JP2005039703A - 密着型カラーイメージセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 高解像度にて、高速読み取りが可能な密着型カラーイメージセンサを実現する。
【解決手段】 密着型カラーイメージセンサにおいて、光電変換素子受光部５を第１、第２、第３の光電変換素子５ａ、５ｂ、５ｃにて構成し、原稿４の副走査方向７に所定の移動間隔離れた第１の位置４ａ、第２の位置４ｂおよび第３の位置４ｃの各々に対応し、屈折率分布型レンズアレイ１により結像される第１の波長の光２０１ａによる第１の位置の像の結像位置、第２の波長の光２０２ｂによる第２の位置の像の結像位置および第３の波長の光２０３ｃによる第３の位置の像の結像位置の各々と第１、第２、第３の光電変換素子５ａ、５ｂ、５ｃの受光面が一致するように構成する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、密着型カラーイメージセンサに関し、ことに、屈折率分布型レンズの色収差を補正することにより高い解像度を実現する読み取り光学系を備えた密着型カラーイメージセンサに関するものである。

従来の密着型カラーイメージセンサにおいては、光学系のコンパクト化により、装置を小型化するために、読み取り光学系の結像レンズとして、円筒状の形状を有し、半径方向に屈折率分布を持ち、等倍正立像を結ぶ屈折率分布型レンズが採用されている。従来の密着型カラーイメージセンサとして、例えば、原稿を載置する透光板と、光源と、屈折率分布型レンズと、受光センサとにて構成され、光源により透光板上に載置された原稿を照射し、原稿から反射する光を屈折率分布型レンズにて受光センサ上に結像させ、原稿の像を読み取る構成を有するものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−２９８６７１号公報（第２頁、第１図）

屈折率分布型レンズは、棒状のガラスを溶融塩に所定時間浸漬させ、所望のイオンをイオン交換により表面からガラスの内部に拡散させることにより、棒状ガラスの断面方向に所定のイオンの濃度分布を形成し、このイオンの濃度を調整することにより、曲面形状を有する従来の凸面レンズや凹面レンズに相当する結像機能を付与するものである。かかるイオンの濃度分布を利用したレンズは、表面形状を利用して光線の方向を変える従来の凸面レンズや凹面レンズとは異なり、レンズ内に存在するイオン濃度の分布により光線の軌跡を変更させるものである。このように、屈折率分布型レンズはイオンの有する所定波長の光に対する干渉作用を利用するものであるため、従来の凸面レンズや凹面レンズに比して屈折率が光の波長に大きく依存する特性を有し、光の波長が異なると結像位置が大きく変化する、いわゆる、色収差が大きいという問題がある。この色収差は屈折率分布型レンズの開口の大きさ、すなわち、屈折率分布型レンズを構成する棒状ガラスの断面の大きさ（＝棒状ガラスの断面を構成する円の半径）に比例するため、色収差を抑制し、解像度を向上させるためには屈折率分布型レンズの開口を小さくすることが必要となる。しかしながら、屈折率分布型レンズの開口を小さくすると取り込む光の量が減少するため、レンズの明るさが低下するとともに、視野が狭くなる。そのため、色収差を抑制した屈折率分布型レンズを用いると、輝度の低下とともに一度に読み取れる原稿量が減少し、ひいては原稿の読み取り速度が低下することになる。

この発明にかかる密着型カラーイメージセンサは、屈折率分布型レンズを用いた密着型カラーイメージセンサにおいて、屈折率分布型レンズの色収差に伴う解像度の低下を抑制し、原稿の読み取り速度の向上を図ることを目的とする。

この発明に係る密着型カラーイメージセンサは、第１の波長の光と第２の波長の光と第３の波長の光を有し、一定の方向に、所定の移動間隔毎に相対的に移動する読み取り対象を照射する光源と、読み取り対象の像を結像する屈折率分布型レンズと、一定の方向において所定の移動間隔の整数倍離れた、読み取り対象の第１の位置、第２の位置および第３の位置の、屈折率分布型レンズにより結像される各々の像を検知するための、各々、第１、第２、第３の受光素子を有し、屈折率分布型レンズにより結像される第１の波長の光による第１の位置の像の結像位置、第２の波長の光による第２の位置の像の結像位置および第３の波長の光による第３の位置の像の結像位置の各々と、第１、第２、第３の受光素子の表面位置の各々が一致するように構成されてなる受光部とを備えたものである。

この発明に係る密着型カラーイメージセンサは、第１の波長の光と第２の波長の光と第３の波長の光を有し、一定の方向に、所定の移動間隔毎に相対的に移動する読み取り対象を照射する光源と、読み取り対象の像を結像する屈折率分布型レンズと、一定の方向において所定の移動間隔の整数倍離れた、読み取り対象の第１の位置、第２の位置および第３の位置の、屈折率分布型レンズにより結像される各々の像を検知するための、各々、第１、第２、第３の受光素子を備える受光部と、読み取り対象と受光部の間に設けられ、第１の波長の光による第１の位置の像、第２の波長の光による第２の位置の像および第３の波長の光による第３の位置の像が第１、第２、第３の受光素子の各々の表面に結像するように、第１の波長の光、第２の波長の光および第３の波長の光の各々の光路長を補正する光路長補正手段とを備えたものである。

