JP6112977B2

JP6112977B2 - ロッドレンズアレイ及びイメージセンサー

Info

Publication number: JP6112977B2
Application number: JP2013117347A
Authority: JP
Inventors: 有一加賀美; 浩二荻野
Original assignee: Nisca Corp
Current assignee: Nisca Corp
Priority date: 2013-06-03
Filing date: 2013-06-03
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2033-06-03
Also published as: JP2014235348A

Description

本発明は、イメージスキャナー等の様々な光学デバイスにおいてイメージセンサーに使用されるロッドレンズアレイ、及びこれを組み込んだイメージセンサーに関する。

従来より、ファクシミリ、複写機、イメージスキャナー、プリンター等の光学デバイスには、原稿の画像を光学的に読み取って電気信号に変換するために、等倍結像光学系の密着型イメージセンサー（ＣＩＳ）が広く使用されている。密着型イメージセンサーは、２枚の基板の間に多数の円柱状のロッドレンズを、それらの中心軸を互いに平行にして１列又は２列以上に配列したロッドレンズアレイを備える（例えば、特許文献１を参照）。

ロッドレンズは、その中心軸から外周に向けて屈折率が連続的に低くなる屈折率分布を持つように設計される。ロッドレンズは当初、ロッド状のガラス材料を紡糸成形し、イオン交換処理又は陽イオンの熱相互交換により屈折率分布を付与して製造されるガラス製レンズが主流であった（例えば、特許文献２を参照）。

現在は、比較的低コストで、屈折率分布を精密に制御できるプラスチック製ロッドレンズが多く採用されている（例えば、特許文献３を参照）。

特開２０１２−２４４３４４号公報特開平１０−１３９４７２号公報特開２０１２−７８７５０号公報

基本的に、上記光学デバイスには小型化の強い要求があり、同様に密着型イメージセンサーも、原稿等の被写体と像との距離即ち結像距離を短くして小型化を図ることが要求されている。他方、密着型イメージセンサーは、原稿の浮き等によって原稿面とロッドレンズとの距離が多少変動しても鮮明な画像を読み取れるように、ロッドレンズの焦点深度をできるだけ深く設定することが必要である。

図５は、正立等倍結像系における従来のロッドレンズの結像を模式的に示している。同図において、ロッドレンズ１は、半径ｒ₀一定、レンズ長Ｚ₀の円柱状レンズで、その入射端及び出射端に平坦に研磨された入射面２及び出射面３を有する。ロッドレンズ１は、その屈折率が中心軸における屈折率Ｎ1から半径方向に向けて連続的に低下している。原稿面４上の点像Ｐ0から出た光は、ロッドレンズ１の入射面２から入射して、該ロッドレンズ内を光軸方向に一定の周期で蛇行して進み、出射面３から出射して、受光素子の受光面５上に点像Ｉ0を結像する。ここで、点像Ｐ0と入射面２との距離即ち作動距離Ｌ0は、点像Ｉ0と出射面３との距離に等しい。

ロッドレンズ１の焦点深度は、開口数に反比例し、開口数は、中心の屈折率Ｎ1、屈折率分布定数、及びレンズ半径ｒ₀に比例する。従って、中心の屈折率Ｎ1及び屈折率分布定数が一定の場合、焦点深度を深くするためには、レンズ半径ｒ₀を小さくしなければならない。しかし、レンズ半径ｒ₀を小さくすると、ロッドレンズアレイの作製上取り扱いや加工が難しくなるだけでなく、ロッドレンズ１の明るさが開口数の２乗に比例して急激に低下するため、画像の読み取り性能が低下する虞がある。

また、ロッドレンズ１の作動距離Ｌ0は、レンズ長Ｚ₀に対し正接に変化し、中心の屈折率Ｎ1及び屈折率分布定数の平方に反比例する。そのため、中心の屈折率Ｎ1及びレンズ半径ｒ₀を一定にして、屈折率分布定数を小さくすると、レンズ長Ｚ₀が一定の場合、作動距離Ｌ0が長くなる。その結果、ロッドレンズ１の共役長（物像間距離＝Ｚ₀＋２Ｌ0）が長くなり、光学系全体の長さが長くなるので、ロッドレンズアレイ及びこれを備えたイメージセンサーの小型化を図ることはできない。そこで、レンズ長Ｚ₀を短くして、作動距離Ｌ0を長くしないようにすると、ロッドレンズ１の視野半径が小さくなる。そのため、周期的な光量むらを発生させる虞があるので、好ましくない。

そこで、本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされてもので、その目的は、密着型イメージセンサーにおいて、画像の読み取り性能を低下させることなく、焦点深度を深く設定しながら、光学系の全長をより短くできるロッドレンズアレイを提供することにある。

