JP4906798B2 - レンズアレイ、ledヘッド、露光装置、画像形成装置及び読取装置 - Google Patents

レンズアレイ、ledヘッド、露光装置、画像形成装置及び読取装置 Download PDF

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Description

本発明は、画像形成装置や読取装置に具備されるレンズアレイ、該レンズアレイを具備する露光装置、該露光装置を具備するLEDヘッドおよび前記レンズアレイを具備する画像形成装置および読取装置に関する。
従来、複数のLED(発光ダイオード)をアレイ状に配列したLEDヘッドを使用する画像形成装置や、複数の受光素子をアレイ状に配列した受光部に原稿の像を結像させるスキャナやファクシミリ装置等の読取装置においては、光学系としてロッドレンズアレイが用いられている。ロッドレンズアレイは物体の正立等倍像をライン状に形成する光学系である。このような光学系では、解像度を高めるためにレンズの間に遮光手段を設けたものがあり、例えば、特開2005−122041号公報に開示されている。
一方、複数のマイクロレンズをアレイ状に配列し、物体の正立等倍像をライン状に形成する光学系を構成することができる。マイクロレンズによるレンズアレイにおいては、プラスチック射出成型により形状精度の高いレンズアレイを効率良く作成することができ、高い解像度を得ることができる。
特開2005−122041号公報
しかしながら従来のレンズアレイにおいては、物体からの光線が結像として集光せずに結像面上に達する、いわゆるフレアが発生し、十分な解像度が得られなかった。このため従来のレンズアレイを用いた露光装置は十分なコントラストの結像が得られず、また画像形成装置においては、印刷画像にスジや濃淡ムラが発生していた。
上記課題を解決するために本発明のレンズアレイは、複数のマイクロレンズが直線状に配列された複数のレンズ集合体と、絞りとしての開口部を複数有し、前記複数のレンズ集合体に対して該複数の開口部が前記複数のマイクロレンズにそれぞれ対向するように配設された遮光部材とを有し、前記レンズ集合体の各マイクロレンズの光軸はレンズ集合体間で対向するマイクロレンズの光軸に略一致するとともに各マイクロレンズの光軸は前記遮光部材の前記開口部を通過し、前記開口部に光を吸収する光吸収部を設け、前記光吸収部における可視光全域の全光反射率が0乃至3パーセントであり、前記レンズ集合体における前記マイクロレンズは、複数のレンズ列を形成するように配列され、前記レンズ列内の前記マイクロレンズの配列間隔をPY、前記レンズ列の配列間隔をPXとしたとき、PX<PYであり、
前記光吸収部は前記マイクロレンズの光軸方向に略平行な略帯状体であり、
前記マイクロレンズの焦点距離をFO、前記マイクロレンズと物体面との距離をLO、前記マイクロレンズの配列方向に略垂直で前記マイクロレンズの光軸に略垂直な方向における物体と前記光軸との距離をXO、前記マイクロレンズの配列方向に略垂直で前記光軸に略垂直な方向における物体と前記光吸収部との距離をXIとしたとき、
Figure 0004906798
であることを特徴とする。
上記構成の本発明によれば、遮光部材の開口部に光吸収部を設けたことにより、物体からの光線が結像として集光せずに結像面上に達する所謂フレアの発生を抑制することができ、解像度を向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。なお各図面に共通する要素には同一の符号を付す。図1は本発明の実施例1に係る画像形成装置としての電子写真プリンタを示す概略構成図である。まず電子写真プリンタについて説明する。
図1において、電子写真プリンタ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。電子写真プリンタ100には、印字媒体としての用紙101を収納する給紙カセット60が装着され、用紙101を給紙カセット60から繰出す給紙ローラ61を備え、用紙101を搬送する搬送ローラ62、63が配置される。
実施例1における電子写真プリンタ100はカラー電子写真方式であり、電子写真プリンタ100内には、イエロー、マゼンダ、シアン、ブラックの各色の画像を形成する画像形成部が設けられている。各画像形成部は同様の構成をしており、画像形成部には、静電潜像担持体としての感光体ドラム41、感光体ドラム41の表面に電荷を供給して帯電させる帯電ローラ42、帯電された感光体ドラム41の表面に画像データをもとに選択的に光を照射して、静電潜像を形成する露光手段としてのLEDヘッド3、感光体ドラム41に形成された静電潜像をトナーにより現像し、トナー像を形成する現像器5、現像器5にトナーを供給するトナーカートリッジ51、さらに感光体ドラム41上に形成されたトナー像を用紙101上に転写する転写ローラ80および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が配置される。
そして用紙101を搬送する転写ベルト81が画像形成部の下方に配設され、さらに用紙101上に転写されたトナー像を熱及び圧力で定着する定着器9が配置される。定着器9の左側には、定着器9を通過した用紙101を搬送する搬送ローラ64、画像が形成された印字媒体101が集積される排出部28に印字媒体101を排出する排出ローラ27が配置される。
画像形成部の帯電ローラ42及び転写ローラ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7及び各搬送用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えるギヤ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及び図示しない各モータには、それぞれ電源及び制御装置が接続される。また電子写真プリンタ100には外部装置と通信を行い印刷データを受信する外部インターフェースが設けられ、さらに外部インターフェースから印刷データを受信し、電子写真プリンタ100全体の制御を行う制御部が設けられている。
