JP6335456B2 - 露光装置および画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、複写機やプリンタ等の電子写真方式を用いた露光装置および画像形成装置に関するものである。

電子写真方式の印刷装置には、露光用ヘッド用の発光素子として有機ＥＬ素子をアレイ化した光源を用いたものが提案されている。一般に、電子写真方式の印刷装置には、光源の光を感光ドラムに集光するための、集光性のレンズアレイ光学系が使用される。

このような集束性レンズアレイを使用した光書き込み装置では、発光素子と各レンズアレイの位置関係（発光素子のピッチがレンズアレイのレンズのピッチより小さい）に依存した、発光素子の像の光量ばらつきが問題となる。そのため、その緩和の方法がいくつか提案されている。例えば、特許文献１では、発光素子とレンズアレイの間に、発光素子から発せられた光の基板に垂直な成分を、基板に垂直な方向以外に屈折させる光学素子設けることで、感光ドラムに集光されたときの光量を平均化して、光量ばらつきによるムラを改善している。

特開２００７−２１０１０５号公報

Ｍ．Ｓ．Ｔｏｍａｓ ａｎｄ Ｚ．Ｌｅｎａｃ，"Ｄｅｃａｙ ｏｆ ｅｘｃｉｔｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ ｉｎ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｐｌａｎａｒ ｃａｖｉｔｉｅｓ"Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ，ｖｏｌ．５６，（１９９７）ｐ．４１９７ Ｈ．Ｂｅｎｉｓｔｙ，Ｒ．Ｓｔａｎｌｅｙ，ａｎｄ Ｍ．Ｍａｙｅｒ，"Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｏｕｒｃｅ ｔｅｒｍｓ ｆｏｒ ｄｉｐｏｌｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｐｌａｎａｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ"Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Ａ，Ｖｏｌ．１５，（１９９８）ｐ．１１９２

しかしながら、上述したような光学素子を設けるといった対策であると、工程数が増え、コストも増加してしまう問題がある。

本発明は上述した課題を鑑みたものであり、露光用ヘッドとして有機ＥＬ素子アレイを用いた電子写真方式の印刷装置において、製造過程の追加なく、レンズアレイによる光量ばらつきによるムラを低減させることを目的とする。

本発明は、複数の有機ＥＬ素子を有する素子アレイと、前記素子アレイからの光を感光体上に正立等倍結像させる複数のレンズを有するレンズアレイを用いたレンズアレイ光学系と、を備え、前記有機ＥＬ素子が、光射出側の第１の電極と、光反射側の第２の電極と、発光層と、を有する露光装置であって、
前記有機ＥＬ素子の前記発光層内の発光位置と前記第２の電極の間の光学距離Ｌ₁は、露光時の光量ばらつきの最小値をとる光学距離から±１０％以内の光学距離であることを特徴とする露光装置に関する。

また、本発明は、複数の有機ＥＬ素子を有する素子アレイと、前記素子アレイからの光を感光体上に正立等倍結像させる複数のレンズを有するレンズアレイを用いたレンズアレイ光学系と、を備え、前記有機ＥＬ素子が、光射出側の第１の電極と、光反射側の第２の電極と、発光層と、を有する露光装置であって、
前記第１の電極が、金属薄膜もしくは誘電体ミラーを有し、
前記有機ＥＬ素子の前記第１の電極と前記第２の電極の間の光学距離Ｌ₂は、露光時の光量ばらつきの最小値をとる光学距離から±５％以内の光学距離であることを特徴とする露光装置に関する。

さらに、本発明は、上記露光装置と、前記露光装置によって表面に潜像が形成される感光体と、前記感光体を帯電する帯電手段と、を備えた画像形成装置に関する。

上述した本発明の構成によれば、有機ＥＬ素子の放射強度の指向性（角度分布）を利用し、集束性レンズアレイを使用した光書き込み装置での、発光素子と各レンズアレイの位置関係に依存した、発光素子像の光量ばらつきを緩和できる。発光素子の発光の放射強度の角度分布は有機層の厚さを調整することなどで実現でき、有機層の厚さを調整するだけのため、通常の製造工程と変わらない工程数で、コストの大幅な増加もなく、光量ばらつきによるムラの少ない印刷装置を提供できる。

（Ａ）画像形成装置と（Ｂ）カラー画像形成装置の説明図である。 （Ａ）レンズアレイ光学系（主配列方向断面）、（Ｂ）レンズアレイ光学系（副配列方向断面）、（Ｃ）レンズアレイ光学系（正面）の説明図である。 本発明の実施形態に係る有機ＥＬ素子の概略断面図である。 レンズ光学系（主副）の説明図である。 （Ａ）発光点位置Ａの結像光束、（Ｂ）発光点位置Ｂの結像光束、（Ｃ）発光点位置Ｃの結像光束の説明図である。 （Ａ）発光点位置Ａの放射強度の角度分布を考慮しない角度強度比、（Ｂ）発光点位置Ｂの放射強度の角度分布を考慮しない角度強度比、（Ｃ）発光点位置Ｃの放射強度の角度分布を考慮しない角度強度比を示すグラフである。 実施形態１における光学距離Ｌ₁と結像光量−光量ばらつきの関係を示すグラフである。 実施形態１における発光点位置Ａ，Ｂ，Ｃにおける結像光量比較を示すグラフである。 実施形態２における光学距離Ｌ₂と結像光量−光量ばらつきの関係を示すグラフである。 実施形態２における発光点位置Ａ，Ｂ，Ｃにおける結像光量比較を示すグラフである。 実施形態２における光学距離Ｌ₁と結像光量−光量ばらつきの関係を示すグラフである。

