JP2953310B2

JP2953310B2 - イメージセンサー

Info

Publication number: JP2953310B2
Application number: JP6144213A
Authority: JP
Inventors: 皖一磯部
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-06-27
Filing date: 1994-06-27
Publication date: 1999-09-27
Anticipated expiration: 2014-09-27
Also published as: JPH0818727A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はイメージセンサーに関
し、特に単純な構成で多色の画像の信号を読みとるカラ
ーイメージセンサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】印刷物等の画像情報を電気信号に変換
し、コンピュータの取り込むイメージセンサーは近年そ
の重要度を増してきているが、いわゆるデスクトップパ
ブリッシングやプレゼンテーションの急速な普及と共
に、カラー画像のイメージセンサーが一般化してきてい
る。

【０００３】従来、カラー画像の電気信号変換のための
イメージセンサーとしては、いくつかの方式があり、そ
れぞれ一長一短があった。

【０００４】第一の方式は、最も単純には、カラーの３
原色である赤，緑，青（以下、ＲＧＢと略す）の３種類
の光源を順次切り替えて原稿を照射し、その反射光を光
電変換デバイスで電気信号に変換する方式である。光電
変換デバイスとしては、原稿の幅に対応した密着型のリ
ニアーセンサーを用いるものや、原稿の幅を光学系で縮
小し、比較的小型のリニアーセンサー、例えばＣＣＤを
用いるもの、ポイントのセンサーで光学的に原稿を走査
していくものもある。

【０００５】第二の方式として、一つの白色光源を用
い、３原色の各色に対応したカラーフィルターを装着し
た光電変換デバイスを用いる方式がある。リニアーイメ
ージセンサーではＲＧＢに対応した３列のセンサーを用
いる。

【０００６】第三の方式として、特開平２−２０５１６
９（カラーリニアーイメージセンサー及びカラー画像読
み取り装置）は、原稿とイメージセンサーの間に回折格
子またはプリズムを用い、分光した画像信号を３列のリ
ニアーイメージセンサーに入力している。特開平３−８
５８６３（画像読取装置）は、プリズムによって分光し
た信号を３列のラインセンサーに入力しており、内容は
同じである。特開昭６２−８１８７１（画像読み取り装
置）は、回折格子を用いて分光した画像信号を複数列に
配列された受光センサーに入力している。これも、内容
的には特開平２−２０５１６９と同一のものである。こ
れらはいずれもカラーフィルターを用いることなく、原
稿の同一点からの色信号を分光して電気信号に変換して
カラーの信号を得ており、第二の方式の問題点の内、色
ずれと分解能の上限を取り払い、コストアップ要因のう
ちのカラーフィルターを除去している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記の第一の方式は、
いずれのセンサーの方式によっても、基本的に光源を切
り替えるために読み取り速度が非常に遅く、また複数の
光源を用いるために、各色によって照明状態が異なり、
原稿に凹凸がある場合には実在しない着色が生じると言
う欠点もある。

【０００８】上記の第二の方式では、読み取り速度は早
く、かつ光源の位置ずれによる着色はないが、コスト的
に問題がある。すなわち、高価な部品であるリニアーイ
メージセンサーを３列用いること、カラーフィルターを
微細なセンサーの各ビットに合わせて、ずれなく貼り合
わせること、多数のビットからの電気信号を読み出す電
気回路が複雑になることなどのため、非常にコストが高
くなり、高級な装置にしか用いられていない。また、こ
の方式では３原色に対応したイメージセンサーの各ビッ
トは、原稿の同一位置に対応しておらず、基本的に色ず
れと、分解能を悪くする要因を内包している。従って、
得られる色再現性と分解能には上限があるという致命的
な欠陥がある。

【０００９】第三の方式では、いずれもカラーフィルタ
ーを用いることなく、原稿の同一点からの色信号を分光
して電気信号に変換してカラーの信号を得ており、第二
の方式の問題点の内、色ずれと分解能の上限を取り払
い、コストアップ要因のうちのカラーフィルターを除去
しているが、３原色の各色に対応してイメージセンサ列
を要するという大きな問題点を解決するに至っていな
い。

