JP2016212149A

JP2016212149A - 結像光学系及びそれを有する読取装置

Info

Publication number: JP2016212149A
Application number: JP2015092897A
Authority: JP
Inventors: ▲寛▼人加納; Hiroto Kano
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2016-12-15
Also published as: US20160323467A1; US10154164B2

Abstract

【課題】大型の撮像素子を用いてもコンパクトでありながら高解像度に読み取りを行うことが可能な読取装置及び該読取装置に設けられている結像光学系を提供する。【解決手段】結像光学系２は、物体からの光束を反射する少なくとも１つの反射光学素子を含む第１の光学系Ｍと、第１の光学系Ｍを介して物体の像を形成する第２の光学系Ｌと、を備え、少なくとも１つの反射光学素子Ｍのうち、第２の光学系Ｌの像面ＩＭＧに最も近接した第１の反射光学素子Ｍは、パワーを有しており、第１の反射光学素子Ｍの光学面から像面ＩＭＧを含む平面までの最大距離をＴＤ、第２の光学系Ｌの最大像高をＩＭＬ、とするとき、５≦ＴＤ／ＩＭＬ≦２０なる条件を満たす。【選択図】図２

Description

本発明は、結像光学系及びそれを有する読取装置に関し、特にコンパクトでありながら高解像度に読み取りを行うことが可能な読取装置及び該読取装置に設けられている結像光学系に関する。

従来、被写体を上方から読み取る読取装置が知られている。

特許文献１は、曲面ミラーと複数のレンズを備えた読取装置を開示している。
また、特許文献１では、コンパクトでありながら高解像度に読み取りを行うことを可能にするために、読取装置に設けられている光学系において、最も物体側の曲面ミラー面から撮像素子面までの距離と、複数のレンズの光軸から最も離れた撮像素子面端部までの距離の比が規定されている。

しかしながら、特許文献１では、上記比が２０より大きくなるように規定されている。従って、特許文献１に開示されている読取装置において、大型の撮像素子を用いる場合には、光学系の全長を大きくする必要があるため、装置の大型化が要求されることとなる。

特許第５２７４０３０号公報

そこで、本発明は、大型の撮像素子を用いてもコンパクトでありながら高解像度に読み取りを行うことが可能な読取装置及び該読取装置に設けられている結像光学系を提供することを目的とする。

本発明に係る結像光学系は、物体からの光束を反射する少なくとも１つの反射光学素子を含む第１の光学系と、第１の光学系を介して物体の像を形成する第２の光学系と、を備え、少なくとも１つの反射光学素子のうち、第２の光学系の像面に最も近接した第１の反射光学素子は、パワーを有しており、第１の反射光学素子の光学面から像面を含む平面までの最大距離をＴＤ、第２の光学系の最大像高をＩＭＬ、とするとき、
５≦ＴＤ／ＩＭＬ≦２０
なる条件を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、大型の撮像素子を用いてもコンパクトでありながら高解像度に読み取りを行うことが可能な読取装置及び該読取装置に設けられている結像光学系を得ることができる。

第１実施形態に係る読取装置の概略斜視図。第１実施形態に係る読取装置の概略断面図。レンズ面の非球面量を説明するための模式図。数値実施例１に係る結像光学系を備える読取装置における読取面からの光束が像面上に集光される様子を示した図。数値実施例２に係る結像光学系を備える読取装置における読取面からの光束が像面上に集光される様子を示した図。数値実施例３に係る結像光学系を備える読取装置における読取面からの光束が像面上に集光される様子を示した図。数値実施例１に係る結像光学系の拡大断面図。数値実施例２に係る結像光学系の拡大断面図。数値実施例３に係る結像光学系の拡大断面図。数値実施例１に係る結像光学系の収差図。数値実施例２に係る結像光学系の収差図。数値実施例３に係る結像光学系の収差図。

以下、本発明に係る結像光学系について図面に基づいて説明する。なお、以下に示す図面は、本発明を容易に理解できるようにするために、実際とは異なる縮尺で描かれている場合がある。

