JP3442538B2 - 小型光学式走査装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像を電子データ
に変換するための光学式走査装置に関する。本発明の光
学式走査装置は、ファクシミリ装置、文章及び図形をコ
ンピュータに入力するために使用される走査装置、光バ
ーコードリーダなどに利用することができる。

【０００２】

【従来の技術】現在、光学式走査装置において、図４及
び図５に示すように２種類の一般的な装置の構成があ
る。光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）のアレイか又
は、蛍光型の発光管であり、走査される頁又はラインの
部分１を照らす。例えば、図４の第１の従来例において
は、対象物１から反射した光は、レンズ又はレンズシス
テム２によって、通常は、電荷結合素子（ＣＣＤ）であ
る、単一の光検出器３上に集光される。このシステムの
解像度は、ＣＣＤ上の画素のスペース及びレンズの性能
によって決定され、ファクシミリ装置の走査装置の場合
には、インチ当たり２００ドットの解像度が使用され
る。この構成においては、対象物と検出器との間の距離
ｄは、比較的大きく、２５６ｍｍの走査幅に対して、こ
の距離ｄは約３３０ｍｍである。そこで、光学系を短縮
するものとして、図５に示すように、対象物から反射さ
れた光を反射する３個のミラーを利用する装置がある。
これらのミラーにより、光の経路は効率的に重なり合
い、像と検出器との間の距離を減少させることができる
ため、実際に使用される最小の距離は、８３ｍｍとな
り、図４の装置と比較して、かなりコンパクトとなる。

【０００３】そして、これら従来例の場合、図６に示す
ようなＣＣＤのアレイ検出器又は全幅ＣＣＤ型の検出器
（３ａ−３ｄ）が使用され、この検出器は、走査される
頁の全幅に接触しておかれる。

【０００４】また、特開平７−３０７１６号公報には、
像の入射側の窓ピッチに対し出射側の窓ピッチを狭めて
扇状に配置されている光導波路により、原稿の画像情報
を縮小する原稿読み取り装置が開示されている。この原
稿読み取り装置は、上記レンズやミラーを用いて縮小す
る装置に比べ、小型で光軸調整が不要となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】レンズ又はレンズシス
テムを用いた従来例では、光学系により距離は小さくす
ることができるが、ＣＣＤのアレイ検出器を走査される
頁の全幅に接触させるため、余分なＣＣＤ検出器や余分
な取り付け費用がかかり、装置の価額は顕著に増大す
る。

【０００６】また、特開平７−３０７１６号公報に開示
されている原稿読み取り装置では、光導波路が扇状に配
置されているので、光導波路の入射面及び出射面での原
稿又は受光センサに対しての角度が浅くなると、対象物
から反射した光を光導波路に導く場合及び光導波路から
受光センサに導く場合の損失が大きくなるため、縮小率
をあまり上げられない。

【０００７】したがって、本発明は、縮小率を上げると
共に対象物と検出器との距離を小さくすることが可能
な、構造が簡単で、安価な小型走査装置を提供すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明の
装置は、基板内において、一端が対象物に相対する面に
配列され、他端がＣＣＤ素子のそれぞれに結合された、
取り入れた像をＣＣＤ素子に伝送するための複数の光導
波路を含み、基板がポリマーを材料としており、光導波
路がポリマーより屈折率の高いポリマーを材料としてお
り、光導波路の各々が９０度の曲げ部分を二つ備え、両
端において、対象物に相対する面及びＣＣＤ素子の配列
された面に、夫々垂直に配置されていることを特徴とす
る。

【０００９】請求項２に記載の発明の装置は、基板の対
象物に相対する面に、光導波路の各々の端部に合わせ
て、基板と一体としたマイクロレンズを設置したことを
特徴とする。