【００１０】本発明は、上記の欠点にかんがみ、イメー
ジセンサーを１列しか使用せず、単純な構成で原稿の同
一点の色分解信号を高速に電気信号に変換するカラーイ
メージセンサーの新規な構造を提供するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のイメージセンサ
ーは、原稿を照明する手段と、原稿からの反射光を平行
光または収束光に変換する手段と、その平行光または収
束光を入射超音波の周波数に応じて偏向する音響光学素
子と、偏向された信号光を特定の位置で電気信号に変換
する光電変換デバイスと、上記音響光学素子を駆動する
高周波発生回路とを備えている。

【００１２】

【作用】音響光学素子は、内部に超音波の進行波によっ
て媒質の粗密が生じ、それによって入射光が回折を受け
る素子である。媒質に二酸化テルルＴｅＯ₂を主成分と
するテルライトガラスを使用すると、縦波の音速度はお
よそ３４００ｍ／ｓであるから、超音波周波数を５００
ＭＨｚとすると、６．８μｍの間隔の粗密位相格子が発
生する。この音響光学素子に波長５２０ｎｍの光を超音
波の進行方向の垂直線に対して２．２°（ブラッグ回折
角度）で入射すると、１次折光が入射光の方向から４．
４°だけ、回折によって偏向して出射する。光電変換デ
バイスを含んだ音響光学素子の出射側光学系を空間的に
固定しておき、光電変換デバイスの受光アパーチャーを
制限すれば、音響光学素子からのある特定の方向の出射
光のみを受光し、電気信号を発生する。

【００１３】音響光学素子への印加超音波周波数と、光
波長，回折方向の関係は、音響光学素子内部の音速度を
ｖ〔ｍ／ｓ〕，印加超音波周波数をｆ〔Ｈｚ〕，光波長
をλ〔ｍ〕，入射角をθ_o，出射角をθ（ただし、
θ_o，θは法線からの角度）とするとき、ｓｉｎθ−ｓｉｎθ_o＝ｍｆλ／ｖ（１）で与えられる。ただし、ｍ＝０，±１，±２，…であ
る。θ＝θ_oではブラッグ回折となり、このとき＋１次
項への回折効率が最大となる（たとえば、Ｒ．Ａｄｌｅ
ｒ，“Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｌｉ
ｇｈｔａｎｄｓｏｕｎｄ”，ＩＥＥＥＳｐｅｃｔ
ｒｕｍ，第４巻（５月号），ｐ．４２（１９６７）。ブ
ラッグ回折条件では、回折角度は２θで、１次光のみに
着目すれば、２ｓｉｎθ＝ｆλ／ｖ（２）で与えられる。回折角を固定すると、音速度ｖは温度が
一定とすれば音響光学素子に与えられた材料定数である
から、ｆλ＝一定となり、印加超音波周波数を変えるこ
とによって、検出される光の波長を変えることができ
る。

【００１４】さて、本発明のイメージセンサーは音響光
学素子を用いて、単純な構成でカラーイメージ信号を得
ることができるが、音響光学素子そのものは新規な技術
ではない。例えば光変調器や、光偏向器に一般的に用い
られている。光変調器では駆動周波数は固定されている
が、光偏向器では駆動周波数を走査することによって光
の方向を制御している。例えば、特開昭５６−１９０５
６（網目版画像の走査記録方法及び装置）は、音響光学
素子に周期的に変化する周波数の超音波を与えて、透過
する光ビームの方向を変え、ビームを走査して網目版を
形成している。また、実開平２−７５８（レーザダイオ
ード光源）は、レーザダイオードの背面光を印加超音波
の周波数が可変な音響光学媒質に入射させ、レーザダイ
オードの発振周波数を制御している。これら従来例は、
音響光学素子に固定された、またはほぼ固定された波長
の光を入射し、音響光学素子に印加する超音波の周波数
を変えることにより、出射光の方向を制御するのが目的
である。

【００１５】一方、本発明における音響光学素子は、出
射光の方向を固定して、印加超音波の周波数を変えるこ
とにより、光を分光するものであり、このような音響光
学素子の使用法は全く新規な技術である。

【００１６】単色用のイメージセンサーでカラーイメー
ジを分光して読みとる技術については、特開昭５９−９
２６６７（多色読取装置）が、回折格子で分光した光を
イメージセンサに入射させている。しかしながら、この
方法では機械的な動きを伴い、現代のカラーイメージセ
ンサーに要求される高速読み取りを実現することはでき
ない。これに対して、本発明のイメージセンサーは分光
方法が全く異なり、電気的な構成だけでカラー信号を得
ることができる新規な構成となっている。

