(57)【要約】  【課題】照度が安定し、優れた性能を有し低コストなライン状の照明装置を提供する。  【解決手段】透明部材からなる棒状の導光体と、該導光体の端部に配置された光源とを有する照明装置において、該導光体の長手方向の一側面には短手方向に稜線を持つ微細プリズムが配列形成されており、対向する出光面はシリンドリカルレンズ面となっており、さらに微細プリズム中心の法線方向から±２０度以内の範囲に長手方向に稜線を持つ凹凸ラインが１本以上形成されていることを特徴とする。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明部材からなる棒状の導光体と、該導光体の端部に配置された光源とを有する照明装置において、該導光体の長手方向の一側面には短手方向に稜線を持つ微細プリズムが配列形成されており、対向する出光面はシリンドリカルレンズ面となっており、さらにこのシリンドリカルレンズ面に微細プリズムの稜線中心の法線方向から±２０度以内の範囲に長手方向に稜線を持つ凹凸ラインが１本以上形成されていることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
凹凸ラインの幅または高さが長手方向で変化、または凹凸ラインの本数が長手方向で変化させたことを特徴とする請求項１記載の照明装置。
【請求項３】
凹凸ライン断面とシリンドリカルレンズ断面との成す角度が１４０度以上、かつ隣接する凹凸ライン断面の成す最大角度が１１０度以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像読み取り装置に用いられるライン状照明装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ファクシミリ、電子黒板、電子複写機その他、画像読取装置に備えるライン状照明装置としては、キセノン蛍光ランプなどの放電管、ＬＥＤ（発光ダイオード）を多数アレイ状に並べたＬＥＤアレイバー、導光体の端部にLEDを配置した導光体照明などが用いられている。
このうち導光体照明方式は、ウォーミングアップが不要、小型、低消費電力、低発熱、低コストといった優れた特徴を有することから、家庭用の小型スキャナを初めとして種々の製品用途での利用が広がってきている。
【０００３】
画像読み取り装置に用いられる導光体照明方式における一般的な問題点は、端面に配置された光源からの限られた光を効率よく利用して読取エリア全体にわたる照度の均一性を保つ事である。
この方式における導光体の代表的な構成図を斜視図が図1で示し、光線の挙動を説明するための側面図を図２に示す。
光源１からの光は導光体２の端面より導光体内に取り込まれ、空気界面での全反射を繰り返しながら導光体内を伝播していく。導光体の長手方向の一側面には、光を出光面方向に反射させる反射パターン３が形成されており、この反射パターンに当たった光の一部は出光面４より出射される。出光面はシリンドリカルレンズ曲面となっており、集光されて読取部となる原稿面５上の帯状エリア６を照明する。導光体内を伝播する光束は光源から遠ざかるほど減少するが、反射パターンには光源付近では粗で光源から離れるに従って密となるようなグラデーションがついており、全長に亘って均一な照度を得ることが可能となっている。
【０００４】
反射パターンとしては、代表的には、成形品の表面に微細なプリズムを形成して鏡面反射を利用する方式と、白色（もしくは光拡散性）のインクを印刷塗布してインクによる拡散反射を利用する方式とがある。微細プリズムによる鏡面反射を利用する方式は、印刷工程が不要なため低コストとなるメリットがある。さらに、光を特定の方向に反射するため細い帯状の範囲に光をより効率的に集光でき、照明効率としても有利である。
【０００５】
画像読み取り用光源では、原稿（読み取り面）の浮きによる読み取り位置の変動や、機械のガタツキや組み立て精度限界に対応するために、短手方向（副走査方向）に対して一定幅での照度安定性が求められる。特に原稿が浮きやすい両面ドキュメントスキャナ、電子黒板、複写機などの用途では、広い幅での照度安定性が求められる。図３は導光体の短手方向（横軸）における照度分布の例を示した図であるが、ここに示した分布Pのような短手方向に鋭いピークを持つような照度分布では、原稿の浮きによって照度が変化してしまい、読み取り画像に明暗のムラが発生してしまう。また、ユニットのわずかな位置ズレによっても明暗のムラが発生してしまう。
