KR20040038906A - 상검출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 상검출장치는 광섬유 어레이기판(101)과, 그 위의 회로도체층(109)과, 회로도체층 상에 배치된 이미지센서(106)와, 광섬유의 입사면에 대한 입사각을 임계각보다 크게 하고, 또한 입사면에서의 반사광방향이 광섬유의 광축방향에 대하여 광섬유 내면에서의 전반사 임계각 이하가 되도록 배치된 제 1 조명수단(104)과, 광섬유의 입사면에 대한 입사각을 임계각보다 작게 하고, 또 입사면에서의 반사광방향이 광섬유의 광축방향에 대하여 광섬유 내면에서의 전반사임계각 이상이 되도록 배치된 제 2 조명수단(105)과, 각 조명수단의 점등 또는 소등에 관한 제어를 행하는 제어수단(110)을 구비하며, 광섬유의 광축방향이 상기 광섬유 어레이기판의 상기 주면의 법선과 소정의 각도로 경사지게 배치되어 있다.

Description

상검출장치{IMAGE SENSING APPARATUS}

종래부터 지문 등의 미세한 요철패턴을 검출하는 대표적인 것으로서 광학식 검출장치가 있다. 종래의 광학식 요철패턴 검출장치로서는 프리즘을 이용하는 것이 알려져 있다(예를 들어, 일본특허공개 소55-13446호 공보참조).

이 종래예에서는 직각프리즘을 이용하여 입사면으로부터 평행광을 입사하고, 이 입사광이 직각프리즘의 경사면에서 전반사되어 출사면으로부터 출력한 출사광을 카메라로 촬상하는 구성으로 되어 있다. 손가락 등의 요철이 있는 물체가 직각프리즘의 경사면에 밀착접촉한 경우에는, 오목부에서는 입사광은 전반사되지만 볼록부에서는 굴절율의 관계때문에 전반사가 생기지 않는다. 이 작용으로 요철에 의해 명암이 명료해져서 요철패턴을 검출할 수 있다.

이러한 구성의 광학식 요철패턴 검출장치에서는, 광원으로부터 조사되는 입사광과 카메라에 촬상되는 출사광이 거의 직각이 되도록 광원이나 카메라를 배치해야 하므로 요철검출장치를 소형화하기가 어려웠다.

이 과제를 해결하는 구성으로서, 종래부터 광섬유 플레이트를 사용한 요철패턴 검출장치가 알려져 있다(예를 들어, 일본 특허공개 평6-300930호 공보참조).

이 종래의 요철패턴 검출장치의 구성에 대하여 도 23, 도 24를 이용하여 설명한다.

도 23에서 2301은 광섬유다발, 2301a는 광섬유다발(2301)의 입사면, 2301b는 광섬유다발(2301)의 출사면이고, 입사면(2301a)은 광섬유다발(2301)의 각 광섬유의 중심축에 대하여 소정의 각도로 기울어져 있다. 2302는 조명수단(예를 들어, LED), 2303은 조명수단으로부터 투광되는 평행광속(조사광)이다.

이어서, 동작에 대하여 설명한다. 우선, 조명수단(2302)으로부터 평행광속(2303)을 투광한다. 이 평행광속(2303)은 광섬유다발(2301)을 투과하여 입사면(2301a)에 도달한다.

이 경우, 입사면(2301a)에 대한 평행광속(2303)의 입사각 θ는 광섬유의 코어부(2402)와 공기와의 계면에서의 임계각보다 큰 것으로 한다.

따라서, 반사각 θ의 반사광(2401)(도 24 참조)은 피검체(2101)의 오목부와 접촉하지 않는 입사면(2301a)에서 전반사로 되고, 피검체(2101)의 볼록부와 접촉하고 있는 입사면(2301a)에서 매질 상호의 굴절율에 의해 전반사가 되지 않는다.

이로 인하여, 오목부가 비접촉부분인 반사광은 볼록부가 접촉하고 있는 부분의 반사광보다 강하게 되므로, 반사광(2401)은 요철패턴에 따른 콘트라스트가 높은 광패턴을 형성한다. 이미지센서(2105)는 출사면(2301b)에 직접 부착되어 있으므로, 이미지센서(2105)의 촬상면은 출사면(2301b)에 직접접촉 또는 출사면(2301b)의 근방에 배치되어 있다.

따라서, 출사면(2301b) 상의 광패턴은 이미지센서(2105)의 촬상면에 직접 입력된다. 이상과 같이, 광학섬유다발을 이용하면 광섬유다발을 구부릴 수 있어 프리즘을 이용하는 경우에 비해 광로설계가 자유로워 소형화에 적합하다.

도 24는 도 23에 나타낸 요철패턴 검출장치의 광섬유 중 하나를 확대한 단면도이다. 본 도면에서는 입사면과 섬유의 광축의 각도를 규정하고 있다.

도 24에서, 2401은 입사면(2301a)에서의 평행광속(2303)의 정반사광이고, 정반사광(2401)과 입사면의 법선(2405)과의 각도는 θ로 설정되어 있다. 2402는 광섬유다발(2301) 중 하나의 광섬유의 코어부, 2403은 클래드(cladding)이다. 2404는 광섬유의 중심축이고, 입사면(2301a)의 근방에서는 중심축(2404)과 입사면(2301a)의 법선(2405)과의 각도는이다.

입사면(2301a) 근방의 광섬유의 중심축(2404)은 반사광(2401)에 대하여 거의 평행하고, 입사면(2301a)의 법선(2405)과 광섬유의 중심축(2404)이 이루는 각는 반사광(2401)이 광섬유다발(2301)의 광섬유 내를 전반사에 의해 전파할 수 있도록 다음의 수학식 1에 나타내는 전반사전파 임계각의 조건을 만족한다.

수학식 1에서 n core는 광섬유의 코어부(2402)의 굴절율, N.A.는 광섬유의 개구수이다.

이로 인하여, 반사각 θ의 반사광(2401)은 광섬유다발(2301)의 각 광섬유를 전파한다. 이 때 입사면(2301a)에 피검체(2101)의 볼록부가 접촉하고 있는 광섬유에서는 비전반사광이 전파되고, 입사면(2301a)에 오목부가 대향하고 있는 광섬유에서는 전반사광이 전파된다.

그런데, 도 23, 도 24에 나타내는 종래의 요철패턴 검출장치에서는 조명수단(2302)으로부터 조사된 조명광(2303)은 광섬유다발을 가로질러 입사면(2301a)에 입사된다.

입사면에 가압된 요철패턴 중, 오목부에서는 도 24와 같이 입사면은 공기에 접하고 있다.

여기서, 입사면의 법선방향(2405)과 입사된 조명광이 이루는 각 θ를 섬유의 코어(2402)가 공기에 대하여 갖는 전반사 임계각 이상으로 설정하고 있다.

이로 인하여, 요철패턴이 밀착되지 않은 오목부에서는 입사면(2402)에 대하여 전반사조건을 만족하고, 조사광(2303)은 완전히 반사되어 입사면의 법선과 반대방향으로 법선과 이루는 각 θ로 반사되어 섬유전달광(2401)으로서 섬유 내를 전달한다.

이 때 더욱, 광섬유의 광축(2404)과 광섬유전달광(2401)이 이루는 각을 광섬유 내면에서의 전반사 임계각 이하가 되도록 광섬유의 광축방향이 설정되어 있다.

이로 인하여, 광섬유전달광은 섬유의 코어(2402)와 클래드(2403)의 계면을 전반사하면서 출사면(2301b) 방향으로 전달된다. 즉, 조사광(2303)의 거의 모든 광량이 출사면측의 이미지센서에 입사되어 이미지센서로 광-전기변환을 하여 광량에따른 전기신호를 출력하고 있다.

한편, 요철패턴의 볼록부에서는 광섬유의 코어(2402)와 요철패턴의 볼록부가 밀착하고 있기 때문에, 전반사 임계각이 공기에 대한 임계각과 다르고, 이로 인해 전반사조건이 되지 않는다.

그래서, 입사면에 조사된 조사광은 입사면을 투과하여 피검체(2101)에 조사된다. 조사광은 피검체(2101)의 표면 혹은 내부에서 산란되고, 그 일부가 다시 광섬유의 입사면(2402)으로부터 섬유로 전달된다. 섬유 내부에 전달된 산란광 중, 다시 광섬유 내면에서의 전반사 임계각 이내의 광만이 섬유 내부를 통하여 출사면으로 전달되어 섬유로부터 이미지센서로 조사된다.

이렇게 하여, 오목부는 거의 전반사되어 강한 광이 이미지센서 조사되고, 볼록부에서는 약한 산란광의 일부가 이미지센서에 조사되어, 요철패턴에 따른 전기 출력이 이미지센서로부터 출력된다.

그러나, 광학섬유다발을 이용한 상기 요철패턴 검출장치에는 다음과 같은 과제가 있다.

