(57)【要約】【課題】  色収差がなく、光路長が長くて副走査断面における結像光学系の高さが小さい光路折り曲げをダブルＺとしたオフアキシャル光学系を提供することを目的とする。【解決手段】  そのために、本発明では、基準軸光線を時計回り方向に偏向させるオフアキシャル反射面をマイナス偏向面、基準軸光線を反時計回り方向に偏向させるオフアキシャル反射面をプラス偏向面と定義するとき、前記原稿面側からプラス偏向面、マイナス偏向面、マイナス偏向面、プラス偏向面またはマイナス偏向面、プラス偏向面、プラス偏向面、マイナス偏向面の順に構成されることを特徴とする画像読取用の結像光学系とする。【選択図】  図１
2005241682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準軸光線を入射方向と反射方向が異なり、かつ複数の曲率をもつオフアキシャル光学素子を有し、原稿面上の画像情報をラインセンサー上に結像させて、該画像情報を読み取る為の画像読取用の結像光学系であって、
基準軸光線を時計回り方向に偏向させるオフアキシャル反射面をマイナス偏向面、基準軸光線を反時計回り方向に偏向させるオフアキシャル反射面をプラス偏向面と定義するとき、前記原稿面側からプラス偏向面、マイナス偏向面、マイナス偏向面、プラス偏向面またはマイナス偏向面、プラス偏向面、プラス偏向面、マイナス偏向面の順に構成されることを特徴とする画像読取用の結像光学系。
【請求項２】
前記結像光学系は反射面のみから構成されることを特徴とする請求項１記載の画像読取用の結像光学系。
【請求項３】
最初のオフアキシャル反射面に入射する基準軸光線と前記結像光学系から前記ラインセンサーに射出する基準軸光線のなす角度は４５度以内となることを特徴とする請求項１又は２記載の画像読取用の結像光学系。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項記載の画像読取用の結像光学系と、原稿を載置する原稿台と、ラインセンサーとを有し、該原稿面上の画像情報を該結像光学系で該ラインセンサーに結像し、該ラインセンサーで読み取る画像読取装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は画像読取装置に関し、特に各種収差がバランスよく補正され、高解像力を有する小型の結像光学系を用いたイメージスキャナーやデジタル複写機等のラインセンサーを用いたモノクロ画像やカラー画像を読み取る際に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、原稿面上の画像情報を読み取る画像読取用の装置として副走査方向にライン走査し、その画像情報を読取手段としてのラインセンサー（ＣＣＤ）面上に結像させ、該ラインセンサーから得られる出力信号を利用して、該原稿等の画像情報を読み取るようにした画像読取用の装置が種々提案されている。
【０００３】
図８はこの種の従来の画像読取用の装置の要部概略図である。同図において、照明用光源（線状光源）８１により照明された原稿載置ガラス部（原稿台ガラス）８２上の原稿８０の画像情報をスリット８３を通し、走査用の第１、第２、第３のミラー８４、８５、８６を介して結像レンズ８７によりラインセンサー８８面上に結像させ、該原稿８０の画像情報をデジタル的に読み取っている。
【０００４】
該原稿８０の画像情報を副走査方向に走査する方法としては、例えば走査用の第１、第２、第３のミラー８４、８５、８６を図中矢印Ａ方向（副走査方向）に一定の関係を維持しつつ移動させて行なっている。このときの走査用の各ミラーの走査速度は、例えば第１ミラー８４の速度をＶとしたとき、第２、第３のミラー８５、８６の走査速度はＶ／２となるように設定している。
【０００５】
このような構成においてラインセンサー８８面上に結像された画像情報は電気信号に変換され、例えば出力装置に送られプリント出力として画像情報の出力が行なわれる場合や、あるいは記憶装置に送られ入力画像情報の記憶が行なわれる場合等、種々あり、各々の画像読取用の装置の情報として使用されている。
【０００６】
同図におけるラインセンサーは複数の受光素子を１次元方向（主走査方向）に配列した構成により成っている。
【０００７】
図９は図８の画像読取用の光学系の基本構成の説明図である。
【０００８】
図中８７は結像レンズ、８８Ｒ、８８Ｇ、８８Ｂは各々ラインセンサー８８のＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の各色を読み取るラインセンサー、８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂはラインセンサー８８Ｒ、８８Ｇ、８８Ｂに対応する原稿面上の読取範囲である。原稿面を走査することによってある時間間隔をおいて同一箇所を異なる色で読み取ることができる。前記構成において結像レンズ８７が通常の屈折系からなる場合には軸上色収差や倍率色収差が発生するので基準のラインセンサー８８Ｇに対しラインセンサー８８Ｂ、８８Ｒに結像されるライン像にデフォーカスあるいは位置ズレが発生する。したがって各色画像を重ね合わせて再現した時に色にじみやズレの目立つ画像になる。すなわち高開口、高解像度の性能が要求される場合には要求に対応できなくなる。
