JP2002156580A

JP2002156580A - 結像素子及び画像読取装置

Info

Publication number: JP2002156580A
Application number: JP2001256045A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Shimomura; 秀和下村
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-09-05
Filing date: 2001-08-27
Publication date: 2002-05-31
Also published as: US20020044357A1; US6693744B2

Abstract

(57)【要約】【課題】回折効率の波長特性及び画角特性を良好とす
ることができる結像素子及び画像読取装置を得ること。【解決手段】軸外光束が入射する回折光学素子と、絞
りと、を有する結像素子において、前記結像素子は、前
記絞りより前記回折光学素子から離れた位置に制限部材
を備え、該回折光学素子に入射する軸外光束のうち、該
回折光学素子の格子面に入射する該光束の主光線の入射
角度に対して、該光束の主光線の入射角度より入射角度
が大きくなる側の一部の光束を該制限部材により遮光し
たこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画角の付いた軸外
光束が回折光学素子に入射する結像素子に関し、特に使
用波長領域の光束が特定次数（設計次数）に集中し、使
用波長領域で高い回折効率が得られる写真用カメラ、ビ
デオカメラ、双眼鏡、プロジェクター、望遠鏡、顕微
鏡、複写機等の各種の光学系に好適なものである。

【０００２】更に、回折光学素子を有する結像素子を備
えた複写機、イメージスキャナー、ファクシミリ、マル
チファンクションプリンタ等に適用される装置内の各種
の制御信号を発生させるコントローラを備えた画像読取
装置に関する。

【０００３】

【従来の技術】光学系には種々の諸収差が存在し、これ
らの収差を補正するように各光学要素が組み立てられて
いる。従来より光学系に於いて発生する諸収差のうち色
収差は、分散特性の異なる硝材を組み合わせることによ
り減じていた。例えば、望遠鏡等の対物レンズでは、分
散の小さい硝材を正レンズとし分散の大きい硝材を負レ
ンズとし、これらを組み合わせることで軸上に現れる色
収差を消していた。このためレンズの構成枚数が制限さ
れる場合や使用できる硝材が限られている場合などでは
色収差の補正を十分にすることが出来なかった。

【０００４】また、従来の硝材の組み合わせにより色収
差を減じる方法に対して、レンズ面やあるいは光学系の
１部に回折作用を有する回折光学素子（以下「回折格
子」とも言う）を設けることで、色収差を減じる方法が
ＳＰＩＥ Vol.1354 International Lens Design Confer
ence(1990)等の文献や特開平4-213421号公報、特開平6-
324262号公報、USP5,044,706等により開示されている。
これは、光学系中の屈折面と回折面とでは、ある基準波
長の光線に対する色収差の出方が逆方向に発現するとい
う物理現象を利用したものである。

【０００５】このことを図９を用い簡単に説明する。回
折光学素子１１は屈折率１の空気中におかれており、光
軸１３に対し垂直に配置されているものとする。ここで
回折格子１２の周期ピッチがＰの場合、光軸１３に平行
な光線Ａの回折方向θは、Ｐsin θ＝ｍλ ・・・・・・（１）となる方向に回折光が生じる。ここでｍは回折次数であ
り、λは波長である。

【０００６】同図では、周期的構造を一方向についての
み示したが、この様な周期的構造を光軸等を中心に回転
対称に構成し、回折格子の周期ピッチを徐々に変化させ
ることによりこの周期的構造を有する輪帯構造はレンズ
として作用する。このような回折作用を利用したレンズ
は、式（１）よりある次数では波長が長いほど回折され
る角度が大きくなることから、波長による結像点の位置
関係が屈折レンズの同じ方向のパワーをもつものと逆に
なる。前述の文献等は主としてこの原理を利用して収差
（色収差）を補正している。

【０００７】屈折においては、１本の光線は屈折後も１
本の光線であるのに対し、回折においては、各次数に光
が複数に分かれてしまう。そこで、レンズ系として回折
光学素子を用いる場合には、使用波長領域の光束が特定
次数（以後「設計次数」と言う。）に集中するように回
折格子構造を決定する。特定の次数に光の強度が集中し
ている場合では、それ以外の回折光の方向は式（１）で
表されるものの、その光線の強度は低いものとなり、強
度が０の場合にはその回折光は存在しないものとなる。

【０００８】ｍ次の回折光の回折効率を高めようとする
場合、位相差を与えるための構造において２πｍの位相
差を回折方向の各光路光線に与えられれば、各光線は干
渉し、強められることになる。

【０００９】格子の高さがｄであり、その材質の屈折率
がｎであるような透過型の回折格子において、次数ｍの
光線に２πｍの位相差を与えるために、２πｍ＝２πｄ（ｎ−１）／λ ・・・・・・（２）となることが必要になる。式（２）の条件が各ピッチ間
で成立している場合、その回折効率はもっとも高くな
る。

【００１０】この回折作用を得るための回折光学素子の
具体的な構造は、キノフォームとよばれ、この位相差２
πを与える間が連続的になっているもの、連続的な位相
差分布を階段状に近似したバイナリー形状に構成したも
のやその微小な周期的構造を三角波形状に近似し構成し
たもの等が公知である。こうした構造は、光学系中に平
板の表面に形成されたり、レンズ表面に形成されたりす
ることでその回折効果を発生する。また、このような回
折光学素子はリソグラフィー等の半導体プロセスや切削
等により製造される。

