JP2592192B2

JP2592192B2 - 文書走査装置用照射装置

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Publication number: JP2592192B2
Application number: JP4006091A
Authority: JP
Inventors: ラヴィンデル・プラカシュ
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1991-03-11
Filing date: 1992-01-17
Publication date: 1997-03-19
Anticipated expiration: 2012-03-19
Also published as: JPH0575795A; US5214536A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般的には、光学シス
テムに関し、より具体的には、文書走査装置における文
書の照射に関する。

【０００２】

【従来の技術】文書走査装置は、文書表面を走査して文
書表面にある光学的な印を表す電気情報を入力するのに
用いられるものである。基本的な文書走査システムに
は、照射のタイプおよび文書からの反射光を検知するた
めの照射ピックアップまたは照射センサのタイプによっ
て、幾通りもの形式がある。ライン走査装置は、文書上
に対して全ライン照射を行い、線状に配設した電荷結合
素子（ＣＣＤ）のごとき適当なセンサ・アレイを設ける
ことによって、ライン上のエレメントまたはピクセルを
識別する。あるライン走査装置においては、照光ライン
幅がそのライン上で走査されるピクセル幅よりも大きく
ないようなものがある。他のライン走査装置としては、
ラインの一部分のみがセンサ領域へ焦点合わせされるた
めに、照光ライン幅がこのピクセルの大きさよりも大き
いものがある。特定の装置構成の如何に拘らず、ライン
走査装置においては、センサのために必要とされる反射
光を得るために文書上に予測可能で且つ一定の連続光ラ
インを生じさせることが要請されている。

【０００３】ある従来技術では、走査装置に必要とされ
る照射ラインを得るために、光ファイバを束にして配列
する手法が用いられてきた。ファイバのグループまたは
束の一方の端部は、白熱電球のような、光エネルギ源の
近くに置かれる。ファイバ群の他方の端部は、ファイバ
を出ていく光が所望の形状になるように、ラインの形状
に合わせて広がっている。このような態様なら必要な形
状および寸法が得ることができるが、このような光ファ
イバの束に要するコストは、走査装置全体の相当な部分
を占める。経済性を考えるなら、より一層経済的な装置
によるライン照射が望ましい。

【０００４】米国特許番号４、５０２、７５７号におい
ては、本発明に係わる装置に部分的に類似する、光ビー
ム分配器が開示されている。この特許の装置では、干渉
性のレーザ・ビームを幾つかの独立した別々のビームに
分け、これらのビームをマルチ・チャネル光変調素子を
通して感光部材を照射するようにしている。幾つかの光
スポットが同時に生じるが、その結果は連続ラインには
ならない。この特許に開示されている光ビーム分配器で
は、一方の面に反射コーティングを用い、他方の面には
半反射または透過反射コーティングを用いている。この
第二のコーティングは、出て行く光ビームの減衰率を等
しくするようにその厚さが変えられる。この装置はま
た、（本発明のように）全内反射によって入射光を集光
して初期のビーム直径よりも小さい高さのラインを得る
のに、互いに非平行な向きに配向された他の側面または
反射面を有するものでもない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、文書
走査装置において使用するための簡潔で経済的な照射装
置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、文書ライン走
査装置に用いられる、新規で有用なくさび形状の照射装
置を提供するものである。この照射装置は、外部光源か
ら非干渉性の光ビームを受取り、この光ビームをこの装
置の２つの反射面の間においてあちこちに繰り返し反射
させる。一方の面はほぼ全反射するように設計されてい
る。他方の面は、装置の長さ方向にわたって反射率が変
化するように設計されており、より詳細に言えば、予定
量の光がこの装置から出て文書を照射するように反射の
度合いが適当に制御される。光がくさび形状部材に入射
する角度は、隣接する出力光ビームが最終的に文書に対
して連続的な光のラインを生じるように選択される。さ
らに、反射面と結合される非平行な側面対が、装置内で
光を全内部反射し、照射ラインとしてより小さい領域に
入力光を集光するために用いられる。