次に本発明に係るLEDヘッドの構成について説明する。図2は本発明に係る露光装置としてのLEDヘッドを示す概略断面図である。図2において、LEDヘッド3にはレンズアレイ1が配置される。レンズアレイ1はホルダ34に固定されている。30は発光部としてのLED素子である。ドライバIC31はLED素子30の発光を制御する。LED素子30及びドライバIC31は配線基板33上に配置される。また、LED素子30は配列ピッチPD(mm)で1列の直線に配列される。LED素子30とドライバIC31はワイヤ32により結線される。41は静電潜像が形成される感光体ドラムである。
本実施例においては、LEDヘッド3は600dpi(dots per inch)の解像度を有し、LED素子30が1インチ当たり(1インチは約25.4mm)600個配置されている。すなわち、LED素子30の配列ピッチPDは0.0423mmである。
次に実施例1のレンズアレイの構成について説明する。図3は実施例1のレンズアレイを示す平面図、図4は実施例1のレンズアレイを示す断面図で、図3のA−Aで切断した断面図である。両図において、レンズアレイ1はレンズ集合体としての2個のレンズ板11a、11bと遮光部材13とからなる。図4に示すように、レンズアレイ1は、光軸が略一致するように配置されたレンズ板11aとレンズ板11bが、遮光部材13を間に挟んで配置した構成となっている。
レンズ板11aには、図3に示すように、複数のマイクロレンズ12が間隔PYで配列され、さらにマイクロレンズ12の配列方向に直交する方向に間隔PXで2列に配列される。本実施例においては、PX<PYとなっている。マイクロレンズ12は半径RL、隣接する他の列のマイクロレンズ12との間隔はPNで、一部が隣接するマイクロレンズ12にオーバーラップするように配置される(PN<2RL)。マイクロレンズ12の面間隔すなわち両曲面の頂点間の距離はLT(図4に示す)である。レンズ板11aは発光部の光線を透過する素材により構成される。
図5は遮光部材を示す平面図である。図4、図5において、遮光部材13は発光部の光線を遮光する素材により形成される。遮光部材13には絞りとしての開口部13aが筒状に形成されている。開口部13aの内壁部分は、全体が発光部の光線を吸収する光吸収部13bとして作用するように、日本工業規格(JIS B0601−1994)で定められた方法で測定した、マイクロレンズ12の光軸と略平行な方向で測定した算術平均粗さが所定の値となるように構成されている。
図6は開口部を示す平面図である。開口部13aの平面は、半径がRAの円筒形部分の軸より(PX−TB)/2の位置で軸に略平行な平面で仕切られた形状となっている。ここでTBは図5に示すように、2列の開口部13a間の間隔である。開口部13aの配列間隔は、図5に示すように、マイクロレンズ12の配列間隔に略一致して、間隔PYで形成され、さらにマイクロレンズ12の配列方向に直交する方向に間隔PXで2列に形成される。開口部13aの円筒形部分の軸がマイクロレンズ12の光軸と略一致するように配置される。遮光部材13の光軸方向の長さは図4に示すようにLSである。
実施例1のレンズ板11a、11b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)E48R)を使用し、射出成形により複数のマイクロレンズ12を一体に成形した。マイクロレンズ12の各曲面は、下記数1で表される回転対称高次非球面で構成することにより、高い解像度を得ることができる。下記数1において、関数z(r)は、マイクロレンズ12の光軸に略平行な方向を軸とし、半径方向の座標をrとした回転座標系を示し、マイクロレンズ12の各曲面の頂点を原点とし、レンズアレイ1の物体面から結像面へ向かう方向を正の数で表す。Cは曲率半径、Aは非球面係数4次の係数、Bは非球面係数6次の係数を示す。
Figure 0004906798
また、遮光部材13は、ポリフェニレン・サルファイド(Polyphenylene sulfide、以下PPS)100重量部に対し、添加剤としての繊維径10μmで大きさが50μmのグラスファイバーを67重量部添加したものを用いて、射出成形により作成した。本実施例において光吸収部13bとして作用する、開口部13aの表面は、日本工業規格(JIS B0601−1994)で定められた方法で測定した、マイクロレンズ12の光軸と略平行方向の算術平均粗さが5μmである。
次にレンズアレイ1の詳細について図7を用いて説明する。図7はレンズアレイをマイクロレンズ12の配列方向に略平行で光軸を含む平面で切断した断面図であり、図面の左右方向はマイクロレンズ12の配列と平行な方向である。図7において、レンズアレイ1の物体面から距離LOだけ離れた位置に第1のマイクロレンズ(レンズ板11aに配設されたマイクロレンズ)12aが配置される。さらに、第2のマイクロレンズ(レンズ板11bに配設されたマイクロレンズ)12bが、第1のマイクロレンズ12aと光軸が略一致するように対向して、距離LSを隔てて配置される。レンズアレイ1の結像面は第2のマイクロレンズ12bから光軸方向に距離LI隔てた位置である。
第1のマイクロレンズ12aは、厚みがLT1であり、前側焦点距離がFOであり、光軸方向に第1のマイクロレンズ12aから距離LO1の位置にある物体の像を、光軸方向に距離LI1離れた面に形成する。第2のマイクロレンズ12bは、後側焦点距離がFIであり、第2のマイクロレンズ12bから距離LO2の位置にある物体の像を、光軸方向に距離LI2隔てた位置に形成する。
レンズアレイ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、LS=LI1+LO2に設定され、第2のマイクロレンズ12bからレンズアレイ1の結像面(IP)までの距離LIは、LI2と等しく設定される。
