JPS6054655B2

JPS6054655B2 - 光学装置

Info

Publication number: JPS6054655B2
Application number: JP57187325A
Authority: JP
Inventors: ウイリアム・ルイス・ラマ; ジエイムズ・ダンラツプ・リ−ス
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1981-11-02
Filing date: 1982-10-25
Publication date: 1985-11-30
Also published as: JPS5885401A; US4435039A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、グラジエント、インデックス形光ファイ
バを有する光学装置、より詳細にはそのような光ファイ
バを束にして構成した、物体面にある物体の像を像面へ
１以上の倍率で伝達することができるレンズ配列すなわ
ちレンズアレイに関するものである。

グラジエント・インデックス形光ファイバを束にして
構成した光学装置すなわち像伝送装置は当該分野では知
られている。

米国特許第３６５８４０７号’は、その断面においてそ
の中心部から外向きに放物線状に変化する屈折率分布を
もつガラスまたは合成樹脂で作つた光伝導ファイバーを
開示している。各ファイバは集束レンズとして作用し、
一端の近くに置れた物体の像の一部を伝達する。千鳥足
状に２列にしたファイバ組立体が物体像を伝送し、結像
させる。そのファイバ・レンズは日本で登録され、日本
板硝子（株）が所有する商標“ＳＥＬＦＯＣ゛が付され
て市販されている。当該分野においては、屈折率が変化
するガラスまたはプラスチック・ファイバを製造する技
術は多数知られている。これらの技術は、アプライドオ
プテイクス（ＡｐｐｌｌｅｄＯｐｔｉｃｓ）第１９巻、
第７号、用（１）年４月１日号、第１０３３〜１０羽頁
に記載されているダンカン●テイ◆ムーア（ＤＬｌｎＣ
ａｎ．Ｔ．ＭＯＯｒｅ）の寄稿論文６′（グラジエント
インデツクス光学：Ａ版ＧｒａｄｉｅｎｔＩｎｄｅｘＯ
ｐｔｉｃｓ：ＡＲｅｖｉｅｗ）゛に役立つように要約さ
れている。グラジエント●インデックス形レンズアレイ
は、多くの技術分野において用途が見つかつており、た
とえば米国特許第３９２２０６訝に開示されているよう
に、印刷式光学回路の製作に用いる場合や、米国特許第
３９４７１０６号および第３９７７７７７号に開示され
ているように、複写機の通常光学装置の代替物として用
いる場、などがある。上述のレンズアレイは、物体面か
ら像面へ１：１の由率で像を伝達する等倍率のレンズア
レイとして説明することができる。

係属米国特許出願第１５１９９４号（１９８咋５月２田
出願）には、縮小または拡大した像を伝達するグラジエ
ント・インデックス形レンズアレイが記載されており、
その特定の倍率はアレイを構成するファイバーの幾何学
的形状と方向によつて定まる。像形成面で一様な露光レ
ベルを生じる従来の等倍率レンズアレイと異なり、縮小
用レンズアレイは、アレイの中心において最小で、アレ
イの両端へすなわち外方へ向うにつれて増える露光レベ
ルを生じる。像の露光レベルはすべての点で一様である
ことが望ましいから、装置の幾何学的形状に何らかの補
償を加えなければならない。縮小用レンズアレイのもう
一つの特徴は、アレイの両端へ向うにつれて像の画質が
落ちることである。もし、露光と像の画質の両方を同時
に補償することができれば、もつとも望ましいことであ
る。これは、この発明に従つて、装置の幾何学的形状、
特にファイバの開口をアレイの方向に選択的に変えるこ
とによる効果を分析し、レンズアレイに適正な修正を施
すことによつて達成された。発明を要約して述べると、
この発明は物体面にある物体の像を像面へ１以上の倍率
て伝送する光学装置を目指しており、この光学装置は複
数のグラジエント・インデックス形光ファイバを横に束
にして構成したレンズアレイから成つており、アレイの
中央のファイバは物体面および像面に対しほ〜垂直な軸
線をもつように配置され、これに隣接するファイバはそ
れらの軸線が前記のほ＼゛垂直な方向から次第に大きく
ずれるようにアレイの両端へ向つて扇状に次第に大きく
傾斜して配置されており、レンズアレイは、さらにアレ
イの中央区域においては最大限に光を透過させるが、配
列の方向に延びているファイバについては透過する光を
次第に少なくするマスク手段を備えている。

