JP3952221B2 - 光制御フィルムを有するプリントバー組立体及びプリンタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、像形成システムに関し、特に発光素子および勾配屈折率レンズからなるＬＥＤプリントバーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
束状の勾配屈折率光ファイバすなわちロッドからなる光送信機がこの技術分野において知られている。例えば、北野一郎等による1972年４月25日に発行された米国特許第 3,658,407号 “Image Transmitter Formed of a Plurality of Graded Index Figers in Bundled Configuration"が、中央部から放物面外方に変化する横断面の屈折率分布を有するガラス又は合成樹脂で生成される光導電性ロッドについて開示する。このロッドは、一端で導かれた光を集束するレンズとして機能する。このようなレンズは、日本シートガラス会社の商標名「ＳＥＬＦＯＣ」という名で製造される。
勾配屈折率レンズアレイは、原稿像形成システムにおいて有用である。例えば、それらは、ＬＥＤプリントバーを用いる静電写真プリンタの像形成システムにおいてよく利用される。この用途において、勾配屈折率レンズは、光素子からの光を感光体表面上の光スポットに集束するように、ＬＥＤプリントバーの光素子と感光体表面の間に配置される。
【０００３】
多くの像形成に際して、勾配屈折率レンズが適切な焦点深度を有することが重要である。そうでない場合には、勾配屈折率レンズの相対的位置およびレンズ表面の小さなずれが、像点で比較的大きな物体のずれを生じる。実際に、勾配屈折率レンズアレイの焦点深度が、放射効率要求を満たしながら、できるかぎり大きくされるのが通常は望ましい。
図１は、いくつかの重要な概念を説明するために用いられる。例示する従来のレンズＬ１は、射出瞳の径Ｄ₁ 、焦点距離ＦＬ、および焦点深度ＤＯＦを有する。レンズＬ１のf/♯は、焦点距離ＦＬを射出瞳の径で割ったもの、すなわち、
f/♯＝ＦＬ÷Ｄ₁ である。
よく知られるように、従来のレンズの焦点深度は、その相対的な開口（すなわちf/♯）を大きくすることによって、大きくされる。焦点深度を大きくすることによって、放射効率が下がることはよく知られている。２つの関係が、従来のレンズに対する焦点深度の増加と、放射効率の減少のトレードオフを説明する。第１に、放射効率が、（f/♯）² に反比例する。次に、焦点深度が、f/♯に直接比例する。例えば、図２のレンズＬ２が、より小さい射出瞳の径Ｄ₂ を有するために、レンズＬ２の焦点深度（ＤＯＦ’）が、レンズＬ１の焦点深度よりも大きくなる。レンズＬ１とＬ２の焦点距離（ＦＬ）が同じ場合であっても、このことは真である。しかしながら、放射効率が（f/♯）² ＝（Ｄ／ＦＬ）² に等しいため、レンズＬ２に対する放射効率は、レンズＬ１の放射効率よりも悪くなる。簡単に言うと、レンズの焦点深度は、相対的な開口を小さくすることによって大きくできるが、その代償として放射効率が悪くなる。同様に、放射効率が上がると、焦点深度が小さくなる。
【０００４】
しかしながら、勾配屈折率レンズに対して、放射効率が（ｎ₀ √Ａ×Ｒ）² に比例することが示される。ここで、ｎ₀ は光学ロッドの軸屈折率、√Ａはレンズの勾配屈折率による定数、Ｒはロッドの半径である。さらに、勾配屈折率レンズの焦点深度は、ｎ₀ √Ａ×Ｒに反比例する。
像形成の用途に現在利用されている勾配屈折率レンズが、通常は非対称でほぼ楕円形のスポットを形成するという事実が、本発明にとって重要である。通常は、スポットの長い軸が、処理方向に交差する方向に整列される（像形成面は、処理方向に動く）。
【０００５】
1995年９月12日に James D.Rees に与えられた米国特許第 5,450,157号 “Imaging System Using A Gradient Index Lens Array With Improved Depth of Focus"が、改良した勾配屈折率レンズを用いる像形成システムについて教示する。これらの改良したレンズは、レンズの射出瞳が対称的になり、ｎ₀ √Ａ×Ｒの値が小さくなって放射効率を実現するように、構成された。米国特許第 5,450,157号で教示されたレンズは有益であるが、実際の場合にこれらは最適ではない。この特許で教示された勾配屈折率レンズは特別に形成されなければならないため、このことは事実である。
