JP2004230861A - 画像記録装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＬＥＤ素子からの光を効率的に利用しながら高い精度で画像を記録することが可能な画像記録装置を提供することを目的とする。
【解決手段】配線基板３２の先端部には、ＬＥＤ素子１におけるアノード１３を収納可能な凹部１７が形成されている。ＬＥＤ素子１を配線基板３２に装着する際には、この凹部１７内に銀ペースト１８を充填した上で、ＬＥＤ素子１における発光層１２を含む半導体積層部１６側を配線基板３２に向けた状態でＬＥＤ素子を固定する。この状態においては、ＬＥＤ素子１は、アノード１３が凹部１７内に収納され、発光層１２を含む半導体積層構造部１６が配線基板３２の表面に当接する状態で配線基板３２に固定される。
【選択図】 図５
【解決手段】配線基板３２の先端部には、ＬＥＤ素子１におけるアノード１３を収納可能な凹部１７が形成されている。ＬＥＤ素子１を配線基板３２に装着する際には、この凹部１７内に銀ペースト１８を充填した上で、ＬＥＤ素子１における発光層１２を含む半導体積層部１６側を配線基板３２に向けた状態でＬＥＤ素子を固定する。この状態においては、ＬＥＤ素子１は、アノード１３が凹部１７内に収納され、発光層１２を含む半導体積層構造部１６が配線基板３２の表面に当接する状態で配線基板３２に固定される。
【選択図】 図５
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ／発光ダイオード）素子から出射される光を利用して画像を記録する画像記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、カラープリンターやイメージセッター等のラスター走査型画像記録装置においては、光学系を簡易化および小型化する目的からＬＥＤ素子が使用されている。そして、画像の記録を効率的に実行するため、このような画像記録装置においては、配線基板上に複数のＬＥＤ素子を直接実装したＬＥＤアレイが使用されている。
【０００３】
ところで、このようなＬＥＤ素子は、結晶基板と発光層を含む半導体積層構造部とが積層された構成を有する。そして、ＬＥＤ素子における発光層を含む光出射部は、その厚さ方向の寸法は数μｍ程度であるが、その長手方向については３００μｍ程度の寸法を有する。このため、ＬＥＤ素子における発光層を含む光出射部の端面の長手方向の像を画像記録面上に縮小投影するとともに、ＬＥＤ素子における光出射部の端面の厚さ方向の像を結像光学系の瞳面上に拡大投影する構成の画像記録装置が提案されている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３０７１５３号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特許文献１に記載の画像記録装置においては、ＬＥＤ素子における光出射部の端面の厚さ方向の像の拡大倍率ｍを大きくとれば、ＬＥＤ素子側のＮＡ（開口数）が大きくなることから、光を効率的に利用することが可能となる。しかしながら、この拡大倍率ｍを大きくした場合には、ＬＥＤ素子における発光層の位置精度を極めて高精度なものにしないと、絞りの中央を光が通過せず、画像の記録精度が極端に悪化してしまう。
【０００６】
このとき、基板上にＬＥＤ素子を直接実装した場合には、ＬＥＤ素子における結晶基板の厚みの公差に起因して、ＬＥＤ素子における発光層の位置に誤差を生ずるという問題が発生する。このような結晶基板の厚みの公差に起因する発光層の位置誤差の問題は、特許文献１に記載されたようなサファイヤ製の結晶基板を有するＬＥＤ素子を使用する場合はさほど問題とはならないが、厚みの公差が大きいＳｉＣ（シリコンカーバイト）製の結晶基板を有するＬＥＤ素子を使用する場合に特に問題となる。
【０００７】
この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、ＬＥＤ素子からの光を効率的に利用しながら高い精度で画像を記録することが可能な画像記録装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、ＬＥＤ素子における発光層の端面から出射される光を利用して画像を記録する画像記録装置において、結晶基板と発光層を含む半導体積層構造部と配線基板とが形成され、前記半導体積層部側を前記配線基板に向けた状態で、前記発光層の長手方向に向けて列設された複数のＬＥＤ素子と、前記ＬＥＤ素子における発光層を含む光出射部から発散する光を集光するコレクターレンズとを備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ＬＥＤ素子は、前記半導体積層構造部における前記結晶基板とは逆側の表面に、平面視において前記半導体積層構造部より小さな電極を備えるとともに、前記配線基板には、前記電極を収納可能な凹部が形成され、前記ＬＥＤ素子は、前記電極が前記凹部に収納され、前記半導体積層構造部が前記配線基板の表面に当接する状態で、前記配線基板に固定される。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記結晶基板は、シリコンカーバイトより構成される。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発明において、前記ＬＥＤ素子における発光層を含む光出射部の長手方向の像を画像記録面上に縮小投影する結像光学系を備えるとともに、前記コレクターレンズは、その母線が前記ＬＥＤ素子における発光層の長手方向と平行な方向に配設され、前記ＬＥＤ素子における発光層を含む光出射部の厚さ方向の像を前記結像光学系の瞳面上に投影するアナモルフィックレンズから構成される。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記結像光学系は両側テレセントリック光学系から構成されており、前記アナモルフィクレンズは前記ＬＥＤ素子における発光層を含む光出射部の端面の厚さ方向の像を、前記両側テレセントリック光学系の開口絞りの位置に投影する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１はこの発明に係る画像記録装置の斜視図である。
