JPH0843726A - 焦点距離可変レンズ系及び画像読み取り装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レンズの回転運動だけで、光軸方向に異なる
位置にある一次元の物体の像を固定された一次元の光検
出器上に結像する光学系、及び、大きな原稿の場合でも
原稿全面にわたって読み取りヘッドを移動させる必要が
なく、かつ、平坦とは限らない原稿面を走査して原稿の
画像を取り込むことができる小型の画像読み取り装置を
提供する。 【構成】 焦点距離が子午面内で変化する２枚のレンズ
Ｌ１とレンズＬ２及び絞りＳ３とから成る回転レンズ群
を、絞りの中心Ｃを回転中心として子午面に沿って回転
させる。また、本発明の画像読み取り装置は、このよう
な焦点距離可変レンズ系と、原稿上の読み取り位置を走
査する回転ミラ−とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、焦点距離可変レンズ系
の構成およびその焦点距離可変レンズ系を備えた画像読
み取り装置の構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の焦点距離可変レンズ系としては、
カメラ用のレンズ系などのようにレンズ系を構成するレ
ンズの一部を光軸に沿って並進移動させる構成が良く用
いられている。

【０００３】また、特公昭４３−１００３４には、図１
２に示すように、２枚のレンズ１２１、１２２を光軸１
２０に対して矢印で示したように垂直方向に移動させて
焦点距離を変えるレンズが開示されている。ここではレ
ンズの移動方向に沿ってレンズの厚みが変化しているレ
ンズが用いられている。

【０００４】また、従来の画像読み取り装置は、図１３
に示すように、ガラス１３１の上に載せた原稿１３０
を、光源１３２、レンズ１３４、光検出器１３３などが
一体となった読み取りヘッド１３５を矢印で示した方向
に機械的に移動させることによって読み取っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
焦点距離可変レンズ系では、レンズを移動させるために
用いられるモーターの回転運動を直進運動に変換する機
構、および、レンズを精度良く並進移動させるための機
構が必要となり、機構が複雑になるとともに、小型化が
難しいという問題点がある。

【０００６】また、従来の画像読み取り装置は、使用し
ていない場合でも置いておくための大きなスペースを必
要とし、また、レンズの焦点距離が一定であるので、見
開いた本など平坦でない原稿は読み取るのが困難である
という問題点がある。

【０００７】本発明はこの様な問題点を解決するもの
で、モーターの回転を直進運動に変換せずに、レンズ系
を回転させる単純な機構で焦点距離を変えることができ
る焦点距離可変レンズ系を提供すること、及び、この焦
点距離可変レンズ系を用いて、平坦でない原稿も読める
小型の画像読み取り装置を提供することを目的としてい
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の焦点距離
可変レンズ系は、子午面内で屈折力が異なるレンズが子
午面に沿って回転することを特徴とする。

【０００９】本発明の第２の焦点距離可変レンズ系は、
子午面内で屈折力が異なる少なくとも２枚のレンズから
成る回転レンズ群と、子午面内で屈折力が異なる少なく
とも１枚のレンズから成る固定レンズ群とを備え、前記
回転レンズ群を構成するレンズの子午面及び前記固定レ
ンズ群を構成するレンズの子午面は共通の面内にあり、
前記回転レンズ群が子午面に沿って回転することを特徴
とする。

【００１０】本発明の第３の焦点距離可変レンズ系は、
子午面内で屈折力が異なる少なくとも２枚のレンズと、
前記２枚のレンズの間に配置された開口絞りとから構成
される回転レンズ群と、子午面内で屈折力が異なる少な
くとも１枚のレンズから構成される固定レンズ群とを備
え、前記回転レンズ群を構成するレンズの子午面及び前
記固定レンズ群を構成するレンズの子午面は共通の面内
にあり、前記回転レンズ群が前記開口絞りの中心を回転
中心として子午面に沿って回転することを特徴とする 本発明の第４の焦点距離可変レンズ系は、本発明の第１
乃至第３の焦点距離可変レンズ系において、線状の物体
を線状の像として結像することを特徴とする。