【０００９】
一方最近、非共軸光学系においても、基準軸という概念を導入し構成面を非対称非球面にすることで、十分収差が補正された光学系が構築可能であることが明らかになってきた。例えば特許文献１にその設計方法が、特許文献２、特許文献３にその設計例が示されている。
【００１０】
こうした非共軸光学系はオフアキシャル光学系（像中心と瞳中心を通る光線に沿った基準軸を考えた時、構成面の基準軸との交点における面法線が基準軸上にない曲面（オフアキシャル曲面）を含む光学系として定義される光学系で、この時、基準軸は折れ曲がった形状となる）と呼ばれる。このオフアキシャル光学系は、構成面が一般には非共軸となり、反射面でもケラレが生じることがないため、反射面を使った光学系の構築がし易い。また、光路の引き回しが比較的自由に行える、構成面を一体成型する手法で一体型の光学系を作りやすいという特徴をもっている。
【００１１】
このような技術を用いたものとして特許文献４が開示されている。これに開示されている技術により、画像読取用の装置において色収差のない十分収差が補正された光学系が達成されている。但し小型化の達成も同時に狙っているため、実施例ではキャリッジ一体型に好適な光学系となっている。このため、２：１ミラー走査型のスキャナーへ適用するには光路長が短かった。また特許文献５でも同様の技術を用いたものが開示されている。これに開示されている実施例では２：１ミラー走査型のスキャナーへ適用するのに十分な光路長となっている。しかしながら、２：１ミラー走査型のスキャナーではスキャン動作でミラーが結像光学系の上を通過するため副走査断面における結像光学系の高さは小さいことが望まれるため、実施例に開示されている結像光学系では高さ方向への小型化が不十分であり、さらに結像位置すなわち撮像素子が光学系の下となるため、従来の共軸レンズ系のものに対しスキャナーの筐体が大型化してしまう問題がある。撮像素子が光学系の下にあるために撮像素子で発生した熱が反射面に影響を及ぼし、これによる像性能劣化を招きやすいという問題もある。
【特許文献１】特開平９−５６５０号公報
【特許文献２】特開平８−２９２３７１号公報
【特許文献３】特開平８−２９２３７２号公報
【特許文献４】特開２００２−３３５３７５号公報
【特許文献５】特開２００３−５７５４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記問題点を鑑み、本発明は結像光学系をオフアキシャル反射面で構成しても非対称収差の発生が少なく、像性能劣化要因の少ない、光路長が長くて副走査断面における結像光学系の高さが小さい画像読取用の結像光学系及び、それを用いた画像読取用の装置の提供であり、特に高速性、高解像度が要求されるデジタル複写機やイメージスキャナー等の画像読取用の系において２：１ミラー走査型を容易に実現することができる画像読取用の装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１の発明の画像読取用の結像光学系は、
基準軸光線を入射方向と反射方向が異なり、かつ複数の曲率をもつオフアキシャル光学素子を有し、原稿面上の画像情報をラインセンサー上に結像させて、該画像情報を読み取る為の画像読取用の結像光学系であって、
基準軸光線を時計回り方向に偏向させるオフアキシャル反射面をマイナス偏向面、基準軸光線を反時計回り方向に偏向させるオフアキシャル反射面をプラス偏向面と定義するとき、前記原稿面側からプラス偏向面、マイナス偏向面、マイナス偏向面、プラス偏向面またはマイナス偏向面、プラス偏向面、プラス偏向面、マイナス偏向面の順に構成されることを特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明は請求項１の発明において、
前記画像読取用の結像光学系は反射面のみから構成されることを特徴としている。
【００１５】
請求項３の発明は請求項１または２の発明において、
最初のオフアキシャル反射面に入射する基準軸光線と前記画像読取用の結像光学系から前記ラインセンサーに射出する基準軸光線のなす角度は４５度以内となることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば画像読取用の結像光学系において、色収差がなく、光路長が長くて副走査断面における結像光学系の高さが小さい、特に高速性、高解像度が要求されるデジタル複写機やイメージスキャナー等の提供を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は本発明の画像読取用の装置の実施形態１の要部概略図である。
