JP2010136251A

JP2010136251A - スキャナ機構、及びこれを用いた複写機

Info

Publication number: JP2010136251A
Application number: JP2008312045A
Authority: JP
Inventors: Norio Ota; 憲雄太田; Tamotsu Iida; 保飯田
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Ltd
Priority date: 2008-12-08
Filing date: 2008-12-08
Publication date: 2010-06-17

Abstract

【課題】負の屈折率を有するメタマテリアルの性質を利用して、パッケージング性能、解像度等を向上させたスキャナ機構、及びこれを用いた複写機等の装置を提供する。
【解決手段】本発明に係るスキャナ機構は、複数の要素素子からなり負の屈折率を有するメタマテリアルにより形成され、原稿画像３１から照射される光の焦点が自らの内部に存在するメタマテリアルレンズ部材１１と、前記焦点部分４０に存在する前記要素素子の電磁波情報に基づいて、画像データを生成する画像データ生成部１３とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、原稿画像の画像データを取得するスキャナ機構、及び該スキャナ機構により取得された画像データに基づいて原稿画像を複写する複写機に関し、特に負の屈折率を有するメタマテリアルを利用するものに関する。

近年、負の屈折率を有するメタマテリアルが開発され、その特性を利用した技術開発が進められている。メタマテリアルは、光・電磁波の波長より十分に小さい人工的な要素素子をマトリクス状に配置することにより、通常の物質では起こり得ない電磁応答を生じさせ、その結果として特異な光の屈折現象等を生ずるものである。

図４は、正の屈折率を有する通常の物質における光の屈折を示している。同図に示すように、媒質１（例えば屈折率ｎ₁＝１）から媒質２（例えば屈折率ｎ₂＝２）に入射される光は、スネルの法則に従い、入射角θ₁と屈折角θ₂とが、この例ではｓｉｎθ₁＝−ｓｉｎ２θ₂となるように、両媒質の界面で屈折し伝播する。

これに対し、図５は、負の屈折率を有するメタマテリアルにおける光の屈折を示している。同図に示すように、媒質１から、メタマテリアルからなる媒質２（例えば屈折率ｎ₂＝−１）に入射される光は、この光の媒質２への到達点において、界面に垂直な線ａに対し反射３するような光跡となる（この例では、ｓｉｎθ₁＝−ｓｉｎθ₂、θ₂は負値、｜θ₁｜＝｜θ₂｜となる）。

図６は、前記要素素子１００の一例を示している。この要素素子１００は、Ｕ字パターン１０１、誘電スペーサ１０２、Ｉ字パターン１０３を備えている。前記Ｕ字パターン１０１は、Ａｕ等からなり、幅及び長さが５０ｎｍ、厚さが２０ｎｍ程度の大きさを持つ。このＵ字パターン１０１により、前記メタマテリアルの透磁率が負になるように作用する。前記誘電スペーサ１０２は、ＳｉＯ₂等からなり、前記Ｕ字パターン１１と前記Ｉ字パターン１０３とにより挟持される。前記Ｉ字パターン１３は、Ａｕ等からなり、５０ｎｍ程度の長さを持つ。このＩ字パターン１０３により、前記メタマテリアルの誘電率が負になるように作用する。このような構成の要素素子１００を、１００ｎｍ程度のピッチをもって３次元的にマトリクス配置することにより、可視光領域で負の屈折率を有するメタマテリアルを作製することができる。前記メタマテリアルの性質は、上記のような要素素子の形状、材質、及びそれらの配置により、様々に変化するものである。

また、図４及び図５に示す両物質を比較してみると、波面の進行に関して次のような相違点があることがわかる。図４に示す通常の物質の場合では、入射光が媒質１から媒質２に入る時の波面の進行は、・・→−２→−１→０→＋１→＋２→・・となる。一方、図７に示すメタマテリアルの場合では、波面の進行は、・・→＋２→＋１→０→−１→−２→・・となる。

図７及び図８は、正の屈折率を有する通常の物質から形成されたレンズにおける結像の状態を示している。図７に示すように、通常のレンズにおいては、結像Ｂが実像Ａに対して上下左右が反転したものになる。また、図８に示すように、通常のレンズにおいては、結像点Ｐがレンズの外部に存在し、又この結像点Ｐにはビームウェスト１２が存在する。このビームウェスト１２０は、光波の干渉現象における回折限界によるものであり、その幅ｄは、光の波長よりも小さくならない。即ち、この幅ｄより小さい画像に対して正確に焦点を結ぶことができない。例えば、可視光領域の波長５００ｎｍにおいて、レンズの開口数が０．６である場合に、前記幅ｄは５００ｎｍとなる。

