JPS5833526B2 - 変倍光学系 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、集束性光伝送体プレイを使用した変倍光学
系に関する。

半径方向に二次関数的屈折率分布を有する集束性光伝送
体は、直径１〜２闘程度の樹脂製またはガラス製の棒状
透明体であり、結像装置としては、同じ長さで同じ屈折
率分布の各光伝送体素子を、その端面を平行にそろえて
列状に多数近接配置し光伝送体アレイとして使用する。

このような光伝送体アレイを使用した結像装置は、通常
の球面レンズを使用した結像装置に比べて、小型軽量で
あり、幅方向の性能が一定であり、焦点距離を非常に短
くすることができ、光路長の調整が不要であり、開口効
率が良く、−個の結像素子で等倍正立像の結像が可能で
ある等、いくつかの利点がある。

このような集束性光伝送体を使用して等倍正立像を結像
させるためには、その長さ２を次のように定めることが
、特公昭５０−３７５５０号公報および特公昭４７−２
８０５８号公報等に記載されている。

ここでは、ｍは正の整数、ａは集束性光伝送体における
定数である。

一般の電子写真複写機用に開発された光伝送体アレイは
、このような等倍正立像を結像させるタイプのもので、
その各素子の屈折率ｎ。

が１．５２程度、直径りが０．９〜１．２關程度、その
長さＺが２５〜３５ｍｍ程度、その共役長りすなわち物
体または物体面からまたは像面までの距離が５５〜６５
間程度のものである。

各素子の入射端面から物体までおよび出射端面から像ま
での距離ｌ。

は、１／２（Ｌ−Ｚ）で表わされ、ｉｏ＝１６ｍｍまた
は１０＝１９ｍｍ程度のものが多く使用される。

また、素子平木の最大画角θは、ｔａｎθ− Ｄ／２・ｎ□’Ｅで表わされ、これは５°４９′または
６°５′程度になり、屈折率分布定数ａは、０．０１４
６０９０または０．０１９４６２８程度である。

また、素子の列数をＮとすると、スリット露光する場合
のスリット幅Ｓは、２１ｏθ−＋−Ｊ￥／２・Ｄ（Ｎ−
１）となり、これは４２間または４．９ｍｍ程度になる
。

このような光伝送体アレイを結像装置として使用した場
合、一つのアレイで等倍実像を得ることはできるが、変
倍実像を得ることはできないとされている。

しかしながら、アレイとしてではなく、素子単体では、
その素子の長さを変えることによって、縮小実像や拡大
虚像を得ることができることが知られている。

例えば、素子の長さを光路ピッチの１／４にカットする
と、出射端面側に縮小倒立実像が、そして入射端面側に
拡大正立虚像が得られる。

しかしながら、これをアレイとして構成すると、像は結
ばなかったり、一つ一つの素子による像がばらばらにな
り、結像装置としての使用が不可能になる。

この発明の目的は、このような光伝送体アレイを使用し
て、ばらばらにならない、物体に対応した一体の変倍像
な得ることのできる新規な結像光学系を提供することに
ある。

この目的は、等倍圧立結像条件を満足する集束性光伝送
体アレイの出射端面側および入射端面側の少なくとも一
方の側に、等倍時における結像に寄与する光線のすべて
を受げうる一つの凹レンズ系を配置することによって達
成される。

この発明によれば、簡単な構成で小型の変倍光学系が得
られるばかりでなく、凹レンズの種類またはその位置を
変えることによって拡大、縮小像を自由に選択すること
ができる。

