(57)【要約】  【課題】必要な照明長を確保したまま導光体を短縮し、照明装置全体の寸法を短縮したライン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2と、該導光体の両端面に配置された光源1とを有する照明装置であって、該導光体の出光面3は凸形状のシリンドリカルレンズ面となっており、出光面と対向する側には、シリンドリカルレンズ稜線と平行となっている平行面１０が両端部を除く長手大部分にあり、端面に向かって細くなる傾斜面１１が両端部にあり、該平行面には反射パターン４が配列形成されており、該傾斜面には階段状反射面１２が形成されているライン照明装置である。【選択図】  図3
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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、該導光体の両端面に配置された光源とを有するライン照明装置であって、該導光体の出光面は凸形状のシリンドリカルレンズ面となっており、出光面と対向する側には、シリンドリカルレンズ稜線と平行となっている平行面が両端部を除く長手方向の大部分を占めており、両端部には端面に向かって細くなる傾斜面があり、該平行面には反射パターンが配列形成されており、該傾斜面には階段状反射面が形成されていることを特徴とするライン照明装置。
【請求項２】
反射パターンが、導光体の光入射辺と平行な稜線を持つ凸または凹部が配列したパターンであって、ピッチ、幅、高さの少なくとも一つは徐変となっていることを特徴とする請求項１のライン照明装置。
【請求項３】
傾斜面に形成される階段状反射面の形成幅（導光体のＹ軸方向の長さ）は、平行面に形成される反射パターンの形成幅よりも広いことを特徴とする請求項１または２のライン照明装置。
【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照明装置としては、キセノン蛍光ランプなどの放電管、発光ダイオード（LED）チップ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。とりわけ、RGB三原色の発光波長のLEDチップを一つのパッケージとして導光体の端面に配置する照明方式では、RGBそれぞれの発光を切り替えて照明することによってフルカラーの画像読み取りが行えるため大きなメリットをもち、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】
図１に導光体照明方式の基本的な原理を説明する。導光体２の端面に配置された光源であるLED１からの発光は入射端面より導光体内部に取り込まれ、導光体の内面反射により全反射を繰り返して伝播される。導光体の一側面には光を取り出すための反射パターン4が形成されている。反射パターンは光を反射／拡散させる機能を持ち、反射パターンに到達した光の一部は出光面3より導光体外部に出射される。入射端面から遠ざかるに従い導光体内の光束密度は低下していくことになるが、反射パターンの密度を光束密度に逆比例させて徐々に高くすることによって、長手方向で一定の照度分布を得ることが可能となる。
出光面３はシリンドリカルレンズ面となっており、出射光を集光させて原稿5の細長い読み取りエリアを効率的に照明できるようになっている。
【０００４】
多くの利点を有する導光体照明方式であるが、装置の小型化という点において課題を有する。導光体の入射端面付近の照度を安定化させることが困難なため、読み取り領域の外側まで導光体を延長する必要があるためである。たとえば、特許文献１においては、導光体の端面より導光体直径の2倍以上の距離の部分には反射パターン（光拡散部）を形成しない方法が提案されている。この場合、有効照明領域としては、導光体直径を2倍した内側のさらに内側になる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１０１２７１号公報
【０００６】
導光体端部の照度が安定しない理由は以下のようなものである。
図２に示すように、LEDチップからの光は導光体の入射面より界面屈折して入射され、概ね４０度の広がり角で放射状に広がり直進する。入射面付近の光線の挙動を追跡すると、反射パターンに到達する光は入射面よりダイレクトに到達する直接光6、一回の内面反射を経て到達する一次反射光７、二回の内面反射を経て到達する二次反射光8とある。一次反射光が到達しない範囲では反射面での光束はゼロであり、二次反射光が到達しない範囲では一次反射光のみとなり、三次反射光が到達しない範囲では一次反射光と二次反射光の和となる。このような現象により、入射端面付近においては位置によって光束密度が不連続的に大きく変動する。さらに、RGB各LEDチップは異なる位置に実装されているため、直接光や一次反射光が到達する位置も図２で示すようにずれることになる。このため、光束密度に応じて反射パターンの反射強度を調整することも不可能となってしまう。
さらに、導光体と光源との位置関係は温度の変動による膨張や振動によるズレなどの影響を受ける。入射付近においては、わずかな位置関係の変動が鋭敏に照度分布を変動させる。
