JPH06273692A - 結像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 特に難しいノウハウを必要とせず、製作が容
易で、色収差が小さいライン結像素子を提供する。 【構成】 本発明によるライン結像素子は、ダブプリズ
ムの反射面が、入・出射面に直交する面と該反射面が交
わる直線に平行な稜線を持つ直角プリズムが少なくとも
一つ以上並んだ直角プリズム面に置き換えられてなる一
対の透明部材３，３を、該透明部材の直角プリズム面が
外側になるように対称に配置し、さらに二枚の焦点距離
が等しい凸レンズ１，２を両透明部材の入・出射面にそ
れぞれ置いたものを構成単位とし、該構成単位が該凸レ
ンズの光軸に垂直な直線上に複数個配列されて構成され
る。この構成単位を該凸レンズの光軸に垂直な面上で、
少なくとも一つは同一直線上にないように三つ以上配列
して面状に構成することもできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ファクシミリや電子複
写機、ＬＥＤプリンタ等に使われる結像素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ファクシミリや電子複写機、ＬＥＤプリ
ンタ等には、ライン上の被写体を等倍率でセンサや感光
ドラム上に投影するライン状の結像素子が使われてい
る。このような結像素子としては、中心から半径方向
に屈折率が連続的に変化する円柱状の透明体をアレイに
した、いわゆるロッドレンズアレイ、球面レンズのア
レイを形成した板を多層（三層にすることが多い）に重
ね合わせたもの（例えば特公昭４９−８８９３号公報、
特開昭５７−１０４９２３号公報、特開昭５７−６６４
１４号公報参照）、ダハプリズムとレンズの組み合わ
せによる正立等倍光学系をアレイ状に配列したもの（例
えば特開昭６１−２１０３１９号公報、特開昭５６−１
１７２０１号公報、特開昭５６−１２６８０１号公報、
特開昭５６−１４０３０１号公報、特開昭５６−１４９
００２号公報、特開昭６０−２５４０１８号公報、特開
昭６０−２５４０１９号公報、特開昭６０−２５４０２
０号公報、特開昭６１−２３３７１４号公報、特開昭６
２−９１９０２号公報、特開昭６２−２０１４１７号公
報参照）がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】これらの従来の技術に
は、それぞれ次のような問題点がある。上記した結像素
子の方式においては、円柱状の透明体に屈折率の分布
を形成すること、また、これを精密に制御することが必
要であるが、これには特殊なノウハウが必要であり、容
易に実現できる技術ではない。また、径の大きなロッド
レンズを作ることは特に困難であるため、レンズと被写
体との距離を大きくとりたいときには、Ｆ値が低下して
暗い光学系になってしまうという問題がある。

【０００４】次に、方式においては、レンズアレイの
各層における単レンズの光軸を十分な精度で合わせるこ
とが難しく、特に長いアレイを作ることは困難であると
いう問題がある。加えて、方式においては、光線の
屈折角の積算が大きくなるため、色収差が大きくなり易
いという欠点がある。

【０００５】一方、方式は、像の反転にダハプリズム
（あるいはルーフミラー）を使うために、屈折角の積算
は小さく、色収差は小さい。しかしながら、ダハプリズ
ム（あるいはルーフミラー）とレンズの軸合わせを精度
よく行うことが難しいという問題点がある。そこで、本
発明は、上記した各種従来技術の問題点を解消し、特に
難しいノウハウを必要とせず、製作が容易で、色収差が
小さい結像素子を提供することを目的とする。

【０００６】また、本発明は、ライン状のみならず、二
次元像の投影を可能とする面状に構成することのできる
結像素子を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本願第１の発明による結
像素子は、ダブプリズム（あるいは梯形プリズム）の反
射面が、入・出射面に直交する面と該反射面が交わる直
線に平行な稜線を持つ直角プリズムが少なくとも一つ以
上並んだ直角プリズム面に置き換えられたダブプリズム
をそれぞれ形成する一対の透明部材を、該透明部材の直
角プリズム面が外側になるように接して対称に配置し、
さらに二枚の焦点距離が等しい凸レンズを両透明部材の
入・出射面にそれぞれ配置したものを構成単位とし、該
構成単位が該凸レンズの光軸に垂直な直線上に複数個配
列されて構成される。

