JP2008278048A - 正立等倍像結像光学系およびイメージ読取ユニットおよび読取装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来に無い新規な正立等倍像結像光学系を実現する。
【解決手段】同一仕様の複数のレンズがアレイ配列し、個々のレンズが、倒立像を同一の平面上に結像させる物体側レンズアレイ１０と、物体側レンズアレイにおける各レンズの大きさに対して小さい微小な透光部が各レンズに対して複数個の割合でアレイ配列し、ノイズとなる光成分を像側に対して遮断する遮光板１２と、物体側レンズアレイにおけるレンズのアレイ配列と共軸的に対応するレンズ配列を有し、各レンズが遮光板１２の位置を物体面として、透光部の配列の倒立像を結像させ、透光部の配列の倒立像の集合により、物体の正立等倍像を結像させる像側レンズアレイ１４とを有し、物体側レンズアレイ１０における各レンズの結像倍率が１／ｎ（ｎ≧１）倍であり、像側レンズアレイ１４における各レンズの結像倍率がｎ倍である正立等倍像結像光学系。
【選択図】図１

Description

この発明は、正立等倍像結像光学系およびイメージ読取ユニットおよび読取装置に関する。この発明の正立等倍像結像光学系は、複写原稿やファックス原稿、名刺等の読取りや、指紋・静脈等のバイオメトリックス用の読取り、１次元あるいは２次元のバーコードの読取りに利用できる。

正立等倍像を結像する結像光学系を微小化してユニットとし、このような微小な結像光学系のユニットをアレイ配列し、結像させるべき物体の「微小部分の正立等倍像」をユニットごとに結像させ、これら微小部分の像の集合により物体の正立等倍像を結像させることは従来から知られ、微小な結像光学系のユニットとしてはセルフォックレンズに代表される棒状の屈折率分布レンズが広く知られている。

また、近来では、レンズ径：１ｍｍ以下の正レンズを平面状にアレイ配列したマイクロレンズアレイを複数枚、光軸方向に組み合わせて正立等倍像結像レンズアレイとし、物体の正立等倍像を結像させるものが知られている。

このように、物体の正立等倍像を「微小な正立等倍像の集合」により得る正立等倍像結像光学系では、従来から、個々の微小な正立等倍像を結像する微小なレンズ間の所謂クロストークによる正立等倍像の像質の低下が問題として知られ、このような問題を解決する方策として、正立等倍像結像レンズアレイにおける、微小な正立等倍像結像レンズごとにアパーチュアを配してフレア光を遮断する方法（特許文献１等）や、物体側のマイクロレンズアレイと像側のマイクロレンズアレイとの間に、複数の導波路による導波路セットをアレイ配置する方法（特許文献２）が知られている。

特開２００４−７０２６８ 特許第３６９６０３３号公報

この発明は、従来に無い新規な正立等倍像結像光学系の実現、さらには、かかる正立等倍像結像光学系を用いるイメージ読取ユニット、読取装置の実現を課題とする。

この発明の正立等倍像結像光学系は、物体側レンズアレイと、遮光板と、像側レンズアレイとを有する（請求項１）。
「物体側レンズアレイ」は、同一仕様の複数のレンズがアレイ配列し、個々のレンズが、平面上の物体の「微小部分ごとの倒立像」を、同一平面上に結像させるように構成される。

「遮光板」は、物体側レンズアレイによる「微小部分ごとの倒立像」が結像する平面位置に実質的に合致して設けられ「物体側レンズアレイにおける各レンズの大きさに対して小さい微小な透光部」が、物体側レンズアレイの「各レンズに対して複数個の割合」でアレイ配列し、ノイズとなる光成分を像側に対して遮断する。

「像側レンズアレイ」は、物体側レンズアレイにおけるレンズのアレイ配列と「共軸的に対応」するレンズ配列を有し、各レンズが遮光板の位置を物体面として「透光部の配列の倒立像」を結像させ「透光部の配列の倒立像」の集合により、物体の正立等倍像を結像させる。

そして、物体側レンズアレイにおける各レンズの結像倍率が１／ｎ（ｎ≧１）倍（即ち、等倍もしくは縮小倍率）であり、像側レンズアレイにおける各レンズの結像倍率がｎ倍（即ち、等倍もしくは拡大倍率）である。

物体側レンズアレイにおいてアレイ配列する各レンズが「同一仕様」であるとは、アレイ配列した全てのレンズが同一の光学機能を有することを意味する。また、像側レンズアレイにおける各レンズは、物体側レンズアレイの各レンズと１：１で「共軸的」、即ち、光軸を共通にして対応し、物体側レンズアレイの各レンズが一律に１／ｎ倍の結像倍率を持つことに応じて、ｎ倍の結像倍率有するものであるから、像側レンズアレイにおいて配列される各レンズも「同一仕様」である。従って、物体側レンズアレイにおける任意のレンズと、像側レンズアレイにおいて「このレンズに共軸的に対応」するレンズとは、合成的に正立等倍系のユニットを構成する。
遮光板における透光部は、ノイズとなる光（像側レンズアレイにより結像される集合像において、ノイズとなる光）を像側に対して遮断する機能を有し、たとえば「穿設された孔状」とし、この孔状の透光部の孔壁部でノイズとなる光を「吸収により遮光」したり拡散したり」するように構成することもできる。この場合、透光部の孔の内部に「使用波長の光に対して透明な材質」が充填されていてもよい。あるいは透光部の入射部を「全反射角の小さい膜」や「波長以下の周期構造体（フォトニック結晶等のサブ波長構造）で、全反射角の小さいもの」として構成し、膜や構造体に対し「これらに垂直な方向に近い光」のみを透過させるように構成しても良い。

透光部は、物体側レンズアレイによる結像面全体にわたって、多数の透光部が一様な密度で配置されていてもよいし、物体側レンズアレイにおけるレンズごとに「複数の透光部が区分けされて配置」されていてもよい。遮光板は「板」といっても、その厚さは薄く、実際には「薄膜状」あるいは「薄層状」に形成することもできる。

