JP2012150396A - 結像光学素子、結像光学アレイおよび画像読取装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２枚の反射面を用いて光軸の向きを変える結像光学素子において、光の利用効率の向上を可能とする技術の提供を目的とする。
【解決手段】物体からの光が入射する第１レンズＬＳ１、光を射出する第２レンズＬＳ２、および第１レンズＬＳ１と第２レンズＬＳ２を連結するとともに第１レンズＬＳ１から入射した光を第１反射面５１１で反射した後にさらに第２反射面５１２で反射して第２レンズＬＳ２に導く導光部５１が透明媒体で一体的に形成されており、第１レンズＬＳ１に入射した光は、第１レンズＬＳ１から第１反射面５１１および第２反射面５１２を経由して第２レンズＬＳ２に到るまで透明媒体の内部を進行するとともに、第２レンズＬＳ２から射出された後に正立等倍の倍率で結像され、第１反射面５１１および第２反射面５１２のそれぞれは、光を全反射する全反射面である。
【選択図】図２

Description

この発明は、物体の正立像を形成する結像光学素子、当該結像光学素子を備える結像光学アレイ、および当該結像光学素子を用いて物体の画像を読み取る画像読取装置に関するものである。

イメージスキャナー、ファクシミリ、複写機、金融端末装置等では、コンタクトイメージセンサー（Contact Image Sensor）モジュール（以下、「ＣＩＳモジュール」と略する）が画像読取装置として用いられている。このＣＩＳモジュールは、読取対象物に光を照射するとともに、このときの反射光を光学センサーで検出することで、読取対象物の画像を読み取る。また、読取対象物からの反射光を光学センサーに適切に導くために、正立等倍の結像倍率を有する結像光学素子を用いることが一般的である。つまり、この結像光学素子は、読取対象物で反射された光を正立等倍で結像して、読取対象物の正立等倍像を光学センサーに向けて結像するものである。そして、光学センサーは、結像光学素子によって結像された正立等倍像を検出することで、読取対象物の画像を読み取ることができる。

ところで、特許文献１では、ＣＩＳモジュール内でのレイアウトの自由度向上やＣＩＳモジュールの薄型化等を目的として、ルーフプリズムおよび反射平面のそれぞれで光を反射して、光軸の向きを変える（光軸を折り曲げる）結像光学素子が提案されている。この結像光学素子では、読取対象物に対向して配置された物体側レンズと、当該物体側レンズと協働して読取対象物の像を結像面に結ぶ結像側レンズとが設けられている。そして、物体側レンズから結像側レンズへ向かう光路中にルーフプリズムが配置されるとともに、結像側レンズから結像面（光学センサー）に向かう光路中に反射平面が配置されている。したがって、読取対象物で反射されて物体側レンズを透過した光はルーフプリズムレンズで反射されて、その進行方向を変えるとともに、結像側レンズを透過した光は反射平面で反射されて、その進行方向を変える。

特開２０００−０６６１３４号公報

このように特許文献１では、２枚の反射面（ルーフプリズム、反射平面）を用いることで、各反射面で光軸の向きを変えることができ、その結果、ＣＩＳモジュール内でのレイアウトの自由度向上やＣＩＳモジュールの薄型化が容易となっている。しかしながら、特許文献１では、物体側・結像側の各レンズおよび２枚の反射面を別体で構成してため、これらの光学部材の間に空気が存在する。したがって、これら光学部材と空気との界面で光が反射される等に起因して、光の利用効率が低下する場合があった。

この発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、２枚の反射面を用いて光軸の向きを変える結像光学素子、当該結像光学素子を備える結像光学アレイ、および当該結像光学素子を用いて物体の画像を読み取る画像読取装置において、光の利用効率の向上を可能とする技術の提供を目的とする。

