JP4856199B2 - レンズユニット、ledヘッド、露光装置、画像形成装置および読取装置 - Google Patents
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Description
このレンズユニットは、物体の縮小倒立像を形成するレンズと、拡大倒立像を形成するレンズとを対向して配置したレンズ対を構成し、複数の該レンズ対を略直線状に配列することにより、物体の正立等倍像をライン状に形成する光学系として構成することができる(例えば、特許文献1参照)。
本発明は、このような問題を解決することを課題とし、レンズユニットが形成する結像の解像度を向上させることを目的とする。
図2において、プリンタ100は、色材としての顔料を含む樹脂からなるトナーにより、画像データをもとに印字媒体上に画像を形成する。
プリンタ100には、印字媒体としての用紙101を貯留する給紙カセット60が装着され、用紙101を給紙カセット60から取り出す給紙ローラ61を備え、用紙101を給紙して搬送する搬送ローラ62、63が配置される。
さらに、感光体ドラム41上に形成され、トナーにより静電潜像を可視化した像であるトナー像を用紙101上に転写する転写ローラ80が、転写部で用紙101を搬送する転写ベルト81を挟むように感光体ドラム41に対向して配置され、また用紙101が転写部を通過した後の感光体ドラム41の表面に残留したトナーを除去するクリーニングブレード43が感光体ドラム41の表面に接触して配置されている。
また、帯電ローラ42および転写ローラ80には図示しない電源により所定の電圧が印加される。そして、転写ベルト81、感光体ドラム41および各ローラはそれぞれ図示しないモータと図示しない駆動を伝達するギアにより回転駆動される。さらに、現像器5、LEDヘッド3、定着器9、および図示しない各モータには、それぞれ電源および制御装置が接続されている。
このように構成されたプリンタ100は、制御プログラムをメモリ等の記憶部に記憶し、その制御プログラムに基づいて全体を制御する制御手段および演算手段としての制御部を備えている。
LEDヘッド3には、レンズユニット1が配置され、そのレンズユニット1はホルダ34によりLEDヘッド3に固定されている。また、発光部としての複数のLED素子30は配線基板33上に略直線に配置されている。
レンズユニット1は、長尺であり、略直線に配置されたLED素子30と平行に配置され、またレンズユニット1と感光体ドラム41の回転軸PVとは平行に配置される。さらに、レンズユニット1のマイクロレンズの光軸は図における鉛直方向になるように配置される。
図4において、レンズユニット1のマイクロレンズの光軸は図における鉛直方向、レンズユニット1の中心線CLがLED素子30と感光体ドラム41を結ぶ線と一致するように配置されている。なお、LED素子30の配列方向は、図における紙面の表裏方向であり、また感光体ドラム41は、その回転軸PVが図における紙面の表裏方向に配置される。
このレンズユニット1により、感光体ドラム41にLED素子30の像が結像し、感光体ドラム41の回転に合わせてLED素子30を発光させることにより感光体ドラム41上に静電潜像が形成される。
次に、レンズユニット1の構成を図5の第1の実施例におけるレンズユニットの分解斜視図および図1の第1の実施例におけるレンズユニットの断面図に基づいて説明する。
そのレンズアレイ10には、複数のレンズ素子としてのマイクロレンズ12が光軸と直交する方向に略直線に配置されている。
また、遮光板20は、平板に略円柱状の貫通孔としての開口である中間絞り22(第1の絞り)が略直線に複数配列された構成で、物体(発光部)からの光線がその中間絞り22を通して透過する。
レンズユニット1は、2枚のレンズアレイ10が遮光板20を挟んで対向して配置され、その遮光板20と近接するレンズアレイ10の面と反対の面に近接してマスク25が配置されている。
図1において、マイクロレンズ12の光軸AXは、図における鉛直方向と平行になるように配置され、またマイクロレンズ12の配列方向は図における紙面の表裏方向となるように配置されている。また、CLは、マイクロレンズ12の配列方向と光軸AXの両方に直交する方向(レンズアレイ10の幅方向)におけるレンズユニット1の中央を示す中心線である。
次に、マスク25を図6の第1の実施例におけるマスクの平面図に基づいて説明する。図6(a)はマスク25の平面図、図6(b)は絞り26の平面図であり、マスク25を物体面とレンズアレイ10との間に配置する場合の寸法を示している。