図１は、本発明の第１実施形態に係る読取装置１の概略斜視図を示している。図２は、第１実施形態に係る読取装置１の概略断面図を示している。

読取装置１は、内部に結像光学系２及び撮像素子を格納している。
結像光学系２は、正のパワーを有するミラー（第１の反射光学素子、第１の光学系）Ｍ及び光学系（第２の光学系）Ｌを備えている。
光学系Ｌは、複数のレンズ及び開口絞りＡＰを備えている。

読取面１０１に不図示の被写体（物体）が載置され、被写体からの光束がミラーＭによって反射される。反射された光束は、光学系Ｌによって像面ＩＭＧの位置に配置されている撮像素子の受光面上に結像される。
撮像素子としては、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）センサーやＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサー等を用いることができる。
本実施形態で用いられる撮像素子は、１型サイズ（１３．２×８．８ｍｍ）以上の大判撮像素子である。

本実施形態における光学系Ｌは、図２中の２点鎖線で示されるような共通の光軸Ｐを有している。
ここで、ミラーＭと光軸Ｐの交点と像面ＩＭＧと光軸Ｐの交点との間の距離（光学全長）をＴＤ、像面ＩＭＧと光軸Ｐの交点と像面ＩＭＧ上の最大像高の位置との間の距離をＩＭＬとすると、本実施形態で用いられる結像光学系２は、以下の条件式（１）を満たすことを特徴とする。
５≦ＴＤ／ＩＭＬ≦２０・・・（１）
換言すると、ＴＤは、ミラーＭの光学面（反射面）から像面ＩＭＧを含む平面までの最大距離であり、ＩＭＬは、光学系Ｌの最大像高である。
ここで、ミラーＭと、受光面が像面ＩＭＧの位置となるように配置される撮像素子は、必ずしも光学系（結像光学系）Ｌの光軸Ｐ上に存在しなくてもよい。その場合、上記の距離（光学全長）ＴＤは、受光面を含む平面から、ミラーＭ上の点で最も該平面から離れた点までの距離で定義するものとする。また、距離ＩＭＬは、光軸Ｐから像面ＩＭＧ上の最大像高の位置までの距離で定義するものとする。

条件式（１）は、読取装置１内に格納される結像光学系２のサイズに関するものであり、ＴＤ／ＩＭＬが条件式（１）の上限値を上回ると、結像光学系２の光学全長が大きくなり過ぎてしまう。
具体的には、例えば、撮像素子として、ＡＰＳ−Ｃサイズ（２３．４×１６．７ｍｍ）の撮像素子を用いる場合、ＩＭＬは２０ｍｍ以上となる。その場合、結像光学系２が、ＴＤ／ＩＭＬが条件式（１）の上限を超えるように、設計されると、結像光学系２の光学全長は、４００ｍｍ以上となる。従って、読取装置１が大型になり使用者に圧迫感を与えてしまう。

一方で、ＴＤ／ＩＭＬが条件式（１）の下限値を下回ると、結像光学系２の光学全長を短くするために、光学系Ｌに搭載できるレンズの枚数が制限される。そのため、光学系Ｌは、十分に収差を補正することができず、読取装置１の解像度の悪化等が発生する。
また、上記のように、本実施形態で用いられる撮像素子は、１型サイズ（１３．２×８．８ｍｍ）以上の大判撮像素子であるため、本実施形態では、ＩＭＬは１４ｍｍ以上である。

上述のように、本実施形態における光学系Ｌに設けられている複数のレンズは、全て共通の光軸を有するように配置されている。しかしながら、諸収差を良好に補正するために、複数のレンズのうちの一部のレンズを偏芯させて配置しても構わない。その場合、光学系Ｌに設けられている複数のレンズは、複数の光軸を有することとなるが、ＴＤ及びＩＭＬを定義する際の光軸には、複数の光軸のうち、最も多くのレンズが有する共通の光軸を用いる。

また、ミラーＭは一枚である必要は無く、複数枚設けられていても構わない。その場合、ＴＤは、複数のミラーのうち、光路上において像面ＩＭＧに最も近接して配置されたミラーと光軸Ｐの交点と像面ＩＭＧと光軸Ｐの交点との間の距離として定義する。