本発明は、感光ドラムを露光するためのライン光源として、有機ＥＬ素子をライン状に複数配置した素子アレイと、前記発光素子に対向して配置され、前記発光素子から射出した光を感光ドラム上に結像するレンズアレイ光学系とを備えた露光装置である。有機ＥＬ素子は、光射出側の第１の電極と光反射側の第２の電極（例えば、第１電極がアノード、第２電極がカソード）と発光層を具備している。また、レンズアレイによる光量ムラが低減するよう、前記有機ＥＬ素子の発光位置と第２の電極との間の光学距離、あるいは第１の電極と第２の電極との間の光学距離が特定の関係を満たすように設定されている。

以下、上記構成を要旨とする本発明に係る印刷装置の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書で特に図示または記載されない部分に関しては、当該技術分野の周知または公知技術を適用する。また以下に説明する実施形態は、発明の一つの実施形態であって、これらに限定されるものではない。

［画像形成装置］
図１（Ａ）は、本発明の画像形成装置の実施形態を示す副走査方向の要部断面図である。図１（Ａ）において、符号５は画像形成装置を示す。この画像形成装置５には、パーソナルコンピュータ等の外部機器１５からコードデータＤｃが入力する。このコードデータＤｃは、装置内のプリンタコントローラ１０によって、画像データ（ドットデータ）Ｄｉに変換される。この画像データＤｉは、実施形態１に示した構成を有する露光ユニット１に入力される。そして、この露光ユニット１（露光装置）からは、画像データＤｉに応じて変調された露光光４が射出され、この露光光４によって感光ドラム２の感光面が露光される。

静電潜像担持体（感光体）たる感光ドラム２は、モーター１３によって時計廻りに回転させられる。そして、この回転に伴って、感光ドラム２の感光面が露光光４に対して、第二の方向に移動する。感光ドラム２の上方には、感光ドラム２の表面を一様に帯電せしめる帯電ローラ３が表面に当接するように設けられている。そして、帯電ローラ３によって帯電された感光ドラム２の表面に、前記露光ユニット１によって露光光４が照射されるようになっている。

先に説明したように、露光光４は、画像データＤｉに基づいて変調されており、この露光光４を照射することによって感光ドラム２の表面に静電潜像を形成せしめる。この静電潜像は、上記露光光４の照射位置よりもさらに感光ドラム２の回転方向の下流側で感光ドラム２に当接するように配設された現像器６によってトナー像として現像される。

現像器６によって現像されたトナー像は、感光ドラム２の下方で、感光ドラム２に対向するように配設された転写ローラ７によって被転写材たる用紙１１上に転写される。用紙１１は感光ドラム２の前方（図１（Ａ）において右側）の用紙カセット８内に収納されているが、手差しでも給紙が可能である。用紙カセット８端部には、給紙ローラ９が配設されており、用紙カセット８内の用紙１１を搬送路へ送り込む。

以上のようにして、未定着トナー像を転写された用紙１１はさらに感光ドラム２後方（図１（Ａ）において左側）の定着器へと搬送される。定着器は内部に定着ヒータ（図示せず）を有する定着ローラ１２とこの定着ローラ１２に圧接するように配設された加圧ローラ１４とで構成されており、転写部から搬送されてきた用紙１１を定着ローラ１２と加圧ローラ１４の圧接部にて加圧しながら加熱することにより用紙１１上の未定着トナー像を定着せしめる。

図１（Ａ）においては図示していないが、プリントコントローラ１０は、先に説明データの変換だけでなく、モーター１３を始め画像形成装置内の各部などの制御を行う。

［カラー画像形成装置］
図１（Ｂ）は本発明の実施態様のカラー画像形成装置の要部概略図である。本実施形態は、露光装置を４個並べ各々並行して像担持体である感光ドラム面上に画像情報を記録するタンデムタイプのカラー画像形成装置３３である。カラー画像形成装置３３は、露光ユニット１７，１８，１９，２０（露光装置）、像担持体としての感光ドラム２１，２２，２３，２４、現像器２５，２６，２７，２８、搬送ベルト３４を有している。

図１（Ｂ）において、カラー画像形成装置３３には、パーソナルコンピュータ等の外部機器３５からＲ（レッド）、Ｇ（グリーン）、Ｂ（ブルー）の各色信号が入力する。これらの色信号は、装置内のプリンタコントローラ９３によって、Ｃ（シアン），Ｍ（マゼンタ），Ｙ（イエロー）、Ｂ（ブラック）の各画像データ（ドットデータ）に変換される。これらの画像データは、それぞれ露光装置１７，１８，１９，２０に入力される。そして、これらの露光装置１７，１８，１９，２０からは、各画像データに応じて変調された露光光２９，３０，３１，３２が射出され、これらの露光光によって感光ドラム２１，２２，２３，２４の感光面が露光される。

本実施態様におけるカラー画像形成装置３３は露光装置（１７，１８，１９，２０）を４個並べ、各々がＣ（シアン），Ｍ（マゼンタ），Ｙ（イエロー）、Ｂ（ブラック）の各色に対応し、各々平行して感光ドラム２１，２２，２３，２４面上に画像信号（画像情報）を記録し、カラー画像を高速に印字するものである。

