JPH11502639A

JPH11502639A - 光学プリンタ用の効率的なｌｅｄ光ジオメトリ

Info

Publication number: JPH11502639A
Application number: JP9523072A
Authority: JP
Inventors: ジー．イーガン，リチャード
Original assignee: ポラロイドコーポレイション
Priority date: 1995-12-19
Filing date: 1996-12-19
Publication date: 1999-03-02
Also published as: CA2213268A1; WO1997022905A1; EP0809818A1; US5969747A

Abstract

(57)【要約】空間的光変調器を照明することにより、感光性媒体上に効率的かつ均一に光を投射する一方で、光学的プリンタ内の空間的光変調器のより単純な設計を提供する、光学的プリンタとして用いられるための光源を、開示する。光源は、光パイプをはさんで対向する発光ダイオードを用いる。発光ダイオードからの光は、光パイプ内を伝播して転進構造に当たり、転進構造は、光を転進させて光パイプの側面から出す。

Description

【発明の詳細な説明】光学プリンタ用の効率的なLED光ジオメトリ発明の背景本発明は一般に、電子写真印刷および、発光型光学プリンタ(light emitting optical printer)などのフィルム記録装置に関する。より詳細には、本発明は、発光ダイオードによって発生された光に感光記録媒体を露光させる際に、光を発光ダイオードの軸に対して実質的に横方向になるように転進させる(redirect)ことにより画像を光学的に印刷する、効率的な発光ダイオード（「LED」）光ジオメトリに関する。光学プリンタは、レーザ、空間的光変調器、およびブラウン管などの、様々な露光装置を使用する。これらの全てが、感光性媒体としての写真フィルムを露光するために応用されている。図１は、上記のうち任意の発光装置であり得る光源２を用いた、従来技術の光学設計を示す。光源２からの光３は、円錐形に投射(p roject)される。円錐形の端部は、中心軸９に対して角度θを有している。円錐は、中心軸９がレンズ４の中央となるようにレンズ４を通ることにより、液晶ディスプレイとしても知られる空間的光変調器（「SLM」）パネル５を通して、円錐が反転される。次に、光３は投影レンズ６を通って、感光性媒体７上に結像される。この光学系は、上記光が、感光性媒体７にわたってcos⁴θに基づく強度分布を有してしまうという、当該技術において周知の問題を有している。この分布をグラフ８に示す。光３の最高強度は中心軸９上に沿っており、感光性媒体７の端部に向かって急速に落ちる。この不均一な光分布は、像が感光性媒体端部に向かって暗く現れるという悪影響を、印刷出力に及ぼす。標準的な光源２が直面する更なる問題は、SLMパネル５に関するものである。従来技術の印刷ヘッド設計では、行列アドレスが可能なSLMパネル５を用いており、従ってSLMパネル５の各画素は、任意の時刻において、特定の画像が必要とする通りに選択的にオンオフされる。このタイプの設計の問題は、SLMパネル５自体が、行列アドレススキームを各個の画素に対して制御し得るような電子系を有していなければならない点である。SLMパネルがより複雑になるにつれ−−現在はSLMパネルにつき百万画素程度である−−このアドレス法は、より多くの貴重なスペースをSLMパネル５で使用し、いっそう複雑になっていく。このような設計の更なる問題点は、SLMパネルはリークの傾向があること、すなわちオフ状態にある画素が、依然として幾らかの光を漏らすことにより、近隣画素とのコントラスト比を低下させてしまうことである。従来の光源の有する他の問題は、現実の放射パターンが前述の円錐形３でない点である。円錐形は一般的な近似であり、実際の放射パターンは楕円形である。従って、従来技術の光学系で説明した円錐形３の外側に投射された放射は、使用不可能な光として失われることにより、光源の効率を低下させる。また、光効率を増加させるためにSLMを通る円錐形を大きくすると、SLMのコントラスト比が減少する。図１に示す従来の光学系はまた、現在利用可能な光源の有する別の問題点を例示している。光源は一般に、光３がレンズ４を通って至適に投射することを可能にするような距離だけレンズ４の後方に、固定される。