JP2001119529A

JP2001119529A - 密着イメージセンサー

Info

Publication number: JP2001119529A
Application number: JP29749399A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shimura; 崇志村; Daisaku Okuwaki; 大作奥脇
Original assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Current assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Priority date: 1999-10-19
Filing date: 1999-10-19
Publication date: 2001-04-27

Abstract

(57)【要約】【課題】低コストで小型化で使い勝手が良いレンズア
レイを備えた密着イメージセンサー。【解決手段】原稿９を載置する透明板と、透明板７上
の原稿面を照射する光源ＬＥＤアレイ６と、光源による
原稿面の反射光を結像するレンズアレイと、原稿面から
の反射光をレンズアレイを通して光変換するための受光
素子アレイ４とを備えた密着イメージセンサーにおい
て、レンズアレイを構成するロッドレンズの代わりに液
晶マイクロレンズ２１を用いた。また、前記透明板７は
液晶マイクロレンズ２１を構成する上ガラス基板で兼ね
る。ロッドレンズより作製が容易、電極に印加する電圧
の制御により液晶の屈折率を制御できるので、焦点距
離、分解能、焦点深度、明るさ等の機能を有するレンズ
が構築でき使い勝手が良い。小型・薄型化が可能で、コ
ストが低減できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、イメージスキャ
ナ、ファクシミリ等の密着イメージセンサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、イメージスキャナ、ファクシミリ
等の密着イメージセンサーの構造として、例えば、図８
及び図９に示すような密着イメージセンサーが一般的で
ある。図８及び図９において、密着イメージセンサー１
０は、光変換を行う画素が複数個配置したセンサーＩＣ
１と、保護膜２と、これが実装された基板３とからなる
受光素子アレイ４と、原稿を照射する線状光源であるＬ
ＥＤアレイ５と、原稿の像をセンサー受光部に結像する
ロッドレンズアレイ６と、原稿９を搭載する透明板７
と、これらの部材を支持するフレーム８とによって構成
されている。

【０００３】上記した構成の密着イメージセンサー１０
の動作は、ＬＥＤアレイ５により原稿９を照射し、前記
原稿９の読み取りライン上の拡散反射光をロッドレンズ
アレイ６によりセンサー画素列上に結像し、前記反射光
のもつ原稿９の濃淡情報、即ち光の強弱を個々のセンサ
ー画素を電気信号に変換し、主走査方向に順次送り出
す。そして、前記原稿９とセンサー画素列との相対位置
を副走査方向に移動させて前記走査方向のデータ送出を
繰り返すことにより２次元画像情報を時系列電気信号に
変換するものである。

【０００４】ここで、上記したロッドレンズの原理と構
造について説明する。図１０はロッドレンズの屈折率分
布を示す図、図１１はロッドレンズ内の光線の進み方を
示す図、図１２はロッドレンズのイオン交換を示す図で
ある。

【０００５】ロッドレンズは、図１０において、ｎ₀ は
光軸上の屈折率、ｒは光軸から半径方向への距離を示す
ものであり、図１０の様に屈折率が中心から周縁に向か
って、略放物線状に減少していく円柱状のガラスロッド
のことである。図１１に示す様に、例えば、光ファイバ
１１等でレーザ光線をロッドレンズ６に入射させると、
光線はロッドレンズ６の中心に対して略正弦曲線状に蛇
行しながら進行する。光は、一般に、屈折率が高い域で
は遅く、逆に低い域では速く進行することから、図１１
の光線のうち、中心部の高屈折率域を通る場合と周縁部
の低屈折率域を通る場合で光路長が異なっていても同時
に進行し遅延することなく一端に到達することになる。
両端面が平坦であるにもかかわらず、ロッドレンズ６が
レンズ作用を有するのはこのためである。

【０００６】前記ガラスロッド（ロッドレンズ）６に屈
折率分布を形成する方法としては、イオン注入法、モレ
キュラースタッフィング法、イオン交換法等があるが、
ロッドレンズの場合、屈折率分布が円滑に、且つ、対称
性良く形成されるイオン交換法を用いている。この方法
では、図１２に示す様に、塩浴炉１２を使用しガラスロ
ッド６を高温の溶融塩１３中に侵漬することによって、
ガラスロッド６中のアルカリイオンＡと溶融塩１３中の
アルカリイオンＢとのアルカリイオン同士を交換させ、
その結果、ガラスロッド６中にイオン濃度拡散分布を形
成させる。この分布は略放物線状で屈折率分布はこの分
布に比例したものである。

【０００７】尚、上記したロッドレンズ６には次の様な
特性を有する。即ち、 1両端面が平坦な小型軽量のレン
ズである。 2長さにより結像条件が自由に変えられる。
3端面結像も可能て短焦点レンズである。 4光軸と幾何
中心が一致し、調整容易である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たロッドレンズは、その製作にあたりイオン交換法等の
処理を行うため設備及び製作コストが高くなってしま
う。また、ロッドレンズは現在数社が販売しているが、
コスト及び使い勝手において十分ではない。更に、密着
イメージセンサーの外形寸法を小型化しようとしてもロ
ッドレンズに限度がある。従って、低コストで小型化が
可能なレンズアレイを有する密着イメージセンサーの出
現が課題になった。