短手方向での照度安定性を確保するためには、シリンドリカル形状のレンズ面での集光効果を弱く、もしくは無くして短手方向に広がった図３の分布Qとなるような出射光とすればよいが、一方で、読み取り面照度は読み取り高速化やノイズ低減のためにできる限り高くすることが求められているので、単純に集光性を弱めて分布Ｑのような短手方向分布にした場合には、照度が著しく低下してしまい好ましくない。相反する要求を両立するためには、読み取りに利用する一定範囲内では照度変化が小さく、利用しない範囲に照射され無駄になる光は極力小さくするように図３のＲに示したような分布を作り出すことが求められる。
【０００６】
しかしながら、鏡面反射方式の反射パターンとシリンドリカルレンズによる集光による照射では、短手方向の分布を図３に示される分布Ｒのように安定化させることが困難という問題を抱えていた。
すなわち、導光体の出光面の断面が連続曲線となる凸形状でかつ全長に渡って同一形状とした場合には、微細プリズムのピッチ、高さ、幅などをコントロールするだけでは、図３のＲのような短手方向分布を得ることはできなかった。また、光源近傍から遠方まで短手分布を同一にはできなかった。特に光源近傍においては非常に強いムラが発生する。
【０００７】
本発明者は先に光源近傍のエリアの出光面に凹凸を複数配列形成して出射光を程度に拡散させることにより、短手方向の分布を改善する方法を提案した（特許文献１）。しかしながら、光源から離れた位置においても、短手分布を図３のＲのような理想的な分布に近づけることには限界があった。
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１４０７２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記のような不都合に対して、導光体の長手方向全体に亘って導光体の短手方向の照度分布が一定の幅の範囲で照度を保ちつつ安定したライン照明装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は透明部材からなる棒状の導光体と、該導光体の端部に配置された光源とを有する照明装置において、該導光体の長手方向の一側面には短手方向に稜線を持つ微細プリズムが配列形成されており、対向する出光面はシリンドリカルレンズ面となっており、さらにこのシリンドリカルレンズ面に微細プリズム稜線中心の法線方向から±２０度以内の範囲に長手方向に稜線を持つ凹凸ラインが１本以上形成されていることを特徴とするライン照明装置であり、好ましくは凹凸ラインの幅または高さが長手方向で変化、または凹凸ラインの本数が長手方向で変化させたライン照明装置である。
また本発明では、凹凸ライン断面とシリンドリカルレンズ断面との成す角度が１４０度以上、かつ隣接する凹凸ライン断面の成す最大角度が１１０度以上としたライン照明装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、導光体の出光面に、稜線を長手方向に持つ凹凸ラインを全長に亘り形成することにより、理想的な短手分布を得るものであり、更に本発明では凹凸ラインの幅または高さを長手方向で変化、または凹凸ラインの本数を長手方向で変化させることにより、長手方向の位置により短手方向分布が変化してしまうことを解消し、原稿面の浮き、機械のガタツキや組立ての精度限界に対応できる広い幅の照度安定性があるライン照明装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を用いて本発明の好適な実施形態について記述する。
【００１３】
図４は本発明のライン照明装置の特徴となる導光体と光源について模式的に表わした斜視図である。導光体２の長手方向（X軸方向）の一側面は平面となっており、ここには微細プリズム８が短手方向（Y軸方向）に稜線９を成すように配列形成されている。導光体の端面にはLED光源１が配置されている。導光体の入光面はLEDからの発光を効率良く取り込めるようLEDと近接して配置されている。入光面から導光体内に取り込まれた光は空気界面での全反射を繰り返しながら長手方向に伝播される。