従来の球面レンズのみによる変倍光学系は、その光路長
が数百間もあり、これを電子写真複写機等に応用すると
、この光学系のみで複写機全体の体積の３〜４割を占め
る。

この発明による光学系は、その光路長が数−ｆｖｔｍと
極く短く、また変倍のためのスペースも極く小さくて済
むので、装置全体を極めて小型にすることができる。

以下、添付した図面を参照してこの発明を説明する。

まず第１図を参照して、等倍圧立結像条件を満足する光
伝送体素子１の基本的な結像パターンを示す。

長さ２の光伝送体素子１０入射端面１ａから距離ｌ。

の点に物体２が配置されている。物体２からの光線は、
素子１の中を正弦波状に進行してその端面１ｂから出射
し、距離ｌ。

の点に像３を結ぶ。

この像３は、物体２の等倍圧立実像である。

このように結像されるときの、物体２から像３までの距
離りを共役長という。

そして、この発明は、第２図から第４図に示すように、
物体２から距離Ｍの点に凹レンズ４を配置することを特
徴とする。

いま、この距離Ｍが、第２図に示すように、２×■ｏ＋
Ｚよりも長く、すなわち素子１の出射端面１ｂ側にあり
、かつ共役長りに等しいか小さい場合、物体２の像は、
凹レンズ４がなげれば等倍圧立像３として結像されるは
ずなのに、凹レンズ４があるために拡大正立実像３ａと
して結像される。

像２からでた光線は、素子１の中を通って出射し、凹レ
ンズ４によって外側に屈折され、共役長りからＸだげ遠
方の点で像を結ぶ。

この図から明らかなように、凹レンズ４が素子１の出射
端面１ｂに近づけば、それだけ光線５、この光線は逆に
延長すると凹レンズ４の焦点Ｆを通る、の屈折角も大き
くなるので、拡大倍率も大きくなる。

また、第３図に示すように、距離Ｍが共役長りよりも長
い場合、物体２の像は、縮小実像３ｂになる。

物体２からでた光線は、一旦、共役長りの点で等倍圧立
実像３を作った後、共役長りからＸだげ遠方かつ凹レン
ズ４の内側に実像３ｂを作る。

したがって、レンズ４が素子１の出射端面１ｂから遠ざ
かれば、それだけ光線の屈折角も小さくなるので、縮小
倍率も小さくなる。

また、距離Ｍが物体から入線端面までの距離ｌｏよりも
短い場合、すなわち第４図に示すように、凹レンズ４が
物体２と素子１０入射端面１ａとの間に配置されている
場合、物体２の像は、素子１によって縮小正立実像３ｃ
となる。

物体２の像は、まずレンズ４と物体２との間かつ物体２
からＸの距離に縮小正立虚像２ａとなって現われ、この
像が素子１によって共役長りよりもＸだげ素子寄りに実
像３ｃとして結像される。

すなわち虚像２ａの等倍実像が（Ｌ−２Ｘ）の共役長で
結像される。

この場合、凹レンズ４を素子１の入射端面１ａに近づけ
れば、それだけ光線５の屈折角が小さくなるので、虚像
２ａおよび実像３ｃの太きさも小さくなる。

次に、このような素子を近接して並べてアレイに構成し
た場合に如何にして物体２に対応した一体の像３として
合成されるかについて、第１図および第２図の場合につ
いて第５図および第６図を参照して説明する。

一般に前記したような開口角θが４〜６°、直径ＤＩＪ
″−０，８〜１．２朋程度の等倍アレイ用素子１を１列
に並べた場合、素子１の２〜３本のグループ毎に（２列
アレイの場合は５〜６本）物体２の各部分領域がカバー
される。

すなわち隣接する２〜３本の素子グループが互に重複し
ながら物体２のそれぞれの領域をカバーすることにより
、全体の画像が合成される。

第５図には、この様子が示されている。

したがって、このような等倍圧立合成像が成立する条件
、すなわち、等倍正立像結像条件を満足する同じ長さの
素子を、その両端面を平行にして列状に多数近接配置し
てアレイ１０を構成すること、を満足する限り、第６図
に示すように、アレイ１０の出射端面１０ｂと、凹レン
ズ４がなげれば等倍合或像３が結像されるであろう位置
との間に、等倍時における結像に寄与する光線のすべて
を受げうる大きさの一つの凹レンズ４を配置すれば、等
倍合戊像３を結像する光線のすべてが、それぞれ方則に
則って屈折しその遠方で集束するので、像面において物
体２に対応する一体の拡大合成像３ａが結像される。

この凹レンズ４は、第７図に示すように、あくまでもア
レイ１０全体の有効結像光線をカバーする大きさの一つ
の凹レンズ系（全体が凹レンズの作用をする複数のレン
ズを含む）でなげればならず、各素子または各素子グル
ープに対応する大きさの凹レンズを出射端面１０ｂに平
行に並べたのでは、像がばらばらになったり、複数の合
成像ができてしまうことになる。

