JP2552856B2

JP2552856B2 - ビ−ムスプリツタ

Info

Publication number: JP2552856B2
Application number: JP62082754A
Authority: JP
Inventors: ケント・デー・ビンセント
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1986-04-02
Filing date: 1987-04-02
Publication date: 1996-11-13
Anticipated expiration: 2011-11-13
Also published as: DE3788969D1; EP0240000A2; DE3788969T2; EP0240000A3; US4709144A; EP0240000B1; US4806750A; JPS62234106A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は、光を複数色に分解するビームスプリッタに
関する。

〔発明の技術的背景及びその問題点〕

カラーイメージャ（color imager）はカラービデオカ
メラの商業印刷用カラースキャナとを備えている。カラ
ーイメージャはカラー画像を機械が読取り得るデータに
変換する。これはカラー映像をピクセル（pixel）と呼
ぶ多数の小部分に分割することにより達成される。カラ
ーイメージャは各ピクセルからの光を赤、青、または緑
の光に分離する。カラー映像の各ピクセルに割当てられ
る数は赤、青、および緑の光を表わす。高速、高分解能
で、かつ正確なカラーイメージャがあればコンピュータ
の有用性が高まるとともに非常に多くのタスクが自動化
されることになる。たとえば、コンピュータはカラー映
像をプリントし、表示することができる。しかしなが
ら、カラー映像をコンピュータへ転送する高速、正確、
かつ高分解能の手段が無いためこの能力の利用が限られ
ている。

初期の従来技術では、ビームスプリッタ（beamsplitt
er）やカラーフィルタのような個別の光学的要素が映像
のカラー成分を分離している。二色性（dichroic）とビ
ームスプリッタがビームスプリッタとフィルタとの両機
能を兼ね備えているため広く用いられてきた。典型的に
は、カラー分解は個別の二色性ビームスプリッタ２個を
イメージャの投射レンズとそのフォトセンサとの間の光
路に配置して行われる。第１の二色性ビームスプリッタ
が第１のスペクトル帯域（たとえば、緑）を第１のフォ
トセンサに反射すると同時に残りのスペクトル帯域を第
２の二色性ビームスプリッタに伝える。第２の二色性ビ
ームスプリッタは第２の帯域（たとえば、赤）を第２の
フォトセンサに反射すると同時に残りのスペクトル帯域
（たとえば、青）を第３のフォトセンサに伝える。この
方法の欠点はそれぞれの二色性ビームスプリッタとフォ
トセンサとを精密に整列させなければならないというこ
とである。そうでないと、カラー成分が光学的に正しく
合致しないことになる。整列プロセスは費用がかさむた
めこの従来技術のカラー分解の使用は限られている。

低価格の固体（solid−state）フォトダイオードアレ
イ・フォトセンサの出現とともに、カラースキャナやビ
デオカメラの低価格なカラー分解技術を開発する各種の
試みがなされてきた。

カラーフィルタを内蔵した固体のフォトダイオードア
レイは日立、東芝、ソニー、およびRCAにより商品化さ
れた。これらの装置は一つのシリコン基板上に配列した
フォトダイオードの二次元アレイを採用している。アレ
イはゼラチン層で被覆され、この層内にカラー染料が標
準のマスキング技術を用いて選択的に含浸されている。
各フォトダイオードは、したがって、アレイを通じて繰
返されるカラーパターンにしたがて、たとえば、赤、
緑、または青のカラーフィルタを組込んでいる。同じ技
術はラインスキャナ用の一次元フォトダイオードアレイ
・センサに応用されている。後者の装置は東芝とフェア
チャイルドから市販されている。

フォトダイオードアレイを使用する従来技術のカラー
イメージャを第１図に示す。一つの直線状フォトダイオ
ードアレイ23はそれぞれの赤、青、および緑のパターン
で各フォトダイオードにわたり含浸された個々の有機染
料フィルタを備えている。カラー分解、すなわちカラー
映像の赤、青、および緑の光への分解は、第１図に示す
ように、光ビームをアレイ上に集束させることにより行
われる。一つの赤、緑、および青のフォトダイオード・
グループ25は一つのカラーピクセルに情報を与える。こ
の従来技術の技法にはいくつかの欠点がある。３個のフ
ォトダイオードが情報を一つのピクセルに供給するた
め、ピクセルの分解能が三分の一に減る。正確なカラー
映像を作るには、元のカラー映像からの与えられたカラ
ーピクセルの輝度細部（luminance detail）とクロマ
（chroma）とが３個の光学的に一致するフォトセンサ素
子によって分解されなければならない。しかしながら、
従来技術のフォトダイオードアレイではカラーが一致し
ない。赤色光は一つの位置から検出され、緑は他の位置
から、そして青を第３の位置から検出される。その他
に、各フォトダイオードに入射する光の三分の二はフィ
ルタの吸収によって失われる（たとえば、赤色フィルタ
は緑と青とのスペクトル帯域を吸収する）。分解能を上
げるためには、アレイ23を長くするか、フォトダイオー
ドの面積を減らすかしなければならない。しかしなが
ら、分解能を上げるこれらの方法はそれに比例して走査
の速さを下げることになる。また、染料フィルタは二色
性フィルタよりもカラー帯域純度（color band purit
y）が小さい。従来技術の方法はカラー感度を弱めるし
（desaturate）、またそうでないとすればスペクトル的
に不正確である。

