KR20020044567A - 렌즈 어레이, 이미지 센서, 이 이미지 센서를 이용한 정보처리 장치 및 정보 처리 시스템 - Google Patents

렌즈 어레이, 이미지 센서, 이 이미지 센서를 이용한 정보처리 장치 및 정보 처리 시스템 Download PDF

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KR20020044567A
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히로타노리후미
스미도시노리
이시마루데루타
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추후제출
미츠비시 레이온 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 목적은 결상면에서의 광량이 크고, 광량 얼룩이 작은 렌즈 어레이를 제공하는 것이다. 이 목적을 달성하기 위해서, 중심으로부터 외주부를 향해 굴절율이 연속적으로 감소하여 이루는 반경 r0인 원주 형상의 굴절율 분포형 렌즈를 배열 피치 2R로 1열 이상 배열하여 이루어지는 렌즈 어레이(2)를, R이 R≥r0≥0.8R이며, 또한, 굴절율 분포형 렌즈의 굴절율 분포를, n(r)2=n0 2{1- (g·r)2}로 근사했을 때, m=X0/2R에 의해 정의되는 중첩도 m이, 1.05≤m≤1.2이도록 구성했다. 단, 상기 r은 광축으로부터의 거리, n(r)은 광축으로부터 r의 거리에서의 굴절율, n0은 중심 굴절율, g는 굴절율 분포 정수, X0은 시야 반경(X0=-r1cos(Z0π/P)), r1은 굴절율 분포형 렌즈의 유효 반경, Z0은 굴절율 분포형 렌즈의 길이, P는 굴절율 분포형 렌즈의 주기 길이, 즉 P=2π/g이다.

Description

렌즈 어레이, 이미지 센서, 이 이미지 센서를 이용한 정보 처리 장치 및 정보 처리 시스템{LENS ARRAY, IMAGE SENSOR, AND INFORMATION PROCESSOR AND INFORMATION PROCESSING SYSTEM COMPRISING THE IMAGE SENSOR}
종래, 팩시밀리 장치나 스캐너 장치 또는 그 밖의 정보 처리 장치의 판독 장치로서는, 원고를 조명하기 위한 조명 장치와, 원고로부터 반사된 원고의 정보를 갖는 반사광을 결상하기 위한 렌즈와, 렌즈에 의해 결상된 반사광을 전기 신호로 변환하기 위한 센서를 일체화한 이미지 센서가 이용되고 있다. 렌즈는 원고로부터의 반사광을 센서로 축소하여 결상하는 축소형 렌즈와, 원고로부터의 반사광을 센서로 등배로 결상하는 등배형 렌즈의 두 개로 대별된다.
일반적으로는, 후자의 등배형 렌즈는 원고의 폭에 상당하는 길이까지 렌즈소자를 라인 형상으로 다수 배열시켜 형성되는 것이 널리 이용되고 있고, 이것은 렌즈 어레이라 불리고 있다.
요즈음에는, 팩시밀리 장치나 스캐너 장치 등의 정보 처리 장치의 소형화에 대한 요구가 강하기 때문에, 긴 광로를 요구하는 축소형 렌즈는 경원되고, 광로 길이가 짧은 등배형 렌즈인 렌즈 어레이가 주류로 되고 있다.
등배형 렌즈로서는, 내부에 연속적인 굴절율 분포를 갖는 원통 형상의 렌즈가 이용된다. 이 내부에 연속적인 굴절율 분포를 갖는 렌즈는 이미 특허 공개 소화 제47-816호에서 유리제인 것이 제안되어 있다. 또한, 플라스틱제인 것은 공개 소화 제47-28059호에서 제안되어 있다. 그 후, 여러가지 방법에 의한 유리제, 플라스틱제의 렌즈가 제안되어 있다. 이들 굴절율 분포형 렌즈는, 일반적으로는 그 양단면을 중심축에 수직인 평행 평면에 경면 연마하고, 단체(單體)로 미소 렌즈로서 사용되고 있다. 또한, 이들 렌즈를 다수 배열하여 접착 일체화하고, 렌즈 어레이의 형태로서 복사기, 팩시밀리, 스캐너 등의 라인 센서 부품으로서, 또한 LED 프린터의 기록 장치 등으로서 널리 이용되고 있다.
그런데, 한 개의 렌즈가 등배의 이미지를 맺는 범위는 반경 X0(시야 반경)의 원형이며, 광량은 광축 상에서 최대로 되고, 광축으로부터 멀어짐에 따라 감소한다. 렌즈 어레이에서는, 어레이의 길이 방향으로 렌즈의 배열 피치(2R)를 주기로 하는 광량 얼룩이 발생한다. 광량 얼룩은 m=X0/2R에 의해 정의되는 중첩도 m에 의해 결정된다.
일본 특허 공개 평성 제11-64605호 공보에서는, 광량 얼룩을 작게 하기 위해서, 중첩도 m이 1.61≤m≤1.80 또는 2.06≤m≤2.50을 만족시키도록 설계된 렌즈 어레이가 개시되어 있다.
