JP3696033B2 - イメージセンサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファクシミリ装置などの画像入出力情報機器における画像入力装置であるイメージセンサ、およびそれに用いる導波路の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ファクシミリ装置、フラットベッドスキャナ、手で掴んで原稿上を走査させて読取り画像を複写するハンドコピーおよび原稿上を走査して読取り画像をデジタルに変換して複写するデジタルコピアなどの画像入力装置には、大きく分けてＣＣＤ（Charge Coupled Device）方式とＣＩＳ（Contact Image Sensor）方式とがある。
【０００３】
ＣＣＤ方式は、装置内に１つのレンズ縮小光学系が配置され、原稿像をリニアＣＣＤに縮小結像し、画像信号に変換する。原稿からセンサまでの全共役長（ＴＣ）は３０ｃｍ以上あり、ミラーで複数回折返すことにより小型化を図っている。
【０００４】
ＣＩＳ方式は、装置内に屈折率分散型ロッドレンズアレイが読取り全幅にわたって配置され、原稿像を等倍正立像でこれも読取り全幅にわたって配置されたセンサアレイに結像し、画像信号に変換する。ＴＣは、１０ｍｍ前後で小型化が可能である。近年、屈折率分散型ロッドレンズアレイに代わって、より製造が容易な凸マイクロレンズアレイによって原稿像を等倍正立投影するマイクロレンズアレイ光学系の開発が試みられている。
【０００５】
ＣＣＤ方式は、ＣＩＳ方式に比べ、ＴＣが長く小型化が困難である。
図２２は、従来のマイクロレンズアレイ光学系の構造を示す断面図である。マイクロレンズアレイ光学系の場合は、センサに正立像を投影するために少なくとも２枚の凸レンズを光軸上に配置する必要がある。原稿１側のレンズアレイ２によって光１０１による倒立中間像が形成され、光電変換素子アレイ５側のレンズアレイ３が光１１１による等倍正立像として光電変換素子アレイ５上に投影する。なお光電変換素子アレイ５は、受光素子である光電変換素子が複数個走査方向に配列されている。光軸２３および２４が一直線上にあるマイクロレンズ２６および２７から成るレンズペア間のみで反射光を結像すれば、レンズアレイペア上の各レンズペアの像がセンサ面上でつながり、読取り全幅の正立投影像が形成される。ところが光軸が一直線上にないレンズ組合わせによる像が形成されて、反射光７が光１０７のように光電変換素子アレイ５上に投影されてゴーストが発生する場合がある。
【０００６】
図２３は、従来のアパーチャ６を備えたマイクロレンズアレイ光学系の構造を示す断面図である。入射側マイクロレンズアレイ２と出射側マイクロレンズアレイ３との間であって、光軸２３および２４が一直線上にあるマイクロレンズ２６および２７から成るレンズペアと、マイクロレンズ１０６および１０８から成る隣接するレンズペアとの間に空間１０２を設けて、遮光部であるアパーチャ６を配置して、マイクロレンズ１０６および１０８から成るレンズペアとマイクロレンズ１０９および１１０から成るレンズペアとの間、すなわち隣接するレンズペア間を渡る光７を完全に遮断することによって、ゴーストを防ぐことができることが特開平１０−２１０２１３号公報に記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように隣接するレンズペア間をアパーチャ６によって遮光した場合、アパーチャ６側面で反射する光が存在するので、本来の結像に寄与しない光がハロウ８となって光電変換素子アレイ５に到達し、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を低下させる。
【０００８】
図２４は、従来のアパーチャを備えたその他のマイクロレンズアレイ光学系の構造を示す断面図である。原稿１とレンズアレイ２との間、およびレンズアレイ３と光電変換素子アレイ５との間にアパーチャ６を配置して、ゴーストを防止するようにしている。この場合も図２３に示したマイクロレンズアレイ光学系と同様、ハロウ８が発生するという問題が生じる。
【０００９】
図２５は、従来のアパーチャ６を用いた場合における原稿浮きによる画像への影響を示すイメージセンサの断面図である。アパーチャ６を用いた従来構造のマイクロレンズアレイ３におけるレンズ中央部に比べて周辺部の解像度は、原稿１がガラス面Ｃから離れると急激に低下する。原稿１がガラス面Ｃ上に有れば、光源からの光はフォーカス位置７３で反射し、その反射光７１がマイクロレンズ２６によって倒立結像され、倒立結像された光７７はマイクロレンズ２７によって光電変換素子５上の結像点７５に結像される。原稿１がガラス面Ｃから離れると、光源からの光は反射位置７４で反射し、その反射光７２がマイクロレンズ２６によって倒立結像され、倒立結像された光７８はマイクロレンズ２７によって光電変換素子５上に結像されず、結像点７９に結像される。
【００１０】
本発明の目的は、ゴーストおよびハロウが発生することのないイメージセンサを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被写体である原稿を光照射するライン状光源と、
主走査方向に配置され、光照射による原稿からの反射光を結像する複数の入射側マイクロレンズを備える第１のマイクロレンズアレイと、
各入射側マイクロレンズごとにそれぞれ対応して主走査方向に配置される複数の導波路セットで構成され、各導波路セットには入射側マイクロレンズによる結像光を入射し伝播させて出射する複数の導波路が主走査方向に間隔をあけて配置され、複数の導波路のコアが光を吸収する材料を含むクラッドに保持されてなる複数の導波路セットによって構成される導波路アレイと、
各導波路セットごとにそれぞれ備えられ、前記コアからの出射光を結像する複数の出射側マイクロレンズを備える第２のマイクロレンズアレイと、
各出射側マイクロレンズごとにそれぞれ備えられ、出射側マイクロレンズによる結像光を電気信号に変換する複数の受光素子を備える受光素子アレイとを含むことを特徴とするイメージセンサである。
【００１２】
本発明に従えば、導波路アレイをイメージセンサの読取り光学系として用いることによって、導波路へ結像する光の入射角度が制限されることを利用してクロストークなしに原稿像を受光素子アレイである光電変換素子アレイへ投影することができる。クラッドに吸収を持たせたので、導波路へ結合しない光はクラッドで吸収される。ファイバを黒色樹脂に埋込むような従来の構造に比べてクラッド自体に吸収がある場合は、高次モードの光ほど減衰が大きくなるので、実質的な開口角が狭まり、分解能を上げ、読取り深度を深くすることができる。
【００１３】
本発明は、被写体である原稿を光照射するライン状光源と、
主走査方向に配置され、光照射による原稿からの反射光を結像する複数の入射側マイクロレンズを備える入射側マイクロレンズアレイと、
各入射側マイクロレンズごとにそれぞれ対応して主走査方向に配置される複数の導波路セットで構成され、各導波路セットには入射側マイクロレンズによる結像光を入射し伝播させて出射する複数の導波路が主走査方向に間隔をあけて配置され、複数の導波路のコアが光を吸収する材料を含むクラッドに保持されてなる複数の導波路セットによって構成される導波路アレイであって、各導波路セット内の各導波路から出射される光は、それぞれ異なる出射角度で出射され、クロスして受光素子上に、各導波路の並びと逆順に照射されるように、傾けられている導波路アレイと、
各導波路セットごとにそれぞれ備えられ、導波路セットからの出射光を電気信号に変換する複数の受光素子を備える受光素子アレイとを含むことを特徴とするイメージセンサである。
【００１４】
本発明に従えば、導波路アレイをイメージセンサの読取り光学系として用い、マイクロレンズを入射側のみ採用することによって、導波路へ結像する光の入射角度が制限されることを利用してクロストークなしに原稿像を受光素子アレイである光電変換素子アレイへ投影することができるだけでなく、構造の小型化を図れる。クラッドに吸収を持たせたので、導波路へ結合しない光はクラッドで吸収される。ファイバを黒色樹脂に埋込むような従来の構造に比べてクラッド自体に吸収がある場合は、高次モードの光ほど減衰が大きくなるので、実質的な開口角が狭まり、分解能を上げ、読取り深度を深くすることができる。
【００１８】
本発明は、前記導波路アレイにおける各導波路セット内の各導波路の入射開口角の広がりが、対応する入射側マイクロレンズ表面領域内に収まるように形成されていることを特徴とする。
本発明に従えば、ゴースト像の発生を防ぐことができる。
【００１９】
本発明は、前記導波路アレイにおける各導波路セット内の各導波路の入射開口角の広がりが、対応する入射側マイクロレンズ表面領域内に収まるように、導波路が、入射側において傾斜されてテーパ状に広げられることを特徴とする。
【００２０】
本発明に従えば、１つの導波路へは１つの入射側レンズからの光のみが入射するので、導波路からの出射光が対応する受光素子である光電変換素子面上に照射されれば、導波路の開口角を狭めることなくゴースト像の発生を防ぐことができる。
【００２１】
本発明は、前記導波路アレイにおける各導波路セット内の各導波路の入射開放角の広がりが、対応する入射側マイクロレンズ表面領域内に収まるように、導波路が、入射側において傾斜されてテーパ状に広げられ、かつ、前記導波路の出射光が、対応する出射側マイクロレンズ表面領域内に収まるように、導波路が、出射側において傾斜されて逆テーパ状に狭められることを特徴とする。
【００２２】
本発明に従えば、１つの導波路へは１つの入射側レンズからの光のみが入射し、１つの導波路からの光は１つの出射側レンズにのみに照射するので、原稿像とセンサ位置が１対１に対応する。これによって、ゴースト像の発生を防ぐことができる。また１つの導波路セット内の導波を平行に設ける場合には、各導波路における開口角の広がりは、端部の導波路ほどマイクロレンズの辺縁部を通る。各導波路を平行に配置したまま、端部の導波路における開口角の広がりをレンズ表面領域内に納めるためにはレンズの開口角が制限されて暗くなり、レンズと導波路との位置精度を高める必要が生じる。各導波路における開口角の中心がレンズの中心を通るように、各導波路を傾けると、１つのマイクロレンズに対応する導波路のマイクロレンズ位置での集光領域が一致するので、導波路の開口角を大きく取れ、位置合わせ精度を緩和することができる。
【００２３】
本発明は、前記受光素子アレイにおける各受光素子が、各導波路セット内の複数の導波路から光を受ける１つの受光素子であることを特徴とする。
【００２４】
本発明に従えば、導波路アレイと受光素子アレイである光電変換素子アレイとの位置合わせ精度を緩和することができる。
【００２５】
本発明は、前記導波路アレイが副走査方向に複数列備えられていることを特徴とする。
【００２６】
本発明に従えば、３次元積層構造の導波路において、クロストークなしに原稿像を光電変換素子アレイへ投影することができ、分解能を上げて読取り深度を深くすることができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態である分解能２００ｄｐｉのイメージセンサの概略構成を示す断面図である。図２は、図１における切断面線ＩＩから見た断面図である。支持体１８に取付けられて原稿１を照射する光源１７と、原稿１に接する透光性支持板、たとえばガラス板９と、原稿１からの反射光２１または２２を結像する入射側マイクロレンズアレイ２と、結像された光を伝播する導波路アレイ４と、導波路アレイ４からの出射光２８または２９を結像する出射側マイクロレンズアレイ３と、結像光を電気信号に変換する光電変換素子アレイ５と、光電変換素子を実装する実装基板１６とを含む。
