JP5222161B2 - 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、物体の正立等倍像を形成するように複数のレンズからなるレンズ群を構成し、このレンズ群を略直線状に配列して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、この複数のレンズを射出成型で一体に形成することにより部品点数を少なく構成するようにしているものがある(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、素材の収縮および膨張による各部材の相対的な位置ずれや形状の差を抑制し、解像度の低下を防止す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。
図4は、第1の実施例におけるLEDヘッドの概略断面図であり、図3におけるAA断面図である。
本実施例においては、LEDヘッド3は600dpi(dots per inch)の解像度であり、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が間隔PDを0.0423mmとして配列されている。
図1において、レンズユニット1は、レンズ素子の集合体としてのレンズアレイ10と遮光部材20とからなる。
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が配列間隔PYとして略直線状に平行する2列に配列されている。また、レンズユニット1には、2枚の略同一形状のレンズアレイ10が対向して配置されている。すなわち、レンズユニット1は、光軸が一致するように配置された2枚のマイクロレンズ12からなるレンズ群を、光軸に対して略直交する方向に2列に配置した構成となっている。なお、レンズアレイ10は、発光部の光線を透過する素材により形成されている。
レンズアレイ10は、マイクロレンズ12が配列された方向に長い、長尺な形状であり、マイクロレンズ12の配列方向の各位置で素材の組成や密度等の特性(素材特性の分布)が僅かに異なっている。したがって、製造工程におけるレンズアレイ10の加熱や冷却および使用環境における温度や湿度の変化により、レンズアレイ10が収縮または膨張するとき、マイクロレンズ12の配列方向の各位置で収縮率または膨張率が異なってくる。
遮光部材20には、絞りとしての開口部22がレンズアレイ10のマイクロレンズ12の配置に対応するように貫通孔として形成されている。その開口部22の配列間隔はレンズアレイ10のマイクロレンズ12の配列と同じであり、マイクロレンズ12の光軸と開口部22の位置が一致するように配置されている。また、開口部22は、その光軸に対して略直交する方向に配列されている。
また、2枚以上のレンズアレイ10でレンズユニット1を構成することもできる。
遮光部材20の凹部23にレンズアレイ10の位置決め部13を挿入することにより、レンズアレイ10と遮光部材20のマイクロレンズ12の配列方向の相対的位置を定め、遮光部材20の突き当て部24にレンズアレイ10の凸部14を突き当てることにより、レンズアレイ10と遮光部材20のマイクロレンズ12の配列方向および光軸方向と直交する方向の位置を定める。
レンズユニット1はマイクロレンズ12の配列方向に長い、長尺な形状であるため、本発明と異なる構成のレンズユニット、すなわち位置決め部13および凹部23を該レンズユニットの一方の端部に配置したレンズユニットの場合、該レンズユニットの他方の端部は、位置決め部13および凹部23から離れているため、素材の膨張または収縮によって、光学特性が変化するほどマイクロレンズ12の光軸と絞りとしての開口部22の位置にずれが生じることが考えられる。
凸部14はレンズアレイ10のマイクロレンズ12の配列方向に沿った複数の位置に配置され、また突き当て部24は凸部14と当接するように遮光部材20の開口部22の配列方向に沿った複数の位置に配置されている。
図6は第1の実施例におけるレンズユニットの断面図であり、図5のBBの位置におけるマイクロレンズ12の配列方向と直交する平面による断面図である。
レンズアレイ10の位置決め部13が遮光部材20の凹部23に挿入されてマイクロレンズ12の配列方向におけるレンズアレイ10と遮光部材20との相対的な位置が定められる。
図7において、レンズユニット1は、2枚のレンズアレイ10のマイクロレンズ12の光軸AX1が一致し、さらに遮光部材20の開口部22の位置が光軸AX1に一致している。
図8は、第1の実施例におけるレンズアレイの平面図である。
図8において、レンズアレイ10には、複数のマイクロレンズ12が平行する2列の略直線に交互に、すなわち千鳥状になるようにジグザグに配置され、各列で並ぶそれぞれのマイクロレンズ12の間隔はPY、二つの平行する列、すなわちマイクロレンズ12の配列方向と直交する方向の間隔はPXである。
それぞれのマイクロレンズ12の半径はRLであり、隣接するマイクロレンズ12の中心間を距離PNとして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、隣接するマイクロレンズ12と接する部分は光軸と平行な平面によって切断された形状となって連結さている。また、レンズアレイ10には、マイクロレンズ12の配列方向と平行にリブ11が形成されている。
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。
また、開口部22は、隣接するマイクロレンズ12に対応してその中心間を距離PNとして形成され、さらにマイクロレンズ12の配列方向と直交する方向に間隔TBが保持されるように形成されている。
図10は、第1の実施例における遮光部材の開口部の平面図である。
図10において、開口部22は半径RAの円、および半径RAの円の中心から(間隔PX―間隔TB)/2の位置におけるマイクロレンズ12の配列方向と平行する直線からなる形状である。この開口部22の半径RAの円の中心は、マイクロレンズ22の光軸AX1と一致するように配置されている。
次にレンズユニット1の詳細を図11の第1の実施例におけるレンズアレイの動作を示す説明図に基づいて説明する。図11はレンズアレイ10を含むレンズユニット1および物体面OPならびに結像面IPの断面図であり、隣接する2つのマイクロレンズ12の光軸AX1を含む平面による断面図、すなわち図8および図9における直線DDの位置における断面図である。
第1のマイクロレンズ12aは、厚みがLT1であり、光軸AX1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。
