JPH06250083A

JPH06250083A - 縮小光学系

Info

Publication number: JPH06250083A
Application number: JP5040895A
Authority: JP
Inventors: Masakatsu Inagaki; 昌克稲垣
Original assignee: NIPPON HIKYUMEN LENS KK
Current assignee: NIPPON HIKYUMEN LENS KK
Priority date: 1993-03-02
Filing date: 1993-03-02
Publication date: 1994-09-09

Abstract

(57)【要約】【目的】ＣＣＤ（イメージセンサ）を用いた原稿読み
取り装置に用いる縮小光学系（イメージセンサ用レン
ズ）を、所要の光学的性能と耐湿性を満たしながら単レ
ンズ構成で提供する。【構成】上記縮小光学系を、原稿面側のＳ1面とＣＣ
Ｄ側のＳ2面を、収差を除くために所定の非球面形状と
し、この中間部分の外周に断面くさび状の溝を形成して
絞り機能を持たせた鼓形状の単レンズ構成とし、その樹
脂成形素材として非晶質ポリオレフィンを用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はイメージセンサ（ＣＣ
Ｄ）を利用した原稿読取り装置に用いられる縮小光学系
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＣＤ（一次元フォトダイオードアレ
イ）を利用した原稿読み取り装置で、比較的読み取り幅
の小さいイメージリーダ（ハンディスキャナ）、バーコ
ードリーダ等は、図２９に示すように１つの縮小光学系
（イメージセンサ用レンズ）で、読み取り幅の全域を一
括してＣＣＤに結像させている。なお、この結像方式
は、ファクシミリにも利用され得る。

【０００３】図２９において、１は読取られる原稿面、
２は原稿面と近接するアクリルカバー、３は縮小光学
系、４はＣＣＤ（一次元フォトダイオードアレイ）、５
はＣＣＤ用カバーガラスである。

【０００４】この構成を、例えば、イメージリーダによ
る読み取りに当てはめてみる。イメージリーダは、机等
に置かれた読み取り用の原稿１に対して、ローラで一定
の間隔を保ちながらスライド操作され、スライドの１ピ
ッチ毎に１ラインの明暗情報を読み取る。このとき、原
稿面の反射光は、イメージリーダの下面に設けられた読
み取り窓である上記アクリルカバー２、およびイメージ
リーダを小型化するために内蔵された図示しない４５°
反射板を通して、縮小光学系３に入射し、その倒立縮小
実像がＣＣＤ用カバーガラス５を通して、ＣＣＤ４に結
像する。

【０００５】このような原稿読み取り装置に用いられる
縮小光学系は、画角（レンズから見た読み取り幅の広が
り）が大きくなっても、解像力（ＭＴＦ）、周辺光量
比、収差の各特性において、一定条件を満たすことを要
求される。さらに原稿の置かれ方、及びスライド中のイ
メージリーダの上下の微小な動きによって、原稿−アク
リルカバー間距離を一定に保つのが困難なため、縮小光
学系の焦点深度を深くして読み取り精度の低下を防止す
る必要もある。

【０００６】上記要求を満たすため、従来は縮小光学系
３を、図３０に示すように、中間に絞り板を挟んだ２枚
の非球面レンズによる組み合わせレンズ構造としてい
た。図３０において、６は原稿面側のレンズ、７はＣＣ
Ｄ側のレンズ、８は絞り板、９はレンズ押さえ、１０は
筒状のレンズホルダである。

【０００７】この構造は、樹脂成形の非球面レンズを採
用することにより、球面のガラスレンズでは、必要な光
学性能を得るのに３枚構成とする必要があったものを、
２枚で構成可能としている。絞り板８を挟んだのは、入
射瞳、出射瞳を所定の大きさに定め、原稿外の光がＣＣ
Ｄに入射することによる解像力の低下を防止するととも
に、Ｆナンバーを大きくして焦点深度を深くするためで
ある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記イメージセンサ用
レンズは、２枚の非球面レンズ６,７と絞り板８を組み
合わせたもので、複数の部品を用意して組立てる必要が
ある。また組立時にこれらの光軸合わせをする必要もあ
り、製造コスト上問題がある。このため、絞り機能をレ
ンズ自体に持たせた図１に示すような鼓形状の単レンズ
とすることが考えられた。