該導光体の長手方向の一側面には短手方向に稜線を持つ微細プリズムが配列形成されており、微細プリズムに到達した一部の光は反射され導光体の出光面４より一定の幅をもってZ軸プラス方向に出射される。また、一部の光は微細プリズムの空気界面で屈折しプリズム背面側へと取り出されるが、プリズム面の背面側に光反射性の部材が設置されている場合には、背面側へ抜けた光も再度導光体側へと反射させて戻すことに出光面より出射される。したがって照度を上げたい場合には、微細プリズムの背面側に光反射性の部材を配置することが好ましい。
【００１４】
導光体の出光面には円弧断面のカマボコ型の凹凸ライン１０が少なくとも１本配列形成されている。
ここでこの凹凸ラインの働きを説明する。
LEDの発光は導光体と空気界面で屈折され、ほぼ（半角）４０度の広がりを持って入射される。導光体内に取り込まれ微細プリズム以外の面に到達した光は全反射され、微細プリズムに到達した光のみが導光体外へと出射されるわけであるが、微細プリズムは鏡面反射性であるため、微細プリズムに到達する光の角度によって出光面から出射される角度が変化することとなる。短手方向分布を均一に制御するためには微細プリズムへと到達する光の角度が重要となる。まず光源近傍においては、LEDから入射された光が直接プリズムへと到達したり、導光体側面で1回、2回と少ない回数反射して到達する。このように特定の光路を経た光が不連続的に微細プリズムへと到達するため、光源付近では著しい照度ムラが発生する。
【００１５】
以下に、図５を用いて導光体の短手方向の照度分布を比較例、実施例について記述する。
図５のAは導光体の出光面に凹凸ラインを設置してない導光体A（比較例）を使用したときの入光面からの距離に応じた短手方向照度分布を示したもので、横軸にY方向（短手方向）の位置（ｍｍ）をとり、縦軸は微細プリズム面形成面（後述）の法線方向（角度０）での照度が１となるように標準化した時の各々の位置における相対照度を示す。導光体は断面をＲ＝２．２ｍｍの円弧形状とし、長手一側面は円弧中心より２．０ｍｍの位置で直線断面となる平面が形成されており、平面（微細プリズム形成面）には頂角１２０度の二等辺三角形断面の微細プリズムを配列させた、長手寸法３２０ｍｍのもので、シリンドリカルレンズ面（出光面）に凹凸ラインを設けてないものを導光体Ａ（比較例）とする。
【００１６】
図５のＡは、導光体Ａの出光面より７．５ｍｍの位置（R＝２.２のシリンドリカル円弧中心をＹ＝０としてＹ＝９．７の位置）に、微細プリズム形成面に水平に受光面を置いたとき、入光面からの距離（Ｘ）が０〜２０ｍｍ、３０〜５０ｍｍ、１２０〜２３０ｍｍ、２１０〜２３０ｍｍ、３００〜３２０ｍｍの５箇所における短手方向の照度分布を、光線シュミレーションソフト（OPTICAL RESEARCH ASSOCIATES社製“LIGHT TOOLS”）を用いてシミュレーションした結果である。
図５のAの上段は短手方向２０mmの幅での照度分布のグラフで、下段は短手方向６ｍｍでの照度分布を拡大したグラフを示した。図５のAのグラフを見ると、入光面からの距離に応じた測定位置（５箇所）で著しく分布が異なっていることがわかる。このように、導光体内を伝播する光の角度分布は長手（Ｘ）位置によって異なり、微細プリズムに到達する光束の角度分布も長手位置により異なってくる。このことが短手方向の分布を変化させていると考えられる。
【００１７】
図５のＢは、導光体Ａの出光面にＲ＝０．６mmの円弧断面からなるカマボコ型の凹凸ラインを全長に渡って４本形成した導光体Ｂの短手方向照度分布である（実施例1）。４つのカマボコ円弧の中心座標（Ｙ，Ｚ）は、Ｒ＝２．２円弧の中心座標を（０，０）としたとき、それぞれ（−０．５６，１．５３）（−０．２１，１．６３）（０．２１，１．６３）（０．５６，１．５３）で長手方向の全長に亘って一定としている。
図５のＡ、Ｂの二つのグラフを比較すると、凹凸ラインを設けた導光体Bにおける短手方向の分布が均一化に向かっており、ＢにおいてはＹ＝±０．５ｍｍにおいて±１０％程度の照度安定性が確保された結果となっている。
このように出光面に凹凸ラインを設けることにより短手方向分布が理想形状に近づき均一化されている。
