JP2004070268A

JP2004070268A - 正立等倍レンズアレイ

Info

Publication number: JP2004070268A
Application number: JP2003003360A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Nemoto; 根本　浩之
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2003-01-09
Publication date: 2004-03-04
Also published as: TW200403452A; CN1203347C; US6710925B2; US20030231402A1; CN1469136A; TWI230272B

Abstract

【課題】迷光，フレア光の発生が少ない正立等倍レンズアレイを提供する。
【解決手段】両面に凸レンズ２０が配列形成されたレンズプレートが複数枚重ね合わされて構成された正立等倍レンズアレイにおいて、凸レンズの配列方向のレンズピッチＰは、正立等倍レンズアレイ内に形成される反転像の高さの２倍以上であり、反転像が形成される位置に、反転像の高さを半径とした円３３以外に光線が通過しないように、個々のレンズ素子に開口絞り３２が設けられている。
【選択図】　　　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正立等倍レンズアレイ、特に、開口絞りを設け、フレア光，迷光を防止した正立等倍レンズアレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
正立等倍レンズアレイは、両面に凸レンズを多数配列した平板状のレンズプレートを複数枚重ね合わせることにより実現される。例えば、透明基板の両面に凸レンズを多数配列した樹脂レンズプレートを複数枚重ね合わせて、正立等倍樹脂レンズアレイが形成される。
【０００３】
正立等倍光学系は、物体の高さ＝正立像の高さ、となるのが前提である。このため物体と正立像との間の光学系は対称となるのが条件であり、レンズプレート群の中央に反転像が形成される必要がある。レンズプレートが偶数枚の場合は、中央２枚のレンズプレート間に、奇数枚の場合は中央のレンズプレートの中央位置に反転像が形成され、この反転像に対して光線は左右対称となる。
【０００４】
図１は、両面に凸レンズ８が配列形成された２枚のレンズプレート１０，１２を密着して重ね合わせて正立等倍像を得る場合の光線の様子を示している。この場合、レンズプレート１０と１２とが接する面１４上に反転像１６が形成される。
【０００５】
レンズプレートは、成形によって作製できるので、大量生産が容易であり、軽量，安価であるため、種々の応用がなされている。なかでも光プリンタなどの画像形成装置や、スキャナなどの画像読取り装置への適用が期待されている。これらの装置には、より高い解像度が要求されるが、成形による樹脂レンズは、レンズの配列精度が成形型の精度で決まるため、高い精度が得られ、また個々のレンズアレイ間での特性ばらつきが少ないという特徴がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような正立等倍樹脂レンズアレイは、次のような問題点がある。
（１）レンズプレートは透明基板であるため、レンズ部分以外も透明である。したがって、レンズ部分以外を透過する光に対して遮光が必要とされ、遮光膜が設けられる。しかし、遮光膜が設けられていても、レンズ部分に入射する光が隣接レンズに対してフレア光，迷光となる場合がある。
（２）フレア光，迷光を防止するために、遮光膜の面積を大きくすると、透過光量が減少してしまう。
【０００７】
以上の問題点を、稠密レンズ配列の場合について、さらに詳しく説明する。通常の稠密レンズ配列としては六方稠密構造と四方稠密構造とがある。図２（Ａ）は、六方稠密構造の場合の１個のレンズ２０を示す。このレンズの実レンズ形状は正六角形であるが、レンズ径は正六角形の内接円２２の直径とみなせる。図２（Ｂ）は、四方稠密構造の場合の１個のレンズ２４を示す。このレンズの実レンズ形状は正方形で、レンズ径は正方形の内接円２６の直径とみなせる。
