JPH07117455B2

JPH07117455B2 - スペクトル分解・検出装置

Info

Publication number: JPH07117455B2
Application number: JP3060447A
Authority: JP
Inventors: ゼット・エロル・スミス・ザ・サード; ロバート・フランシス・トウ; ロバート・アンソニー・ストリート
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1991-03-25
Publication date: 1995-12-18
Anticipated expiration: 2010-12-18
Also published as: CA2036114A1; CA2036114C; EP0449638B1; EP0449638A1; JPH04223235A; US5037201A; DE69113664D1; DE69113664T2

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】本発明は、一般的には検知・検出装置
に、さらに特定すれば、典型的にはスキャナ、カメラ、
検出器の類いに使用される、光をその構成色成分に分解
してこれらの色の任意の組を検出するような、小型で、
それ自体で完結する機能を有する電磁的スペクトル分解
用固体素子装置に関するものである。

【０００２】電磁的信号、例えば光をその構成波長、例
えばいろいろな色にスペクトル的に分解することは良く
知られている。そのための代表的な機器としては、プリ
ズム、回折格子、薄膜などがあり、そのような信号を構
成要素にスペクトル的に分解する機能を利用した用途が
多数ある。最も一般的な用途には、電子的な画像処理、
フィルタ掛け、対象物認識がある。ここで最も関連が深
いのは、主に電磁的スペクトルの可視光領域で作用する
もの並びに主に可視光領域外で作用するものいずれも含
めて、電子的画像処理の用途である。（本発明において
は、「スペクトル」とは電磁的スペクトルの可視及び不
可視領域の両方を意味するものとする。）主に可視光領
域で作用する電子的画像処理の用途には、例えば、ビデ
オカメラ、ファクシミリ装置、電子コピー機、などがあ
る。主に可視光領域外で作用する電子的画像処理の用途
には、例えば、赤外線（ＩＲ）又は紫外線（ＵＶ）検出
器、スペクトル・アナライザ、などがある。これらの電
子的画像処理の目的は、一般には、電磁的な信号（以
下、「ソース画像」という）を、機械処理可能なデータ
表現に変換することにある

【０００３】カラー・ソース画像の機械処理可能なデー
タ表現を作り出す装置は、少なくとも、ソース画像スペ
クトルのフィルタ掛けすなわち分解、及びフィルタ掛け
すなわち分解したソース画像の任意の部分の検出とい
う、二つの機能を果たす手段を含む。これまで、これら
の機能は別々の手段によって実現されていた。例えば、
プラマーらの米国特許明細書第４，７８６，９６４号に
は、別々のフィルタ掛け手段と検出手段を有する電子的
画像処理装置の記述がある。カラー・ストライプ入り又
はモザイク式光学フィルタが、ソース画像の特定のスペ
クトル成分以外はフィルタ掛けしてしまう。標準的に
は、原色を判別するため三つの異なる色のフィルタを使
用する。加色法では普通、赤、緑、青を使う。減色法で
は黄、マゼンタ、シアンをよく使う。特に規定はしない
が、これらのフィルタは、典型的には、この分野で既知
のゼラチンフィルタ（染料をポリイミド被覆したもの、
など）である。これらのフィルタは、複数の荷電結合素
子（ＣＣＤ）の上に置かれ、これらのＣＣＤが各フィル
タを透過した光の強度を検出する。

【０００４】プラマーらの装置の一般的な構成と機能
は、電子的カラー画像処理における最先端技術の代表的
なものである。プラマーらの機器はたまたまカメラであ
るが、フタキらの米国特許明細書第４，７３４，７６０
号及びヒラヌマらの米国特許明細書第４，５８０，８８
９号など、他の資料には、この一般的な機能の他の応用
例が記述されている。しかし、普通は、ソース画像のス
ペクトル成分を分離するのに、フィルタ掛けの手段（分
解の手段ではなく）を用いる。以下に説明するように、
この二つの方式の違いは、フィルタ掛け手段では、検出
すべき成分の数とともに得られる画像強度が低下するの
に対し、分解手段では、検出すべき成分の数に関係なく
最大の画像強度が得られるような使い方が可能なことで
ある。

【０００５】上記の変法の一つは、異なる色の多重光源
を用いた、カラー文書のような対象物の照明に係わるも
のである。光は、ソースと類似の色合いの領域で対象物
に吸収され、その他の領域では反射されてソース画像を
描き出す。それから、上記のＣＣＤやフォトダイオード
の類いのセンサを用いて、各光源の色の反射程度を検出
して、加色法又は減色法で対象物の色組成を近似的に求
める。

【０００６】上記の一般的な構成と機能の別の変法が、
ビンセントの米国特許明細書第４，７０９，１１４号に
記述されている。特定の色を反射し、その他の色はすべ
て透過する二色性の板を積層した上に、カラー・ソース
画像を投射する。積層板の一枚で反射されたソース画像
の特定の色成分を個別に検出できるようにセンサを配置
する。個々の色の受光を区別するためには、センサを正
しく配列することが極めて重要となる。

【０００７】上記の一般的な実施方法のさらに異なる変
法が、ヨコタらの米国特許明細書第４，８２２，９９８
号に記述されている。ヨコタらによって記述されたフィ
ルタ掛け手段は、不連続のフィルタ要素を形成するよう
段階的に厚さを増す面を有し、全体として干渉フィルタ
を構成するシリコン・ダイオキサイド片から成る。フィ
ルタ要素の厚さが厚いほど、透過波長が長い。ヨコタら
によって記述された検出手段は、基材表面上に取付け又
は形成されたフォトダイオードアレイである。これらの
フォトダイオードは異なる感度を有し、フィルタ要素と
連携して働き、特定の色成分を検出する。干渉フィルタ
は、各要素を透過した光がフォトダイオード上に投射さ
れるように、フォトダイオードアレイの上に接触してあ
るいは間隔をあけて取付けてある。