次に、第１図について説明する。第１図は、係属米国特
許出願第１５１９９４号に記載されている原理に従つて
構成した縮小用グラジエント・インデックス形レンズア
レイの正面図であり、前記出願の内容は参考のため本明
細書に記載してある。物体２２（それは物体面に置かれ
た原稿のこともある）は、図面内に向かう方向にレンズ
アレイ２０を通過する。レンズアレイ（Ｘ方向）に対し
平行な原稿の連続する狭い帯を強く照明するため照明手
段（図示せず）が設置されている。レンズアレイ２０は
、後で詳しく説明する方法で並べられた一列の光ファイ
バ３０から成つている。動作中、原稿２２は、固有の倍
率と、原稿と同じ方向に移動している像面３２（それは
感光シートのこともある）の速度に対し適正な速度で、
照明された区域を通過する。原稿から反射した光はレン
ズアレイ２０により、縮小された像としてシート３２の
上に伝達される。縮小された像は、前記係属出願に詳細
に記載されているように、各々の個々のファイバからの
隣接し重複する複数の縮小された像として形成される。
わかり易くするため、原稿２２はＡ４サイズ（幅＝２１
０Ｔ！ｒ！ｎ）に縮小するＡ３サイズ（幅＝２９７顛）
であり、すなわち、レンズアレイ２０は倍率ＪＯ．７Ｏ
７のレンズであると仮定する。

レンズアレイ２０は複数の独立したグラジエント・イン
デックス形ファイバ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，
３０ｅ，・・・・から構成されており、それらは同じ半
径（たとえば、０．５Ｔａ）、同じ軸方向屈折率、およ
び同じ屈折率傾度をもつが、長さ、ファイバの軸線の方
向、物体面と像面に対するそれらの端面の方向、および
それらの軸線に対するそれらの端面の方向はそれぞれ異
なつている。図示のように、アレイの中央（ＸＯ＝０）
にあるファイバ３０ａは鉛直方向にある。すなわち、そ
の軸線４０は物体面と像面に対し垂直である。隣接する
ファイバすなわち３０ｂ，３０ｃの軸線は垂直の状態か
られずかにずれており、そのずれはアレイの両端にある
ファイバまで続いている。中間ファイバのずれの値は一
定値にしてもよいが、他の値をとることも可能である。
ファイバ間のすきま当該分野で知られているように、光
を吸収するために黒色のシリコン樹脂で充てんすること
ができる。最端ファイバ３０ｄの幾何学的軸線をたどる
原稿からの光線（すなわち、ファイバ３０ｄに対する中
実軸光線）は、原稿点烏＝１４８．５＝を縮小された感
光体の点ｘ１＝ＲｎＯｘＯ＝１０５．０Ｔ！ｒ！ｎに結
像する。ここで、ＭＯは所望する倍率（イ）．７０７）
である。関係ｘ１＝ＲｎＯｘＯはアレイの各ファイバを
通過する中＊実軸線について維持され、物体距離１。と
像距離１１は各ファイバの中実軸線の近くで正しい倍率
が得られるように決められる。レンズ組立体は全体とし
て物体面に垂直に鉛直面内に置かれるが、レンズは複数
の軸線をもつ複数のファイバで構成され、各軸線は物体
面に垂直な線に対し異なる角度をなしている。

この配置方向によつて、各ファイバを通る光路の全共役
長は中央ファイバのある当初の値から最端ファイバのあ
るより高い値まで次第に変化している。

この共役長の変化に適応させるため、ファイバの長さは
中央から外側へ次第に短かくなつている。これを研摩す
ることにより、二つの平滑な凸面４２，４３が形成され
る。レンズアレイ２０の放射測定分析は、像露光レベル
がアレイの中央から端へ向けて増えることを示している
。

下表は中央（ファイバ３０ａ）と端（ファイバ３０ｄ１
または３０ｅ）にある関係レンズと放射測定パラメータ
をまとめたものである。最初の列は原稿の放射輝度Ｎで
正規化して得た個々のファイバに対するピーク放射輝度
ｈ／Ｎを列挙している。