도 23과 같이 조명광원을 개별적으로 설치하고 있기 때문에 장치 전체가 일체로 된 소형화가 곤란하다(제 1 과제).

또, 촬상소자가 광섬유의 광축에 수직으로 설치되어 있어 장치를 평판화할 수 없다. 장치를 설치하기 쉽도록 촬상소자를 도 23과 같이 수직으로 하기 위해서는 광학섬유를 입사면과 출사면 사이에서 구부려야 한다. 광학섬유는 구부릴 수는 있지만, 시간이 걸리고 비용이 상승되는 요인이 될 뿐만아니라, 전송손실에 의해화상이 어두워지거나 화상에 왜곡이 생기는 등의 과제가 있다(제 2 과제).

특히, 슬림화하기가 어렵다. 또, 패키징하여 면실장하기가 어렵고, 면실장할 수 있다고 해도 높이가 높아진다. 또, 광학섬유의 중심축과 입사면의 법선이 이루는 각을 수학식 1로 규정하고 있지만, 이 범위에서는 입사면에서 전반사한 광이 코어 내에서 전반사하여 전파한다는 조건에 지나지 않고, 이 조건의 경계에서는 입사면에서 전반사하는 광의 일부만이 광학섬유 내를 전파하는 것에 지나지 않아, 광의 이용효율이 나쁘고, 또한 화상이 어두워진다는 과제를 갖고 있었다.

그런데, 복사물과 같은 피검체에 관해서는, 그 단면을 미시적으로 보면, 지면 상에 복사용 토너가 반원형상의 돌기물로서 부착되어 있다. 그 때문에, 상기와 같은 종래의 요철패턴 검출장치의 구성에서는 토너의 돌기물과 광섬유의 코어가 점접촉하기 때문에 광섬유의 코어가 피검체의 표면과 광학적으로 밀착하는 영역이 극히 적다.

그 때문에, 광섬유의 입사면에서는 전반사조건을 만족하게 되어 조사광이 입사면에서 피검체로 진행하는 경우가 없다.

이 때문에, 피검체의 농도정보, 다시 말하면, 원고 등의 화상정보를 동일한 센서로 판독하는 것이 불가능하다는 과제를 갖고 있었다(제 3 과제).

본 발명은 예를 들어, 고무인이나 지문 등의 부드러운 물체의 표면에 형성된 요철패턴 및 그 농도정보를 1차원의 화상데이터로서 직접 입력하기 위한 상검출장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 제 A1 실시예에서의 요철검출센서의 단면도.

도 2는 본 발명의 제 A1 실시예에서의 요철검출센서의 상면도.

도 3의 (a)∼(e)는 본 발명의 제 A1 실시예에서의 섬유함유 광학플레이트의 제조공정을 나타내는 도면.

도 4의 (a)∼(c)는 본 발명의 제 A1 실시예에서의 섬유함유 광학플레이트의 제조공정에서의 직접접합에 의한 접합의 각 단계에서의 유리와 섬유플레이트의 계면상태를 나타내는 도면.

도 5는 본 발명의 제 A1 실시예에서의 요철검출센서의 패키징을 나타내는 단면도.

도 6은 본 발명의 제 A1 실시예에서의 요철검출센서의 실장형태를 나타내는 단면도.

도 7의 (a)는 본 발명의 제 A1 실시예에서의 요철센서의 동작원리를 나타내는 도면.

도 7의 (b)는 본 발명의 제 A1 실시예에서의 섬유함유 광학플레이트의 설계원리를 나타내는 도면.

도 8은 본 발명의 제 A2 실시예에서의 요철검출센서의 단면도.

도 9는 본 발명의 제 A3 실시예에서의 요철검출센서의 단면도.

도 10은 본 발명의 제 A3 실시예에서의 요철검출센서의 단면도.

도 11은 본 발명의 제 A4 실시예에서의 요철검출센서의 단면도.

도 12는 본 발명의 제 A4 실시예에서의 요철검출센서의 단면도.

도 13은 본 발명의 제 A4 실시예에서의 요철검출센서의 단면도.

도 14는 본 발명의 제 A4 실시예에서의 요철검출센서의 단면도.

도 15는 본 발명의 제 A5 실시예에서의 요철검출센서의 단면도.

도 16은 본 발명의 제 B1 실시예에서의 상검출장치의 단면구조도.

도 17은 본 발명의 제 B1 실시예에서의 상검출장치의 동작설명도.

도 18은 본 발명의 제 B1 실시예에서의 상검출장치의 동작설명도.

도 19는 본 발명의 제 B1 실시예에서의 상검출장치의 동작설명도.

도 20은 본 발명의 제 B2 실시예에서의 상검출장치의 동작설명도.

도 21은 본 발명의 제 B3 실시예에서의 상검출장치의 동작설명도.

도 22의 (a)∼(b)는 본 발명의 제 B4 실시예에서의 상검출장치의 동작설명도.

도 23은 종래의 요철패턴 검출장치의 개략구조도.

도 24는 종래의 요철패턴 검출장치의 요부확대단면도.

도 25는 본 실시예의 상검출장치의 개략구성을 나타내는 블록도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 섬유 2 : 유리

3 : 광전변환장치 4 : 조명장치

5 : 범프 6 : 접착제

7 : 인출선 8 : 외부전극패드

10 : 광흡수체 11 : 광반사체

12a, 12b : 패키지 13 : 외부전극

14 : 리드선 15 : 케이스

16 : 프린트기판 50 : 섬유함유 광학플레이트

60 : 요철검출센서 F : 손가락

100 : 상검출장치 101 : 광섬유기판

102 : 광섬유다발 103 : 베이스유리(base glass)

104 : 제 1 조명수단 105 : 제 2 조명수단

106 : 이미지센서 107 : 입사면

108 : 출사면 110 : 제어회로

111 : 구동회로 703 : 흡수층

: 섬유의 경사각

θa, θb : 광학플레이트면(입사면)에서 반사한 광이 섬유 내를 전달하는 각도

θc : 입사광이 입사면에서 전반사하는 각도

θs : 외부광이 섬유 내에서 전달하는 각도

본 발명은 상기 종래의 세가지 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 동일한 검출장치에 있어서, 피검체의 요철패턴을 검출하는 기능과 피검체의 화상정보를 검출할 수 있는 기능을 모두 구비한 상검출장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

제 1 발명은, 한쪽의 단면(端面)을 입사면, 다른쪽 단면을 출사면으로 하는 복수의 광섬유가 관통되어 배치된, 상기 출사면을 포함하는 면을 주면(主面)으로 하는 광섬유 어레이기판과,

상기 주면 상에 형성된 회로도체층과,

상기 회로도체층 상의 소정의 위치에 배치된 이미지센서와,

상기 광섬유의 상기 입사면에 대한 입사각을 임계각보다 크게 하고, 또 상기 입사면에서의 반사광방향이 상기 광섬유의 광축방향에 대하여 광섬유 내면에서의 전반사 임계각 이하가 되도록 배치된 제 1 조명수단과,

상기 광섬유의 상기 입사면에 대한 입사각을 임계각보다 작게 하고, 또 상기 입사면에서의 반사광방향이 상기 광섬유의 광축방향에 대하여 광섬유 내면에서의 전반사 임계각 이상이 되도록 배치된 제 2 조명수단과,

상기 제 1, 제 2 조명수단의 점등 또는 소등에 관한 제어를 행하는 제어수단을 구비하며,

상기 광섬유의 광축방향이 상기 광섬유 어레이기판의 상기 주면의 법선과 소정의 각도로 기울어져 배치되어 있는 상검출장치이다.

제 2 발명은, 상기 제어수단에 의해 상기 제 1 조명수단으로부터의 조사광만이 상기 입사면에 조사된 경우,

상기 입사면에 접촉된 피검출대상의 요철패턴의 오목부로부터의 반사광이 볼록부로부터의 반사광보다 강한 요철패턴을 검출하는 상기 제 1 발명의 상검출장치이다.

제 3 발명은, 상기 제 1 조명수단은 상기 주면 상에 투광성 절연수지를 개재하여 페이스 다운(face down)으로 실장되어 있는 상기 제 1 또는 제 2 발명의 상검출장치이다.

제 4 발명은, 상기 제어수단에 의해 상기 제 2 조명수단부터의 조사광만이 상기 입사면에 조사된 경우,

상기 입사면에 접촉된 피검출대상의 요철패턴의 농도에 대응한 반사광을 검출하는 상기 제 1 발명의 상검출장치이다.

제 5 발명은, 상기 제 2 조명수단은 상기 주면 상에 투광성 절연수지를 개재하여 페이스 다운으로 실장되어 있는 상기 제 1 또는 제 2 발명의 상검출장치이다.

제 6 발명은, 상기 제어수단은 상기 제 1 조명수단의 조명광과 상기 제 2 조명수단으로부터의 광을 시간분할하여 선택적으로 광섬유의 입사면에 조사하는 상기 제 1 발명의 상검출장치이다.

