KR940006346B1 - Laser beam scanning apparatus - Google Patents

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Abstract

The F theta error can be decreased by using a grin lenz having plane faces on both sides and different refractive index by positions. The laser beam scanner includes a light source for generating laser beam, a rotating polyhedral mirror (4) for reflecting with a certain angle laser beam transmitted through a colimator lenz, and a lenz module for scanning a laser beam for the polyhedron mirror on a drum (6). The lenz module is composed of a grin lenz of which refractive index satisfying delta Z = F.theta characteristics.

Description

그린 렌즈를 이용한 레이저 빔 주사장치Laser beam scanning device using green lens

제 1 도는 종래의 주사 광학계를 도시한 사시도.1 is a perspective view showing a conventional scanning optical system.

제 2 도는 종래의 F.θ 렌즈계의 평면도.2 is a plan view of a conventional F.θ lens system.

제 3 도는 본 발명의 주사광학계의 개략도.3 is a schematic diagram of a scanning optical system of the present invention.

제 4 도는 △Z=F.θ의 특성을 갖는 그린 렌즈와 굴절률의 분포를 나타낸 개략도.4 is a schematic diagram showing a distribution of refractive index and a green lens having a characteristic of ΔZ = F.θ.

제 5도는 레이저 빔의 굴절을 도시한 개략도.5 is a schematic diagram showing the refraction of the laser beam.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

1 : 광원 2 : 콜리메이터 렌즈1: light source 2: collimator lens

3 : 모터 4 : 회전다면경3: motor 4: rotating mirror

5 : F.θ 렌즈계 6 : 드럼5: F.θ lens system 6: Drum

7 : 검출기 8 : 그린렌즈(F.θ 렌즈)7 Detector 8 Green Lens (F.θ Lens)

본 발명은 레이저 빔 주사장치의 렌즈계에 관한 것으로, 특히, 양면이 평판이고, 렌즈의 각 위치에 따라 굴절률이 달라서 △Z=F.θ 특성을 만족하는 그린(Grin) 렌즈를 이용하여 조립하기 용이하고 기구적인 F.θ 특성 에러를 줄일수 있도록한 레이저 빔 주사장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a lens system of a laser beam scanning device, and in particular, it is easy to assemble using a green lens having both flat surfaces and different refractive indices according to each position of the lens and satisfying the characteristic of ΔZ = F.θ. The present invention relates to a laser beam scanning device capable of reducing mechanical and F.θ characteristic errors.

종래에 일반적으로 사용되온 레이저 빔 주사장치는 제 1 도에 도시한 바와 같이, 광원(1)에서 방출한 레이저 빔(L)이 콜리메이터 렌즈(2)에서 평행 빔으로 되고, 여기를 통과한 빔은 회전다면경(4)의 회전에 F.θ 렌즈계(5)를 통과하여 L1,L2의 빔으로 드럼(6) 상에 주사된다. 상기의 F.θ 렌즈계(5)는 주사광학계에서 레이저 빔이 적합한 방향으로 그리고 일정한 간격으로 드럼(6)에서 주사할 수 있도록 빔을 조정해주는 역할을 한다(제 2 도 참조).In the laser beam scanning apparatus generally used in the related art, as shown in FIG. 1, the laser beam L emitted from the light source 1 becomes a parallel beam in the collimator lens 2, and the beam passing therethrough is Rotation of the rotating mirror 4 passes through the F.θ lens system 5 and is scanned on the drum 6 with beams of L1 and L2. The F.θ lens system 5 serves to adjust the beam in the scanning optical system so that the laser beam can be scanned from the drum 6 in a suitable direction and at regular intervals (see FIG. 2).