フォトダイオードアレイを使用する従来技術の他のカ
ラーイメージャは着色フィルタ・セグメントから成る回
転カラー輪（rotating color wheel）を備えている。レ
ンズが元の物体の線像（line image）を直線状フォトダ
イオードアレイに結像する。回転カラー輪は投射された
線像を繰返しカラー例、たとえば、赤、緑、青にろ波す
る。与えられた線像の各カラー成分に対する信号は三つ
のカラー成分がすべて検出されてしまうまでディジタル
的に貯えられる。この信号は次にメモリに記録され、三
つのカラー・バリュー（color value）を線像内の各ピ
クセルに割当てる。

カラー輪カラー分解技法はフォトダイオードアレイの
分解能を完全に利用する他に二色性フィルタをも利用し
ているという長所を備えている。しかしながら、この技
法にはいくつかの欠点がある。一度に検出するのは三つ
のカラーのうちの一つだけであるから、走査の速さが組
込みセンサ・フィルタの走査速度の三分の一である。ま
た、カラー輪の回転中フィルタ・セグメント間の移り変
りから更に速さの低下が生ずる。同期的「ステップ進行
（stepped）に対抗して、カラー輪と走査線とを連続的
に駆動すると、フォトダイオードアレイの有効分解能は
走査方向にカラー輪のカラーサイクル（color cycle）
を通じて走査線の動きだけ減少する。他の欠点はカラー
輪の大きさであって、これによって装置の拡張性が制限
される。ページ幅「接触」あるいは「横断ヘッド（trav
ersing）」式スキャナの実施は不可能になるか扱いにく
くなる。更に、この従来技術の装置は大きな運動機構と
その機構の制御装置とを背負っている。

日本のシャープ社はカラー文書の走査に従来技術によ
る第３のカラー分解技法を導入した。シャープのスキャ
ナは結像用光源として３個の順次点灯される着色蛍光灯
（たとえば、赤、緑、青）を備えた一つのフォトダイオ
ードアレイを採用している。フォトダイオードアレイに
よって得られる信号の連鎖はカラー輪カラー分解と全く
類似している。すなわち、フォトダイオードアレイへの
入力は与えられた元の線像の赤、緑、および青成分の順
次入力である。同様に、各カラー成分に対するフォトダ
イオード信号は各カラーサイクルの終りにメモリにディ
ジタル的に格納され再整理される。

カラー輪カラー分解と同様、三色ランプの方法がフォ
トダイオードアレイの完全分解能を利用する結像手段と
なっている。しかしながら、いくつかの欠点によってイ
メージャの速さと色の完全性とが制限される。正確なカ
ラー分解を得るためには、各ランプからの光出力は次の
ランプを順に点灯する前に消滅しているべきである。ラ
ンプの出力が混合するとカラー検出が低下する。その結
果、走査の速さが各蛍光灯に使用されている蛍光体の持
続時間、あるいは前に点灯したランプの減衰光出力によ
って生じた信号を動的に差引く能力、によって制限され
る。カラー完全性は更に市場の走査速度仕様に合うよう
に充分低い持続値を備えている蛍光体を選択することに
よって制限される。典型的には、各ランプ出力の所望の
スメクトル特性を得るにはランプの外部吸収ろ波が必要
である。カラー輪カラー分解の場合のように、走査速度
に対して望ましいように、走査線を連続的に駆動する
と、フォトダイオードアレイの有効分解能は順次点灯す
るランプのカラーサイクルを通じて走査方向に走査線の
動きだけ減少する。３個のランプから成る光学系の大き
さと容積とによっても同様に「接触」あるいは「横断ヘ
ッド」式スキャナの用途への装置拡張性が制限される。

〔発明の目的〕

本発明は上述の欠点を解消するためになされたもので
ある。

〔発明の概要〕

本発明は新規な三色（trichromatic）ビームスプリッ
タとフォトセンサとの複合体である。三色ビームスプリ
ッタは投射映像を空間的精度ばかりでなくスペクトル的
精度を保ってその三つのカラー成分に分解する複合二色
性ビームスプリッタ板から構成されている。三つの直線
状アレイから成るフォトセンサは三色性ビームスプリッ
タのカラー成分映像を受入れるように精密に一定間隔で
配置された三つの平行フォトダイオードアレイを備えて
いる。モノリシックセンサから構成されている。三色性
ビームスプリッタ56の一実施例を第３図に示す。三色性
ビームスプリッタ56の他の変形例を第６図に示す。第7A
図は三色性ビームスプリッタ59を示している。

