JP3798573B2 - 画像記録装置 - Google Patents
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Description
【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。
【0003】
図13はこのようなLED素子2の斜視図である。
【0004】
このLED素子2は、基板21の表面上に発光層(活性層)22を含む形で半導体の層を複数重ね合わせた半導体積層構造部26を形成しており、この半導体積層構造部26の最上面に形成されたP電極23と、基板21の裏面側に形成されたN電極24とを備える。このLED素子2においては、基板21に対して互いに逆側に形成されたP電極23とN電極24との間に電流を流すことにより、半導体積層構造部26の表面25または端面27から光が出射する構成となっている。
【0005】
そして、特開昭61−294880号公報においては、光の均一性や輝度が高い半導体積層構造部26の端面27からの光を利用するため、このLED素子2における半導体積層構造部26の端面27を結像光学系等の光学系に向けて配置する構成が開示されている。
【0006】
一方、近年、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素子や、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素子等が開発されている(例えば、特開平4−10666号公報または特開平8−316528号公報)。
【0007】
図11はこれらのガリウムナイトライドまたはインジウムガリウムナイトライドLED素子1(以下、これらを総称して「GaN系LED素子1」という)の斜視図である。また、図12はGaN系LED素子1の三面図であり、図12(a)はその平面図、図12(b)はその正面図、また、図12(c)はその右側面図である。
【0008】
このGaN系LED素子1は、基板11の表面上に形成された発光層(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P電極13と、半導体積層構造部16の一部をエッチングによって削ったその上面に形成されたN電極14とを備える。そして、このLED素子1においては、P電極13とN電極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15または端面17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。
【0009】
このようなGaN系LED素子1は、例えば緑乃至青色の波長域において高輝度の光を出射することから、このGaN系LED素子1を有効に利用した画像記録装置の開発が要請されている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようなGaN系LED素子1においては、P電極13とN電極14とが基板11に対して同一側に形成されていることから、半導体積層構造部16の表面15から出射される光がこれらのP電極13およびN電極14によって遮られることになり、半導体積層構造部16の表面15から出射する光の輝度が低く、また、半導体積層構造部16の表面15における光出射領域の形状も略8の字状の形状になってしまうという特性を有する。
【0011】
このため、このようなGaN系LED素子1を使用する場合においても、GaN系LED素子1における半導体積層構造部16の端面17を結像光学系等の光学系に向けて配置することにより、半導体積層構造部16の端面17から出射する光を利用して画像を記録することが好ましい。
【0012】
ところで、LED素子2における半導体積層構造部26やGaN系LED素子1における半導体積層構造部16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。従って、画像を高い解像度で記録するためには、結像光学系を利用してLED素子2における半導体積層構造部26やGaN系LED素子1における半導体積層構造部16の像を記録面上に縮小投影することが好ましい。
【0013】
しかしながら、LED素子2における半導体積層構造部26やGaN系LED素子1における半導体積層構造部16から出射される光は拡散光であることから、NA(開口数)を一定とした場合においては、結像光学系による効率はその縮小倍率の2乗に比例することになる。すなわち、倍率βを[1/10]とした場合においては、記録面上に到達する光の放射束は[1/100]になってしまうことになる。
【0014】
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、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できる画像記録装置を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、各々が別個の配線を通して流される電流により駆動される複数の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であって、前記LED素子は矩形状の基板と、当該基板上に形成された発光層を構成する矩形状の半導体積層構造部と、前記矩形状の半導体積層構造部の最上面に形成された第1電極と、前記半導体積層構造部の一部を削って形成された第2電極とを有し、前記半導体積層構造部の端面より光を出射するガリウムナイトライドLED素子またはインジウムガリウムナイトライドLED素子から構成され、前記複数の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それぞれの像を画像記録面上に縮小投影する両側テレセントリック光学系と、その母線が前記LED素子における発光層の端面の長手方向と平行な方向に、かつ、前記発光層の端面に対向して配設され、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、前記結像光学系の瞳の大きさの範囲内で拡大投影するアナモルフィックレンズとを備えたことを特徴とする。
【0016】
【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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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GaN系LED素子1と、これらのGaN系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、GaN系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。
【0020】
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。
【0021】
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GaN系LED素子1のピッチPの1/3の距離[P/3]だけ、GaN系LED素子1の列設方向(その発光層12の長手方向)に互いにずれた位置に配置されている。
【0022】
なお、GaN系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、GaN系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。
【0023】
