JP2020080563A - 像読取装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光路を形成するミラーの取り付けの誤差による結像性能の低下を、そのミラーの鏡面が自由曲面である場合に比べて抑えること。【解決手段】ミラー３０は、光路Ａ１を形成する鏡面３１を有する。鏡面３１は、鏡面３１の中心として定められた中心位置３２を含む断面における鏡面がその中心位置３２を挟んで対称となる凹状の形をしている。ミラー２０は、ミラー３０による収差を自身の鏡面が平面である場合に比べて小さくする自由曲面の形をした鏡面２１を有する。ミラー２０及びミラー３０はいずれも絞り４０よりも光路Ａ１の上流側に配置されている。ミラー３０の集光力の絶対値はミラー２０の集光力の絶対値よりも小さくなっている。【選択図】図３

Description

本発明は、像読取装置に関する。

特許文献１には、自由曲面である反射面をそれぞれ有する４つの結像光学素子を用いて原稿読取装置の光学系を構成する技術が開示されている。

特開２００７−０５３８０３号公報

光路を形成するミラーの鏡面を結像性能が高まるように設計すると、いわゆる自由曲面と呼ばれる複雑な形になり、ミラーの取り付け位置や取り付け角度の誤差が結像性能の低下に繋がりやすい。
本発明は、光路を形成するミラーの取り付けの誤差による結像性能の低下を、そのミラーの鏡面が自由曲面である場合に比べて抑えることを目的とする。

本発明の請求項１に係る像読取装置は、対象物からの光に基づき画像を読み取るセンサと、前記光を反射して前記センサまでの光路を形成する鏡面であって、当該鏡面の中心として定められた位置における法線を対称軸としていずれの方向においても線対象となる凸状又は凹状の鏡面を有する第１ミラーと、前記光を反射して前記光路を形成する鏡面であって前記第１ミラーによる収差を当該鏡面が平面の場合に比べて小さくする形をした自由曲面の鏡面を有する第２ミラーとを備えることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、光路を形成するミラーの１つである第１ミラーの取り付けの誤差による結像性能の低下を、第１ミラーの鏡面が自由曲面である場合に比べて抑えることができる。

実施例に係る画像読取装置の全体構成を表す図 光路形成部の外観を表す図 主走査方向に見た光路形成部を表す図 ミラーの断面を表す図 自由曲面の多項式の各項の係数を表す図 画像読取装置の結像性能の変化の一例を表す図 画像読取装置の公差解析結果の一例を表す図 比較例１の画像読取装置の公差解析結果の一例を表す図 ミラーにおける偏心角度を表す図 比較例２の画像読取装置の公差解析結果の一例を表す図 偏心角度毎の公差解析結果の一例を表す図 変形例の画像読取装置の全体構成を表す図

［１］実施例
図１は実施例に係る画像読取装置１の全体構成を表す。画像読取装置１は、画像読取の対象物からの光に基づいて画像を読み取る装置である。画像読取装置１は、文字や絵などが描かれた原稿を画像読取の対象とする。画像読取装置１は、原稿設置部２と、光源部３と、光路形成部４と、イメージセンサ５と、画像処理部６とを備える。

原稿設置部２は、原稿を設置する透明な台と設置された原稿を押さえ付けるカバーとを有し、画像読取の対象となる原稿が設置される。光源部３は、主走査方向に並べて配置された複数のＬＥＤ（Light Emitting Diode）等を有し、原稿設置部２に設置された原稿に光を照射する。光源部３は、光を照射する位置を副走査方向に移動させながら原稿の全体に光を照射する。

光路形成部４は、複数のミラーを有し、光源部３からの光を原稿が反射した光の経路、すなわち光路を形成する。光路形成部４は、原稿からイメージセンサ５までの光路を形成する。イメージセンサ５は、例えばＣＣＤ（Charge-Coupled Device）イメージセンサであり、光路形成部４が形成する光路を通って到達した原稿からの光に基づいて原稿上の画像を読み取る。イメージセンサ５は本発明の「センサ」の一例である。画像処理部６は、イメージセンサ５が読み取った画像を処理し、例えば画像データを生成してＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの記憶媒体に記憶させたり外部装置に送信したりする。

