专利名称：成像光学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于传真机，复印机，打印机，扫描仪等的光学仪器的图象传送部上的成像光学装置，特别是涉及一种具备柱镜的成像光学装置，这些柱镜呈点阵状布置。
对于传真机，复印机，打印机，扫描仪等的光学仪器，为了将原稿上的信息变换成电子信号后读取，必须使用各种扫描装置。有一种密着型扫描装置，该密着型扫描装置具有照明系统，为等倍成像装置的柱镜点阵，传感器，遮盖玻璃(透明基板)等，并将这些部件安装在支架内而构成。原稿通常与遮盖玻璃的表面密着，由系统对其进行照明。被照明的原稿因柱镜点阵而在传感器上成像，被变换成电信号。此处，柱镜点阵是通过把在半径方向存在折射率分布的多个柱镜配置成1列或2列，作为等倍成像光学系统的部分(参照图2)。
作为用于柱镜点阵的透镜材料，举例来说是玻璃或合成树脂。玻璃制的折射率分布透镜是经离子交换制得的。
单一柱镜形成等倍像的范围是半径Xo(视野半径)的圆形，光量在光轴上最大，并随离开光轴的距离增加而减少。对于柱镜点阵的纵向光量分布，会发生以透镜间隔为周期的不匀称。光量不匀称的大小由{(光量的最大值)-(光量的最小值)}/(光量的最小值)/100％确定，由下述(数学式3)规定的重叠度m决定。m=Xo/2R上述(数学式3)中，2R是相邻柱镜的光轴间距离。
图15示出使用后述的光量分布式子(参照下述(数学式9))计算的、把多个柱镜配成2列的柱镜点阵的场合下的重叠度m和光量不匀称的关系。但是，图15是利用像面中心轴(参照图2)上的最狭范围的光的所谓“线扫描方式”的情况。从图15可知，具有这样的一种倾向，即随着重叠度m增大，光量不匀称减少，但不是单调地减少，例如在m=0.91,1.13,1.37,1.61,1.85,…中光量不匀称变得极小。由于传感器上的光量不匀称越小越好，因此，在要求使光量不匀称为特别小的情况下，较为合理的是通过设计柱镜点阵，使重叠度m接近于上述值。然而，图15所示的光量不匀称是传感器被正确设置在像面中心轴上时的值，对于实际扫描装置的批量产制品，由于部件的尺寸误差和组装误差，不可避免在传感器和柱镜点阵整体的光轴间发生一定程度的轴错位。传感器位置的轴错位量由图9的ΔX定义。因而，提出了如下的一种方案(特开平11-14803号公报，特开平11-64606号公报)将重叠度m设计成稍微偏离上述极小值，以便在发生某种程度的轴错位的情况下，将光量不匀称控制在一定程度以下。
通常，即使是使用了具有相同光学特性的柱镜点阵，而重叠度m越小，像面明亮度越大，分辨力也上升。图16示出把多个柱镜配成1列和2列的柱镜点阵的场合下的重叠度m和平均明亮度(扫描线的场合)的关系。在图16中，把重叠度m为1.5的呈2列配置的柱镜点阵的明亮度作为100。
然而，由于当重叠度m变小时，光量不匀称增大，因此，实用的柱镜点阵的重叠度m在2列的场合下被定为1.3。例如，由日本板硝子株式会社生产的柱镜点阵的重叠度m的下限是1.36，根据特开平公报11-14803号，理想的重叠度m范围是1.46≤m≤1.64。
近年来，因为传真机和扫描仪的高速化，要求更明亮的柱镜点阵。
本发明是为了解决上述现有技术中存在的问题而提出的，目的在于提供一种既考虑轴错位时的光量不匀称，又尽可能地减小重叠度m，实现柱镜点阵光量增大和分辨力提高的高性能成像光学装置。
为了实现上述目的，本发明的成像光学装置具有柱镜点阵和配置在上述柱镜点阵两侧的原稿面及像面，上述柱镜点阵是将在半径上具有折射率分布的柱镜以其光轴相互平行地配成2列，每列有多个柱镜，其特征在于当把相邻的上述柱镜的光轴间距离定为2R，把上述柱镜投在上述像面上的图象半径定为XO时，由下式(数学式4)定义的重叠度m在0.91≤m≤1.01的范围内。m=XO/2R根据该成像光学装置的构成，能够实现柱镜点阵的光量增大和分辨力提高，得到高性能成像光学装置。
