JP2004015827A - 画像読取装置及び画像読取システム - Google Patents

Abstract

【課題】　光電変換素子群、少なくともＲ，Ｇ，Ｂの３色の発光色の光源を有する照明装置、結像用のレンズ等からなるイメージセンサーにおいて、原稿の読み取りスピードを上げるとともに、小型で安価なものにする。
【解決手段】　複数の光電変換素子をライン状に配列したセンサーアレー１と、このセンサーアレー１に原稿画像を結像させるレンズアレー２と、Ｒ，Ｇ，Ｂの各発光色を有するＬＥＤを用いた照明装置３と、カバーガラス４をフレーム５に支持させて固定する。また、センサーアレー１とレンズ中心までの光学距離をＧの発光波長より短かい波長の光に合わせたレンズの共役長の１／２、カバーガラス４の表面からレンズ中心までの光学距離を上記共役長より短かい波長の光に合わせたレンズの共役長の１／２にそれぞれ設定する。そしてカバーガラス４に押し当てた原稿を照明装置３で照明し、その光をセンサーアレー１で電気信号に変換して原稿画像を読み取る。
【選択図】　図１

Description

　本発明は、特にカラー原稿画像を読み取る画像読取装置及びこれを用いた画像システムに関するものである。

図１３はイメージセンサーの一例を示す断面図である。このセンサーは、センサー基板１０２にセンサーＩＣ１０１を実装したセンサーアレー１と、レンズアレー２と、原稿を照明するための光源である３種類のＬＥＤ素子３０１，３０２，３０３を有したＬＥＤアレー６と、カバーガラス４と、それらを位置決めして保持するためのフレーム５から構成されている。

　上記ＬＥＤアレー６は、基板上にＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の光を発光する３種類のＬＥＤ素子３０１，３０２，３０３が複数個、例えば原稿Ａ４サイズ読みでは原稿の照度分布を均一にする目的で、それぞれライン上に２０個以上実装されて構成されている。

　また、３種類のＬＥＤ素子３０１，３０２，３０３のそれぞれの発光ピーク波長は、青色に相当する４３０（ｎｍ）と、緑色に相当する５７０（ｎｍ）と、赤色に相当する６６０（ｎｍ）である。

　レンズアレー２は、周辺部と中央部とで屈折率を徐々に異ならせることでレンズ機能を持たせるようにした円柱形状のレンズ素子をライン上に複数個配列して、形成されている。

　また、レンズアレー２は、カラー原稿において写真の切り貼り原稿など凹凸があるものが想定されるため、０．５（ｍｍ）程度の焦点深度が要求されるので、開口角の小さなものが選択されている。さらにＲ，Ｇ，Ｂの光がそれぞれセンサ上で同等の解像度を得られるようにするため、色収差の小さいものが選択されている。

　一般的には、この開口角の値は１２（ｄｅｇ．）程度のレンズアレーを使用していて、原稿とセンサーまでの距離である共役長（ＴＣ）は１８．３（ｍｍ）必要である。

　しかしながら、上記のような従来のイメージセンサーにあっては、開口角の小さいレンズアレーを使用していたため、光量伝達率が小さく、原稿の読み取りスピードアップに限界があった。

　また、開口角の小さいレンズアレーは原稿面からセンサーまでの距離（ＴＣ）が長くなり、それを用いたイメージセンサーが大型になってしまうという問題点があった。

　さらに、上記のような従来のイメージセンサーにあっては、レンズアレーがＲ，Ｇ，Ｂの光をそれぞれ等しくセンサーアレーへ入射しているので、出力画像において読み取り原稿中の極細直線がギザギザに出力されるモアレ現象が現れ、特にカラー原稿出力画像で顕著に目立つという問題点があった。

　本発明の画像読取装置は、光電変換素子と、第１色の光，前記第１の光よりも波長が長い第２色の光，前記第２の光よりも波長が長い第３色の光を照射する光源と、前記光源により照明された原稿からの光を前記光電変換素子上に結像させる結像部材と、前記原稿を支持する支持部材とを有し、前記光電変換素子から前記支持部材による原稿支持面までの距離を、前記第１色の波長の光において最高解像度を得るための共役長以上であり且つ前記第２色の波長の光において最高解像度を得るための共役長よりも小さくなるように設定したことを特徴とする。

