JP2008158414A - 結像光学系及びそれを用いた画像読取装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 路長が短く全系がコンパクトであり、かつ良好なる光学性能を有し、またバックフォーカスの長い結像光学系及びそれを用いた画像読取装置を得ること。
【解決手段】 原稿O面上の画像情報を、撮像素子LS面上に結像させ、該撮像素子で得られる信号より該画像情報を読取る為の結像光学系4であって、該結像光学系は、基準軸に対して主走査方向に対称で、かつ副走査方向に非対称なオフアキシャル反射面からなる4つのオフアキシャル光学素子4a、4b、4c、4dを有し、該4つのオフアキシャル光学素子のうち、光学的に原稿側に近い2つのオフアキシャル光学素子の主走査方向の合成のパワーをMf、光学的に撮像素子側に近い2つのオフアキシャル光学素子の主走査方向の合成のパワーをMrとするとき
−0.3<Mf/Mr<0.3
なる条件を満足すること。
【選択図】 図1
【解決手段】 原稿O面上の画像情報を、撮像素子LS面上に結像させ、該撮像素子で得られる信号より該画像情報を読取る為の結像光学系4であって、該結像光学系は、基準軸に対して主走査方向に対称で、かつ副走査方向に非対称なオフアキシャル反射面からなる4つのオフアキシャル光学素子4a、4b、4c、4dを有し、該4つのオフアキシャル光学素子のうち、光学的に原稿側に近い2つのオフアキシャル光学素子の主走査方向の合成のパワーをMf、光学的に撮像素子側に近い2つのオフアキシャル光学素子の主走査方向の合成のパワーをMrとするとき
−0.3<Mf/Mr<0.3
なる条件を満足すること。
【選択図】 図1
Description
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するものである。特に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において、ラインセンサー(撮像素子)からの信号を用いてモノクロ画像やカラー画像等の画像情報を読み取る際に好適なものである。
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、フラットベット型のイメージスキャナーが種々と提案されている(特許文献1参照)。
フラットベッド型のイメージスキャナーでは結像レンズ(結像光学系)とラインセンサー(CCD)を固定し、光路中に設けた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、画像情報を読み取る所謂2対1ミラー走査方式を用いている。
近年では、装置の構造の簡略化を図るため反射ミラー、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を採用する場合が多くなってきている。
図7は従来のキャリッジ一体型走査方式を用いた画像読取装置の要部概略図である。同図において照明光源81から放射された光束は直接原稿台(原稿台ガラス)82に載置した原稿87を照明している。そして照明された原稿87からの反射光束を順に第1、第2、第3の反射ミラー83a,83b,83cを介してキャリッジ86内部でその光路を折り曲げ、結像レンズ(結像光学系)84によりラインセンサー(撮像素子)85面上に結像させている。
そしてキャリッジ86を駆動モーター88により図7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87の画像情報を読み取っている。図7におけるラインセンサー85は複数の受光素子を1次元方向で紙面垂直方向(主走査方向)に配列した構成により成り立っている。
図8は図7の画像読取装置の結像光学系の基本構成の説明図である。
図8において、84は結像レンズである。85はラインセンサー群であり、R(赤色),G(緑色),B(青色)の各色を読み取るラインセンサー85R,85G,85Bを有している。87R,87G,87Bは各々ラインセンサー85R,85G,85Bに対応する原稿87面上の読み取り範囲である。原稿87面を副走査方向に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ラインセンサー85R,85G,85Bで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84が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85Gに対しラインセンサー85B,85R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。このときの色にじみや色ズレは開口、解像度の高い光学性能が要求される場合には許容できなくなる。
一方最近、非共軸光学系において、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、収差が調整された光学系が構築可能であることが種々と提案されている(特許文献2参照)。
特許文献2には、その設計方法が示されている。
また、より簡易な構成の結像光学系として、少枚数の自由曲面ミラーより構成した結像光学系が種々と提案されている(特許文献3参照)。
こうした非共軸光学系はオフアキシャル光学系と呼ばれる。オフアキシャル光学系は像中心と瞳中心を通る光線に沿った基準軸を考えたとき、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。このとき、基準軸は折れ曲がった形状となる。
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ないため、反射面を使った光学系の構築がし易い。
また反射面のみから構成されるオフアキシャル光学系は、色収差が発生しないという特徴があり、これは従来の屈折光学系のような色にじみやズレがなく、開口、解像度の高い要求にも対応できる。
特開平3−113961号公報
特開平8−292371号公報
特開2004−133378号公報
特許文献3で開示されたオフアキシャル光学系を用いた画像読取装置では、前述した特徴があるが、以下に示す課題がある。
オフアキシャル光学系においては、基準軸が折れ曲がっているため、従来の回転対称共軸系と比べて、実質的なバックフォーカスが短くなってくる。そうすると小さな空間内で撮像素子を取り付けなくてはならず、撮像素子の組み付け調整が困難になってくる。