另外，对于上述本发明的的成像光学装置的构成，最好重叠度m是在0.93≤m≤0.97的范围内。
对于本发明的成像光学装置，最好R是在0.05mm≤R≤0.60mm的范围内。之所以将R定为大于0.05mm，是因为半径比该值还要小时，由于制造方面的原因(例如，操作极其困难)无法实现。若R.60mm时，柱镜点阵2整体变大，难以使装置小型化。
另外，对于上述本发明的成像光学装置的构成，理想的是柱镜的起到透镜作用的部分的半径ro理想的范围是0.50R≤rO≤1.0R。若rO不足0.50R，因像的明亮度大大减少而不合适。rO的最大值不言而喻是等于R。
对于上述本发明的成像光学装置的构成，最好在柱镜点阵的至少单侧镜面上设遮光罩，该遮光罩应具有近似矩形状的开口部，该开口部朝着上述柱镜点阵的纵向开口。根据该优选例，能够减小光量不匀称。另外，在此情况下，最好该遮光罩的开口部相对柱镜点阵的镜面的纵向中心轴对称，当把起到柱镜的透镜作用的部分的半径定义为ro时，最好遮光罩开口部的半辐值W在(√3/2)R+0.1r0≤W≤(√3/2)R+0.6r0的范围内。遮光罩开口部的半辐值W比(√3/2)R+0.1R0小时，光量大大降低。而遮光罩开口部的半辐值W比(√3/2)R+0.1R0大时，几乎得不到光量不匀称的改善效果。
对于上述本发明的成像光学装置的构成，把从柱镜的光轴处测得的径向距离设为r，把上述柱镜的光轴上的折射率定为no，把折射率分布系数定为g,h4,h6,h8时，理想的是上述柱镜的折射率分布由下式(数学式5)表达。n(r)2=no2·{1-(g·r)2+h4·(g·r)4+h6·(g·r)6+h8·(g·r)8+…}另外，在此情况下，理想的是柱镜的光轴上的折射率no是1.4≤no≤1.8的范围内。而在此情况下，当把柱镜的起到透镜作用的部分的半径定义为ro时，最好满足0.05≤nog ro≤0.50关系。根据该最佳实施例，柱镜的制作将会更为容易。而在此情况下，在把柱镜的长度定为Zo，上述柱镜的周期长定为P=2π/g时，最好Zo/P在大于0.5而小于1.0的范围内。根据该最佳实施例，能够形成正像。
对于上述本发明的成像光学装置的构成，最好使原稿面位于柱镜点阵的前焦点位置上地配置平行平面的透明基板。若采用上述最佳实施例，只要把原稿压在透明基板的表面上，就能够将原稿设定到前焦点位置上。另外，在此情况下，最好平行平面的透明基板与柱镜点阵的镜面接触着。这通过调整透明基板的厚度就能够容易地实现，若采用该实施例，则能够简化在成像光学装置组装过程中的柱镜点阵和前焦点位置的间隔调整作业，因此可降低成本。
图1示出本发明的成像光学装置上所用的柱镜的透视图。
图2示出本发明的成像光学装置的透视图。
图3是本发明的成像光学装置上所用的柱镜折射率分布曲线。
图4是本发明的成像光学装置上所用的柱镜所形成的像的状态的模式图。
图5是本发明的成像光学装置上所用的多柱镜所形成的像的合成状态的模式图。
图6是本发明的成像光学装置的轴错位时的光量不匀称图。
图7示出本发明的具备平行平面的透明基板的成像光学装置的断面图。
图8示出本发明的实施例的轴错位量和光量不匀称的关系图。
图9是说明本发明的传感器位置的轴错位量ΔX的图。
图10是本发明第2实施形式的柱镜点阵的平面图。
图11是本发明的第2实施形式的实施例6,7及比较例3的光量不匀称图(无轴错位)。
图12是本发明的第2实施形式的实施例6,7及比较例3的光量不匀称图(有轴错位)。
图13是本发明的第2实施形式的实施例6,7及比较例3的光量不匀称图(无轴错位)。
