JP2004133197A - 結像光学系及び画像読取装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明の目的は、結像光学系をオフアキシャル反射面で構成することで小型で非対称収差の発生が少なく、光学性能が大きく劣化しない結像光学系及び、それを用いた画像読取装置の提供することにある。
【解決手段】本発明の結像光学系は、物体面の画像情報をラインセンサー上に結像させる結像光学系において、前記物体面から前記ラインセンサーまでの光路中にある複数の反射面は全てオフアキシャル反射面であることを特徴としている。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明の結像光学系は、物体面の画像情報をラインセンサー上に結像させる結像光学系において、前記物体面から前記ラインセンサーまでの光路中にある複数の反射面は全てオフアキシャル反射面であることを特徴としている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結像光学系及びそれを用いた画像読取装置に関し、特に。各種収差がバランスよく補正され、高解像力を有する小型の複数のオフアキシャル反射面を含む結像光学素子を用いたイメージスキャナーやデジタル複写機やファクシミリ等のラインセンサーを用いたモノクロ画像やカラー画像を読み取る際に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、原稿面上の画像情報を読み取る画像読取装置（イメージスキャナー）として、フラットベッド型のイメージスキャナーが例えば特許文献１で提案されている。
【０００３】
フラットベッド型のイメージスキャナーは結像レンズとラインセンサーを固定し、反射ミラーのみを移動させることによって原稿面をスリット露光走査して、画像情報を読み取っている。
【０００４】
近年、装置の構造の簡略化を図るためミラー、結像レンズ、ラインセンサー等を一体化して原稿面を走査するキャリッジ一体型走査方式が採用される場合が多くなってきた。
【０００５】
図９は、従来のキャリッジ一体型走査方式の画像読取装置の要部外略図を示す。図９において、照明光源１から放射された光束は、直接原稿台２に載置した原稿８を照明し、原稿８からの反射光束を順に第１、第２、第３反射ミラー３ａ、３ｂ、３ｃを介してキャリッジ６内部でその光路を折り曲げ、結像レンズ（結像光学系）４によりラインセンサー５面上に結像させている。そしてキャリッジ６を副走査モーター７により図９に示す矢印Ａ方向（副走査方向）に移動させることにより原稿８の画像情報を読み取っている。図９におけるラインセンサー５は複数の受光素子を１次元方向（主走査方向）に配列した構成により成っている。
【０００６】
図１０は、図９の画像読取装置の基本構成の説明図である。
【０００７】
図中、４は結像光学系、５Ｒ，５Ｇ，５Ｂは各々ラインセンサー５のＲ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）の各色を読み取るラインセンサー、８Ｒ，８Ｇ，８Ｂはラインセンサー５Ｒ，５Ｇ，５Ｂに対応する原稿面上の読み取り範囲である。図９に示す画像読取装置では静止している原稿面をキャリッジ６が走査しているが、キャリッジ走査は、図１０のようにラインセンサー５及び結像レンズ４が静止していて原稿面８が移動することと等価である。原稿面を走査することによってある時間間隔をおいて同一箇所を異なる色で読み取ることができる。前記構成において結像レンズ４が通常の屈折系からなる場合には軸上色収差や倍率色収差が発生するので基準のラインセンサー５Ｇに対しラインセンサー５Ｂ，５Ｒに結像されるライン像にデフォーカスあるいは位置ズレが発生する。したがって各色画像を重ね合わせて再現した時に色にじみやズレの目立つ画像になる。すなわち、高開口、高解像度の性能が要求される場合には要求に対応できなくなる。
【０００８】
一方、最近、非共軸光学系においても、基準軸という概念を導入し構成面を非対称非球面にすることで、十分収差が補正された光学系が構築可能であることが明らかになってきた。例えば特許文献２にその設計方法が、特許文献３、特許文献４にその設計例が示されている。
【０００９】
こうした非共軸光学系はオフアキシャル光学系（像中心と瞳中心を通る光線に沿った基準軸を考えた時、構成面の基準軸との交点における面法線が基準軸上にない曲面（オフアキシャル曲面）を含む光学系として定義される光学系で、この時、基準軸は折れ曲がった形状となる）と呼ばれる。このオフアキシャル光学系は、構成面が一般には非共軸となり、反射面でもケラレが生じることがないため、反射面を使った光学系の構築がし易い。また、光路の引き回しが比較的自由に行える、構成面を一体成型する手法で一体型の光学系を作りやすいという特徴をもっている。
【００１０】
【特許文献１】
特開平３−１１３９６１号公報
【特許文献２】
特開平９−５６５０号公報
【特許文献３】
特開平８−２９２３７１号公報
【特許文献４】
特開平８−２９２３７２号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
一方、デジタル複写機等の画像読取装置は、高解像度、高速性が要求されるため一体型の光学系で構成されるに至っていない。画像読取装置に要求される結像レンズは明るくかつ高解像度を必要とするので光学性能を確保するには画角を大きくするのが難しい。画角が狭いと、その結果、光路長が長くなる。
