JP4266770B2 - 光学式画像読み取り装置 - Google Patents

Description

本発明は、ホログラムによる回折効果を利用した光学式画像読み取り装置に関する。

従来から一般的に知られているフラットベッド型と呼ばれる光学式画像読み取り装置は、主に照明、ミラー、レンズ、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）ラインセンサで構成される光学系によって被写体画像を線状に読み取ることを基本原理とするものである。この光学系の一部（キャリッジと呼ばれる部分）を機械的駆動により一方向に移動しながら順次線状画像の撮像を繰り返し、これら線状画像をつなぎ合わせることで２次元画像を得るものである（例えば、特許文献１〜２参照）。このような光学式画像読み取り装置では、上記キャリッジを移動させるために、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換させるモータ、キャリッジをささえるレール、モータで発生された回転エネルギーを一次元方向への推進力に変換させるためのシャフトなどが構成上必要になる。
特開平９−１１６７０３号公報 特開２０００−１１５４５５号公報

しかしながら上記のような構成の光学式画像読み取り装置においては、キャリッジを機械的に移動させるため構造が複雑であり、携帯できる程度まで小型化するのは非常に困難であった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、機械的な駆動機構を備えることなく、２次元イメージを撮像することができ、しかも小型化が可能な光学式画像読み取り装置の提供を目的とする。

第１の発明の光学式画像読み取り装置は、被写体載置面を有する透明導光板と、該透明導光板の側端面に光を出射する照明用光源と、前記透明導光板の被写体載置面と対向する面側に前記透明導光板材料より低屈折率の透明な低屈折率層を介して配置されたホログラフィック回折格子素子と、該ホログラフィック回折格子素子の側端面近傍に集光光学系を介して配置されたセンサ素子と、前記ホログラフィック回折格子素子と前記センサ素子に接続された制御回路とを備えてなり、
前記透明導光板は、前記照明用光源の光を側端面から導入し、内部を伝搬する光を被写体載置面に向けて照射し、被写体載置面に載置された被写体で散乱した散乱光を前記被写体載置面と対向する面から前記低屈折率層に向けて出射するものであり、
前記低屈折率層は前記導光板内を伝搬する光を全反射でき、かつ前記導光板から出射された散乱光の一部を透過して前記ホログラフィック回折格子素子に向けて出射するものであり、
前記ホログラフィック回折格子素子は、印加する電界強度によって回折効率が変化する回折効率可変層を有し、前記回折効率可変層の選択した線状領域に電界が印加され、該電界を印加された線状領域で前記低屈折率層から出射された散乱光を回折するものであり、
前記集光光学系は、前記線状領域で回折された散乱光の回折方向の光軸上に設けられ、前記線状領域単位の回折光を前記センサ素子上に結像するものであり、
前記センサ素子は結像した光強度を電気信号に変換し、前記制御回路へ出力するものであり、
前記制御回路は、電界を印加する線状領域を被写体載置面に沿った方向で順次切り替えるように制御するとともに、センサ素子から線状領域単位で出力された電気信号を順次受信し線状画像情報に変換し、これら線状画像情報を結合して２次元の画像を得るものであることを特徴とする。

この第１の発明の光学式画像読み取り装置では、上記照明用光源から透明導光板に出射された光（照明光）は、上記導光板の表面において全反射を繰り返しながら透明導光板中を伝搬する。また、上記透明導光板の被写体載置面と対向する面とホログラフィック回折格子素子の間に上記低屈折率層が設けられたことにより、上記透明導光板中を伝搬する照明光の全反射伝搬の特性を向上させることができる。
上記透明導光板内を伝搬する照明光の一部は、上記被写体載置面に載置された被写体の一部に当たって散乱され、その散乱された光の一部は上記低屈折率層を透過して上記ホログラフィック回折格子に入射する。このホログラフィック回折格子では、上記回折効率可変層の線状領域に上記制御回路により順次電界が印加されて回折効率が大きくされ、上記低屈折率層から出射された光を上記電界を印加された線状領域で回折され、この回折光は電界が印加されていない領域を通って線状領域単位で上記集光光学系によりセンサ素子上に結像される。このセンサ素子では、結像した光強度を電気信号に変換し、制御回路へ出力する。この制御回路では、センサ素子から線状領域単位で出力された電気信号を順次受信し線状画像情報に変換し、これら線状画像情報を結合して２次元の画像を得ることができる。

