(57)【要約】【課題】  マイクロレンズの形状をストレスなく容易に形成でき、取り扱いが容易で、かつマイクロレンズと発光面の距離を十分に近づけることが可能であるマイクロレンズによる狭角化による出射光量の向上した光書き込みユニット、画像形成装置、プロセスカートリッジを提供する。【解決手段】  複数の発光素子を配列した発光素子アレイ１０１と、各発光素子に一対一で対応し発光素子からの出射光の発散角を狭くする作用を有するマイクロレンズを配列したマイクロレンズアレイ１１２と、各発光素子からの出射光を像面上に結像させる作用を有する結像光学系からなる光書き込みユニットにおいて、前記マイクロレンズは、各発光素子の発光面に対し凸面を向けて配置した。【選択図】  図１
2006013441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発光素子を配列した発光素子アレイと、
各発光素子に一対一で対応し、前記発光素子からの出射光の発散角を狭くする作用を有するマイクロレンズと、
各発光素子からの出射光を像面上に結像させる作用を有する結像光学系からなる光書き込みユニットにおいて、
前記マイクロレンズは、各発光素子の発光面に対し凸面を向けて配置したことを特徴とする光書き込みユニット。
【請求項２】
前記発光素子の発光面と前記マイクロレンズの凸面の間の距離を、前記結像光学系の光利用効率が最大となるように設定し、前記マイクロレンズを該距離の近傍に配置したことを特徴とする請求項１記載の光書き込みユニット。
【請求項３】
前記発光素子の発光面と前記マイクロレンズの凸面の間をマイクロレンズの屈折率よりも小さい屈折率の材料で充填し固着したことを特徴とする請求項１記載の光書き込みユニット。
【請求項４】
前記マイクロレンズは単一基板上に、前記発光素子アレイの発光素子の配列間隔と等しい間隔で配置したマイクロレンズアレイであることを特徴とする請求項１記載の光書き込みユニット。
【請求項５】
前記マイクロレンズアレイは、前記発光素子アレイに接して前記マイクロレンズと発光面を任意の距離で配置するための凸部を有することを特徴とする請求項４記載の光書き込みユニット。
【請求項６】
前記発光素子アレイと前記マイクロレンズアレイの凸面との間の距離を、前記結像光学系の光利用効率が最大となるように設定し、前記マイクロレンズを該距離の近傍に配置したことを特徴とする請求項４記載の光書き込みユニット。
【請求項７】
前記発光素子アレイと前記マイクロレンズアレイの凸面の間を、前記マイクロレンズの屈折率よりも小さい屈折率の材料で充填し固着させることを特徴とする請求項４記載の光書き込みユニット。
【請求項８】
前記発光素子アレイと前記マイクロレンズアレイは、それぞれアライメントマークを有し、当該アライメントマーク同士を合わせて位置を調整することを特徴とする請求項４記載の光書き込みユニット。
【請求項９】
前記材料は、多孔質材料であることを特徴とする請求項３または７記載の光書き込みユニット。
【請求項１０】
複数の発光素子を配列した発光素子アレイと、
各発光素子に一対一で対応し、前記発光素子からの出射光の発散角を狭くする作用を有し、前記発光素子に対して凸面を向けて配置したマイクロレンズと、
各発光素子からの出射光を像面上に結像させる作用を有する結像光学系からなる光書き込みユニットにおいて、
前記マイクロレンズは、前記発光素子から出射し、当該マイクロレンズを透過した出射光の広がり角が前記結像光学系の開口角とほぼ等しくなるように配置されたことを特徴とする光書き込みユニット。
【請求項１１】
前記マイクロレンズの焦点距離は、前記マイクロレンズの大きさに対する前記発光素子の大きさの比の関係により、前記出射光の広がり角の範囲内の光量が最大となる焦点距離と、略等しいことを特徴とする請求項１０記載の光書き込みユニット。
【請求項１２】
前記マイクロレンズの大きさに対する前記発光素子の大きさの比が０．８以下であることを特徴とする請求項１１記載の光書き込みユニット。
【請求項１３】
前記発光素子から前記マイクロレンズの凸面の頂点までの距離と前記マイクロレンズの焦点距離とによって決まる横倍率が、前記結像光学系の開口角以内の光量が最大となる横倍率と略等しくなるように、前記発光素子から前記マイクロレンズの凸面の頂点までの距離と前記マイクロレンズの焦点距離を設定することを特徴とする請求項１０記載の光書き込みユニット。
【請求項１４】
前記結像光学系の開口角が１０°以上であることを特徴とする請求項１３記載の光書き込みユニット。
【請求項１５】
前記マイクロレンズを一つの基板上に配列したマイクロレンズアレイに対して、前記発光素子アレイを整列させ、前記発光素子アレイと前記マイクロレンズアレイとを一体化することを特徴とする請求項１０記載の光書き込みユニット。
【請求項１６】
前記マイクロレンズアレイは、前記発光素子アレイとの位置を調整するためのアライメントマークを有することを特徴とする請求項１５記載の光書き込みユニット。
【請求項１７】
請求項１から１６の何れか１項に記載の光書き込みユニットを用いたことを特徴とする画像形成装置。
【請求項１８】
請求項１から１６の何れか１項に記載の光書き込みユニットと、像担持体、または、帯電、現像、転写、クリーニングを担うユニットの少なくともひとつのユニットと一体に構成したことを特徴とするプロセスカートリッジ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はデジタル書込光学系、特に、ＬＥＤアレイ等に代表される発光素子アレイを用いた光書き込みユニット、画像形成装置、プロセスカートリッジに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電子写真技術を用いた画像形成装置について説明する。図１４に画像形成装置の概要図を示す。この画像形成装置において、画像を形成する部分は感光体７００と呼ばれる像担持体の周りに帯電部６００、露光部１００、現像部２００、転写部３００、クリーナ部４００、除電部５００を配置したものである。