【００１１】本発明の第１の画像読み取り装置は、読み
取るべき対象と、回転可能なミラ−と、本発明の第１乃
至第４の焦点距離可変レンズ系と、線状の光検出器とを
備えていることを特徴とする。

【００１２】本発明の第２の画像読み取り装置は、本発
明の第１の画像読み取り装置において、光検出器と読み
取るべき対象との距離を計測する手段を備えたことを特
徴とする。

【００１３】本発明の第３の画像読み取り装置は、本発
明の第１あるいは第２の画像読み取り装置において、焦
点距離可変レンズ系の焦点距離変化によって生じる光検
出器上の像の大きさの変化を、ソフトウエアで補正する
ことを特徴とする。

【００１４】

【作用】図１０及び図１１を用いて本発明の焦点距離可
変レンズ系の作用を説明する。図１０はレンズの子午断
面を示しており、レンズＬの厚みが子午線に沿って変化
している。軸Ａに沿って光線が通る場合の焦点距離に比
べて、軸Ｂに沿って光線が通る場合の焦点距離が短く、
子午線に沿って焦点距離が変化する累進焦点レンズとな
っている。

【００１５】図１１（ａ）、（ｂ）にはこのレンズＬを
子午断面内で回転させた場合の結像関係を示す。レンズ
Ｌによって物点の像ができる像点Ｉの位置は固定されて
いるとする。レンズＬが（ａ）の状態の時には物点Ｏ₁
の像が像点Ｉにできる。レンズＬが回転中心Ｃを中心と
して子午面に沿って回転して（ｂ）の状態になった時に
は、物点Ｏ₁よりもレンズに近い位置にある物点Ｏ₂の像
が像点Ｉにできる。レンズ１枚を回転させた場合は収差
の発生が大きいので、回転させるレンズを２枚以上にし
て収差の発生を抑える。

【００１６】このような焦点距離可変レンズ系を搭載し
た画像読み取り装置は、開いた本のように読み取りたい
対象の位置が光軸方向に変動している場合でも、読み取
りたい対象と光検出器との距離に応じてレンズ系の焦点
距離を変えて、解像度良く読み取ることが可能になる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

【００１８】（実施例１）図１は本発明の焦点距離可変
レンズ系の第１の実施例を示す子午断面図（ＹＺ断面
図）であり、図２は子午断面図に直交する方向の断面図
（ＸＺ断面図）である。

【００１９】３枚のレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３及び開口絞
りＳ３から構成され、レンズＬ１とレンズＬ２は、開口
絞りＳ３の中心Ｃを回転中心として一体として子午面
（ＹＺ面）に沿って回転する。これらの回転するレン
ズ、絞りを回転レンズ群Ｌｒｏｔと呼ぶことにする。レ
ンズＬ３は固定されている。Ｌ４は光検出器であるライ
ンセンサーのカバーガラスであり、ラインセンサーは紙
面に垂直な方向（Ｘ方向）に延びている。ラインセンサ
ーの光電変換面はカバーガラスＬ４の裏面Ｓ９に接して
いると仮定する。

【００２０】レンズを構成する面のうちでＳ２、Ｓ４お
よびＳ６で参照される３つの面は球面であり、Ｓ１、Ｓ
５およびＳ７で参照される３つの面は回転対称性を有す
る面ではなく、その形状が多項式で表現される面であ
る。

【００２１】この多項式で形状が表現される面の形状に
ついて説明する。ここで用いられている多項式はＺｅｒ
ｎｉｋｅ多項式であり、その詳細は、ボルンとウォルフ
（Ｍ．Ｂｏｒｎ ＆ Ｅ．Ｗｏｌｆ）の著書「光学の原
理（Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ）」の４
６４頁から記載されている。