【０００８】また、本願第２の発明による結像素子は、
この構成単位を該凸レンズの光軸に垂直な面上で、少な
くとも一つは同一直線上にないように三つ以上配列され
て構成される。本願第２の発明による別の結像素子は、
ダブプリズムの反射面が、入・出射面に直交する面と該
反射面が交わる直線に平行な稜線を持つ直角プリズムが
少なくとも一つ以上並んだ直角プリズム面に置き換えら
れたダブプリズムをそれぞれ形成する一対の透明部材
を、該透明部材の直角プリズム面が外側になるように接
して対称に配置し、さらに入・出射面それぞれに二枚の
互いに焦点距離が等しく母線が平行なシリンドリカル凸
レンズを配置したものを構成単位とし、該構成単位が該
シリンドリカル凸レンズの母線に垂直な直線上に複数個
配列され、かつ、両シリンドリカル凸レンズ列に面して
該構成単位の配列方向に平行な母線を持つ二本の帯状シ
リンドリカル凸レンズが配設されて構成される。

【０００９】

【作用】レンズアレイを使った結像素子では、各構成単
位が正立像を結ぶことがつながりのあるライン像を得る
ために必要である。上記した本発明による結像素子によ
れば、ダブプリズムと直角プリズムによる像反転作用を
使って像を正立させることができるので、レンズの負担
を低減し、色収差や光軸合わせの負担を減らすことが可
能となる。

【００１０】しかも、本発明による結像素子は、二次元
方向に正立等倍像を得ることができ、したがって、面状
の結像素子を形成することが可能である。

【００１１】

【実施例】図１は、本願第１の発明による結像素子の構
成単位の一例の斜視図であり、図２（ａ）はｙｚ面、図
２（ｂ）はｘｚ面の平面図である。図中、１および２は
凸レンズ、３は透明部材、４は直角プリズム面、５は接
着剤、６は物体面、７は像面である。物体面６、像面７
はそれぞれのレンズから焦点距離だけ離れた位置にあ
り、凸レンズ１，２は共通の光軸を持ち、これが物体面
６、像面７と交わる点をそれぞれ物体面、像面の原点Ｏ
とする。ｙ方向には図２（ａ）に示すように直角プリズ
ム面の働きで正立像が得られ、ｘ方向にはダブプリズム
３の働きで正立像が得られる。このことをさらに詳しく
説明する。

【００１２】図３は、直角プリズムの作用を説明するも
ので、図１の構成単位を像面７から見たｘｙ平面図であ
る。物体面の原点Ｏとｘ軸上の点ｘ₁ から発した光は、
凸レンズ１により進行ベクトルのｙ成分が０である平行
光にそれぞれ変換され、透明部材３に入って直角プリズ
ム面４で反射し、透明部材３を出て凸レンズ２に至る。
この間に光線ベクトルはｙ成分を生じないから、像面に
おいてこれらの光が点Ｏと同じｙ座標に至ることが分か
る。

【００１３】透明部材３は、ｘｚ面内ではダブプリズム
（あるいは梯型プリズム）と同様な機能を有する。図４
は、ダブプリズムの作用を説明するもので、入射面に光
軸となす角αで入射した光が反射面で反射して、出射面
から逆向きに同じ角度αで出射するのが特徴であり、入
・出射面が反射面と鋭角θをなしているため、屈折によ
り光軸に沿った光に対して効率よく作用する。

【００１４】このことから、ｘｚ面内での上記構成単位
の作用を以下のように説明できる。物体面６の点ｘ₁ か
ら凸レンズ１に入った光はまずレンズ１の作用で光軸
（ｚ軸）と角度−ｔａｎ^-1（ｘ₁ ／ｆ）をなす平行光に
変換される（ただし、ｆはレンズ１及び２の焦点距離を
表す）。次いで、上記した透明部材３の作用（ダブプリ
ズムの作用）によって、この光は光軸と角度ｔａｎ
^-1（ｘ₁ ／ｆ）をなす平行光に変換され、レンズ２の作
用で像面７上の座標ｘ₁ の点に集束する。こうして、ｘ
₁ のｙ座標は上記した通り保存されるから、結局、物体
面の点ｘ₁ から発した光は、像面上の点Ｏから見て同等
の位置、すなわち、正立等倍像の位置に集束されること
になる。

