(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アレイ状に配列された複数のＬＥＤからなる光源アレイと、アレイ状に配列された複数のロッドレンズからなり各ＬＥＤからの光線を所定の面上にそれぞれ結像する正立結像性ロッドレンズアレイと、該正立結像性ロッドレンズアレイに入射する各ＬＥＤからの光線の拡がり角度を、該正立結像性ロッドレンズアレイの開口角よりも小さくする手段とを備え、前記手段は、正立結像性ロッドレンズアレイに入射する各ＬＥＤからの光線の拡がり角度を半角で１．３５°から５．５°の範囲にすることを特徴とするＬＥＤプリンタヘッド。
【請求項２】
アレイ状に配列された複数のロッドレンズからなるロッドレンズアレイの光線入射端面と光線出射端面とに第１の光学部材及び第２の光学部材をそれぞれ配置し、該第１の光学部材及び第２の光学部材は、一つの光源から出射し前記第１の光学部材を透過する光線の見かけ上の発光点の位置を、前記光源の位置から前記ロッドレンズアレイの長手方向に直角な方向にずらすような屈折率を有するロッドレンズアレイ。
【請求項３】
請求項２において、前記第１及び第２の光学部材が三角プリズムであるロッドレンズアレイ。
【請求項４】
アレイ状に配列された複数のロッドレンズからなるロッドレンズアレイにおいて、該ロッドレンズ内を伝搬する光線の１周期長がＰであるとき、該ロッドレンズアレイの光線入射端面及び光線出射端面の少なくとも一方において、該ロッドレンズアレイ内の該端面から長さＰ／４の位置に周期的な光透過パターンが形成された空間フィルタを配置し、該空間フィルタの周期的な光透過パターンは、周期的に配列された複数の発光源から出射し、該ロッドレンズアレイの光線入射端面に入射し、前記空間フィルタの位置に形成される周期的な像のパターンを模したものであるロッドレンズアレイ。
【請求項５】
アレイ状に配列された複数のＬＥＤからなる光源アレイと、請求項２から４のいずれかに記載のロッドレンズアレイとを備えてなるＬＥＤプリンタヘッド。
【請求項６】
アレイ状に配列された複数のＬＥＤからなる光源アレイと、請求項３から５のいずれかに記載のロッドレンズアレイとを備え、各ＬＥＤは、前記光源アレイの長手方向に伸びる幅よりも、該長手方向に垂直な方向に伸びる長さの方が大きくなるように形成されているＬＥＤプリンタヘッド。
【請求項７】
請求項１、５、６のいずれかに記載のＬＥＤプリンタヘッドと、該ＬＥＤプリンタヘッドからの光線で露光することにより画像が形成される感光体と、該感光体に形成された画像を現像する現像器とを備えてなる画像形成装置。
【請求項８】
請求項７において、複数の異なる色の画像を形成するために、各色毎に感光体、ＬＥＤプリンタヘッド、現像器を複数備え、複数の現像器を画像形成装置の高さ方向に配列してなる画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源にＬＥＤ（発光ダイオード）アレイを用いたＬＥＤプリンタヘッド、該ＬＥＤプリンタヘッドに用いられるロッドレンズアレイ、及びこのようなＬＥＤプリンタヘッドを備える画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＥＤアレイからの光線を感光体に導くために、ＬＥＤアレイの個々のＬＥＤ毎にマイクロレンズを設け、これらのマイクロレンズにより集光された光線を感光体ドラムに照射するように構成されたＬＥＤプリンタヘッド、及び個々のＬＥＤからの光をそれぞれの導波路を介してマイクロレンズに導きこれらのマイクロレンズにより集光された光線を感光体ドラムに照射するように構成されたＬＥＤプリンタヘッドは、特開平８−１５６３２０号公報等に記載されているように従来公知である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＬＥＤから出射する光線の拡がり角は大きいため、上記の従来のＬＥＤプリンタヘッドにおいて高い解像度を得るためにはＬＥＤアレイとマイクロレンズとを互いに近接させて配置するとともに、個々のＬＥＤの発光面積を十分に小さくする必要がある。
【０００４】
しかしながら、微小なＬＥＤの作製は困難であり、また、作成したとしても微小なＬＥＤの発光量は少ないのでＬＥＤプリンタヘッドとしては用いることができなくなる可能性がある。また、従来のＬＥＤプリンタヘッドにおいては、ＬＥＤからの出射光の広がり角が大きいため、焦点深度が小さく、従って感光体とプリンタヘッドとを高精度に相互に位置合わせする必要があり、組み立て及び調整が難しいという問題もある。
ＬＥＤとマイクロレンズの間に導波路を設けるとことによりこのような問題を緩和する構成も知られているが、この場合、ＬＥＤプリンタヘッドの構造が複雑になるという別の問題が生じる。
本発明はかかる問題を解決するためになされたものであり、本発明の課題は、ＬＥＤプリンタヘッドの焦点深度を大きくし、組み立て時の調整を容易にすることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく、本発明のＬＥＤプリンタヘッドは、アレイ状に配列された複数のＬＥＤからなる光源アレイと、アレイ状に配列された複数のロッドレンズからなり各ＬＥＤからの光を所定の面上にそれぞれ結像する正立結像性ロッドレンズアレイと、該正立結像性ロッドレンズアレイに入射する各ＬＥＤからの光線の拡がり角度を、該正立結像性ロッドレンズアレイの開口数よりも小さくする手段とを備えたことを特徴とする。
【０００６】
これによれば、正立結像性ロッドレンズアレイに入射する各ＬＥＤからの光線の拡がり角度が小さいので、解像度が向上し、また感光体面上の焦点深度が大きくなるのでプリンタヘッドと感光体との相互の位置決め精度が緩和され、焦点ずれのない高品質な画像を形成することができ、また装置の組み立ても容易になる。
【０００７】
この場合において、正立結像性ロッドレンズアレイに入射する各ＬＥＤからの光線の拡がり角度は、半角で１．３５°から５．５°の範囲にする。この範囲では、レンズの回折による光線のビーム径の増大もなく、解像度の向上の効果が大きい。