【０００８】従来の技術による機器はいずれも、欠点や
不利な点を有しており、本発明はこれらの諸点に対処す
るものである。上記の諸装置すべてに共通する問題は、
どの波長の光も大部分は、その波長を検出しようとして
いるセンサに届かない；すなわち、どの波長の光の強度
も大部分失われてしまうことである。ゼラチン膜のよう
な透過フィルタは、ある色を透過し、他の色をすべて吸
収することによって光をフィルタする。ゼラチン膜の透
過率は、透過するように設計された色の領域で、最大で
も５０％程度である。さらに、カラー・ソース画像を多
数の、例えばＮコの不連続な成分（Ｎは、一般に、ソー
スを分割する受け口の数を表す）にフィルタで分けると
すると、少なくともＮコのフィルタが必要になる。そし
て、それぞれのフィルタ（すなわち、それぞれの受け
口）にソース画像の一部が入らなければならない。均等
に分配されるとすると、それぞれのフィルタに入るソー
ス画像の強度は、最高でも、１／Ｎにしかならない。フ
ィルタを通れば、検出手段に達するのは、良くてこの量
の５０％である。二色性フィルタと干渉フィルタは、ゼ
ラチンフィルタよりずっと高い透過率を有するが、これ
らも、検出すべき成分の数をＮとすれば、ソース画像を
Ｎコに（Ｎコの受け口に）分けねばならず、得られる画
像強度を１／Ｎに弱めてしまう。

【０００９】本発明の一つの面は、ソース画像強度のう
ち従来の技術によるよりずっと大きな割合を利用するこ
とによって、機器の性能向上を実現することにある。例
えば、カラースキャナでは、スキャン速度は、センサ・
デバイスが光電的に生成された電子孔ペアを十分蓄積す
る速度（換言すれば、センサ表面に当たるフォトンが十
分な数に達するまでの時間）によって制限される。この
速度を速める方法の一つは、一定時間内にセンサ・デバ
イスに当たるフォトンの数を増やすことである。従っ
て、ランプ照度が一定なら、光に対してフィルタ掛けを
全くあるいはほとんどしない分解手段を備えたスキャナ
は、分解手段によってソース画像強度の一部がフィルタ
掛けされてしまうスキャナより、速い速度でスキャンで
きる。同様に、スキャン速度が一定なら、ソース画像強
度の利用度が上がれば、ランプ照度を下げることができ
る；ランプの電力が小さくなれば、電源は小さくてよく
なり、コストが下がる。このような性能向上は、スキャ
ンニング機器だけでなく、電子カメラ、センサ類、その
他多くの電子的画像処理用途にも当てはまる。

【００１０】従来の技術により対処されなかったもう一
つの問題は、現在、スペクトル全幅分解・検出装置への
要求が満たされていないことである。すなわち、スペク
トルを比較的多数の検出可能な成分に分割できることが
望まれている。このようにスペクトルを分割できる能力
があれば、スペクトルデータの国際照明委員会（ＣＩ
Ｅ）標準三刺激値への変換、知覚限界以下のコード化デ
ータの検出と利用、カラー原稿のスキャンニングにおけ
るカラー光源の影響の補償（これにより、光源選択の自
由度が増す）、環境中の光のスペクトル分布の測定な
ど、種々の目的の成分データの数学的又は物理的取扱い
を含む多方面でのスペクトル情報の有効利用が容易にな
る。多色性ソース画像を任意の数の基本成分にスペクト
ル的に分解できる実用的な機器は、これまでなかった。
ゼラチン及び二色性フィルタを組立てたものは、フィル
タの大きさ、フィルタとセンサの配置関係、その他の制
約のため、フィルタの数がごく少ない場合しか実用にな
らない。これらのフィルタでは、幅広いカラースペクト
ルを作るには、加色法又は減色法による。多色光源装置
についても同じことである。階段状の析出膜干渉フィル
タを用いる技法によれば、多数の成分に分離できるが、
このデバイスの分解能は、干渉フィルタの面すなわち段
を形成するのに用いる方法（面の数に限度がある）、干
渉フィルタでの回折効果、干渉フィルタと検出要素との
配置関係などによって制約される。

【００１１】上記の従来技術はフィルタ掛けに係わるも
のであることに留意されたい。フィルタ掛けは、本発明
の目的においては、スペクトルの一部を選択的に除去
し、そのスペクトルの残りの選択部分を獲得することと
定義する。ソース画像をフィルタ掛けするのでなく連続
スペクトルに展開することにより、そのスペクトルの多
数の成分（すなわち、波長）を検出できる。従って、本
発明の目的においては、分解とは、ソース画像を、その
成分（すなわち、波長）が互いに空間的に分離されて一
つの連続スペクトルとして表示されるように分解するこ
とと定義する。そこで、本発明のもう一つの面は、ソー
ス画像を分解でき、事実上任意の数のソース画像要素成
分を検出できる装置を提供することにある。

【００１２】先に論じた配置関係の問題については、さ
らに説明の必要がある。上記の従来技術の機器の中に
は、フィルタ掛け要素と検出要素とを別々に形成し、組
合わせるものがある。ゼラチンフィルタは、普通、１イ
ンチ以下の程度の大きさのものである。このフィルタは
非常に多くの数の検出器の上に置かれるので、このフィ
ルタを適切な検出器のうえに正しく置くことは、重要で
はあるが致命的なものではない。二色性フィルタもゼラ
チンフィルタと同程度の大きさで、二色性フィルタを組
込んだ装置に要求される配置関係精度はいろいろである
が、ビンセントの米国特許明細書第４，７０９，１４４
号に記述されているような最も普通の使用法では、検出
手段がフィルタからの反射光を間違いなく受けるように
するのに、配置関係は大まかでよいとしている。しか
し、ヨコタらの米国特許明細書第４，８２２，９９８号
のような干渉フィルタを用いる装置では、検出器に対す
るフィルタの配置関係の要求はもっと厳しい。この種の
デバイスの大きさは小さく、５〜１０ｍｍ四方程度であ
る。干渉フィルタの各面すなわち段が、少なくとも一つ
のあらかじめ選択した検出器の上に来なければならな
い。そこで、本発明のもう一つの面は、フィルタ掛け又
は分解要素と検出要素の配置関係を整える必要性を軽減
し、あるいはこれらが自律的に正しい配置関係を取るよ
うに一方又は双方を形成することにある。