以上明らかなように、この発明においては、等倍正立像
結像条件を満足する集束性光伝送体アレイの入射端面側
または出射端面側のうちの少なくとも一方の側に、等倍
時における結像に寄与する光線のすべてを受けうる一つ
の凹レンズ系を配置することにより、物体に対応する一
体の合戊変倍像が結像可能になる。

次に、これらの構成における実際の実施例について、そ
のいくつかを説明する。

使用したアレイの各素子は、前記した等倍正立像結像条
件を満足するもので、その共役長りは６４闘、屈折率ｎ
。

は１，５２、屈折率分布定数ａは０．０１４６、直径り
は約ＬＯｍｒｔｔ、開口角θは約６°である。

各素子は、その側面を擦り面処理して二列に近接して並
べ、光吸収性接着剤を各素子の隙間に流しこんで固めた
後、両端面を平行に鏡面仕上げをしてアレイとた。

このようなアレイを治具に固定し、一方の端面側に縦４
．６４：横５．０５（単位１１ＬｒＩＬ。

以下、比の単位は同様）の実験用パターンを配置し、他
方の端面側に移動可能なスクリーンを配置した。

まず、第２図に示す構成において、凹レンズ４をＭ＝５
１ｍｍ（Ｌは６４ｍＪの点に配置し、スクリーンを移動
させて合焦し、結像された像３ａの寸法を測定した。

この結果、像３ａの大きさは縦６．６８：横７．２７で
あった。

すなわち、倍率は１４４倍である。

ＪＩＳの用紙サイズの規格は、同ランクのＡ列とＢ列と
の比が１：ｆ７になっている。

したがって、約１．４１倍の倍率が得られれば、ＪＩＳ
ＯＢサイズの原稿を同ランクのＡサイズの大きさに容易
に拡大することができる。

上記実施例における倍率１．４４はこの値に近いので、
この近辺のレンズ位置Ｍに１．４１倍の倍率が存在する
ことになる。

この倍率はまた、光伝送体素子の屈折率ｎ。

や屈折率分布定数ａ、直径Ｄ、開口角θ等によっても変
化するので、これらを制御することによっても適切な倍
率を得ることができる。

また、その条件も無数に設定することができるので、設
計における余裕度が高く、極めて実用的である。

上記実施例において、Ｘは約５．５ ｍｍであった。

すなわち共役長りが６４ｍｍに対し約５．５間延びたこ
とになる。

光伝送体アレイを電子写真装置のスリット露光装置に応
用する場合、確かに小型化はされるが、狭いスリット幅
に光を集中させるために光源のパワーアンプが避けられ
ず、この結果、装置内の温度が不適当なまでに上昇して
しまう欠点がある。

したがって、共役長を少しでも延ばしてそこに空間を設
けることは、光学系に対して好ましい熱放出を与え、空
気流動のための設計も可能となり、装置の温度上昇を適
切に制御することができる。

次に、同じ条件でＭを５６１１ＬｒＩＬにして実験を行
なった。

この結果、出来た像の大きさは、縦５．５６：横６．０
６で、倍率は１．２倍、Ｘは約３．４ｍ馬であった。

また、Ｍを６１間にすると、すなわち凹レンズ４を素子
１の出射端面１ｂからさらに遠さけると、倍率は１．０
２倍になり、Ｘは約２．１山となった。

逆に、凹レンズ４を素子１の出射端面１ｂに極く近づげ
ると、出来た像の大きさは、縦８．２２：横８．９５で
、倍率は１．７７倍、Ｘは約１０．０朋であった。

これらの結果を表にまとめると次のようになる。

この表からも明らかなように、物体から凹レンズまでの
距離Ｍが、共役長である６４間に近づけば近づ（はど、
その倍率は小さくなり、共役長の延びも少ない。

このように、単に凹レンズの位置を変えるだけでも、極
めて多様な拡大倍率が得られるが、レンズの位置は同じ
であっても、その位置に異なる性能の凹レンズを配置す
ることによってもその倍率を変化させることができる。