【０００３】
次に画像形成方法について説明する。像担持体７００は、任意の方向に一定の速度で回転している（図中では右回りに回転しているものとする）。
【０００４】
まず、帯電部６００の近くを通過した像担持体表面は、帯電部６００で発生させた電荷で帯電される。像担持体７００は暗所においては絶縁性を示し、光が照射されるまで帯電状態を保持する。
【０００５】
露光部１００は、電荷を保持した像担持体表面に向かって、画像のデータに応じた光束を照射する。光が照射された像担持体部分は、像担持体表面の電荷と符号が逆の電荷が発生し、像担持体表面の電荷と再結合することで、像担持体表面に画像データに応じた電荷密度の高い部分と低い部分ができる。これを『静電潜像』と呼んでいる。
【０００６】
現像部２００は、現像部２００と、静電潜像のトナーが付着する部分との間の電位差を利用してトナーを像担持体表面に飛ばす。この像担持体表面に付着したトナーにより形成された像を『トナー像』と呼んでいる。
【０００７】
転写部３００は、このトナー像を記録紙表面に転写する部分である。記録紙は、図示していない給紙ボックスより、搬送ローラによって運ばれ、転写部３００まで輸送されると、転写部３００は上記のトナーを飛ばしたときと同様に、像担持体表面の電位と、記録紙の電位差を利用して記録紙上にトナー像を転写させる。
【０００８】
トナー像を転写された記録紙は、紙搬送路に従って定着部８００まで運ばれ、熱、圧力等を利用してトナー像が記録紙上に固着し、画像が形成される。
【０００９】
一方、転写部３００を通過した像担持体７００は、更に回転し、クリーナ部４００で記録紙上に転写されなかったトナー像が掃除される。そして、除電部５００で一旦像担持体表面の電荷を整えた後、再び帯電部６００によって一定の電荷が与えられる。電子写真では、この工程を繰り返しながら画像を形成している。
【００１０】
次にデジタル書込方式について説明する。画像形成装置の露光部１００に用いられる光書き込みユニットとしては、半導体レーザ等の光源から出射された光束を光偏向器によって光走査し、走査結像レンズによって像担持体上に光スポットを形成する光走査方式や、ＬＥＤアレイや有機ＥＬアレイ等の発光素子アレイから出射された光束を結像素子アレイによって像担持体上に光スポットを形成する固体光書き込み方式が、デジタル書込方式として知られている。
【００１１】
近年、デジタル複写機、プリンタ、デジタルファクシミリといったデジタル画像出力機器の小型化の要求が強くなっており、光走査方式の光書き込みユニットでは光路長が長くなり光書き込みユニット自体が大きくなってしまうのに対し、固体光書き込み方式の光書き込みユニットは光路長を非常に小さくすることができ、光書き込みユニットをコンパクトに構成することができる。
【００１２】
次に固体光書き込み方式について説明する。固体書込方式の光書き込みユニットは、複数の発光素子を一列に並べた発光素子アレイ１０１と、発光素子アレイ１０１の発光素子からの出射光を像面上に結像するためのロッドレンズアレイ１０２からなる結像光学系とで構成される。図１５にロッドレンズアレイ１０２と発光素子アレイ１０１を組み合わせた光書き込みユニットの構成図を示しておく。
【００１３】
次に発光素子アレイについて説明する。
固体書込方式の光書き込みユニットの発光素子アレイとしては、発光素子として発光ダイオード（ＬＥＤ）１０４を所定の配列ピッチで配列したＬＥＤアレイが用いられている。図１６（ａ）〜（ｃ）にその概略図を示す。ＬＥＤアレイは、同一基板上に、数百程度のＬＥＤ１０４を所定の間隔で配列するＬＥＤアレイチップ１０５と、ＬＥＤ１０４の発光を制御する複数のＩＣチップ１０６（ドライバＩＣも含む。）、電力供給をうけるインターフェイスとして機能するコネクタ部１０７、これらの部品を支持する基板１０８等で構成される。各ＬＥＤアレイチップ１０５は、隣り合うチップ端同士にあるＬＥＤ１０４の間隔が、ＬＥＤアレイチップ１０５内の所定の間隔と等しくなるように配列される。例えば、書込密度１２００ｄｐｉのとき、ＬＥＤアレイチップ１０５上にはＬＥＤ１０４が約２１．２μｍの間隔で並んでおり、ＬＥＤアレイチップ１０５上に２５６個のＬＥＤ１０４が配列しているとすれば、ＬＥＤアレイチップ約５５個で、書込幅Ａ４縦（２９７ｍｍ）を満足するＬＥＤアレイが構成できる。
【００１４】
発光素子アレイには、ＬＥＤ１０４を用いた発光素子アレイ以外にも、有機ＥＬ等を発光素子に用いたＥＬアレイ、半導体レーザを発光素子に用いたＬＤアレイなども知られている。
【００１５】
次に結像光学系について説明する。固体光書き込み方式の光書き込みユニットの結像光学系として、屈折率分布を有するロッドレンズを束ねたロッドレンズアレイが知られている。
【００１６】
ロッドレンズアレイは、図１７のようにロッドレンズ１０９を２列千鳥配列状に束ねたものが一般的であり、その周囲は側板１１１で保持する構成になっている。また、ロッドレンズ１０９間は不透明部材１１０を充填、硬化することで、ロッドレンズ間を漏れるフレア光を抑えている。
【００１７】
また、ロッドレンズアレイ以外の固体光書き込み方式の結像光学系としてルーフプリズムレンズアレイがある。ルーフプリズムレンズアレイは、図１８のように、入射側のレンズ面が配列方向に一列に並んだ第１レンズアレイ部、及び、出射側のレンズ面が配列方向に一列に並んだ第２レンズアレイ部と、前記第１、第２レンズアレイの中間に図中には図示してはいないが、複数のルーフプリズムレンズが配列方向に一列に並んだルーフプリズム１１２を有するものである。そして、第１レンズアレイ部の任意のレンズ中心と、ルーフプリズムアレイ部の任意のプリズム稜線、第２レンズアレイ部の任意のレンズ中心とは、配列方向と直交する同一直交方向面内に配置されるようにリブ１１３で固定してある。ルーフプリズムレンズアレイは一体で成形することが出来ることから、ロッドレンズアレイのようにロッドレンズを束ねる工程がなく、ロッドレンズの倒れによる画像への悪影響がない結像光学系である。
