棒状透镜阵列以及使用了棒状透镜阵列的等倍成像光学装置

摘要

提供一种即使在产生了组装误差或随时间发生的变化的情况下也能将光量斑抑制到最低限度的棒状透镜阵列以及等倍成像光学装置。棒状透镜阵列的特征在于：在将R和r0的关系设为R≧r0≧0.8R，并将所述棒状透镜的折射率分布近似为n(r)2=n02{1-(g·r)2}时，用m=X0/2R定义的重叠度m在2.55以上4以下，用n0·g·r0表示的棒状透镜的开口角在0.1以上不到0.22。另外，r是自光轴的距离，n(r)表示自光轴的距离r的位置处的折射率，n0表示棒状透镜的中心折射率，g表示折射率分布常数，X0表示视野半径且X0=-r0cos(Z0π/P)，r0表示棒状透镜的有效半径，Z0表示棒状透镜的长度，P表示棒状透镜的周期长度且P=2π/g。

说明书

技术领域

本发明涉及棒状透镜阵列以及使用了棒状透镜阵列的等倍成像光学装置，尤其涉及在 图像读取装置中读取图像时使用的棒状透镜阵列以及使用了棒状透镜阵列的等倍成像光 学装置。

背景技术

以往，在扫描器、传真装置那样的图像读取装置中，大多使用将来自光源的光照射于 读取原稿，通过棒状透镜阵列用CCD传感器对该反射光进行受光的技术。

近来，希望提高图像读取装置的原稿读取精度，作为用于实现这一点的一种手段，可 以提高棒状透镜阵列的分辨率（MTF：调制传递函数）。又，由于棒状透镜阵列的读取精度 取决于由排列了的多个棒状透镜传达的像的重叠度（m值）以及光量斑，因此通过适当地 设定这些值来提高棒状透镜阵列的读取精度的技术为人们所知（例如，专利文献1）。

现有技术文献

专利文献

专利文献1日本特开平11-64605号公报

发明内容

发明要解决的课题

在专利文献1中，由于重叠度m超过2.5时像的亮度就会减小，因此记载有通过将棒 状透镜的重叠度设定为1.61～1.80或2.06～2.50来抑制光量斑的方法。

但是，即使将重叠度设定在专利文献1中记载的范围内，也无法充分抑制光量斑，实 际上，为了防止由光量斑导致的图像劣化，需要进行电气的光量校正或校正传感器灵敏度 的阴影校正，以使得图像整体的亮度均匀。特别是，在组装传真、复印机、打印机、扫描 器等光学设备时，在原稿面和棒状透镜阵列端面之间，或者传感面和棒状透镜阵列端面之 间会产生组装误差。又，棒状透镜的性能随时间变化或者容易受到环境的影响。进一步地， 像在使用了棒状透镜阵列的精密光学构件因输送时的振动而导致外罩发生微小变形那样 的情况下，性能也会发生变化。

因此，即便在制造棒状透镜阵列之前暂且对光量斑进行校正，在复印机、打印机、扫 描器等光学设备的组装现场也需要再次进行校正。

因此，本发明是为了解决上述问题而做出的，其目的在于，提供一种棒状透镜阵列以 及使用了这种棒状透镜阵列的等倍成像光学装置，即便在产生了组装误差、时效变化的情 况下，也能够将光量斑抑制到最低限度。

用于解决课题的手段

根据发明人等的实验可知，通过将棒状透镜的重叠度m设为2.55以上4以下，将用 n₀·g·r₀表示的棒状透镜的开口角设为0.1以上不到0.22，可以增大重叠度，并在抑制光 量斑的同时提高分辨率。

因此，为了解决上述课题，本发明涉及的棒状透镜阵列是一种由具有在半径方向上的 折射率分布的多个棒状透镜光轴相互平行地以规定的排列间距排列而成的棒状透镜阵列， 其特征在于，光量斑ΔE在10％以下，使用空间频率为6线耦／mm的格子图案测定的分辨 率MTF在85％以上。