本実施態様におけるカラー画像形成装置３３は上述の如く４つの露光装置１７，１８，１９，２０により各々の画像データに基づいた露光光を用いて各色の潜像を各々対応する感光ドラム２１，２２，２３，２４面上に形成している。その後、記録材に多重転写して１枚のフルカラー画像を形成している。

前記外部機器３５としては、例えばＣＣＤセンサを備えたカラー画像読取装置が用いられても良い。この場合には、このカラー画像読取装置と、カラー画像形成装置３３とで、カラーデジタル複写機が構成される。

［露光ユニット］
露光ユニットの構成は図２（Ａ）〜（Ｃ）のようになっている。露光ユニットは、光源部１０１である、複数の有機ＥＬ素子が主配列方向に等間隔に配列された素子アレイと、レンズアレイ光学系１０２と、を有している。レンズアレイ光学系で１０２は、主配列方向について正立等倍結像し、副配列方向については倒立結像しているレンズ光学系が、副配列方向に一列配列された構成となっている。図２（Ｃ）には、レンズ光学系の光軸を●で表示している。

光源部１０１の発光点の間隔は数十μｍであり、少なくとも数百μｍはあるレンズ光学系の間隔に比べて十分細かいため、ここで議論している発光点位置に関しては、ほぼ連続的に存在すると考えて説明を続ける。レンズ光学系が主配列方向に正立等倍結像するため、光源部１０１から射出した光束は、配列方向に並んだ複数のレンズ光学系を経由しても感光体の像面１０３上の一点に集光される。例えば、図２（Ａ）では、発光点位置Ｐ１の光束はＰ１’に集光し、発光点位置Ｐ２の光束はＰ２’に集光する。この特性のため、光源部の発光に対応した露光が可能となっている。

［有機ＥＬ素子の構成］
次に、素子アレイの基板の上に形成された各有機ＥＬ素子の構成について、具体的に述べる。図３は、有機ＥＬ素子の概要断面図である。本有機ＥＬ素子は、基板の表面から外側（図面上方）に向かって発光するトップエミッション型の素子である。ただし本発明に関しては、トップエミッション型の素子に限定するものではなく、ボトムエミッション型の素子を用いても構わない。

素子の基板は、具体的には、ガラス基板３０１、ガラス基板３０１の上に形成された下地層３０２を有している。なお、下地層３０２中には、薄膜トランジスタやＭＩＭ素子などのスイッチング素子が形成されていてもよい。また、素子の基板はシリコン基板などを用いることもでる。有機ＥＬ素子は、アノード（光反射側の第２の電極）３０３と、アノード３０３上に設けられた有機ＥＬ層３０５と、有機ＥＬ層３０５の上に設けられたカソード（光射出側の第１の電極）３０６とを有している。ここで、有機ＥＬ層３０５とは、発光層を含む単層又は複数の層からなる積層体である。例えば、正孔輸送層、発光層、電子輸送層及び電子注入層からなる４層構成や、正孔輸送層、発光層及び電子輸送層からなる３層構成等が挙げられる。有機ＥＬ層３０５を構成する材料（有機発光材料、正孔輸送材料、電子輸送材料、電子注入材料等）は、公知の材料を使用することができる。また、２つの有機ＥＬ素子の間には、アノードとカソードとの短絡を防止するための隔壁３０４が形成されている。

そして、アノード３０３はガラス基板３０１において画素毎に直線状に配列されており、カソード３０６は複数の有機ＥＬ素子に共通して設けられている。また、ガラス基板３０１には有機ＥＬ素子をアクティブに駆動するトランジスタ（不図示）が設けられている。

そして、カソード３０６の上には、空気中の酸素や水分から有機ＥＬ層３０５を保護するために保護層３０７を形成する。保護層３０７は、ＳｉＮ（窒化シリコン）、ＳｉＯＮ（酸窒化シリコン）などの無機材料からなる。また、無機膜の膜厚は０．１μｍ以上１０μｍ以下が好ましく、ＣＶＤ法で形成することが好ましい。また、保護層３０７の表面が下地の形状にならって凸凹するならば、無機材料と有機材料との積層膜で形成してもよい。

保護層３０７の代わりに、別途用意したガラスを素子アレイの周囲でシールして外部の水、酸素、汚染物から結城発光素子を保護してもよい。また、ボトムエミッションの場合は、保護層３０７を金属としてもよい。さらにガラスによる封止の代わりに金属板を用いることもできる。

［レンズアレイ］
さらに、レンズアレイ光学系１０２を構成するレンズ光学系について説明する。

レンズ光学系の、主副配列方向における断面図を図４に示す。レンズ光学系は、同一の光軸上に配置された、第一のレンズ１０７（以下Ｇ１とする）、遮光部材１０８、第二のレンズ１０９（以下Ｇ２とする）の三部材から成る。全てのレンズ面は矩形形状となっている。レンズアレイ光学系として、Ｇ１とＧ２は主副配列方向に結像している。

主配列方向について、光源１０４から射出した光束は、Ｇ１を通過した後、遮光部材内部にて一旦結像し（以下、中間結像面１０５とする）、Ｇ２を通過して像面１０６に正立等倍結像する。遮光部材は、Ｇ１を通過した後、光軸の異なるレンズ光学系のＧ２に向かう光束を遮光する役割を担っている。