第２の発明の光学式画像読み取り装置は、被写体載置面を有し、印加する電界強度によって回折効率が変化する回折効率可変層の選択した線状領域に電界が印加される第１のホログラフィック回折格子素子と、該第１のホログラフィック回折格子素子の側端面に光を出射するための照明用光源と、前記第１のホログラフィック回折格子素子の被写体載置面と対向する面側に該面より低屈折率の透明な低屈折率層を介して配置された第２のホログラフィック回折格子素子と、該第２のホログラフィック回折格子素子の側端面近傍に集光光学系を介して配置されたセンサ素子と、前記第１と第２のホログラフィック回折格子素子と前記センサ素子に接続された制御回路とを備えてなり、
前記第１のホログラフィック回折格子素子は、前記照明用光源の光を側端面から導入し、内部を伝搬する前記光を前記電界を印加された線状領域で前記被写体載置面に向けて回折し、該回折光が前記被写体載置面に載置された被写体で散乱した散乱光を前記被写体載置面と対向する面から前記低屈折率層に向けて出射するものであり、
前記低屈折率層は前記第１のホログラフィック回折格子素子内を伝搬する光を全反射でき、かつ前記第１のホログラフィック回折格子素子から出射された散乱光の一部を透過して前記第２のホログラフィック回折格子素子に向けて出射するものであり、
前記第２のホログラフィック回折格子素子は、印加する電界強度によって回折効率が変化する回折効率可変層を有し、前記回折効率可変層の選択した線状領域に電界が印加され、該電界を印加された線状領域で前記低屈折率層から出射された散乱光を回折するものであり、
前記集光光学系は、前記線状領域で回折された散乱光の回折方向の光軸上に設けられ、前記線状領域単位の回折光を前記センサ素子上に結像するものであり、 前記センサ素子は結像した光強度を電気信号に変換し、前記制御回路へ出力するものであり、
前記制御回路は、前記第１と第２のホログラフィック回折格子素子の電界を印加する線状領域を被写体載置面に沿った方向で順次切り替えるように制御するとともに、センサ素子から線状領域単位で出力された電気信号を順次受信し線状画像情報に変換し、これら線状画像情報を結合して２次元の画像を得るものであることを特徴とする。

第２の発明の光学式画像読み取り装置では、第１の発明で用いる透明導光板の代わりに第１のホログラフィック回折格子素子を用いることにより、被写体の撮像の対象となる領域により多くの照明光を集中させることができるので、撮像した画像のＳＮ比が大きくなることやあるいは照明光源のパワーを節約できるなどの効果が得られる。

本発明の光学式画像読み取り装置において、前記ホログラフィック回折格子素子としては、一対の透明基板間に回折効率可変層が挟持され、各透明基板の内側に前記回折効率可変層に電界を印加するための透明電極が形成され、前記回折効率可変層は等方性屈折率を有する第１の領域と電界が印加されることにより前記第１の領域とは異なる屈折率を持つ第２の領域からなるものが用いられる。

このホログラフィック回折格子素子では、等方性屈折率を有する第１の領域と電界が印加されることにより前記第１の領域とは異なる屈折率を持つ第２の領域とを有する回折効率可変層が備えられているので、選択した透明電極間に電圧を印加すると、この電圧を印加した透明電極間の線状領域に電界が印加され、この線領域に存在する上記第１の領域と第２の領域は屈折率に違いが生じるので、上記低屈折率層から出射された散乱光がブラッグ回折する。ここでの第１の領域と第２の領域の屈折率の違い（差）の大きさと回折効率の大きさには密接な相関がある。ただし、どんな光でも回折されるのではなく、波長や入射角度などがある特定の条件を満たす光のみが回折される。

また、本発明の光学式画像読み取り装置において、前記低屈折率層は、ｓｉｎ^-1(ｎ_h／ｎ_l) より大きい角度で入射する光を全反射し、ｓｉｎ^-1(ｎ_h／ｎ_l) 以下の角度で入射する光を透過する（前記ｎ_hは透明導光板の屈折率又は前記第１のホログラフィック回折格子素子の前記低屈折率層側の面の屈折率、ｎ_lは低屈折率層の屈折率を示す。）するように設定されている。

また、本発明の光学式画像読み取り装置において、上記電界が印加された線状領域で回折される光は、下記式で示されるブラッグ条件を満たすものである。
２Λ・ｓｉｎθ_i’＝λ’
（式中、Λは回折効率可変層の屈折率分布周期、θ_i’は回折効率可変層内における光の入射軌跡と回折効率可変層内の等屈折率面との成す角度、λ’は回折効率可変層内における光の有効波長）