　さらに、前記結像部材の中心から前記光電変換素子までの距離を前記第２色の波長の光において最高解像度を得るための共役長の２分の１に設定するとともに、前記結像部材の中心から前記支持部材による原稿支持面までの距離を前記第１色の波長の光において最高解像度を得るための共役長の２分の１に設定したことを特徴とする。

　さらに、前記第１色，第２色，第３色の３色の光を順次切り換えて点灯することによりカラー原稿の読み取りを行なうことを特徴とする。

　さらに、モノクローム原稿を読み取る際に前記第１色の光あるいはその光による情報を用いないことを特徴とする。

　さらに、モノクローム原稿を読み取る際に前記第２色と前記第３色のうち少なくとも１色の波長の光を照射することを特徴とする。

　本発明によれば、Ｓ／Ｎ比が向上し、しかも読取時間を短縮することができる。また、モアレの発生を軽減して最適なカラーの画像を得ることができる。

　以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。

　図１，図２は本発明に係るイメージセンサーの構成を示す断面図及び上面図である。このセンサーは、ライン状に複数の光電変換素子を配列してなる光電変換素子群を具備したセンサーＩＣ１０１を、読み取り原稿の長さに対応して複数個ライン状にガラスエポキシ材等のセンサー基板１０２上に精度良く並べたセンサーアレー１と、これに原稿からの光を結像させるレンズアレー２と、原稿に光を照射させる照明装置３と、原稿支持用の透明な光透過性部材からなるカバーガラス４と、それらを位置決めして保持するためのアルミニューム等の金属あるいはポリカーボネイト等の樹脂の材料からなるフレーム５から構成されている。

　上記構成のセンサーは、カバーガラス４へ押しつけられて支持された原稿に、照明装置３により斜め約４５゜方向からＲ，Ｇ，Ｂ３色の光を順次切り換えて照明し、原稿からのＲ，Ｇ，Ｂ３色の光情報をレンズアレー２によりセンサーＩＣ１０１へ結像させ、このセンサーＩＣ１０１によりＲ，Ｇ，Ｂ３色の光情報を電気信号に変換してシステムへ伝送し、そこでＲ，Ｇ，Ｂ３色の電気信号を処理してカラー画像を再現する仕組みとなっている。

　照明装置３は、図３及び図４の拡大図に示すように、光源としてＲ，Ｇ，Ｂ３色のＬＥＤ素子３１１，３１２，３１３が一つにパッケージングされたＲ，Ｇ，Ｂ３色ＬＥＤチップ３１と、その光を導いて所望の方向へ出射させるアクリル樹脂等の光透過性に優れた部材からなる導光体３２とから構成されている。同図中、３１４はリードピン、３２１は鋸歯部、３２２は凸部である。

　Ｒ，Ｇ，Ｂの各ＬＥＤのピーク発光波長は、色再現性を良くすることとレンズの色収差をできるだけ小さくするため、それぞれ６２０（ｎｍ）、５３０（ｎｍ）、４７０（ｎｍ）のものを選択している。なお、これらのピーク発光波長は、それぞれ５９０〜６３０（ｎｍ）、５１０〜５５０（ｎｍ）、４５０〜４９０（ｎｍ）であれば良い。

　ＬＥＤチップ３１は、導光体３２の長手方向の端部片側から該導光体３２へ光が入射するように配置されており、入射した光は導光体３２と空気の界面で全反射を繰り返し、導光体３２中を伝搬していく。

　また、導光体３２には図３，図４に示す通り、細かな鋸歯形状の鋸歯部３２１が導光体３２の長手方向に連続的に形成されており、導光体中を伝搬していく光の内鋸歯部３２１へ入射した光だけは他の面での反射とは異なり、原稿面へ向かって大きく方向を換え、次の導光体３２と空気との界面で全反射角条件を満足しなくなり、所望の方向に光を出射させるようになっている。