一方、光学性能を良好にしようとすると光路長が長くなって光学系が大型化してくる。そうすると結像光学系をキャリッジ一体型の画像読取装置の小さな空間に収納するのが難しくなってくる。
また、最近CCDがより小型化されている。それに伴って結像光学系は結像倍率が高いことが要望されている。結像光学系においては、原稿面の読取位置から像面までの光路長(TC長)は、それを包含するキャリッジのメカ部品によって制限される。光路長を一定としたとき結像光学系の倍率を高倍率にするには結像光学系の焦点距離及びバックフォーカスを短縮する必要がある。バックフォーカスが短いと撮像素子の配置が難しくなってくる。
バックフォーカスが短いオフアキシャル光学系において、高倍率にするには光路長を長くする必要があり、光路長が一定のままでの高倍率化が難しい。光路長が長くなると全系が大型化してくる。光路長を短くし、結像光学系を小型にしつつ結像光学系の倍率を高倍率にすることは大変困難である。
本発明は光路長が短く全系がコンパクトであり、かつ良好なる光学性能を有し、またバックフォーカスの長い結像光学系及びそれを用いた画像読取装置の提供を目的とする。
請求項1の発明の結像光学系は、
原稿面上の画像情報を、撮像素子面上に結像させ、該撮像素子で得られる信号より該画像情報を読取る為の結像光学系であって、
該結像光学系は、基準軸に対して主走査方向に対称で、かつ副走査方向に非対称なオフアキシャル反射面からなる4つのオフアキシャル光学素子を有し、
該4つのオフアキシャル光学素子のうち、光学的に原稿側に近い2つのオフアキシャル光学素子の主走査方向の合成のパワーをMf、光学的に撮像素子側に近い2つのオフアキシャル光学素子の主走査方向の合成のパワーをMrとするとき
−0.3<Mf/Mr<0.3
なる条件を満足することを特徴としている。
原稿面上の画像情報を、撮像素子面上に結像させ、該撮像素子で得られる信号より該画像情報を読取る為の結像光学系であって、
該結像光学系は、基準軸に対して主走査方向に対称で、かつ副走査方向に非対称なオフアキシャル反射面からなる4つのオフアキシャル光学素子を有し、
該4つのオフアキシャル光学素子のうち、光学的に原稿側に近い2つのオフアキシャル光学素子の主走査方向の合成のパワーをMf、光学的に撮像素子側に近い2つのオフアキシャル光学素子の主走査方向の合成のパワーをMrとするとき
−0.3<Mf/Mr<0.3
なる条件を満足することを特徴としている。
請求項2の発明は請求項1の発明において、
前記4つのオフアキシャル光学素子のうち、光学的に原稿側に近い2つのオフアキシャル光学素子の副走査方向の合成のパワーをSf、光学的に撮像素子側に近い2つのオフアキシャル光学素子の副走査方向の合成のパワーをSrとするとき
0.1<Sf/Sr<0.5
なる条件を満足することを特徴としている。
前記4つのオフアキシャル光学素子のうち、光学的に原稿側に近い2つのオフアキシャル光学素子の副走査方向の合成のパワーをSf、光学的に撮像素子側に近い2つのオフアキシャル光学素子の副走査方向の合成のパワーをSrとするとき
0.1<Sf/Sr<0.5
なる条件を満足することを特徴としている。
請求項3の発明は請求項1又は2の発明において、
前記結像光学系の主走査方向のパワーをMt、前記4つのオフアキシャル光学素子のうち、光学的に原稿側に近い2つのオフアキシャル光学素子の主走査方向の合成のパワーをMfとするとき
−0.3<Mf/Mt<0.3
なる条件を満足することを特徴としている。
前記結像光学系の主走査方向のパワーをMt、前記4つのオフアキシャル光学素子のうち、光学的に原稿側に近い2つのオフアキシャル光学素子の主走査方向の合成のパワーをMfとするとき
−0.3<Mf/Mt<0.3
なる条件を満足することを特徴としている。
請求項4の発明は請求項1から3のいずれか1項の発明において、
前記結像光学系の副走査方向のパワーをSt、前記4つのオフアキシャル光学素子のうち、光学的に原稿側に近い2つのオフアキシャル光学素子の副走査方向の合成のパワーをSf、光学的に撮像素子側に近い2つのオフアキシャル光学素子の副走査方向の合成のパワーをSrとするとき
0<Sf/St<0.6
1.1<Sr/St<1.6
なる条件を満足することを特徴としている。
前記結像光学系の副走査方向のパワーをSt、前記4つのオフアキシャル光学素子のうち、光学的に原稿側に近い2つのオフアキシャル光学素子の副走査方向の合成のパワーをSf、光学的に撮像素子側に近い2つのオフアキシャル光学素子の副走査方向の合成のパワーをSrとするとき
0<Sf/St<0.6
1.1<Sr/St<1.6
なる条件を満足することを特徴としている。
請求項5の発明は請求項1から4のいずれか発明において、
前記結像光学系は、前記原稿面から光学的に最も原稿面側に近いオフアキシャル光学素子のオフアキシャル反射面までの基準軸の長さをLo(mm)、光学的に最も原稿面側に近いオフアキシャル光学素子のオフアキシャル反射面から前記撮像素子面までの基準軸の長さをLb(mm)とするとき、
0.07<Lb/Lo<0.25
Lo<400mm
なる条件を満足することを特徴としている。
前記結像光学系は、前記原稿面から光学的に最も原稿面側に近いオフアキシャル光学素子のオフアキシャル反射面までの基準軸の長さをLo(mm)、光学的に最も原稿面側に近いオフアキシャル光学素子のオフアキシャル反射面から前記撮像素子面までの基準軸の長さをLb(mm)とするとき、
0.07<Lb/Lo<0.25
Lo<400mm
なる条件を満足することを特徴としている。
請求項6の発明の画像読取装置は、
請求項1から5のいずれか1項に記載の結像光学系と、前記原稿を載置する原稿台と、前記撮像素子を備え、
該原稿を載置する原稿台面上の画像情報を該撮像素子上に結像させ、該原稿と該撮像素子とを相対的に移動することで、該撮像素子で得られる信号より該画像情報を読取ることを特徴としている。
請求項1から5のいずれか1項に記載の結像光学系と、前記原稿を載置する原稿台と、前記撮像素子を備え、
該原稿を載置する原稿台面上の画像情報を該撮像素子上に結像させ、該原稿と該撮像素子とを相対的に移動することで、該撮像素子で得られる信号より該画像情報を読取ることを特徴としている。
本発明によれば光路長が短く全系がコンパクトであり、かつ良好なる光学性能を有し、またバックフォーカスの長い結像光学系及びそれを用いた画像読取装置を達成することができる。
