JPS6112249B2

JPS6112249B2 -

Info

Publication number: JPS6112249B2
Application number: JP6256578A
Authority: JP
Inventors: Yasunosuke Tsucha; Shinichi Miura
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1978-05-25
Filing date: 1978-05-25
Publication date: 1986-04-07
Also published as: JPS54154344A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、集束性光伝送体アレイを使用した
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１〜２mm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
置した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、一個の結像素子で等
倍正立像の結像が可能である等、いくつかの利点
がある。

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、その各素子の屈折率hoが1.52程度、直
径Ｄが0.9〜1.2mm程度、その長さＺが25〜35mm程
度、その共役長Ｌすなわち物体或いは物体面から
像或いは像面までの距離が55〜65mm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_０は、1/2（Ｌ−Ｚ）で
表わされ、_０＝16mmまたは_０＝19mm程度のも
のが多く使用される。また、素子一本の最大画角
θは、tanθ＝Ｄ／２・n₀・√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、0.0146090または0.0194628程度であ
る。また、素子の列数をＮとすると、スリツト露
光する場合のスリツト幅Ｓは、２_０θ＋√３／
２・Ｄ（Ｎ−１）となり、これは4.2mmまたは4.9
mm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。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つて、縮小
実像や拡大虚像を得ることができる。例えば、素
子の長さを光路ピツチの1/4にカツトすると、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、像は結ばなかつたり、
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
を使用して変倍像を得ることのできる結像光学系
を提供することにある。

この目的は、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に、凸レンズを配
置することによつて達成される。

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、凸レンズの種類ま
たはその位置を変えることによつて拡大、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mm
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
十mm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、光伝送体素子１
の基本的な結像パターンを示す。長さＺの光伝送
体素子１の入射端面１ａから許離_０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_０の点に像３を結ぶ。この像３は、
物体２の等倍正立実像である。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Ｌ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の点に凸レン
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
×_０＋Ｚよりも長く、すなわち素子１の出射端
面１ｂ側にあり、かつ第１図の共役長Ｌに等しい
か小さい場合、物体２の像は、縮小実像３ａとし
て結像される。像２からでた光線は、素子１の中
を通つて出射し、凸レンズ４によつて内側に屈折
され、レンズなしのときの共役長Ｌからｘだけ遠
方の点で像を結ぶ。この図から明らかなように、
凸レンズ４が素子１の出射端面１ｂに近づけば、
それだけ光線５、この光線は凸レンズ４の焦点下
を通る、屈折角も小さくなるので、縮小倍率も小
さくなる。

また、第３図に示すように、距離Ｍがレンズな
しのときの共役長Ｌよりも長い場合、物体２の像
は、拡大実像３ｂになる。物体２からでた光線
は、一旦、共役長Ｌの点で等倍正立実像３を作る
べく進行するが、凸レンズによつて光路を変えら
れ、共役長Ｌからｘだけ素子寄りに拡大実像３ｂ
を作る。したがつて、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５の屈折角
も大きくなるので、拡大倍率も大きくなる。

また、距離Ｍが物体焦点距離_０よりも短い場
合、すなわち第４図に示すように、凸レンズ４が
物体２と素子１の入射端面１ａとの間に配置され
ている場合、物体２の像は、素子１によつて拡大
正立実像３ｃとなる。物体２の像は、まず物体２
の外側ｘの距離に拡大正立虚像２ａとなつて現わ
れ、この像が素子１によつて共役長Ｌよりもｘだ
け遠方に実像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、凸レンズ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
大きくなるので、虚像２ａおよび実像３ｃの大き
さも大きくなる。

次にこれらの構成における実際の実験例につい
て、そのいくつかを説明する。使用したアレイの
各素子の共役長Ｌは64mm、屈折率n₀は1.52、屈折
率分布定数ａは0.0146、直径Ｄは約1.0mm、開口
角θは約５゜49′である。各素子は、その側面を
擦り面処理を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した。こ
のようなアレイを治具に固定し、一方の端面側に
縦1.726：横2.049の実験用のパターンを配置し、
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、倍率７倍の
凸レンズ４をＭ＝61.5mm（Ｌは64mm）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、パターンの
大きさが縦1.726：横2.049に対し、像３ａの大き
さは縦1.603：横1.903であつた。すなわち、倍率
は0.93倍である。この倍率は、凸レンズ４の位置
のほかに、光伝送体素子１の屈折率n₀や屈折率分
布定数ａ、直径Ｄ、開口角θ等によつても変化す
るので、これらを制御することによつても適切な
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。上記実験におい
て、ｘは若千延びた。すなわち共役長Ｌが64mmに
対し若千延びたことになる。光伝送体アレイを電
子写真装置のスリツト露光装置に応用する場合、
確かに小型化はされるが、狭いスリツト幅に光を
集中させるために光源のパワーアツプが避けられ
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。したがつて、共役長を
球面レンズ系のように結像系の体積を大幅に増加
させて大型化させない範囲にて少し延ばしてそこ
に空間を設けることは、従来のレンズを用いない
集束性素子の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59.5mmにして実験を行な
つた。この結果、出来た像の大きさは、パターン
が15.5に対して像が14.3で、倍率は0.92倍であつ
た。また、Ｍを57mmにすると、すなわち凸レンズ
４をさらに素子１の出射端面１ｂに近づけると、
倍率は0.89倍になつた。このように、物体から凸
レンズまでの距離Ｍが共役長である64mmから短く
なればなるほど、いいかえれば凸レンズ４の位置
が素子１の出射端面１ｂに近づけば近づくほど、
その倍率は小さくなる。

