JP2009206842A - 画像読取装置 - Google Patents

Abstract

【課題】焦点深度を確保することにより湾曲面や段差を有する原稿を良好にスキャンすることができ、かつ、原稿が大判であっても画素データを欠落させることなく対応できる安価な画像読取装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、読取り光学系をテレセントリック系とし、さらに対物レンズをフレネルレンズとしたもので、この構成により画像の欠落や画像の倍率変化、ピンボケもなく、さらに読取り画像の分割も容易に行えるので、画像補正処理にコストを掛けることなく、良好な大判原稿読取りを行うことができる。
【選択図】図７

Description

本発明は、原稿等の記録媒体から画像を読取るための画像読取装置に係り、特に大判の原稿に対応するため複数の光学系を備える場合に、画像の継目等を電気またはソフト的に画像処理補正することなく読取ることを可能にした大判原稿対応の画像読取装置に関するものである。

図１１は、従来の縮小光学系の斜視説明図である。図１２は、従来の大判原稿用縮小光学系の斜視説明図である。

従来より、（特許文献１）に記載のように、大判原稿の読取りには縮小光学系を読取り方向に重なるように複数個並べて、継目部における画像のズレや縮小光学系に含まれるレンズの倍率差の補正、イメージセンサー同士のアライメントのズレや光量差の補正を電気的にまたはソフト的に実行して最良の画像データを得る方法が提案されている。

図１１において、１０は読取り素子としてのイメージセンサー、２０は結像レンズ群、３０は原稿の読取りラインを示す。読取りライン３０上のデータは、結像レンズ群２０によってイメージセンサー１０に導かれ、データ変換されることによりスキャンが実施される。

この方式では、被写体深度は深いのでピントは良く合っているが、原稿が浮いてしまって読取りライン３０が読取りライン４０に変化した場合、Ａで示す長さ分だけ原稿倍率が変化してしまう現象が発生する。原稿幅に対して十分な読取り幅が取れる場合は、それほど問題にはならないが、読取り幅のより大きい大判原稿では、この課題の影響が大きくなる。

図１２は大判原稿読取りのために縮小光学系を並べたものであるが、原稿幅Ｗに対して読取り幅Ｂ，Ｃは重なりを持つように配置されている。このＢとＣの重なり部分である継目部における画像のズレや、縮小光学系に含まれる結像レンズ群２０の倍率差の補正イメージセンサー１０同士のアライメントのズレや光量差の補正を電気的にまたはソフト
的に実行して最良の画像データを得る方法が従来より提案されている。

その方法は、組立後に絶対値座標の基準となる基準チャートを読込ませて、読込んだデータを基に各種補正をかけていくが、ランダムに発生する原稿の浮き、読取り位置ラインの変化に対しては、画角を持った縮小光学系では被写体深度内であってもランダムに倍率が変わるため、継目の部分に不自然な読取りが生じてしまうという課題がある。

また、（特許文献２）に記載のように、複数のＣＩＳ（Ｃｏｎｔａｃｔ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ：光源にＲＧＢの発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いたもので、例えば、ＲＧＢをそれぞれ高速に切り換えてロッドレンズアレイを通して撮像素子であるＣＭＯＳイメージセンサーに原稿からの光を直接的に導くような仕組みのもの。）を連結して１ライン分の画像を読取る方法があり、ＣＩＳの連結部分で発生する画素データの欠落を、前後の画素データから電気的またはソフト的に参照して画素データを作成する方法も提案されていた。

一方、複数のＣＩＳを連結して１ライン分の画像を読取る方法があり、ＣＩＳの連結部分で発生する画素データの欠落を、前後の画素データから電気的またはソフト的に参照して画素データを作成する方法も提案されている。このＣＩＳ方式では、結像光学系としてロッドレンズが使用されている。

図１３は従来のロッドレンズの説明図である。ロッドレンズ５０の中を進む光線は、周期的な曲線を描くことが知られているが、その周期をＰとすると、同図（ｂ）に示すように、長さＰにカットしたロッドレンズ５０は、一方の端面に入る光線の入射角を変えずにもう一方の端面から出射する。それに対し、同図（ｃ）に示すように、Ｐ／２にカットしたロッドレンズ５０は、入射角を反転して出射する機能を有する。このことからカット長がＰ／２のロッドレンズ５０をアレイ状に並べて使用すれば、立体像がスキャンできることになる。

このロッドレンズアレイ５０と一列に並べられたイメージセンサー１０を組み合わせたものがＣＩＳである。但し、ロッドレンズ５０は等倍光学系なので、図１４（ｂ）に示すように解像度が上がると被写体深度が非常に浅くなってしまう。

