原创 LED彩色印表机成像字头关键技术

96年日亚化学中村氏发表蓝光LED(Light Emitting Diode)之后，白光LED成为次世代照明光源的愿景不再受到质疑，在此同时白光LED则开始被应用在移动电话、PDA、NB-PC、液晶显示器、液晶电视、汽车等消费性电子产品领域。

事实上LED除了照明光源之外，也可以当作电子影像印表机的成像光源，尤其是LED的价格、应答速度、发光效率、模组结构，以及LED的发光波长多样性，远比多面镜(polygon)、高速直流伺服马达、θ镜片、半导体雷射二极管，等元件构成的传统影像扫描模组更轻巧、简洁，制作成本也具备极佳的竞争优势，因此一般认为LED电子影像印表机是继喷墨印表机之后，可望成为个人用低价、中高速、高解析度一般纸印表机。

LED成像字头的结构
图1是A4 size串联型(tandem type)LED彩色印表机用成像字头(printer head)的实际外观。基本上它是将LED阵列(array)与驱动IC，封装在导线基板上形成所谓的COB(Chip On Board)，接着在COB表面封装由高发光效率LED与LED框体(holder)一体构成的Rod Lens Array，上述LED成像字头外形尺寸为280mm(长)×14mm(宽)×17mm(高)，总重量大约100g左右。
　

图1 LED印表机成像字头实际外观
　

图2是LED彩色印表机用成像字头的结构，图中的LED阵列是由具备复数个发光单元，亦即化合物半导体晶片构成；驱动IC使用可以驱动LED阵列各发光部位的集束状半导体晶片；圆柱状镜片阵列(Rod Lens Array)则为折射率分佈型，呈阵列固态状排列的镜片所构成。

由于LED印表机用成像字头必需配合列印纸张的大小，因此LED阵列的die bond呈直线状封装在导线基板表面。LED阵列晶片内的各发光部位，利用金属导线与驱动IC等半导体元件作电气性连接，驱动IC会根据列印信号进行LED的点灯与熄灯动作，各发光部产生的LED放射光穿透圆柱状镜片阵列，在感光滚筒表面聚光成像(曝光process)，接着经过碳粉吸附、定影等传统电子影像列列印程序，完成普通纸资料列印动作。

LED电子影像印表机具备以下特徵:
?发光单元是由数千个独立的LED，形成所谓的电子化固态扫描光。
?光学系统简洁，光路非常短，字头整体外形轻巧。
　

图2 LED彩色印表机成像字头的构
　  关键性技术
?高密度化
彩色印表机必需输出接近照片等级的图形，因此印表机除了具备1200dpi(dot per inch)以上高解析度影像信号读取功能之外，它还可以鲜明列印2point(字体纵、横长度为2/72英吋)以下的文字，以及网点线数超过140线以上的灰阶影像等功能。

为达成上述要求因此开发LED阵列高密度化技术，亦即微细发光模组制作技术。基本上LED阵列发光模组使用p型不纯物，在n型epitaxial层作选择性扩散形成pn接合领域，此时一般不纯物的扩散除了在epitaxial层进行纵向扩散之外同时也需作横向扩散，为确保dot之间的绝缘性同时基于21.2μm的dot pitch，能够维持10μm正方大小等考量，因此使用固相扩散技术使不纯物的扩散深度限制在 以下，具体方法是在扩散罩构成的n型epitaxial层表面，堆叠含锌的不纯物氧化膜层不纯物与退火间隙(anneal gap)膜层，接着利用热处理使p型不纯物扩散至n型epitaxial层，最后就可以获得1200dpi高光量LED阵列。

图3是依序量测各点LED阵列点灯时，通过开口角为20°C的圆柱状镜片阵列后，在感光滚筒表面成像时的LED光束强度分佈特性图。根据测试结果可知 Im ax / e2 定义的光束直径大约是 25μm，MTF(Modulation Transfer Function,亦即解析度指标)则超过80%，这意味着LED彩色印表机成像字头具备极高的解析特性。
　

图3 LED彩色印表机成像字头的解析度特性
　

图4是试作2400dpi LED成像字头依照各dot使LED阵列点灯时的照片，LED阵列的点间距(dot pitch)为 10.6μm ，LED发光部尺寸为 5μm正方。
　