一方、図９は、負の屈折率を有する平板のメタマテリアルをレンズとして用いた場合の結像の状態を示している。この場合、メタマテリアルの内部で、実像Ａに対して上下反転した結像Ｂ1が生成され、その後メタマテリアルを透過した光により、実像Ａと同一の対称性をもった結像Ｂ2（結像Ｂ1の上下反転写像）が生成される。このような、メタマテリアルに関する現象については、下記非特許文献１に開示されている。

また、図１０は、従来のスキャナ機構１５０（複写機の一部をなすものも含む）の構成を示している。同図に示すように、原稿台１５０に置かれた原稿を照らす原稿照明ランプ１５２からの光は、複数のミラー１５３により屈折された後、通常の（正の屈折率を持つ）レンズ１５４に入射される。このレンズ機構１５４から出射された光は、その焦点位置に配置されたＣＣＤ(Charge Coupled Device)等の撮像素子１５５に受光される。そして、この撮像素子１５５により、前記焦点部分における光情報が電気信号に変換され、この電気信号が原稿の画像データとしてＡＤ変換装置等により処理される。このように、通常のレンズを用いた場合、適切な焦点位置を得るために、原稿からレンズまでの距離を長くとる必要がある。そこで、複数のミラーにより光路を屈折させることにより、限られたパッケージの中で十分な距離が確保できるようになされている。
Physics Reports vol.444 (2007) P101-202, "Periodic nanostructures for photonics"

上記のようなメタマテリアルは、天然の素材にはない特異な光の屈折現象を示すものであり、様々な技術開発に貢献できる可能性を秘めている。上記のようなスキャナ機構への応用も、メタマテリアルの有効な利用法の１つである。

図１０に示すような通常のレンズ１５４を用いたスキャナ機構１５０においては、上記のように、原稿からレンズまでの距離を確保するために、複数のミラーを配置したり、パッケージを大きくしたりする必要がある。また、図８において説明したように、通常のレンズにおいては、回折限界による解像度の限界が存在するため、光の波長よりも小さい画像を扱うことができないという問題がある。

そこで、本発明は、メタマテリアルの性質を利用して、パッケージング性能、解像度等を向上させたスキャナ機構、及びこれを用いた複写機等の装置を提供することを目的とする。

上記目的の達成を図る本発明は、複数の要素素子からなり負の屈折率を有するメタマテリアルにより形成され、原稿画像から照射される光の焦点が自らの内部に存在するメタマテリアルレンズ部材と、前記焦点部分に存在する前記要素素子の電磁波情報に基づいて、画像データを生成する画像データ生成部とを備えるスキャナ機構である。

上記構成を備える本発明によれば、原稿画像からの光は、メタマテリアルレンズ部材の内部で結像され、この結像点（焦点）における要素素子の電磁波情報に基づいて、画像データが生成される。このように、負の屈折率を有するというメタマテリアルの性質を利用することにより、焦点をメタマテリアルレンズ部材の内部に結ぶことができる。このため、従来構造のように、焦点までの長い光路を確保するために、複数のミラーを配置したり、パッケージを大型化したりする必要がない。また、本発明においては、焦点におけるメタマテリアルレンズ部材の要素素子の電磁波情報に基づいて画像データが生成されるため、回折限界により従来は扱えなかった可視光波長よりも小さい画像を扱うことが可能となる。例えば、大きさ５０ｎｍ程度の要素素子を配列してなるメタマテリアルを用いることにより、従来は回折限界により扱えなかった可視光波長（５００ｎｍ程度）よりも小さい画像を、理論上５０ｎｍ単位で扱うことが可能となる。

また、前記焦点は、前記メタマテリアルレンズ部材の内部において、前記画像データ生成部により前記電磁波情報を直接感受可能な位置に結ばれることが好ましい。

このように、メタマテリアルレンズ部材内部の焦点が、画像データ生成部の感受部（ＣＣＤ等の撮像素子における感光部に相当する部分）に近接するように設計することにより、更なる装置の小型化を図ることができる。

また、前記画像データ生成部は、前記焦点部分に存在する前記要素素子が放射する電磁力を電気信号に変換することが好ましい。

例えば、前記要素素子の電磁力を感受し、これに応じて電気信号を出力するＣＣＤ等の撮像素子を用いることができる。

また、本発明は、原稿画像の構成を示す画像データを生成するスキャナ機構と、前記画像データに基づいて、印刷媒体上に画像を形成する画像形成部とを備える複写機であって、前記スキャナ機構は、複数の要素素子からなり負の屈折率を有するメタマテリアルにより形成され、前記原稿画像から照射される光の焦点が自らの内部に存在するメタマテリアルレンズ部材と、前記焦点部分に存在する前記要素素子の電磁波情報に基づいて、前記画像データを生成する画像データ生成部とを備えるものである。