그러나, 이 렌즈 어레이를 이용하여 이미지 센서를 구성한 경우, 이 렌즈 어레이는 중첩도 m이 크고, 시야 반경 X0이 커지기 때문에, 수광 센서에 도달하는 광량이 낮아진다는 문제점이 있다. 그 때문에, 이 렌즈 어레이로서, 컬러 스캐너용으로서 이용되는 색수차가 작은 타입의 렌즈를 사용하는 것이 고려되지만, 이 렌즈는 일반적으로 개구각이 15도 이하로 작기 때문에, 일반적으로 흑백 이미지 센서로 이용되고 있는 개구각이 20도 부근의 렌즈와 비교하여 취입할 수 있는 광량이 1/2 이하로 되므로, 이미지 센서로 사용할 때, 수광 센서의 능력에 맞춰 판독 속도를 떨어뜨려야 하고, 또한, 그에 따른 외광 등 노이즈 인자의 영향을 받기 쉽게 된다.
또한 한편, K 렌즈에 약간의 색수차가 있는 경우에는, 중첩도 m을 크게 하면, RGB 각 파장에서의 공역 길이 TC의 차가 커지고, 이것을 이용한 컬러 이미지 센서에는 색의 번짐이 나타나거나, 해상도가 낮은 등의 문제가 발생한다.
본 발명은 렌즈 어레이, 이미지 센서 및 이 이미지 센서를 이용한 정보 처리 장치 및 정보 처리 시스템에 관한 것이다.
본 출원은 일본 특허 출원(특허 출원 평성 제11-306060호)에 근거하는 것이며, 해당 일본 출원의 기재 내용은 본 명세서의 일부로서 취입하는 것으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 이미지 센서의 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 이미지 센서의 상면도,
도 3은 본 발명에서 이용하는 조명 장치의 측면도,
도 4는 본 발명에서 이용하는 조명 장치의 상세도,
도 5는 본 발명에서 이용하는 렌즈 어레이의 상세도,
도 6은 본 발명에 따른 정보 처리 장치의 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 정보 처리 장치와 컴퓨터의 기능적 블록도,
도 8은 렌즈의 해상도(MTF) 측정 장치의 개략을 도시하는 도면이다.
본 발명의 목적은 렌즈 어레이의 결상면에서의 광량이 크고, 광량 얼룩이 작은 렌즈 어레이를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 수광 센서로의 도달 광량이 큰 렌즈 어레이를 사용함으로써, 개구각이 작고 색수차가 작은 렌즈와 같이취입할 수 있는 광량이 적은 렌즈를 이용한 경우에도, 판독 속도가 빠른 이미지 센서 및 그것을 이용한 정보 처리 장치를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 색수차가 있는 렌즈를 이용해도, 해상도가 높은 이미지 센서 및 그것을 이용한 정보 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 요지는 중심으로부터 외주부를 향해 굴절율이 연속적으로 감소하여 이루는 반경 r0인 원주 형상의 굴절율 분포형 렌즈를 배열 피치 2R로 1열 이상 배열하여 이루어지는 렌즈 어레이로서, R이 R≥r0≥0.8R이며, 또한, 굴절율 분포형 렌즈의 굴절율 분포를, n(r)2=n0 2{1-(g·r)2}로 근사했을 때, m=X0/2R로 정의되는 중첩도 m이, 1.05≤m≤1.2인 것을 특징으로 하는 렌즈 어레이에 있다. 단, 상기 r은 광축으로부터의 거리, n(r)은 광축으로부터 r의 거리에서의 굴절율, n0은 중심 굴절율, g는 굴절율 분포 정수, X0은 시야 반경(X0=-r1cos (Z0π/P)), r1은 굴절율 분포형 렌즈의 유효 반경, Z0은 굴절율 분포형 렌즈의 길이, P는 굴절율 분포형 렌즈의 주기 길이, 즉 P=2π/g이다.
또한, 본 발명의 요지는, 상기 굴절율 분포형 렌즈의 개구각은 15도 이하인 렌즈 어레이에 있다.
또한, 본 발명의 요지는, R이 R>r0≥0.8R인 렌즈 어레이에 있다.
또한, 본 발명의 요지는, 중첩도 m이 1.1≤m≤1.2인 렌즈 어레이에 있다.
또한, 본 발명의 요지는, 상기 굴절율 분포형 렌즈는 플라스틱제인 렌즈 어레이에 있다.
또한, 본 발명의 요지는, 상기 굴절율 분포형 렌즈는 유리제인 렌즈 어레이에 있다.
또한, 본 발명의 요지는, 원고를 조명하는 조명 장치와, 원고로부터의 반사광을 결상시키는 상기 렌즈 어레이와, 상기 굴절율 분포형 렌즈에 의해서 결상된 이미지의 빛을 수광하는 광전 변환 소자를 구비한 이미지 센서에 있다.
또한, 본 발명의 요지는, 상기 굴절율 분포형 렌즈의 한쪽 단면과 원고면의 간격 Lm과, 상기 굴절율 분포형 렌즈의 다른 쪽 단면과 센서의 간격 Ls가 모두 공기층 환산으로, 0.95·L0≤Lm≤1.05·L0과, 0.95·L0≤Ls≤1.05·L0을 만족시키는 렌즈 어레이를 이용하는 이미지 센서에 있다. 단, 상기 L0은 L0=-(1/n0g) ·tan(Z0π/P)이다.
또한, 본 발명의 요지는, 상기 조명 장치의 광원은 LED인 이미지 센서에 있다.
또한, 본 발명의 요지는, 상기 조명 장치의 광원은 발광 파장이 다른 복수의 LED로 구성되어 있는 이미지 센서에 있다.