このため、許容できる放射効率を維持しながら、共通の像形成勾配屈折率レンズの焦点深度を大きくする技術は有益である。
【０００６】
【発明の概要】
本発明は、改良した勾配屈折率レンズ組立体を提供する。この組立体は、物体平面から焦点面に光を集束する非対称勾配屈折率レンズアレイと、物体平面と勾配屈折率レンズの間に挿入される光制御フィルムを備える。光制御フィルムは、カットオフ角より大きい角度で入射する光を阻止するマイクロルーバを備える。光が勾配屈折率レンズに入射できる限定された角度は、そのレンズの効率的な焦点深度を大きくする。光制御フィルムは、勾配屈折率レンズアレイ上に直接置かれるのが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図面において、同じ符号は同様のエレメントを示す。また、本明細書では図面に関連する方向的な表示（例えば、右、左、頂部、底部等）を使用する。これらの方向的な表示は本発明の理解を助けることを意味するのであって、本発明を限定するものではない。
本発明を理解するためには、まず図３に示した従来技術のＬＥＤプリントバー１０を理解するのがよい。示されるように、プリントバー１０が、頂面１４を有する（一般的にロッドの形態の）勾配屈折率レンズ１２アレイを備える。例示のために、レンズは、0.72％の放射効率とf/2.8 のf/♯を有する市販されているＳＬＡ９ＳＥＬＦＯＣレンズである。勾配屈折率レンズは、同じ光学特性を有する同一のロッドを備える。しかしながら、前述のように、勾配屈折率レンズの効率的な射出開口（すなわち射出瞳）は、通常は非対称であり、アレイ（Ｘ）方向の方が、アレイに交差する（Ｙ）方向よりもかなり大きい。レンズ１２の射出開口が、Ｙ方向よりもＸ方向の方が大きいことを理解すべきである。
【０００８】
物体平面１８に位置する複数のＬＥＤ発光素子１６が、レンズ１２の上部に示されている。実際は、レンズよりも、もっと多くの発光素子がある。発光素子、図では発光するただ１つの発光素子からの光２０が、１つ以上のレンズ１２を通過し、像面２２に集束される。レンズ１２が非反転像を形成するために、ＯＮ発光素子からの光が像面にスポットを形成する。物体平面１８中の点から発散する光に対する像面２２中の点の総露出量は、各ロッドの露出値を累積したものである。
前述のように、勾配屈折率レンズアレイの放射効率および焦点深度は、両方とも積ｎ₀ √Ａ×Ｒに関係するものであり、この積は通常はその軸に依存する。しかしながら、従来の光学レンズ（図１および２参照）とは異なり、非対称勾配屈折率レンズの効率的な焦点深度は、効率的な放射効率を維持しながら大きくすることができる。この所望の結果を実現する装置が図４に示される。
【０００９】
図４は、発光素子１６と勾配屈折率レンズ１２の間に光制御フィルム３２を挿入することを除いては、ＬＥＤプリントバー１０と似たＬＥＤプリントバー３０を示す。光制御フィルムが、（図３に示される）頂部表面１４上に位置するのが好ましい（すなわち頂部表面１４は、図４の光制御フィルムの下方にあると理解される）。
光制御フィルムは、３Ｍにより作られる Industrial Optics Light Control Filmsの１つ又はそれに近似したものであるのが好ましい。これらのフィルムは、非常に接近した黒色マイクロルーバを有する薄プラスチックフィルムである。これらのフィルムは、小さいベネチアンブラインドをシミュレートしたものであり、望ましくない角度からの光を阻止する。図５は光制御フィルム３２を図式的に示す。示されるように、光制御フィルムは、Ｙ方向にわたる複数のマイクロルーバ４０を備える。光制御フィルム３２は図４に示されるように挿入され、マイクロルーバが、像面２２中に光像を形成するために使用するレンズの数を制限するように作動する。このことは、効率的なレンズの開口を減らすように作用し、Ｘ方向の焦点深度を改良する。Ｘ方向の焦点深度をかなり大きくすることが、別の処理方向の像形成特性を事実上変えることなく実現できることを検査が示す。