傾斜した最端ファイバに対するピーク放射輝度は中央フ
ァイバに対する値の６４％であることがわかる。アレイ
の中央における露光量と比べると、要因子のみがアレイ
の両端における像露光量を減少させる。しかしながら、
中央ファ．イバ３０ａによつて生じた放射輝度プロフィ
ルは半径１．７３顛の円形であるが、これに対し、最端
ファイバによつて生じた同プロフィルは半長軸Ｋｘ＝２
．７ｍ（アレイの配列方向）、半短軸Ｋ，＝２．１鶏の
楕円形である。この結果、最端ファイバによつ−て生じ
た放射輝度プロフィルの大きさは中央の放射輝度プロフ
ィルの大きさよりもかなり大きい。このため、アレイの
中央に比べ、両端でより大きな露光量になる。最後から
二番目の列（プロフィルスペーシング・ファイバ直径）
ｂは、個々のファイバの放射輝度プロフィルがアレイの
両端における（ｂ＝１．０４）よりもアレイの中央にお
いて（ｂ＝０．９９７）一層密集していることを示す。
最後の列は原稿の放射輝度Ｎと処理速度■て正規化した
像露光量を挙げている。これらの因子をすべて組合せた
場合、アレイの両端における露光量は中央における値よ
り１６％だけ大きい。アレイの両端へ向うにつれて露光
量が増大することのほか、像の画質もアレイの両端にお
いて悪くなる。

これは、第２図のように、物点烏の２次元像放射輝度プ
ロフィル（点スプレツドフアンクシヨン）で表わされる
。このプロフィルはＸ方向（アレイの配列に沿つて）お
よびＹ方向（アレイの配列に直角に）にプロットされて
いる。各プロフィルはこれに寄与する５本のファイバに
よつて生じた点スプレツドの合成図である。合成プロフ
ィルはアレイに平行な長径をもつ楕円に近い形をしてい
る。点スプレツド●ファンクションのフーリエ変換によ
り、アレイに垂直な物体の線については、約２．５サイ
クル／Ｔｌｒ！ｎで４０％に等しい像面ＭＴＦ（変調伝
達関数）が得られるが、アレイに平行な物体の線につい
ては、約５サイクル／Ｔ！ｎで４０％変調が得られる。
比較のため、中央のファイバ（たとえば、３０ａ−３０
ｃ）は４０％変調で約１０サイクル／７ｍの分解能をも
つ。この発明の特徴の一つによれば、点スプレツドの大
きさはほくアレイのファイバの半径に比例して変化する
ことが判つた。

また、像露光量はファイバの半径の３乗に比例すること
も判つた。この結果、ファイバの実半径または有効半径
をアレイの中央から両端へ向つて次第に減少させる方法
は像の画質と露光量の一様性とを、同時に改善するもの
であることが認められた。第３図はアレイの配列の方向
に望ましい有効ファイバ半径の減少が得られるようにし
たレンズ配列２０に対する第一の修正例を示す。

第３図には、レンズアレイ２０の右半分の平面図が示さ
れている。この図を参照すると、マスク４０がアレイ面
４２の上にかぶせられていて、このマスク４０は、透明
スリット４０ａと不透明スリット４０ｂから成つている
。透明スリットの幅はアレイの端（ファイバ３０ｄ）で
最小であり、次第に増して、もつとも中央ではファイバ
３０ａが完全に現われている。このマスクは各ファイバ
の端面におけるファイバの開口を縮小させるので、゜゜
開口絞り′２と呼ばれることがある。したがつて、マス
ク４０はファイバ端面の半径をアレイの配列の方向にＲ
ｘ＝ＦＲ（ここで、ｆく１）に縮小するものと理解する
ことができる。配列の中央に近ゼくと、透明スリット幅
４０ａ（２ｆＲ）は連続的に増し、ファイバ３０ａにお
いてｆ＝１になる。アレイの配列方向の点スプレツト（
Ｗｘ）はＲｘに比例するが、露光量は（ＲＯ２Ｒ）によ
つて決まる。露光量を等しくするには、アレイの両端で
１．１６ｆ２＝１．００、すなわちｆ＝０．９３である
ことが必要である。またこのマスクはアレイの配列方向
の点スプレツドをＷｘ″＝ＦＷｘ＝（０．９３）（イ）
．４）＝０．３７ＴＩｒＩｆ＆に減少させる。この結果
、アレイの配列方向の分解能は４０％変調で２．７サイ
クル／Ｔｎｍに改善される。したがつて、もとの２．５
サイクル／顛を上まわる改善が得られる一方、マスクを
使用することによつて望ましい露光の一様性が同時に達
成される。もし分解能についてこれ以上の改善が要求さ
れる場合には、アレイの両端近くのマスクの透明幅４０
ａをさらに縮小すれば、縮小したスプレツドＷＯ″と増
大したＭＴＦを得ることができる。たとえば、もしＷｘ
″を０．３０ｗｍに縮小すれば、３．４サイクル／顛で
４０％のＭＴＦ′が得られ、非常に改善される。この場
合、アレイの両端における露光量は中央における値の約
６５％に減少する。図中、マスクはアレイ２０の上面４
２にかぶせられているが、同様に下面４３に取り付けて
も同じ結果を得ることができる。次に、ファイバの長手
方向に沿つたある点で有効ファイバ半径を縮小するマス
キング方法が示してある第４図について説明する。図は
、ファイバの表面に形成され、中心に向つてある距離延
びている不透明区域５０，５『をもつ１本のファイバ３
０ｄを示す。区域５０，５『は、組立て前にエッチング
処理またはイオン拡散処理をして形成することができる
。二つの不透明な区域の間にできた制限通路を正確に規
定量の光が通過することができるように、エッチングま
たは拡散は制御して行なわれる。この種のマスクは個々
のファイバの視野を縮小するので、゜゜視野絞り゛と呼
ばれることがある。視野絞りも点スプレツドを減らすこ
とによつてＭＴＦを増大させる。また、二つのマスキン
グ方法を組合わすことにより、像の欠陥（収差）を少な
くし、像をさらに改善することもできる。開口絞りは開
口半径の関数である収差、たとえば球面収差やコマ収差
を減らす上でもつとも有効である。視野絞りは視野高さ
の関数である収差、たとえば非点収差、像画のわん曲、
デイストーシヨン、および色収差を減らす。したがつて
、第５図のように、最適の光学系は、不透明区域５０，
５『で形成された視野絞りと、マスク４０によつて形成
された開口絞りの両方をもつものになろう。この場合、
組合せた絞りによりファイバの有効半径は小さくなる。
この発明の原理に矛盾しない別の方法を使つて、望まし
い点スプレツドの縮小と、増大したＭＴＦを得ることが
できる。たとえば、アレイの両端近くのファイバを通過
する光をフィルタにかけて選択的に露光量を減少させ、
かつ像の画質を改善させるために、適当な周波数帯幅と
透過特性をもつ特別なフィルタを作ることができる。発
明の精神とその範囲に入るすべての変更および修正は、
特許請求の範囲に包含されるものと考える。

