JP4340551B2 - Light source unit, optical writing unit, and image forming apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、光源ユニット、光書込ユニットおよび画像形成装置に関するものである。 The present invention relates to a light source unit, an optical writing unit, and an image forming apparatus.
従来、電子写真プロセスを用い、光書込ユニットによって光のON/OFFで書込みデータを感光体表面に書き込んで静電潜像を形成し、現像、転写、定着といった工程により、記録紙上に画像を形成する画像形成装置が知られている。たとえば、この画像形成装置の光書込ユニットの方式がレーザであればレーザプリンタ、LED素子による方式であればLEDプリンタ、液晶シャッタであれば液晶プリンタと呼称され、さらにはこのようなデジタル光書込みによる画像形成装置は、デジタル複写機、デジタルファクシミリ装置としても提供されている。 Conventionally, an electrophotographic process is used to write write data on the surface of the photoconductor by turning on / off the light by an optical writing unit to form an electrostatic latent image, and an image is formed on the recording paper by processes such as development, transfer, and fixing. An image forming apparatus for forming is known. For example, if the optical writing unit system of this image forming apparatus is a laser, it is called a laser printer, if it is an LED element system, it is called an LED printer, and if it is a liquid crystal shutter, it is called a liquid crystal printer. Are also provided as digital copiers and digital facsimile machines.
これら各方式について説明する。すなわち、画像形成装置の露光部に用いられる光書込ユニットとしては、半導体レーザ等の光源から出射された光束を光偏向器(ポリゴンスキャナ)によって光走査し、走査結像レンズによって像担持体上に光スポットを形成する光走査方式や、LEDアレイや有機ELアレイ等の発光素子アレイから出射された光束を結像素子アレイによって像担持体上に光スポットを形成する固体光書込方式が、デジタル書込方式として知られている。 Each of these methods will be described. That is, as an optical writing unit used in an exposure unit of an image forming apparatus, a light beam emitted from a light source such as a semiconductor laser is optically scanned by an optical deflector (polygon scanner), and is scanned on an image carrier by a scanning imaging lens. An optical scanning method for forming a light spot on the surface, and a solid-state optical writing method for forming a light spot on an image carrier by an imaging element array using a light beam emitted from a light emitting element array such as an LED array or an organic EL array, This is known as a digital writing method.
近年、デジタル複写機、プリンタ、デジタルファクシミリといったデジタル画像出力機器では小型化の要求が強くなってきている。このため、光走査方式の光書込ユニットでは光路長が長くなり光書込ユニット自体が大きくなってしまうのに対し、固体光書込方式の光書込ユニットは光路長を非常に小さくすることができ、光書込ユニットをコンパクトに構成することができる。 In recent years, there has been a strong demand for downsizing digital image output devices such as digital copying machines, printers, and digital facsimiles. For this reason, in the optical scanning type optical writing unit, the optical path length becomes long and the optical writing unit itself becomes large, whereas in the solid optical writing type optical writing unit, the optical path length must be very small. The optical writing unit can be configured in a compact manner.
固体書込方式の光書込ユニットは、複数の発光素子を一列に並べた発光素子アレイと、発光素子からの出射光を像面上に結像するための結像光学系とで構成される。図9はロッドレンズアレイの構成を示し、図10はLEDアレイを組み合わせた光書込ユニットである。すなわち、基板11上にLED12、駆動ドライバ13を配列したLEDアレイ10上に、LED12からの光を結像面16に集光するようにロッドレンズアレイ15を配置する。
The solid writing type optical writing unit includes a light emitting element array in which a plurality of light emitting elements are arranged in a line, and an imaging optical system for imaging light emitted from the light emitting elements on an image plane. . FIG. 9 shows a configuration of the rod lens array, and FIG. 10 shows an optical writing unit in which an LED array is combined. That is, the
固体書込方式の光書込ユニットの発光素子アレイとしては、発光素子として発光ダイオード(LED)を所定のピッチで配列したLEDアレイが用いられている。図11、図12にその概略図を示す。LEDアレイ10は、同一基板11上に、数百程度のLED12を所定の間隔で配列するLEDアレイチップと、LED12の発光を制御する複数のICチップ等で構成される。ロッドレンズアレイ15は、図12に示すように、ロッドレンズ15a、側板15b、不透明部材15cで構成される。各LEDアレイチップは、隣り合うチップ端同士にあるLED12の間隔が、LEDアレイチップ内の所定の間隔と等しくなるように配列させる。たとえば、書込密度1200dpiのとき、LEDアレイチップ上はLEDが約21.2μmの間隔で並んでおり、LEDアレイチップ上に256個のLEDが配列しているとすれば、LEDアレイチップ約55個で、書き込み幅A4縦(297mm)を満足するLEDアレイを構成することができる。
As a light emitting element array of the solid writing type optical writing unit, an LED array in which light emitting diodes (LEDs) are arranged at a predetermined pitch as light emitting elements is used. 11 and 12 are schematic views. The
発光素子アレイには、LEDを用いた発光素子アレイ以外にも、有機EL等を発光素子に用いたELアレイ、半導体レーザを発光素子に用いたLDアレイなども知られている。 In addition to light emitting element arrays using LEDs, EL arrays using organic EL or the like as light emitting elements, and LD arrays using semiconductor lasers as light emitting elements are also known as light emitting element arrays.