図２は光路形成部４の外観を表す。図２では、原稿Ｇ１及びイメージセンサ５と、原稿Ｇ１からイメージセンサ５までの光路Ａ１を形成する光路形成部４とが表されている。光路Ａ１は、原稿Ｇ１において主走査方向Ｂ１に並ぶ各位置で反射される光の経路によって表されている。光路形成部４は、ミラー１０と、ミラー２０と、ミラー３０と、絞り４０と、ミラー５０と、ミラー６０とを備える。原稿からの光は、ミラー１０、２０、３０の順で各ミラーに反射し、絞り４０を通って、ミラー５０、６０の順で各ミラーに反射してイメージセンサ５に到達する。

つまり、ミラー１０は光路Ａ１におけるミラー２０の上流側に、光路Ａ１においてミラー２０に隣接して配置されている。以下では上流側又は下流側と言った場合、光路Ａ１における上流側又は下流側を表すものとする。また、ミラー同士が隣接するとは、それらのミラー間の光路Ａ１に他のミラーが配置されていないことを意味し、言い換えると、上流側のミラーから出射された光が直接下流側のミラーに入射するように両ミラーが配置されていることを意味するものとする。これは、ミラーと絞り４０とが隣接する場合でも同様である。

ミラー２０は、ミラー１０の下流側で且つミラー３０の上流側に、ミラー３０に隣接して配置されている。ミラー３０は、ミラー２０の下流側で且つ絞り４０の上流側に、絞り４０に隣接して配置されている。絞り４０は、ミラー３０の下流側で且つミラー５０の上流側に、ミラー５０に隣接して配置されている。ミラー５０は、絞り４０の下流側で且つミラー６０の上流側に、ミラー６０に隣接して配置されている。絞り４０は、ミラー５０の下流側で且つイメージセンサ５の上流側に、イメージセンサ５に隣接して配置されている。

図３は主走査方向Ｂ１に見た光路形成部４を表す。ミラー１０は、原稿からの光を反射して光路Ａ１を形成する鏡面１１を有し、その鏡面１１が平面の形をしたミラーである。ミラー２０は、原稿からの光を反射して光路Ａ１を形成する鏡面２１を有し、その鏡面２１が自由曲面の形をしたミラーである。自由曲面とは、球面や円柱の外周面などとは異なる複雑な形をした曲面であり、例えば収差（画像読取の対象に対する読み取られた画像の色のズレやピントのボケ（焦点が定まってない状態）や像のゆがみなどのこと）を小さくするように設計された曲面である。より具体的には、ミラー２０は、後述するミラー３０による収差を自身の鏡面が平面である場合に比べて小さくする形をした鏡面２１を有する。ミラー２０は本発明の「第２ミラー」の一例である。

ミラー３０は、原稿からの光を反射して光路Ａ１を形成する鏡面３１を有するミラーである。ミラー３０の鏡面３１の形について図４を参照して説明する。
図４はミラー３０の断面を表す。図４では鏡面３１と、鏡面３１の中心として定められた位置である中心位置３２とが、中心位置３２を含むミラー３０の断面において表されている。中心位置３２としては、例えば、鏡面３１の主走査方向Ｂ１の中心で且つ主走査方向Ｂ１に直交する方向の中心となる位置が用いられる。また、図４では、中心位置３２で鏡面３１に接する架空の平面Ｃ１が表されている。鏡面３１は、平面Ｃ１からの高さが中心位置３２からの平面Ｃ１上の距離に応じて決まる凹状の曲面の形をしている。

例えば中心位置３２からの距離がｒ１であれば高さがＬ１、その距離がｒ２であれば高さがＬ２となり、凹状であるため図４に表すようにｒ１＜ｒ２であればＬ１＜Ｌ２となる。つまり、鏡面３１は、中心位置３２を中心とする同心円における平面Ｃ１からの高さが共通する形をしている。言い換えると、鏡面３１は、中心位置３２を含む断面における鏡面３１が中心位置３２を挟んで対称となる凹状の形をしている。このような形の一例が球面であり、鏡面３１は、球面を切り取った形をしている。このため、鏡面３１は、中心位置３２を含む全ての断面における鏡面３１が中心位置３２を挟んで対称となっている。鏡面３１を有するミラー３０は本発明の「第１ミラー」の一例である。