［レンズの光学設計］
ここで、レンズ光学系の１例の光学設計値を表１に示す。

各レンズ面と光軸との交点を原点とし、光軸方向をＸ軸とする。さらに第一の方向において光軸（Ｘ軸）と直交する軸をＹ軸、第二の方向において光軸（Ｘ軸）と直交する軸をＺ軸とする。

Ｇ１Ｒ１面、Ｇ１Ｒ２面、Ｇ１２Ｒ１面、Ｇ２Ｒ２面、はアナモフィック非球面で構成され、その非球面形状は次式（１）で表わされる。

ここで、Ｃ_i,j（ｉ，ｊ＝０，１，２…）は非球面係数である。

［レンズアレイに対する発光点位置］
レンズアレイ光学系１０２においては、光路が発光点の位置によって異なるため、像面上の結像に光量ばらつきが発生する。以下、結像に光量ばらつきが発生する原理について具体的に説明する。

説明を簡易にするため、発光点位置Ａ、Ｂ、Ｃの結像光束を取り上げる。

発光点位置Ａは、レンズ光学系の光軸上に存在する物体面上の位置である。発光点位置Ａの結像光束を図５（Ａ）に示す。図５（Ａ）を見てわかるように、レンズ光学系の０（光軸上）のレンズ光束１つのみで構成されている。

発光点位置Ｂは、発光点位置Ａから、レンズ光学系の配列ピッチｐの１／４だけ主配列方向に離れた位置である。発光点位置Ｂの結像光束を図５（Ｂ）に示す。図５（Ｂ）を見てわかるように、レンズ光学系の１／４ｐのレンズ光束と、レンズ光学系の３／４ｐのレンズ光束で構成されている。

発光点位置Ｃは、発光点位置Ａから、配列ピッチｐの１／２だけ主配列方向に離れた位置である。発光点位置Ｃの結像光束を図５（Ｃ）に示す。図５（Ｃ）を見てわかるように、レンズ光学系の１／２ｐのレンズ光束２つで構成されている。以下、発光点位置Ａ，Ｂ，Ｃと述べるときは、レンズ光学系のピッチあるいは光軸との関係において図５と同じ発光点位置Ａ，Ｂ，Ｃを指す。

発光素子の放射強度の角度分布として等方分布を仮定した場合における、レンズアレイ光学系の角度強度比を図６（Ａ）〜（Ｃ）に示す。これは、図５の光線図を発光素子の空気中での放射角度を横軸にして、グラフにしたものである。レンズの光軸の真下である発光点位置Ａの場合、基板に垂直に射出される（放射角０度）光線も利用されるが、レンズとレンズの間の真下に位置する発光点位置Ｃでは、放射角０度付近の光線は利用されないことがわかる。また、発光点位置（Ｂ）、（Ｃ）に関しては、放射角度１０度から２０度の斜めの光における強度比が放射角度０度近傍よりも高い。これは本レンズアレイ光学系における発光点位置（Ｂ）（Ｃ）は、垂直方向の光よりも斜め方向の光の方向が結像に大きく寄与することを示している。なお、２６度よりも大きい角度の光は結像に寄与しないことが分かる。

光量ばらつきの定義を、各発光点における結像光量の最大値と最小値との差分を、結像光量の平均値で除算した値とする。発光点位置（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）３点の光量ばらつきは、発光点位置Ａ，Ｂ，Ｃの結像光量をそれぞれＫ_A，Ｋ_B，Ｋ_Cとすると、以下の式（２）で表される。なお、結像光量の平均値（Ｋ_A＋Ｋ_B＋Ｋ_C）／３は、平均結像光量と定義する。
（Ｍａｘ（Ｋ_A，Ｋ_B，Ｋ_C）−Ｍｉｎ（Ｋ_A，Ｋ_B，Ｋ_C））／（（Ｋ_A＋Ｋ_B＋Ｋ_C）／３）・・・（２）

本発明におけるレンズ光学系においては、発光点位置Ａと発光点位置Ｂとの結像光量の差により、光量ばらつきが起こりやすいと言える。なお、実際には、有機ＥＬ素子の数だけ発光点は存在する。発光点が４点以上ある場合においても、前記光量ばらつきの定義より、各発光点における結像光量の最大値と最小値との差分を結像光量の平均値で除算することで求めることが出来る。

有機ＥＬ素子の放射強度の角度分布は干渉により変化するため、干渉条件により光量ばらつきの値は変化する。放射強度の角度変化が大きい有機ＥＬ素子においては、等方分布を仮定した場合よりも光量ばらつきの値が大きくなることが多く、問題となる。

［実施形態１］
ここで、本実施形態での発光分布による光量ばらつき抑制について詳細に説明する。

一般的に、有機ＥＬ素子を構成する発光層等の各層の膜厚は数十ｎｍ程度であり、各層の膜厚ｄと各層の屈折率ｎを掛け合わせた光学距離（ｎｄ積）は、可視光波長（３５０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の波長）の数分の１程度に相当する。このため、有機ＥＬ素子の内部では可視光の多重反射や干渉が顕著に現われる。この干渉効果によって強められる波長λ（光学干渉による強め合い波長λ）は、下記（３）式のように定まる。
２Ｌ₁ｃｏｓθ＝（ｍ−φ₁／２π）λ・・・（３）