【００１７】

【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。

【００１８】図１は本発明の第１の実施例を示す図であ
る。原稿１はランプ２によって照明されている。ランプ
２は白色電球，蛍光灯ランプなど白色光であることが望
ましいが、少なくとも分光する対象の波長領域をカバー
していれば、照明光に色がついていても問題はない。原
稿面で散乱反射され原稿の色情報を含んだ光は、レンズ
３によって平行光に変換され、音響光学素子４に入射す
る。音響光学素子４は、例えばテルライトガラスで作ら
れている。音響光学素子４には後述する超音波が印加さ
れており、内部に粗密進行波が発生している。レンズ３
からの平行光はこの粗密進行波によって回折され、光の
進行方向が偏向する。音響光学素子４から出射した光は
レンズ５によって集光され、光電変換デバイス６に入
り、その強度に応じた電気信号に変換される。音響光学
素子４には超音波トランスデューサ７が貼り付けられて
いる。超音波トランスデューサ７には高周波発生器８，
９，１０のうちのひとつの高周波が電気的なアナログス
イッチなどのスイッチ１１で選択されて駆動高周波とし
て印加されている。

【００１９】光電変換デバイスの受光面が小さい場合に
は、その受光面が受光アパーチャとなるが、光電変換デ
バイスの受光面が大きい場合には、受光面の前面に小開
口のアパーチャーをとりつけ、受光視野角を制限する。
受光アパーチャー径としては、所望の分光精度（色分解
能）と収束光学系（この場合にはレンズ５）の関係や、
光電変換デバイスの感度で決まるが、光電変換デバイス
に密着型ラインセンサーを用い、原稿を１インチ当たり
４００ラインの分解能で読みとる場合には、レンズ５の
焦点距離が１０ｍｍ程度であるとき、おおむね２０μｍ
程度であることが望まい。音響光学素子４は入射光の進
行方向に対して約２．２°傾いており、レンズ５と光電
変換デバイス６はさらに約２．２°、すなわち、入射光
の方向から４．４°傾いている。

【００２０】図１において、高周波発生器８，９，１０
の発生周波数は原稿からの光のうちのＲＧＢ各色の波長
に対応した周波数になっており、スイッチ１１で音響光
学素子４に印加する超音波周波数を切り替えることによ
り、光電変換デバイス６に入射する光波長をＲＧＢの順
で切り替えることができる。すなわち、各色に対応した
光電変換デバイスを用いることなく、音響光学素子に印
加する高周波の周波数を変化させることにより、任意の
波長を選択的に選ぶことができる。上述の条件では（音
響光学素子材料はテルライトガラスで、内部の音速＝３
４００ｍ／ｓ，信号光は音響光学素子へ２．２°入射，
出射角２．２°），超音波周波数と波長の関係は表１に
与えられたものとなる。

【００２１】

【表１】

【００２２】この実施例においては、レンズの焦点距離
１０ｍｍ，光電変換デバイスに受光面口径２０μｍのフ
ォトセンサーを用い、音響光学素子にはテルライトガラ
スを用いて、表１の周波数を印加したとき、４６０ｎｍ
（Ｂ）で約１０ｎｍ，５２０（Ｇ）で約１０ｎｍ，６５
０ｎｍ（Ｒ）で約１２ｎｍの分光精度が得られている。

【００２３】図２は本発明の第２の実施例を示す図であ
る。図１は原稿からの集光光学系にレンズを用いている
ため、原稿の鏡面対称な像が光電変換デバイスの面に形
成され、例えば原稿の長さに対応した長さを有する、い
わゆる密着型イメージセンサーを光電変換デバイスに用
いると、複数のレンズごとに裏返されたイメージがイメ
ージセンサー上に生じて、隣り合ったレンズによる像の
重なり部分に不都合を生じたり、また、その不都合を解
決しても、ラインイメージセンサーの読み出しが、ライ
ン上に並んでいる順番ではなく、レンズ列によって決ま
る複雑な順番で行われなければならないという問題点が
ある。これにたいして、図２に示された本発明の第２の
実施例では、いわゆるセルフォックレンズを用いて、そ
の問題点を解決している。

