JP4635494B2 - レンズ付き発光素子 - Google Patents
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Description
本発明は、レンズ付き発光素子、特に光の取出し効率を向上させた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、光の取出し効率は極めて低い。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、光取出し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２３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、十分に光取出し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、光の取出し効率を向上することのできるレンズ形状を提供することにある。
本発明の他の目的は、光取出し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。
本発明の第１の態様は、１次元状に配列された発光素子アレイを構成するレンズ付き発光素子であって、略Ｕ字状の発光部を有する発光素子と、前記発光素子上に設けられ、前記１次元の方向に並置された少なくとも２個のシリンドリカルレンズと、半球状レンズとの組合わせよりなる略Ｕ字状の複合レンズとを備え、前記複合レンズは一定の厚みを有するベース部分と、その上部の表面に曲率を有する曲面部分とから構成され、前記略Ｕ字状の発光部の、前記１次元の方向の幅をｐとした場合に、前記複合レンズのベース部分の厚さは、０〜０．７１ｐ、前記シリンドリカルレンズまたは半球状レンズの曲率半径は、０．２０ｐ〜０．４７ｐ、前記少なくとも２個のシリンドリカルレンズの中心間距離は０．３５ｐ〜０．８９ｐであることを特徴とする。
本発明の第２の態様は、１次元状に配列された発光素子アレイを構成するレンズ付き発光素子であって、略Ｕ字状の発光部を有する発光素子と、前記発光素子上に設けられ、前記１次元の方向に並置された２個の半球状レンズと、１個の半球状レンズとの組合わせよりなる複合レンズとを備え、前記複合レンズは一定の厚みを有するベース部分と、その上部の表面に曲率を有する曲面部分とから構成され、前記略Ｕ字状の発光部の、前記１次元の方向の幅をｐとした場合に、前記複合レンズのベース部分の厚さは、０〜０．７１ｐ、前記半球状レンズの曲率半径は、０．７１ｐ〜１．１８ｐ、前記２個の半球状レンズの中心間距離は、０．２３ｐ〜１．６４ｐであることを特徴とする。
本発明の第３の態様は、１次元状に配列された発光素子アレイを構成するレンズ付き発光素子であって、略Ｕ字状の発光部を有する発光素子と、前記発光素子上に設けられ、前記１次元の方向に並置された２個の半球状レンズの組合わせよりなる複合レンズとを備え、前記複合レンズは一定の厚みを有するベース部分と、その上部の表面に曲率を有する曲面部分とから構成され、前記略Ｕ字状の発光部の、前記１次元の方向の幅をｐとした場合に、前記複合レンズのベース部分の厚さは、０〜０．７１ｐ、前記半球状レンズの曲率半径は、０．４７ｐ〜１．１８ｐ、前記２個の半球状レンズの中心間距離は、０．２３ｐ〜１．１７ｐであることを特徴とする。
本発明によれば、光取出し効率を向上させたレンズ付き発光素子を実現できる。
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の一実施例は、図４に示すように、ＬＥＤの略Ｕ字形の発光部２２上に複合レンズを設けたものである。発光部２２は略Ｕ字形状を基本とし、図４のＸ軸方向の長さをｐとして規格化する。このＸ軸方向は、この発光部をアレイとして使用する場合のアレイ方向、すなわち光点の走査方向となる。電極２０の中心と、発光部２２の中心とは、Ｙ軸方向の線上にある。なお、Ｘ軸，Ｙ軸はＸ−Ｙ座標系の座標軸を示している。
発光部２２のＹ軸方向の長さは、１．０６ｐであり、電極２０の幅は、０．３５ｐである。なお、これら値は、実施例で用いるモデルの値であり、限定的なものではない。
以上のような略Ｕ字形発光部２２上に設ける複合レンズの形状について説明する。なお、複合レンズは、樹脂で作製されるものとする。
本発明の複合レンズの基本形状は、図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、ＬＥＤ１０の発光部表面（発光面）から一定の厚みのベース部分２４が存在し、その上に半球状または半円柱状の曲面部分２６が存在する。図５（Ａ）は、２つの曲面部分２６が存在する場合を、図５（Ｂ）は、レンズ表面に曲面部分２６の外に平坦部分２８がある場合を、それぞれ示している。