【００１４】
この画像記録装置は、光源ユニット３と結像光学系４とからなる記録ヘッド５と、その外周部に感光材料６を巻回した記録ドラム７とを備える。この画像記録装置においては、後述する光源ユニット３から、結像光学系４を介して、記録ドラム７に巻回された状態で回転する感光材料６に光ビームを照射するとともに、記録ヘッド５を記録ドラム７の軸線方向に移動させることにより、感光材料６に対して必要な画像を記録する構成となっている。
【００１５】
次に、上述した光源ユニット３の構成について説明する。図２は光源ユニット３の構成を示す斜視図であり、図３はその正面図である。
【００１６】
この光源ユニット３は、その基端部にコネクタ３１を備えた配線基板３２と、この配線基板３２の先端部に複数個列設されたＬＥＤ素子１と、これらのＬＥＤ素子１と対向する位置に配設されたアナモルフィックレンズとしてのシリンドリカルレンズ（ロッドレンズ）３３とから構成されるユニットを、ＬＥＤ素子１の列設方向と直交する方向に３列配設した構成を有する。
【００１７】
すなわち、図２示すように、３個の配線基板３２の先端部は、左右一対の櫛歯状位置決め部材３６に形成された凹部３７内に挿入され、固定される。このため、これらの配線基板３２は、左右一対の櫛歯状位置決め部材３６により、互いに等間隔離隔した平行な姿勢で精度よく位置決めされる。
【００１８】
また、図３に示すように、３個の配線基板３２は、各配線基板３２の先端部に列設されたＬＥＤ素子１のピッチＰの１／３の距離［Ｐ／３］だけ、ＬＥＤ素子１の列設方向（後述する発光層１２の長手方向）に互いにずれた位置に配置されている。ここで、ＬＥＤ素子１から出射される光の臨界角を大きくする目的で、ＬＥＤ素子１とシリンドリカルレンズ３３との間に、空気より大きい屈折率を有するシリコーン樹脂等の透明部材をポッティングするようにしてもよい。
【００１９】
なお、図２および図３においては、説明の便宜上、５個のＬＥＤ素子１のみを図示しているが、実際には、数千個程度のＬＥＤ素子１が列設される。
【００２０】
次に、ＬＥＤ素子１の構成、および、このＬＥＤ素子１を配線基板３２の先端部に取り付ける場合の構成について説明する。図４は、ＬＥＤ素子１を配線基板３２の先端部に取り付ける状態を模式的に示す説明図である。また、図５は、ＬＥＤ素子１を配線基板３２の先端部に取り付けた状態を拡大して示す断面図である。
【００２１】
このＬＥＤ素子１は、図５に示すように、結晶基板１１と、発光層（活性層）１２を含む半導体積層構造部１６と、この半導体積層構造部１６の表面上に形成されたアノード（電極）１３と、結晶基板１１の表面上に形成されたカソード（電極）１４とを備える。そして、このＬＥＤ素子１においては、アノード１３とカソード１４との間に電流を流すことにより、半導体積層構造部１６の表面または端面から光が出射する構成となっている。なお、光が発生するのは発光層１２であるが、その光は半導体積層構造部１６へ広がり、そこから外部に出射されるのが一般的である。
【００２２】
なお、このＬＥＤ素子１としては、ガリウム（Ｇａ）とナイトライド（Ｎ）とを利用したガリウムナイトライドＬＥＤ素子、または、インジウム（Ｉｎ）とガリウム（Ｇａ）とナイトライド（Ｎ）とを利用したインジウムガリウムナイトライドＬＥＤ素子等のＧａＮ系ＬＥＤ素子が使用される。そして、その結晶基板１１は、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）から構成されている。
【００２３】
図５に示すように、カソード１４は、平面視において、結晶基板１１および発光層１２を含む半導体積層構造部１６と同程度の大きさを有する。一方、アノード１３は、平面視において、発光層１２を含む半導体積層構造部１６より小さくなっている。なお、この明細書において平面視とは、ＬＥＤ素子１をその上方またはその下方から見た状態をいう。
【００２４】
図４および図５に示すように、配線基板３２の先端部は、アースとして機能しており、この配線基板３２の先端部には、アノード１３を収納可能な凹部１７が形成されている。ＬＥＤ素子１を配線基板３２に装着する際には、この凹部１７内に銀ペースト１８を充填した上で、ＬＥＤ素子１における半導体積層部１６側を配線基板３２に向けた状態でＬＥＤ素子を固定する。この状態においては、ＬＥＤ素子１は、アノード１３が凹部１７内に収納され、半導体積層構造部１６が配線基板３２の表面に当接する状態で配線基板３２に固定される。
【００２５】
また、ＬＥＤ素子１におけるカソード１４は、ボンディングワイヤー３４を介して、配線基板３２に形成された導電パターン３５とワイヤーボンディングされている。これにより、各ＬＥＤ素子１のアノード１３およびカソード１４は、上述したコネクタ３１と電気的に接続されることになる。なお、このコネクタ３１は、図示を省略したＬＥＤ素子１のドライバーと接続されている。
【００２６】
このようにして、複数個のＬＥＤ素子１が、その発光層１２の長手方向に列設される。このとき、この実施形態においては、上述したように、ＬＥＤ素子１は、アノード１３が凹部１７内に収納され、半導体積層構造部１６が配線基板３２の表面に当接する状態で配線基板３２に固定される。
【００２７】
ここで、半導体積層構造部１６の厚みの公差は、結晶基板１１の厚みの公差より極めて小さいことから、配線基板３２の表面を精度よく平滑に加工しておくことで、ＬＥＤ素子１における発光層１２の位置精度を極めて高精度なものとすることができる。また、配線基板３２に形成された凹部１７内にアノード１３を収納する構成であることから、アノード１３の厚みの公差がＬＥＤ素子１における発光層１２の位置精度に影響を与えることがなく、さらには、凹部１７内に銀ペースト１８を収納し得ることから、銀ペースト１８の漏れによる漏電等の問題の発生を未然に防止することが可能となる。
【００２８】
