JP4787079B2 - 原稿読取装置、およびそれを用いた画像形成装置 - Google Patents
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Description
同図において符号1はコンタクトガラス、2は原稿、3は第1走行体、4は第2走行体、5は縮小結像レンズ、6はラインセンサ、7は照明系、Lmaxは最大読み取りサイズをそれぞれ示す。
ファクシミリやデジタル複写機の原稿読み取り部の画像読取装置は、照明系で照明された原稿の反射光を結像光学系により、光電変換を行うラインセンサ上に結像させて画像情報を信号化する。
このような画像読取装置において、ミラー3枚と縮小結像レンズを有する光学系が用いられる。該光学系は、原稿を走査して原稿情報全体を読取るために、第1ミラーと照明系を有する第1走行体と、第2、第3ミラーを有する第2走行体を2:1の速度で走査させる光学系がある。同図を用いて該光学系の概念を説明する。
原稿2は、コンタクトガラス1の上に配置され、コンタクトガラス1の下部に配置された照明光学系7により、原稿2が照明される。原稿2の照明光は、第1走行体3の第1ミラー3aにより反射され、その後、第2走行体4の第1ミラー4aと第2ミラー4bで反射され、縮小結像レンズ5へ導かれ、結像レンズ5によりラインセンサ6上に結像される。原稿2の長手方向を読み取る場合は、第1走行体3が照明系7と一体となりVの速度で符号3’で示す位置迄最大読取サイズLmaxだけ移動し、それと同時に第2走行体4、第1走行体3の半分の速度V/2で、符号4’で示す位置迄最大読取サイズLmaxの半分だけ移動し、原稿全体を読み取る。
上記のような光学系において反射ミラーが曲面となると、同図に示すように、凸形状の場合は光線を発散させる負のパワーを有し、逆に凹形状となると光線を収束させる正のパワーを有する。
アナログ複写機用光学系において使用した場合、「光学系では倍率変化、各像高における光路長変化による解像力劣化などの影響」があるため、特にV型配置された2枚の板ガラスの各反射面を異なるパワーとなるように組み合わせることが開示されている(例えば、特許文献1 参照。)。近年複写機は原稿像を光学系により直接感光体面上に投影し原稿像を複写するアナログ複写機から、読取光学系により原稿像を光学系により例えばCCDなどの光電変換素子に結像させ、原稿情報を電気信号に変化して、その信号を基に書き込み光学系により感光体面上に原稿情報を書き込む所謂デジタル複写機に主流が移っている。デジタル複写機に用いられる読取光学系の場合、光学系の倍率が0.2倍程度から0.1倍程度となるため、従来のアナログ複写機用の等倍で使用される光学系に対して、像面の深度幅が非常に狭くなってしまう。このため、デジタル複写機に用いられる読取光学系の場合、ミラーが曲面となったりすると、ミラー間の位置やミラーとレンズの位置が変化することにより、ミラーとレンズの合成焦点距離が変動するためピントずれが大幅な性能劣化の原因となる。特許文献1記載の発明では、アナログ複写機用光学系であるため、このミラーとレンズの位置変化により発生するピントずれに対応できないと言う問題点がある。
また、本発明の他の目的として、光学系に用いる結像レンズおよびミラーを、化学的に安定で鉛や砒素等の有害物質を含まない光学ガラスで構成することにより、材料のリサイクル化が可能で、加工時の廃液による水質汚染が無い、地球環境を考慮した画像読取装置の提供を目的とする。
そして、第2ミラーと第3ミラーの反射面の曲率半径は、第1走行体と第2走行体が移動しても、前記結像レンズから結像面までの距離の変化量が実使用可能な範囲となる条件を満足する。
|1/R2+1/R3|≦0.002/Lmax (1)
を満足することである。
また、R2、R3は、式:
R2>>D3、R3>>D3 (2)
|R2|≠|R3|またはR2・R3>0 (3)
を満足する。
式(3)の意味は、曲率半径に符号を考えたとき、その絶対値が異なる場合と、符号が同一である場合とである。「曲率半径の符号が互いに等しい場合」にはR2=R3であることができる。R2とR3の絶対値が異なる場合は、R2とR3の符号は「同一でも互いに逆」でも良い。
