JP2001183509A - 拡散光学素子、照明光学系およびフィルム読み取り装置 - Google Patents

拡散光学素子、照明光学系およびフィルム読み取り装置

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JP2001183509A
JP2001183509A JP36363599A JP36363599A JP2001183509A JP 2001183509 A JP2001183509 A JP 2001183509A JP 36363599 A JP36363599 A JP 36363599A JP 36363599 A JP36363599 A JP 36363599A JP 2001183509 A JP2001183509 A JP 2001183509A
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intensity
optical element
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film
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Yuichiro Otoshi
祐一郎 大利
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Minolta Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光の利用効率に優れたフィルム読み取り装置
ならびにこれに適する拡散光学素子および照明光学系を
提供する。 【解決手段】 ホログラフィを利用して拡散光学素子を
作成し、最高強度の方向からの強度の低下率が入射強度
の高い波長帯域の光に対して小さく、入射強度の低い波
長帯域の光に対して大きくなるように設定する。入射強
度の低い波長帯域の光ほど狭い角度範囲に拡散すること
になり、最高強度の方向から一定の角度範囲の拡散光を
利用することにより、強度の低い波長帯域の利用効率を
高めることができる。この拡散光学素子を照明光学系に
備え、その照明光学系をフィルムの照明に用いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、最高強度の方向か
らの強度の低下率が波長帯域によって異なる拡散光学素
子ならびにこれを用いた照明光学系およびフィルム読み
取り装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】フィルムに記された画像を読み取るため
のフィルム読み取り装置には、フィルムを照明するため
の照明光学系と、フィルムを透過した照明光を結像させ
る撮影レンズと、撮影レンズからの光を受けて画像を撮
影する撮像素子が備えられている。フィルムは照明光学
系の照明対象面上に配置され、撮像素子が配置される撮
影レンズの結像面は、照明対象面と共役な位置関係に設
定される。
【０００３】均一な照明を必要とする高性能なフィルム
読み取り装置では、光源からの不均一な強度分布の光束
を照明対象面上で均一にするために、インテグレータを
備えたケーラー照明光学系が用いられている。インテグ
レータとしてはレンズアレイを用いるものやロッドを用
いるものがあるが、基本的な作用は同じである。すなわ
ち、光源からの光束を分割し、各光束を撮影レンズの瞳
近傍に２次光源像として結像させることにより、分割後
の光束を照明対象面上で重畳させる。これにより、フィ
ルムのどの部位も分割後の全ての光束を受けることにな
って、非常に均一な照明を実現することができる。
【０００４】光の利用効率の観点からは、ある程度平行
化した照明光でフィルムを照明するのが望ましい。とこ
ろが、フィルム読み取り装置では、平行光でフィルムを
照明すると、フィルムに傷があったり異物が付着してい
たりする場合に、撮像素子で撮影した画像すなわち読み
取った画像にフィルムの傷やゴミが顕著に現れることに
なる。そこで、拡散光学素子をフィルム近傍に配置し
て、均一な強度分布でありながら拡散する照明光をフィ
ルムに導くようにしている。
【０００５】照明光が広く拡散するほど、撮影した画像
へのフィルムの傷等の影響を効果的に低減することがで
きる。このため、拡散光学素子の拡散特性は、撮影レン
ズの入射側の開口数で定まる範囲外にも光の一部が進む
ように設定するのが一般的である。
【０００６】フィルム読み取り装置では白色光を発する
光源を使用するが、一般に、光源が発する光の強度は波
長帯域ごとに大きく相違し、例えば、ハロゲンランプで
は、赤色、緑色、青色の波長帯域の光の強度比はおおよ
そ１０：４：１となる。したがって、光源からの光をそ