図２および図３に示すように、複数のＬＥＤ素子１がその発光層１２の長手方向と平行な方向に列設されることにより、ＬＥＤ素子１によるアレイが構成される。また、シリンドリカルレンズ３３は、その母線（長軸）がＬＥＤ素子１における発光層１２の長手方向に対して平行であるように配置される。そして、この光源ユニット３においては、上記の構成を有する配線基板３２が３層、その位置を各配線基板３２の先端部に列設されたＬＥＤ素子１のピッチＰの１／３の距離［Ｐ／３］だけ、ＬＥＤ素子１の列設方向（その発光層１２の長手方向）にずらせた状態で配設されていることから、多数のＬＥＤ素子１から出射する光を利用した二次元配列の光ビームを得ることができる。
【００２９】
次に、上述した結像光学系４の構成について説明する。図６は結像光学系４をＬＥＤ素子１およびシリンドリカルレンズ３３とともに示す平面図であり、図７はその側面図である。なお、以上の説明においては、各配線基板３２の先端部に５個のＬＥＤ素子１を列設した場合について説明しているが、図６および図７においては、各配線基板３２の先端部に列設された５個のＬＥＤ素子１のうちの３個のみを図示し、他の２個については図示を省略している。
【００３０】
この結像光学系４は、ＬＥＤ素子１における半導体積層構造部１６の端面の長手方向の像を、図１に示す記録ドラム７に巻回された感光材料６上に縮小投影するためのものであり、フィールドレンズ３８と対物レンズ３９とから構成される。これらのフィールドレンズ３８と対物レンズ３９とからなる結像光学系４は、両側テレセントリック光学系を構成する。また、フィールドレンズ３８と対物レンズ３９との間には、開口絞り４１が配設されている。
【００３１】
図７に示すように、シリンドリカルレンズ３３のパワーのある面内において、各ＬＥＤ素子１から出射された光の主光線は、結像光学系４の物体側で結像光学系４の光軸に平行になるように設定されている。また、結像光学系４が両側テレセントリック光学系であることから、各ＬＥＤ素子１から出射された光の主光線は、感光材料６側においても結像光学系４の光軸に平行となる。
【００３２】
結像光学系４の縮小倍率は、画像記録装置に要求される解像度により決定される。例えば、ＬＥＤ素子１の一辺の長さはおよそ３００μｍ程度であり、その配列ピッチＰ（図３参照）はおおよそ０．５〜１．０ｍｍ程度である。そして、感光材料６への記録ビームのピッチは、上述したように［Ｐ／３］となる。このため、この［Ｐ／３］の値と画像記録装置に要求される解像度とに基づいて、結像光学系４の縮小倍率を決定すればよい。
【００３３】
一方、上述したシリンドリカルレンズ３３は、ＬＥＤ素子１における半導体積層構造部１６の端面の厚さ方向の像を、結像光学系４の開口絞り４１の位置（すなわち瞳面上と等価な位置）に、開口絞り４１の大きさの範囲内（瞳の大きさの範囲内）で拡大投影するためのものである。
【００３４】
一般に、ＬＥＤ素子１における半導体積層構造部１６の厚さ方向の寸法は数μｍ程度である。このため、開口絞り４１の直径を５ｍｍ程度とした場合には、シリンドリカルレンズ３３を利用して、ＬＥＤ素子１における半導体積層構造部１６の端面の厚さ方向の像を最大２０００倍程度まで拡大投影することができる。このため、シリンドリカルレンズ３３のパワーのある面内において、シリンドリカルレンズ３３と結像光学系４を含む全体の光学系による倍率を例えば等倍程度とすることにより、その効率が低下することを防止し、ＬＥＤ素子１から出射される光を効率的に利用することが可能となる。
【００３５】
なお、シリンドリカルレンズ３３の拡大率を大きくした場合には、ＬＥＤ素子１における発光層１２とシリンドリカルレンズ３３との位置精度も極めて高精度に設定する必要がある。しかしながら、この実施形態においては、上述したように、ＬＥＤ素子１は、アノード１３が凹部１７内に収納され、半導体積層構造部１６が配線基板３２の表面に当接する状態で配線基板３２に固定されることから、ＬＥＤ素子１における発光層１２の位置精度を極めて高精度なものとすることが可能となる。
【００３６】
ここで、上述した実施形態においては、シリンドリカルレンズ３３はＬＥＤ素子１における半導体積層構造部１６の端面の厚さ方向の像を、結像光学系４の開口絞り４１の位置に投影している。このとき、この開口絞り４１の位置そのものは、結像光学系４の瞳位置ではない。しかしながら、両側テレセントリック光学系をなす結像光学系４の場合には瞳位置は無限遠にあることから、開口絞り４１の位置に投影することは無限遠（すなわち瞳位置）に投影することと等価となる。
【００３７】
以上のような構成を有する光源ユニット３においては、ＬＥＤ素子１における半導体積層構造部１６の端面の長手方向の像を感光材料６上に縮小投影するための結像光学系４と、ＬＥＤ素子１における半導体積層構造部１６の端面の厚さ方向の像を結像光学系４の開口絞り４１の位置にその大きさの範囲内で拡大投影するためのシリンドリカルレンズ３３とを組み合わせて使用していることから、各ＬＥＤ素子１からその発光層１２と直交する方向に大きな角度で発散する光は、シリンドリカルレンズ３３を介して結像光学系４に効率的に入射する。そして、結像光学系４に入射した光は、記録ドラム７に巻回された感光材料６上に縮小投影される。このため、光の効率を低下させることなく高い解像度で画像を記録することが可能となる。
【００３８】
しかも、半導体積層構造部１６のシリンドリカルレンズ３３に対する位置精度が高精度であるので、各ＬＥＤ素子１の半導体積層構造部１６の像を開口絞り４１に正確に投影することができる。
【００３９】
このとき、結像光学系４が両側テレセントリック光学系から構成されていることから、その焦点深度を深くすることができる。従って、感光材料６における結像光学系４の光軸方向の位置が多少変化しても、高精度に画像を記録することが可能となる。
【００４０】
さらに、各配線基板３２上に列設された複数のＬＥＤ素子１から発散する光を、単一のシリンドリカルレンズ３３を利用して集光する構成であることから、複数のＬＥＤ素子１から発散する光を集光するために必要な構成を簡略化し、部品点数を削減することが可能となる。
【００４１】
次に、この発明の他の実施形態について説明する。図８は、この発明の第２実施形態により、ＬＥＤ素子１を配線基板３２の先端部に取り付けた状態を拡大して示す断面図である。
