JPS63103288A - 端面発光ｅｌ素子投影光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、例えば電子写真感光体や銀塩感光体等の感
光体上に、記録信号によって変調された光点像を投影し
て画像を形成する装置に用いるに好適な端面発光ＥＬ素
子投影光学系に関する。

〔従来の技術〕

記録信号によって変調された光点像を感光体上に投影し
て画像を形成する装置として、従来、電子写真プリンタ
、フォトプロッタ等が知られており、実用化されている
。また、このような画像形成装置において、記録信号に
基づいて光点像を形成する光記録ヘッドとしては、レー
ザビームスキャナ、液晶シャックアレイ、磁気シャッタ
アレイ、発光ダイオードアレイ等を用いるものが知られ
ている。

しかしながら、レーザビームスキャナを用いるものにあ
っては、レーザビームをスキャンさせるための可動部を
有するため耐久性に問題があると共に、形状が大形にな
るという問題点がある。また、液晶シャッタアレイや磁
気シャッタアレイのようなシャックアレイを用いるもの
にあっては、シャックとは別に光源を必要とし、かつ光
の利用効率が悪いために高速記録に適さず、またシャッ
タの応答性が悪かったり、駆動に高電圧を必要とする等
の問題がある。更に、発光ダイオードアレイを用いるも
のにあっては、構成素子間に発光のバラツキがあるこき
、アレイを構成するためには短い素子ブロックを接合し
て長尺化しなければならないこと、温度変化によって発
光強度や発光波長が変化してしまうこと、発光波長が長
波長であるために長波長側に増感した特殊な感光体を必
要とすること等の問題がある。

このような従来の光記録ヘッドにおける種々の問題を解
決するものとして、ｌＮ５ＩＤＥＲ＆　Ｄ　Ｖｏｌｌｏ
、　Ｎｕｍ　１９．　Ｍａｙ　？、　　“８６．２７０
〜２７２頁に、端面発光薄膜エレクトロルミネッセンス
アレイ　（以下、端面発光ＥＬ素子アレイと称する）を
光記録ヘッドとして用いたものが提案されている。

第７図は上記文献に開示された端面発光ＥＬ素子アレイ
を構成する各素子の構成を示すもので、端面発光ＥＬ素
子ｌは蛍光発光する厚さ１〜１．５μｍのＺｎＳｉＭｎ
より成る発光部としての活性層２を有し、この活性層２
を取り囲んで先導波路を形成する誘電体膜３を設けると
共に、活性層２の表裏面側で誘電体膜３上に金属電極層
４；４を積層して構成され、電極層４，４間に励起電源
５を接続して交流電圧を印加することによって端面方向
から矢印で示ずように蛍光発光を出射するものである。

この端面発光ＥＬ素子１による蛍光発光の輝度は、通常
のＥＬ素子で発光を取出す電極方向の発光輝度の１００
倍程度の高い値が得られる。

第８図は第７図に示した端面発光ＥＬ素子をアレイ化し
たもので、アレイ６を構成する各素子１は基板７上にセ
グメント化されて形成され、その各々の一方の電極は共
通電極８に接続されている。

この端面発光ＥＬ素子アレイ６においては、共通電極８
を励起用電源５の一方の端子に接続し、各素子１の他方
の電極９をそれぞれ常開のスイッチング素子１０を介し
て電源５の他方の端子に接続して、各スイッチング素子
１０を選択的に開成することにより各素子ｌを選択的に
発光させることができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上述した端面発光ＥＬ素子アレイを通常
の光プリンタ等に適用しようとすると、各素子の活性層
の厚さは」二連したように１〜１，５μｍであるのに対
し、その幅は数十〜数百μｍとなってしまう。このため
、各素子による光点の縦と横との寸法が著しく異なり、
そのままでは画像の書込みや読取りに極めて不都合とな
る。

このような光源の発光部の縦横比を光学的に補正する手
段として、従来、第９図に示すようにプリズム１１を用
いて光束１２の一方向のみの径を引伸す構成のものや、
第１０図△およびＢに示ずように光束１２を拡大させた
い方向にのみレンズ作用を有する２個のシリンドリカル
レンズ１３ａ、　　＋３ｂを用いて、拡大したビート径
の平行光束を７ｍる構成のらのが知られている。なお、
第１Ｏ図Δはレンズ作用のない方向での光束の状態を、
Ｊ二た第１０図Ｂはレンズ作用のある方向での光束の状
態を示す。