【０００７】本発明の特定の実施例においては、白熱球
またはバルブが、ビーム指向部材の入光域に投射される
非干渉性光を生じさせるのに用いられる。この光は、出
力面における反射層およびビーム指向部材の入力面にお
ける反射層において反射される。この出力反射層の反射
係数は、入光域からの当該反射層の位置と、文書に一様
な照射を与えるために当該反射層を通り抜けなければな
らない光の量とを考慮に入れた数学的関係から決定され
る。ビーム指向部材の入力面に関して光源からの光ビー
ムがなす入射角度は、これら反射層間の厚みまたは分離
の程度、これら反射層間の材料の屈折率、およびこれら
２つの反射層に入射する光ビームの有効厚または有効径
との間において、予定された関係を満足する。さらに、
作り出される光ラインまたは走査ラインを定めるため
に、これら反射層間に延びる互いに非平行な側面が与え
られる。これらの側面は適当な角度に設定されると全内
部反射を可能にするから、文書上に作り出されるライン
の高さは、反射層間において指向される光ビームの径ま
たは幅よりも小さくなる。

【０００８】

【実施例】図１では、本発明により構成される文書ライ
ン走査装置の、主要な構成要素のうちの幾つかが示され
る。文書１０は走査装置によって走査され、その上にあ
る光学的な印１２に対応するデータを獲得する。文書１
０は、最終的にはその全ての部分が、走査装置の照射装
置により生じる光のラインまたは走査ライン１６によっ
て照射されるように、１４の方向に動かされる。走査ラ
イン１６は文書１０の表面において１４の方向と垂直の
方向に延びる。光学的な印１２からの反射光は、画像レ
ンズ１８により、線状に配設した電荷結合素子（ＣＣ
Ｄ）等のセンサ２０へ焦点が合わせられる。画像レンズ
１８は、傾斜インデックス（graded index）型ファイバ
・レンズまたは一般的な球面レンズを用いることがで
き、この場合には、センサ２０は走査ライン１６の長さ
よりも短くすることができる。センサ２０により得られ
るデータはこのセンサから適切にクロック出力され、走
査装置の別の電子回路へ伝えられる。

【０００９】照射ライン１６は白熱電球またはバルブ２
２により生ぜられる照射から作り出され、当該バルブ２
２はその背後部を放物線面反射装置２４で囲まれていて
非干渉性の白熱光ビーム２６を生ずるようにされてい
る。光ビーム２６は、走査ライン１６を文書１０上に生
じさせるために、ビーム指向部材２８内に指向される。
光ビーム２６の有効直径は、図１の直径３０によって示
される。ビーム指向部材２８には集光作用があるため、
照光ライン１６の高さ３２は光ビーム２６の直径３０よ
り小さい。このことは図２Ｃに関連して以下で詳述す
る。

【００１０】図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃは、図１に示
されるビーム指向部材２８の三面図である。図２Ａによ
ると、ビーム指向部材２８は、ビーム２６が入る当該部
材２８の一方の端部から当該部材の他方の端部、すなわ
ち図２Ａの底部に至る主要寸法または主要長さを有す
る。ビーム指向部材２８は、ガラスのような固体光学材
料から構成することができる。かかる光学材料の入力面
３４は、反射コーティングまたは反射層３８でコーティ
ングされるかまたは覆われている。これは、光エネルギ
の反射性が良好なアルミニウムまたは銀の面とすること
ができる。部材２８はまた、他の側面上に、入力面３４
に平行な出力面３６を有する。出力面３６には、反射層
４０が設けられる。反射層４０は、ビーム指向部材２８
の光入力端部から離れていくにつれて反射率が減じるよ
うに、漸次的または傾斜的に変化する反射係数を有す
る。このことは、事実上、層４０に衝突する光のうち比
較的多くの割合のものがこの層を通過して、最終的に走
査ラインを生じさせることを可能にしている。