のまま照明光として用いると、フィルム上の画像の色を
正しく再現する画像を得ることはできない。
【０００７】このため、強度の高い波長帯域の光の一部
のみを透過させるフィルターを光源から撮像素子までの
光路上の何処かに配置して、撮像素子に入射する各波長
帯域の光の量を最小強度の波長帯域の光の量に揃えるよ
うにしている。例えば、上記の強度比の場合、赤色およ
び緑色の光をそれぞれ９０％および７５％捨てること
で、各波長帯域の光量を揃える。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】照明光を広く拡散させ
ることは、フィルム上の傷等の影響を低減するために有
効であるが、その一方で、光の利用効率の低下を招く。
特に、摺りガラスや微小粒体より成る一般の拡散板を拡
散光学素子として用いると、そのような拡散板は、拡散
光の強度が法線方向からの角度の余弦に比例する完全拡
散にきわめて近い拡散特性を有するため、フィルムの傷
等の影響の低減には効果が高い反面、光の利用効率が低
くなるという欠点が著しくなる。
【０００９】また、従来の拡散光学素子は波長依存性を
有さず、波長の異なる光を略同程度に拡散する。したが
って、強度の高い波長帯域の光でも強度の低い波長の光
でも、拡散によって失われる割合は一定である。
【００１０】完全拡散面の拡散特性を極座標表示で図９
に示し、完全拡散面を使用する従来のフィルム読み取り
装置の光源からの光の利用効率を図１０に示す。図１０
に示すように、撮影レンズの開口数ＮＡの実用的な値で
ある０．２以下の範囲において、光の利用効率は２％程
度以下になっている。
【００１１】光の利用効率が低いことは、フィルム読み
取り装置の処理能力の向上に大きな制約となる。特に、
撮像素子としてラインセンサを備え、フィルム上の画像
を１ラインずつ読み取っていく走査型の装置では、走査
を高速で行うことができず、処理速度が著しく制限され
る。光源の出力を高めれば装置の処理能力をある程度高
めることは可能であるが、そのようにすると、消費電力
が増大する上、光源の寿命が短くなってしまう。
【００１２】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたもので、光の利用効率に優れたフィルム読み取り装
置、ならびに、このような光学装置に適する拡散光学素
子および照明光学系を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の拡散光学素子は、所定方向から入射する光
束を波長にかかわらず同一方向に最高強度で拡散すると
ともに、入射強度の低い波長帯域の光ほど最高強度の方
向からの強度の低下率が大きくなるように拡散するもの
とする。
【００１４】この拡散光学素子は、所定方向から入射す
る光束を、波長にかかわらず、拡散後の強度が同一方向
で最高になるように拡散する。しかも、その最高強度の
方向に対する傾きに応じて低下する強度の低下率が、強
度の低い波長帯域の光ほど大きくなるように拡散する。
すなわち、拡散光の角度範囲は強度の低い波長帯域の光
ほど狭くなる。したがって、各波長帯域の拡散光を最高
強度の方向を中心に等しい角度範囲で利用すると、強度
の低い波長帯域については高い効率で、強度の高い波長
帯域については低い効率で利用することができる。
【００１５】例えばフィルム読み取り装置のように、強
度の高い波長帯域の光の一部を捨てて強度の低い波長帯
域の光と量を同じにする場合、拡散光学素子による強度
の低い波長帯域の光の利用効率を高くすることは、全て
の波長帯域の光の利用効率を高める結果となる。その一
方で、拡散光学素子による強度の高い波長帯域の光の利
用効率を低くすることは、全ての波長帯域の光の利用効
率に何の影響も及ぼさない。
【００１６】このような拡散光学素子は平板状のホログ
ラム素子として作製することができる。その場合、最高
強度の方向をホログラム素子の法線方向とすると、拡散
光を受ける他の光学素子との向きの関係の設定が容易に
なる。
【００１７】最高強度の方向からの強度の低下率を赤
色、緑色および青色の３つの波長帯域の光に対して個別
に定めておくとよい。このようにすると、白色光を拡散
する用途に適する素子となり、しかも、波長帯域の数が
あまり多くないから、作製も容易である。
【００１８】上記目的を達成するために、本発明では、
赤色から青色までの波長の光を発する光源と、光源から
の光を所定の照明対象面に均一な強度分布で導くインテ
グレータと、最高強度の方向からの強度の低下率が複数
の波長帯域の光に対して個別に定められており、最高強
度の方向が照明対象面に対して垂直になるように、イン
テグレータから照明対象面に至る光路上に配置された上
記の拡散光学素子とで、照明光学系を構成する。