光学系の明るさを示す目安としてＦ値があるが、図１４（ａ）のＦ４．０でＭＴＦ５０ｌｐ／ｍｍ５０％を参照すると、縮小光学系で倍率０．２４であれば被写体深度として±１．０ｍｍが確保できるが、等倍光学系では±０．０５７ｍｍと浅くなっている。

つまり、ＣＩＳ方式では画角がゼロになっているので原稿の浮きによる倍率変化が無いという長所があるが、等倍光学系であるがゆえに高解像度になると被写体深度が非常に浅い為、画素欠落近傍で原稿の浮きが発生した場合は、補正のもとになる参照画素がボケて不自然な画像になる問題があった。

さらに上記の対策として、原稿が浮かないように搬送ローラで押さえつける方法や、ＣＩＳを原稿台に限りなく近づける方法があるが、原稿にシワを発生させたり、光学系カバーガラスや原稿台に傷をつけてしまうという課題もあった。

よって、焦点深度が深く、画角がゼロ、つまり原稿が浮いても倍率が変化しない光学系が望まれている。

さらに画像補正を実行しない方法としては、（特許文献３）に記載のように複数テレセントリック光学系を一列に並べてハーフミラーを介して読取りラインを空間的に分割して読取り合成する方法がある。

図１５は従来の大判原稿用テレセントリック光学系の斜視説明図であり、ハーフミラーを用いて読込み画像を分離しているテレセントリック光学系の例である。原稿６０は照明ランプ７０に照射され、読取りライン３０の反射光が結像レンズ群２０を介してイメージセンサー１０へ入射する。読取りライン３０と結像レンズ群２０の間には分割境界部８０にて各々の結像レンズ群２０に画像が分かれるようにハーフミラー９０と反射ミラー１００が設けられている。

この方式ではテレセントリック光学系は読取り幅に対して対物レンズが大きく高価であるというコスト面の課題があり、また対物レンズそのものが大きいので、干渉を避けるためにハーフミラー９０等を使用すると、そのコストが大きいという課題と、ハーフミラー９０によって光量が減少することにより、照明ランプ７０の光量ＵＰが必要という問題があった。
特開２０００−１７５００１号公報 特開２００２−２３２６５４号公報 特開昭５７−１５４２１９号公報

以上より、解決しようとする課題は、大判原稿の読取りにおける予測できない原稿の浮きに対して、良好に読取ることができない点である。

本発明は、上記課題を解決するため、読取り光学系をテレセントリック系とし、さらに対物レンズをフレネルレンズとしたもので、この構成により画像の欠落や画像の倍率変化、ピンボケもなく、さらに読取り画像の分割及び結合も容易に行えるので、画像補正処理にコストを掛けることなく、大判原稿を良好に読取ることができるものである。

本発明の画像読取装置は、複雑で高価な画像処理もなく、安価で画像の欠落等のない、倍率変化や濃度ムラのない良好な画像を得ることができるという効果を得られるものである。

また、本発明では、テレセントリック光学系における対物レンズが大きくて高価であること、各光学系への読取り画像分離手段が高価であることに対して、対物レンズをフレネルレンズとすることによりコストを下げ、かつ読取り画像分離を容易にすることにより、テレセントリック光学系の長所である被写体深度が深く、倍率が変化しないという機能を生かして大判原稿の画像読取装置に適応させるものである。

本願の第１の発明は、原稿がランダムに浮いた際に、縮小光学系では被写体深度は深いが画角があるので倍率が変わる不具合があり、一方、ＣＩＳのような等倍光学系では被写体深度が浅いためにボケるという欠点に対し、深度が深く倍率が変化しないという両方の長所を持つテレセントリック光学系を採用したものである。

しかし、テレセントリック光学系では、読取り幅より対物レンズが大きくなるという短所があるため、対物レンズのコストを下げる為にこのレンズをフレネルレンズとした。
さらに、フレネルレンズのピッチを所望解像度ピッチ以下に設定したので、安価で良好な画像を提供できるようにしたものである。

本願の第２の発明は、大判原稿の読取りを可能にするために複数個を一列または平行、千鳥に並べて対応したものである。

これにより、原稿がランダムに浮いた際にピントがボケたり、倍率が変わったりしないので、画像合成が容易で良好な大判原稿読取りができるという作用を有するものである。

本願の第３の発明は、各対物フレネルレンズを所望の解像度以下のピッチ隙間で一列に配置したものである。

これにより、画像の欠落なく大判原稿の読取り合成ができるという作用を有するものである。

本願の第４の発明は、各対物フレネルレンズを長手方向に並べて弾性部材にて固定したものである。

これにより、温度変化による膨張が起きても配列ピッチ隙間が大きくなることはなく、良好な画像の欠落ない大判原稿の読取り合成ができるという作用を有するものである。

本願の第５の発明は、複数個のテレセントリックスキャナーを一列または平行、千鳥に並べた結像レンズ群において、原稿面に一番近い各対物フレネルレンズを一体化構成したものである。