この発明にかかる結像光学素子は、上記目的を達成するために、物体からの光が入射する第１レンズ、光を射出する第２レンズ、および第１レンズと第２レンズを連結するとともに第１レンズから入射した光を第１反射面で反射した後にさらに第２反射面で反射して第２レンズに導く導光部が透明媒体で一体的に形成されており、第１レンズに入射した光は、第１レンズから第１および第２反射面を経由して第２レンズに到るまで透明媒体の内部を進行するとともに、第２レンズから射出された後に正立等倍の倍率で結像され、第１および第２反射面のそれぞれは、光を全反射する全反射面であることを特徴としている。

また、この発明にかかる結像光学アレイは、上記目的を達成するために、この発明の上記結像光学素子が複数個一体的に配列された構成を備えたことを特徴としている。また、この発明にかかる画像読取装置は、上記目的を達成するために、物体に光を照射する光源部と、この発明の上記結像光学素子と、当該結像光学素子により結像された物体の正立等倍像を読み取る読取部とを備えたことを特徴としている。

このように構成された発明（結像光学素子、結像光学アレイ、画像読取装置）では、物体からの光は、第１レンズに入射して、導光部の第１および第２反射面のそれぞれで反射されてその進行方向を変えた後に、第２レンズから射出する。そして、これら第１レンズ、導光部および第２レンズは透明媒体で一体的に形成されており、第１レンズに入射した光は、第１レンズから第１および第２反射面を経由して第２レンズに到るまで透明媒体の内部を進行する。つまり、この発明では、第１レンズ、第１反射面、第２反射面および第２レンズそれぞれの間に空気が介在しない。その結果、光の利用効率の向上が可能となっている。

しかも、この発明では、第１反射面および第２反射面のそれぞれは、光を全反射する全反射面である。したがって、これらの反射面では、光量の損失を防止しつつ光を反射することができ、光の利用効率のさらなる向上が可能となっている。

このとき、第１および第２反射面のそれぞれは、導光部の内側界面に形成された全反射面として構成することができる。ちなみに、第１および第２反射面の少なくとも一方は平面形状を有するように構成しても良い。あるいは、第１および第２反射面の少なくとも一方は曲面形状を有するように構成しても良い。

本発明にかかる画像読取装置の一実施形態の概略構成示す部分断面斜視図。 レンズアレイ等を示す斜視図。 第１・第２レンズ、第１・第２反射面の形状のバリエーションを示す図。 バリエーション２で例示した光学系の光線図。 バリエーション２で例示した光学系の構成を表として示した図。 自由曲面の面形状の定義式を示す図。 非球面の面形状の定義式を示す図。 第１レンズの非球面形状を与える係数を示す図。 第１反射面の自由曲面形状を与える係数を示す図。 第２反射面の自由曲面形状を与える係数を示す図。 第２レンズの非球面形状を与える係数を示す図。

第１実施形態
図１は、本発明にかかる画像読取装置の一実施形態であるＣＩＳモジュールの概略構成を示す部分断面斜視図である。図２は、入射側アパーチャー部材、レンズアレイおよび射出側アパーチャー部材を示す斜視図である。これら図１、図２および以下で説明する図では、各部材の位置関係を示すために、ＸＹＺ直交座標を適宜示すものとする。また、座標軸の矢印側を正側とするとともに座標軸の矢印反対側を負側とする。さらに、以下の説明では、Ｚ方向の負側を上側と、Ｚ方向の正側を下側と、Ｙ方向の負側を左側と、Ｙ方向の正側を右側と、Ｘ方向の負側を前側と、Ｘ方向の正側を後側として適宜取り扱う。

このＣＩＳモジュール１は、原稿ガラスＧＬ上に載置された原稿ＯＢを読取対象物として原稿ＯＢに印刷された画像を読み取る装置であり、原稿ガラスＧＬの直下に配置されている。ＣＩＳモジュール１は、Ｘ方向における最大読取範囲より長く延びる略直方体状のフレーム２を有しており、同フレーム２内に光源部３、入射側アパーチャー部材４、レンズアレイ５、射出側アパーチャー部材６、光センサー７およびプリント回路基板８が配置されている。

