(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体が載置される載置面と、
該載置面の垂線上以外に配置され、前記被写体からの光を集光する光学系と、
該光学系からの光を受光する撮像素子とを備え、
前記光学系のＦ値をＦ、前記光学系の結像倍率をβ、最大画角をωとするとき、
１２６．９８＜｜Ｆ／β｜＜１８７．９３
３０°≦ω≦５５°
なる条件式を満たすことを特徴とする読取装置。
【請求項２】
物体高が単位量変化したときの前記光学系の歪曲収差量の変化量をΔｘ／Δｈ、最大物体高をｈｍａｘとするとき、
（Δｘ／Δｈ）ｈｍａｘ＞−３３％
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の読取装置。
【請求項３】
前記撮像素子の撮像面は、前記載置面の垂線上以外に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の読取装置。
【請求項４】
前記光学系の光軸は、前記載置面の垂線に対して平行であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の読取装置。
【請求項５】
前記撮像素子の撮像面は、前記載置面に対して平行であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の読取装置。
【請求項６】
前記被写体からの光を前記光学系に向けて反射させる反射光学素子をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の読取装置。
【請求項７】
前記撮像素子の撮像面の中心点と前記載置面を含む平面との距離は、前記載置面に最も近い前記反射光学素子の反射面を含む平面と前記中心点との距離よりも大きいことを特徴とする請求項６に記載の読取装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は読取装置に関し、特に小型且つ被写体を高解像度に読み取ることができる読取装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被写体載置面の垂線上に配置された読取光学系を介して、被写体を読み取る読取装置が知られている。
一方で、被写体載置面の垂線上以外に配置された読取光学系を介して、被写体を読み取る読取装置がいくつか提案されている。
【０００３】
特許文献１は、双方の光軸が共通しているレンズ及び非球面ミラーが組み合わされた読取光学系を被写体載置面の垂線上以外に配置し、被写体を読み取る読取装置を開示している。
特許文献２は、第１の光軸を有したレンズと第２の光軸を有したレンズと第３の光軸を有した非球面ミラーが組み合わされた読取光学系を被写体載置面の垂線上以外に配置し、被写体を読み取る読取装置を開示している。
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された読取装置では、読取光学系の最大画角が大きすぎるために、厚い被写体に対しては読み取り領域が欠けてしまうことが懸念される。
また、特許文献２に開示された読取装置では、Ｆ値が明るすぎるために、十分な深度幅が確保できず、凹凸のある被写体に対して全面で高解像度な読み取りができないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−９５０１８号公報
【特許文献２】特開２０１２−１３３１７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は、被写体載置面の垂線上以外に配置された読取光学系を介して、被写体を高解像度に読み取ることが可能な小型の読取装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る読取装置は、被写体が載置される載置面と、載置面の垂線上以外に配置され、被写体からの光を集光する光学系と、該光学系からの光を受光する撮像素子とを備え、該光学系のＦ値をＦ、該光学系の結像倍率をβ、最大画角をωとするとき、
１２６．９８＜｜Ｆ／β｜＜１８７．９３
３０°≦ω≦５５°
なる条件式を満たすことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る読取装置によれば、被写体載置面の垂線上以外に配置された読取光学系を介して、被写体を高解像度に読み取ることが可能になり、且つ小型に設計することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る読取装置の模式的正面図及び模式的側断面図。
【図２】Ｃ線及びｇ線それぞれにおけるＦ値と、理想光学系における波動光学的なＭＴＦ値との間の関係を示した図。
【図３】被写体載置面上に被写体が載置されている読取装置の模式的断面図。