【０００９】しかし、これは２枚構成のレンズを１枚構
成とするものであるため、非球面形状の設計条件が厳し
くなる。

【００１０】特に、このように厳しい設計条件下では、
非球面レンズの従来の素材であるアクリル系樹脂が吸湿
によって屈折率が変化するため、これによる光学特性変
化の影響が大きく実用化できなかった。この光学特性の
変化は、素材であるアクリル系樹脂が外部の湿気を吸収
し、吸水量の多い表面側部分から内側部分にかけて段階
的な屈折率界面が形成され、焦点距離等が相当に変化し
てしまう現象である。

【００１１】そこで、この発明は、必要な光学性能を満
たす単レンズ構造の縮小光学系を提供するとともに、吸
湿による光学特性の変化を除去することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】

(1) この発明が提供する縮小光学系（イメージセンサ用
レンズ）は、読取り対象とする原稿面と、この面からの
反射光を光電変換して読み取るＣＣＤ（一次元フォトダ
イオードアレイ）の間に配置され、原稿面の倒立実像を
ＣＣＤ上に結像させる単レンズであって、原稿面側の第
１面とＣＣＤ側の第２面を収差を除くために非球面形状
とし、前記第１面と第２面との中間部の光軸回りに断面
くさび状の環状溝を形成して絞り機能を持たせたことを
特徴とする。

【００１３】(2) また、吸湿による光学特性の変化をな
くすため、上記縮小光学系の素材を非晶質ポリオレフィ
ンとする。

【００１４】

【作用】上記鼓形状の縮小光学系は、その中間のくびれ
た部分によって従来の絞り板８と同様に、所定の大きさ
で入射瞳、出射瞳を形成して、解像力の低下を防止し、
焦点深度を深くすることができる。また、後述するよう
な非球面形状の設計によって、必要な光学性能を満足す
る縮小光学系を単レンズ構成で提供できる。

【００１５】この単レンズの素材として、非晶質ポリオ
レフィンを用いると、この素材が吸水性が非常に小さく
吸水によって屈折率が殆ど変化しない特性を有するた
め、多湿条件下で使用しても読み取り精度を維持でき
る。

【００１６】

【実施例】この発明の縮小光学系の構造を図１に示す。
この縮小光学系１１は鼓形状の単レンズで、原稿面側の
第１面（Ｓ１）とＣＣＤ側の第２面（Ｓ２）の夫々を、
収差除去のため非球面とし、その中間部分の外周にくさ
び状断面で環状の絞り溝１２を形成している。

【００１７】この非球面形状は、従来２枚構成のものを
１枚構成としているため、設計条件が厳しくなっている
が、後述する具体例のように実現可能なものである。

【００１８】上記溝１２の底部は、その部分拡大図に示
すように、環状の平面となっており、この平面と２つの
傾斜面が交差する円状の角部の像が、入射瞳と出射瞳を
形成する。

【００１９】この入射瞳Ｄは、Ｆナンバーを、Ｆｎｏ.
＝ｆ（焦点距離）／Ｄの関係で規定する。従って、レン
ズの明るさとの兼ねあいで必要な焦点深度が得られるよ
うに、上記絞り溝１２の底面部の径を決定する。

【００２０】この縮小光学系１１を樹脂成形する素材
は、できる限り屈折率の温度依存性が小さく、多湿条件
下でも屈折率が変動しないことが必要となる。

【００２１】この条件を満たす素材としては、光学用素
材として最近実用化された非晶質ポリオレフィン（商品
名ゼオネックスとして知られている）がある。この素材
は、屈折率の温度依存性が小さいと同時に、吸水性が非
常に小さく吸水によって屈折率が殆ど変化しない。