また、本発明の光学式画像読み取り装置においては、前記被写体載置面に透明な低屈折率層が形成されていることが好ましい。

本発明によれば、機械的な駆動機構を備えることなく、２次元イメージを撮像することができ、しかも小型化が可能な光学式画像読み取り装置を提供できる。
従来のフラットベッド型の光学式画像読み取り装置では、キャリッジを移動させることにより読み取り箇所を走査していたが、本発明においては、ホログラフィック回折格子の回折効率の大きい線状領域を順次走査することで２次元イメージの撮像を実現することができるからである。また、従来方式では読み取り箇所の近傍の限られた領域にのみ照明光を当てる必要があったが、本発明おいては波長や入射角度などがある特定の条件を満たす光（具体的にはフラッグ回折条件を満たす特定方向からの光）のみが回折されるため、照明を当てる場所を必ずしも限定する必要はないからである。

次に図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
なお、本発明は以下に説明する実施の形態に限定されるものではないことは勿論であるとともに、以下の図面においては各構成部分の縮尺について図面に表記することが容易となるように構成部分毎に縮尺を変えて記載している。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の光学式画像読み取り装置の構造を模式的に示すものである。図１に代表的な照明光の軌跡と被写体を書き加えることにより実施形態の装置の機能を説明する。
本実施形態の光学式画像読み取り装置は、被写体載置面５ａを有する透明導光板５と、該透明導光板５の側端面５ｃに光（照明光）１０を出射する照明用光源４と、透明導光板５の被写体載置面５ａと対向する面側に上記透明導光板材料より低屈折率の透明な低屈折率層６を介して配置されたホログラフィック回折格子素子１００と、該ホログラフィック回折格子素子１００の側端面近傍に集光光学系７を介して配置されたセンサ素子８と、ホログラフィック回折格子素子１００とセンサ素子８に接続された制御回路（図示略）とから概略構成されてなるものである。

照明用光源４は、導光板５の側端面５ｃの側方に配置されたもので、主にレーザー・ダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）、あるいは冷陰極管（ＣＣＦＬ）などの発光体と、この発光体から出射されたを効率よく透明導光板５に導くための導光体により構成されている。上記発光体から出射される照明光１０は、単色又は白色又は三原色（赤，緑，青）合成の中からいずれかを選択できるが、本実施形態では単色光である場合について説明する。従って、照明光１０が単色光の場合、撮像された画像はモノクロである。
上記導光体を構成する材料は、可視光に対し、充分な透明性を有するものが望ましく、光学ガラス（合成石英や無アルカリガラス）が用いられる。

透明導光板５を構成する材料（透明導光板材料）は、可視光領域（３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）において充分な透明性を有する光学ガラスあるいはプラスチックで、望ましくは３３０ｎｍ以上の紫外光〜１６００ｎｍ以下の近赤外光の光波長領域において透明性を有しており、可視光領域での屈折率が１．４〜１．９の範囲にあるものが用いられる。
本実施形態の光学式画像読み取り装置を使用する際には、透明導光板５の被写体載置面５ａに被写体１４が密着するように載置される。

低屈折率層６は、透明導光板５の被写体載置面５ａと対向する面（出射面）５ｂの表面に設けられている。この低屈折率層６の屈折率は、可視光〜近赤外光領域において上記透明導光板材料の屈折率よりも低く、かつ透明性を有するものである。
この低屈折率層６は、照明光１０が透明導光板５内部を効率よく全反射伝搬し且つ被写体載置面５ａに載置された被写体１４からの散乱成分以外の光がホログラフィック回折格子素子１００に直接入射することを抑制する目的で設けられたものである。
この低屈折率層６は、例えば、透明導光板５の出射面５ｂにフッ素系ポリマーなどの光透過性を有する低屈折率樹脂をコーティングしたものであってもよく、あるいは、透明導光板５の出射面５ｂとホログラフィック回折格子素子１００との間に空気ギャップを設けたものであってもよい。

この低屈折率層６は、層法線方向に対してｓｉｎ^-1(ｎ_h／ｎ_l) より大きい角度で入射する光を全反射し、ｓｉｎ^-1(ｎ_h／ｎ_l) 以下の角度で入射する光を透過する（上記ｎ_hは透明導光板５の屈折率、上記ｎ_lは低屈折率層６の屈折率を示す。）ようになっている。
なお、光は屈折率の高い層から屈折率の低い層へ入射するとき、その入射角θ_iが下記式（１）で示される関係を満たせば全反射するので、照明光源４の上記導光体は、下記式（１）が満たされる光を出射するような特性を持つことが望ましい。
θ_i＞ｓｉｎ^-1(ｎ_h／ｎ_l) ・・・式（１）
（式中、ｎ_hは高屈折率層の屈折率、ｎ_lは低屈折率層の屈折率を示す。）