このフレーム２内には、原稿ＯＢに照明を照らす光源部３を収容する第１収容空間ＳＰ１と、原稿ＯＢの画像を読み取るための各機能部４、５、６，７、８を収容する第２収容空間ＳＰ2とがセパレーター２１によって区分けされている。第１収容空間ＳＰ1は、フレーム２内の上方の位置に設けられている。一方、第２収容空間ＳＰ2は、ＹＺ平面を含む断面(以下「副走査断面」という)において、第１収容空間ＳＰ1に対して、左側から下方に潜り込むようにして設けられている。より具体的には、第２収容空間ＳＰ2は、第１収容空間ＳＰ1の左側でＺ方向（上下方向）に延びる上部垂直空間ＳＰ2aと、第１収容空間ＳＰ2の下側でＺ方向（上下方向）に延びる下部垂直空間ＳＰ2bと、上部垂直空間ＳＰ2aの下端と下部垂直空間の上端ＳＰ2bとを連結するように略Ｙ方向（左右方向）に延びる左右空間ＳＰ2cとで構成されている。なお、図１に示すように、左右空間ＳＰ2cは、上部垂直空間ＳＰ2aから下部垂直空間ＳＰ2bに向けて、若干下方に傾斜して設けられている。

光源部３は、図示を省略するＬＥＤ(Light Emitting Diode)を光源としている。このＬＥＤはライトガイド３１のＸ方向の一方端から、ライトガイド３１の内部に向けて照明光を射出する。このライトガイド３１は、図１に示すように、セパレーター２１の上面で最大読取範囲とほぼ同じ長さだけＸ方向に延設されている。そして、照明光はライトガイド３１の一方端に入射すると、ライトガイド３１の他方端に向けてライトガイド３１中を伝播しながらライトガイド３１の各部で部分的に先端部３２（光射出面）を介して原稿ガラスＧＬに向けて射出して、原稿ガラスＧＬ上の原稿ＯＢに照射される。こうして、Ｘ方向に延びる帯状の照明光が原稿ＯＢに照射され、原稿ＯＢで反射される。

照明光の照射位置の直下には、上記した上部垂直空間ＳＰ2aが設けられており、その上端部に入射側アパーチャー部材４が配置されている。この入射側アパーチャー部材４は最大読取範囲とほぼ同じ長さだけＸ方向に延設されている。この入射側アパーチャー部材４には、複数の貫通孔４１がＸ方向に所定ピッチで一列に並べられており、それぞれレンズアレイ５に設けられる複数の第１レンズＬＳ1に対する入射側アパーチャーとして機能する。

レンズアレイ５は、最大読取範囲とほぼ同じ長さだけＸ方向に延設されており、レンズアレイ５全体がすっぽりと第２収容空間ＳＰ2に挿入可能となっている。このレンズアレイ５は、上側に凸の第１レンズＬＳ1（入射側レンズ）と、第１レンズＬＳ1の下方かつ右側に配置されて下側に凸の第２レンズＬＳ2（射出側レンズ）と、これら第１・第２レンズＬＳ1、ＬＳ2を連結する導光部５１とで構成されている。

副走査断面において、導光部５１は、Ｚ方向に伸びる上部垂直部５１aと、上部垂直部５１aの下端から略右側に延びる左右部５１cと、左右部の右端から下側に延びる下部垂直部５１bとで構成されている。なお、図２に示すように、左右部５１cは、上部垂直部５１aから下部垂直部５１bに向けて、若干下方に傾斜して設けられている。導光部５１の上部垂直部５１aの上面には、入射側アパーチャー部材４の複数の貫通孔４１に一対一で対応して、複数の第１レンズＬＳ1がＸ方向に所定ピッチで一列に並んでいる。また、導光部５１の下部垂直部５１bの下面には、複数の第１レンズＬＳ1に一対一で対応して、複数の第２レンズＬＳ2がＸ方向に所定ピッチで一列に並んでいる。そして、第１レンズＬＳ1に入射した照明光は、導光部５１により第２レンズＬＳ2にまで導かれる。

