(57)【要約】【課題】光の利用効率を向上させるフロントライトを提供する。【解決手段】撮像される対象物に光を照射するためのフロントライト４であって、前記対象物８側に設けられる射出面（第１主面）２ｂ、前記射出面と対向する下面（第２主面）２ｃ、および前記射出面２ｂと前記下面２ｃとを接続する入射面（側面）２ａを有する導光板２と、前記入射面２ａに対向して配置され、前記入射面２ａから前記導光板２内に光を入射する第１光源３と、を備え、前記射出面２ｂには、複数の凸状構造体９が設けられている。【選択図】図１
2020141157.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像される対象物に光を照射するためのフロントライトであって、
前記対象物側に設けられる第１主面、前記第１主面と対向する第２主面、および前記第１主面と前記第２主面とを接続する側面を有する導光板と、
前記側面に対向して配置され、前記側面から前記導光板内に光を入射する第１光源と、
を備え、
前記第１主面には、複数の凸状構造体が設けられている
フロントライト。
【請求項２】
前記複数の凸状構造体は、前記第１主面に垂直な方向から見たときに、前記第１光源から前記導光板に入射する光の伝搬方向と交差する方向に長手方向を有する
請求項１に記載のフロントライト。
【請求項３】
前記複数の凸状構造体は、前記第１光源側に設けられた第１面と、前記第１面よりも前記第１光源から離れた位置に設けられ前記第１面と前記長手方向で交差する第２面と、を有するプリズム形状を有する
請求項２に記載のフロントライト。
【請求項４】
前記第１主面に対する、前記第１面の第１傾斜角度が１０°以上４５°以下であり、
前記第１主面に対する、前記第２面の第２傾斜角度が４５°以上９０°以下である
請求項３に記載のフロントライト。
【請求項５】
前記複数の凸状構造体は、前記光の伝搬方向に沿って配列され、前記第１光源から離れるにつれて前記複数の凸状構造体の前記第２傾斜角度が大きくなる
請求項４に記載のフロントライト。
【請求項６】
前記複数の凸状構造体は、前記光の伝搬方向を横断する断面が円弧であるシリンドリカル形状を有する
請求項２に記載のフロントライト。
【請求項７】
前記複数の凸状構造体は、前記第１光源側と反対側に、前記導光板の前記第１主面に対して直交する第３面を有する
請求項１ないし６のいずれか１項に記載のフロントライト。
【請求項８】
前記複数の凸状構造体は、直方体形状を有する
請求項１または２に記載のフロントライト。
【請求項９】
前記複数の凸状構造体は、前記光の伝搬方向に沿って配列され、前記第１光源から離れるにつれて前記複数の凸状構造体の面積率が大きくなる
請求項１ないし８のいずれかに記載のフロントライト。
【請求項１０】
前記第１光源は、可視光および赤外光の少なくともいずれかを射出する
請求項１ないし９のいずれか１項に記載のフロントライト。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のフロントライトと、
前記第２主面側に配置され、前記導光板を介して前記対象物を撮像する撮像装置と、
を備える
読取装置。
【請求項１２】
さらに
前記導光板の前記第２主面側に配置され、前記導光板を介して前記対象物に紫外光を照射する第２光源
を備え、
前記導光板は紫外線透過性を有する
請求項１１に記載の読取装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、撮像される対象物に光を照射するフロントライトと、そのフロントライトを用いて対象物を撮像して読取処理を行う読取装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パスポートやチケットなどの帳票の表示面を撮影し、文字や画像などの情報を読み取る読取装置が知られている。たとえば、特許文献１に記載の読取装置は、帳票を照明する照明部と表示内容を撮影する撮影部とからなる。照明部としては、ＬＥＤなどの光源で直接表示面を照らす直接照明方式が一般的である。また特許文献２に記載の画像読取装置のように、楔形状の導光板を用いたフロントライト方式の照明方式も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２５１９３０号公報
【特許文献２】特開平１０−２５７２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
楔形状の導光板を用いた方式では光の利用効率が低いという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示のフロントライトは、撮像される対象物に光を照射するためのフロントライトであって、前記対象物側に設けられる第１主面、前記第１主面と対向する第２主面、および前記第１主面と前記第２主面とを接続する側面を有する導光板と、前記側面に対向して配置され、前記側面から前記導光板内に光を入射する第１光源と、を備え、前記第１主面には、複数の凸状構造体が設けられている。
【発明の効果】
【０００６】
本開示によると、光の利用効率が高いフロントライトおよび読取装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本開示の実施の形態１にかかるフロントライトを備えた読取装置を示す図である。
【図２】図１のフロントライトの一部を拡大した図である。