なお、第1のマイクロレンズ12aと第2のマイクロレンズ12bを同じ構成のレンズとすることができる。この場合、第1のマイクロレンズ12aと第2のマイクロレンズ12bは、ともに厚みがLT1であり、前側焦点距離がFOであり、光軸方向に距離LO1の位置にある物体の像を、光軸方向に距離LI1離れた面に形成するとき、レンズアレイ1の物体面から第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、LS=2×LI1に設定され、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る。第2のマイクロレンズ12bからレンズアレイ1の結像面までの距離LIは、LO1と等しく設定され、LI=LOである。
次に実施例1の動作を説明する。まず画像形成装置としての電子写真プリンタ100の印刷動作を説明する。図1において、印刷動作が起動されると、感光体ドラム41の表面が図示しない電源装置により電圧が印加された帯電ローラ42により帯電される。続いて、感光体ドラム41が回転することによって、帯電された感光体ドラム41表面がLEDヘッド3の付近に到達すると、LEDヘッド3によって露光され、感光体ドラム41表面に静電潜像が形成される。静電潜像は現像器5により現像され、感光体ドラム41の表面にトナー像が形成される。
一方、給紙カセット60に収納された用紙101が給紙ローラ61によって給紙カセット60から繰出され、搬送ローラ62、63により、転写ローラ80及び転写ベルト81の付近に搬送される。そして、感光体ドラム41が回転することによって、現像によって感光体ドラム41表面上に形成されたトナー像が転写ローラ80及び転写ベルト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と転写ベルト81によって、感光体ドラム41表面上のトナー像が用紙101上に転写される。
各画像形成部においてトナー像が転写された用紙101は、転写ベルト81の回転によって、定着器9に搬送される。用紙101上のトナー像は定着器9により、加圧しながら過熱することにより溶融し、用紙101上に定着される。さらに用紙101は、搬送ローラ26及び排出ローラ27により、排出部28に排出され、電子写真プリンタ100の印刷動作が終了する。
次に、実施例1の露光装置の動作について図2を用いて説明する。図2において、画像データをもとに電子写真プリンタ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、図2のドライバIC31の制御信号により任意の光量でLED素子30が発光する。LED素子30からの光線はレンズアレイ1に入射し、感光体ドラム41上に結像が形成される。
次に、レンズアレイ1の動作について図7を用いて説明する。図7において、LED素子30の光線は第1のマイクロレンズ12aに入射し、第1のマイクロレンズ12aによって光軸27方向に距離LI1隔てた位置にある中間像面MIP上に中間像28が形成される。さらに第2のマイクロレンズ12bによって中間像の像が形成されることにより、結像面IP上にLED素子30の像が形成される。中間像はLED素子30の倒立縮小像であり、結像面上のLED素子30の像は中間像の第2のマイクロレンズ12bによる倒立拡大像である。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との間では物体面上の各点からの光線の主光線25が略平行である、いわゆるテレセントリックになっている。このようにしてレンズアレイ1はLED素子30の正立等倍像を形成する。LED素子30からの光線のうち、結像に寄与しない光線は遮光部材13により遮断される。
なお、第1のマイクロレンズ12aと第2のマイクロレンズ12bを同じ構成のレンズとした場合もレンズアレイ1はLED素子30の正立等倍像を形成する。この場合、LED素子30の光線は第1のマイクロレンズ12aに入射し、第1のマイクロレンズ12aによって光軸方向に距離(LS/2)隔てた位置の中間像面MIP上に中間像が形成される。さらに第2のマイクロレンズ12bによって中間像の像が形成されることにより、結像面上にLED素子30の像が形成される。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。
次に、マイクロレンズ12の光学特性について、図8を用いて説明する。図8はレンズアレイをマイクロレンズ12の配列方向に略平行で光軸を含む平面で切断した断面図であり、図面の左右方向はマイクロレンズ12の配列と略平行な方向である。図8において、第1のマイクロレンズ12aの前側焦点距離はFOで、第1のマイクロレンズ12aの第1主平面H1−1から第1焦点面FP1−1までの距離がFOで、物体面までの距離はSOである。また、第2のマイクロレンズ12bの後側焦点距離はFIで、第2のマイクロレンズ12bの第2主平面H2−2から第2焦点面FP2−2までの距離がFIで、結像面までの距離はSIである。
ここで、距離SOと距離LOの差は第1のマイクロレンズ12aの物体面側の曲面の曲率半径に反比例し、距離SIと距離LIの差は第2のマイクロレンズ12bの結像面側の曲面の曲率半径と反比例する。本実施例のレンズアレイ1においては、マイクロレンズ12の各曲面の曲率半径はともに大きく、距離SOと距離LOの差及び距離SIと距離LIの差はともに無視できて、SO≒LOかつSI≒LIである。
さらに、第1のマイクロレンズ12aと第2のマイクロレンズ12bとの間では物体面上の各点からの光線の主光線が光軸と略平行であり、特に遮光部材13の内壁の直近を通る光線(図8に示した光線20)の周辺光線は遮光部材13によって遮断されることと、図8に示した光線20と物体面と第1のマイクロレンズ12aの第1主平面の作る図形の相似関係とから、マイクロレンズ12の光軸27と遮光部材13の開口部13aの内壁との距離の最大値をRAとしたとき、第1のマイクロレンズ12aの視野半径RVは次式数2で示される。
Figure 0004906798