固体光書込方式の光書込ユニットの結像光学系として、屈折率分布を有するロッドレンズを束ねたロッドレンズアレイが知られている。ロッドレンズアレイは、図12に示すようにロッドレンズを2列千鳥配列状に束ねたものが一般的であり、その周囲は側板で保持する構成である。また、ロッドレンズ間は不透明な部材を充填し硬化することで、ロッドレンズ間を漏れるフレア光を抑えている。 A rod lens array in which rod lenses having a refractive index distribution are bundled is known as an imaging optical system of a solid-state optical writing type optical writing unit. As shown in FIG. 12, the rod lens array generally has a configuration in which rod lenses are bundled in a two-row staggered arrangement, and the periphery thereof is held by a side plate. In addition, an opaque member is filled between the rod lenses and cured to suppress flare light leaking between the rod lenses.
また、ロッドレンズアレイ以外の固体光書込方式の結像光学系としてルーフプリズムレンズアレイがある。ルーフプリズムレンズアレイは、図13に示すように、複数のレンズ面を配列方向に一列に並んだ第1レンズアレイ部および第2レンズアレイ部と、この第1、第2レンズアレイの中間に図中には図示してはいないが、複数のルーフプリズムレンズが配列方向に一列に並んだルーフプリズム部21をリブ22を介して一体的に有するもので、第1レンズアレイ部の任意のレンズ中心と、ルーフプリズムアレイ部の任意のプリズム稜線、第2レンズアレイ部の任意のレンズ中心とは、配列方向と直交する同一直交方向面内に配置される。ルーフプリズムレンズアレイ20は一体で成形することができることから、ロッドレンズアレイのようにロッドレンズを束ねる工程がなく、ロッドレンズの倒れによる画像への悪影響がない結像光学系である。なお、図13における符号23は入射面、符号24は出射面である。
Further, there is a roof prism lens array as an imaging optical system of a solid optical writing system other than the rod lens array. As shown in FIG. 13, the roof prism lens array includes a first lens array unit and a second lens array unit in which a plurality of lens surfaces are arranged in a line in the arrangement direction, and a middle of the first and second lens arrays. Although not shown in the figure, a
いずれの結像光学系も、一つの光源からの出射光を複数のロッドレンズや、レンズ面で受け、相対する面から出射し像面上で再び一点に集める正立系等倍系の結像光学系である。 Each imaging optical system receives emanating light from a single light source with a plurality of rod lenses and lens surfaces, emanates from opposing surfaces, and collects them again at a single point on the image surface. It is an optical system.
ところで、近年、デジタル複写機、デジタルプリンタ等の高速化が望まれるようになり、光書込ユニットの発光光量の向上が必要となっている。発光光量の向上には、各発光素子に注入する電流を増やすことにより可能であるが、消費電力が増加してしまうことや、発熱量が上がってしまうことで発光光量が然程向上しないといったことが懸念される。そこで、注入電流を増やすことなく、光量を増やす方法としては、より明るい結像光学系を用いる第1の方法と、結像光学系が利用できる光量を増やすための補助的な光学系を付加する第2の方法との2通りの方法が考えられる。 By the way, in recent years, it has been desired to increase the speed of digital copying machines, digital printers, etc., and it is necessary to improve the light emission quantity of the optical writing unit. The amount of emitted light can be improved by increasing the current injected into each light emitting element. However, the amount of emitted light does not increase so much because the power consumption increases or the amount of heat generated increases. Is concerned. Therefore, as a method for increasing the amount of light without increasing the injection current, a first method using a brighter imaging optical system and an auxiliary optical system for increasing the amount of light that can be used by the imaging optical system are added. There are two possible methods, the second method.
上記第1の方法のように、現状の結像光学系よりも明るい結像光学系を用いた場合、結像光学系の共役長(発光素子から像担持体までの距離)が短くなる。このことにより、光書込ユニットと像担持体のレイアウトが難しくなる。また、たとえ共役長を短くすることなく明るく出来たとしても高画角の光を取り込むようになることから、デフォーカスの位置ずれ(光軸方向の位置ずれ)による像面上のビームスポット径のばらつきが大きくなる。これらのことから、明るい結像光学系を用いることは現状困難である。 When an imaging optical system brighter than the current imaging optical system is used as in the first method, the conjugate length (distance from the light emitting element to the image carrier) of the imaging optical system is shortened. This makes the layout of the optical writing unit and the image carrier difficult. In addition, even if it can be brightened without shortening the conjugate length, it captures light with a high angle of view, so that the beam spot diameter on the image plane due to defocus position shift (position shift in the optical axis direction) The variation becomes large. For these reasons, it is currently difficult to use a bright imaging optical system.
上記第2の方法では、従来の結像光学系のままで、発光素子にマイクロレンズを形成することで、発光素子からの出射光を集め、結像光学系が利用できる光量を増やすことができる(たとえば、特許文献1参照)。この方法であれば、従来の結像光学系を用いることができるため、上記のレイアウト上の問題はなく、また、マイクロレンズ自体は結像作用にほとんど寄与しないため、像面上のスポット径のばらつきにも影響は少ない。 In the second method, by forming a microlens on the light emitting element while maintaining the conventional imaging optical system, the light emitted from the light emitting element can be collected and the amount of light that can be used by the imaging optical system can be increased. (For example, refer to Patent Document 1). With this method, since the conventional imaging optical system can be used, there is no problem in the layout described above, and the microlens itself hardly contributes to the imaging action. There is little effect on variation.