【図３】図１のフロントライトの平面図である。
【図４】図１のフロントライトの導光板に設けられた凸状構造体を拡大した図である。
【図５】図４の凸状構造体の形状の例を示す図である。
【図６】図４の凸状構造体の形状の例を示す図である。
【図７】図４の凸状構造体の形状と光の射出方向を示す図である。
【図８】図４の凸状構造体の取り出し角度と光の取り出し効率との関係を示すグラフである。
【図９】図４の凸状構造体の取り出し角度における射出角度と光の取り出し効率との関係を示すグラフである。
【図１０】図４の凸状構造体のルーフ角度と光の取り出し効率との関係を示すグラフである。
【図１１】図１のフロントライトの変形例を示す図である。
【図１２】図１のフロントライトの凸状構造体の変形例を示す図である。
【図１３】本開示の実施の形態２にかかるフロントライトに設けられた凸状構造体の断面図である。
【図１４】図１３の凸状構造体の形状の例を示す図である。
【図１５】本開示の実施の形態３にかかるフロントライトに設けられた凸状構造体の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（本開示に至った経緯）
特許文献１のようにＬＥＤなどの光源で直接照明する場合、帳票を設置する透明板や帳票自身の保護層などでの鏡面反射によるハレーション回避するために、撮影部と正反射の位置から外れるように光源を配置する必要があるため、装置が大型化するという問題がある。そこで、パスポートやチケット等の読取装置の照明にフロントライトを採用することで、読取装置の小型化および薄型化を実現する方法が知られている。たとえば、特許文献２では、導光板と光源とにより、フロントライトとして照明部が形成されている。このように、導光板の側面に光源を配置したフロントライトは、読取装置の他、液晶パネル等の照明にも用いられている。
【０００９】
導光板による照明は、透明材料の平板において、その１つの面である入射面から入射した光が、それと直交する面では全反射して射出できないという性質を利用して導光板２内に光を伝搬させ、その一部を全反射条件から逸脱させて取り出すことを基本とする。楔形状の導光板を用いる方式では全反射を繰り返すたびに面への入射角度が小さくなって全反射条件を逸脱する光の成分が発生し、この光の成分を導光板外に取り出すことにより、撮像対象物を照明する。
【００１０】
また、平板状の導光板を用いる場合、導光板の側面である光の入射面と直交する面のうち、射出面と反対側の面に部分的に構造体が設けられた反射型構造体方式が知られている。この場合、射出面に対する入射角が小さくなる様にプリズム状の反射型構造体を離散的に設けることにより、射出面において全反射から逸脱させて撮像対象物を照明する。しかし、この場合、反射型構造体に入射する光の全ての成分を反射型構造体で透過することなく全反射させ、かつ射出面からは全反射させずに射出させることはできない。
【００１１】
一方、本開示では、導光板の射出面に構造体を設ける透過型構造体方式を採用している。透過型構造体方式によれば、透過型構造体に入射する光の全ての成分を全反射させることなく透過させて照明光として取り出すことが可能になる。これらの理由について以下詳述する。
【００１２】
導光板の屈折率をｎ、導光板の内部を進む光が全反射する場合の臨界角をθｍとすると、スネルの法則により、数１の式の関係が成立する。
【００１３】
【数１】
2020141157.tif 000003
【００１４】
したがって、臨界角θｍは、数２の式で表される。
【００１５】
【数２】
2020141157.tif 000004
【００１６】
導光板の材料として一般的なアクリル樹脂等の屈折率は約１．５であるため、臨界角θｍは数３の式で表される。
【００１７】
【数３】
2020141157.tif 000005
【００１８】
したがって、導光板の入射面に空気から入射した光は、入射面の法線方向から４１．８°以上にはなり得ず、入射面と直交する射出面に媒体側から４１．８°以上の角度で入射した光線は全反射して導光板外に射出できない。平板状の導光板の側面から入射した光線は導光板内で側面の法線方向から４１．８°以下となり、側面と直交する主面の法線方向からは４８．２°以上となるため、主面では必ず全反射して導光板内に閉じ込められ伝搬する。
【００１９】
特許文献２に記載の導光板のように、入射面と交差する２つの主面が平行ではない楔形状の導光板では、全反射を繰り返すたびに主面に対する角度が小さくなって、全反射条件から逸脱した時点で透過光として導光板外に取り出される。この場合、どちらの主面でも全反射から逸脱する角度になる確率は同じなので、照明光として有効になる光の割合は全射出光の５０％になり、半分は無効な光の成分となり利用できない。
【００２０】
また、導光板の射出面と反対側の面に反射型構造体を設ける場合、主面の法線から最小で４１．８°で入射した光線を透過させることなく対向する射出面に向けて全反射するために、反射型構造体の傾斜角は全反射角４１．８°との差分である６．４°以下である必要がある。一方、最大９０°で入射する光を対向する射出面で射出可能な４１．８°以下の角度で反射するために、傾斜角は（９０−４１．８）／２＝２４．１°以上である必要がある。
【００２１】