入射面から離れるに従い、反射パターンには種々の光路を経た高次反射光が到達するため光束密度が均一化するが、特に端面からの距離が導光体直径の２倍以内の範囲においては二次反射光が到達しないため光束密度の変動が特に顕著となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
棒状の導光体を用いたライン照明装置において、光入射面付近における照度の安定化を図った照明装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の照明装置は、透明部材からなる棒状の導光体と、該導光体の両端面に配置された光源とを有するライン照明装置であって、該導光体の出光面は凸形状のシリンドリカルレンズ面となっており、出光面と対向する側には、シリンドリカルレンズ稜線 (導光体のＸ軸方向) と平行になっている平行面が両端部を除く長手方向の大部分を占めており、両端部には端面に向かって細くなる傾斜面があり、該平行面には反射パターンが配列形成されており、該傾斜面には階段状反射面が形成されていることを特徴とするライン照明装置である。
【０００９】
また、本発明の照明装置において前記反射パターンが、導光体の光入射辺と平行な稜線（導光体のＹ軸方向）を持つ凸または凹部が配列したパターンであって、ピッチ、幅、高さの少なくとも一つは徐変となっていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、棒状導光体の光入射端面付近の照度を均一化及び安定化することが出来るので、必要な照明長を確保したまま導光体の長さを短縮することができ、照明装置全体の長手寸法を短縮することが可能なライン照明装置となる。そして、図２の場合の様に多色のLEDチップが異なる位置に配置されていてもチップ位置のずれが照度分布にほとんど反映されない照明装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に図面を用いて本発明の好適な実施形態を説明する。
【００１２】
図3は本発明に関わる照明装置の特徴を説明する斜視図である。棒状の導光体2の両端面には光源1が配置されている。導光体の出光面3は凸形状のシリンドリカルレンズ面となっており、出光面と対向する側には、シリンドリカルレンズ稜線と平行となっている平行面１０があり、該平行面は両端部の傾斜面１１の部分を除く長手方向の大部分を占めており、傾斜面１１は端面に向かって細くなっている。平行面には凸状または凹状の反射パターン４が配列形成されており、傾斜面には階段状反射面１２が形成されている。以下、シリンドリカルレンズ面稜線方向をX軸、平行面と垂直方向をZ軸、X軸Z軸の双方と垂直な方向をY軸とする。
【００１３】
本発明の照明装置における入光端面付近を拡大したXZ断面拡大図である図４、図５により出射光路について説明する。図4では、近接する光源からの光路を示した。導光体端部の傾斜面１１には階段状の反射面１２が形成されているが、近接する光源からの光がこの階段状反射面で反射されて外部へと出射されることはない。傾斜領域が終了し、平行面１０に形成された反射パターン4に到って初めて原稿面５方向に出射される。
【００１４】
次に図５は図４の近接光源とは反対側（遠方）に配置された光源からの光路を示した図である。反対側から伝播してきた光は反射パターン４によっても外部へ出射されるが、階段状反射面１２によっても出射される。ここで階段状反射面は反射パターンよりも大きい割合で出射させる効果を持つため、傾斜領域より出射される光束はより大きくなる。つまり導光体端部１１では遠方配置の光源からの光が大きく出射されることになる。
【００１５】
本発明の照明装置では両端の光源は同時に点灯される。RGBの発光を切り替える場合には同じタイミングで切り替えられる。したがって照明光は両端の光源からの光束の和となる。導光体内を伝播する光束において、遠方の光源から伝播される光束は近接の光源からの光束と比較して低い密度となるが、階段状の反射パターンから大きな割合で出射させる効果を持たせ、図４の出射光と図５の出射光のバランスを適正化することによって、光源付近の領域まで（場合により光源の外側まで）照度分布を均一化することが可能となる。
【００１６】
このように本発明の照明装置においては、図２における直接光６や一次反射光７だけが到達する領域においては近接光源からの光を出射させないため、LEDチップが異なる位置に配置されていてもチップ位置のずれが照度分布にほとんど反映されない。また、熱膨張や振動などによって導光体と光源との位置関係が多少変動したとしても照度が不安定化しない。
【００１７】
入射面（導光体端面）から平行面までの長さLは二次反射光が到達するまでの距離以上あることが適しており、入射面の高さＨ１の概ね2倍〜3倍である。
入射面のサイズは、用いるLED光源からの光束を効率良く取り込める大きさであることが望ましい。例として発光エリアのサイズがφ４mmの表面実装形パッケージ品を用いる場合、φ４ｍｍの円が収まるサイズが望ましい。たとえばH１を４mmとすると、望ましい距離Lは８mm〜１２mmとなる。
【００１８】
