JP6108889B2 - 発光装置およびプリンタ - Google Patents

Description

本発明は発光装置とプリンタに関し、詳しくは複数の発光素子を含む発光装置と、それを用いたプリンタに関するものである。

表示装置や照明装置、電子写真プリンタの露光光源など、発光素子がライン状又はマトリクス状に複数個配列した発光装置が開発され、製品化されている。複数の発光素子を含む装置は、発光素子の発光光量が均一であることが求められる。

発光素子がマトリクス状に配列した表示面をもつ表示装置は、表示面における光量すなわち輝度が不均一になると、色ムラが生じたり、画像がざらついて見える。

発光素子がライン状に配列した露光光源をもつ電子写真プリンタは、発光素子間の輝度バラツキが印刷された画像にスジ状のムラとなって現れ、印刷画像の品質を低下させる。

光量の不均一を生じる原因は、発光素子の特性ばらつきだけではない。各発光素子には、駆動電流を供給する駆動回路が付随しており、駆動回路に含まれるトランジスタの特性がばらつくと、電流が不均一になり、光量にムラが生じる。

トランジスタの閾値電圧のばらつきを補償する駆動回路が特許文献１および特許文献２に提案されている。閾値電圧のばらつきが駆動回路内で吸収され、閾値電圧に依存しない電流が生成される。

トランジスタの閾値電圧ばらつきをなくしても、トランジスタを構成する半導体のキャリア移動度にばらつきがあると、電流の不均一さは解消されない。また、駆動回路をさらに改良して電流の不均一さをすべて解消したとしても、発光素子の発光効率に不均一があると、光量のムラは残ってしまう。プリンタの露光装置として用いるときは、発光した光がレンズアレイを通して感光体を照射するので、レンズアレイのもつ光学的な不均一さがこれに加わる。

光量の不均一をなくす別の方法として、発光素子の光量を測定し、それに基づいて駆動回路に入力する画像データを補正することが考えられる。この補正は、上のような駆動回路内の補償ではないので、外部補正と呼ばれる。特許文献３は、電子写真プリンタの露光ヘッドについて、発光素子の光量の標準値からのずれを測定し、補正テーブルに基づいて階調信号を補正する発明を開示する。

外部補正方式では、光量の測定値に基づいて定めた補正パラメータを、発光素子ごとにメモリに記憶しておき、これをもとに画像データを補正する。

画像データは、通常、ディジタル信号の形で、コンピュータなどの外部機器から送られてくる。画像データは、発光素子の光量を指定する信号であり、点灯と消灯の他、中間的な光量を指定する階調情報を含む階調信号である。

階調信号は、補正回路を経て補正される。補正回路は、補正演算を行う回路、または階調信号のレベルごとに補正値を定めた参照テーブルを備えており、入力された階調信号を同じディジタルの階調信号に補正する。参照テーブルは発光素子と同じ数だけあり、メモリに蓄えられている。

補正された階調信号は、ディジタル・アナログ変換器（以下、ＤＡコンバータという）によってアナログ電圧信号に変換される。ＤＡコンバータは、ディジタル信号をデコードして、その結果から、１つの電圧を選択し出力する回路である。出力する電圧は、階調レベルと同じ数があらかじめ用意されている。

補正回路とＤＡコンバータは、全ての駆動回路と発光素子に共通に設けられるので、光量の不均一の原因にはならない。ＤＡコンバータから出力される電圧信号が補正され調整されることによって、ＤＡコンバータより後の、駆動回路、発光素子、レンズアレイを原因とする光量の不均一がキャンセルされる。

特表２００２−５１４３２０号公報（図３） 特表２００９−５０８１６８号公報（図１Ａ、図４Ａ，図５Ａ） 特開２００５−２２５１６６号公報（段落００２４−００２７）

光量のばらつき範囲が大きいと、それをキャンセルするために電圧信号の範囲を広くしなければならない。すなわち、補正された階調信号は、もとの階調信号よりも広い範囲の電圧信号を生成するものでなければならない。

また、精度の高い補正を行うには、電圧信号を細かく調整しなければならない。したがって、補正後の階調信号は、もとの階調信号より階調レベル数の多い信号にする必要がある。

階調範囲を広げ、階調レベルを増やすために、補正後の階調信号のビット数は、もとの階調信号のビット数より大きくなる。しかし、補正演算回路やＤＡコンバータは、扱うディジタル信号のビット数が１ビット増えるだけで回路規模が２倍もしくはそれ以上になり、ビット数の増加に伴って急激に回路規模が増大する。

本発明は、複数の発光素子と、前記複数の発光素子の各々に設けられた駆動回路と、ディジタルの階調信号が入力され、前記階調信号に基づく電圧信号を生成し前記駆動回路に供給する信号供給回路とを有する発光装置であって、
前記信号供給回路は、前記複数の発光素子の各々の補正係数を記憶するメモリと、前記メモリから読み出された前記補正係数を用いて前記階調信号を補正する補正演算回路と、補正された前記階調信号によって複数の出力電圧の１つを選択し、前記電圧信号として出力するＤＡコンバータとを含み、前記ＤＡコンバータは、前記補正された階調信号と前記発光素子の光量の間に線形関係を生じさせるように前記出力電圧が設定されており、
前記駆動回路は、ゲート−ソース間電圧によってドレイン電流が制御されるトランジスタと、前記トランジスタのゲートに一端が接続された容量とを有し、前記トランジスタの閾値電圧に前記電圧信号に応じた電圧を上乗せした電圧が前記容量に保持された状態で、前記ドレイン電流を前記発光素子に供給する回路であることを特徴とする。