本発明は小形で、廉価であり、製造しやすい。本発明
の他の利点はピクセル内のカラーの一致である。すなわ
ち、ピクセルの各部分がすべて三つのカラー成分を発生
する。本発明は正確なスペクトル分解および空間分解を
行う特徴をも備えている。正確なスペクトル分解は一部
は二色性フィルタを通して、一部はカラーイメージャ装
置の必要条件に合うようにスペクトル的に調整されてい
る。ランプによって行われる。正確な空間分離は板の厚
さの精度によって達成される。本発明は高分解能および
高走査速度によっても特徴づけられている。各ピクセル
はすべてのスペクトル成分を発生し、フォトセンサはス
ペクトル成分を並列に検出する。

本発明は従来のろ波技術と比較してきわめて効率的で
ある。本設計ではビームスプリッタに当る入射光の実質
的にすべてがフォトセンサによって集められる。従来の
フィルタは一般的には二つのスペクトル帯域を吸収して
一つを透過した。三色性ビームスプリッタで実質的にす
べての可視光が利用されるので、与えられた光学系に対
して最大走査速度が得られる。

本発明は費用のかかる光学的整列を必要としない。二
色性被膜は製造過程でガラス板により精密に分離されて
いる。この分離はフォトセンサのフォトダイオードアレ
イの分離に対応する。本発明は多数の異なる実施例を作
ることができる。その映像を作り出している物体を近く
に置いてもよいし、離して置いてもよい。三色性ビーム
スプリッタの長さはページ幅に等しくしてもよいし、非
常に短くもできる。カラー映像を三色に分解するかわり
に、多数の色に分けることができる。したがって、本発
明は正確で廉価な、しかも融通性のあるカラー分離器を
提示するものである。

〔発明の実施例〕

本発明においては、投射された線像の精密なスペクト
ル分解および空間的分離が第３図に示すような複合二色
性ビームスプリッタにより達成される。各ビームスプリ
ッタ２、３は、精密に研削、研磨され、片面または両面
が所定の多層誘電干渉光学フィルタ被膜（multilayer d
ielectric interference optical filter coating）5
0、52、54（今後二色性被膜と言う）で被覆されたガラ
ス板から構成されている。各二色性被膜50、52、54で、
入射光は波長に応じて反射されるか透過されるかするが
吸収損失は無視できる程である。二色性被膜50、52、54
の組成は正確な帯域通過ろ波を行うように設計すること
ができる。

二色性被膜は光学の分野では良き知られている。該被
膜は代表的には、ガラス面上に、典型的には約３ミクロ
ンの集積厚さに20以上の高屈折率および低屈折率の光学
層を交互に真空蒸着（vacuumdeposited）したものから
構成されている。材料の組成と蒸着の方法とは非常に正
確なスペクトル帯域通過ろ波を行うように設計すること
ができる。二色性被膜で被覆された１枚のガラス板前面
で構成される多様な二色性フィルタを多様な供給元（た
とえば、カリフォルニア州サンタ・ローザにあるOptica
l Coating Laboratory,Inc.）から市販品として入手で
きる。

本発明に適する二色性ビームスプリッタ板を第2A図お
よび第2B図に示す。第2A図に示すビームスプリッタ板２
はその二色性被膜50に45゜で入射する光が青色光（スペ
クトル帯域約400〜500nm）を反射し、赤色光と緑色を透
過するように作られている。

第2B図に示すビームスプリッタ３は両面が、第１の二
色性被膜52に公称45゜で入射する光が赤のスペクトル帯
域（たとえば、600〜700nm）を反射し、一方青と緑の帯
域を透過するように二色性被膜52、54とで被覆されてい
る。第２の二色性被膜54に入射し、その光学軸が二色性
被膜から公称45゜の向きになっている緑の光は反射され
る。反射された緑の光はガラス板62を通り、第１の二色
性被膜52を45゜の角で通って戻される。第2B図に示すよ
うに、入射光の赤と緑との成分は90゜で反射される。反
射された赤と緑との成分は平行でかつ、ガラス板62と二
色性被膜52、54の厚さ、およびそれらの屈折率とで決ま
る距離だけ互いに分離されている。

入射光ビームの三色分解は第３図に示すようにビーム
スプリッタ板２と３との複合体により行われる。スペク
トル的に調整された三つの二色性被膜50、52、54のそれ
ぞれは、ガラス板60、62の厚さだけ離れている。第１の
二色性被膜に入射し、光学軸がその二色性被膜から45゜
の向きになっている入射光は青のスペクトル帯域が反射
されるようにろ波される。反射されない帯域（赤と緑）
はガラス板60と62との間に配置された第２の二色性被膜
52に伝えられる。被膜52は赤のスペクトル帯域を反射す
る。残りの帯域は、緑のスペクトル帯域であるが、第３
の二色性被膜54から反射される。赤と緑のスペクトル成
分はガラス板60、62および二色性被膜50、52を通って、
実質的に乱されることなく、複合ビームスプリッタ56を
出る。このようにして入射光ビームの分離された赤、
緑、および青の成分は、平行に空間分離されている（こ
れは単にガラス板60、62および二色性被膜50、52、54の
厚さと、それらの屈折率とから決まる）主要入射ビーム
に対して90゜で反射される。反射されるカラー帯域の順
序は例として示したに過ぎない。更に、第三の二色性被
膜54をミラー被膜（mirror coating）で置きかえること
もできる。というのは残りの第三のカラー成分だけがそ
の被膜界面に到達するからである。