【図４】負の歪曲収差によって読取領域が圧縮される様子を示した図。
【図５】実施例１に係る読取光学系の断面図。
【図６】実施例２に係る読取光学系の断面図。
【図７】実施例３に係る読取光学系の断面図。
【図８】実施例１に係る読取装置の収差図。
【図９】実施例２に係る読取装置の収差図。
【図１０】実施例３に係る読取装置の収差図。
【図１１】第１実施形態及び第２実施形態に係る読取装置の模式図。
【図１２】第２実施形態に係る読取装置における撮像素子と被写体載置面との間の距離が短い場合及び長い場合を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係る読取装置について図面に基づいて説明する。なお、以下に示す図面は、本発明を容易に理解できるようにするために、実際とは異なる縮尺で描かれている場合がある。
【００１１】
図１（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、本発明の第１実施形態に係る読取装置１の模式的正面図及び模式的側断面図を示している。
【００１２】
読取装置１は、被写体載置面（載置面）１１及び読取部１２を備えている。読取部１２には、読取光学系（光学系）２及び撮像素子Ｓが設けられている。
撮像素子Ｓは、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）センサーやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサー等である。
なお、本実施形態に係る読取装置１では、読取光学系２は、被写体載置面１１の垂線上には配置されていない。すなわち、読取光学系２は、被写体載置面１１の垂線上以外に配置されている。
【００１３】
使用者は被写体載置面１１上に被写体を載置し、不図示の操作手段によって読取装置１に読み取りを指示する。被写体載置面１１上に載置された被写体からの光線は、読取光学系２に入射する。そして、読取光学系２によって撮像素子Ｓの撮像面上に光線は集光され、撮像素子Ｓにより受光された光線に基づいて出力される読取信号は、不図示の信号処理回路によって処理される。
【００１４】
通常の光学設計においては、全波長の間のバランスを鑑みて設計がなされるが、本発明人は、長い読取波長のほうが短い読取波長より解像度が低下するという特性に着目した。
【００１５】
図２は、Ｃ線及びｇ線それぞれにおけるＦ値と、理想光学系における波動光学的なＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ値（以下、ＭＴＦ値と称する。）との間の関係を示している。
【００１６】
理想光学系における波動光学的なＭＴＦ値は、以下の式（１）のように表される。
【００１７】
【数３】
0006351453.tif 000002
【００１８】
ここで、λは読取波長、Ｆは読取光学系のＦ値、ｕは撮像素子上の空間周波数である。
【００１９】
すなわち、図２に示される実線（Ｃ線）及び破線（ｇ線）は、式（１）によって書き表すことができ、Ｆ値が大きいほどＭＴＦ値が減少することがわかる。また、Ｃ線のほうがｇ線に比べてＭＴＦ値の減少が大きいことがわかる。
従って、本発明の目的とする、特に高い解像度における読み取りを考慮するために、まずＣ線について検討すべきであることがわかる。
【００２０】
被写体が微細な文字を含む原稿等の場合には、正弦波で表されるＭＴＦ値を用いることは不十分であるため、代わりに、矩形波で表されるＣｏｎｔｒａｓｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ値（以下、ＣＴＦ値と称する。）を用いる。
理想光学系における波動光学的なＣＴＦ値は、ＭＴＦ値を用いると、以下の式（２）のように表される。
【００２１】
【数４】
0006351453.tif 000003
【００２２】
ここでＣＴＦ値を式（２）の右辺の第１項までで近似すると、ＭＴＦ値は以下の式（３）のように表される。
【００２３】
【数５】
0006351453.tif 000004
【００２４】
一般的に、読取装置は６ｌｐ／ｍｍの原稿を２０％以上のＣＴＦ値の解像度で読み取る必要がある。一方で、ＣＴＦ値が５０％より大きくなると、深度幅が短くなりすぎてしまい、被写体の凹凸などを鮮明に読み取ることができなくなる。
従って、本実施形態に係る読取装置を、ＣＴＦ値が以下の式（４）で表される条件を満たすように設計する。
【００２５】
【数６】
0006351453.tif 000005
【００２６】
換言すると、式（３）及び式（４）から、ＭＴＦ値は、以下の式（５）の条件を満たす必要がある。
【００２７】
【数７】
0006351453.tif 000006
【００２８】
また、式（５）に式（１）を代入すると、以下の式（６）が得られる。
【００２９】
【数８】
0006351453.tif 000007