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
本発明の結像光学系の実施例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。
[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つまり基準軸を設定する。
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つまり基準軸を設定する。
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ない。その時には、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。
基準光線に沿った部材間の距離を基準光線軸の距離(長さ)という。
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。
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。)
本発明の実施例においては、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、も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。
本発明の実施例においては、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、も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。
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。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。
本発明の各実施例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。
Z軸:原点を通り第1面に向かう基準軸
Y軸:原点を通りチルト面内で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
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。そのため、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。
Y軸:原点を通りチルト面内で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
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。そのため、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。
また、第i面のYZ面内でのチルト角は絶対座標系のZ軸に対して反時計回り方向を正とした角度θi(単位°)で表す。
よって、本発明の各実施例では各面のローカル座標の原点はYZ平面上にある。
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軸方向に対して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
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。
y軸:ローカル座標の原点を通り、z軸方向に対して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
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。
なお球面は以下の式で表される形状である。
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。
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。
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。また、数値実施例において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。
図1は本発明の結像光学系(オフアキシャル光学系)をカラー画像またはモノクロ画像を読み取る画像読取装置に適用したときの実施例1の副走査断面(YZ面)内の要部概略図である。
図2Aは本発明の実施例1の光路を一部展開したときのYZ面(副走査断面)内での全体の構成を示す要部断面図である。図2Bは本発明の実施例1の光路を一部展開したときのXZ面(主走査断面)内での全体の構成を示す要部断面図である。
図中、Lは光源(照明手段)であり、蛍光灯やキセノンランプから成っている。CGは原稿台(原稿台ガラス)であり、その原稿台面上に原稿(モノクロ画像もしくはカラー画像)Oが載置されている。M1,M2.M3は各々順に第1、第2、第3の反射ミラー(平面ミラー)である。
4は画像読取用の結像光学系(オフアキシャル光学系)であり、原稿面上の画像情報を読み取る為に用いている。結像光学系4は、原稿Oの画像情報に基づく光束を後述する撮像素子面上(ラインセンサー(CCD)LS面上)に結像させている。
本実施例における結像光学系4は基準軸に対し主走査方向に対称で、副走査方向に非対称な4つの自由曲面反射面(オフアキシャル反射面)R1、R2,R3、R4から成る第1、第2、第3、第4のオフアキシャル光学素子4a,4b,4c、4dより成っている。
SPは絞りであり、第2のオフアキシャル反射面R2と第3のオフアキシャル反射面R3との間に配置されている。
Laは物体中心から出射し、絞りSPの中心を通過する基準光線である。
LSはCCDで構成されるラインセンサー(撮像素子)であり、像面に相当する位置に配置されている。
ここでラインセンサーLSの画素(センサー)の並び方向(紙面と垂直方向、X方向)が主走査方向(主走査断面、XZ面)、それに直交する方向(紙面内方向、Y方向)が副走査方向(副走査断面、YZ面)である。
Cは移動可能なキャリッジ(筐体)であり、各部材L,M1,M2.M3,4,LSを収納している。