【００３４】
図３は、図１における導波路アレイ４の入射側を拡大して示す断面図である。入射側マイクロレンズ２６と出射側マイクロレンズ２７とで構成される一対のマイクロレンズ対に対応する導波路セットは、コア５１ａ〜５１ｆの６本で構成される。
【００３５】
図１〜３によって導波路アレイ４への光の入射および出射のようすを示す。支持部材１８に取付けられた光源１７が原稿１の読取り領域Ｅ１を照射する。光源１７から原稿１の走査方向Ｆの読取り領域Ｆ１に照射された光の反射光２１または２２は、入射側マイクロレンズアレイ２を構成する入射側マイクロレンズ２６によって、導波路入射端面３０に倒立結像される。導波路のコア５１ｆおよび５１ａをそれぞれ伝播し出射端面３８から放射された光２８および２９は、出射側マイクロレンズアレイ３を構成するとともに、入射側マイクロレンズ２６とペアとなる出射側マイクロレンズ２７によって、光電変換素子５ａおよび５ｂ上にそれぞれ倒立結像され、原稿１の読取り領域Ｆ１に対して、結像領域Ｇに正立像が形成される。
【００３６】
入射側マイクロレンズ２６の凸部の光軸２３と、出射側マイクロレンズ２７の凸部の光軸２４とは一直線上２５にある。直線２５は原稿１が配置される面の垂直方向にある。各光軸が一直線上にあるマイクロレンズペアによる像は、光電変換素子アレイ５上でつながり、原稿１の走査方向Ｆの全読取り幅の正立像が光電変換素子アレイ５上に形成される。
【００３７】
副走査方向Ｅにおいては、光源１７から原稿１の副走査方向Ｅの読取り領域Ｅ１に照射された光の反射光２２または３２は、入射側マイクロレンズアレイ２を構成する入射側マイクロレンズ２６によって、導波路入射端面３０に倒立結像される。導波路のコア５１および５２をそれぞれ伝播し出射端面３８から放射された光３９および２９は、出射側マイクロレンズアレイ３を構成するとともに、入射側マイクロレンズ２６とペアとなる出射側マイクロレンズ２７によって、光電変換素子アレイ５上に倒立結像され、原稿１の読取り領域Ｅ１に対して、結像領域Ｈに正立像が形成される。副走査方向ＥへＥ１が過ぎるごとにＥ１と等しく定める距離ごとに光電変換素子の出力が読出されていく。
【００３８】
図４は、図１における導波路アレイ４の断面構造を示す断面図である。紙面垂直方向は、図１の原稿１が配置される面の垂直方向と一致する。導波路アレイ４は、コア５１と総称する５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｅおよび５１ｆが走査方向Ｆに間隔をあけて配置されるとともに、コア５１およびコア５１と同様に構成されるコア５２が副走査方向Ｅに２列配置されている。
【００３９】
図５（ａ）は、図１に示すイメージセンサの一部の概略構造を示す断面図である。（ｂ）は、（ａ）における導波路アレイ４のコア５１ａ〜５１ｆの形状をコア３１ａ〜３１ｆの形状に変えた構造を示す断面図である。θ１＝θ２＝θ３＝θ４となるように定められている。導波路アレイ４を備えたイメージセンサにおいて、マイクロレンズアレイ２の各マイクロレンズの径を大きくすることによって、感度を上げることができる。レンズ径を大きくし、かつ分解能を高いまま維持するため、１つのマイクロレンズに対して複数の導波路のコアが対応する構造にしている。（ｂ）のように導波路アレイ４において導波路のコア３１ａ〜３１ｆをストレートな形状で平行に配置した場合、導波路へ入射されて導波路を伝播できる光６０または６１の最大角である入射開口角θ１〜θ４をマイクロレンズの開口角と一致させても、３１ｃより３１ｂ、３１ｂより３１ａ、または３１ｄより３１ｅ、３１ｅより３１ｆというように、導波路のコアの位置がマイクロレンズの光軸２３から遠ざかるにしたがって、光７のように導波路の入射開口角θ２のレンズ凸部表面位置での広がりがマイクロレンズ２６からはみ出る。はみ出た領域が隣接するマイクロレンズ２８にかかることによって、光７によるゴーストが生じる。光７によるゴーストを防ぐためには、導波路の開口角を狭める必要があるが、開口角を狭めると感度が低下する。
【００４０】
図５（ａ）のように、導波路アレイ４における各導波路のコア５１ａ〜５１ｆを傾けて導波路の入射端から中央までテーパ状に広げ、全ての導波路のコア５１ａ〜５１ｆにおいて導波路コアとレンズの屈折率差も考慮してレンズの凸面の中心から導波路の中心に向かった光線が導波路にストレートに入射するようにしている。これによって、導波路に隣接するマイクロレンズの光７が結合するのを防止することができる。なお出射端においては逆に導波路の中央から出射端まで逆テーパ状に狭める。
【００４１】
図６（ａ）は、導波路のコアの数が光電変換素子である受光セルの数の３倍である場合の位置ずれによる解像度への影響を示す説明図である。図６（ｂ）は、導波路のコアの数が光電変換素子である受光セルの数と等しい場合の位置ずれによる解像度への影響を示す説明図である。図６（ａ）および（ｂ）において、１）は導波路像が１つの受光セルに収まる場合を示し、２）は導波路像が２つの受光セルにかかる場合を示す。
【００４２】
本発明の導波路アレイを備えたイメージセンサにおいて、解像度は導波路ピッチと光電変換素子ピッチとで制限され、図６（ｂ）のように、導波路のコア数と光電変換素子数とが等しい場合には、導波路のコアからの出力像である導波路像ＴおよびＵと光電変換素子Ｓ３およびＳ４との位置ずれが解像度を低下させる。図６（ｂ）の２）のように、光電変換素子である受光セルＳ３およびＳ４上での導波路のコアＴおよびＵからの出射光による結像が、２つの光電変換素子Ｓ３およびＳ４ならびにＳ４およびＳ５にそれぞれ等分にかかる場合、解像度は半分に低下する。図６（ａ）のように、導波路のコア数を光電変換素子数より多くし、たとえば光電変換素子Ｓ３またはＳ４の１つに対して導波路のコアＴ１〜Ｔ３またはＵ１〜Ｕ３の３つずつなどの複数対応するような構成とすることによって、導波路アレイと光電変換素子アレイとの位置合わせ精度が緩和される。図６（ａ）のように、導波路のコア数が光電変換素子数の３倍の場合、２）のように、最悪の位置ずれである導波路のコアＵ３およびＴ３からの出射光による結像が、２つ光電変換素子Ｓ３およびｓ４にそれぞれかかる場合でも、結合部の空間周波数伝達特性を示すＭＴＦ（modulation transfer function）は、
であるから、ＭＴＦは０．６７となり解像度を維持できる。
【００４３】
図７は、図３に示す導波路アレイ４の一部を拡大して示す拡大図である。導波路アレイ４は、コア５１ｄ〜５１ｆとクラッド５０とで構成され、クラッド５０には光吸収材料を使用している。図８は、強度に対する導波路の出射角度を説明するためのグラフである。図９は、導波路における透過率の入射角度依存性を説明するためのグラフである。導波路アレイ４に入射されて伝播する光について、図５、７、８および９によって説明する。光導波路は、コア５１ｅとクラッド５０との屈折率で決まる開口角θ１１を有する。開口角θ１１は導波路入射端面３０の法線３４とコア５１ｅに入射する光４１とのなす角度であって、導波路へ入射されて導波路を伝播できる光の最大角である。開口角θ１１より大きな角度で入射する光は伝播しない。透明な材料で形成されていれば光導波路の開口角は、全反射の始まる臨界角によって決定される。クラッド５０に吸収がある場合、実際の開口角θ１１は臨界角θ２１によって決定される開口角より狭くなる。以降、この場合の開口角を実質的な開口角と称す。
【００４４】
図５に示したように、１つの導波路に対してその入射開口角θ１〜θ４の延長がレンズ凸部表面位置で占める領域が１つのレンズ内に収まっているなら、その導波路には他のマイクロレンズからの光は結合しない。レンズは、レンズ径Ｄと焦点距離ｆとで決まる開口角atan（Ｄ／２ｆ）を有する。導波路の入射端はマイクロレンズのほぼ焦点位置にあり、マイクロレンズの開口角と導波路の実質的な開口角が等しければ、マイクロレンズに垂直に入射した光は全て導波路へ入って伝播し、他の光は入射しても伝播しない。すなわち図７に示すように、導波路へ結合しない光４６はクラッド５０内に入射されるが、クラッド５０には光吸収材料を使用して吸収を持たせているので、クラッド５０は導波路に結合しない光４７を吸収することができる。
【００４５】
また出射側においても、導波路とマイクロレンズが同様の関係であれば、原稿１上の１点は、光電変換素子上の１点に１対１に対応し、ゴーストは発生しない。その他の導波路へ結合しない光は、クラッド５０内に照射されるが、前述のように、クラッド５０に吸収されるので、光電変換素子アレイ５へ到達することを回避することができる。
【００４６】
コア５１ｅ中を伝播する光４２は、クラッド５０中にエネルギを染み出させた状態で伝播する。クラッド５０に吸収があるとコア５１ｅが透明であっても染み出しエネルギが吸収されるので、光４３は光４４で示すように減衰する。高次モードの光ほど、伝播によって急速に減衰する。高次モードほど、強度は低い。図８のように、高次モードの光ほどクラッド５０への染み出し長が長く減衰が大きいので、出射光４５の低次モードの成分比が高くなり、出射角θ３１が狭まる。出射角θ３１は、導波路出射端面３８の法線３６とコア５１ｅから出射する光４５とのなす角度である。クラッド吸収２２０ｃｍ-1の場合６３およびクラッド吸収なしの場合６４とも、低次モード、すなわち強度が高い程、出射角度が狭くなっている。
【００４７】
図９のように、入射角度θ１の大きい光ほど導波路内で高次モードとなるので、透過率が低く、すなわち減衰が大きく、導波路の実質的な入射開口角θ１１も、コア５１ｅとクラッド５０との屈折率差で決まる全反射の臨界角θ２１によって決定される開口角より狭まる。クラッド吸収２２００ｃｍ-1の場合６５、クラッド吸収２２０ｃｍ-1の場合６６およびクラッド吸収なしの場合６７の順に、同じ透過率で、入射角度が狭くなっていることが判る。
【００４８】
前述のように、クラッドの吸収を大きくして導波路からの出射光広がりを狭めると、出射側マイクロレンズを介さなくとも光電変換素子面上に導波路からの光をスポット状に照射することができ、解像度が低下しない。
【００４９】
図１０は、本発明の導波路アレイを備えた場合における原稿浮きによる画像への影響を示すイメージセンサの断面図である。前述のように、アパーチャ６を用いた従来構造のマイクロレンズ光学系の場合、入射側マイクロレンズアレイ２および出射側マイクロレンズアレイ３におけるレンズ中央部に比べて周辺部に対応する光電変換素子上での解像度は、原稿１がガラス面Ｃから離れると急激に低下する。
【００５０】
これに対して図１０のように、導波路アレイ４を入射側マイクロレンズアレイ２と出射側マイクロレンズアレイ３との間に挟んだ場合、導波路入射端面３０で画像情報がサンプリングされる。導波路中で光の入射方向情報はほぼ消滅し、出射端面３８では開口角全体に放射される。このため、アパーチャ６を用いた場合に比べて、アパーチャ６による周辺光量の低下を防止することができるとともに、原稿１がガラス面Ｃから浮いた場合の解像度の低下を低減することができる。