【００１０】請求項３に記載の発明の装置は、光導波路
のポリマーとマイクロレンズとの開口数を一致させたこ
とを特徴とする。

【００１１】

【作用】 請求項１に記載の発明の装置においては、ポリ
マーを材料とする基板内に、取り入れた像をＣＣＤ素子
に伝送するための複数の光導波路を含み、この導波路は
基板のポリマー材料より屈折率の高いポリマーを用い、
９０度の曲げ部分二つを備え、両端において、対象物に
相対する面及びＣＣＤ素子の配列された面に、夫々垂直
に配置されているので、縮小率を上げた場合において
も、対象物と検出器との距離を小さくすることができ
る。

【００１２】請求項２に記載の発明の装置においては、
基板の対象物に相対する面に、光導波路の各々の端部に
合わせて、基板と一体としたマイクロレンズを設置した
ので、像の各部分を確実に導波路に集光することができ
る。

【００１３】請求項３に記載の発明の装置においては、
光導波路のポリマーとマイクロレンズとの開口数を一致
させたので、走査される像の部分から散乱した光だけ
が、導波路に入ることが保証される。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の光学式走査装置
の概略の構成を示す図である。走査される対象物１は、
従来と同様の光源によって照らされ、その反射光は、そ
れからマイクロレンズアレイに入射する。各マイクロレ
ンズ５は、対象物の一部を導波路の一つの端面上に結像
させる。対象物の単一の水平部分からの光は、導波路ア
レイを通って伝送され、リニア型ＣＣＤ検出器３上に入
射する。対象物は、マイクロレンズアレイに垂直に相対
的に移動され、像の個々の水平線が繰り返し走査される
ことよって、対象物全体が走査される。水平面において
走査される像の解像度は、マイクロレンズ及び導波路ア
レイのサイズとピッチとによって決定される。Ｇ３型フ
ァクシミリ装置では、２００ｄ．ｐ．ｉ．（ドット／イ
ンチ）の解像度が必要とされるが、この解像度は、マイ
クロレンズの径及びマイクロレンズと導波路とのピッチ
で１２５μｍに相当する。また、コンピュータイメージ
スキャナーのように、解像度を高くするには、レンズの
サイズとピッチとを小さくすれば良く、６００ｄ．ｐ．
ｉ．の解像度は、容易に達成することができる。垂直面
において、解像度はマイクロレンズのサイズと走査速度
とによって決定される。

【００１５】平面型の光導波路は、当業者であれば実現
することができるような種々の方法によって組み立てら
れる。例えば、射出成形に基づく方法を使用して導波路
を形成することができるポリマー材料を使用する。この
プロセスにおいては、溝を有するポリマーの基板が射出
成形によって作られ、光学エポキシなどのモノマーを基
板の上に広げてその溝を埋める。別個のポリマーカバー
をその上に置いて、固定し、モノマーを重合するか又は
エポキシを硬化させる間保持する。このプロセスにおい
て導波路のパターンは、ポリマーの基板の中に形作られ
たその溝によって規定される。溝を埋める材料は、ポリ
マー基板よりも屈折率が高く、充填された溝が光導波路
となるように選択される。射出成形によって、低価格で
大量生産することが可能となり、比較的大型の装置にも
容易に応用することができる。

【００１６】本発明による導波管のアレイは、対象物と
検出器との距離がより小さくなるように設計されること
が重要である。即ち、本発明による設計においては、図
１（ａ）に示すような装置の装置幅Ｗは、以下に示す式
より求めることができる。

【００１７】

【数１】

【００１８】ここで、ｓ’はレンズと導波路との距離、
ｒは導波路の曲げ部分の曲率半径、ｎは導波路の総数、
ａは導波路の幅、ｂは最小隙間、Ｄは入力面のレンズの
直径である。上式により、導波路の曲げ部分の角度γと
装置の幅Ｗとの関係を求めると、図２（ａ）に示すよう
に、導波路の曲げ部分の角度γに応じて、装置幅は顕著
に変化することがわかる。ここでの実施例において、
ｓ’に５４８μｍ、ｒに１ｍｍ、ｎに２０４８、ａに８
μｍ、ｂに６μｍ、Ｄに１２５μｍを代入している。図
２（ｂ）は図２（ａ）に示す装置幅が最小となる付近の
グラフを拡大して示すものである。これらのグラフから
も明らかなように、導波路の曲げ部分の角度を９０度と
する場合に、本発明による装置幅は最小値をとる。即
ち、対象物と検出器との距離を最小とするには、光導波
路の曲げ部分に２個の９０度のカーブが使用されればよ
い。