若干補足すると、物体側レンズアレイ、像側レンズアレイにおいて「アレイ配列される個々のレンズ」は、単一のレンズであっても良いし、複数のレンズで構成されてもよい。単一のレンズで構成される場合とは「単一の屈折面（平凸レンズ）あるいは２面の屈折面（両凸レンズ、凸メニスカスレンズ）によるレンズ」がアレイ配列する場合であり、このような場合、物体側レンズアレイや像側レンズアレイは、１枚の透明基板の片面もしくは両面に屈折面をアレイ配列したものとして構成できる。

「複数のレンズで構成」される場合とは、アレイ配列される個々のレンズが、３面以上の屈折面を光軸方向に配して構成される場合であって、例えば、上記「１枚の透明基板の片面もしくは両面に屈折面をアレイ配列したもの」を２枚以上、光軸を共通にして重ね合わせて物体側レンズアレイあるいは像側レンズアレイを構成することができる。

勿論、物体側レンズアレイ、像側レンズアレイは、何れも「１枚の透明基板の片面もしくは両面に屈折面をアレイ配列したもの」として構成できるが、物体側レンズアレイと像側レンズアレイのうちの一方を「１枚の透明基板の片面もしくは両面に、屈折面をアレイ配列したもの」として構成し、他方を「１枚の透明基板の片面もしくは両面に屈折面をアレイ配列したものを２枚以上、光軸を共通にして重ね合わせたもの」として構成することもでき、物体側レンズアレイと像側レンズアレイとを共に「１枚の透明基板の片面もしくは両面に屈折面をアレイ配列したものを２枚以上、光軸を共通にして重ね合わせたもの」として構成することもできる。
なお、物体側レンズアレイ・像側レンズアレイにおけるレンズのアレイ配列は１次元配列でもよいし２次元配列でもよい。

物体側レンズアレイの各レンズ結像倍率は１／ｎ（ｎ≧１）倍で、像側レンズアレイの各レンズの結像倍率がｎ倍であるが、ｎ＞１の場合には、物体側レンズアレイの各レンズは縮小倍率、像側レンズアレイの各レンズの結像倍率は拡大倍率である。この場合、物体側レンズアレイと像側レンズアレイとを「同一構成の光学系」とし、物体側を縮小倍率で使用し、像側を拡大倍率で使用できる。勿論、ｎ＝１の場合には、物体側レンズアレイ、像側レンズアレイは同一構成となる。

請求項１記載の正立等倍像結像光学系の物体側レンズアレイは「少なくとも片面に微小な凸レンズ（凸の屈折面）のアレイを形成された平板状の透明光学材料」を有することができる（請求項２）。請求項１または２記載の正立等倍像結像光学系の像側レンズアレイは「少なくとも片面に微小な凸レンズ（凸の屈折面）のアレイを形成された平板状の透明光学材料」を有することができる（請求項３）。

請求項２または３記載の正立等倍像結像光学系は、遮光板の物体側に「物体側光路長を規制する平行透明板」を有することができ（請求項４）、請求項２〜４の任意の１に記載の正立等倍像結像光学系は、遮光板の像側に「遮光板と正立等倍像の結像面との間の光学配置を規制する平行透明板」を有することができる（請求項５）。

請求項１〜５の任意の１に記載の正立等倍像結像光学系の遮光板は「遮光板の物体側の面もしくはその物体側に、光拡散処理された光拡散部を有し、物体側レンズアレイの側端面から照射される照明光を、光拡散部により物体側へ向けて照明光として拡散照射する」構成とすることができる（請求項６）。
「光拡散処理」は、例えば、上記透光孔以外の部分に粗し処理等により微小な凹凸構造を形成する処理等である。

請求項１〜６の任意の１に記載の正立等倍像結像光学系における各部の大きさとしては、物体側レンズアレイおよび像側レンズアレイにおけるレンズ配列ピッチが「０．１ｍｍオーダー」、遮光板における微小な透光部の配列ピッチが「１０μｍオーダー」であり、遮光板の透光部が「微小な透光部の開口径に比して大きい孔長」を有し、この孔長が「１０μｍオーダー」であることが好ましい（請求項７）。ノイズ光となる光は孔壁部で吸収により遮断され、もしくは拡散されて像側に対して遮断される。

請求項１〜７の任意の１に記載の正立等倍像結像光学系は、物体側レンズアレイにおける各レンズの結像倍率が１／ｎ（ｎ＞１）倍、像側レンズアレイにおける各レンズの結像倍率がｎ倍で、「遮光板における微小な透光部の配列パターン」が、物体側レンズアレイのレンズのアレイ配列パターンと「相似パターン」であることが好ましい（請求項８）。勿論、像側レンズアレイにおける各レンズは、物体側レンズアレイの各レンズと共軸的に対応するから、この場合、微小な透光部の配列パターンは「像側レンズアレイにおけるレンズ配列パターンとも相似パターン」になる。

請求項８記載の正立等倍像結像光学系は「像側レンズアレイの隣接するレンズによる透光部の像の結像パターンが、相互に補完的であるように、透光部の配列パターンが設定されている」ことができる（請求項９）。「相互に補完的」の意味は後述する。

請求項８記載の正立等倍像結像光学系は「像側レンズアレイの隣接するレンズによる透光部の像の結像パターンが、相互に部分的に重なり合って、透光部の像が異なるレンズによる像の重なり合いとなるように、透光部の配列パターンが設定されている」ことができる（請求項１０）。

「像面に透光部の集合像として結像される物体像」に対してノイズとなる成分は、あるレンズによる結像に対して、隣接するレンズや隣隣接するレンズとの境界部で散乱される光であり、この発明の正立等倍像結像光学系では、このようなノイズ成分光を遮光板により像側に対して遮断するが、上記請求項９や１０記載の発明では「隣接するレンズによる透光部の配列パターンの像」を有効に利用して前記集合像における解像性や明るさの向上を図るのである。

