JP5750904B2

JP5750904B2 - 画像読取装置

Info

Publication number: JP5750904B2
Application number: JP2011010591A
Authority: JP
Inventors: 武田　高司; 高司武田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2031-01-21
Also published as: JP2012150383A

Description

この発明は、物体の正立像を形成する結像光学素子および結像光学アレイ、ならびに上記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、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（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、読み取り対象物に光を照射する光源部と、読み取り対象物の正立等倍像を結像する結像光学部と、結像光学部で結像された正立等倍像を読み取る光学センサーとを有しており、読み取り対象物に対して結像光学部および光学センサーが直線上に配置されていた。このため、このような構成がイメージスキャナ等の薄型化を図る上で大きな問題となっている。そこで、ＣＩＳモジュール自体の薄型化を図るために、例えば特許文献１に記載されているルーフプリズムレンズアレイを結像光学部として採用することが検討されている。

特開２０００−６６１３４号公報

しかしながら、ルーフプリズムレンズアレイでは、物体側レンズ面と結像側レンズ面が直交配置されるとともに、２つのレンズの光軸を含む平面に対して４５°となるようにルーフプリズムの稜線が配置されている。このように稜線を有する構造を採用したために、結像光学部の複雑化は避けられない。また、読み取り対象物の正立像を良好に得るためには、稜線の位置を高精度に位置決めする必要がある。

この発明にかかるいくつかの態様は、簡素な構成で、しかも高精度な位置合わせを必要とせずに物体の正立像を結像することができる技術を提供することを目的とする。

この発明にかかる画像読取装置は、光源およびライトガイドを有し、光源から射出されてライトガイド中を伝播した光をライトガイドから物体に照射する光源部と、物体から出射される光線が入射される第１レンズ面を有する入射部、光線を出射する第２レンズ面を有する出射部、および入射部と出射部とを互いに角度を持って連結する連結部が透明媒体で一体形成された結像光学素子と、結像光学素子により結像される正立像を読み取る読取部と、光源部のライトガイドおよび結像光学素子を収容するフレームとを備え、結像光学素子は、連結部の外周面に形成されて反射面を構成し、第１レンズ面に入射された入射光線を反射面で反射して第２レンズ面に導光する反射膜を備え、入射部、連結部および出射部のいずれかに物体の中間像を形成するとともに、中間像を結像して物体の正立像を第２レンズ面の出射側に形成し、結像光学素子は、反射面が設けられた部分で曲がる形状を有し、結像光学素子の光軸は反射面で曲がり、フレームでは、結像光学素子の反射面から光の進行方向側の部分と物体との間であって、かつ反射面で曲がる前後それぞれの光軸を含む断面において結像光学素子の反射面から光の進行方向側の部分に対して第１レンズ面の光軸方向に重なるように、ライトガイドが収容されていることを特徴としている。

このように構成された発明（画像読取装置）では、レンズは、第１レンズ面を有する入射部と第２レンズ面を有する出射部とが互いに角度をもって連結部により連結されるように、透明媒体で一体成形されている。これにより、第１レンズ面を介してレンズに入射される光線は連結部に進む。また、この連結部の外周面には反射膜が設けられて反射面を構成し、連結部に進んできた光線は当該反射面で反射されて第２レンズ面に導光される。このように入射光線はレンズ内を進む。そして、入射部、連結部および出射部のいずれかに物体の中間像が形成されるとともに、その中間像が第２レンズ面の出射側に結像されて物体の正立像が形成される。したがって、単一の反射面で入射光線を折り曲げて正立像を結像しているため、ルーフプリズムを用いた特許文献１に記載の結像光学素子に比べて構造が簡素であり、しかも反射面に対して高度な位置精度も要求されることなく、正立像を結像することができる。

ここで、連結部の外周面については、平面形状や曲面形状に有するように構成してもよい。特に、連結部の外周面が平面形状である場合、対称な面形状を有する第１レンズ面と第２レンズ面とにより正立像を結像することで正立等倍像が得られる。また、連結部の外周面が曲面形状を有する場合、反射面が曲面となりパワーを有するため、結像光学素子や結像光学アレイの小型化や結像性能の向上に寄与する。