【０００８】
このＬＥＤプリンタヘッドに用いるロッドレンズアレイとして、アレイ状に配列された複数のロッドレンズからなるロッドレンズアレイの光線入射端面と光線出射端面とに第１の光学部材及び第２の光学部材をそれぞれ配置し、該第１の光学部材及び第２の光学部材は、一つの光源から出射し前記第１の光学部材を透過する光線の見かけ上の発光点の位置を、前記光源の位置から前記ロッドレンズアレイの長手方向に直角な方向にずらすような屈折率を有することを特徴とするロッドレンズアレイを用いることが好ましい。
【０００９】
これによれば、ロッドレンズアレイの光線入射端面に入射する光線の入射角度が小さく、解像度を向上できる。第１及び第２の光学部材は三角プリズムから構成することができる。
【００１０】
このロッドレンズアレイに代えて、アレイ状に配列された複数のロッドレンズからなるロッドレンズアレイにおいて、該ロッドレンズ内を伝搬する光線の１周期長がＰであるとき、該ロッドレンズアレイの光線入射端面及び光線出射端面の少なくとも一方において、該ロッドレンズアレイ内の該端面から長さＰ／４の位置に周期的な光透過パターンが形成された空間フィルタを配置し、該空間フィルタの周期的な光透過パターンは、周期的に配列された複数の発光源から出射し、該ロッドレンズアレイの光線入射端面に入射し、前記空間フィルタの位置に形成される周期的な像のパターンを模したものであることを特徴とするロッドレンズアレイを用いることができる。
【００１１】
このロッドレンズアレイでは、レンズの収差によりぼけた像は、該像の周期的空間パターンと同じパターンが形成された空間フィルタにより補正されて結像されるため、解像度の高い画像が得られる。
【００１２】
アレイ状に配列された複数のＬＥＤからなる光源アレイと本発明のロッドレンズアレイとを備える本発明のＬＥＤプリンタヘッドは、各ＬＥＤが、前記光源アレイの長手方向に伸びる幅よりも、該長手方向に垂直な方向に伸びる長さのほうが大きくなるように形成されていることが好ましい。
【００１３】
このようにすることにより、ロッドレンズアレイに入射する光線の拡がり角度が小さく、したがって解像度を低下させることなくＬＥＤの発光面積を大きくして光源の発光量を増加することができる。
【００１４】
本発明による画像形成装置は、本発明のＬＥＤプリンタヘッドと、該ＬＥＤプリンタヘッドからの光線で露光することにより画像が形成される感光体と、該感光体に形成された画像を現像する現像器とを備えることにより形成できる。この場合、複数の異なる色の画像を形成するために、各色毎に、感光体、ＬＥＤプリンタヘッド、現像器を複数備える場合には、現像器の取り出しを容易にするため現像器を画像形成装置の高さ方向に配列することが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のＬＥＤプリンタヘッドの実施形態に係わる光学系の斜視図である。光源アレイであるＬＥＤアレイ２からの出射光は、各ＬＥＤ４に１対１に対応したマイクロレンズ１２を有するマイクロレンズアレイ６を透過し、ロッドレンズアレイ２０に入射する。ロッドレンズアレイ２０は、中心対称に屈折率分布が形成されたロッドレンズ３０を複数本並べたものであり、入射側の主平面位置の物体を出射側の主平面上に正立等倍で結像するものである。ＬＥＤ４からの出射光の拡がり角は、マイクロレンズ１２を透過することにより小さくなる。このようにマイクロレンズアレイ１２は、ＬＥＤ４からの出射光の拡がり角を縮小する光学部材として働く。ロッドレンズアレイ２０の光入射面と光出射面にはそれぞれ第１プリズム４０、第２プリズム４２が設けられている。また、ロッドレンズアレイ２０内には光の透過率が位置により変化する空間フィルタ６０が設けられている。マイクロレンズアレイ６を透過した光線は、第１プリズム４０、ロッドレンズアレイ２０、空間フィルタ６０、第２プリズム４２を透過し、各ＬＥＤ４に対応した像１２２が感光体１２０上に結像される。
【００１６】
次に上記光学系の各部の構成・機能について詳細に説明する。
【００１７】
まず、ＬＥＤアレイ２とマイクロレンズアレイ６について図２から図５を用いて説明する。図２はＬＥＤアレイ２とマイクロレンズアレイ６の断面図である。予めガラス基板１６上にＬＥＤ４の間隔と同じ間隔で形成された複数のマイクロレンズ１２からなるマイクロレンズアレイ６を、ＬＥＤ４がマイクロレンズ１２の中心に来るように調整し、ＬＥＤアレイ２上に接着固定する。このＬＥＤアレイ２とマイクロレンズアレイ６によりＬＥＤアレイヘッドが構成される。マイクロレンズ１２表面からＬＥＤ４までの距離をＬとするとき、マイクロレンズ１２の第１焦点距離ｆは、
ｆ＞Ｌ                （１）
となるように選ぶことが望ましい。こうすることで、ＬＥＤ４からの光線の拡がり角は、マイクロレンズ１２により小さくなる。ＬＥＤアレイ２におけるＬＥＤ４の周期をａとすると、ＬＥＤ４からのビーム拡がり角α（半角）が
Ｌ・ｔａｎα＞ａ／２            （２）
である場合には、ＬＥＤ４からの光線が隣のマイクロレンズ１２に入射し、迷光となる。この迷光を抑制するために、マイクロレンズアレイ６に黒色の遮蔽部１４を設けている。ＬＥＤ４からの出射光のうち拡がり角の大きな光線は、遮蔽部１４に吸収され外に出てこない。しかし、対向するマイクロレンズ１２以外のレンズに入射した光線は拡がり角が大きくなるため、ロッドレンズアレイに入射してもロッドレンズアレイ内で吸収されロッドレンズを透過することはほとんどないので、この迷光による題が生じない場合には遮蔽部１４を設ける必要はない。また、マイクロレンズアレイ６を薄くしＬＥＤアレイ２に近づける場合には、拡がり角の大きな光線はマイクロレンズ１２表面で全反射し外に出てこなくなるので遮蔽部１４を設ける必要はない。