以上、本発明にかかる密着型カラーイメージセンサによれば、第１の波長の光と第２の波長の光と第３の波長の光を有し、一定の方向に、所定の移動間隔毎に相対的に移動する読み取り対象を照射する光源と、読み取り対象の像を結像する屈折率分布型レンズと、一定の方向において所定の移動間隔の整数倍離れた、読み取り対象の第１の位置、第２の位置および第３の位置の、屈折率分布型レンズにより結像される各々の像を検知するための、各々、第１、第２、第３の受光素子を有し、屈折率分布型レンズにより結像される第１の波長の光による第１の位置の像の結像位置、第２の波長の光による第２の位置の像の結像位置および第３の波長の光による第３の位置の像の結像位置の各々と、第１、第２、第３の受光素子の表面位置の各々が一致するように構成されてなる受光部とを備えるため、屈折率分布型レンズの屈折率の波長依存性に起因した、異なる波長の光による結像位置の変化の影響を受けることなく、３原色に対応した波長の異なる光の信号を正確に検知することができ、色ずれのない高解像度のカラー画像を高速にて読み取ることが可能な密着型カラーイメージセンサが低コストにて実現される。

本発明にかかる密着型カラーイメージセンサによれば、第１の波長の光と第２の波長の光と第３の波長の光を有し、一定の方向に、所定の移動間隔毎に相対的に移動する読み取り対象を照射する光源と、読み取り対象の像を結像する屈折率分布型レンズと、一定の方向において所定の移動間隔の整数倍離れた、読み取り対象の第１の位置、第２の位置および第３の位置の、屈折率分布型レンズにより結像される各々の像を検知するための、各々、第１、第２、第３の受光素子を備える受光部と、読み取り対象と受光部の間に設けられ、第１の波長の光による第１の位置の像、第２の波長の光による第２の位置の像および第３の波長の光による第３の位置の像が第１、第２、第３の受光素子の各々の表面に結像するように、第１の波長の光、第２の波長の光および第３の波長の光の各々の光路長を補正する光路長補正手段とを備えるため、３原色に対応した各色の光路長を補正する光路長補正手段を原稿と受光素子間に挿入することにより、各色の光が結ぶ像位置を受光素子の表面に一致させることができるため、３原色に対応した受光素子を同一平面上に作成することができる。従って、開口が大きく、色収差の大きな屈折率分布型レンズを用いても、色ずれを生じることがないため、輝度を低下させることなく、高解像度の画像が容易に得られる。その結果、色ずれのない高解像度のカラー画像を高速にて読み取ることが可能な密着型カラーイメージセンサが、特に複雑な構成とすることなく、低コストにて実現される。

実施の形態１
図１は、本発明にかかる密着型カラーイメージセンサの読み取り部の構成を説明するための図である。かかる密着型カラーイメージセンサの読み取り部は、読み取り対象である原稿４を載置する載置台３と、原稿４を照射する光源（図示せず）と、原稿４の像を結像するための屈折率分布型レンズ２と、屈折率分布型レンズ２により結像される原稿４の像を受光するための受光素子５ａ、５ｂ、５ｃからなる受光部５にて構成されるものである。かかる構成においては、原稿４を載置台３を通して読み取ることが必要なため、載置台は、例えば、アクリル樹脂やガラス板のような透光性の素材にて構成する必要がある。また、受光部５を構成する受光素子５ａ、５ｂ、５ｃとしては、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の光電変換素子を用いることができる。

屈折率分布型レンズは、上述したように、従来の、曲面形状を有した凸面レンズや凹面レンズとは異なり、所望のイオンをガラスの内部に拡散させ、塊状のガラスを光学的に凸面レンズや凹面レンズと等価とすることでレンズ機能を付与するものである。例えば、棒状のガラスを溶融塩に所定時間浸漬させ、所望のイオンをイオン交換により表面からガラスの内部に拡散させることにより、棒状ガラスの断面方向に所定のイオンの濃度分布を形成し、このイオンの濃度を調整することによりレンズ機能を付与することができることが知られている。屈折率分布型レンズとしては、０．３ｍｍから５０ｍｍ程度の径を有したものが市販されている。なお、ここでは、説明の都合上、屈折率分布型レンズが１つの構成を示したが、一般的には、原稿の大きさに合わせ、主走査方向に複数個の屈折率分布型レンズが列状に配置された屈折率分布型レンズアレイの構成で用いられる場合が多い。ここで、主走査方向とは原稿４の縦横のいずれか一方、例えば、水平方向を意味し、副走査方向とは原稿４の縦横の他方、例えば、垂直方向を意味する。また、イメージセンサにおいて、原稿読み取り用の屈折率分布型レンズが列状配置されている場合には、列方向が主走査方向であり、列方向と直交する方向、すなわち原稿４と屈折率分布型レンズ２との相対的な移動方向（例えば、原稿４の送り方向：一定の方向）が副走査方向となる。

