JP2005311269A

JP2005311269A - レンズ付き発光素子

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Publication number: JP2005311269A
Application number: JP2004166560A
Authority: JP
Inventors: Kenjiro Hamanaka; 賢二郎浜中; Takahiro Hashimoto; 隆寛橋本; Hideshi Nagata; 秀史永田; Seiji Ono; 誠治大野; Isao Muraguchi; 功村口; Nobuyuki Komaba; 信幸駒場
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2004-06-04
Publication date: 2005-11-04
Anticipated expiration: 2024-06-04
Also published as: JP4479357B2

Abstract

【課題】レンズ付き発光素子アレイの光利用効率を向上させる。
【解決手段】発光素子の略Ｕ字形の発光部２２に対して、その上に、複合レンズ３０を設ける。略Ｕ字形の発光部の発光強度の極大位置を結ぶと、折れ線３２が形成される。この折れ線３２の３つの線分の各両端に中心が位置する４つの球面レンズ４３，４４，４５，４６の一部分を設け、その中間部分に３つの各線分に平行な軸を有する３つのシリンドリカルレンズ４８，５０，５２の一部分を設け、それらを互いに隣接配置して複合レンズ３０が形成される。さらに、発光素子は、発光部を覆う反射防止膜を備え、複合レンズは反射防止膜表面に設けられる。
【選択図】図４

Description

本発明は、レンズ付き発光素子、特に光利用効率の向上に寄与するレンズ付き発光素子に関する。

光プリンタの書込みヘッドの光学系は、ＬＥＤアレイを構成する各ＬＥＤ素子の光点の像をレンズアレイにより感光ドラム上に結像させるように設計されている。レンズアレイには、屈折率分布型ロッドレンズアレイが用いられる場合が多い。

従来の光プリンタに用いられるＬＥＤアレイ，屈折率分布型ロッドレンズアレイ，感光ドラムの代表的な構成例を図１に示す。１０はＬＥＤ、１２はロッドレンズアレイ、１４は感光ドラムである。

レンズアレイ１２の実効的な口径角θが半角として１７〜２０゜であるのに対し、ＬＥＤ１０は基本的にランバーシアン分布で発光しており、光利用効率は極めて低い。ランバーシアン分布で発光しているＬＥＤの発光のうち、レンズアレイ１２を介して感光ドラム１４に伝達する光量は、およそ３〜５％に過ぎない。すなわち、ＬＥＤの発光量の９５〜９７％は利用できず、光利用効率が低いという問題があった。

光利用効率を高めるために、ＬＥＤ発光部の直上にマイクロレンズアレイを配置して、ＬＥＤ発光の指向性を少しでも狭めることによって、レンズアレイの口径角内に入射する光線を増やそうとすることが考えられる。しかしながら、一般に、光プリンタに使用されるＬＥＤアレイの発光部は、図２に示されるように、電極２０が発光部２２の領域に突き出て、中央付近を塞いでしまっており、その結果、図２に示されるように、発光部２２の領域の形状は略Ｕ字形の形状をしている。これを、図３に示すような一般的なマイクロレンズアレイ１８で指向性を狭めようとする場合、破線２４で示すレンズの光軸近傍の光線を利用するのが望ましいが、レンズの光軸近傍は、ちょうど電極２０の位置に対応してしまい、その結果、十分に光利用効率を向上できないという問題点がある。

マイクロレンズアレイを備えたＬＥＤアレイは、下記特許文献１，２，３に記載されているが、これら問題点は検討されておらず、したがってマイクロレンズの形状に関するものではない。

以上のような問題は、ＬＥＤのみならず、その他の発光素子にもあてはまることである。
特開平９−１０９４５５号公報特開２０００−３４７３１７号公報特開２００１−３６１４４号公報

本発明の目的は、レンズアレイを用いて感光ドラム上に発光素子アレイの発光部の像を結像させる、いわゆる光プリンタに使用する発光素子アレイの光利用効率を向上させることにある。

本発明の他の目的は、光利用効率を向上させたレンズ付き発光素子を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、光利用効率を向上させたレンズ付き発光素子アレイを提供することにある。

本発明のレンズ付き発光素子は、半導体基板上に発光部領域を有する発光素子と、前記発光部領域を覆う反射防止膜と、前記発光素子上の前記反射防止膜表面に設けられたレンズとを備えている。前記反射防止膜は単層膜であり、その屈折率は前記発光部領域の屈折率と前記レンズを構成する樹脂の屈折率との中間の値を有している。