また、マイクロレンズを一体で形成し、マイクロレンズ面の高さを高くしたものが開示されている(たとえば、特許文献2参照)。 In addition, a microlens is integrally formed to increase the height of the microlens surface (for example, see Patent Document 2).
しかしながら、上記特許文献1に示されるマイクロレンズにあっては、マイクロレンズとなる材料の表面張力による形成方法であるため、レンズの形状は球面となる。したがって、マイクロレンズの高さをマイクロレンズの底面よりも高くしようとした場合、マイクロレンズの頂点と発光面との中間に膨らんだ部分が形成される。このとき、発光面の大きさが十分小さく、かつ発光素子間が広い場合は問題ないが、これと反対の場合、隣接するマイクロレンズ同士がくっついてしまうという問題があり、結局のところマイクロレンズの半径よりも高くすることができないといった問題が発生する。確かに、発光素子の発光面の面積を小さくすれば、このようなマイクロレンズを形成することは可能ではあるが、発光面を小さくすると同等の電流では電流密度が上がってしまうため、発熱量の増大による発光量の低下や、過電流による破壊が問題になり、結局のところ暗い発光面として使用しなければならない。 However, since the microlens disclosed in Patent Document 1 is a formation method based on the surface tension of a material to be a microlens, the lens has a spherical shape. Therefore, when trying to make the height of the microlens higher than the bottom surface of the microlens, a swelled portion is formed between the apex of the microlens and the light emitting surface. At this time, there is no problem when the size of the light emitting surface is sufficiently small and the space between the light emitting elements is wide, but in the opposite case, there is a problem that adjacent microlenses stick to each other. The problem that it cannot be made higher than the radius occurs. Certainly, if the area of the light emitting surface of the light emitting element is reduced, it is possible to form such a microlens. However, if the light emitting surface is reduced, the current density increases at the same current. Decrease in the amount of light emission due to increase or destruction due to overcurrent becomes a problem, and eventually it must be used as a dark light emitting surface.
また、特許文献2によるマイクロレンズでは、上記のような問題はないが、本来であれば、発光面の直上のマイクロレンズを通った光のみを集光すべき位置に導くべきであるが、マイクロレンズが一体に形成されているため、対応していない別のマイクロレンズを通った余分な光が集光対象位置に入り込むことを完全に防止することができない。
Further, the microlens according to
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、発光素子の面積がある程度大きい場合であっても有効に明るさを向上させ、かつ不要な光の発生を抑制するマイクロレンズを提供することを第1の目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and provides a microlens that effectively improves brightness and suppresses the generation of unnecessary light even when the area of a light emitting element is large to some extent. Is the first purpose.
また、高密度および高速の光書込みが要求される固体光書込み方式の光書込みユニット、あるいは高密度の画像形成を行なう小型で高速の画像形成装置を提供することを第2の目的とする。 It is a second object of the present invention to provide a solid-state optical writing unit that requires high-density and high-speed optical writing, or a small and high-speed image forming apparatus that performs high-density image formation.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項1にかかる発明は、複数の発光素子を配列した発光素子アレイに、前記発光素子からの出射光を所定位置に集光させるマイクロレンズを、それぞれの前記発光素子上に直接形成した光源ユニットであって、前記マイクロレンズのレンズ頂点を含むレンズ中央の第1の領域では、レンズ面の曲率がレンズ頂点近傍の曲率と略等しく、前記第1の領域の周りの第2の領域では、レンズ面の曲率がレンズ頂点近傍の曲率とは異なり、前記第2の領域では、レンズ頂点を基準としレンズ頂点から発光素子へ向かう方向を上方とした前記マイクロレンズのレンズ面の高さが、レンズ頂点近傍の曲率で近似した高さよりもレンズ頂点から外周に向かうにしたがって高くなり、前記マイクロレンズの頂点から前記発光素子の発光面までの距離と前記マイクロレンズの底面の直径とが等しいことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the invention according to claim 1 is a microlens for condensing emitted light from the light emitting elements at a predetermined position on a light emitting element array in which a plurality of light emitting elements are arranged. Is a light source unit directly formed on each of the light emitting elements, and in the first region at the center of the lens including the lens apex of the microlens, the curvature of the lens surface is substantially equal to the curvature near the lens apex, In the second region around the first region, the curvature of the lens surface is different from the curvature in the vicinity of the lens apex, and in the second region, the direction from the lens apex to the light emitting element is defined as upward with respect to the lens apex. the said height of the lens surface of the micro lens becomes higher toward the outer periphery from the lens apex than the height approximated by the curvature of the lens near the vertex, the top of the microlens The diameter of the bottom surface of the distance between the micro lens to the light emitting surface of the light emitting element from is equal to or equal.