【００１９】この照明光学系は、照明対象面を拡散する
白色光で均一に照明するものである。ここで使用する拡
散光学素子は、強度の低い波長帯域の光ほど最高強度の
方向からの強度の低下率が大きくなるという上述の拡散
特性を有するものであるから、強度の低い波長帯域の光
の利用効率が高い照明光学系となる。拡散光学素子は、
最高強度の方向が照射対象面と垂直になるように配置さ
れており、照射対象面上のどの点にも、その点を通る法
線を中心として対称に光を入射させることになる。
【００２０】上記目的を達成するために、本発明ではま
た、上記の照明光学系と、光軸が照明対象面に対して垂
直になるように配置され、照明対象面上に配置されたフ
ィルムを透過した照明光学系からの光を所定の結像面に
結像させる撮影レンズと、結像面上に配置され、撮影レ
ンズからの光を受けてフィルム上の画像を撮影する撮像
素子と、撮像素子が受ける複数の波長帯域の光のパワー
が略等しくなるように、各波長帯域の光の最高強度の方
向からの強度の低下率と撮影レンズの入射側の開口数に
基づいて、各波長帯域の光の輝度を設定する調光手段と
で、フィルム読み取り装置を構成する。
【００２１】フィルムは照明光学系の照射対象面上に配
置され、どの部位も拡散する白色光で均一に照明され
る。光源が発する光のうち、強度の低い波長帯域のもの
は比較的小さな入射角の範囲でフィルムに入射し、強度
の高い波長帯域のものは比較的大きな入射角の範囲でフ
ィルムに入射することになる。したがって、強度の低い
波長帯域の光は、強度の高い波長帯域の光に比べて、撮
影レンズに入射し易くなり、利用効率が高まる。フィル
ム上の傷や異物は、照明光の進路を変えて、その位置か
ら撮影レンズに入射する光の量を低下させるが、強度の
高い波長帯域の光は入射角が広い範囲にわたるから、傷
や異物によって進路を変えられても撮像レンズに入射す
る量は多い。したがって、撮像素子によって撮影される
画像上でフィルムの傷等が目立つのを抑えることができ
る。
【００２２】調光手段は、複数の波長帯域の光が略等し
いパワーで撮像素子に入射するように、各波長帯域の光
の輝度を設定する。この設定は、各波長帯域の光の最高
強度の方向からの強度の低下率と、撮影レンズの入射側
の開口数に基づいて行う。強度の高い波長帯域の光の不
要部分はこの輝度設定によって捨てられるものであるか
ら、拡散光学素子による強度の高い波長帯域の光の利用
効率が強度の低い波長帯域の光に比べて低いことは問題
にならない。調光手段は、照明光学系内の光源から撮像
素子までの光路上の何処に配置してもよい。
【００２３】上記のフィルム読み取り装置は、拡散光学
素子を平板状として照明対象面と平行に配置し、式１を
満たすように設定するとよい。 １／｛２ｔａｎ(θNA)｝≦Ｌ≦ＤF／｛２ｔａｎ(２θNA)｝ … 式１ ここで、Ｌは拡散光学素子から照明対象面までの距離、
ＤFはフィルムの有効径（直径）、θNAは撮影レンズの
入射側の開口数のアークサインである。
【００２４】式１は、拡散光学素子から照明対象面まで
の距離の範囲を、フィルムの有効径と撮影レンズの入射
側の開口数に基づいて規定するものである。拡散光学素
子から照明対象面までの距離が式１の上限を超えると、
光の利用効率が低下し易くなり、逆に式１の下限に満た
ないと、拡散光学素子に異物が付着した場合に、それが
撮影される画像上で目立ち易くなる。
【００２５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照しながら説明する。第１の実施形態である拡
散光学素子１の構成および入射光と拡散光の関係を図１
に模式的に示す。拡散光学素子１は、平板状の透明基板
１Ｓ上に体積型の３つのホログラム層１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ
を積層した透過型ホログラム拡散板として構成されてい
る。拡散光学素子１は、赤色から青色までの全波長を含
む白色光を拡散するものであり、法線方向から入射する
光束（図中、矢印で示す）を、透過光である拡散光の強
度が波長にかかわらず法線方向で最高になるように拡散
する。
【００２６】拡散光学素子１は、白色光の全波長にわた
る積分では完全拡散面に近い拡散特性を有するが、最高
強度の方向である法線方向からの傾きに応じた強度の低
下率が、赤色（Ｒ）の波長帯域、緑色（Ｇ）の波長帯
域、および青色（Ｂ）の波長帯域ごとに、異なるように
設定されている。ここでは、光源が発する白色光の強度
が、一般に、赤色の波長帯域で最も高く、青色の波長帯
域で最も低いことを考慮して、強度の低下率を、赤色の
波長帯域について小さく、緑色の波長帯域について中程
度に、青色の波長帯域について大きく設定している。
【００２７】赤色、緑色および青色の波長帯域の光の拡