【００５１】
原稿１がガラス面Ｃ上にあれば、光源からの光はフォーカス位置７３で反射し、その反射光７１がマイクロレンズ２６によって導波路入射端面３０に結像され、結像された光は導波路を伝播し、マイクロレンズ２７によって光電変換素子５上の結像点７５に結像される。原稿１がガラス面Ｃから離れて、光源からの光が反射位置７４で反射すると、マイクロレンズ２６によって結像される導波路入射端面３０の像が小さくなり、かつボケる。導波路入射端面３０に結像された光７２の導波路中で入射方向情報はほぼ消滅し、入射された光７２は出射端では光７６のように開口角全体に放射されるので、光電変換素子５上の焦点７５に結像され、隣の光電変換素子上にかかることがない。
【００５２】
本実施形態は、入射側および出射側にマイクロレンズアレイ２および３をそれぞれ配置し、入射側と出射側とを対称構造にしたイメージセンサである。導波路パターンも入射側と同様に出射光の中心方向がレンズ中心を通るように、出射側の導波路のコアをテーパ状に配置し対称構造とする。
【００５３】
本発明の実施の一形態である分解能２００ｄｐｉのイメージセンサにおいて、レンズ曲率半径１８０μｍ、レンズ径２５０μｍおよびピッチ間隔２５０μｍで１列に配列された入射側マイクロレンズアレイ２を形成し、マイクロレンズの頂点を、厚さ０．９ｍｍのガラス板９から０．１ｍｍ離す。マイクロレンズアレイ２の厚さは７６０μｍで裏面には導波路アレイ４を装着する。導波路アレイ４において、クラッドの屈折率は１．４９２、吸収係数は２２０ｃｍ−１、コアの屈折率は１．５０８で、導波路の長さは１ｍｍ、各導波路のコアは幅８μｍ、深さ８μｍで、１４μｍピッチで配置する。導波路の実質的な入射開口角は８度となる。各マイクロレンズに対応する６本の導波路のコア５１ａ〜５１ｆの入射側傾きは基板１６の面の垂直方向に対して、各々−１．７度、−１．０度、−０．４度、０．４度、１．０度、１．７度とする。
【００５４】
導波路アレイ４の出射側端面３８に、レンズ曲率半径１８０μｍ、レンズ径２５０μｍおよびピッチ間隔２５０μｍで１列に配列された入射側マイクロレンズアレイ２を形成して装着する。マイクロレンズアレイ２の厚さは７６０μｍで、導波路端面と光電変換素子アレイ５のセンサ面との間の距離を１ｍｍとする。各マイクロレンズに対応する６本の導波路のコア５１ａ〜５１ｆの出射側角度を基板１６の垂直方向に対して、各々−１．７度、−１．０度、−０．４度、０．４度、１．０度、１．７度とする。
【００５５】
このような入射側と出射側とにマイクロレンズアレイを備えた対称構造によって、導波路出射端の倒立像が光電変換素子アレイ５のセンサ面に結像され、原稿面に対して連続した等倍正立像が形成される。なお入射側と出射側とを全くの対照構造としなくても、マイクロレンズのレンズ曲率半径、レンズ径およびピッチ間隔と、該マイクロレンズに対応する導波路のコアをテーパ状にする角度とを調整して設定すれば、等倍正立像を形成することができる。
【００５６】
前記導波路アレイを、本発明の実施の一形態である分解能２００ｄｐｉのイメージセンサに備え、原稿がガラス面から浮いた場合、マイクロレンズによって結像される導波路入射端の像は、小さくなり、かつボケる。言い換えれば、１つのマイクロレンズに対応する原稿面上の領域が広くなる。このため隣合うマイクロレンズで取込む原稿面上の領域に重なりが生じ、読取り分解能が低下する。しかし導波路アレイを用いたイメージセンサについては、マイクロレンズアレイのみで構成したイメージセンサのように、マイクロレンズに対応しない隣の光電変換素子上に光がかかることはないので、原稿浮きによる解像度の低下は少ない。
【００５７】
また光電変換素子アレイ５の１つの光電変換素子が複数の導波路のコアからの出射光を受ける構造としているので、光電変換素子と導波路との位置ずれがあっても解像度を維持することができる。
【００５８】
図１１は、本発明の実施の他の形態である分解能２００ｄｐｉのイメージセンサの概略構成を示す正面断面図である。図１１は、導波路アレイを変更した点を除いて、図１に示すイメージセンサと全く同じである。図１と同じ構成部分には同じ符号を記した。導波路アレイ８０を構成する各導波路は、３本のコア８１ａ〜８１ｃを有し、各コアはストレート形状である。前述のように、入射側マイクロレンズアレイ２および出射側マイクロレンズアレイ３のレンズ径があまり大きくない場合には、コアがストレート形状であっても、前記発明の実施の一形態と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
図１２は、本発明の実施の他の形態である分解能２００ｄｐｉのイメージセンサの概略構成を示す断面図である。図１３は、図１２における切断面線ＸＩＩＩから見た断面図である。支持体１８に取付けられて原稿１を照射する光源１７と、原稿１に接する透光性の支持板、たとえばガラス板９と、原稿１からの反射光を結像する入射側マイクロレンズアレイ２と、結像された光を伝播する導波路アレイ４と、導波路アレイ４からの出射光を電気信号に変換する光電変換素子アレイ５と、光電変換素子アレイ５を実装する実装基板１６とを含む。
【００６０】
ガラス板９の厚さは、０．９ｍｍである。入射側マイクロレンズアレイ２は、射出成型によって作製し、レンズ曲率半径１８０μｍ、レンズ径２５０μｍ、ピッチ２５０μｍで１列に配列されたレンズアレイ２を形成する。マイクロレンズの頂点は、ガラス板９から０．１ｍｍ離れている。マイクロレンズアレイ２の厚さは７６０μｍでガラス板９と反対の面には導波路アレイ４が装着されている。各マイクロレンズに対して各々６本の導波路入射端が、対応するマイクロレンズの光軸を中心として左右に３本づつ、１４μｍのピッチで配置されている。このようなマイクロレンズアレイ２によって、導波路入射端面に縮小倒立像が形成され、導波路アレイ４に入射される。
【００６１】
導波路アレイ４は、第１実施形態と同様、クラッド５０の屈折率１．４９２、コア５１の屈折率１．５０８、導波路の長さ１ｍｍ、各導波路のコア５１は幅８μｍおよび深さ８μｍである。ただし、クラッド５０の吸収係数は２２０ｃｍ-1であり、導波路の実質的な入射開口角は８度となる。導波路の開口角はマイクロレンズの開口角より小さく、さらに各導波路を入射端面に対してテーパ状に形成し、開口角の中心方向がマイクロレンズの中心を通るようにする。これによって、ゴースト像の発生を防止するとともに、マイクロレンズと導波路との位置合わせ精度を緩和する。
【００６２】
具体的には、各マイクロレンズに対応する６本の導波路のコア５１ａ〜５１ｆの入射側傾きは基板１６の垂直方向に対して、各々−１．７度、−１．０度、−０．４度、０．４度、１．０度および１．７度である。
【００６３】
図１４は、図１２における導波路アレイ４の出射側部分の概略構造を示す断面図である。導波路の出射側における導波路角度を傾けることによって、導波路のコア５１ｆおよび５１ａをそれぞれ伝播し出射端面３８から放射された光８９および８８は空間で交差し、光電変換素子５ｂおよび５ａ上にそれぞれ倒立結像され、原稿１の読取り領域Ｆ１に対して、結像領域Ｇに正立像が形成される。出射側のマイクロレンズを省略することにより、小型化と低コスト化が可能となる。
【００６４】
導波路アレイ４は、出射側において、導波路のコアの出射角度を傾けて形成し、出射光８８および８９を空間で交差させる。本実施形態では、導波路端面３８と光電変換素子アレイ５のセンサ面との間の距離を５００μｍ、６本の導波路のコア５１ａ〜５１ｆの出射側角度を基板１６の垂直方向に対して、各々−１０．１度、−６．２度、−２．１度、２．１度、６．２度および１０．１度とした。たとえばコア５１ｆからの出射光８９と、コア５１ａからの出射光８８とが空間で交差して、光電変換素子アレイ５上でコア５１ａから５１ｆへの並びに対して逆順に照射する。これによって、導波路アレイ４の出射光８８および８９がマイクロレンズなしで、光電変換素子アレイ５のセンサ面上で、導波路入射端面に形成された像の拡大倒立像が形成される。したがってセンサ面の像は、原稿に対して等倍正立像になる。
【００６５】
前記導波路においては、導波路のクラッドに光吸収があるので、高次モードの減衰が大きく低次モードのみ出射されることによって光広がりが非常に小さくなる。したがって導波路のコアから出射された光の広がりが大きいことによって像がぼけるということがなく、所望の分解能が得られる。
【００６６】
前記導波路アレイを、本発明の実施の他の形態である分解能２００ｄｐｉのイメージセンサに備え、原稿がガラス面から浮いた場合も、第１実施形態と同様である。すなわち前記導波路アレイを用いたイメージセンサにおいては、マイクロレンズアレイのみで構成したイメージセンサのように、マイクロレンズに対応しない隣の光電変換素子上に光がかかることはないので、原稿浮きによる解像度の低下は少ない。
【００６７】
さらに第１実施形態と同様、光電変換素子アレイ５の１つの光電変換素子が導波路の複数のコアからの出射光を受ける構造としているので、光電変換素子と導波路との位置ずれがあっても解像度を維持することができる。
【００６８】
図１５は、本発明の実施のまた他の形態である分解能２００ｄｐｉのイメージセンサの概略構成を示す断面図である。図１６は、図１５における切断面線ＸＶＩからみた断面図である。支持体１８に取付けられて原稿１を照射する光源１７と、原稿１に接する透光性支持板、たとえばガラス板９と、原稿１からの反射光を入力する導波路アレイ９９と、導波路アレイ９９からの出射光を受光して電気信号に変換する光電変換素子アレイ５と、光電変換素子アレイ５を実装する基板１６とを含む。
【００６９】
図１７は、図１５における導波路アレイ９９への反射光の入射および出射を示す概略断面図である。クラッド９０の吸収をより大きくし、導波路の実質的な入射開口角を狭めることにより、出射側マイクロレンズアレイだけでなく、入射側マイクロレンズアレイも省略することができる。さらなる小型化と低コスト化が可能となる。
【００７０】
前記導波路アレイ９９は、クラッド９０の屈折率１．４９２、クラッド９０の吸収係数２２００ｃｍ-1、コア９１の屈折率１．５０８、導波路の長さ１ｍｍで、幅８μｍおよび深さ８μｍの直線導波路のコア９１が１４μｍピッチで並ぶ導波路パターンの構造を有する。導波路アレイ９９において、クラッド９０の持つ吸収のため高次モードの導波成分は吸収されて減衰するので、導波路の実質的な入射開口角θ９１は狭まり、約２度となり、導波路の出力側の出射角θ９２は約１度である。ちなみにクラッド９０およびコア９１が透明な場合に入射角度を２度以下にするには、屈折率差を１０-3以下にする必要があり、製造が困難である。
【００７１】
前記導波路アレイが、分解能２００ｄｐｉのイメージセンサに備えられ、導波路入力端と原稿１との距離Ｄが約１ｍｍである場合、１つの導波路に入力する原稿領域は約７０μｍ径である。なおガラス板９の厚さは０．９ｍｍである。導波路出力端と光電変換素子アレイ５との距離Ｌは５００μｍであり、１つの導波路からの出射光９２の光電変換素子上での広がりは約２０μｍ径である。原稿がガラス面から１ｍｍ浮いても１つの導波路に入力する原稿領域は１４０μｍ径であり、２００ｄｐｉの分解能を有するので、本の折目近くに書かれた文字も読取ることができる。
【００７２】