したがって、反射型構造体では構造体に入射する光の全てを対向する射出面で全反射しない角度になるよう反射することはできず、構造体から照明方向とは逆方向に透過する光の成分が発生する。特にフロントライトでは帳票を照明して視認可能となった映像を、導光板を介して取得するため、導光板には透明が求められる。プリズム状となる構造体部分では光が屈折し直進できないため、平坦部を透過した光のみが映像取得に寄与する。したがって、導光板の透明性を維持するために、構造体の射出面に対する面積率は一定以下、たとえば３０％以下であることが望ましい。
【００２２】
反射型構造体では、射出面において入射面側から順次光が取り出され、場所ごとに構造体への入射角分布が異なることから構造体の反射面の角度分布設定を最適化することにより、単純楔形状の導光板の場合よりも光取り出し効率、すなわち光の利用効率を高めることが期待できる。しかしながら、上述した射出面に対する構造体の面積率の制限により、反射型構造体を用いて光の利用効率を高めるには限界がある。
【００２３】
そこで、本発明者は、これらの課題を解決するためのフロントライトおよび読取装置を検討し、以下の構成を考案した。
【００２４】
本開示の一態様にかかるフロントライトは、撮像される対象物に光を照射するためのフロントライトであって、前記対象物側に設けられる第１主面、前記第１主面と対向する第２主面、および前記第１主面と前記第２主面とを接続する側面を有する導光板と、前記側面に対向して配置され、前記側面から前記導光板内に光を入射する第１光源と、を備え、前記第１主面には、複数の凸状構造体が設けられている。
【００２５】
この構成によると、導光板の側面から入射した光は、第１主面の平坦部および第２主面では全反射して反光源方向へ伝搬するとともに、凸状構造体に入射した光線の全てを全反射させることなく導光板外に射出させて取り出すことができる。このように、光源から入射した光が導光板の第２主面から射出するのを抑制し、第１主面からの透過光として導光板から光を取り出して対象物を照射することができるため、光の利用効率が向上する。
【００２６】
前記複数の凸状構造体は、前記第１主面に垂直な方向から見たときに、前記第１光源から前記導光板に入射する光の伝搬方向と交差する方向に長手方向を有していてもよい。
【００２７】
この構成によると、光の伝搬方向と交差する方向に長手方向を有する凸状構造体を設けることで、凸状構造体に入る光量が増えるため、光の利用効率が向上する。
【００２８】
前記複数の凸状構造体は、前記第１光源側に設けられた第１面と、前記第１面よりも前記第１光源から離れた位置に設けられ前記第１面と前記長手方向で交差する第２面と、を有するプリズム形状を有していてもよい。
【００２９】
この構成によると、鏡面反射による迷光が回避されて光の利用効率が向上する。
【００３０】
前記第１主面に対する、前記第１面の第１傾斜角度が１０°以上４５°以下であり、前記第１主面に対する、前記第２面の第２傾斜角度が４５°以上９０°以下であってもよい。
【００３１】
この構成によると、対象物を照射しない無効光が抑制され、光の利用効率が向上する。
【００３２】
前記複数の凸状構造体は、前記光の伝搬方向に沿って配列され、前記第１光源から離れるにつれて前記複数の凸状構造体の前記第２傾斜角度が大きくなってもよい。
【００３３】
この構成によると、角度抑制が必要な第１光源付近の凸状構造体では第２傾斜角度を大きくし、角度抑制が不要な第１光源から遠い凸状構造体では第２傾斜角度を小さくすることで、さらに光の利用効率が向上する。
【００３４】
前記複数の凸状構造体は、前記光の伝搬方向を横断する断面が円弧であるシリンドリカル形状を有してもよい。
【００３５】
この構成によると、対象物に向かわない無効光を抑制することができるため、光の利用効率が向上する。
【００３６】
前記複数の凸状構造体は、前記第１光源側と反対側に、前記導光板の前記第１主面に対して直交する第３面を有してもよい。
【００３７】
この構成によると、凸状構造体に第３面を設けることにより、第１主面に対して垂直に近い光を抑制することができるため、鏡面反射を抑制して光の利用効率が向上する。
【００３８】
前記複数の凸状構造体は、直方体形状を有してもよい。
【００３９】
この構成によると、導光板の透過効率が向上し、光の利用効率が向上する。
【００４０】
前記複数の凸状構造体は、前記光の伝搬方向に沿って配列され、前記第１光源から離れるにつれてその面積占有率が大きくなってもよい。
【００４１】
この構成によると、光源近傍から順次光が取り出されるため、光源から離れるほど密度が小さくなる光を効果的に取り出して、照明照度分布の均一性を向上することができる。
【００４２】
また、前記第１光源は、可視光および赤外光の少なくともいずれかを射出してもよい。
【００４３】
この構成によると、可視光および赤外光により、対象物を照射することができる。
【００４４】
また、本開示の一態様にかかる読取装置は、上記のいずれかのフロントライトと、前記第２主面側に配置され、前記導光板を介して前記対象物を撮像する撮像装置と、を備える。
【００４５】
この構成によると、光の利用効率が向上した読取装置を提供することができる。
【００４６】
さらに前記導光板の前記第２主面側に配置され、前記導光板を介して前記対象物に紫外光を照射する第２光源を備え、前記導光板は紫外線透過性を有してもよい。
【００４７】
この構成によると、光の利用効率が向上し、さらに紫外光照射機能を有する読取装置を提供することができる。
【００４８】
（実施の形態１）
［全体構成］
図１は、実施の形態１にかかるフロントライトを備える読取装置を示す図、図２は、図１のフロントライトの一部を拡大した図、図３はフロントライトの平面図である。