【００１１】さらに、このような回折光学素子は硝子の
分散により屈折面で発生する色収差に対して特にその補
正する効果が大きいが、その周期的構造の周期を変化さ
せることで非球面レンズ的な効果をも持たせることがで
き、収差の低減に大きな効果がある。

【００１２】公知例に示されているものは回折の効果に
より諸収差とくに色収差が低減しており、回折光学素子
を光学系に組み込んだ効果が収差図上等で確認すること
ができる。しかしながら、その収差低減に寄与した回折
光の回折効率が、高くなければ実際上その光線は存在し
ないものとなるため、収差低減を果たす光線の回折効率
が十分高いことが必要になる。また設計次数以外の回折
次数をもった光線が存在する場合は設計次数の光線とは
別な所に結像するため、フレアやゴーストとなり、像の
コントラストの低下を引き起こす。従って回折効果を利
用した光学系においては回折効率の分布及び設計次数以
外の光線の振る舞いについても十分考慮することが重要
である。

【００１３】図１０に一般的な光学系の分光透過特性を
示す。図中横軸は波長を表し、縦軸は分光透過率を表し
ている。この分光透過特性はガラスによる光の吸収や屈
折面における光の反射などによって決定される。この光
学系は使用波長域で評価対象に合わせた分光透過特性が
要求される。

【００１４】回折光学素子をある面に形成した場合、特
定の回折次数に対する回折効率の特性を図１１に示す。
この図で横軸は波長を表し、縦軸は回折効率を表してい
る。この回折光学素子は１次の回折次数（図中実線）に
おいて、使用波長領域でもっとも回折効率が高くなるよ
うに設計されている。即ち設計次数は１次となる。さら
に設計次数近傍の回折次数（１次±１次）の回折効率も
併せ並記しておく。同図に示されるように設計次数では
回折効率はある波長で最も高くなり（以下「設計波長」
と言う。）それ以外の波長では徐々に低くなる。この原
因を説明する。（２）式では位相差が２πとなるための
格子の厚みを示したが、設計波長でこの条件を満たすよ
うに格子の厚みを設定した場合、その他の波長ではその
条件より若干はずれてしまうことになり、このために回
折効率の低下が発生する。

【００１５】例えば図１２に示すように回折光学素子１
１を構成する回折格子１２の微小構造を８段の階段状の
バイナリー構造により形成したとき、回折光学素子１１
の１次光に対する設計波長を５３０nmとすると、実際の
格子構造は（２）式より２πｍ＝２πｄ（ｎ−１）／λ
で、ｍ＝１，λ＝５３０nm，ｎ＝１．４６１としたとき
の厚みｄ＝１１５０nmを８等分した厚み１４３．７nmに
各段の厚みがなっている。このとき設計波長での回折効
率はおよそ９５％になり、波長４００nmでの１次光の回
折効率は約６７％、波長６５０nmでの１次光に対する回
折効率は８５％になる。従って回折効果を利用した光学
系においてはこの設計波長を、その光学系が使用される
波長領域の中心付近に設定するなどの考慮が必要であ
る。設計次数における回折効率だけを考えれば、それは
分光透過特性と同様に考えなければならない。

【００１６】回折光学素子を含む光学系の回折面を除く
分光透過特性を波長の関数で表したものを、ηＬＥＮ
Ｓ、回折光学素子の回折効率をηＤＯＥとするとき、光
学系全体の設計次数での分光透過特性は、 η（λ）＝ηＬＥＮＳ（λ）×ηＤＯＥ（λ）により表される。図１０に示した分光特性を有する光学
系に、図１１に示すような回折効率を有する回折面を付
加した場合、設計次数での分光透過特性は図１３に示す
ようになる。従って使用する波長領域においては設計次
数における回折効率を高く保ことが望まれる。

【００１７】次に設計次数以外の次数の回折光の影響に
ついて説明する。設計次数以外の次数の光は評価面上に
デフォーカスした状態でのることになる。このことを簡
単に説明する。ここで設計次数を１次とし、回折効果を
有するレンズのパワーが正とすると、設計次数より高い
次数（２次，３次，・・・）の回折光は式（１）より回折
角が大きくなり、１次の結像位置より手前に結像する。
この回折位置は回折次数が設計次数より離れるに従い大
きくなる。同様に設計次数より低い次数（０次，―１
次，・・・）の回折光は１次の結像位置より後側に結像す
る。評価面は設計次数の回折光結像位置に置かれるの
で、これら設計次数以外の回折光は結像面上にデフォー
カスした状態でのることになる。