また光電変換素子アレイ５の１つの光電変換素子が導波路の複数のコア９１の出射光を受ける構造としているので、光電変換素子と導波路との位置ずれがあっても解像度を維持することができる。
【００７３】
（導波路の製造方法）
図１８は、図１における導波路アレイ４の作製工程を示す工程図である。成型基板５０には、カーボンなどの光吸収材料を含むアクリル樹脂成型基板を用いる。（ａ）のように、成型基板５０の表面には、導波路コア形成のための直線溝が１４μｍピッチで平行に複数形成され、成型基板５０が導波路の下部および側面のクラッドとなる。（ｂ）のように、成型基板５０にコア形成のための透明紫外線重合材料５３を塗布によって溝に充填する。透明紫外線重合材料５３としては、アクリレート系モノマー材料などを用いることができる。溝以外にはみ出した紫外線重合材料５３は、（ｃ）のように掻取り器５６を用いてスキージにて除去する。（ｄ）のように、スキージ後の成型基板５０に紫外線を照射してコア５１を硬化させる。上部クラッドは、コア５１を硬化させた後の成型基板５０上に、（ｅ）のように光吸収材料を含んだ熱重合材料５４を薄く塗布し、さらに図１１（ａ）〜（ｄ）と同様にしてコア形成した導波路基板を張合わせて加熱することによって熱重合材料５４を硬化させて形成する。熱重合材料５４としては、カーボン微粒子、色素などの光吸収材料を含んだアクリレート系モノマー材料などを用いることができる。これによりコアが図２において示す副走査方向Ｅに２列形成される。
【００７４】
クラッド部１２となるクラッド材料塗布膜の厚みと、該クラッド材料塗布膜に含ませる光吸収材料の濃度は、塗布面に垂直に入射した紫外線が硬化に充分な強度で透過できるように調整する。
【００７５】
図１９は、本発明のイメージセンサに用いる導波路アレイの他の例の断面構造を示す断面図である。図１８（ａ）〜（ｄ）と同様にしてコア５１を硬化させた後の成型基板５０上に、上部クラッドとなる光吸収材料を含む熱重合材料である熱硬化樹脂５５を塗布し、さらに不透明樹脂板である黒色上板５８を張合わせ硬化接着させる構造も可能である。黒色上板５８としては、アクリルにカーボンを混合した成型基板などを用いることができる。熱硬化樹脂５５および黒色上板５８もクラッドを構成するクラッド部である。
【００７６】
図２０は、本発明のイメージセンサに用いる導波路アレイのさらに他の例の断面構造を示す断面図である。２Ｐ法とスキージ法とを組合わせて積層した導波路アレイ構造である。図２１は、図２０に示す導波路アレイの作製工程を示す工程図である。（ａ）のように導波路溝の型形状を表面に形成したガラス板１５３上に、可視光吸収材料を含んだ紫外線硬化樹脂１５４を塗布し、（ｂ）のように上からクラッド部となる２Ｐ製造用黒色基板１５０を被せて加圧し、紫外線照射して重合させクラッド１５２を形成する。ついで（ｃ）のようにガラス板５８を離型し、（ｄ）のようにクラッド５０の溝に透明紫外線硬化樹脂１５６を塗布し、（ｅ）のように掻取り器５６を用いてスキージにて余分な透明紫外線硬化樹脂１５６を掃出し、（ｆ）のように透明紫外線硬化樹脂１５６に紫外線を照射して硬化させコア１５１にする。（ａ）〜（ｆ）の工程によって第１層の導波路アレイが形成される。さらに（ａ）の工程と同様にしてガラス板１５３上に塗布された紫外線硬化樹脂１５６の上から、第１層の導波路アレイが形成された基板を被せて加圧し、紫外線照射して重合させて２層目のクラッド１５２を形成する。以降（ｇ）および（ｃ）〜（ｆ）の工程を繰返して導波路アレイの３次元積層構造を作製する。
【００７７】
以上のようにして、ファイバを黒色樹脂に埋込むような従来の方法に比べて、高密度に導波路アレイ、特に３次元積層構造の導波路アレイを形成することができる。３次元積層構造の導波路において、クロストークなしに原稿像を光電変換素子アレイへ投影することができ、分解能を上げて読取り深度を深くすることができる。
【００７８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、導波路アレイをイメージセンサの読取り光学系として用いることによって、導波路へ結像する光の入射角度が制限されることを利用してクロストークなしに原稿像を光電変換素子アレイへ投影することができる。クラッドに吸収を持たせたので、導波路へ結合しない光はクラッドで吸収される。ファイバを黒色樹脂に埋込むような従来の構造に比べてクラッド自体に吸収がある場合は、高次モードの光ほど減衰が大きくなるので、実質的な開口角が狭まり、分解能を上げ、読取り深度を深くすることができる。
【００７９】
本発明によれば、導波路アレイをイメージセンサの読取り光学系として用い、マイクロレンズを入射側のみ採用することによって、導波路へ結像する光の入射角度が制限されることを利用してクロストークなしに原稿像を光電変換素子アレイへ投影することができるだけでなく、構造の小型化を図れる。クラッドに吸収を持たせたので、導波路へ結合しない光はクラッドで吸収される。ファイバを黒色樹脂に埋込むような従来の構造に比べてクラッド自体に吸収がある場合は、高次モードの光ほど減衰が大きくなるので、実質的な開口角が狭まり、分解能を上げ、読取り深度を深くすることができる。
【００８２】
また本発明によれば、ゴースト像の発生を防ぐことができる。
また本発明によれば、１つの導波路へは１つの入射側レンズからの光のみが入射するので、導波路からの出射光が対応する受光素子である光電変換素子面上に照射されれば、導波路の開口角を狭めることなくゴースト像の発生を防ぐことができる。
【００８３】
また本発明によれば、１つの導波路へは１つの入射側レンズからの光のみが入射し、１つの導波路からの光は１つの出射側レンズにのみに照射するので、原稿像とセンサ位置が１対１に対応する。これによって、ゴースト像の発生を防ぐことができる。また１つの導波路セット内の導波を平行に設ける場合には、各導波路における開口角の広がりは、端部の導波路ほどマイクロレンズの辺縁部を通る。各導波路を平行に配置したまま、端部の導波路における開口角の広がりをレンズ表面領域内に納めるためにはレンズの開口角が制限されて暗くなり、レンズと導波路との位置精度を高める必要が生じる。各導波路における開口角の中心がレンズの中心を通るように、各導波路を傾けると、１つのマイクロレンズに対応する導波路のマイクロレンズ位置での集光領域が一致するので、導波路の開口角を大きく取れ、位置合わせ精度を緩和することができる。
【００８４】
また本発明によれば、導波路アレイと光電変換素子アレイとの位置合わせ精度を緩和することができる。
【００８５】
また本発明によれば、３次元積層構造の導波路において、クロストークなしに原稿像を光電変換素子アレイへ投影することができ、分解能を上げて読取り深度を深くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態である分解能２００ｄｐｉのイメージセンサの概略構成を示す断面図である。
【図２】図１における切断面線ＩＩから見た断面図である。
【図３】図１における導波路アレイ４の入射側を拡大して示す断面図である。
【図４】図１における導波路アレイ４の断面構造を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）は、図１に示すイメージセンサの一部の概略構造を示す断面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）における導波路アレイ４の形状を変えた構造を示す断面図である。
【図６】図６（ａ）は、導波路のコアの数が光電変換素子である受光セルの数の３倍である場合の位置ずれによる解像度への影響を示す説明図である。図６（ｂ）は、導波路のコアの数が光電変換素子である受光セルの数と等しい場合の位置ずれによる解像度への影響を示す説明図である。
【図７】図３に示す導波路アレイ４の一部を拡大して示す拡大図である。
【図８】強度に対する導波路の出射角度を説明するためのグラフである。
【図９】導波路における透過率の入射角度依存性を説明するためのグラフである。
【図１０】本発明の導波路アレイを備えた場合における原稿浮きによる画像への影響を示すイメージセンサの断面図である。
【図１１】本発明の実施の他の形態である分解能２００ｄｐｉのイメージセンサの概略構成を示す断面図である。
【図１２】本発明の実施の他の形態である分解能２００ｄｐｉのイメージセンサの概略構成を示す断面図である。
【図１３】図１２における切断面線ＸＩＩＩから見た断面図である。
【図１４】図１２における導波路アレイ４の出射側部分の概略構造を示す断面図である。
【図１５】本発明の実施のまた他の形態である分解能２００ｄｐｉのイメージセンサの概略構成を示す断面図である。
【図１６】図１５における切断面線ＸＶＩからみた断面図である。
【図１７】図１５における導波路アレイ９９への反射光の入射および出射のようすを示す断面図である。
【図１８】図１における導波路アレイ４の作製工程を示す工程図である。
【図１９】本発明のイメージセンサに用いる導波路アレイの他の例の断面の構造を示す断面図である。
【図２０】本発明のイメージセンサに用いる導波路アレイのさらに他の例の断面の構造を示す断面図である。
【図２１】図２０に示す導波路アレイの作製工程を示す工程図である。
【図２２】従来のマイクロレンズアレイ光学系の構造を示す断面図である。
【図２３】従来のアパーチャ６を備えたマイクロレンズアレイ光学系の構造を示す断面図である。
【図２４】従来のアパーチャを備えたその他のマイクロレンズアレイ光学系の構造を示す断面図である。
【図２５】従来のアパーチャ６を用いた場合における原稿浮きによる画像への影響を示すイメージセンサの断面図である。
【符号の説明】
１ 原稿
２ 入射側マイクロレンズアレイ
３ 出射側マイクロレンズアレイ
４ 導波路アレイ
５ 光電変換素子アレイ
９ ガラス板
１６ 実装基板
１７ 光源
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファクシミリ装置などの画像入出力情報機器における画像入力装置であるイメージセンサ、およびそれに用いる導波路の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ファクシミリ装置、フラットベッドスキャナ、手で掴んで原稿上を走査させて読取り画像を複写するハンドコピーおよび原稿上を走査して読取り画像をデジタルに変換して複写するデジタルコピアなどの画像入力装置には、大きく分けてＣＣＤ（Charge Coupled Device）方式とＣＩＳ（Contact Image Sensor）方式とがある。
【０００３】
ＣＣＤ方式は、装置内に１つのレンズ縮小光学系が配置され、原稿像をリニアＣＣＤに縮小結像し、画像信号に変換する。原稿からセンサまでの全共役長（ＴＣ）は３０ｃｍ以上あり、ミラーで複数回折返すことにより小型化を図っている。
【０００４】
ＣＩＳ方式は、装置内に屈折率分散型ロッドレンズアレイが読取り全幅にわたって配置され、原稿像を等倍正立像でこれも読取り全幅にわたって配置されたセンサアレイに結像し、画像信号に変換する。ＴＣは、１０ｍｍ前後で小型化が可能である。近年、屈折率分散型ロッドレンズアレイに代わって、より製造が容易な凸マイクロレンズアレイによって原稿像を等倍正立投影するマイクロレンズアレイ光学系の開発が試みられている。
【０００５】
ＣＣＤ方式は、ＣＩＳ方式に比べ、ＴＣが長く小型化が困難である。