【００１９】また、図２（ａ）のグラフより求めると、
導波路の曲げ部分の角度が、６２．１度より大きく、１
１７．９度より小さい場合に、装置幅は８３ｍｍより小
さくなることが明らかである。即ち、従来３個のミラー
を用いて光学系を折り畳む光学式走査装置においてとり
うる、装置の最小幅は８３ｍｍであったことより、それ
以下に装置幅を小さくするには、本発明が有効であるこ
とがわかる。よって、本発明の光学式走査装置におい
て、導波路の各々の曲げ部分の角度は６２．１度より大
きく、１１７．９度より小さいことが好ましい。

【００２０】図１（ａ）に、この光導波路の曲げ部分に
２個の９０度のカーブを用いる構成を明確に示す。導波
路は、入出力面双方に９０度で接触する。これによっ
て、装置を最小とし、かつ結合効率が最大となることを
保証する。導波路の寸法は、光のスループットを最大と
し、隣接する導波路の間の干渉やクロストークを最小と
するように選択する。具体的には以下に説明する。

【００２１】マイクロレンズのアレイは、多くの方法で
取り付けることができる。例えば、ガラス中のイオン拡
散やガラスの反応的なイオンエッチングによって取り付
けることができ、導波路アレイが取り付けられた後に、
光エポキシ等を使用して、導波路に揃えて取り付ける。

【００２２】好ましい実施例では、射出成形による方法
を使用し、ポリマー基板に溝を形成するのに使用された
のと同じ射出成形方法によって、マイクロレンズアレイ
を同時に形成することができる。この方法には、明らか
な利点がある。主要な利点は、組み立てた後にレンズア
レイとマイクロレンズアレイとを位置合わせする必要が
ないという点である。射出成形プロセスにおいて鋳型が
準備される時に、マイクロレンズと導波路との形と位置
とが設定される。マイクロレンズアレイと、マイクロレ
ンズアレイに予め位置合わせされた溝を備えたプラスチ
ックの基板とが一つのユニットとして組み立てられる。
その他の利点として、２個のユニットよりも製造が容易
となること、光学的性能が向上し、安定性が増加すると
いう点がある。

【００２３】マイクロレンズアレイは、像の各部分が別
々の導波路に集光されるように設計される。さらに、マ
イクロレンズの開口数は光導波路の開口数と等しくする
ことにより、走査される対象物の部分から散乱した光だ
けが、導波路に入る。そして、導波路に入射されるその
他の光は、導波路に結合される角度よりも大きな角度で
あり、導波路に入らない。導波路アレイの出力面は、機
械的に研磨され、ＣＣＤアレイが位置合わせされて、光
学エポキシ等を使用して取り付けられる。

【００２４】以下、図１に基づいて、具体例として、２
００ｄ．ｐ．ｉ．（ドット／インチ）の解像度で、Ｂ４
サイズの用紙までに適した、２５０ｍｍ幅の、Ｇ３型の
ファクシミリ装置で使用される、本発明の小型光学式走
査装置について説明する。図１において、１は読み取り
の対象物、３はＣＣＤ検出器、５はマイクロレンズアレ
イ、６は光導波路を備えた基板、７は対象物を照明する
ためのＬＥＤアレイを示す。光源として、シチズン電子
のＳＮＫ―０６Ａ―２７ＬＥＤアレイを使用する。この
光源は、２４Ｖ電源を必要とし、５７０ｎｍの光を発光
する。光検出器としてＮＥＣμＰＤ３７４３ＤＣＣＤラ
インセンサを使用する。このセンサは、１４μｍの幅で
２０４８画素を含む。

