(57)【要約】【課題】樹脂材料を用いた結像光学素子における温度変化による性能変動を抑えることができる結像光学素子、結像光学系、及びそれを用いた画像読取装置を提供する。【解決手段】画像読取装置に用いられる結像光学素子であって、樹脂材料から成る第１及び第２の反射面を備え、該第１及び第２の反射面の少なくとも一方は屈折力を有し、前記第１の反射面の肉厚は、前記第２の反射面の肉厚よりも厚いことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像読取装置に用いられる結像光学素子であって、
樹脂材料から成る第１及び第２の反射面を備え、
該第１及び第２の反射面の少なくとも一方は屈折力を有し、
前記第１の反射面の肉厚は、前記第２の反射面の肉厚よりも厚いことを特徴とする結像光学素子。
【請求項２】
前記第１の反射面の肉厚は、前記第２の反射面の肉厚より１ｍｍ以上厚く、前記第２の反射面の肉厚の３倍以下の厚みを有することを特徴とする請求項１に記載の結像光学素子。
【請求項３】
前記第１の反射面の肉厚は、前記第１の反射面上の位置によって異なることを特徴とする請求項１または２に記載の結像光学素子。
【請求項４】
前記第１の反射面の裏側に段差部を有すことを特徴とする請求項３に記載の結像光学素子。
【請求項５】
前記段差部の外周が多角形状であることを特徴とする請求項４に記載の結像光学素子。
【請求項６】
前記段差部は、複数の段差を有することを特徴とする請求項４または５に記載の結像光学素子。
【請求項７】
前記第１の反射面の肉厚は、厚さが一様であることを特徴とする請求項１または２に記載の結像光学素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の結像光学素子を有することを特徴とする結像光学系。
【請求項９】
光束径を規制する第３の反射面を有することを特徴とする請求項８に記載の結像光学系。
【請求項１０】
原稿からの光束を集光する請求項８又は９に記載の結像光学系と、該結像光学系からの光束を受光する受光部と、を備えることを特徴とする画像読取装置。
【請求項１１】
光束径を規制する第３の反射面を備えることを特徴とする請求項１０に記載の画像読取装置。
【請求項１２】
前記原稿からの光束は、前記第１の反射面、前記第３の反射面、前記第２の反射面、を順に介して前記受光部に入射することを特徴とする請求項１１に記載の画像読取装置。
【請求項１３】
前記第３の反射面は、平面鏡から成ることを特徴とする請求項１１に記載の画像読取装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結像光学素子、結像光学系、及びそれを用いた画像読取装置に関し、デジタル複写機などの画像読取装置に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の画像読取装置における結像光学系の大多数は、ガラスレンズで構成されている。ガラスの線膨張係数は７．５×１０−６程度と小さく、これを材料とするレンズで構成した読取用光学系の性能は、多少の温度変化があっても安定している。ただし、ガラスは重く、また、多くの加工工程が必要であり、トーリック非球面化が困難であるなど、重量、および製造コスト、設計面の自由度の観点からは、ガラスを材料として用いることはあまり得策ではない。
【０００３】
そこで、結像光学系を構成する結像光学素子を樹脂で作製することが提案されている。特許文献１では、パワーを有する面をすべて樹脂製のミラー面とし、樹脂化のメリットをさらに進めた構成を提案している。
【０００４】
しかし、樹脂は一般に線膨張係数が大きく、ポリカーボネート、アモルファスポリオレフィン、ノボルネン等の代表的な光学材料樹脂であっても、線膨張係数は７．０〜９．０×１０−５であり、ガラスに比べて１０倍程度大きい。このため、樹脂で作製した結像光学素子を含む結像光学系は、温度変化に伴って性能が変動し易く、その対策を講じないと実用的な結像光学系とならない。