【００１１】図２Ａの破線および矢印は、部材２８を通
る光ビーム２６の伝播を例示しているが、材料および隣
接する媒質の屈折率が変化することによるビームの屈折
については例示してない。ビームの中心にある矢印とビ
ーム幅の境界を定める破線とによって示されている光ビ
ーム２６は、図２Ｂに示す入光領域４８を通じて入力面
３４に入る。入光領域４８は入力面３４における反射層
を有しておらず、従ってビーム２６は入力面３４と出力
面３６との間の当該領域に入り込むことができる。ビー
ム２６は反射層４０により部分的に反射されそして、こ
の部分的に反射されたビーム４２は反射層３８に直接戻
され、そこで再び反射層４０へ向かって反射される。こ
のようにビーム指向部材２８の長手方向に延在する反射
層３８と４０の間で前後に反射が繰り返されると、単一
の光ビーム２６は出力面３６を通り抜けて連続的な照光
ラインを生ずる。出力反射層４０は部分的にのみ反射性
を有するので、反射層４０に衝突する光エネルギの幾分
かがビーム指向部材２８を出て、最終的に文書上に走査
ライン１６を形成する。

【００１２】ビーム指向部材２８および入射光２６の幾
何形状および配向は、参照番号４４で示すような反射さ
れたビームの高さが、参照番号４６で示すような反射前
のビームの高さに等しいように設定される。さらに、出
力面３６上の反射されたビームの位置は、ビーム指向部
材２８によって連続的な光ラインが得られるように、互
いに隣接している。このようなことは、レーザからのコ
ヒーレント光源を利用するよりも、むしろ白熱光ビーム
２６を利用することによって可能になる。もし光ビーム
２６がレーザによって作り出されるとしたなら、出力面
３６上で互いに隣接するビームの境界において有害な干
渉が生じるであろう。この場合、連続でないラインが生
じ、走査オペレーション中に不正確な結果が生じてしま
うであろう。しかし、本発明のビーム指向部材では光ビ
ーム２６は非干渉性であるので、境界領域においてシャ
ープで明確に現れるこの有害な干渉を避けることがで
き、従って滑らかで、連続的な光のラインが得られる。

【００１３】図２Ｃは、底部から見たビーム指向部材２
８の形状を例示している。部材２８は、入力面３４と出
力面３６との間に延在する、非平行側面５０および５２
を有する。側面５０および５２は入力面３４や出力面３
６のような反射層でカバーされてない。しかし、到達す
る光ビームの入力角度によって全内部反射が起こり、光
線は集光され、より小さい出力面の高さ寸法３７へと転
換される。もちろん、この高さ方向に光を再指向するこ
とは行われないから、ビームの高さ（図２Ａの４４およ
び４６を参照）は入力ビームのそれと同じに維持されよ
う。角度５１および５４は、光ビームの光線がビーム指
向部材２８の側面５０および５２に衝突する際の入射角
を示す。これらの角度はビーム指向部材２８を構成する
材料およびこれを取り巻く媒体の屈折率の関数である
が、これらの角度が臨界的な角度を超える限り、光線は
出力表面３６によって定められた比較的小さな領域へ集
光されることになる。この全内部反射は、ビーム指向部
材２８を通じて反射が繰り返される間に、光エネルギが
ビーム指向部材２８から失われないように保持すること
を助ける。

【００１４】図３はビーム指向部材２８の各対向面の反
射率を例示するグラフである。図３の曲線５６は、ビー
ム指向部材２８の入力面３４上に設けられた反射層３８
の反射率または反射係数を表す。ここに見られるよう
に、ビーム指向部材２８の長手方向に沿った位置の如何
に拘らず、反射率は1.0（または100%）に接近してい
る。換言すれば、反射率は反射層３８の位置にかかわら
ず一定のままであり、この層に突き当たる光ビームは、
ビーム指向部材２８の出力面３６に向かってほぼ全部が
反射されるということである。これに対して、曲線５８
は、ビーム指向部材２８の反射層４０の反射率を表して
いる。ここに見られるように、入光領域４８に近い端部
に対応する曲線端６０における反射率が一番高い。この
反射率は、予定されたレートに従って曲線端６２におけ
る小さい値へと減少されるが、この曲線端６２は入光領
域４８から最も離れたところに対応する。出力光をビー
ム指向部材２８の長手方向にわたってほぼ均質にするた
めには、当該部材の遠端部において反射率を最も小さく
することで、ビーム指向部材２８の内部に残る反射光の
うちの一層多くの光を出力させることが必要となる。

