画像読取光学系および画像読取装置
【課題】 アナモルフィックな結像光学系を用いた画像読取光学系であって、焦点ズレによるコントラスト性能の変化が少ない画像読取光学系およびこれを用いた画像読取装置を提供する。
【解決手段】 光学的位相変更フィルタは、入射する光束の中心における面法線を含み、かつ主走査方向あるいは副走査方向を含む所定面に関してのみ、対称な形状の面形状成分を備え、入射する光束の中心における面法線を含み、前記所定面に直交する面に関して一方側を前記進相領域、他方側を前記遅相領域とする。
【解決手段】 光学的位相変更フィルタは、入射する光束の中心における面法線を含み、かつ主走査方向あるいは副走査方向を含む所定面に関してのみ、対称な形状の面形状成分を備え、入射する光束の中心における面法線を含み、前記所定面に直交する面に関して一方側を前記進相領域、他方側を前記遅相領域とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像読取光学系および画像読取装置に関し、特に高開口かつコントラスト性能が安定した画像読取を必要とするイメージスキャナーやデジタル複写機等に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、原稿面上の画像情報を読取る画像読取装置として、主走査方向に複数の受光素子を配列したリニアイメージセンサを用いるものが知られている。結像光学系で画像情報をリニアイメージセンサに結像させ、原稿とリニアイメージセンサとの相対的位置を副走査方向に変位させ、リニアイメージセンサから得られる出力信号を利用して画像情報を読取る画像読取装置がある。
【０００３】
図１７は、従来のキャリッジ一体型走査方式の画像読取装置の概略図である。同図において、照明光源８１から放射された光束は、直接原稿台ガラス８２に載置した原稿８７を照明する。原稿８７からの反射光束は、順に第１、第２、第３折り返しミラー８３ａ、８３ｂ、８３ｃを介して、キャリッジ８６内部でその光路を折り曲げ、結像レンズ（結像光学系）８４によりリニアイメージセンサ８５面上に原稿８７の画像情報を結像している。
【０００４】
そして、キャリッジ８６を副走査用のモーター８８により、矢印Ａ方向（副走査方向）に移動させることにより原稿８７の画像情報を読み取っている。同図におけるリニアイメージセンサ８５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り立っている。
【０００５】
図１８は、図１７の画像読取装置の読取光学系の基本構成の説明図である。図中、８４は結像光学系、８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂは各々リニアイメージセンサ８５を構成するＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の各色を読み取るリニアイメージセンサである。８７Ｒ、８７Ｇ、８７Ｂはリニアイメージセンサ８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂで読取るための原稿８７面上の読取範囲である。
【０００６】
原稿面を副走査方向に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。この構成において、結像光学系８４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等が発生する。そこで、基準のリニアイメージセンサ８５Ｇに対し、リニアイメージセンサ８５Ｂ、８５Ｒ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、色にじみや色ズレの目立つ画像になる。即ち、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。
【０００７】
一方、リニアイメージセンサを前提とした光学系であることから、主走査方向と副走査方向に非対称なアナモルフィック光学系を用いて上記要求に対応する技術がある。特に、アナモルフィック光学系のうち、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に収差を補正することが可能な光学系が提案されている。
【０００８】
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とき、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。この時、基準軸は折れ曲がった形状となる）と呼ばれる。
【０００９】
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。
【００１０】
特許文献１では、２面のオフアキシャル反射面を複合させたオフアキシャル光学系が開示されている。この光学系によれば、高価になりがちな金型や成形機を一つにすることができ、製造コストを大幅に下げることができる。これによって、図１９に示すように、小型でかつ部品点数の少ない画像読取装置が実現される。
【００１１】
図１９中、１は光源装置であって、蛍光灯やＬＥＤアレイ等から成っている。２は原稿台ガラスであり、その台上に原稿（物体）７が載置されている。３ａ、３ｂ、３ｃは順に第１、第２、第３の反射ミラーである。図２０に詳細を示す９４は画像読取用の結像光学系（オフアキシャル光学系）であり、原稿７の画像情報に基づく光束を読取手段としてのリニアイメージセンサ５上に結像させている。
【００１２】
この結像光学系では、基準軸光線の反射点での面法線が基準軸上にない。自由曲面形状の反射面を複数一体に形成した自由曲面反射部材４ａは、平面形状の反射面を備えた平面反射部材４ｂと対向するように配置されている。ＳＰは絞りであり、平面ミラー部材４ｂの平面反射面Ｒ２に設けている。例えば、絞りは黒色の樹脂シート部材を平面ミラー表面に接着するなどの方法で作成される。５はＣＣＤ等で構成されるリニアイメージセンサ（受光手段）であり、像面に相当する位置に配置されている。６はキャリッジ（筐体）であり、各部材１、３ａ、３ｂ、３、９４、５等を収納している。
【００１３】
ここで、リニアイメージセンサ５の画素の並び方向（紙面と垂直方向Ｘ方向）が主走査方向、それに直交する方向（紙面内方向Ｙ方向）が副走査方向である。光束の進行方向をＺ方向とする。このときＸＺ面が主走査断面、ＹＺ面が副走査断面である。光源１から発した光束で原稿台ガラス２の上に載置された原稿（物体）７を照明し、原稿７からの光束を第１、第２、第３の反射ミラー３ａ、３ｂ、３ｃを介してオフアキシャル反射面部材４ａのオフアキシャル反射面Ｒ１に入射させている。
【００１４】
そして、オフアキシャル反射面Ｒ１で反射した光束を、平面ミラー部材４ｂの平面反射面Ｒ２に入射させ、鋭角に反射させる。その後、該オフアキシャル反射面Ｒ１とは異なるオフアキシャル反射面Ｒ３に入射させ、反射させた後、リニアイメージセンサ５上に結像させる。尚、このとき各々の反射面は副走査断面内において光路を折り曲げている。そして、原稿７とキャリッジ６との相対的位置を副走査方向（矢印Ａ方向）に変えて原稿７の画像情報を２次元的に読み取っている。
【００１５】
画像読取装置をコンパクトに構成するために第１、第２、第３の反射ミラー３ａ、３ｂ、３ｃにより光路を折り畳んでいる。結像光学系９４も光路を折り畳むのに寄与している。本従来例は、Ｆナンバー（以下、Ｆｎｏ）が６．０、倍率が０．１１、物体高が１５０ｍｍで設計されている。図２２（Ａ）に像面上で６０ＬｉｎｅＰａｉｒ／ｍｍでのＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）深度特性を示す。実線が副走査方向のＭＴＦ（Ｓ＿ＭＴＦ）を示す。破線が主走査方向のＭＴＦ（Ｍ＿ＭＴＦ）を示す。横軸の中心０が合焦位置である。
【００１６】
結像光学系９４では、光路をオフアキシャル面によって、おおよそＺの形状に折り畳むことで互いのオフアキシャル反射面で発生する偏心収差をキャンセルし易くしている。さらに、平面ミラー部材を用い、収差に影響することなくΣの形状に折りたたんでいる。これによって、平面ミラー部材１枚とオフアキシャル反射面部材１枚という少ない構成にも関わらず良好なる結像性能を得ている。
【００１７】
昨今の画像読取装置は高速化が求められており、光学系としても高開口化が求められるようになってきている。図２０の従来のオフアキシャル光学系をＦｎｏ４．０に高開口化したのが図２１で示す光学系である。この光学系のＭＴＦ深度特性を図２２（Ｂ）に示す。一般に高開口化された光学系は、合焦位置ではＭＴＦが高く、焦点がずれた位置では急激に低下する。また、収差が大きい場合は、合焦状態でもＭＴＦが低く、焦点がずれた場合にさらに低下する。
【００１８】
特に、オフアキシャル光学系を含むアナモルフィック光学系では、主走査方向と副走査方向で特性が共通ではない。そのため、図２２に示すように、実線で示す副走査方向のＭＴＦは合焦状態の位置０においては、高いＭＴＦ値を示し、焦点ズレを起こすと急激に低下する。破線で示す主走査方向には、合焦状態でも収差のＭＴＦ値は副走査方向に比べて低く、焦点ズレによってさらに低下する。図２３に、図２２の合焦位置における波面収差を示す。一般に外周部に近づくにつれて収差量は大きくなることから、高開口化した場合に収差量は増える。
【００１９】
画像読取装置において、焦点ズレが発生すると画像が劣化するだけでなく様々な問題を併発する。例えば、画像先鋭化のための処理などは工場出荷時に最適化されている。よって、その状態から焦点ズレを起こすと適切な処理ができなくなり、画像が先鋭化されなくなる。そのために、ＭＴＦ値は常に安定した状態であることが望まれている。ＭＴＦ値が安定しているかどうかの指標として、式１を用いることができる。
（式１）
ＭＴＦ安定度：ＭＳ＝（最も高いＭＴＦ−最も低いＭＴＦ）／（最も高いＭＴＦ＋最も低いＭＴＦ）（％）
【００２０】
図２２（Ａ）に示す従来の光学系は、合焦位置前後±１ステップの範囲において、安定度Ｓ＝４．６％である。ここでは、１ステップを０．０２５ｍｍとしている。そのため、合焦位置前後±１ステップとは、合焦位置から撮像面を±０．０２５ｍｍ移動させることに相当する。同安定度は前述の問題が顕著とならないように８％以下にすることが好ましい。図２２（Ｂ）に示す従来の光学系は合焦位置前後±１ステップの範囲において、安定度ＭＳ＝１４．４％であり、改善が必要であった。
【００２１】
焦点ズレは様々な現象によって、発生する可能性がある。例えば、画像読取装置の設置される環境温度が極端に熱いまたは寒いと、光学素子は変形し焦点ズレが生じる場合がある。他に、設置作業時や輸送時の振動が大きいと位置ズレなどによって焦点ズレが生じる可能性もある。現在は、上記のような焦点ズレを発生させないように、設置環境や振動について、空調や梱包などによって対策されている。しかしながら、新興国の経済成長とともに、これまで想定されていなかった設置環境で使用される場合や、道路事情が良くない中を輸送されるケースが予想されている。
【００２２】