この請求項1にかかる発明によれば、発光素子上に形成するマクロレンズのレンズ面の高さを、レンズ頂点近傍の曲率で近似した高さよりもレンズ頂点から外周に向かうにしたがい高くなる非球面形状とすることにより、発光素子の発光面が面積を有し、かつ任意の間隔で発光素子が配列された場合であっても、マイクロレンズの頂点から外周までの中間部分においてもマイクロレンズの底面よりも太くなる部分が存在しない形状になり、マイクロレンズの高さを高くすることが可能になると共に、マイクロレンズそれぞれを独立することで、隣接部分への不要な光の発生を抑制することが可能になる。 According to the first aspect of the invention, the height of the lens surface of the macro lens formed on the light emitting element becomes higher as it goes from the lens apex to the outer circumference than the height approximated by the curvature near the lens apex. By adopting the shape, even when the light emitting surface of the light emitting element has an area and the light emitting elements are arranged at an arbitrary interval, the bottom surface of the microlens is also formed in the intermediate portion from the apex to the outer periphery of the microlens. It becomes a shape that there is no thicker part, it is possible to increase the height of the micro lens, and by suppressing the generation of unnecessary light to the adjacent part by making each micro lens independent It becomes possible.
また、請求項2にかかる発明は、前記第1の領域の大きさは前記発光素子の発光面の大きさと同等以上であることを特徴とする。
The invention according to
この請求項2にかかる発明によれば、請求項1において、第1の領域の大きさを発光素子の発光面の大きさと同等以上とすることにより、球面マイクロレンズを用いるよりも明るくすることが可能になる。 According to the second aspect of the present invention, in the first aspect, by making the size of the first region equal to or greater than the size of the light emitting surface of the light emitting element, it is possible to make it brighter than using a spherical microlens. It becomes possible.
また、請求項3にかかる発明は、前記マイクロレンズの底面は、少なくとも前記発光素子の発光面を覆うように形成されていることを特徴とする。 The invention according to claim 3 is characterized in that the bottom surface of the microlens is formed so as to cover at least the light emitting surface of the light emitting element.
この請求項3にかかる発明によれば、請求項1において、マイクロレンズの底面を、少なくとも発光素子の発光面を覆うように形成することにより、発光素子の光を有効に利用することが可能になる。 According to the invention of claim 3, in claim 1, by forming the bottom surface of the microlens so as to cover at least the light emitting surface of the light emitting element, the light of the light emitting element can be used effectively. Become.
また、請求項4にかかる発明は、前記マイクロレンズの底面は、前記発光素子の発光面と略相似の形状であることを特徴とする。
The invention according to
この請求項4にかかる発明によれば、請求項1において、マイクロレンズの底面は、発光素子の発光面と略相似の形状とすることにより、発光素子が配列されている場合でも発光素子からの出射光を有効に利用することが可能になる。
According to the invention of
また、請求項5にかかる発明は、前記発光素子は、出射光がランバート分布の発光パターンを有する面発光型の発光ダイオードであることを特徴とする。 The invention according to claim 5 is characterized in that the light emitting element is a surface emitting type light emitting diode in which the emitted light has a light emitting pattern having a Lambertian distribution.
この請求項5にかかる発明によれば、請求項1において、出射光がランバート分布の発光パターンを有する面発光型の発光ダイオードの発光素子を用いることにより、前述の非球面のマイクロレンズを有効に利用することが可能になる。 According to the invention of claim 5, the aspherical microlens described above is effectively used in claim 1 by using a light emitting element of a surface emitting type light emitting diode whose emitted light has a light emitting pattern of Lambert distribution. It becomes possible to use.
また、請求項6にかかる発明は、前記マイクロレンズは、透明なフォトレジスト材料で形成されることを特徴とする。
The invention according to
この請求項6にかかる発明によれば、請求項1において、透明なフォトレジスト材料を用いることにより、所望とする非球面のマイクロレンズを既存のプロセスで形成することが可能になる。 According to the sixth aspect of the present invention, by using a transparent photoresist material in the first aspect, it is possible to form a desired aspherical microlens by an existing process.
また、請求項7にかかる発明は、請求項1〜6のいずれか一つに記載の光源ユニットを用いたことを特徴とする。 The invention according to claim 7 is characterized in that the light source unit according to any one of claims 1 to 6 is used.
この請求項7にかかる発明によれば、請求項1〜6のいずれか一つに記載の光源ユニットを光書込ユニットで構成することにより、高速で高書込み密度の書込みが実現可能になる。 According to the seventh aspect of the present invention, the light source unit according to any one of the first to sixth aspects is configured by the optical writing unit, whereby high-speed writing with high writing density can be realized.
また、請求項8にかかる発明は、請求項7に記載の光書込ユニットを用いたことを特徴とする。
The invention according to
この請求項8にかかる発明によれば、請求項7に記載の光書込ユニットを画像形成装置に搭載することにより、小型、高速・高記録密度の画像形成装置が実現する。 According to the eighth aspect of the present invention, by mounting the optical writing unit according to the seventh aspect on an image forming apparatus, a small-sized, high-speed and high recording density image forming apparatus is realized.