【００２２】この縮小光学系は、図２に示すようなレン
ズホルダ１３にて支持され、イメージリーダ等の原稿読
み取り装置内に組み込まれる。この縮小光学系１１とレ
ンズホルダ１３の具体的設計例を、図３、図４に夫々示
す。この構造は、縮小光学系１１の要所に設けたフラン
ジ１１ａ,１１ｂによって、レンズホルダ１３に精度の
高い位置決め固定を行なっている。

【００２３】上記縮小光学系１１を実際の読み取り装置
に対して設計し、これに組み込んだときに得られる光学
性能の解析結果を、下記の実施例１，２として説明す
る。

【００２４】これらの実施例は、図１に示す縮小光学
系、およびこれを組み込む図５に示すような原稿読み取
り装置１４における各部分の寸法の具体的設計例であ
り、夫々について、収差、周辺光量比、解像力（ＭＴ
Ｆ）の光学的性能を、所定条件で解析している。

【００２５】《実施例１》縮小光学系１１と原稿読み取
り装置１４の材質、形状、寸法を次のように設計した。

【００２６】『縮小光学系』「材質」非晶質ポリオレフィン（商品名：ゼオネック
ス）「形状」原稿側の面（Ｓ1）とＣＣＤ側の面（Ｓ2）
を、夫々非球面とし、中間部の外周に絞り溝１２を形成
した略円柱状の単レンズ「寸法」中心厚Ｔ＝１０．１３ｍｍ有効径Ｓ1面 φ５.９９ｍｍＳ2面 φ５.０９ｍｍ「Ｓ1面、Ｓ2面の形状」Ｓ1面凹非球面近似Ｒ＝３３.１４０Ｓ2面凸非球面近似Ｒ＝−１２.１４５

【００２７】これらの面は具体的には、次の非球面式で
表される。以下の式は、Ｚ軸をレンズの光軸に取り、Ｚ
軸に対して垂直方向にＸ軸を取っている。Ｓ1面とＳ2面
は、それぞれＺ軸に対して回転対称な非球面であり、非
球面の各点のＺ座標は、光軸からの垂直距離Ｘに対し、
次のように表される。

【数１】但し、Ｓ1面Ｓ2面Ｒ＝３３.１４００９Ｒ＝−１２.１４５０１（曲率半径単位mm）（曲率半径単位mm）Ｋ＝−０.４７２３０７Ｋ＝−２２１.６１１４９９Ａ＝−０.４７０９０６Ｅ−３Ａ＝−０.７６８１７４Ｅ−２Ｂ＝０.３４６５９３Ｅ−５Ｂ＝０.１７４８７７Ｅ−２Ｃ＝０.３１１６４９Ｅ−６Ｃ＝−０.２１９６０５Ｅ−３Ｄ＝０.１０９８４８Ｅ−４

【００２８】「絞り溝」溝の中心位置Ｓ2面の頂点から光軸に沿って原稿面側
に４.５ｍｍ傾斜面の角度４５° 溝の底面幅Ｗ０.３ｍｍ底面の径 φ２．１８ｍｍ

【００２９】上記設計によって得られる、縮小光学系１
１の光学的特性は、Ｆno. ７.５３倍率０.２１０９（２０°Ｃ）焦点距離１７.３４ｍｍ（INF）バックフォーカス１５．４４ｍｍ（INF）となる。

【００３０】『原稿読み取り装置のレイアウト』物体・像面間距離（Ｌ0）１２５．５５ｍｍ原稿面とＳ1面頂点との距離（Ｌ1）９４.７１ｍｍＳ2面頂点とセンサとの距離（Ｌ2）２０.７１ｍｍ撮像画面（Ｌ₃／２）５３.０４ｍｍ（半値）

【００３１】『解析結果』上記の如く設計された縮小光
学系１１と原稿読み取り装置１４について、波長５６５
ｎｍの単色光を用い、図６に示すように縮小光学系から
原稿面を見た画角を変化させて、収差、周辺光量比、Ｍ
ＴＦ特性を解析したところ、図７〜図１７に示すような
結果が得られた。