屈折率分布型レンズは、通常は、屈折率の波長依存性、すなわち、色収差が大きいため、原稿４の所定位置４ａ、４ｂ、４ｃの像を屈折率分布型レンズ２により、受光部５上に像転写（結像）しようとすると、異なる波長の光に対応した各々の像が理想的な位置（色収差のない場合の結像位置）からずれた位置に結像されることになる。ここでは、異なる波長の光として、光の３原色である青、緑、赤の各色の光が結ぶ像を用いて説明する。原稿４が図示しない光源からの光照射により照射されると、位置４ａ、４ｂ、４ｃから、各々、反射光１０１、１０２、１０３が放射され、屈折率分布型レンズ２へと導かれる。ここでの光源としては、白色光もしく青、緑、赤の３色の光を有するもの、例えば、白色ランプや青、緑、赤の３色のＬＥＤにて構成される光源を用いることができる。屈折率分布型レンズ２に入射した反射光１０１、１０２、１０３は、屈折率分布型レンズ２のレンズ作用により光路変更され、２０１ａ〜２０３ｃの光となり原稿４の所定位置４ａ、４ｂ、４ｃの像を結ぶ。ここで、２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃは、各々、位置４ａから反射された光１０１から生じた青、緑、赤の光、２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃは、各々、位置４ｂから反射された光１０２から生じた青、緑、赤の光、２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃは、各々、位置４ｃから反射された光１０３から生じた青、緑、赤の光を示している。このように、反射光１０１、１０２、１０３の各々の光から、複数の光が生じるのは、屈折率分布型レンズの有する屈折率の波長依存性のため、各反射光１０１、１０２、１０３に含まれる青、緑、赤の光成分が波長毎に軌跡を変えることにより分離するためである。なお、５ａ、５ｂ、５ｃは、各々、青、緑、赤の光を検知するための受光素子で、各々、位置４ａ、４ｂ、４ｃからの光である、青色光２０１ａ、緑色光２０２ｂ、赤色光２０３ｃの各々の結像位置に受光素子の表面が一致するように配置されている。また、各受光素子５ａ、５ｂ、５ｃは、通常は幅広い波長の光に対する受光特性を有しているため、各々の受光素子が青、緑、赤の光のみを検知するよう、色フィルターが設けられる（図示せず）。例えば、受光素子５ａ、５ｂ、５ｃの表面に、各々、青、緑、赤の光のみを透過する色フィルターが設けられる。かかる色フィルターを用い、３つの受光素子にてＲＧＢの３原色を検出することによりカラー画像を読み取る密着型カラーイメージセンサは、通常、フィルター方式の密着型カラーイメージセンサと称される。

図２は、本発明にかかる密着型カラーイメージセンサの構成を説明する斜視図である。ここでは、全体構成の理解が容易となるよう、読み取り光学系が原稿４の上方に位置した構成を用いて説明する。原稿４は載置台３上に載置され、搬送手段１０と接続されたローラ８が９の方向に回転することにより副走査方向７の方向（図中、右方向）に送られることになる。この時、搬送手段１０による原稿４の送りピッチは、所定の送り量にセットされ、原稿４は、この所定量づつ副走査方向７の方向に送られることになる。この所定の送り量（所定の移動間隔）は、通常は、１インチに対して、１／２００、１／６００のような量が設定され、これら送り量は、各々、解像度が２００ｄｐｉ（ｄｏｔ ｐｅｒ ｉｎｃｈ）、６００ｄｐｉに対応する。６は、副走査方向７と直交した主走査方向である。なお、前述の図１における４ａ、４ｂおよび４ｃはこの所定の送り量の整数倍、例えば、２／２００インチや３／６００インチだけ離れた位置を示している。原稿の読み取り位置４ａ、４ｂおよび４ｃを所定量だけ離れた位置とするのは、対応する受光素子５ａ、５ｂおよび５ｃの設置間隔を大きく取ることができ、受光部の作成および設置を容易とするためである。また、所定の送り量の整数倍離れた位置とするのは、後述するように、原稿の１つの位置に正確に対応する青、緑、赤の３原色の像信号を得るためである。また、本実施の形態においては、原稿４を搬送手段１０にて移動させたが、原稿４は、屈折率分布型レンズアレイ１、光源１２、受光部５等にて構成される読み取り光学系に対し、相対的に移動させればよく、原稿４を載置台３に固定した上で、読み取り光学系を移動させてもよい。

１２は原稿４を照射する光源であり、１３は光源１２から照射される照射光を示している。１１は原稿４上の光源１２による照射位置（原稿読み取り位置）である。原稿読み取り位置１２から反射した光は屈折率分布型レンズ２が列状配置された屈折率分布型レンズアレイ１を通過し、受光部５の表面に原稿４の像を形成する。受光部５は原稿４の像を読み取り、信号処理部１４にデータを伝達する。信号処理部１４にて信号処理された原稿４の像のデータは出力１５となり、外部へと伝達され、カラー画像に変換されることになる。
なお、図２においては読み取り光学系が原稿４の上方に配置された構成を示したが、この場合、載置台３は透明、不透明の別は問われないことはいうまでもない。