上記のような構成にしたことにより、被写体１４の撮像時には、照明用光源４から照明光１０を出射して側端面５ｃから透明導光板５内に入射させることができる。透明導光板５に入射した照明光１０は透明導光板５内を伝搬し、その一部が導光板５に密着するように載置された被写体１４の任意の場所において散乱される。被写体１４から散乱された光のうち、上記ｓｉｎ^-1(ｎ_h／ｎ_l) 以下の角度で低屈折率層６に入る光１０ｂは導光板５との界面で反射せずそのまま透過しホログラフィック回折格子素子１００内に至り、上記ｓｉｎ^-1(ｎ_h／ｎ_l)より大きい角度で低屈折率層６に入る光は導光板５との界面で全反射する。

ホログラフィック回折格子素子１００は、印加する電界強度によって回折効率が連続に変化する媒質層３０（回折効率可変層）が透明導光板５と同じかあるいは同等の性質をもつ一対の透明基板３３ａ、３３ｂによって狭持され、さらに、これら透明基板３３ａ、３３ｂの内側には回折効率可変層３０の所望の線状領域に電界を印加できるように透明電極３４ａ、３４ｂがパターニングされている。
透明電極３４ａ、３４ｂのうち一方の透明電極３４ｂは、透明基板３３ｂに複数の短冊状電極を配列したものであり、他方の透明電極３４ａは透明基板３２ａの全面に形成されたベタ電極であっても、複数の短冊状電極を配列したものであっても良いが、透明電極３４ａ、３４ｂの両方が複数の短冊状電極からなる場合、透明電極３４ａ、３４ｂはこれら電極を素子１００の一方の側から視たとき重なりあうように設けられる。電極３４ｂのピッチは、分解能に相当する幅とされる。

回折効率可変層３０は、図２に示すように等方性屈折率を有する第１の領域３１と異方性屈折率（１軸性もしくは２軸性）を持つ第２の領域３２が周期的に繰り返された構造を持つホログラム記録材料から構成されている。第２の領域３２は、電界が印加されることにより第１の領域３１とは異なる屈折率を持つものである。
本実施形態においては、第１の領域３１はポリマー樹脂から構成され、第２の領域３２は液晶から構成されている。図２の斜線で示された第１の領域３１にはポリマー樹脂が高密度に存在しており、楕円形で囲まれた第２の領域３２には液晶分子が高密度に充填されている。第２の領域３２に用いられる液晶は、ネマティック液晶で、正もしくは負の誘電異方性を持ち、この液晶に電界を印加すると、液晶はそれ自身が持つ誘電率異方性により電界に応答して配向状態を変化させる。
上記液晶の誘電率異方性の符号が正か負かによって液晶の配向状態の変化する方向は異なり、正の誘電異方性を持つ場合は電界方向に対して液晶分子が平行になるように動き、また負の誘電異方性を持つ場合は電界方向に対して液晶分子が垂直になるように動くものが用いられる。このように液晶分子が動くことによって、第２の領域３２の屈折率が変化する。
また、第２の領域３２に用いる液晶としては、特表２０００−５１５９９６号に記載されているＰＤＬＣを用いることができる。

回折効率可変層３０は体積ホログラムであり、下記式（２）で示されるブラッグ回折条件を満足する光が強く回折され（回折効率が大きい）、ブラッグ回折条件から外れた光は殆ど回折されない（回折効率がゼロまたは非常に小さい）。
２Λ・ｓｉｎθ_i’＝λ’ … 式（２）
（式中、Λは回折効率可変層３０の屈折率分布周期、θ_i’は回折効率可変層内における光の入射軌跡と回折効率可変層内の等屈折率面との成す角度、λ’は回折効率可変層内における光の有効波長である。）上記等屈折率面とは、例えば図２に示す回折効率可変層３０の一部分に電圧を印加した場合に、図２のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面の屈折率分布において等しい屈折率値が連続した面のことをいう。

回折効率可変層３０は、照明光１０の波長に対するブラッグ条件下において電界を印加しないときの第２の領域３２を構成する液晶の屈折率が周囲の第２の領域３２のポリマー樹脂の屈折率とほぼ等しくなるように作製されている。そのため上記液晶に電界が印加されていないときは、被写体１４において散乱され、回折効率可変層３０に至る光１０ｂの一部がプラッグ条件を満たしていても、回折されずにそのまま回折効率可変層３０を透過してしまう。また、ブラッグ条件を満たしていない光成分は回折されないので、上記液晶の状態に依存せずに回折効率可変層３０を透過するのみである。