散は、それそれホログラム層１Ｒ、１Ｇ、１Ｂによって
なされる。各層は、赤色、緑色および青色の波長帯域の
光に選択的に感光する材料を、異なる条件で露光するこ
とにより作製されている。なお、ホログラム層１Ｒ、１
Ｇ、１Ｂは任意の順序で積層してかまわない。
【００２８】拡散光学素子１を作製するためのホログラ
ム露光の方法を図２に模式的に示す。拡散光学素子１は
on-axis型であり、拡散板２１によって拡散した物体光
と直進する参照光とを同一方向から入射させる。図２に
おいて、（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれホログ
ラム層１Ｒ、１Ｇおよび１Ｂを露光する様子を表してお
り、層１Ｒの露光には赤色、層１Ｇの露光には緑色、層
１Ｂの露光には青色の波長の光を、物体光および参照光
として使用する。物体光を拡散させるための拡散板２１
の大きさ、粒度、および拡散板２１からホログラム層１
Ｒ、１Ｇ、１Ｂまでの距離を選択することで、各層の拡
散特性を個別に設定することができる。
【００２９】拡散光学素子１の拡散特性は、具体的に
は、法線方向からの角度θと強度Ｉの関係が式２〜式５
に概ね従うように定められている。 ＩR(θ)＝ＩR(0)ｃｏｓ2(θ) … 式２ ＩG(θ)＝ＩG(0)ｃｏｓ4(θ) … 式３ ＩB(θ)＝ＩB(0)ｃｏｓ6(θ) … 式４ ＩW(θ)＝ＩR(θ)＋ＩG(θ)＋ＩB(θ) … 式５ ここで、添字Ｒ、ＧおよびＢはそれぞれ赤色、緑色およ
び青色の波長帯域の強度であることを示し、添字Ｗは白
色光の全体の強度であることを示す。また、Ｉ(0)はθ
＝０の方向の強度すなわち最高強度を示す。以下、輝度
Ｌおよび照度Ｅについても同様に表記する。
【００３０】式２〜式４の設定では、式中の余弦の次数
が高くなるにつれて拡散光の角度範囲が狭くなり、例え
ば、最高強度Ｉ(0)の２５％となる角度は、赤色の波長
帯域では６０゜、緑色の波長帯域では４５゜、青色の波
長帯域では３７．５゜となる。赤色、緑色、青色の波長
帯域の光の最高強度の比ＩR(0)：ＩG(0)：ＩB(0)を０．
４７：０．３３：０．２０とする場合（ＩW（0）＝１）
の、拡散光学素子１の拡散特性を極座標表示で図３に示
す。
【００３１】拡散光学素子１により拡散光とされた各波
長帯域の光の輝度ＬR、ＬG、ＬBは、輝度と強度の一般
的な関係から式６〜式８で求められ、最高強度の方向か
らの角度に依存する。白色光の全体の輝度ＬWは式９と
なる。 ＬR(θ)＝ＬR(0)ｃｏｓ(θ) … 式６ ＬG(θ)＝ＬG(0)ｃｏｓ3(θ) … 式７ ＬB(θ)＝ＬB(0)ｃｏｓ5(θ) … 式８ ＬW(θ)＝ＬR(θ)＋ＬG(θ)＋ＬB(θ) … 式９
【００３２】このように、拡散光学素子１では、波長帯
域ごとに拡散特性が大きく異なっており、しかも、入射
する白色光のうち強度の低い波長帯域のものほど狭い範
囲に拡散する。したがって、最高強度となる法線方向か
ら一定の角度範囲までを利用すると、最も強度の低い青
色の波長帯域の光を最も効率よく利用することができ、
次に強度の低い緑色の波長帯域の光も効率よく利用する
ことができる。なお、その場合、強度の高い赤色の波長
帯域の光については利用効率が他に比べて低くなるが、
不要量の光を捨てる用途では、それは問題にならない。
【００３３】本実施形態では、３つのホログラム層１
Ｒ、１Ｇ、１Ｂを設けた拡散光学素子１を示したが、波
長帯域ごとに異なる拡散特性を有する単一のホログラム
層を備える構成とすることもできる。その場合、白色光
の全波長に感光する材料を使用し、条件を変えながら多
重露光すればよい。
【００３４】また、ここでは、拡散光学素子１をon-axi
s型としたが、off-axis型とすることも可能である。off
-axis型の拡散光学素子を作製するときのホログラム露
光の方法を図４に模式的に示す。off-axis型とする場
合、参照光を拡散板２１によって拡散した物体光とは異
なる方向から入射させる。
【００３５】図示しないが、物体光を拡散させるための
拡散板２１の大きさ、粒度、および拡散板２１からホロ
グラム層Ｈまでの距離を選択することで、波長帯域ごと
に異なる拡散特性を有する素子を得ることができるのは
前述のとおりである。この場合も、波長帯域の数に対応
して複数のホログラム層を設けるようにしてもよく、単
一のホログラム層に異なる拡散特性をもたせるようにし
てもよい。
【００３６】off-axis型の拡散光学素子をそのまま使用
するときは、拡散させようとする光束を露光時の参照光
の方向から入射させれば、法線方向を最高強度の方向と
することができる。また、偏向素子を組み合わせれば、
on-axis型の素子と同様に、拡散させようとする光束を
法線方向から入射させることも可能になる。