제 7 발명은, 상기 광섬유 어레이기판의 두께를 d, 상기 광섬유의 상기 입사면에서의 임계각을 θ로 했을 때,

상기 제 1 조명수단은 상기 광섬유 어레이기판 상의 상기 입사면의 실질상 중심의 위치에 대향하는, 상기 주면 상의 위치로부터 상기 출사면과 반대방향으로 적어도 d × tanθ의 거리만큼 떨어진 위치에 배치되어 있는 상기 제 1∼6 발명 중 어느 한 발명의 상검출장치이다.

제 8 발명은, 상기 제 2 조명수단이, 상기 광섬유 어레이기판 상의 상기 입사면의 실질상 중심의 위치에 대향하는, 상기 주면 상의 위치를 기준으로 하여 상기 출사면측의 영역에 배치되어 있는 상기 제 1∼6 발명 중 어느 한 발명의 상검출장치이다.

제 9 발명은, 상기 이미지센서, 상기 제 1 조명수단 및 상기 제 2 조명수단이 배치된 영역과, 상기 입사면 및 출사면의 영역을 제외한 영역의 표면에 광흡수층이 형성되어 있는 상기 제 1∼8 발명 중 어느 한 발명의 상검출장치이다.

제 10 발명은, 상기 흡수층의 굴절율과, 상기 광섬유 어레이기판의 상기 베이스유리(base glass)의 굴절율과의 차가 0.1 이하인 상기 제 8 발명의 상검출장치이다.

제 11 발명은, 상기 광섬유의 광축방향이 상기 입사면의 법선과 이루는 각도가 상기 제 1 조명수단으로부터 나오는 광의 상기 입사면에서의 반사각보다 작은 관계에 있는 상기 제 1∼10 발명 중 어느 한 발명의 상검출장치이다.

이하, 상기 제 1의 과제 및/또는 제 2의 과제를 해결하는 본 발명에 관련되는 기술의 실시예에 대하여 도면을 이용하여 설명한다.

(제 A1 실시예)

도 1, 도 2는 본 발명에 관련되는 기술의 제 A1 실시예에서의 요철검출센서의 단면도와 상면도이다.

요철검출센서(60)는 섬유함유 광학플레이트(50)의 한쪽 표면에 조명장치(4)와 광전변환장치(이미지센서)(3)를 실장한 것으로 이루어진다. 피검출물이 되는 손가락(F)은 조명장치(4)와 광전변환수단(3)이 실장된 면과 대향하는 면의 섬유의 입사면에 밀착하여 위치된다. 손가락(F)을 도 1의 화살표방향으로 움직임으로써 2차원의 요철패턴을 얻을 수 있다.

이 요철검출센서(60)의 구성요소에 대하여 상술한다. 섬유함유광학플레이트(50)는 평판형상이며 조명장치로부터 방사되는 광을 투과하는 재료로 형성되어 있고, 섬유(1)가 일부에 매설되어 있다. 섬유(1)의 광축은 광학플레이트의 주면에 대하여 수직은 아니고 기울어져 있다.

섬유(1)는 도 1에 나타내는 바와 같이, 손가락(F)의 폭방향은 전체폭에 걸치도록 설치되어 있고, 길이방향은 광전변환장치의 폭만큼 설치되어 있다. 섬유는 코어와 클래드 및 클래드 주위의 흡수체로 구성되어 있다. 섬유 이외의 부분은 유리를 이용했다.

도 3은 섬유함유 광학플레이트의 제조방법을 나타내는 공정도이다. 2장의 유리(22)의 주된 2면을 광학연마한다. 마찬가지로, 섬유플레이트(21)를 두께조정하여 표면을 광학연마한다(도 3의 (a)).

섬유플레이트(21)를 유리(22)에 끼워 접합한다(도 3의 (b)). 이 때 섬유의 광축이 유리(22)의 표면과 평행이 되도록 한다. 접합방법으로서는 열융착, 접착, 직접접합 등이 있다.

열융착에서는 섬유플레이트를 유리에 끼워 압력을 가하면서 가열한다. 섬유플레이트보다 유리의 융점을 낮게 해 두면 유리의 접합면이 녹아 섬유플레이트에 융착된다.

이 방법은 비교적 간단히 접합할 수 있는 반면, 열에 의해 유리가 왜곡되어 성형성이 약간 떨어진다. 접착하는 경우에는 유리나 섬유플레이트와 굴절율이 경화 후와 거의 같아지는 광학용 접착제를 이용한다.

자외선 경화형의 접착제를 이용하면 온도를 올리는 일 없이 매우 용이하게접착할 수 있다. 접착제가 두꺼운 경우나 굴절율차가 큰 경우는 산란이나 흡수가 일어나 미광(迷光 ; stray light)이 증가하는 원인이 된다.

직접접합법은 접합면을 표면처리한 후 접촉시킴으로써 접합하는 방법으로, 접착제 등의 중간층을 개재하지 않고, 또한 저온의 열처리로 접합할 수 있기 때문에, 접합면에서의 반사·산란 등이 없어 형상도 유지된다는 이점이 있다.

도 4에 기초하여 직접접합의 원리를 설명한다. 도 4는 직접접합에 의한 접합의 각 단계에서의 유리, 섬유플레이트의 계면상태를 나타낸다.

직접접합에 의한 접합에서는 기판의 표면을 연마하여 표면을 균일한 경면(mirror surface)으로 한 후, 세정하여 표면의 먼지나 오염물을 제거한다. 이 기판을 친수화처리하여 표면을 활성화하여 건조한 후, 2장의 기판을 겹친다.

도 4의 (a)∼(c) 중에서, L1, L2, L3은 기판간의 거리를 나타낸다.

우선, 기판인 유리(22)와 섬유플레이트(21)의 양면을 경면연마한다. 이어서, 이들 유리(22)와 섬유플레이트(21)를 암모니아와 과산화수소와 물의 혼합액(암모니아수 : 과산화수소수 : 물 = 1:1:6(용량비))으로 세정하여, 유리(22), 섬유플레이트(21)에 친수화처리를 실시한다. 도 4의 (a)에 나타내는 바와 같이, 상기 혼합액으로 세정된 유리(22), 섬유플레이트(21)의 표면은 수산기(-OH기)에서 종단되고, 친수성으로 되어 있다(접합 전의 상태).

이어서, 도 4의 (b)에 나타내는 바와 같이, 친수화처리를 실시한 유리(22), 섬유플레이트(21)의 압전기판을 분극축의 방향이 서로 반대방향이 되도록 하여 접합한다(L1 > L2).

이로 인하여, 탈수가 일어나고, 압전기판(2)과 압전기판(3)은 수산기의 중합이나 수소결합 등의 인력에 의해 서로 이끌려 접합된다.

이와 같이, 경면연마된 면끼리를 표면처리하여 접촉시킴으로써 계면에 접착제 등의 접착층을 개재하지 않고 대향하는 면을 접합하는 것을「직접접합」에 의한 접합이라 한다.

직접접합에 의한 접합에서는 접착제를 사용하지 않으므로 접합 계면에 접착층이 존재하지 않는다. 또, 일반적으로는 저온의 열처리를 실시함으로써, 분자간의 힘에 의한 접합으로부터 공유결합이나 이온결합 등의 원자레벨의 보다 강력한 접합이 된다.

또, 희망에 따라, 상기한 바와 같이 하여 접합한 유리(22), 섬유플레이트(21)에 450℃의 온도로 열처리를 실시해도 된다.

이로 인하여, 도 4의 (c)에 나타내는 바와 같이, 유리(22)의 구성원자와 섬유플레이트(21)의 구성원자 사이가 산소원자 O를 개재하여 공유결합한 상태로 되어(L2 > L3), 양기판이 원자레벨로 더욱 강하게 직접접합된다.

즉, 접합의 계면에 접착제 등의 접착층이 존재하지 않는 결합상태가 얻어진다.

다른 경우로서는 유리(22)의 구성원자와 섬유플레이트(21)의 구성원자 사이가 수산기를 개재하여 공유결합한 상태가 되어, 양기판이 원자레벨로 강하게 직접 접합되는 경우도 있다.

또, 기판이 열에 약한 경우에는 열처리를 행할 필요는 없다. 또, 열처리를행하는 경우에는 섬유의 특성이 변하지 않아 용융하지 않는 온도 이하로 열처리를 행하는 것이 바람직하다. 이로 인하여, 더욱 강한 직접접합에 의한 접합을 시킬 수 있다.

접합한 유리와 섬유플레이트를 평판형상으로 잘라낸다. 잘라낼 때에 도 3의 (c)와 같이 접합면에 대하여 각도를 두고 절단한다.

절단은 와이어 소(wire saw)를 이용하여 행하였다. 절단간격은 1.1mm로 하였다. 절단각도에 대해서는 후술하기로 한다. 절단한 평판은 단부(端部)를 잘라내고 직사각형으로 맞추었다(도 3의 (d)).