【０００５】
特許文献１では、パワーを有する複数の樹脂製ミラー面のサグ量を比較的均等にすることにより像面移動を軽減したり、パワーを有する面のパワーの符号を異ならせて像面移動を相殺したり、複数面の線膨張係数を異ならせて像面移動を抑えるなどしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２８７６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、樹脂ミラーのサグ量（光軸方向への変位量であり、光軸上に対してミラー面の他の位置がどれほど光軸方向へ変位したかを示す量）を均等にすることでは、装置内昇温（装置作動後の時間経過に伴う昇温）などによる像面移動の抑制に限界がある。そして、パワーを有する面のパワーの符号を異ならせて像面移動を相殺することは、パワー配置などの光学設計の自由度を犠牲にすることになる。
【０００８】
また、単に線膨張係数を考慮するだけでは、像面移動を抑えるための樹脂製ミラーの装置内昇温などによる変形が不十分となる。即ち、射出成形で成形された樹脂製光学部品は、成形時の冷却過程で生じる内部残留応力を有しており、アニール等の処理をしても十分に除くことは難しく、装置内昇温時にこれらの応力が開放されて面変形の要因となる。
【０００９】
本発明の目的は、樹脂材料を用いた結像光学素子における温度変化による性能変動を抑えることができる結像光学素子、結像光学系、及びそれを用いた画像読取装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明に係る結像光学素子は、画像読取装置に用いられる結像光学素子であって、樹脂材料から成る第１及び第２の反射面を備え、該第１及び第２の反射面の少なくとも一方は屈折力を有し、前記第１の反射面の肉厚は、前記第２の反射面の肉厚よりも厚いことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る結像光学系、本発明に係る画像読取装置は、上記結像光学素子を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、樹脂材料を用いた読取用光学素子における温度変化による性能変動を抑えることができる結像光学素子、結像光学系、及びそれを用いた画像読取装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る読取用光学系の断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る読取用光学系を搭載した画像読取装置の断面図である。
【図３】（ａ）は第１の実施形態に係る読取用光学系における読取用光学素子の成形品の斜視図、（ｂ）は長手方向の側面図、（ｃ）は短手方向の側面図である。
【図４】（ａ）は高圧成形よる昇温変形を示す図、（ｂ）は低圧成形よる昇温変形を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る読取用光学系の断面図である。
【図６】第２の実施形態に係る読取用光学系における読取用光学素子として、誘導部の多段化をした変形例の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を用いて説明する。
【００１５】
《第１の実施形態》
（画像読取装置および結像光学系）
本発明の第１の実施形態に係る結像光学系６の構成を図１に、また、画像読取装置１０および光路を図２に示す。図２において、画像読取装置１０は、照明ユニット１、原稿台ガラス２、原稿３を読取る光路４、複数の折り返しミラー５、結像光学系６、絞り部材としての絞りミラー７、鏡筒８、撮像素子９、を有する。
【００１６】