また、導光部５１は、第１レンズＬＳ1からの入射光を第２レンズＬＳ2に導くために、第１反射面５１１および第２反射面５１２を有している。第１反射面５１１は、導光部５１の上部垂直部５１aから左右部５１cにかけて湾曲する部分の外周壁に形成されている。つまり、当該外周壁の内側界面が、第１レンズＬＳ1からの照明光を全反射して、第１反射面５１１として機能している。一方、第２反射面５１２は、導光部５１の左右部から下部垂直部５１bにかけて湾曲する部分の外周壁に形成されている。つまり、当該外周壁の内側界面が、第１反射面５１１で全反射された照明光を第２レンズＬＳ2に向けてさらに全反射して、第２反射面５１２として機能している。そして、第２反射面５１２で全反射された照明光は、第２レンズＬＳ2から射出される。

そして、複数の第１レンズＬＳ1、導光部５１および複数の第２レンズＬＳ2は、照明光に対して光透過性を有する樹脂やガラスなどの透明媒体によって一体的に形成されている。したがって、第１レンズＬＳ1に入射した照明光は、第１レンズＬＳ1から第１および第２反射面５１１、５１２を経由して第２レンズに到るまで、透明媒体の内部を進行する。こうしてレンズアレイ５を透過した照明光は、第２レンズＬＳ2から射出された後に、正立等倍の倍率で結像される。なお、レンズアレイ５を一体的に形成するにあたっては、各部毎（例えば、第１レンズＬＳ1、導光部５１、第２レンズＬＳ2）をそれぞれ別体で形成した後にこれらを接着して一体化しても良いし、各部を別体で形成することなくレンズアレイ５全体を一体的に形成しても良い。

このように構成されたレンズアレイ５が、第２収容空間ＳＰ2の上部垂直空間ＳＰ2aの途中から左右空間ＳＰ2cを経由して下部垂直空間ＳＰ2bにまで配置されている。一方、下部垂直空間ＳＰ2bでは、レンズアレイ５と光センサー７とに挟まれるように射出側アパーチャー部材６が配置されている。この射出側アパーチャー部材６も、入射側アパーチャー部材４と同様に、最大読取範囲とほぼ同じ長さだけＸ方向に延設されるとともに、複数の貫通孔６１がＸ方向に一列で並んでいる。これら複数の貫通孔６１は、複数の第２レンズＬＳ2に対して一対一で対応して設けられており、各貫通孔６１は対応する第２レンズＬＳ2の射出側アパーチャーとして機能する。

また、下部垂直空間ＳＰ2cの下面には、光センサー７およびこれを搭載するプリント回路基板８が配置されている。そして、光センサー７は、レンズアレイ５が結像して正立等倍像を検出して原稿ＯＢの画像を読み取る。こうして、原稿ＯＢの画像に関連する信号が、光センサー７より出力されることとなる。

以上説明したように、この実施形態では、原稿ＯＢ（物体）からの光は、第１レンズＬＳ1に入射して、導光部５１の第１および第２反射面５１１、５１２のそれぞれで反射されてその進行方向を変えた後に、第２レンズＬＳ2から射出する。そして、これら第１レンズＬＳ1、導光部５１および第２レンズＬＳ2は透明媒体で一体的に形成されており、第１レンズＬＳ1に入射した光は、第１レンズＬＳ1から第１および第２反射面５１１、５１２を経由して第２レンズＬＳ2に到るまで透明媒体の内部を進行する。つまり、この実施形態では、第１レンズＬＳ1、第１反射面５１１、第２反射面５１２および第２レンズＬＳ2それぞれの間に空気が介在しない。その結果、光の利用効率の向上が可能となっている。

しかも、この実施形態では、第１反射面５１１および第２反射面５１２のそれぞれは、光を全反射する全反射面である。したがって、これらの反射面５１１、５１２では、光量の損失を防止しつつ光を反射することができ、光の利用効率のさらなる向上が可能となっている。