本発明によれば、補正演算回路やＤＡコンバータの回路規模を大きくすることなく、光量のバラツキを補正することができる。

本発明の実施形態である発光装置の構成を示すブロック図である。 実施形態の発光装置における、（ａ）駆動回路と（ｂ）ＤＡコンバータの入出力特性と、（ｃ）その合成特性である。 ＤＡコンバータの構成を示す図である。 実施形態の発光装置における階調信号と光量の線形関係を示す図である。 実施形態の発光装置における駆動回路と発光素子の回路図である。 階調信号と光量の関係及びそのばらつきを示す図である。 実施例１の補正方法を表す図である。 実施例１の補正演算回路の構成を示すブロック図である。 実施例１の変形例と実施例２の補正演算回路の構成を示すブロック図である。 実施例２のガンマ値にばらつきがあるときの階調信号と光量の関係を示す図である。 実施例２の補正方法を表す図である。 本発明の実施形態である露光ヘッドの基板上の回路と配線を示す図である。 露光ヘッドの基板上に配置されている信号供給回路の構成を示すブロック図である。 露光量範囲の変更に伴う階調信号の変換が可能な信号供給回路の構成を示すブロック図である。 露光量範囲の変更に伴う階調信号の変換方法を示す図である。

図１は本発明の実施形態である発光装置の構成を示す概略図である。

発光装置１は有機ＥＬ素子などの発光素子を含む電子写真プリンタの露光ヘッドであり、パソコンなどの外部回路から来る４ビットのディジタル階調信号によって１６段階の光量が制御されるものとする。表示装置では、８ビットないし２４ビットの階調信号で、光量がさらに多段階に制御される。

不図示の外部装置から発光装置１に送られてくるディジタル階調信号Ｄ０は、発光素子２の並びの順でシリアルに送られてくる。

送られてきた階調信号Ｄ０は、信号供給回路４の補正演算回路５に入る。補正演算回路５は、入力された階調信号Ｄ０に対応する補正係数αをメモリ６から読み出し、階調信号Ｄ０に補正演算を施す。メモリ６には、発光素子２の並び順に各発光素子の補正係数αが記憶されている。

補正演算回路５で補正されたこれもディジタルの階調信号Ｄ１は、ＤＡコンバータ７によってアナログ電圧に変換され、電圧信号ＶＤとして信号供給回路４から出力される。

電圧信号ＶＤは、対応する発光素子の駆動回路３に入力され、駆動回路３で駆動電流Ｉｄに変換される。駆動電流Ｉｄは発光素子２に流れ、発光素子が発光する。

発光装置１が表示装置の場合は、発光素子から出た光の表示面における強度が輝度Ｌ０となる。

発光装置１が電子写真プリンタの露光ヘッドの場合は、発光素子を出た光がレンズアレイ（ＭＬＡ）８に入り、レンズ作用によって集光され、感光体９の表面に結像する。感光体表面の単位面積に照射される光束の強度Ｌ１が各発光素子の光量の指標である。

以下では、表示装置や照明装置における発光面の輝度Ｌ０と、露光装置における感光体上の光束の強度Ｌ１を、ともに光量と呼び、符号Ｌで表すことにする。

駆動回路３に入力される電圧信号ＶＤと生成される電流Ｉｄの間には、通常、図２（ａ）に示すような非線形関係がある。信号供給回路４は、この非線形性を考慮して、ＤＡコンバータ７のディジタル入力とアナログ出力の間に、図２（ｂ）のような逆の非線形性を持たせ、これらを合成して階調信号Ｄ１と電流Ｉｄの間に図２（ｃ）の線形関係を生じさせる。

駆動回路が生成する電流Ｉｄと発光素子２の輝度Ｌ０の間にも非線形の関係があるとき、さらに、レンズアレイ８に入る光と出る光の間にも非線形の関係があるときは、それらの非線形性も含めて、階調信号Ｄ１と最終的な光量Ｌとの間に線形関係が成り立つようにＤＡコンバータ７が設計される。

図３はＤＡコンバータ７の構成を示す回路図である。ここでは３ビットの入力信号Ｄが入り、８段階の出力ＶＤとなるが、ビット数が異なっても構成は同じである。

ＤＡコンバータは、周知の通り、ディジタル入力Ｄをデコーダ２２でデコードして、その結果から、信号線２３の１つを選択し、選択された信号線のアナログスイッチ２１がオンになって、電圧レベルＶ１−Ｖ８の１つが出力ＶＤとなるものである。最大電圧Ｖｍａｘと最小電圧Ｖｍｉｎは，抵抗Ｒ１とＲ９および電源電圧Ｖ_ＰＳを調節して決める。電圧レベルＶ１−Ｖ８は、ＶｍａｘとＶｍｉｎの間の抵抗分割で決まり、８つのバッファアンプ２０から出力される。電圧間隔は、抵抗Ｒ２−Ｒ８の値によって任意に設定できるので、入力Ｄと出力ＶＤの関係が自由に設計できる。

ところで、図１の発光装置１は複数の発光素子２と駆動回路３を含んでおり、補正をしないと、発光素子２の特性ばらつきと駆動回路３の特性ばらつきによって、輝度Ｌ０には不均一が生じる。

発光素子２の輝度Ｌ０はそれに流れる電流Ｉｄに比例するが、比例係数は発光効率に依存しており、発光素子ごとにばらつく。また、駆動回路３は、電流を生成する駆動トランジスタを含んでおり、駆動トランジスタの閾値電圧やキャリアの移動度が駆動回路ごとにばらついている。

発光装置１が露光ヘッドの場合は、駆動回路３や発光素子２の特性ばらつきに加えて、レンズアレイ（ＭＬＡ）８のレンズ間隔に依存した集光バラツキがあり、感光体９の上の光量Ｌ１はさらに不均一さが増す。

これらの不均一を解消するために、あらかじめ表示面または感光体面上で光量Ｌを発光素子ごとに測定し、測定した光量の不均一さをメモリ６に記憶させ、入力された階調信号Ｄ０をメモリの内容に応じて補正する。補正は、補正演算回路５によって行われる。

図４は、外部から発光装置に入力される階調信号Ｄ０と、光量Ｌの関係を示したものである。

階調信号Ｄ０に補正を行わず、そのままＤＡコンバータに入れて電圧信号に変換すると、光量Ｌは、Ｓ１やＳ２のように発光素子ごとにばらつく。

標準の光量Ｓ０については、駆動回路の非線形特性をＤＡコンバータの逆非線形特性によってキャンセルし、階調信号Ｄ０と光量Ｌの間に線形関係が形成されている。しかし、標準から外れたＳ１やＳ２の発光素子は、通常は、次に説明する理由により、非線形性が相殺されず、図４のような線形関係にはならない。