請求項3記載の発明では、請求項1または2記載の画像読取装置において、第2ミラーと第3ミラーの曲率半径の極性が互いに逆であることを特徴とする。
請求項4に記載の発明では、請求項1ないし3の何れか1に記載の画像読取装置において、前記各ミラーに防振用の部材が貼付されている場合は、前記ミラーの曲率半径は、防振部材貼付後の状態で定義することを特徴とする。
請求項6記載の発明では、請求項1ないし5の何れか1に記載の画像読取装置において、原稿面から結像面までの光学系の任意の光路中に色分解機能を有し原稿情報をフルカラーで読み取ることを特徴とする。
このピント移動を小さく抑えるために、前記3枚のミラー相互の曲率半径を組合せ、ピント変動しないようにする。
以下1つの実施例として、具体的な数値例をもって説明する。
使用する結像レンズ5の仕様は、次のとおりである。
焦点距離(fL)=90.27
縮率(m)=0.23622
結像レンズ5の構成データを含む光学素子の諸元を表1に示す。
同図において、符号Dは走行体の走行方向および、それに直交する方向に見た距離(単位:mm)を示す。
D1はコンタクトガラス〜第1ミラーまでの距離
D2は第1ミラー〜第2ミラーまでの距離
D3は第2ミラー〜第3ミラーまでの距離
D4は第3ミラー〜結像レンズまでの距離
D5は結像レンズ〜CCDカバーガラスまでの距離
尚、「像距離」は、上記D5とCCDカバーガラスの厚みおよびCCDカバーガラスからCCD受光面までの距離の総和である。
また、屈折率は、e線(546.07nm)の値である。
それぞれの数値例を表2に示す。
第2走行体4にある第2、第3ミラーの少なくとも一方が曲面になった場合、ミラーから結像レンズ5までの距離が走行体の移動に伴って変化するので、結像レンズ5から見た物体距離が変化することになり、結像レンズ5から結像位置までの距離(像距離)が変化することになる。
ミラーの焦点距離fMは、ミラーの曲率半径をRMとした場合、fM=RM/2で求められる。RMは反射面が凹の場合を正の値とし、凸の場合を負の値とする。したがって、凸面と凹面では曲率半径、および焦点距離の極性が互いに逆になる。
一般的にスキャナ光学系に使用されるミラーの曲率半径は、200mより大きい高精度なミラーが使用されている。このため、ミラーの焦点距離は100mより大きくなるので、ミラー同士の距離の変化によるピント移動は小さくなる。
ここで、第2ミラー4aの曲率半径をR2、第3ミラー4bのそれをR3としたとき、それぞれの焦点距離をfであらわすと、f2=R2/2、f3=R3/2となる。両ミラーの間隔は図4により、D3である。これらの条件を用いて2枚のミラーの合成焦点距離FMを求めると、レンズの公式により
1/FM=1/f2+1/f3−D3/(f2×f3) (A)
が得られる。焦点距離の逆数が大きいほど屈折力が大きいので、焦点距離の逆数のことをパワーと呼んでいる。
1/FM=1/f2+1/f3
と置き直すことができる。
次に、この2枚のミラー系を1つのレンズと見なして、結像レンズf0との合成焦点距離Fを求める。両者の間隔をD4とすれば、上記と同じ公式を用い、
1/F=1/FM+1/f0−D4/(FM×f0)
が得られる。
ここで、D4は第2走行体の移動距離分ΔD4(実施例では0.21m)だけ変化する値である。したがって、ホーム側におけるパワーと、リターン側におけるそれとの差ΔPは
ΔP=ΔD4/(FM×f0)=ΔD4×(1/f2+1/f3)/f0
となる。これに曲率半径を代入して整理すると、
ΔP=2×(ΔD4/f0)×(1/R2+1/R3) (B)
A3版の原稿サイズを読取る画像形成装置においては、第2走行体4の移動距離ΔD4はA3版の長手方向(420mm)の半分の210mm(0.21m)移動する必要がある。第2走行体4が移動したとき、結像レンズ5に接触しないようにするため、結像レンズ5の前側主点から物体面までの距離を或る程度確保しておく必要がある。結像レンズ5の前側主点と物体面までの距離Sは結像レンズの焦点距離f0、縮率mを用い、次の式で求められる。