これにより、上記スキャナ機構の作用効果を備える複写機を提供することができる。

本発明によれば、スキャナ機構、これを用いた複写機等の装置において、大幅な小型化を図ることができる。また、回折限界を超える解像度を実現することができる。

発明の実施の形態１．
以下、添付した図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本実施の形態に係るスキャナ機構１及びこれを用いて構成される複写機２の構成例を示すブロック図である。

前記スキャナ機構１は、原稿画像の構成を示す画像データを生成するものであり、本実施の形態においては、載置部１１、メタマテリアルレンズ部材１２、画像データ生成部１３を備えている。

前記載置部１１は、前記原稿画像を載置する部分であり、透明板２１、光源２２等を備えている。前記光源２２から発せられた光は、前記透明板２１に載置された前記原稿画像を透過（又は反射）し、前記メタマテリアルレンズ部材１２に照射される。

前記メタマテリアルレンズ部材１２は、複数の要素素子からなり負の屈折率を有するメタマテリアルにより形成されている。前記要素素子としては、例えば上述した図６に示す要素素子１００が用いられる。このような構成の要素素子１００を、１００ｎｍ程度のピッチをもって３次元的にマトリクス配置することにより、可視光領域で負の屈折率を有するメタマテリアルを作製することができる。メタマテリアルの屈折率等の性質は、要素素子の形状、材質、及びそれらの配置により、様々に変化させることができる。また、前記メタマテリアルレンズ部材１２は、前記原稿画像から照射された光の焦点が、自らの内部に存在するように設計されている。即ち、メタマテリアルの屈折率、前記原稿画像からの距離等を適切に設定することにより、前記焦点を前記メタマテリアルレンズ部材１２の内部で結ばせることが可能となる。

前記画像データ生成部１３は、前記メタマテリアルレンズ部材１２の内部で結ばれた焦点部分に存在する前記要素素子の電磁波情報に基づいて、前記画像データを生成するものである。例えば、ＣＣＤ等の撮像素子２５を用いることにより、前記電磁波情報を電気信号（アナログ信号）に変換することができ、更にＡＤ(Analog Digital)変換回路を用いることにより、これをデジタル信号として他の機構に供給することができる。

前記複写機２は、前記スキャナ機構１、画像形成部３、搬送部４、制御部５等を備えている。

前記画像形成部３は、前記スキャナ機構１により生成された前記画像データに基づいて、前記原稿画像の複写画像、その他適宜加工された画像を印刷するための印刷用画像データを生成し、プリンタ機構３１等を利用して、所定の用紙に印刷を行うものである。

前記搬送部４は、印刷用紙や前記原稿画像を搬送するものであり、支持体、ローラ、アクチュエータ、ＡＤＦ(Auto Document Feeder)等を備えている。

前記制御部５は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、ＲＯＭ(Read Only Memory)、ＲＡＭ(Random Access Memory)、Ｉ／Ｏ(Input/Output)ポート、ＲＯＭに格納されたプログラム等の協働により構成され、前記スキャナ機構１、前記画像形成部３、前記搬送部４、その他の図示しない機能部を制御するものである。

図２は、前記メタマテリアルレンズ部材１１の焦点部分の状態を概略的に示している。同図において、前記メタマテリアルレンズ部材１１の上部には、前記原稿画像３１が配置されている。前記原稿画像３１をローラ３８により搬送可能な構成としてもよい。また、前記メタマテリアルレンズ部材１１の下部には、前記画像データ生成部１３の一部を構成する撮像素子２５が配置されている。前記メタマテリアルレンズ部材１１は、平行平板形状を有している。前記メタマテリアルレンズ部材１１の表面と前記原稿画像３１との間には、距離Ｌが設けられている。前記メタマテリアルレンズ部材１１の厚さはｌ（エル）である。