各配線基板32の先端部に複数個列設されたGaN系LED素子1は、各々、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。すなわち、各GaN系LED素子1は、配線としてのボンディングワイヤー34および導電パターン35を介して、コネクタ31と電気的に接続されている。また、このコネクタ31は、図示を省略したGaN系LED素子1のドライバーと接続されている。
【0024】
各配線基板32の先端部に列設された複数個のGaN系LED素子1は、図11および図12に示す構成を有する。すなわち、これらのGaN系LED素子1は、上述したように、基板11の表面上に形成された発光層(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P電極13と、半導体積層構造部16の一部をエッチングによって削ったその上面に形成されたN電極14とを備える。そして、このLED素子1においては、P電極13とN電極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15または端面17から光が出射する構成となっている。
【0025】
このGaN系LED素子1においては、P電極13とN電極14とが基板11に対して同一側に形成されていることから、半導体積層構造部16の表面15から出射される光がこれらのP電極13およびN電極14によって遮られることになり、半導体積層構造部16の表面15から出射する光の輝度が低く、また、半導体積層構造部16の表面15における光出射領域の形状も略8の字状の形状となる。このため、このGaN系LED素子1においては、半導体積層構造部16の端面17から出射される光を有効に利用することが好ましい。
【0026】
このとき、このGaN系LED素子1においては、図12(c)に示すように、N電極14が半導体積層構造部16の一部を削ったその上面に形成されていることから、半導体積層構造部16の4方の端面17のうち2方の端面17から出射された光の一部は、N電極14により遮られる。また、半導体積層構造部16の4方の端面17のうち2方の端面17から出射された光の一部は、N電極14にワイヤーボンディングされたボンディングワイヤー34(図2参照)によっても遮られる。このため、このGaN系LED素子1における4方の端面17から出射する光のうち、図11および図12に示す矢印ア方向に出射する光は、図11および図12に示す矢印イ方向に出射される光よりもその光量が小さいことになる。
【0027】
このため、この光源ユニット3においては、図11および図12に示す矢印イ方向の光がシリンドリカルレンズ33に有効に入射するように、各GaN系LED素子1を、そのN電極14およびこのN電極14にワイヤーボンディングされたボンディングワイヤー34が、半導体積層構造部16とシリンドリカルレンズ33との間に配置されない方向に配置している。
【0028】
従って、図2に示す各配線基板32の先端部における複数個のGaN系LED素子1は、そのN電極14およびN電極14にワイヤーボンディングされたボンディングワイヤー34が半導体積層構造部16とシリンドリカルレンズ33との間に配置されない状態で、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、5個のGaN系LED素子1によるアレイを構成することになる。また、シリンドリカルレンズ33は、その母線(長軸)が発光層12の長手方向に対して平行であるように配置される。
【0029】
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GaN系LED素子1のピッチPの1/3の距離[P/3]だけ、GaN系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、15個のGaN系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。
【0030】
次に、上述した結像光学系4の構成について説明する。図4は結像光学系4をGaN系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5はその側面図である。なお、図4および図5においては、各配線基板32の先端部に列設された5個のGaN系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。
【0031】
この結像光学系4は、GaN系LED素子1における半導体積層構造部16の端面17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。
【0032】
図5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GaN系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GaN系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。
【0033】
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、GaN系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。
【0034】
一方、上述したシリンドリカルレンズ33は、GaN系LED素子1における半導体積層構造部16の端面17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。
【0035】
一般に、GaN系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、GaN系LED素子1における半導体積層構造部16の端面17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、GaN系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。
【0036】
なお、シリンドリカルレンズ33の拡大率を過度に大きくした場合には、GaN系LED素子1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。
【0037】
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GaN系LED素子1における半導体積層構造部16の端面17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。
【0038】
以上のような構成を有する光源ユニット3においては、GaN系LED素子1における半導体積層構造部16の端面17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、GaN系LED素子1における半導体積層構造部16の端面17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GaN系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。
【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】
また、この実施形態に係る光源ユニット3においては、各GaN系LED素子1を、そのN電極14およびこのN電極14にワイヤーボンディングされたボンディングワイヤー34が半導体積層構造部16とシリンドリカルレンズ33との間に配置されない方向に配置していることから、半導体積層構造部16における4方の端面17のうち輝度の高い端面17から出射された光を、有効に感光材料6に照射することが可能となる。