第２の領域３２を構成する液晶に電界が印加されると液晶分子が動いて配向変化し、プラッグ条件下において光が感じる液晶領域の屈折率が周囲のポリマー樹脂（第１の領域３１）の屈折率と差が生じるため、光は回折される。第２の領域３２の屈折率が変化し周囲の第１の領域３１の屈折率との差が小さくなれば回折効率は小さくなり、逆に第２の領域３２の屈折率が変化し周囲の第１の領域３１の屈折率との差が大きくなれば回折効率は大きくなる。
従って、回折効率可変層３０の任意の線状領域４２にのみ電界を印加すれぱ、その領域においてブラッグ条件を満たす特定の光のみが回折される。このような特定の光は、回折効率可変層３０に電界を印加した線状領域４２に対応した被写体１４の特定の線状領域４２から散乱されて出た光である。

集光光学系７は、低屈折率層６を透過してホログラフィック回折格子素子１００に至った光１０ｂが電界が印加された線状領域４２で回折された光１１の回折方向の光軸上に設けられ、上記線状領域単位の回折光１１をセンサ素子８上で焦点を結ぶように設計され、線状領域単位の回折光をセンサ素子８上に結像するものである。
センサ素子８は、受光部が１次元方向に配列したセンサーアレイであり、
ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの半導体ラインセンサ素子が用いられる。このセンサ素子８は、上記結像した光強度を電気信号に変換し、前記制御回路へ出力するものである。

上記制御回路は、電界を印加する線状領域４２を被写体載置面に沿った方向（被写体載置面と平行方向）で順次切り替えるように制御するとともに、センサ素子８から線状領域単位で出力された電気信号を順次受信し線状画像情報に変換し、これら線状画像情報（電界を印加した線状領域４２上の被写体１４の一部分（線状部分）の情報）を順次結合して上記被写体１４の２次元画像を得るものである。
線状領域４２に電界を印加するには、この線状領域４２に対応する上下の透明電極３４ａ、３４ｂに電圧を印加することにより、透明電極３４ａ、３４ｂの重なりあった位置の線状領域４２に電界が印加される。

ここで、上記液晶への電界の印加方法の例を説明する。
図３（ａ）は、印加電圧波形で、液晶分子の応答速度よりも十分長い一定期間に正もしくは負の極性の電界を印加する場合を示している。
図３（ｂ）はこのような波形の電界を液晶に与えたときの回折効率の変化を模式的に示したものである。実際は、液晶の応答遠度による立ち上がり立ち下がりの遅延が発生する。ネマティック液晶は電界の実効値に対して応答するため、電界の極性の違いで回折効率の変化に差異は生じない。しかし、この方法には明確な欠点がある。それは、液晶中に電界によって移動するイオン性不純物が混入している場合、このイオン性不純物が作る逆電界によって液晶にかかる実効的な印加電界が弱くなってしまうことである。

そこで、このような問題を解決するために、図４に示すような駆動方法がある。
図４（ａ）に示す印加電圧波形は液晶の応答速度よりも十分に短い周期でパルス状に電界の正負極性を反転させたものである。ネマティック液晶は電界の実効直に対して応答し、電界の短時間の極性変化には追随しないので、これによってもたらされるホログラフィック回折格子素子１００の回折効率の変化は図４（ｂ）のようになる。この方法の特徴は、図３の説明で述べたようなイオン性不純物の中で、液晶の応答速度よりも十分早く移動し、かつ電界の極性反転の周期よりも遅いものによる逆電界の影響を低減できることである。

本実施形態によれば、ホログラフィック回折格子の回折効率の大きい線状領域を順次走査することで２次元イメージの撮像することができるので、キャリッジのような機械的な駆動機構を設けなくても済み、小型化された光学式画像読み取り装置を提供できる。本実施形態の光学式画像読み取り装置では、電極３４ｂが５０μｍのピッチで５００本設けられている場合、ＰＤＬＣの応答速度２００μｓとすれば撮像速度１００ｍｓで被写体を撮像することが可能である。

（第２の実施形態）
図５は本発明の第２の実施形態の光学式画像読み取り装置の構造を模式的に示すものである。図５に代表的な照明光の軌跡と被写体を書き加えることにより実施形態の装置の機能を説明する。
本実施形態の光学式画像読み取り装置では、図１に示した第１の実施形態の光学式画像読み取り装置における透明導光板５の代わりにホログラフィック回折格子素子２００（本実施形態では第１のホログラフィック回折格子素子と呼ぶこともある）を具備している。