本発明(請求項1)にかかる光源ユニットは、発光素子上に形成するマクロレンズのレンズ面の高さを、レンズ頂点近傍の曲率で近似した高さよりもレンズ頂点から外周に向かうにしたがい高くなる非球面形状とすることにより、発光素子の発光面が面積を有し、かつ任意の間隔で発光素子が配列された場合であっても、マイクロレンズの頂点から外周までの中間部分においてもマイクロレンズの底面よりも太くなる部分が存在しない形状になるため、マイクロレンズの高さを容易に高くすることができると共に、マイクロレンズそれぞれを独立することにより、隣接部分への不要な光の発生を抑制することができるという効果を奏する。 In the light source unit according to the present invention (claim 1), the height of the lens surface of the macro lens formed on the light emitting element becomes higher as it goes from the lens apex to the outer circumference than the height approximated by the curvature in the vicinity of the lens apex. By adopting an aspherical shape, even when the light emitting surface of the light emitting element has an area and the light emitting elements are arranged at an arbitrary interval, the microlens is also formed in the middle part from the apex to the outer periphery of the microlens. Since the shape does not have a portion that is thicker than the bottom of the microlens, the height of the microlens can be easily increased, and by making each microlens independent, the generation of unnecessary light in adjacent portions is suppressed. There is an effect that can be done.
また、本発明(請求項2)にかかる光源ユニットは、請求項1において、第1の領域の大きさを発光素子の発光面の大きさと同等以上とすることにより、球面マイクロレンズを用いるよりも明るくすることができるという効果を奏する。 In addition, the light source unit according to the present invention (Claim 2) is more preferable than using a spherical microlens in Claim 1 by making the size of the first region equal to or greater than the size of the light emitting surface of the light emitting element. There is an effect that it can be brightened .
また、本発明(請求項3)にかかる光源ユニットは、請求項1において、マイクロレンズの底面を、少なくとも発光素子の発光面を覆うように形成するため、発光素子の光を有効に利用することができるという効果を奏する。 According to a light source unit of the present invention (Claim 3), the bottom surface of the microlens is formed so as to cover at least the light-emitting surface of the light-emitting element. There is an effect that can be.
また、本発明(請求項4)にかかる光源ユニットは、請求項1において、マイクロレンズの底面は、発光素子の発光面と略相似の形状とするため、発光素子が配列されている場合でも発光素子からの出射光を有効に利用することができるという効果を奏する。 Further, the light source unit according to the present invention (Claim 4) is the light source unit according to Claim 1, in which the bottom surface of the microlens has a shape substantially similar to the light emitting surface of the light emitting element, so that even when the light emitting elements are arranged, the light source unit emits light. There is an effect that light emitted from the element can be used effectively.
また、本発明(請求項5)にかかる光源ユニットは、請求項1において、出射光がランバート分布の発光パターンを有する面発光型の発光ダイオードの発光素子を用いることにより、前述の非球面のマイクロレンズを有効に利用することができるという効果を奏する。 A light source unit according to the present invention (Claim 5) is the light source unit according to Claim 1, wherein the light emitting element of the surface-emitting light emitting diode in which the emitted light has a light emission pattern of Lambert distribution is used. There is an effect that the lens can be used effectively.
また、本発明(請求項6)にかかる光源ユニットは、請求項1において、透明なフォトレジスト材料を用いることにより、所望とする非球面のマイクロレンズを既存のプロセスで容易に形成することができるという効果を奏する。 Moreover, the light source unit according to the present invention (Claim 6) can easily form a desired aspherical microlens by an existing process by using a transparent photoresist material according to Claim 1. There is an effect.
また、本発明(請求項7)にかかる光書込ユニットは、請求項1〜6のいずれか一つに記載の光源ユニットを光書込ユニットで構成したので、高速で高書込み密度の書込みが行なえる光書込ユニットを提供することができるという効果を奏する。 Moreover, since the optical writing unit according to the present invention (Claim 7) comprises the light source unit according to any one of Claims 1 to 6 as an optical writing unit, writing at high speed and high writing density is possible. An optical writing unit that can be performed is provided.
また、本発明(請求項8)にかかる画像形成装置は、請求項7に記載の光書込ユニットを画像形成装置に搭載したので、小型、高速・高記録密度の画像形成装置を提供することができるという効果を奏する。 An image forming apparatus according to the present invention (claim 8) is provided with the optical writing unit according to claim 7 in the image forming apparatus, and therefore provides a small, high-speed and high recording density image forming apparatus. There is an effect that can be.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光源ユニット、光書込ユニットおよび画像形成装置の最良な実施の形態を詳細に説明する。 Exemplary embodiments of a light source unit, an optical writing unit, and an image forming apparatus according to the present invention are explained in detail below with reference to the accompanying drawings.
本発明は、面積を持つ発光素子を任意の間隔で配列した発光素子アレイに対し、その出射光の発散角を有効に狭くした非球面マイクロレンズを形成して、有効な明るさを確保し、かつ不要な光発生を抑制する光源ユニットを実現し、これを光書込ユニットおよび画像形成装置に搭載するものである。以下、詳細に説明する。 The present invention forms an aspherical microlens that effectively narrows the divergence angle of the emitted light with respect to a light emitting element array in which light emitting elements having an area are arranged at arbitrary intervals to ensure effective brightness, In addition, a light source unit that suppresses generation of unnecessary light is realized, and is mounted on the optical writing unit and the image forming apparatus. This will be described in detail below.