上部曲面部分２６の曲率半径を「曲率半径ｒ」という。ただし図５（Ｂ）のようにレンズ表面に平坦部分が有る場合は、平坦部分以外の曲面部分の曲率半径を意味する。発光面から曲面の開始点までのベース部分の厚みを「ベース厚みｄ」というものとする。
以下、本発明の複合レンズの形状について説明する。
（ａ）略Ｕ字型複合レンズ
図６に示すように、略Ｕ字状の発光部の形状に対応し、直線部の各上面部分が半円柱状のシリンドリカルレンズ３０，３２，３４と、半球状レンズ（正確には半球状レンズの一部分）３６，３８，４０，４２との組合せとなっている。半球状レンズ３６，３８は１／２部分よりなり、半球状レンズ４０，４２は１／４部分よりなる。上記の厚み方向のパラメータｄのほか、図示するように、Ｘ軸方向に並置される一対のシリンドリカルレンズ３０，３２の中心間距離ｗが重要なパラメータである。
図６に示すように、略Ｕ字状の発光部の形状に対応し、直線部の各上面部分が半円柱状のシリンドリカルレンズ３０，３２，３４と、半球状レンズ（正確には半球状レンズの一部分）３６，３８，４０，４２との組合せとなっている。半球状レンズ３６，３８は１／２部分よりなり、半球状レンズ４０，４２は１／４部分よりなる。上記の厚み方向のパラメータｄのほか、図示するように、Ｘ軸方向に並置される一対のシリンドリカルレンズ３０，３２の中心間距離ｗが重要なパラメータである。
（ｂ）３レンズ複合型
図７に示すように、略Ｕ字状発光部の形状に対応して、３個の半球状レンズ（正確には半球状レンズの一部分）４４，４６，４８が、レンズ径より短い中心間距離で配列されて複合レンズを形成している。各半球状レンズは、扇形をしている。すなわち、２個の半球状レンズ４６，４８がＸ軸方向に並置され、これら２個の半球状レンズ４６，４８に接して、１個の半球状レンズ４４が配置されている。Ｕ字状発光部の左右方向に対応する方向（Ｘ軸方向）の２つのレンズ４６，４８の中心間距離ｗが重要な形状パラメータである。
図７に示すように、略Ｕ字状発光部の形状に対応して、３個の半球状レンズ（正確には半球状レンズの一部分）４４，４６，４８が、レンズ径より短い中心間距離で配列されて複合レンズを形成している。各半球状レンズは、扇形をしている。すなわち、２個の半球状レンズ４６，４８がＸ軸方向に並置され、これら２個の半球状レンズ４６，４８に接して、１個の半球状レンズ４４が配置されている。Ｕ字状発光部の左右方向に対応する方向（Ｘ軸方向）の２つのレンズ４６，４８の中心間距離ｗが重要な形状パラメータである。
（ｃ）２レンズ複合型
図８に示すように、略Ｕ字状の発光部の形状に対応し、単純に２個の半球状レンズ（正確には半球状レンズの一部分）５０，５２をレンズ径より短いレンズ中心間距離ｗでｘ軸方向に配列したものである。Ｕ字状発光部２２の左右方向に対応する方向（Ｘ軸方向）の２つのレンズの中心間の方向（Ｙ軸方向）が一致するように配置するが、その２つのレンズ中心間距離ｗが重要な形状パラメータである。
図８に示すように、略Ｕ字状の発光部の形状に対応し、単純に２個の半球状レンズ（正確には半球状レンズの一部分）５０，５２をレンズ径より短いレンズ中心間距離ｗでｘ軸方向に配列したものである。Ｕ字状発光部２２の左右方向に対応する方向（Ｘ軸方向）の２つのレンズの中心間の方向（Ｙ軸方向）が一致するように配置するが、その２つのレンズ中心間距離ｗが重要な形状パラメータである。
次に、レンズ形状の最適化について説明する。図４の発光部形状（実寸の例としてはｐ＝１７μｍとした）に対し、曲率半径ｒとベース厚みｄを各表に示すように２次元に変化させ、レンズがない場合に比べて光量が増加する（１．０１倍以上となる）範囲を求めた。また光量が最大となるレンズ形状最適値を求めた。
また、レンズ中心間距離ｗは、レンズの曲率半径ｒに対して発光部全面をレンズが覆うことができる範囲として決定した。発光部２２上にレンズがない部分が生じると、光量低下を招くからである。
一方、ＬＥＤアレイの発光部間のピッチは、発光部のＸ軸方向の長さｐよりも小さくなることはない。上記の複合レンズを採用すれば、隣接レンズ間での干渉は起こらず、発光部間ピッチの変化は、光量増加に影響を与えない。実施例では発光部間ピッチは１．２５ｐで計算した。
まず、図６に示した略Ｕ字型複合レンズの場合について、説明する。
ベース厚みｄおよび曲率半径ｒを表１の範囲で変化させたときの光量と、レンズがない場合の光量との比（光量比）を測定した。測定結果を、表２に示す。光量比が１．０１以上を、背景がグレー表示の領域内に示す。
最適条件のレンズ形状（曲率半径、ベース厚み）とレンズ中心間距離０．７０ｐ、樹脂屈折率１．５５での光量は、レンズがない場合の２．１倍となった。なお、光量増加範囲内では、像の拡大は１．２倍以下であった。