【００１８】
いずれの結像光学系も、一つの光源からの出射光を複数のロッドレンズや、レンズ面で受け、相対する面から出射し像面上で再び一点に集める正立系等倍系の結像光学系である。
【００１９】
次にマイクロレンズについて説明する。
像担持体上にトナー像を形成するには、一定量以上の光量が光書き込みユニットから照射される必要があるが、近年、デジタル複写機やデジタルプリンタなどの高速化の影響により、像担持体の回転数が上がり、光書き込みユニットが１画素当りに照射できる時間が減少してきている。
【００２０】
発光素子アレイとして主に用いられるＬＥＤアレイは、出射光は発光面から広い発散角で広がってしまうため、結像光学系は発光素子の発する光量のうち数パーセントから十数パーセント程度の光量しか利用することができない。
【００２１】
そのため、結像光学系が、ＬＥＤの発する光を少しでも多く取り込めるように発光面の前面にマイクロレンズを配置した特許文献１、２などが知られている。
【００２２】
特許文献１では、発光面の表面は、電極の配線などにより凹凸があるため、発光面に直接マイクロレンズを形成しようとすると、発光面の上部に這い出している電極により、マイクロレンズがストレスを受け形状が変形してしまう点を課題とする。その課題を解消するために透明材料で電極などの発光面表面領域の段差よりも高い平坦層を形成し、その上にマイクロレンズを作製するようにしている。
【００２３】
しかしながら、この方法でマイクロレンズを作製する場合、十分な平坦性を得るためには平坦層を厚く積層しなくてはならない。また、一般的な成膜技術を用いて積層しただけでは十分な平坦性が得られないため、ポリッシング等の加工が必要になることなど、工程が複雑になる。
【００２４】
特許文献２では、結像光学系に対する光結合効率を向上させ、かつ不要な光を除去することを目的とする。そのためにマイクロレンズアレイを透明基板上に形成し、マイクロレンズアレイの凸面を上に向けて発光素子アレイに接着して形成するようにしている。
【００２５】
しかし、十分な光結合効率を得ようとすると、発光面からマイクロレンズ側の面まで距離を数十μｍ以下にしなくてはならい。そのためには、マイクロレンズアレイを形成する基板の厚さを薄くしなくてはならず、マイクロレンズアレイは非常に取り扱いにくくなる。
【特許文献１】特開２００１−０３６１４４号公報
【特許文献２】特開平１１−１７０６０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
本発明では、上記の問題点を鑑みて、マイクロレンズの形状をストレスなく容易に形成でき、取り扱いが容易で、かつマイクロレンズと発光面の距離を十分に近づけることを可能とするマイクロレンズによる狭角化による出射光量の向上した光書き込みユニット、画像形成装置、プロセスカートリッジを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記目的を達成する本発明の態様は、複数の発光素子を配列した発光素子アレイと、各発光素子に一対一で対応し、前記発光素子からの出射光の発散角を狭くする作用を有するマイクロレンズと、各発光素子からの出射光を像面上に結像させる作用を有する結像光学系からなる光書き込みユニットにおいて、前記マイクロレンズは、各発光素子の発光面に対し凸面を向けて配置したものである。すると、発光素子に対しマイクロレンズの凸面を発光素子の発光面に向けることにより、発光素子からの出射光の発散角を狭くし、光書き込みユニットの出射光量を増やすことが可能となる。
【００２８】
このとき、前記発光素子の発光面と前記マイクロレンズの凸面の間の距離を、前記結像光学系の光利用効率が最大となるように設定し、前記マイクロレンズを該距離の近傍に配置するとよい。すると、発光素子とマイクロレンズとの距離を規定することにより面積を有する発光面が発光素子に対しても光書き込みユニットの出射光量を増やすことが可能となる。
【００２９】
又、前記発光素子の発光面と前記マイクロレンズの凸面の間をマイクロレンズの屈折率よりも小さい屈折率の材料で充填し固着すると良い。すると、発光素子とマイクロレンズの凸面との間をマイクロレンズより屈折率の小さい材料で充填し固定することで、発光素子とマイクロレンズの位置を固定することが可能となる。
【００３０】
又、前記マイクロレンズは単一基板上に、前記発光素子アレイの発光素子の配列間隔と等しい間隔で配置したマイクロレンズアレイであることを特徴とする。すると、マイクロレンズをひとつの基板上に作製することにより、マイクロレンズを容易に作製することが可能となる。
【００３１】
ここで、前記マイクロレンズアレイは、前記発光素子アレイに接して前記マイクロレンズと発光面を任意の距離で配置するための凸部を有することを特徴とする。すると、マイクロレンズアレイに凸部を形成することにより、発光素子アレイとマイクロレンズアレイとを任意の位置に固定することが可能となる。
【００３２】
又、前記発光素子アレイと前記マイクロレンズアレイの凸面との間の距離を、前記結像光学系の光利用効率が最大となるように設定し、前記マイクロレンズを該距離の近傍に配置したことを特徴とする。すると、発光素子アレイとマイクロレンズアレイとの距離を規定することにより発光面が面積を有する発光素子に対しても光書き込みユニットの出射光量を増やすことが可能となる。
【００３３】
又、前記発光素子アレイと前記マイクロレンズアレイの凸面の間を、前記マイクロレンズの屈折率よりも小さい屈折率の材料で充填し固着させることを特徴とする。すると、発光素子アレイとマイクロレンズアレイの間をマイクロレンズアレイよりも屈折率の小さい材料で充填し固定することでマイクロレンズの位置を固定することが可能となる。