画像読取装置１０は、照明ユニット１により光路４を挟んで両側から原稿台ガラス２上の読取領域である原稿３を照明し、原稿３の読取位置から反射した光は読取光路に沿って複数の折り返しミラー５によって光路が折り返される。そして、原稿３からの光は、結像光学系６により受光部である撮像素子９に集光され、読取位置における紙面垂直方向の原稿面のライン画像を読取る。画像読取装置１０は図示矢印の方向に走査し、原稿面全域の２次元画像情報を取得する。ここで、結像光学系６は鏡筒８に絞りミラー７と共に一体に保持され、結像光束径は絞りミラー７により規制される。
【００１７】
図１は結像光学系６の構成を詳細に示した図である。図１において、図２と同一番号は同一の構成要素を示す。結像光学系６は、後述する結像光学素子６０、絞りミラー７を有し、結像光学素子６０は第１の結像ミラー６１、第２の結像ミラー６２を有する。第１、第２の反射面（第１、第２の結像ミラー面）に対し、絞りミラー７は、結像光束径を規制する第３の反射面を形成している。
【００１８】
図１において、原稿面から反射した光は光路４に沿って結像光学素子６０に入射し、光路に沿って、第１の結像ミラー６１、絞りミラー７、第２の結像ミラー６２の順に反射され、結像ミラー間では一旦結像せずに撮像素子９上に紙面垂直方向の線状に結像される。
【００１９】
（結像光学素子）
原稿２のライン情報を撮像素子９に線状結像させるため、読取用光学素子としての結像光学素子６０は、２つの結像ミラーとして紙面垂直方向に長い矩形形状の反射面を有する。また、結像光学素子６０は、樹脂材料を用いた射出成形で成形された樹脂製ミラーであって、第１の結像ミラー６１と第２の結像ミラー６２を一体に形成した複合ミラーである。２枚の結像ミラーの表面にはアルミを蒸着し、高反射率の光学有効領域を形成している。また、結像光学素子６０と絞りミラー７は、鏡筒８に一体に支持されて光学的な相対位置が変わらないので、姿勢変化に敏感な反射面で構成しても影響がない構造にしている。
【００２０】
ここで、結像光学素子６０は、低圧で成形できるように第１の結像ミラー６１の肉厚ｄ１（第１の肉厚）は第２の結像ミラー６２の肉厚ｄ２（第２の肉厚）よりも厚くし、第１の結像ミラー６１の裏面に不良転写面６７が生じる形状にしている。読取用光学素子である結像光学素子６０の２つの反射面のうち、肉厚が厚い方の反射面は他方より冷えにくいため、低圧で成形することにより不良転写面を形成し易くなる。
【００２１】
より効果的な構成として、肉厚ｄ１は肉厚ｄ２より１ｍｍ以上厚く肉厚ｄ２の３倍以下の厚みが望ましい。厚み差が小さいと第１の結像ミラー６１の裏面に不十分転写面を誘導できず、厚み差が大きすぎると樹脂の成形時間が長くなりコストアップとなる。
【００２２】
結像光学素子６０の成形品の形状を図３に示す。図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）は長手方向の側面図、図３（ｃ）短手方向の側面図である。図３において、６１ａ、６１ｂは結像ミラーのアルミ蒸着された有効面、６４ａ、６４ｂは長手方向の両端に設けられたリブである。また、６３ａ、６３ｂ、６５ａ、６５ｂはリブ６４ａ、６４ｂ上の位置決め基準用突起、６６ａ、６６ｂは第１、第２の結像ミラー６１、６２の長手端部に設けられた遮光線部である。リブ６４ａ、ｂは、位置決め基準用突起を設けるために必要な部分としてメカニカルな強度が確保できれば良いので、２ｍｍ程度の厚さで設計される。
【００２３】
一方、結像ミラー６１、６２は、光学性能を保証する目的からメカニカルな強度とともにミラー形状が安定して成形されるように、一般にリブよりも厚く設計される。このように、本実施形態では、透過型レンズが設計性能から厚さが決まるのとは理由が異なるものであって、第１、第２の結像ミラー６１、６２は、それぞれ３乃至６ｍｍ（より好ましくは、３．５乃至６ｍｍ）程度の厚さである。そして、互いの肉厚の差が２ｍｍ程度としている。
【００２４】
（射出成形と内部残留応力の発生）
射出成形とは、溶融した樹脂を所定のガラス転移温度（Ｔｇ点）以下の一定温度に設定した金型に所定の圧力で充填し、型内の樹脂がＴｇ点以下まで金型で冷却し、形状が安定した時間で金型から取り出す成形手法である。ここで、所定の圧力とは、樹脂が金型から剥がれないように樹脂温度がＴｇ点を下回るまで加える必要十分な圧力のことである。この圧力は、冷却過程で成形品の内部残留応力となる。