图14是本发明的第2实施形式的实施例6,7及比较例3的光量不匀称图(有轴错位)。
图15示出2列柱镜点阵重叠度m和光量不匀称的关系图。
图16示出柱镜点阵的重叠度m和亮度的关系图。
发明的实施例下面，采用实施例的方式更具体地说明本发明。(第一实施方式)对于本发明的实施例，如图1，图2所示，使用等倍成像的柱镜点阵2，柱镜点阵是将在半径上具有折射率分布的柱镜以其光轴相互平行地配成2列而成，并把原稿面3和像面4配置在该柱镜点阵2的两侧后，制作成成像光学装置。
如图3所示，柱镜1的折射率n沿半径方向分布，该折射率分布由下式(数学式6)表述。[数学式6]n(r)2=no2·{1-(g·r)2+h4·(g·r)4+h6·(g·r)6+h8·(g·r)8+…}在上式(数学式6)中，r是测得的距柱镜1的光轴1a的径向距离，n(r)是从柱镜1的光轴1a测得的径向距离r的位置处的折射率，no是在柱镜1的光轴1a上的折射率(中心折射率)，g,h4,h6,h8是折射率分布系数。
如图4所示，为了正立成像，把柱镜1的长度定为Zo，柱镜1的周期长定为P=2π/g时，要求Zo/P在大于0.5小于1.0的范围内。
柱镜点阵2的端面(镜面)和原稿面3的间隔及柱镜点阵2的端面(镜面)和像面4的间隔Lo(参照图2)由下式(数学式7)表示。Lo=-{1/(no·g)}·tan(Zoπ/P)相邻的柱镜1的光轴间距离为2R时，理想的R值是0.05mm≤R≤0.60mm的范围内。
另外，柱镜1的有效透镜部分的半径，也就是说，起到透镜作用的部分的半径ro理想的是0.50R≤ro≤1.0R的范围内。
如果相邻的柱镜1彼此接触，且起到透镜作用的部分的半径与透镜半径一致，则ro与R一致。而且，由于柱镜点阵组装过程中的理由，为了把柱镜1彼此稍作隔离地配置，或者，为了将柱镜1周边的折射率分布会不好的部分的光线遮挡起来，也可使透镜周边不透明，在此情况下，ro与R不一致。
之所以使R高于0.05mm是因为如果是比该值还要细的直径，因制造上的原因等(例如，操作极为困难)不实用。而若R超过0.60mm，则柱镜点阵2整体变大，从而使装置整体难以实现小型化。
另外，若ro不足0.5R时，因为像的明亮度大大下降而不合适。当然ro最大值等于R。
柱镜1的明亮度由开口角θ=no·g·ro(rad)规定，该开口角表示透镜能够取入光的范围，开口角θ越大，得到的像越明亮。
为了在等倍成像光学装置上使用柱镜1，开口角θ的值最好是在0.05以上。由于开口角θ的值超过0.50的柱镜1中形成折射率分布的成分(例如，对于玻璃镜时，Tl2O、Li2O等)的含有量受限制，因此制作变得困难。因而，较为理想的是开口角θ=no·g·ro在0.05≤no·g·ro≤0.50的范围内。
柱镜1的光轴1a上的折射率(中心折射率)no，其值越大越好，因为，开口角也增大。例如，在玻璃镜的情况下，由于一价阳离子成分含有量多，因此，no可实现的值是在1.4≤no≤1.8的范围内。
在上述的具有柱镜点阵2的成像光学装置中，如图5所示，因为在像面4上形成由多个柱镜1构成的合成像，所以方便于使用其所谓的重合程度，也就是“重叠度”的无因次量。该重叠度m由下述(数学式8)表示。m=Xo/2R上式(数学式8)中，Xo是单一柱镜1投在像面4上的图象半径(视野半径)，Xo=-ro/cos(Zoπ/P)。
图6示出重叠度m在0.90-1.20的范围内变化的情况时的重叠度m和光量不匀称的关系。
轴错位时的光量不匀称能够用表示视野半径Xo内的光量分布的下式(数学式9)求得。E(X)=Eo.{1-(X/Xo)2}0.5上式(数学式9)中，Eo是光轴上的光量，X是距光轴的距离，E(X)是距光轴的距离X时的光量。