図１において、原稿４が４ａ→４ｂ→４ｃの方向（図において、左方向）に送られると仮定すると、原稿４の画像の読み取りは以下のような手順で行われることになる。すなわち、原稿４の読み取り部が位置４ａに到達すると、図示しない光源により原稿４の読み取り部が照射される。そして、照射された読み取り部のカラー信号のうち波長の最も短い青色光の信号のみが受光素子５ａにより読み取られる。次に、原稿４が搬送手段１０により所定の送り量だけ送られると読み取り部は位置４ｂに到達する。位置４ｂにおいては読み取り部のカラー信号のうち青色光の次に波長の長い緑色光の信号のみが受光素子５ｂにより読み取られる。続いて、原稿４が搬送手段１０により所定の送り量だけ送られると読み取り部は位置４ｃに到達する。位置４ｃにおいては読み取り部のカラー信号のうち波長の最も長い赤色光の信号のみが受光素子５ｃにより読み取られる。読み取り部の青、緑、赤の各色の信号が各受光素子５ａ、５ｂ、５ｃにて読み取られると、これら信号は順次信号処理部１４へと送られ、合算されることにより読み取り部のカラー画像信号として外部出力され、原稿の読み取り部のカラー画像が再生されることになる。
図１に示した構成において受光素子５ａ、５ｂ、５ｃを同一平面に配置しないのは、上述したような屈折率分布型レンズの屈折率の波長依存性を補正するためである。以下に、従来の構成との比較により、かかる構成を採用する必要性につき説明する。

図３は、フィールドシーケンシャル方式（光源切換方式ともいう）の密着型カラーイメージセンサの構成を説明するための図である。フィールドシーケンシャル方式の密着型カラーイメージセンサは、図１に示したフィルター方式の密着型カラーイメージセンサの構成とは異なり、原稿４の所定位置毎に、青、緑、赤の光を切り替えて照射することにより３原色の信号を検知するものである。また、ここでは、屈折率分布型レンズアレイ１に色収差がない場合を示している。図中１００は原稿４からの反射光を、２００は屈折率分布型レンズアレイ１を通過した後の結像に関係する光である。その他の構成は上述した場合と同じである。フィールドシーケンシャル方式は、１つの受光素子で３つの色の光を検出することができ、装置構成がシンプルとなる利点を有している。フィールドシーケンシャル方式においては、例えば、光源を青、緑、赤の３原色のＬＥＤで構成し、原稿４の１つの位置毎に３つのＬＥＤの光を交互に照射することによりカラーイメージを検出したり、光源を白色光源（白色ランプ）とし、青、緑、赤の３原色の色フィルターの切換により、３つの異なる色の光を交互に検知し、カラーイメージを検出することができる。屈折率分布型レンズアレイ１に色収差がない場合には、各々の光による像位置が一定であるため、いずれかの色の光の像位置に受光素子５ｄの表面を一致させれば、他の色の光の像位置とも一致することになり、各色の正確な信号（強度）が得られるため、これら信号を重ね合わせることにより得られるカラー画像において色ずれは生じない。

これに対し、図４は、フィールドシーケンシャル方式の密着型カラーイメージセンサであって、屈折率分布型レンズアレイ１が色収差を有している場合を示している。図中、２００ａ、２００ｂ、２００ｃは屈折率分布型レンズアレイ１を通過した後の結像に関係する光で、各々、青、緑、赤の色に対応している。その他の構成は上述した場合と同じである。屈折率分布型レンズアレイ１が色収差を有していると、青（２００ａ）、緑（２００ｂ）、赤（２００ｃ）の各色ごとに結像位置が異なるために、いずれかの色の光の像位置に受光素子５ｄの表面を一致させたとしても、各色の正確な信号（強度）が得られず、これら信号を重ね合わせるとカラー画像において色ずれを生じることになる。このような場合に、色ずれのないカラー画像を得るためには、例えば、検出する像の位置変化に合わせて、受光素子５ｄの位置（高さ）を調整すればよい。しかし、原稿の１点に対し３つの波長の光照射を交互に行うフィールドシーケンシャル方式において、受光素子５ｄを３つの波長の光照射毎に機械的に動作させ、その位置（高さ）を調整することは、実際には、困難である。

一方、カラーフィルター方式の場合には、上述の通り、副走査方向に３つの受光素子を設けるとともに、例えば、これら受光素子表面に色フィルターを設けることにより、３つの波長の光を同時に別個の受光素子にて検出できる。従って、原稿の送り速度を向上させ、原稿読み取り時間の短縮が可能であるという利点を有している。
図５（ａ）は、色収差がない屈折率分布型レンズアレイ１を用いた場合のカラーフィルター方式の密着型カラーイメージセンサの構成を説明する断面図である。図中１０１、１０２、１０３は原稿４からの反射光を、２０１ａ、２０２ｂ、２０３ｃは屈折率分布型レンズアレイ１を通過した後の結像に関係する光で、各々、青、緑、赤の光に対応している。その他の構成は上述した場合と同じである。屈折率分布型レンズアレイ１が色収差を有しない場合には、原稿４の位置４ａ、４ｂ、４ｃの各々の像は、像を結ぶ光の波長の違いに関わらず、屈折率分布型レンズアレイ１の光軸に垂直な所定の平面上に形成される。従って、原稿４の位置４ａ、４ｂ、４ｃの各々の像に対応する受光素子５ａ、５ｂ、５ｃは同一平面上に作成することができる。そして、密着型カラーイメージセンサを構成するためには、例えば、これら３つの受光素子５ａ、５ｂ、５ｃの表面に、各々、青（２０１ａ）、緑（２０２ｂ）、赤（２０３ｃ）の光に対応したフィルターを設け、所定の色の光のみが受光素子５ａ、５ｂ、５ｃに到達する構成とすればよいことになる。