【０００８】
図１および図２（Ａ），図２（Ｂ）において、反転像１６は内接円２２，２６の範囲内に形成されなければならない。反転像の高さは、必要な解像度，透過光量の要求仕様を満たすために理論的に求められる。これによって実レンズのサイズが設計される。したがって反転像の高さは、光学系の設計により変化するが、反転像の高さの最大値がレンズ半径（実レンズ形状の内接円の半径）であり、反転像の高さがレンズ半径より大きくなると、反転像の一部が隣のレンズにかかってしまうので、正しい結像ができなくなる。
【０００９】
反転像の高さがレンズ径より小さくなるように、光学系を設計することは可能である。レンズ外周部は一般に収差が大きいので、反転像の高さはレンズ半径よりやや小さめに設計するのが望ましいが、反転像の高さが小さいと、透過光量が減って像が暗くなるので、両者のバランスを考えて設計する必要がある。一方、物体の高さは、レンズの半径と等しい必要はなく、光が取り込める範囲ならば、もっと大きくてもあるいは小さくても構わず、光学系の設計により選択できる。
【００１０】
図２（Ａ），（Ｂ）に戻り、内接円２２，２６の範囲外の実レンズ領域内を通過する光が、フレア光となる。また実レンズの外接円２８，３０の直径に相当する仮想的なレンズ径内を通過する光が、迷光となる。
【００１１】
図３（Ａ），（Ｂ）は、このような実レンズが互いに接するように六方稠密または四方稠密に配列されて構成されたレンズプレートを示す。なお、実レンズの配列方向は、次のように定義する。すなわち、多角形の実レンズ形状の一辺が互いに接してレンズが並ぶ方向を、配列方向とする。したがって、図３（Ａ）では、六方向の配列方向があり、図３（Ｂ）では、四方向の配列方向があることがわかる。
【００１２】
図３（Ａ），（Ｂ）のレンズプレートを複数枚重ね合わせて構成した正立等倍レンズアレイにおいては、１対のレンズが作る反転像が内接円の範囲外の実レンズ領域に入るとフレア光となり、仮想レンズ径内に入ると迷光となる。これを防ぐため、実レンズ境界部に遮光膜を設け開口絞りを形成するとすると、反転像が透過できるレンズ面積が減少し、透過光量が低下する。また遮光膜の幅や位置にばらつきがあると、光量ムラに影響しやすい。このような正立等倍レンズアレイを用いた画像形成装置や、画像読取り装置では、フレア光，迷光による光量ムラが発生する。
【００１３】
本発明の目的は、迷光，フレア光の発生が少ない正立等倍レンズアレイを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、両面に凸レンズが配列形成されたレンズプレートが複数枚重ね合わされて構成された正立等倍レンズアレイにおいて、凸レンズの配列方向のレンズピッチは、正立等倍レンズアレイ内に形成される反転像の高さの２倍以上であり、反転像が形成される位置に近接した面に、反転像の高さを半径とした円以外に光線が通過しないように、個々のレンズ素子に開口絞りが設けられていることを特徴とする。
【００１５】
この場合、レンズプレートが偶数枚である場合には、開口絞りは、反転像が形成される２枚のレンズプレート間に設けられる。
【００１６】
また、レンズプレートが奇数枚である場合には、開口絞りは、反転像が内部に形成される中央のレンズプレート内に設けられる。中央のレンズプレートは、片面に凸レンズが形成された２枚の片面レンズプレートが、凸レンズが形成されていない面を対向させて重ね合わされて構成され、開口絞りは、２枚の片面レンズプレートの重ね合わせ面に設けられる。また、レンズプレートが奇数枚である場合には、開口絞りは、反転像が内部に形成される中央のレンズプレートとこれに対向する両側のレンズプレートとの間に設けられる。
【００１７】