【００１８】
図中、１は光源、２は原稿台ガラス、３ａ、３ｂ、３ｃは第１、第２、第３反射ミラー、４は結像光学系、５はＣＣＤ等で構成されるラインセンサーである。
【００１９】
原稿台ガラス２の上に載置された原稿６を反射ミラー３ａ、３ｂ、３ｃを介して結像光学系４によりラインセンサー５上に結像して原稿６の１ラインを読み取ることができる。結像光学系４を用いることにより光源１と反射ミラー３ａが移動するスペースを確保し、下方への突出も少ない、２：１ミラー走査型光学系の画像読取用の装置を構成することができる。オフアキシャル光学系は比較的自由に光路の引き回しができるため、原稿面とラインセンサーの配置が比較的自由に行える。しかしながら、ラインセンサーはそのセンサー部の周辺にパッケージ等があり、さらに後ろに基盤等の回路やランセンサーを調整して取り付けるためのさまざまな部材が存在する。このため、原稿面とラインセンサーの配置はラインセンサーおよびその周りの部材等が光路を欠けることのないようにする必要があり、また光学系の下方にラインセンサーを配置すると、前述のさまざまな部材が下方に出っ張ることになったり、ラインセンサーの熱が上方にあるミラーに影響を与え、像性能劣化の原因にもなる。これらの問題を回避するためには最初のオフアキシャル反射面に入射する基準軸光線とラインセンサーへ入射する基準軸光線は一定の角度（４５度）以内に配置ほうが良く、本実施形態では両光線軸が平行、すなわち０度となっている。
【００２０】
図２、図４、図６に実施形態１、２、３の画像読取用の結像光学系の副走査断面図を示す。
【００２１】
図３、図５、図７に実施形態１、２、３の画像読取用の結像光学系のラインセンサーのライン方向の５点（像高）についての収差図を示す。図中のＸは原稿面上の高さを表す。
【００２２】
本発明の結像光学系の実施形態の構成および数値の意味を明確にするために、本明細書中で使用のオフアキシャル光学系、及び、その骨組みとなる基準軸について以下のように定義する。
【００２３】
基準軸の定義
一般には物体から像面にいたる基準となる基準波長の光線の光路をその光学系における基準軸と定義する。これだけでは基準となる光線の選び方に曖昧性が残るので、通常は以下に示す２つの原則のいずれかにより基準光線すなわち基準軸を設定する。
【００２４】
◎光学系に部分的にでも対称性を有する軸が存在し、収差を対称性良くとりまとめることができる場合には、その対称性を有する軸上を通る光線を基準光線とする。
【００２５】
◎光学系に一般的に対称軸が存在しない時、あるいは部分的には対称軸が存在しても、収差を対称性良くとりまとめることができる時には、物体面中心（被撮影、被観察範囲の中心）から出る光線のうち、光学系の指定される面の順に光学系を通り、光学系内に定義される絞り中心を通る光線を基準光線として設定する。
【００２６】
このようにして定義される基準軸は、折れ曲がっている形状となる事が一般的である。
【００２７】
オフアキシャル光学系の定義
上記のように定義した基準軸が曲面と交わる点において、面法線が基準軸と一致しない曲面をオフアキシャル曲面と定義し、オフアキシャル曲面を含む光学系をオフアキシャル光学系と定義する（但し、平面反射面によって基準軸が単純に折れ曲がっている場合も面法線が基準軸と一致しないが、その平面反射面は収差の対称性を損なわないので、オフアキシャル光学系の対象から除外する）。
【００２８】
本発明の実施形態においては、光学系の基準となる基準軸を上記のように設定したが、光学系の基準となる軸の決め方は光学設計上、収差のとりまとめ上、若しくは光学系を構成する各面形状を表現する上で都合の良い軸を採用すれば良い。
【００２９】
しかし、一般的には像面または観察面の中心と、絞りまたは入射瞳または射出瞳または光学系の第１面の中心若しくは最終面の中心のいずれかを通る光線の経路を光学系の基準となる基準軸に設定している。各面の順番は基準軸光線が反射を受ける順番に設定している。
【００３０】
従って、基準軸は設定された各面の順番に沿って反射の法則に従ってその方向を変化させつつ、最終的に像面の中心に到達する。
【００３１】
本発明の各実施形態の光学系を構成するチルト面は基本的に全てが同一面内でチルトしている。そこで、絶対座標系の各軸を以下のように定める。
【００３２】
Ｚ軸：原点を通り第１面に向かう基準軸
Ｙ軸：原点を通りチルト面内でＺ軸に対して半時計周りに９０°をなす直線
Ｘ軸：原点を通りＺ、Ｙ各軸に垂直な直線
また、光学系を構成する第ｉ面の面形状を表すには、絶対座標系にてその面の形状を表記するより、基準軸と第ｉ面が交差する点を原点とするローカル座標系を設定して、ローカル座標系でその面の面形状を表した方が形状を認識する上で理解し易いため、本発明の構成データを表示する実施例では第ｉ面の面形状をローカル座標系で表す。
【００３３】