駆動回路は、電圧信号ＶＤがある値Ｖ１を超えない範囲にあるときは電流を生成しない。電圧信号ＶＤがＶ１を超えたときに、超えた分に応じた電流を生成する。生成される電流Ｉｄと信号電圧ＶＤとは
Ｉｄ＝０ ＶＤ＜Ｖ１
Ｉｄ＝Ａ・ｆ（ＶＤ−Ｖ１） ＶＤ≧Ｖ１ （式１）
の関係がある。
（式１とは逆に、ＶＤがＶ１以上のとき電流がゼロで、Ｖ１より低くなると電流を生成する場合もあるが、ＶＤの符号を逆転すればよいだけなので、以下、ＶＤが高くなると電流が流れるとする。）

Ｖ１は駆動トランジスタの閾値電圧Ｖｔｈを含んでおり、駆動回路ごとに異なる。式１のｆは駆動回路の構成によって決まる関数である。ソース電圧が固定され、ゲートにＶＤが印加されるトランジスタのドレイン電流Ｉｄについては、
ｆ（Ｖ）＝Ｖ^２
となる。一般には、
ｆ（Ｖ）＝Ｖ^γ
と表わされ、指数γは１より大きい定数である。

式１の特性を持つ駆動回路に対して、ＤＡコンバータの入力ｄと出力ＶＤの関係を
ＶＤ＝ｆ^−１（ｄ）＋Ｖ１ （式２）
となるように設定する。ｆ^−１はｆの逆関数である。

式１と式２から
Ｉｄ＝Ａ・ｄ
となり、階調信号と電流の間に線形関係が形成される。

しかし、Ｖ１は駆動トランジスタの閾値電圧を含んでいるから、駆動回路によって値が異なる。Ｖ１の異なる駆動回路に対しては異なる設定のＤＡコンバータを用意しなければならない。図１のように１つのＤＡコンバータから複数の駆動回路に電圧信号を送る場合には、それらすべてについて線形関係を形成することはできない。

本発明は、駆動回路３として、駆動トランジスタの閾値電圧のばらつきを自動的に補償する構成を備えた駆動回路を用いる。

閾値電圧が補償された駆動回路においては、電圧信号ＶＤと出力電流Ｉｄの関係は、式１の代わりに、
Ｉｄ＝０ ＶＤ＜Ｖ０
Ｉｄ＝Ａ・ｆ（ＶＤ−Ｖ０） ＶＤ＞Ｖ０ （式２）
となり、Ｖ０は、駆動回路の電源電圧や動作のために外部から与える電圧などに依存するが、閾値電圧Ｖｔｈには依存しない。すなわち全ての駆動回路でＶ０は同じ値である。

駆動回路に式２の特性があるとき、ＤＡコンバータ７の入力ｄと出力ＶＤの関係を
ＶＤ＝ｆ^−１（ｄ）＋Ｖ０ （式３）
となるように設定しておくと、全ての駆動回路において
Ｉｄ＝Ａ・ｄ （式４）
の関係が得られる。移動度ばらつきがあるため係数Ａは駆動回路ごとに異なるが、階調信号ｄと電流Ｉｄのあいだにはつねに線形関係が成り立っている。

このように、駆動トランジスタの閾値電圧が補償された駆動回路においては、電流の生成が始まる電圧Ｖ０が全ての駆動回路に共通なので、ばらつきによらず、階調信号と発光素子の光量との間に線形関係を生じさせることができる。

閾値電圧のばらつきを補償する駆動回路としては、特許文献１，２に提案されている回路の他、周知の駆動回路を用いることができる。補償の原理が異なっても、電圧信号が与えられたときに式２に従って電流を生成し、Ｖ０が全ての駆動回路に共通の値になっていれば、本発明が適用できる。

電流Ｉｄと輝度Ｌ０は比例関係にあるので、階調信号ｄと電流Ｉｄの間に上の線形関係があるときは、階調信号ｄと輝度Ｌ０の間も線形関係にある。駆動回路や発光素子の特性にばらつきがあってもこの線形関係は維持される。レンズアレイの入射光量と出射光量も比例関係にあるので、レンズアレイを通した感光体上の光量Ｌ１についても同様である。

ＤＡコンバータに入る階調信号Ｄ１は、外部から送られてきた階調信号Ｄ０を補正演算回路で補正して得られる。ばらつきがあっても、階調信号と光量Ｌの間には常に線形の関係があるため、Ｄ０からＤ１への変換は線形計算によって行うことができる。また、補正演算回路は線形演算回路だけで構成することができる。線形演算回路は、構成が簡単で、演算速度が速いので、階調信号の補正を高精度でかつ高速に行うことができる。

以下、実施例によって補正演算回路と補正方法を具体的に説明する。

図４のＳ０は、標準の駆動回路と標準の発光素子についての階調信号Ｄ０と光量Ｌの関係である。レンズアレイの集光度が位置によって異なるときは、標準になる位置を定め、そこから出た光の感光体上の光量であるとする。

階調信号の範囲をａからｂとし、それに対応する標準の光量をＬｍｉｎとＬｍａｘとした。これらの値は、発光装置の仕様として与えられる。

階調信号Ｄ０に補正を行わず、そのままＤＡコンバータに入れて電圧信号に変換すると、光量Ｌは、Ｓ１やＳ２のようにばらつく。補正は、いずれの発光素子も標準の発光素子と同じ光量Ｓ０を与えるように行われる。光量が標準値より大きい発光素子Ｓ１については、階調信号ｘを階調信号ｘ‘に補正する。光量が標準値より小さい発光素子Ｓ２については、階調信号ｘを階調信号ｘ“に補正する。