【０００９】本発明は上記課題に鑑みなされたものであ
り、その目的は、従来のロッドレンズを使用せずに、小
型、軽量で安価な密着イメージセンサーを提供するもの
である。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明における密着イメージセンサーは、原稿を載
置する透明板と、該透明板上の原稿面を照射する光源
と、該光源による前記原稿面の反射光を結像するレンズ
アレイと、前記原稿面からの反射光を前記レンズアレイ
を通して光変換するための受光素子アレイとを備えた密
着イメージセンサーにおいて、前記レンズアレイを構成
するロッドレンズの代わりに液晶マイクロレンズを用い
たことを特徴とするものである。

【００１１】また、前記原稿を載置する透明板は、前記
液晶マイクロレンズを構成する上ガラス基板であること
を特徴とするものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下図面に基づいて本発明におけ
る密着イメージセンサーについて説明する。図１は、本
発明の第１の実施の形態に係わる密着イメージセンサー
の断面図、図２は、図１の液晶マイクロレンズの斜視図
である。図３は、図２の液晶マイクロレンズの構造を説
明する断面図である。図４は、液晶セル内の等電位面、
図５は分子配向のシミュレーションを示す模式図であ
る。従来技術と同一部材は同一符号を示す。

【００１３】図１において、密着イメージセンサー２０
は、従来のロッドレンズアレイの代わりに液晶マイクロ
レンズを使用したものであり、光変換を行う画素が複数
個配置したセンサーＩＣ１と、保護膜２と、これが実装
された基板３とからなる受光素子アレイ４と、原稿を照
射する線状光源であるＬＥＤアレイ５と、原稿の像をセ
ンサー受光部に結像するための後述する液晶マイクロレ
ンズ２１と、原稿９を搭載する透明板７と、これらの部
材を支持するフレーム８とによって構成されている。

【００１４】ここで、図２〜図５により液晶マイクロレ
ンズ２１について説明する。液晶マイクロレンズの構造
とその特性は公知文献（発行所：株・新技術コミュニケ
ーション、ＯｐｌｕｓＥ・１９９８年１０月Ｖ０ｌ．２
０、Ｎｏ．１０掲載、特集液晶光学素子とその応用、液
晶マイクロレンズ）に開示されている。その概要につい
て説明する。

【００１５】光学素子としてのレンズを液晶により構成
する場合、通常のガラスレンズと同様に媒質となる液晶
層をレンズ状にする方法のほかに、光学媒質に空間的な
屈折率分布を与える方法等が考えられる。ネマティック
液晶セルにおいて、液晶分子は電界の方向に配向すると
いう性質を利用すると、軸対称的な不均一電界による液
晶分子配向効果により、空間的な屈折率分布特性を有す
る液晶レンズを得ることができる。また、このような液
晶を用いたレンズでは、多数の微小なレンズ（マイクロ
レンズ）を平板状に２次元的に配列したマイクロレンズ
アレイとすることが比較的容易にできるという特徴があ
る。

【００１６】前述したように、平行平板構造をとる光学
媒質においても、屈折率が空間的に分布しているような
場合には入射光の集光や発散効果度が生じ、特に屈折率
分布が２乗特性をとる場合にはレンズ効果が得られる。
そこで、屈折率の空間分布特性を実現するために、図２
及び図３に示すように上下ガラス基板２２、２３上の導
電膜を円形の穴形パターン状に除去し、円形穴形パター
ン電極２４を形成し、円形穴形パターン電極２４は必ず
しも透明電極でなくても良い。前記導電膜上に上下配向
膜２５、２６を塗布しラビング処理を行って液晶分子を
一方向に配向させる。封止材２７で封止された中に液晶
物質２８が注入されてネマティック液晶セル２１（液晶
マイクロレンズ）を作成する。

【００１７】この液晶セル２１に電圧を印加すると、図
４に示す電位分布から分かるように、穴形パターン電極
２４付近で最も大きく、パターンの中央部に近くなると
共に小さくなるような軸対称的な電界分布が形成され
る。この電界分布による液晶セル２１のラビング方向の
断面における液晶分子配向、即ち、ダイレクター分布の
シミュレーションを行った結果は図５のようになる。

【００１８】図５（ａ）は電圧を加えない場合で、液晶
分子がラビング方向に一様に配向しているため屈折率分
布は生じない。液晶分子にしきい値以上の電圧を加える
と電極基板の配向規制力及び液晶の弾性力と電界による
配向力の釣り合いで決まる分子配向状態となる。この場
合には、図５（ｂ）に示したように円形パターンの端付
近で液晶分子が基板から最も傾き、パターンの中央部に
向かって傾きが徐々に小さくなっていることが分かる。
即ち、液晶分子は軸対称的な電界分布に沿って配向する
結果として、電極の端部では実効的な屈折率が小さく、
円形パターンの中央部に近づくほど屈折率が大きくなる
ような軸対称的な屈折率分布が生じ、凸レンズ特性が得
られる。従来技術で説明したロッドレンズと同様なレン
ズ作用を有するものである。