請求項８記載の正立等倍像結像光学系は、第１種の遮光板と第２種の遮光板を有し、これらを選択的に切換可能とするようにできる（請求項１１）。
「第１種の遮光板」は、像側レンズアレイの隣接するレンズによる透光部の像の結像パターンが、相互に補完的であるように、透光部の配列パターンが設定された遮光板」である。
「第２種の遮光板」は、像側レンズアレイの隣接するレンズによる透光部の像の結像パターンが、相互に部分的に重なり合って、透光部の像が異なるレンズによる像の重なり合いとなるように、透光部の配列パターンが設定された遮光板である。

請求項１２記載のイメージ読取ユニットは「平面上の物体のイメージを読取る」ものであって、照明手段と、正立等倍像結像光学系と、イメージセンサとを有する。
「照明手段」は物体を照明する手段である。
「正立等倍像結像光学系」としては、上述した請求項１〜１０の任意の１に記載のものが用いられる。
「イメージセンサ」は、正立等倍像結像光学系により結像される正立等倍像を信号化するものであって、ＣＣＤやＣＭＯＳ等のラインセンサやイメージセンサを用いることができる。

請求項１３記載のイメージ読取ユニットは「平面上の物体のイメージを読取る」ものであって、照明手段と、正立等倍像結像光学系と、遮光板切換手段と、イメージセンサとを有する。
「照明手段」は物体を照明する手段である。
「正立等倍像結像手段」は、請求項１１記載の正立等倍像結像光学系である。
「遮光板切換手段」は、第１種・第２種の遮光板を選択的に切り替える手段である。
「イメージセンサ」は、正立等倍像結像光学系により結像される正立等倍像を信号化するものであって、ＣＣＤやＣＭＯＳ等のラインセンサやイメージセンサを用いることができる。

請求項１２または１３記載のイメージ読取ユニットは、正立等倍像結像光学系が、請求項９または１０または１１記載のものであって、像側レンズアレイにより結像する遮光部の像の配列ピッチが「イメージセンサにおける受光素子の配列ピッチ」と合致するように設定されていることができる（請求項１４）。

請求項１５の読取装置は、請求項１２〜１４の任意の１に記載のイメージ読取ユニットを用いた読取装置である。即ち、請求項１２〜１４の任意の１に記載のイメージ読取ユニットを用い、照明手段のオンオフの制御や、イメージセンサからの信号に対する画像処理等の各種の信号処理を行う手段や、ディスプレイ等（これらは従来から知られたものを適宜利用できる。）が付加されて読取装置が構成される。

以上に説明したように、この発明によれば新規な正立等倍像結像光学系を実現できる。この正立等倍像結像光学系は、アレイ配列されるレンズの個々に対して複数の透光部が対応する。物体側レンズアレイの個々のレンズによる物体の微小な倒立像は遮光板の部分に結像する。像側レンズアレイにおける個々のレンズは透光部の個々の像を結像するが、透光部は、物体からの光のうちノイズ成分となる光線が、透光部で効果的に除去され、像側レンズアレイにより「透光部を透過した光のみ」で「透光部の倒立像の集合」により正立等倍像が形成されるので、「物体の正立等倍像（像側レンズアレイによる透光部の像の集合として形成される。）」は、フレア光等「物体の正立等倍像の結像に対してノイズとなる成分」を含まず、従ってノイズに影響されない「物体の良好な正立等倍像」を得ることができる。

図１は、この発明の正立等倍像結像光学系の実施の１形態を説明図的に示している。
図１（ａ）において、符号０は「物体面」即ち、結像されるべき「物体の表面」であり、この物体面の正立等倍像が、正立等倍像結像光学系により結像される。符号１０は「物体側レンズアレイ」、符号１４は「像側レンズアレイ」、符号Ｉｍは「像面」を示す。符号１２は「遮光板」を示している。

この実施の形態において物体側レンズアレイ１０は平板状で、その物体側の面に微小な「凸屈折面（凸レンズ）」がアレイ配列されてレンズアレイを構成している。以下の説明のためアレイ配列する多数のレンズのうちで、図１に示す２つのレンズをレンズＡ、レンズＢとして、これらを説明の対象とする。
像側レンズアレイ１４は平板状で、その像側の面に微小な「凸屈折面（凸レンズ）」がアレイ配列されてレンズアレイを構成している。以下の説明のため、アレイ配列する多数のレンズのうちで、図１に示す２つのレンズをレンズａ、レンズｂとする。レンズａはレンズＡと共軸的に対応し、レンズｂはレンズＢと共軸的に対応する。
物体側レンズアレイ１０における各レンズは、この例のように、像側レンズアレイ１４における各レンズと１：１で共軸的に対応する。

物体側レンズアレイ１０のレンズＡ等は、物体面上の「微小な物体表面」の縮小像（ｎ＞１として１／ｎ倍）を結像する。物体側レンズアレイ１０の各レンズは同一仕様であるので、各レンズが結像する縮小像は同一面上に結像するが、各レンズが結像する縮小像は「倒立像」である。

像側レンズアレイ１４のレンズａ等は「上記縮小像が結像する同一面」を物体面とするように配置され「上記縮小像を倒立させた拡大像（ｎ倍）」を像面Ｉｍ上に結像する。
レンズＡ等の結像倍率は「1／ｎ倍」、レンズａ等の結像倍率は「ｎ倍」であるから、レンズＡとａとによる合成倍率は等倍である。即ち、例示するレンズＡとレンズａは、結像系として１ユニットの等倍結像系を構成する。

さて、図１に示す実施の形態では、物体側レンズアレイ１０の像側面は平面に形成され、像側レンズアレイ１４の物体側面も平面に形成されている。そして、これら平面に挟まれるように遮光板１２が設けられている。図１においては、遮光板１２は、物体側レンズアレイ１０、像側レンズアレイ１４と別体として描いてあるが、遮光板１２を物体側レンズアレイ１０と像側レンズアレイ１４の平面により挟持してもよいし、遮光板１２を「物体側レンズアレイ１０の平面部」あるいは「像側レンズアレイ１４の平面部」に一体化させて形成しても良い。遮光板１２は、物体側レンズアレイ１０のレンズＡ等による微小な倒立像が結像する平面位置に実質的に合致して設けられる。