次に、第３図に示す構成において、凹レンズ４を共役長
りよりも長いＭ＝６７．４ｍｍの位置に配置した。

この場合、得られる実像がレンズより素子端寄りなので
、凹レンズ４の外側にさらに凸レンズを配置してスクリ
ーン上に実像を作り、この大きさを凸レンズの倍率を差
し引いて測定した。

この結果、実像３ｂの大きさは、縦３．９０：横４．２
４で、倍率は０．８４倍、Ｘは約２．５ｍｒｎであった
。

同様にして、Ｍを７７．４ｍｍにすると実像３ｂの大き
さは、縦３．１５５：横３，４３で倍率は０．６８倍、
Ｘは約７．５關、Ｍを８７．４ｍｍにすると実像３ｂの
大きさは、縦２．５６：横２．７８で倍率は０．５５倍
、Ｘは約１３間、Ｍを１１７．４闘にすると、実像３ｂ
の大きさは、縦１．７２：横１．８７で倍率は０．３８
倍、Ｘは約３７ｍｒＩＬになった。

これらの結果を表にすると次のようになる。

この表からも明らかなように、物体２から凹レンズ４ま
での距離Ｍが共役長である６４朋から遠ざかれば遠ざか
るほど、その倍率は小さくなり、その共役長は延びる。

この発明を実施する場合、凹レンズ４は、一枚であって
も、複数枚を組み合わせて全体として凹レンズとして機
能するようにしたものでもよい。

そして、上記凹レンズに倍率１０倍の凸レンズを組み合
わせたところ、次のような結果を得た。

このように、前記実施例の倍率をそれぞれ１０倍した倍
率が得られ、種々のレンズの絹み合わせにより任意の倍
率が得られることが証明された。

また倍率を上げても解像力はほとんど落ちないことも確
認された。

また、凹レンズ１枚であっても、その形状は、両凹形や
凹凸形等種々のものが使用でき、凹凸形の場合、裏返し
に使用しても同様な効果があることが確認された。

さらにまた、第２図または第３図に示す構成と第４図に
示す構成とを組み合わせて倍率を種々に変化させること
もできる。

したがって、各レンズを交換可能に配置したり、その光
軸上の位置を調整可能に配置するとよい。

この発明は、電子写真複写機、ファクシミリ装置、マイ
クロフィルム用のリーダーや投影機、オーバーヘッド・
プロジェクタ−等の変倍光学系に応用できる。

この場合、それぞれの装置に適した技術的手段が付加さ
れる。

また、第３図に示す構成の場合において、凹レンズ４の
代りに焦点距離の短い凹面鏡を用い、像３がその焦点の
外側に位置するように構成すれば、凹面鏡の内側に到立
縮小実像が得られるので、これをイメージセンサ−等の
表面に結像させて利用することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、集束性光伝送体の等倍実像の結像状態を示す
図、第２図は、この発明の一実施例における結像状態を
示す図、第３図は、この発明の別の実施例における結像
状態を示す図、第４図は、この発明のさらに別の実施例
における結像状態を示す図、第５図は、アレイにした場
合の像が合成される様子を示す図、第６図は、この発明
において変倍偉が合成される様子を示す図、第７図は、
この発明における凹レンズの大きさとアレイの結像光線
との関係を示す図である。 １・・・・・・集束性光伝送体素子、２・・・・−・物
体、３・・・・・・像、４・・・・・・凹レンズ、１０
・・・・・・アレイ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 屈折率が半径方向に放物線状に変化する透明な集束
   性光伝送体素子を、その光の入射端面および出射端面を
   それぞれ平行にして列状に多数近接配置した等倍圧立像
   結像条件を満足する集束性光伝送体アレイと、とのアレ
   イの光の入射端面側および出射端面側のうち少なくとも
   一方の側に配置されて、等倍時における結像に寄与する
   光線のすべてを受けうる一つの凹レンズ系とを備えた変
   倍光学系。 ２ 上記凹ンンズ系が、一枚の凹レンズであることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の変倍光学系。 ３ 上記凹レンズ系が、複数のレンズの組み合わせであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の変倍光
   学系。 ４ 上記凹レンズ系が、他の凹レンズと交換可能に配置
   されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の変倍光学系。 ５ 上記凹レンズ系が、その光軸上の位置を調整可能に
   配置されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の変倍光学系。