また、複数の結像光学素子を一体的に配列して結像光学アレイを構成する場合、複数のレンズを一体成形してレンズアレイを形成するとともに、そのレンズアレイを構成する複数の連結部の外周面に対して１つの反射膜を一体的に設けてもよい。

さらに、結像光学アレイを構成する第１レンズ面および第２レンズ面のうち少なくとも一方が、結像光学素子の配列方向と、当該配列方向と直交する直交方向とで異なる面形状を有するように構成するのが望ましい。というのも、配列方向および直交方向で曲率が同じになるようにレンズ面を構成すると、収差が残り、入射光線を結像位置に良好に絞ることができないからである。その結果、ＭＴＦ（Modulation Transfer Function）を改善することが困難であり、結像性能の面で劣る場合がある。これに対し、配列方向および直交方向で曲率を相違させることでＭＴＦの改善を容易に図ることができ、高精度な結像性能が得られる。なお、この点については、連結部の外周面を曲面形状にした場合、つまり反射面が曲面となる場合についても同様であり、配列方向および直交方向で曲率を相違させるのが好ましい。

本発明にかかる画像読取装置の一実施形態であるＣＩＳモジュールを示す部分断面斜視図。入射側アパーチャー部材、レンズアレイおよび出射側アパーチャー部材を示す斜視図。レンズ面と反射面との組み合わせを示す図。図３中の「実施形態１」の一具体例を示す光線図。図４に示す具体例のレンズデータを示す図。レンズ面の面形状を定義する数式を示す図。図６のレンズ面の面形状を与えるデータを示す図。

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モジュールを示す部分断面斜視図である。また、図２は、入射側アパーチャー部材、レンズアレイおよび出射側アパーチャー部材を示す斜視図である。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を読み取り対象物として原稿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方向における原稿ＯＢの読み取り範囲より長く延びる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、出射側アパーチャー部材６、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内にセパレーター２１を配置することで、フレーム２の内部空間が、光源部３を配置するための上方空間と、上方空間の下方に位置する下方空間と、上方空間と下方空間に対して隣接する垂直空間とに区分けされている。そして、それらのうち下方空間と垂直空間とは連通され、Ｘ方向に対して直交するＹ方向と上下方向Ｚとを含む断面（以下「副走査断面」という）において略Ｌ字形状を有する連通空間となっており、入射側アパーチャー部材４、レンズアレイ５、出射側アパーチャー部材６およびセンサー７が配置される。

光源部３は、プリント回路基板８に取り付けられた図示を省略するＬＥＤ（Light Emitting Diode）を光源とし、そのＬＥＤから出射された照明光をライトガイド３１の一方端に与えている。このライトガイド３１は、セパレーター２１の上面で読み取り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、ＬＥＤからの照明光がライトガイド３１の一方端に入射すると、その照明光はライトガイド３１の他方端に向けてライトガイド３１中を伝播する。また、ライトガイド３１のＸ方向各部では、こうして伝播する照明光の一部はライトガイド３１の先端部３２（光出射面）から原稿ガラスＧＬに向けて出射して原稿ガラス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。

その照明光の照射位置の直下位置には、上記した垂直空間が設けられており、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は読み取り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方向に一列で配設されており、それぞれレンズアレイ５に設けられる複数の入射側レンズ面Ｓ１に対する入射側アパーチャーとして機能する。なお、図２においては、複数の入射側アパーチャー４１のうち手前側のみアパーチャー全体を図示しており、その他については入射側アパーチャー４１の上方開口のみを図示している。この点に関しては、後で説明する出射側アパーチャー６１についても同様である。

このレンズアレイ５は、副走査断面（ＹＺ平面）において略Ｌ字形状を有するとともに読み取り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全体がすっぽりと連通空間に挿入可能となっている。より詳しくは、図２に示すように、レンズアレイ５は、上下方向Ｚに延設された入射部５１と、水平方向に延設された出射部５３と、入射部５１と出射部５３とを互いに角度をもたせて、例えばほぼ直交させながら連結する連結部５２とを有しており、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成形されている。