또한, 본 발명의 요지는, 상기 조명 장치의 광원은, 청색, 녹색, 적색에 상당하는 3색의, 발광 파장이 다른 복수의 LED로 구성되어 있는 이미지 센서에 있다.
또한, 본 발명의 요지는 상기 이미지 센서와, 해당 이미지 센서로부터 입력된 화상 정보를 처리하는 처리 수단을 구비하는 정보 처리 장치에 있다.
또한, 본 발명의 요지는 상기 이미지 센서와, 원고와 이미지 센서의 상대적 위치를 변경하는 수단과, 상기 이미지 센서에 의해 판독된 화상 정보로부터 화상을 형성하는 화상 형성 수단과, 원고 입력으로부터 출력까지를 제어하는 제어 수단을 구비하는 정보 처리 장치에 있다.
또한, 본 발명의 요지는 상기 이미지 센서와, 해당 이미지 센서로부터의 아날로그 신호를 처리하는 아날로그 신호 처리 수단과, 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 변환 수단과, 해당 변환 수단으로부터의 상기 디지털 신호를 처리하는 디지털 신호 처리 수단과, 외부 기기와의 접속을 행하는 인터페이스 수단을 구비하는 정보 처리 장치에 있다.
또한, 본 발명의 요지는 상기 정보 처리 장치와, 해당 정보 처리 장치와 접속된 컴퓨터를 구비하는 정보 처리 시스템에 있어서, 상기 정보 처리 장치가 내장하는 상기 인터페이스 수단과, 상기 컴퓨터가 내장하는 제 2 인터페이스 수단이 접속되고, 이들 인터페이스 수단을 거쳐서 디지털 신호가 송수신되는 정보 처리 시스템에 있다.
본 발명의 이미지 센서는 렌즈 어레이의 광량 얼룩이 작고, 광량이 높고, 외관의 색수차도 작기 때문에, 색수차에 의한 번짐이 적고, 선명하고 얼룩이 적은 고해상도의 판독을 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 정보 처리 장치 및 정보 처리 시스템은 이미지 센서로부터 판독한 고품질 화상을 처리할 수 있다.
이하, 본 발명의 렌즈 어레이, 이미지 센서 및 이 이미지 센서를 이용한 정보 처리 장치 및 정보 처리 시스템에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 이미지 센서는 광을 수광하는 광전 변환 소자와, 조명 장치와, 원고의 반사광을 상기 광전 변환 소자에 결상시키는 굴절율 분포형 렌즈가 복수개 배열된 렌즈 어레이로 구성된다.
본 발명의 렌즈 어레이는 반경 r0인 원주 형상의 굴절율 분포형 렌즈를 배열하여 이루어지는 것이다.
굴절율 분포형 렌즈의 재질은 유리제, 플라스틱제 중 어느 것이라도 무방하다. 플라스틱제인 것은 저렴하고, 가공이 용이하기 때문에 특히 바람직하다.
원주 형상의 굴절율 분포형 렌즈의 반경 r0은 0.1㎜ 이상인 것이 바람직하고, 1㎜ 이하인 것이 바람직하다. r0이 0.1㎜보다도 작으면 렌즈 어레이를 제작하기 곤란해질 우려가 있다. r0이 1㎜보다 크면 렌즈 어레이의 길이 Z0이 지나치게 커지기 때문에 실용적이지 않게 되는 경향이 있다.
본 발명에서 이용하는 굴절율 분포형 렌즈는 중심으로부터 외주부를 향해 굴절율이 연속적으로 감소하는 굴절율 분포를 갖고 있다. 해당 렌즈의 굴절율 분포는, 바람직하게는 적어도 0.2r0∼0.7r0의 범위가 n(r)2=n0 2{1-(g·r)2}로 근사할 수 있다. 단, r : 광축으로부터의 거리; n(r) : 광축으로부터 r인 거리에서의 굴절율; n0: 중심 굴절율; g : 굴절율 분포 정수이다.
본 발명에 이용하는 렌즈의 유효 반경은 r1이며, r1≤r0이다. 유효 반경이란 렌즈를 사용하는 경우에, 사용하는 광의 파장에 대하여 투명한 부분의 반경을 말한다. 본 발명에 사용하는 렌즈로는, 결상에 기여하지 않는 플레어광이나 누화광을 제거하기 위해서, 외주부 부근을 불투명하게 해도 무방하다.
또한, 렌즈 어레이로서의 특성, 특히 초점 심도 특성을 향상시키기 위해서, 본 발명에서 이용하는 렌즈의 개구각은 15도 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에서 이용하는 렌즈 어레이는 굴절율 분포형 렌즈를 이용하여 공지의 임의 방법에 의해 얻을 수 있다. 예컨대, 복수개의 굴절율 분포형 렌즈를 일정한피치로 되도록 평행하게 배열하고, 접착제 등으로 기판에 고정하여 일정한 길이 Z0이 되도록 절단, 단면 연마하는 등의 방법으로 얻을 수 있다.