AFは光学的に最も像面(撮像素子が置かれる位置)LS側に近いオフアキシャル反射面R4から像面LSまで距離である。この距離AFは、回転対称共軸系でのバックフォーカスに相当する。
BFは光学的に最も像面LS側に近いオフアキシャル反射面R4から像面LSに向かう光路中(光軸)において、光軸に対して垂直で、かつ他のオフアキシャル反射面(図2Aでは面R1)の一部を含む断面から像面LSまでの距離の最小値である。この距離BFは上述した如くオフアキシャル光学系での実質的なバックフォーカスとなる。本実施例では、このバックフォーカスBFが長くなるように各面R1からR4のパワーを設定している。
尚、本明細書において、「光学的に」とは、「原稿から光が出射して進む方向において」という意味である。
本実施例においては照明手段Lから発した光束で原稿台CGの上に載置された原稿(物体)Oを照明し、該原稿Oからの光束を第1、第2、第3の反射ミラーM1,M2.M3を介して結像光学系4によりラインセンサーLS上に結像している。そして原稿OとキャリッジCとの相対的位置を副走査方向(矢印A方向)に変えて原稿Oを2次元的に読み取っている。
本実施例においては画像読取装置をコンパクトに構成するために第1、第2、第3の反射ミラーM1,M2.M3により光路を折り畳んでいる。結像光学系4は表面反射面で構成されるため色収差は発生せず、広画角化が容易となる。よって結像光学系4から原稿Oまでの距離を短縮することになり、キャリッジ一体型光学系の画像読取装置を3枚の平面ミラーと結像光学系4からなる少ない光学部品で構成することができる。
本実施例における各オフアキシャル反射面R1、R2、R3、R4はラインセンサーLSのセンサーが配列されている方向(X方向)のラインと垂直な方向(Y方向)の断面、つまり副走査断面(YZ断面)内で光路を折り曲げる構成をとっている。
また各オフアキシャル反射面R1、R2、R3、R4は上記の如く各々主走査方向に対称であり、副走査方向に非対称な自由曲面反射面で構成している。これにより本実施例では偏心による非対称収差および各種収差の良好な調整を行なっている。
本実施例において光学的に原稿O側に近い2つの第1、第2のオフアキシャル光学素子4a、4bの主走査方向の合成のパワーをMfとする。また光学的にラインセンサーLS側(撮像素子側)に近い2つの第3、第4のオフアキシャル光学素子4c,4dの主走査方向の合成のパワーをMrとする。このとき
−0.3<Mf/Mr<0.3 ‥‥‥(1)
なる条件を満足するように設定している。
−0.3<Mf/Mr<0.3 ‥‥‥(1)
なる条件を満足するように設定している。
本実施例では上記条件式(1)を満足させることにより、光路長の短いコンパクトな画像読取装置を得ている。さらに良好なる光学性能で、オフアキシャル光学系における実質上のバックフォーカスの長い結像光学系を得ている。
また、本実施例において、さらに望ましくは、以下の条件式(2)〜(7)のうち1以上を満足するのが良い。
すなわち、本実施例において光学的に原稿O側に近い2つの第1、第2のオフアキシャル光学素子4a、4bの副走査方向の合成のパワーをSfとする。また光学的にラインセンサーLS側(撮像素子側)に近い2つの第3、第4のオフアキシャル光学素子4c,4dの副走査方向の合成のパワーをSrとする。このとき
0.1<Sf/Sr<0.5 ‥‥‥(2)
なる条件を満足するように設定している。
0.1<Sf/Sr<0.5 ‥‥‥(2)
なる条件を満足するように設定している。
また結像光学系4の主走査方向のパワーをMt、光学的に原稿O側に近い2つのオフアキシャル光学素子4a,4bの主走査方向の合成のパワーをMfとする。。このとき
−0.3<Mf/Mt<0.3 ‥‥‥(3)
なる条件を満足するように設定している。
−0.3<Mf/Mt<0.3 ‥‥‥(3)
なる条件を満足するように設定している。
また結像光学系4の副走査方向のパワーをSt、光学的に原稿O側に近い2つのオフアキシャル光学素子4a,4bの副走査方向の合成のパワーをSfとする。また光学的にラインセンサーLS側(撮像素子側)に近い2つのオフアキシャル光学素子4c,4dの副走査方向の合成のパワーをSrとする。このとき
0<Sf/St<0.6 ‥‥‥(4)
1.1<Sr/St<1.6 ‥‥‥(5)
なる条件を満足するように設定している。
0<Sf/St<0.6 ‥‥‥(4)
1.1<Sr/St<1.6 ‥‥‥(5)
なる条件を満足するように設定している。
また本実施例において結像光学系4は、原稿面Oから第1のオフアキシャル光学素子4aのオフアキシャル反射面R1までの基準光軸の長さをLo(mm)とする。また光学的に最も原稿面O側に近いオフアキシャル反射面R1からラインセンサーLS面(撮像素子面)までの基準光軸の長さをLb(mm)とする。このとき、
0.07<Lb/Lo<0.25 ‥‥‥(6)
Lo<400mm ‥‥‥(7)
なる条件を満足するように設定している。
0.07<Lb/Lo<0.25 ‥‥‥(6)
Lo<400mm ‥‥‥(7)
なる条件を満足するように設定している。
次に条件式(1)〜(7)の技術的な意味について説明する。
条件式(1)は結像光学系の系全体のパワー配置について、主走査方向のパワー配置に関するものであり、絞りSPを挟んだ原稿面側の面の合成パワーと、像面(ラインセンサーLS)側の面の合成パワーとの比率に関するものである。以下説明のために、絞りSPより原稿面O側の反射面を前群、絞りSPより像面側の反射面を後群とする。
条件式(1)の下限値を超えると、前群の主走査方向の合成パワーMfが後群の主走査方向の合成パワーMrに対して負の方向に大きくなってしまい、光学系の光路長が長くなってしまう。その結果、キャリッジ一体型に用いるようなコンパクトな光学系を達成するのが難しい。また、後群の合成パワーの絶対値が大きくなることで、そこで発生する収差の補正がより困難になる。
逆に条件式(1)の上限値を超えると前群の主走査方向の合成パワーMfが後群の主走査方向の合成パワーMrに対して正の方向に大きくなってしまい光学系のバックフォーカスつまりオフアキシャル光学系における実質的なバックフォーカスが短くなってしまう。その結果、CCDやCCD保持部材による光線のケラレが生じやすく、また組み付けが困難になる。
条件式(1)を満足することで、光路長が短くコンパクトで、かつバックフォーカスの長い、組み付け容易な結像光学系が達成できる。またこの条件式(1)を満足することで各種収差が抑えやすくなり、光路長とバックフォーカスのバランスのとれた結像光学系を達成できる。
