JP4625996B2 - 発光素子アレイを用いた光学装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学装置、特に発光素子アレイを用いた光学装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
発光素子アレイを用いた光学装置の一例である光プリンタヘッドを備える光プリンタの原理図を図1に示す。円筒形の感光ドラム2の表面に、アモルファスSi等の光導電性を持つ材料(感光体)が作られている。このドラムはプリントの速度で回転している。回転しているドラムの感光体表面を、帯電器4で一様に帯電させる。そして、光プリンタヘッド6で、印字するドットイメージの光を感光体上に照射し、光の当たったところの帯電を中和する。続いて、現像器8で感光体上の帯電状態にしたがって、トナーを感光体上につける。そして、転写器10でカセット12中から送られてきた用紙14上に、トナーを転写する。用紙は、定着器16にて熱等を加えられ定着され、スタッカ18に送られる。一方、転写の終了したドラムは、消去ランプ20で帯電が全面にわたって中和され、清掃器22で残ったトナーが除去される。
【0003】
光プリンタヘッド6の構造を図2に示す。光プリンタヘッドは、基板23上に張り付けられた複数個の発光素子アレイチップ(発光素子は線状に配列)24とロッドレンズ26のアレイ(以降、参照番号26は、ロッドレンズアレイに対しても用いることがある)で構成され、発光素子アレイの発光点25からの出力光は、ロッドレンズ26を介して感光ドラム2上に結ぶようになっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
発光素子アレイチップが、線状に配列された発光素子よりなる場合、各発光素子の発光光量が同じならば、光プリンタにより得られる、発光素子の配列方向の画像濃度分布にムラは生じないはずである。しかし、発光素子アレイチップの構造によっては、ムラを生じることがある。
【0005】
本出願の発明者は、その原因を究明したところ、次のことが判明した。すなわち、発光素子アレイチップ24からの光をロッドレンズアレイ26を介して取り出そうとするとき、ロッドレンズの伝達効率は高々数%〜数十%であり、図2に示すように、多くの光はレンズ表面で全反射され、レンズ反射光としてチップ表面を照射する。さらに、チップ表面で反射した光の一部はロッドレンズアレイ26を介して感光ドラム2上に結像する。このため、チップ表面の反射率分布に対応した像が感光ドラム上にでき、画像濃度のムラとなることがわかった。特に、チップ表面の金属配線は反射率が高く、画像濃度ムラを生じる原因の一つである。
【0006】
このような画像濃度ムラは、金属配線の繰り返し周期が発光点の繰り返し周期と一致する場合は、目立ちにくいが、発光点の繰り返し周期と異なる場合は、ムラが目立つということもわかった。
【0007】
金属配線の繰り返し周期が発光点の繰り返し周期と一致する場合の例としては、例えば1個の発光点に対しこれを駆動する外部駆動回路への接続のためのボンディングパッドが1個対応して設けられているような発光素子アレイがある。
【0008】
また、金属配線の繰り返し周期が発光点の繰り返し周期と異なる場合の例としては、本出願人が既に提案している自己走査型発光素子アレイ装置がある(特開平2−263668号公報参照)。この自己走査型発光素子アレイ装置は、スイッチ素子アレイをシフトレジスタとして、発光素子アレイと分離した構造の自己走査型発光素子アレイ装置である。
【0009】
図3に、この自己走査型発光素子アレイ装置の等価回路図を示す。この自己走査型発光素子アレイ装置は、シフトレジスタを構成するスイッチ素子アレイT(−1)〜T(2)、書き込み用発光素子アレイL(−1)〜L(2)からなる。隣接するスイッチ素子のゲート電極間は、ダイオードを用いて接続している。スイッチ素子の各アノード電極は交互に転送クロックラインφ1 ,φ2 に接続されている。スイッチ素子のゲート電極G-1〜G1 は、書き込み用発光素子のゲートにも接続される。書き込み用発光素子のアノード電極には、書き込み信号Sinが加えられている。初段のスイッチ素子のゲート電極には、スタートパルスφs が印加され、スイッチ素子がオン状態にされる。
【0010】
いま、スイッチ素子T(0)がオン状態にあるとすると、ゲート電極G0 の電圧は、電源電圧VGK(ここでは5ボルトとする)より低下し、ほぼ零ボルトとなる。したがって、書き込み信号Sinの電圧が、PN接合の拡散電位(約1ボルト)以上であれば、発光素子L(0)の発光状態とすることができる。
【0011】