次に、マイクロレンズ12の配列と視野半径RVとの関係について図9を用いて説明する。図9はマイクロレンズの視野を示したもので、マイクロレンズ12を複数の直線に配列したレンズアレイ1の物体面上のLED素子30をアレイに配列したLEDアレイとマイクロレンズ12の光軸の位置関係を物体面上に示したものである。図9では全てのLED素子30が、同列の少なくとも1つのマイクロレンズ12の視野に含まれる視野半径RVが最も小さい場合を示している。図9において、マイクロレンズ12の視野21の視野半径RVは、マイクロレンズ12の配列方向に略垂直でマイクロレンズ12の光軸に略垂直な方向におけるLED素子30(LEDアレイ)とマイクロレンズ12の光軸との距離をXOを用いて、次式で表わすことができる。
Figure 0004906798
上記数2と数3から、マイクロレンズ12の焦点距離をFO、レンズアレイ1と物体面との距離をLO、マイクロレンズ12の光軸と遮光部材13の開口部13aの内壁との距離の最大値をRAとしたとき、レンズアレイ1の動作条件として次式数4が得られる。
Figure 0004906798
図10もマイクロレンズの視野を示すものであるが、図10はマイクロレンズ12を2列に配列した場合において、全てのLED素子30がその2列の少なくとも1つのマイクロレンズ12の視野に含まれ、全てのLED素子30の結像が2列のマイクロレンズ12を通して感光体ドラム41に形成される視野21の視野半径RVが最も小さい場合を示している。つまり、レンズアレイ1が動作するマイクロレンズ12の視野半径RVが最も小さい場合である。このとき視野半径RVはマイクロレンズ12配列方向の間隔PYとマイクロレンズ12の配列方向と略垂直方向の間隔PXを用いて、次式数5で表わされる。
Figure 0004906798
上記数2と数5から、マイクロレンズ12の焦点距離をFO、レンズアレイ1とレンズアレイ1の物体面との距離をLO、マイクロレンズ12の光軸と遮光部材13の開口部13aの内壁との距離の最大値をRAとしたとき、レンズアレイ1の動作条件として次式数6が得られる。
Figure 0004906798
加えて、マイクロレンズ12を1列の直線に配列した場合のレンズアレイ1が動作する条件は、上記数4でXO=0とした場合である。
次に従来のレンズアレイでの解像度低下について図11及び図12を用いて説明する。図11(a)と図11(b)は、それぞれ光軸の略一致する第1のマイクロレンズ12aと第2のマイクロレンズ12bと遮光部材13の開口部13aの一部と光軸から距離RVにあるLED素子30と光線を示した。図11(a)ではマイクロレンズ12の配列方向が図面左右の方向であり、光軸27が図面上下方向となっている。また、図11(b)では、マイクロレンズ12の配列方向が図面手前から奥の方向であり、光軸27が図面上下方向であり、レンズアレイ幅方向外側が図面右方向となっている。図11はマイクロレンズ12の視野内にあるLED素子30から光線が放射された場合を示す。
図11(a)に示されたとおり、マイクロレンズ12の視野内にあるLED素子30から放射された光線の一部は、主光線25として第1焦点面FP1−1で光軸27と交差して第1のマイクロレンズ12aに入射し、光軸27に平行な光線として、開口部13aの内壁付近を通過して第2のマイクロレンズ12bに入射する。このとき、LED素子30から放射された光線の一部は、周辺光線26として第1のマイクロレンズ12aに入射し、中間像面MIPと開口部13aの交差する付近に像EGを形成する。
また、図11(b)に示されたとおり、マイクロレンズ12の視野内にあるLED素子30から放射された光線の一部は、主光線25として第1焦点面FP1−1で光軸27と交差して第1のマイクロレンズ12aに入射し、光軸27に略平行な光線として、開口部13aの内壁付近を通過して第2のマイクロレンズ12bに入射する。このとき、LED素子30から放射された光線の一部は、周辺光線26として第1のマイクロレンズ12aに入射し、中間像面MIPと開口部13aの交差する付近であって、マイクロレンズ12の配列方向に略垂直でマイクロレンズ12の光軸27に略垂直な方向におけるLED素子30から距離XIの位置に像EGを形成する。
図12は、それぞれ光軸の略一致する第1のマイクロレンズ12aと第2のマイクロレンズ12bと開口部13aの一部と光軸から距離RVより遠方にある(マイクロレンズ12の視野外にある)LED素子30の光線を示した。図12(a)ではマイクロレンズ12の配列方向が図面左右の方向であり、光軸27が図面上下方向となっている。また、図12(b)では、マイクロレンズ12の配列方向が図面手前から奥の方向であり、光軸27が図面上下方向であり、レンズアレイ幅方向外側が図面右方向となっている。
図12(a)に示されたとおり、マイクロレンズ12の視野外にあるLED素子30から放射された光線の一部は、周辺光線26として第1のマイクロレンズ12aに入射し、中間像面MIPと第1のマイクロレンズ12aとに挟まれた領域の開口部13a上で像EGを形成する。
また、図12(b)に示されたとおり、マイクロレンズ12の視野外にあるLED素子30から放射された光線の一部は、周辺光線26として第1のマイクロレンズ12aに入射し、中間像面MIPと第1のマイクロレンズ12aに挟まれた領域の開口部13a上であって、マイクロレンズ12の配列方向に略垂直でマイクロレンズ12の光軸27と略垂直な方向におけるLED素子30から距離XIの位置に像EGを形成する。主光線25はLED素子30の結像像を結像面上に形成する。従来のレンズアレイでは像EGの光線は開口部13a上で反射及び散乱して、第2のマイクロレンズ12bに入射し、結像面上に達し、LED素子30の結像と異なる結像面IP上の位置の光量を増加させ、レンズアレイの解像度を低下させるフレアとなっていた。
次に本実施例の光吸収部13bについて説明する。上述のように、本実施例では、遮光部材13の開口部13aの内壁に全面に渡って光吸収部13bが形成されている。本発明者らは、マイクロレンズ12の光軸27と略平行な方向における光吸収部13bの算術平均粗さがさまざまな値となるようにレンズアレイを形成し、評価したところ、算術平均粗さの値が2μm以上のときに、結像の解像度を低下させるフレアを十分抑制することができ、解像度の高いレンズアレイを構成することができた。就中、算術平均粗さの値が2μm乃至20μmとなるように形成したところ、フレアの光量を特に低く抑えることができ、レンズアレイによる結像の解像度を顕著に向上させることができた。