また、第ｉ面のＹＺ面内でのチルト角は絶対座標系のＺ軸に対して半時計回り方向を正とした角度θｉ（単位°）で表す。よって、本発明の各実施形態では各面のローカル座標の原点はＹＺ平面上にある。
【００３４】
またＸＺおよびＸＹ面内での面の偏心はない。さらに、第ｉ面のローカル座標（ｘ、ｙ、ｚ）のｙ、ｚ軸は絶対座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に対してＹＺ面内でも角度θｉ傾いており、具体的には以下のように設定する。
【００３５】
ｚ軸：ローカル座標の原点を通り、絶対座標系のＺ軸方向に対しＹＺ面内において半時計方向に角度θｉをなす直線。
【００３６】
ｙ軸：ローカル座標の原点を通り、ｚ軸方向に対してＹＺ面内において半時計方向に９０°をなす直線。
【００３７】
ｘ軸：ローカル座標系の原点を通り、ＹＺ面に対し垂直な直線。
【００３８】
また、本発明の実施例における結像光学素子は回転非対称の非球面を有し、その形状は以下の式により示す。
【００３９】
【数１】
2005241682.tif 000003
【００４０】
なお球面は以下の式で表される形状である。
【００４１】
【数２】
2005241682.tif 000004
【００４２】
上記曲面式はｘに関して偶数次の項のみであるため、上記曲面式により規定される曲面はｙｚ面を対称面とする面対称な形状である。さらに以下の条件が満たされる場合はｘｚ面に対して対称な形状を表す。
【００４３】
【数３】
2005241682.tif 000005
【００４４】
が満たされる場合は回転対称な形状を表す。以上の条件を満たさない場合は非回転対称な形状である。
【００４５】
また光学系の実施形態はすべて共軸光学系ではないため、近軸理論に基づく焦点距離を直接計算することが困難である。そこで以下の定義による換算焦点距離ｆｅｑを用いる。
【００４６】
【数４】
2005241682.tif 000006
【００４７】
なお定義上、反射面が奇数個の場合、焦点距離の符号は通常の符号と逆に表現される。
ここに
ｈ１：第１面において基準軸に平行で基準軸に無限に近く入射する光線の入射高さ
ａｋ’：該光線が最終面から射出時に基準軸となす角度
である。
【００４８】
次に数値実施例において、Ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面間のローカル座標の原点間の間隔を表すスカラー量、Ｎｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面間の媒質の屈折率である。
【００４９】
有効寸法（Ｘ＊Ｙ）は各面のローカル座標のＸ軸方向とＹ軸方向の有効寸法である。
【００５０】
以下に、上で説明した本発明の実施例について数値データを示す。
【００５１】
（第１の実施例）
【００５２】
【表１】
2005241682.tif 000007
【００５３】
（第２の実施例）
【００５４】
【表２】
2005241682.tif 000008
【００５５】
（第３の実施例）
【００５６】
【表３】
2005241682.tif 000009
【００５７】
本実施形態によればデジタルカラー画像の読取において、色収差がなく、光路長が長くて副走査断面における結像光学系の高さが小さい、特に高速性、高解像度が要求されるデジタル複写機やイメージスキャナー等の提供を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の画像読取用の装置の実施形態１の要部概略図
【図２】本発明の画像読取用の結像光学系の実施形態１の断面図
【図３】本発明の画像読取用の結像光学系の実施形態１の収差図
【図４】本発明の画像読取用の結像光学系の実施形態２の断面図
【図５】本発明の画像読取用の結像光学系の実施形態２の収差図
【図６】本発明の画像読取用の結像光学系の実施形態３の断面図
【図７】本発明の画像読取用の結像光学系の実施形態４の収差図
【図８】従来の画像読取用の装置の要部概略図
【図９】カラー画像読取用の装置の基本構成図
【符号の説明】
【００５９】
１  照明光源
２  原稿台ガラス
３ａ、３ｂ、３ｃ  反射ミラー
４  結像光学系
５  読取手段（ラインセンサー）
６  原稿
ＳＰ  絞り
【図１】
2005241682.tif 000010
【図２】
2005241682.tif 000011
【図３】
2005241682.tif 000012
【図４】
2005241682.tif 000013
【図５】
2005241682.tif 000014
【図６】
2005241682.tif 000015
【図７】
2005241682.tif 000016
【図８】
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【図９】
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