図６は階段状反射面のXZ断面である。傾斜領域からの出射光強度は、階段状反射面の高さをD、ピッチをPとしたときD／Ｐに比例して大きくなる。図６Ａのように階段状反射面がX方向に水平な面で連なっている場合においては、傾斜領域の傾き角度をαとしたときD／Pの値は、D／Ｐ＝tanαとなり角度αによって規定される。したがってαが小さすぎると、遠方の光源からの光束を利用して照度分布を均一化することができなくなるため５度以上あることが好適である。αの大きさは、入射端面のサイズや集光に適した断面形状によっても制約を受けるため、階段状反射面からの出射光強度を、平行面の反射パターンからの出射光強度と同程度に強くするためには、階段状反射面の形成幅（Y軸方向の長さ）を反射パターンの形成幅よりも広くすることが多くの場合に好適である。また、階段状反射面からの出射光強度を強くする別の方法として、図６Ｂのように、階段状反射面を角度βで傾いた面によって連なるようにする方法がある。この場合、D／Ｐ≒tanα+tanβとなり、同じ角度αでD／Ｐを大きくすることが可能となる。ただしβが大きすぎる場合には近接の光源からの光束が全反射以下となって外部に出射されてしまうため好ましくなく、βは5度以下であることが好適である。
Dの値は、大きすぎると個々の反射面に対応する照度ムラが発生するため望ましくなく、逆に小さすぎる場合には成形時に正確な形状が形成できないため、概ね０．０２mmから０．２mmの範囲にあることが好適である。DとPの値は一定である必要は無く、どちらか、あるいは双方を徐変させることで出射光の強度をコントロールして照度分布の均一化を図ることができる。
【００１９】
図７は階段状の反射面１２の一つを拡大したXZ断面図である。（遠方の光源からの光束が）階段状反射面で反射される出射角度分布は、反射面の角度γの大小によって変化する。均一な照度分布を実現するためには、近接の光源から反射パターンによって出射される光と、遠方の光源から階段状反射面によって出射される光とがスムーズに重なる必要がある。そのためには、図5において階段状反射面から反射する光が右の方向（遠方光源の方向）にまで広がる出射角度分布であることが必要となる。そのため、γは４５度〜６５度の範囲にあることが望ましい。γが４５度以下の場合には出射角度分布は右の方向まで広がらず、６５度以上の場合には、反射面で反射されて出射される光の割合が小さくなってしまう。
【００２０】
反射パターンとしては、成形品の表面に微細な凹凸パターンを形成して凹凸面による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利用できる。
印刷方式においては、微小な円形や方形の印刷パターンの密度や大きさを徐変させながら配列させることによってY軸方向の照度均一性を得ることができる。凹凸方式では微小な凹凸反射パターンの密度や大きさを徐変させて配列させることによって照度均一性を得ることができる。
【００２１】
凹凸反射パターンによる反射を利用する方式では、対応する凹凸を形成した金型を用いてインジェクション成形することにより同時に反射パターンを形成できるため、印刷工程が不要で低コストとなる利点がある。さらに、印刷方式は拡散反射を利用するため出射角度をコントロールできないのに対して、凹凸反射方式では凹凸の形状を適正化することにより鏡面反射による出射角度をコントロールできるため、効率的に集光して照度を高めることができる。
特にＹ軸（導光体の長手方向と直角方向）に稜線を持つ凸部または凹部が配列したパターンを形成することにより出射角度のコントロール性が高まる。このような凹凸反射パターンは、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る。
【００２２】
以下にＹ軸方向に稜線を持つ凸部を形成する場合の望ましい実施形態を図8で説明する。
図８は一つの凸部のXZ断面拡大図である。均一な照度分布を実現するためには、近接の光源から凸部によって出射される光と、遠方の光源から階段状反射面によって出射される光とがスムーズに重なる必要がある。そのためには、図4において反射光が左の方向即ち近接光源の方向にまで広がる出射角度分布であることが必要となる。そのため、図８における凸部突起の平行面（X軸面）に対する角度δは５０度〜７５度の範囲にあることが望ましい。δが５０度以下の場合には出射角度分布は左の方向まで広がらず、７５以上の場合には、反射面で反射されて出射される光の割合が小さくなってしまう。
【００２３】
凸部突起の高さDの値は、大きすぎると個々の凸部に対応する照度ムラが発生するため望ましくなく、逆に小さすぎる場合には成形時に正確な形状が転写されないため、概ね０．０２mmから０．２mmの範囲にあることが好適である。
凸部突起の幅をＥとした時のE／Ｄの比が小さ過ぎる場合にはX軸面との成す角度が小さい光束を出射させることができなくなり、大きすぎる場合には全ての光束を出射させる比率が小さくなる。Ｅ／Ｄの適正な範囲は概ね３から６である。
導光体出光面全体から出射させるために、このような断面形状を持つ凸部を、長手方向（Ｘ軸方向）に適宜の間隔をおいて配列させる。このとき、導光体内の光束密度は入光面から離れるに従い低下するため、凸部のＸ方向形成ピッチを小さくする、Ｙ方向を長くする、Ｄを大きくする、の少なくともいずれかを徐変させて照度を均衡させる。本発明においては導光体の両端が入光面であることから、導光体のＸ方向中心部が極大点（または極少点）となるようにする。
【００２４】