【００１０】
ＬＥＤプリントバー３０が、多くの用途において用いられる。例えば、図６は、ＬＥＤプリントバー３０を利用する単一パスの４色電子写真プリンティング装置１００を図式的に示す。例示したプリンティング装置は、４つの露光ステーション１０２、１０４、１０６および１０８と、感光性面１１２を有するベルト１１０と、コントローラ１１４を有する。各露光ステーションは、図４に示され且つ上述されたＬＥＤプリントバー３０を備える。プリントバー３０のＬＥＤアレイが、ＬＥＤアレイ１０２Ａ、１０４Ａ、１０６Ａおよび１０８Ａとして図６に示されており、勾配屈折率レンズ１２および光制御フィルム２０が、レンズアレイ１０２Ｂ、１０４Ｂ、１０６Ｂおよび１０８Ｂとして図６に示されている。ＬＥＤプリントバーが、感光性面上に所望の潜像を形成するように、コントローラ１１４からのプリントバー駆動信号に従って、感光性面１１２上を選択的に露光する。各露光ステーションは、異なるカラーのトナーに対して潜像を形成する。例えば、露光ステーション１０２は、ブラックトナーに対する潜像を形成し、露光ステーション１０４は、シアントナーに対する潜像を形成し、露光ステーション１０６は、イエロートナーに対する潜像を形成し、露光ステーション１０８は、マゼンタトナーに対する潜像を形成する。
【００１１】
ベルト１１０は、整数倍の全面の潜像領域を受け入れるように設計される。像領域は、現像された像を形成するように、様々なプロセスステーションにより作動されるベルトの部分である。動作中、ベルトは矢１１５の方向に動き、ベルトが動くときに、ベルト１１０の表面位置がおよそ２５μｍの範囲内で制御される。ベルトの動きは、ベルトを駆動ローラ１１６と２つのテンションローラ１１８および１２０の周りに掛けることによって達成され、それから駆動モータ１２２を介して駆動ローラを回転する。
各露光ステーションの上流には、帯電装置１３０、１３２、１３４および１３６がある。これらの帯電装置は、感光性面１１２の像領域上に所定の電荷を付与する。ベルトが回転するとき、各像領域は、帯電装置を通過して、次の下流の露光ステーションに動く。前述のように、プリントバーは、プリントバー駆動信号に従って感光性面を露光する。これらのプリントバー駆動信号は、入力ビデオ像信号に応答してコントローラ１１４により形成される。入力ビデオ像信号は、ラスタ入力スキャナ、コンピュータ又はファックス装置を含む多くのソースからのものであってよい。像領域の前縁が横断露光開始位置に到達するとき、プリントバー駆動信号がまず同期される。プリントバー駆動信号が、単一カラーの複数の密接した横断走査線に対する露光パターンを表す。感光性面が動くとき、新しい横断走査線用のプリントバー駆動信号がＬＥＤプリントバーに与えられ、新しい走査線が感光性面上に像形成される。
【００１２】
各露光ステーションの下流には、現像ステーション１４０、１４２、１４４および１４６がある。これらの現像ステーションは、前に現像された像を乱すことなく、隣接する上流の露光ステーションにより形成された潜像を現像する。現像されたトナー像は、転写ステーション１５２内でベルト１１０から出力シート１５４上に重ね合わされて順に転写されていく。最後のトナー層が出力シート上に転写された後、合成トナー像が定着器１５８により定着される。感光体が転写ステーション１５２を通過した後、像領域は、クリーニングステーション１６０で余分なトナーおよび別の屑を取り除かれる。像領域は、別の潜像を形成する準備をする。
図面および上述の説明は本発明を例示するものであって、これらは単なる例示に過ぎないことを理解されたい。当業者であれば、本発明の原理の範囲内の多くの変更および修正について認識するであろう。従って、本発明は、特許請求の範囲の記載にのみ基づいて限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のレンズＬ１であって、そのレンズの開口、焦点距離、および焦点深度の関係について示す。
【図２】従来のレンズＬ２であって、そのレンズの開口、焦点距離、および焦点深度の関係について示す。
【図３】従来の勾配レンズアレイを有するＬＥＤプリントバーを図式的に示す。
【図４】本発明の原理に従ったＬＥＤプリントバーを図式的に示す。