【００１８】このうち、設計次数から離れた次数の回折
光は評価面上ではかなりぼけているため、結像には寄与
せず、全面にフレアのような状態で付加される。

【００１９】一方、設計次数近傍の回折次数（１次±１
次）の回折光は結像性能を評価するような空間周波数領
域では解像していないが、完全にぼけた状態でもなく、
低い空間周波数領域では解像している。このため、この
回折次数の回折効率が大きいと設計回折光の回りにかな
り大きなサイドローブのあるようなスポットとなり、光
学性能は悪化する。ただし、図１１に示されているよう
に設計次数近傍の回折次数（０次，２次）の回折効率は
設計波長でほぼ０となり、設計波長から離れた波長での
み、数％の回折効率を有している。従って使用波長域で
積分された光量においては２％程度、評価面に置かれた
感光物の種類によっては０．５％程度のわずかな光量で
ある。さらにこの光量が評価面ではぼけているため、単
位面積当たりの光量は低下し、通常はサイドローブとし
ては検出されない。

【００２０】しかしながら、この回折効果を利用した光
学系をカメラのレンズ（撮影系）等に応用した場合には
特殊な条件を考慮する必要がある。カメラの場合、評価
面にはフィルムやＣＣＤ等が使用され、撮影条件（被写
体、露出条件）は様々な場合が発生する。このうち、被
写体の一部に高輝度な光源が存在する場合等は高輝度な
光源部はフィルムやＣＣＤの適正露光より飽和させ、他
の被写体部で適正露光に調整し撮影されるケースがあ
る。この場合、光源部は適正露光の数倍になっているた
め、前述の設計次数近傍の回折次数の回折光も数倍され
る。そのため光源部の回りに後光がさしたようにサイド
ローブが見られることがある。

【００２１】したがって、カメラのような様々な露光条
件を有する光学系に回折光学素子を用いた場合、この設
計次数近傍の回折次数の効率を少なくすることが望まし
い。

【００２２】また図１４、図１５、図１６に示すように
回折光学素子１１をアッベ数（分散）の異なる材質より
成る少なくとも２つの回折格子１２ａ，１２ｂを重ね合
わせて構成することによって設計次数の回折効率を使用
波長領域全域で高く、かつ設計回折次数近傍の次数の回
折効率を低減することができ、光学系に適用したときは
色収差等の諸収差を良好に補正することができるので写
真用カメラ、ビデオカメラ、双眼鏡、プロジェクター、
望遠鏡、顕微鏡、複写機等の各種の光学系に好適であ
る。このような回折光学素子及びそれを用いた光学系
が、例えば特開平１０−１３３１４９号公報や特開平１
１−２２３７１７号公報等で種々と開示されている。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の回折光学素
子は光束（光線）が該回折光学素子に垂直に入射した場
合で設計次数（１次元）の回折効率を使用波長領域で高
く、かつ設計次数近傍の次数の回折効率の低減を考えて
おり、画角の付いた光束、即ち回折効率の画角特性につ
いては考慮されていなかった。

【００２４】例えば図１７に示すように回折格子のピッ
チを100μｍ、回折格子９１の材質を三菱化学（株）製
ＵＶ1000（ｎｄ＝1.6363、νｄ＝23,0）、回折格子９２
の材質を大日本インキ（株）製ＲＣ8922（ｎｄ＝1,512
9、νｄ＝51,0）とし、それぞれの格子深さをｄ₁＝7,43
2μｍ、ｄ₂＝10,295μｍとした場合、入射角をθ＝0°,
±5°,±10、と振った場合の回折効率は図１８に示すよ
うになる。同図より明らかな通り画角が付くに従い可視
域での設計次数近傍の回折次数での回折効率が上昇して
くる。特にマイナス（−）側の入射角は人間の目にとっ
て敏感な500ｎｍ近傍の波長で２次光の回折効率が上昇
する為、問題である。

【００２５】よって、様々な角度の光束が存在する光学
系においては、それらの光束が回折格子面へ入射したと
きでも設計次数（１次光）の回折効率が使用波長領域で
高く、かつ設計次数近傍の次数の回折効率が低減されて
いるものが望まれる。

【００２６】本発明は上記回折光学素子を用いた結像素
子において、該回折光学素子に入射する画角の付いた光
束のうち、格子面に入射する該光束の主光線の入射角度
に対して、それより入射角度が大きくなる側の一部の光
束を遮光部材により遮光することにより、画角の付いた
光束が入射されたとしても設計次数近傍の次数の回折効
率を低く抑え、結果的にフレアの少ない結像性能が良好
に得られる結像素子及び画像読取装置の提供を目的とす
る。

【００２７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の結像素
子は、軸外光束が入射する回折光学素子と、絞りと、を
有する結像素子において、前記結像素子は、前記絞りよ
り前記回折光学素子から離れた位置に制限部材を備え、
該回折光学素子に入射する軸外光束のうち、該回折光学
素子の格子面に入射する該光束の主光線の入射角度に対
して、該光束の主光線の入射角度より入射角度が大きく
なる側の一部の光束を該制限部材により遮光したことを
特徴としている。

【００２８】請求項２の発明は請求項１の発明におい
て、前記回折光学素子と前記絞りは対向して配置されて
いることを特徴としている。

【００２９】請求項３の発明は請求項１の発明におい
て、前記制限部材は、前記回折光学素子を中心として、
光軸方向に前記結像素子を構成するレンズより外側に位
置することを特徴としている。