なお、比較的屈折率の大きな樹脂を用いてレンズを形成すれば、発光部上に直接レンズを形成して使用することもできる。

本発明のレンズ付き発光素子のレンズは、単一の球面レンズではなく、複数の球面レンズ、または複数の球面レンズおよびシリンドリカルレンズを組合せた複合レンズである。

このような複合レンズの設計は、以下のようにして行う。

（１）発光素子の発光強度の極大位置を結ぶ曲線あるいは折れ線上にまたはその線に隣接した位置にレンズの中心が位置する複数の球面レンズの一部分を隣接配置した複合レンズ、または、その線に沿った軸を持った曲線状または折れ線状シリンドリカルレンズの一部分を隣接配置した複合レンズ、または、球面レンズの一部分およびシリンドリカルレンズの一部分を組合せた複合レンズである。

（２）発光素子の発光強度の極大位置を結ぶ曲線あるいは折れ線が、略Ｕ字形状である場合、略Ｕ字の３つの線分の各両端またはその近傍に球面レンズの一部分を設け、その中間部分にシリンドリカルレンズを設け、それらを互いに隣接配置した複合レンズである。なお、ここに略Ｕ字形状とは、発光素子の発光強度の極大位置を結ぶ曲線あるいは折れ線が、全体として略Ｕ字形をなしていることを単に表している。

（３）上記（２）と同様の発光素子の場合、略Ｕ字形状をなす３つの線分の中間位置近傍に中心が位置する３つの球面レンズの一部分を設け、それらを互いに隣接配置した複合レンズである。

したがって、本発明のレンズ付き発光素子は、発光部領域を有する発光素子と、前記発光素子上に設けられ、前記発光部領域での発光強度の極大位置を結ぶ線上にまたはその線に隣接した位置に、レンズの中心が位置する複数の球面レンズの一部分が隣接配置された、または前記線に沿った軸を有する複数のシリンドリカルレンズの一部分が隣接配置された、または前記球面レンズの一部分およびシリンドリカルレンズの一部分が隣接配置された複合レンズとを備えている。

前記発光部領域での発光強度の極大位置を結ぶ線が、３つの線分よりなる略Ｕ字形である場合には、前記複合レンズは、各線分の両端またはその近傍に中心が位置する４つの球面レンズの一部分と、各線分の中間部において、前記線に平行な軸を有する３つのシリンドリカルレンズの一部分とが隣接配置されている。

また、前記発光部領域での発光強度の極大位置を結ぶ線が、３つの線分よりなる略Ｕ字形である場合には、前記複合レンズは、各線分の中間位置近傍に中心が位置する３つの球面レンズの一部分が隣接配置されている。

本発明のレンズ付き発光素子によれば、反射防止膜を備えているので、光透過率は大きくなり、光の取り出し効率は増大する。また、レンズを複合レンズにすることにより、ランバーシアン分布で発光する光の利用効率を高めることができる。また、本発明のレンズアレイ付き発光素子アレイを用いることによって、発光光線を有効にロッドレンズに導くことができて、光利用効率を大幅に向上させることができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

本発明のレンズ付き発光素子は、図４（Ａ）に示すように、ＬＥＤの略Ｕ字形の発光部２２に対して、その上に、複合レンズ３０を設ける。

略Ｕ字形の発光部の発光強度の極大位置を結ぶと、折れ線３２が形成される。この折れ線３２の３つの線分の各両端またはその近傍に中心が位置する４つの球面レンズの一部分を設け、その中間部分に３つの各線分に平行な軸を有する３つのシリンドリカルレンズの一部分を設け、それらを互いに隣接配置して複合レンズ３０が形成される。

このような複合レンズの材料には、エポキシ系またはアクリル系の樹脂が用いられる。

図４（Ｂ）は、複合レンズ３０の構造を示す平面図である。図中、点３３，３４，３５，３６は、図４（Ａ）に示す略Ｕ字形折れ線３２の３つの線分３２ａ，３２ｂ，３２ｃの各両端を示す。複合レンズ３０は、点３３を中心とする球面レンズの一部分４３と、点３４を中心とする球面レンズの一部分４４と、点３５を中心とする球面レンズの一部分４５と、点３６を中心とする球面レンズの一部分４６とを有している。複合レンズ３０は、さらに、線分３２ａに平行な軸を有するシリンドリカルレンズ４８の一部分と、線分３２ｂに平行な軸を有するシリンドリカルレンズ５０の一部分と、線分３２ｃに平行な軸を有するシリンドリカルレンズ５２の一部分とを有している。これら４つの球面レンズの一部分と、３つのシリンドリカルレンズの一部分とは、図示のように隣接配置されている。