【００３２】各種の収差を示す図７において、(a) は球
面収差、(b) は非点収差、(c) は歪曲周差である。これ
らの特性図で、横軸は像点のずれ量を表し、−はレンズ
に近づく方向、＋はレンズから離れる方向を示す。縦軸
は画角を表すが、図(a)のみ、撮像画面（半値）に対す
る比率０〜１で表示している。非点収差(b)は、Ｔ面
（ＣＣＤの各素子が並ぶ走査方向の直線を含む面）とＳ
面（Ｔ面と直交する面）の各々について示す

【００３３】これらの収差で、大きい部分を拾って見
る。歪曲周差(c)が画角２８.４５°に対して、−２.５
％となっている。これは、読み取りの最外部では、撮像
画面５３.０４ｍｍ（半値）に対して、５３.０４ｍｍ×
２.５％＝１.３ｍｍ内側にずれることを意味する。その
他の収差は、おおむね、これより小さい範囲に収まり、
イメージリーダ、バーコードリーダとして、通常要求さ
れる性能を満たしている。

【００３４】図８は周辺光量比を調べたもので、画角変
化に対する像点の光量を、最も明るい光軸上の像点を１
００として示している。横軸は、光軸上の点を０.０
０、左右の最大画角±２８.４５°の点を±１.００と
し、左右両方向に１０％刻みで表示している。この解析
データでは、周辺光量比７０％が得られている。これ
は、ＣＣＤの出力をＡ／Ｄ変換するデータ処理回路にお
いて十分に補正できる範囲である。

【００３５】図９〜図１７は、解像力を示すＭＴＦ特性
の解析結果である。この発明の縮小光学系１１の、実施
化の対象とするイメージリーダは、前述したように、静
止した原稿上をローラで一定の間隔を保って、スライド
させるものであり、原稿の置かれた方、及び読み取り時
のイメージリーダの上下の動きで、原稿に対する距離が
変動する。このため、絞り溝１２を設けて焦点深度を深
くし、この距離変動に対して読み取り精度を確保してい
る。

【００３６】この効果を確認するため、図５における原
稿面１のアクリルカバー２に対する距離を、標準距離１
０.３ｍｍ、近づけた場合１０.０ｍｍ、遠ざけた場合１
０.６ｍｍの夫々についてＭＴＦ特性を調べた。また温
度変化に対する特性を併せて調べるため、これらの解析
を０°Ｃ、２０°Ｃ、４０°Ｃ、各温度について行っ
た。

【００３７】これらのＭＴＦ特性は、１ｍｍ当たり８本
の線を引いた８ラインペアで、画角を、０°,７.６８
°，１５.１０°，２２.０６°，２８.４１°と変化さ
せ、Ｔ面とＲ面について解析している。横軸は解析の各
基準距離に対する光軸方向の微小なずれ量を示す。これ
らのデータで、解像度を確保する必要のあるＴ面（ＣＣ
Ｄ素子が並ぶ直線を含む走査方向の面）については、各
特性とも略０.６以上、最悪値でも０.５のＭＴＦが得ら
れている。これによって、実用上十分な性能を持つこと
がわかる。

【００３８】上記解析の各場合における像面誤差量を、
次表に示す。

【表１】

【００３９】上記像面誤差量は、設計目標値からの最大
像高部における像面高さのズレ量を表している。−のつ
いている所は低めにずれており、＋は高い方向にズレて
いる。勿論、０に近づく方が良好である。

【００４０】《実施例２》『縮小光学系』「材質」非晶質ポリオレフィン（商品名：ゼオネッ
クス）「形状」実施例１と同様の形状を持つ一枚構成レン
ズ「寸法」中心厚Ｔ＝１０.８１ｍｍ有効径Ｓ1面 φ５.０４ｍｍＳ2面 φ５.６２ｍｍ「Ｓ1面、Ｓ2面の形状」Ｓ1面凹非球面近似Ｒ＝１７.４７９Ｓ2面凸非球面近似Ｒ＝−１８.１９７