このような距離を必要とすることにより、光学設計がより広がってしまい、プリンタ内部の貴重なスペースをとることになる。要旨光学プリンタ用の光源を提供する本発明によって、上記およびその他の目的が達成される。本光源は、光学プリンタ中の感光記録媒体上に光を投射してその上に像を記録するための印刷ヘッドとともに、用いられる。光源は、光投射手段、光パイプ、および光学的転進手段を有する。光投射手段は、実質的に所定の中心軸に沿って、光線を投射する。好適な実施態様における光投射手段は発光ダイオードであるが、任意の指向性光源であり得る。光パイプは、光投射手段と光学的に連通している。光投射手段を単に光パイプの一端として用いてもよいし、または、光パイプの各端部に一つずつ光投射手段を設けても良い。好適な実施態様では後者の方法を用いることにより、光源の均一性を図っている。光投射手段は次に、光線の中心軸が光パイプの中心軸に対応するように、光を光パイプ中に投射する。光線は光パイプ内における内反射(int ernal reflection)角度−−光パイプの臨界角以下である−−で投射されることにより、光パイプ内で全反射(total internal reflection)を起こす。このような全反射により、光パイプの側面から光が出て損失されることがほとんどないか全くないように、光が光パイプに沿って伝達されることが可能になる。光学的転進手段は、光パイプの側面に固定され、光線を、第１の角度よりも大きい、光線を光パイプから出射(emanate)させるような第２の角度で、転進させる。すなわち、光パイプの側面に固定された光学的転進手段は、光線を受け取っり、実質的に中心軸を横切って転進させることにより、光が光パイプの側面から出射するようにする。好適な実施態様における光学的転進手段は、ホログラフィックフィルムか、マイクロプリズムの実質的に線形なアレイである。更なる局面において、本発明は、上述の装置に基づく方法を提供する。本発明の上記およびその他の局面は、図面および以下の説明から明らかであろう。図面の簡単な説明本発明の上記およびその他の目的、様々な特徴、ならびに発明自体は、以下の説明を付属の図面と読み合わせることにより、更によく理解されるであろう。図１は、従来技術の光学系を示す。図２Ａは、マイクロプリズムの実質的に線形なアレイを用いた、本発明による光源を示す。図２Ｂは、マイクロプリズム上の入射光の反射を説明する、図２Ａの一部の拡大図である。図３Ａは、ホログラフィックフィルムを用いた、本発明による光源の断面図を示す。図３Ｂは、ホログラフィックフィルムから出射する際の光を説明する、図３Ａの光源の一部の拡大図を示す。図３Ｃは、図３Ａによる光源における、光強度対距離のグラフである。図４は、本発明による光源を用いた印刷ヘッドの、一部を取り除いた透視図である。図５は、図４による印刷ヘッドを用いた光学プリンタの光学設計の概略図を示す。詳細な説明本発明は様々な印刷装置において有用であり、いくつかの異なる形態で実施可能であるが、本発明は、感光印刷媒体上に印刷するための光学プリンタとともに効果的に用いられる。これが好適な実施態様でありまたそのように説明していくが、この実施態様は例示的なものと理解されるべきであり、制限的に理解されるべきではない。図２Ａは、感光記録媒体上に電子像を記録するための光学プリンタに用いられ得る、本発明による光源を示す。この実施態様において、マイクロプリズムを用いて光を転進させる光源１０を示している。光は発光ダイオード（「LED」）１２によって発生される。光源１０の各端に、一つのLEDが設けられている。LED１２は、光線１６を、光パイプ１４中に投射する。光パイプ１４は、光線１６が全反射されることにより、光損失を防ぎながら光パイプ１４の全長にわたって光を導くように、設計されている。屈折された光線が表面に対して接線方向に現れるような入射角を、臨界角と呼ぶ。入射角が臨界角より大きければ、Snellの法則によって計算される屈折角のサインは、１(unity)より大きくなるはずである。これは、臨界角を越えると、光線は上位媒体中に入っていかずに、境界面において全反射されることを意味すると、解釈され得る。全反射は、光線が進行する媒体の屈折率よりも小さい屈折率を有する媒体の表面に光線が入射したときにのみ、起こり得る。２つの所与の物質に関する臨界角は、屈折角を９０°に設定することによって、Snellの法則におけるその角度のサインを１に等しくすることにより、見いだされ得る。