从图6可知，例如，m=1.13时，虽然中心轴(图9中的[6])上的光量不匀称变得极小，但当产生轴错位时，光量的不匀称急剧增加。另一方面，在m=0.94时，虽然轴上的光量不匀称稍微大一些，但由于即使轴错位量增大，光量不匀称也保持在比较低的值上，因此不易受到轴错位的影响。
扫描装置所允许的光量不匀最大是20％，根据用途，要求最好在15％以下。另外，作为组装过程中发生的轴错位量的界限，最好确保±0.15mm的程度。与之相对应，例如在R=0.5mm的柱镜点阵情况下，作为轴错位量的允许范围应确保在0.3R以上。
因而，可从图6知道，为实现不妨碍实用的光不匀称，其条件是“轴错位量为0时，光量不匀称为20％以下，轴错位量在0.3R以下范围，光量不匀称为20％以下”而为大体满足该条件，重叠度优选范围是0.91≤m≤1.01。此外，为使“轴错位量0.3R以下的范围，光量不匀称基本为15％以下”，重叠度m的最佳范围是0.93≤m≤0.97。
4次以上的高次折射率分布常数h4、h6、h8…的值会对球面象差和像面弯曲产生影响。因此，为了使平均分辨率成为最好，有必要选择h4、h6、h8…的值以符合柱镜点阵的条件。
上述构成中，如图(7a)所示，为了使原稿面3位于柱镜点阵2的前焦点位置上，最好配置平行平面的透明基板(盖玻璃)5。根据该构成，只要把原稿压放在透明基板5的表面上，就能够把原稿面3设定在前焦点位置上。在此情况下，如图7(b)所示，平行平面的透明基板(盖玻璃)5最好与柱镜点阵2的镜面接触。这是通过调整透明基板(盖玻璃)5的厚度就能够容易地实现的，采用这样的构成，由于能够简单化成像光学装置在组装过程中柱镜点阵2和前焦点位置的间隔调整作业，因此，能够实现降低成本。
(第一实施例)下面，举例具体的实例，以更详细地说明本发明。在以下所示的实施例和比较例中，都是使用等倍成像的柱镜点阵，柱镜点阵是将半径方向有折射率分布的圆柱状柱镜以其光轴相互平行地配置成2列而成。
明亮度和光量不匀称用单个柱镜的光量分布式(参照上式(数学式9)来计算。另外，MTF(Modulation Transfer Function)值用美国Sinclair Optics公司制的光学设计软件[Oslo Six]进行计算。
实施例1是相邻的柱镜的光轴间距离2R为1.085mm、重叠度m为0.930时的情况。下表1记载了具体的设计值，图8示出轴错位量为ΔX时的光量不匀称。下表1所示的MTF是对应于12Line-pair/mm图形及24Line-pair/mm图形的值。是图9所示的在A点处的Y轴方向和X轴方向的计算值。从图8可知，在轴错位量ΔX为0.28R(相当于0.15mm)以下的范围，光量不匀称变为15％以下的实用值。
实施例2是相邻的柱镜的光轴间距离2R为0.300mm、重叠度m为0.960时的情况。下表1记载了具体的设计值，图8示出轴错位量为ΔX时的光量不匀称。从图8可知，在轴错位量ΔX为0.35R(相当于0.053mm)以下的范围，光量不匀称变为15％以下的实用值。由于轴错位量的允许范围与R成正比，因此，相比R大的实施例1，有必要提高组装精度。
实施例3是相邻的柱镜的光轴间距离2R为0.900mm、重叠度m为0.910时的情况。计表2记载了具体的设计值，图8示出轴错位量为ΔX时的光量不匀称。从图8可知，在轴错位量ΔX为0.20R(相当于0.09mm)以下的范围，光量不匀称变为15％以下的实用值。
实施例4是相邻的柱镜的光轴间距离2R为0.100mm、重叠度m为0.970时的情况。下表2记载了具体的设计值，图8示出轴错位量为ΔX时的光量不匀称。从图8可知，在轴错位量ΔX为0.40R(相当于0.02mm)以下的范围，光量不匀称变为16％以下的实用值。