この第１のホログラフィック回折格子素子２００の構造は、第１の実施形態の回折効率可変層３０と同様の回折効率可変層６０が一対の透明基板６３ａ、６３ｂによって狭持され、さらに、これら透明基板６３ａ、６３ｂの内側には回折効率可変層６０の所望の線状領域６２に電界を印加できるように透明電極６４ａ、６４ｂがパターニングされている。
透明電極６４ａ、６４ｂのうち一方の透明電極６４ｂは、透明基板６３ｂに複数の短冊状電極を配列したものであり、他方の透明電極６４ａは透明基板６２ａの全面に形成されたベタ電極であっても、複数の短冊状電極を配列したものであっても良いが、透明電極６４ａ、６４ｂの両方が複数の短冊状電極からなる場合、透明電極６４ａ、６４ｂはこれら電極を素子２００の一方の側から視たとき重なり合うように設けられる。

回折効率可変層６０は、第１の実施形態と同様の等方性屈折率を有する第１の領域と異方性屈折率（１軸性もしくは２軸性）を持つ第２の領域が周期的に繰り返された構造を持つホログラム記録材料から構成されている。本実施形態においても、第１の実施形態と同様に上記第１の領域はポリマー樹脂から構成され、第２の領域は液晶から構成されている。
このホログラフィック回折格子素子２００の上面（透明基板６３ａの表面）は、被写体載置面２００ａとされている。
このホログラフィック回折格子素子２００の側方に照明用光源４が設けられ、上記素子２００の側端面５ｃに照明光１０を出射できるようになっている。

このホログラフィック回折格子素子２００の被写体載置面２００ａと対向する面２００ｂ（出射面、透明基板６３ｂの表面）に低屈折率層６を介してホログラフィック回折格子素子１００（本実施形態では第２のホログラフィック回折格子素子と呼ぶこともある）が配置され、該ホログラフィック回折格子素子１００の側端面近傍に集光光学系７を介してセンサ素子８が配置され、ホログラフィック回折格子素子１００、２００とセンサ素子８に制御回路（図示略）が接続されている。
本実施形態で用いられる低屈折率層６は、ホログラフィック回折格子素子１００の透明基板より低屈折率の透明材料からなるものである。
このような低屈折率層６はホログラフィック回折格子素子２００の被写体載置面２００ａにも形成されている。このようにホログラフィック回折格子素子２００は上下の両面（被写体載置面と出射面）に低屈折率層６を形成することで、ホログラフィック回折格子素子２００内部での全反射伝搬特性の向上が図られている。

本実施形態に用いられる制御回路は、上記ホログラフィック回折格子素子１００、２００の電界を印加する線状領域４２、６２を被写体載置面２００ａに沿った方向で順次切り替えるように制御するとともに、センサ素子８から線状領域単位で出力された電気信号を順次受信し線状画像情報に変換し、これら線状画像情報を結合して上記被写体１４の２次元の画像を得るものである。
線状領域６２に電界を印加するには、この線状領域６２に対応する上下の透明電極６４ａ、６４ｂに電圧を印加することにより、透明電極６４ａ、６４ｂの重なりあう位置の線状領域６２に電界が印加される。
線状領域４２に電界を印加するには、この線状領域４２に対応する上下の透明電極３４ａ、３４ｂに電圧を印加することにより、透明電極３４ａ、３４ｂの重なり合う位置の線状領域４２に電界が印加される。

上記のような構成にしたことにより、被写体１４の撮像時には、照明用光源４から照明光１０を出射して側端面２００ｃから回折効率可変層６０内に入射させることができる。回折効率可変層６０に入射した照明光１０は電界が印加されていない領域６２ｂでは伝搬し、この伝搬光のブラッグ回折条件を満たす成分が順次電界が印加された線状領域６２において被写体載置面２００ａの方向（一定の方向）に回折し、該回折光１０ａは上記被写体載置面上に低屈折率層６を介して載置された被写体１４の一部に当たってそこで散乱し、該散乱光の一部１０ｂがホログラフィック回折格子素子２００の電界が印加されていない領域６２ｂを通って出射面２００ｂから下側（素子１００側）の低屈折率層６に向けて出射され、さらにこの低屈折率層６を透過してホログラフィック回折格子１００に入射する。このホログラフィック回折格子１００では、上記回折効率可変層の線状領域４２に上記制御回路により順次電界が印加されて回折効率が大きくされ、上記低屈折率層６から出射された光１０ｂのうちブラッグ回折条件を満たす光が電界が印加された線状領域４２で順次回折し、この回折光１１は線状領域単位で上記集光光学系７によりセンサ素子８上に結像される。そして、上記結像した光強度がこのセンサ素子８で電気信号に変換され、上記制御回路へ出力され、線状領域単位で出力された電気信号は上記制御回路で順次受信され、線状画像情報に変換され、これら線状画像情報（電界を印加した線状領域４２上の被写体１４の一部分（線状部分）の情報）は順次結合され、上記被写体１４の２次元画像が得られる。
なお、電界を印加する線状領域４２の位置は、電界が印加された線状領域６２で回折した光が被写体１４の一部に当たって散乱され、素子２００に向けて出射された光の中央位置（散乱光の強度が大きい位置）になるように制御することが好ましい。