【００４９】
図１に示すように、読取装置１は、フロントライト４と、撮像装置５と、第２光源６と、ガラス７とを備える。読取装置１は、フロントライト４により対象物８に光を照射して、撮像装置５により対象物８を撮像し、対象物８に記載されている画像または文書等の情報を読み取るものである。対象物８は、たとえば、パスポートまたはチケット等である。また、フロントライト４は、導光板２および第１光源３を備え、対象物８に光を照射するものである。本実施の形態では、一例として、フロントライト４は、読取装置１に用いられている。
【００５０】
＜導光板＞
図１及び図２に示すように、導光板２は、対象物側に設けられる第１主面２ｂ、第１主面２ｂと対向する第２主面２ｃ、および第１主面２ｂと第２主面２ｃとを接続する側面２ａを有する。導光板２は、アクリル樹脂等の透明樹脂、またはガラス等の透明材料により平板状に形成されている。以後、導光板２の側面２ａを入射面２ａ、第１主面２ｂを射出面２ｂ、第２主面２ｃを下面２ｃと称することもある。第１光源３から射出された光ｆ１が、導光板２の入射面２ａより導光板２内に進入する。導光板２内に進入した光ｆ１が、導光板２の射出面２ｂから射出して、対象物８を照射する。
【００５１】
導光板２の射出面２ｂには、複数の凸状構造体９が形成されている。本実施の形態においては、図２に示すように、凸状構造体９は断面が三角形の三角柱形状を有している。すなわち、凸状構造体９は第１光源３側に傾斜する第１面９ａと、第１面９ａよりも第１光源３より離れた位置に配置され第１面９ａと凸状構造体９の長手方向で交差する第２面９ｂとを有するプリズム形状である。導光板２内に進入した光のうち、凸状構造体９に進入した光ｆ１が、凸状構造体９の第２面９ｂより透過光として取り出されて射出して、対象物８を照射する。
【００５２】
このとき、光は図２の矢印の方向に伝搬するので、透過光として取り出された光は、図２の左側方向に向かって射出する。なお、フレネル反射を経て逆方向に向かって射出する光の成分も発生するが十分小さいため無視できる。
【００５３】
また、図３に示すように、導光板２の射出面２ｂに垂直な方向から見たときに、凸状構造体９は、矢印で示される第１光源３からの光の伝搬方向Ａと交差する方向に長手方向を有する形状である。光の伝搬方向Ａは、導光板２の入射面２ａから入射面２ａに対向する面に向かう方向である。なお、図３では、凸状構造体９の長手方向は、光の伝搬方向Ａに対してほぼ直交しているが、凸状構造体９の長手方向は、光の伝搬方向Ａと交差していれば、必ずしも光の伝搬方向Ａに対して直交していなくてもよい。
【００５４】
また、図３に示すように、凸状構造体９は、第１光源３からの光の伝搬方向Ａに沿って配列されている。
【００５５】
導光板２の射出面２ｂの面積に対する複数の凸状構造体９の面積の総和の比率が最大３０％を超えない値となるように、それぞれの凸状構造体９が配置されるとよい。導光板２を介して撮像装置５により対象物８を撮像するため、導光板２には高い透明性が求められる。導光板２の射出面２ｂの面積に対する複数の凸状構造体９の面積の総和の比率が３０％以下となるように、それぞれの凸状構造体９が配置されていると、撮像に必要な透明性を確保しつつ、効率よく対象物８に光を照射することができる。
【００５６】
＜光源＞
第１光源３は、導光板２の側面２ａに配置され、側面２ａから導光板２内に光を入射する。本実施の形態においては、第１光源３は可視光および赤外光の少なくともいずれかを射出し、たとえば、ＬＥＤ光源である。また、第１光源３は、導光板２の入射面２ａに対向するように配置され、入射面２ａから導光板２内に可視光および赤外光の少なくともいずれかを入射させる。また、複数の第１光源３が配置されていてもよく、たとえば、可視光を照射する第１光源３、および赤外光を照射する第１光源３の両方が配置されていてもよい。
【００５７】
パスポート等を読み取る読取装置の場合、可視光による撮像だけでなく、赤外光もしくは紫外光等を照射して情報を取得する場合がある。第１光源３に赤外光を用いると、可視光反射成分を除去して、文字等のコードをコントラスト高く画像化して解析精度を高めることができる。
【００５８】
第２光源６は、導光板２の第２主面２ｃに対向して配置され、導光板２を介して対象物８に紫外光を照射する。第２光源６は、たとえば、ＬＥＤ光源である。第２光源６は、導光板２の下面２ｃ側の、撮像装置５の画角αに入らない位置に配置される。本実施の形態では、第２光源６は、撮像装置５に並べて配置されている。また、複数の第２光源６が配置されていてもよい。
【００５９】
紫外光を射出する第２光源６を配置することにより、蛍光体インク等で書き込まれた一般照明下では視認できない情報を、励起光となる紫外光を照射して可視光として画像表示させて撮像することが可能になる。
【００６０】
なお、一般的に透明樹脂材料には紫外線を含む太陽光に曝される屋外使用にも耐えられるよう、紫外線吸収剤が添加されているものが多く、一般照明用導光板も紫外線を透過しない材料で構成されているものが多い。たとえば、蛍光体インク等で記した情報を読み取るために、第２光源６により紫外光を照射して対象物８を撮像する場合、導光板２は紫外線透過性を有する材料により形成されているとよい。たとえば、励起用光源として、波長３５０ｎｍ〜３７０ｎｍ程度の紫外ＬＥＤを用いることができる。この波長帯の紫外光に有意な透過率を有する導光板２の材料として、たとえば、ＵＶ吸収剤を添加していないＰＭＭＡを用いることができる。