　この鋸歯部３２１は、アルミ蒸着や銀色、白色インク等の印刷を施した反射面、または鋸歯の形状だけで空気との界面での完全反射を利用したものであっても良い。

　あるいは、鋸歯形状を形成しなくても、単に白色インク等の印刷や粗面化することでも同様の効果が得られる。

　また、原稿面の照度を均一にするには、光源から距離が離れるほど鋸歯部３２１の幅を広げることや、単に白色インク印刷の場合は印刷面積を徐々に広げることで容易に可能である。

　また、導光体３２の原稿への光出射部以外を光の反射効率の良い白色等の部材で覆うことで、原稿面の照度アップを図ることが可能である。

　図５は照明装置３の各光源の分光特性を示す図であり、Ｒ，Ｇ，Ｂの各波長（ｎｍ）と相対発光強度の関係を表わしている。

　また、本実施の形態で用いているレンズアレー２は、イオン交換等により周辺部から中央部へいくほど屈折率を高めることでレンズ性能を持たせるようにした径０．６（ｍｍ）程度の円柱状のレンズ素子を複数個ライン状に精度良く配列することで形成されている。

　レンズアレー２の結像範囲を図６に示すが、従来のカラーイメージセンサーでは色収差の少ないガラス材料を用いることで最大開口角θ＝１２（ｄｅｇ．）程度が限界であったが、本実施の形態で使用しているレンズアレー２では適度な色収差を持たせたガラス材料を選択したことで、開口角θ＝２０（ｄｅｇ．）以上とすることができる。

　そして、開口角θは大きいほどレンズが取り込む光の量が多くなるため、光量伝達率が上がり、開口角θ＝２０（ｄｅｇ．）のレンズアレー２は従来のθ＝１２（ｄｅｇ．）のものの約４倍の明るさが得られる。

　また、共役長ＴＣ（原稿面からセンサー面までの距離）は開口角θ＝１２（ｄｅｇ．）のレンズアレーが１８．３（ｍｍ）であるのに対し、θ＝２０（ｄｅｇ．）のものは９（ｍｍ）前後で約半分の長さである。

　図７はレンズアレー２の色収差を示す図である。図示のように、光源の各波長によって最高の解像度を得るための共役長ＴＣ（原稿面からセンサー面までの距離）は異なっている。

　本実施の形態では、光源であるＬＥＤのＲはピーク波長λ＝６２０（ｎｍ）、Ｇはピーク波長λ＝５３０（ｎｍ）、Ｂはピーク波長λ＝４７０（ｎｍ）のものを選択しているため、それぞれ最高の解像度を得る共役長は９．４（ｍｍ）、８．８（ｍｍ）、８．２（ｍｍ）となる。

　本実施の形態では、センサーとレンズの中心までの光学距離ＴＣ／２を４．４（ｍｍ）のＧに設定し、カバーガラス表面とレンズの中心までの光学距離ＴＣ／２を４．１（ｍｍ）のＢに設定し、全長のＴＣはＧとＢのほぼ中間の共役長ＴＣ＝８．５（ｍｍ）になるように、フレーム５及びカバーガラス４の寸法を合わせ込んでいる。

　ただし、ここでの寸法はレンズの光路長を空気として仮定したものであるので、光路中に空気以外の例えばガラス（屈折率ｎ＝１．５１）が介在する場合は、光路長にガラスの屈折率を掛けてガラスの厚みを設定する必要がある。

　図８に本実施の形態のレンズアレー特性として、ＴＣがズレたときの２００ＤＰＩのＭＴＦ（％）の変化を示す。また、図９にセンサーとレンズの中心までの光学距離ＴＣ／２と原稿面とレンズの中心までの光学距離ＴＣ／２の距離の差による２００ＤＰＩのＭＴＦの変化を示すが、それぞれの距離が等しいときが最も高いＭＴＦ値となる。

　そして、本実施の形態のカバーガラス表面を０としたときのＲ，Ｇ，Ｂ各焦点深度特性として、図８と図９から図１０に示すＲ，Ｇ，Ｂの焦点深度特性が導き出される。

　ＧとＢの焦点深度は原稿面位置０〜０．５（ｍｍ）の広い範囲でＭＴＦを２０（％）以上確保でき、Ｒについては原稿面位置０で２００ＤＰＩの解像度がほとんど得られない。

　３色のＬＥＤでカラー原稿を読み取った際、３色の平均で解像のコントラストが決定されるため、極細線のエッジ部はＲにより適度にぼかされ、モアレのない最適なカラー出力画像を得ることができる。