【００３０】
撮像素子上の空間周波数ｕは、被写体面上の空間周波数ｕ0及び読取光学系の結像倍率β（＜０）を用いて、以下の式（７）のように表すことができる。
【００３１】
【数９】
0006351453.tif 000008
【００３２】
式（７）を式（６）に代入すると、以下の式（８）が得られる。
【００３３】
【数１０】
0006351453.tif 000009
【００３４】
従って、式（８）が成り立つためには、以下の式（９）が満たされる必要がある。
【００３５】
【数１１】
0006351453.tif 000010
【００３６】
ここで、λをＣ線の波長（６５６．３ｎｍ）、ｕ0を６ｌｐ／ｍｍとすると、式（９）から以下の式（１０）が得られる。
【００３７】
【数１２】
0006351453.tif 000011
【００３８】
従って、式（１０）を満たすように本実施形態に係る読取装置を設計することによって、式（４）を満たすような高い解像度の読み取りが可能となる。
なお、式（１０）に関しては、絶対値を用いると、１２６．９８＜｜Ｆ／β｜＜１８７．９３と表すこともできる。
【００３９】
図３は、被写体載置面１１上に被写体４１が載置されている読取装置１の模式的断面図を示している。
【００４０】
本実施例の読取光学系２は、被写体載置面１１の垂線上ではない位置に、該被写体載置面１１の法線と光軸が平行になるように配置され、撮像素子Ｓの撮像面は被写体載置面１１と平行となるように配置される。そのため、図３に示されているように、被写体載置面１１への垂線を４３とすると、被写体４１の位置Ａを読み取る際において、読取装置１は、被写体４１に対する最大画角ωで位置Ａを読み取ることになる。
本実施形態に係る読取装置１のような、被写体を斜めから読み取る読取装置を小型化するために、読取装置の高さを抑えすぎると、読取装置の最大画角ωが大きくなりすぎてしまい、厚い被写体の場合には、被写体の一部に欠けが生じてしまう。一方、読取装置の最大画角ωを小さくしすぎると、折り返しミラーを用いたとしても、読取装置の高さが高くなりすぎてしまう。
そこで本実施形態に係る読取装置１は、厚い被写体にも対応し、且つ読取装置を大きくしすぎないようにするため、以下の式（１１）に表される条件を満たすように設計する。
【００４１】
【数１３】
0006351453.tif 000012
【００４２】
図４は、負の歪曲収差によって読取領域が圧縮される様子を示している。
【００４３】
図４において、５ａは読取面の万線チャートを示しており、５ｂは負の歪曲収差により圧縮された万線チャートを示している。
このように、負の歪曲収差によって撮影素子Ｓ上において空間周波数が増加することから、負の歪曲収差量を指定する必要がある。
もし、撮影素子Ｓ上における空間周波数が１．５倍以上増加（圧縮）すると、式（１０）における最大値でも式（４）を満たさなくなってしまう。
換言すると、歪曲収差量ｘが−３３％より大きくなるようにする必要がある。
従って、物体高ｈが単位量変化した時の歪曲収差量ｘの変化量をΔｘ／Δｈ、最大物体高をｈmaxとしたとき、以下の式（１２）を満たすように、本実施形態に係る読取装置１は設計される。
【００４４】
【数１４】
0006351453.tif 000013
【００４５】
式（１２）を満たすように、本実施形態に係る読取装置１を設計することで、被写体領域全体を高解像度で読み取ることが可能となる。
【００４６】
図５乃至図７はそれぞれ、本発明の実施例１乃至３に係る読取光学系２の断面図を示している。ここで、Ｐは絞り、Ｉは像面であり、像面Ｉの位置に撮像素子Ｓの撮像面が配置される。
【００４７】
図８乃至図１０はそれぞれ、本発明の実施例１乃至３に係る読取装置１の収差図を示している。ここで、球面収差の図における実線はｅ線、２点鎖線はｇ線に対応する。また、非点収差の図における実線Ｓはｅ線のサジタル方向、破線Ｍはｅ線のメリジオナル方向に対応する。また、色収差の図における２点鎖線ｇはｇ線に対応する。
【００４８】
次に、本発明の実施例１乃至３にそれぞれ相当する数値実施例１乃至３のレンズデータを以下に示す。
【００４９】
（数値実施例１）
面データ
【表１】
0006351453.tif 000014
非球面係数
【表２】
0006351453.tif 000015
【表３】
0006351453.tif 000016
【００５０】
（数値実施例２）
面データ
【表４】
0006351453.tif 000017
非球面係数
【表５】
0006351453.tif 000018
【表６】
0006351453.tif 000019
【００５１】
（数値実施例３）
面データ
【表７】
0006351453.tif 000020
非球面係数
【表８】
0006351453.tif 000021
【表９】
0006351453.tif 000022
【００５２】
