JP6268899B2 - 画像読取装置及び画像読取光学系 - Google Patents
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Description
0.2 < φ1×f < 0.9
0.6×10−4(1/mm2) < φ1/X < 2.4×10−4(1/mm2)
なる条件を満足する読取光学系が存在する(特許文献1参照)。
請求項2に記載の発明は、予め定められた主走査方向に複数の受光素子を並べて構成された受光部と、原稿によって反射された光が前記受光部に向かって通過する光路上の当該原稿側に設けられ、反射面が円筒面又は球面で構成されて前記主走査方向に正のパワーを有する第1の反射鏡と、前記光路上において、前記第1の反射鏡より前記受光部側に設けられ、当該第1の反射鏡によって反射された光が入射する、反射面が自由曲面で構成されて前記主走査方向に正のパワーを有する第2の反射鏡と、前記光路上において、前記第2の反射鏡より前記受光部側に設けられ、当該第2の反射鏡によって反射された光が入射する、反射面が自由曲面で構成されて前記主走査方向に負のパワーを有する第3の反射鏡と、前記光路上において、前記第3の反射鏡より前記受光部側に設けられ、当該第3の反射鏡によって反射された光が入射する、反射面が自由曲面で構成されて前記主走査方向に正のパワーを有する第4の反射鏡と、を備えることを特徴とする画像読取装置である。
請求項3に記載の発明は、前記受光部の像側をテレセントリックとなるようにしたことを特徴とする請求項1又は2に記載の画像読取装置である。
請求項4に記載の発明は、原稿によって反射された光が受光部に向かって通過する光路上に設けられ、反射面が円筒面又は球面で構成されて予め定められた方向に正のパワーを有する第1の反射鏡と、前記光路上において、前記第1の反射鏡より前記受光部側に設けられ、当該第1の反射鏡によって反射された光が入射する、反射面が自由曲面で構成されて前記方向に負のパワーを有する第2の反射鏡と、前記光路上において、前記第2の反射鏡より前記受光部側に設けられ、当該第2の反射鏡によって反射された光が入射する、反射面が自由曲面で構成されて前記方向に正のパワーを有する第3の反射鏡と、前記光路上において、前記第3の反射鏡より前記受光部側に設けられ、当該第3の反射鏡によって反射された光が入射する、反射面が自由曲面で構成されて前記方向に正のパワーを有する第4の反射鏡と、を備えることを特徴とする画像読取光学系である。
請求項5に記載の発明は、原稿によって反射された光が受光部に向かって通過する光路上に設けられ、反射面が円筒面又は球面で構成されて予め定められた方向に正のパワーを有する第1の反射鏡と、前記光路上において、前記第1の反射鏡より前記受光部側に設けられ、当該第1の反射鏡によって反射された光が入射する、反射面が自由曲面で構成されて前記方向に正のパワーを有する第2の反射鏡と、前記光路上において、前記第2の反射鏡より前記受光部側に設けられ、当該第2の反射鏡によって反射された光が入射する、反射面が自由曲面で構成されて前記方向に負のパワーを有する第3の反射鏡と、前記光路上において、前記第3の反射鏡より前記受光部側に設けられ、当該第3の反射鏡によって反射された光が入射する、反射面が自由曲面で構成されて前記方向に正のパワーを有する第4の反射鏡と、を備えることを特徴とする画像読取光学系である。
請求項3の発明によれば、本構成を備えない場合に比べ、受光部においてより正確に原稿上の画像情報を読み取ることができる。
請求項4、5の発明によれば、本構成を備えない場合に比べ、光路長を増加させることなく原稿上の画像情報をより正確に読み取ることができる。
(画像読取装置)
図1は、本実施の形態が適用される画像読取装置1の一例を示す図である。ここでは、キャリッジ一体型の走査方式の画像読取装置1を例に挙げて説明する。図1に示す画像読取装置1は、原稿30上に形成された画像(原稿30)を読み取るキャリッジ10と、原稿30を保持するとともに、原稿30に与えられる照明光及び原稿30からの反射光が透過するカバーガラス20と、キャリッジ10を走査しつつ原稿30上の画像から画像情報を読み取る制御を行う制御部40とを備えている。制御部40は記憶部材(メモリ)を備え、原稿30上の画像から読み込んだ画像情報をデータ(画像データ)として蓄積する。
原稿30とキャリッジ10とは、カバーガラス20を挟んで対向するように配置されている。図1に示すように、キャリッジ10が下方で、原稿30が上方に配置される場合には、原稿30は画像が形成された面を下側として、カバーガラス20の上側の表面(上面)に配置される。
