JP3020967B2

JP3020967B2 - 端面入射型光センサ

Info

Publication number: JP3020967B2
Application number: JP1282649A
Authority: JP
Inventors: 宏幸阿部
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1989-10-30
Filing date: 1989-10-30
Publication date: 2000-03-15
Anticipated expiration: 2015-03-15
Also published as: JPH03143161A; US5146082A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、ファクシミリ、コピア等に用いられる端面
入射型光センサの入射角度設定方法に関する。

従来の技術従来における光学的画像読取装置の照明手段のいくつ
かを具体例を上げて説明する。まず、第一の例として、
特開昭60−124165号公報に開示されているものがある。
これは、照明手段として内部に蛍光体を含む蛍光部材を
用い、外部から光を蛍光部材に入射させその端面から出
射される光を原稿に照射することにより照明を行うもの
である。また、その第二の例として、特開昭61−278265
号公報に開示されているものがある。これは、光源と原
稿面との間に設けられた蛍光平板集光器に光源から出射
された光を通過させその端面から集光して出射された光
を原稿面に照射することにより照明を行うものである。
さらに、その第三の例として、特開昭63−299269号公報
に開示されているものがある。これは、薄膜導波路を用
いた固体撮像装置において、導波路上に導光ガイド用の
扇型をした断面形状をもつ棒状レンズを設け、光源より
出射された光をその棒状レンズに集光させることにより
光利用効率を高めた状態で原稿面に光を照射しようとす
るものである。これら第一の例から第三の例における照
明手段は、光の利用効率を上げるために細い光束を斜め
から入射させている。

また、以上述べたような装置の他に端面入射型光セン
サにおいて、第四を例としてセンサ基板に屈折率分布に
よる集光機能を持たせたものや、第五の例として原稿面
への光照射用に蛍光フィルム又は蛍光平板を基板に貼り
合わせて用いた方式がある。

発明が解決しようとする課題一般に、写真や細かい図面等を高画質で読取り可能な
光センサには、高密度化が不可欠である。しかし、その
ような高密度化に伴い、受光量絶対値の減少によるSN比
の低下や、分解能確保のための原稿とセンサとの間の距
離の精密な位置制御の必要性の問題が生じる。

また、これに対して端面入射型光センサの場合には、
投光、受光の光分離による迷光の低減や、分解能維持に
必要な原稿・センサ間の距離が他の方式に比べてある程
度大きくとれる利点はあるが、しかし、導波路見込み角
の制限により充分な光量を得ることができないという欠
点がある。

その端面入射型光センサの場合、分解能は、導波路の
コア層とクラッド層との屈折率の値で決まる臨界角の大
きさ及び原稿・センサ間の距離の変化により大きく変わ
る。その臨界角は、コア層及びクラッド層の屈折率の比
が大きい程大きくなり、この時、光量は大きくなるが分
解能は低下する。また、原稿・センサ間距離が小さい方
が分解能は良好であるが、逆に、狭すぎると原稿面に光
が辺りにくく、充分な光量を得ることができないために
SN比は劣化することになる。また、逆に離れ過ぎても、
分解能、光量共に低下することになる。

また、充分な分解能と光量とを同時に得るためには、
原稿・センサ間の距離をある程度狭くし、原稿面と導波
路端面とが正対した位置に当るように細く絞った光束を
斜めに入射させる必要がある。例えば、前述した第四の
例の場合、基板に屈折率分布を持たせる方式のものにつ
いては、光を斜めに入射させる工夫がなされているが、
屈折率分布を制御し目的とする位置に光を当てるのは技
術的に困難であり、しかも、コストの面からも不利であ
ると思われる。また、第五の例の場合、蛍光フィルムを
光照射用として用いる方式のものでは、導波路と蛍光フ
ィルムとが平行で、導波路端面の正面位置に届く光が少
なく光の利用効率が悪いという問題がある。

このように従来の装置においては、光の利用効率を上
げるために、光を斜めに入射させてはいるものの、入射
角度の最適化はなされていないのが現状である。また、
従来の端面入射型光センサにおいては、センサの分解能
と原稿・センサ間の距離の関係を定量的に検討し、これ
により充分な分解能と充分な光量を得るための光の入射
方法を確立していない。

課題を解決するための手段そこで、このような問題点を解決するために、本発明
は、光源から出射された光を原稿面に照射しその反射光
を画像読取り受光系に設けられた導波路に導くことによ
り光学的画像読取りを行う端面入射型光センサにおい
て、前記導波路のコア層の屈折率をn₁、クラッド層の屈
折率をn₂とした時、により定まる臨界角θ_０を有し、前記原稿と前記導波路端面との間の距離Ｌを定めたと
き、 φ_０＝｛0.012（θ_０−47）^２＋93.5｝ −｛0.06（θ_０−47）^２＋12.5｝×lnL の関係式により定まるφ_０に対して、入射光量に対して
必要な比率の光量を得るための光の平均的な入射角度φ
を定めるようにした。