よって、焦点ズレの対策は、画像読取光学系として重要な案件である。焦点ズレについての対策としては焦点調整機構を搭載するなどの対策が考えられる。しかしながら、画像読取装置は前述のように高速でキャリッジが移動するので焦点調整機構など重量の増える機構の搭載は困難である。よって、焦点ズレしてもコントラスト性能の変化が少ない光学系が必要である。
【００２３】
一方で、焦点ズレしてもコントラスト性能の変化を低減できるようにする技術もある。特許文献２には、光学的位相変更フィルタによりコントラスト性能を補正する方法が提案されている。この光学的位相変更フィルタは、Ｎ（２、３、・・・）回対称性を有し、入射する光束の波面の位相を進める進相作用を有する進相領域と入射する光束の波面の位相を遅らせる遅相作用を有する遅相領域とを備える。Ｎ回対称性とは、基準軸を中心に３６０／Ｎ°回転させたときに同一形状になる特徴を言う。この場合、入射する光束の中心における面法線を含み、上述した対称面に直交する面に関して、一方側を進相領域、他方側を遅相領域とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】特開２００６−２５９５４４号公報
【特許文献２】特開平９−２８８２５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
特許文献２に記載される技術は、カメラなど光軸を基準に回転対称配置された一般的な結像光学系を用いるものに対して効果を発揮できる。即ち、回転対称配置された一般的な結像光学系として、焦点ズレによるコントラスト性能の変化が少ない結像光学系を得ることができる。
【００２６】
しかしながら、画像読取装置として、スリット領域を結像するアナモルフィックな結像光学系（スリット領域の長手方向である主走査方向と、これに直交する副走査方向とで断面形状が異なる結像光学系）を用いるものに対しては、十分な効果が得られなかった。即ち、アナモルフィックな結像光学系として、焦点ズレによるコントラスト性能の変化が少ない結像光学系を得ることができなかった。
【００２７】
そこで、本発明の目的は、アナモルフィックな結像光学系を用いた画像読取光学系であって、焦点ズレによるコントラスト性能の変化が少ない画像読取光学系およびこ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】
【００２８】
上記目的を達成するために、本発明の代表的な構成は、原稿のスリット領域をイメージセンサに結像するために用いられ、前記スリット領域の長手方向である主走査方向と前記主走査方向に直交する副走査方向とで断面形状が異なる光学素子を備える結像光学系と、前記原稿から前記イメージセンサへの結像光路中に設けられる絞りと、前記絞りの付近に設けられ、入射する光束の中心の波面の位相を基準とするとき、前記入射する光束の波面の位相を進める進相作用を有する進相領域と、前記入射する光束の波面の位相を遅らせる遅相作用を有する遅相領域とを備える光学的位相変更フィルタと、を有する画像読取光学系であって、前記光学的位相変更フィルタは、前記入射する光束の中心における面法線を含み、かつ前記主走査方向あるいは前記副走査方向を含む所定面に関してのみ、対称な形状の面形状成分を備え、前記入射する光束の中心における面法線を含み、前記所定面に直交する面に関して一方側を前記進相領域、他方側を前記遅相領域とすることを特徴とする。
【００２９】
また、本発明の他の代表的な構成は、原稿のスリット領域をイメージセンサに結像するために用いられ、前記スリット領域の長手方向である主走査方向と前記主走査方向に直交する副走査方向とで断面形状が異なる光学素子を備える結像光学系と、前記原稿から前記イメージセンサへの結像光路中に設けられる絞りと、前記絞りの付近に設けられ、入射する光束の中心の波面の位相を基準とするとき、前記入射する光束の波面の位相を進める進相作用を有する進相領域と、前記入射する光束の波面の位相を遅らせる遅相作用を有する遅相領域とを備える光学的位相変更フィルタと、を有する画像読取光学系であって、前記光学的位相変更フィルタは、前記入射する光束の中心における面法線を含み、かつ前記入射する光束の中心における面法線を含む複数の対称面に関して、対称な形状の第１の面形状成分と、前記主走査方向あるいは前記副走査方向を含む所定面に関してのみ、対称な形状の第２の面形状成分と、を前記光学的位相変更フィルタの単一の面あるいは異なる面に備え、前記第１の面形状成分、前記第２の面形状成分は、前記入射する光束の中心における面法線を含み、前記複数の対称面あるいは前記所定面に直交する面に関して一方側を前記進相領域、他方側を前記遅相領域とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、アナモルフィックな結像光学系を用いた画像読取光学系であって、焦点ズレによるコントラスト性能の変化が少ない画像読取光学系およびこ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】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る画像読取光学系を搭載した画像読取装置の要部概略図である。
【図２】第１の実施形態のＹＺ面内での全体の構成を示す要部断面図である。
【図３】第１の実施形態の光学的位相変換フィルタの形状を示す概略図である。
【図４】第１の実施形態のＭＴＦデフォーカス特性を示す図である。
【図５】第１の実施形態の波面収差を示す図である。
【図６】第２の実施形態に係る画像読取装置の要部概略図である。
【図７】第２の実施形態のＹＺ面内での全体の構成を示す要部断面図である。
【図８】第２の実施形態の光学的位相変換フィルタの形状を示す概略図である。
【図９】第２の実施形態のＭＴＦデフォーカス特性を示す図である。
【図１０】第２の実施形態の波面収差を示す図である。
【図１１】第３の実施形態に係る画像読取光学系を搭載した画像読取装置の要部概略図である。
【図１２】第３の実施形態のＹＺ面内での全体の構成を示す要部断面図である。
【図１３】第３の実施形態の光学的位相変換フィルタの形状を示す概略図である。
【図１４】第３の実施形態のＭＴＦデフォーカス特性を示す図である。
【図１５】第３の実施形態の波面収差を示す図である。
【図１６】本発明の実施形態に係る光学的位相変換フィルタの焦点ズレによるコントラスト性能の変化が少ない基本的作用を説明する図である。
【図１７】従来の画像読取装置の要部概略図である。
【図１８】従来のカラー画像読取装置の基本構成図である。
【図１９】従来のオフアキシャル光学系を用いた画像読取装置の要部概略図である。
【図２０】従来のオフアキシャル光学系のＹＺ面内での全体の構成を示す要部断面図である。
【図２１】従来の高開口のオフアキシャル光学系のＹＺ面内での全体の構成を示す要部断面図である。
【図２２】従来の高開口のオフアキシャル光学系のＭＴＦデフォーカス特性を示す図である。
【図２３】従来の高開口のオフアキシャル光学系の波面収差を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
《第１の実施形態》
（画像読取光学系）
以下、本発明の第１の実施形態に係るオフアキシャル結像光学系を備えた画像読取光学系について説明する。図１は、本実施形態の副走査断面内の要部概略図である。図２は、図１の結像光学系４を抽出したときの副走査断面内の概略図である。図３は、図２の光学的位相変更フィルタ上に設けられた反射面Ｒ３の形状を説明する図である。図中、１は光源装置であって、蛍光灯やＬＥＤアレイ等から成っている。２は原稿台ガラスであり、その台上に原稿（物体）７が載置されている。３ａ、３ｂ、３ｃは順に第１、第２、第３の反射ミラーである。
【００３３】
４は画像読取用の結像光学系（オフアキシャル光学系）であり、原稿７の画像情報に基づく光束を読取手段としてのリニアイメージセンサ５上に結像させている。結像光学系４は、基準軸光線の反射点での面法線は基準軸上にないオフアキシャル光学系である。自由曲面形状の反射面を複数一体に形成した自由曲面反射部材４ａは、反射面を備えた光学的位相変換フィルタ４ｂと対向するように配置されている。ＳＰは絞りであり、光学的位相変更フィルタ４ｂの反射面Ｒ２に設けている。例えば、絞りは黒色の樹脂シート部材を光学的位相変更フィルタ表面に接着するなどの方法で作成される。
【００３４】
５はＣＣＤ等で構成されるリニアイメージセンサ（受光手段）であり、像面に相当する位置に配置している。６はキャリッジ（筐体）であり、各部材１、３ａ、３ｂ、３ｃ、４、５等を収納している。ここでリニアイメージセンサ５の画素の並び方向（紙面と垂直方向Ｘ方向）が主走査方向、それに直交する方向（紙面内方向Ｙ方向）が副走査方向である。光束の進行方向をＺ方向とする。このときＸＺ面が主走査断面、ＹＺ面が副走査断面である。
【００３５】
本実施形態においては、光源１から発した光束で原稿台ガラス２の上に載置された原稿（物体）７を照明する。そして、原稿７からの光束を第１、第２、第３の反射ミラー３ａ、３ｂ、３ｃを介して、オフアキシャル反射面部材４ａのオフアキシャル反射面Ｒ１に入射させる。オフアキシャル反射面Ｒ１で反射した光束を、光学的位相変更フィルタ４ｂの反射面Ｒ２に入射させ、鋭角に反射させた後、オフアキシャル反射面Ｒ１とは異なるオフアキシャル反射面Ｒ３に入射させる。そして、反射させた後、リニアイメージセンサ５上に結像させている。光学的位相変更フィルタを除く他の構成要素は、従来光学系と共通で良い。
【００３６】
（光学的位相変更フィルタの基本的作用）
本実施形態に係る光学的位相変更フィルタの基本的作用を図１６（Ｂ）に示す。光学的位相変更フィルタは、原稿からイメージセンサへの結像光路中に設けられる絞りの付近に設けられる。この光学的位相変更フィルタは、入射する光束の中心の波面の位相を基準とするとき、入射する光束の波面の位相を進める進相作用を有する進相領域と、入射する光束の波面の位相を遅らせる遅相作用を有する遅相領域とを備える。従来技術を示す図１６（Ａ）と比較し、図１６（Ｂ）では焦点ズレによるコントラスト性能の変化が少ない結像光学系となることが理解される。
【００３７】
即ち、結像光学系の絞り付近にフィルタを設ける場合、図１６（Ｂ）の結像光学素子（ここでは透過型のレンズとして簡略化）の上側に位置する進相領域では後ピン状態で結像する一方、下側に位置する遅相領域では前ピン状態で結像する。これにより、前ピン状態、合ピン状態、後ピン状態の各位置でのコントラスト変化が大きい図１６（Ａ）の場合に比べ、図１６（Ｂ）では前ピン状態、合ピン状態、後ピン状態の各位置でのコントラスト変化が小さく抑えられることが分かる。
【００３８】
（第１の実施形態における光学的位相変更フィルタ）
反射性フィルタである光学的位相変更フィルタ４ｂの単一の面としての反射面Ｒ２は、図３（Ｃ）に示す特徴の面形状を備えている。図３（Ｃ）の面形状は、図３（Ａ）に示す第１の面形状成分と、図３（Ｂ）に示す第２の面形状成分を合成（加算）したものである。
【００３９】
１）第１の面形状成分
図３（Ａ）で示す面は、基準となる中心軸を中心に７２°回転させた場合に回転させる前と等しい形状になる対称面であって、式２で表現される。