図４（Ｂ）には、複合レンズの形状を理解させるために、Ｘ−Ｘ′線断面図およびＹ−Ｙ′線断面図も示している。

このように複合レンズ３０は、略Ｕ字形発光部２２の各部に球面レンズの光軸中心、または、シリンドリカルレンズの軸を一致させ、その球面レンズの一部分と、シリンドリカルレンズとを複合した特殊な形状のレンズである。

このような、略Ｕ字形の発光部形状に合わせた複合レンズを用いることによって、略Ｕ字形発光部の各部分ごとに、複合レンズの各部分を用いて、発光光線を光軸方向、すなわち、ロッドレンズの方向に屈折させることができて、ロッドレンズの方向にランバーシアン発光の指向性を狭めることが可能になる。図５に、その様子を示す。

本実施例の複合レンズアレイ３０を用いて、ロッドレンズアレイ１２を介して感光ドラム１４上に形成した、ＬＥＤの画素像の光量分布を図６（Ａ）に示す。複合レンズのない場合の光量分布（図６（Ｂ））に対して、画素中心部分の光量の低部分が消失し、良好な分布となった。このときの光量を測定したところ、複合レンズのない場合に比べて、１．７倍の明るさとなった。

以上、本発明の実施例によって、本発明のレンズ付き発光素子の光利用効率向上効果が確認できた。

なお、本発明の複合レンズは、例えば、図７に示されるような、略Ｕ字形発光部２２の上に、各々中心を位置させた３つの球面レンズの一部分を、「三つ葉のクローバ」のような形状に組合せたような形状であっても、同様な効果が得られる。

このような複合レンズは、次のようにして設計される。略Ｕ字形のＬＥＤ発光部の発光強度の極大位置を結ぶと、折れ線３２が形成される。この折れ線３２の３つの線分の中間位置近傍に中心５３，５４，５６が位置する３つの球面レンズ６３，６４，６６の一部分を設け、それらを互いに隣接配置する。

一般に、光半導体素子の発光部の屈折率は３．２〜３．７であり、特にＬＥＤプリンタに使用されるＬＥＤのＧａＡｓ系半導体の屈折率は３．３〜３．６である。この半導体から発光する光をそのまま空気中に出すと、空気との界面での反射により光の取り出し効率が著しく減少する。また、複合レンズの樹脂の屈折率も半導体の屈折率に比べて一般に小さいので、半導体と樹脂の界面で反射が生じる。

本発明においては光の利用効率を高める目的で樹脂レンズを設けているので、界面の反射によって光の取り出し効率が減少しては、その効果が失われてしまう。そこで、樹脂レンズの屈折率を考慮し、光の取り出し効率が低下しないような手段を施す必要がある。本発明では、発光部と樹脂レンズとの界面での反射を小さくするため、発光部表面に透明誘電体よりなる反射防止膜を設ける。

図８は、このような反射防止膜を設けたレンズ付き発光素子の実施例の断面を示す。

ＬＥＤは、ＧａＡｓ基板９０上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層９１とｐ−ＡｌＧａＡｓ層９２とが成長され、ｐ側電極９３，ｎ側電極９４が形成されて構成されている。ＬＥＤの発光部表面上には、反射防止膜として屈折率が１．８〜２．１のＳｉＮ膜９５を１層形成し、さらに樹脂レンズ９６を形成した。

本実施例で用いたＡｌＧａＡｓ発光部の屈折率は３．５〜３．６であり、ＳｉＮ膜の屈折率は１．８〜２．１であり、樹脂レンズの屈折率は、１．４７〜１．７である。

ＡｌＧａＡｓ発光部の屈折率が３．５〜３．６の場合、発光波長７８０ｎｍに対する反射防止条件に対応するＳｉＮ膜の膜厚は、９６〜９９ｎｍ（または４７０〜４９０ｎｍ）である。このＳｉＮ膜の形成により、光透過率は９３％以上が得られた。このときの光量を測定したところ、レンズのない場合に比べて、２．２倍の明るさが得られた。