本実施形態における光学系Ｌに設けられている複数のレンズのうち、最もミラーＭに近い負レンズは、非球面レンズである。ここで、該負レンズのミラーＭ側のレンズ面の非球面量の最大値をＱｒ_１、像面ＩＭＧ側のレンズ面の非球面量の最大値をＱｒ_２とすると、本実施形態で用いられる結像光学系２は、以下の条件式（２）を満たすことを特徴とする。
−２．０＜Ｑｒ_１／Ｑｒ_２＜０・・・（２）

ここで、レンズ面の非球面量の定義について、図３を用いて説明する。

図３は、レンズ面の非球面量を説明するための模式図を示している。

まず、図３に示すように、非球面レンズ面上の面頂点と光線有効径における点とを通る参照球面を考える。すなわち、参照球面の曲率半径は、非球面レンズ面の面頂点と光線有効径の位置とによって決定される。ここで、光線有効径は、レンズの結像倍率、Ｆ値及び像高等を用いて算出することができる。
次に、参照球面と非球面レンズ面との間の距離を考え、参照球面の法線方向に沿った、参照球面と非球面レンズ面との間において最も離間している距離を非球面量の最大値Ｑｒと定義する。
なお、最も離間している距離において、参照球面が、非球面レンズ面に対して参照球面の中心側にあるとき、非球面量の最大値Ｑｒを正と定義し、逆に、非球面レンズ面が、参照球面に対して参照球面の中心側にあるとき、非球面量の最大値Ｑｒを負と定義する。

通常、結像光学系２をコンパクトにするためには、ミラーＭの屈折力を強くする必要がある。しかしながら、ミラーＭの屈折力を強くすると、像面湾曲収差や非点収差を始めとする諸収差が大きく発生してしまう。そのため、そのような諸収差を良好に補正するためには、光学系Ｌに設けられている複数のレンズの枚数を増やすことが考えられる。
しかしながら、本実施形態では、光学系Ｌに設けられている複数のレンズのうち、最もミラーＭに近い非球面負レンズの非球面量の最大値Ｑｒ_１及びＱｒ_２が条件式（２）を満たすように、結像光学系２を設計する。それにより、少ないレンズ枚数でも諸収差を良好に補正することができる。
すなわち、Ｑｒ_１／Ｑｒ_２が条件式（２）の上限値又は下限値を超えると、光学全長が大きくなることによる読取装置の大型化や、諸収差を良好に補正できないことによる解像度の悪化が発生する。

なお、条件式（２）の代わりに、以下の条件式（２ａ）の範囲を満たすように結像光学系２を設計することによって、結像光学系２は、諸収差をより良好に補正することができる。
−１．８＜Ｑｒ_１／Ｑｒ_２＜−０．４・・・（２ａ）
また、さらに、Ｑｒ_１＜０とすることで、結像光学系２は、諸収差をより良好に補正することが出来る。

また、本実施形態に係る結像光学系２は、像面ＩＭＧの結像領域内において、像面ＩＭＧに入射する光束と像面ＩＭＧの法線とが成す角度の最大値をωとすると、以下の条件式（３）を満たすことを特徴とする。
５°≦ω≦３０°・・・（３）

もし、ωが条件式（３）の下限値を下回ると、諸収差が大きく発生しやすくなるため、諸収差を良好に補正するためには、光学系Ｌに設けられている複数のレンズの枚数を増やす必要があり、それにより光学全長の拡大が発生する。
一方で、ωが条件式（３）の上限値を上回ると、像面ＩＭＧの位置に配置される撮像素子の受光面上に十分光が集まらず、撮像素子の受光面の周辺が暗くなる。さらに、撮像素子の受光面への光の斜入射による影響が大きくなるため、撮像素子の受光面の周辺の解像度の低下が発生する。

図４乃至図６に示されるように（図４乃至図６の詳細については後述）、本実施形態に係る結像光学系２は、ミラーＭと光学系Ｌとの間に中間像が形成されるように、設計されている。すなわち、ミラーＭは被写体の中間像を形成し、光学系Ｌは中間像を再結像する。これにより、ミラーＭ及び光学系Ｌに設けられている複数のレンズのレンズ径のサイズをコンパクトにすることが可能となる。
また、ミラーＭは、正のパワーを有するように、設計されている。これにより、結像光学系２は、歪曲収差を良好に補正することが可能となる。
さらに、ミラーＭの反射面は、非球面となっている。これにより、結像光学系２は、諸収差をより良好に補正することが可能となる。