【００３０】請求項４の発明は請求項１の発明におい
て、前記回折光学素子の格子ピッチが軸上から軸外に向
い減少していることを特徴としている。

【００３１】請求項５の発明は請求項１の発明におい
て、前記回折光学素子は基板上にアッベ数及び屈折率が
互いに異なる材質より成る第１、第２の回折格子を、そ
の格子面を対向して配置して構成されていることを特徴
としている。

【００３２】請求項６の発明は請求項１の発明におい
て、前記制限部材は前記結像素子の光入射側又は／及び
光射出側に設けられていることを特徴としている。

【００３３】請求項７の発明は請求項５の発明におい
て、前記第１、第２の回折格子のうち、材質の屈折率の
高い方の回折格子を光入射側に配置していることを特徴
としている。

【００３４】請求項８の発明は請求項５の発明におい
て、前記材質の屈折率の高い方の回折格子の光入射側の
面は平面であることを特徴としている。

【００３５】請求項９の発明は請求項５の発明におい
て、前記第１、第２の回折格子は各々平板状よりなる基
板に形成されていることを特徴としている。

【００３６】請求項１０の発明は請求項５の発明におい
て、前記第１、第２の回折格子は各ピッチ毎に対応する
ように重ねて配置されていることを特徴としている。

【００３７】請求項１１の発明は請求項６の発明におい
て、前記制限部材は第２の絞りであることを特徴として
いる。

【００３８】請求項１２の発明は請求項６の発明におい
て、前記制限部材は反射ミラーであることを特徴として
いる。

【００３９】請求項１３の発明は請求項６の発明におい
て、前記制限部材は、前記結像素子を構成する一部のレ
ンズの表面上に配置されていることを特徴としている。

【００４０】請求項１４の発明は請求項１の発明におい
て、前記結像素子は、光源からの光束により照明された
原稿面上の画像情報を読取素子面上に結像させるための
光学素子であることを特徴としている。

【００４１】請求項１５の発明は請求項１の発明におい
て、前記結像素子は光入射側より順に正の屈折力の第１
レンズ、負の屈折力の第２レンズ、負の屈折力の第３レ
ンズ、そして正の屈折力の第４レンズを有し、該第２レ
ンズと該第３レンズとの間に絞りを配置し、該絞り近傍
に前記回折光学素子を配置していることを特徴としてい
る。

【００４２】請求項１６の発明の画像読取装置は、請求
項１から１５の何れか１項に記載の結像素子を用いて、
原稿面上の画像情報を読取手段上に結像させる画像読取
装置において、前記絞りの径をＤ、前記結像素子の焦点
距離をｆ、最大物高をＹ、結像倍率の絶対値をβとする
とき、該絞りから前記制限部材までの光軸方向の距離Ｌ
は以下の関係を満たすことを特徴としている。（０．４×Ｄ×ｆ）／（Ｙ×β）＜Ｌ＜（１．２×Ｄ×
ｆ）／（Ｙ×β）請求項１７の発明の画像読取装置は、請求項１から１６
の何れか１項に記載の結像素子を用いて原稿の画像情報
を前記読取素子面上に形成し、且つコントローラを備え
たことを特徴としている。

【００４３】

【発明の実施の形態】（参照例１）図１は本発明の回折
光学素子を画像読取装置の結像素子（結像レンズ）に用
いたときの参照例１の主走査方向の要部断面図（主走査
断面図）である。

【００４４】同図において６は原稿面であり、その面上
に画像情報が形成されている。１は結像素子であり、原
稿面６側より順に正の第１レンズ１ａ、負の第２レンズ
１ｂ、負の第３レンズ１ｃ、そして正の第４レンズ１ｄ
の４枚のレンズを有し、該負の第２レンズ１ｂと該負の
第３レンズ１ｃとの間に絞り３を配置し、該絞り３近傍
に後述する回折光学素子２を配置している。尚、結像素
子１のレンズ構成は上記に限定されることはない。

【００４５】回折光学素子２は基板上にアッベ数及び屈
折率が互いに異なる材質より成る鋸歯状（三角波形状）
の第１、第２の２つの回折格子２１，２２を各ピッチ毎
に対応するように重ねて配置（接合）した積層タイプの
回折格子より成り、該第１、第２の回折格子２１，２２
のうち、材質の屈折率の高い方の第１の回折格子２１を
光入射側（原稿面側）に配置している。第１、第２の回
折格子２１，２２は各々平板状よりなる基板に形成され
ており、光軸７から離れるに従い格子ピッチが減少して
いる。また第１の回折格子２１の光入射側の面を平面よ
り形成している。

【００４６】参照例１における第１の回折格子２１の材
質の屈折率ｎ₁及びアッベ数ν₁はｎ₁＝１．６３６３、ν₁＝２３．０であり、第２の回折格子２２の材質の屈折率ｎ₂及びア
ッベ数ν₂はｎ₂＝１．５２１９、ν₂＝５１．０である。本参照例１では上記の如く回折光学素子２を絞
り３近傍に配置しており、これにより主に結像素子１の
色収差の補正に効果を持たせている。

【００４７】５は読取素子であり、例えばラインセンサ
ー（ＣＣＤ）より成っている。４はラインセンサー用の
カバーガラスであり、ラインセンサー５近傍に配置して
いる。