렌즈의 배열 피치란, 서로 이웃하는 렌즈의 중심축간의 거리이며 2R로 표시할 수 있다. 본 발명의 렌즈 어레이에서는, R과 렌즈의 반경 r0은 R≥r0≥0.8R을 만족시키고 있고, 바람직하게는 R>r0≥0.8R이다. r0≥0.8R로 함으로써 렌즈 어레이의 광량을 크게 할 수 있고, 이 렌즈 어레이를 이미지 센서에 사용한 경우, 개구각이 작고, 색수차가 작은 렌즈를 이용한 경우에도, 판독 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 렌즈를 완전히 밀접하게 배열한 경우 R=r0으로 되지만, R>r0으로 함으로써 렌즈 간의 누화를 방지하고, 렌즈 어레이의 해상도를 향상시킬 수 있어, 중첩도 m을 후술하는 본 발명의 범위로 하는 것이 용이해지고, 또한 렌즈 어레이에 이용하는 렌즈의 총수를 감소시킬 수 있으므로 경제적이다.
본 발명의 렌즈 어레이에서는, m=X0/2R로 정의되는 렌즈 어레이의 중첩도 m이, 1.05≤m≤1.2(단, r : 광축으로부터의 거리; n(r) : 광축으로부터 r의 거리에서의 굴절율; n0: 중심 굴절율; g : 굴절율 분포 정수; X0: 시야 반경(X0=-r1cos (Z0π/P)), r1: 굴절율 분포형 렌즈의 유효 반경; Z0: 굴절율 분포형 렌즈의 길이; P : 굴절율 분포형 렌즈의 주기 길이(P=2π/g))이며, 바람직하게는 1.1≤m≤1.2이다.
중첩도 m을 상기 범위로 함으로써, 렌즈 어레이의 결상면에서의 광량을 크게하고 광량 얼룩을 작게 할 수 있다. 또한, 이 렌즈 어레이를 이미지 센서에 사용한 경우, 수광 센서로의 도달 광량이 크기 때문에, 개구각이 작고, 색수차가 작은 렌즈를 이용한 경우에도, 판독 속도가 빠른 이미지 센서를 얻을 수 있다. 또한, 색수차가 있는 렌즈를 이용해도 해상도가 높은 이미지 센서를 얻을 수 있다.
본 발명의 이미지 센서에서, 굴절율 분포형 렌즈 단면과 원고면의 간격 Lm 및 렌즈 단면과 센서의 간격 Ls(모두 공기층 환산)가, 0.95·L0≤Lm≤1.05·L0및 0.95·L0≤Ls≤1.05·L0(단, L0=-(1/n0g)·tan(Z0π/P))을 만족시키고 있는 것이 바람직하다. 이러한 조건을 만족시키는 것에 의해, 광량 얼룩이나 해상도가 알맞은 조건에 가까운 상태에서 원고로부터의 반사광을 센서 상에 결상시킬 수 있기 때문에, 광량 얼룩이 보다 작고, 해상도가 보다 높은 이미지 센서로 할 수 있다. Lm 및 Ls가 상기 범위 이외인 경우는, 렌즈의 정립등배(正立等倍) 이미지로부터의 어긋남이 커지기 때문에, 해상도가 낮아지고, 또한, 광량 얼룩이 커지는 경향이 있다.
본 발명의 이미지 센서는, 도 1의 단면도 및 도 2의 상면도에 도시하는 바와 같이, 라인 형상의 광전 변환 소자군을 구비한 센서 IC(12)가, 판독 원고의 길이에 대응한 수만큼 라인 형상으로 센서 기판(11) 상에 정밀하게 나열된 센서 어레이(1)와, 렌즈 어레이(2)와, 조명 장치(3)와, 원고 지지용인 광투과성 부재로 이루어지는 커버 유리(4)와, 그들을 위치 결정하고 유지하기 위한 프레임(5)으로 구성되어 있다.
또, 참조 부호 322는 휨 교정핀이다. 이미지 센서의 제조에 있어서, 커버 유리(4)에 조명 장치(3)의 휨 교정핀(322)과, 렌즈 어레이(2)의 상면을 압착한 상태에서, 렌즈 어레이(2)의 상면과 프레임(5)과 조명 장치(3)가 근사적으로 동일 평면 상에 있도록, 조명 장치(3)와 렌즈 어레이(2)를 좌우로부터 사이에 두는 형태로 설정된 프레임(5) 내측면에, 커버 유리(4)를 접착한다. 이것에 의해, 조명 장치(3)와 렌즈 어레이(2)를 휘지 않고 정밀하게 위치 결정하여 고정할 수 있어서, 소망의 조명 위치에 정확하게 광을 조사하여, 렌즈 어레이(2) 전체 길이에 걸쳐 초점이 맞은 상태에서 원고로부터의 반사광을 결상시킬 수 있다.
본 발명의 이미지 센서에서 이용되는 조명 장치(3)는 원고면을 조명하기 위한 것이며, 광원으로서 백열 전구, 냉음극관, LED 등이 이용된다. 특정 파장을 차단할 목적으로 필터 소자와 조합하여 이용해도 무방하다. 조명 장치(3)의 광원으로는, 특정 파장의 광을 이용하기 쉬운 점에서 LED가 바람직하게 이용된다. 또한, 발광 파장이 다른 복수종류의 LED를 이용하여 컬러 이미지 센서로 하는 것은 더 바람직하다. 광원이 각각 청색, 녹색, 적색에 상당하는 3색의, 발광 파장이 다른 복수의 LED로 구성되어 있는 경우는 특히 바람직하다. 컬러 이미지 센서로서 이용하는 경우, 발광 파장의 피크는 색 재현성을 좋게 할 목적으로, 각각 450∼480㎚(청색), 510∼560㎚(녹색), 600∼660㎚(적색)로 하는 것이 바람직하다. 조명 장치(3)는 광원으로부터 도광체에 광이 입사하도록 배치되어 구성되어 있고, 도광체로부터의 출사광이 원고면을 조명하도록 배치되어 있다.