【００４２】
上述した第１実施形態においては、アノード１３が平面視において発光層１２を含む半導体積層構造部１６より小さくなっており、半導体素子１は、アノード１３が凹部１７内に収納され、半導体積層構造部１６が配線基板３２の表面に当接する状態で配線基板３２に固定される。一方、この実施形態においては、アノード１３と発光層１２を含む半導体積層構造部１６とが、平面視において同一の大きさとなっている。そして、この第２実施形態においては、半導体素子１は、アノード１３が配線基板３２の表面に当接する状態で配線基板３２に固定される。
【００４３】
このような構成を採用した場合においては、アノード１３の厚みの公差がＬＥＤ素子１における発光層１２の位置精度に影響を与えることにはなるが、アノード１３の厚みの公差は比較的小さいことから、配線基板３２の表面を精度よく平滑に加工しておくことで、ＬＥＤ素子１における発光層１２の位置精度を高精度なものとすることができる。また、凹部１７内に銀ペースト１８を収納し得ることから、銀ペースト１８の漏れによる漏電等の問題の発生を未然に防止することが可能となる。
【００４４】
次に、この発明のさらに他の実施形態について説明する。図９は、この発明の第３実施形態により、ＬＥＤ素子１を配線基板３２の先端部に取り付けた状態を拡大して示す断面図である。
【００４５】
この実施形態においては、上述した第１実施形態同様、アノード１３が平面視において発光層１２を含む半導体積層構造部１６より小さくなっている。但し、この第３実施形態においては、配線基板３２に凹部は形成されておらず、半導体素子１は、アノード１３が配線基板３２の表面に当接する状態で配線基板３２に固定される。また、銀ペースト１８が、半導体積層構造部１６と配線基板３２との間の領域に配設される。
【００４６】
このような構成を採用した場合においても、アノード１３の厚みの公差がＬＥＤ素子１における発光層１２の位置精度に影響を与えることにはなるが、アノード１３の厚みの公差は比較的小さいことから、配線基板３２の表面を精度よく平滑に加工しておくことで、ＬＥＤ素子１における発光層１２の位置精度を高精度なものとすることができる。
【００４７】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、半導体積層部側を配線基板に向けた状態で発光層の長手方向に列設された複数のＬＥＤ素子と、ＬＥＤ素子における発光層を含む光出射部から発散する光を集光するコレクターレンズとを備えたことから、ＬＥＤ素子からの光を効率的に利用しながら、発光層を正確に位置決めすることができ、高い精度で画像を記録することが可能となる。
【００４８】
請求項２に記載の発明によれば、ＬＥＤ素子が、電極が配線基板に形成された凹部に収納され、半導体積層構造部が配線基板の表面に当接する状態で前記配線基板に固定されることから、発光層をさらに正確に位置決めすることができ、より高い精度で画像を記録することが可能となる。
【００４９】
請求項３に記載の発明によればシリコンカーバイトより構成され厚みの公差が大きい結晶基板を有するＬＥＤ素子を使用する場合においても、発光層を正確に位置決めすることが可能となる。
【００５０】
請求項４に記載の発明によればＬＥＤ素子における発光層を含む光出射部の長手方向の像を画像記録面上に縮小投影する結像光学系を備えるとともに、コレクターレンズがＬＥＤ素子における発光層を含む光出射部の厚さ方向の像を結像光学系の瞳面上に投影するアナモルフィックレンズから構成されることから、光学系における効率を高めながら、光学系における効率を低下させることなく高い解像度で画像を記録することが可能となる。
【００５１】
請求項５に記載の発明によれば、結像光学系は両側テレセントリック光学系から構成されており、アナモルフィクレンズはＬＥＤ素子における発光層を含む光出射部の端面の厚さ方向の像を両側テレセントリック光学系の開口絞りの位置に投影することから、その焦点深度を深くすることができ、記録位置の微小な変動にかかわらず、高精度に画像を記録することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】画像記録装置の斜視図である。
【図２】光源ユニット３の斜視図である。
【図３】光源ユニット３の正面図である。
【図４】ＬＥＤ素子１を配線基板３２の先端部に取り付ける状態を模式的に示す説明図である。
【図５】ＬＥＤ素子１を配線基板３２の先端部に取り付けた状態を拡大して示す断面図である。
【図６】結像光学系４をＬＥＤ素子１およびシリンドリカルレンズ３３とともに示す平面図である。
【図７】結像光学系４をＬＥＤ素子１およびシリンドリカルレンズ３３とともに示す側面図である。
【図８】第２実施形態によりＬＥＤ素子１を配線基板３２の先端部に取り付けた状態を拡大して示す断面図である。
【図９】第３実施形態によりＬＥＤ素子１を配線基板３２の先端部に取り付けた状態を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
１ ＬＥＤ素子
３ 光源ユニット
４ 結像光学系
５ 記録ヘッド
６ 感光材料
７ 記録ドラム
１１ 結晶基板
１２ 発光層
１３ アノード
１４ カソード
１６ 半導体積層構造部
１７ 凹部
１８ 銀ペースト
３２ 配線基板
３３ シリンドリカルレンズ
３４ ボンディングワイヤー
３５ 導電パターン
３６ 櫛歯状位置決め部材
３７ 凹部
３８ フィールドレンズ
３９ 対物レンズ
４１ 開口絞り
４２ 結像レンズ
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ／発光ダイオード）素子から出射される光を利用して画像を記録する画像記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、カラープリンターやイメージセッター等のラスター走査型画像記録装置においては、光学系を簡易化および小型化する目的からＬＥＤ素子が使用されている。そして、画像の記録を効率的に実行するため、このような画像記録装置においては、配線基板上に複数のＬＥＤ素子を直接実装したＬＥＤアレイが使用されている。