【００１２】
一方、カラー画像の読み取りを行う場合には高解像度になるにしたがい色収差による色毎の結像位置差、画面内の色ズレ等の色収差が光学性能に悪影響を与える。
【００１３】
一方、画像の読み取りの高速化にしたがい結像光学系の明るさ（Ｆｎｏ及び透過率）をより明るくすることが要求されているが、特にミラーでの反射率はコーティングされた屈折系のレンズの透過率に比べて悪いため、長い光路長を折り畳むために多数のミラーを使った場合に、照明された原稿からの光を効率よくラインセンサーへ導くことができない。
【００１４】
そこで、上記問題点を鑑み、本発明は、結像光学系をオフアキシャル反射面で構成しても非対称収差の発生が少なく、光学性能が大きく劣化しない結像光学系及び、それを用いた画像読取装置の提供であり、特に高速性、高解像度が要求されるデジタル複写機やイメージスキャナー等の画像読取装置において、キャリッジ一体型が容易に実現することができる画像読取装置の提供を目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明の結像光学系は、
物体面の画像情報をラインセンサー上に結像させる結像光学系において、
前記物体面から前記ラインセンサーまでの光路中にある前記複数のオフアキシャル反射面を含む反射面における反射回数をＮとし、前記オフアキシャル反射面での反射回数をｎとしたとき、
Ｎ≦１０ ０．３≦ｎ／Ｎ≦１．０
なる条件式を満足することを特徴としている。
【００１６】
第１の発明において、
前記反射面におけるオフアキシャル反射面以外の平面反射面を最も物体側に近い反射面から用いることを特徴としている。
【００１７】
第１の発明において、
前記物体面から最初の反射面に入射する基準軸光線と前記オフアキシャル反射面から前記ラインセンサーに射出する基準軸光線のなす角度は３０度以上となることを特徴としている。
【００１８】
第１の発明において、
前記オフアキシャル反射面以外の平面反射面と前記オフアキシャル反射面は前記ラインセンサーを保持する筐体上に形成することを特徴としている。
【００１９】
第２の発明の結像光学系は、
物体面の画像情報をラインセンサー上に結像させる結像光学系において、
前記物体面から前記ラインセンサーまでの光路中にある複数の反射面は全て曲率を有することを特徴としている。
【００２０】
第２の発明において、
前記複数の反射面は全てのオフアキシャル反射面で構成されることを特徴としている。
【００２１】
第２の発明において、
前記物体面から最初の反射面に入射する基準軸光線と前記オフアキシャル反射面から前記ラインセンサーに射出する基準軸光線のなす角度は３０度以上となることを特徴としている。
【００２２】
第１、第２の発明の結像光学系と、前記物体として原稿を載置した原稿台と、ラインセンサーとを備えた画像読取装置であることを特徴としている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の画像読取装置の実施形態１の要部概略図である。
【００２４】
図中、１は光源、２は原稿台ガラス、３ａ、３ｂは第１、第２反射ミラー、４ａは結像光学素子、５はＣＣＤ等で構成されるラインセンサー、６はキャリッジ（筐体）である。
【００２５】
原稿台ガラス２の上に載置された原稿８を反射ミラー３ａ、３ｂを介して結像光学素子４ａによりラインセンサー５上に結像して原稿８の１ラインを読み取ることができる。原稿読み取り装置をコンパクトに構成するために第１、第２反射ミラー３ａ、３ｂにより光路を折り畳んでいる。結像光学素子４ａも光路を折り畳むのに寄与している。結像光学素子４ａを用いることによりキャリッジ一体型光学系の画像読取装置を２枚の平面折り返しミラーと結像光学素子からなる少ない部品で構成することができ、小型化への対応を可能とし、如いては高速読み取りを可能としている。
【００２６】
そして、全ての反射回数Ｎを１０回以下としつつ、オフアキシャル反射面での反射回数ｎの割合を一定値以上にすることでオフアキシャル反射面を有効に扱うことができる。
【００２７】
また、全体の反射率は各面の反射率のＮ乗となり、反射回数Ｎが多くなりすぎると原稿からの光量のロスが大きくなる。そこで、Ｎを１０回以下とすることで反射面による光量の低下を制限している。
【００２８】
本実施形態では全ての反射回数Ｎは９回で、そのうち５回がオフアキシャル反射面で行われているので、原稿面からラインセンサーまでの光路中にある反射面における反射回数をＮとし、オフアキシャル反射面での反射回数をｎとしたときｎ／Ｎ＝０．５６となっている。
【００２９】
これよりもオフアキシャル反射面が減り、平面折り返しミラーが増え、ｎ／Ｎが０．３より小さくなると光路長を折りたたむ以上に平面折り返しミラーが占有する場所が増えコンパクト化にはならず、またオフアキシャル反射面の１面あたりのパワー分担が大きくなり、性能が悪化する問題が発生してしまう。
【００３０】
そして、原稿側に近い反射面に平面折り返しミラーを用いることで、原稿面近傍での面のサイズの大型化に対しても比較的安価にすることができる。
【００３１】
キャリッジ一体型光学系は、ラインセンサーのライン方向（Ｘ方向）に垂直な方向、すなわち副走査方向（Ｙ方向、Ａ方向）に原稿８とキャリッジ６とを相対的に走査することによって原稿８の面を２次元的に読み取っている。オフアキシャル光学系は比較的自由に光路の引き回しができるため、原稿面とラインセンサーの配置が比較的自由に行える。しかしながら、ラインセンサーはそのセンサー部の後ろに基盤等の回路やランセンサーを調整して取り付けるためのさまざまな部材が存在する。このため、原稿面とラインセンサーの配置では原稿面からの基準軸光線とラインセンサーからの基準軸光線は一定の角度（３０度）以上離しておくほうが良く、本実施例では９０度となっている。