【００２４】図１の２個のレンズ３，５の代わりに、セ
ルフォックレンズ２１が用いられている他は、図２は図
１と同一である。原稿１からの信号光はセルフォックレ
ンズ２１に入射する。セルフォックレンズ２１では信号
光は内部で鏡像対称に変換され、わずかに収束していく
光として出射する。この出射光は音響光学素子４で偏向
され光電変換デバイス６に到達する。

【００２５】音響光学素子による光の偏向は、平行光の
場合に最も分光特性がよく、波長の純度がよいが、音響
光学素子を通過する光が収束または発散している場合に
は分光特性が劣化する。このため、セルフォックレンズ
２１の直径と、セルフォックレンズの出射側の焦点距離
は所望の分光特性精度とのかねあいで決定しなければな
らない。実施例においては、直径１ｍｍのセルフォック
レンズで、出射側の焦点距離を１０ｍｍとしたとき、第
１の実施例より各波長で１ｍｍ程度悪い分光特性精度と
なるものの、実用上全く問題がなかった。

【００２６】図３は本発明の第３の実施例を示す図であ
る。この実施例は、ラインセンサーを用いて、原稿の幅
にわたって高速に読みとるイメージセンサーの例であっ
て、原稿１の横幅に対して、本発明によるイメージセン
サーはその横幅をカバーするような幅を有しており、そ
れに伴って音響光学素子もイメージセンサーと同じ幅を
有している。原稿１は蛍光灯３２によって幅方向全域が
照明され、セルフォックレンズアレイ３３によって集光
された原稿からの反射光は、音響光学素子３４によって
回折され、リニアーイメージセンサー３６に入射する。
音響光学素子はテルライトガラスで作られており、超音
波トランスデューサ３７が貼り付けられており、この超
音波トランスデューサ３７には第１の実施例の場合と同
様に、複数の高周波発生器８，９，１０からの高周波
が、スイッチ１１により切り替えられて印加される。セ
ルフォックレンズ３３は正立像を与えるような長さとな
っており、隣り合ったセルフォックレンズ素子による複
数の像は正しく重なり合い、ゴーストイメージを発生す
ることはない。リニアーイメージセンサー３６は、いわ
ゆる密着型のイメージセンサーで、分解能が４００ｄｐ
ｉの場合には光電変換素子が６４μｍ間隔で並び、一つ
の光電変換素子の典型的な幅は２０μｍ程度である。

【００２７】リニアーイメージセンサーは各光電変換素
子からの出力をシフトレジスターで順次切り替えて読み
出すが、本発明のイメージセンサーは、一つの光電変換
素子において、音響光学素子の駆動周波数を切り替え
（実施例ではＲＧＢに対応した３周波数）、多色信号の
ブロックずつ出力して、シフトレジスターにより次の光
電変換素子に移るのが望ましい。しかし、音響光学素子
の駆動周波数を固定して、リニアーイメージセンサーの
一列を読み出し、次に、別の駆動周波数を固定して、再
度リニアーイメージセンサーの一列を読み出し、所望の
分光波長のセット回数繰り返した後、原稿を１ライン送
るという方式であっても良い。

【００２８】上記３つの実施例においては、音響光学素
子の駆動高周波は、複数の高周波発生器からの高周波信
号をスイッチによって切り替えているが、図４は本発明
の第４の実施例を示す図で、単一の電圧制御周波数発生
器を用いた例であって、電圧制御周波数発生器５１は、
例えば４００ＭＨｚから６００ＭＨｚまでの周波数を繰
り返し走査する高周波発生器である。この電圧制御周波
数発生器５１からの高周波を上記実施例の超音波トラン
スデューサ５２に印加し、光電変換デバイス５３からの
出力信号を信号処理回路５４において、電圧制御周波数
発生器の繰返しタイミングに合わせて、所望の周波数の
時に読み出すことにより、複数の高周波発生器からの高
周波信号をスイッチで切り替えて超音波トランスデュー
サに印加する場合と同じ効果を得ることができる。この
実施例では、高周波発生器の構成は複雑になるが、信号
処理回路の変更だけで分光波長の個数や波長を任意に変
更できるという効果がある。