【００３７】偏向素子と組み合わせたoff-axis型の拡散
光学素子の例を図５に示す。この拡散光学素子２は、基
板２Ｓと、その上面に積層された３つのホログラム層２
Ｒ、２Ｇ、２Ｂと、基板２Ｓの下面に貼着された偏向素
子２Ｐより成る。偏向素子２Ｐは、例えば回折格子であ
り、法線方向から入射する光をホログラム層２Ｒ、２
Ｇ、２Ｂに、それらの感光に用いた参照光の方向から入
射させるように設定されている。したがって、拡散光学
素子２による拡散光の最高強度の方向は法線方向とな
る。
【００３８】なお、ここに示した例ではいずれも、最高
強度の方向を法線方向としているが、最高強度の方向は
任意に設定してよく、また実際に、ホログラム層の感光
における物体光の入射方向で容易に設定することが可能
である。また、ここでは拡散光学素子１、２を透過型の
ホログラム拡散板としているが、反射型のホログラム拡
散板としてもよい。反射型ホログラム拡散板は、ホログ
ラム層となる材料の一方の面側から物体光を入射させ、
他方の面側から参照光を入射させることで作製する。
【００３９】第２の実施形態であるフィルム読み取り装
置３の概略構成を図６に示す。フィルム読み取り装置３
は、照明光学系４、撮影レンズ５、撮像素子である電荷
結合素子（ＣＣＤ）６、およびフィルター７を備えてい
る。読み取り対象であるフィルムＭは照明光学系４の照
明対象面４ａ上に配置される。
【００４０】照明光学系４は、光源１１、リフレクタ１
２、インテグレータ１３、全反射ミラー１６、コリメー
タレンズ１７、および拡散光学素子１より成る。光源１
１はハロゲンランプ等の白色光を発するランプである。
リフレクタ１２は回転楕円面を全反射面としたものであ
り、その第１焦点に光源１１が配置されている。
【００４１】インテグレータ１３は、四角柱状のロッド
１４とコンデンサレンズ１５とで構成されている。ロッ
ド１４の一方の端面１４ａはリフレクタ１２の第２焦点
近傍に位置しており、また、側面の内側は全反射面とさ
れている。リフレクタ１２によって反射された光源１１
から光は、端面１４ａに収束する収束光となってロッド
１４に入射し、端面１４ａへの入射角に応じた回数だけ
側面で反射されて、他方の端面１４ｂより出射する。こ
れにより、光源１１からの光束が分割される。コンデン
サレンズ１５は、ロッド１４によって分割された光束を
それぞれ撮影レンズ５の絞り５ａ近傍に結像させる。こ
れにより、分割された光束は照明光学系４の照明対象面
４ａで重畳し、照明対象面４ａは均一に照明される。
【００４２】全反射ミラー１６は光路を折曲げてフィル
ム読み取り装置３の全体構成を小型化するためのもので
ある。コリメータレンズ１７は、インテグレータ１３か
らの光を略平行光として拡散光学素子１に導く。
【００４３】拡散光学素子１は、第１の実施形態で説明
したものであり、その法線方向が照明対象面４ａに対し
て垂直になるように配置されている。撮影レンズ５は、
その光軸がフィルムＭの中心を通るように照明対象面４
ａに対して垂直に配置されており、入射側、出射側共に
テレセントリックに設定されている。
【００４４】ＣＣＤ６は、照明対象面４ａと共役な撮影
レンズ５の結像面上に配置されており、フィルムＭを透
過した照明光学系４からの光を受けて、フィルムＭに記
されている画像を撮影する。ＣＣＤ６はラインセンサと
して構成されており、画素の配列方向に対して垂直な方
向に移動することにより、１ラインずつ撮影して画像を
読み取っていく走査型である。なお、撮影レンズ５を絞
り５ａよりも前の群とそれよりも後の群に分け、絞り５
ａの近傍に回動するミラーを配置して、ミラーの回動に
より走査するようにしてもよい。また、ＣＣＤ６をエリ
アセンサとして、画像全体を一度に読み取るようにして
もよい。
【００４５】フィルター７はＣＣＤ６の直前に配置され
ており、青色の波長帯域の光を全て透過させ、赤色およ
び緑色の波長帯域の光を部分的に透過させる。フィルタ
ー７の赤色の波長帯域の光に対する透過率と、緑色の波
長帯域の光に対する透過率とは異なり、後者の方が大き
い。
【００４６】ＣＣＤ６が配置される結像面上での照度Ｅ
すなわち単位面積当たりの光のパワーは、撮影レンズ５
のＦ数で定まる立体角にわたって輝度Ｌを積分したもの
となり、式１０で求められる。 Ｅ＝２π∫｛Ｌ(θ')ｓｉｎ(θ')ｃｏｓ(θ')｝ｄθ' … 式１０ ここで、定積分の範囲は０から撮影レンズ５の入射側の
開口数ＮＡのアークサインまでである。すなわち、撮影
レンズ５の入射側の開口数ＮＡをｓｉｎ(θNA)で表す
と、積分範囲の上端はθNAである。
【００４７】前述のように、赤色、緑色および青色の波
長帯域の光の輝度は式６〜式８で定まるから、これらを
式１０に代入して、各波長帯域の照度ＥR、ＥG、ＥBは