도 3에 조명 장치의 측면도, 도 4에 상세도를 나타낸다. 조명 장치(3)는,예컨대, 광원인 적색(R) LED 소자(311), 녹색(G) LED 소자(312), 청색(B) LED 소자(313)의 3색 LED 소자가 하나에 내장된 RGB 3색 LED 광원(31)과, 아크릴 수지 등의 광투과성이 우수한 부재로 이루어지는 도광체(32)로 구성되어 있다.
RGB 3색 LED 광원(31)은, 도광체(32)의 길이 방향의 단부의 한 쪽 또는 단부의 양쪽으로부터 도광체(32)로 광이 입사하도록 배치되어 있고, 입사한 광은 도광체(32)와 공기의 경계면에서 전반사를 반복하여, 도광체(32) 내를 전파하고 있다. 또한, RGB 3색 LED 광원(31)으로부터는 리드선(314)이 연장되어 있다.
또한, 도 4의 조명 장치의 상세도에 도시하는 바와 같이, 도광체(32)에는 잔 톱니 형상의 내(內)톱니부(321)가 도광체(32)의 길이 방향으로 연속적으로 형성되어 있고, 도광체(32) 중을 전파해 나가는 광이 내톱니부(321)로 입사하는 광만은 다른 면에 입사하는 광과는 달리, 원고면을 향하여 크게 방향을 바꿔 반사해서, 다음 도광체(32)와 공기의 경계면에서 전반사각 조건을 만족하지 않게 되어, 소망의 방향으로 출사된다.
다음으로, 본 실시예에서 이용하고 있는 렌즈 어레이(2)의 상세도를 도 5에 나타낸다. 본 실시예의 렌즈 어레이(2)는 굴절율 분포를 갖는 렌즈(21)에 의해 형성되어 있다. 렌즈 어레이(2)는 주변부와 중앙부에서 굴절율을 서서히 다르게 하는 것에 의해 렌즈 기능을 갖게 한 원주 형상의 렌즈(21)를 복수개 라인 형상으로 배열시키고, 두 장의 측판(23) 사이에 유지하여 구성되어 있다.
센서 기판(11)은 전기적 배선이 형성되어 유리 섬유에 에폭시 등을 함침시킨 유리 에폭시 기판, 또는 세라믹 기판이다. 센서 IC(l2)는 CCD 또는 CMOS 형이라고불리는 광을 전기로 변환하는 광전 변환 소자 등이며, 센서 기판(11) 상에 라인 형상으로 복수개가 정밀하게, 접착제를 거쳐서 접착된다. 또한, 센서 IC(12)와 센서 기판(11)의 전기적 접촉은 금 와이어(13)를 거쳐서 행해진다.
본 발명의 이미지 센서의 동작에 대하여 설명한다. 커버 유리(4)로 압착되어 지지된 원고에, 조명 장치(3)가 기울어진 방향으로부터 R, G, B 3색의 광을 전환하여 순차적으로 조명한다. 원고로부터 반사된 R, G, B 3색의 색 정보를 가진 광은 렌즈 어레이(2)에 의해 센서 IC(12) 상에 결상된다. 센서 IC(12)는 R, G, B 3색의 색 정보를 가진 광을 전기 신호로 변환하고, 도시하지 않는 시스템부로 전송한다. 시스템부는 R, G, B 3색의 전기 신호를 처리하여 컬러 화상을 재현한다.
본 발명의 이미지 센서는 광량 얼룩이 작기 때문에, 균일한 이미지를 판독할 수 있다. 또한, 외관의 색수차를 작게 하고 있기 때문에, 고해상도의 컬러 이미지 센서로 할 수도 있다. 또한, 광량이 높기 때문에 판독 속도를 높일 수 있게 된다.
다음으로, 본 발명의 정보 처리 장치에 대하여 설명한다. 본 발명의 정보 처리 장치는 본 발명의 이미지 센서와, 해당 이미지 센서로부터 입력된 화상 정보를 처리하는 처리 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
도 6에 본 발명의 이미지 센서를 이용하여 구성한 정보 처리 장치(예컨대, 팩시밀리)의 일례를 나타낸다. 도면 중의 참조 부호 700은 이미지 센서, 참조 부호 701은 원고를 판독 위치를 향해 급송하기 위한 급송 롤러, 참조 부호 702는 원고를 한 장씩 확실하게 분리 급송하기 위한 분리편이다. 참조 부호 703은 이미지 센서(700)의 판독 위치에 마련되어 원고의 피판독면을 규제하고, 또한, 원고를 반송하는 원고 반송 수단으로서 이용되는 반송 롤러이다. 이미지 센서(700)와 원고의 상대적 위치를 변경하는 수단으로서는, 상기 원고 반송 수단이 간단하기 때문에 바람직하지만, 원고 반송 수단 대신에 이미지 센서를 이동시키는 수단을 이용할 수도 있고, 이들을 더불어 이용할 수도 있다. W는, 도시한 예에서는 롤지 형태를 한 기록 매체이며, 이미지 센서(700)에 의해 판독된 화상 정보, 또는 팩시밀리 장치 등의 경우에는 외부로부터 송신된 화상 정보가 여기에 형성된다. 참조 부호 704는 화상 형성 수단으로서 이용되는 기록 헤드이며, 감열식 헤드, 버블젯 기록 헤드 등 여러 가지를 이용할 수 있다. 또한, 이 기록 헤드(704)는 직렬형이나, 라인형인 것이어도 무방하다. 참조 부호 705는 기록 헤드(704)에 의한 기록 위치에 대하여 기록 매체를 반송하고, 또한, 그 피기록면을 규제하는 플래튼 롤러이다. 참조 부호 706은 조작 입력을 수용하기 위한 표시부 등을 배치한 오퍼레이션 패널이다. 참조 부호 707은 시스템 제어 기판이며, 각 부를 제어하는 제어부나, 광전 변환 소자의 구동 회로, 화상 정보의 처리부, 송수신부 등이 마련된다. 참조 부호 708은 장치의 전원이다.