入射部５１の上面には、図２に示すように入射側アパーチャー４１と１対１で対応するように、入射側レンズ面Ｓ１がＸ方向にアパーチャー４１と同一ピッチで、かつ一列で配設されている。このため、原稿ＯＢで反射された光線のうち各入射側アパーチャー４１を通過した光線がそれに対応する入射側レンズ面Ｓ１に入射され、入射側レンズ面Ｓ１により収束されながら入射部５１から連結部５２に進む。

この連結部５２の外周面には反射膜５４が形成されている。この反射膜５４の形成によって連結部５２に反射面Ｓ２が読み取り範囲とほぼ同じ長さだけＸ方向に構成され、入射側レンズ面Ｓ１に入射された入射光線を反射して出射部５３の出射側レンズ面Ｓ３に導光する。反射膜５４としては従来より周知のもの、例えば金属蒸着膜などを採用することができる。なお、本実施形態では、図１および図２に示すように、入射側レンズ面Ｓ１、反射面Ｓ２および出射側レンズ面Ｓ３で構成される結像光学系の光軸に沿った、入射部５１の長さは出射部５３の長さよりも大幅に短く、入射光線は反射膜５４で反射された後、出射部５３内で集光されて原稿ＯＢの中間像が形成される。

この出射部５３の反連結部側の端面に、出射側レンズ面Ｓ３が入射側レンズ面Ｓ１と同数個で、かつ同一ピッチでＸ方向に一列で配設されている。また、出射部５３の反連結部側（図１および図２中の右手側）では、レンズアレイ５とセンサー７とに挟まれるように出射側アパーチャー部材６が下方空間内、つまりライトガイド３１の直下位置に配置されている。この出射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、読み取り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方向に一列で配設されており、それぞれ出射側レンズ面Ｓ３に対する出射側アパーチャーとして機能する。このため、それらの出射側レンズ面Ｓ３はそれぞれ対応する中間像をセンサー７のセンサー面７１（図４参照）上に結像して原稿ＯＢの正立像を形成している。

センサー７は、図１に示すように、ＬＥＤが搭載されたプリント回路基板８に取り付けられており、原稿ＯＢの正立像を読み取り、その正立像に関連する信号を出力する。

以上のように、本実施形態では、入射側レンズ面Ｓ１を介してレンズアレイ５に入射される光線は連結部５２に進み、反射面Ｓ２で反射されて出射側レンズ面Ｓ３に導光されて出射部５３内に原稿ＯＢの倒立像が中間像として形成される。そして、その中間像の倒立像が出射側レンズ面Ｓ３によりセンサー７のセンサー面７１に形成される。こうして原稿ＯＢの正立像をセンサー７により読み取られる。このように、単一の反射面Ｓ２で入射光線を折り曲げて正立像を結像しているため、ルーフプリズムを用いた特許文献１に記載の結像光学素子に比べて構造が簡素で、しかも同ルーフプリズムで必須となっていた稜線や反射部材に対する高度な位置合わせも要求されることなく、正立像を結像することができる。

また、反射膜５４が蒸着されて反射面Ｓ２が設けられる連結部５２は入射部５１および出射部５３と一体的に形成されているため、入射レンズ面Ｓ１、反射面Ｓ２および出射側レンズ面Ｓ３の相対的な位置関係を高精度に設定することができる。また、部品点数が少なく、組立性にも優れている。

また、本実施形態では、結像光学系の光軸に沿った、入射部５１の長さを出射部５３の長さよりも大幅に短くしているため、上下方向ＺにおいてＣＩＳモジュール１を薄型化することができ、その結果、当該ＣＩＳモジュール１を装備するイメージスキャナ、ファクシミリ、複写機などのモジュール搭載装置の小型化を図ることができる。