絞り４０は、図２に表す光路Ａ１に配置されて光路Ａ１を進む光の光量を調節する。ミラー５０は、原稿からの光を反射して光路Ａ１を形成する鏡面５１を有する。鏡面５１は、ミラー３０の鏡面３１のように、鏡面５１の中心として定められた位置である中心位置５２を含む断面における鏡面５１が中心位置５２を挟んで対称となる凸状の形の一例である球面を切り取った形をしている。また、ミラー５０は、光路Ａ１において絞り４０を挟んでミラー３０の反対側に配置されている。ミラー５０は本発明の「第３ミラー」の一例である。

ミラー６０は、原稿からの光を反射して光路Ａ１を形成する鏡面６１を有する。より具体的には、ミラー６０は、ミラー５０による収差を自身の鏡面が平面の場合に比べて小さくする形をした鏡面６１を有する。また、ミラー６０は、光路Ａ１においてミラー５０よりも絞り４０から離れた位置に配置されている。ミラー６０は本発明の「第４ミラー」の一例である。

本実施例では、原稿Ｇ１からミラー１０の鏡面１１までの距離（光軸における距離。以下同じ）が１１８．９ｍｍであり、鏡面１１からミラー２０の鏡面２１までの距離が３０．０ｍｍである。鏡面２１からミラー３０の鏡面３１までの距離は５７．５ｍｍであり、鏡面３１から絞り４０までの距離は３４．７ｍｍである。絞り４０からミラー５０の鏡面５１までの距離は３０．３ｍｍであり、鏡面５１からミラー６０の鏡面６１までの距離は１８．１ｍｍである。鏡面６１からイメージセンサ５までの距離は４５．８ｍｍである。

また、ミラー３０の鏡面３１の曲率半径は３３６．２ｍｍであり、ミラー５０の鏡面５１の曲率半径は−２８７．５ｍｍである（ここでは凹面の曲率半径を正、凸面の曲率半径を負で表すものとする）。また、ミラー２０の鏡面２１及びミラー６０の鏡面６１という各自由曲面の形状は、どちらもｚ＝Ｃ４×ｘ2＋Ｃ５×ｘ×ｙ＋Ｃ６×ｙ2＋Ｃ７×ｘ3＋Ｃ８×ｘ2×ｙ＋Ｃ９×ｘ×ｙ2＋Ｃ１０×ｙ3＋Ｃ１１×ｘ4＋Ｃ１２×ｘ3×ｙ＋Ｃ１３×ｘ2×ｙ2＋Ｃ１４×ｘ×ｙ3＋Ｃ１５×ｙ4＋Ｃ１６×ｘ5＋Ｃ１７×ｘ4×ｙ＋Ｃ１８×ｘ3×ｙ2＋Ｃ１９×ｘ2×ｙ3＋Ｃ２０×ｘ×ｙ4＋Ｃ２１×ｙ5という多項式で表される。

図５は自由曲面の多項式の各項の係数を表す。図５では、例えば「Ｃ４」という項の係数が鏡面２１だと「０．００１７１３」、鏡面６１だと「０．００５８」であることが表され、「Ｃ１５」という項の係数が鏡面２１だと「５．８４Ｅ−０８」、鏡面６１だと「−２．８０Ｅ−０６」であることが表されている。それら以外の項についても同様に、鏡面２１及び鏡面６１についての係数が表されている。

画像読取装置１は、ミラー３０及びミラー５０の各鏡面が自由曲面ではなく上記のとおり中心位置を挟んで対称となる形をしている。自由曲面の鏡面は、設計されたとおりの位置に配置されれば高い結像性能が実現されるが、取り付けの誤差（配置される位置や角度の誤差）による結像性能の低下の度合いが大きい。これに対し、ミラー３０及びミラー５０の各鏡面の形は、自由曲面に比べると、取り付けの誤差による結像性能の低下の度合いが小さい。このように、本実施例によれば、ミラー３０及びミラー５０の取り付けの誤差による結像性能の低下が、これらのミラーの鏡面が自由曲面である場合に比べて抑えられる。