以上のように、本実施形態の光学式画像読み取り装置では、第１の実施形態で使用した透明導光板５の代わりにホログラフィック回折格子２００を用いることにより、被写体１４の撮像の対象となる領域により多くの照明光を集中させることができる。この結果、撮像した画像のＳＮ比が大きくなることやあるいは照明光源のパワーを節約できるなどの効果が得られる。

本発明の光学式画像読み取り装置の主たる用途としては、従来の方式の光学式画像読み取り装置と同様に被写体として紙面に手書きもしくは印字された文字や図形などの情報を２次元画像データとして読み取ることである。また被写体として紙面以外には指を被写体載置面に置けば指紋情報を読み取ることもできるので、いわゆる指紋センサとしての機能も実現可能である。
本発明の使用の形態としては、照明用光源をオフにしてホログラフィック回折格子素子を非回折状態にしていれば、透明性を保持できるので、例えば表示面に液晶表示素子が設けられた携帯電話等の携帯型情報端未の表示面上に配置すれば、
光学式画像読み取り装置付きの携帯型情報端未を実現することができる。

本発明の第１の実施形態の光学式画像読み取り装置の構造を模式的に示す断面図。 図１の光学式画像読み取り装置に備えられたホログラフィック回折格子素子の回折効率可変層の一部分を模式的に示す拡大断面図。 図３（ａ）は液晶分子の応答速度よりも十分長い一定期間に電界を印加した場合の印加電圧波形を示す図、図３（ｂ）このような波形の電界を液晶に与えたときの回折効率の変化を模式的に示す図。 図４（ａ）は液晶の応答速度よりも十分に短い周期でパルス状に電界の正負極性を反転させた場合の印加電圧波形を示す図、図４（ｂ）はこのような波形の電界を液晶に与えたときの回折効率の変化を模式的に示す図。 第２の実施形態の光学式画像読み取り装置の構造を模式的に示す断面図。

符号の説明

４・・・照明用光源、５・・・透明導光板、５ａ，２００ａ・・・被写体載置面、５ｂ，２００ｂ・・・被写体載置面と対向する面（出射面）、５ｃ・・・側端面、６・・・低屈折率層、７・・・集光光学系、８・・・センサ素子、１０・・・照明光、１０ｂ・・・光、１０ａ・・・回折光、１１・・・回折光、１４・・・被写体、３０，６０・・・媒質層（回折効率可変層）、３１・・・第１の領域、３２・・・第２の領域、３３ａ，６３ａ・・・透明基板、３３ｂ，６３ｂ・・・透明基板、３４ａ，６４ａ・・・透明電極、３４ｂ，６４ｂ・・・透明電極、４２，６２・・・線状領域、１００・・・ホログラフィック回折格子素子、２００・・・ホログラフィック回折格子素子。

Claims (6)