図５（ｂ）は主走査方向の構成を説明するための側面図で、図５（ａ）に対応している。かかる構成においては、受光素子５ａの配置間隔により、主走査方向６の解像度が決まることになる。図中、１００は原稿４からの反射光、２００は屈折率分布型レンズアレイ１を通過した後の結像に寄与する光を示している。このように、原稿４の主走査方向６に対しては所定の数の屈折率分布型レンズを配置することにより、一括読み取りを行い、副走査方向７に対しては、搬送系にて所定量ごとの送りを繰り返すことにより、所定量ごとの読み取りを行うことが一般的に行われている。しかしながら、このような色収差のない理想的な屈折率分布型レンズは実際には存在せず、通常は、屈折率分布型レンズの光軸中心部近傍のみを用いることにより、色収差による影響を低減させることになる。ところが、光軸中心部近傍のみを用いる場合、輝度が低下し、光源に負荷がかかり、消費電力が向上するとともに、光源の寿命が低下するという問題が生じる。また、視野角が狭くなるとため、副走査方向において一度に読み取れる原稿量が限られ、原稿４の送り速度が低下するため、結果として原稿読み取りに時間がかかり、高速処理が困難となる弊害が生じる。

図６は、屈折率分布型レンズに色収差がある場合を示している。通常は、屈折率分布型レンズアレイ１の屈折率に対する波長依存性が大きく、図６に示したように、波長が異なると、結像位置が変化する。ここでは、受光素子５ｂの表面に緑色光２０２ｂによる像が結像されるように受光素子の位置が調整されている。ところが、屈折率分布型レンズアレイ１が色収差を有し、青（２０１ａ）、緑（２０２ｂ）、赤（２０３ｃ）の各色の光が結ぶ像の位置が異なるために、５ｂ以外の受光素子５ａ、５ｃにおいては、結像条件からずれた像信号が入力されることになる。そのため、緑以外の青、赤の各色の正確な信号（強度）が得られず、これら信号を重ね合わせるとカラー画像において色ずれを生じることになる。

このように、色収差を有する屈折率分布型レンズを用いた場合には、フィールドシーケンシャル方式の密着型カラーイメージセンサにおいて、青、緑、赤の各色の結像位置に３つの波長の光照射毎に受光素子５ｄを機械的に動作させ、その位置（高さ）を調整することは、実際には困難である。また、カラーフィルター方式の密着型カラーイメージセンサであっても、色収差を有する屈折率分布型レンズを用いた場合には、青、緑、赤の各色の光が結ぶ像の位置が異なり、カラー画像において色ずれを生じるため、データ量の多い原稿をカラー画像として正確かつ高速に読み取ることは困難であった。
しかしながら、本発明にかかる密着型カラーイメージセンサのように、屈折率分布型レンズアレイ１の色収差特性に合わせて、受光素子５ａ、５ｂ、５ｃの位置を調整することにより、受光素子５ａ、５ｂ、５ｃ表面に、各々、青、緑、赤の光の像が正確に結像されることになる。そのため、青、緑、赤の各色の正確な信号（強度）を得ることができ、色ずれなく、原稿４の像を再現することができることになる。

屈折率分布型レンズの結像位置のずれ量は、市販の光学ソフトにより、光線追跡を行うことにより簡単に算出することができる。以下に、屈折率分布型レンズの結像位置のずれ量の計算例を示す。ここでは、英 Optima Research社製光学設計ソフト”ＺＥＭＡＸ（商品名）”を用いて計算した。屈折率（屈折率分布）は、以下の式（１）から（３）に所定の波長λを挿入することにより計算することができる。
ｎ＝ｎ_０・（１．０−（Ａ／２）・ｒ^２） −−−（１）
Ａ（λ）＝（Ｋ_０＋（Ｋ_１／λ^２）＋（Ｋ_２／λ^４））^２ −−−（２）
ｎ_０＝Ｂ＋（Ｃ／λ^２） −−−（３）
ここで、ｎは屈折率、ｎ_０は光軸上屈折率、Ａは屈折率分布定数を２乗したもの（√Ａが屈折率分布定数）、λは波長、Ｋ_０、Ｋ_１、Ｋ_２、Ｂ、Ｃは屈折率分布定数で、各レンズの固有値である。ここでは、Ｋ_０＝８．４８ｅ−１、Ｋ_１＝２．０ｅ−３、Ｋ_２＝１．０ｅ−４、Ｂ＝１．６１２、Ｃ＝８．９ｅ−３とした。

このような条件にて、波長４８６．１ｎｍ（青）、波長５８７．６ｎｍ（緑）、波長６５６．３ｎｍ（赤）の３つの波長の光の光線追跡を行いＭＴＦ値（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ：空間周波数に対する伝達関数。この数値が大きいほどレンズの解像度が高いことを意味する。）を求めた。求めたＭＴＦ値より各色の光の焦点位置（ＭＴＦ値が最大となる位置）を決定したところ、青色光と赤色光とで、焦点距離が光軸方向に０．４ｍｍ異なることが判明した。すなわち、上述した条件を有する屈折率分布型レンズの場合には、例えば青色用受光素子の表面に青色光による像の結像位置を合わせた場合、赤色用受光素子の設置位置を、高さ方向（光軸方向）に０．４ｍｍずらさないと（図においては下方へ０．４ｍｍ下げることになる）、赤色光による像の正確な信号が得られず、色ずれを生じることになる。