このように構成された実施形態では、センサー７が本発明の「読取部」に相当している。また、入射側レンズ面Ｓ１、反射面Ｓ２および出射側レンズ面Ｓ３がそれぞれ本発明の「第１レンズ面」、「反射面」および「第２レンズ面」に相当する。これらのうちレンズ面Ｓ１、Ｓ３の面形状については任意であるが、配列方向Ｘとそれと直交する直交方向Ｙとで異なる面形状を有するように構成するのが望ましい。というのも、ＭＴＦの改善を図って結像性能を高めるためである。この点については、次に説明するように曲面に形成された反射面Ｓ２の場合も同様である。

また、反射面Ｓ２は連結部５２の外周面に形成されるため、連結部５２の外周面を平面形状に仕上げると反射面Ｓ２は平面となり一方、曲面形状に仕上げると反射面Ｓ２は曲面（凹面）となり、パワーを有することとなる。反射面Ｓ２の形状については、特に限定されるものではなく、平面および曲面のいずれを用いてもよいが、反射面Ｓ２が平面か曲面かに応じて入射側レンズ面Ｓ１および出射側レンズ面Ｓ３を図３に示すように設定してもよい。

図３はレンズ面と反射面との組み合わせを示す図である。同図中の「実施形態１」に示すように、反射面Ｓ２を平面とする場合、入射側レンズ面Ｓ１および出射側レンズ面Ｓ３をともに非球面とすることができ、互いに対称な面形状とすると、正立等倍像が得られる。また、反射面Ｓ２が平面であることから、反射面Ｓ２による解像度の低下を排除することができる。

また、同図中の「実施形態２」に示すように、入射側レンズ面Ｓ１および出射側レンズ面Ｓ３をともに自由曲面としてもよい。この「自由曲面」とは、単純な計算式で定義できない形状を有する曲面を意味している。この場合、反射面Ｓ２が平面であることから、「実施形態１」と同様に反射面Ｓ２による解像度の低下を排除することができるが、さらにレンズ面Ｓ１、Ｓ３を自由曲面としたことで、「実施形態１」に比べて収差などを抑制しながら正立等倍像を形成することが可能となる。

また、同図中の「実施形態３」ないし「実施形態５」に示すように、反射面Ｓ２を凹面で構成してもよく、この場合、反射面Ｓ２はパワーを有することとなり、レンズアレイ５の小型化が可能となる。ただし、反射面Ｓ２を曲面とすることで、解像度の低下を招くおそれがある。そこで、「実施形態３」では、レンズ面Ｓ１、Ｓ３を自由曲面とすることで解像度の改善を図っている。

また、「実施形態４」では、レンズ面Ｓ１、Ｓ３を非球面としながらも、反射面Ｓ２を自由曲面とすることで解像度の低下を改善している。また、自由曲面とすることで反射面Ｓ２での色収差の発生を抑制することができるため、設計自由度が高く、「実施形態３」に比べて解像度の低下および色収差を抑制することが可能となっている。

さらに、「実施形態５」では、レンズ面Ｓ１、Ｓ３および反射面Ｓ２をすべて自由曲面としているため、図３に示す実施形態中、最も設計自由度が高く、解像度を最も良好にすることができる。

なお、本発明は上記した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以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態では、複数のレンズ面Ｓ１を含む入射部５１、連結部５２および複数のレンズ面Ｓ３を含む出射部５３を一体的に成型した後で、１つの反射膜５４を連結部５２の外周面に設けることでレンズアレイ５を製造しているが、レンズアレイ５の製造方法はこれに限定されるものではなく、例えば次のように構成してもよい。すなわち、１つのレンズ面Ｓ１を含む入射部５１、連結部５２および１つのレンズ面Ｓ３を含む出射部５３を一体的に成型した後で、１つの反射膜５４を複数の連結部５２の外周面に一体的に設けることでレンズアレイ５を構成してもよい。

また、上記実施形態では、１つのレンズ面Ｓ１を含む入射部、連結部および１つのレンズ面Ｓ３を含む出射部を透明媒体により一体化したレンズと、連結部の外周面に設けられた反射膜とを備える結像光学素子を複数個Ｘ方向に一体化しているが、当該結像光学素子を複数個、Ｘ方向に配列してレンズアレイ５を構成してもよい。