上式において、ｎ_aは媒体ａの屈折率であり、ｎ_bは第２の媒体ｂの屈折率であり、ｎ_a＞ｎ_bである。好適な実施態様における一般的な界面である、ガラス−空気面の臨界角は、ガラスの典型的な屈折率を1.50として、である。この角度が４５°よりわずかに小さいことは、４５°、−４５°または−９０ °の角度を有するプリズムを、全反射面として用いることを可能にする。反射器として全反射プリズムを使用することの、金属表面を使用することに対する利点は、第１に、光が全反射されることである。対して、金属表面で入射光を１００％反射するものはない。第２に、反射特性は永久的なものであり、曇り(tarnish ing)によって影響されない。これらを相殺する事実としては、光がプリズムに対して入出射する面における反射による若干の光損失がある。ただし、いわゆる「非反射」フィルム("nonreflecting"film)によって面をコートすることにより、この損失はかなり低減され得る。光線が光パイプ１４の一端に入射すると、光は全反射され、光パイプ１４内部に「閉じ込め」られる。光パイプが湾曲していたとしても同様であるが、湾曲が大きすぎないことが前提になる。図２Ａには、この説明を簡潔にするために、LED１２からの単一の光線１６を示している。光線１６は、光パイプ１４の側面１８から反射し、上述のように全反射される。光線１６は次に、光パイプ１４のマイクロプリズム２１が埋め込まれた部分に向かって、下方に反射される。光線１６は次に、マイクロプリズムの一面に入射し、光パイプの側面１８に向かって臨界角よりも大きな新しい角度で反射され、反射光線２４はそこから出射する。図２Ｂは、図２Ａの光パイプ１４の一部の拡大図であり、３本の光線を示している。中心軸２０に対する角度を説明するために、光パイプ１４の中心軸２０を同時に示している。この例において、第１の光線は上述のように入射し、実質的にマイクロプリズム２２表面の中央部において、マイクロプリズム２２に当たる。これは、光線の角度α₁が中心軸に対して約４５°のときに起こり、その結果、マイクロプリズム２２から、中心軸２０に対して実質的に法線方向である角度 β₁で反射する。光パイプ１４の側面１８から反射される光線＃２は、中心軸に対して角度α₁ よりも実質的に小さい角度α₂をなすことにより、光線＃２はマイクロプリズム２２の頂部から反射され、β₁よりも大きな角度β₂で光パイプ１４から出射する。対照的に、光線＃３は、角度α₁よりも大きい角度α₃を有することにより、マイクロプリズム２２の下部表面から反射され、光線＃３はβ₁よりも小さな角度 β₃で光パイプ１４から出射する。図３Ａに、別の実施態様における光源を示す。既出の要素は同様な参照符号で示している。この実施態様において、マイクロプリズムの代わりに、ホログラフィックフィルム３２を光源３０中に設けている。光パイプ１４’の側面１８’上に、光パイプ１４’の全長「Ｄ」にわたって、ホログラフィックフィルム３２が積層されている。ホログラフィックフィルムをLED１２’とともに用いることの利点は、ホログラフィックフィルムはその性質上、狭い帯域の光、すなわち光の比較的狭い波長範囲に対して効率的である点である。実際、白色光とともにホログラフィックフィルムを用いたコンピュータディスプレイシステムにおいて、非常に広い帯域を得るためには、ホログラフィックフィルムの効率性を特定的に減少させなければならない。従って、LED１２’は一般に狭い帯域幅にわたって照明するのであるから、ホログラフィックフィルムを、これら帯域幅にわたってのみ光を効率的に転進させるような特性を有するように設計することによって、ホログラフィックフィルムをLED１２’の出力に対応するように調製することができる。図３Ａにおいて、また、図３Ｂに更に図示されるように、第２のLED１２’から投射される第２の光線３６を、第１の光線１６’とともに示している。前出の図面においても、この場合と同様に光線は両端から投射されているのであるが、簡潔にするために前図においては図示しなかったことに注意されたい。このように、２つの光線１６’および３６が、ホログラフィックフィルム３２と光学的に接触する。ホログラフィックフィルム３２は、それ自身中を透過するように光を転進させる。本実施態様において、透過型ホログラムを用いているが、反射型ホログラムもまた用いることができ、その場合前述のマノクロプリズム構造と同様になる。