Ｌ₁は発光層の発光位置とアノード３０３（反射電極）の間の光学距離（物理膜厚ｄと屈折率ｎの積で求められる。以下、「光学距離Ｌ」という）である。θは発光層内における放射角度、ｍは光学干渉の次数（０以上の整数）であり、ｍ＝０の時に、Ｌは式（２）を満たす最小値をとる。φ₁は光反射性の第２の電極（アノード３０３）において垂直反射する際の位相シフト量である。なお発光層中の角度であるθは、空気中の角度とスネルの法則により１対１対応する。有機ＥＬ素子の発光層の屈折率ｎ_EMLは、一般的に１．７〜１．８と空気の屈折率ｎ_Air（＝１．０）よりも高いため、空気との間において臨界角度θｃが存在する。この時スネルの法則より、以下の式（４）の関係にある。
ｎ_EML×ｓｉｎ（θｃ）＝ｎ_Air×ｓｉｎ（π／２）＝１・・・（４）

式（２）より波長λの光を正面方向（θ＝０）に強めて射出する場合の光学距離Ｌ（０）は下記式（５）より求められる。また、波長λの光を空気中において９０度方向に射出する場合の光学距離Ｌ（θｃ）は下記式（６）より求められる。
Ｌ₁（０）＝（ｍ−φ₁／２π）λ／２・・・（５）
Ｌ₁（θｃ）＝（ｍ−φ₁／２π）λ／（２ｃｏｓ（θｃ））・・・（６）
したがって、発光層の発光位置とアノード３０３（反射電極）の間の光学距離Ｌ₁が、
Ｌ₁（０）＜Ｌ₁＜Ｌ₁（θｃ）・・・（７）
の場合は、空気中において斜め方向に波長λの光が強められていることに相当する。なお、位相シフトは厳密には角度依存性があるが、斜めの干渉条件も垂直反射時の位相シフトで概ね説明できるため、式（７）を空気中において斜め方向に波長λの光が強められているとする。

本発明は、波長λの強め合いの干渉を斜め方向（θ≠０）に合わせることで、露光時の光量ばらつきを抑制することを目的としているため、式（５）〜（７）より、発光層の発光位置とアノード３０３（反射電極）の間の光学距離Ｌ₁が式（８）を満たすことを特徴とする。
（ｍ−φ₁／２π）λ／２＜Ｌ₁＜（ｍ−φ₁／２π）λ／（２ｃｏｓ（θｃ））・・・（８）
φ₁：前記発光位置で発光した光が前記第２の電極で反射する際の位相シフト量（ｒａｄ）
θｃ：有機ＥＬ素子中の空気との臨界角（ｒａｄ）
λ：発光層が発する光のスペクトルの最大ピーク波長（ｎｍ）
ｍ：０以上の整数

ここで、具体的に１例を挙げて説明する。以下では、波長λ＝６００ｎｍにピークがあるスペクトルを持つ発光材料と、有機ＥＬ層３０５にλ＝６００ｎｍにおける屈折率が約１．７５の有機材料と、光射出側の電極３０６に光透過性電極であるインジウム亜鉛酸化物などの酸化物透明導電層を、光反射側のアノード３０３にＡｌ、を用いた有機ＥＬ素子に関して、前記レンズアレイ光学系を組み合わせた場合の計算結果を述べる。なお、有機ＥＬ素子についての光学計算は、非特許文献１、２を基に行った。また、本実施形態における各パラメータの値を表２に示す。位相シフトφ１は有機ＥＬ層３０５と反射電極３０３の光学定数（ｎ，ｋ）より算出される。臨界角度θｃは前述したようにスネルの法則より算出される。Ｌ₁（０）、Ｌ₁（θｃ）、は前記式（５）、（６）より算出される。

発光点位置Ａ，Ｂ，Ｃにおける各発光素子の結像光量は、有機ＥＬ素子の角度毎の放射強度と、図６に示したレンズアレイ光学系の角度毎の光学特性を重畳することで算出できる。算出した結像光量から、平均結像光量、および、その光量ばらつきを前記定義に従い算出することができる。発光層の発光位置と光反射側の電極３０３との間の有機層の厚さを変化させた時の、感光体における発光点位置Ａ，Ｂ，Ｃにおける平均結像光量、および、その光量ばらつきを図７に示す。

図７より、正面方向に干渉を強める条件であるＬ₁＝１２８ｎｍでは光量ばらつきが２．１％存在する。光学距離Ｌ₁を大きくすることで干渉を斜め方向に合わせると、光量ばらつきは低減していき、Ｌ₁＝１６０ｎｍ近傍で最小値をとる。本実施形態においては、臨界角度θｃで干渉を強める条件はＬ₁＝１５６ｎｍであるため、臨界角度よりも大きな角度で干渉を合わせた方が、光量ばらつきが抑制されることを示している。ただし、臨界角度よりも大きな角度で干渉を合わせると空気中に取り出される光が減少するため、平均結像光量が大きく損なわれる。したがって、臨界角度よりも小さな角度で斜め方向に干渉を合わせる式（７）を満たす中で、光量ばらつきを抑制することが好適である。