これにより、精度の確保が可能となり、良好な画像の欠落ない大判原稿の読取り合成ができるという作用を有するものである。

本願の第６の発明は、原稿と各対物フレネルレンズの間に遮蔽板群を設けたものである。

これにより、迷い光の発生によるコントラストの低下を防止することができるため、良好な大判原稿の読取り合成ができるという作用を有するものである。

本願の第７の発明は、遮蔽板群のピッチを所望解像度間隔の整数倍と一致するように構成したものである。

これにより、遮蔽板群による読取り画像への縦すじ発生を防止でき、良好な大判原稿の読取り合成ができるという作用を有するものである。

本願の第８の発明は、原稿面に一番近い対物フレネルレンズが、光学系をホコリ及びゴミからシールドするカバー部材または原稿台と一体化構成したものである。

これにより、原稿の近傍で画像の分離が可能になり、良好な大判原稿の読取り合成ができるという作用を有するものである。

本願の第９の発明は、隣接する光学系との間に光軸と並行となるように遮蔽板を設けたものである。

これにより、隣接する光学系から入ってくる迷光を防ぐことができ、フレアー発生によるコントラスト低下を防ぎ、良好な大判原稿の読取り合成ができるという作用を有するものである。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係る画像読取装置の光学系の構成図である。図２は本発明の一実施の形態に係る画像読取装置に用いるフレネルレンズの説明図である。図３は本発明の一実施の形態に係る画像読取装置のスキャナ読取部の説明図である。図４は本発明の一実施の形態に係る画像読取装置のテレセントリック光学系の説明図であり、対物レンズがフレネルレンズである光学系を並べたもので、各対物フレネルレンズの隙間設定を解像度に対応させたスキャナ読取り部を説明したものである。図５は本発明の一実施の形態に係る画像読取装置の対物フレネルレンズによる読取り画像分離を説明した図である。図６は本発明の一実施の形態に係る画像読取装置において弾性部材による複数の対物フレネルレンズの固定を説明した図である。図７は本発明の一実施の形態に係る画像読取装置において対物フレネルレンズを一体化したスキャナ読取り部の説明図である。図８は本発明の一実施の形態に係る画像読取装置において原稿と対物フレネルレンズの間に遮蔽板群を設置したスキャナ読取り部の説明図である。図９は本発明の一実施の形態に係る画像読取装置の説明図であり、対物フレネルレンズとカバーガラスもしくは原稿台と一体化した画像読取装置の一例を示したものである。図１０は光学系の倍率と深度の説明図である。

（実施の形態１）
以下、これらの図面に沿って本発明の実施の形態１についての説明を行う。ここで、従来の技術と同一の構成については同一番号を付し、説明を省略する。

図１において、１１０は対物レンズとして用いるフレネルレンズであり、そのフレネルピッチ１２０を所望の解像度以下に設定したものである。

まず、フレネルレンズ１１０について説明する。図２において、１３０は通常のレンズである。レンズ１３０の表面で屈析した光は、レンズ１３０の中を直進する。そしてレンズ１３０から出るとき再び屈析する。レンズ１３０内において光が直進する部分を取り去り、屈析する傾斜面のみを同心円状、あるいは平行に並べたものがフレネルレンズ１１０である。

よって、フレネルレンズ１１０は光学的には凸レンズあるいは凹レンズ等の効果をもちながら、形状は平板状のレンズということになり、レンズの軽量コンパクト化とコストダウン（直材料費削減）に大きな効果を発揮する。

現在では、いろいろなレンズ類がフレネルレンズ化されている。代表的なものとしては、凸レンズ／凹レンズとして最も一般的な球面レンズ、集光レンズ／回転放物面レンズ／球面収差補正レンズ等の非球面レンズ、シリンドリカルレンズ、球面レンズ／非球面レンズ等の集合レンズシート等のレンズアレイなどがある。

図１において、読取りライン３０から光軸に対して平行に入った光は、フレネルレンズ１１０を介して屈折し、結像レンズ２０を経由してイメージセンサー１０に導かれてデジタル画像データに変換される。このとき、光軸に対してフレネルレンズ１１０には平行に光が入るので、原稿が浮いても倍率が変わることはなく、また、読取り幅に対してイメージセンサー１０は十分に小さい縮小光学系なので、被写体深度も深く確保できる。