また、本実施形態の結像光学系２の像側のＦ値は、４．０より大きい。これにより、光学系Ｌに設けられている複数のレンズの枚数を少なくしても、結像光学系２は諸収差の補正を十分に行うことができ、従って、結像光学系２は、コンパクトでありながら全域で高解像度な読み取りが可能となる。

次に、本発明に係る結像光学系２の数値実施例１乃至３を示す。

図４乃至図６はそれぞれ、数値実施例１乃至３に係る結像光学系２を備える読取装置１における読取面１０１からの光束が像面ＩＭＧ上に集光される様子を示している。

図７乃至図９はそれぞれ、数値実施例１乃至３に係る結像光学系２の拡大断面図を示している。

図７に示されるように、数値実施例１に係る結像光学系２の光学系Ｌは、複数のレンズＬ７０１乃至Ｌ７１２及び絞りＡＰを備えている。
図８に示されるように、数値実施例２に係る結像光学系２の光学系Ｌは、複数のレンズＬ８０１乃至Ｌ８１４及び絞りＡＰを備えている。
図９に示されるように、数値実施例３に係る結像光学系２の光学系Ｌは、複数のレンズＬ９０１乃至Ｌ９１３及び絞りＡＰを備えている。

図１０乃至図１２はそれぞれ、数値実施例１乃至３に係る結像光学系２の収差図を示している。ここで、球面収差図における実線はｅ線における球面収差を、２点鎖線はｇ線における球面収差を示している。また、非点収差図における実線は、サジタル方向における非点収差を、破線は、メリディオナル方向における非点収差を示している。さらに、色収差図における２点鎖線は、ｇ線における色収差を示している。

以下に、数値実施例１乃至３の数値データを示す。ここで、面番号は、結像光学系２の各光学部材（ミラーＭ及び光学系Ｌに設けられている複数のレンズ）の物体側から順に数えた光学面の番号である。Ｒは、結像光学系２の各光学部材の各光学面の曲率半径である。Ｄは、結像光学系２の各光学部材の第ｉ面と第ｉ＋１面との間の面間隔である。Ｎ_ｄは、結像光学系２の各光学部材の第ｉ面と第ｉ＋１面との間のｄ線における屈折率である。

また、アッベ数ν_ｄは以下の式（４）によって求められる。

ここで、Ｎ_Ｆ及びＮ_Ｃはそれぞれ、結像光学系２の各光学部材の第ｉ面と第ｉ＋１面との間のＦ線及びＣ線における屈折率である。

また、面番号に「＊」が付された光学面は、非球面であることを意味し、ＡＰは絞りを意味する。

また、各光学非球面は、光軸に垂直な方向における光軸からの距離をｒとしたとき、距離ｒにおける光軸方向の面位置をＡ（ｒ）とすると、以下の式（５）によって表される。

なお、非球面係数Ｋ及びＣ_ｉ（ｉ＝４、６、８、１０、１２）において、「Ｅ−Ｎ」は「×１０^−Ｎ」を示している。

また、ｆは、結像光学系２の焦点距離、Ｆｎｏは、結像光学系２のＦ値、ωは、上記のように、像面ＩＭＧの結像領域内において、像面ＩＭＧに入射する光束と像面ＩＭＧの法線とが成す角度の最大値を示している。

（数値実施例１）

（数値実施例２）

（数値実施例３）

以下の表に、数値実施例１乃至３の数値データから算出される各条件式の値を示す。

以上から、数値実施例１乃至３に係る結像光学系２はいずれも、本発明の特徴である条件式（１）、（２）及び（３）を満たしていることがわかる。

また、数値実施例１乃至３に係る結像光学系２の、絞りＡＰに最も近い正レンズＬ７０７、Ｌ８０８及びＬ９０７で使用されている硝材のアッベ数は６０以上である。これにより、結像光学系２は、軸上色収差を良好に補正することができ、高解像度な読み取りを行うことが可能となる。
さらに、数値実施例１乃至３に係る結像光学系２の、像面ＩＭＧに一番近い正レンズＬ７１２、Ｌ８１４、Ｌ９１３で使用している硝材のアッベ数は６０以上である。これにより、結像光学系２は、倍率色収差を良好に補正することができ、高解像度な読み取りを行うことが可能となる。