本実施例では、特許文献１，２に提案されている閾値補償方法、すなわちオートゼロ動作によって電流の閾値電圧依存性を解消する駆動回路を用いる。

図５は、本実施例の駆動回路であり、特許文献１の図３と類似の回路である。駆動トランジスタＭ１のゲートに容量Ｃ１の一端が接続されており、容量Ｃ１の他端と電圧信号を伝えるデータ線１４の間にトランジスタＭ２が接続されている。駆動トランジスタＭ１のゲート−ドレイン間にはトランジスタＭ３が接続され、駆動トランジスタＭ１のドレインと発光素子の間にトランジスタＭ４が接続されている。トランジスタＭ２−Ｍ４は、制御線１７−１９によってオンオフが制御されるスイッチとして働く。なお、駆動トランジスタＭ１のゲートとソースの間にある第２容量Ｃ２は、閾値補償にとって必ずしも必要ではない。

回路動作の詳細は特許文献１に説明されているので省略し、ここではオートゼロ動作の概略を述べる。

オートゼロ動作に先立って、駆動トランジスタＭ１は導通状態に設定される。

オートゼロ動作は、データ線１４を基準電圧Ｖｒｅｆにし、第１スイッチであるトランジスタＭ２と第２スイッチであるトランジスタＭ３をオン、第３スイッチであるトランジスタＭ４をオフにして行われる。

駆動トランジスタＭ１のドレイン電流は、トランジスタＭ３を通って容量Ｃ１に流れる。この電流はゲート電圧を上昇させ、駆動トランジスタＭ１のゲート−ソース間を閾値電圧に近づける。十分時間が経過すると、ゲート−ソース間電圧が閾値電圧にほぼ等しくなり、ドレイン電流はゼロになる。以上がオートゼロと呼ばれる動作である。オートゼロ動作は、トランジスタを流れる電流がそのトランジスタ自身のゲート電圧を変化させ、動作点を閾値電圧に近づける。トランジスタＭ３とＭ４はドレイン電流を駆動トランジスタＭ１のゲートに導くために設けられており、オートゼロ動作をする駆動回路に特有の構成である。

オートゼロ動作の終了後、容量Ｃ１に保持された電圧は、閾値電圧を含んでいる。この状態でＭ３をオフにし、データ線１４からデータ電圧Ｖｄａｔａを与えると、容量Ｃ１の電圧は、データ電圧に容量分割係数をかけたものと閾値電圧の差になる。ゲート−ソース間の電圧は、
Ｖｇｓ＝Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）・（Ｖｒｅｆ−Ｖｄａｔａ）＋Ｖｔｈ
となる。（第２容量Ｃ２がないときは容量分割係数は１になる。）

この電圧を保持して、トランジスタＭ２とＭ３をオフ、Ｍ４をオンにすることにより、閾値電圧に依存しない電流Ｉｄが生成される。この場合はデータ電圧ＶｄａｔａがＶｒｅｆより低くなると電流が流れるので、電圧信号の符号を反転したものが閾値電圧に上乗せされることになる。

図４の駆動トランジスタをＮチャネル型のＦＥＴに置き換えた駆動回路においては、
Ｖｇｓ＝Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）・（Ｖｄａｔａ−Ｖｒｅｆ）＋Ｖｔｈ
となり、閾値電圧に電圧信号に容量係数をかけたものが閾値電圧に上乗せされる。いずれの場合も、駆動トランジスタのゲート−ソース間には、信号電圧に応じた電圧（信号電圧またはその符号を反転したもの、またはそれらを定数倍したもの）を閾値電圧に上乗せした電圧が生じる。その結果、閾値電圧に依存しないドレイン電流が流れる。

特許文献２の図１Ａに提示された駆動回路も、オートゼロ動作によって閾値電圧のばらつきを補償する。

発光に先立って、駆動トランジスタのゲートとドレインを短絡し、ドレイン電流をゲートに接続された容量に流す。つまりオートゼロ動作が行われる。その結果、駆動トランジスタの閾値電圧に、データ電圧（の符号を反転したもの）を上乗せした電圧が容量に保持される。

この場合は、発光素子がソースに接続されているが、ＦＥＴにおいてはドレイン電流とソース電流は同じ値であり、ゲート−ソース間電圧によって決定される。

閾値電圧の不均一が駆動回路３の中で自動的に補償されると、光量ばらつきの幅もその分小さくなり、必要な補正の幅も小さくなる。すなわち、ＤＡコンバータの電圧範囲が小さくて済む。

それに加えて、オートゼロ動作が可能な構成を備えた駆動回路を用いると、図３の光量と階調信号の線形関係が１点を通る直線になる。この結果、補正演算が１回の乗算だけですみ、補正演算回路の規模が小さくなる。以下、これについて説明する。

オートゼロ終了後、電圧信号ＶＤを与える際に、オートゼロ中にデータ線に与えた基準電圧Ｖｒｅｆと同じ電圧信号を与えると、第２容量Ｃ２の電圧は閾値電圧のままであり、生成される電流はゼロである。すなわち、オートゼロ終了時の第１容量および第２容量の電圧を変化させない電圧信号ＶＤ（これをＶｃとする）が入ると、駆動トランジスタのゲート−ソース間が閾値電圧のままなので、駆動回路３はゼロ電流を生成する。光量Ｌもゼロである。

オートゼロ終了時の状態は、駆動トランジスタの移動度の影響を受けないから、Ｖｃは、移動度にばらつきがあっても、また発光素子の電流と輝度の関係にばらつきがあっても変わらない。つまりＶｃは全ての駆動回路で同じ電圧である。

実際の電圧信号は、図２（ａ）（ｂ）のように決められた範囲にしかないので、Ｖｃがその範囲に入るとは限らない。しかし、階調信号の範囲を拡大し、それに応じてＤＡコンバータの電圧範囲も拡大すると、光量ゼロを与える電圧信号Ｖｃが必ず存在し、それに対応する信号ｃも存在する。

以下で説明するように、階調信号Ｄ０をこの特定の信号ｃを原点として再定義することにより、階調信号の補正は直線の傾きだけで決まり、補正回路も簡単になる。

以上のことは、図５の駆動回路に限らず、特許文献２に提案された駆動回路など、オートゼロ動作を行う駆動回路すべてについて成り立つことである。

以下、具体的な補正方法を説明する。

図６は、４ビットの階調信号Ｄ０を階調信号Ｄ１に補正する方法を示している。ここでは、信号０は特別の電圧信号を生成するものとして扱われ、１−１５が段階的な光量を与える。横軸は１−１５が等間隔で並ぶスケールを持つ。横軸上で信号０の位置は意味をなさない。