本発明に適するフォトセンサを第4A図に示す。フォト
センサ11は、第３図および第5A図に示す、集束線状映像
（focused line image）８、９および10とそれぞれ一致
するように精密に心合せし、かつ一定間隔に配置された
三つの直線状フォトセンサアレイ12、13および14を備え
た単一チップ、単一パッケージの固体装置であることが
望ましい。このような装置は既知の技術を用いて作るこ
とができる。たとえば、多数のフォトセンサアレイ装置
を現在市場から入手できる。最もすぐれているのは電荷
結合シフトレジスタを備えたフォトダイオードアレイ
（CCDフォトセンサ）である。このような単独線状CCDフ
ォトダイオードアレイ装置はカリフォルニア州パロアル
ト所在のフェアチャイルド・セミコンダクタ、日本の東
芝、およびその他の会社から市場入手できる。フォトセ
ンサアレイ装置はラインあたり128から5000光エレメン
トを越える範囲の商用分解能を備えている。光エレメン
ト間の間隔は一般に10から62ミクロンの範囲である。し
たがって、第4B図に示すフォトダイオードアレイの設計
と製造は三つの平行フォトセンサアレイ12、13および14
を作るのに既知の技術を利用している。距離「Ｄ」はフ
ォトセンサアレイ12、13および14を分離している。第5A
図に示すように、距離「Ｄ」は二色性被膜50、52および
54の分離と、フォトセンサ11の角θとに関係している。
フォトセンサ12と13との距離はフォトセンサ13と14との
距離に等しくする必要はない。三つのフォトセンサアレ
イ12、13および14は同期化のための共通クロック入力を
備えている。当業者には周知のとうり、集積回路フォト
リソグラフィ・プロセスは三つの直線状フォトセンサア
レイ12、13および14をサブミクロンの精度まで心合せ
し、かつ間隔を決めることができる。上述の三色ビーム
スプリッタ56と三つのフォトセンサアレイ検出器12、13
および14の空間的精度を組合せることにより、検出した
映像を元の単一線像と正確に一致させることができる。

三色ビームスプリッタ56とフォトセンサ11との好まし
い配置を第5A図の端面図に示す。三つの分離したカラー
成分の間でガラスを通る光路長が違うので、ビームスプ
リッタ56とフォトセンサ11とはガラスの公称屈折率に対
して90゜より小さい、典型的には80゜の包含角（inclus
ive angle）をなすように取付けられる。前記角度はレ
ンズとフォトセンサとの間の焦点距離には無関係であ
る。前記包含角で、分離された三つのカラー成分はその
それぞれの直線状フォトセンサアレイ12、13および14に
正しく収束する。アレイ12、13および14の空間的分離は
ガラス板60、62、二色性被膜50、52および54の厚さと、
それらの屈折率とによって直接決まる。（角と分離距離
とを計算するには標準のレンズ公式を使用する。）三色
ビームスプリッタ56とフォトセンサ11とは所定の角と距
離とを保ち、かつ部品を一つのパッケージに統合するハ
ウジング内に組立てるのが望ましい。

光学で周知のとうり、90゜以外の入射角でガラス板を
透過する集束光ビームは傾動球面収差（oblique spheri
cal abbration）を受ける。このため非点収差を生ず
る。ガラスの厚さと入射角とを増すと非点収差が悪化す
る。赤、青、および緑のスペクトル成分の受ける劣化の
程度は、それらのガラスを通る光路長が異なることと入
射角が大きい（45゜）となるため、異なる。これは三色
ビームスプリッタを通る色彩焦点（chromatic foci）が
結像レンズを作る焦点深度を越えるという程度までに焦
点とカラー分解技術の分解能とを損う。

好ましい実施例では、ガラス板60、62と二色性被膜5
0、52および54の厚さ、およびフォトセンサ11の三つの
フォトセンサアレイ12、13および14の空間分離とは、そ
うしない場合の光学的欠陥を無視できるようにかつ価格
を最小限にするように包括的に最小限にされる。薄いガ
ラス板（0.1から0.2ミリメートルの程度）は実質的にゆ
がみ無く研削し被覆するのは難かしいので、ビームスプ
リッタ製造の好ましい方法は、第5B図に示す厚いガラス
基板70を採用し、これから三色ビームスプリッタ56を作
り上げる。この好ましい方法では、厚いガラス基板70を
平らに研削し、研磨し、二色性被膜54で被覆する。該被
膜54に、光学セメント（optical cement）を使用してガ
ラス板62を接合する。次にガラス板62の露出面を平らに
研削し、研磨して、複合体を通して測ったとき被膜、セ
メントおよびガラスの厚さが所定の厚さになるようにす
る。同様な方法で、ガラス板62に二色性被膜52を被覆
し、次にガラス板60に接合し、この時点で板60の表面を
研削し、研磨して所定の厚さにする。最後に、二色性被
膜50を板60の露出面に蒸着させる。前記製作法を利用し
て、多数のビームスプリッタを最小の部品価格で切取る
ことができる比較的大きなガラスシートから成る三色ビ
ームスプリッタ56を製造することができる。