【００６１】
＜撮像装置＞
撮像装置５は、導光板２の第２主面２ｃ側に配置され、導光板２を介して対象物８を撮像する。撮像装置５は、撮像センサ、広角レンズ、撮像センサを駆動する回路等で構成される。撮像装置５が広角レンズを備えることにより、導光板２と撮像装置５との間の距離を大きくすることなく、対象物８を画角αに収めるよう撮像装置５を配置することができる。
【００６２】
＜ガラス＞
ガラス７は、その上面に対象物８を載置するためのものであり、導光板２の上方に配置される。ガラス７は、光透過性のガラス、または有機ガラス等の樹脂によって形成される。ガラス７の表面には、反射防止シート、反射防止膜、または飛散防止シート等が張り合わされていてもよい。
【００６３】
［動作］
上述した構成を有する読取装置１の動作を説明する。
【００６４】
（１）ガラス７の上面に載置された対象物８に、可視光、赤外光、および紫外光を照射する。具体的には、第１光源３から導光板２の側面に入射した可視光および赤外光の少なくともいずれかは、導光板２内を伝搬し、射出面２ｂから射出されて対象物８を照射する。また、第２光源６から射出された紫外光が導光板２を介して対象物８を照射する。
【００６５】
（２）撮像装置５により、対象物８を撮像して画像を取得する。
【００６６】
（３）取得した画像を送信、解析する。たとえば、読取装置１に設けられた通信部（図示省略）により、撮像した画像を外部装置に送信し、外部装置は、撮像した画像を受信すると、当該画像を種々の解析に使用する。
【００６７】
［凸状構造体の形状］
本実施の形態では、図２に示すように、凸状構造体９は、光の伝搬方向Ａを横断する断面が三角形のプリズム形状である。導光板２の射出面２ｂに対する、凸状構造体９の第１面９ａの第１傾斜角度θ１と、導光板２の射出面２ｂに対する、凸状構造体９の第２面９ｂの第２傾斜角度θ２とにより、導光板２の射出面２ｂからの取り出し効率が変化する。以後、第１傾斜角度θ１をルーフ角度θ１、第２傾斜角度θ２を取り出し角度θ２と称することもある。導光板２の入射面２ａに入射する光の入射面２ａに対する角度を入射角度θｉｎとし、導光板２の射出面２ｂから射出された光の射出面２ｂの法線に対する角度を射出角度θｏｕｔとする。射出角度θｏｕｔは、射出面２ｂの法線を０°として、光の伝搬方向Ａ側をプラス、光の伝搬方向Ａと反対側をマイナスで表す。なお、図４においては、光ｆ２の入射角度をθｉｎ２、射出角度をθｏｕｔ２、光ｆ３の入射角度をθｉｎ３、射出角度をθｏｕｔ３として示す。また、図４においては、凸状構造体９の第２面９ｂの第２傾斜角度θ２が９０°であるため、射出角度θｏｕｔが第２面９ｂに対する角度として図示されている。
【００６８】
図４は、ルーフ角度θ１が４５°であり、取り出し角度θ２が９０°である凸状構造体９を示す図、図５は、ルーフ角度θ１が４５°であり、取り出し角度θ２が９０°である凸状構造体９における光の射出方向を示す図、図６は、ルーフ角度θ１が４５°であり、取り出し角度θ２が４５°より小さい場合の凸状構造体９における光の射出方向を示す図である。図４に示すような形状の凸状構造体９を導光板２の射出面２ｂに設ける場合、導光板２から凸状構造体９に入射した光ｆ２および光ｆ３は、凸状構造体９の第１面９ａに当たることなく、凸状構造体９の第２面９ｂに到達する。導光板２の入射面２ａと凸状構造体９の第２面９ｂとは平行であるので、凸状構造体９の第２面９ｂに到達した光ｆ２およびｆ３は、入射面２ａへの入射角度θｉｎと等しい射出角度θｏｕｔで全反射することなく第２面９ｂから射出する。
【００６９】
図４のように、取り出し角度θ２が９０°である場合は、凸状構造体９に入射したすべての光を、凸状構造体の第１面９ａにおいて全反射させることなく取り出せる。しかし、図５に示すように、導光板２の射出面２ｂに対して垂直に近い角度の光ｆ４が発生してしまう可能性がある。このような光は、鏡面反射として撮像装置５に入射してしまうため、撮像障害となる場合がある。また、図６に示すように、取り出し角度θ２を４５°よりも小さくすると、導光板２の射出面２ｂに対して垂直に近い光を抑制することができるが、対象物８の方向に向かわない無効な光ｆ５が発生してしまう可能性がある。
【００７０】
また、図７は、ルーフ角度θ１が導光板２の臨界角である４１．８°よりも小さい場合の凸状構造体９を示す図である。ルーフ角度θ１が臨界角である４１．８°よりも小さい場合、図７に示すように、凸状構造体９の第１面９ａにおいて全反射する光ｆ６が発生し、第１面９ａで全反射した光ｆ６は、導光板２の入射面２ａへ入射する角度θａよりも小さい角度で凸状構造体９の第２面９ｂに入射し、さらに小さい角度θｂで第２面９ｂから射出する。
【００７１】
ここで、ルーフ角度θ１と取り出し角度θ２の最適な値を検討するため、以下の条件でシミュレーションを行った。
【００７２】
＜シミュレーション条件＞
厚さ１ｍｍの導光板２の入射面に、厚さ０．８ｍｍの第１光源３を配置する。第１光源３は、空間分布が均一であり、配光がランバーシアンである。また、底面幅０．１ｍｍのプリズム形状の凸状構造体９を０．５ｍｍ間隔で配置する。このとき、導光板２の射出面２ｂに対する凸状構造体９の面積率は２０％となるようにする。これらの条件で、入射面２ａから２０ｍｍの範囲での射出光量を算出する。ルーフ角度θ１が４５°および取り出し角度θ２が９０°の場合を基準として、射出光量を規格化して取り出し効率を算出した。