【００３４】
又、前記発光素子アレイと前記マイクロレンズアレイは、それぞれアライメントマークを有し、当該アライメントマーク同士を合わせて位置を調整することを特徴とする。すると、発光素子アレイとマイクロレンズアレイのそれぞれにアライメントマークを有することにより、各発光素子に対する各マイクロレンズの位置の決定を容易にすることが出来る。
【００３５】
上述した前記材料は、多孔質材料であると良い。すると、多孔質系の材料を用いて、発光素子アレイとマイクロレンズアレイの間を充填し固着させることにより、発光素子アレイとマイクロレンズアレイの間の屈折率をマイクロレンズの屈折率よりも小さくすることができるため発光素子の出射光の発散角を狭くすることが容易であり、発光素子アレイとマイクロレンズアレイを固定することが可能となる。
【００３６】
本発明の他の態様は、複数の発光素子を配列した発光素子アレイと、各発光素子に一対一で対応し、前記発光素子からの出射光の発散角を狭くする作用を有し、前記発光素子に対して凸面を向けて配置したマイクロレンズと、各発光素子からの出射光を像面上に結像させる作用を有する結像光学系からなる光書き込みユニットにおいて、前記マイクロレンズは、前記発光素子から出射し、当該マイクロレンズを透過した出射光の広がり角が前記結像光学系の開口角とほぼ等しくなるように配置されたものである。すると、発光素子に対しマイクロレンズの凸面を発光素子の発光面に向けることにより、発光面から近い位置にマイクロレンズを配置することができ、容易に発散角を狭くすることができ、さらに、マイクロレンズからの出射光の広がり角を、結像光学系の開口角と略等しくなるようにすることで、結像光学系が利用できる光量を特に増やすことができる。
【００３７】
このとき、前記マイクロレンズの焦点距離は、前記マイクロレンズの大きさに対する前記発光素子の大きさの比の関係により、前記出射光の広がり角の範囲内の光量が最大となる焦点距離と、略等しいことを特徴とする。すると、その焦点距離を用いることにより、任意の面積を有する面発光型の発光素子において光量を増やすために適したマイクロレンズの焦点距離を決定できる。
【００３８】
さらに、前記マイクロレンズの大きさに対する前記発光素子の大きさの比が０．８以下であると良い。すると、発光素子の大きさとマイクロレンズの大きさの比を限定することにより、マイクロレンズより光量を十分増やすことができる。
【００３９】
また、前記発光素子から前記マイクロレンズの凸面の頂点までの距離と前記マイクロレンズの焦点距離とによって決まる横倍率が、前記結像光学系の開口角以内の光量が最大となる横倍率と略等しくなるように、前記発光素子から前記マイクロレンズの凸面の頂点までの距離と前記マイクロレンズの焦点距離を設定することを特徴とする。すると、発光素子とマイクロレンズの凸面の頂点までの距離を用いることにより、前記マイクロレンズにより特に光量を増やすための位置を決定できる。
【００４０】
さらに、前記結像光学系の開口角が１０°以上であると良い。すると、結像光学系の開口角を限定することにより、結像光学系をより活用できる。
【００４１】
また、前記マイクロレンズを一つの基板上に配列したマイクロレンズアレイに対して、前記発光素子アレイを整列させ、前記発光素子アレイと前記マイクロレンズアレイとを一体化することを特徴とする。すると、一体化したマイクロレンズアレイに基準にして、複数の発光素子アレイを整列させていくことにより、発光素子アレイとマイクロレンズアレイの作製時の作業効率が向上できる。
【００４２】
さらに、前記マイクロレンズアレイは、前記発光素子アレイとの位置を調整するためのアライメントマークを有することを特徴とする。すると、マイクロレンズアレイに対して、発光素子アレイを容易に整列させることが可能となる。
【００４３】
本発明の他の態様は前記光書き込みユニットを用いたことを特徴とする画像形成装置に関するものである。するとこの画像形成装置は、画像出力の高速化、もしくは消費電力を低下させることが可能となる。
【００４４】
さらに本発明の他の態様は、前記光書き込みユニットと、像担持体、または、帯電、現像、転写、クリーニングを担うユニットの少なくともひとつのユニットと一体に構成したことを特徴とするプロセスカートリッジに関するものである。このプロセスカートリッジを用いることによりユニット交換時の取り扱いを容易にすることが出来る。
【発明の効果】
【００４５】
本発明により、マイクロレンズの形状をストレスなく容易に形成でき、取り扱いが容易で、かつマイクロレンズと発光面の距離を十分に近づけることを可能とするマイクロレンズによる狭角化による出射光量が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、本発明の光書き込みユニットなどを実施するための最良の形態（以下、単に「実施形態」という。）を説明する。説明する際には、本明細書と同時に提出する図面を適宜参照する。
【００４７】
（実施形態１）
一般的に発光素子として用いられるＬＥＤは、出射光が発光面から全方位に向かって出射している。ＬＥＤの角度に対する光強度分布はコサインで表すことができる。つまり、発光面の法線方向の光強度を１とした場合、法線に対する角度６０°の方向には半分の０．５程度の光強度で出射される。
【００４８】
光書き込みユニットに用いられるロッドレンズアレイなどの結像光学系では、発光面から出射される出射光のうち、約２０°ないしはそれ以下の発散角しか光を取り込むことが出来ない。また、その他の固体光書き込みユニットに用いられる結像光学系においても、ＬＥＤから出射される光量のほとんどを利用することが出来ないのである。
【００４９】