（式２）
Ｓ（ρ，φ）＝Ａ×ρ＾ｉ×ｃｏｓ（ｍφ＋α）
Ａ＝０．１０９μｍ、ｉ＝５、ｍ＝５、α＝０°
ρ：径方向の座標系において半径で正規化した数値 ０≦ρ≦１
φ：回転方向の座標系 ０≦φ≦３６０°
Ａ：定数
ｉ：径方向の形状を決定するための数値
ｍ：回転対称性を示す数値
α：初期位相
【００４０】
この角度７２°は、３６０°を５で除算した数値であるから、この対称性は一般に５回対称と呼ばれる。同面は、中心軸を中心に周期的に凸部と凹部を繰り返している。凸部は他の領域に比べて先に光を反射するので、光束の波面が先に進む進相作用を有している。凸部は中心軸から外周部に近づくにしたがって隆起する。逆に、凹部は他の領域に比べて遅れて光を反射するので、光束の波面が後に遅れて進む遅相作用を有している。凹部は、中心軸から外周部に近づくにしたがって沈下する。
【００４１】
進相と遅相を周期的に与えることにより、結像光学系としての合焦位置の前と後に向かって一部の光束を向けるので、デフォーカス特性が合焦位置前後で安定するようになる。進相と遅相が繰り返されると、同特性は主走査方向と副走査方向の区別なく、両方向についてデフォーカス特性が安定する作用を有する。
【００４２】
２）第２の面形状成分
図３（Ｂ）で示す面は、基準となる中心軸を中心に３６０°回転させた場合のみに等しい形状になる面であって、式３で表現される。この第２の面形状成分については、光学的位相変更フィルタとして以下の条件を備えることとなる。即ち、入射する光束の中心における面法線を含み、かつ主走査方向あるいは副走査方向を含む所定面に関してのみ、対称な形状の面成分を備える。そして、入射する光束の中心における面法線を含み、前記所定面に直交する面に関して、一方側を進相領域、他方側を遅相領域とする。
（式３）
Ｔ（ρ，φ）＝Ｂ×ρ＾ｊ×ｃｏｓ（φ＋β）
Ｂ＝０．１６４μｍ、ｊ＝５、β＝１８０°
ρ：径方向の座標系において半径で正規化した数値 ０≦ρ≦１
φ：回転方向の座標系 ０≦φ≦３６０°
Ｂ：定数
ｊ：径方向の形状を決定するための数値
β：初期位相
【００４３】
この対称性は１回対称と呼ばれる。同面は直交する一方向については、進相と遅相作用を有するが、他の方向については進相も遅相作用も有さないという特徴がある。よって、主走査方向もしくは副走査方向に特化した収差補正の作用を有する。本実施形態においては、副走査方向に進相と遅相作用を与えることし、図３（Ａ）の面と合成した結果、図４（Ａ）のように主走査と副走査のＭＴＦデフォーカス特性を揃えることができた。合焦位置前後±１ステップの範囲において、安定度ＭＳ＝６．５％であり、十分安定したＭＴＦ特性が得られている。ここでは、１ステップを０．０２５ｍｍとしている。そのため、合焦位置前後±１ステップとは、合焦位置から撮像面を±０．０２５ｍｍ移動させることに相当する。
【００４４】
仮に、図３（Ａ）の面だけで構成された場合は、図４（Ｂ）のように主走査方向と副走査方向のＭＴＦ値に依然としてバラツキが残る。合焦位置前後±１ステップの範囲において、安定度ＭＳ＝９．８％であり、ＭＴＦの安定性という本発明の課題に対して不十分である。そこで、図３（Ｂ）の面を合成することで、本発明の課題が解決される。即ち、主走査方向と副走査方向のＭＴＦ値に関し、第１の面形状成分では不十分であったものを、第２の面形状成分を付加することで補填することができる。
【００４５】
図４（Ａ）の合焦位置０における波面収差量を図５に示す。主走査方向、副走査方向への収差がバランスよくなり、かつ微妙なうねり状の収差が発生していることから、ＭＴＦ安定度が改善したことがわかる。このように、光学系の平面ミラーを光学的位相変更フィルタ４ｂに置き換えることで、高開口化による高速読取も可能となる画像読取装置が実現する。上記に示した本実施形態の画像読取装置は、原稿サイズが例えばＡ３サイズ（３００ｍｍ×４２０ｍｍ）の原稿を読み取る際に好適なものである。
【００４６】
《第２の実施形態》
以下、本発明の第２の実施形態に係るオフアキシャル光学系について説明する。図６は、本実施形態の結像光学系を画像読取装置に適用したときの副走査断面内の要部概略図である。図７は、図６の結像光学系２４を抽出したときの副走査断面内の概略図である。図８は、図７の光学的位相変更フィルタ上に設けられた透過面Ｔ１とＴ２の形状を説明する図である。第１の実施形態とは、結像光学系４と２４以外は共通構成である。
【００４７】
結像光学系２４は、基準軸光線の反射点での面法線は基準軸上にないオフアキシャル光学系である。自由曲面形状の反射面を複数一体に形成した自由曲面反射部材４ａは、平面反射面を備えた反射部材４ｂと、反射部材４ｂに隣接して配置された光学的位相変換フィルタ２４ｆと対向するように配置されている。ＳＰは絞りであり、平面反射部材４ｂの反射面Ｒ２に設けている。例えば、絞りは黒色の樹脂シート部材を光学的位相変更フィルタ表面に接着するなどの方法で作成される。
【００４８】
５はＣＣＤ等で構成されるリニアイメージセンサ（受光手段）であり、像面に相当する位置に配置している。６はキャリッジ（筐体）であり、各部材１、３ａ、３ｂ、３ｃ、２４、５等を収納している。ここで、リニアイメージセンサ５の画素の並び方向（紙面と垂直方向Ｘ方向）が主走査方向、それに直交する方向（紙面内方向Ｙ方向）が副走査方向である。光束の進行方向をＺ方向とする。このときＸＺ面が主走査断面、ＹＺ面が副走査断面である。
【００４９】
本実施形態においては、光源１から発した光束で原稿台ガラス２の上に載置された原稿（物体）７を照明し、原稿７からの光束を第１、第２、第３の反射ミラー３ａ、３ｂ、３ｃを介してオフアキシャル反射面部材４ａのオフアキシャル反射面Ｒ１に入射させている。そして、オフアキシャル反射面Ｒ１で反射した光束を、光学的位相変更フィルタ２４ｆの透過面Ｔ１とＴ２を順に透過したのちに、４ｂの反射面Ｒ２に入射させ鋭角に反射させる。
【００５０】
続いて、再び光学的位相変更フィルタ２４ｆのＴ２、Ｔ１面を透過してから、オフアキシャル反射面Ｒ１とは異なるオフアキシャル反射面Ｒ３に入射させ、反射させた後、リニアイメージセンサ５上に結像させている。光学的位相変更フィルタを除く他の構成要素は従来光学系と共通で良い。
【００５１】
（第２の実施形態における光学的位相変更フィルタ）
基本的には第１の実施形態と同様であるが、透過性フィルタである光学的位相変更フィルタ２４ｆの表面としての透過面Ｔ１は、図８（Ａ）に示す面形状成分を備える一方、裏面としての透過面Ｔ２は、図８（Ｂ）に示す面形状成分を備えている。
【００５２】
１）第１の面形状成分
光学的位相変更フィルタ２４ｆの透過面Ｔ１は、図８（Ａ）に示す特徴の面形状を備えている。図８（Ａ）で示す面は、基準となる中心軸を中心に１２０°回転させた場合に回転させる前と等しい形状になる対称面であって、式４で表現される。
（式４）
Ｓ（ρ，φ）＝Ａ×ρ＾ｉ×ｃｏｓ（ｍφ＋α）
Ａ＝０．２０５μｍ、ｉ＝３、ｍ＝３、α＝１８０°
【００５３】
この角度１２０°は、３６０°を３で除算した数値であるから、この対称性は一般に３回対称と呼ばれる。同面は中心軸を中心に周期的に凸部と凹部を繰り返している。凸部は他の領域に比べて先に光を屈折するので、光束の波面が遅れて進む遅相作用を有している。凸部は中心軸から外周部に近づくにしたがって隆起する。逆に凹部は他の領域に比べて遅れて光を屈折するので、光束の波面が先に進む進相作用を有している。凹部は中心軸から外周部に近づくにしたがって沈下する。
【００５４】
進相と遅相を周期的に与えることにより、結像光学系としての合焦位置の前と後に向かって一部の光束を向けるので、デフォーカス特性が合焦位置前後で安定するようになる。進相と遅相が繰り返されると同特性は、主走査方向と副走査方向の区別なく、両方向についてデフォーカス特性が安定する作用を有する。
【００５５】
２）第２の面形状成分
光学的位相変更フィルタ２４ｆの透過面Ｔ２、図８（Ｂ）に示す特徴の面形状を備えている。図８（Ｂ）で示す面は、基準となる中心軸を中心に３６０°回転させた場合のみに等しい形状になる面であって、式５で表現される。
（式５）
Ｔ（ρ，φ）＝Ｂ×ρ＾ｊ×ｃｏｓ（φ＋β）
Ｂ＝０．２８７μｍ、ｊ＝７、β＝９０°
【００５６】
この対称性は１回対称と呼ばれる。同面は直交する一方向については、進相と遅相作用を有するが、他の方向については進相も遅相作用も有さないという特徴がある。よって、主走査方向もしくは副走査方向に特化した収差補正の作用を有する。本実施形態においては、主走査方向に進相と遅相作用を与えることした。本実施形態における光学的位相変更フィルタは、上述の２種の定義面を表裏で備えた透過性フィルタである。中心厚さを０．２ｍｍと薄く設定することで、合成した作用を得ることができ、図９（Ａ）のように主走査と副走査のＭＴＦデフォーカス特性を揃えることができた。
【００５７】
合焦位置前後±１ステップの範囲において、安定度ＭＳ＝６．０％であり、十分安定したＭＴＦ特性が得られている。ここでは、１ステップを０．０２５ｍｍとしている。そのため、合焦位置前後±１ステップとは、合焦位置から撮像面を±０．０２５ｍｍ移動させることに相当する。仮に図８（Ａ）の面だけで構成された場合は図９（Ｂ）のように主走査と副走査のＭＴＦ値に依然としてバラツキが残る。合焦位置前後±１ステップの範囲において、安定度ＭＳ＝１１．３％であり、ＭＴＦの安定性という本発明の課題に対して不十分であり、図８（Ｂ）の面を合成することで課題が解決できる。
【００５８】
図９（Ａ）の合焦位置０における波面収差量を図１０に示す。主走査方向・副走査方向への収差がバランスよくなり、かつ微妙なうねり状の収差が発生していることからＭＴＦ安定度が改善したことがわかる。このように、光学系に透過性の光学的位相変更フィルタを挿入するだけで、高開口化による高速読取も可能となる画像読取装置が実現する。上記に示した本実施形態の画像読取装置は、原稿サイズが例えばＡ３サイズ（３００ｍｍ×４２０ｍｍ）の原稿を読み取る際に好適なものである。
【００５９】
《第３の実施形態》
以下、本発明の第３の実施形態に係るオフアキシャル光学系について説明する。図１１は本実施形態の副走査断面内の要部概略図である。図１２は、図１１の結像光学系３４を抽出したときの副走査断面内の概略図である。図１３は、図１２の光学的位相変更フィルタ上に設けられた透過面Ｔ３１、Ｔ３２の形状を説明する図である。結像光学系３４は、基準軸光線の反射点での面法線が基準軸上にないオフアキシャル光学系である。
【００６０】
自由曲面反射部材３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄは、絞りＳＰと光学的位相変換フィルタ３４ｆを略中心として二つの「４の字」を描くように配置されている。絞りＳＰは、光学的位相変換フィルタ３４ｆの透過面Ｔ３１に設けられている。例えば、絞りは黒色の樹脂シート部材を光学的位相変更フィルタ表面に接着するなどの方法で作成される。５はＣＣＤ等で構成されるリニアイメージセンサ（受光手段）であり、像面に相当する位置に配置している。６はキャリッジ（筐体）であり、各部材１、３ａ、３ｂ、３ｃ、３４、５等を収納している。
【００６１】