【００４８】参照例１においては原稿載置台（不図示）
上に載置された原稿を照明手段（不図示）からの光束に
より照明し、該原稿からの画像情報に基づく光束を結像
素子１で集光し、ラインセンサー５面上に結像させてい
る。そして原稿面６とラインセンサー５とを紙面に垂直
方向（副走査方向）に相対的に変位させて、該原稿の画
像情報を高精度に読取っている。

【００４９】図２は参照例１に関わる積層タイプの回折
格子２の一部分の拡大図であり、第１の回折格子２１に
入射角θで入射する光束（光線）の様子を示している。
同図において図１に示した要素と同一要素には同符番を
付している。

【００５０】前述した如く回折格子の回折効率は入射角
θに依存し大きく変化する。例えば画像読取装置の場
合、通常最大画角は２０°程度であり、レンズタイプや
回折格子の配置位置にもよるが、該回折格子へも同程度
の入射角θで入射する光束が存在する。この入射角θを
変えることはできないが、格子面２３へ向う光束の射出
角θ´は小さくすることができる。

【００５１】例えば屈折率ｎ₁＝１．５１６３の回折格
子を用いた場合、 θ＝２０°，θ´＝１３．０４° となるが、それより大きい屈折率ｎ₁＝１．８３４の回
折格子を用いた場合には、 θ＝２０°，θ´＝１０．７５° となる。これは屈折率ｎ₁＝１．５１６３の回折格子を
用いた場合に比べて約２．３°の角度を抑えることが可
能となる。

【００５２】即ち、アッベ数が互いに異なる材質より成
る第１、第２の回折格子２１，２２を、その格子面を向
かい合わせて配置（接合）することにより、回折効率の
波長特性を良好とすることができ、また第１、第２の回
折格子２１，２２のうち、材質の屈折率の高い方の第１
の回折格子２１を原稿面６側（光入射側）に配置するこ
とにより、格子面２３へ向う光束の角度θ´を小さくす
ることができ、これにより回折効率の画角特性（角度特
性）を良好とすることができる。

【００５３】図３は画像読取装置において最大画角θ＝
２０°の場合で、屈折率ｎ＝１．５〜１．８の回折格子
に入射した場合の射出角θ´と屈折率ｎとの関係を示し
た説明図である。

【００５４】同図に示すように屈折率の高い回折格子を
原稿面側に配置することにより、格子面へ向う光束の射
出角θ´を小さく抑えることができ、これにより回折効
率の画角特性を良好とすることができる。

【００５５】（実施形態１）図４は本発明の回折光学素
子を画像読取装置の結像素子に用いたときの実施形態１
の主走査方向の要部断面図（主走査断面図）、図５は図
４に示した回折光学素子の一部分の拡大図であり、軸外
からの光束が遮光部材（絞り）１６で規制されている様
子を示している。図４、図５において図１、図２に示し
た要素と同一要素には同符番を付している。

【００５６】本実施形態において前述の参照例１と異な
る点は結像素子１の光射出側に遮光部材としての絞り１
６を配置したことである。その他の構成及び光学的作用
は参照例１と略同様であり、これにより同様な効果を得
ている。

【００５７】即ち、図中遮光部材としての絞り１６は結
像素子１の光射出側（ＣＣＤ側）に設けており、回折光
学素子２に入射する画角の付いた光束のうち、第１の回
折格子２１の格子面２３に入射する該光束の主光線Ｐの
入射角度θに対して、それより入射角度が角度θ1と大
きくなる側（Ｂ側）の一部の光束を遮光している。

【００５８】本実施形態における回折光学素子２は光軸
回りに同心円状の形状より成り、上述の如く光軸７から
離れるに従い格子ピッチを減少させている。ここで画角
の付いた光束のうち、格子面２３に入射する該光束の主
光線Ｐの入射角度θに対して、それより入射角度が小さ
くなるＡ側の光束と、大きくなるＢ側の光束とに分けて
考える。前述したように格子面２３へ入射する光束の角
度が増すに従い設計次数近傍の次数の回折効率が増大し
てくる。特にこのことはＢ側の光束に対して顕著に表わ
れてくる。

【００５９】但し、入射角度は、光束と格子面の法線が
なす角度である。また図５においてθは光軸７とのなす
角度を示している。

【００６０】そこで本実施形態では結像素子１の光射出
側に絞り１６を配置し、該絞り１６によりＢ側の一部の
光束を図４に示すように遮光することにより、光束全体
としての回折効率を良好にし、これによりフレアの発生
を抑えている。

【００６１】図１に示す参照例１の絞り３では、絞り３
が回折光学素子２に対向して配置されているため、絞り
３と回折光学素子２との光軸方向の距離が近すぎて、光
束全体としての回折効率を良好にできるレベルで、Ｂ側
の一部の光束を遮光することができない。

【００６２】そこで、本実施形態では、図４のように、
絞り３より回折光学素子２から光軸方向にラインセンサ
ー５に向い離れた位置に別途に絞り１６を配置してい
る。

【００６３】図６は絞り１６により、どのように画角の
付いた光束の一部を遮光しているかを説明した説明図で
ある。同図において１６は絞り、８は軸上光束、９は軸
外光束である。同図に示すように絞り１６により軸外光
束９のうち斜線部のみの光束が遮光される。