이 평판의 주된 2면을 광학연마함으로써, 섬유함유 광학플레이트(50)를 제작할 수 있다. 연마 후의 두께는 1.0mm이고, 20mm x 10mm의 직사각형이다 (도 3의 (e)).

이상과 같이 하여 제작한 섬유함유 광학플레이트에 조명장치와 광전변환장치를 실장한다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 조명장치와 광전변환장치에 전원, 접지, 신호인출 등을 행하기 위한 인출선(7)을 형성하였다. 인출선(7)의 앞에는 외부와 신호를 인출하기 위한 외부전극패드(8)도 형성하였다. 인출선(7)과 외부전극패드(8)는 금이나 알루미늄 등의 금속막을 마스크증착하여 패턴형성하였다.

조명장치(4)와 광전변환장치(3)의 전극과 대향하는 인출선 상에는 금속범프(5)가 구동된다. 이 금속범프(5)를 개재하여 조명장치(4)와 광전변환장치(3)의 전극과 섬유함유 광학플레이트 상의 인출선(7)을 접속하고 외부전극패드를 개재하여 신호를 교환할 수 있다.

조명장치에는 적색의 LED를 베어칩(bare chip)으로 이용하였다. 또, 광전변환장치에는 실리콘 광다이오드 어레이를 마찬가지로 베어칩으로 이용하였다. 광학플레이트와 칩 표면의 사이는 후술하는 이유에 의해, 유리 또는 섬유의 굴절율에 가까운 굴절율을 갖는 접착제를 충전하였다.

광전변환장치의 실리콘 광다이오드 어레이는 50㎛ 피치로 포토다이오드가 2차원으로 배열되어 있다. 손가락의 폭방향에 대응하는 채널방향에는 300소자의 포토다이오드가 나열되고, 이것이 세로방향으로 16라인 배열되어 있어 손가락의 전체폭은 포토다이오드 상에 있다.

각 소자의 신호는 1라인째의 1부터 300채널까지 차례로 판독되고, 다음에 2라인째의 채널이 지정된 시간에서 순서대로 판독할 수 있다. 판독된 신호는 도면 중에는 나타나지 않은 AD 변환기에 의해 디지털화되고 CPU에 의해 처리되어 화상화된다.

섬유함유 광학플레이트의 두께는 1mm이고, 베어칩의 LED나 실리콘 포토다이오드 어레이를 실장하기 때문에, 초슬림형의 요철검출센서를 제작할 수 있었다.

도 5는 요철검출센서의 패키징 예를 나타내는 단면도이다. 섬유함유 광학플레이트는 조명장치 및 광전변환수단을 실장한 면을 안쪽으로 하여 플라스틱제의 패키지(12a)에 부착되어 있다.

패키지(12a)의 내면에는 외부전극(13)과 접속된 단자가 있고, 섬유함유 광학플레이트의 외부전극패드와 이 단자 사이가 리드선으로 접속되어 패키지 외부로 신호가 인출된다. 패키지(12a)의 하부에는 다른 패키지(12b)가 밀봉되어 있다. 이상에 의해 면실장 가능한 패키지 내에 요철검출센서가 수납되었다.

도 6은 다른 실장예를 나타내는 단면도이다. 이 실장예는 요철검출센서를 구비해야 할 기기의 케이스에 직접 실장하는 경우의 예이다.

케이스(15)의 일부에 개구부를 설치하고, 이 개구부에 요철검출센서를 끼워 넣는다. 케이스의 개구부의 안쪽에는 볼록부가 설치되어 섬유함유 광학플레이트가 끼워진다. 케이스의 내부측에는 프린트기판(16)이 고정되어 있고, 요철검출센서의 외부전극패드와 프린트기판은 리드선(14)으로 접속된다.

요철검출센서가 평판형상이고 조명장치와 광전변환수단이 이 위에 실장된 일체구조이기 때문에 케이스에 용이하게 부착할 수 있다.

본 예의 요철검출센서의 동작원리를 도 7의 (a), (b)를 기초로 설명한다.

조명장치인 LED로부터 광이 방사된다. LED로부터의 광은 그 LED 지향성에 의존하지만 광학플레이트 내로 확산 방사된다. 여기서, 광이 광학플레이트의 표면에서 반사하지 않도록 LED 표면과 광학플레이트 표면 사이에 공기층이 없도록 광학플레이트의 유리의 굴절율에 가까운 수지를 충전하였다.

LED의 표면에서 방사되는 광 중, 섬유의 입사면에 직접 도달하는 광이 섬유입사면에서 전반사하는 위치에 LED가 실장되어 있다. 입사면에 볼록형상의 물체의 접촉이 없고, 공기층이 존재하는 경우에는 그대로 전반사하여 섬유 내를 전파하여 광전변환장치의 표면에 도달하여 전기신호로 변환된다.

입사면에 볼록형상의 물체가 밀착된 경우에는, 섬유 외측과 내측의 굴절율의관계가 붕괴되기 때문에 섬유의 입사면에서 전반사를 일으키지 않는다. 따라서, 요철의 밀착 유무에 따라 섬유 내를 전파하여 광전변환장치에 도달하는 광의 강도에 차이가 생기기 때문에 요철패턴을 화상으로서 검출할 수 있었다(도 7의 (a)).

섬유의 입사면에서 광학플레이트 내를 전파한 광이 전반사하는 전반사 임계각 θc는 섬유의 코어의 굴절율을 n core로 한 경우, θc = sin^-1(1/n core)가 된다. 따라서, 섬유의 입사면의 법선과 LED의 광방사면이 이루는 각이 θc 이상이 되도록 하면 섬유면에서 전반사가 일어난다.

보다 적합하게는, 섬유의 LED측의 단부와 LED의 방사면의 섬유측의 단부를 연결하는 선이 섬유의 입사면의 법선과 이루는 각도가 θs 이상이면 된다.

섬유의 광축이 섬유입사면의 법선에 대하여 이루는 각도는 섬유입사면에서의 전반사광이 섬유 내의 코어와 클래드 사이에서 더욱 많이 전반사하여 섬유 내를 전달하도록 결정하였다.

도 7의 (b)에 반사각과 섬유의 경사각의 관계를 나타낸다. 앞서 설명한 바와 같이, 섬유입사면에서의 전반사 임계각은 θc이고, 그 이상의 각도를 갖는 광은 섬유입사면에서 전반사한다. 한편, 섬유의 광축이 입사면에 대하여 각도로 기울어져 있을 때, 입사면에서의 반사광이 섬유 내의 코어-클래드 사이에서 전반사하여 섬유 내를 전달하는 범위는 입사면의 법선에 대하여 각도 θa와 각도 θb 사이에 들어오는 광이다. θa와는 수학식 2로 나타내고, θb와는 수학식 3으로 나타낸다.

따라서, 수학식 4의 범위에 있는 전반사광이 섬유 내로 전달하게 된다.

도 7의 (b)에서, 전반사광이 더욱 많이 섬유 내에서 전달되려면 θa보다 θc가 같거나 크면 된다. 따라서, 섬유광축의 입사면의 법선에 대한 경사각는 수학식 5를 만족하도록 결정하면 된다.

이 각도로 섬유를 경사시킴으로써, 가장 입사광의 이용효율이 높고, 요철에서의 콘트라스트가 큰 요철패턴의 화상을 얻을 수 있었다. 섬유의 광축에 대하여 섬유로부터 광전변환장치에 출력되는 출력면도 기울어져 있다.

섬유 내를 전달하여 온 광은 전반사하는 각도로 출력면에 도달하게 된다. 출력면에 공기층 등 섬유의 코어보다 굴절율이 작고 그 차가 큰 물질이 접하고 있는 경우에는, 섬유를 전달하여 온 광은 출력면으로부터 출력하지 않고 전반사하여 광전변환장치에 입력되지 않게 된다.

이 때문에, 광전변환장치의 포토다이오드 어레이의 표면과 섬유출력면 사이에 섬유의 코어의 굴절율 이상의 수지를 메웠다. 이로 인하여, 출력광은 섬유출력면에서 전반사하지 않고 광전변환장치의 포토다이오드 어레이에 입사시킬 수 있었다.

본 실시예에서는 범프법으로 광전변환장치를 실장할 때의 접착제로 이 기능을 발휘할 수 있었다. 또, 가장 적합하게는 코어의 굴절율보다 높은 굴절율의 수지를 이용하는 것이 좋지만, 코어의 굴절율보다 작더라도 이것에 가까우면 전반사하는 비율이 작아져 섬유로부터 출력할 수 있다.

본 실시예에 이용한 광전변환장치에서는 채널방향은 300채널로 손가락의 폭을 모두 커버하고 있는데, 손가락을 움직이는 방향으로는 16라인밖에 없다. 이들은 반복하여 라인방향의 신호를 취득한 후, CPU에 의해 2차원화상을 재구성할 수 있었다.

또, 광전변환장치로서 포토다이오드 어레이를 이용했지만, CCD 등을 이용해도 된다.