【００１５】図３の曲線５８が表す出力層４０の反射率
は、半反射（semi-ref lective）特性を有する層４０に
突き当たる光量を考慮に入れることで、数学的に決める
ことができる。出力面３６における光の初期漏出量は、
次式で表すことができる。Ｓ１＝Ｌ（１−ｒ１）（１）ここで、Ｓ１は層４０の最初の領域を通過して走査ライ
ン１６を作る光を表し、Ｌはビーム指向部材２８に入り
反射層４０に突き当たる光を表し、ｒはこの位置におけ
る層４０の反射係数を表している。入力反射層３８に向
かって戻される反射光は次式で表される。Ｒ１＝Ｌｒ１（２）次にこの入力反射層３８から反射される光（Ｌ’）は次
の式によって与えられる。Ｌ’＝Ｌｒ１（.98）（３）ここでは、ほぼ全反射が行われる層３８の反射率が.98
（または98%）であると仮定している。第二の位置Ｓ２
において層４０を通過して走査ライン１６を作る光は、
次式によって与えられる。Ｓ２＝Ｌｒ１（.98）（１ーｒ２）（４）Ｓ１およびＳ２は、ライン照射がラインの全長にわたっ
て連続で且つ一様であるように、等しくしなければなら
ないから、式（１）および（４）は、次式のように結合
することができる。Ｌｒ１（.98）（１ーｒ２）＝Ｌ（１−ｒ１）（５）（５）式は、この第二の位置において同量の光出力を得
るために、出力反射層４０の必要とする反射率（ｒ２）
について解くことができる。この結果、（６）式が得ら
れる。ｒ２＝１−（１−ｒ１）／ｒ１（.98）（６）この様なタイプの計算を続ければ、ビーム指向部材２８
の残りの長さ部分についての出力層４０の反射率を決定
することができる。この結果は図３の曲線５８によりグ
ラフを用いて表すことができる。実際の組み立てにおい
ては、一旦カットされグラインドされ磨かれた光学材料
の面は、アルミニウムを用いて所望の反射率となるよう
にスパッタされる。反射率の変化は、与えられた領域に
ついてスパッタリング時間を制御することで達成され
る。スパッタリング時間が長くなればなる程、反射層が
厚くなり、より高い反射率を呈するようになる。これ以
外に用いられる技法としては、ステッピング・モータに
よってマスクを駆動し、これにより反射層の異なる領域
の露光時間を制御するものがある。

【００１６】図４は、ビーム指向部材２８を通して進行
する、ビーム光線の経路を例示する図である。既に示し
たように、レーザ・ビームのような干渉性の光ビームと
出力面の隣接する出力位置の組み合せを用いて連続的な
照射ラインを得ようとすると、隣接ビームの結合部にお
いて有害な干渉を生じることになる。このような領域の
存在が、照射ラインの不連続性の原因となり、ひいては
走査装置の性能を低下させる。非干渉性の光源を用い、
特定の基準に合うようにビームを整えることによって、
有害な干渉無しに隣接位置において多重反射光がビーム
指向部材の外に放出され、一様で且つ連続な照射ライン
が与えられる。このような所望の性能を得るのに必要な
基準は、図４に見られるパラメータによって示される。

【００１７】角度θは、ビーム指向部材２８の２つの対
向面の間に入射する、光ビームの中心線６４の入射角を
表す。光ビームの直径（ｄ）と入力面３４に投射された
径（ｄ’）とは、次式によって関係付けられる。ｄ’＝ｄ/cosθ （７）ビーム指向部材２８を構成する材料の屈折率（Ｎ）に起
因して、入射光ビームは面３４を通過する際に屈折す
る。屈折したビームが光学材料を伝播する角度は次式に
よって与えられる。 α＝sin_-1(［sinθ］/N) （８）このことから次式が導かれる。 tanα=(d^/2)/t=d/(2t cosθ) （９）（８）式を（９）式に代入することによってこれらのパ
ラメータ間に次の関係式があることが示される。 tan［sin_-1(［sinθ］/N)］=d/(2t cosθ) （１０）（１０）式を角度θについて解けば、出力面３６におい
て連続で且つ隣接する光出力を得るために、非干渉性の
光ビームがビーム指向部材２８の入力面となすべき角度
が決定される。この入射光ビームが角度θから実質的に
外れることになると、オーバーラップまたはギャップが
光ビーム間に生じることになる。このようになると、光
の作り出すラインは一様でなくなり、ましてや望ましい
ものとは言えなくなる。