본 장치는 시스템 제어 회로 기판(707) 상에 있는 마이크로컴퓨터(제어 수단)에 의해 전체의 제어가 행해지게 되어 있다. 또한 마이크로컴퓨터는 상기한 이미지 센서(700)의 제어, 즉 조명 장치(3)의 점등 제어나 센서 어레이(1)의 구동을 제어한다.
이미지 센서(700)에 의해 판독된 화상 신호는, 기록 매체 W에 기록하기 위한 처리, 또는 외부에 출력하기 위한 화상 처리가 시스템 제어 회로 기판(707) 상의신호 처리 회로(화상 처리 수단)에 의해 행해진다.
도 7은 이미지 센서(700)를 이용하여 구성된 정보 처리 장치를 구비한 정보 처리 시스템의 일례로서, 이미지 센서(700)를 내장한 화상 판독 장치(150)를 퍼스널 컴퓨터(160)에 접속하여 시스템화하고, 판독한 화상 정보를 퍼스널 컴퓨터(160) 또는 네트워크 상에 송출하도록 한 것이다.
도 7에서, 참조 부호 170은 화상 판독 장치(150) 전체를 제어하는 제 1 제어 수단으로서의 CPU, 참조 부호 700은 상술한 광원 및 CCD 라인 센서 등에 의해 구성되고, 원고의 화상을 화상 신호로 변환하는 판독 유닛으로서의 이미지 센서, 참조 부호 116은 이미지 센서(700)로부터 출력되는 아날로그 화상 신호에 이득 조정 등의 아날로그 처리를 실시하는 아날로그 신호 처리 회로이다.
또한, 참조 부호 118은 아날로그 신호 처리 회로(116)의 출력을 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기, 참조 부호 180은 메모리(122)를 사용하여 A/D 변환기(118)의 출력 데이터에 셰이딩 보정 처리, 감마 변환 처리 및 변배(變倍) 처리 등의 화상 처리를 실시하는 디지털 신호 처리 회로, 참조 부호 124는 디지털 신호 처리 회로(180)에 의해 화상 처리된 디지털 화상 데이터를 외부로 출력하는 인터페이스(I/F)이다.
인터페이스(124)는, 예컨대, SCSI 또는 Bi-Centronics 등의 퍼스널 컴퓨터에서 표준적으로 채용되는 규격에 따라, 퍼스널 컴퓨터(160)에 접속된다.
이들 아날로그 신호 처리 회로(116), A/D 변환기(118), 디지털 신호 처리 회로(180), 메모리(122)에 의해 화상 처리 수단이 구성된다.
제 2 제어 수단인 퍼스널 컴퓨터(160)에는, 외부 기억 장치 또는 보조 기억 장치(132)로서, 광자기 디스크 드라이브나, 하드 디스크 드라이브나, 플로피 디스크 드라이브 등이 장비된다.
참조 부호 134는 퍼스널 컴퓨터(160) 상에서의 작업을 표시하는 디스플레이, 133은 커맨드 등을 입력하기 위한 마우스/키보드이다.
또한, 참조 부호 135는 퍼스널 컴퓨터와 화상 판독 장치 사이에서 데이터, 커맨드, 화상 판독 장치의 상태 정보의 송수신을 담당하는 인터페이스이다.
퍼스널 컴퓨터(160)는 마우스/키보드에 의해 화상 판독 장치에 대하여 판독 지시를 입력할 수 있게 되어 있다.
판독 지시가 입력되면, CPU(170)는 인터페이스(135)를 거쳐 화상 판독 장치에 대하여 판독 커맨드를 송신한다. 그리고, 퍼스널 컴퓨터는 ROM(137)에 저장되어 있는 제어 프로그램에 따라 화상 판독 장치를 제어한다. 또, 이 제어 프로그램은 보조 기억 장치(132)에 충전되는 기억 매체에 기억한 것을 퍼스널 컴퓨터 내의 RAM(138)에서 읽어들이는 것에 의해, CPU(136)가 실행하도록 해도 무방하다.
이와 같은 정보 처리 시스템으로 이용함으로써, 본 발명의 정보 처리 장치는 실용성이 높은 것으로 된다.