光量ばらつき抑制のメカニズムを説明するために、発光点位置Ａ，Ｂ，Ｃの発光素子の結像光量を比較したものを図８に示す。図８は各角度において、それぞれの平均結像光量で規格化を行っているため、各角度における最大結像光量と最小結像光量の差分が光量ばらつきに相当する。図８より、正面方向に干渉を合わせた場合の結像光量は、発光点位置Ａが最も大きく、発光点位置Ｂが最も小さい。前述した通り、発光点位置Ｃ、Ｂ，は発光点位置Ａに比べて斜め方向の結像効率が高いため、膜厚を厚くすることで有機ＥＬ素子の干渉を斜めに合わせると、発光点位置Ｃ、Ｂにおける平均結像光量比は高くなる。したがって、斜めに干渉を合わせると発光点位置Ａと発光点位置Ｂ，発光点位置Ｃとの差は縮まる。したがって、集束性レンズアレイを使用した光書き込み装置における露光時の光量ばらつき低減には、斜め方向で干渉を合わせることが効果的である。

図７より、本実施形態において式（７）を満たす中で、光量ばらつきの最小値をとるのはＬ₁＝１５６ｎｍの時である。有機ＥＬ素子の膜厚ばらつきも考慮すると常に光量ばらつきを最小にする有機層の厚さで素子を作製することは現実的に困難である。したがって、光量ばらつきの最小値を与える光学距離から±１０％以内の範囲にＬ₁が入っていれば好適であり、光量ばらつきの最小値を与える光学距離から±５％以内の範囲にＬ₁が入っていれば、より望ましい。本構成においては光量ばらつきの最小値を与える光学距離は１６０ｎｍであるため、Ｌ₁が１４４ｎｍから１７６ｎｍ以内に収まっていれば好適である。実際、１４４ｎｍ≦Ｌ₁≦１７６ｎｍを満たし、斜め方向で干渉を合わせる場合は、有機ＥＬ素子で一般的に多く用いられる正面で干渉を合わせる条件Ｌ₁（０）よりも光量ばらつきを抑制することができている。

また図７より、平均結像光量は、光量ばらつきの最小値を与える光学距離よりも小さい領域で高くなる。したがって、高い平均結像光量と光量ばらつき最小化の両立という観点から、光量ばらつきの最小値を与える光学距離±１０％以内において、光量ばらつきの最小値よりも小さい光学距離が望ましい。本実施形態において高い平均結像光量と光量ばらつき最小化の両立を達成するのは、１４４ｎｍ≦Ｌ₁≦１５６ｎｍである。なお、光量ばらつきの最小値、および、光量ばらつきの最小値を与える干渉角度は、集束性レンズアレイの光学特性と有機ＥＬ素子の干渉強度によって異なる。

［実施形態２］
次に、干渉強度による光量ばらつきの変化を見るために、実施形態１から、光射出側の第１の電極３０６を半透過性電極であるＡｇ（２０ｎｍ）に変更した有機ＥＬ素子に関して、前記レンズアレイ光学系を組み合わせた場合の計算結果を述べる。なお、光射出側の電極に金属薄膜を用いた有機ＥＬ素子の場合、両電極間の光学干渉が強いため、両電極間の光学距離Ｌ₂が発光素子の特性に与える影響が大きい。Ｌ₂の調整により空気中で斜め方向に光を強く取り出すには式（９）を満たせばよい。
（ｎ−φ₂／２π）λ／２＜Ｌ₂＜（ｎ−φ₂／２π）λ／（２ｃｏｓ（θｃ））・・・（９）
φ₂：発光層の発光位置で発光した光が前記第１の電極および前記第２の電極において角度θで反射する際の位相シフト量の合計値（ｒａｄ）
ｎ：０以上の整数

本実施形態における各パラメータの値を表３に示す。位相シフトφ₂は有機ＥＬ層３０５、反射性の電極３０３、光射出側の電極３０６の光学定数（ｎ，ｋ）より算出される。臨界角度θｃは前述したようにスネルの法則より算出される。Ｌ₂（０）、Ｌ₂（θｃ）は式（９）の左辺と右辺に相当する。

発光点位置Ａ，Ｂ，Ｃにおける各発光素子の結像光量は、有機ＥＬ素子の角度毎の放射強度と、図６に示したレンズアレイ光学系の角度毎の光学特性を重畳することで算出できる。発光層の発光位置と光反射側の電極３０３との間の有機層の厚さを変化させることで電極３０３と電極３０６との間の光学距離Ｌ２を変化させ、その時の感光体における発光点位置Ａ，Ｂ，Ｃにおける平均結像光量、および、その光量ばらつきの関係を図９に示す。

図９より、正面方向に干渉を強める条件であるＬ₂＝２２２ｎｍでは光量ばらつきが３．１％存在する。光学距離Ｌ₂を大きくすることで干渉を斜め方向に合わせると、光量ばらつきは低減していき、Ｌ₂＝２３６ｎｍ近傍で最小値をとる。光取り出し側に半透過膜を用いた構成は、干渉が強まるため、正面で干渉を合わせた場合の平均結像光量が高まる反面、光量ばらつきは大きくなる。また、干渉が強まると、光学距離によって干渉角度を変化させた場合の、平均結像光量、および、光量ばらつきの変化は大きくなる。