【００３２】
また、オフアキシャル反射面での反射回数ｎは、ラインセンサ上での収差を良好とするために、ｎ≧３であることが好ましい。
【００３３】
図２に実施形態１のラインセンサーのライン方向の５点（像高）についての収差図を示す。図中のＸは原稿面上の高さを表す。
【００３４】
本実施形態では、諸収差を良好に補正している。
【００３５】
図３は本発明の画像読取装置の実施形態２の要部概略図である。
【００３６】
実施形態２では、実施形態１と同様に原稿側２面を平面折り返しミラーにしつつ反射回数を実施形態１よりも減らしたものである。これにより、キャリッジ一体型光学系の画像読取装置を２枚の平面折り返しミラーと複数のオフアキシャル反射面を含む結像光学素子からなる少ない部品で構成することができ、小型化への対応を可能とし、更には、反射回数減による光量ロスを減らすことで高速読み取りを可能としている。
【００３７】
本実施形態では、全ての反射回数Ｎは８回で、そのうち６回がオフアキシャル反射面で行われているので、原稿面からラインセンサーまでの光路中にある反射面における反射回数をＮとし、オフアキシャル反射面での反射回数をｎとしたときｎ／Ｎ＝０．７５となっている。
【００３８】
図４は、実施形態２のラインセンサーのライン方向の５点についての収差図を示す。
【００３９】
図５は、本発明の画像読取装置の実施形態３の要部概略図である。
【００４０】
実施形態３では、平面折り返しミラーを１面とし、この平面折り返しミラーを原稿側に最も近い反射面に適用している。これにより、キャリッジ一体型光学系の画像読取装置を１枚の平面折り返しミラーと複数のオフアキシャル反射面を含む結像光学素子からなる少ない部品で構成することができ、小型化への対応を可能とし、更には反射回数減による光量ロスを減らすことで高速読み取りを可能としている。本実施形態では全ての反射回数Ｎは７回で、そのうち６回がオフアキシャル反射面で行われているので、原稿面からラインセンサーまでの光路中にある反射面における反射回数をＮとし、オフアキシャル反射面での反射回数をｎとしたときｎ／Ｎ＝０．８６となっている。
【００４１】
図６は、実施形態３のラインセンサーのライン方向の５点についての収差図を示す。
【００４２】
図７は、本発明の画像読取装置の実施形態４の要部概略図である。
【００４３】
実施形態４では、平面折り返しミラーを無くし、結像光学素子である複数のオフアキシャル反射面だけで構成している。これにより更に少ない部品で構成することができ、小型化への対応を可能とし、更には、反射回数減による光量ロスを減らすことで高速読み取りを可能としている。
【００４４】
本実施形態では全ての反射回数Ｎは６回で、そのうち６回がオフアキシャル反射面で行われているので、原稿面からラインセンサーまでの光路中にある反射面における反射回数をＮとし、オフアキシャル反射面での反射回数をｎとしたときｎ／Ｎ＝１．０となっている。
【００４５】
またこれらの面を筐体上に形成すれば、さらに部品点数を減らすことが可能となる。
【００４６】
図８は実施形態４のラインセンサーのライン方向の５点についての収差図を示す。本発明の複数のオフアキシャル反射面を含む結像光学素子の実施形態の構成および数値の意味を明確にするために、本明細書中で使用のオフアキシャル光学系、及び、その骨組みとなる基準軸について以下のように定義する。
【００４７】
基準軸の定義
一般には物体から像面にいたる基準となる基準波長の光線の光路をその光学系における基準軸と定義する。これだけでは基準となる光線の選び方に曖昧性が残るので、通常は以下に示す２つの原則のいずれかにより基準光線すなわち基準軸を設定する。
◎光学系に部分的にでも対称性を有する軸が存在し、収差を対称性良くとりまとめることができる場合には、その対称性を有する軸上を通る光線を基準光線とする。
◎光学系に一般的に対称軸が存在しない時、あるいは部分的には対称軸が存在しても、収差を対称性良くとりまとめることができる時には、物体面中心（被撮影、被観察範囲の中心）から出る光線のうち、光学系の指定される面の順に光学系を通り、光学系内に定義される絞り中心を通る光線を基準光線として設定する。
【００４８】
このようにして定義される基準軸は、折れ曲がっている形状となる事が一般的である。
【００４９】
オフアキシャル光学系の定義
上記のように定義した基準軸が曲面と交わる点において、面法線が基準軸と一致しない曲面をオフアキシャル曲面と定義し、オフアキシャル曲面を含む光学系をオフアキシャル光学系と定義する。（但し、平面反射面によって基準軸が単純に折れ曲がっている場合も面法線が基準軸と一致しないが、その平面反射面は収差の対称性を損なわないので、オフアキシャル光学系の対象から除外する。）
【００５０】
本発明の実施形態においては、光学系の基準となる基準軸を上記のように設定したが、光学系の基準となる軸の決め方は光学設計上、収差のとりまとめ上、若しくは光学系を構成する各面形状を表現する上で都合の良い軸を採用すれば良い。
【００５１】
しかし、一般的には像面または観察面の中心と、絞りまたは入射瞳または射出瞳または光学系の第１面の中心若しくは最終面の中心のいずれかを通る光線の経路を光学系の基準となる基準軸に設定している。各面の順番は基準軸光線が反射を受ける順番に設定している。