条件式(2)は結像光学系の系全体のパワー配置について、偏心のある副走査方向のパワー配置に関するもので、絞りSPを挟んだ原稿面側の面の合成パワーと、像面側の面の合成パワーとの比率に関するものである。
条件式(2)の下限値を超えて、後群の副走査方向の合成パワーSrが全系の副走査方向の合成パワーに対して大きくなると、後群により発生する各種収差の調整が困難になる。また、前群の合成パワーが相対的に小さくなることから、後群に対する光束が広がり、後群の有効面が大きくなってしまう。その結果、光学系が大きくなってしまう。
条件式(2)の上限値を超えて、後群の副走査方向の合成パワーSrが前群の副走査方向の合成パワーSfに近づくと、前群と後群の合成パワーのバランスが崩れ、バックフォーカスが短くなってしまう。その結果、CCDやCCD保持部材の組み付けが困難になる。
条件式(2)を満足することで、光学系の大きさをコンパクトに保ちつつバックフォーカスの長い、組み付け容易な結像光学系が達成できる。またこの条件式(2)を満足することでより後群の面の有効径を抑え、かつ各種収差をバランスよく調整することができる。
条件式(3)は結像光学系の系全体のパワー配置について、主走査方向のパワー配置に関するものであり、特に光学系全体の主走査方向のパワーに対する、前群のパワーの比率を表すものである。
条件式(3)の下限値を超えると、前群の主走査方向の合成パワーMfが光学系全体の主走査方向のパワーMtに対して負の方向に大きくなってしまい、光学系の光路長が長くなってしまう。その結果、キャリッジ一体型に用いるようなコンパクトな光学系を達成するのが難しい。また、後群の合成パワーの絶対値が大きくなってしまい、そこで発生する収差補正がより困難になる。
逆に条件式(3)の上限値を超えると前群の主走査方向の合成パワーMfが系全体の主走査方向のパワーMtに対して大きな割合を占めることになってしまい光学系のバックフォーカスつまりオフアキシャル光学系における実質的なバックフォーカスが短くなってしまう。その結果、CCDやCCD保持部材による光線のケラレが生じやすく、また組み付けが困難になる。
条件式(3)を満足することで、光路長が短くコンパクトで、かつバックフォーカスの長い、組み付け容易な結像光学系が達成できる。またこの条件式(3)を満足することで各種収差が抑えやすくなり、光路長とバックフォーカスのバランスのとれた結像光学系を達成できる。
条件式(4)、(5)は結像光学系の系全体のパワー配置について、偏心のある副走査方向のパワー配置に関するもので、絞りSPを挟んだ原稿面側の面の合成パワーと、像面側の面の合成パワーの光学系全体の副走査方向のパワーStに対する比率に関するものである。
条件式(4)の下限値を超えて、前群の副走査方向の合成パワーSfが全系の副走査方向の合成パワーに対して小さくなると、後群により発生する各種収差の調整が困難になる。また、後群に入射する光束が広がり、後群の有効面が大きくなってしまう。その結果、光学系が大きくなってしまう。
条件式(4)の上限値を超えて、前群の副走査方向の合成パワーSfが全系の副走査方向の合成パワーに対して大きくなると、バックフォーカスが短くなってしまう。その結果、CCDやCCD保持部材の組み付けが困難になる。
条件式(5)の下限値を超えて、後群の副走査方向の合成パワーSrが全系の副走査方向の合成パワーに対して小さくなると、バックフォーカスが短くなってしまう。その結果、CCDやCCD保持部材の組み付けが困難になる。 条件式(5)の上限値を超えて、後群の副走査方向の合成パワーSrが全系の副走査方向の合成パワーに対して大きくなると、後群により発生する各種収差の調整が困難になる。
条件式(4)(5)を満足することで、光学系の大きさをコンパクトに保ちつつバックフォーカスの長い、組み付け容易な結像光学系が達成できる。またこの条件式(4)(5)を満足することでより後群の面の有効径を抑え、かつ各種収差をバランスよく調整することができる。
条件式(6)は結像光学系のバックフォーカスと光路長との比率に関するものである。
条件式(6)の下限値を超えて、バックフォーカスの比率が小さくなると、バックフォーカスが短くなり、CCDやその保持部材の調整精度が厳しくなってしまう。また、逆に調整精度を実現可能な範囲で設定するときには、光路長が長くなってしまい、コンパクトとバックフォーカスの長さの両立が困難となる。
条件式(6)の上限値を超えて、バックフォーカスの比率が大きくなると、後群の各面に対する入射光束径が大きくなり、後群の有効径が大きくなってしまう。また、そのことによって光線のケラレが多く発生してくる。
条件式(7)は結像光学系の光路長に関するものである。条件式(7)を外れると結像光学系をコンパクトな画像読取装置に搭載するのが難しくなる。よって、条件式(7)を満たすことにより、光学系の大きさをコンパクトに抑え、かつ調整が容易な結像光学系を達成できる。
さらに望ましくは上記条件式(1)〜(7)を次の如く設定するのが良い。
−0.2<Mf/Mr<0.1 ‥‥‥(1a)
0.15<Sf/Sr<0.4 ‥‥‥(2a)
−0.2<Mf/Mt<0.2 ‥‥‥(3a)
0.2<Sf/St<0.58 ‥‥‥(4a)
1.15<Sr/St<1.5 ‥‥‥(5a)
0.08<Lb/Lo<0.18 ‥‥‥(6a)
100mm<Lo<280mm ‥‥‥(7a)
本実施例における画像読取装置は、原稿の画像情報を中間結像させずに直接ラインセンサーLS上に結像させている。このように原稿の画像情報を中間結像させないことで光路長の短い結像光学系を達成することができる。
0.15<Sf/Sr<0.4 ‥‥‥(2a)
−0.2<Mf/Mt<0.2 ‥‥‥(3a)
0.2<Sf/St<0.58 ‥‥‥(4a)
1.15<Sr/St<1.5 ‥‥‥(5a)
0.08<Lb/Lo<0.18 ‥‥‥(6a)
100mm<Lo<280mm ‥‥‥(7a)
本実施例における画像読取装置は、原稿の画像情報を中間結像させずに直接ラインセンサーLS上に結像させている。このように原稿の画像情報を中間結像させないことで光路長の短い結像光学系を達成することができる。
尚、本実施例では第2のオフアキシャル反射面R2と第3のオフアキシャル反射面R3との間に絞りSPを設けたが、これに限らず、例えば第2のオフアキシャル反射面R2上、もしくは第3のオフアキシャル反射面R3上に絞りSPを設けても良い。つまり本実施例では絞りSPの配置に限定されることはない。