遮光板１２には、物体側レンズアレイ１０（および像側レンズアレイ１４）における各レンズＡ（およびａ）等の大きさに対して小さい微小な透光部が「各レンズＡ、ａに対して複数個の割合でアレイ配列」している。図１（ａ）において、符号１２０Ａは「レンズＡに対応して形成された複数の透光部の配列」を示し、符号１２０Ｂは「レンズＢに対応して形成された複数の透光部の配列」を示す。

図１（ｂ）に透光部の配列１２０Ａについて例示するように、個々の透光部は「開口径に対して大きい孔長を有し、ノイズとなる成分（図中に「ノイズ光」と表示）を孔壁部で吸収もしくは拡散する」ように形成されており、従って、各透光部を透過した光束のみにより「透光部ごとの正立等倍像」が結像する。図１（ａ）に示すように、各配列１２０Ａ等の間の部分は遮光部である。

図２は、図１の実施の形態の「遮光板１２における透光部の配列状態」を説明図的に示している。図２に示すように、物体側レンズアレイにおけるレンズは正方行列状に２次元的に配列されており、互いに直交する方向において隣接しあう４個のレンズを、図１に例示したレンズＡ、ＢとともにレンズＣ、Ｄとして例示する。像側レンズアレイにおけるレンズの配列がレンズＡ、Ｂ等と同一ピッチで共軸的に配列されることはいうまでも無い。

図２に示すように、例示するレンズＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに対応して、透光部の配列１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄが形成されている。他のレンズに対しても同様である。これら透光部の配列１２０Ａ等は何れも「透光部の配列パターン」として同一であり、各配列の中心部は、対応するレンズの光軸位置に位置する。例えば、透光部の配列１２０ＤはレンズＤに対応し、配列１２０Ｄの中心部はレンズＤの光軸上に位置する。しかし、配列１２０Ｄ等と対応するレンズＤ等との位置関係は、配列１２０Ｄ等の中心部がレンズＤ等の光軸位置と合致することは必要な要件ではなく、上記の如く「各配列の中心部を、対応するレンズの光軸位置に位置させる」ことは１例にすぎない。

レンズＡとこれに対応する透光部の配列１２０Ａの場合を例にとって、いま少し詳しく説明すると、図３に示すように、レンズＡに対応した透光部の配列１２０Ａは「６×６個の、微小な開口径の透光部の正方行列」である。上記６×６の透光部を行列表示に従って図の如く、Ａ１１、Ａ１２、・・Ａ１６、・・・Ａ３１、・・、Ａ６１、・・Ａ６６とする。符号Ａ１１等における「Ａ」は、これらの透光部が「レンズＡに対応するもの」であることを示している。

図２に示すように、レンズＡ等は２次元の正方行列として配列され、配列１２０Ａ等における透光部の配列は正方行列であるので、透光部の配列１２０Ａ等は、物体側レンズアレイ（従って像側レンズアレイ）におけるレンズ配列に対して相似的である。

図４は、透光部の配列１２０Ａにおける各透光部Ａｉｊ（ｉ＝１〜６、ｊ＝１〜６）が「レンズａ（レンズＡに共軸的に対応する）によりｎ倍に拡大されて像面上に倒立して結像した状態」を示しており、各透光部Ａｉｊの拡大像がＩＡｉｊ（ｉ＝１〜６、ｊ＝１〜６）である。レンズＡとレンズａとによる等倍像は、物体表面の微小部分ごとに正立等倍像として像面上に結像するが、透光部Ａｉｊを透過した光束のみにより結像される。

従って、拡大像ＩＡｉｊ等の集合として「物体表面全体の正立等倍像」が形成される。

図５は、正立等倍像結像光学系の実施の別形態の特徴部分を説明する図である。
この実施の形態においては、請求項９記載の発明を説明する。
なお、繁雑を避けるため、混同の虞が無いものについては、図1〜図４におけると同一の符号を付する。

図５（ａ）は、物体側レンズアレイにおける隣接する２つのレンズＡ、Ｂと、レンズＡに対応して遮光板に形成された透光部Ａ１１〜Ａ５５による「２５個の透光部のアレイ配列」と、レンズＢに対応して形成された透光部Ｂ１１〜Ｂ５５による「２５個の透光部のアレイ配列」を示している。各透光部のアレイ配列は、レンズＡ、Ｂ等のアレイ配列である正方行列配列に相似的な正方行列配列であり、透光部のアレイ配列を構成する透光部が奇数（２５個）であるので、アレイ配列の中心に位置する透光部（黒丸で示す）は、対応するレンズの光軸上に位置する。

さて、請求項９記載の発明では「像側レンズアレイの隣接するレンズ（図５の例ではレンズＡ、Ｂ）による透光部の像の結像パターンが「相互に補完的」であるように、透光部の配列パターンが設定されているのであるが、このための条件を以下に説明する。
図５（ｂ）は、レンズＡに対応する透光部Ａｉｊのアレイ配列における「第ｉ列の透光部Ａｉ１〜Ａｉ２ｍ＋１」の配列と、レンズＢに対応する透光部Ｂｉｊのアレイ配列における「第ｉ列の透光部Ｂｉ１〜Ｂｉ２ｍ＋１の配列」とを示している。図には透光部のアレイ配列として、５×５のアレイ配列を示しているが、説明の一般性のために、透光部のアレイ配列が行・列とも２ｍ＋１個の透光部で構成されているものとする。

図の如く、透光部の配列ピッチを「ｌ」とする。この配列ピッチ：ｌは、透光部の孔径の２倍に等しい。また、レンズＡ、Ｂの配列ピッチを「Ｌ」とする。すると、第ｉ行の透光部配列において中心の透光部から両端の透光部に至る距離は「ｍｌ」となる。