【０００３】
ところで、このようなＬＥＤ素子は、結晶基板と発光層を含む半導体積層構造部とが積層された構成を有する。そして、ＬＥＤ素子における発光層を含む光出射部は、その厚さ方向の寸法は数μｍ程度であるが、その長手方向については３００μｍ程度の寸法を有する。このため、ＬＥＤ素子における発光層を含む光出射部の端面の長手方向の像を画像記録面上に縮小投影するとともに、ＬＥＤ素子における光出射部の端面の厚さ方向の像を結像光学系の瞳面上に拡大投影する構成の画像記録装置が提案されている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３０７１５３号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特許文献１に記載の画像記録装置においては、ＬＥＤ素子における光出射部の端面の厚さ方向の像の拡大倍率ｍを大きくとれば、ＬＥＤ素子側のＮＡ（開口数）が大きくなることから、光を効率的に利用することが可能となる。しかしながら、この拡大倍率ｍを大きくした場合には、ＬＥＤ素子における発光層の位置精度を極めて高精度なものにしないと、絞りの中央を光が通過せず、画像の記録精度が極端に悪化してしまう。
【０００６】
このとき、基板上にＬＥＤ素子を直接実装した場合には、ＬＥＤ素子における結晶基板の厚みの公差に起因して、ＬＥＤ素子における発光層の位置に誤差を生ずるという問題が発生する。このような結晶基板の厚みの公差に起因する発光層の位置誤差の問題は、特許文献１に記載されたようなサファイヤ製の結晶基板を有するＬＥＤ素子を使用する場合はさほど問題とはならないが、厚みの公差が大きいＳｉＣ（シリコンカーバイト）製の結晶基板を有するＬＥＤ素子を使用する場合に特に問題となる。
【０００７】
この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、ＬＥＤ素子からの光を効率的に利用しながら高い精度で画像を記録することが可能な画像記録装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、ＬＥＤ素子における発光層の端面から出射される光を利用して画像を記録する画像記録装置において、結晶基板と発光層を含む半導体積層構造部と配線基板とが形成され、前記半導体積層部側を前記配線基板に向けた状態で、前記発光層の長手方向に向けて列設された複数のＬＥＤ素子と、前記ＬＥＤ素子における発光層を含む光出射部から発散する光を集光するコレクターレンズとを備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ＬＥＤ素子は、前記半導体積層構造部における前記結晶基板とは逆側の表面に、平面視において前記半導体積層構造部より小さな電極を備えるとともに、前記配線基板には、前記電極を収納可能な凹部が形成され、前記ＬＥＤ素子は、前記電極が前記凹部に収納され、前記半導体積層構造部が前記配線基板の表面に当接する状態で、前記配線基板に固定される。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記結晶基板は、シリコンカーバイトより構成される。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発明において、前記ＬＥＤ素子における発光層を含む光出射部の長手方向の像を画像記録面上に縮小投影する結像光学系を備えるとともに、前記コレクターレンズは、その母線が前記ＬＥＤ素子における発光層の長手方向と平行な方向に配設され、前記ＬＥＤ素子における発光層を含む光出射部の厚さ方向の像を前記結像光学系の瞳面上に投影するアナモルフィックレンズから構成される。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記結像光学系は両側テレセントリック光学系から構成されており、前記アナモルフィクレンズは前記ＬＥＤ素子における発光層を含む光出射部の端面の厚さ方向の像を、前記両側テレセントリック光学系の開口絞りの位置に投影する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１はこの発明に係る画像記録装置の斜視図である。
【００１４】
この画像記録装置は、光源ユニット３と結像光学系４とからなる記録ヘッド５と、その外周部に感光材料６を巻回した記録ドラム７とを備える。この画像記録装置においては、後述する光源ユニット３から、結像光学系４を介して、記録ドラム７に巻回された状態で回転する感光材料６に光ビームを照射するとともに、記録ヘッド５を記録ドラム７の軸線方向に移動させることにより、感光材料６に対して必要な画像を記録する構成となっている。
【００１５】
次に、上述した光源ユニット３の構成について説明する。図２は光源ユニット３の構成を示す斜視図であり、図３はその正面図である。
【００１６】
この光源ユニット３は、その基端部にコネクタ３１を備えた配線基板３２と、この配線基板３２の先端部に複数個列設されたＬＥＤ素子１と、これらのＬＥＤ素子１と対向する位置に配設されたアナモルフィックレンズとしてのシリンドリカルレンズ（ロッドレンズ）３３とから構成されるユニットを、ＬＥＤ素子１の列設方向と直交する方向に３列配設した構成を有する。
【００１７】
すなわち、図２示すように、３個の配線基板３２の先端部は、左右一対の櫛歯状位置決め部材３６に形成された凹部３７内に挿入され、固定される。このため、これらの配線基板３２は、左右一対の櫛歯状位置決め部材３６により、互いに等間隔離隔した平行な姿勢で精度よく位置決めされる。
【００１８】
また、図３に示すように、３個の配線基板３２は、各配線基板３２の先端部に列設されたＬＥＤ素子１のピッチＰの１／３の距離［Ｐ／３］だけ、ＬＥＤ素子１の列設方向（後述する発光層１２の長手方向）に互いにずれた位置に配置されている。ここで、ＬＥＤ素子１から出射される光の臨界角を大きくする目的で、ＬＥＤ素子１とシリンドリカルレンズ３３との間に、空気より大きい屈折率を有するシリコーン樹脂等の透明部材をポッティングするようにしてもよい。