【００２５】基板の組立のために、アクリペットＶＨ
（三菱レーヨン製）と呼ばれるポリメチル・メタクリレ
ート（ＰＭＭＡ）材料を選択した。この材料は、５７０
ｎｍ，２０゜Ｃにおいて、屈折率１．４９２であって、
高い光学特性を有し、射出成形によく適合している。導
波路のコア材料は、ＲＡＶ７ Ｈ１（ミテックス製）と
呼ばれる炭酸ジメチル（dimethyl caronate）をベース
とする材料である。これは、過酸化ベンゾイルの存在の
基に加熱することによって、重合させることができる。
重合させた場合の屈折率は、５７０ｎｍ，２０゜Ｃで
１．５０３であって、優れた光学的特性を有する。これ
らの材料で組み立てられた、光導波路の開口数（Ｎ．
Ａ．）は、０．１８１となる。

【００２６】マイクロレンズアレイを１２５μｍのレン
ズ径及び幅で設計する。これは、２００ｄ．ｐ．ｉ．の
仕様に相当する。レンズは、ポリマーの開口数に合わせ
るために開口数０．１８１で設計する。このようなレン
ズの焦点距離ｆは、以下の標準的な公式によって計算す
ることができる。ここで、Ｄはレンズの径である。

【００２７】

【数２】

【００２８】上式によると、焦点距離は、３４５μｍと
なる。

【００２９】また、単一球面に対してのガウスの公式を
使用して、マイクロレンズの曲率半径を計算することが
できる。

【００３０】

【数３】

【００３１】ここでｎは、空気の屈折率であり、ｎ’
は、レンズ及びポリマ基板の屈折率である。この場合、
レンズは、アクリペットＶＨで組み立てる。ｎは、１．
０であり、ｎ’は、１．４９２である。図３において、
収束距離ｓを、マイクロレンズの焦点距離（３４５μ
ｍ）とし、対応するレンズから導波路の距離ｓ’を無限
大とすると、ｒは、１７０μｍと計算される。レンズ
は、導波路の入力面に、像の１２５μｍの部分を結像
し、導波路の直径は、８μｍであるので、レンズは、像
を１５．６の率で縮小する必要がある。図３に示す、単
純な幾何光学から、倍率ｍは、以下の式によって与えら
れる。

【００３２】

【数４】

【００３３】単一球面のガウスの公式とともにこの公式
を使用することによって、ｓ及びｓ’は、夫々、５．７
４ｍｍ又は、５４８μｍとなる。

【００３４】導波路は、幅８μｍ，最小隙間６μｍで設
計される。ＣＣＤとのインターフェイスにおいて導波路
のピッチは、１４μｍであり、入力面においては１２５
μｍである。導波路は、入出力面の双方と接触し、結合
係数を最大とする。

【００３５】光導波路を曲げると、本質的に、何らかの
光学的な損失が生ずる。しかし、曲げの曲率半径（ＲＯ
Ｃ）を以下のように大きくすることによって、この損失
は、無視し得るものとなる。

【００３６】

【数５】

【００３７】ここで、Ｎは、導波路の実効屈折率であ
り、λは波長、ａは導波路の幅である。この場合、Ｎが
１．５０３、クラッドの屈折率ｎが１．４９２、屈折率
の変化が０．０１１であれば、最小のＲＯＣは、約２０
０μｍに相当する。この損失を完全に消去するために、
１．０ｍｍの値を選ぶ。これらのパラメータを使用する
と、導波路装置の全幅は、１６．９ｍｍである。

【００３８】そして、マスターとなる鋳型を、上記のよ
うに、これまでに計算された設計基準を使用して組み立
てる。標準的な技術によって、ニッケル板をイオンミリ
ングすることによって、高精度なものを作製できる。こ
のマスターは、導波路の溝を含んだアクリペットＶＨポ
リマーの、２ｍｍ厚の基板を製造するために、標準的な
射出成形装置において使用される。それから、ＲＡＶ７
ＨＩは、５％の過酸化ベンゾイルと混合され、１０−４
torr の真空で１５分間ガス抜きされる。この混合物
を、溝を完全に満たすように成形された基板上に広げ
る。第２の平坦な、ＶＨポリマーの基板をその上に置い
て固定する。それから、固定されたユニットを、８０゜
Ｃのオーブンに６時間おいて、ＲＡＶ７ＨＩのコア材料
を重合させる。