【００２５】
この内部残留応力は、複屈折や離型時の変形、装置内昇温時の変形要因となる。そのため、内部残留応力を形成する原因となる圧力に関しては、金型形状が安定して転写する最小限の圧力であることが望ましく、容積にもよるが、通常１００ＭＰａを超えた圧力が設定される（高圧成形）。
【００２６】
このような内部残留応力の発生を抑えるような圧力を用いる射出成形であるが、射出成形で成形した光学素子は、素子全体の肉厚差や形状などから冷却速度が部分的に異なるため、成形品には内部残留応力が発生してしまう。この内部応力は、室温から２５℃程度の装置内昇温に対しても、成形素子の形状に変形を及ぼし光学性能を劣化させる。
【００２７】
図４（ａ）は、上述した一般の高圧成形１００ＭＰａ以上で、図３の結像光学素子６を２５℃昇温させた場合の特に結像ミラー６１の性能変化を示す。結像ミラー６１に着目したのは、光路に沿った距離で結像ミラー６２よりも撮像素子９（図２）から離れているため、面変形によるピントずれの敏感度が高い（約２倍）からである。
【００２８】
図４（ａ）の上段のグラフは、縦軸に２５℃昇温させた場合の結像ミラー６１の長手方向断面の形状変化（μｍ）、横軸に長手方向中心からの寸法（ｍｍ）を示す。図４（ａ）の下段のグラフは、縦軸に２５℃昇温させた場合の結像ミラー６１の短手方向断面の形状変化（μｍ）、横軸に短手方向中心からの寸法（ｍｍ）を示す。
【００２９】
ここで、図４（ａ）の上段のグラフに示される長手方向断面の変形は、３６０ｎｍも生じている。変形量のＰＶ値（測定値）は３６０ｎｍで、高々１ミクロン以下のオーダーであるが、形状の２階微分である曲率誤差がピント変動に影響するので、この変形は無視できない。この変形の原因については、リブと結像ミラー部との肉厚差で生じた長手方向の内部残留応力が、変形を生んだものと考えられる。なお、短手方向の変形は小さく、もともとこの方向には変形を生むような残留応力が小さかったものと考えられる。
【００３０】
凹面鏡である結像ミラー６１が、凸方向に変形する影響を受けて、高圧成形品の結像位置は、長手方向のみ＋方向（遠ざかる方法）にシフトする。このような高圧成形品では、設計深度幅の約１０％に相当する１５〜２５μｍものピントずれが生じ、無視できない量となってしまう。
【００３１】
（内部残留応力を低減するための低圧成形）
上述した高圧成形に対して、本実施形態では低圧成形を行う。図４（ｂ）は、図３の結像光学素子６０を５０〜７０ＭＰａで低圧成形した場合を示す。図４（ｂ）の上段のグラフは、縦軸に２５℃昇温させた場合の結像ミラー６１の長手方向断面の形状変化（μｍ）、横軸に長手方向中心からの寸法（ｍｍ）を示す。図４（ｂ）の下段のグラフは、縦軸に２５℃昇温させた場合の結像ミラー６１の短手方向断面の形状変化（μｍ）、横軸に短手方向中心からの寸法（ｍｍ）を示す。
【００３２】
このような低圧成形では、長手方向断面の形状変化は８０ｎｍに減少し、図４（ａ）の高圧成形に対して、約１／４の変形量に抑えられている。この改善の理由に関しては、低圧成形を行ことにより内部残留応力が減り、リブと結像ミラー部の歪み差が減少して、変形が抑えられたものと考えられる。このような低圧成形品は、面変形が小さい為、本実施形態に係る画像読取装置に用いる場合、ピントずれは５μｍ以下で問題ない性能となっている。
【００３３】
このように低圧成形は、上述した内部残留応力を低減するために有効な成形手法である。従来、具体的な成形方法として種々の提案がなされているが、内部歪みが透過する光線に影響する透過型レンズに適用した例が知られるだけで、ミラーなど反射面に適用された例はあまりない。
【００３４】