これに対し、ゲート電極G-1は約5ボルトであり、ゲート電極G1 は約1ボルト(ダイオードD0の順方向立上り電圧)となる。したがって、発光素子L(−1)の書き込み電圧は約6ボルト、発光素子L(1)の書き込み電圧は約2ボルトとなる。これから、発光素子L(0)のみに書き込める書き込み信号Sinの電圧は、1〜2ボルトの範囲となる。発光素子L(0)がオン、すなわち発光状態に入ると、書き込み信号Sinラインの電圧は約1ボルトに固定されてしまうので、他の発光素子が選択されてしまう、というエラーは防ぐことができる。
【0012】
発光強度は書き込み信号Sinに流す電流量で決められ、任意の強度にて画像書き込みが可能となる。また、発光状態を次の発光素子に転送するためには、書き込み信号Sinラインの電圧を一度零ボルトまでおとし、発光している発光素子をいったんオフにしておく必要がある。
【0013】
このような発光素子アレイ装置を光プリンタ等に応用する場合、ある一定数のスイッチ素子および発光素子を集積した1つの半導体チップの形として発光素子アレイ装置を構成し、この半導体チップを例えば一列に配列し、所定のサイズの線状光源を形成する。
【0014】
発光チップの全体像を図4に示す。1チップの中には、128個のスイッチ素子アレイT(1)〜T(128)と、128個の発光素子アレイL(1)〜L(128)とが配列され、スイッチ素子アレイ中に、φs ,φ1 ,φ2 ,VGK,Sin用のボンディングパッドが配列されている。
【0015】
図5は、図4の発光チップの具体的な配線パターンのレイアウト図を示す。図中、28はボンディングパッドを示す。このようなボンディングパッドを含む金属配線は、発光点25の繰り返し周期と異なるため、画像濃度のムラが目立つ。
【0016】
本発明の目的は、ロッドレンズ表面からチップ表面への反射光が少なくなるようにして、ロッドレンズアレイから出力される光量にムラがないようにした光学装置を提供することにある。
【0017】
本発明の他の目的は、ロッドレンズ表面からの反射光がチップ表面に入らないようにして、ロッドレンズアレイから出力される光量にムラがないようにした光学装置を提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
ロッドレンズのレンズ面で反射し、さらにチップ表面で反射した光による画像濃度ムラの発生を防ぐためには、
▲1▼ロッドレンズ表面に、反射防止膜を形成する。
▲2▼ロッドレンズ端面を斜め切断し、レンズ反射光がチップ表面に入射しないようにする。または、チップ表面に入射しても、チップ反射光がロッドレンズに戻らないようにする。
▲3▼ロッドレンズとチップとの配置角度を変えて、チップ反射光がロッドレンズに戻らないようにする。
▲4▼チップの発光点の位置をレンズの中心線から平行にずらして配置し、チップ反射光がロッドレンズに入射しないようにする。
【0019】
以上のいずれかの方法を採ることにより、チップ表面反射による画像への悪影響を減らすことができる。
【0020】
本発明の第1の態様は、発光素子が1次元または2次元に配列された発光素子アレイチップと、前記発光素子アレイチップが複数個張り付けられた基板と、前記発光素子アレイチップの発光点からの光を伝達するロッドレンズが配列されたロッドレンズアレイとを備え、前記ロッドレンズの前記発光素子アレイチップ側の表面に反射防止膜が施されたことを特徴とする発光素子アレイを用いた光学装置である。
【0021】
本発明の第2の態様は、発光素子が1次元または2次元に配列された発光素子アレイチップと、前記発光素子アレイチップが複数個張り付けられた基板と、前記発光素子アレイチップの発光点からの光を伝達するロッドレンズが配列されたロッドレンズアレイとを備え、前記ロッドレンズの前記発光素子アレイチップ側の表面は、前記発光点からの光が反射したときに、反射光が前記チップの表面に入射しないように、ロッドレンズの光軸に対し斜めに形成されていることを特徴とする発光素子アレイを用いた光学装置である。
【0022】
本発明の第3の態様は、発光素子が1次元または2次元に配列された発光素子アレイチップと、前記発光素子アレイチップが複数個張り付けられた基板と、前記発光素子アレイチップの発光点からの光を伝達するロッドレンズが配列されたロッドレンズアレイとを備え、前記ロッドレンズは、その表面で前記発光点からの光が反射したときに、反射光が前記チップの表面に入射しないように、前記発光点の垂線に対し、中心軸を傾けて配置されていることを特徴とする発光素子アレイを用いた光学装置である。
【0023】
本発明の第4の態様は、発光素子が1次元または2次元に配列された発光素子アレイチップと、前記発光素子アレイチップが複数個張り付けられた基板と、前記発光素子アレイチップの発光点からの光を伝達するロッドレンズが配列されたロッドレンズアレイとを備え、前記基板を前記ロッドレンズの中心軸に対し斜めとなるように配置して、前記発光点からの光が前記ロッドレンズの表面で反射したときに、反射光が前記チップの表面に入射しないようにしたことを特徴とする発光素子アレイを用いた光学装置である。