ここでは、フレネルレンズ１１０のフレネルピッチ１２０を所望の解像度、例えば６００ｄｐｉ、すなわち１インチ２５．４ｍｍ当たりに６００個のドットを読取ると仮定すれば、フレネルピッチ１２０を０．０４２ｍｍ以下に設定すれば、良好な画像を読込むことができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。

図３（ａ）のように配置した場合は、図３（ｂ）に示すように読取りラインが原稿送り方向にズレているので、その距離の分だけ読込みタイミングをずらし、後に読込み画像を合成する必要がある。

図４の配置では、一列に図１に示したスキャナ読取り部を並べるので、画像を一度に一括して読込むことが可能である。このとき、図４の読取りライン境界部１４０をうまく分離するには、フレネルレンズ１１０の特徴をうまく使うと良い。フレネルレンズ１１０と１５０の隙間１６０を所望解像度ピッチ以下にすることにより、プリズムのように光を分割すれば良いのである。

図５はその分割のしくみを説明したものである。細かくフレネルピッチ１２０を刻めば、各フレネルピッチ１２０に対応するフレネルレンズ１１０はプリズムと同じ効果を奏すると考えられる。所望の解像度以下にフレネルピッチ１２０を刻み、かつ、各フレネルレンズ１１０と１５０の隙間を解像度以下に設定すれば、一画素に相当する画像データの欠落を防ぐことが出来、良好な光路分離が可能となるのである。

（実施の形態３）
次に、複数個のフレネルレンズ１１０、１５０の固定方法について説明する。図６において、板上になった各フレネルレンズ１１０、１５０にリブを設けて、レンズ固定用ガイド１７０に挿入する。このとき、位置決めとしては面１８０が基準面となるようにし、弾性部材１９０を介して固定部材２００にて固定する。

このような構成とすることにより、環境温度変化に伴うフレネルレンズ１１０、１５０の線膨張をキャンセルでき、かつ、各フレネルレンズ１１０と１５０の隙間を小さくすることができるものである。

（実施の形態４）
図７（ａ）は、各対物フレネルレンズを一体化したものである。このように一体化することにより、図７（ｂ）に示すように、より安定的に読取り境界部１４０の分離が可能になり、一体化による光学レンズアライメント精度の向上も図れるものである。

（実施の形態５）
図８において、照明ランプによって原稿を照射した際、画像を読込むのに使用する光は直接反射光ではなく、拡散光を利用する。これは、直接反射光を読取ると、光源色相が反映されて色味が変わってしまうからである。

しかしながら、拡散光がフレネルレンズ１１０に入るとフレアーとなり、読込み画像データのコントラストを低下させる恐れがある。

よって、読取りラインとフレネルレンズ１１０の間に遮蔽板群１８０を設置し、光軸と平行でない光を遮蔽する機能を持たせたものである。さらに、この遮蔽板群１８０のピッチ１９０を所望の解像度間隔の整数倍に設定することにより、その効果を一層高めたものである。

（実施の形態６）
図９は、本発明の一実施の形態に係る画像読取装置の説明図である。画像読取装置はスキャナ筐体３００に覆われており、その内部に光学筐体３１０が設けられている。通常、光学筐体３１０の中にすべての結像レンズ群３２０が収められており、大判の原稿を読取るので焦点距離が長くなり、それを反射ミラー１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄにて折り返すことにより内部に収められている。

原稿６０は紙送りローラ群３３０により搬送されて、読取り部にて照明ランプ７０により照射される。その反射光はカバーガラス２３０と反射ミラー１００を介して結像レンズ３２０に導かれ、結像してイメージセンサー１０に入射する。

本発明では、フレネルレンズ１１０と結像レンズ３２０間の距離が長い特徴があるので、直接原稿と接するカバーガラス２３０または原稿台とフレネルレンズ１１０を一体化することにより、遮蔽部材がなくても良好な読取り画像を得られるようにしたものである。原稿とフレネルレンズ１１０が、限りなく近くなっているので、迷光もなく、コントラストの低下もない優れた画像読取装置となっている。

（実施の形態７）
図１０は、隣接する光学系のフレネルレンズ１１０から入ってくる迷光２００を結像レンズ２１０に導かないよう、光学系間に光軸と平行になるように遮蔽板２２０を設けたので、コントラストの低下もなく、良好な読取り画像を得られるようにしたものである。