【００５２】
従って、基準軸は設定された各面の順番に沿って反射の法則に従ってその方向を変化させつつ、最終的に像面の中心に到達する。
【００５３】
本発明の各実施形態の光学系を構成するチルト面は基本的に全てが同一面内でチルトしている。そこで、絶対座標系の各軸を以下のように定める（図１１参照）。
Ｚ軸：原点を通り第２面に向かう基準軸
Ｙ軸：原点を通りチルト面内（図１１の紙面内）でＺ軸に対して半時計周りに９０°をなす直線
Ｘ軸：原点を通りＺ，Ｙ各軸に垂直な直線（図１１の紙面に垂直な直線）
【００５４】
また、光学系を構成する第ｉ面の面形状を表すには、絶対座標系にてその面の形状を表記するより、基準軸と第ｉ面が交差する点を原点とするローカル座標系を設定して、ローカル座標系でその面の面形状を表した方が形状を認識する上で理解し易いため、本発明の構成データを表示する実施例では第ｉ面の面形状をローカル座標系で表す。
【００５５】
また、第ｉ面のＹＺ面内でのチルト角は絶対座標系のＺ軸に対して半時計回り方向を正とした角度θｉ（単位°）で表す。よって、本発明の各実施形態では各面のローカル座標の原点は図１１中のＹＺ平面上にある。
【００５６】
また、ＸＺおよびＸＹ面内での面の偏心はない。さらに、第ｉ面のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）のｙ，ｚ軸は絶対座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対してＹＺ面内でも角度θｉ傾いており、具体的には以下のように設定する。
ｚ軸：ローカル座標の原点を通り、絶対座標系のＺ軸方向に対しＹＺ面内において半時計方向に角度θｉをなす直線
ｙ軸：ローカル座標の原点を通り、ｚ方向に対してＹＺ面内において半時計方向に９０°をなす直線
ｘ軸：ローカル座標系の原点を通り、ＹＺ面に対し垂直な直線
【００５７】
また、本発明の実施例における結像光学素子は回転非対称の非球面を有し、その形状は以下の式により示す。
ｚ＝Ｃ０２ｙ２＋Ｃ２０ｘ２＋Ｃ０３ｙ３＋Ｃ２１ｘ２ｙ＋Ｃ０４ｙ４＋Ｃ２２ｘ２ｙ２＋Ｃ４０ｘ４＋Ｃ０５ｙ５＋Ｃ２３ｘ２ｙ３＋Ｃ４１ｘ４ｙ＋Ｃ０６ｙ６＋Ｃ２４ｘ２ｙ４＋Ｃ４２ｘ４ｙ２＋Ｃ６０ｘ６
【００５８】
なお球面は以下の式で表される形状である。
ｚ＝（（ｘ２＋ｙ２）／ｒｉ）／（１＋（１−（ｘ２＋ｙ２）／ｒｉ）１／２）
【００５９】
上記曲面式はｘに関して偶数次の項のみであるため、上記曲面式により規定される曲面はｙｚ面を対称面とする面対称な形状である。さらに以下の条件が満たされる場合はｘｚ面に対して対称な形状を表す。
Ｃ０３＝Ｃ２１＝０
Ｃ０２＝Ｃ２０
Ｃ０４＝Ｃ４０＝Ｃ２２／２
Ｃ０５＝Ｃ２３＝Ｃ４１＝０
Ｃ６０＝Ｃ０６＝Ｃ２４／３＝Ｃ４２／３
が満たされる場合は回転対称な形状を表す。以上の条件を満たさない場合は非回転対称な形状である。
【００６０】
また、光学系の実施形態はすべて共軸光学系ではないため、近軸理論に基づく焦点距離を直接計算することが困難である。そこで以下の定義による換算焦点距離ｆｅｑを用いる。
ｆｅｑ＝ｈ１／ｔａｎ（ａｋ’）
【００６１】
なお、定義上、反射面が奇数個の場合、焦点距離の符号は通常の符号と逆に表現される。
ここに
ｈ１：第１面において基準軸に平行で基準軸に無限に近く入射する光線の入射高さ
ａｋ’：該光線が最終面から射出時に基準軸となす角度
である。
【００６２】
次に、数値実施例において、曲率半径Ｒｉの符号は第１面Ｒ１から結像面に進む１点鎖線で示す基準軸に沿って、曲率中心が第１面Ｒ１側にある場合をマイナス、結像面側にある場合をプラスとする。
【００６３】
また、Ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面間のローカル座標の原点間の間隔を表すスカラー量、Ｎｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面間の媒質の屈折率である。
【００６４】
有効寸法（ｘ＊ｙ）は各面のローカル座標のｘ軸方向とｙ軸方向の有効寸法である。
【００６５】
以下に、上で説明した本発明の実施形態１〜４に対応する数値実施例１〜４について数値データを示す。
【００６６】
【外１】
【００６７】
【外２】
【００６８】
【外３】
【００６９】
【外４】
【００７０】
【外５】
【００７１】
【外６】
【００７２】
【外７】
【００７３】
【外８】
【００７４】
【発明の効果】
本発明によれば、結像光学系をオフアキシャル反射面で構成することで小型で非対称収差の発生が少なく、光学性能が大きく劣化しない結像光学系及び、それを用いた画像読取装置の提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の画像読み取り結像光学系の実施形態１の要部断面図
【図２】本発明の画像読み取り結像光学系の実施形態１の収差図
【図３】本発明の画像読み取り結像光学系の実施形態２の要部断面図
【図４】本発明の画像読み取り結像光学系の実施形態２の収差図
【図５】本発明の画像読み取り結像光学系の実施形態３の要部断面図
【図６】本発明の画像読み取り結像光学系の実施形態３の収差図
【図７】本発明の画像読み取り結像光学系の実施形態４の要部断面図
【図８】本発明の画像読み取り結像光学系の実施形態４の収差図
【図９】従来のキヤリッジ一体型走査光学系の配置例を示す図