また、上記実施形態では、第１レンズＬＳ1、第１反射面５１１、第２反射面５１２および第２レンズＬＳ2が一体的に形成されることから、これらの相対的な位置関係が精度良く決まり、これらで構成される結像光学素子の結像性能が向上するといった効果も併せて奏される。

ところで、上記説明では詳述しなかったが、第１・第２レンズＬＳ1、ＬＳ2や第１・第２反射面５１１、５１２の形状については、種々のバリエーションを採用可能である（図３）。ここで、図３は、第１・第２レンズおよび第１・第２反射面の面形状のバリエーションを表として示す図である。また、図３では、第１レンズＬＳ1のレンズ面に符号Ｓ1が付され、第１反射面５１１に符号Ｓ2が付され、第２反射面５１２に符号Ｓ3が付され、第２レンズＬＳ2のレンズ面に符号Ｓ4が付されている。

バリエーション１に示す例では、第１・第２反射面Ｓ2、Ｓ3が平面であるため、これら反射面Ｓ2、Ｓ3での解像度の低下がないという利点がある。バリエーション２に示す例では、第１・第２反射面Ｓ2、Ｓ3が曲面であるため当該反射面Ｓ2、Ｓ3での解像度の低下は若干生じるが、この解像度低下は、これら反射面Ｓ2、Ｓ3を自由曲面にすることで改善が図られている。バリエーション３に示す例では、第１・第２反射面Ｓ2、Ｓ3が曲面であるため当該反射面Ｓ2、Ｓ3での解像度の低下は若干生じるが、この解像度低下は、第１・第２レンズ面Ｓ1、Ｓ4を自由曲面にすることで改善が図られている。バリエーション４では、すべての光学面Ｓ1〜Ｓ4が自由曲面であるため、設計の自由度が飛躍的に上がり、解像度をより向上させることが可能となっている。

ここで、バリエーション２で例示した光学系のより具体的構成について説明する。図４は、バリエーション２で例示した光学系の光線図である。なお、図４では、破線円内部に部分拡大図が併記されている。図５は、バリエーション２で例示した光学系の構成を表として示した図である。図４、図５では、第１レンズＬＳ1のレンズ面に符号Ｓ1が付され、第１反射面５１１に符号Ｓ2が付され、第２反射面５１２に符号Ｓ3が付され、第２レンズＬＳ2のレンズ面に符号Ｓ4が付されている。図６は、自由曲面（ｘｙ多項式面）の面形状の定義式を示す図である。図７は、非球面（回転対称非球面）の面形状の定義式を示す図である。図８は、第１レンズのレンズ面が有する非球面形状を与える係数を表として示す図である。図９は、第１反射面が有する自由曲面形状を与える係数を表として示す図である。図１０は、第２反射面が有する自由曲面形状を与える係数を表として示す図である。図１１は、第２レンズのレンズ面が有する非球面形状を与える係数を表として示す図である。

原稿ＯＢからの光は、第１レンズＬＳ1のレンズ面Ｓ1に入射してＺ方向に進行した後に、第１反射面Ｓ2で反射されてＹ方向に進行方向を変えて、第２反射面Ｓ3へ向かう。なお、第１反射面Ｓ2に対してはある幅を持った光が入射するが、この光を構成する各光線のうち最小の入射角θmin2（＝47.58549°）で入射する光線に対して、次式
ｎ×sin(θmin2)＞１
が満足されている。ここで、ｎ（＝1.531）はレンズアレイ５を構成する透明媒体の屈折率である。したがって、第１反射面Ｓ2に入射した光は全反射される。そして、非球面形状を有するレンズ面Ｓ1と自由曲面形状を有する第１反射面Ｓ2の作用によって、第１反射面Ｓ2と第２反射面Ｓ3の間の位置ＩＭＰに中間像が形成される。