又，本发明涉及的棒状透镜阵列是一种由具有在半径方向上的折射率分布的多个棒状 透镜光轴相互平行地以2R的间距排列为一列而构成的棒状透镜阵列，其特征在于，在将R 和r₀的关系设为R≧r₀≧0.8R，并将所述棒状透镜的折射率分布近似为n(r)²=n₀²{1-(g·r)²} 时，用m=X₀/2R定义的重叠度m在2.55以上4以下，用n₀·g·r₀表示的棒状透镜的开口 角在0.1以上不到0.22。其中，r是距光轴的距离，n(r)表示距光轴的距离为r的位置处 的折射率，n₀表示棒状透镜的中心折射率，g表示折射率分布常数，X₀表示视野半径且 X₀=-r₀cos(Z₀π/P)，r₀表示棒状透镜的有效半径，Z₀表示棒状透镜的长度，P表示棒状透镜 的周期长度且P=2π/g。

以往，被指出存在重叠度m超过2.5的话，像的亮度就会下降且分辨率会降低等问题， 但是对于本发明涉及的棒状透镜阵列，通过将开口角较小地设计为0.1以上不到0.22，就 抑制了包裹光的像的变暗。本发明的发明者进一步发现，通过使用上述那样的开口角的棒 状透镜，将重叠度设定为2.55以上4以下，可以提供光量斑非常小的高分辨率棒状透镜阵 列。

本发明的一个实施形态的特征在于，在令所述棒状透镜的动作距离为L₀、令所述棒状 透镜的长度为Z₀时，Z₀在4mm以上，动作距离L₀在Z₀的1.1倍以上2倍以下。

本发明的另一个实施形态的特征在于，用X₀=-r₀cos(Z₀π/P)表示的所述棒状透镜的视 野半径X₀和所述动作距离L₀的关系满足：4.5≦L₀/X₀≦5.1。另外，g表示折射率分布常数， r₀表示棒状透镜的有效半径，P表示棒状透镜的周期长度且P=2π/g。

由于本发明的棒状透镜阵列的开口角较小，视野半径较窄，因此为了增大重叠度m， 优选为将透镜长度Z₀、操作距离L₀延长。通过采用上述那样的范围，光量斑较小的高分辨 率棒状透镜的光学设计就变得容易。

本发明的另一个实施形态的特征在于，将所述棒状透镜重叠排列2列以上。

在本发明的另一实施形态中，提供一种等倍成像光学装置，具有：上述的棒状透镜阵 列；和朝着该棒状透镜阵列的一个端面配置的传感器。

又，本发明提供一种上述的棒状透镜阵列的制造方法，其特征在于，具有：准备所述 棒状透镜排列在2张基板之间而成的透镜阵列前驱体的工序；和加工所述棒状透镜阵列以 缩短沿所述棒状透镜的光轴方向的长度从而得到棒状透镜阵列的工序，所述透镜阵列前驱 体的重叠度m比所述棒状透镜阵列的重叠度要小。

本发明的棒状透镜阵列的一个实施形态的特征在于，所述透镜阵列的前驱体的重叠度 mm在2.55以下。

发明效果

根据这样构成的本发明，即便在产生了组装误差、时效变化的情况下，也能够将光量 斑抑制到最低限度。

附图说明

图1是示出本发明的实施形态的等倍成像光学装置的示意图。

图2是示出本发明的实施形态的等倍成像光学装置的棒状透镜阵列的示意图。

图3是示出重叠度m和光量斑ΔE的关系的图表。

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的实施形态的棒状透镜阵列以及等倍成像光学装置进行说 明。

首先，如图1所示，等倍成像光学装置1具有：多个圆柱形状的棒状透镜3平行排列 而成的棒状透镜阵列5；向着棒状透镜阵列5的一个端面配置的CCD传感器7；和向着作 为读取对象物的原稿的读取面9发光的光源11。棒状透镜阵列5接收从光源11照射并被 读取面9反射了的光，将其传送至CCD传感器7。