発光素子の結像光量に関して、各角度において、それぞれの平均結像光量で規格化を行ったものを図１０に示す。図１０より、正面方向に干渉を合わせた場合の結像光量は、発光点位置Ａが最も大きく、発光点位置（Ｂ）が最も小さい。前述した通り、発光点位置Ｃ、Ｂ，は発光点位置（Ａ）に比べて斜め方向の結像効率が高いため、膜厚を厚くすることで有機ＥＬ素子の干渉を斜めに合わせると、発光点位置Ｃ、Ｂにおける平均結像光量比は高くなる。したがって、斜めに干渉を合わせると発光点位置Ａと、発光点位置Ｂ，発光点位置Ｃとの差は縮まる。したがって、集束性レンズアレイを使用した光書き込み装置における露光時の光量ばらつき低減には、斜め方向で干渉を合わせることが効果的である。

図９より、式（９）を満たす中で、光量ばらつきの最小値をとるのはＬ₂＝２３６ｎｍの時である。本実施形態のように干渉が強い有機ＥＬ素子を用いる場合は、干渉を変化させた場合の光学特性変動が大きいため、光量ばらつきの最小値を与える光学距離から±５％以内の光学距離にＬ₂を収めるのが好適である。光量ばらつきの最小値を与える光学距離±５％とは２２５ｎｍ以上２４７ｎｍ以下であるが、この時、有機ＥＬ素子で一般的に多く用いられる正面で干渉を合わせる条件Ｌ₂（０）よりも光量ばらつきを抑制することができている。

本発明を用いることで、有機ＥＬ素子で一般的に多く用いられる正面で干渉を合わせる形態よりも光量ばらつきを抑制することができる。なお、干渉が強い有機ＥＬ素子は視野角による特性変化が大きいため、光量ばらつきは大きくなる。したがって、光射出側の電極に金属半透過膜を用いた干渉が強い素子において、本発明は特に有効である。正面で干渉を合わせた場合の光量ばらつきと光量ばらつきの最小値との差を見ると、干渉が弱い実施形態１が０．６６％であるのに対して、干渉が強い実施形態２が１．４９％であることからも、干渉が強い素子において本発明が特に有効であることが分かる。なお、干渉が強い素子とは、発光層よりも光射出側に３０％以上の反射率からなる半反射面を有する素子を指す。半反射面の形成法としては、金属半透過膜を用いる場合の他にも、高屈折率層と低屈折率層を複数積層する誘電体ミラーを用いることでも実現できる。

また、光学距離Ｌ₂が、さらに平均結像光量が最大値となる光学距離から±５％以内の光学距離であることが望ましい。図９より、本実施形態においてはＬ₂＝２２６ｎｍにおいて平均結像光量の最大値をとることが分かる。平均結像光量が最大値となる光学距離から±５％以内の光学距離は、２１５ｎｍ以上２３７ｎｍ以下である。つまり、光学距離Ｌ₂が、２２５ｎｍ以上２３７ｎｍ以下を満たすことが好ましい。なお、正面方向に干渉を強める条件であるＬ₂＝２２２ｎｍよりもＬ₂＝２２６ｎｍの方が平均結像光量の値が大きいのは、図６に示す通り、レンズアレイ光学系の結像効率が正面よりも斜めの方が高いためである。

また、本実施形態においても、上述した式（８）を満たすことが望ましい。本実施形態において、横軸を発光層の発光位置とアノード３０３（反射電極）の間の光学距離Ｌ₁、縦軸を平均結像光量および光量ばらつき、としたものを図１１に示す。なお、本実施形態におけるアノード３０３（反射電極）から発光層までの構成は実施形態１と同一であるため、各パラメータの値は表１と同一である。図１１より、平均結像光量の最大値はＬ₁＝１３１ｎｍで、光量ばらつきの最小値はＬ₁＝１４２ｎｍでとるが、いずれもＬ₁（０）＝１２８ｎｍとＬ₁（θｃ）＝１５６ｎｍの間にある。したがって、斜めに干渉を合わせる本発明の式（８）中に平均結像光量、光量ばらつきの最適解が存在することが確認された。そして、有機ＥＬ素子の発光層内の発光位置と第２の電極の間の光学距離Ｌ₁は、露光時の光量ばらつきの最小値をとる光学距離から±５％以内の光学距離であることが望ましい。また、平均結像光量に関しても、平均結像光量の最大値を与える光学距離Ｌ₁もしくはＬ₂から±５％以内の光学距離に収めることが好適である。

なお、第１の電極に誘電体ミラーを用いた場合は、第１の電極に金属薄膜を用いた場合と同じく、両電極間の光学距離Ｌ₂が発光素子の特性に与える影響が大きい。このため、式（９）を満たすことが望ましい。誘電体ミラーの構成としては公知の構成を用いることができる。代表的な構成としては、高屈折率材料としてＴｉＯ₂、低屈折率材料としてＳｉＯ₂もしくはＭｇＦ₂，を交互に積層した構成が挙げられる。

上記実施形態においては簡便なため、３点における光量ばらつきを議論したが、実際には、有機ＥＬ素子の数だけ発光点は存在する。発光点が４点以上ある場合においても、前記光量ばらつきの定義より、各発光点における結像光量の最大値と最小値との差分を結像光量の平均値で除算することで求めることが出来る。

また、上記実施形態はトップエミッションであるが、本発明はボトムエミッションにおいても有効である。また、発光波長、発光スペクトルに関しても特に制限はなく、緑色、青色、波長帯域の有機ＥＬ素子にも本発明は適用可能である。

なお、従来技術として、レンズアレイを素子アレイ形成基板上に作製することがあるが、このように作製しない場合、有機ＥＬ素子内に閉じ込められている光がレンズアレイによって取り出されるため露光時の光量ばらつきが大きくなる。したがって、レンズアレイと素子アレイとは離間されている方が好適である。