【００４１】これらの面の具体的な形状は、実施例１に
示した非球面式Ｚに、次の値を代入して得られる。Ｓ1面Ｓ2面Ｒ＝１７.４７９０７６Ｒ＝−１８.１９６９８４Ｋ＝０.２９８８７６Ｋ＝−１７２.９５０８２２Ａ＝−０.４２５２５２Ｅ−３Ａ＝−０.２４３２５１Ｅ−２Ｂ＝−０.３５８６９４Ｅ−６Ｂ＝０.３９８０７８Ｅ−３Ｃ＝０.１２７２８０Ｅ−５Ｃ＝−０.３６０１１３Ｅ／４Ｄ＝０.１３３６３４Ｅ−５

【００４２】「絞り溝」溝の中心位置Ｓ1面の頂点から光軸に沿ってＣＣＤ側
に４.８１ｍｍ傾斜面の角度４５° 溝の底面幅０.３ｍｍ底面の径 φ１．６５ｍｍ

【００４３】上記縮小光学系の光学的特性は、Ｆno. ９.９０倍率０.２１６４（２０°Ｃ）焦点距離１７.９５ｍｍ（INF）バックフォーカス１３.９６ｍｍ（INF）となる。

【００４４】『原稿読み取り装置のレイアウト』物体・像面間距離１２５.５４ｍｍ原稿面とＳ1面間の距離９６.７１ｍｍセンサー面とＳ2面間の距離１８.０２ｍｍ撮像画面（Ｌ₃／２）５３.０４ｍｍ（半値）

【００４５】『解析結果』上記の如く設計された縮小光
学系１１と原稿読み取り装置１４について、波長５６５
ｎｍの単色光を用い、図６に示すように縮小光学系から
原稿面を見た画角を変化させて、実施例１と同様に収
差、周辺光量比、ＭＴＦ特性を解析したところ、図１８
〜図２８に示すような結果が得られた。

【００４６】図１８に示す各種の収差において、歪曲周
差(c)の最大値は画角２８.０４°に対して、−０.５％
となり、これは実施例１の結果よりも、良好である。

【００４７】周辺光量比については、図１９に示すよう
に、７５％以上となり、実施例１よりも向上している。

【００４８】実施例１と同等の条件で解析した、図２０
〜図２８に示すＭＴＦ特性では、各特性ともＭＴＦの小
さい領域で、実施例１よりも０.１以上大きな値が得ら
れ、解像度が改善されている。

【００４９】上記解析の各場合における像面誤差量を、
次表に示す。

【表２】

【００５０】

【発明の効果】本発明の縮小光学系は、原稿側のＳ1面
とセンサ側のＳ2面を最適化した非球面形状とし、中間
のくびれた部分によって、絞り板作用を行わせる。これ
によって、従来は３つの部品を組み合わて構成していた
縮小光学系を、単レンズで置き換えることができ、製造
コストを大幅に削減できる。

【００５１】またレンズの素材に、非晶質ポリオレフィ
ン系樹脂を採用したので、多湿条件下においても、読み
取り精度を維持できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の単レンズ構成の縮小光学系を示す
側面図

【図２】図１の縮小光学系を収容したホルダーを示す
側面図

【図３】図１の縮小光学系の具体的設計例を示す正面
図(a), 側断面図(b), 背面図

【図４】図３の縮小光学系を位置決め収容するレンズ
ホルダの具体的設計例を示す正面図(a)、及び側断面図
(b)