ここで、Ｒは読取光学系２の曲率半径、ｄは読取光学系２の各光学面の面間隔、ｎｅはｅ線における屈折率、νｅはｅ線におけるアッベ数を示している。また、「＊」が付された光学面は非球面形状である。
【００５３】
また、光軸に垂直な方向における光軸からの距離をｒとしたとき、非球面形状は、距離ｒにおける光軸方向の面位置をＡ（ｒ）とすると、以下の式（１３）のように表される。
【００５４】
【数１５】
0006351453.tif 000023
【００５５】
なお、非球面係数において、「Ｅ−Ｎ」は「×１０-N」を意味している。また、ｆは読取光学系２の焦点距離を示している。
【００５６】
以上の数値実施例に基づく条件式（１０）、（１１）及び（１２）の計算結果を、以下の表１０にまとめる。
【００５７】
【表１０】
0006351453.tif 000024
【００５８】
従って、実施例１乃至３のいずれにおいても、１０枚以下という少ないレンズ枚数にもかかわらず、条件式（１０）、（１１）及び（１２）を満足した読取光学系を得ることができる。
【００５９】
図１１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る読取装置１の模式図を示している。図１１（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る読取装置２１の模式図を示している。
図１１（ｂ）に示されるように、第２実施形態に係る読取装置２１は反射光学素子Ｍを備えており、被写体載置面１１上に載置された被写体からの光線が反射光学素子Ｍによって反射されて、読取光学系２に入射する。ここで、反射光学素子Ｍは、例えば平面ミラーが用いられる。第２実施形態に係る読取装置２１の読取光学系２は、被写体載置面１１の垂線上ではない位置に、該被写体載置面１１の法線と光軸が平行になるように配置され、撮像素子Ｓの撮像面は被写体載置面１１と平行となるように配置される。
このように読取装置２１を構成することによって、読取装置２１を高さ方向について小型化することができる。
【００６０】
図１２（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、第２実施形態に係る読取装置２１における撮像素子Ｓと被写体載置面１１との間の距離が短い場合及び長い場合を示している。
【００６１】
上述したように、反射光学素子Ｍを用いることによって読取装置２１を高さ方向について小型化することが出来る。
しかしながら、図１２（ａ）に示すように、撮像素子Ｓの撮像面の中心点と被写体載置面１１を含む平面との間の垂直距離Ｌ1を短くしすぎると、反射光学素子Ｍの幅Ｗが大きくなり、コストが上がるなどの問題が発生する。
一方で、図１２（ｂ）に示すように、垂直距離Ｌ1が、反射光学素子Ｍの最も被写体側の反射面（被写体載置面１１に最も近い反射光学素子Ｍの反射面）を含む平面と撮像素子Ｓの撮像面の中心点との間の垂直距離Ｌ2より大きくなるように、読取装置２１を構成することによって、反射光学素子Ｍの幅Ｗを小さくすることができ、読取装置２１の小型化を達成することができる。
【００６２】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【００６３】
例示した実施例においては、被写体載置面に対して読取光学系の光軸が垂直であり、撮像素子の撮像面が被写体載置面と平行となるような構成としたが本発明はこれに限定されることはない。例えば、被写体載置面と読取光学系との間に１以上の反射ミラー等の光学素子で光路を屈曲させ、被写体載置面に対して読取光学系の光軸が平行となるような構成としてもよい。また、構成を変更することによって、撮像素子の撮像面が被写体載置面と非平行となるように配置することも可能である。
例えば、本発明の数値実施例１乃至３に係る読取光学系は、共通の光軸を有したレンズのみで構成されていたが、共通の光軸を有したレンズの他に共通の光軸とは異なる光軸を有したレンズ、共通の光軸を有したミラーや自由曲面ミラーを含んだ構成に変更しても構わない。
【符号の説明】
【００６４】
１  読取装置
２  読取光学系
１１  被写体載置面
４１  被写体
Ｓ  撮像素子
【図１】
0006351453.tif 000025
【図２】
0006351453.tif 000026
【図３】
0006351453.tif 000027
【図４】
0006351453.tif 000028
【図５】
0006351453.tif 000029
【図６】
0006351453.tif 000030
【図７】
0006351453.tif 000031
【図８】
0006351453.tif 000032
【図９】
0006351453.tif 000033
【図１０】
0006351453.tif 000034
【図１１】
0006351453.tif 000035
【図１２】
0006351453.tif 000036