１７、１８、１９、２０…露光装置、３０３…第２の電極、３０５…有機発光層、３０６…第１の電極

Claims (17)

1. 複数の有機ＥＬ素子を有する素子アレイと、前記素子アレイからの光を感光体上に正立等倍結像させる複数のレンズを有するレンズアレイを用いたレンズアレイ光学系と、を備え、前記有機ＥＬ素子が、光射出側の第１の電極と、光反射側の第２の電極と、発光層と、を有する露光装置であって、
   前記有機ＥＬ素子の前記発光層内の発光位置と前記第２の電極の間の光学距離Ｌ₁は、露光時の光量ばらつきの最小値をとる光学距離から±１０％以内の光学距離であることを特徴とする露光装置。
2. 前記光学距離Ｌ₁は、露光時の光量ばらつきの最小値をとる光学距離から±５％以内の光学距離であることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 前記光学距離Ｌ₁は、下記式（８）を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の露光装置。
   （ｍ−φ₁／２π）λ／２＜Ｌ₁＜（ｍ−φ₁／２π）λ／（２ｃｏｓ（θｃ））・・・（８）
   φ₁：前記発光位置で発光した光が前記第２の電極で反射する際の位相シフト量（ｒａｄ）
   θｃ：前記有機ＥＬ素子中の空気との臨界角（ｒａｄ）
   λ：前記発光層が発する光のスペクトルの最大ピーク波長（ｎｍ）
   ｍ：０以上の整数
4. 前記光学距離Ｌ₁は、露光時の光量ばらつきの最小値をとる光学距離よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の露光装置。
5. 前記素子アレイにおける発光点と発光点との間隔は、前記レンズアレイにおけるレンズとレンズとの間隔よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の露光装置。
6. 前記レンズアレイにおけるレンズとレンズとの間に配置された遮光部材をさらに有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の露光装置。
7. 前記第１の電極は、酸化物透明導電層からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の露光装置。
8. 複数の有機ＥＬ素子を有する素子アレイと、前記素子アレイからの光を感光体上に正立等倍結像させる複数のレンズを有するレンズアレイを用いたレンズアレイ光学系と、を備え、前記有機ＥＬ素子が、光射出側の第１の電極と、光反射側の第２の電極と、発光層と、を有する露光装置であって、
   前記第１の電極が、金属薄膜もしくは誘電体ミラーを有し、
   前記有機ＥＬ素子の前記第１の電極と前記第２の電極の間の光学距離Ｌ₂は、露光時の光量ばらつきの最小値をとる光学距離から±５％以内の光学距離であることを特徴とする露光装置。
9. 前記光学距離Ｌ₂は、下記式（９）を満たすことを特徴とする請求項８に記載の露光装置。
   （ｎ−φ₂／２π）λ／２＜Ｌ₂＜（ｎ−φ₂／２π）λ／（２ｃｏｓ（θｃ））・・・（９）
   φ₂：前記発光位置で発光した光が前記第１の電極および前記第２の電極それぞれにおいて反射する際の位相シフト量の合計値（ｒａｄ）
   θｃ：前記有機ＥＬ素子中の空気との臨界角（ｒａｄ）
   λ：前記発光層が発する光のスペクトルの最大ピーク波長（ｎｍ）
   ｎ：０以上の整数
10. 前記光学距離Ｌ₂は、露光時の光量ばらつきの最小値をとる光学距離よりも小さいことを特徴とする請求項８又は９に記載の露光装置。
11. 前記光学距離Ｌ₂は、平均結像光量が最大値となる光学距離から±５％以内の光学距離であることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の露光装置。
12. 前記有機ＥＬ素子の前記発光層内の発光位置と前記第２の電極の間の光学距離Ｌ₁は、露光時の光量ばらつきの最小値をとる光学距離から±５％以内の光学距離であることを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の露光装置。
13. 前記有機ＥＬ素子の前記発光層内の発光位置と前記第２の電極の間の光学距離Ｌ₁は、式（８’）を満たすことを特徴とする請求項８乃至１２のいずれか１項に記載の露光装置。
    （ｍ−φ₁／２π）λ／２＜Ｌ₁＜（ｍ−φ₁／２π）λ／（２ｃｏｓ（θｃ））・・・（８’）
    φ₁：前記発光位置で発光した光が前記第２の電極で反射する際の位相シフト量（ｒａｄ）
    θｃ：前記有機ＥＬ素子中の空気との臨界角（ｒａｄ）
    λ：前記発光層が発する光のスペクトルの最大ピーク波長（ｎｍ）
    ｍ：０以上の整数
14. 前記素子アレイにおける発光点と発光点との間隔は、前記レンズアレイにおけるレンズとレンズとの間隔よりも小さいことを特徴とする請求項８乃至１３のいずれか１項に記載の露光装置。
15. 前記レンズアレイにおけるレンズとレンズとの間に配置された遮光部材をさらに有することを特徴とする請求項８乃至１４のいずれか１項に記載の露光装置。
16. 前記素子アレイと前記レンズアレイは離間されていることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の露光装置。
17. 請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の露光装置と、前記露光装置によって表面に潜像が形成される感光体と、前記感光体を帯電する帯電手段と、を備えた画像形成装置。

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