このように本実施例においては光路長が短くコンパクトであり、かつ良好なる光学性能で、オフアキシャル光学系における実質上、長いバックフォーカスを得ることができる。
図3は後述する数値実施例1のラインセンサーの主走査方向(ライン方向)の5点(像高)についての横収差図である。
ここで主走査方向とはラインセンサーLSの画素(センサー)の並び方向(紙面と垂直方向、X方向)、それに直交する方向(紙面内方向、Y方向)が副走査方向(副走査断面、YZ面)である。
図中のXは原稿面上の高さ(像高)を表す。図3に示すように本実施例では広画角にも関わらず光学性能が確保できていることが分かる。
以下に本発明の実施例1に対応する結像光学系4の数値実施例1について数値データを示す。また後述する表―1に前述の各条件式と数値実施例1における諸数値を示す。
〔数値実施例1〕
原稿読取巾=305.0 結像倍率=-0.11
原稿側NA=0.01194 feq=24.874
原稿読取巾=305.0 結像倍率=-0.11
原稿側NA=0.01194 feq=24.874
非球面形状
R1面
C02: 6.7196E-03 C03: -1.2395E-03 C04: 8.9009E-05
C05: -9.2429E-06 C06: 3.8641E-07 C07: -1.8528E-09
C08: -8.7375E-10 C20: 2.0982E-03 C21: -3.1257E-04
C22: 3.0465E-05 C23: -3.0449E-06 C24: 3.2797E-07
C25: -1.5200E-08 C26: 5.1181E-10 C40: -2.6898E-06
C41: 2.1918E-07 C42: -1.4755E-08 C43: -2.0711E-10
C44: -5.1063E-11 C60: 2.6155E-09 C61: -2.0117E-10
C62: 2.2657E-11 C80: -1.3874E-12
R2面
C02: 8.4731E-03 C03: -5.6683E-04 C04: -6.3708E-06
C05: -1.7566E-06 C06: -1.7922E-07 C07: -1.4695E-08
C08: -1.3144E-09 C20: 4.4102E-04 C21: -2.8125E-04
C22: -2.1611E-06 C23: -9.0943E-09 C24: -4.5364E-08
C25: 1.0162E-08 C26: 1.7764E-09 C40: -5.3566E-06
C41: 4.5551E-07 C42: 2.2650E-08 C43: 9.9504E-10
C44: 4.6929E-10 C60: 1.7053E-08 C61: -1.3281E-09
C62: -1.1110E-10 C80: -3.7833E-11
R3面
C02: 1.4607E-02 C03: -6.1357E-04 C04: 2.4672E-05
C05: -1.5950E-05 C06: 1.0219E-06 C07: 5.5787E-08
C08: 1.8154E-09 C20: -5.2004E-03 C21: -2.1681E-04
C22: -2.0582E-05 C23: -2.1086E-07 C24: 1.2985E-08
C25: 6.8142E-08 C26: 9.5092E-10 C40: -3.4882E-06
C41: -6.9193E-08 C42: 3.2465E-08 C43: 8.0331E-11
C44: 3.2708E-10 C60: 2.5356E-09 C61: -1.0017E-10
C62: -3.6840E-11 C80: -2.3623E-12
R4面
C02 : 1.5314E-02 C03 : 1.4510E-05 C04 : 1.8554E-06
C05 : -9.1423E-07 C06 : -6.9311E-09 C07 : -1.5748E-09
C08 : -1.3980E-10 C20: 6.2222E-03 C21: -1.4979E-04
C22: -3.9715E-06 C23: -3.7750E-07 C24: -2.9509E-08
C25: -4.3258E-11 C26: -2.2146E-11 C40: -3.5410E-06
C41: -2.8733E-07 C42: -9.3906E-09 C43: -2.9515E-10
C44: 1.1740E-11 C60: -3.5265E-09 C61: -1.4750E-10
C62: 1.2617E-12 C80: -1.4592E-14
R1面
C02: 6.7196E-03 C03: -1.2395E-03 C04: 8.9009E-05
C05: -9.2429E-06 C06: 3.8641E-07 C07: -1.8528E-09
C08: -8.7375E-10 C20: 2.0982E-03 C21: -3.1257E-04
C22: 3.0465E-05 C23: -3.0449E-06 C24: 3.2797E-07
C25: -1.5200E-08 C26: 5.1181E-10 C40: -2.6898E-06
C41: 2.1918E-07 C42: -1.4755E-08 C43: -2.0711E-10
C44: -5.1063E-11 C60: 2.6155E-09 C61: -2.0117E-10
C62: 2.2657E-11 C80: -1.3874E-12
R2面
C02: 8.4731E-03 C03: -5.6683E-04 C04: -6.3708E-06
C05: -1.7566E-06 C06: -1.7922E-07 C07: -1.4695E-08
C08: -1.3144E-09 C20: 4.4102E-04 C21: -2.8125E-04
C22: -2.1611E-06 C23: -9.0943E-09 C24: -4.5364E-08
C25: 1.0162E-08 C26: 1.7764E-09 C40: -5.3566E-06
C41: 4.5551E-07 C42: 2.2650E-08 C43: 9.9504E-10
C44: 4.6929E-10 C60: 1.7053E-08 C61: -1.3281E-09
C62: -1.1110E-10 C80: -3.7833E-11