なお、本実施例では、赤、緑、青のいわゆるＲＧＢ３波長の結像について説明したが、ＩＲ（赤外光）を含む多波長にも適用可能である。例えば、赤、緑、青の３原色に加え、目には見えない近赤外光（波長０．８μｍ〜５μｍ）や遠赤外光（波長５μｍ以上）を第４の光として用い、第４の受光素子を上記した第１、第２、第３の受光素子同様、屈折率分布型レンズの色収差を補正する位置に設けても構わない。かかる可視外の光、特に近赤外光を検出対象とすることにより、原稿に埋め込まれた、通常は目に見えない製造番号などのタグ信号等、特殊な識別信号の判定が可能となり、好適である。さらに、３原色に対応する３つの光以外の複数の光を組み合わせ、それら光に対応する複数の受光素子を設けても構わない。
なお、読み取り対象として原稿を用いた場合について説明したが、かかる読み取り対象としては、原稿のような平面的なものには限られず、立体的な物であってもよい。

以上、本発明にかかる密着型カラーイメージセンサの構成とすることにより、開口が大きく、色収差の大きな屈折率分布型レンズを用いても、色ずれを生じることがないため、輝度を低下させることなく、高解像度の画像が得られる。その結果、消費電力が抑制されるとともに、光源の長寿命化が実現される。また、視野角が広く取れるため、受光部に複数個の受光素子を設けることにより副走査方向において一度に読み取れる原稿量を増加させることが可能となる。すなわち、本発明にかかる密着型カラーイメージセンサの構成とすることにより、色ずれのない高解像度のカラー画像を高速にて読み取ることが可能な密着型カラーイメージセンサが、特に複雑な構成とすることなく、低コストにて実現されることになる。

実施の形態２
図７は、本発明にかかる密着型カラーイメージセンサの読み取り部の、他の構成を説明するための断面図である。かかる密着型カラーイメージセンサは、実施の形態１の場合とは異なり、受光素子５ａ、５ｂ、５ｃの光軸方向の位置（高さ）を一定とする場合である。その他の構成は上述した場合と同じである。すなわち、受光素子５ａ、５ｂ、５ｃの表面が、同一平面を構成している。受光素子５ａ、５ｂ、５ｃは、半導体素子の製造工程を用いて作製されることが多く、かかる構成とすることにより受光素子の製作が容易になり、低コスト化が図れるという利点がある。以下に、受光素子５ａ、５ｂ、５ｃの設置位置の決定方法の一例について説明する。

図８（ａ）〜（ｃ）は、屈折率分布型レンズアレイ１が屈折率の波長依存性を有する場合の、青、緑、赤の各色光が形成する像の位置を、上述した方法にて計算し、原稿４上の各点４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに対応させて示したものである。ここで１０１ａ〜１０４ａは、原稿４上の各点４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄから放射される青色光、１０１ｂ〜１０４ｂは、原稿４上の各点４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄから放射される緑色光、１０１ｃ〜１０４ｃは、原稿４上の各点４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄから放射される赤色光を示している。また、２０１ａ〜２０４ａは、各々、屈折率分布型レンズアレイ１透過後の１０１ａ〜１０４ａに対応する青色光、２０１ｂ〜２０４ｂは、各々、屈折率分布型レンズアレイ１透過後の１０１ｂ〜１０４ｂに対応する緑色光、２０１ｃ〜２０４ｃは、各々、屈折率分布型レンズアレイ１透過後の１０１ｃ〜１０４ｃに対応する赤色光を示している。図８（ａ）〜（ｃ）から分かるように、原稿４上の各点４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに対応した結像位置は、像面湾曲収差の影響で、図中点線で示した１８、１９、２０の曲線のように変化することになる。従って、例えば、受光素子５ａ、５ｂ、５ｃの表面位置（光軸方向の高さ）を、実線にて表わされた位置１７（青色光２０４ａによる原稿上の位置４ｄの結像位置）に合わせた場合、青色受光素子５ａを光軸中心に設置し、緑、赤の各受光素子５ｂ、５ｃの表面位置を曲線１９、２０と直線１７との交点とすることにより、各色の正確な信号（強度）が得られるため、これら信号を重ね合わせることにより色ずれのないカラー画像信号を得ることができることになる。

なお、本実施例では、青、緑、赤の３つの波長の光を検出することによりカラーイメージを検出する場合について説明したが、近赤外光や遠赤外光を含む多波長の光により像検出する場合においても適用可能である。

以上、本発明にかかる密着型カラーイメージセンサにおいては、屈折率の波長依存性を有する屈折率分布型レンズを用いた場合においても、波長に依存して変化する各色の光が結ぶ像位置に合わせて、受光素子を同一平面内に配置するため、受光素子の作製が容易となり、実施の形態１同様、色ずれのない高解像度のカラー画像を高速にて読み取ることが可能な密着型カラーイメージセンサが低コストにて実現される。