図２２は、従来のマイクロレンズアレイ光学系の構造を示す断面図である。マイクロレンズアレイ光学系の場合は、センサに正立像を投影するために少なくとも２枚の凸レンズを光軸上に配置する必要がある。原稿１側のレンズアレイ２によって光１０１による倒立中間像が形成され、光電変換素子アレイ５側のレンズアレイ３が光１１１による等倍正立像として光電変換素子アレイ５上に投影する。なお光電変換素子アレイ５は、受光素子である光電変換素子が複数個走査方向に配列されている。光軸２３および２４が一直線上にあるマイクロレンズ２６および２７から成るレンズペア間のみで反射光を結像すれば、レンズアレイペア上の各レンズペアの像がセンサ面上でつながり、読取り全幅の正立投影像が形成される。ところが光軸が一直線上にないレンズ組合わせによる像が形成されて、反射光７が光１０７のように光電変換素子アレイ５上に投影されてゴーストが発生する場合がある。
【０００６】
図２３は、従来のアパーチャ６を備えたマイクロレンズアレイ光学系の構造を示す断面図である。入射側マイクロレンズアレイ２と出射側マイクロレンズアレイ３との間であって、光軸２３および２４が一直線上にあるマイクロレンズ２６および２７から成るレンズペアと、マイクロレンズ１０６および１０８から成る隣接するレンズペアとの間に空間１０２を設けて、遮光部であるアパーチャ６を配置して、マイクロレンズ１０６および１０８から成るレンズペアとマイクロレンズ１０９および１１０から成るレンズペアとの間、すなわち隣接するレンズペア間を渡る光７を完全に遮断することによって、ゴーストを防ぐことができることが特開平１０−２１０２１３号公報に記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように隣接するレンズペア間をアパーチャ６によって遮光した場合、アパーチャ６側面で反射する光が存在するので、本来の結像に寄与しない光がハロウ８となって光電変換素子アレイ５に到達し、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を低下させる。
【０００８】
図２４は、従来のアパーチャを備えたその他のマイクロレンズアレイ光学系の構造を示す断面図である。原稿１とレンズアレイ２との間、およびレンズアレイ３と光電変換素子アレイ５との間にアパーチャ６を配置して、ゴーストを防止するようにしている。この場合も図２３に示したマイクロレンズアレイ光学系と同様、ハロウ８が発生するという問題が生じる。
【０００９】
図２５は、従来のアパーチャ６を用いた場合における原稿浮きによる画像への影響を示すイメージセンサの断面図である。アパーチャ６を用いた従来構造のマイクロレンズアレイ３におけるレンズ中央部に比べて周辺部の解像度は、原稿１がガラス面Ｃから離れると急激に低下する。原稿１がガラス面Ｃ上に有れば、光源からの光はフォーカス位置７３で反射し、その反射光７１がマイクロレンズ２６によって倒立結像され、倒立結像された光７７はマイクロレンズ２７によって光電変換素子５上の結像点７５に結像される。原稿１がガラス面Ｃから離れると、光源からの光は反射位置７４で反射し、その反射光７２がマイクロレンズ２６によって倒立結像され、倒立結像された光７８はマイクロレンズ２７によって光電変換素子５上に結像されず、結像点７９に結像される。
【００１０】
本発明の目的は、ゴーストおよびハロウが発生することのないイメージセンサを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被写体である原稿を光照射するライン状光源と、
主走査方向に配置され、光照射による原稿からの反射光を結像する複数の入射側マイクロレンズを備える第１のマイクロレンズアレイと、
各入射側マイクロレンズごとにそれぞれ対応して主走査方向に配置される複数の導波路セットで構成され、各導波路セットには入射側マイクロレンズによる結像光を入射し伝播させて出射する複数の導波路が主走査方向に間隔をあけて配置され、複数の導波路のコアが光を吸収する材料を含むクラッドに保持されてなる複数の導波路セットによって構成される導波路アレイと、
各導波路セットごとにそれぞれ備えられ、前記コアからの出射光を結像する複数の出射側マイクロレンズを備える第２のマイクロレンズアレイと、
各出射側マイクロレンズごとにそれぞれ備えられ、出射側マイクロレンズによる結像光を電気信号に変換する複数の受光素子を備える受光素子アレイとを含むことを特徴とするイメージセンサである。
【００１２】
本発明に従えば、導波路アレイをイメージセンサの読取り光学系として用いることによって、導波路へ結像する光の入射角度が制限されることを利用してクロストークなしに原稿像を受光素子アレイである光電変換素子アレイへ投影することができる。クラッドに吸収を持たせたので、導波路へ結合しない光はクラッドで吸収される。ファイバを黒色樹脂に埋込むような従来の構造に比べてクラッド自体に吸収がある場合は、高次モードの光ほど減衰が大きくなるので、実質的な開口角が狭まり、分解能を上げ、読取り深度を深くすることができる。
【００１３】
本発明は、被写体である原稿を光照射するライン状光源と、
主走査方向に配置され、光照射による原稿からの反射光を結像する複数の入射側マイクロレンズを備える入射側マイクロレンズアレイと、
各入射側マイクロレンズごとにそれぞれ対応して主走査方向に配置される複数の導波路セットで構成され、各導波路セットには入射側マイクロレンズによる結像光を入射し伝播させて出射する複数の導波路が主走査方向に間隔をあけて配置され、複数の導波路のコアが光を吸収する材料を含むクラッドに保持されてなる複数の導波路セットによって構成される導波路アレイであって、各導波路セット内の各導波路から出射される光は、それぞれ異なる出射角度で出射され、クロスして受光素子上に、各導波路の並びと逆順に照射されるように、傾けられている導波路アレイと、
各導波路セットごとにそれぞれ備えられ、導波路セットからの出射光を電気信号に変換する複数の受光素子を備える受光素子アレイとを含むことを特徴とするイメージセンサである。
【００１４】
本発明に従えば、導波路アレイをイメージセンサの読取り光学系として用い、マイクロレンズを入射側のみ採用することによって、導波路へ結像する光の入射角度が制限されることを利用してクロストークなしに原稿像を受光素子アレイである光電変換素子アレイへ投影することができるだけでなく、構造の小型化を図れる。クラッドに吸収を持たせたので、導波路へ結合しない光はクラッドで吸収される。ファイバを黒色樹脂に埋込むような従来の構造に比べてクラッド自体に吸収がある場合は、高次モードの光ほど減衰が大きくなるので、実質的な開口角が狭まり、分解能を上げ、読取り深度を深くすることができる。
【００１８】
本発明は、前記導波路アレイにおける各導波路セット内の各導波路の入射開口角の広がりが、対応する入射側マイクロレンズ表面領域内に収まるように形成されていることを特徴とする。
本発明に従えば、ゴースト像の発生を防ぐことができる。
【００１９】
本発明は、前記導波路アレイにおける各導波路セット内の各導波路の入射開口角の広がりが、対応する入射側マイクロレンズ表面領域内に収まるように、導波路が、入射側において傾斜されてテーパ状に広げられることを特徴とする。
【００２０】
本発明に従えば、１つの導波路へは１つの入射側レンズからの光のみが入射するので、導波路からの出射光が対応する受光素子である光電変換素子面上に照射されれば、導波路の開口角を狭めることなくゴースト像の発生を防ぐことができる。
【００２１】
本発明は、前記導波路アレイにおける各導波路セット内の各導波路の入射開放角の広がりが、対応する入射側マイクロレンズ表面領域内に収まるように、導波路が、入射側において傾斜されてテーパ状に広げられ、かつ、前記導波路の出射光が、対応する出射側マイクロレンズ表面領域内に収まるように、導波路が、出射側において傾斜されて逆テーパ状に狭められることを特徴とする。
【００２２】
本発明に従えば、１つの導波路へは１つの入射側レンズからの光のみが入射し、１つの導波路からの光は１つの出射側レンズにのみに照射するので、原稿像とセンサ位置が１対１に対応する。これによって、ゴースト像の発生を防ぐことができる。また１つの導波路セット内の導波を平行に設ける場合には、各導波路における開口角の広がりは、端部の導波路ほどマイクロレンズの辺縁部を通る。各導波路を平行に配置したまま、端部の導波路における開口角の広がりをレンズ表面領域内に納めるためにはレンズの開口角が制限されて暗くなり、レンズと導波路との位置精度を高める必要が生じる。各導波路における開口角の中心がレンズの中心を通るように、各導波路を傾けると、１つのマイクロレンズに対応する導波路のマイクロレンズ位置での集光領域が一致するので、導波路の開口角を大きく取れ、位置合わせ精度を緩和することができる。
【００２３】
本発明は、前記受光素子アレイにおける各受光素子が、各導波路セット内の複数の導波路から光を受ける１つの受光素子であることを特徴とする。
【００２４】
本発明に従えば、導波路アレイと受光素子アレイである光電変換素子アレイとの位置合わせ精度を緩和することができる。
【００２５】
本発明は、前記導波路アレイが副走査方向に複数列備えられていることを特徴とする。
【００２６】
本発明に従えば、３次元積層構造の導波路において、クロストークなしに原稿像を光電変換素子アレイへ投影することができ、分解能を上げて読取り深度を深くすることができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態である分解能２００ｄｐｉのイメージセンサの概略構成を示す断面図である。図２は、図１における切断面線ＩＩから見た断面図である。支持体１８に取付けられて原稿１を照射する光源１７と、原稿１に接する透光性支持板、たとえばガラス板９と、原稿１からの反射光２１または２２を結像する入射側マイクロレンズアレイ２と、結像された光を伝播する導波路アレイ４と、導波路アレイ４からの出射光２８または２９を結像する出射側マイクロレンズアレイ３と、結像光を電気信号に変換する光電変換素子アレイ５と、光電変換素子を実装する実装基板１６とを含む。
【００３４】
図３は、図１における導波路アレイ４の入射側を拡大して示す断面図である。入射側マイクロレンズ２６と出射側マイクロレンズ２７とで構成される一対のマイクロレンズ対に対応する導波路セットは、コア５１ａ〜５１ｆの６本で構成される。
【００３５】
図１〜３によって導波路アレイ４への光の入射および出射のようすを示す。支持部材１８に取付けられた光源１７が原稿１の読取り領域Ｅ１を照射する。光源１７から原稿１の走査方向Ｆの読取り領域Ｆ１に照射された光の反射光２１または２２は、入射側マイクロレンズアレイ２を構成する入射側マイクロレンズ２６によって、導波路入射端面３０に倒立結像される。導波路のコア５１ｆおよび５１ａをそれぞれ伝播し出射端面３８から放射された光２８および２９は、出射側マイクロレンズアレイ３を構成するとともに、入射側マイクロレンズ２６とペアとなる出射側マイクロレンズ２７によって、光電変換素子５ａおよび５ｂ上にそれぞれ倒立結像され、原稿１の読取り領域Ｆ１に対して、結像領域Ｇに正立像が形成される。
【００３６】