一方、キャリッジ10は、カバーガラス20と予め定められた距離を維持しつつ、Y方向(図1において左右方向)に移動するように構成されている。なお、Y方向が副走査方向、Y方向と直交するX方向(図1において紙面に垂直な方向)が主走査方向である。
ここでは、3枚の平面ミラー300を用いているが、原稿30からの反射光が読取部100に導光できればよく、平面ミラー300の数は3枚未満であってもよく、3枚を超えてもよい。なお、平面ミラー300は、画像情報の倍率を変化させない。
自由曲面ミラーとは、平面、円筒面、球面で表現できない曲面で構成された反射面を有するミラーをいう。
すなわち、原稿30からの反射光が、シリンダーミラー110、第1自由曲面ミラー120、第2自由曲面ミラー130、第3自由曲面ミラー140により集光されて受光部材150に、原稿30の画像の像を形成する(結像する)。
ここで、シリンダーミラー110、第1自由曲面ミラー120、第2自由曲面ミラー130、第3自由曲面ミラー140を光学素子と表記する。
以下では、1ライン分の単色の画像情報を読み取るように構成されているとして説明する。
画像読取装置1の制御部40は、画像の読み取りを開始する前において、キャリッジ10を、Y方向の数値が小さい側に設けられた基準点に保持する。すなわち、キャリッジ10は、カバーガラス20上に設置された原稿30において、原稿30の端から画像の読み取りができるように、Y方向の数値が小さい側の端(基準点)に保持されている。
このようにして、キャリッジ10が順次Y方向に移動することにより、原稿30のY方向において数値の小さい側の端から数値が大きい側の端まで、画像が読み込まれる。
そして、原稿30のY方向の数値が大きい側の端の画像の読み込みが終了すると、制御部40は、光源200を消灯するとともに、キャリッジ10をY方向の基準点に戻す。
これにより、次の原稿30がカバーガラス20上に設置され、スタートボタンが押されるのを待つ。
図1に対応して、図2に示すようにX方向、Y方向を定め、X方向及びY方向に直交する方向としてZ方向を定める。
よって、第1自由曲面ミラー120、第2自由曲面ミラー130、第3自由曲面ミラー140のそれぞれの反射面を、XY多項式面s3、XY多項式面s4、XY多項式面s5と表記する。
そして、原稿30の画像が形成された面を物体面s1、シリンダーミラー110の反射面をシリンダー面s2、受光部材150の結像面を像面s6と表記する。
図2に示すように、光路を設定するためには、シリンダーミラー110、第1自由曲面ミラー120、第2自由曲面ミラー130、第3自由曲面ミラー140をY方向に対して傾けて(α回転)(偏心させて)配置している。すなわち、シリンダーミラー110、第1自由曲面ミラー120、第2自由曲面ミラー130、第3自由曲面ミラー140は、オフアキシャルである。
なお、読取部100は、シリンダーミラー110、第1自由曲面ミラー120、第2自由曲面ミラー130、第3自由曲面ミラー140のミラー光学系で構成されているので、色収差を生じない。
XY多項式は、下記の数式で表される。XY多項式とは、X(x)、Y(y)に対して加法、減法および乗法以外の演算を含まない式をいう。
数式において、xはXに、yはYに、zはZに対応する。しかし、第1自由曲面ミラー120、第2自由曲面ミラー130、第3自由曲面ミラー140は、前述したように、Y方向から傾けて設定されている。そこで、数式のz方向は、図2に示すように、反射面と主光線とが交差する点から傾きを戻した方向にとっている。同様に、このz方向に対して、X方向と平行な方向をx方向、Y方向と平行な方向をy方向としている。
すなわち、zは、第1自由曲面ミラー120、第2自由曲面ミラー130、第3自由曲面ミラー140毎に異なっている。
一般に、反射面が曲率半径rの場合、その反射面のパワーφは−2/rで表される。自由曲面ミラーのx方向の曲率半径r1は、1/(2×C20)で表される。
よって、自由曲面ミラーの反射面のx方向のパワーφxは、−4×C20となる。
同様に、自由曲面ミラーのy方向の曲率半径r2は、1/(2×C02)で表され、自由曲面ミラーの反射面のy方向のパワーφyは、−4×C02となる。
ここでは、X方向(主走査方向)に1ライン分の画像を読み取るとしているので、x方向のパワーを説明すれば足りる。