1. 被写体載置面を有する透明導光板と、該透明導光板の側端面に光を出射する照明用光源と、前記透明導光板の被写体載置面と対向する面側に前記透明導光板材料より低屈折率の透明な低屈折率層を介して配置されたホログラフィック回折格子素子と、該ホログラフィック回折格子素子の側端面近傍に集光光学系を介して配置されたセンサ素子と、前記ホログラフィック回折格子素子と前記センサ素子に接続された制御回路とを備えてなり、
   前記透明導光板は、前記照明用光源の光を側端面から導入し、内部を伝搬する光を被写体載置面に向けて照射し、被写体載置面に載置された被写体で散乱した散乱光を前記被写体載置面と対向する面から前記低屈折率層に向けて出射するものであり、
   前記低屈折率層は前記導光板内を伝搬する光を全反射でき、かつ前記導光板から出射された散乱光の一部を透過して前記ホログラフィック回折格子素子に向けて出射するものであり、
   前記ホログラフィック回折格子素子は、印加する電界強度によって回折効率が変化する回折効率可変層を有し、前記回折効率可変層の選択した線状領域に電界が印加され、該電界を印加された線状領域で前記低屈折率層から出射された散乱光を回折するものであり、
   前記集光光学系は、前記線状領域で回折された散乱光の回折方向の光軸上に設けられ、前記線状領域単位の回折光を前記センサ素子上に結像するものであり、
   前記センサ素子は結像した光強度を電気信号に変換し、前記制御回路へ出力するものであり、
   前記制御回路は、電界を印加する線状領域を被写体載置面に沿った方向で順次切り替えるように制御するとともに、センサ素子から線状領域単位で出力された電気信号を順次受信し線状画像情報に変換し、これら線状画像情報を結合して２次元の画像を得るものであることを特徴とする光学式画像読み取り装置。
2. 被写体載置面を有し、印加する電界強度によって回折効率が変化する回折効率可変層の選択した線状領域に電界が印加される第１のホログラフィック回折格子素子と、該第１のホログラフィック回折格子素子の側端面に光を出射するための照明用光源と、前記第１のホログラフィック回折格子素子の被写体載置面と対向する面側に該面より低屈折率の透明な低屈折率層を介して配置された第２のホログラフィック回折格子素子と、該第２のホログラフィック回折格子素子の側端面近傍に集光光学系を介して配置されたセンサ素子と、前記第１と第２のホログラフィック回折格子素子と前記センサ素子に接続された制御回路とを備えてなり、
   前記第１のホログラフィック回折格子素子は、前記照明用光源の光を側端面から導入し、内部を伝搬する前記光を前記電界を印加された線状領域で前記被写体載置面に向けて回折し、該回折光が前記被写体載置面に載置された被写体で散乱した散乱光を前記被写体載置面と対向する面から前記低屈折率層に向けて出射するものであり、
   前記低屈折率層は前記第１のホログラフィック回折格子素子内を伝搬する光を全反射でき、かつ前記第１のホログラフィック回折格子素子から出射された散乱光の一部を透過して前記第２のホログラフィック回折格子素子に向けて出射するものであり、
   前記第２のホログラフィック回折格子素子は、印加する電界強度によって回折効率が変化する回折効率可変層を有し、前記回折効率可変層の選択した線状領域に電界が印加され、該電界を印加された線状領域で前記低屈折率層から出射された散乱光を回折するものであり、
   前記集光光学系は、前記線状領域で回折された散乱光の回折方向の光軸上に設けられ、前記線状領域単位の回折光を前記センサ素子上に結像するものであり、
   前記センサ素子は結像した光強度を電気信号に変換し、前記制御回路へ出力するものであり、
   前記制御回路は、前記第１と第２のホログラフィック回折格子素子の電界を印加する線状領域を被写体載置面に沿った方向で順次切り替えるように制御するとともに、センサ素子から線状領域単位で出力された電気信号を順次受信し線状画像情報に変換し、これら線状画像情報を結合して２次元の画像を得るものであることを特徴とする光学式画像読み取り装置。
3. 前記ホログラフィック回折格子素子は、一対の透明基板間に回折効率可変層が挟持され、各透明基板の内側に前記回折効率可変層に電界を印加するための透明電極が形成され、前記回折効率可変層は等方性屈折率を有する第１の領域と電界が印加されることにより前記第１の領域とは異なる屈折率を持つ第２の領域からなるものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式画像読み取り装置。
4. 前記低屈折率層は、ｓｉｎ^-1(ｎ_h／ｎ_l) より大きい角度で入射する光を全反射し、ｓｉｎ^-1(ｎ_h／ｎ_l) 以下の角度で入射する光を透過する（前記ｎ_hは透明導光板の屈折率又は前記第１のホログラフィック回折格子素子の前記低屈折率層側の面の屈折率、ｎ_lは低屈折率層の屈折率を示す。）ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式画像読み取り装置。
5. 前記電界が印加された線状領域で回折される光は、下記式で示されるブラッグ条件を満たすものであることを特徴とする請求項３に記載の光学式画像読み取り装置。
   ２Λ・ｓｉｎθ_i’＝λ’
   （式中、Λは回折効率可変層の屈折率分布周期、θ_i’は回折効率可変層内における光の入射軌跡と回折効率可変層内の等屈折率面との成す角度、λ’は回折効率可変層内における光の有効波長）
6. 前記被写体載置面に透明な低屈折率層が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式画像読み取り装置。

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