光量が標準より大きいＳ１の発光素子については、階調信号１が１’に補正され、光量が標準より小さいＳ２の発光素子については、階調信号１５が１５”に補正される。この結果、補正された階調信号Ｄ１の範囲は、もとの階調信号Ｄ０の範囲（１−１５）よりも広がる。

また、補正後の階調信号９’はもとの階調信号７と８の間にあり、補正後の階調信号９”は１１と１２の間にあるというふうに、補正演算の結果がもとの４ビットの階調信号１−１５の中間に来ることがある。

これに対応するため、補正後の階調信号Ｄ１は、もとの階調信号Ｄ０よりも範囲が広く、かつ階調数の多い信号の中から選択できるようになっている。図６に示す例では、もとの４ビットの階調信号Ｄ０を、信号範囲を上に４段階、下に２段階増やし、さらに、信号間隔を４等分して、全部で８０階調の階調信号を準備している。この中から補正後の階調信号Ｄ１を決定する。（ここでも信号０は特別な信号とする。）

補正演算回路に入力される階調信号Ｄ０は、１が８に、２が１２に、というふうに変換されて補正演算回路入力となる。補正演算回路５は、符号ビットを含めて８ビットのディジタル演算が可能な演算回路になっており、８０階調のうちの１つを出力する。また、ＤＡコンバータ７は、上の８０階調のディジタル信号をデコードするデコーダを有している。

図７は、図６と同じ階調信号と光量の関係を示し、補正の仕方を説明するための図である。オートゼロ方式の駆動回路を用いたことによって、階調信号対光量の関係は全て直線になるだけでなく、全ての直線が光量ゼロのところで１点ｇを通るようになる。点ｇの横軸座標は信号ｃを与える。

光量の測定は、補正前の階調信号の範囲の中から任意に選んだ１つの階調信号について行えばよい。ここでは、階調信号の最大値ｂについて光量を測定したものとして説明する。

階調信号ｂを与えたときの光量の測定値をＬｂとし、それを全ての発光素子について平均したものを標準の光量Ｌｓとする。標準の光量に対する測定した光量の比を１／αとし、αを補正係数という。
α＝Ｌｓ／Ｌｂ （式３）
である。

各発光素子の補正係数αをメモリ６に格納する。

光量の測定と補正係数のメモリへの格納は製品の出荷に先立って行われる。測定は、発光装置の製造工程で、発光素子に信号を与えて発光が可能となった段階で行えばよい。

必要な光量は発光装置の仕様として決まっている。０を除く最小の階調信号に対応する光量の下限Ｌｍｉｎ、最大の階調信号ｂに対応する光量の上限Ｌｍａｘから、固定点ｇの横軸座標ｃが以下のように求められる。
ｃ＝（Ｌｍａｘ・ａ−Ｌｍｉｎ・ｂ）／（Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎ） （式４）
ｃは、ばらつきに依存しない、全ての発光素子に共通の定数である。ｃは、メモリ６に保存しておくこともできるが、ただ１個の数であるから、あらかじめ信号供給回路４内に保持しておくこともできる。またｃの符号を反転した−ｃも信号供給回路に保持しておくと、以下の演算に便利である。

図８は補正演算回路の構成を示すブロック図である。

補正演算回路５は、特定の信号ｃと−ｃをそれぞれ保持するレジスタＲ１、Ｒ２と、メモリ６から読み出した補正係数αを保持するレジスタＲ３と、２つの加算器ＡＤＤ１、ＡＤＤ２と、乗算器ＭＵＬとを備えている。補正演算回路に含まれるこれらの回路は、符号ビットも含めて８ビットのディジタル信号を取り扱う。

信号供給回路４に階調信号Ｄ０＝ｘが入力されると、補正演算回路５はメモリ６にアクセスし、対応する発光素子の補正係数αを読み出して、レジスタＲ３に保持する。入力される階調信号は、基板上の発光素子の並び順のシリアル信号になっているので、シリアル信号の順から、対応する発光素子を知ることができる。

加算器ＡＤＤ１は、階調信号ｘとレジスタＲ２の値（−ｃ）の和を計算し、結果ｘ−ｃを乗算器ＭＵＬに送る。

乗算器ＭＵＬは、レジスタＲ３を参照して加算器の出力結果に乗算を行い、積α・（ｘ−ｃ）を出力する。この結果は加算機ＡＤＤ２に送られる。

加算器ＡＤＤ２は、乗算器の出力とレジスタＲ１の値（ｃ）との加算を行い、結果α・（ｘ−ｃ）＋ｃを補正演算回路５の出力とする。

以上の演算により、補正演算回路から出力される階調信号Ｄ１＝ｘ‘は、
ｘ‘＝α（ｘ−ｃ）＋ｃ （式５）
となる。

式５から、ｃを基準にして階調信号の大きさを定めると、階調信号ｘ−ｃをα倍することにより補正された階調信号ｘ‘−ｃが得られることがわかる。予め、階調信号をｃだけシフトした信号に変換しておくと、補正演算回路５は乗算器だけですむ。

式５の階調信号ｘ‘が階調信号ｘの正しい補正になっていることを以下で示す。

図７に戻り、標準の発光素子のｘにおける光量をＬ１、ｘ‘における光量をＬ２とすると、式５からｘ’−ｃはｘ−ｃのα倍であるから、Ｌ２はＬ１のα倍である。一方、式３によれば、補正すべき発光素子の光量Ｓ１と標準の発光素子の光量Ｓ０の比は１：αであるから、ｘ‘における光量Ｓ１は、Ｌ２の１／α倍であり、これはＬ１に等しい。したがって、Ｓ１の特性を示す発光素子のｘ‘における光量は、基準の光量Ｓ０を持つ発光素子のｘにおける光量Ｌ１と等しい。すなわち、ｘ’はｘを補正した信号になっている。