【００１５】また、図３において、物体面のｙ軸上の点
ｙ₁ から発した光は、凸レンズ１で進行ベクトルのｘ成
分が０である平行光に変換され、透明部材３に入って直
角プリズム面４で反射するが、この際直角プリズム４の
作用で進行ベクトルのｙ成分の大きさはそのままで符号
が反転し、透明部材３を出て凸レンズ２に至る。図４の
作用において、透明部材３を出た光のベクトルはｘ成分
を持たないから、上記したｘ座標についての説明がｙ座
標にもそのまま当てはまり、この光線がレンズ２の作用
で像面７上の正立等倍像の位置座標ｙ₁ の点に集束する
こととなる。

【００１６】以上の説明は物体面６の任意の座標の点に
ついても適用でき、像面７には完全な正立等倍像が得ら
れることとなる。すなわち、（１）レンズ１による位置
−角度変換、（２）ダブプリズムおよび直角プリズム面
による角度の反転、（３）レンズ２による角度−位置変
換によって、ｘ方向の正立等倍像が得られる。したがっ
て、この構成単位をｘ方向あるいはｙ方向に並べること
によって、連続した正立等倍像を得ることができる。

【００１７】このことは、レンズ１からレンズ２までの
間で位置の情報が意味を持たないことを示しており、こ
れが本結像素子の光学的な安定性につながっている。す
なわち、図２（ｂ）においてレンズ１あるいはレンズ２
の位置がｘ，ｙ方向に少しずれても、それは像の平行移
動に現われるだけであって、像の質自体はほとんど変わ
らない。レンズアレイを組み立てる上で最も問題になる
のは、レンズ間のピッチの変動が配列方向に積算されて
無視できない光軸ずれを起こすことであるが、本結像素
子は、この配列方向の光軸ずれの影響を受けにくいとい
う特徴をもっている。

【００１８】図７乃至図９は、上記した構成単位を直線
上に配列する場合の配列方法の例を簡略的に示したもの
であり、各図中の（ａ）および（ｂ）はそれぞれ透明部
材３のアレイおよび凸レンズ１，２のアレイを示してい
る。図７および図８は、各構成単位の直角プリズム面４
が互いに接するように並べる例であり、図７に示した例
は直角プリズムの噛み合いを使って配列密度を上げてい
るため、噛み合いの部分で隣の構成単位の光が混じらな
いように、レンズ１，２には遮光部１−１（２−１）を
設けて不連続に並んだアレイを用いる必要がある。この
場合、図５（ａ）に示すように直角プリズムの側面を遮
光しない場合には、レンズ１，２には遮光部１−１（２
−１）が必要であるが、図５（ｂ）に示すように重なり
合う部分を黒塗装８で遮光した透明部材を使う場合に
は、この遮光部は必要ない。

【００１９】一方、図８に示すように、各構成単位が重
ならないように並べられた例においても、遮光部は必要
ない。また、図９に示したものは、これと垂直な方向に
並べる例であるが、この場合も隣の構成単位の光が混じ
らないように各構成単位の間には遮光板３−１，３−１
…を置いてシールドするのがよい。本願第１の発明によ
る結像素子の構成単位を図８のように配列した実施例を
図６に、図９のように配列した実施例を図１０に示し
た。いずれにおいても連続した正立等倍像を得ることが
できる。

【００２０】具体的な実施例として、ａ＝１１．２mm、
ｂ＝２．８mm、θ＝４５°、プリズムの高さ６mmで反射
面に１mmピッチの直角プリズムを６列刻んだポリメチル
メタクリレート製の図５（ａ）に示したプリズム２０個
と、曲率半径８mmで６mm×６mmの正方形の凸レンズが１
０個並んだポリメチルメタクリレート製レンズアレイ二
枚を使い、図６の結像素子を組立てた。この結像素子を
使用することにより、共役長４７mmで明るい正立等倍像
が得られることを確認した。また、同じ部品を図１０の
ように組み立てた場合も、同じ共役長で正立等倍像が得
られた。