開口絞りは、フィルム状遮光膜、あるいはレンズプレートの面に付着された遮光膜で形成することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図４および図５は、本発明の一実施形態である六方構造および四方構造のレンズ配列の正立等倍レンズアレイを示す。この例では、レンズ２０，２４の配列方向のレンズピッチＰを反転像の高さＨの２倍以上になるようにする。さらに反転像の高さＨを半径とする円の外部を遮光する遮光膜を設け、開口絞り３２を形成する。図４および図５では、円の部分が開口絞りの開口３３を示している。なお、図４および図５の実施形態では、反転像の高さＨがレンズ半径に等しい場合を示している。通常、反転像の高さＨは、レンズ半径よりやや小さくなるように設計されるので、この場合には開口３３の半径は、図示の円よりもやや小さくなる。
【００１９】
このような開口絞りは、１枚のフィルム状の遮光膜として、例えばレンズプレート間に挟み込むか、あるいはレンズ表面に遮光膜を付着して形成される。フィルム状の遮光膜は、光学的透過率が大きいフィルムの表面に光吸収性層を印刷して開口を形成したもの、あるいは光学的透過率が小さいフィルムに穴を設けて開口を形成したものとすることができる。
【００２０】
開口絞りは、すべてのレンズプレートに対応して設ける必要はない。少なくとも、反転像が形成される位置に開口絞りが設けられていればよい。この場合、開口絞りは、レンズプレートとレンズプレートとの間にフィルム状の遮光膜を挟んで形成するか、あるいは対向するレンズ表面の少なくとも一方に遮光膜を付着させて形成する。
【００２１】
このような開口絞りの具体的設計例を、図６に示す。図６は、六方構造のレンズ配列の正立等倍レンズアレイに用いられるフィルム状開口絞り３２を示す。反転像の高さは、０．１８ｍｍであり、したがって１個の円形開口３３の径は、０．３６ｍｍである。レンズピッチは、反転像の高さの２倍以上の０．４ｍｍである。なお、図６において、六角形状を示す実線は実レンズ形状を示すものではなく、１つの円形開口３３を形成する遮光膜の領域を示していることに注意すべきである。
【００２２】
図７は、図１に示す正立等倍レンズアレイにおいて、図６で示したフィルム状開口絞り３２を、２枚のレンズプレート１０と１２との間に挟むように設けた例を示す。空間周波数４Ｌｐ／ｍｍでＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）６０％を得る光学系である。なお、ＭＴＦは、
【００２３】
【数１】

で表され、ここに、ｉ（ｗ）_ｍａｘ　，ｉ（ｗ）_ｍｉｎ　は、空間周波数ｗ（Ｌｐ／ｍｍ）における矩形波応答の極大値，極小値を示す。ＭＴＦが１００％に近い程、原画に忠実な像が形成されていることを示す。
【００２４】
なお、図７において、図面を簡単にするため、２枚のレンズプレート１０，１２は、１個の凸レンズを含む部分のみ示してある。各レンズプレートの厚みは、１．２９６ｍｍであり、各レンズプレートの有する凸レンズの曲率半径は０．４１３ｍｍである。凸レンズの配列方向のレンズピッチは、０．４ｍｍである。
【００２５】
このような正立等倍レンズアレイでは、反転像の形成位置に開口絞りが設けられているためフレア光，迷光を低減することができる。
【００２６】
さらにフレア光，迷光を低減したい場合には、さらに、物体側のレンズプレート最前面、像側のレンズプレート最後面に開口絞りを設けると効果がある。図８は、図７の正立等倍レンズアレイのレンズプレート１０，１２の最前面，最後面に、フィルム状開口絞り３４，３６を設けた例である。開口の直径は、０．４ｍｍであり、レンズプレート１０，１２間に設けられた開口絞り３２の開口よりやや大きく設定してある。
【００２７】
以上の例は、レンズプレートが２枚重ね合わせた場合であるが、レンズプレートが偶数枚（４枚以上）重ね合わされる場合には、反転像は中央の２枚のレンズプレート間に形成されるので、２枚のレンズプレート間にフィルム状開口絞りを挟むようにして設けることができる。また、図８で示したように、レンズプレート最前面、最後面にフィルム状開口絞りを設けて、迷光をさらに低減することができる。
【００２８】
しかし、レンズプレートが奇数枚重ね合わされる場合には、反転像は中央のレンズプレートの内部に形成される。この場合には、中央のレンズプレート内に開口絞りを設けるか、または中央のレンズプレートとこれに対向する両側のレンズプレートとの間に開口絞りを設けることになる。
【００２９】