もとの階調信号ｘは４ビット、補正された階調信号ｘ‘は８ビットのディジタル信号であり、実際の縦軸の光量Ｌはそれに応じてとびとびの値をとる。ｘとｘ’における光量は、このとびとびの光量の１ステップの精度で等しくなるように補正される。補正演算回路は８ビットのディジタル信号を出力するから、補正された階調信号は図７の８０階調の１つに対応し、とびとびの光量の中間の光量を与えることはない。

（変形例）
（式５）で補正するには、１つの補正係数αと発光素子によらない１つの定数ｃを用いる。メモリは、発光素子あたり１つの補正係数を保存する。

（式５）を変形して、
ｘ‘＝α・ｘ＋（１−α）・ｃ （式６）
とする。

式６によって、入力階調信号ｘに補正係数αを乗じ、その結果に定数
β＝（１−α）・ｃ （式７）
を加えるように補正してもよい。この場合、初めの−ｃを加える演算はなくなり、レジスタＲ２は不要である。その代わりに、αを読み出すたびにβを計算する回路が必要である。

βを計算する代わりに、αとβをともにメモリに保持しておくこともできる。メモリ容量は２倍必要になるが、補正演算回路は、αとｘの乗算と、その結果にβを加える加算の２段階だけですむ。

図９は、２つの補正係数α、βをメモリに記憶させて読み出す方式の補正演算回路を示す。補正演算回路は、加算器ＡＤＤと乗算器ＭＵＬと、２つのレジスタＲ３、Ｒ４を備えている。階調信号Ｄ０が入力されると、まずメモリから対応する発光素子の補正係数αとβを読み出し、それぞれ、レジスタＲ３とＲ４に保持する。次いで、入力された階調信号Ｄ０は乗算器に入り、乗算器ＭＵＬは、レジスタＲ３の値（α）を参照してｘとの乗算を行う。乗算結果α・ｘは加算器ＡＤＤに入る。加算器ＡＤＤは、乗算結果α・ｘとレジスタＲ４の値（β）を足し合わせ、結果を補正演算結果として出力する。

補正方法と、補正演算回路の構成は、上の例に限らない。入力階調信号ｘと定数信号ｃに対し、適当な係数を乗算し、加算する線形演算が可能などのような回路構成でもよい。

駆動回路の電圧信号Ｖと生成される電流Ｉの関係が、
Ｉ＝Ａ・Ｖ^γ （式８）
で表されるとき、
ＤＡコンバータの、入力ディジタル信号ｄと出力アナログ電圧ＶＤの関係は、
Ｖ＝Ｂ・ｄ^１／γ （式９）
となるように作られる。

実際の駆動回路では、式８の指数γにもばらつきが生じることがある。一方、式９のＤＡコンバータのγは、出力電圧レベルで設定されるから、全ての駆動回路に共通である。したがって、駆動回路によっては駆動回路のγとＤＡコンバータのγの値が異なり、線形関係が成り立たないことになる。以下、そのような場合の補正方法について説明する。

図１０は、γのばらつきに対して、階調と光量の関係がどのように変わるかを示した図である。標準のγ＝γ０を持つ駆動回路は、ＤＡコンバータによって階調と光量Ｓ０の線形関係が維持されるが、それから外れたγを持つ駆動回路の階調と光量の関係は、γ＞γ０のときＳ３、γ＜γ０のときＳ４のように直線からずれている。

駆動回路がオートゼロ動作をするときは、γがばらついても、階調対光量の関係は固定点ｇを通る。

１つの階調信号ｂで光量Ｌｂを測定し、平均値を求め、式３に基づいて補正係数αを決めると、αは点（ｂ、Ｌｂ）と固定点ｇを結ぶ直線Ｐの傾きである。しかし、直線Ｐは実際の特性曲線Ｓ３から外れており、補正精度が低い。固定点ｇを基準とする補正を行うと、かえって精度に狂いが生じる。

そこで、階調信号の範囲内のもう１つの階調信号（ａとする）についても光量Ｌａを測定し、点（ａ、Ｌａ）と（ｂ、Ｌｂ）を結ぶ直線Ｑに基づいて補正する。

決められた光量の範囲（ＬｍｉｎからＬｍａｘ）がＬ０を含まないとき、固定点ｇは階調信号の範囲の外にあるので、直線Ｑは直線Ｐよりも実際の特性Ｓ３に近い。したがって、直線Ｐによって補正するよりも精度は高くなる。

光量を測定する２点は、ａとｂでなくともよい。ａとｂの間でこれ以外の点を選んでもよい。

図１１は、図１０の曲線Ｓ３についての補正方法を説明する図である。

階調信号ａ、ｂについて測定した光量の値をＬａ，Ｌｂとする。全ての発光素子について平均をとった光量をＬｍｉｎ、Ｌｍａｘとし、その間を直線で結んで光量Ｓ０とする。あるいは、階調と光量が線形関係にある発光素子を１つ選んでそのａとｂにおける光量をＬｍｉｎ，Ｌｍａｘとしてもよい。

直線Ｓ０に沿った階調信号ｘにおける光量Ｌ１は、
Ｌ１＝（Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎ）／（ｂ−ａ）・（ｘ−ａ）＋Ｌｍｉｎ （式１０）
と表わされる。

直線Ｑに沿った階調信号ｘ‘における光量が同じＬ１になるとして、
Ｌ１＝（Ｌｂ−Ｌａ）／（ｂ−ａ）・（ｘ‘−ａ）＋Ｌａ （式１１）
が成り立つ。

式７と８から、ｘとｘ‘の関係が
ｘ‘＝α・ｘ＋β （式１２）
と表わされる。ただし、ここでのαとβは、式３と式７のα、βとは異なり、
α＝（Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎ）／（Ｌｂ−Ｌａ） （式１３）
β＝｛（Ｌｂ−Ｌｍａｘ）・ａ−（Ｌｍｉｎ−Ｌａ）・ｂ｝／（Ｌｂ−Ｌａ） （式１４）
である。