棒状透镜阵列5是将多个这种棒状透镜3平行地排列成一列或多列而形成的。并且， 棒状透镜3从一个端面接收来自读取面9的反射光，并在向着另一个端面配置的CCD传感 器7上成像。并且，CCD传感器7接收受光了的反射光，并将其转换为数字信号提供给CPU 等信息处理部。

在本发明中使用的棒状透镜的种类不受限制，可以使用塑料制的棒状透镜，也可以使 用玻璃制的棒状透镜。棒状透镜3优选为，使用从其圆形截面的中心向外周部折射率连续 降低的折射率分布（GI）型的棒状透镜。

作为构成棒状透镜3的塑料材料，优选为玻璃化转变温度Tg在60℃以上的材料。玻 璃化转变温度过低的话，则担心棒状透镜阵列的耐热性不充分，另外，填充于内部的粘着 剂的选择也会变得困难。

更详细来说，作为构成棒状透镜3的塑料材料，使用有聚甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯 酸甲酯和其他单体的共聚物等。作为其他单体，列举有：2,2,3,3-四氟丙基（甲基）丙烯 酸酯、2,2,3,3,4,4,5,5-（甲基）丙烯酸八氟戊酯、2,2,3,4,4,4-（甲基）丙烯酸酯六氟 丁酯、2,2,2-三氟乙基（甲基）丙烯酸酯等氟代烷基（甲基）丙烯酸（折射率n=1.37～1.44）， 折射,1.43～1.62的（甲基）丙烯酸酯类例如有：（甲基）丙烯酸乙酯、苯基（甲基）丙烯 酸酯、（甲基）丙烯酸苄基酯、（甲基）丙烯酸羟烷基酯、亚烷基二醇（甲基）丙烯酸酯、 二-三羟甲基丙烷或三-（甲基）丙烯酸酯、二-季戊四醇、三或四（甲基）丙烯酸、二甘 油四（甲基）丙烯酸酯、二季戊四醇六（甲基）丙烯酸酯，另外，还列举有二甘醇双（碳 酸烯丙酯）、氟化聚亚烷基二醇（甲基）丙烯酸酯等。

在本发明中使用的塑料棒状透镜可以按照日本专利第4087503号、国际公开第 2007/011013号等记载的那样用众所周知的方法进行制造。又，在本发明中使用的棒状透 镜3的大小不受限制，可以根据使用目的进行适当选择。例如，棒状透镜3的直径优选为 0.01mm～2mm，更优选为0.05mm～1.5mm，进一步优选为0.1mm～1mm。

图2是示出棒状透镜的光学特性的图，图3是示出重叠度m和光量斑ΔE的关系的图 表。

如图2所示，构成棒状透镜阵列5的各个棒状透镜3被配置为，相当于彼此的光轴的 中心轴为平行。各棒状透镜3的中心折射率为n₀，具有以其为中心的半径方向的折射率分 布，此时将示出棒状透镜的折射率分布的折射率分布常数设为g，则棒状透镜的开口角α 就用下面的数学式1表示。

α=n₀·g·r₀[rad]  （数学式1）

又，在将各棒状透镜3的光轴之间的间距设为2R的情况下，棒状透镜3的间距和棒 状透镜3的有效半径r₀的关系用下面的数学式2表示。

R≧r₀≥0.8R  （数学式2）

在用下面的数学式3近似棒状透镜的折射率分布时，棒状透镜的重叠度m用下面的数 学式4表示。

n(r)²=n₀²{1-(g·r)²}（数学式3）

m=X₀/2R  （数学式4）

在数学式4中，X₀表示棒状透镜3的视野半径，由下面的数学式5决定。

X₀=-r₀cos(Z₀π/P)  （数学式5）

在数学式5中的值Z₀表示折射率分布型透镜的长度，值P表示棒状透镜3的周期长度， 由下面的数学式6决定。

P=2π/g  （数学式6）

用数学式5表示的棒状透镜3的视野半径X₀对图2所示那样的凸透镜形状进行描绘， 通过将棒状透镜3平行排列，邻接的棒状透镜3彼此的视野半径X₀相互重叠。因此，通过 扩展视野半径X₀，用视野半径X₀描绘的区域的前端部就接近直线，用下面的数学式7表示 的光量斑ΔE的振幅就会变小（参照图3）。