ここで、本実施形態における低圧成形では、第１の結像ミラー６１の裏側の肉厚部ｄ１が第２の結像ミラー６２の裏側の肉厚部ｄ２より厚く冷えにくい構造であることを前提とする。そして、更に第１の結像ミラー６１の裏側の肉厚部を有効利用し、他の部位に比べ最も後に冷えるようにする。即ち、反射面である第１の結像ミラー６１の裏面と金型の間に空気流を流し、この裏面を金型から剥離させる。これにより、空気層（断熱層）が存在することで、裏面が、他の部位に比べ最も後に冷えることとなる。
【００３５】
このような本実施形態では、反射面の裏側にヒケ（微細な外形歪）が誘導されて、ヒケが形成される不良転写部を生じ、光学面（反射面）における金型に充填された樹脂の金型表面からの放熱による冷却収縮する力が開放される。そして、不良転写部６７に近い光学面（第１の結像ミラー６１）の内部残留応力を、不良転写部６７から遠い面（第２の結像ミラー６２）に比べて低減させることができる。
【００３６】
これにより、本実施形態によれば、樹脂を充填するときの充填圧力が低い低圧成形で、光学面（反射面）以外の部位にヒケが誘導され、光学面（反射面）に金型面を正しく転写させ、これを維持することができる。即ち、光学面（反射面）である第１の結像ミラー６１のすぐ裏面に不良転写部が設けられることで、近傍の肉厚の内部残留応力が低減し、面変形の敏感度が高い第１の結像ミラー６１の装置内昇温などによる変形を抑えることができる。
【００３７】
一般に同Ｒで設計した反射面は、透過型のレンズ面（薄肉ｎ＝１．５として）と比べて、約４倍のパワー（屈折力）を有するため、面変形による結像位置の敏感度が高い。そのため、動作環境による昇温で結像光学素子が変形し結像位置がずれる問題については、透過型のレンズよりも敏感である。特に、射出成形で成形された結像光学素子である本実施形態の結像光学素子のような２面一体の複合樹脂ミラーは、個別に位置調整ができないので素子形状自体が変形しないことが必要となる。
【００３８】
なお、本実施形態では、光学面（反射面）である結像ミラー６１の裏面に不良転写部６７が設けられる関係上、他の部位に比べ最も後に冷えるように、図示しないが、裏面の金型は局部的に冷えにくい金型構造にしている。例えば、裏面の不良転写部領域の金型は、他の部分よりも熱伝導率が低い材質で構成すれば良い。あるいは、裏面の不良転写部領域の金型を温調器により局所的に冷えにくい構成としても良い。
【００３９】
また、上述した空気流を流す代わりに、裏面の不良転写部領域の金型を入れ子構造とし、独立したこの金型（裏面の不良転写部領域の金型）を所定のタイミングで樹脂（反射面の裏側の肉厚部）から離すようにしても良い。即ち、この金型と樹脂の間に空気層を設けて断熱効果を有するようにしても良い。
【００４０】
（本実施形態の効果）
以上のように、反射型の光学部品であっても、低圧成形を行うことで内部残留応力を減らすことができるので、特に本実施形態のように２面の内で一方の面を厚肉にすることで効果的に敏感度の高い面の昇温時の面変形を抑えピントずれを低減することができる。より効果的な構成として、肉厚ｄ１は肉厚ｄ２より１ｍｍ以上厚く肉厚ｄ２の３倍以下の厚みが望ましい。厚み差が小さいと第１の結像ミラー６１の裏面に不十分転写面を誘導できず、厚み差が大きすぎると樹脂の成形時間が長くなりコストアップとなる。これらの成形を行うことにより、樹脂製ミラー使っても光学的問題を起こさず製品に投入することができる。
【００４１】
《第２の実施形態》
図５に、不良転写部の放熱性をより改善した本発明の第２の実施形態を示す。図５において、図１と同一番号は同一の構成要素を示す。第１の結像ミラー６１の裏面において、不良転写部６７は、型から剥がれて樹脂の冷却が遅くなり成形時間が長くなる要因となるが、本実施形態では不良転写部６７の周囲に段差部を設け、金型から剥離していない周辺部からの放熱面積を増やす構成としている。
【００４２】
第１の実施形態では、第１の結像ミラー６１の肉厚（第１の肉厚）は、厚さが一様であったが、本実施形態では、第１の結像ミラー６１の肉厚（第１の肉厚）は、段差部を備えるように厚さが異なる。このように、段差部を設けることにより、放熱性を上げて成形時間を短縮すると共に、不良転写面６７の領域を規制し他の面へ歪の影響を与えない効果も有する。