【図５】図１の縮小光学系を組み込む原稿読み取り装
置の一般構成を示すレイアウト図

【図６】この発明の縮小光学系において、画角が異な
る場合の収束の状態を示す光路図

【図７】第１の実施例の縮小光学系における各種収差
を示す図で、(a)は球面収差、(b)は非点収差、(c)は歪
曲周差を表す。

【図８】第１の実施例の縮小光学系における周辺光量
比を示す図

【図９】第１の実施例について、原稿−アクリルカバ
ー間距離１０.６ｍｍ、温度条件０°Ｃで測定したＭＴ
Ｆ特性図

【図１０】第１の実施例について、原稿−アクリルカ
バー間距離１０.６ｍｍ、温度条件２０°Ｃで測定した
ＭＴＦ特性図

【図１１】第１の実施例について、原稿−アクリルカ
バー間距離１０.６ｍｍ、温度条件４０°Ｃで測定した
ＭＴＦ特性図

【図１２】第１の実施例について、原稿−アクリルカ
バー間距離１０ｍｍ、温度条件０°Ｃで測定したＭＴＦ
特性図

【図１３】第１の実施例について、原稿−アクリルカ
バー間距離１０ｍｍ、温度条件２０°Ｃで測定したＭＴ
Ｆ特性図

【図１４】第１の実施例について、原稿−アクリルカ
バー間距離１０ｍｍ、温度条件４０°Ｃで測定したＭＴ
Ｆ特性図

【図１５】第１の実施例について、原稿−アクリルカ
バー間距離１０.３ｍｍ、温度条件０°Ｃで測定したＭ
ＴＦ特性図

【図１６】第１の実施例について、原稿−アクリルカ
バー間距離１０.３ｍｍ、温度条件２０°Ｃで測定した
ＭＴＦ特性図

【図１７】第１の実施例について、原稿−アクリルカ
バー間距離１０.３ｍｍ、温度条件４０°Ｃで測定した
ＭＴＦ特性図

【図１８】第２の実施例の縮小光学系における各種収
差を示す図で、(a)は球面収差、(b) は非点収差、(c)
は歪曲周差を表す。

【図１９】第２の実施例の縮小光学系における周辺光
量比を示す図

【図２０】第２の実施例について、原稿−アクリルカ
バー間距離１０.０ｍｍ、温度条件０°Ｃで測定したＭ
ＴＦ特性図

【図２１】第２の実施例について、原稿−アクリルカ
バー間距離１０.０ｍｍ、温度条件２０°Ｃで測定した
ＭＴＦ特性図

【図２２】第２の実施例について、原稿−アクリルカ
バー間距離１０.０ｍｍ、温度条件４０°Ｃで測定した
ＭＴＦ特性図

【図２３】第２の実施例について、原稿−アクリルカ
バー間距離１０.３ｍｍ、温度条件０°Ｃで測定したＭ
ＴＦ特性図

【図２４】第２の実施例について、原稿−アクリルカ
バー間距離１０.３ｍｍ、温度条件２０°Ｃで測定した
ＭＴＦ特性図

【図２５】第２の実施例について、原稿−アクリルカ
バー間距離１０.３ｍｍ、温度条件４０°Ｃで測定した
ＭＴＦ特性図

【図２６】第２の実施例について、原稿−アクリルカ
バー間距離１０.６ｍｍ、温度条件０°Ｃで測定したＭ
ＴＦ特性図

【図２７】第２の実施例について、原稿−アクリルカ
バー間距離１０.６ｍｍ、温度条件２０°Ｃで測定した
ＭＴＦ特性図

【図２８】第２の実施例について、原稿−アクリルカ
バー間距離１０.６ｍｍ、温度条件４０°Ｃで測定した
ＭＴＦ特性図

【図２９】原稿読み取り装置の一般的構成図

【図３０】組み合わせレンズを用いた従来の縮小光学
系を示す断面図

【符号の説明】

１原稿面２アクリルカバー４ＣＣＤ（イメージセンサ）５センサーカバー１１縮小光学系１２絞り溝１３レンズホルダＳ1面縮小光学系の原稿側の非球面Ｓ2面縮小光学系のセンサ側の面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】読取り対象とする原稿面と、この面から
の反射光を光電変換して読み取るＣＣＤ（一次元フォト
ダイオードアレイ）の間に配置され、原稿面の倒立縮小
実像をＣＣＤ上に結像させる縮小光学系であって、原稿面側の第１面とＣＣＤ側の第２面を収差を除くため
に非球面形状とし、前記第１面と第２面との中間部の光
軸回りに断面くさび状の環状溝を形成して絞り機能を持
たせた単レンズ構成の縮小光学系。
【請求項２】素材を、非晶質ポリオレフィンとしたこ
とを特徴とする請求項１記載の縮小光学系。