図９は、３枚のレンズプレート１０，４０，１２が重ね合わされて構成された正立等倍レンズアレイの中央のレンズプレート内に開口絞りを設けた例を示す。中央のレンズプレート４０は、片面にレンズが形成された２枚の片面レンズプレート４０−１，４０−２のレンズが形成されていない平面側を貼り合わせて構成する。図中、４２は貼り合わせ面を示す。この場合に、開口絞りは貼り合わせ面に、フィルム状開口絞り４４を挟んで設けることになる。このフィルム状開口絞り４４の円形開口の半径は、反転像の高さに等しくなるように構成されている。
【００３０】
図１０は、３枚のレンズプレート１０，４６，１２が重ね合わされて構成された正立等倍レンズアレイの中央のレンズプレートとこれに対向する両側のレンズプレートとの間に開口絞りを設けた例を示す。開口絞りは１枚のフィルム状の遮光膜をレンズプレート間に挟み込んで形成する。
【００３１】
図１０において、図面を簡単にするため、３枚のレンズプレート１０，４６，１２は、１個の凸レンズを含む部分のみ示してある。各レンズプレートの厚みは、０．９ｍｍであり、各レンズプレートの有する凸レンズの曲率半径は０．５ｍｍである。凸レンズの配列方向のレンズピッチは、０．４８ｍｍである。中央のレンズプレート４６とレンズプレート１０との間に開口絞り３２ａが設けられ、レンズプレート４６とレンズプレート１２との間に開口絞り３２ｂが設けられる。開口絞り３２ａ，３２ｂの円形開口の直径は、０．３４ｍｍであり、開口絞り３２ａ，３２ｂの円形開口の半径は、反転像の高さに等しくなるように構成されている。
【００３２】
図１０では、本発明に係る開口絞りは、フィルム状のものを挟んで用いたが、レンズ表面に遮光膜を付着させて形成して開口絞りを形成してもよい。図１１は、レンズ表面に遮光膜を付着して、中央のレンズプレート４６とこれに対向する両側のレンズプレート１０，１２との間に開口絞り３８ａ，３８ｂを設けた例を示す。この場合、中央のレンズプレート４６の光入射側では、対向するレンズプレート１０のレンズ形成面に開口絞り３８ａを形成し、光出射側では、中央のレンズプレート４６のレンズ形成面に開口絞り３８ｂを形成するのが望ましい。
【００３３】
レンズプレートが奇数枚重ね合わされた正立等倍レンズアレイにおいて、さらにフレア光，迷光を低減する場合には、図８で説明したように、物体側のレンズプレート最前面、像側のレンズプレートの最後面にフィルム状開口絞りを設けることができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、次のような効果が得られる。
（１）開口絞りによって、像を形成する光線が隣接レンズに入射するのが防がれるため、迷光，フレア光を効果的に防止できる。
（２）迷光，フレア光を防止するため、従来のようにレンズ径内に開口絞りを設ける必要がなく、したがって明るい像が得られる。
（３）従来のようにレンズ径内に開口絞りを設けないので、絞りのサイズ，位置のばらつきによる光量ムラへの影響が少ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】２枚のレンズプレートを重ね合わせて正立等倍像を得る場合の光線の様子を示す図である。
【図２】稠密構造配列の場合の１個のレンズのレンズ径および仮想レンズ径を示す図である。
【図３】レンズが互いに接するように六方稠密または四方稠密に配列されて構成されたレンズプレートを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態である六方構造のレンズ配列の正立等倍レンズアレイを示す図である。
【図５】本発明の一実施形態である四方構造のレンズ配列の正立等倍レンズアレイを示す図である。
【図６】開口絞りの具体的設計例を示す図である。
【図７】図６の開口絞りを用いた正立等倍レンズアレイの具体的設計例を示す図である。
【図８】図６の開口絞りを用いた正立等倍レンズアレイの他の具体的設計例を示す図である。
【図９】正立等倍レンズアレイの中央のレンズプレート内に開口絞りを設けた例を示す図である。
【図１０】正立等倍レンズアレイの中央のレンズプレートとこれに対向する両側のレンズプレートとの間に開口絞りを設けた例を示す図である。