또, 광학플레이트의 재료로서 유리를 이용했지만, 아크릴 등의 투명수지를 이용해도 되고, 섬유도 플라스틱섬유를 이용해도 된다.

이상과 같이, 조명장치와 광전변환수단이 일체로 된 평판형상이고 슬림형이면서 소형인 요철검출센서를 실현할 수 있었다.

(제 A2 실시예)

본 발명에 관련되는 기술의 제 A2 실시예에서의 요철검출센서의 단면도를 도8에 나타낸다. 섬유함유 광학플레이트 및 광전변환장치의 실장은 제 A1 실시예와 동일하므로 설명은 생략한다.

조명장치(4)와 유리(2) 사이에 도광판(9)을 구비하였다. 조명장치에 접속하기 위해 설치한 배선이 도광판 상에 형성되고, 이 배선 상에 범프를 고정하고, 접착제를 개재하여 조명장치를 실장하였다. 조명장치로부터 방사되는 광은 거의 균일하게 도광판으로 확산하여 유리 내로 들어간다.

제 A1 실시예에서 설명한 바와 같이, 조명장치로부터 유리로는 직접 광이 입사하기 어렵지만 도광판을 개재함으로써 용이하게 들어가기 쉽게 되었다. 접착제로서는 재료가 한정되어 접착불균일 등의 문제점이 있지만 도광판을 이용함으로써 균일한 입사를 간단히 행할 수 있었다.

(제 A3 실시예)

본 발명에 관련되는 기술의 제 A3 실시예에서의 섬유함유 광학플레이트와 요철검출센서의 단면도를 도 9에 나타낸다.

본 실시예에서는 일부에 블록형상의 광흡수체(10)를 갖는 섬유함유 광학플레이트를 이용했다. 광흡수체는 유리소재에 흡수체를 섞어 용융한 후 성형하였다. 요철검출센서(60)의 구성은 제 A1 실시예와 거의 동일하여 상세한 설명은 생략한다.

조명장치로부터 섬유의 입사면에 도달하여 전반사한 광의 일부는 섬유 내에서 전반사하여 전달하지 않고 섬유를 관통한다. 이러한 광은 유리(2)의 단면 등에서 반사하여 직접 광전변환소자로 들어가거나, 섬유 내로 되돌아가 광전변환장치에 검출되어 버리는 경우가 있다.

이와 같은 미광(stray light)이 있으면, 본래, 피검체의 볼록부가 밀착되어 광이 광전변환장치에 닿지 않은 부분으로부터도 광전변환장치로부터 출력이 나온다. 이로 인하여, 요철패턴의 콘트라스트가 저하하거나 해상도가 낮아진다.

광흡수체(10)를 조명장치(4)와 반대측의 광학플레이트에 매설함으로써 섬유를 횡단하여 관통하고 산란하는 광을 흡수한다. 이로 인하여, 미광이 매우 적어져 콘트라스트가 높은 요철패턴화상을 얻을 수 있었다.

도 10은 광흡수체를 이용한 다른 실시예를 나타내는 단면도이다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 광흡수체를 섬유(1)와 유리(2)의 계면에 막형상의 수지로서 설치하였다.

섬유(1)와 유리(2)를 접합할 때, 광을 흡수하는 접착제로 접합함으로써 형성할 수 있었다. 블록형상의 흡수체를 준비하지 않고, 제조과정에서 접착제를 선정하는 것 만으로 용이하게 제조할 수 있다.

또, 판형상의 광흡수체를 끼워 섬유와 유리를 접합해도 된다.

또, 광흡수체로서는 유리재료 뿐만아니라, 알루마이트 처리한 알루미늄 등의 금속, 세라믹, 카본판 등을 이용할 수 있다.

(제 A4 실시예)

본 발명에 관련되는 기술의 제 A4 실시예에서의 섬유함유 광학섬유를 이용한 요철검출센서의 단면도를 도 11에 나타낸다. 요철검출센서(60)의 구성은 제 A1 실시예와 거의 동일하여 상세한 설명은 생략한다.

섬유함유 광학섬유에는 블록형상의 광흡수체가 조명장치(4) 측에 2개소 설치되어 있다. 광흡수체(10)는 유리에 흡수체를 넣어 용융성형한 것을 이용했다. 광흡수체(10)는 조명장치(4)로부터 방사되는 광 중, 섬유(1)의 입사면에서 전반사하는 광 이외의 광을 흡수하도록 배치되었다.

즉, 섬유입사면의 폭을 두고 전반사 임계각보다 큰 각도로 조명장치(4)로부터 방사되는 광로의 양측에 광흡수체(10)를 배치하였다. 조명장치(4)로부터는 그 지향성에 의해 광학플레이트 내의 거의 전방향으로 광이 방사된다. 광흡수체(10)를 입사측에 설치하여 전반사광이 되지 않은 입사광을 흡수하여 제거함으로써, 전반사광 이외의 광이 광전변환소자로 들어가는 것을 방지할 수 있었다.

이로 인하여, 조명장치로부터 방사되는 광이 유리면이나 섬유면에서 산란되어 미광이 되어 광전변환장치에 입력하는 일이 적어져, 콘트라스트가 우수한 요철검출센서를 실현할 수 있었다.

또, 흡수체를 이용하는 것보다도 광의 이용효율이 높고, 조명장치의 휘도를 낮게 할 수 있어, 저전압화나 저소비전력화가 가능해졌다.

도 12는 광흡수체(10)를 이용한 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 12에 나타내는 바와 같이, 광흡수체를 유리(2) 내에 막형상의 수지로서 설치하였다. 유리(2)를 3개의 부분에 나누어 성형하고, 이것을 접합할 때 광을 흡수하는 접착제로 접합함으로써 형성할 수 있었다. 블록형상의 흡수체를 준비하지 않고, 제조과정에서 접착제를 선정하는 것 만으로 용이하게 제조할 수 있다.

또, 판형상의 광흡수체(10)를 끼워 섬유와 유리를 접합해도 된다.

또, 유리재료 등의 광흡수체(10) 뿐만아니라, 알루마이트 처리한 알루미늄등의 금속, 세라믹, 카본판 등의 광반사체(11)를 이용할 수 있다(도 13, 도 14 참조).

(제 A5 실시예)

본 발명에 관련되는 기술의 제 A5 실시예에서의 섬유함유 광학플레이트를 이용한 요철검출센서의 단면도를 도 15에 나타낸다. 요철검출센서(60)의 구성은 제 A1 실시예와 거의 동일하여 상세한 설명은 생략한다.

섬유함유 광학플레이트(50)는 다른 실시예와 마찬가지로 입사면에 대하여 광축이 기울어진 섬유(1)를 갖고, 다시 역방향으로 기울어진 다른 섬유(115)가 매설되어 있다(도 15 참조).

이 섬유(115)의 입사면 상에는 조명장치(4)가 실장되어 있다. 섬유(115)의 출력단은 섬유(1)의 측면에 접합되어 있다. 섬유(115)는 섬유(1)의 입사면에 대하여 전반사 임계각보다 큰 각도로 설치되어 있기 때문에, 조명장치(4)로부터 방사되는 광이 다른 곳으로 산란하지 않고 섬유(1)의 입사면에서 전반사한다.

이상으로, 입사광이 산란하여 미광이 되는 일이 없기 때문에, 콘트라스트가 높고 분해능력이 우수한 요철검출센서를 실현할 수 있었다.

이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 평판형상이기 때문에 슬림형이고, 평판의 주면에서의 전반사광을 섬유의 출사면으로 전파할 수 있는 섬유함유 광학플레이트를 제공할 수 있다.

또, 본 예에 의하면, 조명장치와 광전변환장치가 주면에 실장되어, 평판형상이고 슬림형이며 또한 소형인 요철검출센서를 제공할 수 있다. 또, 미광이 적은 콘트라스트가 높고 분해능력이 우수한 요철검출센서를 실현할 수 있다.

다음에, 상기 제 3의 과제를 해결하는 본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

(제 B1 실시예)

본 발명의 상검출장치의 일실시예에 대하여 도 16∼도 18, 도 25를 참조하여 설명한다.

도 16은 제 B1 실시예에 관한 상검출장치의 단면구조도이다. 도 16에서 상검출장치(100)는 광섬유기판(101), 이미지센서(106), 제 1 조명수단(예를 들어, LED)(104), 제 2 조명수단(예를 들어, LED)(105)으로 구성되어 있다.

또, 제 1 조명수단(104)과 제 2 조명수단(105) 중 어느 한쪽을 선택적으로 점등시키기 위한 제어를 행하는 제어회로(110) 및 구동회로(111)도 구비하고 있다(도 25 참조). 도 25는 본 실시예의 상검출장치의 개략구성을 나타내는 블록도이다.