实施例5是相邻的柱镜的光轴间距离2R为0.600mm、重叠度m为1.010时的情况。下表3记载了具体的设计值，图8示出轴错位量为ΔX时的光量不匀称。从图8可知，即使轴错位量是0，光量不匀称仍超过15％，而在轴错位量ΔX为0.50R(相当于0.15mm)以下的范围，光量不匀称变为20％以下，根据不同的用途，也可以是实用的值。
表1
表2
表3
比较例1使用具有与实施例1相同光学特性的柱镜，重叠度为1.43。而比较例2使用具有与实施例2相同光学特性的柱镜，而重叠度为1.50。这些比较例的具体数值示于下表4中。
表4
上述(表4)中的[明亮度]意味着无轴错位时Y轴方向上的平均光量，把分别对应的实施例的明亮度定为100。
比较例1、2的明亮度和MTF值分别较对应的实施例1、2差，可见根据本发明，提高了光量和分辨力。
(第2实施形式)在本实施例中，将重叠度m定在0.91≤m≤1.01的范围内，与现有的相比，增大了平均光量，且通过对柱镜点阵的镜面进行掩膜处理缩小光量不匀称。
图10示出本发明的第2实施例的柱镜点阵平面图。如图10所示，在柱镜点阵2的单侧镜面上，设置了遮光膜7，该遮光膜7具有近似矩形的开口部7a，该开口部7a沿柱镜点阵2的纵向开口。这样构成的遮光膜7简单而又容易设置。
遮光膜7的设置有以下几种方法(1)将具有细长开口的金属制或塑料制等的薄板贴在柱镜点阵2的镜面上，(2)在柱镜点阵2的镜面的遮光部分上直接印刷黑墨等，(3)使组装作为部件的柱镜点阵2的支架具有遮光膜的功能；等。
遮光膜7的开口部7a最好相对于柱镜点阵2的镜面纵向中心轴对称。当把起到柱镜1的透镜作用的部分的半径定义为ro时，最好遮光膜7的开口部7a的半辐值W在(√3/2)R+0.1r0≤W≤(√3/2)R+0.6r0的范围内。遮光膜7的开口部7a的半辐值W比(√3/2)R+0.1r0小时，光量大大降低。而遮光膜7的开口部7a的半辐值W比(√3/2)R+0.1r0大时，几乎得不到光量不匀称的改善效果。
遮光膜7的设置，在即使不设置遮光膜7光量不匀称也比较小时，也就是说，重叠度m在0.91≤m≤1.01的范围内时，效果特别大。
(第2实施例)下面，举出具体的实施例，更详细地说明本发明。在以下所示的实施例和比较例中，都是使用等倍成像的柱镜点阵2，柱镜点阵2是将半径方向有折射率分布的圆柱状柱镜1以其光轴相互平行地配置成2列而成。
实施例及比较例是相邻柱镜1的光轴间距离2R为1.000mm、重叠度m为0.940时的情况。具体设计值示于下表5中。
表5
实施例6，遮光膜7的开口部7a的半辐值W=1.3R=(√3/2)R+0.434r0，实施例7，W=1.1R=(√3/2)R+0.234r0，实施例8，W=1.466R=(√3/2)R+0.600r0，实施例9,W=0.966R=(√3/2)R+0.100r0，比较例3是不设遮光膜7的情况，分别就无轴错位的情况和轴错位量ΔX=0.3R的情况计算光量不匀称。将计算结果示于下表6，表7及图11，图12，图13，图14。
表6
表7
另外，光量的评价用美国Sinclair Optics公司制的光学设计软件“Oslo Six”进行，从光源放射后到达像面的光线的根数表示“明亮度”。以比较例3的无轴错位时的平均光量(=100)作为光量的基准。
如上表6，上表7，图11，图12，图13，图14所示，在比较例3中，轴错位量ΔX=0.3R时光量不匀称达到13.95％，而实施例6-9，分别被改善为12.18％,11.11％,13.80％,9.61％。另一方面，无轴错位时的光量不匀称即使设遮光膜也几乎不变化。