【００２９】上記、本発明の実施例においては、音響光
学素子に材料に、テルライトガラスを用いていたが、音
響光学素子の材料としてはこれに限定されるものではな
く、単結晶の二酸化テルルＴｅＯ₂，モリブデン酸鉛Ｐ
ｂＭ_oＯ₄，タンタル酸リチウムＬｉＴａＯ₃，ニオブ
酸リチウムＬｉＮｂＯ₃などの他，溶融石英，フリント
ガラスなどであってもよい。音響光学素子の選択のため
には例えば特性係数Ｍが、Ｍ＝ｎ⁷ｐ²／ρｖで与えら
れている。ただし、ｎは屈折率，ｐは光弾性係数，ρは
密度，ｖは音速度である（たとえば、Ｎ．Ｕｃｈｉｄａ
ａｎｄＮ．Ｎｉｉｚｅｋｉ，“Ａｃｏｕｓｔｏｏｐ
ｔｉｃｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎＭａｔｅｒｉａｌｓ
ａｎｄｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎ
ｇｓｏｆｔｈｅＩＥＥＥ，６１巻，ｐ．１０７３
（１９７３））。この特性係数ができるだけ大きく、所
望の波長域において実用上問題がない程度に光の吸収が
少なく、必要なサイズで内部欠陥の少ない素子が経済的
なコストで得られるような材料であればよい。

【００３０】音響光学素子の駆動超音波の周波数は３周
波数で説明したが、周波数の数はイメージセンサーの目
的に応じて、任意の数とすることができる。

【００３１】光電変換デバイスとしては密着型のリニア
ーイメージセンサーを主体に説明したが、単体の光電変
換デバイスであるフォトダイオードやフォトトランジス
ターの他、リニアーイメージセンサーであるＣＣＤなど
であってもかまわない。

【００３２】原稿照明用の光源としては、蛍光灯の他、
白色ランプであってもよく、所望の分光波長領域をカバ
ーできるならば、ＬＥＤまたは複数の種類のＬＥＤの組
み合わせであってもよい。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、音響光学
素子を分光素子として用い、音響光学素子への入射光
と、出力光の光電変換デバイスでの検出を空間的に固定
し、音響光学素子への駆動超音波周波数を変化させて分
光波長を変化させているので、光源を切り替えることな
く固定された光源で任意の波長の分光信号を得ることが
でき、原稿の凹凸に対しても実在しない着色を生じるこ
とが無い。イメージセンサーは各分光波長に応じたもの
を用意する必要が無く、リニアーイメージセンサーでは
１列のセンサーでカラー信号を得ることができ、さら
に、コストアップの要因であったカラーフィルターを用
いる必要が無く、非常に安価なカラーイメージセンサー
が実現できる。分光波長変更は全て電気的な処理で行っ
ているため、非常に高速のイメージセンサーを実現でき
るという効果を有する。また、従来の３列のイメージセ
ンサでカラーフィルターを用いていたものに対して、本
発明のイメージセンサーは１列のイメージセンサーで良
いため、イメージセンサーの高密度化も容易に行えると
いう利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成を示す図である。

【図２】本発明の第２の実施例の構成を示す図である。

【図３】本発明の第３の実施例の構造を示す斜視図であ
る。

【図４】本発明の第４の実施例のブロック図である。

【符号の説明】

１，３１原稿２ランプ３，５レンズ４，３４音響光学素子６，５３光電変換デバイス７，３７，５２超音波トランスデューサ８，９，１０高周波発生器１１スイッチ２１セルフォックレンズ３２蛍光灯３３セルフォックレンズアレイ３６リニアーイメージセンサー５１電圧制御周波数発生器５４信号処理回路

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】原稿を照明する手段と、原稿からの反射
光を平行光または収束光に変換する手段と、その平行光
または収束光を入射超音波の周波数に応じて偏向する音
響光学素子と、偏向された信号光を特定の位置で電気信
号に変換する光電変換デバイスと、前記音響光学素子を
駆動するための周波数を連続的に変化する電圧制御周波
数発生器と、前記光電変換デバイスの出力を電圧制御周
波数発生器の周波数に同期させて読み出す信号処理回路
とを備えることを特徴とするイメージセンサー。