一方、アレイ化した素子からの光を受光面に投影する光
学系として、ロッドレンズアレイや球面レンズアレイを
用いれば、投影光学系を著しく小形化でき、かつ光伝達
率を高くできることが知られている。

したがって、端面発光ＥＬ素子アレイの投影光学系にも
、上述したロッドレンズアレイや球面レンズアレイを適
用することが望ましい。しかしながら、このようなロッ
ドレンズアレイや球面レンズアレイを適用して、第９図
、第１０図Ａ、Ｂに示した光学系を介在させると、以下
のような問題が生じる。すなわち、第９図に示した光学
系を介在させる場合においては、ビーム幅の拡大効果を
大きくするためにプリズムへの入射角（第９図において
θ１）を大きくすると全反射が生じて光の伝達効率が著
しく悪くなる。また、第１０図Ａ、Ｂに示した光学系を
介在させる場合には、ビーム径を拡大するだめの光路が
長くなってレンズアレイのレンズ端面からＥＬ素子まで
の距離を離す必要が生じ、そのためにレンズアレレイの
開口率（Ｎ。

Ａ）が低下して光伝達効率が悪くなる。また、端面発光
ＥＬ素子からの発光は平行光束でないために、平行光束
を前提とした光学系を適用できない。

この発明は、上述した端面発光ＥＬ素子アレイにおける
投影光学系の種々の問題を解決し、各端面発光ＥＬ素子
からの縦横の寸法が異なる光束を、光伝達効率を低下さ
せることなく、しかも簡単な構成で、所定の照射像面に
縦横の寸法が略等しい光点列として投影できるようにし
た端面発光Ｅ１、素子投影光学系を提供することを目的
とする。

〔問題点を解決するだめの手段〕

上記目的を達成するため、この発明ではセグメント化さ
れた発光部を先導波路を形成する誘電体膜で取り囲んで
、長尺の発光端面をその長手方向に配列して成る端面発
光Ｆｊ、素子アレイの各発光端面の像を所定の照射像面
に投影する端面発光ＥＬ素子投影光学系において、前記
端面発光ＥＬ素子アレイと前記照射像面との間に王立等
倍像投影条件を満たすようにレンズアレイを配置すると
共に、前記端面発光ＥＬ素子アレイと前記レンズアレイ
との間および／または前記レンズアレイと前記照射像面
との間に、前記発光端面の配列方向に対してはレンズ作
用を有せず、これと直交する方向にレンズ作用を有する
シリンドリカルレンズを配置し、このシリンドリカルレ
ンズのレンズ作用を有する方向において各発光端面像を
拡大して前記照射像面に投影することにより、該照射像
面上に縦横比がほぼ１の光点像を形成するようにする。

〔作　用〕

第１図はこの発明の基本構成を模式的に示すものである
。この発明では、端面発光ＥＬ素子アレイ２１と所定の
照射像面との間に投影光学系２２を配置して、各端面発
光ＥＬ素子２３−１．２３−２．−−−の発光端面２４
−１．２４−２．−ｍ−の像を、縦横比がほぼ１の光点
像２５−．１．２５−２．−ｍ−として投影する。各端
面発光ＥＬ素子２３１．２３−２．−−−は、第７図お
よび第８図に示したように、セグメントに分割された発
光部としての活性層と、これを取り囲み光導波路を形成
する誘電体膜とを有し、活性層での蛍光発光を発光端面
２４−１．２．１−２．−ｍ−に導き出す構成となって
いる。なお、各発光端面２４、−１．２４−２．−一の
形状は、素子の配列方向の長さＬに比べて、それと直交
する厚さ方向での寸法ｌが著しく小さい長尺となってい
る。

投影光学系２２はレンズアレイとシリンドリカルレンズ
とを組合せて構成する。ここで、レンズアレイは各素子
の発光端面の等倍の像を照射像面に投影する作用を有し
、シリンドリカルレンズは各素子から出射する光束の素
子配列方向と直交する成分を照射像面に拡大投影する作
用を有する。レンズアレイとしては、例えばロッドレン
ズと呼ばれる半径方向に屈折率が連続的に変化する棒状
の光学素子を多数本列状に集合させたものを適用するこ
とかできる。このようなロッドレンズアレイはセルフォ
ックレンズアレイ（商品名９日本板硝子社製）として公
知である。また、別のレンズアレイとしては、球面の小
径レンズを多段に組合わせたエレメントを列状に多数集
合させた公知のものを適用することができる。これらの
レンズアレイにおいては、各レンズは等倍の正立像を結
像する構成となっているから、レンズを多数集合させた
ときに各レンズが作る像が重なり合っても、その重なり
合った像が正しく位置合わされて、複数のレンズで協働
して等倍の正立像を投影するよう構成されている。