更に、本発明の目的は、そのようなロッドレンズアレイを備えることによって、より一層の小型化を実現し得る密着型イメージセンサーを提供することにある。

本発明によれば、屈折率がその中心軸から外周に向けて連続的に低下する屈折率分布を有する複数の柱状のロッドレンズを、それらの中心軸を平行にして少なくとも１列に配列したロッドレンズアレイであって、前記各ロッドレンズが、それぞれ光軸方向に沿って入射側端部領域の中心屈折率と出射側端部領域の中心屈折率とが等しく、かつ中間領域の中心屈折率が前記両端部領域の中心屈折率より高くなる屈折率の分布特性を有するロッドレンズアレイが提供される。

このようにロッドレンズの光軸方向に屈折率分布を付与することによって、光が中間領域では両端部領域よりも短い周期で蛇行して進むことになるので、光路長が実質的に長くなり、屈折率が光軸方向に一定である従来のロッドレンズに比して、ロッドレンズの光軸方向のレンズ長を短くすることができる。従って、焦点深度を深く設定しながら、画像の読み取り性能を低下させることなく、光学系の全長を従来より短くすることができる。

また、本発明によれば、上述した本発明のロッドレンズアレイと、前記ロッドレンズアレイの各ロッドレンズにより結像される画像を受光する受光センサーとを備えるイメージセンサーが提供される。これにより、焦点深度が深く、優れた画像の読み取り性能を有する密着型イメージセンサーの小型化を実現することができる。

図１は、本発明のイメージセンサーを搭載したイメージスキャナーの概略斜視図である。図２は、本発明のイメージセンサーを模式的に示す分解斜視図である。図３は、本発明のロッドレンズアレイを模式的に示す一部破砕斜視図である。図４は、本発明によるロッドレンズの結像を説明する図である。図５は、従来のロッドレンズの結像を説明する図である。

以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施態様について詳細に説明する。

図１は、本発明による好適な本実施態様のイメージセンサーを搭載したイメージスキャナーの概略斜視図である。本実施例のイメージスキャナー１０は、フラットベッド方式の画像読取装置であり、概ね矩形箱型の本体部１１と、前記本体部にその一端で図示しないヒンジにより開閉自在に取り付けられたプラテンカバー１２とを備える。

本体部１１は、その上面に固定された大型矩形の透明ガラス板からなるプラテンガラス１３と、本発明による密着型イメージセンサーユニット１４とを備える。プラテンガラス１３の上には、読み取り対象の原稿がその原稿面を下向きにして載置され、プラテンカバー１２を閉じて、その内面に設けた押圧部材１２ａによって、前記原稿面をプラテンガラス上面に密接させる。

イメージセンサーユニット１４は、プラテンガラス１３の直ぐ下側に配置され、その入射面が前記プラテンガラスの下面に密接するように、保持部材１５によって保持されている。前記原稿の読み取り時、前記イメージセンサーユニットは、駆動モーター１６によりワイヤー１７等を介して駆動され、スライドシャフト１８に沿って原稿の読取方向即ち副走査方向に移動する。

図２は、本実施態様のイメージセンサーユニット１４の基本的な構成を模式的に示している。イメージセンサーユニット１４は、光源１９と、本発明によるロッドレンズアレイ２０と、受光センサー２１とを備える。受光センサー２１は、センサー基板２２上に実装された多数の光電変換素子２３を有する。ロッドレンズアレイ２０は、その下端の出射面を前記光電変換素子に整合させて、受光センサー２１に一体に装着されている。光源１９から照射された光は、原稿２４の原稿面で反射されてロッドレンズアレイ２０上端の入射面に入射し、前記出射面から出射されて光電変換素子２３に結像する。

図３は、本実施態様のロッドレンズアレイ２０の構成を模式的に示している。ロッドレンズアレイ２０は、多数のロッドレンズ２５を２枚の基板２６，２７とスペーサー２８，２９との間に、前記各ロッドレンズの中心軸が互いに平行となるように配列した１つのロッドレンズ列を備える。本実施態様の線走査用ロッドレンズアレイ２０において、前記ロッドレンズ列は、イメージセンサーユニット１４の主走査方向に沿って配列される。ロッドレンズ２５と基板２６，２７及びスペーサー２８，２９との隙間は、例えば熱硬化性の黒色シリコン樹脂３０が充填され、それにより前記ロッドレンズを接着固定している。

本実施態様において、隣接するロッドレンズ同士２５は互いに密接するように配置されているが、別の実施例では、一定の隙間を空けて配置することもできる。また、前記ロッドレンズ列は、２列又はそれ以上の複数列に配列することもできる。

ロッドレンズ２５は、中心軸即ち光軸に沿って半径ｒ1の一様な円形断面を有し、前記光軸に直交する両端面を平坦に研磨した円柱状レンズである。各ロッドレンズ２５は、その屈折率が中心軸から外周に向けて連続的に低下する屈折率分布を有する。更に、本実施態様のロッドレンズ２５は、その屈折率が光軸方向に沿って連続的に変化する屈折率の分布特性を有する。