次に本発明の実施例を示すが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。

図４〜図７は図３中の「実施形態１」の一具体例を示す図である。図４は図３中の「実施形態１」の一具体例を示す光線図である。また、図５は図４に示す具体例のレンズデータを示す図である。また、図６はレンズ面の面形状を定義する数式を示す図である。さらに、図７は図６のレンズ面の面形状を与えるデータを示す図である。

これらの図面から判るように、面Ｓ１はレンズアレイ５の入射側レンズ面であり、非球面形状に仕上げられている。また、面Ｓ２は平面形状の反射面である。さらに、面Ｓ３はレンズアレイ５の出射側レンズ面であり、面Ｓ１と対称形状を有している。

このように構成された実施形態１では、図４に示すように、原稿ＯＢで反射された光線のうち各入射側アパーチャー４１（図２）を通過して入射側レンズ面Ｓ１に入射した光線はレンズ面Ｓ１により反射面Ｓ２とレンズ面Ｓ３１との間、つまり出射部５３内の位置ＩＭＰで集光されて原稿ＯＢの倒立像が中間像として形成される。そして、中間像から出射される光線がレンズ面Ｓ３によってセンサー面７１に集光されて中間像の倒立像、つまり原稿ＯＢの正立像がほぼ等倍で形成される。このように「実施形態１」のレンズアレイ５によれば、簡素な構成で、しかも高精度な位置合わせを必要とせずに原稿ＯＢの正立像を結像することができる。

１…ＣＩＳモジュール（画像読取装置）、３…光源部、５…レンズアレイ、７…センサー（読取部）、５１…入射部、５２…連結部、５３…出射部、５４…反射膜、ＯＢ…原稿、Ｓ１…入射側レンズ面（第１レンズ面）、Ｓ２…反射面、Ｓ３…出射側レンズ面（第２レンズ面）、Ｘ…配列方向、Ｙ…直交方向、Ｚ…上下方向

Claims

光源およびライトガイドを有し、前記光源から射出されて前記ライトガイド中を伝播した光を前記ライトガイドから物体に照射する光源部と、
前記物体から出射される光線が入射される第１レンズ面を有する入射部、光線を出射する第２レンズ面を有する出射部、および前記入射部と前記出射部とを互いに角度を持って連結する連結部が透明媒体で一体形成された結像光学素子と、
前記結像光学素子により結像される正立像を読み取る読取部と、
前記光源部の前記ライトガイドおよび前記結像光学素子を収容するフレームと
を備え、
前記結像光学素子は、前記連結部の外周面に形成されて反射面を構成し、前記第１レンズ面に入射された入射光線を前記反射面で反射して前記第２レンズ面に導光する反射膜を備え、前記入射部、前記連結部および前記出射部のいずれかに前記物体の中間像を形成するとともに、前記中間像を結像して前記物体の正立像を前記第２レンズ面の出射側に形成し、
前記結像光学素子は、前記反射面が設けられた部分で曲がる形状を有し、前記結像光学素子の光軸は前記反射面で曲がり、
前記フレームでは、前記結像光学素子の前記反射面から光の進行方向側の部分と前記物体との間であって、かつ前記反射面で曲がる前後それぞれの光軸を含む断面において前記結像光学素子の前記反射面から光の進行方向側の部分に対して前記第１レンズ面の光軸方向に重なるように、前記ライトガイドが収容されていることを特徴とする画像読取装置。
前記連結部の外周面は平面形状を有するとともに、前記第１レンズ面と前記第２レンズ面とは互いに対称な面形状を有し、前記結像光学素子は等倍で前記物体の正立像を結像する請求項１に記載の画像読取装置。
前記連結部の外周面は曲面形状を有する請求項１に記載の画像読取装置。
前記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請求項１ないし３のいずれか一項に記載の画像読取装置。
前記複数のレンズを一体成形してレンズアレイが形成され、
１つの前記反射膜が前記複数の連結部の外周面に一体的に設けられる請求項４に記載の画像読取装置。
前記第１レンズ面および前記第２レンズ面のうち少なくとも一方は、前記結像光学素子が配列される配列方向と前記配列方向と直交する直交方向とで異なる面形状を有する請求項４または５に記載の画像読取装置。