紙などの原稿30の表面では拡散反射が生じる。拡散反射においては、反射光の光度(単位立体角あたりの光量)は、原稿30の表面の垂直方向に大きく、斜め方向には小さい(ランベルトの余弦則と呼ばれる。)。よって、原稿30が光源200から均一に照射されていても、反射光を原稿30から斜め方向に取り出すと、垂直方向に取り出した場合に比べ、光量(光度)が小さくなる。
このため、原稿30の端部からは斜めの方向の光を読み込み、原稿30の中央部からは垂直方向の光を読み込むと、例え画像が中央部と端部とで同じであっても、読み込まれる色などの画像情報が異なってしまう。
例えば、拡散反射する物体において色を計測する測色計は、物体に対して斜め方向から光を照射し、物体から垂直方向に反射する光を計測するように構成されている。
シリンダーミラー110のシリンダー面s2は、曲率半径で決まるので、自由曲面ミラーに比べて、製作が容易である。すなわち、大きいミラーであっても、精度よく、安価に製造できる。よって、本実施の形態では、画像読取装置1において、原稿30に近い側にシリンダーミラー110を設けている。
そして、シリンダーミラー110により光路長を短く構成することができる。
そこで、シリンダーミラー110の後段に第1自由曲面ミラー120、第2自由曲面ミラー130、第3自由曲面ミラー140を設けて補正を行っている。
ここで、シリンダーミラー110、第1自由曲面ミラー120、第2自由曲面ミラー130、第3自由曲面ミラー140が画像読取光学系の一例である。
以下では、実施例1、2及び比較例1、2を説明する。
図3は、実施例1における原稿30から受光部材150に至る光路上の各光学素子の仕様を説明する図である。
ここでは、原稿読み取り幅Wを346mmとし、X方向の開口(アパチャ)が28.6mmの受光部材150で読み取るとした。すなわち、結像倍率は0.0827である。原稿側の開口数(Na)を0.042とし、像側はテレセントリックとなるように設定した。
受光部材150は、CCD等における画素に設けられたカラーフィルタにより色を識別する。よって、カラーフィルタを介して画素に斜めに光が入射すると、色が正しく識別されなくなる。このため、受光部材150の像面s6に光が垂直に入射するよう、像側をテレセントリック(射出瞳が無限遠にあるよう)にしている。
なお、面間隔(mm)は、各光学素子間の距離であって、各光学素子の間に表記している。そして、Z方向を+、−Z方向を−で表している。
図4から分かるように、第1自由曲面ミラー120のXY多項式面s3はx方向に負のパワーを備えているが、第2自由曲面ミラー130のXY多項式面s4、第3自由曲面ミラー140のXY多項式面s5は、x方向に正のパワーを備えている。
なお、横収差を示す図(横収差図)とは、像面s6において、主光線が到達した点に対して、入射瞳の外周を通過するマージナル光線が到達する位置を示す図である。Y−FANは、Y方向の上側マージナル光線と下側マージナル光線との間を示している。X−FANは、X方向の右側マージナル光線と左側マージナル光線との間を示している。
第1自由曲面ミラー120、第2自由曲面ミラー130、第3自由曲面ミラー140の内、第1自由曲面ミラー120を負のパワーとしていることにより、横収差が小さく抑えられている。
すなわち、シリンダーミラー110の幅を、原稿読み取り幅Wに近い幅にしているので、シリンダーミラー110には、原稿30の端部においても、原稿30の垂直方向に近い角度(浅い角度)の光(反射光)を取り込むことができる。
前述したように、シリンダーミラー110のシリンダー面s2は、X曲率半径だけで設定されるので、構造が単純であって、Xアパチャ半径(幅)が広いものが精度よく且つ安価に製造しやすい。
図6は、実施例2における原稿30から受光部材150に至る光路上の各光学素子の仕様を説明する図である。
ここでは、原稿読み取り幅Wを78.32mmとし、X方向の開口(アパチャ)が34.8mmの受光部材150で読み取るとした。すなわち、結像倍率は0.44である。原稿側の開口数(Na)を0.03とし、像側をテレセントリックとなるように光学系を設定した。
なお、計算を容易にするため、原稿30の物体面s1、シリンダーミラー110のシリンダー面s2、第1自由曲面ミラー120のXY多項式面s3、第2自由曲面ミラー130のXY多項式面s4、第3自由曲面ミラー140のXY多項式面s5のXアパチャ半径とYアパチャ半径とを同じにした。
さらに、第1自由曲面ミラー120のXY多項式面s3と第2自由曲面ミラー130のXY多項式面s4との間に、絞り(絞り面s7)を挿入した。なお、絞りも光学素子と呼ぶ。
