JPS587976B2 - 多軸結像光学系 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は多軸結像光学系に関するものであり、この結像
光学系は線状像を形成するため伸長形状を有しておりし
かも互いに平行に延在した軸を有する単軸光学系を多数
隣接して配置して成るものである。

なお、結像光学系とはいわゆる対物レンズ等を含むもの
である。

従来既知の方法ではオプチカルファイバーを隣接して配
置してこの種の結像光学系を構成している。

直径の小さなオプチカルファイバーを利用している結像
光学系においては、線状物体の各点に対して一本のファ
イバーを必要としこの場合このファイバーの入射口をそ
の点の輝度に比例した光束で照射するようにしている。

この光束の一部分はそのファイバーを経て伝わりこのフ
ァイバーにのみ結合している検出器で検出される。

この種の光学系においてはファイバーの本数が像点の個
数と等しいことが必要となり、さらに、読取るべき書類
をファイバーの入射口の近く（約０．０５ｍｍの距離の
点）に位置させる必要がありこのため書類の照明が妨げ
られしかもこの書類の通過の際にファイバーが損傷する
おそれがあるという欠点がある。

この種の多くの結像光学系にはいわゆる「セルフオツク
」と称せられるレンズを形成する口径の大きいファイバ
ーを利用しているものがある。

斯様に形成された各レンズはガラス製であって直径が約
１ｍｍであり長さが数儒の円柱形状である。

この場合、このガラスの屈折率はそのガラスの中心部か
ら周辺部に向って変化している。

これら各レンズは実の物体の実像を倍率が＋１の関係で
形成する。

このレンズの長さをその屈折率との関係で適当に選定す
ると、有効視野を単一レンズの直径よりもわずかに大き
くすることが出来るので、これらレンズの複数個を隣接
させて配置したものはファイバーの本数を像点の個数に
等しくさせることが出来る。

さらに、この種のレンズを使用すると、書類とファイバ
ーとの間の距離を比較的大きく（数ミリメートル）する
ことができる。

しかしながら、これらレンズにも欠点がある。

すなわち、第一に各レンズが複雑な構造となり従って高
価となることである。

さらに期的に変化するのを回避する場合にこれらレンズ
の各々に対して利用できる測光用アパーチャが小さいこ
とである。

なお、この小さな測光用アパーチャは各検出器における
光束を制限する働きをするものである。

さらに他の欠点はレンズ毎に光学的特性が異なる点であ
る。

すなわち、このため物体と像との間の距離に相違を生じ
、このため像面内での解像力が変化してしまう。

本発明はオプチカルファイバーを利用する従来の結像光
学系の上述した如き欠点を除去することを目白勺とする
。

この目的のため、本発明の装置においては、各単軸光学
系は光学材料から成る三個の球体を以って構成してトリ
プレットと称せられる組立体によって形成されており、
この場合これら球体の各中心は同一線上に位置しており
さらに前記トリプレットは光学的特性に関してはもとよ
り物体距離および像距離を含む幾何学的距離に関して前
記球体の中央球体の中心に対して対称となっており；さ
らに前記中央球体の屈折率は両外側球体の屈折率よりも
大きく、前記中央球体の直径は最大でも両外側球体の直
径に等しい大きさであり；各前記トリプレットにはその
射出口はもとよりその入射口においてこれら各トリプレ
ットの視野限界ｙを決める窓を隣接させてあり、この際
αが前記窓あ形状に依存する定数であるとすると前記視
野限界と前記両外側球体の半径Ｒとの間にｙ＝αＲの関
係があることを特徴とする。