しかしながら、Ｘ＝０〜２０の範囲の分布はまだ鋭いピークを持つものとなっており長さ方向の全長に亘って照度分布の均一化を図るには不十分ところもある。さらに詳細に見るとＸ＝３００〜３２０の位置においてもピークが狭くなっており、さらなる改善の余地がある。
【００１８】
そこで導光体Ｂの照度分布を更に改良安定化するために、導光体Bにおいて照度ピークをさらに広げたい部分のみカマボコ型の凹凸ラインを追加したり、突出量を大きくして拡散効果を高めたものが導光体Ｃである（実施例２）。
ここでは、入光面側に６個のカマボコ型の凹凸ラインを追加で設けている。それぞれＸ＝０において（Ｙ，Ｚ）は（−１．１５，１．２５）（−０．７３，１．５３）（−０．２８，１．６８）（０．２８，１．６８）（０．７３，１．５３）（１．１５，１．２５）であり、Ｙ＝−１．１５のカマボコ中心はＹ／Ｘ方向に０.１９度、Ｚ／Ｘ方向に０．０５度の傾斜を設け、Ｙ＝−０．７３のカマボコ中心はＹ／Ｘ方向に０．１５度の傾斜を設け、Ｙ＝−０．２８のカマボコ中心はＺ／Ｘ方向に−０．０７の傾斜を設け、Ｙ＝０．２８のカマボコ中心はＺ／Ｘ方向に−０．０７度の傾斜を設け、Ｙ＝０．７３のカマボコ中心はＹ／Ｘ方向に−０．１５度の傾斜を設け、Ｙ＝１．１５のカマボコ中心はＹ／Ｘ方向に−０．１９度、Ｚ／Ｘ方向に０.０５度の傾斜を設け、それぞれ入光面から離れるに従い凸部の高さが徐々に小さくなるようにしている。この導光体Ｃを模式的に示したものが図４である。
【００１９】
さらに、入光対向面にもＸ＝３２０において（Ｙ，Ｚ）は（−０．６，１．５３）（０．６，１．５３）となる２本のカマボコ型の凹凸ラインを追加し、Ｙ＝−０．６のカマボコ中心はＹ／Ｘ方向に−０．０３度の傾斜を設け、Ｙ＝０．６のカマボコ中心はＹ／Ｘ方向に０．０３度の傾斜を設け、それぞれ入光対向面から離れるに従い凸部の高さが徐々に小さくなるようにしている。
これら追加した凹凸ラインの形状は導光体Ｂの凹凸ライン形状の上に重なるため、導光体Ｃの凹凸ラインの本数としては入光面側で６本、入光対向面側で４本となる。
図５のＣが導光体Ｃのシミュレーション結果を示したグラフであるが、これを見ると、短手方向分布は導光体Bの場合よりさらに均一化され、いずれのＸ位置においても±１．５ｍｍにおいて±４％程度と、高い照度安定性が確保され、理想的な分布にさらに近づいた結果となった。
【００２０】
凹凸ラインの効果を図６で模式的に示した。凹凸ライン１０は、微細プリズム８から反射された光が出射面から出射される際に、光を短手方向に適度に拡散させる効果を有する。これにより照度の短手方向分布を適正化することができる。さらに、長手方向の位置により1本1本の凹凸ラインの幅や高さを変化させたり、凹凸ラインを長手方向の一部に追加形成することにより、分布の変化を抑えることができる。
【００２１】
図７は導光体の入光端面の断面形状を示したもので、凹凸ライン１０の形状は図７のＣに示すような円弧断面からなるカマボコ型、Ｄに示すような折れ線型、Ｅに示すような波型などいずれの形状でも良い。肝心なことは出射光を短手方向に適切に広げる機能であり、シリンドリカルレンズ面との成す最大角度αが１４０度以上、かつ隣接する凹凸ライン断面の成す最大角度βが１１０度以上であることが好ましい。αやβの角度が大きいほど強く光を短手方向に拡散するが、角度が大きすぎると読み取り位置への集光が悪化し過ぎて法線方向付近の照度が低下してしまうため好ましくない。また、凹凸ラインの形成位置は光を短手方向に拡散して安定化する上で、微細プリズムの法線方向付近が最も効果的であり、±２０度内の範囲に少なくとも１本以上設けることが好ましい。
【００２２】
個々の凹凸ラインの拡散した光は読み取り位置において混じり合って均一化される必要があり、１本の凹凸ラインの短手寸法Ｋが大きすぎると凹凸に応じた明暗のムラが発生するため不都合である。読み取り面までの距離が短いほど凹凸ラインによる明暗ムラは出やすいためＫを小さくする必要があるが、通常の照明装置においてＫは概ね導光体短手寸法Ｗの１／５以下とすることが望ましい。
また、実施例においては出光面のシリンドリカルレンズ断面は単純な円弧形状としたが、これに限られたものではなく、複数の円弧を連続させた曲線や楕円なども適宜選ばれる。
【００２３】