【００１９】
なお、図２および図３においては、説明の便宜上、５個のＬＥＤ素子１のみを図示しているが、実際には、数千個程度のＬＥＤ素子１が列設される。
【００２０】
次に、ＬＥＤ素子１の構成、および、このＬＥＤ素子１を配線基板３２の先端部に取り付ける場合の構成について説明する。図４は、ＬＥＤ素子１を配線基板３２の先端部に取り付ける状態を模式的に示す説明図である。また、図５は、ＬＥＤ素子１を配線基板３２の先端部に取り付けた状態を拡大して示す断面図である。
【００２１】
このＬＥＤ素子１は、図５に示すように、結晶基板１１と、発光層（活性層）１２を含む半導体積層構造部１６と、この半導体積層構造部１６の表面上に形成されたアノード（電極）１３と、結晶基板１１の表面上に形成されたカソード（電極）１４とを備える。そして、このＬＥＤ素子１においては、アノード１３とカソード１４との間に電流を流すことにより、半導体積層構造部１６の表面または端面から光が出射する構成となっている。なお、光が発生するのは発光層１２であるが、その光は半導体積層構造部１６へ広がり、そこから外部に出射されるのが一般的である。
【００２２】
なお、このＬＥＤ素子１としては、ガリウム（Ｇａ）とナイトライド（Ｎ）とを利用したガリウムナイトライドＬＥＤ素子、または、インジウム（Ｉｎ）とガリウム（Ｇａ）とナイトライド（Ｎ）とを利用したインジウムガリウムナイトライドＬＥＤ素子等のＧａＮ系ＬＥＤ素子が使用される。そして、その結晶基板１１は、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）から構成されている。
【００２３】
図５に示すように、カソード１４は、平面視において、結晶基板１１および発光層１２を含む半導体積層構造部１６と同程度の大きさを有する。一方、アノード１３は、平面視において、発光層１２を含む半導体積層構造部１６より小さくなっている。なお、この明細書において平面視とは、ＬＥＤ素子１をその上方またはその下方から見た状態をいう。
【００２４】
図４および図５に示すように、配線基板３２の先端部は、アースとして機能しており、この配線基板３２の先端部には、アノード１３を収納可能な凹部１７が形成されている。ＬＥＤ素子１を配線基板３２に装着する際には、この凹部１７内に銀ペースト１８を充填した上で、ＬＥＤ素子１における半導体積層部１６側を配線基板３２に向けた状態でＬＥＤ素子を固定する。この状態においては、ＬＥＤ素子１は、アノード１３が凹部１７内に収納され、半導体積層構造部１６が配線基板３２の表面に当接する状態で配線基板３２に固定される。
【００２５】
また、ＬＥＤ素子１におけるカソード１４は、ボンディングワイヤー３４を介して、配線基板３２に形成された導電パターン３５とワイヤーボンディングされている。これにより、各ＬＥＤ素子１のアノード１３およびカソード１４は、上述したコネクタ３１と電気的に接続されることになる。なお、このコネクタ３１は、図示を省略したＬＥＤ素子１のドライバーと接続されている。
【００２６】
このようにして、複数個のＬＥＤ素子１が、その発光層１２の長手方向に列設される。このとき、この実施形態においては、上述したように、ＬＥＤ素子１は、アノード１３が凹部１７内に収納され、半導体積層構造部１６が配線基板３２の表面に当接する状態で配線基板３２に固定される。
【００２７】
ここで、半導体積層構造部１６の厚みの公差は、結晶基板１１の厚みの公差より極めて小さいことから、配線基板３２の表面を精度よく平滑に加工しておくことで、ＬＥＤ素子１における発光層１２の位置精度を極めて高精度なものとすることができる。また、配線基板３２に形成された凹部１７内にアノード１３を収納する構成であることから、アノード１３の厚みの公差がＬＥＤ素子１における発光層１２の位置精度に影響を与えることがなく、さらには、凹部１７内に銀ペースト１８を収納し得ることから、銀ペースト１８の漏れによる漏電等の問題の発生を未然に防止することが可能となる。
【００２８】
図２および図３に示すように、複数のＬＥＤ素子１がその発光層１２の長手方向と平行な方向に列設されることにより、ＬＥＤ素子１によるアレイが構成される。また、シリンドリカルレンズ３３は、その母線（長軸）がＬＥＤ素子１における発光層１２の長手方向に対して平行であるように配置される。そして、この光源ユニット３においては、上記の構成を有する配線基板３２が３層、その位置を各配線基板３２の先端部に列設されたＬＥＤ素子１のピッチＰの１／３の距離［Ｐ／３］だけ、ＬＥＤ素子１の列設方向（その発光層１２の長手方向）にずらせた状態で配設されていることから、多数のＬＥＤ素子１から出射する光を利用した二次元配列の光ビームを得ることができる。
【００２９】
次に、上述した結像光学系４の構成について説明する。図６は結像光学系４をＬＥＤ素子１およびシリンドリカルレンズ３３とともに示す平面図であり、図７はその側面図である。なお、以上の説明においては、各配線基板３２の先端部に５個のＬＥＤ素子１を列設した場合について説明しているが、図６および図７においては、各配線基板３２の先端部に列設された５個のＬＥＤ素子１のうちの３個のみを図示し、他の２個については図示を省略している。
【００３０】
この結像光学系４は、ＬＥＤ素子１における半導体積層構造部１６の端面の長手方向の像を、図１に示す記録ドラム７に巻回された感光材料６上に縮小投影するためのものであり、フィールドレンズ３８と対物レンズ３９とから構成される。これらのフィールドレンズ３８と対物レンズ３９とからなる結像光学系４は、両側テレセントリック光学系を構成する。また、フィールドレンズ３８と対物レンズ３９との間には、開口絞り４１が配設されている。
【００３１】
図７に示すように、シリンドリカルレンズ３３のパワーのある面内において、各ＬＥＤ素子１から出射された光の主光線は、結像光学系４の物体側で結像光学系４の光軸に平行になるように設定されている。また、結像光学系４が両側テレセントリック光学系であることから、各ＬＥＤ素子１から出射された光の主光線は、感光材料６側においても結像光学系４の光軸に平行となる。