【００４３】
ここで、第１の反射面（第１の結像ミラー６１のミラー面）の裏側における段差部の外周を図５に示すように多角形状とすれば、放熱面積が増えることで不良転写部の放熱性を更に改善できる。
【００４４】
図６は、変形例として、段差部が周辺から中央に向かって肉厚が厚くなる形状（肉厚が反射面上の位置によって異なる）となるような複数の段差を有する、特に、このうな段差を３つ以上備えるように多段化した場合を示す。この場合は、一層の放熱性と規制効果を発揮させることができる。なお、図６においても、段差部の外周を多角形状とすることもできる。
【００４５】
（本実施形態の効果）
第１の実施形態と同様に、本実施形態でも結像ミラー６１を厚肉にすることで、敏感度の高い面において効果的に内部歪を低減することができる。また、図１と同様に、図５のように２つのミラー面は鈍角を有するので、結像光学素子の重心バランスが良くなく２面とも同じ肉厚では自立させることができないところ、本構成の光学配置のように敏感度が高い面を鏡筒に付き当てる座面側として構成する。これにより、結像光学素子を自立させて安定した組立ができるなどの効果もある。
【００４６】
更に、本実施形態では、低圧成形で剥離した不良転写部は成形過程において金型との間に空隙が生じるため、断熱作用により樹脂全体の冷却が進まず成形品が固まるまでの時間が長くなるところ、不良転写部の放熱性を良くすることで成形時間を短縮できる。
【００４７】
（変形例）
以上、本発明の好ましい実施形態について述べたが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨の範囲内で、種々の変形が可能である。
【００４８】
（変形例１）
上述した実施形態では、低圧成形として不良転写部を設ける成形方法を述べたが、低圧成形としてヒートサイクル（ＨＣ）を用いる方法もある。即ち、金型温度を高と低で変調する温度サイクルを与えて、溶融樹脂の温度降下速度を低減し、最小限の圧力で成形する方法である。この場合、高型温で樹脂の流動性を上げ、金型内での樹脂温度の降下速度を特にＴｇ点近傍で低くしてゆっくりと冷やし、樹脂全体の温度分布を小さくして一様に固化させることができる。
【００４９】
（変形例２）
上述した実施形態では、肉厚が厚い反射面を撮像素子から光路に沿って遠い側としたが、肉厚が厚い反射面を撮像素子から光路に沿って近い側に設けることもできる。また、肉厚が厚い反射面を撮像素子から光路に沿って遠い側、撮像素子から光路に沿って近い側の双方に設けることもできる。
【００５０】
（変形例３）
上述した実施形態では、第１の反射面、第２の反射面の双方が屈折力を有する反射面（凹面鏡または凸面鏡）であったが、いずれか一方のみが屈折力を有する反射面（凹面鏡または凸面鏡）で、他方は屈折力を有さない反射面（平面鏡）であっても良い。
【００５１】
また、第１の反射面、第２の反射面の双方が、屈折力を有さない反射面（平面鏡）であっても良い。
【００５２】
（変形例４）
上述した実施形態では、結像光学素子６０が２つの反射面（第１の反射面、第２の反射面）を備えるものであったが、３つ以上の反射面を備える場合にも同様に適用できる。
【００５３】
（変形例５）
第３の反射面としての絞りミラー７は、平面鏡で形成される他、曲面鏡（凹面鏡もしくは凸面鏡）として屈折力（パワー）を備える反射面で形成されても良い。
【符号の説明】
【００５４】
７・・絞りミラー、９・・撮像素子、６０・・結像光学素子、
【図６】
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【図１】
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【図２】
2015200782.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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