S=(1+1/m)×f0
縮率mは、読取密度、と撮像素子のピッチから一義的に求められる。
例えば、読取密度が600dpiで撮像素子のピッチが10μmの場合は、縮率が0.23622となり、撮像素子のピッチが4.7μmとなった場合は、縮率が0.11102となる。結像レンズの前側主点から物体面までの距離は、撮像素子のピッチに関係なしに確保しなければならず、結像レンズの前側主点から物体面までの距離を430mmとした場合、結像レンズの焦点距離は、約0.082m(10μm対応)から0.043m(4.7μm対応)となる。
ΔPは5.122×(1/R2+1/R3)〜9.767×(1/R2+1/R3)
となる。
ΔPの値は、結像レンズのパワーに対する変化量であるため、結像レンズのパワーに対する係数に変換する。すなわち、(1/R2+1/R3)の係数(5.12および、9.77)を結像レンズのパワー1/f0で割った値を求める。これは、(B)式にf0を掛けることと同じであるから、2×ΔD4=0.42を係数として以下のように、結像レンズに依存しないパワー変動量ΔPgとして1つの式に書き換えられる。
ΔPg=2×ΔD4×(1/R2+1/R3)=0.420×(1/R2+1/R3)
(C)
この係数は、第2走行体の移動距離の2倍であり、副走査距離そのものである。したがって、ΔPgは最大読取サイズLmax(第1走行体3の走査距離)に依存する量になる。A3版の場合はLmax=0.42(m)である。
|1/R2+1/R3|≦0.002/0.420=0.00476
数値を丸めて、
|1/R2+1/R3|≦0.005 (D)
最大読取サイズLmaxを用いた式で表すと、
|1/R2+1/R3|≦0.002/Lmax (1)
ちなみに、最大読取サイズがA2版の場合、Lmax=0.594(m)であるから、
|1/R2+1/R3|≦0.0034
となる。
以下の説明ではパワーの正負の符号は関係なくなるので、絶対値表示で取り扱うことにする。
上記構成データと各ミラーの位置において、第1、第2、および第3ミラーに曲率半径があったとしたときの像距離の変化を表3、および表4に示す。表中のミラー半径は符号+が凹面、符号−が凸面を表している。
表中の像距離の変化は光線追跡によって得た値である。この表からパワーの変動要因である|1/R2+1/R3|の値と像距離の変化の関係を求める。
なお、下記実施例は、LmaxをA3原稿に対応した0.42(m)とした場合の数値例を示す。
表3の組み合せ1〜8にあるように、第2ミラーと第3ミラーの曲面の向きが同一(共に凸面または凹面)の場合、ピント移動量が0.05mm以下となるときの上記変動要因の値は0.005程度(約0.002/Lmaxに対応)である。この時、第2ミラーと第3ミラーの曲率半径は同一である必要はなく、組合せ6〜8に示すように異なる曲率半径で良い。
この計算結果から上記変動要因に対して、(1)式の条件を与えるとピント移動量に関して所望の結果が得られる(実使用可能なピントが得られる)ことが確認できた。
(1)式は実施例から導き出したものであるが、同式はパワーで表現されているので、実際は使用されるレンズの仕様(焦点距離等)や、ミラーの具体的配置から切り離されている。したがって、(1)式は第2走行体の移動距離以外は実施例に限定されないで、ピント移動が実使用範囲に収まるための条件式であると言える。
この結果、表3の結果を見ても明らかなように、第2ミラーと第3ミラーの組合せの自由度が拡大すると共に、第2ミラーと第3ミラーが異符号で同一の曲率半径とした場合、移動量をほぼゼロにすることが可能となるが、R=100mや150mといった比較的精度の悪いミラーでも、組み合わせ方により、実使用可能なレベルのピント移動とすることが出来る。
色分解は、結像レンズとCCDの間に色分解プリズムや、フィルタを選択的に挿入しR、G、Bに色分解する方法や、例えばR、G、B光源を順次点灯させ原稿を照明する方法、または、同図に示すように、R、G、Bのフィルタを持った受光素子が1チップに3列に配列されている、所謂3ラインCCDを用い、この受光面にカラー画像を結像させることにより3原色に色分解する方法など、どのような方式でも良い。