本発明は導光体の片側端面にＬＥＤを配置する場合でも、両側端面に配置する場合でも適応できる。
【００２４】
次に微細プリズムの働きについて記述する。
本発明の導光板では短手方向（Ｙ方向）に稜線を有する微細プリズムが形成されている。
図８〜１１は一つの微細プリズム断面とそこでの光路を説明する側面図である。
微細プリズムの断面形状としては、ＬＥＤを両側端面に配置する場合には、両端からの光が対称に出射されるようにするためにプリズム断面形状を対称形とすることが好ましい。先に説明したように微細プリズムに到達した光の一部は出光面側に反射され一部はプリズム裏側に屈折して出射されるが、プリズム裏側に反射板を配置したとしても、法線方向の照度を高くする上ではプリズムからの反射の割合が高い方が有利であり、図８のように二つの反射面１３が頂角１２０度付近の二等辺三角形となる形状が好適である。しかしながらこのような形状では出射光の角度がＸ−Ｚ面で光源と反対側に傾いてしまうために原稿の凹凸による影の出方が長手位置によって異なり、位置によっては影が際立つといった問題も生じる。この問題を回避したい場合は出射角度ピークを法線方向に近づけることが望ましく、このために図９のように台形の形状とすることし反射面１３の角度γを２０〜３０度にすることが好適である。微細プリズム断面幅をＥ、高さをＤとした時、Ｅ／Ｄの比は小さ過ぎても大き過ぎても出射光率が低下する。Ｅ／Ｄの適正な範囲は概ね３から８である。
【００２５】
一方、ＬＥＤを導光体の片側端面のみに配置する場合には、微細プリズムの断面形状は同じく図８や図９のような対称形状にしても良いが、図１０のように第一反射面１４と第二反射面１５とを持つ非対称形状とし、第一反射面の法線と成す角度δを７５度から８５度とし、第二反射面の成す角度εを１５度から５０度とすることがさらに好適である。ここで、微細プリズムでの反射比率を高めて照度を上げたい場合には、εを４０〜５０とし、出射光の角度ピークを微細プリズム法線方向にしたい場合にはεを１５〜４０とすることが好ましい。
【００２６】
さらに、入光面側から伝播する光の出射機能を優先しつつ入光対向面側から反射して戻ってきた光も効果的に出射させるために、図１１のように非対称な断面形状とすることも好適である。
【００２７】
このような微細プリズム形状は、金型上に対応する先端形状の刃物（バイト）を使用してＹ軸方向に引き切り加工することで平滑性に優れた凹凸面を金型上に高精度に加工でき、インジェクション成形法によって金型上の凹凸の反転した凹凸形状が転写され形成できる。
【００２８】
導光体の材質としては、用いるＬＥＤの発光波長において高い透過率を持つものが望ましく、アクリル系樹脂、ポリカーボネート樹脂、シクロオレフィン系樹脂、などが好適に用いられる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明のライン照明装置は、ウォーミングアップが不要、小型、低消費電力、低発熱、低コスト、照度の安定化といった特徴を有することから、家庭用の小型スキャナを初めとしてファクシミリ、電子複写機その他種々の画像読み取り装置で利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】代表的な導光体照明方式の構成を示す斜視図
【図２】光の挙動を説明する側面図
【図３】短手方向の照度分布を示す図
【図４】本発明の照明装置の特徴を示す斜視図
【図５】比較例、実施例における短手方向照度分布を示す図
【図６】凹凸ラインの効果を模式的に示す断面図
【図７】凹凸ラインの断面形状を説明する断面図
【図８】微細プリズムと光路を示す側面図
【図９】微細プリズムと光路を示す側面図
【図１０】微細プリズムと光路を示す側面図
【図１１】微細プリズムと光路を示す側面図
【符号の説明】
【００３１】
１．光源（ＬＥＤ）
２．導光体
３．反射パターン
４．出光面
５．原稿面
６．照明エリア
７．入光面
８．微細プリズム
９．微細プリズム稜線
１０．凹凸ライン
１３．プリズム反射面
１４．第一反射面
１５．第二反射面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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