式１１〜式１３で求められる。また白色光全体としての
照度ＥWは式１４となる。 ＥR＝２πＬR(0)｛１−ｃｏｓ3(θNA)｝／２ … 式１１ ＥG＝２πＬG(0)｛１−ｃｏｓ5(θNA)｝／３ … 式１２ ＥB＝２πＬB(0)｛１−ｃｏｓ7(θNA)｝／４ … 式１３ ＥW＝ＥR＋ＥG＋ＥB … 式１４
【００４８】フィルター７が存在しないとした場合、拡
散された光のパワーのうち撮影レンズ５に入射しＣＣＤ
６に導かれるものの割合は、式１０の定積分の範囲の上
端をπ／２としたときの照度に対する式１１〜式１３で
求められる照度の比であり、波長帯域ごとに相違する。
フィルター７の赤色および緑色の波長帯域に対する透過
率は、ＣＣＤ６上での赤色、緑色、青色の波長帯域の照
度ＥR、ＥG、ＥBが等しくなるように、式１１〜式１３
に基づいて定められている。これにより、ＣＣＤ６はフ
ィルムＭに記された画像の色を正しく表す画像を撮影す
ることができる。なお、当然のことながら、フィルター
７は光源１１からＣＣＤ６に至る光路上の何処に配置し
てもよい。
【００４９】フィルム読み取り装置３では、撮影レンズ
５の入射側の開口数ＮＡを０．１（Ｆ数＝５に相当）と
しており、式１１〜式１３より求められる照度の比
ＥR：ＥG：ＥBは１：１．７：２．３となる。つまり、
最高強度の方向からの強度の低下率を波長にかかわらず
一定にした従来の拡散光学素子に比べて、緑色および青
色の波長帯域の利用効率はそれぞれ２倍近くおよび２倍
以上となる。
【００５０】また、この照度比は、撮影レンズ５の入射
側の開口数ＮＡの実用的な値である０．２以下の範囲に
おいて、略一定である。撮影レンズ５の入射側の開口数
ＮＡと光源１１からの光の利用効率の関係を図７に示
す。フィルム読み取り装置３では、拡散光学素子１は赤
色の波長帯域の光も完全拡散より狭い範囲に拡散するよ
うに設定されているため（式２）、図１０との比較で明
らかなように、白色光全体としての利用効率はさらに高
くなる。
【００５１】前述の図３に示した拡散光学素子１の拡散
特性は、上記の照度比を得るためのものであり、フィル
ター７を光源１１から拡散光学素子１までの光路上に配
置した場合に相当する。
【００５２】フィルムＭ上の傷や異物に入射する光は直
進せず、それらの形状に応じて進路を変えられる。した
がって、拡散光学素子１から撮影レンズ５に向かう光の
うち、傷等がある部位を透過したものは、撮影レンズ５
に入射し難くなる。しかし、拡散光学素子１からの光に
は直進しても撮影レンズ５に入射しないものが含まれて
おり、その一部は傷等がある部位で進路を変えられて撮
影レンズ５に入射する。すなわち、直進すれば撮影レン
ズ５に入射するはずでありながら傷等によって失われる
光を、本来は撮影レンズ５に入射しない光が補うことに
なる。これにより、撮影される画像にフィルムＭ上の傷
等が明瞭に現れるのを避けることができる。
【００５３】この効果はフィルムＭへの入射角が広い範
囲にわたるほど高くなるが、フィルムＭへの入射角の範
囲は、拡散光学素子１の有効径、フィルムＭの有効径、
および拡散光学素子１からフィルムＭまでの距離（照明
対象面４ａまでの距離）に依存する。拡散光学素子１の
有効径ＤD、フィルムＭの有効径ＤF、および拡散光学素
子１から照明対象面４ａまでの距離Ｌの関係を図８に示
す。
【００５４】いま、拡散光学素子１の最高強度の方向
（法線方向）に対する角度θがθmaxまでの光が、フィ
ルムＭのいずれかの部位を通るものとすると、拡散光学
素子１の有効径ＤDが満たすべき必要十分な条件は式１
５となる。 ＤD＝ＤF＋２Ｌｔａｎ(θmax) … 式１５
【００５５】拡散光学素子１の有効径ＤDが式１５の右
辺よりも小さければ、フィルムＭの周辺部を通る光が少
なくなって、均一な照明はできなくなり、逆に右辺より
も大きければ、拡散光学素子１の周辺部からの光はフィ
ルムＭに入射することがなくなり、拡散光学素子１を無
駄に大きくすることになる。
【００５６】フィルムＭ上の傷等の影響を効果的に低減
するために必要な最大角度θmaxを求めるべくシミュレ
ーションを行ったところ、撮影レンズ５の入射側の開口
数ＮＡ（＝ｓｉｎ(θNA)）に対して式１６の関係を満た
せばよいことが判った。 θmax≧２θNA … 式１６
【００５７】ただし、式１６を満たしても、拡散光学素
子１から照明対象面４ａまでの距離Ｌを大きくすると、
拡散光学素子１の必要な有効径ＤDが大きくなってしま
い、照明光学系４の大型化を招くことになる。また、最
大角度θmaxを大きくし過ぎると拡散光学素子１の周辺
部からの光のうちフィルムＭに入射しないものの割合が
高くなって、光の利用効率が低下する。したがって、拡
散光学素子１の有効径ＤDをフィルムＭの有効径ＤFの２
倍程度までとするとともに、最大角度θmaxを式１６の