また、基板上に設けられた導波路端面の原稿面に対す
る角度を一定の傾斜角度をもつように設定して入射角度
φを定めるようにした。

作用これにより、上述したような端面入射型光センサにお
いて、原稿・センサ間の距離が定まった場合、充分な光
出力を得るための光の入射角度が定量的に得られるの
で、これに従って設計を行うことにより高密度画像領域
においてもSN比劣化の小さいセンサの作成を行うことが
可能となる。

また、端面入射型光センサにおいて、導波路端面の原
稿面に対する角度が一定の傾斜角度をもつように、その
導波路端面を斜めに加工することによって、従来に比べ
１割以上の光出力の増加を得ることができるので、一定
の傾斜を持たない端面入射型光センサよりもさらにSN比
劣化の小さなセンサを得ることが可能となるものであ
る。

実施例本発明の具体的な実施例の説明に入る前に、設計の
際、端面入射型光センサと原稿面との間で生じる基本的
な光学関係を求めてみる。

一般に、光センサ（端面入射型光センサも含む）にお
ける分解能は、原稿・センサ間の距離によって変化し、
原稿・センサ間距離が小さいほど分解能は良くなる。高
品位な画像読取りのためには、分解能は高ければ高いほ
ど好ましいが、原稿・センサ間距離を小さくし過ぎる
と、精密な位置制御が要求され、また、受光量が減少す
るという問題が生じる。従って、分解能を表わすMTFが5
0以上、さらに好ましくは55以上あれば一般的に問題な
いとされている。

センサが高密度になれば、50又は55のMTFを確保する
ための原稿・センサ間距離は小さくなり、これによりセ
ンサの線密度とその原稿センサ間距離は反比例の関係に
あると考えられる。また、端面入射型光センサの場合、
コア層とクラッド層の屈折率により定まる臨界角以上の
入射光は導波路中を伝搬しない構成になっており、臨界
角の大きさも分解能と原稿・センサ間距離の関係に効い
てくる。従って、高密度になるほど分解能は原稿・セン
サ間距離により大きく変化するので、線密度と必要なMT
Fを与える原稿・センサ間の距離の関係を定量的に定め
る必要がある。

また、原稿・センサ間の処理を定めた後、充分な光量
を得るために光源から原稿面への光の入射方法を最適に
しなければならない。そのためには、原稿面を当てる光
を細く絞る必要がある。

さらに、光の利用効率を高めるには、光の入射角度を
斜めに設定する必要がある。利用効率の良い最適入射角
度は、原稿・センサ間の距離が狭いほど深くする必要が
あり、広ければ浅くて良いことが幾何学的に理解でき
る。しかし、原稿面の荒れにより入射光は乱反射される
ため、最適入射角度は幾何光学的に予想される値とは異
なったものになるはずである。この場合、いずれにして
も最適入射角度は原稿・センサ間の距離の関数であるか
らその関係を定量的に求めることも必要である。

そこで、本実施例では、線密度と原稿・センサ間距離
の関係、及び、原稿センサ間距離と最適入射角度との関
係を定量的に得るために、計算機を用いて種々な屈折
率、原稿・センサ間の距離、入射角度での光量、MTF等
の計算を行った。その計算後、端面入射型センサを実際
に作成し、その特性を測定して、計算結果との比較を行
った。以下、それらの内容について順次説明していく。

まず、MTF＝55を得るために必要な原稿・センサ間距
離Ｌを計算して求めてみる。

上記のＬを求めるために、32本/mmの端面入射型光セ
ンサを考え、コア層屈折率と原稿・センサ間距離を変え
てMTFの変化を計算した。以下、その計算方法の概略に
ついて述べる。

今、第１図に示すように、紙面垂直方向には長さ無限
大の16line pairの白黒の原稿１（白32.5μｍ、黒30.0
μｍ）を考え、光源の原稿面での反射は乱反射であり、
その出射強度分布はcosθ法則に従うと仮定する。32本/
mmのセンサ２は、コア層部分が20μｍ角の矩形であると
する。コア層の屈折率をn₁、クラッド層の屈折率をn₂と
した時、導波路３の臨界角θ_０は、で与えられる。

この時、白黒の原稿面で反射した光のうち、導波路端
面４に対して、上述した臨界角θ_０以内の入射角度を持
った光だけが、端面入射型光センサの光電変換層に到達
し信号出力となる。MTFは、端面入射型光センサの導波
路端面４が白部分の原稿１に正対した場合の出力Iwと黒
部分の原稿１に正対した場合の出力Ibを用いて、により定義され、分解能の程度を表すことができる。MT
Fは０から100の範囲をとり、MTFが大きいほど、高い分
解能に対応する。