【００７３】
まず、取り出し角度θ２について検討する。図８は、ルーフ角度θ１を４５°に固定したときに、取り出し角度θ２が９０°の場合の取り出し効率を１として、取り出し角度θ２と取り出し効率との関係を示すグラフである。また、図９は各取り出し角度θ２における射出配光特性を示すグラフであり、横軸に射出角度θｏｕｔ、縦軸にその方向に射出される光の相対光度をピーク光度で規格化した相対光度を示す。図８に示すように、取り出し角度θ２が９０°に近いほど、取り出し効率が高くなる。
【００７４】
図８のグラフに示すように、取り出し角度θ２が４５°程度より大きい場合、取り出し効率が０．５を超える。取り出し効率が０．５を超えていれば、対象物８を照明するのに十分な光量が得られる。したがって、取り出し角度θ２は、４５°以上９０°以下であるとよい。
【００７５】
なお、対象物８を照明する光がガラス７の表面で鏡面反射して撮像装置５に入射すると、ハレーションを生じて画像の取得、解析に支障をきたす。そこで、たとえば、導光板２の射出面２ｂにおいて、入射面２ａ付近では射出光の射出角度θｏｕｔが画角αの１／２以下となる光の成分を含まないことが望ましい。一方、射出面２ｂの中央付近より入射面２ａから離れた位置では、射出角度θｏｕｔが０°以下となる光の成分が含まれなければよい。
【００７６】
図９に示すように、取り出し角度θ２が９０°に近い場合、射出角度θｏｕｔが３０°近傍の小さな角度で射出する光の成分を有する。たとえば、図１の構成で装置の厚みを薄くするために、画角αを１００°程度に設定する場合、入射面２ａ近傍の光の射出角度θｏｕｔが５０°以下になると、ガラス７の表面で鏡面反射した光が撮像装置５に入射してハレーションとなり撮像を阻害する。取り出し角θ２を小さくすると、射出角度θｏｕｔの小さな光の成分を抑制することができる。したがって、取り出し角θ２を４５°に設定すると、射出角度θｏｕｔが６０°以下となる光の成分がほぼ解消される。
【００７７】
次に、ルーフ角度θ１について検討する。ルーフ角度θ１が４１．８°以上の場合、図４に示すように、凸状構造体９に入射した光ｆ２は、第１面９ａに当たることなく、伝搬角度を維持した状態で第２面９ｂに入射して、入射角度θｉｎ２と等しい射出角度θｏｕｔ２で射出する。一方、図７に示すように、ルーフ角度θ１が４１．８°より小さい場合、第１面９ａで全反射する光の成分ｆ６が発生する。第１面９ａで全反射した光の成分は、第１面９ａで全反射されなかった場合に比べ、第２面９ｂに対して垂直に近い角度で入射するため、フレネル損失が軽減されて効率よく射出する。ただし、ルーフ角度θ１が２０．９°より小さくなると、導光板２の下面２ｃの方向に向かう無効成分となり、ルーフ角度θ１が２０．９°以上の場合より取り出し効率が低下する。
【００７８】
図１０は、取り出し角度θ２を９０°に固定したときに、ルーフ角度θ１が４５°の場合を１とした、ルーフ角度θ１と取り出し効率との関係を示すグラフである。上述したように、ルーフ角度θ１が２０°近傍の場合に相対効率が最大となり、ルーフ角度θ１が１０°より小さくなるとフレネル損失を軽減する効果よりも、下面２ｃに向かう無効成分が増大する副作用が大きくなるため、相対効率は顕著に低下する。一方、ルーフ角度θ１が４５°以上になると、取り出し効率が１に収束する。以上を考慮するとルーフ角度θ１は、１０°以上４５°以下であるとよい。なお、ルーフ角度θ１を４１．８°より大きくしても、凸状構造体９の第１面９ａには光が当たらず、凸状構造体９が大きくなるだけであるため、より好ましくは、ルーフ角度θ１は２０．９°以上４１．８°以下であるとよい。
【００７９】
すなわち、凸状構造体９は、導光板２の射出面２ｂに対する第１面９ａの第１傾斜角度θ１が１０°以上４５°以下であるとよい。より好ましくは、第１傾斜角度θ１が２０．９°以上４１．８°以下であるとよい。また、導光板２の射出面２ｂに対する第２面９ｂの第２傾斜角度θ２が４５°以上９０°であるプリズム形状であるとよい。
【００８０】
［効果］
本開示のフロントライト４によると、導光板２の射出面２ｂに複数の凸状構造体９を設けることにより、第１光源３から凸状構造体９に入射した光を全反射させることなく射出して対象物８を照射することができる。したがって、導光板２の第２主面２ｃに反射型構造体を設ける場合に比べ、導光板２の射出面２ｂに対する凸状構造体９の面積の総和の比率を小さくして、効率よく対象物８側へ光を取り出すことができ、明るく鮮明な画像取得が可能になる。
【００８１】
また、導光板２の射出面２ｂに複数の凸状構造体９を設けることにより、凸状構造体９に進入したすべての光を導光板２の射出面２ｂから取り出すことができるため、光の利用効率を向上することができる。さらに、導光板２内に進入した光は導光板２の下面２ｃでは全反射するため、下面２ｃからの光の射出を抑制して、光の利用効率を向上することができる。光の利用効率が向上することにより、省電力のフロントライト４を提供することができる。また、凸状構造体９が光の伝搬方向Ａを横断する断面にプリズム形状を有することにより、対象物８を照射しない無効光を抑制することができる。
【００８２】
さらに、平板状の導光板２を備えるフロントライト４は、小型化が容易である。したがって、省電力で小型のフロントライト４を実現することができる。
【００８３】
また、本開示のフロントライト４を備えることにより、光の利用効率が向上した読取装置１を提供することができる。
【００８４】
［変形例１］