ここで、リニアイメージセンサ５の画素の並び方向（紙面と垂直方向Ｘ方向）が主走査方向、それに直交する方向（紙面内方向Ｙ方向）が副走査方向である。光束の進行方向をＺ方向とする。このとき、ＸＺ面が主走査断面、ＹＺ面が副走査断面である。本実施形態においては、光源１から発した光束で原稿台ガラス２の上に載置された原稿（物体）７を照明する。そして、原稿７からの光束を第１、第２、第３の反射ミラー３ａ、３ｂ、３ｃを介してオフアキシャル反射面部材３４ａのオフアキシャル反射面Ｒ３１に入射させている。そして、オフアキシャル反射面Ｒ３１で反射した光束を、オフアキシャル反射面Ｒ３２で反射させた後に、光学的位相変更フィルタ３４ｆのＴ３１面、Ｔ３２面を順に透過させる。続いて、オフアキシャル反射面Ｒ３３、Ｒ３４で反射した光束をリニアイメージセンサ５上に結像させている。
【００６２】
（第３の実施形態における光学的位相変更フィルタ）
基本的には第１、第２の実施形態と同様であるが、透過性フィルタである光学的位相変更フィルタ３４ｆの単一の面としての透過面Ｔ３１は、図１３（Ｃ）に示す特徴の面形状を備えている。図１３（Ｃ）の面形状は、図１３（Ａ）に示す第１の面形状成分と、図１３（Ｂ）に示す第２の面形状成分を合成（加算）したものである。
【００６３】
１）第１の面形状成分
図１３（Ａ）で示す面は、基準となる中心軸を中心に５１．４３°回転させた場合に回転させる前と等しい形状になる対称面であって、式６で表現される。
（式６）
Ｓ（ρ，φ）＝Ａ×ρ＾ｉ×ｃｏｓ（ｍφ＋α）
Ａ＝０．４１０μｍ、ｉ＝４、ｍ＝７、α＝１８０°
【００６４】
この角度５１．４３°は、３６０°を７で除算した数値であるから、この対称性は一般に７回対称と呼ばれる。同面は中心軸を中心に周期的に凸部と凹部を繰り返している。凸部は他の領域に比べて先に光を屈折するので、光束の波面が遅れて進む遅相作用を有している。凸部は中心軸から外周部に近づくにしたがって隆起する。逆に凹部は他の領域に比べて遅れて光を屈折するので、光束の波面が先に進む進相作用を有している。凹部は中心軸から外周部に近づくにしたがって沈下する。
【００６５】
進相と遅相を周期的に与えることにより、結像光学系としての合焦位置の前と後に向かって一部の光束を向けるので、デフォーカス特性が合焦位置前後で安定するようになる。進相と遅相が繰り返されると同特性は、主走査方向と副走査方向の区別なく、両方向についてデフォーカス特性が安定する作用を有する。
【００６６】
２）第２の面形状成分
図１３（Ｂ）で示す面は、基準となる中心軸を中心に３６０°回転させた場合のみに等しい形状になる面であって式７で表現される。
（式７）
Ｔ（ρ，φ）＝Ｂ×ρ＾ｊ×ｃｏｓ（φ＋β）
Ｂ＝０．９８３μｍ、ｊ＝５、β＝１８０°
【００６７】
この対称性は１回対称と呼ばれる。同面は直交する一方向については、進相と遅相作用を有するが、他の方向については進相も遅相作用も有さないという特徴がある。よって、主走査方向もしくは副走査方向に特化した収差補正の作用を有する。本実施形態においては、副走査方向に進相と遅相作用を与えることし、図１３（Ａ）の面と合成した結果、図１４（Ｂ）のように主走査と副走査のＭＴＦデフォーカス特性を揃えることができた。
【００６８】
本実施形態における光学的位相変更フィルタは、上述の２種の定義面（図１３（Ａ）、（Ｂ））を合成した面を透過面Ｔ３１に備えている。光学的位相変更フィルタの中心厚さは０．５ｍｍである。合焦位置前後±１ステップの範囲において、安定度ＭＳ＝４．９％であり、十分安定したＭＴＦ特性が得られている。ここでは、１ステップを０．０２５ｍｍとしている。そのため、合焦位置前後±１ステップとは、合焦位置から撮像面を±０．０２５ｍｍ移動させることに相当する。光学的位相変換フィルタを備えない従来の光学系では、図１４（Ａ）のようなＭＴＦデフォーカス特性であり、安定度ＭＳ＝１２．３％と、課題が大きかった。また、仮に透過面Ｔ３１が図１３（Ａ）の面だけで構成された場合は図１４（Ｃ）のように主走査と副走査のＭＴＦ値に依然としてバラツキが残る。
【００６９】
この構成では、合焦位置前後±１ステップの範囲において、安定度ＭＳ＝１６．５％であり、ＭＴＦの安定性という本発明の課題に対しては不十分であるが、図１３（Ｂ）の面を合成することで課題が解決できる。
【００７０】
図１４（Ｂ）の合焦位置０における波面収差量を図１５に示す。主走査方向、副走査方向への収差がバランスよくなり、かつ微妙なうねり状の収差が発生していることから、ＭＴＦ安定度が改善したことがわかる。副走査方向の最周辺部で急激な波面収差増があるが、面積にして微小であるために問題ない。このように、光学系に透過性の光学的位相変更フィルタを挿入するだけで、高開口化による高速読取も可能となる画像読取装置が実現する。
【００７１】
上記に示した本実施形態の画像読取装置は、原稿サイズが例えばＡ３サイズ（３００ｍｍ×４２０ｍｍ）の原稿を読み取る際に好適なものである。
【００７２】
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。
【００７３】
以下に、実施形態の一覧を記す。
【００７４】
【表１】
【００７５】
Ａ、Ｂは定数である。ｍは２以上の整数であり、回転対称性を示す。本実施形態では３から５の範囲で設定される。３よりも小さい場合は、主走査もしくは副走査方向など、一部の方向についてのＭＴＦ特性が不均一になる場合があり好ましくない。５より大きい場合であっても本発明の効果は発揮されるが、８以上となると波面収差の細かなウネリ成分が増えるので、高周波のＭＴＦ特性に影響を及ぼし好ましくない。よって、ｍは３以上で７以下に設定されると本発明の効果がより発揮される。
【００７６】
ｉとｊは径方向の形状を決定する数値である。光束の波面を進める進相作用か、逆に遅らせる遅相作用を持たせる必要があり、曲面形状である必要があるから、ｉとｊは、いずれも２以上でないと本発明の効果は得られない。
【００７７】
径方向の形状は前記の関数に特定される必要はないが、変曲点を有すると波面収差に不要なウネリ成分が増えるので高周波のＭＴＦ特性に影響を及ぼし好ましくない。よって、下記の条件式である式８を満たしているのが良い。
（式８）
ρ＞０の領域において、ｄ２（Ｓ＋Ｔ）／ｄρ２≠０
これは、径方向の形状として変曲点を備えないという条件に相当する。
【００７８】
（変形例１）
上述した実施形態においては、非共軸な光学素子を備えるアナモルフィク結像光学系（スリット領域の長手方向である主走査方向と前記主走査方向に直交する副走査方向とで断面形状が異なる光学素子を備える）について述べたが、本発明はこれに限られない。共軸な光学素子を備えるアナモルフィク結像光学系（スリット領域の長手方向である主走査方向と前記主走査方向に直交する副走査方向とで断面形状が異なる光学素子を備える）であっても良い。また光学素子は複数備わる場合の他、単数備わる場合でも良い。
【００７９】
（変形例２）
なお、原稿のスリット領域を結像する結像面に設けられるイメージセンサとしてリニアイメージセンサを示したが、エリアイメージセンサを用いることもできる。
【符号の説明】
【００８０】
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
４ａ 自由曲面反射部材
４ｂ 光学的位相変換フィルタ
５ 読取手段（リニアイメージセンサ）
７ 原稿
ＳＰ 絞り
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像読取光学系および画像読取装置に関し、特に高開口かつコントラスト性能が安定した画像読取を必要とするイメージスキャナーやデジタル複写機等に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、原稿面上の画像情報を読取る画像読取装置として、主走査方向に複数の受光素子を配列したリニアイメージセンサを用いるものが知られている。結像光学系で画像情報をリニアイメージセンサに結像させ、原稿とリニアイメージセンサとの相対的位置を副走査方向に変位させ、リニアイメージセンサから得られる出力信号を利用して画像情報を読取る画像読取装置がある。
【０００３】
図１７は、従来のキャリッジ一体型走査方式の画像読取装置の概略図である。同図において、照明光源８１から放射された光束は、直接原稿台ガラス８２に載置した原稿８７を照明する。原稿８７からの反射光束は、順に第１、第２、第３折り返しミラー８３ａ、８３ｂ、８３ｃを介して、キャリッジ８６内部でその光路を折り曲げ、結像レンズ（結像光学系）８４によりリニアイメージセンサ８５面上に原稿８７の画像情報を結像している。
【０００４】
そして、キャリッジ８６を副走査用のモーター８８により、矢印Ａ方向（副走査方向）に移動させることにより原稿８７の画像情報を読み取っている。同図におけるリニアイメージセンサ８５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り立っている。
【０００５】
図１８は、図１７の画像読取装置の読取光学系の基本構成の説明図である。図中、８４は結像光学系、８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂは各々リニアイメージセンサ８５を構成するＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の各色を読み取るリニアイメージセンサである。８７Ｒ、８７Ｇ、８７Ｂはリニアイメージセンサ８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂで読取るための原稿８７面上の読取範囲である。
【０００６】
原稿面を副走査方向に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。この構成において、結像光学系８４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等が発生する。そこで、基準のリニアイメージセンサ８５Ｇに対し、リニアイメージセンサ８５Ｂ、８５Ｒ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、色にじみや色ズレの目立つ画像になる。即ち、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。
【０００７】
一方、リニアイメージセンサを前提とした光学系であることから、主走査方向と副走査方向に非対称なアナモルフィック光学系を用いて上記要求に対応する技術がある。特に、アナモルフィック光学系のうち、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に収差を補正することが可能な光学系が提案されている。
【０００８】
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とき、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。この時、基準軸は折れ曲がった形状となる）と呼ばれる。
【０００９】