【００１３】

【発明の要約】本発明は、従来技術の多数の問題点と欠
点を克服し、画像のスペクトルの内容を分解して検出す
る新規の装置を提供するものである。この装置は、スキ
ャンニング機器、特にカラー・スキャンニング機器、電
子カメラ、検出器その他の電子的画像処理への応用にと
りわけ適している。

【００１４】本発明には、前述した諸側面に加えて、そ
の他に、その上に検出器アレイを形成するガラス又はそ
の他の透明な基材がスペクトル分解・検出装置の光学的
部材として使用できることを見出したという面もある。
特に、この基材は、そこに入射する画像をその成分要素
に分解するスペクトル分解手段として働くことができ
る。このような基材上に検出器アレイを形成することに
より、統合的な分解・検出装置が得られる。これは、小
型の分解・検出装置が製作できること、自律的に正しい
配置関係を取る分解・検出手段を有する機器を製作でき
ること、検出する波長成分の数に効率が影響されない機
器を製作できること、その他の幾つかの利点につなが
る。

【００１５】本発明のもう一つの面は、検出手段と関連
回路を形成するのに非晶質シリコンを用いることによっ
て、１ページ幅（８インチ以上）の分解・検出装置の製
作及び種々の透明基材の使用を実現したことにある。こ
れを一般に不透明のシリコン基材上に成長させる結晶シ
リコンと比べれば、結晶シリコンは検出手段を形成する
材料としては劣る。

【００１６】本発明の実施例の一つによれば、透明な基
材は斜めに切り落とした側面を一つ有し、その側面から
基材に入射した光が基材内で屈折するようになってい
る。この屈折によって、入射光は個々の波長成分に分離
され、これらは基材の隣接する側面に空間的に間隔を取
って当たる。固体素子光電検出器が上記の隣接する側面
に形成してあり、これらは、この側面に当たる任意の波
長成分又は波長成分の組を検出できるように、相互に間
隔をあけてある。理論・選択回路を、検出手段を形成す
るのと同様の方法で、また一般には同時に、基材上に形
成し、検出手段に当たる波長成分又は波長成分の組の強
度レベルを測定するのに使用する。可視光領域の内、外
どちらで作用する実施例も実現できる。

【００１７】本発明の別の実施例によれば、透明な基材
は第一の表面に回折格子を有し、回折格子を通して基材
に入射する光は個々の波長成分に分離される。分離され
た波長成分は、第一の表面と反対側の第二の表面に、間
隔をあけた状態で当たる。第二の表面には、複数の検出
器の形の検出手段が、第二の表面に当たる任意の波長成
分又は波長成分の組を検出できるように、相互に間隔を
あけて形成してある。これに代えて、第二の表面に反射
性のコーティングをして、光が基材を通過した後、第二
の表面で検出される代わりに第二の表面で第一の表面に
向けて反射されるようにしてもよい。さらに別法とし
て、第一の表面でなく第二の表面上に反射性の回折格子
を取付け又は形成させ、第一の表面から基材に入射する
光が第二の表面上の回折格子で回折かつ反射されるよう
にしてもよい。どちらの場合も、検出手段が、この第一
の表面に当たる任意の波長成分又は波長成分の組を検出
できるように、第一の表面上に、複数の検出器の形で相
互に間隔をあけて形成してある。論理・選択回路も、上
記と同様に形成される。可視光領域の内、外どちらで作
用する実施例も実現できる。

【００１８】本発明の諸実施例は、その上にセンサを形
成する基材が完成した装置の光学部材として使われると
いう点では同一である。この基材は、分解したソース画
像が基材によってセンサに伝達されるように、それ自体
分解手段として機能することもあるし、基材に分解手段
を取付けたり、基材の中に分解手段を形成させたりする
こともある。

【００１９】本発明の範囲は、さらなる実施例と従来技
術に係わる問題に対処する方法を含めて、付図を参照し
て以下に述べる詳細な説明及び請求範囲によって、より
容易に理解されるものとなろう。

【００２０】〔図面の簡単な説明〕図１は、本発明によ
る統合的スペクトル分解・検出装置の斜視図を示す。図
２は、本発明によるデバイスに用いることのできる検出
器回路の図解を示す。図３は、本発明の一つの特性に従
い、スペクトル分解を屈折により行う方式のデバイスの
断面を示す。図４は、本発明のもう一つの特性に従い、
スペクトル分解を屈折により行う方式のデバイスの断面
を示す。図５は、本発明の一つの特性に従い、スペクト
ル分解を回折により行う方式のデバイスの断面を示す。
図６は、本発明のもう一つの特性に従い、スペクトル分
解を回折により行うデバイスの断面を示す。図７のａ
は、本発明のさらにもう一つの特性に従い、スペクトル
分解を回折により行うデバイスの断面を示す。図７のｂ
は、図７のａの実施例に用いるタイプの回折格子の断面
を示す。

【００２１】

【詳細な説明】ここで、上記に列挙した諸特性並びにそ
の他の特性を利用した、新規なスペクトル分解・検出装
置について説明する。以下の説明は、主として、特にカ
ラースキャンニング装置に適した実施例に関するものと
し、その他の実施例については適宜述べる。しかし、本
発明の考え方と範囲は、その他の多くの実施例と用途を
包含するものと認められる。従って、以下の説明は、内
容を明確にするために限定しているだけであって、本発
明の範囲を限定するものと考えてはならない。