【0041】
さらに、各配線基板32上に列設された複数のGaN系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GaN系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。
【0042】
なお、上述した実施形態においては、テレセントリック光学系からなる結像光学系4を採用しているが、その他の結像光学系を使用するようにしてもよい。
【0043】
図6はこのような実施形態に係る結像光学系をGaN系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。
【0044】
この第2実施形態においては、GaN系LED素子1における半導体積層構造部16の端面17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結像光学系として、単一の結像レンズ42が使用されている。そして、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GaN系LED素子1から出射された光の主光線が結像レンズ42の瞳の位置に向かうように、各GaN系LED素子1が設置されている。
【0045】
このような構成を採用した場合においても、上述した第1実施形態の場合と同様、各GaN系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を介して結像レンズ42に効率的に入射する。そして、結像レンズ42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。
【0046】
また、上述した第1、第2実施形態においては、いずれも、光源ユニット3として、GaN系LED素子1を二次元に配置する場合について説明したが、GaN系LED素子1を、その発光層12の端面の長手方向、または、その発光層12の端面の長手方向と直交する方向のいずれか一方にのみ列設する構成としてもよい。
【0047】
図8は、GaN系LED素子1を、その発光層12の端面の長手方向にのみ列設した光源ユニット3を示す斜視図である。
【0048】
この光源ユニット3は、単一の配線基板32の先端部に複数個列設されたGaN系LED素子1と、これらのGaN系LED素子1と対向する位置に配設された単一のシリンドリカルレンズ33とから構成される。
【0049】
なお、図8に示す光源ユニット3においても、第1実施形態に係る光源ユニット3と同様、図11および図12に示す矢印イ方向の光がシリンドリカルレンズ33に有効に入射するように、各GaN系LED素子1を、そのN電極14およびこのN電極14にワイヤーボンディングされたボンディングワイヤー34が、半導体積層構造部16とシリンドリカルレンズ33との間に配置されない方向に配置している。
【0050】
図9はGaN系LED素子1を、その発光層12の端面の長手方向と直交する方向にのみ列設した光源ユニット3を示す正面図であり、図10はその側面図である。
【0051】
この光源ユニット3は、配線基板32の先端部に配設された単一のGaN系LED素子1と、このGaN系LED素子1と対向する位置に配設されたシリンドリカルレンズ33とから構成されるユニットを、GaN系LED素子1における発光層12と直交する方向に5列配設した構成を有する。
【0052】
なお、図9および図10に示す光源ユニットにおいても、1実施形態に係る光源ユニット3と同様、左右一対の櫛歯状位置決め部材36を利用して、配線基板32を互いに等間隔離隔した平行な姿勢で精度よく位置決めするようにしてもよい。
【0053】
【発明の効果】
請求項1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端面の長手方向の像を画像記録面上に縮小投影する両側テレセントリック光学系と、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アナモルフィックレンズとを備えたことから、ガリウムナイトライドLED素子またはインジウムガリウムナイトライドLED素子を使用した場合においても、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。
【0054】
また、両側テレセントリック光学系により縮小投影を行うことから、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。
【0055】
また、アナモルフィックレンズがLED素子における光出射部の端面の厚さ方向の像を、結像光学系の瞳の大きさの範囲内で拡大投影することから、光学系における効率をより高め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】 結像光学系4をGaN系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5】 結像光学系4をGaN系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6】 他の実施形態に係る結像光学系をGaN系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】 他の実施形態に係る結像光学系をGaN系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】 他の実施形態に係る光源ユニット3の斜視図である。
【図9】 さらに他の実施形態に係る光源ユニット3の正面図である。
【図10】 さらに他の実施形態に係る光源ユニット3の側面図である。
【図11】 GaN系LED素子1の斜視図である。
【図12】 GaN系LED素子1の三面図である。
【図13】 LED素子2の斜視図である。
【符号の説明】
1 GaN系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 基板
12 発光層
13 P電極
14 N電極
15 表面
16 半導体積層構造部
17 端面
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 (1)
- 各々が別個の配線を通して流される電流により駆動される複数の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であって、
前記LED素子は矩形状の基板と、当該基板上に形成された発光層を構成する矩形状の半導体積層構造部と、前記矩形状の半導体積層構造部の最上面に形成された第1電極と、前記半導体積層構造部の一部を削って形成された第2電極とを有し、前記半導体積層構造部の端面より光を出射するガリウムナイトライドLED素子またはインジウムガリウムナイトライドLED素子から構成され、
前記複数の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それぞれの像を画像記録面上に縮小投影する両側テレセントリック光学系と、
その母線が前記LED素子における発光層の端面の長手方向と平行な方向に、かつ、前記発光層の端面に対向して配設され、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、前記結像光学系の瞳の大きさの範囲内で拡大投影するアナモルフィックレンズと、
を備えたことを特徴とする画像記録装置。
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