图4 2400dpi LED成像字头实际点灯的外观
　

?高发光效率LED
如上所述LED成像字头的各LED点灯动作可以用电子电路控制，因此LED成像字头适合应用在要求高速写入的成像光源等领域。
虽然各LED的驱动电流只有数mA，然而LED成像字头是由数千个LED晶片构成，因此成像字头整体的需求电流高达数安培，此外高速驱动时还需解决成像字头的散热，以及驱动电源大型化等问题，尤其是4支成像字头构成的串联式彩色印表机成像字头，极易受到热的影响造成成像字头伸缩、色偏差、印刷品质降低等困扰。

图5是高发光效率LED成像字头的断面结构。基本上成像字头的n型epitaxial层使用GaAs基板，接着在GaAs表面依序堆叠n型AlGaAs包覆层(clad lay)、活性层，形成所谓的双异质(double hetero)结构，接着利用固相扩散技术使Zn作选择性扩散到上述双异质基板内，并在活性层内部形成pn接合领域，如此一来动作时电流只会注入活性层内微小的pn接合领域，活性层内的电子与正孔结合机率增加，使得LED内部的发光效率大幅提高，此外活性层与包覆层的结晶相异，因此在活性层内pn接合领域产生的光线不会在包覆层被吸收，因此取光效率相对增加。
　

图5 高发光效率LED成像字头的断面结构
　

图6是高发光效率LED与传统LED发光输出特性的比较结果。传统LED的n型epitaxial层为GaAsP，使用气相扩散法进行选择性扩散，LED的结构属于mono type，虽然两者的发光部位尺寸几乎完全相同，而且同样都是1200dpi高解析度LED阵列，不过高发光效率LED比传统LED的发光效率高10倍以上，换句话说高发光效率LED只需要1/10的驱动电流，就可以获得相同发光输出。
　

图6 高发光效率与传统LED发光输出特性的比较
　

图7是高发光效率LED与传统LED成像字头的温度特性比较结果。量测时拆除LED成像字头的散热鳍片(heat sink)，并以全黑列印亦即印刷duty100%的条件进行温度特性测试。

根据测试结果显示，传统LED成像字头若拆除散热鳍片，温度会急遽上升50°C左右；相较之下高发光效率LED成像字头只上升5°C，此外若改成一般印刷duty时，高发光效率LED成像字头的温升非常缓和。

由于成像字头的热膨涨非常小，因此4支成像字头构成的串联式彩色印表机成像字头的点位置偏差也非常小，即使连续列印也可以获得稳定的影像品质，这意味着1200dpi高解析度LED彩色印表机成像字头，可以应用在100PPM以上超高速电子影像印表机。
　

图7 高发光效率与传统LED成像字头的温度特性比较
　

?低价化技术
上述高发光效率LED成像字头除了具备低驱动电流特徵之外，利用时段分割驱动技术能够以极短的时间，在感光滚筒表面的静电层形成曝光能量。

图8是1/8矩阵(matrix)驱动技术的动作原理，图中的A1,2----8为正极(anode)，C1,2----8为负极(cathode)，每个正极透过8 x 8矩阵多层导线，连接至各自间隔8dot的8个LED，负极则连接至已经接线的8dot LED。

点灯驱动时各驱动IC根据列印资料提供电流给正极，此时只要切换(switching)负极就可以获得负极单位的LED dot点灯动作，如此反覆8次上述驱动动作所有的dot就会全部点亮。

由于高发光效率LED成像字头搭配段分割驱动技术，因此LED阵列的电极数可以大幅缩减，电极数大约是传统LED阵列的1/4左右；驱动IC内部的驱动元件数量也减少至1/4；LED阵列的电极即使单侧佈置(layout)，也可以维持稳定的导线固定间距(wire bonding pitch)，因此驱动IC的晶片数量减少一半。此外导线数量则减少至1/4；LED阵列晶片的宽度比传统LED缩小(shrink)1/2；驱动电流比传统LED低。
　