ここで、本実施形態の光書き込みユニットの例を図１（ａ）に示す。本実施形態の光書き込みユニットは、従来の発光素子アレイ１０１と結像光学系の間にマイクロレンズアレイ１１２を有し、マイクロレンズアレイ１１２のマイクロレンズの凸面を発光素子の発光面側に配置させている。図１（ｂ）は発光素子１１３とマイクロレンズ１１４の断面を拡大した図である。
【００５０】
マイクロレンズ１１４は、発光素子１１３の発光面側、つまり入射レンズ側が凸レンズであり、図示していないもう一方の側が平板となっている。
【００５１】
出射側を凸面にするマイクロレンズの場合は、マイクロレンズの基板の厚さを数十μｍ程度にしなければならなかったのに対し、本実施形態の場合であれば、マイクロレンズ１１４を形成する基板の厚さを気にする必要はない。もちろん、基板の厚さは発光素子アレイ１０１と結像光学系の間に入る厚さにする必要はあるが、取り扱いが難しくなることはない。そして、ＬＥＤの前方に配置させたマイクロレンズ１１４の作用により、ＬＥＤの出射光の発散角を変化させることが可能となる。
【００５２】
また、本実施形態のマイクロレンズ１１４は凹凸のあるＬＥＤの発光面上に直接作製するのではなく、平板上に作製させることができるので、マイクロレンズを作製する過程においてストレスを受けることなくマイクロレンズの作製が容易である。
【００５３】
マイクロレンズに関しては、１個ずつ個々に作製し、それぞれを発光素子と対応させても構わないし、また後で、実施形態３に示すようなマイクロレンズアレイであっても本実施形態における発光素子の出射光の狭発散角化は可能である。
【００５４】
（実施形態２）
図１（ｃ）は、発光素子１１３の発光面とマイクロレンズ１１４の凸面の間をマイクロレンズ１１４の屈折率よりも小さい材料（低屈折材料１１７）で充填したものを示す図面である。マイクロレンズ１１４の屈折率よりも小さければ、間が空気であるときと同様にマイクロレンズによる発散角を狭くする効果を得ることが出来る。また、この低屈折材料１１７を接着剤として用いれば発光素子１１３の発光面とマイクロレンズ１１４の位置を固定することが可能となる。
【００５５】
特に、空気に非常に近い屈折率を持つ多孔質系の材料も知られており、この材料を用いれば空気とほぼ同等の発散角の狭角化を得られるとともに、マイクロレンズを固着させることで、発光素子１１３の発光面とマイクロレンズ１１４の位置を固定することが可能となる。
【００５６】
また、発光素子１１３の発光面からマイクロレンズ１１４の凸面の頂点までの距離を離していくと、図２から分かるように、マイクロレンズ１１４が取り込める発光素子の発散角が狭くなり、利用できる光量が低下する。
【００５７】
また、発光素子１１３から発光面までの距離を近づけていくと、発光素子１１３の発光面の端部付近から出射される出射光の出射角が、マイクロレンズで十分変化させることができなくなり、結像光学系に取り込むことができなくなる。
【００５８】
このことを、シミュレーションを用いて表すと、図３のようになる。図３は、発光素子の発光面からマイクロレンズの凸面の頂点までの距離に対する、結像光学系の利用効率を示している。シミュレーションの条件を以下に示す。
【００５９】
発光素子は発光面が一辺５μｍの正方形、および発光面が一辺１０μｍの正方形の２つの発光面において、マイクロレンズは、屈折率１．４５６４、直径２０μｍ、また、マイクロレンズ基板の厚さ５００μｍとした。また、結像光学系は、ロッドレンズアレイとして計算し、一つのロッドレンズは、長さ４．３５ｍｍ、直径０．５６３ｍｍ、また、屈折率は以下の式で表される屈折率分布を持つとし、屈折率ｎ０は１．６３１９、屈折率分布係数Ｓｑｒｔ（Ａ）は、０．８４６とし、正立系が成り立つ共役位置で光利用効率を計算した。
ｎ（ｒ）  ＝  ｎ０＊［１−｛Ｓｑｒｔ（Ａ）＊ｒ｝2 ／２］
【００６０】
図３のプロットは、その時に、発光面からマイクロレンズまでの距離を振り、それぞれの距離において、マイクロレンズの曲率半径を変化させて最大利用効率をプロットしたものである。
【００６１】
図３から分かるように、シミュレーションを用いることで本実施形態のマイクロレンズにおける明るさが最大となる発光素子の発光面からマイクロレンズの凸面の頂点までの距離を導くことができる。したがって、発光素子の発光面からマイクロレンズの凸面の頂点までの距離を設定し、マイクロレンズをこの距離の近傍に配置することで高い光利用効率、つまり、狭発散角化の効果を十分に得られることが分かる。
【００６２】
図では例を挙げたのみであるが、もちろん、マイクロレンズの形状、及び材質、また、発光素子の発光面の形状、及び大きさ、さらに結像光学系の光学的な特性から、任意のマイクロレンズに対して最も光利用効率が高い発光素子の発光面からマイクロレンズの凸面の頂点までの距離を導くことができる。
【００６３】
また、実施形態２で示した発光素子とマイクロレンズとの間をマイクロレンズの屈折率よりも小さい材料で充填する場合であっても、その特性を考慮すれば上記の距離を導くことは可能である。
【００６４】
（実施形態３）
図４に本実施形態の別の実施例を示す。図４はマイクロレンズ１０４を一つの基板１１８上にアレイ状に配列させ、そのアレイ間隔は、発光素子アレイ１０１の発光素子１１３のアレイ間隔と等しい間隔で形成したものである。このようなマイクロレンズをアレイ化することによりマイクロレンズアレイとしてひとまとめで扱えるようになり作製が容易となる。低屈折材料１１７を充填させてもよい（（ｃ）参照）。
【００６５】
マイクロレンズアレイの作製方法は、リフロー等をもちいて作製することができる。マイクロレンズの作製方法について、図５を用いて説明する。まず、マイクロレンズ基板となる材料、ここでは石英基板を例に挙げる。
（ａ）：この基板１１８上にマイクロレンズを形成するためのフォトレジスト材１１９をスピンコート法等により石英基板上に均一に塗布する。フォトレジストの材料としては、東京応化工業株式会社製のＯＦＰＲ−８００などがある。フォトレジスト材料としては特にネガ型、ポジ型など特定しない。その後、熱処理を加えフォトレジスト材料を固着させる。