このように、単に凸レンズの位置を変えるだけ
でも、極めて多様な縮小倍率が得られるが、レン
ズの位置は同じであつても、その位置に異なる性
能の凸レンズを配置することによつても、その倍
率を変えることができる。この構成において、倍
率７倍の凸レンズ４の代りに、さらに高倍率の組
み合わせレンズを使用したところ、0.61倍の縮小
倍率を得た。

この場合、レンズより素子側に像ができること
もあるが、できた空中像を追加した凸レンズの倍
率を差し引いて倒立像として測定した。次に、第
３図に示す構成において、凸レンズ４を共役長Ｌ
よりも長いＭ＝69.5mmの位置に配置した。このと
き、実像３ｂの大きさは、パターンの大きさが縦
1.726：横2.049に対し、縦1.877：横2.233で倍率
は1.09倍であつた。同様にして、Ｍをさらに遠く
の76mmにすると、実像３ｂの大きさは、縦
2.071：横2.459で、倍率は1.2倍になつた。このよ
うに、Ｍを共役長64mmから遠ざければ遠ざけるほ
ど倍率は高くなる。また、Ｍを69.5mmにしたとき
に、倍率７倍の凸レンズ４の代りに、さらに高倍
率の組み合わせレンズを使用したところ、虚像３
ｂの大きさは、縦2.365：横2.813で倍率は1.37倍
とさらに高くなつた。このときの素子の出射端面
からレンズ系の入射端面までの距離に17〜18mmを
加えた地点に、倍率10倍の組み合わせレンズ系の
入射端面が位置するようにこれを配置すると倍率
13.7の像が得られた。

次に、第４図に示す構成において、同様な条件
でＭ＝5.6mmの点に凸レンズ４を配置したとこ
ろ、像３ｃの大きさは、縦1.968：横2.336で、倍
率は1.14倍であつた。またＭを11.0mmにすると、
像３ｃの大きさは、縦2.071：横2.495で、倍率は
1.2倍であつた。このように、凸レンズ４を素子
１の入射端面１ａに近づけると倍率は高くなる。
また、倍率７倍の凸レンズ４の代りに、さらに高
倍率の組み合わせレンズ系を使用すると倍率は２
倍に高まり、この構成と第３図に示す構成におけ
る倍率10倍の構成とを組み合わせレンズを用いて
実験したところ、20倍の高倍率が得られた。この
他、レンズの組み合わせや構成の組み合わせによ
つて種々の倍率を得ることができる。

この発明におけるレンズの使用は、光軸方向に
１個または実質的に１個の場合と、光軸に直角な
方向すなわち光伝送体素子の端面に平行な方向に
複数個の場合とがある。光軸方向に１個のレンズ
を配置する場合、第５図に示すように、光伝送体
アレイ１０の列方向の幅Ｗ全体をカバーしなけれ
ばならないうえに、素子の端面からの光軸方向の
距離が短いため、口径の大きなレンズかまたは広
角レンズを使用しなければならない。これに対
し、光軸に直角な方向に複数個のレンズを並置す
る場合、第６図に示すように、それぞれのレンズ
４ａ，４ｂ，４ｃによつて光伝送体アレイ１０の
全幅Ｗをカバーすることができるので、各レンズ
は、それほど大きい開口角のものを使用する必要
はなく、またその大きさも通常の小さなレンズで
十分である。これらレンズを支持板１１に固着
し、この支持板１１を光軸方向に移動させること
により、任意の倍率を得ることができる。また、
光伝送体を使用した光学系の場合、その光路長が
極めて短いので、像のブレも少なく、この発明の
実施に使用するレンズもあまり高精度のものを必
要としない。したがつて、装置のコストも低廉に
なる。

この発明は、電子写真複写機、フアクシミリ装
置、マイクロフイルム用のリーダーや投影機、オ
ーバーヘツド・プロジエクター等の変倍光学系に
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。

【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、この発明の一実施例を示す
図、第６図は、この発明の別の実施例を示す図で
ある。１……集束性光伝送体素子、２……物体、３…
…像、４……凸レンズ、５……素子から光軸に平
行に出射された光線、１０……光伝送体アレイ、
１１……レンズ支持板。

Claims

【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
配置した集束性光伝送体アレイと、このアレイの
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た凸レンズとを備えた変倍
光学系。２上記凸レンズが、一枚の凸レンズであること
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上記凸レンズが、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上記凸レンズが、他の凸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上記凸レンズが、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。