図３にロッドレンズアレイ２０に入射する光線の拡がり角と１／２４ｍｍ周期のテスト用ラインパターンを集光したときのロッドレンズアレイ２０のＭＴＦと関係を示す。１／２４ｍｍ周期のラインパターンは、ほぼ１２００ｄｐｉの解像度に相当する。ここで用いたロッドレンズアレイ２０は、開口角１１．８°、レンズ素子径１．１ｍｍ、レンズ長さ１６．３ｍｍ、レンズ列２列のものである。図１における第１プリズム４０、第２プリズム４２及び空間フィルタ６０は設けていない。ロッドレンズアレイ６のＭＴＦは、集光面での光強度の最大値をＩｍａｘ、最小値をＩｍｉｎとするとき、
【００１８】
【数１】
0003555018.tif 000002
と表わされ、レンズの解像性を示す。ビーム拡がり角を小さくしていくと一旦ＭＴＦが減少するが、ビーム拡がり角を更に小さくし５．５°以下にするとＭＴＦは大きくなり、解像度が向上することが分かる。つまり、マイクロレンズアレイ６を用いてＬＥＤ４からのビーム拡がり角を５．５°以下にすることにより、マイクロレンズアレイ６を用いない場合よりも解像度を向上できる。しかしながら、ビームの拡がり角を更に小さくするとレンズが無収差であってもレンズよる回折の効果により集光部のビーム径が大きくなる。波長λの点光源からのビームをレンズにより角度αで集光する場合、回折により集光部でのビーム径はおおよそλ／ｓｉｎαとなる。したがって、ロッドレンズアレイ２０を用いてＬＥＤ４を分離して結像するためには、ビームの拡がり角βはＬＥＤアレイ２の周期をａとするとき、
λ／ｓｉｎβ＜ａ          （４）
を満たす必要がある。ＬＥＤアレイ２の周期ａ（ｍｍ）と解像度Ｎ（ｄｐｉ：ｄｏｔ  ｐｅｒ  ｉｎｃｈ）との間には、
ａ＝２５．４／Ｎ          （５）
の関係があるため、ＯＰＣ感光体において一般的に用いられている７５０ｎｍ前後の波長で解像度を１２００ｄｐｉとするには、ビーム拡がり角βは２°以上とする必要がある。（４）式により、波長が短い場合にはＬＥＤの拡がり角をより小さくすることができ、例えばアモルファスシリコン感光体で感度の高い５００ｎｍ付近の波長では、ビーム拡がり角βを１．３５°以上とすればよい。以上から、ビーム拡がり角は、１．３５°〜５．５°、望ましくは２°〜５．５°の範囲である。ここでのビーム拡がり角は半角での値であり、最大の光強度に対して１／ｅ２の強度になる角度として定義される。
【００１９】
図４に上記光学系においてマイクロレンズアレイ６を用いた場合と用いない場合の光出射パターンを示す。マイクロレンズアレイ６を用いることによりビーム拡がり角は４°となっている。マイクロレンズアレイ６を用いることにより中心方向に光線が集まり、中心強度が向上している。ロッドレンズアレイ２０の開口角は通常４〜２０°の範囲にあり、このように中心強度の向上によって、開口数の小さいロッドレンズアレイ２０においては、ロッドレンズアレイ２０を透過する光量をマイクロレンズアレイ６を用いない場合に比べて向上させることができる。
【００２０】
図５にこのときの感光体側におけるデフォーカス量（合焦位置からのずれ）とＬＥＤアレイ２をロッドレンズアレイ２０で結像した場合のＭＴＦとの関係を示す。用いたＬＥＤアレイ２は１２００ｄｐｉ用（ＬＥＤ間隔２１．２μｍ）であり発光部の大きさは１２μｍ×１２μｍである。このＭＴＦは、非点灯の一つのＬＥＤの両側に隣接する２個のＬＥＤを点灯した場合のものである。マイクロレンズアレイ６を用いることにより、解像度・焦点深度とも向上している。ＭＴＦが０．５以上となる範囲を焦点深度とすると、焦点深度はマイクロレンズアレイ６を用いることにより約１．６倍に増大している。このように焦点深度が増大することにより、ＬＥＤアレイ２とロッドレンズアレイ６、ロッドレンズアレイ６と被結像部材である電子写真感光体１２０との相互の位置合わせが容易になる。
【００２１】
表１にマイクロレンズアレイ６を用いた場合と用いない場合について、ロッドレンズアレイ２０のレンズ列方向での光量ムラと解像度の空間的変動を示す。表１に示されるように、マイクロレンズアレイ６を用いてビーム拡がり角を小さくすることにより、光量ムラ・解像度変動とも低減できるという効果もあることが分かる。
【００２２】
【表１】
0003555018.tif 000003
上記光学系では、ＬＥＤアレイ２とマイクロレンズアレイ６の距離が近いため、ロッドレンズアレイ２０に対する見かけ上のＬＥＤ４発光点の位置はほとんど変化しない。また、ロッドレンズアレイ２０と感光体との間の距離が短いため、ＬＥＤ４とマイクロレンズ１２との位置関係が多少ずれても感光体上での集光位置はほとんど変わらない。したがって、ＬＥＤ４とマイクロレンズ１２との位置合わせ精度は厳しくなく調整は容易である。尚、上記光学系においては、別々に作製したＬＥＤアレイ２とマイクロレンズアレイ６を貼り付けたが、ＬＥＤアレイ２上に紫外線硬化樹脂等を用いて直接マイクロレンズアレイ６を形成してもよい。
【００２３】
上記光学系においては、マイクロレンズアレイ６を用いてＬＥＤ４からのビーム拡がり角を小さくしたが、ＬＥＤ４の光量が十分な場合にはマイクロレンズアレイ６の代わりに開口を設けて拡がり角を制限するようにしてもよい。また、面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）等の拡がり角の小さな光源アレイを用いることもできる。ＶＣＳＥＬでは、３〜５．５°（半角）の拡がり角が実現されており、マイクロレンズアレイを必要とせず、そのまま用いることができる。
【００２４】
上記光学系の利点である、ビーム拡がり角縮小によるＬＥＤプリンタヘッドの解像度・焦点深度の向上は、ロッドレンズアレイ２０に従来使用されている通常のロッドレンズアレイを用いても得られるものである。上記光学系の解像度・焦点深度の向上等の利点は、どの解像度においても得られるが、特に１２００ｄｐｉ以上のプリンタに適用するときに効果が大きい。上記光学系のようにビーム拡がり角を小さくすることにより、取り込み角の小さなレンズを用いても光伝達効率を大きくできるので、ＬＥＤアレイから感光体までの距離を拡大することもできる。また、ＬＥＤアレイからの光を結像するレンズはロッドレンズアレイに限定する必要はなく、入射側の主平面位置の物体を出射側の主平面上に正立等倍で結像できるレンズであればよく、例えば２枚のレンズアレイを相対して組み合わせたレンズを用いてもよい。