入射側マイクロレンズ２６の凸部の光軸２３と、出射側マイクロレンズ２７の凸部の光軸２４とは一直線上２５にある。直線２５は原稿１が配置される面の垂直方向にある。各光軸が一直線上にあるマイクロレンズペアによる像は、光電変換素子アレイ５上でつながり、原稿１の走査方向Ｆの全読取り幅の正立像が光電変換素子アレイ５上に形成される。
【００３７】
副走査方向Ｅにおいては、光源１７から原稿１の副走査方向Ｅの読取り領域Ｅ１に照射された光の反射光２２または３２は、入射側マイクロレンズアレイ２を構成する入射側マイクロレンズ２６によって、導波路入射端面３０に倒立結像される。導波路のコア５１および５２をそれぞれ伝播し出射端面３８から放射された光３９および２９は、出射側マイクロレンズアレイ３を構成するとともに、入射側マイクロレンズ２６とペアとなる出射側マイクロレンズ２７によって、光電変換素子アレイ５上に倒立結像され、原稿１の読取り領域Ｅ１に対して、結像領域Ｈに正立像が形成される。副走査方向ＥへＥ１が過ぎるごとにＥ１と等しく定める距離ごとに光電変換素子の出力が読出されていく。
【００３８】
図４は、図１における導波路アレイ４の断面構造を示す断面図である。紙面垂直方向は、図１の原稿１が配置される面の垂直方向と一致する。導波路アレイ４は、コア５１と総称する５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｅおよび５１ｆが走査方向Ｆに間隔をあけて配置されるとともに、コア５１およびコア５１と同様に構成されるコア５２が副走査方向Ｅに２列配置されている。
【００３９】
図５（ａ）は、図１に示すイメージセンサの一部の概略構造を示す断面図である。（ｂ）は、（ａ）における導波路アレイ４のコア５１ａ〜５１ｆの形状をコア３１ａ〜３１ｆの形状に変えた構造を示す断面図である。θ１＝θ２＝θ３＝θ４となるように定められている。導波路アレイ４を備えたイメージセンサにおいて、マイクロレンズアレイ２の各マイクロレンズの径を大きくすることによって、感度を上げることができる。レンズ径を大きくし、かつ分解能を高いまま維持するため、１つのマイクロレンズに対して複数の導波路のコアが対応する構造にしている。（ｂ）のように導波路アレイ４において導波路のコア３１ａ〜３１ｆをストレートな形状で平行に配置した場合、導波路へ入射されて導波路を伝播できる光６０または６１の最大角である入射開口角θ１〜θ４をマイクロレンズの開口角と一致させても、３１ｃより３１ｂ、３１ｂより３１ａ、または３１ｄより３１ｅ、３１ｅより３１ｆというように、導波路のコアの位置がマイクロレンズの光軸２３から遠ざかるにしたがって、光７のように導波路の入射開口角θ２のレンズ凸部表面位置での広がりがマイクロレンズ２６からはみ出る。はみ出た領域が隣接するマイクロレンズ２８にかかることによって、光７によるゴーストが生じる。光７によるゴーストを防ぐためには、導波路の開口角を狭める必要があるが、開口角を狭めると感度が低下する。
【００４０】
図５（ａ）のように、導波路アレイ４における各導波路のコア５１ａ〜５１ｆを傾けて導波路の入射端から中央までテーパ状に広げ、全ての導波路のコア５１ａ〜５１ｆにおいて導波路コアとレンズの屈折率差も考慮してレンズの凸面の中心から導波路の中心に向かった光線が導波路にストレートに入射するようにしている。これによって、導波路に隣接するマイクロレンズの光７が結合するのを防止することができる。なお出射端においては逆に導波路の中央から出射端まで逆テーパ状に狭める。
【００４１】
図６（ａ）は、導波路のコアの数が光電変換素子である受光セルの数の３倍である場合の位置ずれによる解像度への影響を示す説明図である。図６（ｂ）は、導波路のコアの数が光電変換素子である受光セルの数と等しい場合の位置ずれによる解像度への影響を示す説明図である。図６（ａ）および（ｂ）において、１）は導波路像が１つの受光セルに収まる場合を示し、２）は導波路像が２つの受光セルにかかる場合を示す。
【００４２】
本発明の導波路アレイを備えたイメージセンサにおいて、解像度は導波路ピッチと光電変換素子ピッチとで制限され、図６（ｂ）のように、導波路のコア数と光電変換素子数とが等しい場合には、導波路のコアからの出力像である導波路像ＴおよびＵと光電変換素子Ｓ３およびＳ４との位置ずれが解像度を低下させる。図６（ｂ）の２）のように、光電変換素子である受光セルＳ３およびＳ４上での導波路のコアＴおよびＵからの出射光による結像が、２つの光電変換素子Ｓ３およびＳ４ならびにＳ４およびＳ５にそれぞれ等分にかかる場合、解像度は半分に低下する。図６（ａ）のように、導波路のコア数を光電変換素子数より多くし、たとえば光電変換素子Ｓ３またはＳ４の１つに対して導波路のコアＴ１〜Ｔ３またはＵ１〜Ｕ３の３つずつなどの複数対応するような構成とすることによって、導波路アレイと光電変換素子アレイとの位置合わせ精度が緩和される。図６（ａ）のように、導波路のコア数が光電変換素子数の３倍の場合、２）のように、最悪の位置ずれである導波路のコアＵ３およびＴ３からの出射光による結像が、２つ光電変換素子Ｓ３およびｓ４にそれぞれかかる場合でも、結合部の空間周波数伝達特性を示すＭＴＦ（modulation transfer function）は、
【００４３】
図７は、図３に示す導波路アレイ４の一部を拡大して示す拡大図である。導波路アレイ４は、コア５１ｄ〜５１ｆとクラッド５０とで構成され、クラッド５０には光吸収材料を使用している。図８は、強度に対する導波路の出射角度を説明するためのグラフである。図９は、導波路における透過率の入射角度依存性を説明するためのグラフである。導波路アレイ４に入射されて伝播する光について、図５、７、８および９によって説明する。光導波路は、コア５１ｅとクラッド５０との屈折率で決まる開口角θ１１を有する。開口角θ１１は導波路入射端面３０の法線３４とコア５１ｅに入射する光４１とのなす角度であって、導波路へ入射されて導波路を伝播できる光の最大角である。開口角θ１１より大きな角度で入射する光は伝播しない。透明な材料で形成されていれば光導波路の開口角は、全反射の始まる臨界角によって決定される。クラッド５０に吸収がある場合、実際の開口角θ１１は臨界角θ２１によって決定される開口角より狭くなる。以降、この場合の開口角を実質的な開口角と称す。
【００４４】
図５に示したように、１つの導波路に対してその入射開口角θ１〜θ４の延長がレンズ凸部表面位置で占める領域が１つのレンズ内に収まっているなら、その導波路には他のマイクロレンズからの光は結合しない。レンズは、レンズ径Ｄと焦点距離ｆとで決まる開口角atan（Ｄ／２ｆ）を有する。導波路の入射端はマイクロレンズのほぼ焦点位置にあり、マイクロレンズの開口角と導波路の実質的な開口角が等しければ、マイクロレンズに垂直に入射した光は全て導波路へ入って伝播し、他の光は入射しても伝播しない。すなわち図７に示すように、導波路へ結合しない光４６はクラッド５０内に入射されるが、クラッド５０には光吸収材料を使用して吸収を持たせているので、クラッド５０は導波路に結合しない光４７を吸収することができる。
【００４５】
また出射側においても、導波路とマイクロレンズが同様の関係であれば、原稿１上の１点は、光電変換素子上の１点に１対１に対応し、ゴーストは発生しない。その他の導波路へ結合しない光は、クラッド５０内に照射されるが、前述のように、クラッド５０に吸収されるので、光電変換素子アレイ５へ到達することを回避することができる。
【００４６】
コア５１ｅ中を伝播する光４２は、クラッド５０中にエネルギを染み出させた状態で伝播する。クラッド５０に吸収があるとコア５１ｅが透明であっても染み出しエネルギが吸収されるので、光４３は光４４で示すように減衰する。高次モードの光ほど、伝播によって急速に減衰する。高次モードほど、強度は低い。図８のように、高次モードの光ほどクラッド５０への染み出し長が長く減衰が大きいので、出射光４５の低次モードの成分比が高くなり、出射角θ３１が狭まる。出射角θ３１は、導波路出射端面３８の法線３６とコア５１ｅから出射する光４５とのなす角度である。クラッド吸収２２０ｃｍ-1の場合６３およびクラッド吸収なしの場合６４とも、低次モード、すなわち強度が高い程、出射角度が狭くなっている。
【００４７】
図９のように、入射角度θ１の大きい光ほど導波路内で高次モードとなるので、透過率が低く、すなわち減衰が大きく、導波路の実質的な入射開口角θ１１も、コア５１ｅとクラッド５０との屈折率差で決まる全反射の臨界角θ２１によって決定される開口角より狭まる。クラッド吸収２２００ｃｍ-1の場合６５、クラッド吸収２２０ｃｍ-1の場合６６およびクラッド吸収なしの場合６７の順に、同じ透過率で、入射角度が狭くなっていることが判る。
【００４８】
前述のように、クラッドの吸収を大きくして導波路からの出射光広がりを狭めると、出射側マイクロレンズを介さなくとも光電変換素子面上に導波路からの光をスポット状に照射することができ、解像度が低下しない。
【００４９】
図１０は、本発明の導波路アレイを備えた場合における原稿浮きによる画像への影響を示すイメージセンサの断面図である。前述のように、アパーチャ６を用いた従来構造のマイクロレンズ光学系の場合、入射側マイクロレンズアレイ２および出射側マイクロレンズアレイ３におけるレンズ中央部に比べて周辺部に対応する光電変換素子上での解像度は、原稿１がガラス面Ｃから離れると急激に低下する。
【００５０】
これに対して図１０のように、導波路アレイ４を入射側マイクロレンズアレイ２と出射側マイクロレンズアレイ３との間に挟んだ場合、導波路入射端面３０で画像情報がサンプリングされる。導波路中で光の入射方向情報はほぼ消滅し、出射端面３８では開口角全体に放射される。このため、アパーチャ６を用いた場合に比べて、アパーチャ６による周辺光量の低下を防止することができるとともに、原稿１がガラス面Ｃから浮いた場合の解像度の低下を低減することができる。
【００５１】
原稿１がガラス面Ｃ上にあれば、光源からの光はフォーカス位置７３で反射し、その反射光７１がマイクロレンズ２６によって導波路入射端面３０に結像され、結像された光は導波路を伝播し、マイクロレンズ２７によって光電変換素子５上の結像点７５に結像される。原稿１がガラス面Ｃから離れて、光源からの光が反射位置７４で反射すると、マイクロレンズ２６によって結像される導波路入射端面３０の像が小さくなり、かつボケる。導波路入射端面３０に結像された光７２の導波路中で入射方向情報はほぼ消滅し、入射された光７２は出射端では光７６のように開口角全体に放射されるので、光電変換素子５上の焦点７５に結像され、隣の光電変換素子上にかかることがない。
【００５２】
本実施形態は、入射側および出射側にマイクロレンズアレイ２および３をそれぞれ配置し、入射側と出射側とを対称構造にしたイメージセンサである。導波路パターンも入射側と同様に出射光の中心方向がレンズ中心を通るように、出射側の導波路のコアをテーパ状に配置し対称構造とする。
【００５３】
本発明の実施の一形態である分解能２００ｄｐｉのイメージセンサにおいて、レンズ曲率半径１８０μｍ、レンズ径２５０μｍおよびピッチ間隔２５０μｍで１列に配列された入射側マイクロレンズアレイ２を形成し、マイクロレンズの頂点を、厚さ０．９ｍｍのガラス板９から０．１ｍｍ離す。マイクロレンズアレイ２の厚さは７６０μｍで裏面には導波路アレイ４を装着する。導波路アレイ４において、クラッドの屈折率は１．４９２、吸収係数は２２０ｃｍ−１、コアの屈折率は１．５０８で、導波路の長さは１ｍｍ、各導波路のコアは幅８μｍ、深さ８μｍで、１４μｍピッチで配置する。導波路の実質的な入射開口角は８度となる。各マイクロレンズに対応する６本の導波路のコア５１ａ〜５１ｆの入射側傾きは基板１６の面の垂直方向に対して、各々−１．７度、−１．０度、−０．４度、０．４度、１．０度、１．７度とする。