【００３２】
結像光学系４の縮小倍率は、画像記録装置に要求される解像度により決定される。例えば、ＬＥＤ素子１の一辺の長さはおよそ３００μｍ程度であり、その配列ピッチＰ（図３参照）はおおよそ０．５〜１．０ｍｍ程度である。そして、感光材料６への記録ビームのピッチは、上述したように［Ｐ／３］となる。このため、この［Ｐ／３］の値と画像記録装置に要求される解像度とに基づいて、結像光学系４の縮小倍率を決定すればよい。
【００３３】
一方、上述したシリンドリカルレンズ３３は、ＬＥＤ素子１における半導体積層構造部１６の端面の厚さ方向の像を、結像光学系４の開口絞り４１の位置（すなわち瞳面上と等価な位置）に、開口絞り４１の大きさの範囲内（瞳の大きさの範囲内）で拡大投影するためのものである。
【００３４】
一般に、ＬＥＤ素子１における半導体積層構造部１６の厚さ方向の寸法は数μｍ程度である。このため、開口絞り４１の直径を５ｍｍ程度とした場合には、シリンドリカルレンズ３３を利用して、ＬＥＤ素子１における半導体積層構造部１６の端面の厚さ方向の像を最大２０００倍程度まで拡大投影することができる。このため、シリンドリカルレンズ３３のパワーのある面内において、シリンドリカルレンズ３３と結像光学系４を含む全体の光学系による倍率を例えば等倍程度とすることにより、その効率が低下することを防止し、ＬＥＤ素子１から出射される光を効率的に利用することが可能となる。
【００３５】
なお、シリンドリカルレンズ３３の拡大率を大きくした場合には、ＬＥＤ素子１における発光層１２とシリンドリカルレンズ３３との位置精度も極めて高精度に設定する必要がある。しかしながら、この実施形態においては、上述したように、ＬＥＤ素子１は、アノード１３が凹部１７内に収納され、半導体積層構造部１６が配線基板３２の表面に当接する状態で配線基板３２に固定されることから、ＬＥＤ素子１における発光層１２の位置精度を極めて高精度なものとすることが可能となる。
【００３６】
ここで、上述した実施形態においては、シリンドリカルレンズ３３はＬＥＤ素子１における半導体積層構造部１６の端面の厚さ方向の像を、結像光学系４の開口絞り４１の位置に投影している。このとき、この開口絞り４１の位置そのものは、結像光学系４の瞳位置ではない。しかしながら、両側テレセントリック光学系をなす結像光学系４の場合には瞳位置は無限遠にあることから、開口絞り４１の位置に投影することは無限遠（すなわち瞳位置）に投影することと等価となる。
【００３７】
以上のような構成を有する光源ユニット３においては、ＬＥＤ素子１における半導体積層構造部１６の端面の長手方向の像を感光材料６上に縮小投影するための結像光学系４と、ＬＥＤ素子１における半導体積層構造部１６の端面の厚さ方向の像を結像光学系４の開口絞り４１の位置にその大きさの範囲内で拡大投影するためのシリンドリカルレンズ３３とを組み合わせて使用していることから、各ＬＥＤ素子１からその発光層１２と直交する方向に大きな角度で発散する光は、シリンドリカルレンズ３３を介して結像光学系４に効率的に入射する。そして、結像光学系４に入射した光は、記録ドラム７に巻回された感光材料６上に縮小投影される。このため、光の効率を低下させることなく高い解像度で画像を記録することが可能となる。
【００３８】
しかも、半導体積層構造部１６のシリンドリカルレンズ３３に対する位置精度が高精度であるので、各ＬＥＤ素子１の半導体積層構造部１６の像を開口絞り４１に正確に投影することができる。
【００３９】
このとき、結像光学系４が両側テレセントリック光学系から構成されていることから、その焦点深度を深くすることができる。従って、感光材料６における結像光学系４の光軸方向の位置が多少変化しても、高精度に画像を記録することが可能となる。
【００４０】
さらに、各配線基板３２上に列設された複数のＬＥＤ素子１から発散する光を、単一のシリンドリカルレンズ３３を利用して集光する構成であることから、複数のＬＥＤ素子１から発散する光を集光するために必要な構成を簡略化し、部品点数を削減することが可能となる。
【００４１】
次に、この発明の他の実施形態について説明する。図８は、この発明の第２実施形態により、ＬＥＤ素子１を配線基板３２の先端部に取り付けた状態を拡大して示す断面図である。
【００４２】
上述した第１実施形態においては、アノード１３が平面視において発光層１２を含む半導体積層構造部１６より小さくなっており、半導体素子１は、アノード１３が凹部１７内に収納され、半導体積層構造部１６が配線基板３２の表面に当接する状態で配線基板３２に固定される。一方、この実施形態においては、アノード１３と発光層１２を含む半導体積層構造部１６とが、平面視において同一の大きさとなっている。そして、この第２実施形態においては、半導体素子１は、アノード１３が配線基板３２の表面に当接する状態で配線基板３２に固定される。
【００４３】
このような構成を採用した場合においては、アノード１３の厚みの公差がＬＥＤ素子１における発光層１２の位置精度に影響を与えることにはなるが、アノード１３の厚みの公差は比較的小さいことから、配線基板３２の表面を精度よく平滑に加工しておくことで、ＬＥＤ素子１における発光層１２の位置精度を高精度なものとすることができる。また、凹部１７内に銀ペースト１８を収納し得ることから、銀ペースト１８の漏れによる漏電等の問題の発生を未然に防止することが可能となる。
【００４４】
次に、この発明のさらに他の実施形態について説明する。図９は、この発明の第３実施形態により、ＬＥＤ素子１を配線基板３２の先端部に取り付けた状態を拡大して示す断面図である。
【００４５】
この実施形態においては、上述した第１実施形態同様、アノード１３が平面視において発光層１２を含む半導体積層構造部１６より小さくなっている。但し、この第３実施形態においては、配線基板３２に凹部は形成されておらず、半導体素子１は、アノード１３が配線基板３２の表面に当接する状態で配線基板３２に固定される。また、銀ペースト１８が、半導体積層構造部１６と配線基板３２との間の領域に配設される。
【００４６】