相对于不设遮光膜7时(比较例3)的平均光量的降低，在实施例6中为2％，实施例7,13％，实施例8,0％，实施例9,22％(均无轴错位)，对于与重视光量平均值相比更加重视使光量不匀称变小的用途很有效。
另外，对于本发明的第2实施方式，R,m的值不限于实施例所示的数值，最佳值是在与上述第1实施方式相同的范围内。
如上所述，根据本发明，由于分辨力和明亮度比现有柱镜点阵高，因此，能够实现在传真装置，复印机，打印机，扫描仪等的光学仪器上使用的扫描装置的分辨力提高和扫描时间的缩短。
权利要求
1．一种成像光学装置，具有柱镜点阵和配置在上述柱镜点阵两侧的原稿面及像面，上述柱镜点阵是将在半径上具有折射率分布的柱镜以其光轴相互平行地配成2列，每列有多个柱镜，其特征在于当把相邻的上述柱镜的光轴间距离定为2R，把上述柱镜投在上述像面上的图象半径定为XO时，由下式(数学式1)定义的重叠度m在0.91≤m≤1.01的范围内，[数学式1]m=XO/2R
2．根据权利要求1所述的成像光学装置，其特征在于重叠度m是在0.93≤m≤0.97的范围内。
3．根据权利要求1所述的成像光学装置，其特征在于R是在0.05 mm≤R≤0.60mm的范围内。
4．根据权利要求1所述的成像光学装置，其特征在于是柱镜的起到透镜作用的部分的半径ro理想的范围是0.50R≤rO≤1.0R。
5．根据权利要求1所述的成像光学装置，其特征在于在柱镜点阵的至少单侧镜面上设遮光罩，该遮光罩应具有近似矩形状的开口部，该开口部朝着上述柱镜点阵的纵向开口。
6．根据权利要求5所述的成像光学装置，其特征在于上述遮光罩的开口部相对柱镜点阵的镜面的纵向中心轴对称。
7．根据权利要求6所述的成像光学装置，其特征在于当把柱镜的起到透镜作用的部分的半径定义为ro时，遮光罩开口部的半辐值W在(√3/2)R+0.1r0≤W≤(√3/2)R+0.6r0的范围内。
8．根据权利要求1所述的成像光学装置，其特征在于把从柱镜的光轴处测得的径向距离设为r，把上述柱镜的光轴上的折射率定为no，把折射率分布系数定为g、h4、h6、h8时，则上述柱镜的折射率分布由下式(数学式2)表达，[数学式2]n(r)2=no2·{1-(g·r)2+h4·(g·r)4+h6·(g·r)6+h8·(g·r)8+…)
9．根据权利要求8所述的成像光学装置，其特征在于柱镜的光轴上的折射率no是1.4≤no≤1.8的范围内。
10．根据权利要求8所述的成像光学装置，其特征在于当把柱镜的起到透镜作用的部分的半径定义为ro时，则满足0.05≤no·g·ro≤0.50的关系。
11．根据权利要求8所述的成像光学装置，其特征在于把柱镜的长度定为Zo，上述柱镜的周期长定为P=2π/g时，则Zo/P在大于0.5而小于1.0的范围内。
12．根据权利要求1所述的成像光学装置，其特征在于使原稿面位于柱镜点阵的前焦点位置上地配置平行平面的透明基板。
13．根据权利要求12所述的成像光学装置，其特征在于平行平面的透明基板与柱镜点阵的镜面接触着。
全文摘要
既考虑轴错位时的光量不匀称,又尽可能地减小重叠度m,实现柱镜点阵的光量增大和分辨力提高的高性能成像光学装置。本发明的成像光学装置具有柱镜点阵2和配置在上述柱镜点阵2两侧的原稿面3及像面4,上述柱镜点阵是将在半径上具有折射率分布的柱镜1以其光轴相互平行地配成2列,每列有多个柱镜,其特征在于当把相邻的上述柱镜的光轴间距离定为2R,把上述柱镜投在上述像面上的图象半径定为Xo时,由下式(数学式10)定义的重叠度m在0.91≤m≤1.01的范围内。[数学式10]m=Xo/2R。
文档编号H04N1/04GK1308241SQ00120698
公开日2001年8月15日 申请日期2000年12月20日 优先权日1999年12月20日
发明者橘高重雄 申请人:日本板硝子株式会社