次に、実際の計算に使用した数値例を示す。

センサ厚みｄ＝20μｍセンサ幅Ｄ＝20μｍ白原稿幅Ｗ＝32.5μｍ黒原稿幅Ｕ＝30.0μｍ白原稿反射率100％黒原稿反射率1.6％（MTFテストチャートの白黒反射率比）原稿・センサ間距離Ｌ＝０〜100μｍコア層屈折率n₁＝1.50〜1.70 クラッド層屈折率n₂＝1.45 （石英ガラスの屈折率）そして、原稿・センサ間距離Ｌとコア層屈折率n₁を上
の数値の範囲でパラメーとして変化させてMTFと白原稿
光量をそれぞれ横軸、縦軸にして描いたグラフを第２図
に示す。実線は同一の屈折率を表わし、点線は同一の原
稿・センサ間距離Ｌを表わす。この図より、原稿・セン
サ間距離Ｌが大きくなるにつれてMTFは劣化し、また、
コア層屈折率n₁が小さい方がMTFは良くなることがわか
る。

従って、この第２図から、コア層屈折率n₁と必要なMT
Fを与えると、原稿・センサ間距離Ｌを求めることがで
きる。例えば、屈折率1.60でMTF60を得るには、Ｌ＝28
μｍ程度の原稿・センサ間距離に設定すればよい。ここ
では、MTF＝55を得ることが目的などで、縦軸と平行なM
TF＝55の直線と各屈折率を表わす実線との交点により、
原稿・センサ間距離Ｌを以下の第１表のように求めた。

ただし、ここでの計算は32本/mmの線密度としたが、
この他に例えば、８本/mm、16本/mm、48本/mm等の他の
線密度についての計算は幾何学的に相似であるため全く
同様な方法で計算することができ、MTF＝55を得るため
の原稿・センサ間距離Ｌはセンサの線密度Ｎに反比例す
ることになる（なお、８本/mm未満の低密度センサは分
解能の点で実用的ではないので、Ｎは８以上とする）。
従って、これにより、Ｎ×Ｌ＝Ｋ（定数）とおくことができる。

Ｋの値は32本/mmの結果から求めることができ、第２
表のように計算することができる。

ここでの結果は、クラッド層の屈折率も関係してお
り、より一般性を持たせるためには、 n₁＝コア層の屈折率 n₂＝クラッド層の屈折率の関係により定まる臨界角θ_０（deg）と定数Ｋの関係
にすればよく、それを第３表に示す。

Ｋの値は、臨界角の増加に伴って減少しており、Ｋ＝（14800/θ_０）^1.16 により近似することができる。

この式より、MTF＝55となる原稿・センサ間距離Ｌを
定めたが、MTFは高い方が好ましいので、絶対光量の減
少によりSN比が劣化しない範囲でＬよりも小さな値に設
定すれば良い。

次に、原稿・センサ間距離Ｌを定めた場合における入
射角度φを計算により求めてみる。第３図に示すよう
に、光線幅Ｗの平行光線が原稿面の法線方向とφの角度
をなして入射する場合を考え、前述した例と同様に原稿
面での反射光はcosθ法則に従うものとする。端面入射
型センサのコア層は、屈折率n₁、厚みd₁、幅Ｄであり、
クラッド層は屈折率n₂、厚みd₂、幅Ｄ＋2d₂とする。

そして、コア層屈折率n₁、原稿・センサ間距離Ｌ、入
射角度φを変化させて光量の変化を計算した。以下に、
その計算に使用した数値を示す。

コア層厚みd₁＝20μｍコア層幅Ｄ＝20μｍコア層屈折率n₁＝1.50〜1.70 クラッド層厚みd₂＝５μｍクラッド層屈折率n₂＝1.45 原稿・センサ間距離Ｌ＝０〜100μｍ光線幅Ｗ＝10μｍ〜1mm 入射角度φ＝０゜〜85゜ここで、コア層屈折率n₁＝1.60、光線幅Ｗ＝100μｍ
の場合について、原稿・センサ間距離Ｌをパラメータと
した場合の入射角度φと入射光量Ｑの関係をグラフに描
いたものを第４図に示す。これにより、入射光量Ｑはあ
る角度φ_０でピークを持ち、そのピーク位置は原稿・セ
ンサ間距離Ｌが大きいほど低角度側にシフトすることが
わかる。このことは原稿・センサ間距離Ｌが狭ければ、
深い入射角度が必要であることに対応する。

ここで、他の屈折率についても同様のグラフを描き、
各Ｌ（μｍ）の値に対して最適入射角度φ_０（゜）を求
めた結果を第４表に示す。

この場合、最適入射角度φ_０は屈折率によっても多少
変化があり、1.60付近でピークを持った形になる。

今、原稿・センサ間距離Ｌによる最適入射角度φ_０の
変化を、 φ_０＝Ｐ−QlnL の関数型で近似できると仮定し、各屈折率（より一般性
を持たせるために臨界角）でのP,Qの値を求めると第５
表のようになる。

また、P,Qをθ_０の関数としてプロットすると、θ_０
＝45゜前後で極小となる放物線で近似することができ、
その近似式として次に示す式が得られる。

Ｐ＝0.012（θ_０−47）²93.5 Ｑ＝0.06（θ_０−47）^２＋12.5 従って、このようにして最大の光量が得られる最適入
射角度φ_０を定めることができる。