マイクロレンズ12の光軸27と略平行な方向における光吸収部13bの算術平均粗さがさまざまな値となるようにレンズアレイを形成し、評価したところ、算術平均粗さの値が2μm以上のときに、可視光全域の全光反射率がともに3%以下の値となった。さらに、算術平均粗さの値が2μm乃至20μmとなるように形成したところ、可視光全域の全光反射率がともに3%以下の値となった。すなわち、光吸収部13bの可視光全域の全光反射率が0乃至3%となるように構成することにより、像EGの光線の光吸収部13b上で反射が低く抑えられ、レンズアレイの解像度を低下させるほどにはフレアは発生しない。なお、可視光全域の全光反射率は、光吸収部13bを切り出し、光吸収部13b以外の面を、艶消し塗装して反射を無くし、光線入射角度45度の分光光度計(CM3700d、コニカミノルタ製)により可視光全域の全光線反射率を測定した。
図13には光吸収部材の算術平均粗さと可視光全域の全光反射率との関係が示され、図14には光吸収部材の算術平均粗さとレンズアレのMTFとの関係が示してある。ここでMTFとは、振幅伝達関数(Modulation Transfer Function)のことで、露光装置の解像度を示し、露光装置中で点灯しているLED素子の結像の光量のコントラストを示す。100%が結像のコントラストが最も大きく、露光装置としての解像度が高いことを示し、小さいほど光量のコントラストは小さく、露光装置としての解像度は低い。
図13、図14からすると、(ア)算術平均粗さの値が2μm未満のとき、全光反射率が3%を超え、またレンズアレイのMTFが80%未満である。且つ、算術平均粗さの値を小さくするほど、全光反射率の値は大きくなり、またレンズアレイのMTFが小さくなることが分かる。(イ)算術平均粗さの値が2μm以上20μm以下の範囲では、算術平均粗さの値を大きくするほど、全光反射率の値は小さくなり、またレンズアレイのMTFは大きくなる。(ウ)算術平均粗さの値が20μmより大きい場合に、算術平均粗さの値の値を大きくするほど、全光反射率の値は小さくなり、レンズアレイのMTFは大きくなる傾向にあるが、算術平均粗さの値を20μmより大きくしようとすると、材料が金型内を流れず、射出成型で作成することができなかった。また、金型表面に粗面を形成して、遮光部材表面に転写しようとする場合には、算術平均粗さの値を20μmより大きくしようとすると、金型と遮光部材との離型抵抗が大きくなり、金型から遮光部材を取り出すことができなかった。従って、光吸収部材の算術平均粗さを2μm以上20μm以下の範囲にすることが望ましいことがわかる。
一般に射出成型による樹脂の精密成型においては、添加剤の量や大きさによっては、金型内での樹脂の流動性が低下し、金型の細部に樹脂が流れ込まなかったり、成型後の樹脂の内部応力によって、成型後に大きく変形したりして、正確な形状で作成できないことがある。さらに、添加剤の量や大きさによっては、成型後にわずかに変形させただけで破壊されてしまう脆性が生ずる。
本実施例の遮光部材13に用いる樹脂に添加する添加剤としてのグラスファイバーの大きさを30μm乃至300μmとすると、遮光部材13の射出成型の工程において、金型内での樹脂の流動性が十分得られ、開口部13aの形状を正確に作成することができる。また、成型後の遮光部材13が脆性で無く強度が十分である。さらには、所望の算術平均粗さの値が得られ、フレアの光量を低く抑えることができ、レンズアレイによる結像の解像度を向上させることができる。
また、本実施例の遮光部材13に用いる樹脂に添加する添加剤としてのグラスファイバーの添加量を樹脂100重量部に対し、グラスファイバー10重量部乃至100重量部とすると、金型内での樹脂の流動性が十分得られ、開口部13aの形状を正確に作成することができる。また、成型後の遮光部材13が脆性で無く強度が十分である。さらには、所望の算術平均粗さの値が得られ、フレアの光量を低く抑えることができ、レンズアレイによる結像の解像度を向上させることができる。さらには、添加剤としてグラスファイバーの他に同形状で同量の炭素繊維や樹脂を添加したところ、同様の効果が見られた。
また、本実施例の遮光部材13を作成する金型を研削する工程で、金型表面の開口部13aの内壁に対応する箇所に凹凸を形成したところ、開口部13aの内壁の表面に粗面を形成することができ、光軸に略平行な方向の光吸収部13bの算術平均粗さの値が2μm以上のときに、結像の解像度を低下させるフレアを十分抑制することができ、解像度の高いレンズアレイを構成することができた。また、算術平均粗さの値が2μm乃至20μmとなるように形成したところ、フレアの光量を特に低く抑えることができ、レンズアレイによる結像の解像度を顕著に向上させることができた。
次にマイクロレンズ12の焦点距離FOの測定方法について説明する。図15はノーダルスライド法を用いた焦点距離測定器300を示す。焦点距離測定器300は、回転台301と顕微鏡302と光源303が配置される。回転台301は微小な角度で回転可能である。回転台301の回転中心301a位置は、顕微鏡302の光軸304上に配置される。回転台301は被検レンズ12を顕微鏡302の光軸304方向へ移動可能である。光源303は回転台301を挟んで、顕微鏡302の光軸304上に配置される。光源303は回転台301に対して略平行光線を照射する。
マイクロレンズ12の焦点距離の測定においては、まず最初に、図15(a)に示すように、顕微鏡302の物体面を回転台301の回転中心位置に合わせておく。測定するマイクロレンズ12を光軸27が顕微鏡302の光軸304に略一致するように回転台301上に配置する。顕微鏡302の物体面が光源303から遠ざかるように移動していくと、光源303の光線がマイクロレンズ12によって集光され、顕微鏡302の物体面にスポットを形成する。顕微鏡302の物体面上のマイクロレンズ12によって形成するスポットが最小であり、かつ回転台301を微小に回転させてもスポット径が変化しないような位置を探しながら、顕微鏡302の物体面とマイクロレンズ12とを各々の光軸方向へ移動する。