【図面の簡単な説明】

第１図は像形成装置の縮小用グラジエント・インデック
ス形レンズアレイの正面図、第２図は第１図のアレイの
端の近くに置かれた明るい物点の２次元像放射輝度のプ
ロフィル、第３図はファイバの面においてファイバの半
径を減少させるため選択的に被覆された多数のファイバ
、第４図は縮小された光透過断面をもつ１本の光ファイ
バ、および第５図はファイバ面マスクと縮小された光透
過断面とを組合わせた光ファイバである。図中、主要な部分の参照番号は下記の通りである。２０
・・・・・ルンズ配列、２２・・・・原稿、３０ａ，３
０ｂ，３０ｃ・・・・・・グラジエント●インデックス
形ファイバー、３２・・・・・・像画、４０・・・・・
・軸線、４０ａ・・・・・透明スリット、４０ｂ・・・
・・・不透明スリット、４１・・・・・黒色シリコン樹
脂が充てんされるすきま、４２，４３・・・・・・平滑
な凸面、５０，５２″・・・・不透明区域、５２・・・
・・制限された光透過通路。

Claims

【特許請求の範囲】１物体面にある物体の像を像面へ１以上の倍率で伝達
する光学装置において、複数のグラジエント・インデッ
クス形光ファイバを横に束にして構成したレンズアレイ
から成つており、前記アレイの中央のファイバは物体面
および像面に対してほゞ垂直な軸線をもつように配置さ
れ、隣接するファイバはそれらの軸線が前記ほゞ垂直な
方向から次第に大きくずれるように前記アレイの両端へ
向つて扇状に次第に大きく傾斜して配置されており、さ
らに、前記アレイの中央区域においては最大限に光を透
過させるが、前記アレイ方向に延びているファイバにつ
いては透過する光を次第に少なくするマスク手段を備え
ていることを特徴とする、光学装置。２前記マスク手段は光透過性部分と遮光性部分とを交
互にもつ帯片であり、前記帯片は前記アレイの端面に付
着されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の光学装置。３前記マスク手段は個々のファイバ内に形成された複
数の対向する不透明区域から成つており、各一対の不透
明区域はその間に光透過通路を形成していることを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の光学装置。４前記マスク手段は、光透過性部分と遮光性部分を交
互にもつ帯片と、個々のファイバ内に形成された複数の
対向する不透明区域との組合せから成つており、前記帯
片は前記アレイの端面に付着されており、前記各一対の
不透明区域はその間の光透過通路を形成していることを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学装置。