【００５４】
導波路アレイ４の出射側端面３８に、レンズ曲率半径１８０μｍ、レンズ径２５０μｍおよびピッチ間隔２５０μｍで１列に配列された入射側マイクロレンズアレイ２を形成して装着する。マイクロレンズアレイ２の厚さは７６０μｍで、導波路端面と光電変換素子アレイ５のセンサ面との間の距離を１ｍｍとする。各マイクロレンズに対応する６本の導波路のコア５１ａ〜５１ｆの出射側角度を基板１６の垂直方向に対して、各々−１．７度、−１．０度、−０．４度、０．４度、１．０度、１．７度とする。
【００５５】
このような入射側と出射側とにマイクロレンズアレイを備えた対称構造によって、導波路出射端の倒立像が光電変換素子アレイ５のセンサ面に結像され、原稿面に対して連続した等倍正立像が形成される。なお入射側と出射側とを全くの対照構造としなくても、マイクロレンズのレンズ曲率半径、レンズ径およびピッチ間隔と、該マイクロレンズに対応する導波路のコアをテーパ状にする角度とを調整して設定すれば、等倍正立像を形成することができる。
【００５６】
前記導波路アレイを、本発明の実施の一形態である分解能２００ｄｐｉのイメージセンサに備え、原稿がガラス面から浮いた場合、マイクロレンズによって結像される導波路入射端の像は、小さくなり、かつボケる。言い換えれば、１つのマイクロレンズに対応する原稿面上の領域が広くなる。このため隣合うマイクロレンズで取込む原稿面上の領域に重なりが生じ、読取り分解能が低下する。しかし導波路アレイを用いたイメージセンサについては、マイクロレンズアレイのみで構成したイメージセンサのように、マイクロレンズに対応しない隣の光電変換素子上に光がかかることはないので、原稿浮きによる解像度の低下は少ない。
【００５７】
また光電変換素子アレイ５の１つの光電変換素子が複数の導波路のコアからの出射光を受ける構造としているので、光電変換素子と導波路との位置ずれがあっても解像度を維持することができる。
【００５８】
図１１は、本発明の実施の他の形態である分解能２００ｄｐｉのイメージセンサの概略構成を示す正面断面図である。図１１は、導波路アレイを変更した点を除いて、図１に示すイメージセンサと全く同じである。図１と同じ構成部分には同じ符号を記した。導波路アレイ８０を構成する各導波路は、３本のコア８１ａ〜８１ｃを有し、各コアはストレート形状である。前述のように、入射側マイクロレンズアレイ２および出射側マイクロレンズアレイ３のレンズ径があまり大きくない場合には、コアがストレート形状であっても、前記発明の実施の一形態と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
図１２は、本発明の実施の他の形態である分解能２００ｄｐｉのイメージセンサの概略構成を示す断面図である。図１３は、図１２における切断面線ＸＩＩＩから見た断面図である。支持体１８に取付けられて原稿１を照射する光源１７と、原稿１に接する透光性の支持板、たとえばガラス板９と、原稿１からの反射光を結像する入射側マイクロレンズアレイ２と、結像された光を伝播する導波路アレイ４と、導波路アレイ４からの出射光を電気信号に変換する光電変換素子アレイ５と、光電変換素子アレイ５を実装する実装基板１６とを含む。
【００６０】
ガラス板９の厚さは、０．９ｍｍである。入射側マイクロレンズアレイ２は、射出成型によって作製し、レンズ曲率半径１８０μｍ、レンズ径２５０μｍ、ピッチ２５０μｍで１列に配列されたレンズアレイ２を形成する。マイクロレンズの頂点は、ガラス板９から０．１ｍｍ離れている。マイクロレンズアレイ２の厚さは７６０μｍでガラス板９と反対の面には導波路アレイ４が装着されている。各マイクロレンズに対して各々６本の導波路入射端が、対応するマイクロレンズの光軸を中心として左右に３本づつ、１４μｍのピッチで配置されている。このようなマイクロレンズアレイ２によって、導波路入射端面に縮小倒立像が形成され、導波路アレイ４に入射される。
【００６１】
導波路アレイ４は、第１実施形態と同様、クラッド５０の屈折率１．４９２、コア５１の屈折率１．５０８、導波路の長さ１ｍｍ、各導波路のコア５１は幅８μｍおよび深さ８μｍである。ただし、クラッド５０の吸収係数は２２０ｃｍ-1であり、導波路の実質的な入射開口角は８度となる。導波路の開口角はマイクロレンズの開口角より小さく、さらに各導波路を入射端面に対してテーパ状に形成し、開口角の中心方向がマイクロレンズの中心を通るようにする。これによって、ゴースト像の発生を防止するとともに、マイクロレンズと導波路との位置合わせ精度を緩和する。
【００６２】
具体的には、各マイクロレンズに対応する６本の導波路のコア５１ａ〜５１ｆの入射側傾きは基板１６の垂直方向に対して、各々−１．７度、−１．０度、−０．４度、０．４度、１．０度および１．７度である。
【００６３】
図１４は、図１２における導波路アレイ４の出射側部分の概略構造を示す断面図である。導波路の出射側における導波路角度を傾けることによって、導波路のコア５１ｆおよび５１ａをそれぞれ伝播し出射端面３８から放射された光８９および８８は空間で交差し、光電変換素子５ｂおよび５ａ上にそれぞれ倒立結像され、原稿１の読取り領域Ｆ１に対して、結像領域Ｇに正立像が形成される。出射側のマイクロレンズを省略することにより、小型化と低コスト化が可能となる。
【００６４】
導波路アレイ４は、出射側において、導波路のコアの出射角度を傾けて形成し、出射光８８および８９を空間で交差させる。本実施形態では、導波路端面３８と光電変換素子アレイ５のセンサ面との間の距離を５００μｍ、６本の導波路のコア５１ａ〜５１ｆの出射側角度を基板１６の垂直方向に対して、各々−１０．１度、−６．２度、−２．１度、２．１度、６．２度および１０．１度とした。たとえばコア５１ｆからの出射光８９と、コア５１ａからの出射光８８とが空間で交差して、光電変換素子アレイ５上でコア５１ａから５１ｆへの並びに対して逆順に照射する。これによって、導波路アレイ４の出射光８８および８９がマイクロレンズなしで、光電変換素子アレイ５のセンサ面上で、導波路入射端面に形成された像の拡大倒立像が形成される。したがってセンサ面の像は、原稿に対して等倍正立像になる。
【００６５】
前記導波路においては、導波路のクラッドに光吸収があるので、高次モードの減衰が大きく低次モードのみ出射されることによって光広がりが非常に小さくなる。したがって導波路のコアから出射された光の広がりが大きいことによって像がぼけるということがなく、所望の分解能が得られる。
【００６６】
前記導波路アレイを、本発明の実施の他の形態である分解能２００ｄｐｉのイメージセンサに備え、原稿がガラス面から浮いた場合も、第１実施形態と同様である。すなわち前記導波路アレイを用いたイメージセンサにおいては、マイクロレンズアレイのみで構成したイメージセンサのように、マイクロレンズに対応しない隣の光電変換素子上に光がかかることはないので、原稿浮きによる解像度の低下は少ない。
【００６７】
さらに第１実施形態と同様、光電変換素子アレイ５の１つの光電変換素子が導波路の複数のコアからの出射光を受ける構造としているので、光電変換素子と導波路との位置ずれがあっても解像度を維持することができる。
【００６８】
図１５は、本発明の実施のまた他の形態である分解能２００ｄｐｉのイメージセンサの概略構成を示す断面図である。図１６は、図１５における切断面線ＸＶＩからみた断面図である。支持体１８に取付けられて原稿１を照射する光源１７と、原稿１に接する透光性支持板、たとえばガラス板９と、原稿１からの反射光を入力する導波路アレイ９９と、導波路アレイ９９からの出射光を受光して電気信号に変換する光電変換素子アレイ５と、光電変換素子アレイ５を実装する基板１６とを含む。
【００６９】
図１７は、図１５における導波路アレイ９９への反射光の入射および出射を示す概略断面図である。クラッド９０の吸収をより大きくし、導波路の実質的な入射開口角を狭めることにより、出射側マイクロレンズアレイだけでなく、入射側マイクロレンズアレイも省略することができる。さらなる小型化と低コスト化が可能となる。
【００７０】
前記導波路アレイ９９は、クラッド９０の屈折率１．４９２、クラッド９０の吸収係数２２００ｃｍ-1、コア９１の屈折率１．５０８、導波路の長さ１ｍｍで、幅８μｍおよび深さ８μｍの直線導波路のコア９１が１４μｍピッチで並ぶ導波路パターンの構造を有する。導波路アレイ９９において、クラッド９０の持つ吸収のため高次モードの導波成分は吸収されて減衰するので、導波路の実質的な入射開口角θ９１は狭まり、約２度となり、導波路の出力側の出射角θ９２は約１度である。ちなみにクラッド９０およびコア９１が透明な場合に入射角度を２度以下にするには、屈折率差を１０-3以下にする必要があり、製造が困難である。
【００７１】
前記導波路アレイが、分解能２００ｄｐｉのイメージセンサに備えられ、導波路入力端と原稿１との距離Ｄが約１ｍｍである場合、１つの導波路に入力する原稿領域は約７０μｍ径である。なおガラス板９の厚さは０．９ｍｍである。導波路出力端と光電変換素子アレイ５との距離Ｌは５００μｍであり、１つの導波路からの出射光９２の光電変換素子上での広がりは約２０μｍ径である。原稿がガラス面から１ｍｍ浮いても１つの導波路に入力する原稿領域は１４０μｍ径であり、２００ｄｐｉの分解能を有するので、本の折目近くに書かれた文字も読取ることができる。
【００７２】
また光電変換素子アレイ５の１つの光電変換素子が導波路の複数のコア９１の出射光を受ける構造としているので、光電変換素子と導波路との位置ずれがあっても解像度を維持することができる。
【００７３】
（導波路の製造方法）
図１８は、図１における導波路アレイ４の作製工程を示す工程図である。成型基板５０には、カーボンなどの光吸収材料を含むアクリル樹脂成型基板を用いる。（ａ）のように、成型基板５０の表面には、導波路コア形成のための直線溝が１４μｍピッチで平行に複数形成され、成型基板５０が導波路の下部および側面のクラッドとなる。（ｂ）のように、成型基板５０にコア形成のための透明紫外線重合材料５３を塗布によって溝に充填する。透明紫外線重合材料５３としては、アクリレート系モノマー材料などを用いることができる。溝以外にはみ出した紫外線重合材料５３は、（ｃ）のように掻取り器５６を用いてスキージにて除去する。（ｄ）のように、スキージ後の成型基板５０に紫外線を照射してコア５１を硬化させる。上部クラッドは、コア５１を硬化させた後の成型基板５０上に、（ｅ）のように光吸収材料を含んだ熱重合材料５４を薄く塗布し、さらに図１１（ａ）〜（ｄ）と同様にしてコア形成した導波路基板を張合わせて加熱することによって熱重合材料５４を硬化させて形成する。熱重合材料５４としては、カーボン微粒子、色素などの光吸収材料を含んだアクリレート系モノマー材料などを用いることができる。これによりコアが図２において示す副走査方向Ｅに２列形成される。
【００７４】
クラッド部１２となるクラッド材料塗布膜の厚みと、該クラッド材料塗布膜に含ませる光吸収材料の濃度は、塗布面に垂直に入射した紫外線が硬化に充分な強度で透過できるように調整する。
【００７５】