【００２５】
なお、上記光学系では、ＬＥＤアレイヘッドとロッドレンズアレイの組み合わせをＬＥＤプリンタヘッドとして用いているが、本発明は、プリンタに限定されるものではなく、例えば、複写機、製版機にも適用できる。
【００２６】
次に、本発明のロッドレンズアレイの第１の実施形態を図６から図１０を用いて説明する。図６は該第１の実施形態に係わるロッドレンズアレイ２０の斜視図である。ロッドレンズアレイ２０の光入射面２６と光出射面２８にそれぞれ三角プリズムをからなる第１プリズム４０、第２プリズム４２を貼り付けている。
【００２７】
図７を用いてプリズムの機能及び形状について説明する。図７は、ロッドレンズアレイ２０及び第１プリズム４０とＬＥＤ４との位置関係を示す断面図である。ＬＥＤ４から出射した光線は、第１プリズム４０の斜面４４で屈折してロッドレンズアレイ２０に入射する。光源位置Ｏから出射されロッドレンズアレイ２０に入射する光線は、ｘ軸方向についてはもとの光源位置Ｏを中心に広がるが、ｙ軸方向について仮想的な光源Ｏ’から出射された光線とみなすことができる。
【００２８】
第１プリズム４０がない場合、ロッドレンズ３０に入射する光線はロッドレンズ３０に対して軸外光線となるため、ロッドレンズ３０により収差が発生する。２列に配列したロッドレンズアレイの場合、第１プリズム４０を設けた場合の仮想的な光源位置Ｏ’を各ロッドレンズ列の中心を含む面内または面近くにすることで、各ロッドレンズ３０に入射する光線の角度を緩和することができ、ロッドレンズ３０によって生じる収差を低減することができる。ロッドレンズ３０の直径をＤ、プリズムの屈折率をｎ、ロッドレンズアレイ２０の作動距離をｚとするとき、第１プリズム４０の斜面と底面のなす角度θを
【００２９】
【数２】
0003555018.tif 000004
を満たすように設定すると、各ロッドレンズ列の中心を含む面内に仮想的な光源Ｏ’が存在するようにすることができる。Ｄ＝１．１ｍｍ、ｚ＝７．８ｍｍのロッドレンズアレイ２０に、屈折率１．５の第１プリズム４０を用いた場合には、角度θを６．９°とすることで仮想的な光源Ｏ’が各ロッドレンズ列の中心を含む面内に存在するようにすることができる。ロッドレンズアレイ２０に入射する光線の角度を緩和し、収差を低減できるようにするために望ましいＬの範囲は字式で示される。
【００３０】
【数３】
0003555018.tif 000005
ロッドレンズアレイ２０の出射側に第１プリズム４０と同一形状の第２プリズム４２を設けることにより、第１プリズム４０によって生じたｘ軸とｙ軸の非点が解消され、ロッドレンズアレイ２０から出射されるビームは、光源位置Ｏに対応する結像点に集光される。
【００３１】
図８に示すＬＥＤアレイ列において、ＬＥＤ４の幅をＷ、長さをＬとする。図９は、プリズム付きロッドレンズアレイで集光したＬＥＤアレイの像について、ＬＥＤ４の長さＬを変えたときのＭＴＦの変化を示す。ＬＥＤアレイは１２００ｄｐｉ用であり、ＬＥＤ４の間隔ａは２１．２μｍである。また、ＬＥＤ４の幅Ｗは１２μｍである。
【００３２】
このＬＥＤアレイのうち、非点灯の一つのＬＥＤの両側に隣接する２個のＬＥＤ４を点灯した場合のＭＴＦを図９に示す。ＬＥＤ４の長さＬが１２μｍ以上のとき、プリズムを用いると解像度が向上することが分かる。また、ＬＥＤ４の長さＬが２８μｍ以内であれば解像度は低下せずほぼ一定であり、従ってＬＥＤ４の長さを２８μｍ以下とすることが望ましい。このように、プリズム有するロッドレンズアレイは、特にＬＥＤ４の長さが大きい場合に使用すると解像度の点で効果的である。ＬＥＤ４の発光部の面積を大きくしてＬＥＤ４の発光量を増やせる場合には、解像度を低下させずにＬＥＤ４を長くして光量を大きくすることが可能になる。上記実施形態では、プリズム等の光屈折部材を用いることにより、ＬＥＤ幅に対しＬＥＤの長さを２．３倍まで大きくすることができる。ＬＥＤの発光量はＬＥＤの発光部面積に比例するので、ＬＥＤの長さをＬＥＤ幅の１．５倍にすれば発光量を１．５倍にすることができる。１２００ｄｐｉ用のプリンタヘッドにおいて、プリズムを用いない場合にＬＥＤ幅が１２μｍであった場合、プリズムを用いることによりＬＥＤの長さを１８μｍ以上にすることができる。
【００３３】
ロッドレンズアレイの上記第１の実施形態においては、第１プリズム４０で生じた非点を第２プリズム４２により補正しているが、完全に取り除くことはできず、ｘ軸とｙ軸で焦点位置が若干異なる非点収差が生じる。この非点収差は、図１０に示すようにロッドレンズアレイ２０とＬＥＤ４との間に凹型シリンドリカルレンズ４８を用いることにより補正することができる。あるいは、凹型シリンドリカルレンズ４８の代わりにｙ軸方向に傾けた平行平板ガラス板をロッドレンズアレイ２０とＬＥＤ４との間に用いることによっても非点収差を補正することができる。
【００３４】
次に、ロッドレンズアレイの第２の実施形態を図１１を用いて説明する。図１１は第２の実施形態に係わるロッドレンズアレイ２０の断面図である。第２の実施形態においては、プリズムを複数に分割し、シート状にした分割プリズム４６としている。分割プリズム４６の斜面の角度は、第１の実施形態のプリズムの角度と同じ範囲にあれば良い。また、分割プリズム４６の幅は、回折が起きない程度に間隔を広くすることが望ましい。あるいは回折の角度と屈折の角度がほぼ等しくなるように各プリズムの間隔を調整することが望ましい。ロッドレンズアレイ２０の出射側にも同一形状の分割プリズムを設ける。ロッドレンズアレイの第１の実施形態においては、プリズムで生じた非点を完全に取り除くことができず、ｘ軸とｙ軸で焦点位置が異なり解像度の向上もあまり大きくない。しかしながら、第２の実施形態においては分割プリズム４８を用いることによりプリズムを薄くできるため、この非点収差を緩和することができ、解像度も大きく向上する。
【００３５】