また、画像読取装置１においては、ミラー３０及びミラー５０が設計されたとおりの位置に配置された場合に高い結像性能が実現されるようになっている。例えばイメージセンサ５の位置をずらした場合、画像読取装置１においては結像性能が次のように変化する。
図６は画像読取装置１の結像性能の変化の一例を表す。図６では、解像度が１３ｌｐ／ｍｍ（linepair/mm）におけるＭＴＦ（Modulation Transfer Function：変調伝達関数）を縦軸が表し、イメージセンサ５の位置の光軸の方向に対するずれ量（単位はｍｍ（ミリメートル））を横軸が表している。

ＭＴＦとは、結像性能（ピントの合い具合のこと。解像特性ともいう）を表す指標であり、画像読取の対象物の持つコントラストをどの程度忠実に再現しているかを空間周波数特性として表したものである。ＭＴＦは、０．００から１．００までの値で表され、或る空間周波数における値が１．００に近いほど、伝達特性が良いこと、すなわち結像性能が良いことを表す。

図６の例では、ＭＴＦとずれ量との関係が、原稿上の９つの読み取り位置について表されている。ずれ量が０ｍｍの場合にはいずれの位置のＭＴＦも最大値（およそ０．９０）となっており、ずれ量が増えるにつれて、いずれの位置のＭＴＦも低下している。つまり、画像読取装置１においては、設計されたとおりに各ミラー及びイメージセンサが配置されていれば、どの読み取り位置においてもＭＴＦが最大となるようになっている。

また、画像読取装置１においては、自由曲面の鏡面を有するミラー２０及び上記のとおり中心位置を挟んで対称となる曲面の鏡面を有するミラー３０がいずれも絞り４０よりも光路Ａ１の上流側に配置されている。そして、ミラー３０の集光力の絶対値がミラー２０の集光力の絶対値よりも小さくなっている。集光力とはレンズやミラーの有効径が光を集める度合いを表す指標である。例えば鏡面３１のように球面を切り取った凹状の形をした鏡面であれば、曲率半径が小さくなるほど集光力が大きくなる。

中心位置を挟んで対称となる形をしている鏡面では、自由曲面の形をした鏡面に比べて、集光力の絶対値が大きくなったときの収差の増加量が大きくなりやすい。本実施例では、そのような対称形の鏡面を有するミラー３０の集光力の絶対値をミラー２０の集光力の絶対値よりも小さくすることで、両絶対値の関係が反対である場合に比べて、ミラー３０により生じる収差、すなわちミラー２０が小さくすべき収差が小さくなり、ミラー２０の鏡面２１の自由曲面の形が単純なものでよくなる。その結果、両絶対値の関係が反対である場合に比べて、ミラーの取り付け位置の誤差による結像性能の低下が抑えられる。

上記誤差による結像性能の低下の度合いは、公差解析によって比較される。
図７は画像読取装置１の公差解析結果の一例を表す。図７では、横軸がＭＴＦ（解像度は１３ｌｐ／ｍｍ（linepair/mm））を表し、縦軸が画像読取装置１に公差を与えたときの歩留まり率（製造された製品のうち不良品でない製品の割合。単位は％）を表している。図７の例では、ＭＴＦの値と歩留まり率との関係が、９つの原稿の読み取り位置について表されている。画像読取装置１においては、例えばＭＴＦが０．５００未満を不良品とした場合、歩留まり率が概ね１００％となる。

この公差解析結果を、ミラー３０の集光力の絶対値がミラー２０の集光力の絶対値よりも大きくなっている比較例１と比べてみる。
図８は比較例１の画像読取装置の公差解析結果の一例を表す。比較例１の画像読取装置では、ミラー３０の集光力の絶対値がミラー２０の集光力の絶対値よりも大きくなっている。この比較例１においては、上記のようにＭＴＦが０．５００未満を不良品とした場合、歩留まり率が概ね９７％となる。このように、比較例１に比べて、図７で公差解析結果を表した本実施例の画像読取装置１の方が、ミラーの取り付け位置の誤差による結像性能の低下が抑えられる。