【００２２】レンズを構成する面上の一点から、この面
の頂点でこの面に接するＸＹ平面におろした垂線の長さ
をｚとしたとき、ｚを次式のように多項式で表現する。

【００２３】

【数１】

【００２４】ここで（Ｒ、θ）は図３に示すような極座
標であり、２８項目までを記載した。

【００２５】図４にレンズＬ１、Ｌ２及び開口絞りＳ３
とから成る回転レンズ群Ｌｒｏｔを回転させたときの結
像関係を示す。（ａ）は回転レンズ群を−１０゜回転さ
せた場合、（ｂ）は回転レンズ群が回転せずに基準位置
にある場合、（ｃ）は回転レンズ群を＋１０゜回転させ
た場合を示している。読み取るべき対象がある物点Ｏか
ら基準位置にあるレンズ系の第１面Ｓ１の頂点までの距
離ｄと、回転レンズ群の回転角の関係を表１に示す。ま
た、読み取るべき物体の幅Ｗｏが３００ｍｍである場合
のラインセンサー上の像の幅Ｗｓも表１に一緒に示す。
物体の幅Ｗｏとセンサー上の像の幅Ｗｓについては、光
学系のＸＺ断面図である図５に示してある。

【００２６】

【表１】

【００２７】表２に本実施例における光学系の近軸デー
タを示す。これらのデータは焦点距離で規格化はしてい
ない実際の値である。

【００２８】

【表２】

【００２９】本実施例における設計波長は単色で５５０
ｎｍ、また、第３面の絞りＳ３の開口直径は８ｍｍであ
る。

【００３０】表３に多項式面を表現する係数の値を示
す。係数の値が０である係数は記載していない。

【００３１】

【表３】

【００３２】表４に、レンズ系回転角−１０゜、０゜、
＋１０゜の各配置の画角範囲において光学系のＭＴＦの
最低値が０．５になる空間周波数を示す。

【００３３】

【表４】

【００３４】（実施例２）図６は本発明の焦点距離可変
レンズ系の第２の実施例を示す子午断面図（ＹＺ断面
図）であり、図７は子午断面図に直交する方向の断面図
（ＸＺ断面図）である。

【００３５】６枚のレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ
５、Ｌ６及び開口絞りＳ５から構成され、レンズＬ１、
Ｌ２、Ｌ３、及びＬ４の４枚のレンズは、開口絞りＳ５
の中心Ｃを回転中心として一体として子午面（ＹＺ面）
に沿って回転する。これらの回転するレンズ、絞りを回
転レンズ群Ｌｒｏｔと呼ぶことにする。レンズＬ５及び
レンズＬ６は固定されている。Ｌ７は光検出器であるラ
インセンサーのカバーガラスであり、ラインセンサーは
紙面に垂直な方向（Ｘ方向）に延びている。ラインセン
サーの光電変換面はカバーガラスＬ７の裏面Ｓ１５に接
していると仮定する。

【００３６】実施例１と実施例２とではレンズの形状が
異なるが、Ｌ１、Ｌ２、Ｓ１、Ｓ２など同じ符号でレン
ズ及びレンズを構成する面を参照している。

【００３７】レンズを構成する面のうちでＳ１、Ｓ９お
よびＳ１１で参照される３つの面は回転対称性を有する
面ではなく、その形状が式１の多項式で表現される面で
ある。

【００３８】図８に４枚のレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ
４及び開口絞りＳ５から成る回転レンズ群Ｌｒｏｔを回
転させたときの結像関係を示す。（ａ）は回転レンズ群
を−１０゜回転させた場合、（ｂ）は回転レンズ群が回
転せずに基準位置にある場合、（ｃ）は回転レンズ群を
＋１０゜回転させた場合を示している。読み取るべき対
象がある物点Ｏから基準位置にあるレンズ系の第１面Ｓ
１の頂点までの距離ｄと、回転レンズ群の回転角の関係
を表５に示す。また、読み取るべき物体の幅Ｗｏが３０
０ｍｍである場合のラインセンサー上の像の幅Ｗｓも表
５に一緒に示す。