さらに、絞り26は、半径ROYの円、およびその半径ROYの円の中心から距離ROXを隔てた位置にある、絞り26の配列方向と平行な直線からなる形状である。半径ROYの円の中心はマイクロレンズ12の光軸AXと一致するように構成されている。また、絞り26の半径ROYおよび距離ROXは光軸AX方向の開口の深さにより、異なるものである。
図7は、第1の実施例におけるレンズアレイの平面図であり、図におけるレンズアレイ10はレンズユニット1の物体側のレンズアレイを示している。なお、図7(a)はレンズアレイ10の平面図であり、図7(b)はマイクロレンズ12の平面図である。
2列のマイクロレンズ12の列と図示しない複数のLED素子30が配置された直線は互いに平行であり、また2列のマイクロレンズ12の列と図示しない複数のLED素子30が配置された直線との距離は等しくなるように構成されている。
また、マイクロレンズ12は、半径RY1の円、およびその半径RY1の円の中心から距離PN/2隔てた位置にある直線からなる形状である。
なお、レンズアレイ10は、LED素子30の光線を透過する素材により形成されている。本実施例では、レンズアレイ10はシクロオレフィン系樹脂である光学樹脂(日本ゼオン社製、商品名;ZEONEX(ゼオネックス)(登録商標)E48R)を使用し、射出成型により複数のマイクロレンズ12を一体に成型した。
図8において、遮光板20には、複数の中間絞り22が配列間隔PYで略直線に配列され、その中間絞り22は、マイクロレンズ12の光軸AXおよび中間絞り22の配列方向の両方に直交する方向に、配列間隔PXで2列に配列されている。列間で隣接する中間絞り22の間隔をPNとすると、間隔PN<配列間隔PYとなっている。
なお、遮光板20は、物体からの光線を遮光する素材により形成され、本実施例の遮光板20は、ポリカーボネートを用いて射出成型法により作成した。
物体面側のマスク25aは、第1のレンズアレイ10aと物体面OPとの間に配置され、結像面側のマスク25bは、第2のレンズアレイ10bと結像面IPとの間に配置されている。また、遮光板20は、第1のレンズアレイ10aと第2のレンズアレイ10bとの間に配置されている。
第1のマイクロレンズ12aは、厚さがLT1であり、光軸AX方向に距離LO1の位置にある物体30Aの像を中間像30Bとして、光軸AX方向に距離LI1離れた中間像面IMPに形成する。
レンズユニット1の物体面OPから第1のマイクロレンズ12aまでの距離LOは距離LO1と等しく設定され、第1のマイクロレンズ12aと第2のマイクロレンズ12bの間隔LSは、(距離LI1+距離LO2)に設定され、第2のマイクロレンズ12bからレンズユニット1の結像面IPまでの距離LIは距離LI2と等しく設定される。
さらに、第1のマイクロレンズ12aの物体面側の曲面と同じ形状の面が第2のマイクロレンズ12bの結像面側の曲面となるように対向して配置され、第2のマイクロレンズ12bから中間像面IMPまでの距離LO2はLI1と等しく設定される。
上述した構成の作用について説明する。
まず、プリンタ100の動作を図2に基づいて説明する。
感光体ドラム41が回転することにより、現像によって得られた感光体ドラム41表面上のトナー像が転写ローラ80および転写ベルト81の付近に到達すると図示しない電源装置により電圧が印加されている転写ローラ80および転写ベルト81によって、感光体ドラム41表面上のトナー像は用紙101上に転写される。
画像データをもとにプリンタ100の制御部によりLEDヘッド3の制御信号が発信されるとドライバIC31はその制御信号に基づき任意の光量でLED素子30を発光させる。そのLED素子30からの光線はレンズユニット1に入射し、感光体ドラム41上に結像が形成される。
物体30AとしてのLED素子30の光線は第1のマイクロレンズ12aに入射し、その第1のマイクロレンズ12aによって光軸方向に距離LI1隔てた位置にある中間像面MIP上に中間像30Bが形成される。このとき、遮光板20および物体面側のマスク25aにより、中間像30Bの形成に寄与しない光線の一部が遮光される。
第1のマイクロレンズ12aによって形成される中間像30Bは物体30Aの倒立縮小像であり、結像30Cはその中間像30Bの第2のマイクロレンズ12bによる倒立拡大像である。
このようにしてレンズユニット1は物体Aの正立等倍像を形成する。
一方、第1のマイクロレンズ12aと第2のマイクロレンズ12bを同じ形状のレンズとした場合もレンズユニット1は物体30Aの正立等倍像を形成する。
また、第1のマイクロレンズ12aと第2のマイクロレンズ12bとの間ではテレセントリックになっている。
図7は、第1の実施例におけるレンズアレイの平面図であり、物体(LED素子30)と光軸AXとの位置関係を示している。