このようにレンズユニット1は、遮光部材20を挟んで2個のレンズアレイ10は表裏が逆となるように対向して結像面に結像できる間隔で保持されている。遮光部材20を挟んで2個のマイクロレンズ12が光軸を一致させて共役の位置に配置され、正立等倍率の光学系が形成される。このように光軸が一致する2個のマイクロレンズ12からなる光学系は、LED素子30の像を感光体ドラム41の表面に正立等倍率で結像することができる。
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。さらに、第2のマイクロレンズ12bによってその中間像30bの像である結像30cが結像面IP上に形成されることにより、物体30aの結像30cが結像面IP上に形成される。このとき、結像30cは物体30aの正立等倍像になっている。
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が平行である、いわゆるテレセントリックになっている。
また、LED素子30からの光線は第1のマイクロレンズ12aから射出された後、結像に寄与しない光線は遮光部材20により遮光される。
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を同じ構成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。
このようにして第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ユニット1はLED素子30の正立等倍像を形成する。
本発明のレンズユニット1において、2枚のレンズアレイ10のうち、一方のレンズアレイ10は、他方のレンズアレイ10に対してマイクロレンズ12の配列方向と平行な直線を回転軸として180度回転されて配置されるため、一方のレンズアレイ10の素材特性の分布と他方のレンズアレイ10の素材特性の分布が略一致し、温度や湿度の変化によってレンズアレイ10が収縮または膨張しても、各マイクロレンズ12の光軸は一致する。
さらに、レンズユニット1の動作を図11および図12の第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に基づいて説明する。
ここで、倍率m1、m2は、マイクロレンズ12が形成する中間像の大きさの、物体の大きさに対する比であり、詳述すると図11において第1のマイクロレンズ12aから距離LI1離れた中間像面IMP上に形成される中間像30bの大きさの、第1のマイクロレンズ12aから距離LO1離れた物体面OP上の物体30aの大きさに対する比である。
本実施例では、長手方向の各位置でのマイクロレンズ12の形状や屈折率などの光学特性の精度を緩和することができる。
ここで、MTFとは、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30の結像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、露光装置の解像度は低い。
MTF=(EMAX−EMIN)/(EMAX+EMIN)×100(%)
のように定義される。
このMTFの測定においては、LEDヘッド3のレンズユニット1の結像面IMP上、第2のマイクロレンズ12bの結像面側レンズの頂点から距離LI(mm)離れた位置の結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、このMTFを算出した。
さらに、MTFの値と画像形成装置の画像品質について説明する。
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。
その結果、露光装置の結像の良好なコントラストが得られ、画像形成装置で鮮明な画像を得ることができるという効果が得られる。
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としたものである。つまり、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原稿を用いた。
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
11 リブ
12 マイクロレンズ
13 位置決め部
14 凸部
20 遮光部材
21 リブ
22 開口部
23 凹部
24 突き当て部
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 (7)
- 複数のレンズ素子が光軸に対して略直交する方向に延在する列を形成するように配列されたレンズアレイと、前記光軸が通過する複数の絞りが前記光軸に対して略直交する方向に延在するように配列された遮光部材とを有するレンズユニットにおいて、
前記レンズアレイは、
前記レンズ素子の配列方向の略中央に配置された第1の位置決め部と、
前記レンズ素子の配列方向に沿った複数の位置に配置された第1の凸部と、
を備え、
前記遮光部材は、
前記絞りの配列方向の略中央に配置され、前記第1の位置決め部に係合する第2の位置決め部と、
前記絞りの配列方向に沿った複数の位置に配置され、前記第1の凸部に係合する第2の凸部と、
を備え、
前記第1の凸部は、前記第2の凸部に対して前記レンズ素子の配列方向において変位可能であるとともに、前記第2の凸部によって前記レンズ素子の配列方向に略直交する方向への移動が規制され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、
前記レンズ素子は、一体に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または請求項2のレンズユニットを有することを特徴とするLEDヘッド。
- 請求項1または請求項2のレンズユニットを有することを特徴とする露光装置。
- 請求項1または請求項2のレンズユニットを有することを特徴とする画像形成装置。
- 請求項1または請求項2のレンズユニットを有することを特徴とする読取装置。
- 請求項1または請求項2のレンズユニットにおいて、
前記遮光部材は、複数の第1のレンズ素子を有する第1のレンズアレイが配置される第1の側と、複数の第2のレンズ素子を有する第2のレンズアレイが前記第1のレンズアレイに対向するように配置される第2の側と、を有し、
前記遮光部材は、前記第1のレンズ素子の光軸と、前記第2のレンズ素子の光軸と、が一致するように前記第1のレンズアレイおよび前記第2のレンズアレイを保持することを特徴とするレンズユニット。
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