ホログラフィックフィルム３２から出射される光３４は、標準的な光源のそれと同様な楕円形３８で、投射される。光パイプ１４’から側面１８’を通って出射する光は、回折格子(defraction grading)として機能する。ホログラフィックフィルム３２は、回折光線を発生させる回折格子中のスリットに類似しており、回折された光線は互いに干渉し合うことによって最終パターンを生成する。回折格子を用いることにより、各光線は、他の全ての回折光線と干渉するのに十分広い角度にわたって広がる。βに対する角度θが増減すると、回折要素からの外乱(disturbance)は、互いに対して同位相には到達せず、角度βの非常に小さな変化によっても、ほぼ完全に互いに破壊的な干渉をもたらす。従って、角度 βにおける最大値は非常に鋭いものであり、少数の開口部による干渉または回折効果によって得られる比較的広い最大値または最小値とは異なるものである。よって、光パイプ１４’から出射する光は、中心軸２０の法線方向に、実質的にコリメートされている。図３Ｃは、光パイプ１４’の長さにわたる強度のグラフを示す。本実施例においてこのグラフを特に示しているが、これは同時に前記実施態様における強度対長さのグラフでもある。このグラフから、強度「Ｉ」は光パイプ１４’の端部で増加していることがわかる。光パイプ１４’の近位端をグラフ上ゼロとし、遠位端を「Ｄ」としているか、これは光パイプ１４’の全長が「Ｄ」であるためである。グラフから、光は光パイプ１４’の中心部において最も低い強度を有していることがわかる。この光分布を有するこの光源を、図１に示す標準的な光学系とともに用いることにより、図３Ｃに示す光分布のグラフが、中心部で最大強度を有しかつ端部に沿って最低強度を有する標準的な光学系のグラフ８を、実質的に補い、その結果、印刷媒体７の横方向にわたって実質的に均一な光源を得られることが理解されるであろう。図４は、本発明の光源を用いた印刷ヘッド設計５０を示す。この実施態様において、ガラス基板５４および偏光板に、３行以上のインジウムスズ酸化物（「ITO」）６８が積層されている。ITO行６８は、SLM７３の、後部透明電極(back trans parent electrode)である。単一の共通ITOを用いてもよい。赤光源７０からの光は赤色光を投射する赤色LEDを用いることにより、着色されている。緑色光源７１は緑色光を投射し、同様に青色光源７２は青色光を投射する。他の原色を用いても、本発明は損なわれないことが、当業者には理解されるであろう。光源７０、７１、および７２からの光は、どの画素をオンにしてどの両素をオフにするかを指定するために外部的に駆動されるSLMパネル５２上に、投射される。そのような外部駆動は、例えば、光学プリンタに内蔵されたマイクロプロセッサ（不図示）によって行い得る。単一の光源７０、７１、および７２をオンすることによってある行が選択されることにより、任意の時刻において一つの行の色のみが照明される。そして行データの時間遅延シーケンシングを用いることによって、赤、緑、および青を、移動するフィルム上の単一行に重ねることにより、カラー画像が作成される。列ドライバ５９は、各行の中のどの画素がオンまたはオフされるかを決定する。一つの光源のみがオンであるため、オフ行がSLM７３を通して光を漏らすことを許さないことにより、コントラスト比が増大する。列ドライバは、各光画素をオンまたはオフするだけでよい。図５は、印刷ヘッド５０を光学プリンタ内に用いた光学設計例である。光源７０、７１、および７２はそれぞれ、図４で説明したカラー画像を有する光７４の線を、順次投射する。光は、投射レンズ７６を通して投射され、第１のミラー７８、第２のミラー８０および第３のミラー８２によって、下方の感光性媒体８４まで反射される。これらの反射により、光学設計者が、光学プリンタが、実際には近く位置する感光性媒体８４に対して長い焦点距離でイメージングすることにより、光学プリンタの設計上のコンパクトさを失うことなく焦点距離を増大することを、可能にする。本発明は、他の特定の形態においても、その趣旨や本質的な性質から逸脱することなく、実施され得る。本実施態様例は従って、あらゆる面において例示的なものと理解されるべきであり、制限的に理解されるべきではない。発明の範囲は、上記説明ではなく、既述の請求項に示されるものであり、請求項の意味および均等範囲にある全ての変更事項は、従ってその範疇に属することを意図している。