式１３のαと式１４のβは、個々の発光素子の光量Ｌａ，Ｌｂに依存するので、ともにメモリに保存される。αを第１の補正係数、βを第２の補正係数と呼ぶ。

補正にはαとβの２つのパラメータが必要になるが、補正演算回路は、図８と同じものが使え、乗算器と加算器だけの簡単な構成になる。

３点以上の階調信号について光量を測定してもよい。また、階調信号を領域に分けて、各領域で補正係数α、βを求めておくこともできる。

以下、実施例１，２に共通するそのほかの事項について説明する。

［発光装置の構成］
図１２は、電子写真プリンタの露光ヘッドの構成を示す図である。

基板１には、有機ＥＬ素子からなる発光素子２と、各有機ＥＬ素子に電流を供給する駆動回路３と、駆動回路に電圧信号を伝えるデータ線１４と、制御信号線Ｐ１、Ｐ２，Ｐ３を介して駆動回路３に制御信号を与える制御回路１５が配置されている。有機ＥＬ素子２と駆動回路３は、ｎ個ずつがブロックを作り、ブロックごとに時分割で電圧信号ＶＤの書き込みが行われる。

基板１に接続された信号供給回路４には、外部から階調信号Ｄ０が入力される。階調信号Ｄ０は４ビットのディジタル信号で、発光素子２の光量を１６段階で指示する。また、各発光素子に対応した階調信号がシリアルに入力される。

信号供給回路４の構成を図１３に示す。露光ヘッドの発光素子２がＮ個ずつブロックを構成し、ブロック単位で駆動されるのに対応して、図１３の信号供給回路は、図１の構成にＮ段のシフトレジスタ１０を追加し、シフトレジスタの出力段ごとにＤＡコンバータ７を設けたものである。

補正演算回路５で補正された階調信号Ｄ１は、シフトレジスタ１０によってＤ１（１）からＤ１（Ｎ）のパラレル信号に分けられてＤＡコンバータ７に入力される。Ｎ個のＤＡコンバータ７は、データ線ＶＤ（１）−ＶＤ（Ｎ）に電圧信号ＶＤ（１）−ＶＤ（Ｎ）を与える。

階調信号Ｄ０は、基板１に不図示のコントローラをＣＯＧ法で実装し、そこで生成して信号供給回路４に出力することもできる。駆動回路や有機ＥＬ素子は、基板１に薄膜で形成するが、シリコン基板で駆動回路を作り、その上に有機ＥＬ素子を形成してもよい。

［階調信号の与え方］
ｎビットの階調信号は、０からｄｎ＝２^ｎ−１までの値をとる。表示装置においては、信号０を特別扱いせず、０からｄｎまで一定の光量の上昇を持つ階調信号が用いられる。

電子写真プリンタの場合は信号０（ゼロ）を特別の信号として扱う。信号０は、黒レベルつまり最暗の光量Ｌｂｋを与えるように、階調信号１からｄｎとは別に設定されている。

階調信号１からｄｎについては、光量と線形関係になっている。つまり、階調信号１，２、・・・、ｄｎを等間隔に並べると、それぞれの階調信号に対する光量が直線状に並ぶ。

黒レベルＬｂｋは特別に設定され、必ずしもこの直線の上になくてよい。

電子写真プリンタにおいては、感光体の露光強度の下限が有限の光量に設定され、Ｌｍｉｎはゼロではない。表示装置と同じように０から段階的に光量を上昇させる信号を用いると、０からＬｍｉｎまでの階調信号が実際には使用されない無用の信号になる。階調信号のビット数を小さく抑える意味からも無用な信号はなくし、必要な光量の範囲に階調信号を割り振ることが望ましい。

ただし、階調０の信号は、印刷休止中に無駄な発光をさせないために用意しておく必要がある。図４の階調信号が０を特別扱いしているのはこのためである。

［補正精度］
補正精度は、補正後の階調信号の「細かさ」、すなわち、とびとびの値をとる光量の間隔によって決まっている。実施例１では、８０段階の階調信号によって補正が行われる。補正精度を上げるには、光量の間隔をさらに狭くする必要があるが、それには階調信号のビット数の増加を伴い、補正演算回路５とＤＡコンバータ７の回路規模が大きくなってしまう。

光量のばらつきがさらに大きいときは、補正後の階調信号の範囲を広くとる必要がある。階調の間隔すなわち補正精度を維持して階調信号数を増やすと、やはり階調信号のビット数が増え、回路規模が増大する。オートゼロ方式の駆動回路を用いると、光量のばらつき範囲が小さく抑えられるので、階調信号のビット数増大が回避できる。

［光量の上限と下限の調節］
電圧信号の最大値ＶＤｍａｘと最小値ＶＤｍｉｎはＤ／Ａコンバータの最大電圧および最小電圧として設定される。感光ドラムの感度が低下して最大輝度Ｌｍａｘを大きくする必要が生じたときは、Ｄ／Ａコンバータの最大電圧を大きくすればよく、階調信号の階調数を増やす必要はない。最大輝度Ｌｍａｘが大きくなっても、階調信号に対する光量Ｌ１の線形関係は変化しない。

感光ドラムの感光特性の変化によって、露光ヘッドから出力される輝度の下限値Ｌｍｉｎを変更する必要が生じることがある。電子写真プリンタには、Ｌｍｉｎを調節する機能が備わっている。

メモリの書き換えや補正精度の低下を伴わずにこの変更をする方法について、以下に説明をする。

図１４は、信号供給回路４内に最低輝度調整用のデータ調整回路１２を追加した構成を示す。図１と同じ部分には同じ符号を付した。

データ調整回路１２は、外部から入力される調整用データＡＤ０によって最低の光量Ｌｍｉｎ‘を決定し、それに応じて階調信号の変換演算をする回路である。図１４では、データ調整回路１２が補正演算回路５とＤＡコンバータ７の間に接続されているが、ＤＡコンバータの前にシフトレジスタ１０がある場合は、シフトレジスタ１０の前に置く。また、データ調整回路１２を補正演算回路５の前に接続してもよい。