次に、その最適入射角度φ_０から多少ずれた場合の光
量の変化を調べる。ここでは、コア層屈折率1.60、原稿
・センサ間距離埋Ｌ＝10〜100μｍの場合に±20゜の角
度ずれの範囲で調べたものを第６表に示す。なお、最大
光量Qmは10μｍでの値を基準とし、角度ずれによる光量
変化ΔＱは各最大光量Qmとの相対値で示す。

この表及び第４図からもわかるように、入射光量Ｑは
高角度側（＋）にずれた場合の方が低角度側にずれた場
合よりも減少の割合は大きい。また、この場合、原稿・
センサ間距離Ｌが小さい方が角度ずれに対して光量変化
が敏感であり、最適入射角度φ_０から多少ずれても光量
はそれ程減少しないこともわかる。

ここで、角度ずれの許容範囲として、最大光量の60％
を適否の判断基準とすると、原稿・センサ間距離Ｌ＝10
μｍでは、＋13゜〜−18゜の範囲に限られる。しかし、
前述したようにMTF＝55となるのは、96本/mmの線密度で
あり、このような高密度のセンサは一般には使用されて
いないものである。さらに、10μｍという原稿・センサ
間距離Ｌを制御するのは困難で、実際には20μｍ以上の
原稿・センサ間距離Ｌに設定される。

従って、角度ずれの許容範囲として、20μｍの場合の
＋18゜〜−25゜を採用する。ここでは、コア層屈折率が
1.60の場合を示したが、この他の屈折率についても、原
稿・センサ間距離Ｌ＝20μｍ以上では、最適入射角度φ
から＋18゜〜−25゜ずれても、光量としては、最大光量
の60％が維持されることを確認することができる。な
お、ここでの入射角度φとは、光源からの出射光の強度
分布が最大になる方向を主軸として、その主軸と原稿面
法線とのなす角度のことを意味するものである。

次に、端面入射型光センサの導波路端面を斜めにした
ことについて説明する。

いま、n₁の屈折率を持つコア層は、n₂の屈折率を持つ
クラッド層で挟んだ３層の導波路で第５図のように導波
路端面４が基板面に対称である場合、臨界角θ_０は、により定まるθ_０であり、−θ_０＜θ＜＋θ_０の範囲の
光が導波路３に採り込まれてその導波路３に対して対称
となる。

ところが、第６図に示すように、上述した場合と同じ
屈折率をもつ３層導波路の端面を基板面に対してテーパ
ー角αだけ斜めに加工すると、の不等式により定まるθの範囲内の入射光だけが、導波
路３に採り込まれることになり、基板面に対して非対称
になる。

入射角度θの上限をθ_１、下限をθ_２、として、テーパー角α（゜）を変えた場合のθ_１、θ_２
の値を第７表に示す。

なお、クラッド層の屈折率n₂は、1.45にして計算し
た。

これにより、αが増加するに従い、θ_１は増加し、θ
_２は減少する傾向にあるため、光量が最大になる最適入
射角度φ_０は浅くなることが予想できる。そして、入射
角度φが浅くなれば実質的な光線幅Wa＝W/cosφ（第３
図参照、Waは幅Ｗの光線の原稿面での幅を示す）は狭く
なるので、光量も増加することが考えられる。

ここで、上述した予想を定量的に確認するために、テ
ーパー角αをつけた時の最適入射角度φ_０と最大光量を
計算し、これをテーパー角αをつけない場合との比較を
行った。この時、その計算方法は臨界角θ_０が非対称な
ことを除き、前述した方法と同じである。そこで、今、
コア層屈折率n₁＝1.60で、テーパー角αをつけた場合に
おける、最適入射角度φ_０及び最大光量Qmの計算結果を
第８表に示す。また、この表の結果をグラフに表わした
ものを第７図及び第８図に示す。

なお、かっこ内の数値は最大光量Qm（任意単位）を示
し、Ｌの単位はμｍとする。

これにより、最適入射角度φ_０は、テーパー角αが大
きくなるに従い単調に減少し、しかも、光量もテーパー
角αをつけることにより増加していることがわかる。た
だし、光量は、テーパー角が大き過ぎると減少する傾向
にある。このような波形になる理由としては、前述した
第７表に示す臨界角の下限θ_２がテーパーをつけること
により増加し、光量に大きく依存する原稿面のセンサ正
面近傍からの反射光の一部がその臨界角θ_２によりカッ
トされるために生じるからである。