【００２１】また、容易に分かるように、本構成単位は
直線上に限らず二次元的に並べても像の連続性は保たれ
る。したがって、例えば図７乃至図９の配列方法をｙ方
向に複数列積み上げることによって明るさを増したり、
大面積の像を得ることが可能になる。本願第２の発明に
よる結像素子はこれを実現するものであり、例えば図１
７のような配列方法により構成される。図１８は、この
ような本願第２の発明による結像素子の実施例を示す斜
視図であり、本結像素子は大面積の正立等倍像を得るの
に適している。

【００２２】上記した結像素子における構成単位につい
ては、二つの透明部材３が対する面、すなわち反射面の
反対側の面は粗面とし、黒色の接着剤５で接着するのが
好ましい。これによって、図１１中に点線により示した
ように、反射面に反射してから出射面に至らなかった光
線を吸収し、迷光の発生を防ぐことができる。この場合
でも、図１２のような迷光を生じることが考えられる
が、このような迷光はθ≦９０°−ｓｉｎ^-1（１／ｎ）
が満たされれば存在しない。

【００２３】図１３は、透明部材３の好ましい長さを示
したものである。光軸（ｚ軸）に沿った光線が損失無く
伝わる条件は、

【００２４】

【数１】

【００２５】であり、この場合各構成単位ではレンズの
中心軸周辺の像が最も明るく、収差の最も少ない部分を
有効に使えるので、有利である。次に、図１４は、本願
第３の発明による結像素子の構成単位とシリンドリカル
レンズの一部の一例を示す斜視図であり、図１５（ａ）
はｙｚ面、図１５（ｂ）はｘｚ面の平面図である。上述
した構成単位におけるレンズ１，２の働きをそれぞれ二
つのシリンドリカル凸レンズ９，１１およびシリンドリ
カル凸レンズ１０，１２の組み合わせで置き換えたもの
である。このようにシリンドリカル凸レンズを使うこと
によって部品数は増えるが、（１）アレイ化する際にシ
リンドリカル凸レンズ１１，１２をそれぞれ一本の共通
の帯状シリンドリカル凸レンズに形成することができ、
この結果、各構成単位のｙ方向の像のずれを生じにくい
こと、（２）必要ならば、帯状シリンドリカル凸レンズ
１１，１２の焦点距離及び位置を変えてｙ方向の視野角
（開口角）の変更や拡大・縮小が可能になるというメリ
ットがある。

【００２６】図１６は、図１４，１５に示した構成単位
を配列した本願第３の発明による結像素子の実施例であ
る。この結像素子においても、図９のような配列も可能
であり、その場合は図１５においてシリンドリカル凸レ
ンズ９〜１２をそのままにして、各構成単位の張り合わ
された二つの透明部材３がｚ軸を中心に９０°回転した
ものとなる。

【００２７】具体的な実施例として、先と同じプリズム
２０個と、曲率半径９mmで６mm×６mmの正方形のシリン
ドリカル凸レンズが１０個並んだポリメチルメタクリレ
ート製レンズアレイ二枚と、曲率半径８mmで幅６mmの帯
状シリンドリカル凸レンズ二本とを使い、図１６の結像
素子を組立てた。この結像素子を使用することにより、
共役長５０mmで明るい正立等倍像が得られることを確認
した。

【００２８】図１６に示した結像素子も、ｙ方向に積み
重ねて大面積の像を得るようにすることができるが、図
１７のように積み上げるのではシリンドリカルレンズを
使うメリットが生きないので、この結像素子はあくまで
一次元の配列を基本とし、必要ならば一次元配列を積み
上げて二次元配列とするものである。

【００２９】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明による結像素
子においては、ロッドレンズアレイや三層レンズアレイ
と異なり、反射を利用して像反転を行いレンズの負担を
軽減したため、屈折によって生じる色収差を初めとする
収差は他のレンズアレイに比較して少ない。