【0024】
本発明の第5の態様は、発光素子が1次元または2次元に配列された発光素子アレイチップと、前記発光素子アレイチップが複数個張り付けられた基板と、前記発光素子アレイチップの発光点からの光を伝達するロッドレンズが配列されたロッドレンズアレイとを備え、前記発光素子アレイチップは、その発光点の垂線が、前記ロッドレンズの中心軸に対して、前記ロッドレンズの表面からの反射光の、前記チップの表面への戻りが少なくなるように、ずらして配置されていることを特徴とする発光素子アレイを用いた光学装置である。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光学装置の実施例を説明する。
【0026】
【第1の実施例】
図6は、第1の実施例である光プリンタヘッド30を示す。この光プリンタヘッドでは、基板23上に、図4および図5で説明した発光チップ24が線状(1次元)に配列され、発光チップのアレイの上方に、ロッドレンズ26のアレイが設けられている。
【0027】
図6(A)は主走査方向に見た図であり、(B)は主走査方向に対し直角の方向から見た図である。
【0028】
この光プリンタヘッドによれば、ロッドレンズ26の発光素子アレイ側の端面(ロッドレンズの中心軸に対して直角である)に反射防止膜32が施されている。
【0029】
このようにロッドレンズ26の端面に施された反射防止膜32の反射率は、次のようにして求められる。
【0030】
ロッドレンズ26の中心部と周辺部との屈折率差Δnは1.2〜1.5%程度であり、ロッドレンズの中心部の屈折率nは、ガラス系の場合1.6程度、プラスチック(PMMA)系の場合1.49程度である。
【0031】
発光波長λ=780nmに対する反射防止膜として、MgF2 (屈折率n1 =1.38)を、λ/4の光学膜厚だけ設けた。このときの反射率Rは、空気の屈折率を1として、R=(n1 2−n2 )2 /(n1 2+n2 )2 で表される。
【0032】
ロッドレンズの屈折率差Δnは1%程度と小さいので無視すると、反射率は垂直入射で、ガラス系で反射防止膜なしで5.3%の反射率が0.75%に、プラスチック系では3.9%の反射率が1.5%に低減した。
【0033】
これにより、ロッドレンズ端面での反射が減少し、チップ表面に戻る光が減った。このため、画像濃度ムラも低下した。さらには、反射防止膜により、ロッドレンズの伝達効率も上昇した。
【0034】
【第2の実施例】
図7は、第2の実施例である光学装置40を示す図である。図6(A)と同様、主走査方向に見た図である。この実施例では、チップ24の発光点25をロッドレンズ42の中心線43が通るようにし、ロッドレンズ端面44には、研磨によりθ=tan-1(r/d)=約10゜の角度をつけた。すなわち角度θは、端面44に垂直な線55と中心線43とのなす角度である。ここで、rはレンズ半径(〜280μm)、dはレンズ面から発光点までの距離(〜1600μm)である。この角度θは、図においてレンズ42の端面44の右端で反射した光が発光点25自身に戻るように決めた。この角度より小さいと、チップ24の表面に光が戻ってしまう。角度θを大きく取ると、結合効率が下がる、また、レンズ収差により像がぼけるなどの問題点が出る。以上の点を考慮して、最適条件θbest=tan-1(r/d)に対し、0.5θbest<θ<2θbestとするのが望ましい。
【0035】
【第3の実施例】
図8は、第3の実施例である光学装置50を示す図である。図6(A)と同様、主走査方向に見た図である。この実施例では、中心軸に対し垂直な端面44を有するロッドレンズ26を、傾けて配置する。すなわち、ロッドレンズ26の中心軸43を発光点25の垂線から角度θだけ傾ける。原理的には、図2の実施例と同じであり、角度θは、レンズ26の右端で反射した光が発光点25自身に戻るように決めた。また、θは最適条件θbest=tan-1(r/d)に対し、0.5θbest<θ<2θbestとするのが望ましい。これにより、図2の実施例と同じ効果が期待できる。
【0036】
【第4の実施例】
図9は、第4の実施例である光学装置60を示す図である。図6(A)と同様、主走査方向に見た図である。この実施例では、複数個の発光チップ24が線状に張り付けられた基板23をロッドレンズ26の中心線43に対して斜めに配置し、チップ24の反射光が再びレンズ26に入らないようにする。チップ24の表面がロッドレンズの中心軸43に対し直交する方向となす角度δは、次のように設定される。
【0037】