【００１８】本発明の照光システムを文書以外のオブジ
ェクトまたは構造物を走査するために用いたり、入光領
域を入力面以外の位置に設けたり、ビーム指向部材を反
射面間の領域を満たすソリッド光学材料でないもので構
成したりすることも可能である。ラインの一様性は、ビ
ーム指向部材と文書との間の光出口経路において、光学
格子等の拡散エレメントを用いることによってさらに改
良することができる。文書の中心部よりも両端部をより
明るく照光することが望ましいような適用例において
は、その要請に従って出力層における反射率曲線を修正
することができる。

【００１９】

【発明の効果】文書のライン走査装置において、簡潔で
経済的な照射装置を提供することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を使用するのに適した文書走査装置を例
示した図である。

【図２Ａ】本発明により構成されるビーム指向部材の正
面図である。

【図２Ｂ】本発明により構成されるビーム指向部材の側
面図である。

【図２Ｃ】本発明により構成されるビーム指向部材の底
面図である。

【図３】ビーム指向部材の各対向面の反射率を例示する
グラフ図である。

【図４】本発明のビーム指向部材の幾何的諸元を決定す
るのに用いる種々のパラメータを例示する図である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】文書上の印を走査装置によって検出するた
めに当該文書上にほぼ連続的な光のラインを照射する文
書走査装置であって、非干渉性光のビームを生ずる手段と、ほぼ平行で互いに間隔を置かれた入力面および出力面を
有するビーム指向部材と、前記非干渉性光ビームを前記入力面を通して前記出力面
に向けるために前記ビーム指向部材の前記入力面に設け
られた入光領域と、前記出力面の方へ光をほぼ全反射するように前記入力面
上に設けられた入力反射層と、前記入力面の方へ光を部分反射し且つ前記出力面と共に
光を部分通過させるように前記出力面上に設けられた出
力反射層とを有し、前記出力反射層の反射率が前記入光領域から離れるにつ
れて小さくなるように前記ビーム指向部材の長手方向に
わたって傾斜的に設定されていることを特徴とする、文書走査装置用照射装置。
【請求項２】次式、 tan［sin^-1(［sinθ］/N)］= d/(2 t cosθ) （ここでＮは前記ビーム指向部材を構成する材料の屈折
率であり、ｄは前記入力反射層および前記出力反射層の
間に入る前記非干渉性光ビームの幅であり、ｔは前記入
力面と前記出力面との間の距離である。）を満足する入
射角θにおいて、前記非干渉性光ビームが前記ビーム指
向部材の前記入光領域に入射することを特徴とする、請求項１の文書走査装置用照射装置。
【請求項３】前記ビーム指向部材に入射する前記非干渉
性光ビームが、前記文書を照射する前記連続的な光のラ
インの高さよりも大きい径を有することを特徴とする、請求項１の文書走査装置用照射装置。
【請求項４】前記ビーム指向部材が前記入力面と前記出
力面との間に延在する互いに非平行な第一の側面および
第二の側面を有し、前記入力面における両側面間の間隔
が前記出力面における両側面間の間隔よりも大きくされ
ていることを特徴とする、請求項１の文書走査装置用照射装置。
【請求項５】前記ビーム指向部材が、前記第一の側面お
よび前記第二の側面並びに前記入力面および前記出力面
との間の全容積を満たす、ソリッド光材料から成ること
を特徴とする、請求項４の文書走査装置用照射装置。
【請求項６】前記入力反射層および前記出力反射層が前
記光材料の外側に設けられることを特徴とする、請求項５の文書走査装置用照射装置。
【請求項７】前記第一の側面および前記第二の側面が前