別の実施例は一対のビームスプリッタ板と一つのプリ
ズムとを使用している。第６図に示すように、入射光ビ
ームは直角プリズム１の第１の底辺30に直角に打ち当た
り、これを通して、光ビームが45゜で入射するプリズム
１の斜辺32に伝わるように配置されている。ビームスプ
リッタ２と３から成る、第３図の複合ビームスプリッタ
56がこのプリズムに取付けられている。入射光ビームの
赤、緑、および青のスペクトル成分の三色分解は前述の
ように行われる。反射した三つの成分ビームはプリズム
１に再び入り、プリズムの第２の底辺34に向かう。成分
ビームは底辺34に対して90゜でプリズムを出、光学軸は
空間的にだけ離れている。ただしＸは隣接する二つの二色性被膜
の間のガラス、光学セメント、および二色性被膜から成
る厚さである。ビームスプリッタ56を通して集束される
のに使用するレンズにかかわりなく、三つの成分光ビー
ムはプリズム１の第２の底辺34に対して角θ＝arctan2
（ｎ−1/n）の向きにある平面内に収束する。ただし、
ｎはガラスプリズム１およびビームスプリッタ板の屈折
率である。（ｎ＝1517に対して、θ＝34.28゜）。三つ
の直線状アレイ・フォトセンサ12、13、14は、先に述べ
たとうり、三成分ビームの焦点の位置で角θになるよう
に前記平面上に配置されている。プリズム１の付いた三
色ビームスプリッタ56によりガラスに対する入射角を90
゜にし、角センサアレイ12、13および14に色彩収束させ
ることができる。

フォトセンサ11をカラー分解するとビームの光軸に直
角に整列するため、第7A図に示すプリズム59の付いた二
重三色ビームスプリッタを採用する。この実施例では、
カラー分解するビームのガラス内光路長を三色ビームス
プリッタ56と58と互いに逆に配置することにより等しく
してある。

第7A図に示したとうり、入射光ビームは直角プリズム
１の斜辺32に直角に当り、これを通して、光ビーム45゜
で当るプリズム１の第１の底辺30に伝わるように整列さ
れている。第３図の複合ビームスプリッタ56はこのプリ
ズム１に取付けられている。入射光ビームの赤、緑、お
よび青のスペクトル成分の三色分解は上述のとうり行わ
れる。反射した三つの成分ビームはプリズム１に再び入
り、プリズム１の第２の底辺34に向い、分解した角ビー
ムは45゜の入射で第２の底辺34に当る。第２の複合ビー
ムスプリッタ58がプリズム１の第２の底辺34に取付けら
れている。ビームスプリッタ56および58の板60、62およ
び二色性被膜50、52、54は同じである。ただし、プリズ
ム１の各底辺30、34の上の、複合ビームスプリッタ56と
58およびその多層誘電体被膜50、52、54は三色プリズム
・ビームスプリッタ59に出入りする各成分カラービーム
の光路長が同一になるように逆にしてある。すなわち、
青のような、成分カラービームは底辺30に設置された板
60の二色性被膜50によって反射する。次に、青の成分は
底辺34に隣接して配置されている板60の二色性被膜50に
より反射する。同様な仕方で、赤の成分カラービームは
中間フィルタ52から中間フィルタ52に進み、緑の成分は
第7A図に示すように後側フィルタ54によって前側フィル
タ54に反射する。底辺34に隣接する三色ビームスプリッ
タ58から反射したビームはプリズム１の外に向かう。こ
のビームは斜辺32に垂直で、入射光ビームと平行であ
る。ビームスプリッタのガラス板60、62とその二色性被
膜50、52、54との厚さにより反射ビームの分離が決ま
る。したがって、二重三色ビームスプリッタ59はすべて
のカラー成分に対してガラスを通過する光路長を等しく
する。また、光は直角にプリズムを出入りする。

三色ビームスプリッタ59の別の実施例では明らかにプ
リズム１を省略することになる。プリズム１が無けれ
ば、入射光はビームスプリッタ56および58に45゜で当
り、フォトセンサ11の焦点面で非点収差的焦点を生ず
る。非点収差による影響の程度は付随する光学系の投影
レンズの焦点深度と三色ビームスプリッタを構成する各
種二色性被膜の空間分離との関数である。前記代案実施
例の主な利点は、そうでない場合には、レンズをそれに
対して補正しなければならなかった光路中のガラスを排
除したことである。