이하, 실시예를 이용하여 본 발명의 이미지 센서를 설명한다. 또한, 실시예 및 비교예에서의 렌즈 성능(MTF)의 측정은 하기 방법에 의해 행했다.
렌즈의 해상도를 나타내는 MTF는, 도 8에 도시하는 바와 같이, 공간 주파수(라인쌍/㎜, Lp/㎜)를 갖는 기준 직사각형 격자(804), 렌즈 어레이(805) 및 광원(801), 필터(802), 확산판(803)을 배열하고, 결상면에 설치한 CCD 라인 센서(806)에 의해 격자 화상을 판독하여, 그 측정 광량의 최대값(iMAX)과 최소값(iMIN)을 측정해서, 다음 수학식에 의해 구했다.
여기서 공간 주파수란, 도 8의 격자(804)에 나타내는 것과 같이, 백색 라인과 흑색 라인의 조합을 1라인 쌍으로 하여, 이 라인의 조합이 1㎜의 폭 중에 몇 조 마련되어 있는지를 나타내는 것이다.
우선, 실시예에 대하여 설명한다. 반경 r0이 0.297㎜, 유효 반경 r1이 0.250㎜, 중심 굴절율이 1.497, 굴절율 분포 정수 g=0.486(모두 광의 파장이 525㎚에서의 값)의 플라스틱 렌즈를 1열로 평행하게 밀착시켜 배열하고, 카본 블랙을 분산시킨 에폭시계의 접착제로 두 장의 흑색 백 라이트 기판 사이에 두고 접착하여, 렌즈 단면을 다이아몬드칼로 절삭 연마함으로써, 배열 피치 2R=0.597㎜, 렌즈 길이 Z0=8.0㎜의 1열 렌즈 어레이를 제작했다. 또, 접착 시에 렌즈를 밀착시키는 방향에 따른 압력이 작게 되도록 하고 있으므로, 접착 시에 접착제가 렌즈 사이에 들어가고, 렌즈 사이는 간신히 접착제를 거쳐서 격리되어 있다. 이 렌즈 어레이의 470, 525, 630㎚에서의 MTF가 최대값으로 되는 공역 길이(TC)는 각각 14.7, 15.0, 15.4㎜였다. 이 렌즈 어레이의 525㎚에서의 중첩도 m은 1.15이며, L0은 3.5㎜였다. 이 렌즈 어레이의 TC=15.0㎜에서의 470, 525, 630㎚에서의 MTF(12Lp/㎜)와 광량 얼룩을 측정했더니, 각각 MTF가 55, 77, 55%, 광량 얼룩이 12, 8, 18%였다.
이 렌즈 어레이를, 렌즈 단면과 원고면의 간격 Lm 및 렌즈 단면과 센서의 간격 Ls(모두 공기층 환산)가 3.5㎜가 되도록, 컬러 이미지 센서에 내장하여 이미지 센서를 제작했다. 이 이미지 센서를 이용하여 컬러 화상을 전송한 바, 색수차에 의한 번짐이 적은 전송 이미지가 얻어졌다.
다음으로, 비교예에 대하여 설명한다. 상기 실시예에서, 렌즈 길이 Z0을 7.6㎚로 변경한 것 이외는 마찬가지로 하여 렌즈 어레이를 제작했다. 이 렌즈 어레이의 470, 525, 630㎚에서의 MTF가 최대값으로 되는 TC는 각각 17.2, 17.8, 18.4㎜였다. 이 렌즈 어레이의 525㎚에서의 중첩도 m은 1.55이며, L0은 3.5㎜였다. 이 렌즈 어레이의 TC=15.0㎜에서의 470, 525, 630㎚에서의 MTF(12Lp/㎜)와 광량 얼룩을 측정했더니, 각각 MTF가 40, 65, 35%, 광량 얼룩이 7, 9, 8%였다. 또한, 렌즈 어레이의 광량은 상기 실시예의 대략 80% 정도였다.
이 렌즈 어레이를 이용하여, 렌즈 단면과 원고면의 간격 Lm 및 렌즈 단면과 센서의 간격 Ls(모두 공기층 환산)가 5.1㎜가 되도록 컬러 이미지 센서에 내장하여 이미지를 전송했더니, 얻어진 전송 이미지에는 색수차에 의한 번짐을 볼 수 있었다. 이 이미지 센서의 최대 독해 속도는 실시예의 이미지 센서에 비해 20% 정도 열화되어 있었다.
본 발명의 이미지 센서는 렌즈 어레이의 광량 얼룩이 작고, 광량이 높으며, 외관의 색수차도 작기 때문에, 색수차에 의한 번짐이 적고, 선명하고 얼룩이 적은 고해상도의 판독을 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 정보 처리 장치 및 정보 처리 시스템은 이미지 센서로부터 판독한 고품질 화상을 처리할 수 있다.

Claims (22)

  1. 중심으로부터 외주부를 향해 굴절율이 연속적으로 감소하여 이루는 반경 r0인 원주 형상의 굴절율 분포형 렌즈를 배열 피치 2R로 1열 이상 배열하여 이루어지는 렌즈 어레이로서, R이 R≥r0≥0.8R이며, 또한, 굴절율 분포형 렌즈의 굴절율 분포를 n(r)2=n0 2{1-(g·r)2}로 근사했을 때(단, 상기 r은 광축으로부터의 거리, n(r)은 광축으로부터 r의 거리에서의 굴절율, n0은 중심 굴절율, g는 굴절율 분포 정수, X0은 시야 반경(X0=-r1cos(Z0π/P)), r1은 굴절율 분포형 렌즈의 유효 반경, Z0은 굴절율 분포형 렌즈의 길이, P는 굴절율 분포형 렌즈의 주기 길이, 즉 P=2π/g), m=X0/2R로 정의되는 중첩도 m이, 1.05≤m≤1.2인 렌즈 어레이.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴절율 분포형 렌즈의 개구각은 15도 이하인 렌즈 어레이.