【図１０】従来のカラー画像読取装置を説明する要部概略図
【図１１】本発明に係るオフアキシャル光学系の定義を説明する図
【符号の説明】
１ 照明光源
２ 原稿台ガラス
３ａ、３ｂ、３ｃ 反射ミラー
４ 結像光学系
４ａ〜４ｄ 結像光学素子
５ 読み取り手段（ラインセンサー）
６ キャリッジ
７ 副走査モーター
８ 原稿
【発明の属する技術分野】
本発明は、結像光学系及びそれを用いた画像読取装置に関し、特に。各種収差がバランスよく補正され、高解像力を有する小型の複数のオフアキシャル反射面を含む結像光学素子を用いたイメージスキャナーやデジタル複写機やファクシミリ等のラインセンサーを用いたモノクロ画像やカラー画像を読み取る際に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、原稿面上の画像情報を読み取る画像読取装置（イメージスキャナー）として、フラットベッド型のイメージスキャナーが例えば特許文献１で提案されている。
【０００３】
フラットベッド型のイメージスキャナーは結像レンズとラインセンサーを固定し、反射ミラーのみを移動させることによって原稿面をスリット露光走査して、画像情報を読み取っている。
【０００４】
近年、装置の構造の簡略化を図るためミラー、結像レンズ、ラインセンサー等を一体化して原稿面を走査するキャリッジ一体型走査方式が採用される場合が多くなってきた。
【０００５】
図９は、従来のキャリッジ一体型走査方式の画像読取装置の要部外略図を示す。図９において、照明光源１から放射された光束は、直接原稿台２に載置した原稿８を照明し、原稿８からの反射光束を順に第１、第２、第３反射ミラー３ａ、３ｂ、３ｃを介してキャリッジ６内部でその光路を折り曲げ、結像レンズ（結像光学系）４によりラインセンサー５面上に結像させている。そしてキャリッジ６を副走査モーター７により図９に示す矢印Ａ方向（副走査方向）に移動させることにより原稿８の画像情報を読み取っている。図９におけるラインセンサー５は複数の受光素子を１次元方向（主走査方向）に配列した構成により成っている。
【０００６】
図１０は、図９の画像読取装置の基本構成の説明図である。
【０００７】
図中、４は結像光学系、５Ｒ，５Ｇ，５Ｂは各々ラインセンサー５のＲ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）の各色を読み取るラインセンサー、８Ｒ，８Ｇ，８Ｂはラインセンサー５Ｒ，５Ｇ，５Ｂに対応する原稿面上の読み取り範囲である。図９に示す画像読取装置では静止している原稿面をキャリッジ６が走査しているが、キャリッジ走査は、図１０のようにラインセンサー５及び結像レンズ４が静止していて原稿面８が移動することと等価である。原稿面を走査することによってある時間間隔をおいて同一箇所を異なる色で読み取ることができる。前記構成において結像レンズ４が通常の屈折系からなる場合には軸上色収差や倍率色収差が発生するので基準のラインセンサー５Ｇに対しラインセンサー５Ｂ，５Ｒに結像されるライン像にデフォーカスあるいは位置ズレが発生する。したがって各色画像を重ね合わせて再現した時に色にじみやズレの目立つ画像になる。すなわち、高開口、高解像度の性能が要求される場合には要求に対応できなくなる。
【０００８】
一方、最近、非共軸光学系においても、基準軸という概念を導入し構成面を非対称非球面にすることで、十分収差が補正された光学系が構築可能であることが明らかになってきた。例えば特許文献２にその設計方法が、特許文献３、特許文献４にその設計例が示されている。
【０００９】
こうした非共軸光学系はオフアキシャル光学系（像中心と瞳中心を通る光線に沿った基準軸を考えた時、構成面の基準軸との交点における面法線が基準軸上にない曲面（オフアキシャル曲面）を含む光学系として定義される光学系で、この時、基準軸は折れ曲がった形状となる）と呼ばれる。このオフアキシャル光学系は、構成面が一般には非共軸となり、反射面でもケラレが生じることがないため、反射面を使った光学系の構築がし易い。また、光路の引き回しが比較的自由に行える、構成面を一体成型する手法で一体型の光学系を作りやすいという特徴をもっている。
【００１０】
【特許文献１】
特開平３−１１３９６１号公報
【特許文献２】
特開平９−５６５０号公報
【特許文献３】
特開平８−２９２３７１号公報
【特許文献４】
特開平８−２９２３７２号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
一方、デジタル複写機等の画像読取装置は、高解像度、高速性が要求されるため一体型の光学系で構成されるに至っていない。画像読取装置に要求される結像レンズは明るくかつ高解像度を必要とするので光学性能を確保するには画角を大きくするのが難しい。画角が狭いと、その結果、光路長が長くなる。
【００１２】
一方、カラー画像の読み取りを行う場合には高解像度になるにしたがい色収差による色毎の結像位置差、画面内の色ズレ等の色収差が光学性能に悪影響を与える。
【００１３】
一方、画像の読み取りの高速化にしたがい結像光学系の明るさ（Ｆｎｏ及び透過率）をより明るくすることが要求されているが、特にミラーでの反射率はコーティングされた屈折系のレンズの透過率に比べて悪いため、長い光路長を折り畳むために多数のミラーを使った場合に、照明された原稿からの光を効率よくラインセンサーへ導くことができない。
【００１４】