上記実施例においては、反射防止膜としてＳｉＮ膜を用いたが、これに限られない。屈折率が発光部の屈折率と樹脂レンズの屈折率の中間の値をもつ透明な材料であれば使用できる。また、反射防止膜は単層膜には限られず、複数の積層膜で構成してもよい。

また、比較的屈折率の大きな樹脂を用いてレンズを形成すれば、発光部からの発光を直接空気中に取り出す場合に比べて半導体表面での反射は小さくなる。したがって反射防止膜を設けず、発光部上に直接レンズを形成して使用することもできる。

実施例１では、発光素子アレイとして、ＬＥＤアレイの場合について説明した。

本実施例では、発光素子アレイとして、いわゆる「自己走査型発光素子アレイ」を用いた。この場合も、上記と同様の光利用効率向上効果が確認できた。

自己走査型発光素子アレイは、発光素子アレイの構成要素としてｐｎｐｎ構造を持つ発光サイリスタを用い、発光素子の自己走査が実現できるように構成したものであり、特開平１−２３８９６２号公報、特開平２−１４５８４号公報、特開平２−９２６５０号公報、特開平２−９２６５１号公報に開示されている。

また、特開平２−２６３６６８号には、転送素子アレイをシフト部として、発光部である発光素子アレイと分離した構造の自己走査型発光素子アレイが開示されている。

図９に、分離タイプの自己走査型発光素子アレイの等価回路図を示す。この自己走査型発光素子アレイは、転送用サイリスタＴ₁ ，Ｔ₂ ，Ｔ₃ ，…、書込み用発光サイリスタＬ₁ ，Ｌ₂ ，Ｌ₃ ，…からなる。シフト部の構成は、ダイオード接続を用いている。Ｖ_GKは電源（通常５Ｖ）であり、電源ライン７２から各負荷抵抗Ｒ_L を経て各転送用サイリスタのゲート電極Ｇ₁ ，Ｇ₂ ，Ｇ₃ ，…に接続されている。また、転送用サイリスタのゲート電極Ｇ₁ ，Ｇ₂ ，Ｇ₃ ，…は、書込み用発光サイリスタのゲート電極にも接続される。転送用サイリスタＴ₁ のゲート電極にはスタートパルスφ_S が加えられ、転送用サイリスタのアノード電極には、交互に転送用クロックパルスφ１，φ２が加えられる。これらクロックパルスは、クロックパルスライン７４，７６を経て供給される。書込み用発光サイリスタのアノード電極には、信号ライン７８を経て、書込み信号φ_I が加えられている。

図１０に、このような自己走査型発光素子アレイのチップ８０を示す。チップ両端にボンディングパッド８２が設けられ、発光用サイリスタの発光部（略Ｕ字形）８４がチップの縁部に沿って直線状に配列されている。なお、転送用サイリスタアレイは、図示を省略してある。

本発明は、以上のような自己走査型発光素子アレイの発光用サイリスタアレイに適用できる。複合レンズアレイを設けた発光用サイリスタアレイの一部拡大図を図１１に示す。この拡大部分は、図１０に点線で囲った部分に相当している。図１２に、図１１の側面を示す。

図１１および図１２から、発光用サイリスタの略Ｕ字形の発光部８４のアレイ上に、実施例１で説明した複合レンズ３０よりなるアレイが設けられていることがわかるであろう。

従来の光プリンタに用いられるＬＥＤアレイ，屈折率分布型ロッドレンズアレイ，感光ドラムの代表的な構成例を示す図である。発光部領域の形状を示す図である。従来のレンズ付きＬＥＤアレイを用いた場合の感光ドラムへの光線の状態を示す図である。本発明のレンズ付き発光素子の一実施例を示す図である。本発明のレンズ付きＬＥＤアレイを用いて、感光ドラム上に光を照射する様子を示す図である。複合レンズアレイを用いて、ロッドレンズを介して感光ドラム上に形成した、ＬＥＤの画素像の光量分布を示す図である。本発明のレンズ付き発光素子の他の実施例を示す図である。反射防止膜を形成したレンズ付き発光素子の断面図である。自己走査型発光素子アレイの等価回路を示す図である。自己走査型発光素子アレイのチップを示す図である。複合レンズアレイを設けた発光用サイリスタアレイの一部拡大図である。図１１の側面図である。