図１９は、本発明のイメージセンサに用いる導波路アレイの他の例の断面構造を示す断面図である。図１８（ａ）〜（ｄ）と同様にしてコア５１を硬化させた後の成型基板５０上に、上部クラッドとなる光吸収材料を含む熱重合材料である熱硬化樹脂５５を塗布し、さらに不透明樹脂板である黒色上板５８を張合わせ硬化接着させる構造も可能である。黒色上板５８としては、アクリルにカーボンを混合した成型基板などを用いることができる。熱硬化樹脂５５および黒色上板５８もクラッドを構成するクラッド部である。
【００７６】
図２０は、本発明のイメージセンサに用いる導波路アレイのさらに他の例の断面構造を示す断面図である。２Ｐ法とスキージ法とを組合わせて積層した導波路アレイ構造である。図２１は、図２０に示す導波路アレイの作製工程を示す工程図である。（ａ）のように導波路溝の型形状を表面に形成したガラス板１５３上に、可視光吸収材料を含んだ紫外線硬化樹脂１５４を塗布し、（ｂ）のように上からクラッド部となる２Ｐ製造用黒色基板１５０を被せて加圧し、紫外線照射して重合させクラッド１５２を形成する。ついで（ｃ）のようにガラス板５８を離型し、（ｄ）のようにクラッド５０の溝に透明紫外線硬化樹脂１５６を塗布し、（ｅ）のように掻取り器５６を用いてスキージにて余分な透明紫外線硬化樹脂１５６を掃出し、（ｆ）のように透明紫外線硬化樹脂１５６に紫外線を照射して硬化させコア１５１にする。（ａ）〜（ｆ）の工程によって第１層の導波路アレイが形成される。さらに（ａ）の工程と同様にしてガラス板１５３上に塗布された紫外線硬化樹脂１５６の上から、第１層の導波路アレイが形成された基板を被せて加圧し、紫外線照射して重合させて２層目のクラッド１５２を形成する。以降（ｇ）および（ｃ）〜（ｆ）の工程を繰返して導波路アレイの３次元積層構造を作製する。
【００７７】
以上のようにして、ファイバを黒色樹脂に埋込むような従来の方法に比べて、高密度に導波路アレイ、特に３次元積層構造の導波路アレイを形成することができる。３次元積層構造の導波路において、クロストークなしに原稿像を光電変換素子アレイへ投影することができ、分解能を上げて読取り深度を深くすることができる。
【００７８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、導波路アレイをイメージセンサの読取り光学系として用いることによって、導波路へ結像する光の入射角度が制限されることを利用してクロストークなしに原稿像を光電変換素子アレイへ投影することができる。クラッドに吸収を持たせたので、導波路へ結合しない光はクラッドで吸収される。ファイバを黒色樹脂に埋込むような従来の構造に比べてクラッド自体に吸収がある場合は、高次モードの光ほど減衰が大きくなるので、実質的な開口角が狭まり、分解能を上げ、読取り深度を深くすることができる。
【００７９】
本発明によれば、導波路アレイをイメージセンサの読取り光学系として用い、マイクロレンズを入射側のみ採用することによって、導波路へ結像する光の入射角度が制限されることを利用してクロストークなしに原稿像を光電変換素子アレイへ投影することができるだけでなく、構造の小型化を図れる。クラッドに吸収を持たせたので、導波路へ結合しない光はクラッドで吸収される。ファイバを黒色樹脂に埋込むような従来の構造に比べてクラッド自体に吸収がある場合は、高次モードの光ほど減衰が大きくなるので、実質的な開口角が狭まり、分解能を上げ、読取り深度を深くすることができる。
【００８２】
また本発明によれば、ゴースト像の発生を防ぐことができる。
また本発明によれば、１つの導波路へは１つの入射側レンズからの光のみが入射するので、導波路からの出射光が対応する受光素子である光電変換素子面上に照射されれば、導波路の開口角を狭めることなくゴースト像の発生を防ぐことができる。
【００８３】
また本発明によれば、１つの導波路へは１つの入射側レンズからの光のみが入射し、１つの導波路からの光は１つの出射側レンズにのみに照射するので、原稿像とセンサ位置が１対１に対応する。これによって、ゴースト像の発生を防ぐことができる。また１つの導波路セット内の導波を平行に設ける場合には、各導波路における開口角の広がりは、端部の導波路ほどマイクロレンズの辺縁部を通る。各導波路を平行に配置したまま、端部の導波路における開口角の広がりをレンズ表面領域内に納めるためにはレンズの開口角が制限されて暗くなり、レンズと導波路との位置精度を高める必要が生じる。各導波路における開口角の中心がレンズの中心を通るように、各導波路を傾けると、１つのマイクロレンズに対応する導波路のマイクロレンズ位置での集光領域が一致するので、導波路の開口角を大きく取れ、位置合わせ精度を緩和することができる。
【００８４】
また本発明によれば、導波路アレイと光電変換素子アレイとの位置合わせ精度を緩和することができる。
【００８５】
また本発明によれば、３次元積層構造の導波路において、クロストークなしに原稿像を光電変換素子アレイへ投影することができ、分解能を上げて読取り深度を深くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態である分解能２００ｄｐｉのイメージセンサの概略構成を示す断面図である。
【図２】図１における切断面線ＩＩから見た断面図である。
【図３】図１における導波路アレイ４の入射側を拡大して示す断面図である。
【図４】図１における導波路アレイ４の断面構造を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）は、図１に示すイメージセンサの一部の概略構造を示す断面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）における導波路アレイ４の形状を変えた構造を示す断面図である。
【図６】図６（ａ）は、導波路のコアの数が光電変換素子である受光セルの数の３倍である場合の位置ずれによる解像度への影響を示す説明図である。図６（ｂ）は、導波路のコアの数が光電変換素子である受光セルの数と等しい場合の位置ずれによる解像度への影響を示す説明図である。
【図７】図３に示す導波路アレイ４の一部を拡大して示す拡大図である。
【図８】強度に対する導波路の出射角度を説明するためのグラフである。
【図９】導波路における透過率の入射角度依存性を説明するためのグラフである。
【図１０】本発明の導波路アレイを備えた場合における原稿浮きによる画像への影響を示すイメージセンサの断面図である。
【図１１】本発明の実施の他の形態である分解能２００ｄｐｉのイメージセンサの概略構成を示す断面図である。
【図１２】本発明の実施の他の形態である分解能２００ｄｐｉのイメージセンサの概略構成を示す断面図である。
【図１３】図１２における切断面線ＸＩＩＩから見た断面図である。
【図１４】図１２における導波路アレイ４の出射側部分の概略構造を示す断面図である。
【図１５】本発明の実施のまた他の形態である分解能２００ｄｐｉのイメージセンサの概略構成を示す断面図である。
【図１６】図１５における切断面線ＸＶＩからみた断面図である。
【図１７】図１５における導波路アレイ９９への反射光の入射および出射のようすを示す断面図である。
【図１８】図１における導波路アレイ４の作製工程を示す工程図である。
【図１９】本発明のイメージセンサに用いる導波路アレイの他の例の断面の構造を示す断面図である。
【図２０】本発明のイメージセンサに用いる導波路アレイのさらに他の例の断面の構造を示す断面図である。
【図２１】図２０に示す導波路アレイの作製工程を示す工程図である。
【図２２】従来のマイクロレンズアレイ光学系の構造を示す断面図である。
【図２３】従来のアパーチャ６を備えたマイクロレンズアレイ光学系の構造を示す断面図である。
【図２４】従来のアパーチャを備えたその他のマイクロレンズアレイ光学系の構造を示す断面図である。
【図２５】従来のアパーチャ６を用いた場合における原稿浮きによる画像への影響を示すイメージセンサの断面図である。
【符号の説明】
１ 原稿
２ 入射側マイクロレンズアレイ
３ 出射側マイクロレンズアレイ
４ 導波路アレイ
５ 光電変換素子アレイ
９ ガラス板
１６ 実装基板
１７ 光源
Claims (7)
- 被写体である原稿を光照射するライン状光源と、
主走査方向に配置され、光照射による原稿からの反射光を結像する複数の入射側マイクロレンズを備える第１のマイクロレンズアレイと、
各入射側マイクロレンズごとにそれぞれ対応して主走査方向に配置される複数の導波路セットで構成され、各導波路セットには入射側マイクロレンズによる結像光を入射し伝播させて出射する複数の導波路が主走査方向に間隔をあけて配置され、複数の導波路のコアが光を吸収する材料を含むクラッドに保持されてなる複数の導波路セットによって構成される導波路アレイと、
各導波路セットごとにそれぞれ備えられ、前記コアからの出射光を結像する複数の出射側マイクロレンズを備える第２のマイクロレンズアレイと、
各出射側マイクロレンズごとにそれぞれ備えられ、出射側マイクロレンズによる結像光を電気信号に変換する複数の受光素子を備える受光素子アレイとを含むことを特徴とするイメージセンサ。 - 被写体である原稿を光照射するライン状光源と、
主走査方向に配置され、光照射による原稿からの反射光を結像する複数の入射側マイクロレンズを備える入射側マイクロレンズアレイと、
各入射側マイクロレンズごとにそれぞれ対応して主走査方向に配置される複数の導波路セットで構成され、各導波路セットには入射側マイクロレンズによる結像光を入射し伝播させて出射する複数の導波路が主走査方向に間隔をあけて配置され、複数の導波路のコアが光を吸収する材料を含むクラッドに保持されてなる複数の導波路セットによって構成される導波路アレイであって、各導波路セット内の各導波路から出射される光は、それぞれ異なる出射角度で出射され、クロスして受光素子上に、各導波路の並びと逆順に照射されるように、傾けられている導波路アレイと、
各導波路セットごとにそれぞれ備えられ、導波路セットからの出射光を電気信号に変換する複数の受光素子を備える受光素子アレイとを含むことを特徴とするイメージセンサ。 - 前記導波路アレイにおける各導波路セット内の各導波路の入射開口角の広がりが、対応する入射側マイクロレンズ表面領域内に収まるように形成されていることを特徴とする請求項１または２記載のイメージセンサ。
- 前記導波路アレイにおける各導波路セット内の各導波路の入射開口角の広がりが、対応する入射側マイクロレンズ表面領域内に収まるように、導波路が、入射側において傾斜されてテーパ状に広げられることを特徴とする請求項２記載のイメージセンサ。
- 前記導波路アレイにおける各導波路セット内の各導波路の入射開放角の広がりが、対応する入射側マイクロレンズ表面領域内に収まるように、導波路が、入射側において傾斜されてテーパ状に広げられ、かつ、前記導波路の出射光が、対応する出射側マイクロレンズ表面領域内に収まるように、導波路が、出射側において傾斜されて逆テーパ状に狭められることを特徴とする請求項１記載のイメージセンサ。
- 前記受光素子アレイにおける各受光素子が、各導波路セット内の複数の導波路から光を受ける１つの受光素子であることを特徴とする請求項１または２記載のイメージセンサ。
- 前記導波路アレイが副走査方向に複数列備えられていることを特徴とする請求項１または２記載のイメージセンサ。
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