そこで、上記問題点を鑑み、本発明は、結像光学系をオフアキシャル反射面で構成しても非対称収差の発生が少なく、光学性能が大きく劣化しない結像光学系及び、それを用いた画像読取装置の提供であり、特に高速性、高解像度が要求されるデジタル複写機やイメージスキャナー等の画像読取装置において、キャリッジ一体型が容易に実現することができる画像読取装置の提供を目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明の結像光学系は、
物体面の画像情報をラインセンサー上に結像させる結像光学系において、
前記物体面から前記ラインセンサーまでの光路中にある前記複数のオフアキシャル反射面を含む反射面における反射回数をＮとし、前記オフアキシャル反射面での反射回数をｎとしたとき、
Ｎ≦１０ ０．３≦ｎ／Ｎ≦１．０
なる条件式を満足することを特徴としている。
【００１６】
第１の発明において、
前記反射面におけるオフアキシャル反射面以外の平面反射面を最も物体側に近い反射面から用いることを特徴としている。
【００１７】
第１の発明において、
前記物体面から最初の反射面に入射する基準軸光線と前記オフアキシャル反射面から前記ラインセンサーに射出する基準軸光線のなす角度は３０度以上となることを特徴としている。
【００１８】
第１の発明において、
前記オフアキシャル反射面以外の平面反射面と前記オフアキシャル反射面は前記ラインセンサーを保持する筐体上に形成することを特徴としている。
【００１９】
第２の発明の結像光学系は、
物体面の画像情報をラインセンサー上に結像させる結像光学系において、
前記物体面から前記ラインセンサーまでの光路中にある複数の反射面は全て曲率を有することを特徴としている。
【００２０】
第２の発明において、
前記複数の反射面は全てのオフアキシャル反射面で構成されることを特徴としている。
【００２１】
第２の発明において、
前記物体面から最初の反射面に入射する基準軸光線と前記オフアキシャル反射面から前記ラインセンサーに射出する基準軸光線のなす角度は３０度以上となることを特徴としている。
【００２２】
第１、第２の発明の結像光学系と、前記物体として原稿を載置した原稿台と、ラインセンサーとを備えた画像読取装置であることを特徴としている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の画像読取装置の実施形態１の要部概略図である。
【００２４】
図中、１は光源、２は原稿台ガラス、３ａ、３ｂは第１、第２反射ミラー、４ａは結像光学素子、５はＣＣＤ等で構成されるラインセンサー、６はキャリッジ（筐体）である。
【００２５】
原稿台ガラス２の上に載置された原稿８を反射ミラー３ａ、３ｂを介して結像光学素子４ａによりラインセンサー５上に結像して原稿８の１ラインを読み取ることができる。原稿読み取り装置をコンパクトに構成するために第１、第２反射ミラー３ａ、３ｂにより光路を折り畳んでいる。結像光学素子４ａも光路を折り畳むのに寄与している。結像光学素子４ａを用いることによりキャリッジ一体型光学系の画像読取装置を２枚の平面折り返しミラーと結像光学素子からなる少ない部品で構成することができ、小型化への対応を可能とし、如いては高速読み取りを可能としている。
【００２６】
そして、全ての反射回数Ｎを１０回以下としつつ、オフアキシャル反射面での反射回数ｎの割合を一定値以上にすることでオフアキシャル反射面を有効に扱うことができる。
【００２７】
また、全体の反射率は各面の反射率のＮ乗となり、反射回数Ｎが多くなりすぎると原稿からの光量のロスが大きくなる。そこで、Ｎを１０回以下とすることで反射面による光量の低下を制限している。
【００２８】
本実施形態では全ての反射回数Ｎは９回で、そのうち５回がオフアキシャル反射面で行われているので、原稿面からラインセンサーまでの光路中にある反射面における反射回数をＮとし、オフアキシャル反射面での反射回数をｎとしたときｎ／Ｎ＝０．５６となっている。
【００２９】
これよりもオフアキシャル反射面が減り、平面折り返しミラーが増え、ｎ／Ｎが０．３より小さくなると光路長を折りたたむ以上に平面折り返しミラーが占有する場所が増えコンパクト化にはならず、またオフアキシャル反射面の１面あたりのパワー分担が大きくなり、性能が悪化する問題が発生してしまう。
【００３０】
そして、原稿側に近い反射面に平面折り返しミラーを用いることで、原稿面近傍での面のサイズの大型化に対しても比較的安価にすることができる。
【００３１】
キャリッジ一体型光学系は、ラインセンサーのライン方向（Ｘ方向）に垂直な方向、すなわち副走査方向（Ｙ方向、Ａ方向）に原稿８とキャリッジ６とを相対的に走査することによって原稿８の面を２次元的に読み取っている。オフアキシャル光学系は比較的自由に光路の引き回しができるため、原稿面とラインセンサーの配置が比較的自由に行える。しかしながら、ラインセンサーはそのセンサー部の後ろに基盤等の回路やランセンサーを調整して取り付けるためのさまざまな部材が存在する。このため、原稿面とラインセンサーの配置では原稿面からの基準軸光線とラインセンサーからの基準軸光線は一定の角度（３０度）以上離しておくほうが良く、本実施例では９０度となっている。
【００３２】
また、オフアキシャル反射面での反射回数ｎは、ラインセンサ上での収差を良好とするために、ｎ≧３であることが好ましい。
【００３３】
図２に実施形態１のラインセンサーのライン方向の５点（像高）についての収差図を示す。図中のＸは原稿面上の高さを表す。
【００３４】
本実施形態では、諸収差を良好に補正している。
【００３５】