【００６４】この絞り１６を結像素子１の光射出側に配
置することによってラインセンサー５面上での主走査方
向の光量分布は端部で光量落ちとなるが、一般に画像読
取装置の場合、ラインセンサー感度のバラツキや、照明
系（不図示）の光学特性、レンズのコサイン４乗則など
の様々な要因をシェーディング補正により補正している
ので、本実施形態のように軸外光束の一部を遮光したと
しても問題にはならない。

【００６５】本実施形態では、絞り３の径をＤ、結像素
子１の焦点距離をｆ、最大物高をＹ、結像倍率の絶対値
をβ、とした場合、絞り３から光射出側の遮蔽部材であ
る絞り１６までの光軸方向の距離Ｌは以下の関係を満た
すように、遮蔽部材１６を配置することが好ましい。（０．４×Ｄ×ｆ）／（Ｙ×β）＜Ｌ＜（１．２×Ｄ×ｆ）／（Ｙ×β）----（Ａ）本実施形態では、Ｄ＝13.6mm、ｆ＝83.9mm、Ｙ＝152.5m
m、β＝0.220276とし、13.6＜Ｌ＜40.8、Ｌ＝２０mmと
している。

【００６６】よって、上記（Ａ）式を満たすので、絞り
１６によりＢ側の一部の光束を図４に示すように効率良
く遮光することができ、光束全体としての回折効率を良
好にし、これによりフレアの発生を抑えている。

【００６７】尚、本実施形態では遮光部材として絞り１
６を用いたが、これに限らず、軸外光束を遮光できる部
材なら何を用いてもよい。

【００６８】本発明に用いる回折光学素子は、２層の積
層タイプの回折光学素子２の限定されない。単層タイプ
の回折光学素子においても絞り１６を配置することによ
り、Ｂ側の一部の光束を図４に示すように遮光すること
により、光束全体としての回折効率を良好にし、これに
よりフレアの発生を抑えてる効果が得られる。

【００６９】更に、本発明は、３層以上の積層タイプの
回折光学素子にも適用できる。

【００７０】また、本発明は、結像素子の枚数も4枚に
限定されることなく、結像性能がとれれば何枚でも良
い。

【００７１】（実施形態２）図７は本発明の回折光学素
子を画像読取装置の結像素子に用いたときの実施形態２
の主走査方向の要部断面図（主走査断面図）、図８は図
７に示した回折光学素子の一部分の拡大図であり、軸外
からの光束が遮光部材（絞り）で規制されている様子を
示している。図７、図８において図１、図２に示した要
素と同一要素には同符番を付している。

【００７２】本実施形態では、図７のように、絞り３よ
り回折光学素子２から光軸方向に原稿面６に向い離れた
位置に別途に絞り２６を配置している。

【００７３】本実施形態において前述の実施形態１と異
なる点は第１、第２の回折格子３１，３２の格子面３
３，３４の形状（鋸歯状）を前記図５に示した第１、第
２の回折格子２１，２２の格子面２３，２４の形状と逆
向きに形成した点と、それに伴ない遮光部材としての絞
り２６を結像素子１の光入射側に配置したことである。
その他の構成及び光学的作用は実施形態１と略同様であ
り、これにより同様な効果を得ている。

【００７４】即ち、同図において４２は回折光学素子で
あり、基板上にアッベ数及び屈折率が互いに異なる材質
より成る鋸歯状（三角波形状）の第１、第２の２つの回
折格子３１，３２を各ピッチ毎に対応するように重ねて
配置（接合）した積層タイプの回折格子より成り、第
１、第２の回折格子３１，３２の格子面３３，３４の形
状を前記図５に示した格子面２３，２４の形状と逆向き
に形成している。２６は遮光部材としての絞りであり、
結像素子１の光入射側（原稿面側）に設けており、回折
光学素子４２に入射する画角の付いた光束のうち、格子
面３３に入射する該光束の主光線Ｐの入射角度θに対し
て、それより入射角度が大きくなる側（Ｂ側）の一部の
光束を遮光している。

【００７５】本実施形態における第１の回折格子３１の
材質の屈折率ｎ₁及びアッベ数ν₁はｎ₁＝１．５２１９、ν₁＝５１．０であり、第２の回折格子３２の材質の屈折率ｎ₂及びア
ッベ数ν₂はｎ₂＝１．６３６３、ν₂＝２３．０である。

【００７６】このように本実施形態では結像素子１の光
入射側に絞り２６を配置し、該絞り２６によりＢ側の一
部の光束を図７に示すように遮光することにより、光束
全体としての入射角の差を少なくして回折効率を良好に
し、これによりフレアの発生を抑えている。

【００７７】本実施形態では、絞り３の径をＤ、結像素
子１の焦点距離をｆ、最大物高をＹ、結像倍率の絶対値
をβ、とした場合絞り３から光入射側の遮蔽部材であ
る絞り２６までの光軸方向の距離Ｌは以下の関係を満た
すように、遮蔽部材２６を配置することが好ましい。（０．４×Ｄ×ｆ）／（Ｙ×β）＜Ｌ＜（１．２×Ｄ×ｆ）／（Ｙ×β）----- （Ｂ）本実施形態では、Ｄ＝13.6mm、ｆ＝83.9mm、Ｙ＝152.5m
m、β＝0.220276とし、13.6＜Ｌ＜40.8、Ｌ＝２０mmと
している。