また、画像読取装置１においては、光路Ａ１における光軸とミラー３０の鏡面３１の中心位置３２における法線との成す角度が１９度以下となるようにミラー３０が配置されている。この光軸と中心位置の法線とが成す角度を以下では「偏心角度」という。
図９はミラー３０における偏心角度を表す。図９では、ミラー３０の鏡面３１における中心位置３２の法線Ｄ１と、光軸Ｅ１とが表されている。光軸Ｅ１は、図３に表すミラー２０の中心位置２２と中心位置３２とを結ぶ線分Ｅ１１と、中心位置３２とミラー５０の中心位置５２とを結ぶ線分Ｅ１２とによって表される。図９の例では、法線Ｄ１及び線分Ｅ１１が成す偏心角度と、法線Ｄ１及び線分Ｅ１２が成す偏心角度とがいずれもＦ１（Ｆ１は１９度以下の角度）となっている。

鏡面３１のように球面を切り取った凹状の形をした鏡面においては、偏心角度が大きくなるほど収差が大きくなる。図７に表す歩留まり率が得られる画像読取装置１においては、ミラー３０での偏心角度が１７度となるようにミラー３０が設置されている。この偏心角度を例えば２０度にした比較例２においては、歩留まり率が次のように変化する。

図１０は比較例２の画像読取装置の公差解析結果の一例を表す。比較例２の画像読取装置においては、光路Ａ１を通る光のミラー３０での偏心角度が２０度となるようにミラー３０が配置されている。比較例２においては、図７の例のようにＭＴＦが０．５００未満を不良品とした場合、図７の例に比べて原稿の読み取り位置によって歩留まり率のばらつきが大きくなっており、最も歩留まり率が悪い位置では９４％程度になっている。

図１１は偏心角度毎の公差解析結果の一例を表す。図１１の例では、横軸が偏心角度を示し、縦軸が公差を考慮したＭＴＦ（解像度は１３ｌｐ／ｍｍ（linepair/mm））を示している。偏心角度は１５度から２５度まで１度刻みで示されており、１９度以下ではＭＴＦが６０％以上となっているのに対し、２０度を超えるとＭＴＦが低下し続けている。このように、比較例２のようにミラー３０の偏心角度が１９度を超える場合に比べて、図７に表す本実施例の画像読取装置１の方が、ミラーの取り付け位置の誤差による結像性能の低下が抑えられる。

［２］変形例
上述した実施例は本発明の実施の一例に過ぎず、以下のように変形させてもよい。また、実施例及び各変形例は必要に応じて組み合わせて実施してもよい。

［２−１］第１ミラーの鏡面
実施例では第１ミラーの一例であるミラー３０の鏡面が球面を切り取った凹状の形をしていたが、第１ミラーの鏡面の形はこれに限らず、中心位置（鏡面の中心として定められた位置）を含む断面における鏡面がその中心位置を挟んで対称となる凹状の形をしているものであれば球面でなくてもよい。また、第１ミラーの鏡面は中心位置を挟んで対称となっていれば凸状の形をしていてもよい。

また、実施例では、中心位置を含む全ての断面において鏡面が対称となっていたが、これに限らない。例えば少なくとも図２に表す主走査方向Ｂ１に沿った断面において対称となっていれば、第１ミラーの配置が主走査方向Ｂ１に沿ってずれても、実施例のように第１ミラーの取り付けの誤差による結像性能の低下が、第１ミラーの鏡面が自由曲面である場合に比べて抑えられる。このように、本発明は、中心位置を含む断面のうちいずれかの断面において鏡面が中心位置を挟んで対称となっていればよい。

［２−２］第１ミラーの配置
実施例ではミラー３０及びミラー５０がともに中心位置を挟んで対称な鏡面を有していたが、いずれか一方だけがこの対称な鏡面を有し、他方のミラーは自由曲面の鏡面を有していてもよい。この場合、対称な鏡面を有しているミラーが第１ミラーの一例となる。ミラー５０が第１ミラーの一例となった場合、ミラー６０が第２ミラーの一例となる。この場合、絞り４０よりも光路Ａ１の下流側に第１ミラー及び第２ミラーの両方が配置されることになる。