次に、図７に示した３レンズ型複合レンズの場合について説明する。
ベース厚みｄおよび曲率半径ｒを表３の範囲で変化させたときの光量比を測定する。測定結果を、表４に示す。光量比が１．０１以上を、背景がグレー表示の領域内に示す。
最適条件のレンズ形状（曲率半径、ベース厚み）とレンズ中心間距離１．４１ｐ、樹脂屈折率１．５５での光量は、レンズがない場合の１．１倍となった。なお、光量増加範囲内では、像の拡大は１．２倍以下であった。
次に、図８に示した２レンズ型複合レンズの場合について説明する。
ベース厚みｄおよび曲率半径ｒを表５の範囲で変化させたときの光量比を測定する。測定結果を、表６に示す。光量比が１．０１以上を、背景がグレー表示の領域内に示す。
最適条件のレンズ形状（曲率半径、ベース厚み）とレンズ中心間距離０．９４ｐ、樹脂屈折率１．５５での光量は、レンズがない場合の２．０倍となった。
上記光量増加範囲は図４のような略Ｕ字形状の発光部を基本形状として求めたが、この発光部形状より発光部面積が相対的に縮小する場合においては、レンズ形状パラメータの上記各範囲内における明るさ比は１．０１倍以上になる。したがって例えば図９に示すような形状の発光部の場合にも上記各数値範囲は有効である。
図９（Ａ）は、図４のＵ字状発光部の両端を、斜め形状としたものである。図９（Ｂ）は、図４のＵ字状発光部の角部を、斜め形状としたものである。図９（Ｃ）は、図４のＵ字状発光部の外形を、円形状としたものである。図９（Ｄ）は、図４のＵ字状発光部を細くしたものである。
以上の各実施例では、発光素子として、ＬＥＤを例に説明したが、本発明はＬＥＤに限定されるものではなく、他のあらゆる発光素子に適用できることは明らかである。発光素子の他の例としては、３端子発光サイリスタを挙げることができる。
２０ 電極
２２ 発光部
２４ ベース部分
２６ 曲面部分
３０，３２，３４ シリンドリカルレンズ
３６，３８，４０，４２，４４，４６，４８，５０，５２ 半球状レンズ
２２ 発光部
２４ ベース部分
２６ 曲面部分
３０，３２，３４ シリンドリカルレンズ
３６，３８，４０，４２，４４，４６，４８，５０，５２ 半球状レンズ
Claims (4)
- 複数の発光素子が１次元状に配列された発光素子アレイを構成するレンズ付き発光素子であって、
略Ｕ字状であって当該略Ｕ字状の一対の直線部が前記１次元の方向に並置された発光部を有する発光素子と、
前記発光部を覆うように前記発光素子上に設けられ、前記略Ｕ字状の発光部の前記一対の直線部を覆うように設けられた一対のシリンドリカルレンズと、当該一対の直線部の先端部を覆うように設けられた半球状レンズとを含む略Ｕ字状の複合レンズとを備え、
前記複合レンズは一定の厚みを有するベース部分と、その上部の表面に曲率を有する曲面部分とから構成され、
前記略Ｕ字状の発光部の、前記１次元の方向の幅をｐとした場合に、
前記略Ｕ字状の発光部の前記一対の直線部の先端部の並置間隔は、０．３５ｐ、
前記複合レンズのベース部分の厚さは、０〜０．７１ｐ、
前記シリンドリカルレンズまたは半球状レンズの曲率半径は、０．２０ｐ〜０．４７ｐ、
前記一対のシリンドリカルレンズの中心間距離は０．７０ｐである、レンズ付き発光素子。 - 前記複合レンズのベース部分の厚さは、０．３５ｐ、
前記シリンドリカルレンズまたは半球状レンズの曲率半径は、０．２７ｐである、請求項１に記載のレンズ付き発光素子。 - 複数の発光素子が１次元状に配列された発光素子アレイを構成するレンズ付き発光素子であって、
略Ｕ字状であって当該略Ｕ字状の一対の直線部が前記１次元の方向に並置された発光部を有する発光素子と、
前記発光部を覆うように前記発光素子上に設けられ、前記略Ｕ字状の発光部の前記一対の直線部を覆うように設けられた前記１次元の方向に並置された２個の半球状レンズと、当該２個の半球状レンズに接する１個の半球状レンズとの組合わせよりなる複合レンズとを備え、
前記複合レンズは一定の厚みを有するベース部分と、その上部の表面に曲率を有する曲面部分とから構成され、
前記略Ｕ字状の発光部の、前記１次元の方向の幅をｐとした場合に、
前記略Ｕ字状の発光部の前記一対の直線部の先端部の並置間隔は、０．３５ｐ、
前記複合レンズのベース部分の厚さは、０〜０．１２ｐ、
前記半球状レンズの曲率半径は、０．７１ｐ〜１．１８ｐ、
前記複合レンズを構成する３個の半球状レンズの相互の中心間距離は、１．４１ｐである、レンズ付き発光素子。 - 前記複合レンズのベース部分の厚さは、０．１２ｐ、
前記半球状レンズの曲率半径は、０．９４ｐである、請求項３に記載のレンズ付き発光素子。
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