図５（ｃ）は、レンズＡ、Ｂに対応する像側レンズアレイのレンズａ、ｂにより、透光部Ａｉ１〜Ａｉ２ｍ＋１の配列、透光部Ｂｉ１〜Ｂｉ２ｍ＋１の配列を像面上に結像させた状態を示している。即ち、透光部Ａｉ１〜Ａｉ２ｍ＋１の配列に応じて像ＩＡｉ１〜ＩＡｉ２ｍ＋１が結像し、透光部Ｂｉ１〜Ｂｉ２ｍ＋１の配列に応じて像ＩＢｉ１〜ＩＢｉ２ｍ＋１が結像している。そしてこれらの像において、像ＩＢｉ１、ＩＢｉ２は、透光部Ａｉｊの像の間に位置している。像ＩＡｉ１〜ＩＡｉ２ｍ＋１と像ＩＢｉ１〜ＩＢ２ｍ＋１の位置関係を「隣接するレンズＡ、Ｂによる透光部の像の結像パターンが相互に補完的である」というのである。

このような補完的な結像が成立する条件は以下のように与えられる。

即ち、図５（ｂ）において、第ｉ行の中心の透光部から右端の透光部に至る距離はｍｌであり、像側レンズアレイにおけるレンズａによりこの部分が像面上に結像する場合、レンズａの結像倍率を「ｎ」とすると、図５（ｃ）の関係から、
Ｌ−（ｎｌ／２）＝ｎｍｌ
が成り立てば良いから、透光部のピッチ：ｌを、
ｌ＝２Ｌ／｛ｎ（２ｍ＋１）｝ （１）
に設定すれば、像面上における各レンズａ、ｂ・・に対応する「透光部のアレイ配列の像の関係」が補完的になる。物体側レンズアレイにおけるレンズＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ・・等、像側レンズアレイにおけるレンズａ、ｂ、・・等のアレイ配列はともに正方行列配列であるから、上記の如き関係を満足するように透光部のピッチ：ｌを定めれば、透光部の像の結像パターンは「２次元的に補完的」となる。

図５（ｄ）は、レンズＡ〜Ｄに対応する像側レンズアレイのレンズａ〜ｄにより像面上に結像された透光部の像の補完状態を示している。レンズａにより拡大結像された透光部の像を符号Ｉａで示し、レンズｂにより拡大結像された透光部の像を符号Ｉｂで示し、レンズｃにより拡大結像された透光部の像を符号Ｉｃで示し、レンズｄにより拡大結像された透光部の像を符号Ｉｄで示している。これらの像Ｉａ〜Ｉｄは、互いに重なり合う部分（図の中央部分）で補完しあっている。

レンズａ〜ｄ以外の全てのレンズによる透光部の像は互いに補完しあい、像面全体にわたって、物体面の像が「互いに補完しあう正立等倍像の集合」として結像される。
図４に示した場合においては、像面における「透光部の像」以外に部分には像が存在しないので「全体として正立等倍像の解像度」はあまり高くならないが、図５（ｄ）に示す場合は、透光部の像が互いに補完しあうので、図４の場合に比して、物体表面を再現する「透光部の正立等倍像の密度」が高く、従って、解像度の高い正立等倍像を実現できる。

次に、例えば図３の例のように、レンズＡ、ａに対応する透光部Ａ１１〜Ａ６６のように、６×６の正方行列配列の透光部のアレイ配列があるとした場合に、隣接するレンズａ、ｂによる透光部の像が「相互に重なり合う条件」を考える。説明の一般性のために、透光部のアレイ配列は「２ｍ×２ｍ」の正方行列配列であるとする。このように一般化したときの像のアレイ配列をレンズａに対してＩＡ１１〜ＩＡ２ｍ２ｍ、レンズｂに対してＩＢ１〜ＩＢ２ｍ２ｍとする。

このとき、レンズａにより結像された透光部の像ＩＡ１１〜ＩＡ６６のうちのレンズｂ側のｍ列が、レンズｂにより結像された透光部の像ＩＢ１１〜ＩＢ６６のうちレンズａ側のｍ列が互いに重なりあう条件を考えると、
レンズａ、ｂの倍率をｎ（＞１）、配列ピッチをＬ、透光部の配列ピッチをｌとして、
Ｌ＝ｎ（ｍ−１）ｌ＋ｎｌ＝ｎｍｌ−ｎｌ＋ｎｌ＝ｎｍｌ 、即ち、
ｌ＝Ｌ／ｎｍ （２）
が成り立てばよい。

レンズＡ（ａ）、Ｂ（ｂ）等は正方行列配列であるから、上記条件が満たされると、像面上に結像する透光部の拡大像のアレイ配列は、２次元的に隣接しあう４つのレンズによる像の重なり合いになる。この状態を図６に示す。

図６（ａ）は、像側レンズアレイにおいて互いに隣接する４個のレンズａ、ｂ、ｃ、ｄと、これらに対応して遮光板に形成された透光部のアレイ配列１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄの様子を示している。

図６（ｂ）は、レンズａ〜ｄにより拡大して結像されたアレイ配列１２０Ａ〜１２０Ｄの像であり、像ＩＡはレンズａによる拡大像、像ＩＢはレンズｂによる拡大像、像ＩＣはレンズｃによる拡大像、像ＩＤはレンズｄによる拡大像である。これらは相互に重なり合い、中央の３×３の像（黒丸で示す。）は、レンズａ〜ｄによる拡大像同士が重なり合った部分である。これら３×３の像は、一つ一つが、４つのレンズａ〜ｄにより重なり合って結像されたものである。

また、レンズａ〜ｄを含む全てのレンズによる結像では、像面上に結像する透光部の正立等倍像は「互いに隣接する４個のレンズにより重なり合って結像される」ので、結像に与る光量が大きく、従って、物体面全体の像として明るい正立等倍像が得られる。

ここで、具体的な実施例を説明する。
図７以下を参照する。
図７に示す実施例は「イメージ読取ユニット」であって、読取装置における読取部を構成する。この読取装置は生体認証用で、読取るべきイメージは「指の静脈のパターン」である。

図７において、符号ｏｂは「指」の部分を模式的に示している。符号ｏｂｓで示す部分は、読取るべき静脈パターンの位置する面であり、この面が「物体面」となる。
符号１０１は平行平板、符号１０２は物体側レンズアレイを示す。また、符号１２０は遮光板、符号１０３は平行平板、符号１０４は像側レンズアレイをそれぞれ示す。