記非干渉性光ビームとなす角度が、前記第一の側面およ
び前記第二の側面からの前記非干渉性光ビームの全内反
射を可能にする臨界角度よりも大きいことを特徴とす
る、請求項５の文書走査装置用照射装置。
【請求項８】文書上の印を走査装置によって検出するた
めに当該文書上にほぼ連続的な光のラインを照射する文
書走査装置用照射装置であって、非干渉性光のビームを生ずる手段と、互いに間隔を置かれた入力面および出力面、並びに互い
に非平行で且つ前記入力面と前記出力面との間に延在す
る第一の側面および第二の側面とを有するビーム指向部
材と、前記非干渉性光ビームを前記入力面を通して前記出力面
に向けるために前記ビーム指向部材の前記入力面に設け
られた入光領域と、前記ビーム指向部材内において前記出力面の方へ光をほ
ぼ全反射するように前記入力面上に設けられた全反射手
段と、前記ビーム指向部材内において前記入力面の方へ光を部
分反射し、且つ光を部分通過させるように前記出力面上
に設けられていて、前記ビーム指向部材の長手方向にわ
たって反射率が傾斜的に設定されている部分反射手段
と、前記非干渉性光ビームが前記全反射手段と前記部分反射
手段との間において繰り返し反射されるように前記ビー
ム指向部材の前記入光領域へ前記非干渉性光ビームを次
式、 tan［sin^-1(［sinθ］/N)］= d/(2t cosθ) （ここでＮは前記ビーム指向部材材料の屈折率であり、
ｄは前記全反射手段と部分反射手段との間に入射する前
記非干渉性光ビームの幅であり、ｔは前記入力面と前記
出力面との間の距離である。）を満足する入射角θにお
いて入射する手段とを有することを特徴とする、文書走査装置用照射装置。
【請求項９】前記ビーム指向部材が前記入力面と前記出
力面との間に延在する互いに非平行な第一の側面および
第二の側面を有し、前記入力面における両側面間の間隔
が前記出力面における両側面間の間隔よりも大きくされ
ていることを特徴とする、請求項８の文書走査装置用照射装置。
【請求項１０】文書上の印を走査装置によって検出する
ために当該文書上にほぼ連続的な光のラインを照射する
文書走査装置用照射装置であって、非干渉性光のビームを生ずる白熱光源と、Ｎに等しい屈折率を有する光学材料から構成され、互い
に間隔ｔを置いてほぼ平行に位置する入力面および出力
面を有し、前記入力面の高さを前記出力面の高さよりも
大きくした、ソリッドで且つくさび形状のビーム指向部
材と、前記ビーム指向部材の前記入力面上に設けられた入光領
域とを有し、前記入光領域を通して前記出力面に向けら
れる前記非干渉性光ビームが次式、 tan［sin^-1(［sinθ］/N)］= d/(2t cosθ) （ここで、ｄは前記入力面と前記出力面との間に入る前
記非干渉性光ビームの幅であり、ｔは前記入力面と前記
出力面との間の距離である。）を満足する入射角θにお
いて前記入力面上の前記入光領域に入射するようにし、
さらに前記光学材料内において前記出力面の方へ光をほ
ぼ全反射するように前記入力面の外側に設けられた入力
反射層と、前記光学材料を通して前記入力面の方へ光を部分反射
し、且つ前記出力面と共に光を部分通過させるように前
記出力面の外側に設けられていて、前記入光領域から離
れるにつれて反射率が低くなるように前記ビーム指向部
材の長手方向にわたって傾斜的に設定されている出力反
射層とを有し、前記ビーム指向部材は、前記入力面と前記出力面との間
に延在する互いに非平行な第一の側面および第二の側面
を有し、前記入力面における両側面間の間隔は前記出力
面における両側面間の間隔よりも大きくされており、両
側面が前記非干渉性光ビームとなす角度が全内反射が可
能となる臨界角よりも大きい角度にされていることを特
徴とする、文書走査装置用照射装置。