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。
【００１０】
特許文献１では、２面のオフアキシャル反射面を複合させたオフアキシャル光学系が開示されている。この光学系によれば、高価になりがちな金型や成形機を一つにすることができ、製造コストを大幅に下げることができる。これによって、図１９に示すように、小型でかつ部品点数の少ない画像読取装置が実現される。
【００１１】
図１９中、１は光源装置であって、蛍光灯やＬＥＤアレイ等から成っている。２は原稿台ガラスであり、その台上に原稿（物体）７が載置されている。３ａ、３ｂ、３ｃは順に第１、第２、第３の反射ミラーである。図２０に詳細を示す９４は画像読取用の結像光学系（オフアキシャル光学系）であり、原稿７の画像情報に基づく光束を読取手段としてのリニアイメージセンサ５上に結像させている。
【００１２】
この結像光学系では、基準軸光線の反射点での面法線が基準軸上にない。自由曲面形状の反射面を複数一体に形成した自由曲面反射部材４ａは、平面形状の反射面を備えた平面反射部材４ｂと対向するように配置されている。ＳＰは絞りであり、平面ミラー部材４ｂの平面反射面Ｒ２に設けている。例えば、絞りは黒色の樹脂シート部材を平面ミラー表面に接着するなどの方法で作成される。５はＣＣＤ等で構成されるリニアイメージセンサ（受光手段）であり、像面に相当する位置に配置されている。６はキャリッジ（筐体）であり、各部材１、３ａ、３ｂ、３、９４、５等を収納している。
【００１３】
ここで、リニアイメージセンサ５の画素の並び方向（紙面と垂直方向Ｘ方向）が主走査方向、それに直交する方向（紙面内方向Ｙ方向）が副走査方向である。光束の進行方向をＺ方向とする。このときＸＺ面が主走査断面、ＹＺ面が副走査断面である。光源１から発した光束で原稿台ガラス２の上に載置された原稿（物体）７を照明し、原稿７からの光束を第１、第２、第３の反射ミラー３ａ、３ｂ、３ｃを介してオフアキシャル反射面部材４ａのオフアキシャル反射面Ｒ１に入射させている。
【００１４】
そして、オフアキシャル反射面Ｒ１で反射した光束を、平面ミラー部材４ｂの平面反射面Ｒ２に入射させ、鋭角に反射させる。その後、該オフアキシャル反射面Ｒ１とは異なるオフアキシャル反射面Ｒ３に入射させ、反射させた後、リニアイメージセンサ５上に結像させる。尚、このとき各々の反射面は副走査断面内において光路を折り曲げている。そして、原稿７とキャリッジ６との相対的位置を副走査方向（矢印Ａ方向）に変えて原稿７の画像情報を２次元的に読み取っている。
【００１５】
画像読取装置をコンパクトに構成するために第１、第２、第３の反射ミラー３ａ、３ｂ、３ｃにより光路を折り畳んでいる。結像光学系９４も光路を折り畳むのに寄与している。本従来例は、Ｆナンバー（以下、Ｆｎｏ）が６．０、倍率が０．１１、物体高が１５０ｍｍで設計されている。図２２（Ａ）に像面上で６０ＬｉｎｅＰａｉｒ／ｍｍでのＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）深度特性を示す。実線が副走査方向のＭＴＦ（Ｓ＿ＭＴＦ）を示す。破線が主走査方向のＭＴＦ（Ｍ＿ＭＴＦ）を示す。横軸の中心０が合焦位置である。
【００１６】
結像光学系９４では、光路をオフアキシャル面によって、おおよそＺの形状に折り畳むことで互いのオフアキシャル反射面で発生する偏心収差をキャンセルし易くしている。さらに、平面ミラー部材を用い、収差に影響することなくΣの形状に折りたたんでいる。これによって、平面ミラー部材１枚とオフアキシャル反射面部材１枚という少ない構成にも関わらず良好なる結像性能を得ている。
【００１７】
昨今の画像読取装置は高速化が求められており、光学系としても高開口化が求められるようになってきている。図２０の従来のオフアキシャル光学系をＦｎｏ４．０に高開口化したのが図２１で示す光学系である。この光学系のＭＴＦ深度特性を図２２（Ｂ）に示す。一般に高開口化された光学系は、合焦位置ではＭＴＦが高く、焦点がずれた位置では急激に低下する。また、収差が大きい場合は、合焦状態でもＭＴＦが低く、焦点がずれた場合にさらに低下する。
【００１８】
特に、オフアキシャル光学系を含むアナモルフィック光学系では、主走査方向と副走査方向で特性が共通ではない。そのため、図２２に示すように、実線で示す副走査方向のＭＴＦは合焦状態の位置０においては、高いＭＴＦ値を示し、焦点ズレを起こすと急激に低下する。破線で示す主走査方向には、合焦状態でも収差のＭＴＦ値は副走査方向に比べて低く、焦点ズレによってさらに低下する。図２３に、図２２の合焦位置における波面収差を示す。一般に外周部に近づくにつれて収差量は大きくなることから、高開口化した場合に収差量は増える。
【００１９】
画像読取装置において、焦点ズレが発生すると画像が劣化するだけでなく様々な問題を併発する。例えば、画像先鋭化のための処理などは工場出荷時に最適化されている。よって、その状態から焦点ズレを起こすと適切な処理ができなくなり、画像が先鋭化されなくなる。そのために、ＭＴＦ値は常に安定した状態であることが望まれている。ＭＴＦ値が安定しているかどうかの指標として、式１を用いることができる。
（式１）
ＭＴＦ安定度：ＭＳ＝（最も高いＭＴＦ−最も低いＭＴＦ）／（最も高いＭＴＦ＋最も低いＭＴＦ）（％）
【００２０】
図２２（Ａ）に示す従来の光学系は、合焦位置前後±１ステップの範囲において、安定度Ｓ＝４．６％である。ここでは、１ステップを０．０２５ｍｍとしている。そのため、合焦位置前後±１ステップとは、合焦位置から撮像面を±０．０２５ｍｍ移動させることに相当する。同安定度は前述の問題が顕著とならないように８％以下にすることが好ましい。図２２（Ｂ）に示す従来の光学系は合焦位置前後±１ステップの範囲において、安定度ＭＳ＝１４．４％であり、改善が必要であった。
【００２１】
焦点ズレは様々な現象によって、発生する可能性がある。例えば、画像読取装置の設置される環境温度が極端に熱いまたは寒いと、光学素子は変形し焦点ズレが生じる場合がある。他に、設置作業時や輸送時の振動が大きいと位置ズレなどによって焦点ズレが生じる可能性もある。現在は、上記のような焦点ズレを発生させないように、設置環境や振動について、空調や梱包などによって対策されている。しかしながら、新興国の経済成長とともに、これまで想定されていなかった設置環境で使用される場合や、道路事情が良くない中を輸送されるケースが予想されている。
【００２２】
よって、焦点ズレの対策は、画像読取光学系として重要な案件である。焦点ズレについての対策としては焦点調整機構を搭載するなどの対策が考えられる。しかしながら、画像読取装置は前述のように高速でキャリッジが移動するので焦点調整機構など重量の増える機構の搭載は困難である。よって、焦点ズレしてもコントラスト性能の変化が少ない光学系が必要である。
【００２３】
一方で、焦点ズレしてもコントラスト性能の変化を低減できるようにする技術もある。特許文献２には、光学的位相変更フィルタによりコントラスト性能を補正する方法が提案されている。この光学的位相変更フィルタは、Ｎ（２、３、・・・）回対称性を有し、入射する光束の波面の位相を進める進相作用を有する進相領域と入射する光束の波面の位相を遅らせる遅相作用を有する遅相領域とを備える。Ｎ回対称性とは、基準軸を中心に３６０／Ｎ°回転させたときに同一形状になる特徴を言う。この場合、入射する光束の中心における面法線を含み、上述した対称面に直交する面に関して、一方側を進相領域、他方側を遅相領域とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】特開２００６−２５９５４４号公報
【特許文献２】特開平９−２８８２５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
特許文献２に記載される技術は、カメラなど光軸を基準に回転対称配置された一般的な結像光学系を用いるものに対して効果を発揮できる。即ち、回転対称配置された一般的な結像光学系として、焦点ズレによるコントラスト性能の変化が少ない結像光学系を得ることができる。
【００２６】
しかしながら、画像読取装置として、スリット領域を結像するアナモルフィックな結像光学系（スリット領域の長手方向である主走査方向と、これに直交する副走査方向とで断面形状が異なる結像光学系）を用いるものに対しては、十分な効果が得られなかった。即ち、アナモルフィックな結像光学系として、焦点ズレによるコントラスト性能の変化が少ない結像光学系を得ることができなかった。
【００２７】
そこで、本発明の目的は、アナモルフィックな結像光学系を用いた画像読取光学系であって、焦点ズレによるコントラスト性能の変化が少ない画像読取光学系およびこ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】
【００２８】
上記目的を達成するために、本発明の代表的な構成は、原稿のスリット領域をイメージセンサに結像するために用いられ、前記スリット領域の長手方向である主走査方向と前記主走査方向に直交する副走査方向とで断面形状が異なる光学素子を備える結像光学系と、前記原稿から前記イメージセンサへの結像光路中に設けられる絞りと、前記絞りの付近に設けられ、入射する光束の中心の波面の位相を基準とするとき、前記入射する光束の波面の位相を進める進相作用を有する進相領域と、前記入射する光束の波面の位相を遅らせる遅相作用を有する遅相領域とを備える光学的位相変更フィルタと、を有する画像読取光学系であって、前記光学的位相変更フィルタは、前記入射する光束の中心における面法線を含み、かつ前記主走査方向あるいは前記副走査方向を含む所定面に関してのみ、対称な形状の面形状成分を備え、前記入射する光束の中心における面法線を含み、前記所定面に直交する面に関して一方側を前記進相領域、他方側を前記遅相領域とすることを特徴とする。
【００２９】
また、本発明の他の代表的な構成は、原稿のスリット領域をイメージセンサに結像するために用いられ、前記スリット領域の長手方向である主走査方向と前記主走査方向に直交する副走査方向とで断面形状が異なる光学素子を備える結像光学系と、前記原稿から前記イメージセンサへの結像光路中に設けられる絞りと、前記絞りの付近に設けられ、入射する光束の中心の波面の位相を基準とするとき、前記入射する光束の波面の位相を進める進相作用を有する進相領域と、前記入射する光束の波面の位相を遅らせる遅相作用を有する遅相領域とを備える光学的位相変更フィルタと、を有する画像読取光学系であって、前記光学的位相変更フィルタは、前記入射する光束の中心における面法線を含み、かつ前記入射する光束の中心における面法線を含む複数の対称面に関して、対称な形状の第１の面形状成分と、前記主走査方向あるいは前記副走査方向を含む所定面に関してのみ、対称な形状の第２の面形状成分と、を前記光学的位相変更フィルタの単一の面あるいは異なる面に備え、前記第１の面形状成分、前記第２の面形状成分は、前記入射する光束の中心における面法線を含み、前記複数の対称面あるいは前記所定面に直交する面に関して一方側を前記進相領域、他方側を前記遅相領域とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、アナモルフィックな結像光学系を用いた画像読取光学系であって、焦点ズレによるコントラスト性能の変化が少ない画像読取光学系およびこ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】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る画像読取光学系を搭載した画像読取装置の要部概略図である。