平行平板１０１の、図における上側面は「指を当てる面」となっており、図の如く、平行平板１０１の上側面に指ｏｂの腹の部分を当てると、静脈パターンの位置する物体面ｏｂｓが物体側レンズアレイ１０２に対して適正な「物体面位置」となるように平行平板１０１の光学的厚さ（機械的な厚さと屈折率の積）が設定されている。即ち、遮光板１２０の物体側に配置された平行平板１０１は「物体側光路長を規制する」ものである。

また、物体面ｏｂｓは「指の内部」に位置するので、読取りを行うための照明光は、指ｏｂの表皮部分を透過する波長の光（近赤外光 波長：９００ｎｍ、この光に対する表皮部分の屈折率は１．３４である。）が使用される。平行平板１０１は上記波長の光に対しては透明であるとともに「読取りに対してノイズ光となり易い可視光」を遮断する機能を有する。

この実施例においては、平行平板１０１は上記の機能を有するものとして、材料として硝材：ＢＫ７が用いられ、厚さ：０．５５ｍｍである。

物体側レンズアレイ１０２は平板状であって、物体側の面に同一仕様の多数のレンズＬＡが２次元的にアレイ配列している。この実施例において、レンズＬＡは、レンズ径：０．１５ｍｍの凸の屈折面であり、配列ピッチ：０．１５ｍｍである。材料は平行平板１０１と同じくＢＫ７であり、屈折率：１．５０９である。レンズＬＡの頂部は、平行平板１０１の図で下側の面に実質的に当接している。

レンズＬＡをなす凸の屈折面は「非球面」であり、近軸曲率半径：Ｒ＝０．１０３１、円錐定数：Ｋ＝−１．０、４次の非球面係数：Ａ_４＝−２０．６１５７である。凸屈折面のサグ量は２６．６３μｍである。

遮光板１２０の像側の平行平板１０３は、平行平板１０１と同じくＢＫ７により構成され、厚さは０．３７６６２ｍｍに設定されている。像側レンズアレイ１０４は平板状であって、物体側の面に同一仕様の多数のレンズＬＢが２次元的にアレイ配列している。この実施例において、レンズＬＢはレンズ径：０．１５ｍｍの凸の屈折面であり、配列ピッチ：０．１５ｍｍである。材料は平行平板１０１と同じくＢＫ７である。レンズＬＢをなす凸の屈折面は、サグ量：２６．６３μｍの凸球面である。レンズＬＢの頂部は、平行平板１０３の「図で下側の面」に実質的に当接している。

遮光板１２０は、厚み：０．０３０ｍｍであり、物体側レンズアレイ板１０２の像側平面部と、平行平板１０３の物体側平面部とにより挟持されている。平行平板１０３は「遮光板１２０と像側レンズアレイ１０４のレンズＬＢとの間の光学距離」を適正に保つ機能を有している。即ち、平行平板１０３は、遮光板１２０と正立等倍像の結像面との間の光学配置を規制する機能を有する。
遮光板１２０は、上記厚みのアルミ箔に、フォトリソグラフィにより透光部の配列パターンを形成し、透光部の孔部分も含めて全体を黒化して光吸収性とした。

図７において符号２００はイメージセンサであり、具体的には微小な受光エリアが２次元的に配列されたＣＣＤあるいはＣＭＯＳセンサである。この実施例においては、イメージセンサ２００の受光面２０１と、像側レンズアレイ板１０４の像側平面部との間は「０．８３７５ｍｍの空気間隙」とされており、受光面２０１が像面に合致するように位置設定されているが、このようにするかわりに、像側レンズアレイ板１０４の厚さを大きくし、その像側平面部をイメージセンサ２００の受光面２０１に合致させるようにして、像側光路長を実現するようにしてもよい。

上に述べた各部の厚みによれば、指ｏｂの腹を当接させる平行平板１０１の物体側面から、像面であるイメージセンサ２００の受光面２０１までの距離（全厚）は２．５９４ｍｍである。

物体側レンズアレイ１０２に形成されたレンズＬＡの配列は、上記ピッチ：０．１５ｍｍの「正方行列配置」であり、同様に像側レンズアレイ１０４に形成されたレンズＬＢの配列も、上記ピッチ：０．１５ｍｍの「正方行列配置」である。レンズＬＢの配列は、物体側レンズアレイ１０２におけるレンズＬＡのアレイ配列と共軸的に対応する。

物体面ｏｂｓ上の静脈パターンは、物体側レンズアレイの作用により、各レンズＬＡに対応する微小部分ごとに倒立像となって遮光板１２０の位置に結像する。このときの結像倍率は「１／４」倍である。

像側レンズアレイ１０４のレンズＬＢは、遮光板１２０の位置を物体面として、像面である受光面２０１に、レンズＬＢに対応する微小部分ごとの倒立像を結像させる。レンズＬＢの結像倍率は「４倍」である。

このようにして、受光面２０１には、物体面ｏｂｓの位置にある静脈パターンの正立等倍像が、レンズＬＡ、ＬＢの結像作用による透光部の像の集合として結像される。
図８（ｂ）は、受光面２１０におけるイメージセンサの受光エリアの配列状態を説明するための図である。１単位の受光部ＲＬは正方形形状であって、２次元的に正方行列配列に従って配列されている。受光部ＲＬの配列ピッチ：Ｌ１は２次元の各方向につき５０μｍである。各受光部ＲＬには「１個の受光エリアＡＲ」が形成されており、各受光エリアＡＲは「一辺の長さ：Ｌ２が２５μｍの正方形形状」である。

従って、図７に示す受光面２１０には「２５μｍ×２５μｍの微小な受光エリア」が５０μｍのピッチで正方行列配列している。

図８（ａ）は、遮光板１２０における透光部の配置状態を示している。
物体側レンズアレイ１０２の各レンズＬＡに応じて（従って、像側レンズアレイ板１０４の各レンズＬＢに応じて）、図８（ａ）の如く３６個の透光部が６×６の正方行列配列で配列形成されている。各レンズＬＡと透光部の配列の関係は、図３に示したものと同様である。