顕微鏡302の物体面上のマイクロレンズ12によって形成するスポットが最小であり、かつ回転台301を微小に回転させてもスポット径が変化しないとき(図15(b)に示す場合)、回転台301の回転中心301aはマイクロレンズ12の主点28と略一致する。すなわち、マイクロレンズ12の第1主平面H1−1と光軸27の交点となる。また、顕微鏡302の物体面の位置はマイクロレンズ12の焦点位置Fである。従って、マイクロレンズ12の焦点距離FOは回転台301の回転中心301aと顕微鏡302の物体面との距離から求められる。
本実施例のLEDヘッドについて、露光像の解像度を示すMTFを測定したところ、80%以上の値を示した。MTF(%)は露光像の光量の最大値EMAX、隣り合う2つの露光像の間の光量の最小値をEMINとしたとき、次式数7 のように定義される。
Figure 0004906798
MTFの測定においては、LEDヘッド3のレンズアレイ1の結像面側(感光体ドラム41側)端面から、距離LI(mm)離れた位置の露光像を顕微鏡デジタルカメラにより撮影し、撮影画像よりLED素子30の結像の光量分布を解析し、前記MTFを算出した。また、MTFの測定においては、LED素子30の配列間隔がPD=0.0423mmであるLEDヘッドを用いた。このときLEDヘッドの解像度は600dpiであり、1インチ当たり(1インチは約25.4mm)600個のLED素子30が配列されている。LEDヘッドに実施例1のレンズアレイを実装しLED素子30を1つおきに発光し測定した。
次に実施例1のレンズアレイを用いたカラー電子写真プリンタを使用して得られた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。カラー電子写真プリンタの画像の評価は、印字領域全面に図16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16において黒ドットは印字ドットを示し、白ドットは非印字ドットを示す。
MTFの値が80%より大きいと筋や濃淡斑のない良好な印字ができたが、MTFの値が80%より小さいと筋や濃淡斑のあった画像ができてしまい、印字が良好でなくなり、その原因としては、本来、印刷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ず、LEDヘッドで形成される像では暗くなければならないが、MTFの値が80%より小さいと、LEDヘッドで形成される像においては、暗くなければならない部分にも光線が入射し、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ところの電位が下がり、トナーが付着してしまうためであると考えられる。
以上説明した実施例1においては、マイクロレンズ12を回転対称高次非球面で構成したが、マイクロレンズの形状はこれに限られない。例えば、アナモフィック非球面や放物面、楕円面、双曲面、コーニック面等の曲面を形成しても良い。また、レンズ板11a、11bは金型に作成された形状を樹脂に転写して形成されているが、樹脂を型に用いてもよく、切削加工により形成しても良い。さらに、レンズ板11a、11bの素材として樹脂を用いているが、ガラスを用いてもよい。また本実施例において、光吸収部13bの可視光全域の全光反射率が0乃至3%となるように構成したが、光吸収部13bにおける光源の光線の反射率を0乃至3%となるように設定してもよい。
また実施例1において、焦点距離FOの測定は、ノーダルスライド法を用いた焦点測定器を用いることに限定されない。さらに、焦点距離に換算可能な数値を測定しても良い。また遮光部材13はPPSを用いて作成したが、他の材料を用いてもよい。また、遮光部材13は射出成型により作成したが、その他の樹脂成型法を用いてもよく、さらには、切削加工や化学エッチングにより作成しても良い。また、光吸収部13bには、光線を吸収する材料で構成された塗料や鍍金や蒸着による被覆層を形成しても良い。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を発光部にしても良く、半導体レーザーを用いても良く、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ーを併用した露光装置でも良い。
以上のように実施例1によれば、レンズアレイ1の遮光部材13の開口部13aに光吸収部13bを設けたので、光源からの光線が結像として集光せずに結像面上に達する、いわゆるフレアの発生を抑えることができ、解像度を向上させることができる効果を奏する。
次に実施例2について説明する。実施例2においては、光吸収部は、開口部13aの内壁の一部に形成される。図17は実施例2のレンズアレイの遮光部材を示す分解斜視図である。図17では、遮光部材13が開口部13aの円筒形部分の軸と略平行な平面で分解され、開口部13aの内壁上の一部に形成した光吸収部13cの形状及び位置が図示されている。光吸収部13cは開口部13aの円筒形部分の軸と略平行、すなわちマイクロレンズ12の光軸と略平行な略帯状である。
図18は実施例2の遮光部材13に形成された開口部13aを示す平面図である。図18において、開口部13aの配列方向は図面上下方向であり、開口部13aは図面左右の方向に2列に配置される。マイクロレンズ12の光軸27方向は図面手前から奥の方向である。開口部13aの内側の2箇所に光吸収部13cが前記配列方向に対向するように設けられている。
図19は図18のC−C断面図、図20は図18のD−D断面図である。図19、図20に示したとおり、実施例2の光吸収部13cは、光軸方向には、開口部13aの第1のマイクロレンズ12a側の端部から中間像面MIPをやや通り過ぎた位置までに渡り、光軸方向に直交する方向には、LED素子30から距離XI離れた位置に配置される。本実施例の遮光部材13は、樹脂の射出成型により作成した。また光吸収部13cは、金型の一部に粗面化部を形成し、形状を樹脂に転写することにより、開口部13aの内壁の一部を粗面化し、光吸収部13cとした。
実施例2のレンズアレイの動作は実施例1と同様である。