(第1の実施形態)
本発明における第1の実施形態の光源ユニットの構成を図1、図2に示す。図1は発光素子が配列する方向の断面図であり、図2はマイクロレンズおよび発光素子の形状を示す説明図である。図示するように、基板101上に発光素子(LED)102を配置し、この発光素子(LED)102の上に独立した非球面マイクロレンズ103を形成する。すなわち、本発明の非球面マイクロレンズ103は、隣接するマイクロレンズとは繋がっておらず、独立のマイクロレンズである。また、このマイクロレンズの形状は、図2に示すように、マイクロレンズの頂点からの高さh'(d)を用いて表すと、マイクロレンズの頂点近傍の曲率によるマイクロレンズの高さh(d)と比較した場合、マイクロレンズの頂点から外周に向かうにしたがいh'(d)は、h(d)よりも高くなるような非球面形状のマイクロレンズである。まお、図2におけるMtは、マイクロレンズの頂点近傍の曲率によるレンズ面である。
(First embodiment)
The configuration of the light source unit according to the first embodiment of the present invention is shown in FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view in the direction in which the light emitting elements are arranged, and FIG. 2 is an explanatory view showing the shape of the microlens and the light emitting elements. As shown in the drawing, a light emitting element (LED) 102 is disposed on a
このような非球面マイクロレンズ103を発光素子102に形成して用いることにより、発光素子の発光面が面積を持っており、かつ、任意の間隔で発光素子が並んでいたとしても、マイクロレンズの頂点から外周までの中間部分においても、マイクロレンズの底面よりも太くなるような部分は存在しないため、マイクロレンズの高さを高くすることが容易であり、また、隣接するマイクロレンズが独立であることから、不要な光が発生する可能性はほとんどなくなる。
By forming and using such an
つぎに、非球面マイクロレンズ103の形状と明るさの関係について以下に示す。非球面マイクロレンズ103の形状をマイクロレンズの頂点近傍の曲率で近似するレンズ面の高さh(d)と、非球面マイクロレンズ103のレンズ面の高さh'(d)が略等しい距離d(この距離をLと定義する)で表し、このLに対する明るさ向上の関係を市販のシミュレーションツールを用いて計算した。その結果を図3のグラフに示す。
Next, the relationship between the shape and brightness of the
計算の条件は、発光素子を幅D=10μmの正方形、マイクロレンズの底面の形状を直径W=19μmの円形、マイクロレンズの頂点から発光面までの高さH=19μm、マイクロレンズの頂点付近の曲率半径R=9.5μm、マイクロレンズの屈折率N=1.52とし、縦軸は、発光素子は面内が一様の光強度で、かつLEDと同様のランバート(Lambert)分布の面光源としたときの面内から1万本の光線を無作為に抽出し、約2.7mm位置にある2mm角の正方形の受光部に取り込まれる光量を計算し、非球面マイクロレンズを用いない場合の計算値で割った比率である。また、横軸は、L(ここでは、h'(d)−h(d)<0.1μmを満足するdの最大値)である。なお、h'(d)[μm]は、以下の式で求めた。この式において、cは曲率(1/R[μm]),C2nは非球面係数である。 The calculation conditions are as follows: the light emitting element is a square having a width D = 10 μm, the shape of the bottom surface of the microlens is a circle having a diameter W = 19 μm, the height H from the top of the microlens to the light emitting surface is H = 19 μm, and the vicinity of the top of the microlens. A radius of curvature R = 9.5 μm, a refractive index N of the microlens N = 1.52, and the vertical axis represents a surface light source with a Lambert distribution similar to that of the LED, with the light emitting element having a uniform light intensity in the surface. When 10,000 light rays are randomly extracted from the surface, the amount of light taken into a 2 mm square light receiving portion at a position of about 2.7 mm is calculated, and an aspherical microlens is not used. The ratio divided by the calculated value. The horizontal axis is L (here, the maximum value of d that satisfies h ′ (d) −h (d) <0.1 μm). Note that h ′ (d) [μm] was obtained by the following equation. In this equation, c is a curvature (1 / R [μm]), and C 2n is an aspheric coefficient.
また、図3の実線は曲率半径が9.5μmの球面マイクロレンズを高さH=19μmの位置に置いた計算結果である(図1の点線のマイクロレンズ)。この図3から分かるように、2倍のLを発光素子の発光面の大きさDと同等以上にすることで球面マイクロレンズを用いるよりも明るくすることができることがわかる。すなわち、マイクロレンズ頂点付近の曲率で近似されたレンズ面の範囲を発光素子の大きさよりも大きくすれば、従来の球面マイクロレンズよりもより明るくすることが可能となる。 Also, the solid line in FIG. 3 is the calculation result when a spherical microlens with a radius of curvature of 9.5 μm is placed at a height H = 19 μm (dotted line microlens in FIG. 1). As can be seen from FIG. 3, it can be seen that by making L twice as large as the light-emitting surface size D of the light-emitting element, the brightness can be made higher than when the spherical microlens is used. In other words, if the range of the lens surface approximated by the curvature near the apex of the microlens is made larger than the size of the light emitting element, it becomes possible to make it brighter than the conventional spherical microlens.