図9において、レンズ42の中心線43は、チップ24の発光点25を通るものとする。δが小さいという条件で、チップの発光点25からチップ右端までの距離をW、レンズ表面からチップの発光点までの距離をd、レンズ半径をrとする。
【0038】
チップ表面での反射光がレンズに入らない条件は、
【0039】
【数5】
【0040】
である。いま、W=300μm、d=1600μmでは、約12.6゜以上となる。δは、Wに依存し、Wが小さくなると小さくなる。W=100μmでは、7.6゜以上となる。
【0041】
なお、チップ24の左端では、反射光はレンズ外に振られる。
【0042】
以上のように基板を斜め配置し、かつ、角度δを上記のように設定することによって、チップ表面に反射光が戻らないので画像濃度ムラを生じることがない。
【0043】
【第5の実施例】
図10は、第5の実施例である光学装置70を示す図である。図6(A)と同様、主走査方向に見た図である。この実施例は、第1の実施例と同様に、ロッドレンズ26の表面44とチップ24の表面とが平行になるように配置されている。そして、ロッドレンズ26の中心線43と発光素子アレイチップ24の発光点25の垂線57とが平行にずれるようにして(ずらし量をΔで示す)、ロッドレンズアレイと発光素子アレイチップとを配置する。
【0044】
ロッドレンズ26の反射光がチップ24に戻ってこないためには、Δ>rである必要がある。Δを大きくとると、結合効率が下がる。また、レンズ収差により像がぼけるなどの問題点が出る。一方、Δがrより小さいと、チップに光が戻るが、発光点付近は発光点周期の構造を持っているため、多少チップに光が当たっても影響は少ない。以上の点を考慮して、2r>Δ>r/2とするのが望ましい。
【0045】
以上の各実施例では、発光素子が1次元に配列されたチップについて説明したが、発光素子が1次元あるいは2次元に配列されたチップについても適用できることは明らかである。
【0046】
【発明の効果】
本発明によれば、ロッドレンズ表面での反射光が小さくなるようにする、あるいはロッドレンズ表面からの反射光がチップ表面に入らないようにするので、チップ表面反射による画像への悪影響を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】光プリンタヘッドを備える光プリンタの原理を示す図である。
【図2】光プリンタヘッドの構造を示す図である。
【図3】自己走査型発光素子アレイ装置の等価回路を示す図である。
【図4】発光チップの全体像を示す図である。
【図5】発光チップの具体的なレイアウトを示す図である。
【図6】第1の実施例である光学装置を示す図である。
【図7】第2の実施例である光学装置を示す図である。
【図8】第3の実施例である光学装置を示す図である。
【図9】第4の実施例である光学装置を示す図である。
【図10】第5の実施例である光学装置を示す図である。
【符号の説明】
23 基板
24 発光素子アレイチップ
25 発光点
26,42 ロッドレンズまたはロッドレンズアレイ
30,40,50,60,70 光学装置
32 反射防止膜
43 ロッドレンズの中心線
44 ロッドレンズ端面
55 ロッドレンズ端面の垂線
57 発光点垂線
Claims (4)
- 発光素子が1次元または2次元に配列された発光素子アレイチップと、
前記発光素子アレイチップが複数個張り付けられた基板と、
前記発光素子アレイチップの発光点からの光を伝達するロッドレンズが配列されたロッドレンズアレイとを備え、
前記ロッドレンズは、当該ロッドレンズの中心軸と前記発光点の垂線とが一致し、当該ロッドレンズの発光素子アレイチップ側の表面は、当該発光点からの光が反射したときに、反射光が前記チップの表面に入射しないように、ロッドレンズの中心軸に対し斜めに形成され、
前記ロッドレンズの中心軸と、前記ロッドレンズの表面に対し垂直な線とのなす角をθとすると、
【数1】
0.5θ best <θ<2θ best
θ best =tan−1(r/d)
但し、rはロッドレンズの半径、dはロッドレンズの表面から発光点までの距離であることを特徴とする発光素子アレイを用いた光学装置。 - 前記発光素子アレイチップは、前記発光素子が配列する側の表面に金属配線を有し、
前記ロッドレンズは、前記反射光が前記金属配線に照射させないために当該発光素子アレイチップ側の表面が当該ロッドレンズの中心軸に対し斜めに形成されていることを特徴とする請求項1記載の発光素子アレイを用いた光学装置。 - 光プリンタヘッドである、請求項1または2に記載の光学装置。
- 請求項3に記載の光プリンタヘッドを備える光プリンタ。
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