単なる例としてだけ、第7A図の三色ビームスプリッタ
59を採用している光学系を第8A図および第8B図に示す。
同様な光学系をそれぞれ第5A図、第６図、第7A図のビー
ムスプリッタ56、58、およびプリズム無しビームスプリ
ッタ59を付けて、あるいは入射光ビームを複数のビーム
スプリッタ板を組合せて三つより多いスペクトル帯域に
分離するビームスプリッタを付けて採用することができ
る。元の物体の線像７は第8A図に示す開口75を通してレ
ンズ６によりプリズム１の斜辺を通り入射ビームの光軸
が斜辺に垂直になるように投影される。開口75は主物体
線７のまわりの遠く隔たった物体線からの映像を阻止す
るように作られている。これはそうしなければ複数の別
々の映像がフォトセンサに入ることがあるからである。
入射ビームは先に述べたようにその三つのカラー成分に
分解される。青、赤、および緑の成分はそれぞれ線像
８、９および10のようにプリズム１から出で来る。ビー
ムスプリッタ58を通るカラー成分ビームの個々の光路長
は同一であるから、前記線像８、９、および10はプリズ
ム１の斜辺に垂直な一つの平面上に存在する。三つの線
像８、９、および10の空間分離はビームスプリッタ板6
0、62の六つの二色性被膜50、52、および54のガラス板
の間隔によって決まる。ビームスプリッタ板60、62の個
々の厚さを慎重に選択することにより、集束線像８、
９、および10の空間分離を非常に正確に決定し維持する
ことができる。この特徴は第8A図および第4A図に示す前
記モノリシック固体フォトセンサによる三色光検出に特
に適している。各線像８、９および10は平行に隔てられ
た三つのフォトセンサ12、13および14の一つによって電
子的に検出される。

前述の三色ビームスプリッタ59の組立図を第7B図に示
す。四つのビームスプリッタ板２、３、４、および５は
図示のとうりプリズム１の周りに配置され、標準慣例に
よる光学セメントで互いに固定されている。前記光学セ
メントは屈折率がガラスと合うように選択される。典型
的な光学セメントはポリエステルまたはアクリル系であ
る。組立プロセスでは接合線（glue line）の厚さを最
小にすること、好ましくはミクロンまたはサブミクロン
ののり状態（glue film）としてビームスプリッタ板の
二色性被膜の間隔の不規則変動を最小限にすることが重
要である。これは代表的には接着プロセス中複合構造に
熱および圧力を加えて行われる。

今度は第7A図に示すビームスプリッタの寸法を参照
し、二色性被膜50、52および54が距離Ｘだけ離れている
と仮定すれば、三つの集束線像８、９、および10の受け
る分離はである。誘電体光学フィルタ50、52および54の分離はガ
ラス板の厚さにより左右される。（フィルタ50、52、お
よび54の厚さは標準の二色性被膜の場合、典型的には３
μｍである）。このように、ガラス板の厚さは主として
線像８、９、および10の間の分離を決める。線像８、９
および10の分離の変動はガラス板の分離の変動によって
決まる。たとえば、映像線８、９、および10を７μｍ
（標準の13μｍの光エレメントの半分）の間隔公差に維
持するには、ガラス板の厚さの公差は2.5μｍ（0.0001
インチ）にする必要がある。このようなガラスの厚さの
精度は従来の研削、研磨手順と機器を用いて得ることが
できる。

三色ビームスプリッタ59を通るカラー成分の光路長はである。ただし、Ａは第7A図に示すように、プリズム１
の底辺の寸法である。基板（base）および板の寸法の適
度に小さな変動は通常大多数のレンズの正常焦点深度特
性により処理することができる。

先に示したとうり、線像８、９、10とフォトセンサア
レイ12、13、14とは間隔が合っていることが望ましい。
したがってフォトセンサアレイ12、13、および14の間の
間隔は二色性被膜50、52、54の間の間隔が第7A図に示す
ビームスプリッタ59におけるＸであるときとすべきである。このようにして、アレイの間隔を1.0m
mとすれば、ビームスプリッタ59に対してビームスプリ
ッタ板60、62の厚さを0.35mmにしなければならない。正
常状態のもとで、このような小さな厚さのガラス板に施
した二色性被膜50、52、および54はガラス板をわずかに
曲げることになる。ただし、ビームスプリッタ59の組立
中、プリズム１の堅い平らな表面への板の接着性と適合
性とによって曲りを除くことができる。CCDフォトダイ
オードアレイに対する合理的な最小アレイ間隔は約0.2
から0.3である。このような最小間隔にするにはビーム
スプリッタ板60、62の厚さを、利用するビームスプリッ
タの具体的構成により、0.07から0.2mmの程度にしなけ
れはならない。製造時これらの寸法を達成するには、前
に述べた第5B図の製作技法が望ましい。この技法は前述
の三色ビームスプリッタ構造のすべてに適用できること
が明らかである。