  3. 제 1 항에 있어서,
    R이, R>r0≥0.8R인 렌즈 어레이.
  4. 제 1 항에 있어서,
    중첩도 m이, 1.1≤m≤1.2인 렌즈 어레이.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴절율 분포형 렌즈는 플라스틱제인 렌즈 어레이.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴절율 분포형 렌즈는 유리제인 렌즈 어레이.
  7. 원고를 조명하는 조명 장치와, 원고로부터의 반사광을 결상시키는 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 렌즈 어레이와, 상기 굴절율 분포형 렌즈에 의해 결상된 이미지의 광을 수광하는 광전 변환 소자를 구비한 이미지 센서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 굴절율 분포형 렌즈의 한쪽 단면과 원고면의 간격 Lm과, 상기 굴절율 분포형 렌즈의 다른 쪽 단면과 센서의 간격 Ls가, 모두 공기층 환산으로, 0.95·L0≤Lm≤1.05·L0과, 0.95·L0≤Ls≤1.05·L0(단, 상기 L0은, L0=-(1/n0g) ·tan(Z0π/P))을 만족시키는 렌즈 어레이를 이용하는 이미지 센서.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 조명 장치의 광원은 LED인 이미지 센서.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 조명 장치의 광원은 LED인 이미지 센서.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 조명 장치의 광원은, 발광 파장이 다른 복수의 LED로 구성되어 있는 이미지 센서.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 조명 장치의 광원은, 발광 파장이 다른 복수의 LED로 구성되어 있는 이미지 센서.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 조명 장치의 광원은, 청색, 녹색, 적색에 상당하는 3색의, 발광 파장이 다른 복수의 LED로 구성되어 있는 이미지 센서.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 조명 장치의 광원은, 청색, 녹색, 적색에 상당하는 3색의, 발광 파장이 다른 복수의 LED로 구성되어 있는 이미지 센서.
  15. 청구항 7에 기재된 이미지 센서와,
    해당 이미지 센서로부터 입력된 화상 정보를 처리하는 처리 수단을 구비하는 정보 처리 장치.
  16. 청구항 8 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 기재된 이미지 센서와,
    해당 이미지 센서로부터 입력된 화상 정보를 처리하는 처리 수단을 구비하는 정보 처리 장치.
  17. 청구항 7에 기재된 이미지 센서와,
    원고와 이미지 센서의 상대적 위치를 변경하는 수단과,
    상기 이미지 센서에 의해 판독된 화상 정보로부터 화상을 형성하는 화상 형성 수단과,
    원고 입력으로부터 출력까지 제어하는 제어 수단을 구비하는 정보 처리 장치.
  18. 청구항 8 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 기재된 이미지 센서와,
    원고와 이미지 센서의 상대적 위치를 변경하는 수단과,
    상기 이미지 센서에 의해 판독된 화상 정보로부터 화상을 형성하는 화상 형성 수단과,
    원고 입력으로부터 출력까지 제어하는 제어 수단을 구비하는 정보 처리 장치.
  19. 청구항 7에 기재된 이미지 센서와,
    해당 이미지 센서로부터의 아날로그 신호를 처리하는 아날로그 신호 처리 수단과,
    상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 변환 수단과,
    해당 변환 수단으로부터의 상기 디지털 신호를 처리하는 디지털 신호 처리 수단과,
    외부 기기와의 접속을 행하는 인터페이스 수단
    을 구비하는 정보 처리 장치.
  20. 청구항 8 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 기재된 이미지 센서와,
    해당 이미지 센서로부터의 아날로그 신호를 처리하는 아날로그 신호 처리 수단과,
    상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 변환 수단과,
    해당 변환 수단으로부터의 상기 디지털 신호를 처리하는 디지털 신호 처리 수단과,
    외부 기기와의 접속을 행하는 인터페이스 수단
    을 구비하는 정보 처리 장치.
  21. 청구항 19에 기재된 정보 처리 장치와,
    해당 정보 처리 장치와 접속된 컴퓨터를 구비하는 정보 처리 시스템에 있어서,
    상기 정보 처리 장치가 내장하는 상기 인터페이스 수단과, 상기 컴퓨터가 내장하는 제 2 인터페이스 수단이 접속되고, 이들 인터페이스 수단을 거쳐서 디지털 신호가 송수신되는 정보 처리 시스템.
  22. 청구항 20에 기재된 정보 처리 장치와,
    해당 정보 처리 장치와 접속된 컴퓨터를 구비하는 정보 처리 시스템에 있어서,
    상기 정보 처리 장치가 내장하는 상기 인터페이스 수단과, 상기 컴퓨터가 내장하는 제 2 인터페이스 수단이 접속되고, 이들 인터페이스 수단을 거쳐서 디지털 신호가 송수신되는 정보 처리 시스템.
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