【００３９】

【表５】

【００４０】表６に本実施例における光学系の近軸デー
タを示す。これらのデータは焦点距離で規格化はしてい
ない実際の値である。

【００４１】

【表６】

【００４２】本実施例では実施例１と異なり４８６．１
ｎｍ、５４６．１ｎｍ、６５６．３ｎｍの３つの波長を
用いて色収差も小さくなるように設計を行った。第５面
の絞りＳ５の開口直径は８ｍｍである。

【００４３】表７に多項式面を表現する係数の値を示
す。係数の値が０である係数は記載していない。

【００４４】

【表７】

【００４５】表８に、レンズ系回転角−１０゜、０゜、
＋１０゜の各配置の画角範囲において光学系のＭＴＦの
最低値が０．５になる空間周波数を示す。

【００４６】

【表８】

【００４７】（実施例３）図９は本発明の画像読み取り
装置の第１の実施例を示す断面図であり、この断面図は
焦点距離可変レンズ系の子午面を含む断面図である。

【００４８】原稿９２が机の上などに置かれ、実施例２
で説明した６枚のレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５
及びＬ６を含む焦点距離可変レンズ系とラインセンサー
９０及び回転するミラ−９１が内蔵されたヘッド９３が
支持脚９４によって原稿上の空中に配置される。ヘッド
９３の外形寸法は１５０ｍｍ×１００ｍｍ×５０ｍｍ程
度にできる。図９では図を見やすくするために原稿９２
の大きさとヘッド９３の大きさを等倍にしていない。支
持脚９４を折り畳み可能な機構とすれば、画像読み取り
装置を使用しない場合は、画像読み取り装置をコンパク
トに折り畳むことができ、机の一角などの小さなスペー
スに収納することが可能となる。ラインセンサー９０の
近傍に超小型の蛍光管を配置して原稿面上の読み取り範
囲周辺を照明することによって明瞭な像を取り込むこと
ができる。

【００４９】本実施例における原稿９２の大きさはＡ３
サイズであり、その長辺方向の長さＷｌは約４２０ｍ
ｍ、短辺方向の長さＷｏは約３００ｍｍである。短辺方
向の長さＷｏは図５に示されているように、ラインセン
サーで読み取れる物体の範囲に相当する。ラインセンサ
ー上には原稿９２の短辺方向の線状の画像が一度に取り
込まれ、ミラ−９１を図の矢印で示したように回転させ
ることによって、原稿９２の画像を長辺方向に順次ライ
ンセンサー上に結像して原稿全体の画像を読み取る。

【００５０】原稿９２の中心とミラ−９１の回転中心の
間隔Ｌｃを３００ｍｍとすると、Ａ３サイズの原稿の長
辺方向の端を読む場合（破線で示した配置）の原稿とミ
ラ−の回転中心との間隔Ｌｅは３６６ｍｍとなる。実施
例２の焦点距離可変レンズ系では、回転レンズ群の回転
角度範囲±１０°で原稿面とレンズ第１面までの距離が
１２０ｍｍ変動しても解像度良く結像できているので、
本実施例におけるＡ３サイズの中心と端でも解像度良く
原稿を読み取ることができる。

【００５１】読み取るべき原稿の大きさが決まってお
り、平坦な原稿面に対してヘッド９３の位置が固定され
ている場合には、ミラ−９１の回転角度によって原稿の
どの位置を読み取っているかがわかり、その時の原稿と
ミラ−の間隔が計算できるので、この間隔に従って回転
レンズ群を必要な角度だけ回転させれば良い。

【００５２】実施例２の表５に示したが、焦点距離可変
レンズ系の焦点距離を変えると当然倍率も変化する。こ
れについてもソフトウエアで補正することとし、焦点距
離可変レンズ系における回転レンズ群の回転角度に応じ
て検出された像の大きさをソフトウエア上で拡大縮小
し、その拡大率あるいは縮小率は回転レンズ群の回転角
度と対応づけられる。