以下、図面により本発明の実施例につき説明する。

第１図に示す１１，１２，１３は本発明によるトリプレ
ットの３個の凸レンズ（球体）を示す。

物体側の入射レンズを１１で示してあり、中央レンズを
１２で示してあり、像側の射出レンズを１３で示してあ
る。

これらレンズの中心をＣ１，Ｃ２，Ｃ３で夫々示してあ
る。

これら中心は軸１４上に位置している。

一例として第１図は同一直径を有し互いに接触させたレ
ンズを示してある。

以下の説明からも明らかなように、このような条件は必
らずしも必要ではない。

必要なことは外側の両球体は同一寸法と同一の屈折率と
を有ししかもこれら両球体を中央球体から等距離に位置
させることである。

これらトリプレットを多数寄せ集めてこれらトリプレッ
トの軸が第２図に示すように平行となるようにする。

図示の実施例においては、軸２０，２１，２２，２３．
２４を同一面内に位置させているので、物体線２８と像
線２９は直線である。

入射レンズ、中央レンズおよび射出レンズの中心は線２
５，２６．２７上に夫々位置しており、これら各線は各
トリプレットの光軸と直交している。

これらトリプレットの軸が同一面内に位置していない場
合には、物体線と像線は２つの平行な曲線となる。

本発明によれば、基本的光学系の像面を重なり合うよう
にしてこれら光学系の個数を制限できるようにするため
に、各トリプレットの倍率を＋１とする。

このレンズ１１は物体線２８のセグメントＡＢの中間像
を中央レンズ１２の赤道面内に形成する。

この赤道面は光軸１４に直交して延在している面である
。

この中間像を面中Ａ’Ｂ１として示す。

なお、この像はレンズ１２が存在しない場合にも現われ
る像である。

このレンズ１２の作用によって実際には像Ａ′Ｂ′が形
成される。

この像を基礎としてレンズ１３は像線２９上に像ＸＶを
形成する。

これら線セグメントＡＢおよびＡ″Ｂ″は等しくまた同
一方向を有している。

この中間像Ａ’Ｂ１は中央レンズ１２の中心に位置して
いるので、後者のレンズは無収差のアブラナートとして
作用する。

さらに、このレンズ１２は像の彎曲を除去する。

さらに外側の両球体１１および１３が非点収差、コマ収
差および横の色収差が無いように確実に作用させるため
に、物点からの有用ビームの開口角を制限して細いビー
ムを形成し、このビームの中央光線が第一および第三球
体の中心を通るようにする。

これはレンズ１２が中心Ｃ１とＣ３とを結合させて視野
レンズとして作用することおよびこの有用ビームの開口
角を制限する瞳を導入することによって実現することが
できる。

この瞳はレンズ１１の中心に設けられたアパーチャの開
口によって形成できるものではなく、このトリプレット
の入射口および射出口に関して対称的に配置した二つの
窓１５および１６を経て実現されるものである。

線セグメントＡＢの点Ｂに関しては、これら窓は中央光
線１９および外側光線１７および１８を有する斜線を施
して示した細い光ビームを制限する。

この場合、光線１７は入射窓１５の上側端縁に接し、他
方の光線１８は射出窓１６の上側端縁に接する。

これら窓が存在する結果、このトリブレットは点Ｂに関
しては有効入射瞳１０および有効射出瞳９を以って作用
する。

この場合、この入射瞳１０は中心Ｃ１に位置し、射出瞳
９は中心Ｃ２に位置している。

この入射瞳の有効表面区域は変化して窓によって形成さ
れる「キヤツツアイ」と等しい。

この表面区域は中央光線の角度が増大するに応じて減少
する。

これがため、トリブレットの像面の照度は均一ではない
。

複数個のトリプレットを以って構成した多軸結像光学系
（例えば対物レンズ）の場合には、単一のトリプレット
によって結像されるべき物体の最大寸法ＡＢ＝ｙ（視野
限界）に関連して、球体の直径を適切に釣合わせること
によって、均一の照度を得ることができる。

この場合、視野限界ｙと外側の二つの球体の半径Ｒとの
間にｙ＝αＲさいう直線的な関係がある場合には、好適
な結果を得ることができることが実験により判った。

ここでαはこれら窓の形状に依存する定数であって円形
窓の場合には約２．３に達する。

これに５％（±２．３×５／１００）の偏差があっても
なおも均質な照度として許容できる。

多軸結像光学系の最終的寸法は各トリプレットの開口数
Ｎと所望の解像力とを定めるーことによって得る。

この場合、開口数は外側の両球体および中央球体の屈折
率ｎおよびＮを夫々決定するものであり、また解像力は
半径Ｒの絶対値を決定するものである。

以下に示す表は多数の数値例を示し、ここで使用される
種々の記号は次のような意味を有する。

フすなわち、 Ｒ：曲率半径であり、この場合三個の接触している球体
に対して同じ値である。

ｎ：二個の外側の球体の媒質の屈折率。

Ｎ：中央球体の媒質の屈折率。

ｐ：物体と第一球体の中心との近軸距離であって、この
距離は第三球体の中心と像との間の距離に等しい。

ｙ：光軸から測った各トリプレットの視野の直線的寸法
。

ρ：窓アパーチャの半径。

ω：フィールドアングル（物体または像）。

Ｎ：関口数 ｔａ：球面収差の光スポットの直径。

ｔｃ：色収差の光スポットの直径。

ｔ：全体の収差の光スポットの直径。

これら記号間には次の関係がある。

すなわち、 ρ＝ｙ／ｐＲ ；ｔｇ ω＝ｙ／ｐ ここでΔｎは有用なスペクトルでの屈折率の変化を表し
ている。

これらの結果、０．１２５ｍｍの収差光スポットに対応
しこれがため単位ｍｍ当り８点程度の解像力を可能にす
る次のような実施例を得る。

開口数Ｎ＝８の場合には、表の第５欄から、Ｔ＝０．１
０８７であり、 従って、 ２Ｒ＝２．３ｍｍ ｎ＝１．４８３ Ｎ＝１．７６ Ｄ（物体と像との間の距離） ＝２ｐ＋４Ｒ＝１７．１８ｍｍ となる。