実施の形態３
図９は、本発明にかかる密着型カラーイメージセンサの読み取り部の、他の構成を説明するための断面図である。かかる密着型カラーイメージセンサは、実施の形態１、２に示した構成とは異なり、原稿４と受光部５間に、屈折率分布型レンズアレイ１の屈折率の波長依存性に起因する、青（２０１ａ）、緑（２０２ｂ）、赤（２０３ｃ）の各色の光の光路長のずれ量を補正する光路長補正手段１６を挿入することにより、色ずれのないカラーイメージが得られる密着型カラーイメージセンサを実現するものである。
ここで、光路長補正手段とは、例えば、アクリル樹脂（屈折率：ｎ_Ｄ＝１．４９〜１．５０。ｎ_ＤはナトリウムのＤ線に対する屈折率を意味する。）のような透明体のブロックにおいて、図９に示したように、光軸方向の厚みを変えたものである。光は、大気（屈折率ｎ≒１）とアクリル樹脂とのに入射・出射の際に屈折を生じる。この時、アクリル樹脂の厚みを変えることにより、屈折された光の光軸方向の距離が変わるため、結像位置を調整することができる。光路長補正手段は、このような原理を利用することにより、各波長の光の結像位置を調整するものである。

上述した式（１）〜（３）において、前述したようにＫ_０＝８．４８ｅ−１、Ｋ_１＝２．０ｅ−３、Ｋ_２＝１．０ｅ−４、Ｂ＝１．６１２、Ｃ＝８．９ｅ−３の値を適用して、前述のＺＥＭＡＸにて計算すると、例えば、青色光２０１ａに対応した部分の厚みを３．０５ｍｍ、緑色光２０２ｂに対応した部分の厚みを２．５６ｍｍ、赤色光２０３ｃに対応した部分の厚みを２．３４ｍｍとすれば、各受光素子５ａ、５ｂ、５ｃを同一平面に配置することができることが分かった。
また、ここでは加工の容易さからアクリル樹脂を用いた場合について説明したが、光路長補正手段１６は、検出対象となる波長の光を透過させうる材料であれば、特に制限されることはなく、例えば、様々なガラス材料やセラミック材料を用いることができる。

なお、カラーフィルタは受光部５の表面の他、光路長補正手段１６の出口面に塗布することが可能である。
また、本実施例では、光路長補正手段１６を屈折率分布型レンズアレイ１と受光素子５の間に配置したが、原稿４と屈折率分布型レンズアレイ１の間に配置しても同様の効果が得られる。
さらに、光路長補正手段１６を屈折率分布型レンズアレイ１と受光部５の間、および、原稿４と屈折率分布型レンズアレイ１の間の両方に配置することもできる。

以上、本発明にかかる密着型カラーイメージセンサにおいては、屈折率の波長依存性の大きい屈折率分布型レンズを用いた場合においても、３原色に対応した各色の光路長を補正する光路長補正手段を原稿と受光素子間に挿入することにより、各色の光が結ぶ像位置を受光素子の表面に一致させることができるため、３原色に対応した光電変換素子を同一平面上に作成することができる。従って、開口が大きく、色収差の大きな屈折率分布型レンズを用いても、色ずれを生じることがないため、輝度を低下させることなく、高解像度の画像が容易に得られ、色ずれのない高解像度のカラー画像を高速にて読み取ることが可能な密着型カラーイメージセンサが容易に実現される。

実施の形態４
図１０は本発明にかかる密着型カラーイメージセンサの読み取り部の、他の構成を説明するための断面図である。かかる密着型カラーイメージセンサは、実施の形態３に示した構成とは異なり、光路長補正手段１６の受光部５側の形状を副捜査方向２のＲＧＢの中心位置、すなわち屈折率分布型レンズの光軸上の光路長補正手段１６内の光路長が一番長い波長（赤色光２０２ｃ）に設定したものである。図中、２０１ｂは反射光１０１に対応した緑色光、２０２ｃは反射光１０２に対応した赤色光、２０３ａは反射光１０３に対応した青色光を示している。各波長の光の光路長の調整に光路長補正手段１６を用いた場合、段差部側面（階段状になっている部分の光軸と平行な面）から全反射光が生じ、隣接する受光素子にて検知されることによりノイズ成分となることがある。しかしながら、本発明のような構成とすることにより、段差部側面に照射される光量が抑制される。そのため、隣接する各受光素子にはノイズ光が入射することがなくなり好適である。
なお、一般的に、屈折率分布型レンズでは、長波長成分の結像位置が遠くなるため、本実施例の中心は赤色光による像に対応している。

以上、本発明にかかる密着型カラーイメージセンサにおいては、実施の形態３にて得られる効果に加えて、光路長補正手段の階段部の側壁から生じる全反射光の影響が抑制され、好適である。

本発明にかかる密着型カラーイメージセンサの読み取り部の構成を説明するための図である。 本発明にかかる密着型カラーイメージセンサの構成を説明するための斜視図である。 従来の密着型カラーイメージセンサの読み取り部の構成を説明するための図である。 従来の密着型カラーイメージセンサの読み取り部の構成を説明するための図である。 従来の密着型カラーイメージセンサの読み取り部の構成を説明するための図である。 従来の密着型カラーイメージセンサの読み取り部の構成を説明するための図である。 本発明にかかる密着型カラーイメージセンサの読み取り部の構成を説明するための図である。 本発明にかかる密着型カラーイメージセンサの読み取り部における結像を説明するための図である。 本発明にかかる密着型カラーイメージセンサの読み取り部の構成を説明するための図である。 本発明にかかる密着型カラーイメージセンサの読み取り部の構成を説明するための図である。