图8 LED阵列晶片的1/8矩阵驱动技术动作原理
　

图9是利用1/8矩阵(matrix)驱动技术驱动的LED阵列晶片实际外观。LED阵列的点密度为1200dpi，384点的LED制成一个晶片共有6个block，每个block内部具有8个阴极cell，每个阴极cell由8个LED构成，各阴极cell作电气性区隔。此外基于封装作业性等考量，因此将正极与负极设在相同面上，LED晶片内呈多层导线结构，电极的间距为 80μm。
　

图9 利用1/8矩阵(matrix)驱动技术的LED阵列晶片实际外观
　  字头特性
?光量特性
如上所述LED彩色印表机成像字头是由数千个独立的LED构成，因此会有发光量不均匀等结构上的缺陷，尤其是使用发光量不均匀的字头列印文件时，极易造成印刷浓淡分佈不均，对4支LED成像字头构成的串联式彩色印表机而言，4个印刷点重叠构成的画素极易出现色再现不良等问题，有效改善对策是採用光量补正技术控制各LED点的电流，使穿透镜片之后的光束的亮度达成均一化。

具体方法是分别针对晶片单位的供给电流，以3%作一个刻度使它具备4位元，点单位的供给电流则以1%作一个刻度使它具备6位元功能，接着再将上述补正资料储存在字头内的EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)IC内，列印资料前先从EEPROM读取补正资料，当补正资料再度储存至字头内的驱动IC时，就能够均匀的产生发光量。

图10是补正前后的字头内部光量分佈特性，图中的(a)是补正前的光量分佈特性，它是提供相同的电流给字头内所有LED晶片，接着测试穿透圆柱状镜片阵列之后光束的光量获得的结果；图中的(b)是补正后的光量分佈特性，它是根据补正前各光束的光量，提供经过补正计算电流之后的结果。根据测试结果显示补正前的光量不均大约是±10%左右，补正后的光量不均则低于±1%，依此证实补正技术可以有效改善长久以来一直是LED彩色印表机成像字头最困扰的光量不均问题。
　

图10 补正前后的字头内部光量分佈特性
　

在此同时圆柱状镜片等折射率分佈型光纤呈固体化阵列状设置，因此会有各光纤的折射率分佈特性不均以及光轴偏离之虞，针对圆柱状镜片阵列的光学特性不均问题，根据实验结果显示利用光量补正技术，可以有效改善列印影像品质。

?寿命特性
LED成像字头的寿命特性与供给电流的二次方呈反比例，亦即供给电流越大光量劣化时间越短，所幸的是上述高发光效率LED彩色印表机成像字头，列印动作时的电流值非常低，由于成像字头本身的低消费电流与低发热量，对使得成像字头的使用寿命获得延长。

图11是1200dpi彩色印表机LED成像字头的寿命特性。测试前必需先规范可以满足列印条件的通电点灯条件，具体通电点灯条件是提供 的电流给各LED晶片，使各点在全黑列印前提下点灯，各LED的发光duty定为10%，依此反覆100μsec的发光时间与900μsec的熄灯时间。

图中的黑点表示成像字头的平均光量变化，纵轴是测试初期值的光量变化，横轴是通电的累积时间，根据测试结果显示经过2000小时测试，1200dpi彩色印表机LED成像字头的平均光量几乎完全没有任何改变，接着将此结果换算成10%一般印刷duty时的列印张数，相当于300万张A4纸张，这意味着LED成像字头具备长时间高稳定的影像输出特性。

图12是经过2000小时测试后LED成像字头内部各点(亦即各LED晶片)的光量变化率，由图证实它与平均光量一样各点的光量变化低于3%。
　

图11 LED成像字头的寿命特性
　

图12 LED成像字头的光量变化率
　  结语
以上介绍LED电子影像印表机成像字头的制作技术。事实上LED除了被当作行动电话、PDA、NB-PC、液晶显示器、液晶电视，等可携式电子产品的照明光源之外，也可以当作电子影像印表机成像字头的扫描光源，由于LED具体低价、高应答速度、高发光效率，以及多样化的波长特性，因此一般认为LED制成的电子影像印表机是继喷墨印表机之后，可望成为个人用低价、中高速、高解析度一般纸印表机