【００７８】よって、上記（Ｂ）式を満たすので、絞り
２６によりＢ側の一部の光束を図８に示すように効率良
く遮光することができ、光束全体としての回折効率を良
好にし、これによりフレアの発生を抑えている。

【００７９】（実施形態３）図１９は本発明の画像読取
用の結像素子をフラットベッドイメージスキャナーに用
いたときの要部概略図である。

【００８０】図１９において照明光源７０１から放射さ
れた光束は直接あるいは反射笠７０９を介して原稿７０
８を照明し、該原稿７０８からの反射光束を第１、第
２、第３、第４反射ミラー７０３ａ，７０３ｂ，７０３
ｃ，７０３ｄを介してキャリッジ７０６内部でその光束
の光路を折り曲げ、結像素子７０４によりＣＣＤ（Ｃｈ
ａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）等のリニア
イメージセンサ７０５（以下「ＣＣＤ」と称す。）面上
に結像させている。そしてキャリッジ７０６を副走査モ
ーター７０７により図１９中の矢印Ａ方向（副走査方
向）に移動させることにより原稿７０８の画像情報を読
み取っている。そして、画像情報を制御信号にして、制
御回路に送信している。同図におけるＣＣＤ７０５は複
数の受光素子を一次元方向（主走査方向）に配列した構
成より成っている。

【００８１】上記構成においてイメージスキャナーを小
型化するにはキャリッジ７０６の小型化が必要である。
キャリッジ７０６を小型化するには、例えば反射ミラー
の枚数を増やしたり、あるいは一枚の反射ミラーで複数
回反射させて光路長を確保する方法がある。

【００８２】本実施形態では、キャリッジ７０６内で夫
々固定された第１、第２、第３、第４反射ミラー７０３
ａ，７０３ｂ，７０３ｃ，７０３ｄの少なくとも１枚の
反射ミラーの主走査方向の長さを制御して、Ｂ側の一部
の光束を図７に示すように効率良く遮光し、光束全体と
しての回折効率を良好にし、これによりフレアの発生を
抑えている。

【００８３】つまり、反射ミラーを制限部材（遮光部
材）として利用し、通常よりも反射ミラー７０３の主走
査方向の長さを短くしている。Ｂ側の一部の光束を遮光
する反射ミラーの枚数は、１枚に限定されることはな
い。複数枚の反射ミラーの主走査方向の長さを制御して
も良い。

【００８４】（実施形態４）図２０は本発明の回折光学
素子を画像読取装置の結像素子に用いたときの実施形態
４の主走査方向の要部断面図（主走査断面図）、図２０
は、軸外からの光束が遮光膜１００で規制されている様
子を示している。図２０において図１に示した要素と同
一要素には同符番を付している。

【００８５】本実施形態では、結像素子１を構成するレ
ンズ１ｄの両側端部に図５のＢ側の一部の光束を遮光す
る遮光膜１００を設けている。

【００８６】本実施形態でも実施形態１と同様な効果を
得ている。

【００８７】本発明では、遮光膜１００を設ける位置は
レンズ１ｄの両端部に限定されないレンズ１ａの両端部
でも良い。また、複数枚のレンズの両端部に遮光膜１０
０を設けても良い。

【００８８】本発明では、実施形態１〜４の形態を組み
合わせて利用しても良い。反射ミラー７０３と絞り１６
や２６、遮光膜１００を組み合わせて利用しても良い。

【００８９】尚、上記実施形態１、２においては遮光部
材としての絞りを結像素子１の光入射側もしくは光射出
側に設けたが、双方に設けても良い。

【００９０】また上述した各実施形態１、２、３、４は
共に画像読取装置の結像素子に本発明を適用したが、こ
れに限定されることなく、ビデオカメラ、フィルムカメ
ラ、デジタルカメラ用の撮影レンズ等、どのような光学
系であっても本発明の効果は発揮される。

【００９１】

【発明の効果】本発明によれば画角の付いた軸外光束が
入射する回折光学素子と、絞りと、を有する結像素子に
おいて、回折光学素子に入射する画角の付いた軸外光束
のうち、該回折光学素子の格子面に入射する該光束の主
光線の入射角度に対して、該光束の主光線の入射角度よ
り入射角度が大きくなる側の一部の光束を該制限部材に
より遮光することにより、画角の付いた光束が入射され
たとしても設計次数近傍の次数の回折効率を低く抑える
ことができ、これによりフレアの少ない結像性能を良好
に得ることができる結像素子及び画像読取装置を達成す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の回折光学素子を画像読取装置に用い
たときの参照例１の要部側面図