次に、ロッドレンズアレイの第３の実施形態を図１２から図１４を用いて説明する。図１２は第３の実施形態に係わるロッドレンズアレイ２０の断面図である。第３の実施形態においては、ロッドレンズアレイ２０を第１ロッドレンズアレイ２２と第２ロッドレンズアレイ２４に分割し、第１ロッドレンズアレイ２２と第２ロッドレンズアレイ２４の間に空間フィルタ６０を配置している。ＬＥＤアレイ２からの光線は、第１ロッドレンズアレイ２２に入射し、空間フィルタ６０を通って第２ロッドレンズアレイ２４により集光される。第２ロッドレンズアレイ２４の長さは、ロッドレンズ２０の１周期長をＰとするとき、Ｐ／４となるようにしている。なお、ロッドレンズ２０の１周期長Ｐは、ロッドレンズの屈折率分布定数をＡとするとき、次式で表される。
【００３６】
【数４】
0003555018.tif 000006
次に空間フィルタ６０の機能について説明する。ロッドレンズアレイ２０内に、ロッドレンズアレイ２０の光入射面２６から距離Ｐ／４の位置に物体の強度分布をフーリエ変換したフーリエ像が形成される。ＬＥＤアレイ２は、ＬＥＤ４が周期的に並んでいるためＬＥＤ４をすべて点灯した場合のフーリエ像も周期的像として形成される。同様に、ロッドレンズアレイ２４の光出射面２８から光源側に距離Ｐ／４の位置に、ロッドレンズアレイ２０で結像される像１２２のフーリエ像が形成される。ＬＥＤプリンタヘッドでは、ロッドレンズアレイ２０を用いてＬＥＤアレイ２の像を正立で１対１に結像するため、理論的にはロッドレンズアレイ２０の光入射面２６から距離Ｐ／４の位置と光出射面２８から距離Ｐ／４の位置に同じフーリエ像がそれぞれ形成される。
【００３７】
実際には、ロッドレンズアレイ２０の空間周波数に対する伝達特性や収差等によりＬＥＤアレイ２のフーリエ像よりも劣化した像が形成されるが、この劣化はロッドレンズアレイ２０の出射側で特に大きくなる。従って、高解像度のＬＥＤアレイ２の像を得るために、ロッドレンズアレイ２０の光出射面２８から距離Ｐ／４の位置にＬＥＤアレイ２と同じ周期のマスクを用いて作成した空間フィルタ６０を設置する。この空間フィルタ６０により、ロッドレンズアレイ２０の収差によりぼけた像が補正されて結像されるため、解像度の高い像を得ることができる。
【００３８】
以下に、図１３から図１４を用いて空間フィルタ６０の作製法について説明する。図１３は、空間フィルタを作製するためのマスクと感光性部材の配置を示す図である。長さＰ／４の第２ロッドレンズアレイ２４からロッドレンズアレイ２０の作動距離分離れた位置にマスク６８を配置する。マスク６８はＬＥＤアレイの周期と等しい周期のパターンを有している。第２ロッドレンズアレイ２４のマスク６８とは反対側の面に感光性部材７４を配置する。マスク６８後方から光を照射し、第２ロッドレンズアレイ２４を通して感光性部材７４を露光する。露光後、感光性部材７４の特性に合せ、必要に応じて現像・定着等を行う。
【００３９】
露光用光源の波長は、感光性部材７４が感光する波長とする必要があるが、用いるＬＥＤアレイの波長に近いことが望ましい。マスク６８を用いる代わりに、レーザアレイ等を用いて露光することもできる。また感光性部材７４としては、写真フィルム、レジスト等を用いることができる。写真フィルムの場合は、第２ロッドレンズアレイ２４に張り付けて露光した後、第２ロッドレンズアレイ２４に張り付けたまま現像・定着する。写真フィルムの場合は、マスク６８のフーリエ像の濃淡を記録することができ、より忠実にマスクのフーリエ変換像を記録できる。空間フィルタ６０を形成後、第１ロッドレンズアレイ２２と第２ロッドレンズアレイ２４の位置を調整し、貼り付ける。
【００４０】
前述のロッドレンズアレイの第１の実施形態のように、プリズム等の光屈折部材を用いる場合には、該光屈折部材を用いて空間フィルタ６０を作製すればよい。別に作製した空間フィルタをロッドレンズアレイに貼り付ける場合には、非常に高い精度で空間フィルタとロッドレンズアレイとの位置合わせを行う必要があるが、ここではロッドレンズアレイ２０に用いる第２ロッドレンズアレイ２４を通して感光性部材７４を露光し空間フィルタ６０を形成するため、空間フィルタ６０と第２ロッドレンズアレイ２４との位置合せは不用である。
【００４１】
次に、レジストを用いた場合の空間フィルタの作製方法を図１４を用いて説明する。図１４（ａ）は、空間フィルタ６０を作製する際のマスク６８の断面を示す。図１４（ｂ）に示すように、第２ロッドレンズアレイ２４のマスク６８とは反対側の面にレジスト６２を塗布し、マスク６８を通して露光する。ここではネガ型のレジスト６２を用いており、図１４（ｃ）に示すように、現像後、レジスト６２の露光部６４が残る。続いて図１４（ｄ）のように、遮光体６６を塗布し、図１４（ｅ）に示すように、レジスト６２の露光部６４を取り除き空間フィルタ６０を形成する。
【００４２】
ネガ型のレジスト６２を用いた場合には、マスク６８からの光が照射された部分が空間フィルタ６０の光透過部となる。このようにマスクからの光照射部が空間フィルタ６０の光透過部となる場合には、空間フィルタ６０により高解像度な像を結像するフーリエ像を記録するために、図１４（ａ）に記したマスク６８の光透過部７０の幅ｄを遮光部７２の幅ｓよりも小さくすることが望ましい。ポジ型のレジストを用いる場合には、透過部７０の幅ｄと遮光部７２の幅ｓとの関係を逆にすれば良い。また、レジストがＬＥＤアレイの波長の光を透過せず、遮光体を用いずレジスト自身で遮光する場合には、やはり透過部７０の幅ｄと遮光部７２の幅ｓとの関係を逆にすれば良い。
【００４３】
上記実施形態においては、空間フィルタ６０をロッドレンズアレイ２０の光出射面２６から距離Ｐ／４の位置に設けたが、光入射面２４からＰ／４、光出射面２６からＰ／４離れた位置の２個所に空間フィルタ６０を設けることによりさらに解像度を向上できる。また、光入射側のみに空間フィルタ６０を用いても光出射側に用いた場合に比べて効果は小さいが、高解像度化の効果が得られる。
【００４４】