（ｂ）：マスクアライナー１２０等を用い、マスクの上から紫外線を通して照射する。
（ｃ）：その後、現像液、東京応化工業株式会社製のＮＭＤ−Ｗ等、を用いてマイクロレンズ部以外のフォトレジスト材１１９を除去する。
（ｄ）：その次に、熱処理を加えながらフォトレジスト材１１９の表面張力を用いて、フォトレジスト材１１９を球面形状にする（リフロー）。
（ｅ）：最後にエッチングしフォトレジスト材１１９を表面から削ることにより、マイクロレンズアレイ１１２を作製することが出来る。
【００６６】
以上は一般的なマイクロレンズの作製方法についての説明であるが、フォトレジスト材料が、使用するＬＥＤアレイの発光波長に対して透明な材料であれば、エッチングをしなくても、リフローするだけでフォトレジスト材料をマイクロレンズとして用いることが可能である。また、上記作製方法により形成されるマイクロレンズに限るものではなく、マスター基板を用いて転写により作製するマイクロレンズアレイであっても構わない。
【００６７】
このマイクロレンズアレイのマイクロレンズの数をＬＥＤアレイチップの発光素子の数と同数とすることで、マイクロレンズアレイ１つと、発光素子アレイチップ１つが対応するため、さらに取り扱いが容易になる。
【００６８】
（実施形態４）
上記のようなマイクロレンズアレイを位置決めは、図６に示すようにマイクロレンズアレイのアレイと直交する方向に凸部１２１を設けることで達成することが出来る。この凸部１２１は発光素子アレイの発光に影響しない部分、つまり発光面以外の任意の部分に固定させる。この発光面以外の部分の高さと、発光面の高さを調整しておけば、発光素子１１３の発光面からマイクロレンズの凸面までの距離を決定することは可能である（（ｂ）参照）。
【００６９】
このような凸部１２１はマイクロレンズ作製時のエッチング時に同時に作製しても構わないし、凸部１２１を形成する部分にフォトレジスト材料を形成して追加工により形成しても構わない。もちろん、凸部１２１となる部分を転写により形成することも可能である。
【００７０】
（実施形態５）
上記、実施形態４の発光素子アレイと、マイクロレンズアレイの間を実施形態２と同様にマイクロレンズアレイの屈折率よりも小さい屈折率の材料で充填し、固定することにより、マイクロレンズアレイの効果を得られると同時に発光素子アレイとマイクロレンズアレイを固定することが可能となる。
【００７１】
（実施形態６）
発光素子アレイと、マイクロレンズアレイの位置合せは、発光素子アレイと、マイクロレンズアレイの双方に位置を決定するアライメントマークを用いる方法で調整できる。アライメントマークを用いた調整方法として、図７に示す。
【００７２】
マイクロレンズ入射面側のマイクロレンズ１１４がない部分に少なくとも２つクロム等の材料でマーキングしておく。マイクロレンズアレイ１１２は透明材質であるため、ＣＣＤカメラ等の撮像装置を用い、マイクロレンズアレイ１１２の出射面側から、入射面側のアライメントマーク１２２を探すことができる。また、発光素子アレイ１０１の表面にも、同様にマーク１２３を設けておき、それらの相対位置を、マイクロレンズアレイ１１２の出射面側から確認し、位置を調整することで、個々の発光素子とマイクロレンズ同士を調整することなく、発光素子アレイとマイクロレンズアレイの位置を決定することが可能となる。
【００７３】
（実施形態７）
図１４の画像形成装置の露光部１００に本実施形態の光書き込みユニットを用いることで、従来のマイクロレンズを用いていない光書き込みユニットよりも光出力が強い光書き込みユニットであるため画像出力の高速化が容易になる。または、電気的に光出力を抑えることで消費電力の低下させることも可能となる。
【００７４】
（実施形態８）
本実施形態の光書き込みユニットを図８に示すように画像形成装置における像担持体７００、帯電部６００、現像部２００、転写部３００、クリーナ部４００のうち、すくなくともひとつの画像形成部と組み合わせてプロセスカートリッジ化することにより、ユニットの交換における取り扱いが容易になる。特に像担持体７００と組み合わせてプロセスカートリッジにすることにより、ユニット交換時の光書き込みユニットと像担持体の位置調整を不要とすることが可能である。
【００７５】
（実施形態９）
先の実施形態２のところでも述べたように、発光素子１１３の発光面の前方に凸面を向けてマイクロレンズ１１４を配置する場合、例えば発光面からマイクロレンズ１１４までの距離が離れすぎている場合は、マイクロレンズ１１４の集光作用は十分発揮されるのだが、マイクロレンズ１１４の大きさは発光素子１１３の配列間隔よりも小さくする必要があるため、十分な光を取り込むことができなくなり、出射光の光量の密度は増すが全体としての光量は少なくなる。また逆に、発光面からマイクロレンズ１１４までの距離が近すぎる場合は、マイクロレンズ１１４による集光作用を十分発揮することができなくなり、出射光の光量の密度は小さいが出射光全体の光量は多くなる。
【００７６】
このことから、光書き込みユニットとして明るさを向上させるために最も適している発光素子とマイクロレンズとの関係は、マイクロレンズ１１４の形状および発光素子１１３の発光面からマイクロレンズ１１４までの距離を調整して、図１３に示すように、マイクロレンズ１１４から出射される光の広がり角αが、結像光学系が像面上に結像させるときに有効に取り込むことが出来る光取り込み角である開口角α’とがほぼ等しくなるようにすることであり、そうすることにより、光書き込みユニットとして光量を特に増加させることができる。
【００７７】
ここで、マイクロレンズを用いて発光素子からの光を任意の発散角内に集めようとするとき、任意の発散角内に最も効率よく集められるマイクロレンズの焦点距離は、焦点距離をｆとし、マイクロレンズの直径をＤとし、発光素子の大きさをＬとすると、マイクロレンズの直径Ｄに対する発光素子の大きさＬとの比（Ｌ／Ｄ）の関係から得ることができる。