【００２２】まず図１を参照すると、スペクトル分解・
検出装置１０を、本発明の第一の実施例によって示して
ある。装置１０は、基材１２を有し、これは、コーニン
グガラス会社製のコーニング７０５９、溶融シリカ材又
は類似のものなど、ガラス又は光学的に適当に透明で、
その上に小規模の集積回路を形成できる物質であること
が望ましい。基材１２は、波長の大きさレベルの内部欠
陥がない、十分な品質のものでなければならない。同様
に、波長の大きさレベルの外部欠陥があってはならな
い。また、基材は、透過画像が歪みを生じないように、
厚さが均一、平坦でなければならない。基材の色の補償
は後述するようにして可能であるが、基材１２は無色で
あることが望ましい。基材１２は、特別の形状と方向を
持つ二つの平面、すなわち平面的な第一の表面１４とこ
れに隣接する平面的な第二の表面１６を有するように形
成される。第二の表面１６は、第一の表面１４に対し
て、図３により明確に示すように二つの表面の間の角度
αが９０゜より小さくなるように斜めになっている。角
度α₁は、後に詳しく説明するように、第一の表面１４
上の検出器アレイ及びその他の選択回路の配置のし方に
従って選定する。

【００２３】基材１２の第一の表面１４上には、後に図
２を参照して詳しく説明するように、個々の検出器３０
から成る検出器アレイ１８が形成されている。検出器ア
レイ１８の形成は、この業界でよく知られている半導体
処理ステップによることができる。検出器アレイ１８
は、少なくともその一部が、シリコン、ゲルマニウム、
これらの合金、その他の物質などの半導体からなるもの
である。詳述すれば、補正光学系、センサ移動などを必
要とせずに全ページ幅をスキャンできるようにするに
は、８インチ程度以上の比較的大きな幅の機器を製作す
ることが望まれる。非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）で
は大きな面積のマイクロエレクトロニクス部品を形成で
きるので、ここに説明するスキャナの実施例及びその他
の例においては、ａ−Ｓｉ：Ｈを用いると便利である。

【００２４】基材１２の第一の表面１４上には、論理・
選択回路２０も形成される。論理・選択回路２０の形成
もこの業界でよく知られている半導体処理ステップによ
ることが望ましい。詳述すれば、論理・選択回路２０の
形成は、検出器アレイ１８の形成とともに、かつ、同様
の方法で行える。電気的接続部２２も、第一の表面１４
上に、検出器アレイ１８の形成とともに、かつ、同様の
方法で形成され、検出器アレイ１８と論理・選択回路２
０を接続する。ここで、多色画像の分解手段として機能
することができる基材の上に、スキャンニングに必要な
全電子部材が、同様の材料から同様の処理ステップによ
って形成できることに注目したい。従って、文書スキャ
ナの類いに用いられるタイプの、小型で、それ自体で完
結する機能を有するスキャンニングヘッドを、既知の製
造技術により簡単かつ容易に製作できる。

【００２５】この分解・検出装置の単純さを検出器アレ
イ１８と論理・選択回路２０においても実現するため
に、図２に示すような配置を採用することができる。検
出器アレイ１８は、標準的な薄膜析出技術により、個々
の検出器３０の密度がどちらの方向にも例えば、３００
〜４００コ／インチとなるように製作する。検出器３０
０コ／インチなら、個々の検出器は、例えば各辺が２．
５ミルで、相互の間隔を０．８ミルあけたものとなる。
用途によっては、個々の検出器の形を正方形でなくする
ことが望ましい。例えば、個々の検出器を長方形の平面
に形成することが望ましいこともある。あるいは、異な
る波長の異なる透過率に対応するためには、個々の検出
器を、幅は一定であるが長さは異なる（波長が長いほど
長い）形とすることが望ましいであろう。検出器３０
は、ｐ−ｉ−ｎすなわちショットキーバリア・フォトダ
イオードやギャップセル・フォトコンダクタなどのいろ
いろな形態のものの中の一つである。効果的な形態の一
つは、参照としてここに織り込んだトゥアンらの米国特
許明細書第４，６４６，１６３号に記述があるギャップ
セル・フォトコンダクタ構造である。

【００２６】第２図の回路において、各検出器３０には
電圧Ｖ+ がかかる。ここでの説明では、各検出器３０は
光導電性のものであるとだけ想定しておく。各検出器
は、トランジスタ３２のソースにも接続されている。各
トランジスタ３２のゲートは、アドレスライン３４に接
続されており、これは、さらに、アドレスライン・ドラ
イバ３６に接続されている。これは、図１の論理・選択
回路２０の一部であり、トランジスタ３２のターンオン
電圧以上のアドレス電位Ａを選択的にかけることができ
るものである。各アドレスライン３４には、縦列状に配
列された複数のトランジスタ３２が接続されており、各
縦列は、検出するべく選択したスペクトル成分又は成分
の組を表している。各トランジスタ３２のドレーンは、
横列状にデータライン３８に接続されており、これは、
さらに、データレシーバ・マトリックス４０に接続され
ている。これも図１の論理・選択回路２０の一部であ
る。検出器３０の各横列は、画像の一つの部分、すなわ
ちピクセルに相当する。アドレスライン・ドライバ３６
とデータレシーバ・マトリックス４０は、検出器３０ア
レイから意味のあるデータを引き出せるよう、同期され
ていなければならない。この同期は、アドレスライン・
ドライバ３６とデータレシーバ・マトリックス４０にそ
れぞれ、ラインＣＬＫを通じてクロック信号を入力する
ことにより達成される。