図7において、物体30Aaは、LED素子30のうちマイクロレンズ12aの光軸AXに最も近いものを示し、その物体30Aaを直線BBおよび光軸AXの両方に直交する方向へ平行移動した直線BB上の物体を物体30Aa´と表すものとする。
図10および図17はともに第1の実施例におけるレンズユニットの動作を示す説明図であり、レンズユニット1、物体面OP、および結像面IPの図7における直線BBの位置での断面図である。
また、図10および図17では、物体30Aa´から発せられた光線のうち、結像30Ca´の形成に寄与し、第1のマイクロレンズ12aに入射する最も外側の光線である周辺光線BM1、および物体30Ab´から発せられた光線のうち、結像30Cb´の形成に寄与する主光線BC2を示している。
第1のマイクロレンズ12aの第1焦点面をFP1、第2のマイクロレンズ12bの第2焦点面をFP2、第1のマイクロレンズ12aの第1主平面をHP1、第2のマイクロレンズ12bの第2主平面をHP2とする。
第1のマイクロレンズ12aの半径RY1と第2のマイクロレンズ12bの半径RY2は、それぞれ第1のマイクロレンズ12aと第2のマイクロレンズ12bの配列方向の半径である。また、中間絞り22の開口の半径RAYは、中間絞り22の開口幅の半値であり、光軸AXから中間絞り22の内壁までの距離である。
図10において、物体30Aa´から発せられ、第1のマイクロレンズ12aと物体面OPとの間で周辺光線BM1より外側を通過する光線は、第1のマイクロレンズ12aの周囲に入射し、一部が迷光として結像面IPに到達して結像30Ca´のコントラストを低下させる。
したがって、第1のマイクロレンズ12aと物体面OPとの間で、主光線BC2より光軸AXに近い位置に入射する光線を遮光するように物体面側の絞り26aを配置すればよい。さらに、主光線BC2は、物体面OPから離れるにしたがって光軸に近づくので、物体面側の絞り26aの物体面OP側の開口を大きく、第1のマイクロレンズ12a側の開口を小さくすることにより、結像30Cb´の形成に寄与する光線を遮光せず、迷光としてコントラストを低下させる光線を効率よく遮光することができる。
ここで、物体面側の絞り26aおよび結像面側の絞り26bの開口の大きさについて説明する。
また、結像面IPから距離MIにおける光線BM1と光軸AXとの距離BMIは、(第2のマイクロレンズ12bの半径RY2/距離SI)×距離MIとなっている。
よって、物体面側の絞り26aの物体面OPから距離MOの位置での開口寸法ROYを、数式3で表される範囲とし、
また、図17より、物体面OPから距離MOにおける光線BC2と光軸AXとの距離BCOは、数式5となり、
ところで、物体面OPと第1のマイクロレンズ12aの間での光線BM1と光線BC2との交点の物体面OPからの距離POは、数式9で表され、
さらに、結像面IPと第2のマイクロレンズ12bの間での光線BM1と光線BC2との交点の結像面IPからの距離PIは、数式11で表され、
またさらに、レンズユニット1の動作について、図11を用いて説明する。
図11は第1の実施例におけるレンズユニットの動作を示す説明図であり、レンズユニット1、物体面OP、および結像面IPの図6、図7および図8における直線CCの位置での断面図である。
さらに、物体面側の絞り26aの物体面OPからの距離をMO、結像面側の絞り26bの結像面IPからの距離をMI、物体面OPから距離MOにおける光軸AXからx方向の物体面側の絞り26aの内壁までの距離をROX、結像面IPから距離MIにおける光軸AXからx方向の結像面側の絞り26bの内壁までの距離をRIXとする。
また、結像面IPに到達して結像30Cのコントラストを低下させる光線は、第2のマイクロレンズ12bと結像面IPとの間でも、周辺光線BMより外側で、中心線CL付近を透過する
したがって、第1のマイクロレンズ12aと物体面OPとの間、または第2のマイクロレンズ12bと結像面IPとの間において、周辺光線BMより外側で中心線CL付近を透過する光線を遮光するように物体面側の絞り26a、または結像面側の絞り26bを配置すればよい。
また、結像面IPから距離MIにおける光線BMのうち中心線CLに近い光線の光軸AXからの距離BMIは、数式15となり、
次に、焦点測定器を図12の第1の実施例における焦点距離測定器の説明図に基づいて説明する。なお、図12(a)は焦点距離測定器の概略平面図であり、図12(b)は焦点距離測定器の概略側面図である。
回転台201は、回転軸201Aを中心に、その回転台201上に配置されているステージ202と披検レンズ12(マイクロレンズ12)を回転できるように構成されている。このステージ202上には披検レンズ12が、その披検レンズ12の光軸AXが顕微鏡203の光軸と一致するように固定される。ステージ202は、光軸AXと平行する方向に移動できるように構成されている。