図１１は、凸状構造体９１〜９３の配置の変形例を示す図である。図１１に示すように、第１光源３から距離が近い凸状構造体９１の取り出し角度θ２１は小さく、第１光源３からの距離が離れるにつれて、凸状構造体９２、９３の取り出し角度θ２２、θ２３が大きくなるように配列されていてもよい。すなわち、凸状構造体９１〜９３が光の伝搬方向Ａに沿って配列され、第１光源３から離れるにつれて、凸状構造体９１〜９３の取り出し角度θ２１〜θ２３が大きくなる。すなわち、凸状構造体９１〜９３の取り出し角度θ２１〜θ２３の大きさが、θ２１＜θ２２＜θ２３となる。
【００８５】
第１光源３からの距離が近い位置では、射出される光が導光板２の射出面２ｂに対して垂直に近い場合、鏡面反射により迷光となって撮像装置５に入り、撮像障害となってしまう。そこで、第１光源３からの距離が近い位置に配置された凸状構造体９１では、取り出し角度θ２１を小さくすることで、導光板２の射出面２ｂに対して垂直に近い光の射出を抑制することができる。また、第１光源３から距離が離れた位置の凸状構造体９３では、取り出し角度θ２３が９０°に近くなって、導光板２の射出面２ｂに対して垂直に近い光が射出された場合でも、その光は撮像装置５には入らないため撮像障害とはならない。このため、図１１に示すように、光の伝搬方向Ａに沿って、第１光源３に近い位置に配置された凸状構造体９１の取り出し角度θ２１よりも、凸状構造体９２の取り出し角度θ２２が大きくなっていてもよい。さらに、凸状構造体９２よりも第１光源３から離れた位置に配置された凸状構造体９３の取り出し角度θ２３が、凸状構造体９２の取り出し角度θ２２よりも大きくなっていてもよい。このように、それぞれの凸状構造体９１〜９３が、光の伝搬方向Ａに沿って配列され、第１光源３からの距離が離れるにつれて、凸状構造体９１〜９３の第２傾斜角度θ２１〜θ２３が大きくなっていてもよい。
【００８６】
このような凸状構造体の配置によると、射出される光の角度抑制をするのが望ましい第１光源３の近傍の凸状構造体９１では、取り出し角度θ２１を小さくして、無効となる光を抑制することができる。また、射出される光の角度抑制をしなくてもよい第１光源３から離れた位置に配置された凸状構造体９２、９３では、取り出し角度θ２２、θ２３を、凸状構造体９１の取り出し角度θ２１よりも大きくすることにより高い効率を得ることができる。
【００８７】
なお、凸状構造体９１〜９３の幅およびピッチ等を調整して、たとえば、凸状構造体９１と凸状構造体９２との間隔は広く配置され、凸状構造体９２と凸状構造体９３との間隔は狭く配置されていてもよい。たとえば、導光板２において、第１光源３からの距離が近い部分では、射出面２ｂの面積に対する凸状構造体の面積占有率が小さく配置され、第１光源３から離れるにつれて、射出面２ｂの面積に対する凸状構造体の面積占有率が大きく配置されていてもよい。すなわち、複数の凸状構造体は、光の伝搬方向Ａに沿って配列され、第１光源３から離れるにつれて複数の凸状構造体の面積率が大きくなってもよい。なお、面積率とは、射出面２ｂに対する単位面積あたりの凸状構造体の占める割合のことである。面積率は、凸状構造体の配置密度、および／または凸状構造体１つあたりの面積で調整することができる。
【００８８】
凸状構造体が導光板２の射出面２ｂに均一に配置されていると、第１光源３に近い部分ほど照度が高くなってしまうことがあるが、このような配置とすることにより、導光板２における照度分布を均一にすることができる。なお、変形例１において、凸状構造体の数は複数であれば、必ずしも３つでなくてもよい。
【００８９】
［変形例２］
図１２は、凸状構造体９の形状の変形例を示す図である。図１２に示すように、凸状構造体９は、さらに第３面９ｃを有し、光の伝搬方向Ａを横断する断面が四角形の形状であってもよい。すなわち、凸状構造体９は、第１光源３からの光の伝搬方向Ａにおいて、第１光源３側である第１面９ａと反対側に、射出面２ｂと直交する第３面９ｃを有していてもよい。図１２において、凸状構造体９の第１面９ａおよび第３面９ｃと交差する面が第２面９ｂである。この場合、第２面９ｂから射出される光ｆ７および第３面９ｃより射出される光ｆ８が対象物８を照射する。
【００９０】
図５のように、取り出し角度θ２が大きい、すなわち、取り出し角度θ２が９０°に近い場合、凸状構造体９の第２面９ｂの上方から射出する光ｆ４が、導光板２の射出面２ｂに対して垂直に近い光となり、無効光となってしまう可能性がある。また、図６のように、取り出し角度θ２が小さい、すなわち、取り出し角度θ２が４５°に近い場合、凸状構造体９の第２面９ｂの下方から射出する光ｆ５が、導光板２の方向に向かって射出されてしまい、無効光となってしまう可能性がある。そこで、図１２のように、凸状構造体９の第２面９ｂの取り出し角度θ２４は小さく、すなわち、取り出し角度θ２４が４５°に近く、第３面９ｃの取り出し角度θ２５は大きく、すなわち、取り出し角度θ２５は９０°に近くするとよい。このようにすると、図５および図６において、無効光となってしまう光ｆ４、ｆ５を抑制することができる。なお、変形例２において、凸状構造体９の断面の形状は、必ずしも四角形でなくてもよい。たとえば、凸状構造体９の断面形状が、四角形以外の多角形、または曲線を含む形状であってもよい。
【００９１】
（実施の形態２）