図の如く、図８（ａ）の縦横方向に隣接する「透光部のアレイ配列１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ等」の配列ピッチは、縦横方向とも０．１５±０．００１ｍｍであり、これは物体側レンズアレイにおけるレンズＬＡ（像側レンズアレイにおけるレンズＬＢ）の配列ピッチに等しい。各「透光部のアレイ配列」の中央部は対応するレンズＬＡ、ＬＢの光軸位置に位置する。透光部のアレイ配列１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ等は全レンズについて同一配列であり、これらアレイ配列における「透光部の配列ピッチ」は、図８（ａ）の上下方向とも０．０１２５±０．００１ｍｍであり、各「アレイ配列の１辺の長さ」は０．０６２５±０．００１ｍｍである。透光部の開口形状は円形状で、その直径は０．００６２５ｍｍ（＝６．２５μｍ）である。

上述の如く、物体側レンズアレイにおける各レンズＬＡは、物体面の微小部分を「１／４倍」に縮小して遮光板１２０の位置に結像する。一方、像側レンズアレイにおける各レンズＬＢは、遮光板１２０の各微小部分を「４倍」に拡大して受光面２０１に結像する。

ここで、先に説明した（２）式を考えると、説明中の実施例において、倍率：ｎ＝４、透光部のアレイ配列は６×６であるからｍ＝３である。レンズＬＢの配列ピッチ：Ｌ＝０．１５ｍｍであるから、（２）式を満足する透光部の配列ピッチ：ｌは、
ｌ＝Ｌ／ｎｍ＝０．１５／（４×３）＝０．０１２５ｍｍ
であり、これは説明中の実施例における透光部のピッチに等しい。レンズＬＢの結像倍率は４倍であるから、各レンズＬＢの像面（受光面２０１）には、微小な透光部の配列が４倍に拡大されて結像する。

即ち、像面における「各透光部の４倍拡大像」は、直径：２５μｍの円形状がピッチ：５０μｍ（０．０５ｍｍ）で正方行列配列することになり、この配列は図８（ｂ）に示した受光エリアＡＲの配列と同じであり、「各透光部の４倍拡大像」のサイズは「受光エリアＡＲのサイズ」と同じである。

従って、受光面における「各透光部の４倍拡大像」を「受光エリアＡＲの配列」と合致させれば、物体面からの光は全て、受光エリアＡＲの部分に結像することになる。このとき、各受光エリアには、図６に示したように、隣接する４個のレンズＬＢによる光が重なり合って集光するので、イメージセンサ２００により「明るい正立等倍像」を読取ることができる。

また、透光部の配列パターンとして、９個の透光部を「３×３の正方行列配列」にする場合、透光部の開口径を０．００６２５ｍｍとし、式（１）に従い、ｍ＝１として、
ｌ＝２Ｌ／｛ｎ(２ｍ＋１)｝＝０．３０／{４×(２＋１)}
＝０．３０／１２＝０．０２５ｍｍ
に設定すれば、隣接するレンズに対応する各透光部の拡大像が「互いに補完的」に像面上に結像する。このとき、像面上で補完的に結像する拡大像の隣接するもの同士の間隔は０．１ｍｍであるから、図８（ｂ）に示す「１辺：２５μｍの受光エリアが５０μｍピッチで正方行列配列するイメージセンサ」に各受光エリアに透光部の拡大像を結像できる。

この場合、例えば、図７における平行平板１０３を左右方向に長く形成し、その物体側表面に「図８（ａ）に示す６×６の配列パターン」を第１種の遮光板として形成し、上に説明した３×３の配列パターンを第２種の遮光板として形成し、適当なスライダ機構（各種移動ステージ等）を切換手段として、平行平板１０３を左右方向に変位させて、第１種・第２種の遮光板を切り替えるようにすれば、明るい正立等倍像と補完的な正立等倍像とを選択的に読取ることができる。

イメージセンサ２００の出力は、通常の読取り操作と同様に、デジタル信号化され、所望の画像処理を受けて、メモリに記憶され、あるいはディスプレイに表示され、あるいは外部へ転送されることができる。

上の説明から理解されるように、遮光板における透光部の配列は、読取るべき物体表面の画像情報を「画素化」する機能を持つ。
このような各種の処理を行う機能を付加することにより「読取装置」を実現できる。

最後に、図９を参照して、請求項６記載の発明の実施の形態を説明する。
正立等倍像結像光学系による結像の対象となる物体表面は、良好な像を結像させるためには照明する必要がある。照明の方法は公知の種々の方法を用いることが可能であるが、上に説明した実施例のように、物像間の距離が３ｍｍに満たないような薄型の構成で、照明する対象物が指のような場合、通常の照明方法が困難であることが考えられる。請求項６記載の発明は、このような場合に適した照明を可能とするものである。

図９（ａ）は、図７に示す実施の形態における遮光板１２０と物体側レンズアレイ１０２の部分を示している。
図９（ａ）に示すように、物体側レンズアレイ１０２の両側端面に近接して照明光源ＬＳ１、ＬＳ２が設けられ、これら照明光源ＬＳ１、ＬＳ２から照明光を放射させて、物体側レンズアレイ１０２の側端面から物体側レンズアレイ１０２の内部に照射する。

一方、図９（ｂ）に示すように、遮光板１２０における物体側面の、透光部の配列１２０Ａ、１２０Ｂ等の間の部分に「光拡散処理された光拡散部ＤＦ」が形成されている。

側端部から物体側レンズアレイ１０２内に照射された照明光は、光拡散部ＤＦにより拡散され、拡散光となって、物体表面を効率よく均一に照明する。

なお、図９の実施の形態においては、光拡散部ＤＦを遮光板１２０に形成したが、このようにする代わりに、遮光板よりも物体側にある「物体側レンズアレイ１０２の像側の平面部」に光拡散処理を行って光拡散部を形成しても良い。