図４に示すように、ロッドレンズ２５は、光軸方向に沿って入射側の端部領域Ｘ1と出射側の端部領域Ｘ2とが、中心軸の屈折率即ち中心屈折率が互いにＮ1で等しい同じ屈折率分布Ｑ1を有する。これに対し、それらの間の中間領域Ｘ3は、中心屈折率Ｎ2がＮ1より大きく、入射側及び出射側端部領域Ｘ1、Ｘ2とは異なる屈折率分布Ｑ2を有するように設計されている。これにより、原稿面２４ａ上の点像Ｐ1から反射された光は、ロッドレンズ２５の入射面２５ａから入射側端部領域Ｘ1を屈折率分布Ｑ1に従って蛇行して進み、中間領域Ｘ3に入ると、光は屈折率分布Ｑ2に従って蛇行して進む。更に、出射側端部領域Ｘ2を最初の屈折率分布Ｑ1に従って蛇行して進み、出射面２５ｂから出射して光電変換素子２３の受光面２３ａに点像Ｉ1を結像する。

光軸方向の屈折率分布は、入射側及び出射側端部領域Ｘ1、Ｘ2と中間領域Ｘ3との間で屈折率が漸次変化するように設定することができる。別の実施例では、屈折率が入射側及び出射側端部領域Ｘ1、Ｘ2と中間領域Ｘ3との間で急峻に変化するように設定することができる。また、中間領域Ｘ3において、屈折率が光軸方向に沿って連続的に変化するように設定することができる。その場合、最大となる中心屈折率Ｎ2が、必ずしもロッドレンズ２５の光軸方向中央位置でなくてもよい。

上述したように光軸方向の屈折率分布を付与することによって、入射側端部領域Ｘ1及び出射側端部領域Ｘ2を光軸方向に蛇行する光の周期は等しい。これに対し、中間領域Ｘ3を光軸方向に蛇行する光の周期は、入射側及び出射側端部領域Ｘ1、Ｘ2よりも短くなる。ここで、点像Ｐ1と入射面２５ａとの距離即ち作動距離Ｌ1は、点像Ｉ1と出射面２５ｂとの距離に等しい。

これを図５の従来のロッドレンズ１と比較する。両ロッドレンズ１，２５は、そのレンズ半径ｒ0、ｒ1が同一で、焦点深度が同じである、即ち作動距離Ｌ0、Ｌ1が等しいと仮定する。本発明のロッドレンズ２５は、中間領域Ｘ3の長さが、従来のロッドレンズ１の対応する中間領域よりも短くなるので、その分、レンズ長Ｚ1が従来のロッドレンズ１のレンズ長Ｚ0よりも短くなる。その結果、ロッドレンズ２５は、同じ焦点深度を維持しつつ、その共役長（＝Ｚ_１＋２Ｌ1）が従来のロッドレンズ１よりも短くなるので、ロッドレンズアレイ２０及びイメージセンサー１４の小型化を図ることができる。また、レンズ半径が同一であるから、画像の読み取り性能が低下する虞は無い。

ロッドレンズ２５は、従来技術を利用して製造することができる。例えば、ゲルマニウムドープ石英ガラス材料で製造する場合、屈折率分布を付与するために照射する紫外光の強度を光軸方向に沿って変化させることによって、光軸方向に異なる屈折率分布を付与しえることが知られている。また、プラスチック材料の場合、高分子材料に照射するレーザ光の集光領域を調節することによって、光軸方向に屈折率を変化させ得ることが知られている。

また、上記実施態様では、ロッドレンズを一様な円形断面の円柱状に形成したが、軸線方向に沿って断面の大きさや形状を変化させることもできる。また、本発明のロッドレンズは、例えば多角形や十字形など、円形以外の様々な断面形状に形成することができる。

以上、本発明を好適な実施態様に関連して説明したが、本発明は上記実施態様に限定されるものでなく、その技術的範囲において、様々な変更又は変形を加えて実施し得ることは言うまでもない。

１０イメージスキャナー
１１本体部
１２プラテンカバー
１４イメージセンサーユニット
１９光源
２０ロッドレンズアレイ
２１受光センサー
２２センサー基板
２３光電変換素子
２４ａ原稿面
２５ロッドレンズ
２６、２７基板
２８、２９スペーサー

Claims

屈折率がその中心軸から外周に向けて連続的に低下する屈折率分布を有する複数の柱状のロッドレンズを、それらの中心軸を平行にして少なくとも１列に配列したロッドレンズアレイであって、
前記各ロッドレンズが、それぞれ光軸方向に沿って入射側端部領域の中心屈折率と出射側端部領域の中心屈折率とが等しく、かつ中間領域の中心屈折率が前記両端部領域の中心屈折率より高くなる屈折率の分布特性を有するロッドレンズアレイ。
請求項１に記載のロッドレンズアレイと、前記ロッドレンズアレイの各ロッドレンズにより結像される画像を受光する受光センサーとを備えるイメージセンサー。