R3面
C02: 1.4607E-02 C03: -6.1357E-04 C04: 2.4672E-05
C05: -1.5950E-05 C06: 1.0219E-06 C07: 5.5787E-08
C08: 1.8154E-09 C20: -5.2004E-03 C21: -2.1681E-04
C22: -2.0582E-05 C23: -2.1086E-07 C24: 1.2985E-08
C25: 6.8142E-08 C26: 9.5092E-10 C40: -3.4882E-06
C41: -6.9193E-08 C42: 3.2465E-08 C43: 8.0331E-11
C44: 3.2708E-10 C60: 2.5356E-09 C61: -1.0017E-10
C62: -3.6840E-11 C80: -2.3623E-12
R4面
C02 : 1.5314E-02 C03 : 1.4510E-05 C04 : 1.8554E-06
C05 : -9.1423E-07 C06 : -6.9311E-09 C07 : -1.5748E-09
C08 : -1.3980E-10 C20: 6.2222E-03 C21: -1.4979E-04
C22: -3.9715E-06 C23: -3.7750E-07 C24: -2.9509E-08
C25: -4.3258E-11 C26: -2.2146E-11 C40: -3.5410E-06
C41: -2.8733E-07 C42: -9.3906E-09 C43: -2.9515E-10
C44: 1.1740E-11 C60: -3.5265E-09 C61: -1.4750E-10
C62: 1.2617E-12 C80: -1.4592E-14
図4は本発明の結像光学系をカラー画像またはモノクロ画像を読み取る画像読取装置に適用したときの実施例2の副走査断面(YZ面)内の要部概略図である。
図5Aは本発明の実施例2の光路を一部展開したときのYZ面(副走査断面)内での全体の構成を示す要部断面図である。図5Bは本発明の実施例2の光路を一部展開したときのXZ面(主走査断面)内での全体の構成を示す要部断面図である。図4、図5A、図5Bにおいて図1、図2A、図2Bに示した要素と同一要素には同符番を付している。
本実施例において前述の実施例1と異なる点は実施例1に比べ原稿の読み取り幅が狭い画像読取装置に本発明の結像光学系44を適用したことである。その他の構成及び光学的作用は実施例1と同様であり、これにより同様な効果を得ている。
すなわち、図中、44は結像光学系(オフアキシャル光学系)であり、原稿Oの画像情報に基づく光束を後述する撮像素子(読取手段)としてのラインセンサー(CCD)LS上に結像させている。
本実施例の結像光学系44は基準軸に対し主走査方向に対称で、副走査方向に非対称な4つの自由曲面反射面(オフアキシャル反射面)R1、R2,R3、R4から成る第1、第2、第3、第4のオフアキシャル光学素子44a,44b,44c、44dより成っている。
本実施例においては、実施例1に比べ原稿の読み取り幅(220.0mm)が狭いことにより、結像光学系44はコンパクト化と収差調整のバランスのとれたパワー配置に設定されている。これにより前述の実施例1と同様に光路長が短くコンパクトであり、かつ良好なる光学性能で、オフアキシャル光学系における実質上、長いバックフォーカスの結像光学系44を達成している。
本実施例においては後述する数値実施例2に示すように様々な仕様においても有効に作用する。
図6は後述する数値実施例2のラインセンサーの主走査方向(ライン方向)の5点(像高)についての横収差図である。図中のXは原稿面上の高さ(像高)を表す。図6に示すように本実施例では広角にも関わらず光学性能が確保できていることが分かる。
以下に本発明の実施例2に対応する結像光学系44の数値実施例2について数値データを示す。また表−1に前述の各条件式と数値実施例2における諸数値を示す。
〔数値実施例2〕
原稿読み取り巾=220.0 結像倍率=-0.11
原稿側NA=0.01 feq=32.425
原稿読み取り巾=220.0 結像倍率=-0.11
原稿側NA=0.01 feq=32.425
非球面形状
R1面
C02: -7.6340E-03 C03: -2.5893E-04 C04: 2.5178E-05
C05: -6.5531E-08 C06: -1.6582E-07 C20: -1.4889E-03
C21: -5.4543E-05 C22: -9.0050E-06 C23: -3.3223E-07
C24: -6.3632E-08 C40: -2.2160E-06 C41: -2.0402E-07
C42: -1.0437E-10 C60: 1.7300E-09
R2面
C02: -5.4943E-03 C03: -1.0442E-04 C04: 9.4161E-05
C05: 1.4597E-06 C06: -2.2154E-06 C20: -6.4330E-04
C21: -1.5404E-04 C22: -3.1054E-05 C23: -3.1262E-07
C24: -1.0130E-07 C40: -7.8862E-06 C41: -1.3581E-06
C42: 1.2613E-07 C60: 8.3488E-09
R3面
C02: 1.8437E-02 C03: 3.8128E-03 C04: 4.2170E-04
C05: 4.4612E-05 C06: 1.2330E-06 C20: -6.1029E-03
C21: -3.4698E-04 C22: -6.3660E-05 C23: -2.5027E-06
C24: 7.0618E-08 C40: -5.9732E-06 C41: 8.8869E-07
C42: 3.6883E-07 C60: 7.8248E-09
R4面
C02: 2.1764E-02 C03: 6.8873E-04 C04: -4.0272E-05
C05: 3.4816E-06 C06: -2.1671E-08 C20: 7.7281E-03
C21: -1.4760E-04 C22: 2.3856E-06 C23: 1.7988E-06
C24: -1.2143E-07 C40: -6.1248E-06 C41: 3.0649E-07
C42: -1.9795E-08 C60: -5.4348E-09
R1面