【図５】光制御フィルムの部分を図式的に示す。
【図６】本発明の原理を組み込んだ、単一パス４色電子写真プリンティング装置を図式的に示す。

Claims (3)

1. プリントバー組立体であって、
   第１の軸に整列した各々が光を発する複数の発光源と、
   前記複数の発光源から像面に発せられた各々の光をそれぞれ集束する勾配屈折率レンズアレイであって、前記第１の軸の方向が長い楕円形のスポットを形成する前記勾配屈折率レンズアレイと、
   前記第１の軸の方向の焦点深度を大きくするための、前記第１の軸と直交する第２の軸にわたる複数のマイクロルーバを備えた光制御フィルムであって、前記集束される角度を、前記マイクロルーバが制限するように配置された前記光制御フィルムとを有し、
   前記光制御フィルムは、前記複数の発光源と前記勾配屈折率レンズアレイの間に挿入されていることを特徴とするプリントバー組立体。
2. プリンタであって、
   感光性面と、
   前記感光性面を所定の電位に帯電する帯電ステーションと、
   第１の軸に整列した各々が光を発する複数の発光源と、
   前記複数の発光源より発せられた各々の光を受け取り、受け取った前記各々の光を、潜像が形成される帯電した感光性面上にそれぞれ集束する複数の勾配屈折率レンズであって、前記第１の軸の方向が長い楕円形のスポットを形成する前記複数の勾配屈折率レンズと、
   前記第１の軸の方向の焦点深度を大きくするための、前記第１の軸と直交する第２の軸にわたる複数のマイクロルーバを備えた光制御フィルムであって、前記集束される角度を、前記マイクロルーバが制限するように配置された前記光制御フィルムと、
   トナー像を形成するように、第１現像材料を潜像上に堆積する第１現像ステーションと、
   トナー像を基層上に定着する定着ステーションと、
   余分なトナーを感光性面から取り除くクリーニングステーションとを有し、
   前記光制御フィルムは、前記複数の発光源と前記複数の勾配屈折率レンズの間に挿入されていることを特徴とするプリンタ。
3. カラープリンタであって、
   感光性面と、
   前記感光性面を所定の電位に帯電する少なくとも１つの帯電ステーションと、
   第１の軸に整列した各々が光を発する複数の発光源からなる第１発光素子アレイと、
   前記第１発光素子アレイより発せられた各々の光を受け取り、受け取った前記各々の光を前記感光性面上にそれぞれ集束して第１潜像を形成する複数の勾配屈折率レンズであって、前記第１の軸の方向が長い楕円形のスポットを形成する前記複数の勾配屈折率レンズを備えた第１レンズアレイと、
   前記第１の軸の方向の焦点深度を大きくするための、前記第１の軸と直交する第２の軸にわたる複数のマイクロルーバを備えた第１光制御フィルムであって、前記集束される角度を、前記マイクロルーバが制限するように配置された前記第１光制御フィルムと、
   第１現像材料を第１潜像上に堆積する第１現像ステーションと、
   第１の軸に整列した各々が光を発する複数の発光源からなる第２発光素子アレイと、
   前記第２発光素子アレイより発せられた各々の光を受け取り、受け取った前記各々の光を前記感光性面上にそれぞれ集束して第２潜像を形成する複数の勾配屈折率レンズであって、前記第１の軸の方向が長い楕円形のスポットを形成する前記複数の勾配屈折率レンズを備えた第２レンズアレイと、
   前記第１の軸の方向の焦点深度を大きくするための、前記第１の軸と直交する第２の軸にわたる複数のマイクロルーバを備えた第２光制御フィルムであって、前記集束される角度を、前記マイクロルーバが制限するように配置された前記第２光制御フィルムと、
   第２現像材料を第２潜像上に堆積する第２現像ステーションと、
   第１トナー像と第２トナー像を基層上に定着する定着ステーションと、
   余分なトナーを感光性面から取り除くクリーニングステーションとを有し、
   前記第１光制御フィルムは、前記第１発光素子アレイと前記第１レンズアレイの間に挿入され、前記第２光制御フィルムは、前記第２発光素子アレイと前記第２レンズアレイの間に挿入されていることを特徴とするカラープリンタ。

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