今、例えば、α＝10゜の場合、原稿・センサ間距離Ｌ
を20〜70μｍの範囲で用いれば、α＝０゜の場合に比べ
て７％以上の光量の増加を期待することができ、特に、
50μｍでの光量増加は17％でかなり大きなものになる。
また、MTFとの兼ね合いで原稿・センサ間距離Ｌが定ま
った場合には、最適のテーパー角αがあることになる。
例えば、Ｌ＝50μｍでは、α＝10゜で光量が最大となる
が、Ｌ＝20μｍではα＝15゜、70μｍではα＝５゜が適
している。そして、テーパー角αが20゜以上では、上述
した理由により光量は全体的に減少しており、どの原稿
・センサ間距離Ｌにおいても最適テーパー角とはなり得
ない。さらに、テーパー角αが大きくなると、臨界角θ
_０によりセンサが見込む領域が第９図の点線に示すよう
に細長く引き延ばされ、副走査方向のMTFが劣化する原
因となる。そこで、MTF劣化の目安として臨界角θ_０に
よりセンサが見込む領域の面積変化を用いることにし、
テーパー角α＝０゜の場合の面積S₀とテーパー角αの場
合の面積Ｓαの面積比Ｓα/S₀を計算し、Ｓα/S₀＞２の
条件を満たした場合は不適当と判断する。

今、第９表に各屈折率n₁におけるＳα/S₀の値を示
す。この場合、前述した第７表で、θ_１＝90度の場合、
Ｓα/S₀＝∞となる。

コア層屈折率n₁＝1.60の場合、Ｓα/S₀＝２となるテ
ーパー角度αは12゜になる。従って、コア層屈折率n₁が
1.60では、テーパー角αは光量の面からは20゜以下、MT
Fの面からは12゜以下にしなければならない。しかし、
センサの性能に対してMTFは重要な要素であるため、MTF
によりテーパー角αの値を制限しなければならない。こ
のことは他の屈折率についても同様である。

第10表〜第14表に種々な屈折率のコア層及びクラッド
層を持つ場合に、Ｓα/S₀＝２となるテーパー角α_０の
値を示す。

なお、n₂はクラッド層の屈折率を表わす。

そして、これら各表の結果をグラフに描くと、n₁とα
_０はほぼ線形であることがわかる。そこで、n₂も含めた
形で直線で近似を行うと、テーパー角αは、０＜α＜38−120（n₁−n₂）の範囲に設定すれば１＜Ｓα/S₀＜２であり、これによ
りテーパー角αによるMTFの劣化を抑えることができ
る。

従って、導波路端面４のテーパー角αを上式で定まる
範囲に設定し、さらに、前述した第８表からわかるよう
に、光の入射角度φをテーパーがない場合に比べて０゜
〜15゜浅くすれば、高い分解能を維持したままで、最大
で18％程度の光量を確保することができることになる。
なお、前述した第７表〜第９表の結果は、クラッド層の
屈折率n₂が1.45の場合であるが、この他の屈折について
も同様な傾向にあることを確認した。

次に、これまで計算により求めてきた最適入射角度φ
_０を制御するための手段の例を第10図に基づいて説明す
る。これは、光の出射端面部分を斜めに加工した蛍光フ
ィルム５（又は端面発光型のELパネル）を遮光層６を介
して、基板７上の導波路３表面に貼り合わせて光源系と
受光系とを一体化したものである。

この場合、蛍光フィルム５の内部で発生した光は端面
部から斜めに出射する（矢印方向）ので、原稿面１に対
して斜めに光を当てるのと同じ効果がある。また、テー
パー角αは、出射光が原稿面１に対して最適入射角度φ
_０で入射するように設定すればよく、これら２つの角度
はほぼ等しいと考えられる。そして、テーパー角αをつ
けたことにより光の利用効率は、テーパー角αをつけな
い場合に比べて原稿・センサ間距離20μｍで５倍、30μ
ｍで3.3倍、50μｍで2.2倍となり、原稿・センサ間距離
Ｌが小さいほど大きな効果を得ることができる。

また、蛍光フィルム５の導波路端面からの突出部分を
所望の原稿・センサ間距離Ｌに一致させ、必要なテーパ
ー角αをつければ、原稿・センサ間の位置制御を行うこ
ともできる。さらに、第11図に示すように、センサ基板
全体を傾けてa,bの点がともに原稿面と接するような紙
送りを行えば、一段と信頼性の高い位置制御を行うこと
が可能となる。

次に、本発明の第一の実施例を第12図に基づいて説明
する。まず、これまで計算により求めてきた原稿・セン
サ間距離ＬとMTFとの関係、及び、原稿・センサ間距離
Ｌと最適入射角度φ_０との関係を、第12図の端面入射型
光センサの構成をもとに説明する。なお、線密度として
は、８本/mm、16本/mm、32本/mmの３種類とし、コア層
屈折率は1.50〜1.70の間で作成する。

まず、厚さ1mmのパイレックスガラスよりなる基板７
上に、光電変換部への基板側からの迷光を防ぐ目的で、
膜厚1000ÅのCrの遮光層８をスパッタリング法により形
成した。その形成条件は、基板温度80℃、Arガス圧5mTo
rr、RFパワー2W/cm²とした。