下限値程度とするのが好ましい。すなわち、式１７を満
たすようにすれば、照明光学系４の大型化や光の利用効
率の低下を避けつつ、フィルムＭ上の傷等の影響を十分
に抑えることができる。 ＤF＋２Ｌｔａｎ(２θNA)≦２ＤF … 式１７
【００５８】最大角度θmaxを大きくするためには、拡
散光学素子１から照明対象面４ａまでの距離Ｌを短くす
ることも一法である。しかし、この距離Ｌを短くし過ぎ
ると、照射対象面と結像面とが共役な関係にあるから、
拡散光学素子１に異物が付着した場合に、撮影される画
像上でその異物が目立ち易くなる。これを避けるために
は、拡散光学素子１上の１点からの光がフィルムＭ上で
１ｍｍ以上に広がって撮影レンズ５に入射するようにす
ればよい。これは式１８を満たすことで達成される。 Ｌ≧１／２ｔａｎ(θNA) … 式１８
【００５９】式１７と式１８より、式１が得られる。 １／｛２ｔａｎ(θNA)｝≦Ｌ≦ＤF／｛２ｔａｎ(２θNA)｝ … 式１（再掲）
【００６０】具体的には、例えば、ＤF＝３５ｍｍ、Ｎ
Ａ＝０．１とすると、式１９となる。 ５(mm)≦Ｌ≦８６(mm) … 式１９ このとき拡散光学素子１の必要十分な有効径ＤDは、式
１５より、下限のＬ＝５(mm)ではＤD＝３６(mm)、上限
のＬ＝８６(mm)ではＤD＝５２(mm)であり、また中間の
Ｌ＝５０(mm)ではＤD＝４５(mm)である。
【００６１】前述のように、拡散光学素子１は、最高強
度の方向からの強度の低下率が赤色の波長帯域に対して
小さく、青色の波長帯域に対して大きくなるように設定
されているため、撮影される画像上でフィルムＭの傷等
が目立たなくする効果への寄与は、赤色の光が最も大き
く青色の光が最も小さい。このため、フィルムＭ上の傷
等は撮影される画像上ではやや赤味が強くなる。ただ
し、式２〜式５に従って設定された拡散光学素子１の白
色光全体に対する拡散特性は完全拡散から大きくずれて
はおらず、したがって、色合いの変化が顕著になること
はない。
【００６２】なお、上記の各実施形態では拡散特性を相
違させる波長帯域の数を３としているが、波長帯域の数
は３つに限られるものではなく、２つ以上であれば自由
に設定してよい。例えば、緑色と青色の中間の波長帯域
を加えて４帯域とすることも可能である。帯域数は光源
が発する光の強度分布に応じて定めるとよい。ただし、
白色光を発する一般的な光源の場合、強度の低い波長帯
域の光の利用効率を高めるためには、帯域数を３とすれ
ば十分である。
【００６３】また、ここでは拡散光学素子の拡散特性が
式２〜式４に従う例を示したが、最高強度の方向からの
強度の低下率を入射強度の低い波長帯域ほど大きくする
限り、他の式に従って拡散光学素子の拡散特性を定める
ようにしてもよい。例えば、式２〜式４と同様に余弦の
冪乗に比例する式とし、各式の冪をそれぞれ１、２、３
としたり、２、４、７とすることもできる。
【００６４】
【発明の効果】本発明の拡散光学素子は、入射強度の低
い波長帯域の光ほど最高強度の方向からの強度の低下率
が大きくなるようにして、強度の低い波長帯域の光の拡
散方向を相対的に狭くしているので、最高強度の方向か
ら同じ角度範囲で各波長帯域の光を利用するときに、強
度の低い波長帯域の光を利用効率を相対的に高くするこ
とができる。不要な光を捨てて各波長帯域の光の量を揃
える用途では、全ての波長帯域を含む総合的な光の利用
効率も高くなる。
【００６５】拡散光学素子を平板状のホログラム素子と
すると、作製が容易である。また、最高強度の方向をホ
ログラム素子の法線方向とすると、拡散光を受ける他の
光学素子との向きの関係の設定が容易になる。
【００６６】最高強度の方向からの強度の低下率を赤
色、緑色および青色の３つの波長帯域の光に対して個別
に定めると、白色光を拡散する用途に適する素子とな
る。また、波長帯域の数が少ないため作製も容易にな
る。
【００６７】本発明の照明光学系は、照明対象面を拡散
する白色光で均一に照明することができる。拡散光学素
子により、光源が発する光のうち強度の低い波長帯域の
ものほど拡散範囲を狭くしているので、強度の低い波長
帯域の光の利用率が高い。また、最高強度の方向が照射
対象面と垂直になるように拡散光学素子を配置している
ため、照射対象面上のどの点にも法線を中心として対称
に光を入射させることができて、照射対象面に配置した
照明対象物をあらゆる方向から同等に照明すること可能
である。
【００６８】本発明のフィルム読み取り装置は、強度の
低い波長帯域の光をフィルムの画像の読み取りに効率よ
く利用することができるため、光源の消費電力を抑える
ことができる上、光源も長寿命化する。したがって、ラ
ンニングコストが低く処理能力の高い装置となる。しか
も、強度の高い波長帯域の光によって、読み取った画像