　また、文字等の多いモノクローム原稿を読み取る際は、ＧとＢ何れか一方、または両方のみ点灯し、Ｒは点灯しないようにすれば、原稿がカバーガラス４から多少浮いても要求される高解像の画像が得られる。

　また、本実施の形態では、Ｇにおける共役長とＢにおける共役長の丁度中央に共役長ＴＣを合わせたが、ＧとＢにおけるＴＣを含むその間、すなわちＧにおけるＴＣ≧ＴＣ≧ＢにおけるＴＣに共役長ＴＣを合わせれば、同様の効果が得られる。

　次に上記のイメージセンサーの作製方法について説明する。

　図１に示すフレーム５の所定の位置に、レンズアレー２と照明装置３をそれぞれ挿入する。また、照明装置３はフレーム５の水平な面と垂直な面に、導光体３２の三辺がそれぞれ突き当たるように挿入する。これにより、光軸の回転方向の位置決めを精度良く行うことができる。

　次に、フレーム５に挿入された照明装置３の導光体３２上面の一部に設けられた凸部３２２及びレンズアレー３の上面と近似的に同一平面上で、照明装置３及びレンズアレー２を挟む形で設定されたフレーム５の長手方向の二面に、カバーガラス４を接着剤等で接着する。

　このフレーム５とカバーガラス４とを接着することで、レンズアレー２と照明装置３のがたつきのない固定を一緒に兼ねることが可能となる。

　最後にＬＥＤ３１の４本のリードピン３１４をセンサー基板と半田付け等の手段で電気的に接続する。これにより、上述のイメージセンサーが完成する。

　図１１は上記イメージセンサーを用いた情報処理装置の概略構成を示す断面図であり、ここでは原稿ＰＰの画像を記録媒体Ｐに記録するプリンタの場合を示している。

　図１１中、２０はオペレーションパネル、１００はセンサーユニット、１０２は給送ローラ、１０６，１１２はプラテンローラ、１１０は記録ヘッド、１３０はシステムコントロール回路基板、１４０は分離片、１５０は電源である。

　本装置は、システムコントロール回路基板上にあるマイコンにより全体の制御が行なわれるようになっている。さらにマイコンは、上記したイメージセンサの制御、すなわち照明装置３の点灯制御やセンサー１の駆動制御を行う。センサーユニット１００により読み取られた画像信号は、記録媒体Ｐに記録するための処理、あるいは外部に出力するための画像処理が、マイコンからの指令に応じてシステムコントロール回路基板１３０上の信号処理回路により行われる。

　図１２は、上記各実施の形態で説明したイメージセンサーを用いて構成した情報処理装置の一例として、イメージセンサ２００を内蔵した画像読取装置１５０をパーソナルコンピュータ１６０に接続してシステム化し、読み取った画像情報をコンピュータあるいはネットワーク上に送出するようにした構成例について説明する。

　図１２において、１７０は画像読取装置１５０全体を制御する第１の制御手段としてのＣＰＵ、２００は前述した光源及びＣＣＤラインセンサ等により構成され、原稿の画像を画像信号に変換する読取ユニットとしてのカラーイメージセンサ、１１６はカラーイメージセンサ２００から出力されるアナログ画像信号にゲイン調整等のアナログ処理を施すアナログ信号処理回路である。

　また、１１８はアナログ信号処理回路１１６の出力をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、１８０はメモリ１２２を使用してＡ／Ｄ変換器１１８の出力データにシェーディング補正処理、ガンマ変換処理及び変倍処理等の画像処理を施す画像処理回路、１２４は画像処理回路１８０により画像処理されたディジタル画像データを外部に出力するインターフェースである。インターフェース１２４は、例えば、ＳＣＳＩ又はＢｉ−Ｃｅｎｔｒｏｎｉｃｓ等のパーソナルコンピュータで標準的に採用される規格に従っており、パーソナルコンピュータ１６０に接続される。これらのアナログ信号処理回路１１６、Ａ／Ｄ変換器１１８、画像処理回路１８０、メモリ１２２により信号処理手段が構成される。