【００５３】従って、ミラ−９１の回転角度と回転レン
ズ群Ｌｒｏｔの回転角度、及び像の拡大縮小の対照表を
ソフトウエアとして備えておけば良い。

【００５４】本発明の画像読み取り装置における運動機
構は、ミラ−９１を回転させるモーターと、焦点距離可
変レンズ系の回転レンズ群Ｌｒｏｔを回転中心Ｃを中心
として回転させるモーターの２つの回転運動だけであ
る。

【００５５】（実施例４）本実施例の画像読み取り装置
は、見開いた書籍のように平坦でない原稿も読み取るこ
とができる。

【００５６】構成としては、実施例３で説明した画像読
み取り装置に、ラインセンサー９０から原稿面までの距
離を計測する測距装置が付加される。測距装置からのデ
ータに基づいて焦点距離可変レンズ系の回転レンズ群Ｌ
ｒｏｔの回転角度を制御し、さらに実施例２の場合と同
様に検出された像の拡大縮小をソフトウエア上で行う。

【００５７】本実施例の画像読み取り装置で平坦な原稿
も読めることは言うまでもない。

【００５８】以上、本発明の焦点距離可変レンズ系と、
それを備えた画像読み取り装置の実施例を説明したが、
焦点距離可変レンズ系としては、焦点距離が子午面内で
変化するレンズあるいはレンズ群を子午面内で回転させ
て焦点距離を変化させるという概念のなかで種々の構成
が考えられる。また、画像読み取り装置としては実施例
では原稿の大きさとしてＡ３サイズの場合を説明した
が、その他のサイズに対応した画像読み取り装置を構成
する場合には、以下の３つの構成が考えられる。

【００５９】（１）原稿サイズ毎に、その原稿サイズに
適した焦点距離可変レンズ系を備えた画像読み取り装置
を用意する。

【００６０】（２）Ａ３サイズ用に設計した本実施例の
ような画像読み取り装置に、倍率を変更するレンズを取
り付け、原稿の大きさによってレンズを交換可能な構成
とする。

【００６１】（３）Ａ３サイズ用に設計した本実施例の
ような画像読み取り装置において、原稿の大きさを指定
することによって、ソフトウエアによって像の大きさを
拡大縮小する。

【００６２】

【発明の効果】本発明の焦点距離可変レンズ系は、焦点
距離が子午面内で変化するレンズあるいはレンズ群を子
午面に沿って回転させることによって、レンズ系の焦点
距離をかえることができる、という効果を有する。この
効果によって、レンズ系の焦点距離を変えるために必要
な駆動機構はレンズあるいはレンズ群を回転させる回転
機構だけで済み、回転運動を並進運動に変換する機構が
不要な焦点距離可変レンズ系を提供できるという効果を
有する。

【００６３】また、本発明の焦点距離可変レンズ系を備
えた画像読み取り装置は、原稿上の読み取り位置を走査
するミラ−の回転と、焦点距離可変レンズ系における回
転レンズ群の回転だけが機械的な駆動機構であり、機械
的な駆動機構を従来に比べて単純にすることができると
いう効果を有するとともに、画像読み取り装置を小型化
できるという効果を有する。さらに、本発明の画像読み
取り装置は、大きな原稿の場合でも原稿全面にわたって
読み取りヘッドを移動させる必要がないので、画像読み
取り装置を小型化できるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の焦点距離可変レンズ系の第１の実施
例の子午断面図（ＹＺ断面図）。