かかる構成において、端面発光ＥＬ素子アレイ２１の各
素子２３−１．２３−２．−−一を発光させると、各発
光端面２４−１．２４−２．−ｍ−の像は投影光学系２
２のレンズアレイの作用により発光端面の配列順序と同
じ配列順序で照射像面に投影され、この際に各発光端面
像はシリンドリカルレンズの作用により、各素子の配列
方向と直交する方向において拡大される。したがって、
シリンドリカルレンズを適正に設定、配置すれば、照射
像面に縦横比がほぼ１の各素子の発光端面の光点像２５
−Ｌ　２５−２．−ｍ−を得ることができる。

〔実施例〕

第２図ΔおよびＢはこの発明の第１実施例を示すもので
ある。この実施例では、端面発光ＥＬ素巨 子アレイ３１の各素子３２の発光端面の像をシリンドリ
カル凸レンズ３３および等倍圧立像投影レンズアレイ３
４を介して照射像面３５１：に投影するようにしたもの
である。第２図△は素子配列方向と直交する方向の光点
像３６の投影状態を示すもので、端面発光Ｅｌ−素子３
２から出射した光束はシリンドリカル凸レンズ３３ての
レンズ作用を受ける結果、実際に素子３２が存在する位
置よりも後方（左側）から出射した光束であるようにレ
ンズアレイ３４に入射する。したがって、照射像面３５
よりも前方（左側）に焦点を結び、照Ｉ＋・＋　作曲：
）５におていはデフォーカスの拡大した光束が投影され
る。これに対して、第２図Ｂに示すように２・、Ｊ’　
：ｌ　２の配列方向の光点像３７においては、ンリン１
−リカル凸レンズ３３はこの方向に対してはレンズｆ′
１用がなく、しかしレンズアレイ３４は各素子３２の発
光端面と照ｑ・１像面３５との間において等倍圧立像の
条件を１１：１′ｄたずように配置されているので、照
射像面３５には各素子３２の発光端面の像が、素子３２
の配列順序と同じ順序で結像される。すなわち、この実
施例では照射像面に投影される光点像は、素子配列方向
では結像状態となり、それと直交する方向ではデフォー
カス状態となる。な右、Ｅ　Ｌ素子アレイ３１およびレ
ンズアレイ３４は、シリンドリカル凸しセンズ３３の介
在によるｔ・（ｎ−１）Ｔの光路長の伸び量を補正する
ように実際の距離を接近させておく。ただし、ｎはシリ
ンドリカル凸レンズ３３の素材の屈折率、Ｔはその厚さ
を示す。

この実施例による照射像面における光点像は、素子配列
方向のエツジが比較的シャープで、それと直交する方向
のエツジはボケだ状態となるが、光プリンタ等への適用
においては画像を形成するドツトは若干型なり合うこと
が許容され、あるいは好ましいのでこのことは何ら問題
とはならない。

しかしながら、よりシャープな光点像の形成が必要な場
合には、シリンドリカル凸レンズによる像の拡大作用を
利用し、かつ発光端面のシリンドリカル凸レンズによる
虚像位置が発光端面からあまりずれない位置に形成され
るような光学系を適用すると好都合である。この場合の
構成をこの発明の第２実施例として第３図ＡおよびＢに
示す。

この第２実施例においては、光学系に対する上記要求を
満たずために、曲率が小さく、かつ焦点距離の短いシリ
ンドリカル凸しンズ伺を（＞ｆ！。

となるように発光端面に接近して配置する。ここで、ｆ
はシリンドリカル凸しンズ旧の主平面ＩＩからその焦点
Ｆまての焦点距離を、ｐ、は主平面１−１と発光端面と
の間の距１雄を示す。このようにして、発光端面を高い
倍率で拡大して、その虚像４２を発光端面からあまり遠
ざからない位置に形成し、これを等倍圧立像投影レンズ
アレイ３４を介して照射像面３５トに投影する。このよ
うにすると、レンズアレイ３４による虚像４２の結像面
４３が照射像面３５に接近し、照射像面３５における光
点像４４のぼけは十分小さくなる。