도 17 및 도 18은 도 16의 입사면 주변의 확대단면도이다. 입사광(201)은 제 1 조명수단으로부터 입사면으로 조사된 광이다. 반사광(202)은 입사광(201)이 입사면(107)에서 반사된 광이다. θi는 입사광(201)이 입사면의 법선과 이루는 각이고, θth는 입사면(107)에서의 광섬유(102)의 공기에 대한 전반사 임계각이다.

또, 도 18에 나타내는 바와 같이, 피검체의 볼록부(300)에서의 산란광(301) 중 광섬유의 광축과 이루는 각이 광섬유 내면의 전반사 임계각 이하의 광이 302이다.

광섬유기판(101)은 복수의 광섬유(102)를 베이스유리(103)의 두께방향으로관통시켜 매설하여 구성되어 있다.

상기 광섬유(102)의 단부에서 노출되어 있는 영역에 입사면(107) 및 출사면(108)을 형성하고 있다. 출사면을 형성하고 있는 쪽의 광섬유기판의 면 상에 회로도체층(109)을 형성하고, 출사위치에 대응한 소정의 위치에 투광성 절연수지를 개재하여 페이스 다운(face down)으로 이미지센서(106)를 실장하고 있다.

또, 이 광섬유의 광축의 방향은 출사면을 형성하고 있는 광섬유기판의 제 1 주면의 법선방향과 소정의 각도를 두고 구성되어 있다.

또, 광섬유기판 상의 소정의 위치에 투광성 절연수지를 개재하여 페이스 다운으로 제 1, 제 2 조명수단(104, 105)이 배치되어 있다.

예를 들어, 도 17에 나타내는 바와 같이, 이 제 1 조명수단(104)은 그 조명광이 상기 광섬유의 입사면의 법선(203)과 이루는 입사각(θi)을 전반사 임계각(θth)보다 크게 하고, 또 제 1 조명수단(104)으로부터의 조명광의 입사면에서의 반사광방향이 상기 광섬유의 광축방향에 대하여 광섬유 내면에서의 전반사 임계각(θfa) 이내가 되도록 배치하고 있다.

즉, 광섬유의 기판에 매설된 광섬유의 주축의 방향(θp)과 제 1 조명수단(104)으로부터의 조명광의 입사면에서의 반사광의 방향(θo)이 이루는 각도는 광섬유 내면의 전반사 임계각 θfa보다 작게 설정하고 있다.

구체적으로는, θo - θfa < θp < θo + θfa의 관계가 성립하도록 입사면에 대한 제 1 조명수단(104)의 위치와 광섬유의 경사각도가 결정되어 있다.

여기서, 광섬유 내면의 전반사 임계각 θfa는 광섬유 내면을 광이 손실되지않고 전파하는 최대의 각도이고, 광섬유의 코어재의 굴절율을 n1, 클래드의 굴절율을 n2로 했을 때, cos(θfa)=(n2/nl)로 나타낼 수 있다.

제 2 조명수단(105)은 상기 광섬유의 입사면에 대한 그 조명광의 입사각을 임계각보다 작게 하고, 또한 상기 조명광의 입사면에서의 반사광방향이 상기 광섬유의 광축방향에 대하여 광섬유 내면에서의 전반사 임계각 이내가 되도록 배치하고 있다.

다음에, 본 실시예의 상검출장치에서의 동작을 설명한다.

우선, 고무인이나 지문 등 비교적 부드럽고 광섬유기판의 입사면에 광학적으로 밀착하는 피검체의 요철을 검출하는 경우, 제 1 조명수단을 이용하여 광섬유의 일단부인 입사면에 조명광을 조사한다.

오목부에서는 광섬유의 공기에 대한 전반사조건이 성립하므로, 입사광(201)은 입사면(107)에서 완전히 반사된다. 반사광(202)은 광섬유기판(101)에 두께방향으로 경사하여 매설되어 있다.

즉, 광섬유의 기판에 매설된 광섬유의 주축의 방향과 입사면에서의 반사광 방향(θo)이 이루는 각도는 광섬유 내면의 전반사 임계각(θfa)보다 작게 설정하고 있으므로, 그 기울어진 광섬유의 광축과 반사광(202)이 광섬유 내에서의 전반사조건을 만족하므로, 흡수되지 않고 이미지센서(106)에 전달되어 광량에 대응한 전압을 출력한다.

제 1 조명수단으로부터 광섬유의 단부인 입사면에 조사된 광이면서 광섬유의 공기에 대한 전반사조건이 성립하는 광 중, 광섬유의 전파각만큼 어긋난 광도 광섬유의 각도가 상기 조건을 만족하도록 배치함으로써 효율적으로 전파할 수 있다.

그 때문에, 양호한 광속을 출사면까지 전파시켜 이미지센서(106)로부터 전압으로서 출력된다.

한편, 피검체의 볼록부(300)에서는 입사면에서의 전반사조건을 만족하지 않으므로, 입사광(201)은 입사면(107)으로부터 광섬유기판의 외부로 출사되어 피검체의 볼록부(300)의 표면 혹은 내부에서 산란되어 그 일부가 다시 반사광(301)으로서 입사면으로부터 광섬유기판의 내부로 입사된다.

반사광(301)의 일부의, 전달방향과 광섬유의 광축방향이 광섬유의 내부 전반사 임계각 이하인 광(302)은 광섬유 내면을 전반사를 반복하여 출사면으로부터 이미지센서(106)에 전달되어 광량에 대응한 전압을 출력한다.

다음에, 인쇄물 등과 같은 피검체의 화상정보를 광섬유기판의 입사면에 접촉시켜 광학적인 화상정보를 판독하는 경우, 제 2 조명수단을 이용하여 광섬유 일단부인 입사면에 조명광을 조사한다.

입사광(401)은 도 19에 나타내는 바와 같이, 광섬유의 임계각 θth보다 작은 각도로 입사시키고 있으므로, 입사면에서의 반사는 작고, 대부분의 광량이 원고면(402)에 조사된다. 원고면에서는 그 농도에 따라 산란광이 반사되고, 그 일부가 다시 광섬유기판의 내부에 반사광(403)으로서 입사면으로부터 입사된다.

반사광(403)에 포함되는 광(404), 즉, 전달방향과 광섬유의 광축방향이 광섬유 내면의 전반사 임계각 이하인 광(404)은 광섬유 내부에서의 전반사를 반복하여 출사면으로부터 이미지센서(106)에 전달되어 광량에 대응한 전압을 출력한다.

광섬유의 광축방향(θp)과 제 1 조명수단으로부터의 조명광의 입사면에서의 반사광의 방향(θo)과는 광섬유 내면의 전반사 임계각 θfa만큼 어긋나 있다.

그 때문에, 제 2 조명수단으로부터의 조명광의, 원고면(402)에서의 산란광 중 이 어긋난 각도에 대응하는 광은 출사면으로부터 광섬유의 내부로 들어간다. 그리고, 내부로 들어간 광은 광섬유 내면의 전반사 임계각 내에 있으므로, 손실없이 광섬유 내를 전파하여 출사면으로부터 이미지센서(106)로 전파된다. 이로 인하여, 광량에 대응한 전압이 출력된다.

또, 광섬유의 광축방향(θp)이 입사면의 법선(203)과 이루는 각도 θp가 제 1 조명수단(104)으로부터 나오는 광의 입사면에서의 반사각 θo보다 작은 관계가 되도록, 입사면에 대한 제 1 조명수단(104)의 위치와 광섬유의 경사각도를 결정하면(θo - θfa < θp < θo), 출사면으로부터 광섬유의 전파각 내로 들어가는 산란광의 광량이 많은 각도로 광섬유를 배치할 수 있으므로, 이미지센서보다 큰 출력전압이 얻어진다.

여기서, 피검체의 종류에 따라, 장치의 사용자가 제 1 조명수단을 점등시킬것인지 제 2 조명수단을 점등시킬것인지를 선택할 수 있도록 제어회로를 구성하면 된다.

또, 경우에 따라서는, 제어회로로부터의 지령에 의해, 제 1 조명수단과 제 2 조명수단을 고속으로 점등/소등을 반복하고, 이 지령에 연동하여 구동회로에 의해 이미지센서를 구동함으로써 거의 동시에 요철정보와 화상정보를 연속적으로 취득할 수도 있다.

여기서, 제 1 조명수단은 광섬유의 임계각보다 큰 각도로 입사면에 조사할 필요가 있다. 이것은, 광섬유기판의 두께를 d, 광섬유의 임계각을 θth로 하면, 제 1 조명수단이 광섬유 어레이기판의 입사면보다 d ×tan(θth) 이상 떨어진 영역의 두께방향에 대향하는 위치에 배치되어야 한다.

또, 제 2 조명수단은 광섬유의 임계각보다 작은 광만을 입사면에 조사해 줄 필요가 있다.

(제 B2 실시예)

도 20은 본 발명의 제 B2 실시예에 관한 상검출장치의 단면구조도이다.