次に、そのCrの遮光層８の表面に同じくスパッタリン
グ法により膜厚300Åの酸化クロム膜９を形成した。そ
の形成条件は、基板温度80℃、Arガス分圧5mTorr、酸素
ガス分圧2mTorr、RFパワー2W/cm²とした。この酸化クロ
ム膜９を形成する目的は、導波路コア層10からクラッド
層11を介して出射される放射モードに対する遮光層８の
反射率を減らすことにより光電変換部に入射する導波モ
ード以外の迷光を防ぐのが目的である。

次に、RFプラズマCVD法により導波路（コア層10、ク
ラッド層11）用のSiON膜を形した。まず、クラッド層11
を５μｍ形成した。原料ガスはシラン（SiH₄）、窒素
（N₂）、二酸化炭素（CO₂）を用い、それぞれのガスの
流量比は1:23:77とした。また、基板温度200℃、RFパワ
ー100mW/cm²、ガス圧1Torrとした。この時、膜の屈折率
は1.45となった。その後、原料ガス組成比を変えて、５
種類の屈折率のコア層10を形成した。その膜厚は20μｍ
とした。

また、原料ガス組成比をSiH₄:N₂:CO₂＝1:82:18として
屈折率1.50の膜を得た。さらに、その組成比を1:86:14
として屈折率1.55の膜、1:92:8として屈折率1.60の膜、
1:94:6として屈折率1.65、1:96:4として1.70の屈折率の
膜を得た。なお、基板温度、RFパワー、ガス圧は同じと
する。

次に、その導波路３の上部に光電変換素子の個別電極
としてITO膜12をスパッタリング法により形成した。基
板温度150℃、Arガス分圧2mTorr、酸素ガス分圧3mTor
r、RFパワー1W/cm²とした。その膜厚は1800Åとなっ
た。そのITO膜12を個別電極の形状にパターンニング
後、層間絶縁膜として5000Åの図示しないSiON膜を形成
した。成膜条件はクラッド層11と全く同じである。

次に、図示しない層間絶縁膜の一部にITO膜12との図
示しないコンタクトホールを形成し、その上にRFプラズ
マCVD法によりａ−Si光電変換層13を形成した。その形
成条件は、基板温度250℃、圧力1Torr、RFパワー100mW/
cm²で、原料ガスとしてはシランと水素をその組成比1:4
で用いた、その時の膜厚は１μｍである。また、そのａ
−Si光電変換層13をパターニング後、再度、前と同じ条
件で層間絶縁膜を3000Å形成した。

次に、層間絶縁膜の一部にａ−Si光電変換層13とのコ
ンタクトホールを形成した。そして、共通電極14とし
て、2000ÅのCr膜をスパッタリング法によって形成し
た。その形成条件は基板温度80℃、Arガス圧5mTorr、RF
パワー2W/cm²とした。また、そのCr膜上にAl膜を真空加
熱蒸着法により形成し、これにより配線の信頼性を確保
するようにした。その形成条件は、基板温度120℃、膜
厚は１μｍである。なお、Cr膜及びAl膜からなる共通電
極14は第12図に示すように、ａ−Si光電変換膜13の全面
を覆うように形成することにより、センサ上部からの迷
光を防ぐ働きを兼ねている。

次に、導波路３を矩形断面状に形成するために、ECR
エッチング法を用いてコア層10とクラッド層11との界面
より少し深い位置までエッチングを行った。エッチング
ガスはCHF₃、μ波パワー500W、グリッド加速電圧500Vに
した。導波路３は、８本/mmでは75μｍと50μｍとライ
ン＆スペース、16本/mmでは37.5μｍと25μｍのライン
＆スペース、32本/mmについては20μｍと11.25μｍとの
ライン＆スペースとした。そのエッチング後、再び、屈
折率1.45のクラツド層11を同様な方法で作成した。最後
に、導波路３をダイシングソーを用いて切断後、セリウ
ムパットを用いて端面研磨を行い、導波路端面が鏡面に
なるように仕上げた。

次に、このようにして作成した端面入射型センサを用
いて、MTFの測定を行った。その測定方法の概略を以下
に述べる。端面入射型センサは専用の治具で固定し、マ
ニピュレータを用いて電極に針を立て光電流を測定でき
るようにした。原稿１はテストチャート用の白黒原稿を
マイクロメータで移動するXYZθステージに取付け、セ
ンサを向い合わせた。原稿・センサ間の距離Ｌは顕微鏡
を覗いて合わせマイクロメータにより変化させた。ま
た、光源は、光ファイバーライトガイド用光源装置に、
光ファイバーライトガイドの先端付近を平面状に並べた
特注品を組合せたものを用いた。テストチャートの白黒
原稿は線密度によって適切なものを用い、８本/mmでは4
line pair、16本/mmでは8line pair、32本/mmでは16lin
e pairのものを用いた。

そして、原稿・センサ間距離Ｌを変えて光電流を測定
し、導波路が白原稿に正対した場合の光電流の出力と黒
原稿に正対した場合の出力からMTFを算出した。第15表
に、各線密度及びコア層屈折n₁で、MTFが55になる原稿
センサ間距離Ｌ（μｍ）を求めた結果を示す。