【図２】第１の実施形態のＹＺ面内での全体の構成を示す要部断面図である。
【図３】第１の実施形態の光学的位相変換フィルタの形状を示す概略図である。
【図４】第１の実施形態のＭＴＦデフォーカス特性を示す図である。
【図５】第１の実施形態の波面収差を示す図である。
【図６】第２の実施形態に係る画像読取装置の要部概略図である。
【図７】第２の実施形態のＹＺ面内での全体の構成を示す要部断面図である。
【図８】第２の実施形態の光学的位相変換フィルタの形状を示す概略図である。
【図９】第２の実施形態のＭＴＦデフォーカス特性を示す図である。
【図１０】第２の実施形態の波面収差を示す図である。
【図１１】第３の実施形態に係る画像読取光学系を搭載した画像読取装置の要部概略図である。
【図１２】第３の実施形態のＹＺ面内での全体の構成を示す要部断面図である。
【図１３】第３の実施形態の光学的位相変換フィルタの形状を示す概略図である。
【図１４】第３の実施形態のＭＴＦデフォーカス特性を示す図である。
【図１５】第３の実施形態の波面収差を示す図である。
【図１６】本発明の実施形態に係る光学的位相変換フィルタの焦点ズレによるコントラスト性能の変化が少ない基本的作用を説明する図である。
【図１７】従来の画像読取装置の要部概略図である。
【図１８】従来のカラー画像読取装置の基本構成図である。
【図１９】従来のオフアキシャル光学系を用いた画像読取装置の要部概略図である。
【図２０】従来のオフアキシャル光学系のＹＺ面内での全体の構成を示す要部断面図である。
【図２１】従来の高開口のオフアキシャル光学系のＹＺ面内での全体の構成を示す要部断面図である。
【図２２】従来の高開口のオフアキシャル光学系のＭＴＦデフォーカス特性を示す図である。
【図２３】従来の高開口のオフアキシャル光学系の波面収差を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
《第１の実施形態》
（画像読取光学系）
以下、本発明の第１の実施形態に係るオフアキシャル結像光学系を備えた画像読取光学系について説明する。図１は、本実施形態の副走査断面内の要部概略図である。図２は、図１の結像光学系４を抽出したときの副走査断面内の概略図である。図３は、図２の光学的位相変更フィルタ上に設けられた反射面Ｒ３の形状を説明する図である。図中、１は光源装置であって、蛍光灯やＬＥＤアレイ等から成っている。２は原稿台ガラスであり、その台上に原稿（物体）７が載置されている。３ａ、３ｂ、３ｃは順に第１、第２、第３の反射ミラーである。
【００３３】
４は画像読取用の結像光学系（オフアキシャル光学系）であり、原稿７の画像情報に基づく光束を読取手段としてのリニアイメージセンサ５上に結像させている。結像光学系４は、基準軸光線の反射点での面法線は基準軸上にないオフアキシャル光学系である。自由曲面形状の反射面を複数一体に形成した自由曲面反射部材４ａは、反射面を備えた光学的位相変換フィルタ４ｂと対向するように配置されている。ＳＰは絞りであり、光学的位相変更フィルタ４ｂの反射面Ｒ２に設けている。例えば、絞りは黒色の樹脂シート部材を光学的位相変更フィルタ表面に接着するなどの方法で作成される。
【００３４】
５はＣＣＤ等で構成されるリニアイメージセンサ（受光手段）であり、像面に相当する位置に配置している。６はキャリッジ（筐体）であり、各部材１、３ａ、３ｂ、３ｃ、４、５等を収納している。ここでリニアイメージセンサ５の画素の並び方向（紙面と垂直方向Ｘ方向）が主走査方向、それに直交する方向（紙面内方向Ｙ方向）が副走査方向である。光束の進行方向をＺ方向とする。このときＸＺ面が主走査断面、ＹＺ面が副走査断面である。
【００３５】
本実施形態においては、光源１から発した光束で原稿台ガラス２の上に載置された原稿（物体）７を照明する。そして、原稿７からの光束を第１、第２、第３の反射ミラー３ａ、３ｂ、３ｃを介して、オフアキシャル反射面部材４ａのオフアキシャル反射面Ｒ１に入射させる。オフアキシャル反射面Ｒ１で反射した光束を、光学的位相変更フィルタ４ｂの反射面Ｒ２に入射させ、鋭角に反射させた後、オフアキシャル反射面Ｒ１とは異なるオフアキシャル反射面Ｒ３に入射させる。そして、反射させた後、リニアイメージセンサ５上に結像させている。光学的位相変更フィルタを除く他の構成要素は、従来光学系と共通で良い。
【００３６】
（光学的位相変更フィルタの基本的作用）
本実施形態に係る光学的位相変更フィルタの基本的作用を図１６（Ｂ）に示す。光学的位相変更フィルタは、原稿からイメージセンサへの結像光路中に設けられる絞りの付近に設けられる。この光学的位相変更フィルタは、入射する光束の中心の波面の位相を基準とするとき、入射する光束の波面の位相を進める進相作用を有する進相領域と、入射する光束の波面の位相を遅らせる遅相作用を有する遅相領域とを備える。従来技術を示す図１６（Ａ）と比較し、図１６（Ｂ）では焦点ズレによるコントラスト性能の変化が少ない結像光学系となることが理解される。
【００３７】
即ち、結像光学系の絞り付近にフィルタを設ける場合、図１６（Ｂ）の結像光学素子（ここでは透過型のレンズとして簡略化）の上側に位置する進相領域では後ピン状態で結像する一方、下側に位置する遅相領域では前ピン状態で結像する。これにより、前ピン状態、合ピン状態、後ピン状態の各位置でのコントラスト変化が大きい図１６（Ａ）の場合に比べ、図１６（Ｂ）では前ピン状態、合ピン状態、後ピン状態の各位置でのコントラスト変化が小さく抑えられることが分かる。
【００３８】
（第１の実施形態における光学的位相変更フィルタ）
反射性フィルタである光学的位相変更フィルタ４ｂの単一の面としての反射面Ｒ２は、図３（Ｃ）に示す特徴の面形状を備えている。図３（Ｃ）の面形状は、図３（Ａ）に示す第１の面形状成分と、図３（Ｂ）に示す第２の面形状成分を合成（加算）したものである。
【００３９】
１）第１の面形状成分
図３（Ａ）で示す面は、基準となる中心軸を中心に７２°回転させた場合に回転させる前と等しい形状になる対称面であって、式２で表現される。
（式２）
Ｓ（ρ，φ）＝Ａ×ρ＾ｉ×ｃｏｓ（ｍφ＋α）
Ａ＝０．１０９μｍ、ｉ＝５、ｍ＝５、α＝０°
ρ：径方向の座標系において半径で正規化した数値 ０≦ρ≦１
φ：回転方向の座標系 ０≦φ≦３６０°
Ａ：定数
ｉ：径方向の形状を決定するための数値
ｍ：回転対称性を示す数値
α：初期位相
【００４０】
この角度７２°は、３６０°を５で除算した数値であるから、この対称性は一般に５回対称と呼ばれる。同面は、中心軸を中心に周期的に凸部と凹部を繰り返している。凸部は他の領域に比べて先に光を反射するので、光束の波面が先に進む進相作用を有している。凸部は中心軸から外周部に近づくにしたがって隆起する。逆に、凹部は他の領域に比べて遅れて光を反射するので、光束の波面が後に遅れて進む遅相作用を有している。凹部は、中心軸から外周部に近づくにしたがって沈下する。
【００４１】
進相と遅相を周期的に与えることにより、結像光学系としての合焦位置の前と後に向かって一部の光束を向けるので、デフォーカス特性が合焦位置前後で安定するようになる。進相と遅相が繰り返されると、同特性は主走査方向と副走査方向の区別なく、両方向についてデフォーカス特性が安定する作用を有する。
【００４２】
２）第２の面形状成分
図３（Ｂ）で示す面は、基準となる中心軸を中心に３６０°回転させた場合のみに等しい形状になる面であって、式３で表現される。この第２の面形状成分については、光学的位相変更フィルタとして以下の条件を備えることとなる。即ち、入射する光束の中心における面法線を含み、かつ主走査方向あるいは副走査方向を含む所定面に関してのみ、対称な形状の面成分を備える。そして、入射する光束の中心における面法線を含み、前記所定面に直交する面に関して、一方側を進相領域、他方側を遅相領域とする。
（式３）
Ｔ（ρ，φ）＝Ｂ×ρ＾ｊ×ｃｏｓ（φ＋β）
Ｂ＝０．１６４μｍ、ｊ＝５、β＝１８０°
ρ：径方向の座標系において半径で正規化した数値 ０≦ρ≦１
φ：回転方向の座標系 ０≦φ≦３６０°
Ｂ：定数
ｊ：径方向の形状を決定するための数値
β：初期位相
【００４３】
この対称性は１回対称と呼ばれる。同面は直交する一方向については、進相と遅相作用を有するが、他の方向については進相も遅相作用も有さないという特徴がある。よって、主走査方向もしくは副走査方向に特化した収差補正の作用を有する。本実施形態においては、副走査方向に進相と遅相作用を与えることし、図３（Ａ）の面と合成した結果、図４（Ａ）のように主走査と副走査のＭＴＦデフォーカス特性を揃えることができた。合焦位置前後±１ステップの範囲において、安定度ＭＳ＝６．５％であり、十分安定したＭＴＦ特性が得られている。ここでは、１ステップを０．０２５ｍｍとしている。そのため、合焦位置前後±１ステップとは、合焦位置から撮像面を±０．０２５ｍｍ移動させることに相当する。
【００４４】
仮に、図３（Ａ）の面だけで構成された場合は、図４（Ｂ）のように主走査方向と副走査方向のＭＴＦ値に依然としてバラツキが残る。合焦位置前後±１ステップの範囲において、安定度ＭＳ＝９．８％であり、ＭＴＦの安定性という本発明の課題に対して不十分である。そこで、図３（Ｂ）の面を合成することで、本発明の課題が解決される。即ち、主走査方向と副走査方向のＭＴＦ値に関し、第１の面形状成分では不十分であったものを、第２の面形状成分を付加することで補填することができる。
【００４５】
図４（Ａ）の合焦位置０における波面収差量を図５に示す。主走査方向、副走査方向への収差がバランスよくなり、かつ微妙なうねり状の収差が発生していることから、ＭＴＦ安定度が改善したことがわかる。このように、光学系の平面ミラーを光学的位相変更フィルタ４ｂに置き換えることで、高開口化による高速読取も可能となる画像読取装置が実現する。上記に示した本実施形態の画像読取装置は、原稿サイズが例えばＡ３サイズ（３００ｍｍ×４２０ｍｍ）の原稿を読み取る際に好適なものである。
【００４６】
《第２の実施形態》
以下、本発明の第２の実施形態に係るオフアキシャル光学系について説明する。図６は、本実施形態の結像光学系を画像読取装置に適用したときの副走査断面内の要部概略図である。図７は、図６の結像光学系２４を抽出したときの副走査断面内の概略図である。図８は、図７の光学的位相変更フィルタ上に設けられた透過面Ｔ１とＴ２の形状を説明する図である。第１の実施形態とは、結像光学系４と２４以外は共通構成である。
【００４７】