Claims

【特許請求の範囲】１．感光性媒体上に印刷を行うプリンタに用いられる光源であって、光線を投射する光投射手段と、該光投射手段と光学的に連通している光パイプであって、該光パイプ内の光線の第１の内反射角度(first angle of internal reflection)が中心軸に対して臨界角以下であることによって、該光パイプ内において全反射を起こす、光パイプと、該光パイプの側面に固定され、該第１の角度より大きい第２の角度に該光線を転進させることにより、該光線を該光パイプから出射させる、光学的転進手段と、を有する、光源。２．前記光投射手段は、前記光パイプの各端部において対向する２つの発光要素を有する、請求項１に記載の光源。３．前記光投射手段は少なくとも１つの発光ダイオードを有する、請求項１に記載の光源。４．前記光パイプは、空気よりも小さい屈折率を有する、請求項１に記載の光源。５．前記光パイプはガラスファイバである、請求項４に記載の光源。６．前記光学的転進手段は、前記光線を前記光パイプの前記中心軸に対して実質的に法線方向に転進させるように方向付けられた、複数のミラーを有する、請求項１に記載の光源。７．前記光学的転進手段は、前記光線を前記光パイプの前記中心軸に対して実質的に法線方向に転進させるように方向付けられた、複数のマイクロプリズムを有する、請求項１に記載の光源。８．前記光学的転進手段は、前記光線を前記光パイプの前記中心軸に対して実質的に法線方向に転進させるように作成された、ホログラムを有する、請求項１に記載の光源。９．前記ホログラムは透過性であり、前記光線が該ホログラムに入射したとき、該光線は、転進して該ホログラムを通って前記光パイプの側面から出る、請求項８に記載の光源。１０．前記ホログラムは反射性であり、前記光線が該ホログラムに入射したとき、該光線は、該ホログラムから反射されて前記光パイプの該ホログラムに実質的に対向する側面から出る、請求項８に記載の光源。１１．前記光学的転進手段は、破壊的な干渉がおこることにより実質的にコリメートされた光を形成するように光線を転進させるように構成された、請求項１に記載の光源。１２．前記光学的転進手段は、前記光のうちの狭い波長範囲を効率的に転進させる、請求項１に記載の光源。１３．前記光の狭い波長範囲は、前記光投射手段の出力に対応するように調整された、請求項１２に記載の光源。１４．感光性媒体上に印刷を行うプリンタに用いられる印刷ヘッドであって、該感光性媒体は該印刷ヘッドに対して相対的に移動し、該印刷ヘッドは、実質的にコリメートされた着色光を投射する複数のカラー光源と、該複数の光源と光学的に位置合わせされた空間的光変調器であって、該感光性媒体上の画素位置群の１列に対応する複数の列を有し、該複数の列の各々は独立して駆動され、該複数の列は、該複数のカラー光源の各々と該複数の列との交差点が該感光性媒体上の画素の１ラインを規定するように駆動される、空間的光変調器と、を有する、印刷ヘッド。１５．前記印刷ヘッドにおける行選択は、前記複数のカラー光源のうち１つを照明することによって行われる、請求項１４に記載の印刷ヘッド。１６．時間遅延集積(time delay integration)を用いて、前記画素のラインが順次各色に重ねられる、請求項１４に記載の印刷ヘッド。１７．感光性媒体上に画像を生成するために、第１の光分布を有する従来のレンズ系を介して光を投射する光学プリンタに用いられる光源であって、光路に沿って光を投射する照明手段と、該照明手段の該光路中に設けられた、第２の光分布に従って光を分布させる光分布手段であって、該第２の光分布は該第１の光分布に対して実質的に相補的であり、それにより該感光性媒体の横方向に(across)にわたって実質的に均一な光分布を形成する、光分布手段と、を有する、光源。１８．前記第２の光分布は、中央部において最大強度を有し、各端部において最低強度を有する、請求項１７に記載の光源。１９．前記光分布手段は更に、前記照明手段と光学的に連通している光パイプであって、該光パイプ内の光線の第１の内反射角度が臨界角以下であることによって、該光パイプ内において全反射を起こす、光パイプと、該光パイプの側面に固定され、該第１の角度より大きい第２の角度に該光線を転進させることにより、該光線を該光パイプから出射させる、光学的転進手段と、を有している、請求項１７に記載の光源。