照明装置204は、披検レンズ12に平行光線BTが入射するように光線を出射する。
次に、焦点距離の測定方法について、図12を用いて説明する。
次に、ステージ202の位置は固定したまま、顕微鏡203のみを披検レンズ12へ近づける方向に移動させ、顕微鏡203の結像点が披検レンズ12の面頂点となるように移動させる。そして、顕微鏡203の結像点が披検レンズ12の面頂点となる位置の顕微鏡203の回転軸201Aの位置からの移動量Z2を計測する。
以上の焦点距離の測定方法は、ノーダル・スライド法による既知の測定方法である。
本実施例のレンズアレイ10を用いたLEDヘッド3について、結像の解像度示すMTF(Modulation Transfer Function:振幅伝達関数)の測定をしたところ80%以上の値を測定した。
MTF(%)は、結像の光量の最大値をEMAX、隣り合う2つの結像の間の光量の最小値をEMINとしたとき、
MTF=(EMAX−EMIN)/(EMAX+EMIN)×100(%)
のように定義される。
また、MTFの測定においては、LED素子30の配列間隔PD=0.0423mmであるLEDヘッド3を用いた。
本来、画像形成装置が形成する画像でトナーが乗らない部分は、静電潜像においては電位が十分に高くなければならない。また、LEDヘッドで形成される結像は暗くなければならない。ところが、MTFの値が小さいとLEDヘッドで形成される結像において、暗くなければならない部分にも光線が入射してしまう。
画像形成装置の画像でトナーが乗らない部分は、本来、用紙の色である白色によって画像が構成されるが、トナーが付着してしまった部分は、トナーの色が混ざって見えるため、画像形成装置の画像品質が低下する。
次に、カラーLEDプリンタを用いて本実施例のレンズユニットを実装した画像形成装置の画像を評価したところ、筋や濃淡斑のない良好な画像が得られた。画像形成装置の画像の評価は、印刷領域全面に図13に示した全画素のうち1つおきにドットを形成する画像を形成し、画像品質の良否を評価した。図13において、301はトナーが乗っているドット、302はトナーが乗っていないドットを示している。
また、レンズアレイ10は一般射出成型により作成したが、圧縮射出成型等の成型法でもよい。さらに、レンズアレイ10の素材は樹脂を用いているがガラスを用いてもよい。
また、発光部としてLED素子30を複数配置したLEDアレイを用いたが、例えば有機ELを発光部にしてもよく、半導体レーザーを用いてもよく、さらには蛍光灯やハロゲンランプ等の発光部に液晶素子で構成されたシャッタを併用した露光装置でもよい。
第2の実施例の構成を図14の第2の実施例における読取装置の構成を示す概略図に基づいて説明する。なお、上述した第1の実施例と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。
スキャナ500は、読取ヘッド400、ランプ501、原稿台502、レール503、駆動ベルト505、モータ506等で構成されている。
読取ヘッド400は、照明装置としてのランプ501により照射され、原稿の表面で反射した光線を取り込み電子データに変換するものである。ランプ501は、照射した光が原稿の表面で反射し、読取ヘッド400内に取り込まれるように配置されている。
レール503は、原稿台502の下方に配置され、読取ヘッド400を移動可能にするものであり、読取ヘッド400は、その一部が複数の滑車504により張架された駆動ベルト505に接続され、モータ506で駆動された駆動ベルト505によりレール503上を移動可能に構成されている。
図15において、読取ヘッド400は、レンズユニット1、ラインセンサ401およびミラー402で構成されている。
ミラー402は、原稿503で反射された光線の光路を折り曲げてその光線をレンズユニット1に入射させるものである。
また、図16は本実施例の読取ヘッド400の構成および物体面OP(原稿507)と結像面IPとの位置関係を示している。なお、本実施例のレンズユニット1の構成は第1の実施例と同様である。
上述した構成の作用について説明する。
まず、読取装置の動作を図14に基づいて説明する。
次に、読取ヘッド400の動作を図15に基づいて説明する。
本実施例による読取装置を用いて原稿から画像データを形成したところ、原稿と同一の良好な画像データが得られた。なお、本実施例の読取装置を用いて読取った原稿は、図13で示すようにドットの間隔PD=0.0423mm、解像度600dpiの全ドットのうち、1つおきにドットを形成した画像を媒体上の印字領域全面に形成した。その原稿から本実施例の読取装置を用いて電子データを形成したところ、原稿と同一の電子データが得られた。