また、図4に、L=7μmの非球面マイクロレンズを、Hを振って明るさの計算結果を示す。縦軸は、上記と同様である。この図4のグラフより、非球面マイクロレンズ103を用いることによる明るさの効果はマイクロレンズの直径と同程度の高さHが最も明るくできることがわかる。この関係は発光面の大きさによって多少変化するが、非球面マイクロレンズ103の高さをマイクロレンズの直径と同程度にすることが望ましいと言える。なお、今回の非球面マイクロレンズ103は、上記の式で表現したが必ずしもこの式で表す必要はなく、同様の非球面形状を表現するものであればよい。
FIG. 4 shows the calculation result of the brightness of an aspherical microlens with L = 7 μm by shaking H. The vertical axis is the same as above. From the graph of FIG. 4, it can be seen that the brightness effect obtained by using the
また、このような非球面マイクロレンズ103は、フォトレジスト材料を用いることで形成することが可能である。
Such an
作製方法としては、LEDアレイの表面に透明な、任意の波長(LEDの発光波長とは異なる波長)の光で感光するフォトレジスト材料を塗布する。塗布方法としては、切出す前のLEDアレイチップとして切出す前のウエハ状態の基板を回転するステージ上に設置し、任意の回転数で基板を回転させながら、溶液を滴下し、回転により溶液を均一に塗布した後で、熱処理を加えて溶液を硬化させるスピンコート方法や、スプレー等により溶液を霧状にして基板101上に塗布し、その後、熱処理を加えて溶液を硬化させるスプレーコート法などといった既知の方法で可能である。
As a manufacturing method, a transparent photoresist material that is exposed to light having an arbitrary wavelength (a wavelength different from the emission wavelength of the LED) is applied to the surface of the LED array. As a coating method, a substrate in a wafer state before being cut out as an LED array chip before being cut out is placed on a rotating stage, and the solution is dropped while rotating the substrate at an arbitrary number of rotations. A spin coating method in which the solution is cured by applying a heat treatment after uniform coating, a spray coating method in which the solution is sprayed on the
つぎに、上記で塗布したフォトレジスト材料を任意の波長で感光させてマイクロレンズを作製する。ここで、非球面のマイクロレンズを作る場合、光透過率が非球面マイクロレンズ103の形状に応じて徐々に変化するようなグラデーションマスクを用いる。グラデーションマスクの作製方法としては、クロムマスクに微細な開口パターンを多数設け、開口パターンの大きさを変え、光透過率が徐々に粗密になるように変化させる方法などが知られている。
Next, the photoresist material coated as described above is exposed at an arbitrary wavelength to produce a microlens. Here, when making an aspherical microlens, a gradation mask whose light transmittance gradually changes according to the shape of the
なお、本発明においては、フォトレジスト材料は、ネガでもポジでもいずれでも構わない。ネガレジスト材料であれば、マイクロレンズを形成したい部分にのみ所望する非球面マイクロレンズの形状になるようなグラデーションマスクを用いて光を照射してやり、ドライエッチングを行うことでマイクロレンズを形成でき、また、ポジレジスト材料であれば、反対にマイクロレンズを形成しない部分には光をそのまま照射でき、マイクロレンズを形成したい部分は非球面マイクロレンズ103と対応するように徐々に光透過率が下がるグラデーションマスクを用いることにより、同様に非球面マイクロレンズ103を形成することが可能である。
In the present invention, the photoresist material may be either negative or positive. If it is a negative resist material, the microlens can be formed by irradiating light using a gradation mask that forms the desired aspherical microlens shape only on the part where the microlens is to be formed, and performing dry etching. On the contrary, if a positive resist material is used, a gradation mask in which the light transmittance is gradually lowered so that the portion where the microlens is not formed can be irradiated with light as it is, and the portion where the microlens is to be formed corresponds to the
(第2の実施の形態)
上記第1の実施の形態ではマイクロレンズの底面を図5に示すような円形として説明した。ところが、LEDアレイの書込密度の向上から、LEDのピッチが狭くなってきており、それに伴ない、LED102の大きさを小さくしてしまうと、暗くなってしまうという理由から、それほど小さくすることができず、LED102のピッチとLED102の幅とがあまり変わらないようになっている。そのため、マイクロレンズ104の底面の面積が円形では、高書込密度のLEDアレイの発光面を十分覆うことができなくなる。マイクロレンズ104の底面が、LEDの発光面を十分に覆えないと、マイクロレンズ104を通らない光が増えるために、明るくすることが難しくなる。明るくするにはマイクロレンズ104の底面が発光面を十分覆うことが必要である。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the bottom surface of the microlens is described as a circle as shown in FIG. However, as the writing density of the LED array is improved, the pitch of the LEDs is becoming narrower, and accordingly, if the size of the
そこで、図6に示すようにマイクロレンズ105の底面を発光面の形状と略相似とすることで、LED102の配列ピッチに発光面の大きさが近づいた場合でも、LED102と同じピッチで並べることが容易になる。
Therefore, as shown in FIG. 6, by making the bottom surface of the
(第3の実施の形態)
図7に示す第3の実施の形態は、上記光源ユニット110と結像素子アレイ111とを組み合わせた光書込ユニット100である。結像素子アレイは日本板硝子株式会社が販売しているセルフォックレンズアレイ(SLA)である。セルフォックレンズアレイは、円筒形で屈折率が中心から外にむかって徐々に小さくなるロッドレンズを一列に並べ、それを複数列配列したロッドレンズアレイ(図9、図10参照)の商品名である。
(Third embodiment)
The third embodiment shown in FIG. 7 is an
セルフォクレンズアレイは、個々のロッドレンズは正立等倍系であり、一つの発光素子からの出射光がそれぞれのロッドレンズに入射し、ロッドレンズから出射する光は、再び一点に集まる光学系である。また、セルフォックレンズアレイとしては数種類あるが、凡そ12°〜20°の出射角の光まで取り込むことができる。しかし、発光素子がLEDのようなランバート分布に近い発光パターンである場合、出射光のうちほとんどは使えないことになり、たとえば20°まで取り込めるセルフォックレンズアレイを用いたとしても出射光の光量の5%程度しか利用できないことになる。 The self-lens array is an optical system in which each rod lens is an erecting equal magnification system, light emitted from one light emitting element is incident on each rod lens, and light emitted from the rod lens is collected again at one point. It is. In addition, although there are several types of Selfoc lens arrays, light having an emission angle of about 12 ° to 20 ° can be captured. However, when the light emitting element has a light emission pattern close to a Lambertian distribution such as an LED, most of the emitted light cannot be used. For example, even if a Selfoc lens array that can capture up to 20 ° is used, the amount of emitted light Only about 5% can be used.