本開示の実施の形態２にかかるフロントライトについて説明する。なお、実施の形態２では、主に実施の形態１と異なる点について説明する。実施の形態２においては、実施の形態１と同等の構成については同じ符号を付して説明する。また、実施の形態２では、実施の形態１と重複する記載は省略する。
【００９２】
図１３は、実施の形態２にかかるフロントライト４の凸状構造体９４の断面図である。
【００９３】
実施の形態２では、凸状構造体９４が光の伝搬方向Ａを横断する断面が円弧であるシリンドリカル形状を有するという点で、実施の形態１と異なる。
【００９４】
図１３に示すように、本実施の形態において、凸状構造体９４は半円形の断面を有する。すなわち、凸状構造体９４は、光の伝搬方向Ａを横断する断面が円弧であるシリンドリカル形状を有する。このような構成により、凸状構造体９４の頂部付近に進入した光ｆ９が、凸状構造体９４から射出されるときに、導光板２の射出面２ｂに対して垂直に近い光とはならずに、効率よく対象物８を照射することができる。また、凸状構造体９４から射出される光ｆ１０のように、対象物８に向かわない光を抑制することもできる。また、凸状構造体９４がシリンドリカル形状であることにより、図１３において破線で示す光ｆ１１のような、導光板２の射出面２ｂに対して垂直に近い光を抑制することができる。
【００９５】
凸状構造体９４がシリンドリカル形状を有する場合、取り出し角度θ２が９０°のプリズム形状を有する場合と同等の取り出し効率を実現することができる。また、凸状構造体がプリズム形状を有する場合と比較して加工が容易であるため、製造コストを抑制することができる。
【００９６】
なお、凸状構造体９４の断面は、必ずしも半円でなくてもよい。たとえば、凸状構造体９４の断面が半楕円状であってもよい。また、図１４に示すように、凸状構造体９５のように、その断面が長方形９５ａと半円９５ｂを組み合わせた形状であってもよい。この場合、導光板２の射出面２ｂに近い部分の取り出し角度θ２６が９０°であるため、対象物８に向かわない無効な光を抑制して効率よく対象物８を照射することができる。
【００９７】
（実施の形態３）
本開示の実施の形態３にかかるフロントライトについて説明する。なお、実施の形態３では、主に実施の形態１と異なる点について説明する。実施の形態３においては、実施の形態１と同等の構成については同じ符号を付して説明する。また、実施の形態３では、実施の形態１と重複する記載は省略する。
【００９８】
図１５は、実施の形態３にかかるフロントライト４の凸状構造体９６の断面の拡大図である。
【００９９】
実施の形態３では、凸状構造体が直方体形状を有するという点で、実施の形態１と異なる。
【０１００】
図１５に示すように、本実施の形態において、凸状構造体９６は矩形の断面を有する。すなわち、凸状構造体９６は、直方体形状を有する。
【０１０１】
凸状構造体９６の天面９６ａでの全反射を抑制するため、凸状構造体９６の高さｈと幅ｗが、数４の式で表されるように、凸状構造体９６を設けるとよい。
【０１０２】
【数４】
2020141157.tif 000006
【０１０３】
凸状構造体９６の天面９６ａは、導光板２の射出面２ｂと平行である。このため、図１５に示すように、導光板２の下面２ｃから導光板２に入射した光ｆ１２の直進性を阻害しないため、導光板２の透明性を高くすることができる。
【０１０４】
なお、上述した各実施の形態では、フロントライト４は読取装置１に搭載されているが、フロントライト４は、たとえば液晶パネルのフロントライトとして使用することもできる。
【０１０５】
また、上述した各実施の形態において、読取装置１にはガラス７および第２光源６が設けられているが、ガラス７および第２光源６は必ずしも設けられていなくてもよい。
【０１０６】
また、上述した各実施の形態では、導光板２は平板状に形成されているが、たとえば、第１光源３から離れるにつれて、薄くなるような形状であってもよい。この場合、第１光源３から離れるにつれて反射機会を増やすことができるため、照度分布を均一にすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本開示の各実施の形態におけるフロントライトは、読取装置または液晶パネル等のフロントライトとして幅広く利用することが可能である。
【符号の説明】
【０１０８】
１    読取装置
２    導光板
２ａ  入射面（側面）
２ｂ  射出面（第１主面）
２ｃ  下面（第２主面）
３    第１光源
４    フロントライト
５    撮像装置
６    第２光源
８    対象物
９、９１〜９６  凸状構造体
９ａ  第１面
９ｂ  第２面
９ｃ  第３面
【図１】
2020141157.tif 000007
【図２】
2020141157.tif 000008
【図３】
2020141157.tif 000009
【図４】
2020141157.tif 000010
【図５】
2020141157.tif 000011
【図６】
2020141157.tif 000012
【図７】
2020141157.tif 000013
【図８】
2020141157.tif 000014
【図９】
2020141157.tif 000015
【図１０】
2020141157.tif 000016
【図１１】
2020141157.tif 000017
【図１２】
2020141157.tif 000018
【図１３】
2020141157.tif 000019
【図１４】
2020141157.tif 000020
【図１５】
2020141157.tif 000021