図３は本発明の画像読取装置の実施形態２の要部概略図である。
【００３６】
実施形態２では、実施形態１と同様に原稿側２面を平面折り返しミラーにしつつ反射回数を実施形態１よりも減らしたものである。これにより、キャリッジ一体型光学系の画像読取装置を２枚の平面折り返しミラーと複数のオフアキシャル反射面を含む結像光学素子からなる少ない部品で構成することができ、小型化への対応を可能とし、更には、反射回数減による光量ロスを減らすことで高速読み取りを可能としている。
【００３７】
本実施形態では、全ての反射回数Ｎは８回で、そのうち６回がオフアキシャル反射面で行われているので、原稿面からラインセンサーまでの光路中にある反射面における反射回数をＮとし、オフアキシャル反射面での反射回数をｎとしたときｎ／Ｎ＝０．７５となっている。
【００３８】
図４は、実施形態２のラインセンサーのライン方向の５点についての収差図を示す。
【００３９】
図５は、本発明の画像読取装置の実施形態３の要部概略図である。
【００４０】
実施形態３では、平面折り返しミラーを１面とし、この平面折り返しミラーを原稿側に最も近い反射面に適用している。これにより、キャリッジ一体型光学系の画像読取装置を１枚の平面折り返しミラーと複数のオフアキシャル反射面を含む結像光学素子からなる少ない部品で構成することができ、小型化への対応を可能とし、更には反射回数減による光量ロスを減らすことで高速読み取りを可能としている。本実施形態では全ての反射回数Ｎは７回で、そのうち６回がオフアキシャル反射面で行われているので、原稿面からラインセンサーまでの光路中にある反射面における反射回数をＮとし、オフアキシャル反射面での反射回数をｎとしたときｎ／Ｎ＝０．８６となっている。
【００４１】
図６は、実施形態３のラインセンサーのライン方向の５点についての収差図を示す。
【００４２】
図７は、本発明の画像読取装置の実施形態４の要部概略図である。
【００４３】
実施形態４では、平面折り返しミラーを無くし、結像光学素子である複数のオフアキシャル反射面だけで構成している。これにより更に少ない部品で構成することができ、小型化への対応を可能とし、更には、反射回数減による光量ロスを減らすことで高速読み取りを可能としている。
【００４４】
本実施形態では全ての反射回数Ｎは６回で、そのうち６回がオフアキシャル反射面で行われているので、原稿面からラインセンサーまでの光路中にある反射面における反射回数をＮとし、オフアキシャル反射面での反射回数をｎとしたときｎ／Ｎ＝１．０となっている。
【００４５】
またこれらの面を筐体上に形成すれば、さらに部品点数を減らすことが可能となる。
【００４６】
図８は実施形態４のラインセンサーのライン方向の５点についての収差図を示す。本発明の複数のオフアキシャル反射面を含む結像光学素子の実施形態の構成および数値の意味を明確にするために、本明細書中で使用のオフアキシャル光学系、及び、その骨組みとなる基準軸について以下のように定義する。
【００４７】
基準軸の定義
一般には物体から像面にいたる基準となる基準波長の光線の光路をその光学系における基準軸と定義する。これだけでは基準となる光線の選び方に曖昧性が残るので、通常は以下に示す２つの原則のいずれかにより基準光線すなわち基準軸を設定する。
◎光学系に部分的にでも対称性を有する軸が存在し、収差を対称性良くとりまとめることができる場合には、その対称性を有する軸上を通る光線を基準光線とする。
◎光学系に一般的に対称軸が存在しない時、あるいは部分的には対称軸が存在しても、収差を対称性良くとりまとめることができる時には、物体面中心（被撮影、被観察範囲の中心）から出る光線のうち、光学系の指定される面の順に光学系を通り、光学系内に定義される絞り中心を通る光線を基準光線として設定する。
【００４８】
このようにして定義される基準軸は、折れ曲がっている形状となる事が一般的である。
【００４９】
オフアキシャル光学系の定義
上記のように定義した基準軸が曲面と交わる点において、面法線が基準軸と一致しない曲面をオフアキシャル曲面と定義し、オフアキシャル曲面を含む光学系をオフアキシャル光学系と定義する。（但し、平面反射面によって基準軸が単純に折れ曲がっている場合も面法線が基準軸と一致しないが、その平面反射面は収差の対称性を損なわないので、オフアキシャル光学系の対象から除外する。）
【００５０】
本発明の実施形態においては、光学系の基準となる基準軸を上記のように設定したが、光学系の基準となる軸の決め方は光学設計上、収差のとりまとめ上、若しくは光学系を構成する各面形状を表現する上で都合の良い軸を採用すれば良い。
【００５１】
しかし、一般的には像面または観察面の中心と、絞りまたは入射瞳または射出瞳または光学系の第１面の中心若しくは最終面の中心のいずれかを通る光線の経路を光学系の基準となる基準軸に設定している。各面の順番は基準軸光線が反射を受ける順番に設定している。
【００５２】
従って、基準軸は設定された各面の順番に沿って反射の法則に従ってその方向を変化させつつ、最終的に像面の中心に到達する。
【００５３】
本発明の各実施形態の光学系を構成するチルト面は基本的に全てが同一面内でチルトしている。そこで、絶対座標系の各軸を以下のように定める（図１１参照）。
Ｚ軸：原点を通り第２面に向かう基準軸
Ｙ軸：原点を通りチルト面内（図１１の紙面内）でＺ軸に対して半時計周りに９０°をなす直線
Ｘ軸：原点を通りＺ，Ｙ各軸に垂直な直線（図１１の紙面に垂直な直線）
【００５４】