【図２】 本発明の焦点距離可変レンズ系の第１の実施
例の子午断面に直交する方向の断面図（ＸＺ断面図）。

【図３】 本発明で用いられるレンズの面の形状を表す
多項式における座標系を示す図。

【図４】 本発明の焦点距離可変レンズ系の第１の実施
例において、回転レンズ群を回転させて焦点距離を変え
る機構を説明するレンズ系の子午断面図。

【図５】 本発明の焦点距離可変レンズ系の第１の実施
例において、レンズ系の子午断面に直交する方向の結像
関係を示す図。

【図６】 本発明の焦点距離可変レンズ系の第２の実施
例の子午断面図（ＹＺ断面図）。

【図７】 本発明の焦点距離可変レンズ系の第２の実施
例の子午断面に直交する方向の断面図（ＸＺ断面図）。

【図８】 本発明の焦点距離可変レンズ系の第２の実施
例において、回転レンズ群を回転させて焦点距離を変え
る機構を説明するレンズ系の子午断面図。

【図９】 本発明の画像読み取り装置の第１の実施例を
示す断面図であり、この断面図は焦点距離可変レンズ系
の子午面を含む断面図。

【図１０】 本発明の焦点距離可変レンズ系の作用を説
明するためのレンズの子午断面図。

【図１１】 本発明の焦点距離可変レンズ系の作用を説
明するためのレンズの子午断面図。

【図１２】 従来の焦点距離可変レンズの例を示す断面
図。

【図１３】 従来の画像読み取り装置の構成例を示す
図。

【符号の説明】

Ｌ、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７ レン
ズまたはカバーガラス Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ
９ 面または開口絞り Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ１５ 面 Ｃ 回転中心 Ｌｒｏｔ 回転レンズ群 Ｏ、Ｏ₁、Ｏ₂ 物点 Ｉ 像点 ｄ 物点からレンズ第１面までの距離 Ｗｏ 読み取るべき対象の幅 Ｗｌ 読み取るべき対象の長さ Ｗｓ ラインセンサー上の像の幅 Ｌｃ 原稿の中心とミラ−の回転中心との間隔 Ｌｅ 原稿の端とミラ−の回転中心との間隔 ９０ ラインセンサー ９１ ミラ− ９２ 原稿 ９３ ヘッド ９４ 支持脚 １２０ 光軸 １２１、１２２ レンズ １３０ 原稿 １３１ ガラス １３２ 光源 １３３ 光検出器 １３４ レンズ １３５ 読み取りヘッド １３６ ヘッドの移動方向

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 子午面内で屈折力が異なるレンズが子午
   面に沿って回転することを特徴とする焦点距離可変レン
   ズ系。
2. 【請求項２】 子午面内で屈折力が異なる少なくとも２
   枚のレンズから成る回転レンズ群と、子午面内で屈折力
   が異なる少なくとも１枚のレンズから成る固定レンズ群
   とを備え、前記回転レンズ群を構成するレンズの子午面
   及び前記固定レンズ群を構成するレンズの子午面は共通
   の面内にあり、前記回転レンズ群が子午面に沿って回転
   することを特徴とする焦点距離可変レンズ系。
3. 【請求項３】 子午面内で屈折力が異なる少なくとも２
   枚のレンズと、前記２枚のレンズの間に配置された開口
   絞りとから構成される回転レンズ群と、子午面内で屈折
   力が異なる少なくとも１枚のレンズから構成される固定
   レンズ群とを備え、前記回転レンズ群を構成するレンズ
   の子午面及び前記固定レンズ群を構成するレンズの子午
   面は共通の面内にあり、前記回転レンズ群が前記開口絞
   りの中心を回転中心として子午面に沿って回転すること
   を特徴とする焦点距離可変レンズ系。
4. 【請求項４】 線状の物体を線状の像として結像するこ
   とを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の焦点距離可
   変レンズ系。
5. 【請求項５】 読み取るべき対象と、回転可能なミラ−
   と、請求項１乃至請求項４記載の焦点距離可変レンズ系
   と、線状の光検出器とを備えていることを特徴とする画
   像読み取り装置。
6. 【請求項６】 光検出器と読み取るべき対象との距離を
   計測する手段を備えたことを特徴とする請求項５記載の
   画像読み取り装置。
7. 【請求項７】 焦点距離可変レンズ系の焦点距離変化に
   よって生じる光検出器上の像の大きさの変化を、ソフト
   ウエアで補正することを特徴とする請求項５あるいは請
   求項６記載の画像読み取り装置。