【００３９】導波路の出力面を、標準的な研磨装置（武
蔵野電子製 ＭＡ３００）を使用して、アルミナ懸濁液
でサイズで０．１μｍまで研磨する。それから、ＣＣＤ
装置を位置合わせし、導波路アレイと突き合わせ、光学
グレードのエポキシ（Summers Laboratories, USA 製の
Lens Bond）を使用して固定することによって完成す
る。

【００４０】

【発明の効果】請求項１に記載の発明の装置によれば、
ポリマーを材料とする基板内に、取り入れた像をＣＣＤ
素子に伝送するための複数の光導波路を含み、この導波
路がポリマーより屈折率の高いポリマーを材料としてお
り、９０度の曲げ部分二つを備え、両端において、対象
物に相対する面及びＣＣＤ素子の配列された面に、夫々
垂直に配置されているので、縮小率を上げた際にも、対
象物と検出器との距離を小さくすることができる。

【００４１】したがって、本発明により、縮小率を上げ
ると共に対象物と検出器との距離を小さくすることが可
能な、構造が簡単で、製造方法が容易であり、安価な小
型走査装置が実現される。

【００４２】請求項２に記載の発明の装置によれば、基
板の対象物に相対する面に、光導波路の各々の端部に合
わせて、基板と一体としたマイクロレンズを設置したの
で、像の各部分を確実に導波路に集光することができ
る。

【００４３】請求項３に記載の発明の装置によれば、光
導波路のポリマーとマイクロレンズとの開口数を一致さ
せたので、走査される像の部分から散乱した光だけが、
導波路に入ることが保証される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学式走査装置の実施例を示す図であ
る。

【図２】図１の装置の導波路の曲げ部分の角度と装置の
幅との関係を示すグラフである。

【図３】図１の装置のマイクロレンズの動作を説明する
図である。

【図４】従来の光学式走査装置の構成を示す概略図であ
る。

【図５】従来の光学式走査装置に用いられる光学系の動
作を説明する図である。

【図６】従来の光学式走査装置の検出器を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 対象物 ２ レンズ ３ ＣＣＤ検出器 ４ ミラー ５ マイクロレンズ ６ 基板 ７ ＬＥＤアレイ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭52−104807（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−94325（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−101468（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−253378（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−8668（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−48139（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−134590（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−55288（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−328282（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−56028（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−144514（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−132705（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−27884（ＪＰ，Ａ) 特表 平８−505707（ＪＰ，Ａ) 欧州特許出願公開285351（ＥＰ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04N 1/19 G02B 6/00 301

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対象物の像を取り入れて読み込みながら
   走査する小型光学式走査装置であって、 対象物の像を取り入れるために対象物に相対する面と、
   像を読み込むためのＣＣＤ素子を配列した面とを備えた
   基板と、 前記基板内において、一端が前記対象物に相対する面に
   配列され、他端がＣＣＤ素子のそれぞれに結合された、
   取り入れた像をＣＣＤ素子に伝送するための複数の光導
   波路とを含み、 前記基板がポリマーを材料としており、 前記光導波路が前記ポリマーより屈折率の高いポリマー
   を材料としており、前記光導波路の各々が９０度の曲げ
   部分を二つ備え、両端において、前記対象物に相対する
   面及びＣＣＤ素子の配列された面に、夫々垂直に配置さ
   れていることを特徴とする小型光学式走査装置。
2. 【請求項２】 前記基板の前記対象物に相対する面に、
   前記光導波路の各々の端部に合わせて、前記基板と一体
   としたマイクロレンズを設置したことを特徴とする請求
   項１に記載の小型光学式走査装置。
3. 【請求項３】 前記光導波路のポリマーと前記マイクロ
   レンズとの開口数を一致させたことを特徴とする請求項
   ２に記載の小型光学式走査装置。