以上説明したように、第2の実施例では、読取装置においても第1の実施例と同様の効果が得られ、原稿と同一の画像データを読取ることができるという効果が得られる。
3 LEDヘッド
5 現像器
7 排出部
9 定着器
10 レンズアレイ
12 マイクロレンズ
20 遮光板
22 中間絞り
25 マスク
26 絞り
30 LED素子
31 ドライバIC
32 ワイヤ
33 配線基板
34 ホルダ
41 感光体ドラム
42 帯電ローラ
43 クリーニングブレード
51 トナーカートリッジ
60 給紙カセット
61 給紙ローラ
62、63、64 搬送ローラ
65 排出ローラ
80 転写ローラ
81 転写ベルト
Claims (10)
- 物体の縮小倒立画像を形成する第1のレンズと該第1のレンズが形成した像の拡大倒立画像を形成する第2のレンズとからなるレンズ対が略直線に複数配列されたレンズアレイと、前記それぞれの第1のレンズと第2のレンズとの間に第1の絞りが形成された第1の遮光部材とからなるレンズユニットにおいて、
前記レンズ対の配列間隔と一致するように略直線に配置され、
前記レンズ対の配列方向において、前記レンズ対を通過し、光軸に最も近い物体から発せられ結像の形成に寄与する光線のうち、前記レンズ対に対して入出射する最も外側の周辺光線と、前記レンズ対の視野の最も外側の物体から発せられた光線のうち、結像の形成に寄与し、前記第1の絞りの内壁近傍を通過する主光線との交点の前記レンズ対の光軸方向の位置に応じて開口半径が異なる第2の絞りが形成された第2の遮光部材を設け、
前記第2の絞りは、
前記レンズ対の光軸方向における前記交点と前記レンズ対との間に配置されたとき、物体面側または結像面側の前記レンズ対の配列方向における開口半径が、前記レンズ対側の前記レンズ対の配列方向における開口半径より小さく形成され、前記最も外側の周辺光線を透過するとともに前記最も外側の周辺光線より外側を通過する光線を遮光する傾斜面が形成され、
前記レンズ対の光軸方向における前記交点と物体面または結像面との間に配置されたとき、物体面側または結像面側の前記レンズ対の配列方向における開口半径が、前記レンズ対側の前記レンズ対の配列方向における開口半径より大きく形成され、前記最も外側の主光線を透過するとともに、前記レンズ対と前記物体面または結像面との間で前記最も外側の主光線より光軸に近い位置に入出射する光線を遮光する傾斜面が形成され、
さらに、前記レンズ対の配列方向に直交する方向において、物体または結像に向けて傾斜する傾斜面が形成され、
前記第2の遮光部材は、
前記第1のレンズと物体面との間および前記第2のレンズと結像面との間の少なくとも一方に配置されていることを特徴とするレンズユニット。 - 請求項1のレンズユニットにおいて、
前記第2の絞りは、前記レンズ対の光軸方向における前記交点と前記レンズ対との間に配置されたとき、物体面側または結像面側の開口が前記第1のレンズ側または前記第2のレンズ側の開口より小さく形成されていることを特徴とするレンズユニット。 - 請求項1のレンズユニットにおいて、
前記第2の絞りは、前記レンズ対の光軸方向における前記交点と物体面または結像面との間に配置されたとき、物体面側または結像面側の開口が前記第1のレンズ側または前記第2のレンズ側の開口より大きく形成されていることを特徴とするレンズユニット。 - 請求項1から請求項3のいずれか1項のレンズユニットにおいて、
前記第2の絞りは、前記第1のレンズの物体面側の面と物体面との間、および前記第2のレンズの結像面側の面と結像面との間の少なくとも一方に配置されていることを特徴とするレンズユニット。 - 請求項1から請求項4のいずれか1項のレンズユニットにおいて、
前記第1の絞りは、光軸に直交する平面による断面形状が、前記レンズの配列方向と平行する平面により円形の一部が切り欠けた形状に形成された開口であることを特徴とするレンズユニット。 - 請求項1から請求項5のいずれか1項のレンズユニットにおいて、
前記第2の絞りは、光軸に直交する平面による断面形状が、前記レンズの配列方向と平行する平面により円形の一部が切り欠けた形状に形成された開口であることを特徴とするレンズユニット。 - 請求項1から請求項6のいずれか1項のレンズユニットを用いたLEDヘッド。
- 請求項1から請求項6のいずれか1項のレンズユニットを用いた露光装置。
- 請求項1から請求項6のいずれか1項のレンズユニットを用いた画像形成装置。
- 請求項1から請求項6のいずれか1項のレンズユニットを用いた読取装置。
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