【００２７】作動中には、ソース画像の一つの部分のス
ペクトル成分の一つ又は複数に相当する選択した検出器
３０への照射を、適当なアドレスライン３４に電圧Ａを
かけることにより検出する。こうすることで、アドレス
ライン３４に接続された各トランジスタは、「オン」状
態になる（導電性となる）。検出器３０に光がほとんど
又はまったく入射しない場合（すなわち、検出器表面に
フォトンがほとんど又はまったく当たらない場合）に
は、その導電性はごく小さく、電流はここをほとんど通
過できない。検出器３０を通過し、トランジスタ３２を
通り抜けてデータレシーバ・マトリックス４０に到達す
る電流は、あるとしてもほんの僅かである。逆に、検出
器３０に光が入射すれば、その抵抗が下がり、電流がこ
こを通過することができる。十分照射されると検出器の
抵抗が大きく低下するので、前後の電圧降下は最小とな
り、トランジスタ３２の前後での電圧降下も最小とな
る。そうすると、最大電流が、検出器３０とトランジス
タ３２を通過して、データレシーバ・マトリックス４０
の入力端子に到達することができる。アドレスライン・
ドライバ３６とデータレシーバ・マトリックス４０の状
態を見れば、任意の検出器３０の照射状態（すなわち、
照射されているか、いないか）を判定することができ
る。実際には、検出器３０の抵抗性は、その照射程度に
よって変わるので、任意の検出器の照射の相対的レベル
（すなわち、およその入射光エネルギー）を判定するこ
とができる。フォトダイオード型の検出器３０を用いる
実施例では、吸収したフォトンが電子孔ペアを生成さ
せ、これがフォトダイオード内の内部電場により分離さ
れる；それから、前述の又は既知の方法により適当なト
ランジスタがターンオンされると、この蓄積された電荷
がドレーンアウトされ、測定される。

【００２８】スペクトル分解・検出装置１０の物理的作
用を、図３の断面図に示す。ここに添付する図面すべて
の間で、同様な要素を示すのには同じ参照番号を使用す
る。装置１０を、スキャンするべき対象物のそばに置
く。対象物は、例えば、画像を有する文書５０である。
照明源Ｌを、スキャンするべき文書５０の一部分を照射
する位置に置く。後に述べるように照射の不均一性に対
する補償を行うことはできるが、照明源Ｌは、均一な多
色性のものであること、すなわちスペクトルの全幅にわ
たって同一の照射量であることが望ましい。装置１０と
文書５０の間には、日本板硝子会社（日本）がセルフォ
ック・レンズの名称で製造しているタイプのファイバ・
アレイ・レンズのような焦点合せ手段５２を置く。セル
フォック・レンズは、８インチ以上といったページ幅で
使用できるので、焦点合せ手段として望ましい。本装置
にそのようなレンズを用いることにより、ページ全幅ス
キャナが容易に製造できる。装置１０と文書５０の間に
は、スリット又は開口部を有する板のような画像限定手
段５３も置く。画像限定手段５３は、ソース画像を物理
的に分割する働きをする。このような分割とは、個々の
ピクセルへの分割でも、あるいはピクセルの縦列又は横
列への分割で縦列又は横列を個々のピクセルに分割する
のは検出器のような他の手段に任せるものでもよい。

【００２９】第二の表面１６の画像を受ける領域と文書
５０の間の距離ｄ₁は、基材１２として選定した物質、
ソース画像の焦点面の中心を表す目標線Ｏの入射角度θ
₁、及び焦点合わせ手段５２の焦点距離によって決ま
る。距離ｄ₁は、数ｃｍ程度以上となろう。本発明の用
途としてあげる小型のスキャンニング機器を製作するに
は、鏡（図示せず）などの光を経路に導く既知の手段も
使用する。

【００３０】個々の検出器３０の位置と方向は、以下の
ように二つの支配原則により決る。一つは、第一の屈折
率ｎ₁を有する第一の媒体から第二の屈折率ｎ₂を有す
る第二の媒体へ光が通り抜けるときの光の屈折である。
この原則は、入射角θ₁と屈折角θ₂の関係を示す次の
スネルの法則で表される：ｎ₁ｓｉｎθ₁＝ｎ₂ｓｉｎθ₂ （１）図３の機器の形態からすると、入射角と屈折角の関係及
び光の経路の水平と垂直の距離ｘとｙの関係は、次のよ
うになる：ｘ／ｙ＝ｔａｎ（θ₁−θ₂）（２）

【００３１】二つ目の原則は、ガラスなど、ある種の媒
体の屈折率は、スペクトルの可視光領域の全幅にわたっ
て波長とともに滑らかに変わることである。プリズムの
作用原理は、その素材の屈折率が波長が短いほど高いと
いう事実にもとづいている。詳述すれば、ガラスでは、
青から赤に至る光の空間的分離度は、光が走った距離の
平均長さの０．００５倍程度である。（１）と（２）の
式を組合せると、入射角、水平と垂直の経路距離、基材
の屈折率の間の関係は次のようになる：ｙ＝ｘ／ｔａｎ〔θ₁−ｓｉｎ^-1（ｓｉｎθ₁／ｎ₂）〕（３）次に、この関係から、選択した波長が検出されるよう
に、検出器アレイ１８の要素の縦方向の位置ｙを計算で
きる。図３のデバイスについて、任意の数の波長を選択
してｙを計算した。これらの計算の結果を表１に示す。
二つの異なる基材、溶融シリカと前述のコーニング７０
５９製品とを例に挙げる。計算例では、ｘは１ｍｍ、θ
₁は１０゜とした。

【００３２】

【表１】

【００３３】表１では、計算例に用いた種々の波長に対
する隣り合うｙの値の差が、前述の方法で製作し得るデ
バイスの寸法より大きいことに注目すべきである。従っ
て、多色性ソース画像から少なくとも上記の波長を分解
し、検出することが可能であり、実際には、これより小
さい波長差でさえも分解し、検出することが可能であ
る。このことは、本発明によるスペクトル分解・検出装
置で検出できる分解能の現在の限界は、検出器アレイを
なす要素の中心から中心までの距離であることを意味す
る。大判（１４インチ）の基材にパターンを焼付けられ
る写真印刷装置で現在入手できるのものは、２μｍまで
の細い線を描け、一辺が１０μｍまでの小さなデバイス
を製作するのに広く使われている。表１から推定できる
ように、１０μｍのセンサを５μｍの間隔で設置する
と、スペクトルを２０ｎｍの受け口に分割することに相
当する。検出器の形成を支える技術が改良されるにつれ
て、中心から中心までの距離の縮小は、まず確実に実現
されよう。この方面の技術に詳しい人々には、このよう
な改良を本発明の成果に組込むことは本発明の明白な延
長上にあるもので、その考え方と範囲から逸脱するもの
ではないと理解されるであろう。