次に、本発明のＬＥＤプリンタヘッドの構造を図１５を用いて説明する。図１５は、本発明のＬＥＤアレイヘッド及びロッドレンズアレイを用いたＬＥＤプリンタヘッドの斜視図である。ＬＥＤアレイ２とＬＥＤアレイ２を駆動するドライバ回路１００は、配線基板１０２に搭載されている。このドライバ回路は、各ＬＥＤの発光輝度を均一化するために、各ＬＥＤの発光輝度のばらつきを補正する回路を有している。また、階調出力を可能とする回路を設けることも可能である。ＬＥＤアレイ２の各ＬＥＤとドライバ回路１００とは配線基板１０２を通して電気的に接続されている。また、ドライバ回路１００には配線基板１０２を通して外部からのＬＥＤアレイを駆動するための信号を入力する。配線基板１０２はベース１０４に固定されており、ＬＥＤアレイ２で発生した熱は、ベース１０４の放熱フィン１０６により外に逃がすようにしている。また、ロッドレンズアレイ２０はレンズホルダ１０８に固定されており、レンズホルダ１０８はベース１０４に固定されている。ロッドレンズアレイ２０は、ＬＥＤアレイヘッド１３０と所定の位置及び距離となるように、調整後レンズホルダ１０８に固定される。
【００４５】
上記ＬＥＤプリンタヘッドには、本発明のＬＥＤアレイヘッドまたはロッドレンズアレイの少なくとも一方を用いており、高解像度のＬＥＤプリンタヘッドを構成することができる。ＬＥＤアレイ２としてマイクロレンズアレイを用いたＬＥＤアレイヘッドを用いる場合には、ロッドレンズアレイ２０の焦点深度が大きくなるため、ＬＥＤアレイ２とロッドレンズアレイ２０との位置調整が容易となる。また、ロッドレンズアレイ２０のレンズ列方向についての光量ムラ・解像度変動が小さくなるため、ドライバ回路における各画素の輝度補正の範囲が狭くなり、調整が容易となり、場合によっては不要となる。また、本発明のロッドレンズアレイを用いた場合には、従来のＬＥＤアレイを用いても高解像度の像を感光体上に形成することができる。
【００４６】
次に、本発明のＬＥＤプリンタヘッドを用いた画像形成装置の実施形態を図１６を用いて説明する。図１６は、カラー画像形成装置の概略断面図を示したものである。本体には、カラー画像形成に必要なイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの４色のトナーに対応した４つの感光体２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄを縦に並べて配置している。さらに、縦に長く張った中間転写ベルト２０２を感光体２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄに並置している。各感光体２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄの中間転写ベルト２０２の反対側には、各感光体２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄの表面を露光し静電潜像を形成する露光器２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄ、及び静電潜像をトナーで可視化する現像器２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄを縦方向に積層して配置している。この露光器２０４として本発明のＬＥＤプリンタヘッドを用いている。
【００４７】
各感光体２０１ａ（２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄ）の周りには、感光体２０１を帯電する帯電器（図示せず）、露光器２０４ａ（２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄ）、現像器２０５ａ（２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄ）、中間転写ベルト２０２、感光体２０１ａ（２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄ）表面を除電するイレーズランプ（図示せず）、残留トナーをクリーニングする感光体クリーナ（図示せず）を設けている。中間転写ベルト２０２の外周には、各色のトナー画像の位置ずれを検出する画像センサ２１１、トナーを帯電するトナー帯電器２１２、中間転写ベルト２０２上のトナー画像を用紙に転写する転写器２１３、用紙を中間転写ベルト２０２から剥離する用紙除電器２１４、中間転写ベルト２０２上のトナーをクリーニングする中間転写ベルトクリーナ２１５を設けている。さらに、用紙の搬送経路上には、用紙カセット２１６、給紙機構２１７、定着器２１９を配置している。上記画像形成装置においては、露光器２０４として本発明のＬＥＤプリンタヘッドを用いているため、小型で高解像度の露光器２０４を構成できる。
【００４８】
光走査光学系を用いた画像形成装置では、紙幅だけ光を走査するためにポリゴンミラーから感光体まで距離を取る必要があり、またポリゴンミラーを回転させるポリゴンモータとｆθレンズの高さにより露光器の厚さが必要であるため、露光器を小型化することは限界がある。これに対し、ＬＥＤプリンタヘッドを用いた画像形成装置では、ｆθレンズといった大型のレンズや光走査機構が必要なく、光路長も短いため露光器を大幅に小型化できる。したがって、この露光器を用いた画像形成装置も小型化することができる。
【００４９】
上記画像形成装置では、感光体周りの素子は感光体の中心から下方部分に集中して配置されるため、露光器４を感光体から離して配置し、感光体周りの各プロセスの配置裕度を大きくすることが望ましい。このためには、ＬＥＤアレイ露光器のレンズ長を長くすることや、レンズの作動距離を長くすることが有効である。ビーム拡がり角を小さくしたＬＥＤアレイヘッドを用いたＬＥＤプリンタヘッドでは、開口角の小さなロッドレンズアレイを用いても十分な光量・解像度が得られるため、ロッドレンズアレイの作動距離を大きくすることができる。
【００５０】