C02: -7.6340E-03 C03: -2.5893E-04 C04: 2.5178E-05
C05: -6.5531E-08 C06: -1.6582E-07 C20: -1.4889E-03
C21: -5.4543E-05 C22: -9.0050E-06 C23: -3.3223E-07
C24: -6.3632E-08 C40: -2.2160E-06 C41: -2.0402E-07
C42: -1.0437E-10 C60: 1.7300E-09
R2面
C02: -5.4943E-03 C03: -1.0442E-04 C04: 9.4161E-05
C05: 1.4597E-06 C06: -2.2154E-06 C20: -6.4330E-04
C21: -1.5404E-04 C22: -3.1054E-05 C23: -3.1262E-07
C24: -1.0130E-07 C40: -7.8862E-06 C41: -1.3581E-06
C42: 1.2613E-07 C60: 8.3488E-09
R3面
C02: 1.8437E-02 C03: 3.8128E-03 C04: 4.2170E-04
C05: 4.4612E-05 C06: 1.2330E-06 C20: -6.1029E-03
C21: -3.4698E-04 C22: -6.3660E-05 C23: -2.5027E-06
C24: 7.0618E-08 C40: -5.9732E-06 C41: 8.8869E-07
C42: 3.6883E-07 C60: 7.8248E-09
R4面
C02: 2.1764E-02 C03: 6.8873E-04 C04: -4.0272E-05
C05: 3.4816E-06 C06: -2.1671E-08 C20: 7.7281E-03
C21: -1.4760E-04 C22: 2.3856E-06 C23: 1.7988E-06
C24: -1.2143E-07 C40: -6.1248E-06 C41: 3.0649E-07
C42: -1.9795E-08 C60: -5.4348E-09
L 照明光源
CG 原稿台
M1、M2、M3 反射ミラー
4、44 結像光学系
R1、R2、R3、R4 自由曲面ミラー(オフアキシャル反射面)
LS 撮像素子(ラインセンサー)
O 原稿
CG 原稿台
M1、M2、M3 反射ミラー
4、44 結像光学系
R1、R2、R3、R4 自由曲面ミラー(オフアキシャル反射面)
LS 撮像素子(ラインセンサー)
O 原稿
Claims (6)
- 原稿面上の画像情報を、撮像素子面上に結像させ、該撮像素子で得られる信号より該画像情報を読取る為の結像光学系であって、
該結像光学系は、基準軸に対して主走査方向に対称で、かつ副走査方向に非対称なオフアキシャル反射面からなる4つのオフアキシャル光学素子を有し、
該4つのオフアキシャル光学素子のうち、光学的に原稿側に近い2つのオフアキシャル光学素子の主走査方向の合成のパワーをMf、光学的に撮像素子側に近い2つのオフアキシャル光学素子の主走査方向の合成のパワーをMrとするとき
−0.3<Mf/Mr<0.3
なる条件を満足することを特徴とする結像光学系。 - 前記4つのオフアキシャル光学素子のうち、光学的に原稿側に近い2つのオフアキシャル光学素子の副走査方向の合成のパワーをSf、光学的に撮像素子側に近い2つのオフアキシャル光学素子の副走査方向の合成のパワーをSrとするとき
0.1<Sf/Sr<0.5
なる条件を満足することを特徴とする請求項1に記載の結像光学系。 - 前記結像光学系の主走査方向のパワーをMt、前記4つのオフアキシャル光学素子のうち、光学的に原稿側に近い2つのオフアキシャル光学素子の主走査方向の合成のパワーをMfとするとき
−0.3<Mf/Mt<0.3
なる条件を満足することを特徴とする請求項1又は2に記載の結像光学系。 - 前記結像光学系の副走査方向のパワーをSt、前記4つのオフアキシャル光学素子のうち、光学的に原稿側に近い2つのオフアキシャル光学素子の副走査方向の合成のパワーをSf、光学的に撮像素子側に近い2つのオフアキシャル光学素子の副走査方向の合成のパワーをSrとするとき
0<Sf/St<0.6
1.1<Sr/St<1.6
なる条件を満足することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の結像光学系。 - 前記結像光学系は、前記原稿面から光学的に最も原稿面側に近いオフアキシャル光学素子のオフアキシャル反射面までの基準軸の長さをLo(mm)、光学的に最も原稿面側に近いオフアキシャル光学素子のオフアキシャル反射面から前記撮像素子面までの基準軸の長さをLb(mm)とするとき、
0.07<Lb/Lo<0.25
Lo<400mm
なる条件を満足することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の結像光学系。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載の結像光学系と、前記原稿を載置する原稿台と、前記撮像素子を備え、
該原稿を載置する原稿台面上の画像情報を該撮像素子上に結像させ、該原稿と該撮像素子とを相対的に移動することで、該撮像素子で得られる信号より該画像情報を読取ることを特徴とする画像読取装置。
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JP2006349556A JP2008158414A (ja) | 2006-12-26 | 2006-12-26 | 結像光学系及びそれを用いた画像読取装置 |
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- 2006-12-26 JP JP2006349556A patent/JP2008158414A/ja active Pending
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2007
- 2007-12-20 US US11/961,727 patent/US7903301B2/en not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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