結像光学系２４は、基準軸光線の反射点での面法線は基準軸上にないオフアキシャル光学系である。自由曲面形状の反射面を複数一体に形成した自由曲面反射部材４ａは、平面反射面を備えた反射部材４ｂと、反射部材４ｂに隣接して配置された光学的位相変換フィルタ２４ｆと対向するように配置されている。ＳＰは絞りであり、平面反射部材４ｂの反射面Ｒ２に設けている。例えば、絞りは黒色の樹脂シート部材を光学的位相変更フィルタ表面に接着するなどの方法で作成される。
【００４８】
５はＣＣＤ等で構成されるリニアイメージセンサ（受光手段）であり、像面に相当する位置に配置している。６はキャリッジ（筐体）であり、各部材１、３ａ、３ｂ、３ｃ、２４、５等を収納している。ここで、リニアイメージセンサ５の画素の並び方向（紙面と垂直方向Ｘ方向）が主走査方向、それに直交する方向（紙面内方向Ｙ方向）が副走査方向である。光束の進行方向をＺ方向とする。このときＸＺ面が主走査断面、ＹＺ面が副走査断面である。
【００４９】
本実施形態においては、光源１から発した光束で原稿台ガラス２の上に載置された原稿（物体）７を照明し、原稿７からの光束を第１、第２、第３の反射ミラー３ａ、３ｂ、３ｃを介してオフアキシャル反射面部材４ａのオフアキシャル反射面Ｒ１に入射させている。そして、オフアキシャル反射面Ｒ１で反射した光束を、光学的位相変更フィルタ２４ｆの透過面Ｔ１とＴ２を順に透過したのちに、４ｂの反射面Ｒ２に入射させ鋭角に反射させる。
【００５０】
続いて、再び光学的位相変更フィルタ２４ｆのＴ２、Ｔ１面を透過してから、オフアキシャル反射面Ｒ１とは異なるオフアキシャル反射面Ｒ３に入射させ、反射させた後、リニアイメージセンサ５上に結像させている。光学的位相変更フィルタを除く他の構成要素は従来光学系と共通で良い。
【００５１】
（第２の実施形態における光学的位相変更フィルタ）
基本的には第１の実施形態と同様であるが、透過性フィルタである光学的位相変更フィルタ２４ｆの表面としての透過面Ｔ１は、図８（Ａ）に示す面形状成分を備える一方、裏面としての透過面Ｔ２は、図８（Ｂ）に示す面形状成分を備えている。
【００５２】
１）第１の面形状成分
光学的位相変更フィルタ２４ｆの透過面Ｔ１は、図８（Ａ）に示す特徴の面形状を備えている。図８（Ａ）で示す面は、基準となる中心軸を中心に１２０°回転させた場合に回転させる前と等しい形状になる対称面であって、式４で表現される。
（式４）
Ｓ（ρ，φ）＝Ａ×ρ＾ｉ×ｃｏｓ（ｍφ＋α）
Ａ＝０．２０５μｍ、ｉ＝３、ｍ＝３、α＝１８０°
【００５３】
この角度１２０°は、３６０°を３で除算した数値であるから、この対称性は一般に３回対称と呼ばれる。同面は中心軸を中心に周期的に凸部と凹部を繰り返している。凸部は他の領域に比べて先に光を屈折するので、光束の波面が遅れて進む遅相作用を有している。凸部は中心軸から外周部に近づくにしたがって隆起する。逆に凹部は他の領域に比べて遅れて光を屈折するので、光束の波面が先に進む進相作用を有している。凹部は中心軸から外周部に近づくにしたがって沈下する。
【００５４】
進相と遅相を周期的に与えることにより、結像光学系としての合焦位置の前と後に向かって一部の光束を向けるので、デフォーカス特性が合焦位置前後で安定するようになる。進相と遅相が繰り返されると同特性は、主走査方向と副走査方向の区別なく、両方向についてデフォーカス特性が安定する作用を有する。
【００５５】
２）第２の面形状成分
光学的位相変更フィルタ２４ｆの透過面Ｔ２、図８（Ｂ）に示す特徴の面形状を備えている。図８（Ｂ）で示す面は、基準となる中心軸を中心に３６０°回転させた場合のみに等しい形状になる面であって、式５で表現される。
（式５）
Ｔ（ρ，φ）＝Ｂ×ρ＾ｊ×ｃｏｓ（φ＋β）
Ｂ＝０．２８７μｍ、ｊ＝７、β＝９０°
【００５６】
この対称性は１回対称と呼ばれる。同面は直交する一方向については、進相と遅相作用を有するが、他の方向については進相も遅相作用も有さないという特徴がある。よって、主走査方向もしくは副走査方向に特化した収差補正の作用を有する。本実施形態においては、主走査方向に進相と遅相作用を与えることした。本実施形態における光学的位相変更フィルタは、上述の２種の定義面を表裏で備えた透過性フィルタである。中心厚さを０．２ｍｍと薄く設定することで、合成した作用を得ることができ、図９（Ａ）のように主走査と副走査のＭＴＦデフォーカス特性を揃えることができた。
【００５７】
合焦位置前後±１ステップの範囲において、安定度ＭＳ＝６．０％であり、十分安定したＭＴＦ特性が得られている。ここでは、１ステップを０．０２５ｍｍとしている。そのため、合焦位置前後±１ステップとは、合焦位置から撮像面を±０．０２５ｍｍ移動させることに相当する。仮に図８（Ａ）の面だけで構成された場合は図９（Ｂ）のように主走査と副走査のＭＴＦ値に依然としてバラツキが残る。合焦位置前後±１ステップの範囲において、安定度ＭＳ＝１１．３％であり、ＭＴＦの安定性という本発明の課題に対して不十分であり、図８（Ｂ）の面を合成することで課題が解決できる。
【００５８】
図９（Ａ）の合焦位置０における波面収差量を図１０に示す。主走査方向・副走査方向への収差がバランスよくなり、かつ微妙なうねり状の収差が発生していることからＭＴＦ安定度が改善したことがわかる。このように、光学系に透過性の光学的位相変更フィルタを挿入するだけで、高開口化による高速読取も可能となる画像読取装置が実現する。上記に示した本実施形態の画像読取装置は、原稿サイズが例えばＡ３サイズ（３００ｍｍ×４２０ｍｍ）の原稿を読み取る際に好適なものである。
【００５９】
《第３の実施形態》
以下、本発明の第３の実施形態に係るオフアキシャル光学系について説明する。図１１は本実施形態の副走査断面内の要部概略図である。図１２は、図１１の結像光学系３４を抽出したときの副走査断面内の概略図である。図１３は、図１２の光学的位相変更フィルタ上に設けられた透過面Ｔ３１、Ｔ３２の形状を説明する図である。結像光学系３４は、基準軸光線の反射点での面法線が基準軸上にないオフアキシャル光学系である。
【００６０】
自由曲面反射部材３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄは、絞りＳＰと光学的位相変換フィルタ３４ｆを略中心として二つの「４の字」を描くように配置されている。絞りＳＰは、光学的位相変換フィルタ３４ｆの透過面Ｔ３１に設けられている。例えば、絞りは黒色の樹脂シート部材を光学的位相変更フィルタ表面に接着するなどの方法で作成される。５はＣＣＤ等で構成されるリニアイメージセンサ（受光手段）であり、像面に相当する位置に配置している。６はキャリッジ（筐体）であり、各部材１、３ａ、３ｂ、３ｃ、３４、５等を収納している。
【００６１】
ここで、リニアイメージセンサ５の画素の並び方向（紙面と垂直方向Ｘ方向）が主走査方向、それに直交する方向（紙面内方向Ｙ方向）が副走査方向である。光束の進行方向をＺ方向とする。このとき、ＸＺ面が主走査断面、ＹＺ面が副走査断面である。本実施形態においては、光源１から発した光束で原稿台ガラス２の上に載置された原稿（物体）７を照明する。そして、原稿７からの光束を第１、第２、第３の反射ミラー３ａ、３ｂ、３ｃを介してオフアキシャル反射面部材３４ａのオフアキシャル反射面Ｒ３１に入射させている。そして、オフアキシャル反射面Ｒ３１で反射した光束を、オフアキシャル反射面Ｒ３２で反射させた後に、光学的位相変更フィルタ３４ｆのＴ３１面、Ｔ３２面を順に透過させる。続いて、オフアキシャル反射面Ｒ３３、Ｒ３４で反射した光束をリニアイメージセンサ５上に結像させている。
【００６２】
（第３の実施形態における光学的位相変更フィルタ）
基本的には第１、第２の実施形態と同様であるが、透過性フィルタである光学的位相変更フィルタ３４ｆの単一の面としての透過面Ｔ３１は、図１３（Ｃ）に示す特徴の面形状を備えている。図１３（Ｃ）の面形状は、図１３（Ａ）に示す第１の面形状成分と、図１３（Ｂ）に示す第２の面形状成分を合成（加算）したものである。
【００６３】
１）第１の面形状成分
図１３（Ａ）で示す面は、基準となる中心軸を中心に５１．４３°回転させた場合に回転させる前と等しい形状になる対称面であって、式６で表現される。
（式６）
Ｓ（ρ，φ）＝Ａ×ρ＾ｉ×ｃｏｓ（ｍφ＋α）
Ａ＝０．４１０μｍ、ｉ＝４、ｍ＝７、α＝１８０°
【００６４】
この角度５１．４３°は、３６０°を７で除算した数値であるから、この対称性は一般に７回対称と呼ばれる。同面は中心軸を中心に周期的に凸部と凹部を繰り返している。凸部は他の領域に比べて先に光を屈折するので、光束の波面が遅れて進む遅相作用を有している。凸部は中心軸から外周部に近づくにしたがって隆起する。逆に凹部は他の領域に比べて遅れて光を屈折するので、光束の波面が先に進む進相作用を有している。凹部は中心軸から外周部に近づくにしたがって沈下する。
【００６５】
進相と遅相を周期的に与えることにより、結像光学系としての合焦位置の前と後に向かって一部の光束を向けるので、デフォーカス特性が合焦位置前後で安定するようになる。進相と遅相が繰り返されると同特性は、主走査方向と副走査方向の区別なく、両方向についてデフォーカス特性が安定する作用を有する。
【００６６】
２）第２の面形状成分
図１３（Ｂ）で示す面は、基準となる中心軸を中心に３６０°回転させた場合のみに等しい形状になる面であって式７で表現される。
（式７）
Ｔ（ρ，φ）＝Ｂ×ρ＾ｊ×ｃｏｓ（φ＋β）
Ｂ＝０．９８３μｍ、ｊ＝５、β＝１８０°
【００６７】
この対称性は１回対称と呼ばれる。同面は直交する一方向については、進相と遅相作用を有するが、他の方向については進相も遅相作用も有さないという特徴がある。よって、主走査方向もしくは副走査方向に特化した収差補正の作用を有する。本実施形態においては、副走査方向に進相と遅相作用を与えることし、図１３（Ａ）の面と合成した結果、図１４（Ｂ）のように主走査と副走査のＭＴＦデフォーカス特性を揃えることができた。
【００６８】
本実施形態における光学的位相変更フィルタは、上述の２種の定義面（図１３（Ａ）、（Ｂ））を合成した面を透過面Ｔ３１に備えている。光学的位相変更フィルタの中心厚さは０．５ｍｍである。合焦位置前後±１ステップの範囲において、安定度ＭＳ＝４．９％であり、十分安定したＭＴＦ特性が得られている。ここでは、１ステップを０．０２５ｍｍとしている。そのため、合焦位置前後±１ステップとは、合焦位置から撮像面を±０．０２５ｍｍ移動させることに相当する。光学的位相変換フィルタを備えない従来の光学系では、図１４（Ａ）のようなＭＴＦデフォーカス特性であり、安定度ＭＳ＝１２．３％と、課題が大きかった。また、仮に透過面Ｔ３１が図１３（Ａ）の面だけで構成された場合は図１４（Ｃ）のように主走査と副走査のＭＴＦ値に依然としてバラツキが残る。
【００６９】
この構成では、合焦位置前後±１ステップの範囲において、安定度ＭＳ＝１６．５％であり、ＭＴＦの安定性という本発明の課題に対しては不十分であるが、図１３（Ｂ）の面を合成することで課題が解決できる。
【００７０】
図１４（Ｂ）の合焦位置０における波面収差量を図１５に示す。主走査方向、副走査方向への収差がバランスよくなり、かつ微妙なうねり状の収差が発生していることから、ＭＴＦ安定度が改善したことがわかる。副走査方向の最周辺部で急激な波面収差増があるが、面積にして微小であるために問題ない。このように、光学系に透過性の光学的位相変更フィルタを挿入するだけで、高開口化による高速読取も可能となる画像読取装置が実現する。