【００３４】本発明による統合的スペクトル分解・検出
装置の上記の働きは、従来の技術に対して幾つかの利点
を含んでいる。まず、ソース画像をフィルタ掛けするの
ではなく分解することにより、得られるソース画像の強
度を１００％利用する機器が製作できる。次に、分解手
段と小さな検出器を組合せた特性によって、従来よりも
多い数の波長成分を検出できる。本発明の構造並びに機
能面からさらに得られる利点を、本発明のその他の実施
例を参照して以下に述べる。

【００３５】図４に、図３に示した実施例と多くの点で
類似のもう一つの本発明実施例を示す。図４には、特に
第一の表面７４と第二の表面７６を有する基材７２を包
含するスペクトル分解・検出装置７０を示す。第一の表
面７４上には、図２を参照して先に述べたと同様に、検
出器アレイ７８、論理・選択回路８０、電気的結合８６
を形成する。装置を、画像を有する文書８２から、距離
ｄ₂の位置に置く。照明源Ｌを、スキャンするべき文書
８２の一部分を照明するように置く。装置７０と文書８
２の間には、前述したタイプの焦点合せ手段８４と画像
限定手段８５を置く。ｄ₁の計算と同様、距離ｄ₂は、
選定した基材７２、目標線Ｏの入射角度θ₃、焦点合せ
手段８４の焦点距離により決まる。図４の実施例の作用
原則は、先に述べた通りで、作用を支配する原則は本質
的には同じである。上記の式（１）は、新しい角度θ₃
とθ₄についても適合し、書きなおすと次の通りであ
る：ｎ₁ｓｉｎθ₃＝ｎ₂ｓｉｎθ₄ （５）しかし、デバイスの形状の違いから、上記の式（２）
は、次のように変わる：ｙ／ｘ＝ｔａｎ（θ₃−θ₄）（６）その結果、回折の方向に沿った距離ｘの新しい表現は、
次の通りとなる：ｘ＝ｙ／ｔａｎ〔θ₃−ｓｉｎ^-1（ｓｉｎθ₃／ｎ₂）〕（７）表２は、選択した波長が検出されるような、検出器アレ
イ７８の要素の水平方向の位置ｘを求めるために行った
計算の結果を示す。ここでも、溶融シリカと前述のコー
ニング７０５９製品との二つを例に挙げる。計算例で
は、ｘは３ｍｍ、θ₃は４０゜とした。

【００３６】

【表２】

【００３７】表２では、計算例に用いた種々の波長に対
する隣り合うｙの値の差が、前述の方法で製作し得るデ
バイスの寸法より小さいことに注目すべきである。しか
し、前に指摘したように、最先端技術の進歩により、中
心から中心までの距離がこの本発明実施例に適合する検
出器アレイを製作できるであろう。従って、この方面の
技術に詳しい人々には、このような改良を本発明の成果
に組込むことは本発明の明白な延長上にあるもので、そ
の考え方と範囲から逸脱するものではないと理解される
であろう。

【００３８】上記のそれぞれの実施例において、目標線
Ｏは、センサを置いた第一の表面に対して平行あるいは
直角のどちらかと想定されている。どちらの場合も、目
標線Ｏが第一の表面に対して平行あるいは直角でない状
態で基材に入射することも考えられ、そのような実施例
における計算も上記に準ずる。詳述すれば、図３におい
て、α₁は９０゜であるかもしれないし、そうではなく
目標線Ｏがここに９０゜以外の角度で入射することもあ
り得る。その場合も、回折が起こり、所望の分解と検出
が行われる。図４では、α₂について同じことが言え
る。さらに、目標線Ｏが第三の表面８８に対して９０゜
以外の角度で入射するような装置を構成することも可能
である。その場合も、基材は入射するソース画像に対し
所望の回折効果を発揮し、ソース画像は上記のように分
解、検出される。

【００３９】図５には、回折格子の原理を用い、上記の
ように検出器を光学的に透明な基材上に置いた本発明の
実施例を示す。この実施例では、画像分解・検出装置１
００は、第一の表面１０４と第二の表面１０６を有する
基材１０２を包含する。基材１０２は、透過損失が小さ
く、滑らかに変化する回折特性を有し、その上に小規模
集積回路を形成できるタイプの光学的に透明な物質であ
る。ここでも、適当な基材材料の例は、溶融シリカ、コ
ーニング７０５９の類いである。

【００４０】第１の表面１０４上には、検出器アレイ１
０８を形成する。検出器アレイ１０８の形成は、図１を
参照して前述したように、既知の半導体処理法により行
うことが望ましい。第１の表面１０４上には、前述のよ
うに作用する論理・選択回路１１０と電気的接続部１１
２をも形成する。

【００４１】第二の表面１０６上には、回折格子１１４
を形成する。回折格子１１４の形成は、析出又はエッチ
ングにより行える。これは、検出器アレイ１０８、論理
・選択回路１１０及び電気的接続部１１２の形成に先立
って形成できる。例として挙げれば、回折格子１１４は
検出器アレイ１０８、論理・選択回路１１０及び電気的
接続部１１２の形成に先立って、既知の半導体処理法に
よって形成できる。すなわち、回折格子１１４は、第二
の表面１０６に対して、レリーフ状に形成してもよい
し、あらかじめ別に製作して適当な接着剤で固着しても
よい。第二の表面１０６上の回折格子１１４を形成する
部分には、アルミニウム、シリコン、窒化シリコン、ポ
リイミドなどを、既知の方法で厚さ０．１から３μｍま
で析出させる。次に、写真印刷技法を用いて、析出させ
た物質をエッチングし、複数の平行線を生成させる。こ
れらの線が、全体として回折格子を形成する。さらに他
の変法では、基材１０２を既知の技術により微細機械加
工して、一般には平行な複数の溝を刻み、回折格子１１
４を形成する。