符号の説明

１ 屈折率分布型レンズアレイ、２ 屈折率分布型レンズ、３ 載置台、
４ 原稿、４ａ 第１の位置、４ｂ 第２の位置、４ｃ 第３の位置、
４ｄ 第４の位置、５ 受光部、５ａ 青色用受光素子、
５ｂ 緑色用受光素子、５ｃ 赤色用受光素子、５ｄ 受光素子、
６ 主走査方向、７ 副走査方向、８ ローラ、９ ローラの回転方向、
１０ 搬送手段、１１ 読み取りエリア、１２ 光源、１３ 照射光、
１４ 信号処理部、１５ 出力、１６ 光路長補正手段、１７ 基準結像位置、
１８ 青色光の結像位置を表す曲線、１９ 緑色光の結像位置を表す曲線、
２０ 赤色光の結像位置を表す曲線、
１００〜１０４ 反射光、
１０１ａ、１０２ａ、１０３ａ、１０４ａ 青色光、
１０１ｂ、１０２ｂ、１０３ｂ、１０４ｂ 緑色光、
１０１ｃ、１０２ｃ、１０３ｃ、１０４ｃ 赤色光
２００〜２０４ 結像に関係する光、
２０１ａ、２０２ａ、２０３ａ、２０４ａ 青色光、
２０１ｂ、２０２ｂ、２０３ｂ、２０４ｂ 緑色光、
２０１ｃ、２０２ｃ、２０３ｃ、２０４ｃ 赤色光。

Claims (10)

1. 第１の波長の光と第２の波長の光と第３の波長の光を有し、一定の方向に、所定の移動間隔毎に相対的に移動する読み取り対象を照射する光源と、
   前記読み取り対象の像を結像する屈折率分布型レンズと、
   前記一定の方向において前記所定の移動間隔の整数倍離れた、前記読み取り対象の第１の位置、第２の位置および第３の位置の、前記屈折率分布型レンズにより結像される各々の像を検知するための、各々、第１、第２、第３の受光素子を有し、前記屈折率分布型レンズにより結像される前記第１の波長の光による前記第１の位置の像の結像位置、前記第２の波長の光による前記第２の位置の像の結像位置および前記第３の波長の光による前記第３の位置の像の結像位置の各々と、前記第１、第２、第３の受光素子の表面位置の各々が一致するように構成されてなる受光部とを備えてなる密着型カラーイメージセンサ。
2. 第１の波長の光と第２の波長の光と第３の波長の光を有し、一定の方向に、所定の移動間隔毎に相対的に移動する読み取り対象を照射する光源と、
   前記読み取り対象の像を結像する屈折率分布型レンズと、
   前記一定の方向において前記所定の移動間隔の整数倍離れた、前記読み取り対象の第１の位置、第２の位置および第３の位置の、前記屈折率分布型レンズにより結像される各々の像を検知するための、各々、第１、第２、第３の受光素子を備える受光部と、
   前記読み取り対象と前記受光部の間に設けられ、前記第１の波長の光による前記第１の位置の像、前記第２の波長の光による前記第２の位置の像および前記第３の波長の光による前記第３の位置の像が前記第１、第２、第３の受光素子の各々の表面に結像するように、前記第１の波長の光、第２の波長の光および第３の波長の光の各々の光路長を補正する光路長補正手段とを備えてなる密着型カラーイメージセンサ。
3. 前記光路長補正手段が、前記第１の波長の光、第２の波長の光および第３の波長の光の各々の光に対応し、前記屈折率分布型レンズの光軸方向において異なる厚みを有する塊状の透光性の樹脂材もしくはガラス材にて構成されてなる請求項２に記載の密着型カラーイメージセンサ。
4. 前記屈折率分布型レンズが、前記一定の方向と直交する方向に列状配置されてなる請求項１から３のいずれかに記載の密着型カラーイメージセンサ。
5. 前記第１、第２、第３の受光素子の受光面が同一平面を構成してなる請求項１から４のいずれかに記載の密着型カラーイメージセンサ。
6. 前記受光部が階段状に形成され、前記第１、第２、第３の受光素子の受光面が、前記階段を形成する前記屈折率分布型レンズの光軸と垂直な平面のいずれかに形成されてなる請求項１に記載の密着型カラーイメージセンサ。
7. 前記第１の波長の光と第２の波長の光と第３の波長の光が光の３原色を構成してなる請求項１から６のいずれかに記載の密着型カラーイメージセンサ。
8. 前記第１、第２、第３の受光素子が、各々、前記第１の波長の光、第２の波長の光および第３の波長の光の各々のみを検知するよう、表面に光学フィルターが設けられてなる請求項１から７のいずれかに記載の密着型カラーイメージセンサ。
9. 前記光源が、第４の波長の光をさらに有するとともに、前記受光部が、前記屈折率分布型レンズにより結像される前記読み取り対象の前記第３の位置と前記副走査方向において前記所定の移動間隔離れた第４の位置の前記第４の波長の光の像の結像位置と表面位置が一致するように構成された第４の受光素子をさらに備えてなる請求項１に記載の密着型カラーイメージセンサ。
10. 前記第４の波長の光が波長０．８μｍから５μｍの近赤外光である請求項９に記載の密着型カラーイメージセンサ。
    
    
    

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