図7から分かるように、第1自由曲面ミラー120のXY多項式面s3及び第3自由曲面ミラー140のXY多項式面s5は、x方向に正のパワーを備えているが、第2自由曲面ミラー130のXY多項式面s4はx方向に負のパワーを備えている。
図8では、図5と同様に、原稿30におけるX方向の位置(像高)を原稿読み取り幅Wの半分で割った値で示している。なお、Y方向の位置は中心(Y=0.00)である。図8(a)は2X/Wが“0.00”で原稿30の中央の位置、図8(b)は2X/Wが“0.26”の位置、図8(c)は2X/Wが“0.64”の位置、図8(d)は2X/Wが“0.89”の位置、図8(e)は2X/Wが“1.00”の位置で原稿30の端の位置である。
第1自由曲面ミラー120、第2自由曲面ミラー130、第3自由曲面ミラー140の内、第2自由曲面ミラー130を負のパワーとしていることにより、横収差が小さく抑えられている。
さらに、原稿30からの光を最初に収束させるシリンダーミラー110のXアパチャ半径(幅)を61.63mmとし、原稿読み取り幅Wである78.32mmの79%としている。
よって、実施例1と同様に、シリンダーミラー110には、原稿30の端部においても、原稿30の垂直方向に近い角度(浅い角度)の光(反射光)を取り込むことができる。
図9は、比較例1における原稿30から受光部材150に至る光路上の各光学素子の仕様を説明する図である。
原稿読み取り幅W、結像倍率、原稿側の開口数(Na)、像側のテレセントリックは、実施例2と同じである。
また、シリンダーミラー110のシリンダー面s2のX曲率半径(mm)、各光学素子のZ方向の面間隔(mm)、各光学素子のZ軸に対する偏心角度(α回転)(°)、各光学素子のY方向の大きさであるYアパチャ半径(mm)及びX方向の大きさであるXアパチャ半径(mm)も、シリンダーミラー110のシリンダー面s2のX曲率半径(mm)及び第3自由曲面ミラー140のXY多項式面s5と受光部材150の像面s6との距離(面間隔)を除いて、実施例2と同じである。
図10に示すように、第1自由曲面ミラー120のXY多項式面s3、第3自由曲面ミラー140のXY多項式面s5は、x方向に正のパワーを備え、第2自由曲面ミラー130のXY多項式面s4はx方向にパワーを備えていない(C20=0)。
図11では、図8と同様に、原稿30におけるX方向の位置(像高)を原稿読み取り幅Wの半分で割った値で示している。なお、Y方向の位置は中心(Y=0.00)である。図11(a)は2X/Wが“0.00”で原稿30の中央の位置、図11(b)は2X/Wが“0.26”の位置、図11(c)は2X/Wが“0.64”の位置、図11(d)は2X/Wが“0.89”の位置、図11(e)は2X/Wが“1.00”の位置で原稿30の端の位置である。
これは、第1自由曲面ミラー120、第3自由曲面ミラー140をx方向に正のパワーとし、第2自由曲面ミラー130をx方向にパワーを備えていないとしたことにより、横収差が大きくなっていると思われる。
図12は、比較例2における原稿30から受光部材150に至る光路上の各光学素子の仕様を説明する図である。
原稿読み取り幅W、結像倍率、原稿側の開口数(Na)、像側のテレセントリックは、実施例2、比較例1と同じである。
また、シリンダーミラー110のシリンダー面s2のX曲率半径(mm)、各光学素子のZ方向の面間隔(mm)、各光学素子のZ軸に対する偏心角度(α回転)(°)、各光学素子のY方向の大きさであるYアパチャ半径(mm)及びX方向の大きさであるXアパチャ半径(mm)も、シリンダーミラー110のシリンダー面s2のX曲率半径(mm)及び第3自由曲面ミラー140のXY多項式面s5と受光部材150の像面s6との距離(面間隔)を除いて、実施例2、比較例1と同じである。
図13に示すように、第1自由曲面ミラー120のXY多項式面s3、第2自由曲面ミラー130のXY多項式面s4、第3自由曲面ミラー140のXY多項式面s5は、いずれもx方向に正のパワーを備えている。
図14では、図8と同様に、原稿30におけるX方向の位置を原稿読み取り幅Wの半分で割った値で示している。なお、Y方向の位置は中心(Y=0.00)である。図14(a)は2X/Wが“0.00”で原稿30の中央の位置、図14(b)は2X/Wが“0.26”の位置、図14(c)は2X/Wが“0.64”の位置、図14(d)は2X/Wが“0.89”の位置、図14(e)は2X/Wが“1.00”の位置で原稿30の端の位置である。