【００７８】
図９は、マイクロレンズ透過後の発散角を２０°と仮定し、マイクロレンズの直径Ｄを２０μｍ、また、発光素子の形状は正方形として、発光素子の一辺の長さＬを振って、発散角２０°以内に集められる光量が最大となる焦点距離ｆがいくつになるか、モンテカルロシミュレーションを用いて計算した結果である。尚、発光素子からの出射する光線本数を１，０００，０００本とした。
【００７９】
図の縦軸は、焦点距離のマイクロレンズの直径に対する比（ｆ／Ｄ）であり、横軸は、発光素子の大きさのマイクロレンズの直径に対する比（Ｌ／Ｄ）である。計算は、マイクロレンズの直径Ｄを固定して行ったが図のように比を用いることにより、任意のマイクロレンズの直径Ｄに対して所望するマイクロレンズの焦点距離ｆを求めることが可能となる。
【００８０】
図より、マイクロレンズの直径Ｄと発光素子の大きさＬから、マイクロレンズの焦点距離ｆを求めることができ、この計算より得られた焦点距離と略等しい焦点距離を有するマイクロレンズを使用することが、発光素子からの出射光を効率良くマイクロレンズで集光させるために必要である。
【００８１】
また、上記計算では、発光素子の形状は正方形として計算したが、もちろん、発光素子の形状は長方形であっても構わない。矩形光源として考えた場合は、長辺の長さをＬと定義すれば、上記の計算結果を使用しても差ほど影響はない。
【００８２】
もし面発光型ＬＥＤのように、光源の形状を定義することが難しい場合は、ＬＥＤを発光させた状態で発光面の光量分布を、２次元ＣＣＤなどを用いて観察し、その光量分布のピークの１／ｅ＾２準位の幅のうち長い方をＬと定義すればよい。
【００８３】
さらにもし、発光面の中心に電極を有しており２つに分れた光量分布を持つ場合には、片方の光量分布の外側１／ｅ＾２準位から、もう一方の光量分布の外側１／ｅ＾２準位までの距離をＬとすればよい。
【００８４】
結像光学系の開口角と、マイクロレンズからの出射光の広がりを等しくするための、発光素子とマイクロレンズの頂点までの距離について説明する。
【００８５】
まず、マイクロレンズの焦点距離ｆと発光素子からマイクロレンズの凸面の頂点までの距離ｓを用い、以下の式で横倍率βを求めるものとする。
β＝ｆ／（ｓ−ｆ）
【００８６】
次に、結像光学系の任意の開口角以内の光量が最大となる横倍率βについて計算する。図１０は、Ｌ＝１０μｍ、Ｄ＝２０μｍとし、ｆ＝２７．１μｍとし、発光面からランバート分布で発散する光線が各々の開口角に集光される量をモンテカルロシミュレーション（光線本数：１，０００，０００本）で計算し、光量が最大となるβをプロットしたものである。
【００８７】
図の横軸は、結像光学系の開口角α’を表し、縦軸は、その開口角範囲内の光量が最大となる横倍率βを表す。よって、この図を用いて、さらに結像光学系の開口角α’から、適している横倍率βを用いてやれば、発光素子と、焦点距離ｆを持つマイクロレンズの頂点までの距離をいくつにすれば、結像光学系の開口角とマイクロレンズの出射光の広がり角が略等しくなるのか導くことができる。
【００８８】
また、本来であれば、短調に変化すると思われる結像光学系の開口角と横倍率の関係が、図をみると開口角１０°以下では横倍率が正の方向に折れている。これは開口角１０°以下の結像光学系に対してはマイクロレンズからの出射光の広がり角を結像光学系の開口角に合わせてしまうと逆に明るくすることができなくなるということを示している。したがって、本実施形態によれば開口角が１０°以上の結像光学系に対して有効である。
【００８９】
次に発光素子とマイクロレンズの大きさの関係について示す。図１１は、モンテカルロシミュレーションにより計算した発光素子とマイクロレンズの大きさの比に対する集光の度合いを示したものである。発光素子の大きさは、正方形の発光素子の一辺の長さＬで、マイクロレンズの大きさは、マイクロレンズの直径Ｄである。
【００９０】
図は、横軸に発光素子の発光面からマイクロレンズまでの距離ｓをとり、縦軸にマイクロレンズからの出射光の広がり角２０°以内の光量の増加率をとって、マイクロレンズに対する発光素子の大きさの比（Ｌ／Ｄ）の違いにより光量の増加率を示したものである。
【００９１】
図より、Ｌ／Ｄが小さい時は、任意の距離において光量の増加率はピークをもち、Ｌ／Ｄが大きくなるに連れて光量の増加率はほとんど変化しなり、Ｌ／Ｄ比が１においては、ほとんど変化しないことが分る。したがって、マイクロレンズを用いて光書き込みユニットの明るさを向上させるためには、Ｌ／Ｄ比が約０．８以下にすることが必要であることがわかる。
【００９２】
（実施形態１０）
先に、ＬＥＤアレイについて述べたとおり、発光素子アレイは、その作製の都合上、光書き込みユニット全体分を一体で作製することは困難である。そのため、発光素子アレイは、いくつかの発光素子アレイチップに分けて作製し、複数の発光素子アレイチップを並べて光書き込みユニット分、発光素子が並んだ発光素子アレイを構成している。そのため、チップ間のつなぎ目、２つのチップに跨った発光素子の間隔が、チップ内の発光素子の間隔よりも広がったり、狭まったりしてしまう。そのため、マイクロレンズアレイも発光素子アレイと同様の長さのマイクロレンズアレイチップにしてそれぞれの発光素子アレイチップに対して、マイクロレンズアレイチップの位置を調整して行かなくてはならなくなり、非常に作業が複雑になる。そこで、この作業をより簡単にする方法として、マイクロレンズアレイを一体で作製し、そのマイクロレンズの整列性に発光素子を合わせる方法を提案する。
【００９３】