　第２の制御手段であるパーソナルコンピュータ１６０には、外部記憶装置又は補助記憶装置１３２として、光磁気ディスクドライブやフロッピー（登録商標）ディスクドライブなどが装備される。１３４はパーソナルコンピュータ１６０上での作業を表示するディスプレイ、１３３はパーソナルコンピュータにコマンド等を入力するためのマウス／キーボードである。また、１３５はパーソナルコンピュータと画像読取装置との間でデータ、コマンド、画像読取装置の状態情報の授受を行うインターフェースである。

　パーソナルコンピュータ１６０は、マウス／キーボード１３３より画像読取装置に対し読取りの指示を入力出来るようになっている。マウス／キーボード１３３により読取指示が入力されると、ＣＰＵ１３６はインターフェース１３５を介して画像読取装置のＣＰＵ１７０に対して読取コマンドを送信する。そして、パーソナルコンピュータ１６０のＣＰＵ１３６は、ＲＯＭ１３７に格納されている制御プログラム情報に従って画像読取装置のＣＰＵ１７０の制御を行なう。そしてＣＰＵ１７０は、イメージセンサ２００に内蔵された光源やＣＣＤラインセンサの駆動制御や、上記信号処理手段の制御を行う。なお、この制御プログラムは、補助記憶装置１３２に装填される光磁気ディスクやフロッピー（登録商標）ディスク等の記憶媒体に記憶したものをパソコン１６０内に読み込むことによりＣＰＵＹ１３６が実行するようにしてもよい。

　このように、上述のイメージセンサーを本装置に用いることで、実用性の高い価値のあるものとなる。

　以上説明したように、光を受光する光電変換素子群と、波長の短かい方から第１，第２，第３の色の３色の光を照射する照明装置と、原稿からの光を上記光電変換素子群に結像するレンズ等からなるイメージセンサーにおいて、
　上記レンズの共役長ＴＣを第１の色の光源の発光波長における共役長をＡとし、第２の色の光源の発光波長における共役長をＢとした場合にＡ≦ＴＣ≦Ｂとなるように設定することで、例えばＲの光電変換素子群に結像する結像光の解像度を他のＧ，Ｂより低下させ、極細線を読み取ったときの出力画像において該極細線のエッジ部に適度のボケが発生し、特にカラー出力画像で目立つモアレを軽減することができ、最適なカラーの高質画像を得ることができる。

　また、文字等で高解像が要求されるモノクローム原稿の読み取り時は、Ｇ，Ｂの何れか一方、または両方点灯し、Ｒは点灯しないようにすれば所望の画像が得られ、Ｇ，Ｂ同時に点灯すれば読み取り時間の短縮も図れる。

　また、Ｒを点灯しないことで、赤色の朱肉がしっかり読め、処理できる書類の幅が広がる。

　また、色収差のあるレンズ材料を使用できることで、開口角２０（ｄｅｇ．）以上の明るいレンズを選択でき、上記光電変換素子群上の照度がアップすることでＳ／Ｎ比の向上や読み取りスピードのアップが図れ、高性能化が可能となる。

　また、上記照明装置は光源とこの光源の光を導光して所望の方向へ出射させるようにした導光体から構成することにより、少ない発光素子数で原稿面の照度を均一にすることが可能でき、大幅なコストダウンが可能となる。

　また、光を受光する光電変換素子群と、波長の短かい方から第１，第２，第３の色の３色の光を照射する照明装置と、原稿からの光を上記光電変換素子群に結像するレンズ等からなるイメージセンサーにおいて、
　光電変換素子群とレンズ中心までの光学距離を第３の色の発光波長のピーク値より波長の短かい光の共役長（ＴＣ）の２分の１とし、カバー部材の原稿支持面からレンズ中心までの光学距離はそのＴＣより短かい共役長を有する発光波長の光の共役長（ＴＣ’）の２分の１に設定することで、レンズに開口角２０（ｄｅｇ．）以上の焦点深度の短かい短焦点等倍型レンズアレーを使用した場合でも、各色において従来使用されていた開口角１２（ｄｅｇ．）のレンズとほぼ同等の焦点深度が得られ、カラーで想定される写真切り貼り原稿の読み取りにおいても実用上問題ない出力画像が得られる。