【００４２】装置１００を、画像を有する文書１１６の
ようなスキャンするべき対象物の近くに置く。照明源Ｌ
は、スキャンするべき文書１１６の一部分を照明するよ
うに置く。装置１００と文書１１６の間には、先に説明
したように、前述のセルフォック・レンズのような焦点
合せ手段１１８と画像限定手段１１９を置く。

【００４３】本実施例における検出器アレイ１０８の位
置と方向は、二つの原則により決まる。一つは、回折格
子に入射する光の散乱に関するもので、ブラッグの法則
に支配される： θ_m＝ｓｉｎ^-1〔ｍ（λ／ａ）〕（７）ここに、θ_mは、均等な間隔ａの格子に入射する波長λ
の光のｍ次の回折角度である。角θ_mが波長λに依存す
ることに注目すれば、回折格子に入射する多色性の光が
基材内で分散されることが理解される。二つ目の原則
は、屈折率の異なる第一の媒体から第二の媒体に（すな
わち、基材の中に）光が進むとき、屈折が起り、さらに
分散を起こすということである。分散の程度は、上記の
式（１）のスネルの法則で支配される。式（１）と
（７）のそれぞれにより回折角度を計算した結果を結び
付けると、表３が導かれる。目標線Ｏからの変位ｘの値
は、次式で算出される：ｘ＝ｙｔａｎθ_m （８）表３は、一次の回折（ｍ＝＋１）について計算したもの
で、ここに格子の間隔は１０ｍｍ均一と仮定したが、こ
れは既知の写真印刷技術で実現できる形状の範囲内であ
る。基材の厚さは、１ｍｍと想定してある。

【００４４】

【表３】

【００４５】図５に示した実施例と多くの点で類似して
いるが、もう一つの本発明実施例を図６に示す。図６に
は、特に、第一の表面１５４と第二の表面１５６を有す
る基材１５２を包含するスペクトル分解・検出装置１５
０を示す。基材１５２は、透過損失が小さく、滑らかに
変化する回折特性を有し、その上に小規模集積回路を形
成できるタイプの光学的に透明な物質である。ここで
も、適当な基材材料の例は、溶融シリカ、コーニング７
０５９の類いである。

【００４６】第一の表面１５４上には、検出器アレイ１
５８を形成する。検出器アレイ１５８の形成は、図１〜
３を参照して前述したように、既知の半導体処理法によ
って行うことが望ましい。第一の表面１５４上には、前
述のように作用する論理・選択回路１６０と電気的接続
部１６２をも形成する。

【００４７】この実施例では、第一の表面１５４上に
は、回折格子１６４をも生成する。これは、図５に示し
た実施例における第二の表面上の回折格子の形成とは、
区別すべきものである。回折格子１６４の形成は、析
出、機械的取付け、あるいはエッチングによって行うこ
とができる。回折格子１６４は、検出器アレイ１５８、
論理・選択回路１６０、電気的接続部１６２の形成の前
後いずれでも形成できるが、本実施例は、回折格子１６
４をこれらの他の要素と同時に形成し得る点に利点があ
る。すなわち、検出器、回路、接続部の材料を析出する
のと同時に、回折格子の材料も析出できる。検出器、回
路、接続部を形成する材料のエッチングの間に、回折格
子をエッチングできる。これは、構造上の位置関係が自
律的に調整されることを意味する。これは、また、製作
工程が大いに単純化され、短縮されることをも意味す
る。

【００４８】第二の表面１５６上には、反射性コーティ
ング１６６を形成する。アルミニウム、クロム、銀など
を、第二の表面１５６上の反射性コーティング１６６を
形成するのに適切な部位に析出させて、鏡面コーティン
グを行う。

【００４９】装置１５０は、画像を有する文書１６８の
ようなスキャンするべき対象物の近くに置く。照明源Ｌ
は、スキャンするべき文書１６８の一部を照明するよう
に置く。装置１５０と文書１６８の間には、先に説明し
たように、前述のセルフォック・レンズのような焦点合
せ手段１７０、画像限定手段１７１を置く。

【００５０】本実施例における検出器アレイ１５８の位
置と方向は、式（１）のスネルの法則と式（７）のブラ
ッグの法則で支配される。式（１）と（７）のそれぞれ
により回折角度を計算した結果を結び付けると、表４が
導かれる。目標線Ｏからの変位ｘの値は、上記の式
（８）で算出される。表４は、一次の回折（ｍ＝＋１）
について計算したもので、ここに格子の間隔は１０ｍｍ
均一と仮定したが、これは既知の写真印刷技術で実現で
きる形状の範囲内である。基材の厚さｙは、１．５ｍｍ
と想定してある（従って、経路の全長は、ｙの２倍、す
なわち３ｍｍ）。

【００５１】

【表４】

【００５２】図５、６に示した実施例と多くの点で類似
しているが、もう一つの本発明実施例を図７のａ、ｂに
示す。図７のａには、特に、第一の表面１８４と第二の
表面１８６を有する基材１８２を包含するスペクトル分
解・検出装置１８０を示す。基材１８２は、前述したタ
イプの光学的に透明な物質である。

【００５３】第一の表面１８４上には、検出器アレイ１
８８を形成する。検出器アレイ１８８の形成は、図１〜
３を参照して前述したように、既知の半導体処理法によ
り行うことが望ましい。第一の表面１８４上には、前述
のように作用する論理・選択回路１９０と電気的接続部
１９２をも形成する。第二の表面には、回折格子１９４
を前述の技法によって析出、取付け、又は形成する。回
折格子１９４は、反射型で、例えば、図７のｂに示した
ように、その上に回折格子を有する一つの表面１９６
と、この第一の表面の反対側に、その上に反射性コーテ
ィングを析出させた第二の表面を有する。