正立等倍像結像光学系の実施の１形態を説明するための図である。 図１の実施の形態の遮光板における透光部の配列状態を説明図的に示す図である。 図２に示すレンズＡとこれに対応する透光部の配列１２０Ａの対応関係を説明するための図である。 図１の実施の形態において、像側レンズアレイのレンズａにより拡大結像された透光部の配列の像を説明するための図である。 正立等倍像結像光学系の実施の別形態の特徴部分を説明する図である。 請求項１０記載の発明の特徴部分を説明するための図である。 イメージ読取ユニットの１実施例の特徴部分を説明するための図である。 図７に示す実施例における透光部の配列とイメージセンサにおける受光部の配列を説明するための図である。 図７の実施例における照明を説明するための図である。

符号の説明

Ｏ 物体面
１０ 物体側レンズアレイ
１２ 遮光板
１４ 像側レンズアレイ
Ｉｍ 像面

Claims (15)

1. 同一仕様の複数のレンズがアレイ配列し、個々のレンズが、平面上の物体の微小部分ごとの倒立像を同一の平面上に結像させる物体側レンズアレイと、
   この物体側レンズアレイによる上記微小部分ごとの倒立像が結像する平面位置に実質的に合致して設けられ、上記物体側レンズアレイにおける各レンズの大きさに対して小さい微小な透光部が上記各レンズに対して複数個の割合でアレイ配列し、ノイズとなる光成分を像側に対して遮断する遮光板と、
   上記物体側レンズアレイにおけるレンズのアレイ配列と共軸的に対応するレンズ配列を有し、各レンズが上記遮光板の位置を物体面として、上記透光部の配列の倒立像を結像させ、上記透光部の配列の倒立像の集合により、上記物体の正立等倍像を結像させる像側レンズアレイとを有し、
   上記物体側レンズアレイにおける各レンズの結像倍率が１／ｎ（ｎ≧１）倍であり、上記像側レンズアレイにおける各レンズの結像倍率がｎ倍であることを特徴とする正立等倍像結像光学系。
2. 請求項１記載の正立等倍像結像光学系において、
   物体側レンズアレイは、少なくとも片面に、微小な凸レンズのアレイを形成された平板状の透明光学材料を有することを特徴とする正立等倍像結像光学系。
3. 請求項１または２記載の正立等倍像結像光学系において、
   像側レンズアレイは、少なくとも片面に、微小な凸レンズのアレイを形成された平板状の透明光学材料を有することを特徴とする正立等倍像結像光学系。
4. 請求項２または３記載の正立等倍像結像光学系において、
   遮光板の物体側に、物体側光路長を規制する平行透明板を有することを特徴ととする正立等倍像結像光学系。
5. 請求項２〜４の任意の１に記載の正立等倍像結像光学系において、
   遮光板の像側に、上記遮光板と正立等倍像の結像面との間の光学配置を規制する平行透明板を有することを特徴ととする正立等倍像結像光学系。
6. 請求項１〜５の任意の１に記載の正立等倍像結像光学系において、
   遮光板の物体側の面もしくはそれよりも物体側に、光拡散処理された光拡散部を有し、物体側レンズアレイの側端面から照射される照明光を、上記光拡散部により物体側へ向けて照明光として拡散照射することを特徴とする正立等倍像結像光学系。
7. 請求項１〜６の任意の１に記載の正立等倍像結像光学系において、
   物体側レンズアレイおよび像側レンズアレイにおけるレンズ配列ピッチが０．１ｍｍオーダー、遮光板における微小な透光部の配列ピッチが１０μｍオーダーであり、
   上記遮光板の透光部は、微小な透光部の開口径に比して大きい孔長を有し、この孔長が１０μｍオーダーであることを特徴とする正立等倍像結像光学系。
8. 請求項１〜７の任意の１に記載の正立等倍像結像光学系において、
   物体側レンズアレイにおける各レンズの結像倍率が１／ｎ（ｎ＞１）倍、像側レンズアレイにおける各レンズの結像倍率がｎ倍であり、
   遮光板における微小な透光部の配列パターンが、物体側レンズアレイのレンズのアレイ配列パターンと相似パターンであることを特徴とする正立等倍像結像光学系。
9. 請求項８記載の正立等倍像結像光学系において、
   像側レンズアレイの、隣接するレンズによる透光部の像の結像パターンが、相互に補完的であるように、透光部の配列パターンが設定されていることを特徴とする正立等倍像結像光学系。
10. 請求項８記載の正立等倍像結像光学系において、
    像側レンズアレイの、隣接するレンズによる透光部の像の結像パターンが、相互に部分的に重なり合い、透光部の像が異なるレンズによる像の重なり合いとなるように、透光部の配列パターンが設定されていることを特徴とする正立等倍像結像光学系。
11. 請求項８記載の正立等倍像結像光学系において、
    像側レンズアレイの隣接するレンズによる透光部の像の結像パターンが、相互に補完的であるように、透光部の配列パターンが設定された第１種の遮光板と、像側レンズアレイの隣接するレンズによる透光部の像の結像パターンが、相互に部分的に重なり合いとなるように、透光部の配列パターンが設定された第２種の遮光板とを選択的に切換可能としたことを特徴とする正立等倍像結像光学系。
12. 平面上の物体のイメージを読取るイメージ読取ユニットにおいて、
    物体を照明する照明手段と、
    請求項１〜１０の任意の１に記載の正立等倍像結像光学系と、
    この正立等倍像結像光学系により結像される正立等倍像を信号化するイメージセンサとを有することを特徴とするイメージ読取ユニット。
13. 平面上の物体のイメージを読取るイメージ読取ユニットにおいて、
    物体を照明する照明手段と、
    請求項１１記載の正立等倍像結像光学系と、
    この正立等倍像結像光学系における第１種・第２種の遮光板を選択的に切り替える遮光板切換手段と、
    上記正立等倍像結像光学系により結像される正立等倍像を信号化するイメージセンサとを有することを特徴とするイメージ読取ユニット。
14. 請求項１２または１３記載のイメージ読取ユニットにおいて、
    正立等倍像結像光学系が、請求項９または１０または１１記載のものであって、
    像側レンズアレイにより結像する遮光部の像の配列ピッチが、イメージセンサにおける受光素子の配列ピッチと合致するように、設定されていることを特徴とするイメージ読取ユニット。
15. 請求項１２〜１４の任意の１に記載のイメージ読取ユニットを用いた読取装置。

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