【図１１】レンズ表面に遮光膜を付着して、中央のレンズプレートとこれに対向する両側のレンズプレートとの間に開口絞りを設けた例を示す図である。
【符号の説明】
８　凸レンズ
１０，１２，４０，４６　レンズプレート
１４　レンズプレートが接する面
１６　反転像
２０，２４　レンズ
２２，２６　内接円
２８，３０　外接円
３２，３２ａ，３２ｂ，３４，３６，３８ａ，３８ｂ，４４　開口絞り
３３　開口
４０−１，４０−２　片面レンズプレート
４２　貼り合わせ面

Claims

両面に凸レンズが配列形成されたレンズプレートが複数枚重ね合わされて構成された正立等倍レンズアレイにおいて、
前記凸レンズの配列方向のレンズピッチは、前記正立等倍レンズアレイ内に形成される反転像の高さの２倍以上であり、
前記反転像が形成される位置に近接した面に、前記反転像の高さを半径とした円以外に光線が通過しないように、個々のレンズ素子に開口絞りが設けられていることを特徴とする正立等倍レンズアレイ。
前記レンズプレートが偶数枚である場合には、前記反転像が形成される２枚のレンズプレート間に、前記開口絞りが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の正立等倍レンズアレイ。
前記開口絞りは、前記２枚のレンズプレートの間に挟まれたフィルム状遮光膜により形成されることを特徴とする請求項２に記載の正立等倍レンズアレイ。
前記開口絞りは、前記２枚のレンズプレート間において対向するレンズ形成面の少なくとも一方のレンズ形成面に付着された遮光膜により形成されることを特徴とする請求項２に記載の正立等倍レンズアレイ。
前記レンズプレートは、２枚であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の正立等倍レンズアレイ。
前記レンズプレートが奇数枚である場合には、前記反転像が内部に形成される中央のレンズプレート内に前記開口絞りが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の正立等倍レンズアレイ。
前記中央のレンズプレートは、片面に凸レンズが形成された２枚の片面レンズプレートが、凸レンズが形成されていない面を対向させて貼り合わされて構成され、
前記開口絞りは、前記２枚の片面レンズプレートの貼り合わせ面に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の正立等倍レンズアレイ。
前記開口絞りは、前記２枚の片面レンズプレートの間に挟まれたフィルム状遮光膜により形成されることを特徴とする請求項７に記載の正立等倍レンズアレイ。
前記開口絞りは、前記２枚の片面レンズプレート間において貼り合わされる面の少なくとも一方の面に付着された遮光膜により形成されることを特徴とする請求項７に記載の正立等倍レンズアレイ。
前記レンズプレートは、３枚であることを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の正立等倍レンズアレイ。
前記レンズプレートが奇数枚である場合には、前記反転像が内部に形成される中央のレンズプレートとこれに対向する両側のレンズプレートとの間に、前記開口絞りが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の正立等倍レンズアレイ。
前記開口絞りは、前記中央のレンズプレートとこれに対向するレンズプレートの間に挟まれたフィルム状遮光膜により形成されることを特徴とする請求項１１に記載の正立等倍レンズアレイ。
前記開口絞りは、前記中央のレンズプレートとこれに対向するレンズプレート間において対向するレンズ形成面の少なくとも一方のレンズ形成面に付着された遮光膜により形成されることを特徴とする請求項１１に記載の正立等倍レンズアレイ。
前記開口絞りは、前記中央のレンズプレートの光入射側では、対向するレンズプレートのレンズ形成面に形成され、前記中央のレンズプレートの光出射側では、中央のレンズプレートのレンズ形成面に形成されることを特徴とする請求項１３に記載の正立等倍レンズアレイ。
前記レンズプレートは、３枚であることを特徴とする請求項６〜１４のいずれかに記載の正立等倍レンズアレイ。