第8A図の輪郭図は「投射」結像装置の外観を備えてい
る。すなわち、比較的長い物体線７がレンズ６を経由し
てもっと小さい映像線８、９、および10に投射される。
このようなシステムでは、フォトセンサアレイ12、13、
および14の第4B図に示す光エレメント80は比例して元の
物体の所定の走査分解能より小さくしなければならな
い。このような「投射」式走査装置の利点は小さなフォ
トセンサアレイ12、13、および14を使用することであ
る。

本発明は「投射」光学系に限られるものではなく、事
実、他の製品形態、応用形態に全く拡張可能である。特
に、提示した三色ビームスプリッタ59と三つの直線状ア
レイ・フォトセンサ11とはファイバ・アレイレンズ15と
一まとめにして第９図に示す「接触」式走査ヘッド57を
作ることができる。「接触」式走査ヘッド57は主として
倍率１のレンズを使用する。このように、レンズとセン
サとを原物の非常に近くに小じんまりとまとめることが
できる。（走査ヘッドは名称が示すようには実際に原物
と接触してはいない。）ファイバ・アレイレンズ15は映像の分野では周知であ
り、SelFocレンズという名称で日本板硝子（日本）の製
品である。ファイバ・アレイレンズ15はページ幅のよう
な狭く長い長さに利用することができる。ファイバ・ア
レイレンズ15は所定の長さのガラスファイバから作られ
る。各ファイバは一つ一つのレンズとして働く。それ
は、化学処理によって屈折率がファイバの半径の関数と
して変るからである。本例では、レンズアイ15は物体７
の線像を三色ビームスプリッタ59を通して三つの直線状
アレイセンサ11に投射する。レンジアレイ15、ビームス
プリッタ59（または他の前述のビームスプリッタ構造
体）、およびフォトセンサ11の長さは、第９図のページ
内に移動するにつれて、用途によって決まる。すなわ
ち、ページ幅走査に対しては比較的長い長さ（たとえ
ば、長さ8.5インチ）、あるいは走査ヘッド57が原物体
上を外部機構により前後に横断する「横断」式走査に対
しては短い長さとなる。走査分離能が同等な場合、第９
図に示す接触（倍率１）式走査ヘッド57は第8A図および
第8B図に示す投射式走査ヘッドと比較してビームスプリ
ッタ板２、３、４、５の厚さに関し比例的に公差をゆる
くしなければならない。他方、走査幅が同等な場合、接
触スキャナ57は、走査ヘッド57が原物体を横断しないか
ぎり、レンズ倍率の比で側って、比例的に長くしなけれ
ばならない。

二色性被膜50、52、および54の他のろ波技法に対して
格段に有利な点は帯域通過波長と帯域通過の傾斜特性、
クロスオーバー特性とに関して設計を自由に変えられる
ことである。非常に鋭いステップ関数帯域通過ばかりで
なく隣接カラー帯域との制御傾斜クロスオーバー（cont
rolled slope crossover）は与られたフィルタの、層の
数、材質の種類、および被覆層の厚さによって管理され
る。可視スペクトル内では、赤、緑と青またはシアン、
マゼンタ、および黄の間で非常にきれいな帯域の識別が
できる。対照的に、従来技術で使用している、従来の有
機染料フィルタでは、一般的にあまりはっきりしてい
ず、通常は、与えられた検出三色カラーの飽和不足によ
る、帯域の近接や複数帯域ろ波の特性を示し、このため
結局は正確なカラー分解ができない。

本発明の教示は主としてカラー文書の走査に適用され
てきた。本例では、走査された文書の映像はカラーモニ
タに表示される。カラー分解の精度は表示された映像の
カラーと元の文書のカラーとの類似によって判断され
る。カラーの忠実性を得るには、カラー分解がモニタ表
示装置の画面の赤、緑、および青の個々の蛍光体のスペ
クトル特性と合っていなければならない。これは、第10
図に示すように、試験装置に二色性ビームスプリッタ16
と17、および蛍光体を特別に調製した蛍光灯22を使用す
ることにより首尾よく達成された。試験装置は2048個の
要素アレイと共に三つの単独直線状アレイCCDフォトセ
ンサ18、19、および20（東芝TCD102C−１）を使用して
いる。

第10図を参照すると、蛍光光源22が原文書21の表面を
照らしている。原物体７の線像はレンズ６により二色性
ビームスプリッタ16と17とから成るビームスプリッタ・
アセンブリに投射される。ビームスプリッタ16と17は片
面に二色性被膜50と52とをそれぞれ被覆した扁平なガラ
ス板である。ビームスプリッタ16は青色光を反射し、赤
と緑とのスペクトル帯域を透過する。前記青色光は、ビ
ームスプリッタ16を入射光ビームに対して45゜傾けて、
第１のCCD直線状アレイ・フォトセンサ18に反射され
る。ビームスプリッタ17は赤の光を第２のCCDフォトセ
ンサ・アレイセンサ20に反射する。前記ビームスプリッ
タ板はOptical Coating Lab.の市販の青および赤の45゜
の二色性カラー分解フィルタである。両ビームスプリッ
タ板を通過する緑の線像は第３のCCDフォトダイオード
・アレイセンサ19に捕えられる。ビームスプリッタ板17
と、図示のように45゜に整列されている。