　また、レンズに開口角２０（ｄｅｇ．）以上の短焦点等倍型レンズアレーを用いることが可能となるため、原稿からの光を光電変換素子群に導く光量伝達効率も上がり、原稿の読み取りスピードを速くすることが可能となり、さらに共役長（ＴＣ）が短くなることで、イメージセンサー及びこれを用いた情報処理装置の小型化に寄与することができる。

　また、上記照明装置は光源とこの光源の光を導光して所望の方向へ出射させるようにした導光体から構成することにより、少ない発光素子数で原稿面の照度を均一にすることが可能となり、大幅なコストダウンとなる。

イメージセンサーの構成を示す断面図 イメージセンサーの構成を示す上面図 図１の照明装置を拡大して示す断面図 図１の照明装置を拡大して示す側面図 照明装置の各光源の分光特性を示す図 図１のレンズアレーの結像範囲を示す説明図 レンズアレーの色収差を示す図 レンズアレーの共役長ズレとＭＴＦの関係を示す説明図 レンズアレーの焦点深度特性を示す説明図 Ｒ，Ｇ，Ｂの焦点深度特性を示す説明図 イメージセンサーを用いた情報処理装置の概略を示す断面図 イメージセンサーを用いた情報処理システムの構成ブロック図 イメージセンサーの構成を示す断面図

符号の説明

　１　センサーアレー（光電変換素子群）
　２　レンズアレー
　３　照明装置
　４　カバーガラス
　５　フレーム
　３１０　色ＬＥＤチップ（光源）
　３１１　ＬＥＤ素子（光源）
　３１２　ＬＥＤ素子（光源）
　３１３　ＬＥＤ素子（光源）

Claims (10)

1. 　光電変換素子と、第１色の光，前記第１の光よりも波長が長い第２色の光，前記第２の光よりも波長が長い第３色の光を照射する光源と、前記光源により照明された原稿からの光を前記光電変換素子上に結像させる結像部材と、前記原稿を支持する支持部材とを有し、
   　前記光電変換素子から前記支持部材による原稿支持面までの距離を、前記第１色の波長の光において最高解像度を得るための共役長以上であり且つ前記第２色の波長の光において最高解像度を得るための共役長よりも小さくなるように設定したことを特徴とする画像読取装置。
2. 　請求項１において、前記結像部材の中心から前記光電変換素子までの距離を前記第２色の波長の光において最高解像度を得るための共役長の２分の１に設定するとともに、前記結像部材の中心から前記支持部材による原稿支持面までの距離を前記第１色の波長の光において最高解像度を得るための共役長の２分の１に設定したことを特徴とする画像読取装置。
3. 　請求項１又は２において、前記第１色，第２色，第３色の３色の光を順次切り換えて点灯することによりカラー原稿の読み取りを行なうことを特徴とする画像読取装置。
4. 　請求項１乃至３のいずれか１項において、モノクローム原稿を読み取る際に前記第１色の光あるいはその光による情報を用いないことを特徴とする画像読取装置。
5. 　請求項４において、モノクローム原稿を読み取る際に前記第２色と前記第３色のうち少なくとも１色の波長の光を照射することを特徴とする画像読取装置。
6. 　請求項１乃至５のいずれか１項において、前記結像部材として、開口角２０°以上の短焦点等倍型ロッドレンズを用いたことを特徴とする画像読取装置。
7. 　請求項１乃至６のいずれか１項において、前記光源は、発光素子からの光を導いて所望の方向に出射させる導光体を備えることを特徴とする画像読取装置。
8. 　請求項７において、前記発光素子として、前記第１色，第２色，第３色の波長の光をそれぞれ照射する３種類のＬＥＤを用いたことを特徴とする画像読取装置。
9. 　請求項１乃至６のいずれか１項において、前記第１色のピーク波長は青色に相当する４５０〜４９０ｎｍ、前記第２色のピーク波長は緑色に相当する５１０〜５５０ｎｍ、前記第３色のピーク波長は赤色に相当する５９０〜６３０ｎｍであることを特徴とする画像読取装置。
10. 　請求項１乃至７のいずれか１項において、さらに前記原稿と前記光電変換素子との相対的な位置を移動するための移動手段を有することを特徴とする画像読取装置。

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