次にＹ軸方向に稜線を持つ凹部を形成する場合の望ましい実施形態を図9で説明する。
図9は一つの凹部のＸＺ断面拡大図である。均一な照度分布を実現するためには、近接の光源から凹部によって出射される光と、遠方の光源から階段状反射面によって出射される光とがスムーズに重なる必要がある。そのためには、図4において反射光が左側の方向（近接光源の方向）まで広がる出射角度分布であることが必要となる。そのため、凹部の平行面に対する切り込み角度εは５０度〜７５度の範囲にあることが望ましい。εが５０度以下の場合には出射角度分布は左側の方まで広がらず、７５度以上の場合には、反射面で反射されて出射される光の割合が小さくなってしまう。
Dの値は、大きすぎると個々の凸部に対応する照度ムラが発生するため望ましくなく、逆に小さすぎる場合には成形時に正確な形状が形成できないため、概ね０．０２mmから０．２mmの範囲にあることが好適である。
【００２５】
本発明の照明装置では、導光体の内部において光源からの直接光や一次反射光のみが到達する端部領域には反射パターンを形成しないようにしているが、階段状反射面の形成された入射面寄りの領域では、二次反射光又はそれよりも高次の反射光と共にやはり光源からの直接光や一次反射光が反射パターンに到達する割合が大きいために、照度ムラを発生しやすい。特に鏡面反射を利用する凹凸反射パターンではこの現象が顕著になる。こうした端部領域におけるムラの発生を緩和するために、シリンドリカルレンズ面に光を適度に拡散するための凹凸を形成することが好適である。図１０はこの光拡散用凹凸１４をシリンドリカルレンズ面３に形成した様子を示したもので、これを形成する場所は平行面の両端部付近に対向する位置が好ましい。この凹凸の形成により反射パターンで反射された光をY軸方向に広げることによりムラを解消する効果を持つ。光拡散用凹凸の長手方向の形成範囲は、平行面の端よりH1の概ね５〜10倍内側までの範囲が好適である。
【００２６】
使用するLEDパッケージの形状などにもよるが、図１１Ａに示すように、LED１の発光の一部は導光体内に取り込まれずに導光体の入射端面とのギャップからの漏れ光１５となり原稿面５の有効エリア内に到達してしまう。このような場合、部分的に照度ピークが発生することから、図１１Bのように、入射端面付近の出光面側は漏れ光を遮るためのカバー１６で覆うことが好ましい。
【００２７】
図１２のように傾斜面の外側にもシリンドリカルレンズ面の稜線と平行となる端部平行面１７を設けてもよい。端部平行面には光を出射させるための機能が無いため、有効照射エリアを多少狭めることになるが、階段状反射面からの出射光強度を確保しつつ平行面までの距離Lを少しでも長くして光束密度の不安定な領域からの出射を防ぐ上で有利となる。また、カバー１６を設ける場合には、入射面に非常に近い位置からの反射光がカバーによって遮られるため、光をより効率的に利用できるメリットがある。
【００２８】
反射パターン、階段状反射面以外の導光体の表面は全て平滑であることが望ましい。平滑性が悪い場合には界面での光散乱が起こるため、制御されていない漏れ光が発生し効率が悪化するばかりでなく、Ｘ軸方向に長い導光体では光源から離れたところまで光が伝達されないため全体を発光させることができなくなる。
【００２９】
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。
【００３０】
反射パターン、および階段状反射面では、全ての光が出光面側に反射されるのではなく、一定量の光は背面裏側にも漏れるため、背面側には散乱反射性の部材を空気層を介して配置することが望ましい。反射部材が導光体背面と密接していれば、反射して導光体側に戻された光もシリンドリカルレンズ面により効果的に集光されて出射される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】導光体照明方式の一般的な構成図
【図２】導光体端部の光路を説明する図
【図３】本発明の照明装置の特徴を示す斜視図
【図４】近接のＬＥＤからの光路を説明する図
【図５】遠方のＬＥＤからの光路を説明する図
【図６】階段状反射面の形状を説明する図
【図７】階段状反射面での反射光路を説明する図
【図８】反射パターンとして凸部を形成した場合の光路を説明する図
【図９】反射パターンとして凹部を形成した場合の光路を説明する図
【図１０】出光面に光を拡散する凹凸を設けた構造を示す斜視図
【図１１】ＬＥＤからの漏れ光とカバーを説明する図
【図１２】傾斜面の外側に平行面を設けた構造を示す図
【符号の説明】
【００３２】
１  光源（ＬＥＤ）
２  導光体
３  出光面
４  反射パターン
５  原稿面
６  直接光
７  一次反射光
８  二次反射光
１０  平行面
１１  傾斜面
１２  階段状反射面
１４  光拡散用凹凸
１５  ＬＥＤからの漏れ光
１６  カバー
１７  端部平行面
【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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【図１２】
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