ここで実施例2の光吸収部13cが設けられる位置について、実施例1の図11を用いて説明する。図11(b)に示されたとおり、LED素子30から放射された光線の一部は、主光線25として第1焦点面FP1−1で光軸27と交差して第1のマイクロレンズ12aに入射し、光軸27に略平行な光線として、開口部13aの内壁付近を通過して第2のマイクロレンズ12bに入射する。このとき、LED素子30から放射された光線の一部は、周辺光線26として第1のマイクロレンズ12aに入射し、中間像面MIPと開口部13aの交差する付近であって、マイクロレンズ12の配列方向と略垂直でマイクロレンズ12の光軸27と略垂直な方向におけるLED素子30からXIの位置に像EGを形成する。
図11(b)より、主光線25と光軸27と物体面OPと第1主平面H1−1に囲まれた2つの三角形の相似の関係と、SO≒LOとから、次式数8が得られる。
Figure 0004906798
このとき、像EGは物体よりも大きなスポットとなって形成されることを考慮して、光吸収部13cは幅を持った帯状に形成すると良い。従って、光吸収部13cの配置される位置は、次式数9のように示される。
Figure 0004906798
さらに、レンズアレイ1にマイクロレンズ12が2列に配置されている場合、実施例1の図10より、XO=PX/2である。これを上記数9に代入して次式数10が得られる。
Figure 0004906798
一般に金型表面を粗面化して射出成型を行うと、金型から成型部品を取り出す際の、成型部品と金型表面との間の離型抵抗が増加して、金型の形状が正確に成型部品に転写されない、または、金型から成型部品を取り出すことができない、等の不具合が発生する。しかしながら、実施例2では、光吸収部13cを作成する領域を小さくできる、すなわち、金型表面の粗面化する領域を限定することができ、遮光部材13の形状を正確に作成することができる。
また、光吸収部13cを光線を吸収する材料を塗料として塗布したり、鍍金したり、蒸着するなどして光吸収層を形成することもできる。本実施例では、光吸収部13cを作成する領域を小さくできるので、効率よく作成できる。
以上説明したように実施例2によれば、実施例1と同様に、物体からの光線が結像として集光せずに結像面上に達する、いわゆるフレアの発生を抑えることができ、解像度を向上させることができるという効果に加えて、光吸収部13cを作成する領域を小さくできるので、光吸収部を効率的に作成することができ、レンズアレイの生産性を向上させることができる。
次に実施例3について説明する。実施例3は読取装置におけるレンズアレイに係るものである。図21は実施例3のレンズアレイが適用される読取装置を示す概略構成図である。
図21において、500は、原稿の電子データを生成する読取装置としてのスキャナである。スキャナ500には、読取ヘッド400、原稿台502、レース503、滑車504、駆動ベルト505およびモータ506が設けられている。読取ヘッド400は原稿表面で反射した光線を取り込み電子データに変換する。読取ヘッド400はレール503上に移動可能に配置される。読み取りが行われる原稿507は原稿台502上に置かれる。原稿台502は可視光線を透過する素材で構成される。読取ヘッド400には照明装置としてのランプ501が設けられ、ランプ501で照射された光が原稿表面で反射し、読取ヘッド400内に取り込まれるよう配置される。また駆動ベルト505は、複数の滑車504により張架され、駆動ベルト505の一部は読取ヘッド400の一部に接続される。駆動ベルト505はモータ506により駆動され、読取ヘッド400を移動させる。
次に図22を用いて読取ヘッド400の構成を説明する。図22は読取ヘッドの構成を示す構成図である。図22において、402は原稿507で反射された光線の光路を折り曲げるミラーである。レンズアレイ403は原稿画像の結像を形成する。ラインセンサ401は複数の受光素子が間隔PRで直線状に配置されており、原稿画像の結像を電気信号に変換する。レンズアレイ403は遮光部材413と遮光部材413を挟んでその両側に配設されたマイクロレンズ412a、412bとにより構成される。
また実施例3の読取ヘッド400の構成と物体面(原稿)との配置を図23に示した。図23において、実施例3のレンズアレイ403の構成は実施例1及び実施例2のものと同様である。本実施例においては、ラインセンサ401は600dpiの解像度であり、受光素子が1インチ当たり(1インチは約25.4mm)600個配置されている。すなわち、受光素子の間隔PRが0.0423mmである。
次に実施例3の動作を説明する。図21において、ランプ501が点灯し原稿507の表面を照射することにより、原稿表面で反射した光線が読取ヘッド400内に取り込まれる。モータ506により駆動ベルト505が駆動され、読取ヘッド400とランプ501が図面の左右方向に移動し、読取ヘッド400は、原稿507全面から反射した光線を取り込む。
次に図22にしたがって読取ヘッド400の動作を説明する。原稿507で反射された光線は原稿台502を透過し、ミラー402により光路が折り曲げられ、レンズアレイ403に入射する。レンズアレイ403により結像された原稿画像の結像はラインセンサ401上に形成される。ラインセンサ401は形成された原稿画像の結像を電気信号に変換する。
実施例3のスキャナ500を用いて原稿507から画像データを形成したところ、原稿507と同一の良好な画像データが得られた。実施例3のスキャナ500を用いて読み取った原稿507は、図16におけるドットの間隔PD=0.0423mm、解像度600dpiとしたものである。つまり、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原稿を用いた。
本実施例においては、原稿画像を電子データに変換する読取装置としてのスキャナを例に説明したが、光学的信号を電気的信号に変換するセンサやスイッチ、及びそれらを用いた入出力装置、生態認証装置、通信装置あるいは寸法測定器にも本発明は適用可能である。本実施例のレンズアレイを用いることにより、コントラストが高く、焦点深度が高く、十分な明るさの原稿画像の結像を形成することができる。また、本実施例の読取装置によって原稿と同一の画像データを得ることができた。