ΔE=(i_max-i_min)/i_min×100  （数学式7）

在此，值i_max表示光量的最大值，值i_min表示光量的最小值。

光量的测量方法没有特别限定，例如有如下方法：使来自光源的光（波长525nm）通 过具有空间频率为6线耦／mm（LP／mm）的记录纸入射到研磨了垂直于光轴的两端面的棒 状透镜阵列，利用设置在成像面的CCD线传感器读取图像，测定该测量光量的最大值（i_max） 和最小值（i_min）。

在此，作为一种调整棒状透镜阵列的重叠度的方法，可以列举增大棒状透镜的开口角 α，提高重叠度m的方法。但是，用这种方法提高重叠度的话，虽然能减小光量斑ΔE， 但是存在MTF大幅度降低的问题。因此，人们考虑到一般性地提高重叠度m的话，虽然棒 状透镜阵列的光量斑ΔE会接近极小值，但另一方面，分辨率MTF会降低。

但是，本发明的发明者等首次发现，通过将棒状透镜3的开口角设定在特定的范围内， 即使将棒状透镜3的重叠度m设定得比现有技术的界限2.5要大，也能够抑制分辨率MTF 的下降。更具体来说，本发明的发明者发现：通过将棒状透镜3的开口角设定在0.1以上 不到0.22的范围内，将棒状透镜阵列的重叠度设定为2.55以上不到4的范围内，可以将 ΔE降到10%以下，并且可以使用空间频率为6线耦／mm的格子图案测定的MTF的值上升 到85%以上，从而完成本发明。

作为提高重叠度m的方法，以往一般为增大棒状透镜的开口角。这是因为增大开口角 的话，就能缩短棒状透镜的成像距离（动作距离L₀），因而能够不改变和其他棒状透镜阵 列的成像距离地制造多种重叠度m不同的棒状透镜阵列。但是，用这种方法的话重叠度m 会超过2.5的范围，分辨率的下降显著，对于能得到实用性的分辨率的棒状透镜阵列，考 虑重叠度m的上限为2.5左右。

另一方面，本发明的发明者们发现，通过将开口角设定在0.1以上不到0.22的范围 内，同时延长Z₀以及L₀，能够使得重叠度m变为比被认为是现有的界限的值更大的2.55， 减小光量斑，并制造高分辨率的棒状透镜。又，本发明的发明者们发现，即使将重叠度m 设定为4以上，光量斑也几乎不会下降，但是分辨率的下降很显著。因此，在本发明中， 优选为将棒状透镜阵列的重叠度m设定为4以下。在本发明中，Z₀优选为4mm以上，成像 距离（动作距离）L₀优选为Z₀的1.1倍以上。通过将Z₀设定为4mm以上，将L₀设定为Z₀的1.1倍以上，即使对于开口角在较小范围的透镜，也能使视野半径较大，增大重叠度m。 又，由此，能够提供光量斑较小，且高分辨率的棒状透镜阵列。

又，将视野半径X₀设定得比L₀大的话，则光量斑会变小到一定程度，但是超过一定的 值之后光量斑就不怎么减少了。并且，超过一定值的话，分辨率的下降也非常严重。因此， 视野半径X₀和L₀优选为满足下面的数学式7。

