JP5754142B2

JP5754142B2 - 画像読取装置

Info

Publication number: JP5754142B2
Application number: JP2011010592A
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: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2031-01-21
Also published as: JP2012150384A

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、結像光学部と光学センサーとの配置関係が固定化されていた。このことが光学センサーの配設自由度を低下させる主要因のひとつとなっていた。そこで、例えば特許文献１に記載されたように、ルーフプリズムレンズアレイの結像側に反射部材を配置することで結像側光軸を折り曲げて光学センサーを配設可能な位置範囲を大幅に広げることが提案されている。

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とともに反射部材との相対位置関係を高精度に調整する必要がある。さらに、結像光学部以外に反射部材を設けたことで装置コストが増大するのはもちろんのこと、結像光学部の結像側レンズ面と反射部材との間で光損失が発生し、明るい正立像が得られないという問題も存在する。

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明るい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入射側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連結するとともに入射側レンズ面に入射された入射光線を全反射させて第２レンズ面に導光する全反射面を有する連結部が透明媒体で一体成形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、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、全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全反射面で曲がり、フレームでは、結像光学素子の全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、かつ全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全反射面から光の進行方向側の部分に対して入射側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、結像光学素子は、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。また、連結部には全反射面が設けられ、この全反射面によって第１レンズ面を介してレンズに入射される光線が全反射されて第２レンズ面に導光される。このように入射光線は結像光学素子内で折り曲げられながら結像光学素子内を進む。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、光損失を抑えて明るい正立像を結像可能であり、全反射面での全反射条件が満足される範囲内で正立像の結像位置を広範囲に設定可能となっている。また、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、しかも同結像光学素子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。

ここで、連結部の全反射面については、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、全反射面が平面形状である場合、互いに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を得るように構成してもよい。また、全反射面が曲面形状を有してパワーを有する場合、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、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８Ａ、８Ｂ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。これらのうち下方空間は垂直空間側（図１中の左手側）から反垂直空間側（図１中の右手側）、つまりＹ方向に進むにしたがって下方に傾斜するように形成されている。また、この下方空間は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）において略逆へ字形状（狭角を鈍角にした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、センサー７およびプリント回路基板８Ｂが配置される。

光源部３は、プリント回路基板８Ａ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）において略逆へ字形状（狭角を鈍角にした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に対して出射部５３を傾斜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。より詳しくは、図２に示すように、入射部５１は上下方向Ｚに延設されるのに対し、出射部５３は入射部５１の下端部側からＹ方向に進むにしたがって下方に下るように傾斜している。このように構成している理由は入射光を連結部５２で全反射させるためであるが、それについては後で詳述する。

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、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は、入射部５１に対して出射部５３が傾斜するように連結しており、入射部５１側の光軸と出射側レンズ面Ｓ３側の光軸とのなす角度は９０゜を超えている。しかも、連結部５２の外周面の各部は、入射部５１を介して当該部分に導光される光線の入射角θが臨界角以上となるように設計されており、その結果、入射光線の全部が連結部５２の外周面で全反射される。このため、入射側レンズ面Ｓ１に入射された入射光線は、連結部５２から出ることなく、連結部５２での反射による光量減少を抑制しながら出射部５３の出射側レンズ面Ｓ３に導光することができる。このように連結部５２の外周面が全反射面Ｓ２となっている。

ここで、連結部５２により入射光線を反射して出射部５３の出射側レンズ面Ｓ３に導光するのみであれば、連結部５２の外周面に反射膜を設けてもよい。ただし、この場合、入射光線は一度連結部５２の外周面から出て反射膜の表面で反射されるため、光損失は避けられないのに対し、全反射させることで光損失を抑制することができる。また、反射膜が不要となる分だけレンズアレイ５の低コスト化などを図ることができ、好適である。

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、全反射面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、入射光線は連結部５２の外周面で全反射された後、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（図１および図２の右手側）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８Ａとは異なる別のプリント回路基板８Ｂ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、連結部５２が入射側レンズ面Ｓ１を有する入射部５１と出射側レンズ面Ｓ３を有する出射部５３とを連結するように透明媒体で一体成形されている。また、連結部５２には全反射面Ｓ２が設けられ、この全反射面Ｓ２によって入射側レンズ面Ｓ１を介してレンズアレイ５に入射される光線が全反射されて出射側レンズ面Ｓ３に導光される。このように入射光線はレンズアレイ５内で折り曲げられながらレンズアレイ５内を進む。入射側レンズ面Ｓ１を介してレンズアレイ５に入射される光線が全反射面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。したがって、光損失を抑えて明るい正立像を結像可能となっている。また、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、レンズアレイ５を構成する入射部５１、連結部５２および出射部５３を一体的に成型するために、入射レンズ面Ｓ１、全反射面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。

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および出射側レンズ面Ｓ３がそれぞれ本発明の「入射側レンズ面」および「第２レンズ面」に相当する。これらレンズ面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全反射面Ｓ２の場合も同様である。

また、全反射面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全反射面Ｓ２は平面となり一方、曲面形状に仕上げると全反射面Ｓ２は曲面（凹面）となり、パワーを有することとなる。全反射面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、全反射面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、全反射面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、ほぼ同一形状に形成する（ただし、両レンズ面は対称配置される）と、正立等倍像が得られる。また、全反射面Ｓ２が平面であることから、全反射面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、全反射面Ｓ２が平面であることから、「実施形態１」と同様に全反射面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、全反射面Ｓ２を凹面で構成してもよく、この場合、全反射面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、全反射面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、全反射面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全反射面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および全反射面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、１つのレンズ面Ｓ１を含む入射部、全反射面Ｓ２を含む連結部および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結像光学素子を複数個Ｘ方向に一体化しているが、複数の結像光学素子を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は平面形状の全反射面であり、図４の破線部分に示すように、全反射面Ｓ２に入射される光線の入射角のうち最も小さな入射角θminが臨界角θよりも大きくなるように構成されている。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により全反射面Ｓ２とセンサー面７１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、ＯＢ…原稿、Ｓ１…入射側レンズ面、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入射側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連結するとともに前記入射側レンズ面に入射された入射光線を全反射させて前記第２レンズ面に導光する全反射面を有する連結部が透明媒体で一体成形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、前記全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全反射面で曲がり、
前記フレームでは、前記結像光学素子の前記全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、かつ前記全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全反射面から光の進行方向側の部分に対して前記入射側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。
前記全反射面は平面形状を有するとともに、前記入射側レンズ面と前記第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。
前記全反射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。
前記入射側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に記載の画像読取装置。