【００７１】
上記に示した本実施形態の画像読取装置は、原稿サイズが例えばＡ３サイズ（３００ｍｍ×４２０ｍｍ）の原稿を読み取る際に好適なものである。
【００７２】
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。
【００７３】
以下に、実施形態の一覧を記す。
【００７４】
【表１】
【００７５】
Ａ、Ｂは定数である。ｍは２以上の整数であり、回転対称性を示す。本実施形態では３から５の範囲で設定される。３よりも小さい場合は、主走査もしくは副走査方向など、一部の方向についてのＭＴＦ特性が不均一になる場合があり好ましくない。５より大きい場合であっても本発明の効果は発揮されるが、８以上となると波面収差の細かなウネリ成分が増えるので、高周波のＭＴＦ特性に影響を及ぼし好ましくない。よって、ｍは３以上で７以下に設定されると本発明の効果がより発揮される。
【００７６】
ｉとｊは径方向の形状を決定する数値である。光束の波面を進める進相作用か、逆に遅らせる遅相作用を持たせる必要があり、曲面形状である必要があるから、ｉとｊは、いずれも２以上でないと本発明の効果は得られない。
【００７７】
径方向の形状は前記の関数に特定される必要はないが、変曲点を有すると波面収差に不要なウネリ成分が増えるので高周波のＭＴＦ特性に影響を及ぼし好ましくない。よって、下記の条件式である式８を満たしているのが良い。
（式８）
ρ＞０の領域において、ｄ２（Ｓ＋Ｔ）／ｄρ２≠０
これは、径方向の形状として変曲点を備えないという条件に相当する。
【００７８】
（変形例１）
上述した実施形態においては、非共軸な光学素子を備えるアナモルフィク結像光学系（スリット領域の長手方向である主走査方向と前記主走査方向に直交する副走査方向とで断面形状が異なる光学素子を備える）について述べたが、本発明はこれに限られない。共軸な光学素子を備えるアナモルフィク結像光学系（スリット領域の長手方向である主走査方向と前記主走査方向に直交する副走査方向とで断面形状が異なる光学素子を備える）であっても良い。また光学素子は複数備わる場合の他、単数備わる場合でも良い。
【００７９】
（変形例２）
なお、原稿のスリット領域を結像する結像面に設けられるイメージセンサとしてリニアイメージセンサを示したが、エリアイメージセンサを用いることもできる。
【符号の説明】
【００８０】
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
４ａ 自由曲面反射部材
４ｂ 光学的位相変換フィルタ
５ 読取手段（リニアイメージセンサ）
７ 原稿
ＳＰ 絞り
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原稿のスリット領域をイメージセンサに結像するために用いられ、前記スリット領域の長手方向である主走査方向と前記主走査方向に直交する副走査方向とで断面形状が異なる光学素子を備える結像光学系と、
前記原稿から前記イメージセンサへの結像光路中に設けられる絞りと、
前記絞りの付近に設けられ、入射する光束の中心の波面の位相を基準とするとき、前記入射する光束の波面の位相を進める進相作用を有する進相領域と、前記入射する光束の波面の位相を遅らせる遅相作用を有する遅相領域とを備える光学的位相変更フィルタと、
を有する画像読取光学系であって、
前記光学的位相変更フィルタは、
前記入射する光束の中心における面法線を含み、かつ前記主走査方向あるいは前記副走査方向を含む所定面に関してのみ、対称な形状の面形状成分を備え、
前記入射する光束の中心における面法線を含み、前記所定面に直交する面に関して一方側を前記進相領域、他方側を前記遅相領域とすることを特徴とする画像読取光学系。
【請求項２】
原稿のスリット領域をイメージセンサに結像するために用いられ、前記スリット領域の長手方向である主走査方向と前記主走査方向に直交する副走査方向とで断面形状が異なる光学素子を備える結像光学系と、
前記原稿から前記イメージセンサへの結像光路中に設けられる絞りと、
前記絞りの付近に設けられ、入射する光束の中心の波面の位相を基準とするとき、前記入射する光束の波面の位相を進める進相作用を有する進相領域と、前記入射する光束の波面の位相を遅らせる遅相作用を有する遅相領域とを備える光学的位相変更フィルタと、
を有する画像読取光学系であって、
前記光学的位相変更フィルタは、
前記入射する光束の中心における面法線を含み、かつ前記入射する光束の中心における面法線を含む複数の対称面に関して、対称な形状の第１の面形状成分と、
前記主走査方向あるいは前記副走査方向を含む所定面に関してのみ、対称な形状の第２の面形状成分と、
を前記光学的位相変更フィルタの単一の面あるいは異なる面に備え、
前記第１の面形状成分、前記第２の面形状成分は、
前記入射する光束の中心における面法線を含み、前記複数の対称面あるいは前記所定面に直交する面に関して一方側を前記進相領域、他方側を前記遅相領域とすることを特徴とする画像読取光学系。
【請求項３】
前記複数の対称面の数は３以上であることを特徴とする請求項２に記載の画像読取光学系。
【請求項４】
前記複数の対称面の数は７以下であることを特徴とする請求項３に記載の画像読取光学系。
【請求項５】
前記第１の面形状成分に関し、
Ｓ（ρ、φ）＝Ａ×Ｑ（ρ）×ｃｏｓ（ｍφ＋α）
ｍ：２以上の整数
ρ：径方向の座標系で半径で正規化した数値 ０≦ρ≦１
Ｑ（ρ）：径方向の形状
φ：回転方向の座標系 ０≦φ≦２π
Ａ：定数
で表せることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の画像読取光学系。
【請求項６】
前記第２の面形状成分に関し、
Ｔ（ρ，φ）＝Ｂ×Ｒ（ρ）×ｃｏｓ（φ＋β）
Ｒ（ρ）：径方向の形状
Ｂ：定数
で表せることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の画像読取光学系。
【請求項７】
径方向の形状として変曲点を備えないことを特徴とする請求項５または６に記載の画像読取光学系。
【請求項８】
前記光学素子は、非共軸な反射面であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の画像読取光学系。
【請求項９】
前記イメージセンサと、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の画像読取光学系と、を有することを特徴とする画像読取装置。
【請求項１】
原稿のスリット領域をイメージセンサに結像するために用いられ、前記スリット領域の長手方向である主走査方向と前記主走査方向に直交する副走査方向とで断面形状が異なる光学素子を備える結像光学系と、
前記原稿から前記イメージセンサへの結像光路中に設けられる絞りと、
前記絞りの付近に設けられ、入射する光束の中心の波面の位相を基準とするとき、前記入射する光束の波面の位相を進める進相作用を有する進相領域と、前記入射する光束の波面の位相を遅らせる遅相作用を有する遅相領域とを備える光学的位相変更フィルタと、
を有する画像読取光学系であって、
前記光学的位相変更フィルタは、
前記入射する光束の中心における面法線を含み、かつ前記主走査方向あるいは前記副走査方向を含む所定面に関してのみ、対称な形状の面形状成分を備え、
前記入射する光束の中心における面法線を含み、前記所定面に直交する面に関して一方側を前記進相領域、他方側を前記遅相領域とすることを特徴とする画像読取光学系。
【請求項２】
原稿のスリット領域をイメージセンサに結像するために用いられ、前記スリット領域の長手方向である主走査方向と前記主走査方向に直交する副走査方向とで断面形状が異なる光学素子を備える結像光学系と、
前記原稿から前記イメージセンサへの結像光路中に設けられる絞りと、
前記絞りの付近に設けられ、入射する光束の中心の波面の位相を基準とするとき、前記入射する光束の波面の位相を進める進相作用を有する進相領域と、前記入射する光束の波面の位相を遅らせる遅相作用を有する遅相領域とを備える光学的位相変更フィルタと、
を有する画像読取光学系であって、
前記光学的位相変更フィルタは、
前記入射する光束の中心における面法線を含み、かつ前記入射する光束の中心における面法線を含む複数の対称面に関して、対称な形状の第１の面形状成分と、
前記主走査方向あるいは前記副走査方向を含む所定面に関してのみ、対称な形状の第２の面形状成分と、
を前記光学的位相変更フィルタの単一の面あるいは異なる面に備え、
前記第１の面形状成分、前記第２の面形状成分は、
前記入射する光束の中心における面法線を含み、前記複数の対称面あるいは前記所定面に直交する面に関して一方側を前記進相領域、他方側を前記遅相領域とすることを特徴とする画像読取光学系。
【請求項３】
前記複数の対称面の数は３以上であることを特徴とする請求項２に記載の画像読取光学系。
【請求項４】
前記複数の対称面の数は７以下であることを特徴とする請求項３に記載の画像読取光学系。
【請求項５】
前記第１の面形状成分に関し、
Ｓ（ρ、φ）＝Ａ×Ｑ（ρ）×ｃｏｓ（ｍφ＋α）
ｍ：２以上の整数
ρ：径方向の座標系で半径で正規化した数値 ０≦ρ≦１
Ｑ（ρ）：径方向の形状
φ：回転方向の座標系 ０≦φ≦２π
Ａ：定数
で表せることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の画像読取光学系。
【請求項６】
前記第２の面形状成分に関し、
Ｔ（ρ，φ）＝Ｂ×Ｒ（ρ）×ｃｏｓ（φ＋β）
Ｒ（ρ）：径方向の形状
Ｂ：定数
で表せることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の画像読取光学系。
【請求項７】
径方向の形状として変曲点を備えないことを特徴とする請求項５または６に記載の画像読取光学系。
【請求項８】
前記光学素子は、非共軸な反射面であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の画像読取光学系。
【請求項９】
前記イメージセンサと、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の画像読取光学系と、を有することを特徴とする画像読取装置。
【図１】
【図２】
【図４】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図３】
【図５】
【図８】
【図１０】
【図１３】
【図１５】
【図２３】
【図２】
【図４】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図３】
【図５】
【図８】
【図１０】
【図１３】
【図１５】
【図２３】
【公開番号】特開２０１３−１０９３３１（Ｐ２０１３−１０９３３１Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２３１１４２（Ｐ２０１２−２３１１４２）
【出願日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]