図２において、前記原稿画像３１の模様３５ａ，３５ｂ，３５ｃから放射された光は、前記メタマテリアルレンズ部材１１の表面に到達した後、このメタマテリアルレンズ部材１１の負の屈折率により、折り返すように屈折して、焦点部分４０において結像する。この焦点部分４０は、前記メタマテリアルレンズ部材１１の底面部、即ち前記撮像素子１３に近接した箇所に位置している。この焦点部分４０と前記撮像素子１３との距離は、前記焦点部分４０の前記要素素子の電磁波情報を、前記撮像素子１３の感受部が感受できる程度の距離である。前記焦点部分４０を、上記のような箇所に位置させるためには、前記メタマテリアルレンズ部材１１の屈折率をｎとする時、ｌ（エル）＝Ｌ＊ｎの関係を満たすように設計すればよい。

これにより、前記焦点部分４０を前記メタマテリアルレンズ部材１１の内部に形成することができる。通常の（正の屈折率を有する）レンズを用いる構造においては、原稿画像から焦点までの長い光路を確保するために、複数のミラーを配置したり、パッケージを大型化したりする必要があるが、本構成においてはこのような必要がなく、従来よりも大幅に小型化することが可能となる。

図３（ａ）は、前記原稿画像３１中の模様３５から照射された光が前記メタマテリアルレンズ部材１１内で焦点を結ぶ状態を示している。図３（ｂ）は、前記焦点部分の前記要素素子の状態を示している。図３（ｃ）は、通常のレンズにおける焦点部分の状態を示している。図３（ａ）に例示する前記模様３５は、十字形状を有し、その大きさが約２００ｎｍのものである。この模様３５は、前記メタマテリアルレンズ部材１１の焦点部分５０において結像する。図３（ｂ）に示すように、前記メタマテリアルレンズ部材１１は、大きさが約５０ｎｍの前記構成要素１００（図６参照）がマトリクス状に配置されてなる。そして、前記焦点部分５０に存在する構成要素１００は、収束する光波により、電磁的に励起された状態となる。この時、どの前記構成要素１００がどれ位の電磁力を保有するかは、前記模様３５の形状、相互配置等により決定される。この励起された構成要素１００の電磁波情報を、前記撮像素子１３（図２参照）、その他の手段により感受することにより、前記原稿画像の画像データを生成することができる。

図３（ｃ）に示すように、通常のレンズにおいては、その焦点部分に５００ｎｍ程度の大きさのビームウェストが生ずるため、５００ｎｍより小さい画像を取り扱うことができなかったが、本構成によれば、２００ｎｍ程度の大きさの前記模様３５であっても、正確に画像データ化することができる。

本発明の実施の形態に係るスキャナ機構、及びこれを用いた複写機の構成を示すブロック図である。メタマテリアルレンズ部材の焦点部分の状態を示す図である。図３（ａ）は、原稿画像中の模様から照射された光がメタマテリアルレンズ部材内で焦点を結ぶ状態を示す図である。図３（ｂ）は、焦点部分の要素素子の状態を示す図である。図３（ｃ）は、通常のレンズにおける焦点部分の状態を示す図である。正の屈折率を有する物質における光の屈折現象を示す図である。負の屈折率を有する物質における光の屈折現象を示す図である。メタマテリアルの要素素子の一例を示す図である。通常のレンズにおける結像状態を示す図である。通常のレンズにおける焦点部分の状態を示す図である。メタマテリアルを用いたレンズにおける結像状態を示す図である。従来のスキャナ機構の構成を示す図である。

符号の説明

１スキャナ機構
２複写機
３画像形成部
１２メタマテリアルレンズ部材
１３画像データ生成部
３１原稿画像
１００要素素子

Claims

複数の要素素子からなり負の屈折率を有するメタマテリアルにより形成され、原稿画像から照射される光の焦点が自らの内部に存在するメタマテリアルレンズ部材と、
前記焦点部分に存在する前記要素素子の電磁波情報に基づいて、画像データを生成する画像データ生成部と、
を備えるスキャナ機構。
前記焦点は、前記メタマテリアルレンズ部材の内部において、前記画像データ生成部により前記電磁波情報を直接感受可能な位置に結ばれる、
請求項１記載のスキャナ機構。
前記画像データ生成部は、前記焦点部分に存在する前記要素素子が放射する電磁力を電気信号に変換する、
請求項１又は２記載のスキャナ機構。
原稿画像の構成を示す画像データを生成するスキャナ機構と、
前記画像データに基づいて、印刷媒体上に画像を形成する画像形成部と、
を備える複写機であって、
前記スキャナ機構は、
複数の要素素子からなり負の屈折率を有するメタマテリアルにより形成され、前記原稿画像から照射される光の焦点が自らの内部に存在するメタマテリアルレンズ部材と、
前記焦点部分に存在する前記要素素子の電磁波情報に基づいて、前記画像データを生成する画像データ生成部と、
を備える複写機。