また、数値実施例１乃至３に係る結像光学系２の、絞りＡＰより像側の正レンズのうち、物体側の面が非球面であるレンズが少なくとも１つ存在する。具体的には、数値実施例１のＬ７１１、数値実施例２のＬ８１０及びＬ８１３、数値実施例３のＬ９１２である。これにより、結像光学系２は、周辺でのコマ収差や像面湾曲などの諸収差を良好に補正することができ、高解像度な読み取りを行うことが可能となる。

また、数値実施例１乃至３に係る結像光学系２のミラーＭは、光学系Ｌの光軸に対して回転対称な形状を有している。これにより、ミラーＭの配置が容易になるため、結像光学系２の組み立てが容易となる。

また、数値実施例１乃至３に係る結像光学系２では、レンズ有効径、曲率半径及びレンズ間隔等を適切に設定することによって、口径食を抑えることができる。これにより、結像光学系２は、口径食による解像度低下が抑えられることによって、読取領域全域で高解像度な読み取りを行うことが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更を行っても構わない。
例えば、結像光学系のサイズをよりコンパクトにするために、光学系内に折り返しミラーなどを配置しても構わない。

２結像光学系
１０１読取面
ＩＭＧ像面
Ｌ光学系（第２の光学系）
Ｍミラー（第１の反射光学素子、第１の光学系）

Claims

物体からの光束を反射する少なくとも１つの反射光学素子を含む第１の光学系と、
該第１の光学系を介して前記物体の像を形成する第２の光学系と、を備え、
前記少なくとも１つの反射光学素子のうち、前記第２の光学系の像面に最も近接した第１の反射光学素子は、パワーを有しており、
前記第１の反射光学素子の光学面から前記像面を含む平面までの最大距離をＴＤ、前記第２の光学系の最大像高をＩＭＬ、とするとき、
５≦ＴＤ／ＩＭＬ≦２０
なる条件を満たすことを特徴とする結像光学系。
前記第２の光学系は複数のレンズを含み、
前記第２の光学系に設けられている前記複数のレンズのうち、前記第１の反射光学素子に最も近い第１の負レンズは、非球面レンズであり、
該第１の負レンズの前記第１の反射光学素子の側のレンズ面の非球面量の最大値をＱｒ_１、前記像面の側のレンズ面の非球面量の最大値をＱｒ_２とすると、
−２．０＜Ｑｒ_１／Ｑｒ_２＜０
を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の結像光学系。
前記像面の結像領域内において、前記像面に入射する光束と前記像面の法線とが成す角度の最大値をωとすると、
５°≦ω≦３０°
を満たすことを特徴とする、請求項１または２に記載の結像光学系。
前記第１の光学系は前記物体の中間像を形成し、前記第２の光学系は前記中間像を再結像することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の結像光学系。
Ｑｒ_１は負であることを特徴とする、請求項２に記載の結像光学系。
前記結像光学系の前記像面の側のＦ値は４．０より大きいことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の結像光学系。
前記第２の光学系は、絞りを有しており、
前記第２の光学系に設けられている前記複数のレンズのうち、前記絞りに最も近い正レンズのアッベ数は、６０以上であることを特徴とする、請求項２乃至６のいずれか一項に記載の結像光学系。
前記第２の光学系に設けられている前記複数のレンズのうち、前記像面に最も近い正レンズのアッベ数は、６０以上であることを特徴とする、請求項２乃至７のいずれか一項に記載の結像光学系。
前記第２の光学系には、前記絞りより前記像面の側において、少なくとも１つの前記第１の反射光学素子の側の面が非球面である正レンズが設けられていることを特徴とする、請求項７に記載の結像光学系。
前記第１の反射光学素子は、前記第２の光学系の光軸に対して回転対称な形状を有していることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の結像光学系。
前記ＩＭＬは、１４ｍｍより大きいことを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の結像光学系。
前記第１の反射光学素子は、正のパワーを有していることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の結像光学系。
前記反射光学素子は、ミラーであることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の結像光学系。
請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の結像光学系と、
像面の位置に設けられている撮像素子と、
を備えることを特徴とする、読取装置。