また、実施例では、第１ミラー（ミラー３０）が絞り４０に隣接して配置されていたが、これに限らず、第１ミラーと絞り４０の間に他のミラーが配置されてもよい。その場合でも、第１ミラーの鏡面が自由曲面である場合に比べれば、第１ミラーの取り付けの誤差による結像性能の低下が、第１ミラーの鏡面が自由曲面である場合に比べて抑えられる。ただし、自由曲面のミラーが反射する光の光路が狭いほど、そのミラーの取り付けの誤差による結像性能の低下の度合いが大きくなるため、絞り４０に隣接する位置には自由曲面の鏡面を有するミラーよりも第１ミラーを配置することが望ましい。これにより、第１ミラーよりも第２ミラーの方が絞り４０側に配置される場合に比べて、第１ミラーの取り付けの誤差による結像性能の低下が抑えられる。

［２−３］調整部
画像読取装置においてミラーの位置や角度が調整されるようになっていてもよい。
図１２は本変形例の画像読取装置１ａの全体構成を表す。画像読取装置１ａは、図１に表す各部に加えてミラー調整部７を備える。ミラー調整部７は、例えばユーザの操作に基づいて、ミラーの位置又は角度を調整する。ミラー調整部７は、例えばユーザが操作するレバーに接続される雄ねじと、ミラーに接続される雌ねじとを有し、雄ねじを回転させることで雌ねじの位置が変化してミラーの位置や角度が調整される。

これにより、ミラー調整部７が備えられていない場合に比べて、ミラーの取り付けの誤差が小さくなり、この誤差によって生じていた収差も小さくなる。上記の調整は全てのミラーについて行われることが望ましいが、画像読取装置のサイズやコストのために調整可能なミラーが限られる場合には、取り付けの誤差による結像性能の低下の度合いが大きい自由曲面の鏡面を有するミラー、すなわち上述した第２ミラーや第４ミラーについて上記の調整が行われることが望ましい。

［２−４］ミラーの数
実施例では画像読取装置１が５つのミラーを備えていたが、これに限らず、４つ以下のミラーや６つ以上のミラーを備えていてもよい。画像読取装置は、少なくとも図４に表すような対象な鏡面を有する第１ミラーと、第１ミラーによる収差を小さくする鏡面を有する第２ミラーとを備えていればよい。

［２−５］画像読取の対象
実施例では文字や絵などが描かれた原稿が画像読取の対象であり、画像読取装置はいわゆるスキャナであったが、これに限らない。例えば写真の被写体が画像読取の対象であってもよい。この場合、画像読取装置はいわゆるデジタルカメラである。この場合でも、上述した第１ミラー及び第２ミラーを備えることにより、実施例のように第１ミラーの取り付け位置の誤差による結像性能の低下が抑えられる。

［２−６］原稿又は読取装置の移動
実施例では、原稿、光路形成部及びイメージセンサは固定されて動かない状態で光源部が移動するものとして説明したが、これに限らない。例えば、原稿からの反射光をフルレートキャリッジおよびハーフレートキャリッジにより光路形成部まで導く場合には、光源及びフルレートキャリッジおよびハーフレートキャリッジが移動する。また、光源、光路形成部及びイメージセンサが一体型の場合にはこれらが移動して、原稿は固定されて動かない状態で読み取りが行われる。また、画像読取装置（光源部、光路形成部、イメージセンサ）を固定して動かない状態にして原稿を移動させてもよい。

１…画像読取装置、２…原稿設置部、３…光源部、４…光路形成部、５…イメージセンサ、６…画像処理部、７…ミラー調整部、１０、２０、３０、５０、６０…ミラー、４０…絞り。

Claims (1)

1. 対象物からの光に基づき画像を読み取るセンサと、
   前記光を反射して前記センサまでの光路を形成する鏡面であって、当該鏡面の中心として定められた位置における法線を対称軸としていずれの方向においても線対象となる凸状又は凹状の鏡面を有する第１ミラーと、
   前記光を反射して前記光路を形成する鏡面であって前記第１ミラーによる収差を当該鏡面が平面の場合に比べて小さくする形をした自由曲面の鏡面を有する第２ミラーと
   を備える像読取装置。