今、この表の結果と第１表の32本/mmの計算結果と比
較すると、全体として計算値より一割程度小さい値にな
っており、多少予想値よりもMTFは劣化していることが
わかる。また、この第15表では、線密度と距離Ｌはほぼ
反比例しており、計算結果が実施例と良く対応している
といえる。

次に、上述した測定系を用いて、原稿表面が真っ白い
ものと交換し、光ファイバーのライトガイドを鉛直に設
置したθステージに固定して１度単位で入射角度φを変
化させて光電流出力の最大になる角度として、最適入射
角度φ_０（゜）を求めた結果を第16表に示す。

なお、この表でＬ＝10μｍ、及び、前述した第15表の
32本/mm、1.70は、位置制御が困難なため測定不能であ
った。

そして、第４表の計算結果と比較すると、実測値の方
が２〜３゜程度小さいが、原稿・センサ間距離が小さい
場合には、距離の変化に対して最適入射角度が急激に変
化するなどほとんど同じ傾向になっている。実測値が計
算値に比べて若干小さい原因として、計算では考慮に入
れなかった原稿面での反射光の正反射成分が影響してい
ることが挙げられる。なお、ここで示した結果は、線密
度32本/mmのものであるが、導波路厚は、他の線密度に
ついても共通であり、±２゜の範囲で同じ結果を得るこ
とができる。

次に、最適入射角度φ_０から±20゜ずれた場合の光電
電流Ｉの出力変化の様子を第17表に示す。ここでは、コ
ア層屈折率n₁が1.60で、32本/mmの端面入射型光センサ
の結果を示す。

この表の結果を第６表の結果と比較すると、角度ずれ
（゜）による光電流Ｉ（nA）の減少は、少し大きくなっ
ている。その理由としては、反射光の正反射成分の影響
であると考えられるが、＋15゜〜−25゜の範囲で、最大
光量の60％以上になっており、この範囲において充分使
用することが可能と思われる。

次に、本発明の第二の実施例について述べる。これ
は、前述した第一の実施例と全く同様な製法により端面
入射型光センサを作成し、最後の研磨のみを専用の治具
に固定して端面を斜めにしたものである。

32本/mmでコア層屈折率n₁＝1.60のものについて、テ
ーパー角α（゜）が０゜,5゜,10゜,15゜のものを作成
し、最適入射角度φ_０（゜）とその時の光電流Ｉ（nA）
の値を第18表にまとめた。かっこ内の数値がＩの値を示
す。なお、Ｌ（μｍ）は原稿・センサ間距離を表わす。

この表の結果を第８表の計算結果と比較すれば、最適
入射角度φ_０の値、光電流の出力変化共に比較的良く一
致しており、テーパー角αをつけることにより、最大で
15％程度の出力増加を得ている。また、この表の結果か
ら、原稿・センサ間距離Ｌが20〜70μｍではテーパー角
αは10゜前後に、70〜100μｍではテーパー角αは５゜
前後にすることが適切であることがわかる。

また、前述した第９表のところで述べたように、テー
パー角αをつけることにより、副走査方向のMTFが劣化
することが考えられる。そこで、テーパー角αをつけた
センサの副走査方向のMTFを白黒のストライプ原稿を90
゜回転したことを除いては前述した第一の実施例に示し
た内容と全く同じ方法で測定した。今、第15表と非核す
るために、テーパー角α（゜）が０゜の場合にMTFが55
になる原稿・センサ間距離Ｌ＝25μｍ付近の測定結果を
第19表に示す。

この場合、第９表に示したＳα/S₀が1.5程度であるテ
ーパー角α＝10゜まで、それ程、MTFの劣化は見られ
ず、Ｓα/S₀＝∞となるテーパー角15゜になると、かな
り劣化がみられ、しかも、距離Ｌの変化に対して敏感に
なっていることがわかる。そして、原稿・センサ間距離
Ｌ＝25μｍで、テーパー角α＝10゜の場合のMTFは48で
あり、この距離でも使用可能である。好ましくは、22.5
μｍの距離にしてMTF＝53を確保することが望ましいと
思われる。

ここでは、コア層屈折率n₁＝1.60のものについて副走
査方向のMTFの劣化を調べたが、他の屈折率についても
第10表〜第14表に示すテーパー角αをつけた場合のMTF
は、テーパー角α＝０゜の場合に55のMTFになる原稿・
センサ間距離Ｌでは50程度になった。そして、その距離
から10％程度近づけると55前後のMTFを得ることができ
た。従って、テーパー角αをつけた場合についても、前
述したｎ×L₀＝Ｋなる式より定まる原稿・センサ間距離
Ｌにしても50程度のMTFを確保することができる。な
お、できれば、その距離より一割り程度小さくすること
が望まれる。

以上、２つの実施例において述べてきたように、計算
による理論値と実測値とは比較的よく一致しており、計
算により求めた式の妥当性を確認することができ、これ
により、テーパー角αをつけることにより従来に比べセ
ンサ出力を向上させることができる。