先ほど、マイクロレンズアレイの作製はリフローで行うことが出来ると述べたが、この製法では、発光素子アレイと同様に光書き込みユニット全体分を一体で作製することは非常に困難である。このような光書き込みユニット全体分のマイクロレンズアレイを一体で作製するには、もとになる金型を切削等で作製しておき、それを用いて作製する射出成形技術や、プレス成形技術を用いれば得ることが出来る。
【００９４】
それらの方法で作製したマイクロレンズアレイに対し、発光素子アレイチップを調整する基準として、マイクロレンズアレイの上に発光素子アレイチップを、発光素子とマイクロレンズの位置との調節を行いながら固定していくようにする。これにより、発光素子アレイチップを配列させる作業と、発光素子アレイとマイクロレンズアレイの位置調整をする作業とを同時に行うことができ、作業効率の向上につながる。さらに、発光素子アレイとマイクロレンズアレイとを一体化して、光源ユニットとして扱うことができるため、部品数を減らすことができ、結像光学系との位置調整作業についても容易になる。
【００９５】
マイクロレンズアレイに発光素子チップの位置を調整して行く方法としては、実施形態６で述べたように発光素子アレイ１０１にアライメントマーク１２３をつけ、さらにマイクロレンズアレイ１１２に、複数の発光素子アレイ１０１のアライメントマークと対応する複数の位置にアライメントマーク１２２をつけて、そのアライメントマーク１２２を合わせるように調節すればよい（図１２参照）。
【００９６】
また、発光素子とマイクロレンズの頂点までの距離ｓを調整する方法は、前記マイクロレンズの横倍率βとマイクロレンズの焦点距離ｆから求められる発光素子とマイクロレンズ頂点までの距離を直接測定することもできるが、２次元ＣＣＤ等を用いた撮像装置を用い、マイクロレンズの横倍率βと撮像装置がもつ横倍率β’の関係から導かれる像が現われると予測される位置に撮像装置の観察面を置き、撮像装置上に写し出された像の大きさ、位置を予測された大きさと位置になるように、発光素子アレイチップ、もしくはマイクロレンズアレイを移動させて、特定するという方法を用いることが出来る。
【００９７】
実施形態９、１０に係る光書き込みユニットをプロセスカートリッジ化することに関しては実施形態８で説明したものとほぼ同等であるためその説明を省略する。
【００９８】
なお、上記形態は本発明を実施するための一例であってこれに限定するものではない。従って本発明の要旨を変更しない範囲において種々変形することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明の光書き込みユニット、画像形成装置、プロセスカートリッジが搭載され、電子写真技術を用いたデジタル複写機、プリンタ、およびファクシミリ等のデジタル出力機器の開発が望まれる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】光書き込みユニットの断面図（ａ）と、光書込ユニットにおける発光素子とマイクロレンズの断面図（ｂ）と、光書き込みユニットにおける発光素子とマイクロレンズおよび低屈折材料の断面図（ｃ）である。
【図２】発光素子の発光面からマイクロレンズまでの距離とマイクロレンズが取り込める出射光の発散角の関係（θ＞θ’）を表す図である。
【図３】発光面からマイクロレンズまでの距離に対する光利用効率の関係図である。
【図４】マイクロレンズアレイの斜視図（ａ）と、発光素子アレイとマイクロレンズアレイの断面図（ｂ）と、発光素子アレイとマイクロレンズアレイと低屈折材料の断面図（ｃ）である。
【図５】マイクロレンズの作成方法を示した図である。
【図６】凸部を有するマイクロレンズアレイの斜視図（ａ）と、マイクロレンズアレイの凸部と発光素子のアレイの断面図（ｂ）である。
【図７】アライメントマークを用いた位置調整方法を示した図である。
【図８】プロセスカートリッジの断面図である。
【図９】（ｆ／Ｄ）と（Ｌ／Ｄ）の関係を表すグラフである。
【図１０】βとα’の関係を表すグラフである。
【図１１】光量の増加率と、発光素子の発光面からマイクロレンズまでの距離ｓとの関係を表すグラフである。
【図１２】アライメントマークを用いた位置調整方法を示した図である。
【図１３】マイクロレンズから出射光の広がり角αと、結像光学系の開口角α’との関係を表す図である。
【図１４】画像形成装置の概略構成図である。
【図１５】光書き込みユニットの構成図である。
【図１６】ＬＥＤアレイの概略図（ａ）と、ＬＥＤアレイの断面図（ｂ）と、発光ダイオードアレイチップの概略図（ｃ）である。
【図１７】ロッドレンズアレイの概略図である。
【図１８】ルーフプリズムレンズアレイの概略図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１０１    発光素子アレイ
１１２    マイクロレンズアレイ
１１３    発光素子
１１４    マイクロレンズ
【図１】
2006013441.tif 000003
【図２】
2006013441.tif 000004
【図３】
2006013441.tif 000005
【図４】
2006013441.tif 000006
【図５】
2006013441.tif 000007
【図６】
2006013441.tif 000008
【図７】
2006013441.tif 000009
【図８】
2006013441.tif 000010
【図９】
2006013441.tif 000011
【図１０】
2006013441.tif 000012
【図１１】
2006013441.tif 000013
【図１２】
2006013441.tif 000014
【図１３】
2006013441.tif 000015
【図１４】
2006013441.tif 000016
【図１５】
2006013441.tif 000017
【図１６】
2006013441.tif 000018
【図１７】
2006013441.tif 000019
【図１８】
2006013441.tif 000020