本発明は、スキャナ読取り部の光学系をテレセントリック系とし、さらに対物レンズをフレネルレンズとして複数個並べる構成としたもので、大判原稿をコストアップすることなく、一括で読込むことができ、かつ、被写体深度が深く、読込み倍率が一定であるという優れた効果を奏し、大型の複写機、電子黒板などの読取り用途にも適用できるものである。

本発明の一実施の形態に係る画像読取装置の光学系の構成図 本発明の一実施の形態に係る画像読取装置に用いるフレネルレンズの説明図 本発明の一実施の形態に係る画像読取装置のスキャナ読取部の説明図 本発明の一実施の形態に係る画像読取装置のテレセントリック光学系の説明図 本発明の一実施の形態に係る画像読取装置の対物フレネルレンズによる読取り画像分離を説明した図 本発明の一実施の形態に係る画像読取装置において弾性部材による複数の対物フレネルレンズの固定を説明した図 本発明の一実施の形態に係る画像読取装置において対物フレネルレンズを一体化したスキャナ読取り部の説明図 本発明の一実施の形態に係る画像読取装置において原稿と対物フレネルレンズの間に遮蔽板群を設置したスキャナ読取り部の説明図 本発明の一実施の形態に係る画像読取装置の説明図 光学系の倍率と深度の説明図 従来の縮小光学系の斜視説明図 従来の大判原稿用縮小光学系の斜視説明図 従来のロッドレンズの説明図 光学系の倍率と深度の説明図 従来の大判原稿用テレセントリック光学系の斜視説明図

符号の説明

１０ イメージセンサー
２０ 結像レンズ群
３０ 読取りライン
４０ 読取りライン
５０ ロッドレンズ
６０ 原稿
７０ 照明ランプ
８０ 分割境界部
９０ ハーフミラー
１００ 反射ミラー
１１０ フレネルレンズ
１２０ フレネルピッチ
１３０ レンズ
１４０ 読取りライン境界部
１５０ フレネルレンズ
１６０ 隙間
１７０ レンズ固定用ガイド
１８０ 遮光板群
１９０ ピッチ
２００ 迷光
２１０ 結像レンズ
２２０ 遮蔽板
２３０ カバーガラス
３００ スキャナ筐体
３１０ 光学筐体
３２０ 結像レンズ
３３０ 紙送りローラ群

Claims (9)

1. 読取り機能を構成する各結像レンズがテレセントリック系であり、さらに原稿面に一番近い対物レンズがフレネルレンズで構成され、その材質がガラスまたは樹脂材料から成立し、前記フレネルレンズのきざみフレネルピッチが、読取り解像度に対応して解像度間隔以下に設定されていることを特徴とする画像読取装置。
2. 前記請求項１記載のテレセントリックスキャナーを、複数個一列または平行、千鳥に並べることにより大判原稿の読取りに対応したことを特徴とする画像読取装置。
3. 前記請求項２に記載のテレセントリックスキャナーを、複数個一列または平行、千鳥に並べた結像レンズ群において、原稿面に一番近い各対物フレネルレンズが、読取り解像度ピッチ以下の隙間で配置されていることを特徴とする画像読取装置。
4. 前記請求項３に記載の、原稿面に一番近い対物フレネルレンズが、片側基準の長手方向に弾性部材を用いて固定配置されていることを特徴とする画像読取装置。
5. 前記請求項２に記載の、複数個のテレセントリックスキャナーを一列または平行、千鳥に並べた結像レンズ群において、原稿面に一番近い各対物フレネルレンズが一体化構成していることを特徴とする画像読取装置。
6. 前記請求項２に記載の、複数個のテレセントリックスキャナーを一列または平行、千鳥に並べた結像レンズ群において、原稿面とその原稿に一番近い各対物フレネルレンズの間に、光路と平行な遮蔽板群を構成していることを特徴とする画像読取装置。
7. 前記請求項６に記載の遮蔽板群のピッチが、読取り解像度間隔の整数倍と一致するように構成していることを特徴とする画像読取装置。
8. 前記請求項２、５に記載の、複数個のテレセントリックスキャナーを一列または平行、千鳥に並べた結像レンズ群において、原稿面に一番近い対物フレネルレンズが、光学系をホコリ及びゴミからシールドするカバー部材または原稿台と一体化構成したことを特徴とする画像読取装置。
9. 前記請求項２、５に記載の、複数個のテレセントリックスキャナーを一列または平行、千鳥に並べた結像レンズ群において、隣接する光学系との間に光軸に対して平行になるように遮蔽板を備えたことを特徴とする画像読取装置。

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