제 2 조명수단(501)은 광섬유기판의 출사면을 형성하고 있는 주면으로서, 입사면과 대향하는 영역(502)에 배치하고 있다. 제 2 조사수단으로부터 출사된 광은 입사면에 거의 수직으로 입사된다. 피검체에서의 반사광은 스넬의 법칙이 성립하는 수직방향(503)으로 강하게 출사된다. 이 반사광은 원고 표면으로부터의 반사광으로 화상정보에 의존한 것은 아니지만, 광섬유의 내부에서의 전반사 임계각보다 크므로, 이미지센서(106)에 도달하지 않는다. 따라서, 원고로부터의 산란광(504)의 일부가 이미지센서에 도달하여 화상정보가 전압이 되어 출력된다.

(제 B3 실시예)

도 21은 본 발명의 제 B3 실시예에 관한 상검출장치의 단면구조도이다.

제 2 조명수단(601)이 광섬유 어레이기판의 출사면을 형성한 주면 상에서, 또한 입사면과 대향한 영역(502)보다 출사면측에 위치한 영역(602)에 배치하고 있다.

제 2 조사수단으로부터 출사된 광은 광섬유의 광축보다 큰 각도로 입사면에 입사된다.

피검체에서의 반사광은 스넬의 법칙이 성립하는 수직방향(503)으로 강하게 출사된다. 이 반사광은 원고 표면으로부터의 반사광으로 화상정보에 의존한 것은 아니지만, 광섬유의 내부에서의 전반사 임계각보다 크므로, 이미지센서(106)에 도달하지 않는다. 따라서, 원고로부터의 산란광(504)의 일부가 이미지센서에 도달하여 화상정보가 전압이 되어 출력된다.

또, 제 2 조명수단(601)은 광섬유 기판의 출사면을 형성하고 있는 주면으로서, 입사면과 대향하는 영역(502)보다 출사면측에 위치한 영역(602)에 배치하고 있다. 제 2 조사수단으로부터 출사된 광은 입사면에 거의 수직으로 입사된다.

피검체에서의 반사광은 스넬의 법칙이 성립하는 방향(603)으로 강하게 출사되지만, 이 반사광도 광섬유의 내부에서의 전반사 임계각보다 크므로 이미지센서(106)에 도달하지 않는다.

따라서, 원고로부터의 산란광(604)의 일부가 이미지센서에 도달하여 화상정보가 전압이 되어 출력된다.

(제 B4 실시예)

도 22는 본 발명의 제 B4 실시예에 관한 상검출장치의 단면구조도이다. 도 22의 (a)는 제 2 조사수단을 이용했을 때의 산란광의 일부를 나타낸다.

제 2 조명수단으로부터 조사된 광 중, 원고정보를 반영한 산란광의 일부(701)는 상술한 바와 같이 광섬유의 내부를 전반사하면서 이미지센서(106)에도달하지만, 나머지 산란광은 광섬유 기판의 내부를 전파해 간다.

일례로서 도 22의 (a)의 702로 나타낸다. 이러한 산란광은 곧 기판으로부터 출사하여 일부는 이미지센서에 입사한다. 이러한 광은 원고정보에 대응하지 않는 미광으로서 판독품질을 크게 손상시킨다.

도 22의 (b)는 본 발명의 제 B4 실시예를 나타낸다. 광섬유기판의 이미지센서, 제 1 조명수단, 제 2 조명수단을 배치하는 영역 및 입사면 및 출사면을 제외한 표면에 광흡수층(703)을 형성하고 있다. 이 흡수층에 의해, 미광은 광섬유 내부를 반사할때마다 흡수되어, 이미지센서에 도달하는 광의 강도는 매우 작게 되었다.

이 흡수층에서의 흡수를 높여 인자품위(the grade of printing)를 더욱 높이려면, 광섬유 기판의 베이스유리와 흡수층 사이의 반사를 억제할 수 있도록 흡수층(703)의 굴절율이 광섬유 기판의 베이스유리(102)에 대한 굴절율차와 같거나 혹은 0.1 이하인 것이 바람직하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 상검출장치에 의하면 예를 들어, 입사영역에서 피검체의 요철패턴의 검출과, 피검체의 표면에서의 화상정보의 검출이 가능하고, 이들 쌍방의 검출정보를 시분할적으로 취득할 수 있다. 즉, 2개의 이미지센서를 실장하지 않고, 요철패턴의 요철정보와, 그 화상정보를 양호하게 얻을 수 있어 소형이고 양호한 상검출장치를 제공할 수 있다.

상검출장치에 관한 본원발명에 관련되고, 또한 본원발명자가 발명한, 주로 상기 제 A1 실시예∼제 A5 실시예에서 설명한 각 예의 본질적 발명부분을 이하에 개시한다.

즉, 이하에 나타내는 본질적 발명부분(여기서는, 본 발명에 관련되는 제 1 발명∼제 20 발명으로서, 간단히 제 1 관련발명∼제 20 관련발명이라 함)은 상기 제 1, 제 2의 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 평판 내의 일부에 광축이 입사면에 대하여 기울어진 상태로 광학섬유를 갖는 광학플레이트를 이용하고, 그 광학플레이트의 한쪽 면에 조명장치와 광검출장치를 설치함으로써, 소형이면서 평판이고 슬림형인 요철검출센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

제 1 관련발명은, 평판 중의 일부에 광학섬유를 갖고, 상기 광학섬유의 광축이 상기 평판의 주면에 대하여 수직이 아닌 것을 특징으로 하는 광학플레이트이다.

이 구성에 의해, 평판형상이기 때문에 슬림형이고, 평판의 주면에서의 전반사광을 섬유의 출사면에 전파할 수 있는 섬유함유 광학플레이트를 제공할 수 있다.

제 2 관련발명은, 섬유 이외의 평판이 유리에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 제 1 관련발명의 광학플레이트이다.

이 구성에 의해, 광학섬유와 광학특성이 가깝기 때문에, 입사광의 변화가 적고, 또한 광학섬유와 접합하기 쉬운 비교적 제조하기 쉽고 염가인 섬유함유 광학플레이트를 제공할 수 있다.

제 3 관련발명은, 섬유 이외의 부분과 섬유가 직접 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 제 1 또는 제 2 관련발명의 광학플레이트이다.

이로 인하여, 융착하는 경우보다 성형성이 좋고 접착층의 영향이 없는 섬유함유 광학플레이트를 제공할 수 있다.

제 4 관련발명은, 상기 섬유와 상기 섬유 이외의 부분이 산소원자 및 수산기중 적어도 하나를 개재하여 직접접합에 의해 접합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 제 3 관련발명의 광학플레이트이다.

제 5 관련발명은, 평판의 일부가 광흡수체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 제 1 또는 제 2 관련발명의 광학플레이트이다.

이 구성에 의해, 섬유 이외의 부분으로부터의 산란광의 영향을 제거할 수 있는 섬유함유 광학플레이트를 제공할 수 있다.

제 6 관련발명은, 평판의 일부가 광반사체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 제 1 또는 제 2 관련발명의 광학플레이트이다.

이로 인하여, 섬유 이외의 부분으로부터의 산란광의 영향을 제거할 수 있는 섬유함유 광학플레이트를 제공할 수 있다.

제 7 관련발명은, 평판의 일부에 다른 광학섬유를 갖는 것을 특징으로 하는 상기 제 1 또는 제 2 관련발명의 광학플레이트이다.

이로 인하여, 산란광의 영향을 제거할 수 있는 섬유함유 광학플레이트를 제공할 수 있다.

제 8 관련발명은, 상기 광학플레이트의 폭방향의 전체폭에 걸쳐 상기 섬유를 갖고, 길이방향에는 일부에만 섬유를 갖는 것을 특징으로 하는 상기 제 1∼제 6 관련발명 중 어느 한 발명의 광학플레이트이다.

제 9 관련발명은, 상기 제 1 관련발명의 광학플레이트와, 상기 광학플레이트의 주면에 설치한 조명장치와, 상기 광학플레이트의 섬유의 출력면에 설치한 광전변환장치(예를 들어, 이미지센서)를 구비한 것을 특징으로 하는 요철검출센서이다.

이로 인하여, 조명장치와 광전변환장치가 주면에 실장되어, 평판형상이고 슬림형이면서 소형인 요철검출센서를 제공할 수 있다.

제 10 관련발명은, 상기 제 5 관련발명의 광학플레이트와, 상기 광학플레이트의 주면에 설치한 조명장치와, 상기 광학플레이트의 섬유의 출력면에 설치한 광전변환장치를 구비하며, 상기 광학플레이트의 광흡수체가 상기 광전변환장치에 대하여 상기 조명장치와 반대측에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 요철검출센서이다.

이로 인하여, 광전변환장치의 주위로부터의 산란광을 흡수함으로써, 광전변환장치에 들어가는 미광을 작게 할 수 있어, 검출할 수 있는 콘트라스트가 높아지기 때문에 검출분해능력이 높은 요철검출센서를 제공할 수 있다.