【図２】図１に示した回折格子の拡大図

【図３】本発明の参照例１の屈折率と射出角との関係
を示した説明図

【図４】本発明の回折光学素子を画像読取装置に用い
たときの実施形態１の要部側面図

【図５】図４に示した回折格子の拡大図

【図６】本発明の実施形態１の絞りと光束との関係を
説明する図

【図７】本発明の回折光学素子を画像読取装置に用い
たときの実施形態２の要部側面図

【図８】図７に示した回折格子の拡大図

【図９】回折作用の説明図

【図１０】一般的なレンズの分光特性の説明図

【図１１】従来の回折格子の回折効率の説明図

【図１２】従来の回折格子の説明図

【図１３】分光特性と回折効率の積の説明図

【図１４】従来の回折光学素子の説明図

【図１５】従来の回折光学素子の説明図

【図１６】従来の回折光学素子の説明図

【図１７】従来の積層タイプの回折格子の説明図

【図１８】従来の回折格子の回折効率の説明図

【図１９】本発明に係る回折光学素子を画像読取装置
に用いたときの実施形態３の要部側面図

【図２０】本発明に係る回折光学素子を画像読取装置
に用いたときの実施形態４の要部側面図

【符号の説明】

１結像素子２，４２回折光学素子２１，３１第１の回折格子２２，３２第２の回折格子２３，２４格子面３絞り４カバーガラス５読取素子（ラインセンサー）１６，２６遮光部材（絞り）７光軸８軸上光束９軸外光束

フロントページの続きＦターム(参考） 2H049 AA03 AA33 AA50 AA55 AA63 AA65 2H087 KA01 KA06 KA08 KA09 KA15 KA18 LA01 PA04 PA17 PB04 QA02 QA07 QA12 QA22 QA26 QA32 QA42 QA46 RA32 RA46 2H108 AA02 CB01 DA01 DA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸外光束が入射する回折光学素子と、絞
りと、を有する結像素子において、前記結像素子は、前記絞りより前記回折光学素子から離
れた位置に制限部材を備え、該回折光学素子に入射する軸外光束のうち、該回折光学
素子の格子面に入射する該光束の主光線の入射角度に対
して、該光束の主光線の入射角度より入射角度が大きく
なる側の一部の光束を該制限部材により遮光したことを
特徴とする結像素子。但し、該入射角度は、該光束と該
格子面の法線のなす角度である。
【請求項２】前記回折光学素子と前記絞りは対向して
配置されていることを特徴とする請求項１記載の結像素
子。
【請求項３】前記制限部材は、前記回折光学素子を中
心として、光軸方向に前記結像素子を構成するレンズよ
り外側に位置することを特徴とする請求項１記載の結像
素子。
【請求項４】前記回折光学素子の格子ピッチが軸上か
ら軸外に向い減少していることを特徴とする請求項１記
載の結像素子。
【請求項５】前記回折光学素子は基板上にアッベ数及
び屈折率が互いに異なる材質より成る第１、第２の回折
格子を、その格子面を対向して配置して構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の結像素子。
【請求項６】前記制限部材は前記結像素子の光入射側
又は／及び光射出側に設けられていることを特徴とする
請求項１記載の結像素子。
【請求項７】前記第１、第２の回折格子のうち、材質
の屈折率の高い方の回折格子を光入射側に配置している
ことを特徴とする請求項５記載の結像素子。
【請求項８】前記材質の屈折率の高い方の回折格子の
光入射側の面は平面であることを特徴とする請求項５記
載の結像素子。
【請求項９】前記第１、第２の回折格子は各々平板状
よりなる基板に形成されていることを特徴とする請求項
５記載の結像素子。
【請求項１０】前記第１、第２の回折格子は各ピッチ
毎に対応するように重ねて配置されていることを特徴と
する請求項５記載の結像素子。
【請求項１１】前記制限部材は第２の絞りであること
を特徴とする請求項６記載の結像素子。
【請求項１２】前記制限部材は反射ミラーであること
を特徴とする請求項６記載の結像素子。
【請求項１３】前記制限部材は、前記結像素子を構成
する一部のレンズの表面上に配置されていることを特徴
とする請求項６記載の結像素子。
【請求項１４】前記結像素子は、光源からの光束によ
り照明された原稿面上の画像情報を読取素子面上に結像
させるための光学素子であることを特徴とする請求項１
記載の結像素子。
【請求項１５】前記結像素子は光入射側より順に正の
屈折力の第１レンズ、負の屈折力の第２レンズ、負の屈
折力の第３レンズ、そして正の屈折力の第４レンズを有
し、該第２レンズと該第３レンズとの間に絞りを配置
し、該絞り近傍に前記回折光学素子を配置していること
を特徴とする請求項１記載の結像素子。
【請求項１６】請求項１から１５の何れか１項に記載
の結像素子を用いて、原稿面上の画像情報を読取手段上
に結像させる画像読取装置において、前記絞りの径をＤ、前記結像素子の焦点距離をｆ、最大
物高をＹ、結像倍率の絶対値をβとするとき、該絞りから前記制限部材までの光軸方向の距離Ｌは以下
の関係を満たすことを特徴とする画像読取装置。（０．４×Ｄ×ｆ）／（Ｙ×β）＜Ｌ＜（１．２×Ｄ×
ｆ）／（Ｙ×β）
【請求項１７】請求項１から１６の何れか１項に記載
の結像素子を用いて原稿の画像情報を前記読取素子面上
に形成し、且つコントローラを備えたことを特徴とする
画像読取装置。