中間像からの光はＹ方向に進んだ後に、第２反射面Ｓ3でさらに反射されてＺ方向に進行方向を変えて、第２レンズＬＳ2のレンズ面Ｓ4へ向かう。なお、第２反射面Ｓ3に対してはある幅を持った光が入射するが、この光を構成する各光線のうち最小の入射角θmin3（＝48.27852°）で入射する光線に対して、次式
ｎ×sin(θmin3)＞１
が満足されている。したがって、第２反射面Ｓ3に入射した光は全反射される。こうして、第２反射面Ｓ3で反射された光はＺ方向に進んでレンズ面Ｓ4を透過した後に、光センサー７のセンサー面ＳＳに結像される。

このように、図４〜図１１で示す光学系は、２枚の反射面Ｓ2、Ｓ3によって光の進行方向を変えることで、言わば光軸の向きを変えるものである（図４において、光軸は一点差線で示されている）。さらに、この光学系は、光学面Ｓ1、Ｓ2で形成した中間像を光学面Ｓ3、Ｓ4で結像して、正立等倍像を形成している。そして、上述したとおり、これら光学面Ｓ1〜Ｓ4を透明媒体で一体的に形成することで、光の利用効率の向上を図ることが可能になる。

以上のように上記実施形態では、第１レンズＬＳ1、第１反射面５１１、第２反射面５１２および第２レンズＬＳ2で構成される光学系が本発明の「結像光学素子」に相当し、この結像光学素子が複数配列されたレンズアレイ５が本発明の「レンズアレイ」に相当し、ＣＩＳモジュール１が本発明の「画像読取装置」に相当している。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したものに対して種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記実施形態では、レンズアレイ５は、光源部３の左側方からＹ方向右側に向けて、光源部３の下を潜り込むように配置されている。しかしながら、レンズアレイ５を逆向き（光源部３の左側方からＹ方向左向き）に配置して、光源部３と上下方向に重ならないように配置しても良い。

また、第１・第２レンズＬＳ1、ＬＳ2や第１・第２反射面５１１、５１２の形状のバリエーションは、図３で例示したものに限られない。そこで例えば、第１・第２反射面５１１、５１２（Ｓ2、Ｓ3）のうち、一方の形状を平面とし、他方の形状を曲面としても良い。

１…ＣＩＳモジュール、 ２…フレーム２、 ３…光源部、 ３１…ライトガイド、 ５…レンズアレイ、 ５１…導光部、 ５１１…第１反射面、 ５１２…第２反射面、 ７…センサー、 ８…プリント回路基板、 ＬＳ1…第１レンズ、 ＬＳ2…第２レンズ

Claims (6)

1. 物体からの光が入射する第１レンズ、光を射出する第２レンズ、および前記第１レンズと前記第２レンズを連結するとともに前記第１レンズから入射した光を第１反射面で反射した後にさらに第２反射面で反射して前記第２レンズに導く導光部が透明媒体で一体的に形成されており、
   前記第１レンズに入射した光は、前記第１レンズから前記第１および前記第２反射面を経由して前記第２レンズに到るまで前記透明媒体の内部を進行するとともに、前記第２レンズから射出された後に正立等倍の倍率で結像され、
   前記第１および前記第２反射面のそれぞれは、光を全反射する全反射面であることを特徴とする結像光学素子。
2. 前記第１および前記第２反射面のそれぞれは、前記導光部の内側界面に形成された全反射面である請求項１に記載の結像光学素子。
3. 前記第１および前記第２反射面の少なくとも一方は平面形状を有する請求項１または２に記載の結像光学素子。
4. 前記第１および前記第２反射面の少なくとも一方は曲面形状を有する請求項１または２に記載の結像光学素子。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の結像光学素子が複数個一体的に配列されたことを特徴とする結像光学アレイ。
6. 物体に光を照射する光源部と、
   請求項１ないし４のいずれか一項に記載の結像光学素子と、
   前記結像光学素子により結像された前記物体の正立等倍像を読み取る読取部と
   を備えたことを特徴とする画像読取装置。

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