そこで、本発明の個々の発光素子に非球面マイクロレンズ103を設けた光源ユニット110を用いることで、光源ユニット110から出射するランバート分布よりも発散角が小さくすることができるため、セルフォックレンズアレイが利用できる光量を容易に増やすことが可能となる。
Therefore, by using the
(第4の実施の形態)
この第4の実施の形態は、上記第3の実施の形態の光書込ユニット100を図8に示した画像形成装置に応用したものである。この画像形成装置(光プリンタ)は、電子写真プロセスにしたがった作像系を有し、特に露光光学系(書込み光学系)として前述した光書込ユニット100を備えたものである。印字出力を行なう場合、あらかじめ帯電ユニット121で帯電された感光体120に印字データに応じた光が光書込ユニット100により照射され、印字画像の静電潜像を形成する。この静電潜像を現像ユニット122によってトナー像とする。これとほぼ並行して給紙部(不図示)から給紙してレジストローラ126に待機してある記録紙を、上記トナー像と所定位置で転写するように搬送を再開し、転写ユニット123により転写し、定着ユニット127による熱・圧力による作用で定着して排紙する。その後、感光体120の残留トナーをクリーニングユニット124で除去し、さらに除電ユニット125によって残留電荷を除去し、初期状態に戻し、つぎの印字に備える。
(Fourth embodiment)
In the fourth embodiment, the
このように、光書込ユニット100の光量に応じて感光体120(像担持体)は潜像を形成することから、本発明の光書込ユニット100は従来の光書込ユニットに比べて明るいため潜像を形成するために要する発光時間が短くて済む。つまり、感光体120の回転速度をより早くすることができることから、より高速な画像形成装置(光プリンタ、デジタル複写機、デジタルファクシミリ装置など)を提供することができる。または、従来の光書込ユニットと同等の明るさで十分な画像形成装置に用いるのであれば、本発明の光源ユニットに注入する電流を下げても、従来の光書込ユニットと同等の明るさが得られるため、省エネルギー化に有利となる。
As described above, the photosensitive member 120 (image carrier) forms a latent image in accordance with the amount of light of the
以上のように、本発明にかかる光源ユニット、光書込ユニットおよび画像形成装置は、デジタル複写機、デジタルファクシミリ装置、ノンインパクトプリンタなどに有用であり、特に、発光素子を微小間隔で配置した高書込密度が要求され、かつ小型の書込み光学系を必要とする装置に適している。 As described above, the light source unit, optical writing unit, and image forming apparatus according to the present invention are useful for digital copying machines, digital facsimile apparatuses, non-impact printers, and the like. It is suitable for an apparatus that requires a writing density and requires a small writing optical system.
100 光書込ユニット
101 基板
102 発光素子(LED)
103,104,105 非球面マイクロレンズ
110 LEDアレイ
111 ロッドレンズアレイ
100
103, 104, 105
Claims (8)
前記マイクロレンズのレンズ頂点を含むレンズ中央の第1の領域では、レンズ面の曲率がレンズ頂点近傍の曲率と略等しく、
前記第1の領域の周りの第2の領域では、レンズ面の曲率がレンズ頂点近傍の曲率とは異なり、
前記第2の領域では、レンズ頂点を基準としレンズ頂点から発光素子へ向かう方向を上方とした前記マイクロレンズのレンズ面の高さが、レンズ頂点近傍の曲率で近似した高さよりもレンズ頂点から外周に向かうにしたがって高くなり、
前記マイクロレンズの頂点から前記発光素子の発光面までの距離と前記マイクロレンズの底面の直径とが等しいことを特徴とする光源ユニット。 A light source unit in which a microlens for condensing emitted light from the light emitting element at a predetermined position is directly formed on each light emitting element in a light emitting element array in which a plurality of light emitting elements are arranged,
In the first region at the center of the lens including the lens apex of the microlens, the curvature of the lens surface is substantially equal to the curvature near the lens apex,
In the second region around the first region, the curvature of the lens surface is different from the curvature near the lens apex,
In the second region, the height of the lens surface of the microlens with the lens vertex as a reference and the direction from the lens vertex to the light emitting element upward is higher than the height approximated by the curvature near the lens vertex. It gets higher as you go to
A light source unit, wherein said that the distance from the vertex of the microlens to the light emitting surface of the light emitting element and the bottom surface of a diameter of the microlens is equal.
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