また、光学系を構成する第ｉ面の面形状を表すには、絶対座標系にてその面の形状を表記するより、基準軸と第ｉ面が交差する点を原点とするローカル座標系を設定して、ローカル座標系でその面の面形状を表した方が形状を認識する上で理解し易いため、本発明の構成データを表示する実施例では第ｉ面の面形状をローカル座標系で表す。
【００５５】
また、第ｉ面のＹＺ面内でのチルト角は絶対座標系のＺ軸に対して半時計回り方向を正とした角度θｉ（単位°）で表す。よって、本発明の各実施形態では各面のローカル座標の原点は図１１中のＹＺ平面上にある。
【００５６】
また、ＸＺおよびＸＹ面内での面の偏心はない。さらに、第ｉ面のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）のｙ，ｚ軸は絶対座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対してＹＺ面内でも角度θｉ傾いており、具体的には以下のように設定する。
ｚ軸：ローカル座標の原点を通り、絶対座標系のＺ軸方向に対しＹＺ面内において半時計方向に角度θｉをなす直線
ｙ軸：ローカル座標の原点を通り、ｚ方向に対してＹＺ面内において半時計方向に９０°をなす直線
ｘ軸：ローカル座標系の原点を通り、ＹＺ面に対し垂直な直線
【００５７】
また、本発明の実施例における結像光学素子は回転非対称の非球面を有し、その形状は以下の式により示す。
ｚ＝Ｃ０２ｙ２＋Ｃ２０ｘ２＋Ｃ０３ｙ３＋Ｃ２１ｘ２ｙ＋Ｃ０４ｙ４＋Ｃ２２ｘ２ｙ２＋Ｃ４０ｘ４＋Ｃ０５ｙ５＋Ｃ２３ｘ２ｙ３＋Ｃ４１ｘ４ｙ＋Ｃ０６ｙ６＋Ｃ２４ｘ２ｙ４＋Ｃ４２ｘ４ｙ２＋Ｃ６０ｘ６
【００５８】
なお球面は以下の式で表される形状である。
ｚ＝（（ｘ２＋ｙ２）／ｒｉ）／（１＋（１−（ｘ２＋ｙ２）／ｒｉ）１／２）
【００５９】
上記曲面式はｘに関して偶数次の項のみであるため、上記曲面式により規定される曲面はｙｚ面を対称面とする面対称な形状である。さらに以下の条件が満たされる場合はｘｚ面に対して対称な形状を表す。
Ｃ０３＝Ｃ２１＝０
Ｃ０２＝Ｃ２０
Ｃ０４＝Ｃ４０＝Ｃ２２／２
Ｃ０５＝Ｃ２３＝Ｃ４１＝０
Ｃ６０＝Ｃ０６＝Ｃ２４／３＝Ｃ４２／３
が満たされる場合は回転対称な形状を表す。以上の条件を満たさない場合は非回転対称な形状である。
【００６０】
また、光学系の実施形態はすべて共軸光学系ではないため、近軸理論に基づく焦点距離を直接計算することが困難である。そこで以下の定義による換算焦点距離ｆｅｑを用いる。
ｆｅｑ＝ｈ１／ｔａｎ（ａｋ’）
【００６１】
なお、定義上、反射面が奇数個の場合、焦点距離の符号は通常の符号と逆に表現される。
ここに
ｈ１：第１面において基準軸に平行で基準軸に無限に近く入射する光線の入射高さ
ａｋ’：該光線が最終面から射出時に基準軸となす角度
である。
【００６２】
次に、数値実施例において、曲率半径Ｒｉの符号は第１面Ｒ１から結像面に進む１点鎖線で示す基準軸に沿って、曲率中心が第１面Ｒ１側にある場合をマイナス、結像面側にある場合をプラスとする。
【００６３】
また、Ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面間のローカル座標の原点間の間隔を表すスカラー量、Ｎｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面間の媒質の屈折率である。
【００６４】
有効寸法（ｘ＊ｙ）は各面のローカル座標のｘ軸方向とｙ軸方向の有効寸法である。
【００６５】
以下に、上で説明した本発明の実施形態１〜４に対応する数値実施例１〜４について数値データを示す。
【００６６】
【外１】
【外２】
【外３】
【外４】
【外５】
【外６】
【外７】
【外８】
【発明の効果】
本発明によれば、結像光学系をオフアキシャル反射面で構成することで小型で非対称収差の発生が少なく、光学性能が大きく劣化しない結像光学系及び、それを用いた画像読取装置の提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の画像読み取り結像光学系の実施形態１の要部断面図
【図２】本発明の画像読み取り結像光学系の実施形態１の収差図
【図３】本発明の画像読み取り結像光学系の実施形態２の要部断面図
【図４】本発明の画像読み取り結像光学系の実施形態２の収差図
【図５】本発明の画像読み取り結像光学系の実施形態３の要部断面図
【図６】本発明の画像読み取り結像光学系の実施形態３の収差図
【図７】本発明の画像読み取り結像光学系の実施形態４の要部断面図
【図８】本発明の画像読み取り結像光学系の実施形態４の収差図
【図９】従来のキヤリッジ一体型走査光学系の配置例を示す図
【図１０】従来のカラー画像読取装置を説明する要部概略図
【図１１】本発明に係るオフアキシャル光学系の定義を説明する図
【符号の説明】
１ 照明光源
２ 原稿台ガラス
３ａ、３ｂ、３ｃ 反射ミラー
４ 結像光学系
４ａ〜４ｄ 結像光学素子
５ 読み取り手段（ラインセンサー）
６ キャリッジ
７ 副走査モーター
８ 原稿
Claims (1)
- 物体面の画像情報をラインセンサー上に結像させる結像光学系において、
前記物体面から前記ラインセンサーまでの光路中にある前記複数のオフアキシャル反射面を含む反射面における反射回数をＮとし、前記オフアキシャル反射面での反射回数をｎとしたとき、
Ｎ≦１０
０．３≦ｎ／Ｎ≦１．０
なる条件式を満足することを特徴とする結像光学系。
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