これは、第1自由曲面ミラー120、第2自由曲面ミラー130、第3自由曲面ミラー140のいずれにおいても、正のパワーとしていることにより、横収差が大きくなっていると思われる。
そして、シリンダーミラー110を用いることにより発生する収差を抑制するために、負のパワーの自由曲面ミラーを備えた光学系を用いている。
なお、図5に示すシリンダーミラー110の直後の第1自由曲面ミラー120を負のパワーとした実施例1の方が、図8に示す第2自由曲面ミラー130を負のパワーとした実施例2に比べ、横収差の発生を小さく抑えることができる。
Claims (5)
- 予め定められた主走査方向に複数の受光素子を並べて構成された受光部と、
原稿によって反射された光が前記受光部に向かって通過する光路上の当該原稿側に設けられ、反射面が円筒面又は球面で構成されて前記主走査方向に正のパワーを有する第1の反射鏡と、
前記光路上において、前記第1の反射鏡より前記受光部側に設けられ、当該第1の反射鏡によって反射された光が入射する、反射面が自由曲面で構成されて前記主走査方向に負のパワーを有する第2の反射鏡と、
前記光路上において、前記第2の反射鏡より前記受光部側に設けられ、当該第2の反射鏡によって反射された光が入射する、反射面が自由曲面で構成されて前記主走査方向に正のパワーを有する第3の反射鏡と、
前記光路上において、前記第3の反射鏡より前記受光部側に設けられ、当該第3の反射鏡によって反射された光が入射する、反射面が自由曲面で構成されて前記主走査方向に正のパワーを有する第4の反射鏡と、
を備えることを特徴とする画像読取装置。 - 予め定められた主走査方向に複数の受光素子を並べて構成された受光部と、
原稿によって反射された光が前記受光部に向かって通過する光路上の当該原稿側に設けられ、反射面が円筒面又は球面で構成されて前記主走査方向に正のパワーを有する第1の反射鏡と、
前記光路上において、前記第1の反射鏡より前記受光部側に設けられ、当該第1の反射鏡によって反射された光が入射する、反射面が自由曲面で構成されて前記主走査方向に正のパワーを有する第2の反射鏡と、
前記光路上において、前記第2の反射鏡より前記受光部側に設けられ、当該第2の反射鏡によって反射された光が入射する、反射面が自由曲面で構成されて前記主走査方向に負のパワーを有する第3の反射鏡と、
前記光路上において、前記第3の反射鏡より前記受光部側に設けられ、当該第3の反射鏡によって反射された光が入射する、反射面が自由曲面で構成されて前記主走査方向に正のパワーを有する第4の反射鏡と、
を備えることを特徴とする画像読取装置。 - 前記受光部の像側をテレセントリックとなるようにしたことを特徴とする請求項1又は2に記載の画像読取装置。
- 原稿によって反射された光が受光部に向かって通過する光路上に設けられ、反射面が円筒面又は球面で構成されて予め定められた方向に正のパワーを有する第1の反射鏡と、
前記光路上において、前記第1の反射鏡より前記受光部側に設けられ、当該第1の反射鏡によって反射された光が入射する、反射面が自由曲面で構成されて前記方向に負のパワーを有する第2の反射鏡と、
前記光路上において、前記第2の反射鏡より前記受光部側に設けられ、当該第2の反射鏡によって反射された光が入射する、反射面が自由曲面で構成されて前記方向に正のパワーを有する第3の反射鏡と、
前記光路上において、前記第3の反射鏡より前記受光部側に設けられ、当該第3の反射鏡によって反射された光が入射する、反射面が自由曲面で構成されて前記方向に正のパワーを有する第4の反射鏡と、
を備えることを特徴とする画像読取光学系。 - 原稿によって反射された光が受光部に向かって通過する光路上に設けられ、反射面が円筒面又は球面で構成されて予め定められた方向に正のパワーを有する第1の反射鏡と、
前記光路上において、前記第1の反射鏡より前記受光部側に設けられ、当該第1の反射鏡によって反射された光が入射する、反射面が自由曲面で構成されて前記方向に正のパワーを有する第2の反射鏡と、
前記光路上において、前記第2の反射鏡より前記受光部側に設けられ、当該第2の反射鏡によって反射された光が入射する、反射面が自由曲面で構成されて前記方向に負のパワーを有する第3の反射鏡と、
前記光路上において、前記第3の反射鏡より前記受光部側に設けられ、当該第3の反射鏡によって反射された光が入射する、反射面が自由曲面で構成されて前記方向に正のパワーを有する第4の反射鏡と、
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