【００５４】図７のａに戻ると、装置１８０は、画像を
有する文書２００のようなスキャンするべき対象物の近
くに置く。照明源Ｌは、スキャンするべき文書２００の
一部を照明するように置く。装置１８０と文書２００の
間には、先に説明したように、前述のセルフォック・レ
ンズのような焦点合せ手段２０２と画像限定手段２０４
を置く。

【００５５】本実施例における検出器アレイ１８８の位
置と方向は、式（１）のスネルの法則と式（７）のブラ
ッグの法則で支配される。検出器の位置の計算は、回折
格子に光が入射する前に基材内で余分な屈折がごくわず
か有るかもしれない点を除いて、図５について先に示し
たのと同様である。

【００５６】回折格子を利用する上記の諸実施例は、従
来技術に対して幾つかの共通的な利点を有する。これら
の利点の中には、まず、一次回折像に落ちる光のエネル
ギーが最大になるよう回折格子の形を整えられることで
ある。これにより、検出できる光のエネルギーが最大に
なり、デバイスの効率が上がる。回折格子は、ブレーズ
角を調整して形を整える。Ｆ．Ｌ．ペドロッチとＬ．
Ｓ．ペドロッチの「イントロダクション・トゥ・オプテ
ィックス」プレンティス・ホール社刊、１９８７年、４
１９〜４２２ページを参照されたい。次に、回折格子の
形状を変えれば回折角度を調節できることである。これ
により、完成デバイスの形状と寸法をずっと小さく抑え
ることができる。これらが、分解手段として回折格子を
用いることで得られる利点の一部であるが、これは、こ
こに説明又は暗示された他の実施例の有用性を制約する
意味を持つものではない−本発明のそれぞれの応用先に
は、当然、独自の必要条件がある。

【００５７】この技術に詳しい人々には明らかなよう
に、すべての実施例において、スペクトル的に分解され
た画像ピクセルの焦点面は、センサが形成されている面
と必ずしも平行でないという事実に注目すべきである。
制約が最も厳しいのは図３に示す実施例であって、ここ
では、これら二つの平面のずれ（数学的には、α_(1,2)
＋θ₁−θ₂に等しい）が大きいほど、信号を信頼でき
る精度で分解できるスペクトル受け口の数が小さくな
る。回折格子を用いる実施例では、二つの平面のずれ
は、θ_m（普通は、数度）の程度で、スペクトルの純粋
さに対する影響は小さい。

【００５８】一般に、本発明に関連する技術に詳しい人
々にとっては、本発明の構成のさまざまな変更、また、
広範囲にわたる種々の実施例と応用が、本発明の考え方
と範囲から逸脱することなく想定されると認められよ
う。例えば、上記のような小型のスペクトル分解・検出
装置は、手持ち型の光量計に特に有用であろう。上記の
ような、８インチ以上のページ幅の検出器アレイとは逆
に、１インチ以下程度の小さなアレイを、上記のその他
の検出器関連要素とともに、これに相応な大きさの基材
上に形成できよう。こうして得られるデバイスは、任意
の環境下での光の色成分の測定に用いることができるで
あろう。

【００５９】さらに、上記の説明は、可視光領域で作用
するカラー・スキャナの観点からのものであるが、ここ
に説明し、特許請求する本発明は、電磁的スペクトルの
可視光領域外にも同様に適用できるものである。例え
ば、前述の装置のどれでも、検出器を適当な位置に置く
ことにより、可視光領域より短い又は長い波長を検出す
ることができる。検出できる波長を制約する要因は、短
波長側では検出器の大きさであり、長波長側では、デバ
イス全体の大きさである。従って、本記述の開示と説明
は、例としてのものであり、いかなる意味合いにおいて
も、限定的なものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による統合的スペクトル・検出装置の斜
視図である。

【図２】本発明によるデバイスに用いることのできる検
出器回路の回路図である。

【図３】本発明の１つの特性に従い、スペクトル分解を
屈折により行う方式のデバイスの断面図である。

【図４】本発明のもう１つの特性に従い、スペクトル分
解を屈折により行う方式のデバイスの断面図である。

【図５】本発明の一つの特性に従い、スペクトル分解を
回折により行う方式のデバイスの断面図である。

【図６】本発明のもう１つの特性に従い、スペクトル分
解を回折により行うデバイスの断面図である。

【図７】ａは本発明のさらにもう一つの特性に従い、ス
ペクトル分解を回折により行うデバイスの断面図、ｂは
ａの実施例に用いるタイプの回折格子の断面図である。

【符号の説明】

１０，７０，１５０，１８０スペクトル分解・検出装
置１２，７２，１０２，１５２，１８２基材１４，７４，１０４，１５４，１８４第一の表面１６，７６，１０６，１５６，１８６第二の表面１８，７８，１０８，１５８，１８８検出器アレイ２０，８０，１１０，１６０，１９０論理・選択回路２２，１１２，１６２，１９２電気的接続部３０検出器３２トランジスタ３４アドレスライン３６アドレスライン・ドライバ３８データライン４０データレシーバ・マトリックス５０，８２，１１６，１６８，２００文書５２，８４，１１８，１７０，２０２焦点合せ手段５３，８５，１１９，１７１，２０４画像限定手段８６電気的結合８８第三の表面１００画像分解・検出装置１１４，１６４，１９４回折格子１６６反射性コーティング１９６表面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ロバート・アンソニー・ストリートアメリカ合衆国カリフォルニア州94306パロアルトラパーラ894 (56)参考文献特表昭62−503053（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】次のものを有する、多色性の電磁的信号
を連続スペクトルに分解し、そのスペクトルの不連続な
スペクトル成分の任意の組を検出する装置：前記装置の光学的構成部分を形成する、概して透明な基
材；多色性の電磁的信号を上記の基材上に展開する連続スペ
クトルに分解する手段；及び上記の多色性の電磁的信号が上記の分解手段で分解さ
れ、その後、上記の基材を透過して上記の検出手段に到
達するようにして、上記の基材上に生成されたスペクト
ルの一つ以上の任意の不連続なスペクトル成分を検出す
る手段。