このような構成を採用した場合においても、アノード１３の厚みの公差がＬＥＤ素子１における発光層１２の位置精度に影響を与えることにはなるが、アノード１３の厚みの公差は比較的小さいことから、配線基板３２の表面を精度よく平滑に加工しておくことで、ＬＥＤ素子１における発光層１２の位置精度を高精度なものとすることができる。
【００４７】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、半導体積層部側を配線基板に向けた状態で発光層の長手方向に列設された複数のＬＥＤ素子と、ＬＥＤ素子における発光層を含む光出射部から発散する光を集光するコレクターレンズとを備えたことから、ＬＥＤ素子からの光を効率的に利用しながら、発光層を正確に位置決めすることができ、高い精度で画像を記録することが可能となる。
【００４８】
請求項２に記載の発明によれば、ＬＥＤ素子が、電極が配線基板に形成された凹部に収納され、半導体積層構造部が配線基板の表面に当接する状態で前記配線基板に固定されることから、発光層をさらに正確に位置決めすることができ、より高い精度で画像を記録することが可能となる。
【００４９】
請求項３に記載の発明によればシリコンカーバイトより構成され厚みの公差が大きい結晶基板を有するＬＥＤ素子を使用する場合においても、発光層を正確に位置決めすることが可能となる。
【００５０】
請求項４に記載の発明によればＬＥＤ素子における発光層を含む光出射部の長手方向の像を画像記録面上に縮小投影する結像光学系を備えるとともに、コレクターレンズがＬＥＤ素子における発光層を含む光出射部の厚さ方向の像を結像光学系の瞳面上に投影するアナモルフィックレンズから構成されることから、光学系における効率を高めながら、光学系における効率を低下させることなく高い解像度で画像を記録することが可能となる。
【００５１】
請求項５に記載の発明によれば、結像光学系は両側テレセントリック光学系から構成されており、アナモルフィクレンズはＬＥＤ素子における発光層を含む光出射部の端面の厚さ方向の像を両側テレセントリック光学系の開口絞りの位置に投影することから、その焦点深度を深くすることができ、記録位置の微小な変動にかかわらず、高精度に画像を記録することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】画像記録装置の斜視図である。
【図２】光源ユニット３の斜視図である。
【図３】光源ユニット３の正面図である。
【図４】ＬＥＤ素子１を配線基板３２の先端部に取り付ける状態を模式的に示す説明図である。
【図５】ＬＥＤ素子１を配線基板３２の先端部に取り付けた状態を拡大して示す断面図である。
【図６】結像光学系４をＬＥＤ素子１およびシリンドリカルレンズ３３とともに示す平面図である。
【図７】結像光学系４をＬＥＤ素子１およびシリンドリカルレンズ３３とともに示す側面図である。
【図８】第２実施形態によりＬＥＤ素子１を配線基板３２の先端部に取り付けた状態を拡大して示す断面図である。
【図９】第３実施形態によりＬＥＤ素子１を配線基板３２の先端部に取り付けた状態を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
１ ＬＥＤ素子
３ 光源ユニット
４ 結像光学系
５ 記録ヘッド
６ 感光材料
７ 記録ドラム
１１ 結晶基板
１２ 発光層
１３ アノード
１４ カソード
１６ 半導体積層構造部
１７ 凹部
１８ 銀ペースト
３２ 配線基板
３３ シリンドリカルレンズ
３４ ボンディングワイヤー
３５ 導電パターン
３６ 櫛歯状位置決め部材
３７ 凹部
３８ フィールドレンズ
３９ 対物レンズ
４１ 開口絞り
４２ 結像レンズ
Claims (5)
- ＬＥＤ素子における発光層の端面から出射される光を利用して画像を記録する画像記録装置において、
配線基板と、
発光層を含む半導体積層構造部と結晶基板とが形成され、前記半導体積層部側を前記配線基板に向けた状態で、前記発光層の長手方向に向けて列設された複数のＬＥＤ素子と、
前記ＬＥＤ素子における発光層を含む光出射部から発散する光を集光するコレクターレンズと、
を備えたことを特徴とする画像記録装置。 - 請求項１に記載の画像記録装置において、
前記ＬＥＤ素子は、前記半導体積層構造部における前記結晶基板とは逆側の表面に、平面視において前記半導体積層構造部より小さな電極を備えるとともに、
前記配線基板には、前記電極を収納可能な凹部が形成され、
前記ＬＥＤ素子は、前記電極が前記凹部に収納され、前記半導体積層構造部が前記配線基板の表面に当接する状態で、前記配線基板に固定される画像記録装置。 - 請求項２に記載の画像記録装置において、
前記結晶基板は、シリコンカーバイトより構成される画像記録装置。 - 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の画像記録装置において、
前記ＬＥＤ素子における発光層を含む光出射部の長手方向の像を画像記録面上に縮小投影する結像光学系を備えるとともに、
前記コレクターレンズは、その母線が前記ＬＥＤ素子における発光層の長手方向と平行な方向に配設され、前記ＬＥＤ素子における発光層を含む光出射部の厚さ方向の像を前記結像光学系の瞳面上に投影するアナモルフィックレンズから構成される画像記録装置。 - 請求項４に記載の画像記録装置において、
前記結像光学系は両側テレセントリック光学系から構成されており、前記アナモルフィクレンズは前記ＬＥＤ素子における発光層を含む光出射部の端面の厚さ方向の像を、前記両側テレセントリック光学系の開口絞りの位置に投影する画像記録装置。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112740103A (zh) * | 2018-09-13 | 2021-04-30 | 富士胶片株式会社 | 带打印机的照相机 |
-
2003
- 2003-02-03 JP JP2003025374A patent/JP2004230861A/ja active Pending
Cited By (2)
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