンズを有し、前記入射面に対向するように設けられた反射面と、
   前記入射面と前記反射面との間に設けられ、前記出射面に対向するように設けられた底面と、
   前記入射面、前記出射面及び前記反射面が形成され、前記入射面から入射された前記光を、前記反射面の前記レンズで反射させて前記出射面に導く導光部とを有し、
   前記複数のレンズは、前記反射面全面にハニカム状に互いに隙間なく配置され、
   前記底面に対する前記レンズの２次元状配列面の角度と、前記レンズの面の２次元状配列面に対する最大傾斜角度とを加えた角度が１２０°以上１８０°以下である
   光源装置。
4. 請求項３に記載の光源装置であって、
   前記発光素子は、前記第１の方向とは異なる第３の方向にも配列されている光源装置。
5. 少なくとも第１の方向に配列された複数の発光素子と、ライトガイドと、変換素子とを具備する読取装置であって、
   前記ライトガイドは、
   前記複数の発光素子からの光が入射される入射面と、
   前記入射面からの入射光を出射する出射面と、
   前記第１の方向及び前記第１の方向とは異なる第２の方向に光学的パワーを有する複数のレンズを有し、前記入射面に対向するように設けられた反射面と、
   前記入射面と前記反射面との間に設けられ、前記出射面に対向するように設けられた底面と、
   前記入射面、前記出射面及び前記反射面が形成され、前記入射面から入射された前記光を、前記反射面の前記レンズで反射させて前記出射面に導く導光部とを有し、
   前記複数のレンズは、前記反射面全面にハニカム状に互いに隙間なく配置され、
   前記底面に対する前記レンズの２次元状配列面の角度と、前記レンズの面の２次元状配列面に対する最大傾斜角度とを加えた角度が１２０°以上１８０°以下であり、
   前記変換素子は、前記出射面から出射された前記光の照射対象物からの反射光を電気信号に変換する
   読取装置。