【００３０】また、本発明による結像素子は、単純な光
学部品の組み合わせで構成されており、比較的簡単な軸
合わせで実用的な性能を得ることが可能である。更に、
本発明による結像素子によれば、ライン状だけでなく、
面状のものを構成することができ、明るい像を得ること
ができるのみならず、二次元像の正立等倍像の投影が可
能となり、新たな有用性を付加するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願第１の発明による結像素子の構成単位の一
例を示す斜視図である。

【図２】本願第１の発明による結像素子の構成単位の一
例を示す平面図である。

【図３】本願第１の発明による結像素子の構成単位の作
用を説明するための説明図である。

【図４】ダブプリズムの作用を説明する説明図である。

【図５】本願第１の発明による結像素子における透明部
材の斜視図である。

【図６】本願第１の発明による結像素子の実施例を示す
斜視図である。

【図７】本願第１の発明による結像素子における構成要
素の配列例を示す説明図である。

【図８】本願第１の発明による結像素子における構成要
素の配列例を示す説明図である。

【図９】本願第１の発明による結像素子における構成要
素の配列例を示す説明図である。

【図１０】本願第１の発明による結像素子の他の実施例
を示す斜視図である。

【図１１】本願第１の発明による結像素子における構成
単位の作用を説明するための説明図である。

【図１２】本願第１の発明による結像素子における構成
単位の作用を説明するための説明図である。

【図１３】本願第１の発明による結像素子における構成
単位の作用を説明するための説明図である。

【図１４】本願第３の発明による結像素子の構成単位の
一例を示す斜視図である。

【図１５】本願第３の発明による結像素子の構成単位の
一例を示す平面図である。

【図１６】本願第３の発明による結像素子の実施例を示
す斜視図である。

【図１７】本願第２の発明による結像素子における構成
要素の配列例を示す説明図である。

【図１８】本願第２の発明による結像素子の実施例を示
す斜視図である。

【符号の説明】

１…凸レンズ １−１…遮光部 ２…凸レンズ ２−１…遮光部 ３…透明部材 ３−１…遮光板 ４…直角プリズム面 ５…接着剤 ６…物体面 ７…像面 ８…黒塗装 ９…シリンドリカル凸レンズ １０…シリンドリカル凸レンズ １１…帯状シリンドリカル凸レンズ １２…帯状シリンドリカル凸レンズ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ダブプリズムの反射面が、入・出射面に
   直交する面と該反射面が交わる直線に平行な稜線を持つ
   直角プリズムが少なくとも一つ以上並んだ直角プリズム
   面に置き換えられたダブプリズムをそれぞれ形成する一
   対の透明部材を、該透明部材の直角プリズム面が外側に
   なるように接して対称に配置し、さらに二枚の互いに焦
   点距離が等しい凸レンズを該入・出射面にそれぞれ配置
   したものを構成単位とし、該構成単位が該凸レンズの光
   軸に垂直な直線上に複数個配列されている結像素子。
2. 【請求項２】 構成単位が該凸レンズの光軸に垂直な面
   上で、少なくとも一つは同一直線上にないように三つ以
   上配列されている請求項１に記載の結像素子。
3. 【請求項３】 ダブプリズムの反射面が、入・出射面に
   直交する面と該反射面が交わる直線に平行な稜線を持つ
   直角プリズムが少なくとも一つ以上並んだ直角プリズム
   面に置き換えられたダブプリズムをそれぞれ形成する一
   対の透明部材を、該透明部材の直角プリズム面が外側に
   なるように接して対称に配置し、さらに該入・出射面に
   それぞれ二枚の互いに焦点距離が等しく母線が平行なシ
   リンドリカル凸レンズを配置したものを構成単位とし、
   該構成単位が該シリンドリカル凸レンズの母線に垂直な
   直線上に複数個配列されたものと、該シリンドリカル凸
   レンズの列のそれぞれに面して配設され、かつ、該構成
   単位の配列方向に平行な母線を持つ二本の帯状シリンド
   リカル凸レンズとを備えた結像素子。