このように、本発明のＬＥＤプリンタヘッドを使用すれば、複数の感光体を用いたカラー画像形成装置を小型化することができる。特に、上記装置のように、現像器を高さ方向に配置し、各現像機に対応して露光器を配する構成においては、装置の大きさ、特に装置の高さを小さくすることができる。
【００５１】
次に、上記画像形成装置の印字シーケンスについて説明する。最初にコントローラ（不図示）へプリント命令が送られると、中間転写ベルト２０２、感光体２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄの駆動及び帯電が開始される。引き続き、中間転写ベルト２０２に最上流部で接触する感光体２０１ａを露光器２０４ａで画像露光し、静電潜像を現像器２０５ａで現像するとともに、中間転写ベルト２０２上へトナー画像を転写する。ほぼ同時に直下にある感光体２０１ｂでも画像露光を行い、現像、転写を行う。この感光体２０１ｂの露光は、感光体２０１ｂに形成する画像が、先に感光体２０１ａで形成された画像と正確に重なるようなタイミングで開始される。このプロセスで中間転写ベルト２０２上に２色のトナー画像を重ねた画像が形成される。同様に、３色目、４色目の感光体２０１ｃ、２０１ｄで露光、現像、転写を行い、中間転写ベルト２０２上で各色トナー画像を重ねたフルカラー画像を形成する。中間転写ベルト２０２上のフルカラー画像は、転写器２１３によって用紙等、記録媒体に転写し、定着器２１９で定着する。
【００５２】
上記画像形成装置では、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各トナーに対応した４つの感光体を用いて同時に画像を形成する同時印字方式を採用している。さらに、各感光体２０１で形成された各色トナー画像を中間転写ベルト２０２上に重ねた後、一括して最終記録媒体である用紙等に転写するために、装置全体を小型化できる。
【００５３】
上記画像形成装置では、感光体や中間転写ベルト、記録媒体の移動速度であるプロセス速度を１００ｍｍ／ｓとし、印字密度を１２００ｄｐｉ（ドット／インチ）としている。プロセス速度を１００ｍｍ／ｓとすると、Ａ４サイズ用紙を縦、および横に通紙する場合にそれぞれ、約１６ＰＰＭ、約２４ＰＰＭの印字速度となる。また、印字密度を１２００ｄｐｉとすることにより、高画質な画像が可能であり、特に写真を印字するときに高品位な画像を得ることができる。
【００５４】
光走査光学系を用いた画像形成装置で、プロセス速度１００ｍｍ／ｓ、印字密度１２００ｄｐｉを実現しようとすると、光源の半導体レーザを変調するための基準周波数は、１００ＭＨｚ以上となる。さらに、モノクロプリンタで一般的に用いられる６面のポリゴンミラーの場合、ポリゴンミラーの回転数は４８０００回転となる。１００ＭＨｚ以上の基準周波数を用いることは非常に難しく、通常、複数本のレーザビームを用いてこの基準周波数を下げるマルチビーム方式が用いられる。また、ポリゴンミラーを４８０００回転といった高速で安定に回転するためには、大型のポリゴンモータを用いる必要がある。ポリゴンミラーの面数を増やすことによてポリゴンミラーの回転数を少なくすることはできるが、光路長を長くする必要がある。
以上のように、光走査光学系を用いた画像形成装置で高速・高解像度、さらに用紙の幅広化を実現しようとすると露光器が大きくなってしまう。したがって、高速・高解像度、さらに用紙の幅広化を実現する際に、ＬＥＤプリンタヘッドを用いれば、画像形成装置の小型化の効果は大きい。特に、印字密度１２００ｄｐｉ以上では、プロセス速度が４０ｍｍ／ｓを超え、光走査光学系を用いた露光器における基準周波数が５０ＭＨｚ以上となり、困難性が増加する。従って、特にこの範囲でＬＥＤプリンタヘッドを用いれば大きな効果が得られる。
【００５５】
上記装置では、各色のトナー画像が形成される複数の感光体２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄをユニット化し、ユニット全体を交換する構成としている。このように、製造時に感光体ユニットの精度調整を行うことで、各感光体２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄの間隔、平行度を高精度に配置できるとともにその精度を保つことが可能である。さらに、ユーザが感光体を交換する場合でも、各感光体２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄが一体構成されている感光体ユニットとして交換するため、各感光体間の間隔や平行度も安定にできる。
【００５６】
先に述べた各色画像のトナーの位置合わせについては、各感光体２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄを露光する露光器２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄの配置精度も重要である。上記画像形成装置では、各露光器２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄを本体筐体に固定配置している。本体筐体に固定することによって、各露光器２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄを精密に配置でき、ばらつきもなくすことができる。特に露光器に小型のＬＥＤプリンタヘッドを用いているため、組み立て後の振動・衝撃等による位置ずれは小さい。
【００５７】