なお、最後に、本発明において用いられる各種材料及
びその作成方法等について述べておく。

まず、導波路材料としては、石英ガラス、ホウ酸系ガ
ラス、カルコゲナイドガラス、リチウム系酸化物・Zn
O、ポリマー等を用いる。導波路を形成する薄膜の作成
法としては、スパッタリング法、プラズマCVD法、MO C
VD法、ゾルゲル法、EB蒸着法等や、イオン交換法、金属
拡散法等を用いる。

また、上述した石英系導波路をプラズマCVD法を用い
て作成する場合にプラズマを形成する方法としては、EC
Rプラズマ法、RFプラズマ法、熱電子プラズマ法、冷陰
極プラズマ法等の方法がある。プラズマCVD法におい
て、石英系導波路を作成する場合の原料ガスとしては、
シラン、ジシラン、テトラエトキシシラン、テトラメト
キシシラン、酸素、オゾン、窒素、二酸化炭素、メタ
ン、N₂O、アンモニア等を用いる。

さらに、原稿照明用光源としては、蛍光灯、タングス
テンランプ、ハロゲンランプ、LED、レーザダイオー
ド、ELランプ等を用いることができ、また、光源光を集
光する目的でこれらの光源と、シリンドリカルレンズ、
マイクロレンズアレイ、蛍光フィルム、光ファイバーア
レイ、、薄板ガラス、高分子フィルム等の組合せを用い
ることもできる。

発明の効果本発明は、光源から出射された光を原稿面に照射しそ
の反射光を画像読取り受光系に設けられた導波路に導く
ことにより光学的画像読取りを行う端面入射型光センサ
において、前記導波路のコア層の屈折率をn₁、クラッド
層の屈折率をn₂とした時、により定まる臨界角θ_０を有し、前記原稿と前記導波路端面との間の距離Ｌを定めたと
き、 φ_０＝｛0.012（θ_０−47）^２＋93.5｝−｛0.06（θ_０−47）^２＋12.5｝×lnL の関係式により定まるφ_０に対して、入射光量に対して
必要な比率の光量を得るための光の平均的な入射角度φ
を定めるようにしたので、原稿・センサ間の距離が定ま
った場合、充分な光出力を得るための光の入射角度が定
量的に得られるため、これに従って設計を行うことによ
り高密度画像領域においてもSN比劣化の小さいセンサの
作成を行うことができるものである。

また、端面入射型光センサにおいて、導波路端面の原
稿面に対する角度が一定の傾斜角度をもつように、その
導波路端面を斜めに加工することによって、従来に比べ
１割以上の光出力の増加を得ることができるので、一定
の傾斜を持たせない上述した端面入射型光センサよりも
さらにSN比劣化の小さなセンサを得ることができるもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す側面図、第２図は白黒
原稿光量とMTFとの関係を示す波形図、第３図は光線幅
Ｗの平行光線が原稿面の法線方向とφの角度をなして入
射する場合の様子を示す側面図、第４図は入射角度と入
射光量との関係を示す波形図、第５図は導波路端面が基
板面に対して対称である様子を示す側面図、第６図は導
波路端面を基板面に対してテーパー角αだけ斜めに加工
した時の様子を示す側面図、第７図は原稿センサ間距離
と最適入射角度との関係を示す波形図、第８図は原稿セ
ンサ間距離と最適入射角度での光量との関係を示す波形
図、第９図はテーパー角αの大きさに応じて臨界角によ
り光センサが見込む領域が点線内のように変化する様子
を示す説明図、第10図は原稿面に対して光の出射端面部
分を斜めに加工して遮光層を介して導波路上に貼り合わ
せ光源系と受光系とを一体化した様子を示す側面図、第
11図は原稿面に対してセンサ基板全体を傾けて配設した
時の様子を示す側面図、第12図は端面入射型光センサの
一例を示す構成図である。１……原稿面、３……導波路、４……導波路端面、α…
…傾斜角度

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光源から出射された光を原稿面に照射しそ
の反射光を画像読取り受光系に設けられた導波路に導く
ことにより光学的画像読取りを行う端面入射型光センサ
において、前記導波路のコア層の屈折率をn₁、クラッド
層の屈折率をn₂とした時、により定まる臨界角θ_０を有し、前記原稿と前記導波路端面との間の距離Ｌを定めたと
き、 φ_０＝｛0.012（θ_０−47）^２＋93.5｝−｛0.06（θ_０−47）^２＋12.5｝×lnL の関係式により定まるφ_０に対して、入射光量に対して
必要な比率の光量を得るための光の平均的な入射角度φ
を定めるようにしたことを特徴とする端面入射型光セン
サの入射角度設定方法。
【請求項２】基板上に設けられた導波路端面の原稿面に
対する角度を一定の傾斜角度をもつように設定して入射
角度φを定めるようにしたことを特徴とする請求項１記
載の端面入射型光センサの入射角度設定方法。