符号の説明

１０ＬＥＤ
１２ロッドレンズアレイ
１４感光ドラム
１８マイクロレンズアレイ
２０電極
２２発光部
３０複合レンズ
３２折れ線
４３，４４，４５，４６球面レンズの一部分
４８，５０，５２シリンドリカルレンズの一部分
７２電源ライン
７４，７６クロックパルスライン
７８信号ライン
８０チップ
８２ボンディングパッド
８４発光用サイリスタの発光部
９０ＡｌＧａＡｓ基板
９１ｎ−ＡｌＧａＡｓ層
９２ｐ−ＡｌＧａＡｓ層
９３ｐ側電極
９４ｎ側電極
９５ＳｉＮ膜

Claims

半導体基板上に発光部領域を有する発光素子と、
前記発光部領域を覆う反射防止膜と、
前記発光素子上の前記反射防止膜表面に設けられたレンズと、
を備えるレンズ付き発光素子。
前記レンズは、
前記発光素子上に設けられ、前記発光部領域での発光強度の極大位置を結ぶ線上にまたはその線に隣接した位置に、レンズの中心が位置する複数の球面レンズの一部分が隣接配置された、または前記線に沿った軸を有する複数のシリンドリカルレンズの一部分が隣接配置された、または前記球面レンズの一部分およびシリンドリカルレンズの一部分が隣接配置された複合レンズである、
請求項１に記載のレンズ付き発光素子。
前記発光部領域での発光強度の極大位置を結ぶ線が、３つの線分よりなる略Ｕ字形である場合に、
前記複合レンズは、各線分の両端またはその近傍に中心が位置する４つの球面レンズの一部分と、各線分の中間部において、前記線に平行な軸を有する３つのシリンドリカルレンズの一部分とが隣接配置されている、請求項２に記載のレンズ付き発光素子。
前記発光部領域での発光強度の極大位置を結ぶ線が、３つの線分よりなる略Ｕ字形である場合に、
前記複合レンズは、各線分の中間位置近傍に中心が位置する３つの球面レンズの一部分が隣接配置されている、請求項２に記載のレンズ付き発光素子。
前記複合レンズは樹脂よりなる、請求項２，３または４に記載のレンズ付き発光素子。
前記反射防止膜は単層膜であり、その屈折率は前記発光部領域の屈折率と前記レンズを構成する樹脂の屈折率との中間の値をもつ、請求項１〜５のいずれかに記載のレンズ付き発光素子。
前記反射防止膜は窒化シリコンよりなる、請求項１〜６のいずれかに記載のレンズ付き発光素子。
発光部領域を有する発光素子と、
前記発光素子上に設けられ、前記発光部領域での発光強度の極大位置を結ぶ線上にまたはその線に隣接した位置に、レンズの中心が位置する複数の球面レンズの一部分が隣接配置された、または前記線に沿った軸を有する複数のシリンドリカルレンズの一部分が隣接配置された、または前記球面レンズの一部分およびシリンドリカルレンズの一部分が隣接配置された複合レンズと、
を備えるレンズ付き発光素子。
前記発光部領域での発光強度の極大位置を結ぶ線が、３つの線分よりなる略Ｕ字形である場合に、
前記複合レンズは、各線分の両端またはその近傍に中心が位置する４つの球面レンズの一部分と、各線分の中間部において、前記線に平行な軸を有する３つのシリンドリカルレンズの一部分とが隣接配置されている、請求項８に記載のレンズ付き発光素子。
前記発光部領域での発光強度の極大位置を結ぶ線が、３つの線分よりなる略Ｕ字形である場合に、
前記複合レンズは、各線分の中間位置近傍に中心が位置する３つの球面レンズの一部分が隣接配置されている、請求項８に記載のレンズ付き発光素子。
前記複合レンズは樹脂よりなる、請求項８，９または１０に記載のレンズ付き発光素子。
請求項１〜１１のいずれかに記載のレンズ付き発光素子を複数個、直線状に配列したレンズ付き発光素子アレイ。
前記発光素子は発光ダイオードである、請求項１２に記載のレンズ付き発光素子アレイ。
前記発光素子は発光サイリスタである、請求項１２に記載のレンズ付き発光素子アレイ。
請求項１４に記載のレンズ付き発光素子アレイを含む、自己走査型発光素子アレイ。