さらに、上記画像形成装置では、各色の現像器２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄそれぞれを感光体２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄと水平の位置に配置するとともに横方向にスライドさせて着脱する構成としている。図１６の装置では、本体筐体に固定している各露光器２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄの間にそれぞれ現像器２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄを配置し、内部にある感光体２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄを現像するが、上記構成とすることにより交換は容易である。
【００５８】
上記画像形成装置は、写真などの高画質カラー画像記録も可能であるとともに、大量のビジネス文書を短時間で印字可能な高速性を持ち、オフィス環境に容易に設置できる大きさと価格、即ち小型・低価格であると同時に、消耗品の交換も容易である。
【００５９】
画像形成装置として電子写真プリンタの実施形態を示したが、本発明は、印刷機の製版装置等、光学的に画像を形成し記録する種々の画像形成装置に適用することができる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、焦点深度が大きく、調整の容易なＬＥＤプリンタヘッドを提供することができる。本発明によれば、また、解像度の高いＬＥＤプリンタヘッド及びこのようなＬＥＤプリンタヘッドに適したロッドレンズアレイが提供される。本発明によれば更に、このようなＬＥＤプリントヘッドを備えた高解像度の小形の画像形成装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＬＥＤプリンタヘッドの光学系を示す斜視図である。
【図２】本発明のＬＥＤプリンタヘッドのＬＥＤアレイとマイクロレンズアレイの断面図である。
【図３】本発明のＬＥＤプリンタヘッドのロッドレンズアレイに入射する光線の拡がり角とテスト用のラインパターンを結像したときのＭＴＦとの関係を示す図である。
【図４】本発明のＬＥＤプリンタヘッドにおける光出射パターンを示す図である。
【図５】本発明のＬＥＤプリンタヘッドの感光体側におけるデフォーカス量とＬＥＤアレイをロッドレンズアレイで結像した際のＭＴＦとの関係を示す図である。
【図６】本発明のロッドレンズアレイの第１の実施形態を示す斜視図である。
【図７】本発明のロッドレンズアレイの第１の実施形態におけるプリズムの機能及び形状を説明する図である。
【図８】ＬＥＤアレイの寸法を示す図である。
【図９】本発明のロッドレンズアレイの第１の実施形態についてＬＥＤの長さを変えたときのＭＴＦの変化を示す図である。
【図１０】本発明のロッドレンズアレイの第１の実施形態に係わる非点収差を補正するための光学系を示す断面図である。
【図１１】本発明のロッドレンズアレイの第２の実施形態の断面図である。
【図１２】本発明のロッドレンズアレイの第３の実施形態の断面図である。
【図１３】本発明のロッドレンズアレイの第３の実施形態に用いられる空間フィルタを作製する際のマスクと感光性部材の配置を示す図である。
【図１４】本発明のロッドレンズアレイの第３の実施形態に係わる空間フィルタの作製方法を示す図である
【図１５】本発明のＬＥＤプリンタヘッドの実施形態を示す斜視図である。
【図１６】本発明の画像形成装置の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
２  ＬＥＤアレイ
４  ＬＥＤ
６  マイクロレンズアレイ
１２  マイクロレンズ
１４  遮蔽部
１６  ガラス基板
２０  ロッドレンズアレイ
２２  第１ロッドレンズアレイ
２４  第２ロッドレンズアレイ
２６  光入射面
２８  光出射面
３０  ロッドレンズ
４０  第１プリズム
４２  第２プリズム
４４  斜面
４６  分割プリズム
４８  凹型シリンドリカルレンズ
６０  空間フィルタ
６２  レジスト
６４  感光部
６６  遮光体
６８  マスク
７０  開口部
７２  遮光部
７４  感光性部材
１００  ドライバ回路
１０２  配線基板
１０４  ベース
１０６  放熱フィン
１０８  レンズホルダ
１２０  電子写真感光体
１２２  ＬＥＤ像
２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄ  感光体
２０２  中間転写ベルト
２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄ  露光器
２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄ  現像器
２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、２１０ｄ  ベルト張架ローラ
２１１  画像センサ
２１２  トナー帯電器
２１３  転写器
２１４  用紙除電器
２１５  中間転写ベルトクリーナ
２１６  用紙カセット
２１７  給紙機構
２１９  定着器
【図１】
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【図２】
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【図３】
0003555018.tif 000009
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003555018.tif 000014
【図９】
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【図１０】
0003555018.tif 000016
【図１１】
0003555018.tif 000017
【図１２】
0003555018.tif 000018
【図１３】
0003555018.tif 000019
【図１４】
0003555018.tif 000020
【図１５】
0003555018.tif 000021
【図１６】
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