この実施例において、シリンドリカル凸レンズ４１によ
る虚像４２の拡大率Ｍは、主平面１１から虚像４２の形
成位置までの距離を１２とすると、Ｍ−β２／ｐ１　と
なる。この拡大率Ｍを大きくし、かつ虚像位置を発光端
面になるべく近づけるためにはシリンドリカル凸レンズ
４１の焦点距離ｆを極力小さくする必要がある。このよ
うにすると、レンズ４１をＥＬ素子アレイ３１に正しく
位置決めして保持するだめの要求精度が高くなるが、こ
れは例えばＥＬ素子アレイ３１にレンズ４１を一体的に
保持させるよう構成することによって容易に達成するこ
とができる。

第４図ΔおよびＢはこの発明の第３実施例を示すもので
ある。この実施例は、照射像面３５に極く接近してシリ
ンドリカル凹レンズ４６を配置することにより第２実施
例と同様の効果を得るようにしたものである。すなわち
、この実施例では端面発光ＥＬ素子アレイ３１の発光端
面の像を、等倍圧立像投影レンズアレイ３４を介してシ
リンドリカル凹レンズ４６に導き、これにより素子配列
方向と直交する方向を拡大して照射像面３５に投影する
。ここで、凹レンズ４６はレンズアレイ３４の結像面４
７に形成される発光端面の投影像４８の拡大実像４９を
照射像面３５」二に有効に形成するため、その主平面Ｈ
からレンズアレイ３４の結像面４７までの距離β１が凹
レンズ４６の焦点距離ｆよりも小さく（ｆ＞β、）なる
ように配置する。また、照射像面３５は凹レンズ４６に
よる拡大実像４９の形成位置に一致させる。このように
構成することにより、照射像面３５上に発光端面を素子
配列方向と直交する方向において拡大倍率Ｍ＝　ｐ２／
　Ｆ　、で拡大した投影像４９を得ることができる。な
お、この場合、素子配列方向における投影像は若干デフ
ォーカス状態となる。

以」二、第２．第３実施例においては、照射像面を素子
配列方向またはそれと直交する方向の発光端面像が結像
する面に一致させるようにしたが、それらの結像面の中
間的な位置に照射像面を設定することは任意に可能であ
り、これにより使用目的に応じて投影像の縦と横との寸
法およびぼけ量を変化させることができる。

第５図はこの発明の第４実施例を示すしのである。この
実施例は、端面発ｉ’＋ｅ　Ｄ：　１．素ｊ′−アレイ
３１の発光端面に極く接近さ仕て焦点′Ｉ１１．離の短
いシリンドリカル凸レンズ５１を配置して発光端面の虚
像を形成し、等倍型立像投影レンズアレイ３４の出射側
に焦点距離のやや長いシリンドリカル凹レンズ５２を配
置することによって、シリンドリカル凸、凹レンズ５１
．５２の作用を受けた投影像形成位置を縦。

横共に照射像面３５に一致させて発光端面の像を結像状
態で照射像面３５に投影するようにしたものである。

かかる構成において、シリンドリカル凸レンズ５１によ
る素子配列方向と直交する方向での投影像拡大の作用原
理は第２実施例と同じであり、その拡大虚像はレンズア
レイ３４により結像面５３に結像する方向の光束として
レンズアレイ３４を出射する。

シリンドリカル凹レンズ５２は結像面５３を移動させて
素子配列方向の光束が結像する照射像面３５に一致させ
る作用を成すもので、シリンドリカル凸レンズ５１に比
べ遥かに焦点距離の長いものをレンズアレイ３４の出射
端面に接近して、好適にはレンズアレイ３４に一体的に
保持して配置する。したがって、照射像面３５上には、
発光端面の像が素子配列方向およびそれと直交する方向
においてそれぞれ結像状態で投影されることになる。な
お、シリンドリカル凹レンズ５２によって結像位置が遠
ざかった分だけ投影像倍率が大きくなるが、凹レンズ５
２の焦点距離が長いのでこれによる投影像倍率拡大の効
果は重要なファクタにはならない。