4.5≤L₀/X₀≤5.1（数学式7）

L₀／X₀的值低于4.5的话，光量斑就有增大的倾向，该值超过5.1的话分辨率就有降 低的倾向。

在本发明中，将开口角设定在上述范围内的方法不被特别限定，本领域的技术人员可 以进行适当的选择。例如，可以通过变更（调整）各参数：透镜中心材料的折射率n₀、相 对于半径r的折射率的梯度（折射率分布g）、棒状透镜的有效半径r₀，从而进行自由地设 定。又，通过调整折射率分布型透镜的长度Z₀，可以自由地设定开口角。又，通过调整Z₀， 也能够设定重叠度。由于调整Z₀的方法很简便，因此尤其优选为该情况。

作为调整Z₀制造本发明的棒状透镜3排列而成的棒状透镜阵列的方法，优选为：制造 棒状透镜阵列，通过切削或研磨该端面将Z₀调整得较短，使重叠度m大于2.55。如数学式 5规定的那样，缩短Z₀的话，则视野半径X₀就变大。只要视野半径X₀增大，就能更简便地 增大重叠度m。

对于重叠度m大于2.55的棒状透镜阵列的制造，与重叠度m低于2.55的棒状透镜阵 列相比，需要更严密地控制Z₀。在上述方法中，例如，先制造重叠度m低于2.55的棒状 透镜阵列，这之后通过将Z₀调整得较短，可以将重叠度m调整得大于2.55，由此能够更简 便地制造各种光学设计具有所希望的值的棒状透镜阵列。

如上所述，本发明中的棒状透镜3的重叠度m被设定为大于2.5，并且开口角被设定 在0.1以上不到0.22的范围内。由此，能够增大棒状透镜3的重叠度m并抑制光量斑ΔE， 其结果是，能够在抑制棒状透镜3的光量斑的同时提高分辨率MTF。

[实施例]

下面对本发明的实施例以及比较例进行详述。在本说明书中，对实施例与比较例，分 别使用表1中记载的棒状透镜，并使重叠度m的值变化。

表1集中示出了：实施例、比较例中的光轴上（棒状透镜的中心）的折射率n₀、有效 半径r₀、折射率分布常数g、开口角n₀·g·r₀、透镜的长度Z₀、透镜间距2R、动作距离 L₀、视野半径X₀的各值。另外，在实施例1～3中，在长度方向切削三菱丽阳制造的棒状透 镜阵列RA84T-P11（Z₀=4.4mm），变为Z₀=4.13（实施例1）、Z₀=4.07（实施例2）、Z₀=4.03 （实施例3）。又，重叠度根据上述数学式5求得。又，光量斑是通过在棒状透镜阵列的一 个端面放置扩散板，在另一个端面配置CCD线传感器并测量光量输出强度数据，并由该测 量结果算出的。

作为读取对象，使用空间频率为6线耦／mm（300dpi）的格子图案，对该格子图案照 射波长为525nm的光。然后使来自格子图案的反射光入射至棒状透镜阵列，在CCD线传感 器上成像。并在此时测量格子图像的成像图像的光量最大值（i_max）与最小值（i_min），根据 数学式8算出分辨率MTF。

MTF(％)={(i_max-i_min)/(i_max+i_min)}×100  （数学式8）

在下面的表1中示出了实施例的测量条件以及测量结果。

[表1]

由表1可知，在实施例中，由于将棒状透镜的开口角设定在0.1以上不到0.22的范 围内，因此虽然提高了重叠度m，但光量斑却减小，并且分辨率MTF维持在较高的值。

在比较例1～10中，除了使用了表2记载的棒状透镜阵列以外，与实施例1一样求得 了各种测量值等。

比较例的测量条件以及测量结果在下面的表2中示出。

[表2]

另一方面，由表2可知，在比较例1～3中，由于将棒状透镜的开口角设定在0.22以 上（偏离了范围），因此随着重叠度m的提高，分辨率MTF大幅度下降。又，由比较例4～ 11可以清楚地知道，重叠度m在2.55以下的区域时，随着光量斑增大或重叠度m增大， 分辨率会降低。

符号说明

1 等倍成像光学装置

3 棒状透镜

5 棒状透镜阵列

7 CCD传感器。