제 11 관련발명은, 상기 제 5 관련발명의 광학플레이트와, 상기 광학플레이트의 주면에 설치한 조명장치와, 상기 광학플레이트의 섬유의 출력면에 설치한 광전변환장치를 구비하며, 상기 광학플레이트의 광흡수체가 상기 광전변환장치에 대하여 상기 조명장치와 같은 쪽에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 광학플레이트.

이로 인하여, 광학섬유의 입사면에서 전반사하는 광 이외의 광을 제거할 수 있어, 산란광 등의 영향이 작은 검출분해능력이 높은 요철검출센서를 제공할 수 있다.

제 12 관련발명은, 상기 광흡수체가 상기 조명장치로부터 방사되는 광 중, 섬유의 입사면에서 전반사하는 광 이외를 흡수하도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 요철검출센서이다.

이로 인하여, 전반사 이외의 광이 광섬유 내에 입사하는 것을 막을 수 있고, 산란광 등의 영향이 작은 검출분해능력이 높은 요철검출센서를 제공할 수 있다.

제 13 관련발명은, 상기 제 5 관련발명의 광학플레이트와, 상기 광학플레이트의 주면에 설치한 조명장치와, 상기 광학플레이트의 섬유의 출력면에 설치한 광전변환장치를 구비하며, 상기 광학플레이트의 광반사체가 상기 광전변환장치에 대하여 상기 조명장치와 같은 쪽에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 요철검출센서이다.

이로 인하여, 반사체에 의해, 입사광의 광로를 제한할 수 있고, 전반사 이외의 광이 섬유 내로 입사하는 것을 막을 수 있어, 산란광 등의 영향이 작은 검출분해능력이 높은 요철검출센서를 제공할 수 있다.

제 14 관련발명은, 상기 광반사체가 상기 조명장치로부터 방사되는 광이 반사체에서 반사하여 가두어져 섬유의 입사면에서 전반사광이 되도록 반사체가 설치되는 것을 특징으로 하는 상기 제 12 관련발명의 요철검출센서이다.

제 15 관련발명은, 상기 제 6 관련발명의 광학플레이트와, 상기 광학플레이트의 주면에 설치한 조명장치와, 상기 광학플레이트의 섬유의 출력면에 설치한 광전변환장치를 구비하며, 상기 광학플레이트의 다른 섬유가 상기 조명장치로부터 방사되는 광이 상기 섬유의 입사면에서 전반사가 되는 각도로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 요철검출센서이다.

이로 인하여, 섬유에 의해 입사광의 광로를 제한할 수 있고, 전반사 이외의 광이 섬유 내로 입사하는 것을 막을 수 있어, 산란광 등의 영향이 작은 검출분해능력이 높은 요철검출센서를 제공할 수 있다.

제 16 관련발명은, 상기 조명장치로부터의 조사광이 상기 광학플레이트의 주면에서 전반사하는 전반사 임계각(예를 들어, θc)과 광학섬유 내를 입사광이 전달하는 상기 주면의 법선과 이루는 각(예를 들어, θa)이 거의 일치하도록 광학섬유의 광축이 상기 주면의 법선에 대한 각도로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 제 9∼15 관련발명 중 어느 한 발명의 요철검출센서이다.

이로 인하여, 조명수단으로부터의 광의 이용효율이 높고, 명암차가 크고 콘트라스트가 높은 요철패턴화상이 얻어진다.

제 17 관련발명은, 상기 광학플레이트의 주면에 상기 조명장치의 광방사면이 수지를 개재하여 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 제 9∼16 관련발명 중 어느 한 발명의 요철검출센서이다.

이로 인하여, 광학플레이트의 표면에서 반사하지 않고, 광학플레이트에 광을 도입할 수 있다.

제 18 관련발명은, 상기 광학플레이트의 주면에 설치한 도광판 상에 조명장치가 설치된 것을 특징으로 하는 상기 제 9∼16 관련발명 중 어느 한 발명의 요철검출센서이다.

이로 인하여, 광학플레이트에 광을 균일하게 도입할 수 있다.

제 19 관련발명은, 상기 광학플레이트의 주면에 상기 광전변환장치가 상기 섬유의 코어의 굴절율에 가까운 수지를 개재하여 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 제 9∼18 관련발명 중 어느 한 발명의 요철검출센서이다.

이로 인하여, 평판 상에 광전변환장치를 실장하더라도 섬유출사면에서 전반사하지 않고 섬유 내로부터 광이 출사하여 광전변환장치에 도입할 수 있다.

제 20 관련발명은, 상기 제 8 관련발명의 광학플레이트와 조명장치와, 상기 광학플레이트의 주면에 설치한 조명장치와, 상기 광학플레이트의 섬유의 출력면에 설치한 광전변환장치를 구비하며, 광전변환장치의 라인수보다 채널수가 적은 것을 특징으로 하는 요철검출센서이다.

이로 인하여, 소형, 소면적이면서 2차원화상을 재구성할 수 있는 요철검출센서를 제공할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 피검체의 요철패턴을 검출하는 기능과, 피검체의 화상정보를 검출할 수 있는 기능을 모두 구비한 상검출장치를 제공할 수 있다는 효과가 있다.

Claims (11)

1. 한쪽의 단면(端面)을 입사면, 다른쪽 단면을 출사면으로 하는 복수의 광섬유가 관통되어 배치된, 상기 출사면을 포함하는 면을 주면(主面)으로 하는 광섬유 어레이기판과;

   상기 주면 상에 형성된 회로도체층과;

   상기 회로도체층 상의 소정의 위치에 배치된 이미지센서와;

   상기 광섬유의 상기 입사면에 대한 입사각을 임계각보다 크게 하고, 또 상기 입사면에서의 반사광방향이 상기 광섬유의 광축방향에 대하여 광섬유 내면에서의 전반사 임계각 이하가 되도록 배치된 제 1 조명수단과;

   상기 광섬유의 상기 입사면에 대한 입사각을 임계각보다 작게 하고, 또 상기 입사면에서의 반사광방향이 상기 광섬유의 광축방향에 대하여 광섬유 내면에서의 전반사 임계각 이상이 되도록 배치된 제 2 조명수단과;

   상기 제 1, 제 2 조명수단의 점등 또는 소등에 관한 제어를 행하는 제어수단을 구비하며,

   상기 광섬유의 광축방향이 상기 광섬유 어레이기판의 상기 주면의 법선과 소정의 각도로 기울어져 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 상검출장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제어수단에 의해 상기 제 1 조명수단으로부터의 조사광만이 상기 입사면에 조사된 경우,

   상기 입사면에 접촉된 피검출대상의 요철패턴의 오목부로부터의 반사광이 볼록부로부터의 반사광보다 강한 요철패턴을 검출하는 것을 특징으로 하는 상검출장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 제 1 조명수단은 상기 주면 상에 투광성 절연수지를 개재하여 페이스 다운으로 실장되어 있는 것을 특징으로 하는 상검출장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제어수단에 의해, 상기 제 2 조명수단으로부터의 조사광만이 상기 입사면에 조사된 경우,

   상기 입사면에 접촉된 피검출대상의 요철패턴의 농도에 대응한 반사광을 검출하는 것을 특징으로 하는 상검출장치.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 제 2 조명수단은 상기 주면 상에 투광성 절연수지를 개재하여 페이스 다운으로 실장되어 있는 것을 특징으로 하는 상검출장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 제어수단은 상기 제 1 조명수단의 조명광과 상기 제 2 조명수단으로부터의 광을 시간분할하여 선택적으로 광섬유의 입사면에 조사하는 것을 특징으로 하는 상검출장치.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 광섬유 어레이기판의 두께를 d, 상기 광섬유의 상기 입사면에서의 임계각을 θ로 했을 때,

   상기 제 1 조명수단은 상기 광섬유 어레이기판 상의 상기 입사면의 실질상 중심의 위치에 대향하는, 상기 주면 상의 위치로부터 상기 출사면과 반대방향으로 적어도 d ×tanθ의 거리만큼 떨어진 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 상검출장치.
8. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제 2 조명수단이, 상기 광섬유 어레이기판 상의 상기 입사면의 실질상 중심의 위치에 대향하는, 상기 주면 상의 위치를 기준으로 하여 상기 출사면측의 영역에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 상검출장치.
9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 이미지센서, 상기 제 1 조명수단 및 상기 제 2 조명수단이 배치된 영역과, 상기 입사면 및 출사면의 영역을 제외한 영역의 표면에 광흡수층이 형성되어있는 것을 특징으로 하는 상검출장치.
10. 제 8항에 있어서,

    상기 흡수층의 굴절율과 상기 광섬유 어레이기판의 상기 베이스유리(base glass)의 굴절율과의 차가 0.1 이하인 것을 특징으로 하는 상검출장치.
11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 광섬유의 광축방향이 상기 입사면의 법선과 이루는 각도가 상기 제 1 조명수단으로부터 나오는 광의 상기 입사면에서의 반사각보다 작은 관계에 있는 것을 특징으로 하는 상검출장치.