同図において符号100はレーザプリンタ、111は潜像担持体、112は帯電ローラ、113は現像装置、114は転写ローラ、115はクリーニング装置、116は定着装置、117は光走査装置、118はカセット、119はレジストローラ対、120は給紙コロ、121は搬送路、122は排紙ローラ対、123はトレイ、Pは記録媒体としての転写紙を示している。
レーザプリンタ100は、潜像担持体111として「円筒状に形成された光導電性の感光体」を有している。潜像担持体111の周囲には、帯電手段としての帯電ローラ112、現像装置113、転写ローラ114、クリーニング装置115が配備されている。帯電手段としては「コロナチャージャ」を用いることもできる。更に、レーザビームLBにより光走査を行う光走査装置117が設けられ、帯電ローラ112と現像装置113との間で「光書込による露光」を行うようになっている。
この静電潜像は現像装置113により反転現像され、像担持体111上にトナー画像が形成される。
潜像担持体111に光走査により潜像を形成し、上記潜像を可視化して所望の記録画像を得る画像形成装置において、潜像担持体111を光走査する光走査装置として、本発明の光走査装置を用いるものであり、潜像担持体111は光導電性の感光体であり、その均一帯電と光走査とにより静電潜像が形成され、形成された静電潜像がトナー画像として可視化される。
2 原稿
3 第1走行体
4 第2走行体
5 縮小結像レンズ
6 ラインセンサ
7 照明系
Claims (7)
- 原稿の1方向を線状に照明する照明装置と、
該照明装置によって照明された原稿からの反射光を反射させる第1ミラーと、
第1ミラーと前記照明装置とを搭載し、前記原稿の他方向に速度Vで移動走査する第1走行体と、
第1ミラーによって反射された前記反射光を所定方向に反射させる第2ミラーと、
第2ミラーで反射された反射光を前記移動走査方向に平行に反射させる第3ミラーと、
第2ミラーおよび第3ミラーを搭載して前記移動走査方向と同方向かつ平行に速度V/2で移動する第2走行体と、
前記反射光を受けて縮小結像させる結像レンズと、
縮小結像された原稿像を光電変換するラインセンサを有する画像読取装置において、
前記原稿の最大読取サイズをLmaxとし、第2ミラーの曲率半径をR2(m)、第3ミラーの曲率半径をR3(m)とし、第2ミラーと第3ミラーの光路上の間隔をD3とするとき、上記Lmax、R2、R3、D3が、条件:
(1) |1/R2+1/R3|≦0.002/Lmax
(2) R2>>D3、R3>>D3
(3) |R2|≠|R3|またはR2・R3>0
を満足することを特徴とする画像読取装置。 - 請求項1記載の画像読取装置において、
前記各ミラーの曲率半径は、ミラー長手方向において、長さの1/5以上の範囲の曲率半径で定義することを特徴とする画像読取装置。 - 請求項1または2記載の画像読取装置において、
第2ミラーと第3ミラーの曲率半径の極性が互いに逆であることを特徴とする画像読取装置。 - 請求項1ないし3のいずれか1つに記載の画像読取装置において、
前記各ミラーに防振用の部材が貼付されている場合は、前記ミラーの曲率半径は、防振部材貼付後の状態で定義することを特徴とする画像読取装置。 - 請求項1ないし4のいずれか1つに記載の画像読取装置において、
前記結像レンズおよび各ミラーはガラス製であり、そのガラス材料は鉛、ヒ素などの有害物質を含有していないことを特徴とする画像読取装置。 - 請求項1ないし5のいずれか1つに記載の画像読取装置において、
原稿面から結像面までの光学系の任意の光路中に色分解機能を有し原稿情報をフルカラーで読みとることを特徴とする画像読取装置。 - 請求項1ないし6のいずれか1つに記載の画像読取装置を具備したことを特徴とする画像形成装置。
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