補正係数α、βは、最低輝度Ｌｍｉｎの値を用いて算出され、メモリ６に書き込まれている。メモリ６に保存された補正係数を書きかえることなく、最低輝度をＬｍｉｎからＬｍｉｎ’に変更するのが、調整用データＡＤ０の役割である。なお、最大輝度Ｌｍａｘは変更されないとする。

図１５は、最低輝度ＬｍｉｎがＬｍｉｎ’に変わったときの階調信号の変換の仕方を示す図である。

最低輝度の変更前は、階調信号の補正によって光量は標準のＳ０になっている。

最低輝度をＬｍｉｎからＬｍｉｎ’に変更したとき、補正された階調信号ｄを、同じ光量Ｌを与える階調信号ｄ’に変換する。変換後の階調信号ｄ’は
ｄ’＝（Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎ）／（Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎ’）・ｄ
＋（Ｌｍｉｎ−Ｌｍｉｎ’）／（Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎ’）・ｄｎ
Ｌｍａｘ、Ｌｍｉｎはあらかじめ決定されている値であり、Ｌｍｉｎ’は設定値であるので、右辺第１項のｄの係数と、第２項はわかっている。これらの値を用いて、変換前の補正された階調信号ｄに線形演算を施して変換後の階調信号ｄ’が求められる。この演算は、実施例１または実施例２の補正演算回路５と同じ構成のデータ調整回路１２で実行することができる。

以上の方法によって、メモリの書き換えをすることなく、データ調整回路１２による演算処理によって、感光ドラムの感光特性の変化に応じた最低輝度変更ができるようになる。

［応用］
本発明の発光装置は、電子写真プリンタの露光ヘッドに応用されるほか、画素がマトリクス状に配置されたアクティブマトリクス型表示装置としてもよい。

表示装置においても、駆動トランジスタや発光素子の特性がばらつくことによる輝度の不均一が発生する。本発明を適用することで、駆動トランジスタの閾値電圧を駆動回路内で補償し、輝度の測定に基づいて階調信号を補正することで、均一な輝度の表示装置を実現することができる。

表示装置を備えたデジタルカメラ、携帯情報機器などの電子機器にも本発明は適用できる。

１ 発光装置
２ 発光素子
３ 駆動回路
４ 信号供給回路
５ 補正演算回路
６ メモリ
７ ＤＡコンバータ
Ｄ０、Ｄ１ 階調信号
ＶＤ 電圧信号
Ｌ 光量
α、β 補正係数

Claims (14)

1. 複数の発光素子と、前記複数の発光素子の各々に設けられた駆動回路と、ディジタルの階調信号が入力され、前記階調信号に基づく電圧信号を生成し前記駆動回路に供給する信号供給回路とを有する発光装置であって、
   前記信号供給回路は、前記複数の発光素子の各々の補正係数を記憶するメモリと、前記メモリから読み出された前記補正係数を用いて前記階調信号を補正する補正演算回路と、補正された前記階調信号によって複数の出力電圧の１つを選択し、前記電圧信号として出力するＤＡコンバータとを含み、前記ＤＡコンバータは、前記補正された階調信号と前記発光素子の光量の間に線形関係を生じさせるように前記出力電圧が設定されており、
   前記駆動回路は、ゲート−ソース間電圧によってドレイン電流が制御されるトランジスタと、前記トランジスタのゲートに一端が接続された容量とを有し、前記トランジスタの閾値電圧に前記電圧信号に応じた電圧を上乗せした電圧が前記容量に保持された状態で、前記ドレイン電流を前記発光素子に供給する回路であることを特徴とする発光装置。
2. 前記補正係数が、前記発光素子の光量と基準とする光量との比で決定されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記駆動回路は、前記ドレインから発光素子への電流の供給に先立って、前記トランジスタのゲートとドレインを短絡して、ドレイン電流を前記容量に流す動作を行う構成を有することを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
4. 前記駆動回路が、前記容量の他端と前記電圧信号を伝えるデータ線とを接続する第１スイッチと、前記トランジスタのゲートとドレインを接続する第２スイッチと、前記トランジスタのドレインと前記発光素子を接続する第３スイッチとを含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発光装置。
5. 前記補正演算回路が、前記階調信号に線形演算を施す線形演算回路であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発光装置。
6. 前記補正演算回路は、前記階調信号を特定の信号を基準とする階調信号に変換する加算器と、前記特定の信号を基準とする階調信号に前記メモリから読み出された前記補正係数を乗ずる乗算器とを有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の発光装置。
7. 前記補正演算回路は、前記階調信号に前記メモリから読み出された前記補正係数を乗ずる乗算器と、前記乗算器の出力に前記補正係数から得られる定数を加える加算器とを有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の発光装置。
8. 前記補正係数が、第１の補正係数と第２の補正係数を含み、前記補正演算回路が、前記メモリから読み出された前記第１の補正係数を前記階調信号に乗ずる乗算器と、前記乗算器の出力に前記メモリから読み出された前記第２の補正係数を加える加算器とを含むことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の発光装置。
9. 前記補正演算回路は、前記階調信号のビット数より大きいビット数のディジタル信号の演算が可能な構成を有することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の発光装置。
10. 前記発光装置が前記発光素子の光量の下限を調節する手段を有し、前記信号供給回路が、前記信号供給回路に入力される前記階調信号を、前記下限が調節された光量の範囲の階調信号に変換する回路を含むことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の発光装置。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法であって、前記複数の発光素子の各々の光量を測定する工程と、前記光量の測定値と基準とする光量との比を前記メモリに記憶させる工程とを有することを特徴とする発光装置の製造方法。
12. 請求項１１に記載の発光装置の製造方法であって、２つの前記階調信号に対する前記複数の発光素子の各々の光量を測定する工程と、前記第１と第２の補正係数を前記メモリに記憶させる工程を有することを特徴とする発光装置の製造方法。
13. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の発光装置と、前記発光素子が発光する光を集光するレンズアレイと、集光した光が照射される感光体とを備えるプリンタ。
14. 請求項１３に記載のプリンタの製造方法であって、前記複数の発光素子の各々の光量を前記感光体の表面に照射される光の強度によって測定する工程と、基準とする光量との比を前記メモリに記憶させる工程とを有することを特徴とするプリンタの製造方法。

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