【００１９】図１において、密着イメージセンサー２０
は、従来技術で説明したレンズアレイを構成するロッド
レンズの代わりに液晶マイクロレンズ２１を用いたこと
により凸レンズ特性が得られる。ロッドレンズと同様な
レンズ作用を有するものである。電極に印加する電圧の
制御により液晶の屈折率を制御することができるので、
焦点距離、分解能、焦点深度、明るさ等の機能を有する
使い勝手の良いレンズが得られる。また、イオン交換法
でロッドレンズを製作する場合の工程に比べて容易に作
ることができる。更に、密着イメージセンサーの外形寸
法は、液晶マイクロレンズ２１はロッドレンズに比較し
て薄いのでその分小型・薄型化することができる。

【００２０】図６は、本発明の第２の実施の形態に係わ
る密着イメージセンサーの断面図である。前述した第１
の実施の形態と異なるところは、原稿９を載置する透明
板を省略し、前記液晶マイクロレンズ２１を光変換を行
う画素が複数個配置したセンサーＩＣ１と、保護膜２
と、これが実装された基板３とからなる受光素子アレイ
４に極めて近接した状態で配設したものである。即ち、
液晶マイクロレンズ２１を構成する上ガラス基板で従来
の透明板の代わりするものである。従って密着イメージ
センサー２０Ａを更に薄く小型化することが可能であ
る。透明板を無くし部品点数を減らすと同時に組立工数
も削減でき、その分コストダウンすることができる。

【００２１】図７は、液晶マイクロレンズの他の電極構
造を示すものであり、図７（ａ）は液晶マイクロレンズ
の斜視図、図７（ｂ）は液晶マイクロレンズの断面図で
ある。図２及び図３で説明した液晶マイクロレンズと異
なるところは、第１の実施の形態のレンズの機能を有す
る円形穴形パターン電極が透明円形電極２４で形成され
たことである。その他の構成は同様であるので説明は省
略する。図７において、液晶マイクロレンズ２１Ａは透
明円形電極２４に電圧を印加させると液晶の屈折率が電
圧を印加させないところより高くなる。従来技術で説明
したロッドレンズと同様なレンズ作用を有するものであ
る。

【００２２】

【発明の効果】前述したように、密着イメージセンサー
において、従来のロッドレンズの代わりに液晶マイクロ
レンズを使用することによって、液晶を作製する過程と
同等であるため、微細配線を用いない電極の設計を行え
ば低コスト化が可能である。また、液晶セルの厚みで、
ロッドレンズと同機能を出せる。更に、使い勝手からも
屈折率分布を電圧で制御できる。また更に密着イメージ
センサーの外形寸法が小型化できる。従来の透明板の代
わりに液晶マイクロレンズのガラス基板が兼ねることに
より部品コスト及び組立工数も低減し更に薄く安価にな
る等の多大な効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる密着イメー
ジセンサーの断面図である。

【図２】図１の液晶マイクロレンズの斜視図である。

【図３】図２の液晶マイクロレンズの構造を説明する断
面図である。

【図４】図２の液晶セル内の等電位面を示す説明図であ
る。

【図５】図２の分子配向のシミュレーションを示す模式
図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態に係わる密着イメー
ジセンサーの断面図である。

【図７】図７（ａ）は図６の液晶マイクロレンズの斜視
図、図７（ｂ）は図７（ａ）の構造を説明する断面図で
ある。

【図８】従来の密着イメージセンサーの断面図である。

【図９】図８の密着イメージセンサーの部分斜視図であ
る。

【図１０】ロッドレンズの屈折率分布を示す説明図であ
る。

【図１１】ロッドレンズ内の光線の進み方を示す説明図
である。

【図１２】ロッドレンズのイオン交換を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１センサーＩＣ３基板４受光素子アレイ７透明板８フレーム９原稿２０、２０Ａ密着イメージセンサー２１、２１Ａ液晶マイクロレンズ２２、２３ガラス基板２４円形穴形パターン電極２５、２６配向膜２７封止材２８液晶物質

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5C051 AA01 BA04 DA03 DB01 DB22 DB29 DC04 DC07 5C072 AA01 BA01 BA20 CA05 DA02 DA25 EA07 FA05 RA12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原稿を載置する透明板と、該透明板上の
原稿面を照射する光源と、該光源による前記原稿面の反
射光を結像するレンズアレイと、前記原稿面からの反射
光を前記レンズアレイを通して光変換するための受光素
子アレイとを備えた密着イメージセンサーにおいて、前
記レンズアレイを構成するロッドレンズの代わりに液晶
マイクロレンズを用いたことを特徴とする密着イメージ
センサー。
【請求項２】前記原稿を載置する透明板は、前記液晶
マイクロレンズを構成する上ガラス基板であることを特
徴とする請求項１記載の密着イメージセンサー。