第10図の一括ビームスプリッタアセンブリの帯域通過
特性を第11図に示す。カラー帯域間のクロスオーバー波
長は分解に関しきれいでスペクトル的に正確であるが、
反射された帯域は出力装置のカラーパレット（color pa
lette）のスペクトル形状と過不足分（balance）を分担
しない。出力装置はモニタのハードコピー装置とを備え
ている。この場合、スペクトルの正確さは光源22をスペ
クトル的に特別調整することにより最も容易に得られ
る。蛍光灯の蛍光体は広範囲のスペクトルを得るように
ブレンドすることができる。二色性被膜50、52のスペク
トル帯域通過特性は被膜50、52のカラー分解がモニタの
表示蛍光体に合うようにランプ22の蛍光体を選定するの
に使用することができる。HPのカラーモデル研究の結果
はスキャナの光源22の原型であるシルバニヤ・ランプが
使用したランプ仕様となった。シルバニヤが製作し測定
した前述の蛍光体の処方（Hewlett−Packard社から）と
原型ランプのスペクトルとを第12図に示す。

二色性ビームスプリッタ16および17により分解され、
CCDフォトダイオードアレイ18、19、および20で検出さ
れた前記スペクトル的に特別調整した蛍光灯のスペクト
ルは標準のモニタ蛍光体出力とほとんど同等のカラー音
階（color gamut）を発生する。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明を用いることにより、正確
なカラースペクトル分解ができ、高分解能、高速操作性
を有した、小形、廉価、製造容易なカラーィメージャを
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術のカラーセンサーを示す図、第2A図及
び第2B図は、二色性ビームスプリッタ板を示す図、第３
図は、本発明の一実施例の三色ビームスプリッタを示す
図、第4A図及び第4B図は、それぞれフォトセンサ集積回
路、フォトセンサ−アレイを示す図、第5A図は、本発明
の一実施例の三色ビームスプリッタと三色フォトセンサ
ーの相対位置を示す図、第5B図は、三色ビームスプリッ
タの構成法を示す図、第６図は、プリズムが付加された
本発明の三色ビームスプリッタの別の一実施例を示す
図、第7A図は、プリズムが付加された二重三色ビームス
プリッタを示す図、第7B図は、その組立図、第8A図は、
プリズム付二重三色ビームスプリッタを使用した光学系
を示す図、第8B図は、その等角図、第９図は、本発明の
別の一実施例を示す図、第10図は、フィルタの試験装置
を示す図、第11図は、第2A図及び第2B図のフィルタのス
ペクトル透過を示す図、第12図は、第11図に示すスペク
トル透過へ調整されたランプ出力を示す図である。 2,3:ビームスプリッタ;7,8,10:集束線状映像;50,52,54:
二色性被膜;56:複合ビームスプリッタ;60,62:ガラス板

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】互いにほぼ平行な第１の面および第２の面
を有する第１の板状透明部材と、前記第１の板状透明部材の前記第１の面に固着され、第
１の波長範囲の光を反射する第１の二色性被膜と、前記
第１の板状透明部材の前記第２の面に固着され、第２の
波長範囲の光を反射する第２の二色性被膜と、互いにほ
ぼ平行な第１の面および第２の面を有し、該第１の面が
前記第２の二色性被膜に固着された第２の板状透明部材
と、前記第２の板状透明部材の前記第２の面に固着さ
れ、第３の波長範囲の光を反射する第３の二色性被膜
と、を有する第１のビームスプリッタ手段と、互いにほぼ平行な第１の面および第２の面を有する第３
の板状透明部材と、前記第３の板状透明部材の前記第１
の面に固着され、前記第３の波長範囲の光を反射する第
４の二色性被膜と、前記第３の板状透明部材の前記第２
の面に固着され、前記第２の波長範囲の光を反射する第
５の二色性被膜と、互いにほぼ平行な第１の面および第
２の面を有し、該第１の面が前記第５の二色性被膜に固
着された第４の板状透明部材と、前記第４の板状透明部
材の前記第２の面に固着され、前記第１の波長範囲の光
を反射する第６の二色性被膜と、を有する第２のビーム
スプリッタ手段と、を備えて成り、前記第４、第５、第６の二色性被膜が、
それぞれ前記第３、第２、第１の二色性被膜によって反
射された光を受光し反射するとともに、これらの光の光
路長がほぼ等しくなるように前記第１、第２のビームス
プリッタ手段が配置されていることを特徴とするビーム
スプリッタ。
【請求項２】前記第３の二色性被膜がミラー被膜である
ことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載のビー
ムスプリッタ。