にフィルム上の傷等が現れるのを防止することができ
て、質の高い画像を提供するという機能も確保される。
【００６９】また、式１を満たすように設定すること
で、大型化を避けながら、上記効果を確実に発揮する装
置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態の拡散光学素子の構成および
入射光と拡散光の関係を模式的に示す図。
【図２】 上記拡散光学素子の作製におけるホログラム
露光の方法を模式的に示す図。
【図３】 上記拡散光学素子の拡散特性を極座標表示で
示す図。
【図４】 上記拡散光学素子の変形例の作製におけるホ
ログラム露光の方法を模式的に示す図。
【図５】 偏向素子と組み合わせた上記変形例の拡散光
学素子の構成および入射光と拡散光の関係を模式的に示
す図。
【図６】 第２の実施形態のフィルム読み取り装置の概
略構成を示す図。
【図７】 上記フィルム読み取り装置における撮影レン
ズの入射側の開口数と光源からの光の利用効率の関係を
示す図。
【図８】 上記フィルム読み取り装置における拡散光学
素子の有効径、フィルムの有効径、および拡散光学素子
から照明対象面までの距離の関係を示す図。
【図９】 完全拡散面の拡散特性を極座標表示で示す
図。
【図１０】 従来のフィルム読み取り装置における撮影
レンズの入射側の開口数と光源からの光の利用効率の関
係を示す図。
【符号の説明】
１ 拡散光学素子 １Ｒ、１Ｇ、１Ｂ ホログラム層 １Ｓ 基板 ２ 拡散光学素子 ２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ ホログラム層 ２Ｓ 基板 ２Ｐ 偏向素子 ３ フィルム読み取り装置 ４ 照明光学系 ４ａ 照明対象面 ５ 撮影レンズ ５ａ 絞り ６ ＣＣＤ ７ フィルター １１ 光源 １２ リフレクタ １３ インテグレータ １４ ロッド １５ コンデンサレンズ １６ ミラー １７ コリメータレンズ

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 所定方向から入射する光束を波長にかか
    わらず同一方向に最高強度で拡散するとともに、入射強
    度の低い波長帯域の光ほど最高強度の方向からの強度の
    低下率が大きくなるように拡散することを特徴とする拡
    散光学素子。
  2. 【請求項２】 平板状のホログラム素子より成ることを
    特徴とする請求項１に記載の拡散光学素子。
  3. 【請求項３】 最高強度の方向がホログラム素子の法線
    方向であることを特徴とする請求項２に記載の拡散光学
    素子。
  4. 【請求項４】 最高強度の方向からの強度の低下率が赤
    色、緑色および青色の３つの波長帯域の光に対して個別
    に定められていることを特徴とする請求項１に記載の拡
    散光学素子。
  5. 【請求項５】 赤色から青色までの波長の光を発する光
    源と、 光源からの光を所定の照明対象面に均一な強度分布で導
    くインテグレータと、 最高強度の方向からの強度の低下率が複数の波長帯域の
    光に対して個別に定められており、最高強度の方向が照
    明対象面に対して垂直になるように、インテグレータか
    ら照明対象面に至る光路上に配置された請求項１ないし
    請求項４のいずれか１項に記載の拡散光学素子とを備え
    ることを特徴とする照明光学系。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載の照明光学系と、 光軸が照明対象面に対して垂直になるように配置され、
    照明対象面上に配置されたフィルムを透過した照明光学
    系からの光を所定の結像面に結像させる撮影レンズと、 結像面上に配置され、撮影レンズからの光を受けてフィ
    ルム上の画像を撮影する撮像素子と、 撮像素子が受ける複数の波長帯域の光のパワーが略等し
    くなるように、各波長帯域の光の最高強度の方向からの
    強度の低下率と撮影レンズの入射側の開口数に基づい
    て、各波長帯域の光の輝度を設定する調光手段とを備え
    ることを特徴とするフィルム読み取り装置。
  7. 【請求項７】 拡散光学素子が平板状で照明対象面と平
    行に配置されており、 拡散光学素子から照明対象面までの距離をＬ、フィルム
    の有効径をＤF、撮影レンズの入射側の開口数をｓｉｎ
    (θNA)とするとき、 １／｛２ｔａｎ(θNA)｝≦Ｌ≦ＤF／｛２ｔａｎ(２
    θNA)｝ の関係を満たすことを特徴とする請求項６に記載のフィ
    ルム読み取り装置。
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