また、Ｎ＝１１．３の場合には、第７欄から、次の値を
得る。

すなわち、ｔ／Ｒ＝０．０７９１であり、これより ２Ｒ＝３．１６ ｎ＝１．４５９ Ｎ＝１．８２６ Ｄ＝１９．４６ｍｍ である。

これらの例から、本発明による球体は容易に操作できる
寸法を有することがわかる。

さらに、これら例から、これら球体の材料の屈折率は通
例のガラスの屈折率に相当することがわかる。

本発明の他の実施例にお票ては、このトリプレットの外
側の二個の球体のみを同一直径２Ｒとし、中央球体の直
径２ｒを２Ｒよりも小さくして外側の球体間の距離がこ
れらの直径よりもわずかに小さく（２０％まで）なるよ
うにする。

このようにすることにより、物体と像との間の距離を増
大させることができるので、ファクシミリ用の読取ヘッ
ドでの書類の照明が容易となる。

さらに、中央球体に関しては屈折率が前述した表に掲げ
た屈折率よりも小さいガラスを使用することができる。

すなわち、さらに一般的でしかも安価な種類のガラスを
使用することができる。

中央球体の直径を一層縮小して両外側球体間の距離を減
縮する場合には、さらに第３図に示すように中央球体１
２と、これと隣接する球体１１および１３との間に微小
空隙を形成することができる。

この場合妨げられることはない。

この実施例によれば、値Ｒ，ｒおよびｅの間には ０．８Ｒ＜ｒ＋ｅ≦Ｒ ０＜ｅ＜０．２ｒ の不等式の関係が満たされる。

さらに他の好適実施例においては、窓を長方形に形成し
、それらの二辺を物体線２８と平行にすることができる
。

この実施例においては、ｙ＝αＲの式のαの値は約２に
等しい。

この場合には約５％の偏差が許容され得る。

第２図に示すように、多数の多軸結像光学系を順次に配
置して層状にすることができるので、多数の物体線を対
応する多数の像線と結合させることができる。

本発明は上述した実施例にのみ限定されるものではなく
多くの変更または変形を行ない得ること明らかである。

【図面の簡単な説明】

１ 第１図はトリプレットと称せられる基本的光学系の
一実施例を示す線図、第２図は本発明による多軸結像光
学系の一実施例を示す斜視図、第３図は基本的光学系の
他の実施例を示す線図である。 ９・・・・・・有効射出瞳、１０・・・・・・有効入射
瞳、１１〜１３・・・・・・球体（または凸レンズ）、
１４．２０〜２４・・・・・・軸、１７〜１９・・・・
・・光線、２５〜２７・・・・・・線、２８・・・・・
・物体の線、２９・・・・・・像線、Ｃ１〜Ｃ３・・・
・・・レンズの中心、ＡＢ・・・・・・セグメント、Ａ
′Ｂ１，Ａ′Ｂ′，Ａ″Ｂ″・・・・・像。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 線状像を形成するための伸長形状を有しておりおよ
   び互いに平行に延在する軸を有する単軸光学系を多数隣
   接して配置させて構成した多軸結像光学系において、各
   単軸光学系は光学材料から成る三個の球体を以って構成
   してトリプレットと称せられる組立体によって形成され
   ており、この場合これら球体の各中心は同一線上に位置
   しておりさらに前記トリプレットは光学的特性に関して
   はもとより物体距離および像距離を含む幾何学的距離に
   関して前記球体の中心に対して対称となっており；さら
   に前記中央球体の屈折率は両外側球体の屈折率よりも大
   きく、前記中央球体の直径は最大でも両外側球体の直径
   に等しい大きさであり；各前記トリプレットにはその射
   出口はもとよりその入射口においてこれら各トリプレッ
   トの視野限界ｙを決める窓を隣接させてあり、この際α
   が前記窓の形状に依存する定数であるとすると前記視野
   限界と前記両外側球体の半径Ｒとの間にｙ＝αＲの関係
   があることを特徴とする多軸結像光学系。 ２ 前記窓は円形であり、αは２．３±５％（α＝２．
   ３±２．３×５／１００）の範囲内であることを特徴と
   する特許請求の範囲１記載の多軸結像光学系。 ３ 前記窓は長方形であり、αは２±５％（α＝２±２
   ×５／１００）の範囲であることを特徴とする特許請求
   の範囲１記載の多軸結像光学系。 ４ 前記球体は互いに接触しておりしかも同一の直径を
   有していることを特徴とする特許請求の範囲１ないし３
   のいずれかに記載の多軸結像光学系。 ５ 前記球体は互いに接触しており、前記中央球体の直
   径は前記両外側球体の直径よりも小さいことを特徴とす
   る特許請求の範囲１ないし３のいずれかに記載の多軸結
   像光学系。 ６ 前記球体は互いに接触しておらず、前記中央球体の
   直径は前記両外側球体の直径よりも小さいことを特徴と
   する特許請求の範囲１ないし３のいずれかに記載の多軸
   結合光学系。 ７ 前記両外側球体の半径Ｒ１前記中央球体の半径ｒお
   よびこれら球体間の空隙ｅは ０．８Ｒ＜ｒ＋ｅ＜Ｒ ０＜ｅ＜０．２ｒ の関係を有していることを特徴とする特許請求の範囲５
   または６記載の多軸結像光学系。