実施例1に係る画像形成装置としての電子写真プリンタを示す概略構成図である。 本発明に係る露光装置としてのLEDヘッドを示す概略断面図である。 実施例1のレンズアレイを示す平面図である。 実施例1のレンズアレイを示す断面図である。 実施例1の遮光部材を示す平面図である。 開口部を示す平面図である。 実施例1のレンズアレイを示す断面図である。 マイクロレンズの光学特性を示す説明図である。 マイクロレンズの視野を示す平面図である。 マイクロレンズの視野を示す平面図である。 レンズアレイでの解像度低下を説明するための説明図である。 レンズアレイでの解像度低下を説明するための説明図である。 光吸収部材の算術平均粗さと可視光全域の全光反射率との関係図である。 光吸収部材の算術平均粗さとレンズアレのMTFとの関係図である。 焦点距離測定器を示す説明図である。 評価印字ドットを示す説明図である。 実施例2のレンズアレイの遮光部材を示す分解斜視図である。 実施例2の遮光部材に形成された開口部を示す平面図である。 図18のC−C断面図である。 図18のD−D断面図である。 実施例3のレンズアレイが適用される読取装置を示す概略構成図である。 読取ヘッドの構成を示す構成図である。 実施例3の読取ヘッドの構成と物体面(原稿)との配置を示す説明図である。
符号の説明
1 レンズアレイ
3 LEDヘッド
11a、11b レンズ板
12a、12b マイクロレンズ
13 遮光部材
13a 開口部
13b、13c 光吸収部
30 LED素子
100 電子写真プリンタ
500 スキャナ

Claims (15)

  1. 複数のマイクロレンズが直線状に配列された複数のレンズ集合体と、
    絞りとしての開口部を複数有し、前記複数のレンズ集合体に対して該複数の開口部が前記複数のマイクロレンズにそれぞれ対向するように配設された遮光部材とを有し、
    前記レンズ集合体の各マイクロレンズの光軸はレンズ集合体間で対向するマイクロレンズの光軸に略一致するとともに各マイクロレンズの光軸は前記遮光部材の前記開口部を通過し、
    前記開口部に光を吸収する光吸収部を設け、
    前記光吸収部における可視光全域の全光反射率が0乃至3パーセントであり、
    前記レンズ集合体における前記マイクロレンズは、複数のレンズ列を形成するように配列され、前記レンズ列内の前記マイクロレンズの配列間隔をPY、前記レンズ列の配列間隔をPXとしたとき、PX<PYであり、
    前記光吸収部は前記マイクロレンズの光軸方向に略平行な略帯状体であり、
    前記マイクロレンズの焦点距離をFO、前記マイクロレンズと物体面との距離をLO、前記マイクロレンズの配列方向に略垂直で前記マイクロレンズの光軸に略垂直な方向における物体と前記光軸との距離をXO、前記マイクロレンズの配列方向に略垂直で前記光軸に略垂直な方向における物体と前記光吸収部との距離をXIとしたとき、
    Figure 0004906798
    であることを特徴とするレンズアレイ。
  2. 複数のマイクロレンズが直線状に配列された複数のレンズ集合体と、
    絞りとしての開口部を複数有し、前記複数のレンズ集合体に対して該複数の開口部が前記複数のマイクロレンズにそれぞれ対向するように配設された遮光部材とを有し、
    前記レンズ集合体の各マイクロレンズの光軸はレンズ集合体間で対向するマイクロレンズの光軸に略一致するとともに各マイクロレンズの光軸は前記遮光部材の前記開口部を通過し、
    前記開口部に光を吸収する光吸収部を設け、
    前記光吸収部における可視光全域の全光反射率が0乃至3パーセントであり、
    前記レンズ集合体における前記マイクロレンズは、複数のレンズ列を形成するように配列され、前記レンズ列内の前記マイクロレンズの配列間隔をPY、前記レンズ列の配列間隔をPXとしたとき、PX<PYであり、
    前記光吸収部は前記マイクロレンズの光軸方向に略平行な略帯状体であり、
    前記マイクロレンズは該マイクロレンズの光軸に対して略垂直な方向に配列間隔PXで2列に配列され、前記マイクロレンズの焦点距離をFO、前記マイクロレンズと物体面との距離をLO、前記マイクロレンズの配列方向に略垂直で前記光軸に略垂直な方向における物体と前記光吸収部との距離をXIとしたとき、
    Figure 0004906798
    であることを特徴とするレンズアレイ。
  3. 前記光吸収部における光源の光線の反射率が0乃至3パーセントである請求項1記載のレ
    ンズアレイ。
  4. 前記光吸収部は粗面部により形成される請求項1又は2記載のレンズアレイ。
  5. 前記光吸収部は前記マイクロレンズの光軸方向の算術平均粗さが2μm乃至20μmである請求項1、2又は4記載のレンズアレイ。
  6. 前記遮光部材はフィラーを添加した樹脂により形成される請求項1、2又は4記載のレンズアレイ。
  7. 前記フィラーの大きさは30μm乃至300μmである請求項6記載のレンズアレイ。
  8. 前記フィラーの添加量は、前記樹脂100重量部に対して10重量部乃至100重量部である請求項6又は7記載のレンズアレイ。
  9. 前記光吸収部は粗面部が形成された型の形状が転写されている請求項4記載のレンズアレイ。
  10. 前記光吸収部は光吸収材料の被覆層により形成される請求項4記載のレンズアレイ。
  11. 互いに隣接する前記マイクロレンズの光軸間の距離をPN、前記マイクロレンズの光軸から外周部までの距離の最大値をRLとしたとき、RL>PN/2である請求項1〜10のいずれかに記載のレンズアレイ。
  12. 請求項1〜11のいずれかに記載のレンズアレイを用いた露光装置。
  13. 請求項1〜11のいずれかに記載のレンズアレイを用いたLEDヘッド。
  14. 請求項1〜11のいずれかに記載のレンズアレイを用いた画像形成装置。
  15. 請求項1〜11のいずれかに記載のレンズアレイを用いた読取装置。
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