この実施例によれば、縦１；？「共にシャープな光点像
を投影することができると共に、照射像面；）５が結像
位置からずれても、そのずれによる光点像のぼけは縦横
共にほぼ等しく、また光点像のぼけによる寸法変化も縦
横共にほぼ等しい割合で発生ずるので、照射像面３５の
設定許容度を広くとれるという利点もある。

第６図はこの発明の第５実施例を示すしのである。この
実施例は、第５図のシリンドカル凹レンズ５２に代えて
、曲率が小さく、焦点距離の短いシリンドリカル凹レン
ズ５５を照射像面３５に近づけて配置した点が第５図に
示す実施例と異なるものである。このようにすると、シ
リンドリカル凹レンズ５５による投影光点像の拡大効果
が顕著となり、シリンドリカル凸、凹レンズ５１．．５
５による拡大作用を同時に利用すると共に、照射像面３
５において縦横両方向共に焦点の合った光点像を形成す
ることができる。したがって、この場合のシリンドリカ
ル凹レンズ５５は、結像面を照射像面３５に一致させる
作用と、結像光束を屈折させて投影像倍率を大きくする
作用を併せ持つことになる。

なふ、この発明は上述した実施例にのみ限定されるもの
ではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば
、第２図Δ、Ｂに示す第１実施例におけるシリンドリカ
ル凸レンズ３３の作用はデフォーカス状態を作り出ずた
めのものであるが、このような作用はシリンドリカル凹
レンズであってもよく、またその配置もレンズアレイ３
４の入射側でも出射側でもよい。

〔発明の効果〕

以」二述べたように、この発明によれば端面発光Ｅ　Ｌ
素子アレイの光束を照射像面上に投影するに際して、小
形で光伝達性能にすぐれたレンズアレイ光学系を適用し
ながら、素子配列方向と直交す、る方向の光点投影倍率
を高めて、縦横比がほぼ１に近い光点像を形成すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の詳細な説明するだめの図、第２図Ａ
およびＢはこの発明の第１実施例を示す図。 第３図ＡおよびＢは同じく第２実施例を示す全体図およ
び部分動作説明図、 第４図ΔおよびＢは同じく第３実施例を示す全体図およ
び部分動作説明図、 第５図は同じく第４実施例を示す図、 第６図は同じく第５実施例を示す図、 第７図は端面発光ＥＬ素子の構成を示す図、第８図は第
７図の素子を複数配列して成る端面発光ＥＬ素子アレイ
の構成を示す図、 第９図および第１０図Δ、Ｂは従来公知の光束拡大光学
系を示す図である３゜ ２１・・・端面発光ＥＬ素子アレイ ２２・・・投影光学素子 ２３−１．２３−２．−一−・・・端面発光Ｅ　［−素
子２４−１．２４−２．−ｍ＝・・・発光−面２５−１
．２５−２．−−−・・光点像３１・・端面発光Ｅ　Ｌ
素子アレイ ３２・・・端面発光ＥＬ素子 ３３・・・シリンドリカル凸レンズ ３４・・・等倍圧立像投影レンズアレイ３５・・・照射
像面　　　　　３６．３７・・・光点像４１・・・シリ
ンドリカル凸レンズ ４２・・虚像　　　　　　　４３・・・結像面４４・・
・光点像 ４６・・・シリンドリカル凹レンズ ４７・・・結像面　　　　　　４８・・・投影像４９・
・・拡大実像 ５１・・・シリンドリカル凸レンズ ５２・・・シリンドリカル凹レンズ ５３・・結像面 ５５・・・シリンドリカル凹レンズ 第３図 Ａ 第５図 第７図 第９図 第１Ｏ図 Ａ　　　　　　　Ｂ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セグメント化された発光部を光導波路を形成する誘
   電体膜で取り囲んで、長尺の発光端面をその長手方向に
   配列して成る端面発光ＥＬ素子アレイの各発光端面の像
   を所定の照射像面に投影する端面発光ＥＬ素子投影光学
   系において、 前記端面発光ＥＬ素子アレイと前記照射像 面との間に正立等倍像投影条件を満たすようにレンズア
   レイを配置すると共に、前記端面発光ＥＬ素子アレイと
   前記レンズアレイとの間および／または前記レンズアレ
   イと前記照射像面との間に、前記発光端面の配列方向に
   対してはレンズ作用を有せず、これと直交する方向にレ
   ンズ作用を有するシリンドリカルレンズを配置して成る
   端面発光ＥＬ素子投影光学系。