입사 레이저 빔이 회전다면경(4)의 회전에 따라 F.θ 렌즈계(5)를 통과하여 드럼(6)면상에 주사될때 렌즈(5)가 일반적인 광학계인 경우에는 드럼(6)상의 주사위치 △Z=F.tanθ(θ는 주사각)의 식으로 주어지지만, 드럼(6)사에서의 빔 스풋위치는 △Z=F.θ의 관계식을 만족해야 하므로 F.θ 렌즈계가 필요하다. 이 렌즈계는 제 2 도에 도시되어 있는 바와 같이 상이한 3장의 렌즈들로구성되어 있으며, 각각의 렌즈는 서로 다른 곡률을 갖는 두면과, 일정한 굴절률을 갖는다. 이 F.θ 렌즈계(5)의 변수로서 작용하는 것은 각 렌즈의 두께, 곡률반경, 굴절률 및 렌즈사이의 거리이다. 각각의 각 렌즈는 일정한 굴절률을 갖고 있으므로 F.θ 특성에 맞게 레이저 빔을 주사하기 위해서는 곡률이 서로 다른 렌즈가 여러개 필요하고, F.θ 렌즈계는 이 렌즈들의 조합으로 구성된다. 이에 관련하여 F.θ 렌즈계(5)는 상이한 3개의 렌즈로 구성되어 있고, 각 렌즈는 n1,n2,n3의 서로 다른 굴절률을 갖는다.When the incident laser beam is scanned on the drum 6 surface through the F.θ lens system 5 in accordance with the rotation of the rotating mirror mirror 4, when the lens 5 is a general optical system, the dice Δ on the drum 6 Although Z = F. tan θ (θ is the scan angle), the beam output position in the drum 6 must satisfy the relational expression of ΔZ = F. θ, and thus an F. θ lens system is required. This lens system is composed of three different lenses as shown in Fig. 2, each lens having two surfaces having different curvatures and a constant refractive index. Acting as variables of this F.θ lens system 5 are the thickness, curvature radius, refractive index, and distance between the lenses. Since each lens has a constant refractive index, several lenses with different curvatures are required to scan the laser beam according to the F.θ characteristic, and the F.θ lens system is composed of a combination of these lenses. In this regard, the F.θ lens system 5 is composed of three different lenses, each having a different refractive index of n1, n2, n3.

이러한 종래 기술의 주사 광학계의 메커니즘을 제 2 도에 참조하여 설명하면, 회전다면경(4)이 임의의 각 θ로 회전하면 레이저 빔(L1)은 F.θ 렌즈계(5)를 통과하여 드럼(6)면상의 △Z 위치에 주사하게 된다. 여기서, F.θ 렌즈계는 회전다면경(4)의 각 속도와 드럼(6)상의 선속도가 △Z=F.θ 관계를 만족하게 되어 있는 광학계이다. 제 2 도에서, P는 렌즈계의 기준이 되는 면으로서 주요면이라 부르고, F는 유효 촛점거리로서 주요면 P와 광축이 만나는 점(0')과 결상면(드럼)상의 주사 중심위치(0) 사이의 거리이다.The mechanism of the scanning optical system of the prior art will be described with reference to FIG. 2. When the rotating polygon mirror 4 is rotated by an arbitrary angle θ, the laser beam L1 passes through the F.θ lens system 5 and the drum ( 6) Scanning is performed at the ΔZ position on the surface. Here, the F.θ lens system is an optical system in which the angular velocity of the rotating polygon mirror 4 and the linear velocity on the drum 6 satisfy the relationship ΔZ = F.θ. In Fig. 2, P is a reference plane of the lens system, which is called a main plane, and F is an effective focal length, where the main plane P and the optical axis meet (0 ') and an imaging plane (drum) on the imaging plane (drum). Distance between.

회전다면경(4)에서 반사된 레이저 빔이 F.θ 렌즈계(5)를 통과하는 동안 빔의 방향과 빔의 크기는 변하게 된다. 레이저 짐은 굴절률이 서로 다른 경계면에서 경사각으로 입사했을 경우 굴절하게 된다. 제 2 도에 도시된 F.θ 렌즈계(5)에서, 첫번째 렌즈에 입사는 레이저 빔은 굴절률이 공기와 n1으로 서로 다르므로 우선 첫째면에서 굴절하고 첫번째 렌즈를 통과할때도 굴절하게 된다. 마찬가지로 두번째, 세번째 렌즈를 통과할때마다 굴절하여 드럼(6)면상의 △Z 위치에 도달하게 된다. 따라서 이 F.θ 렌즈계(5)의 각 렌즈의 굴절률은 일정하므로 임의의 각(θ)으로 입사한 빔을 특정위치(Z)에 도달할 수 있도록 하기 위해서는 각 렌즈의 곡률을 변화시켜 통과하는 레이저빔을 제어하여야 한다. 또한, 레이저 빔의 방향과 빔 크기를 제어하기 위해서는 곡률이 서로 다른 면들로 구성된 렌즈가 필요할 뿐만 아니라 여러개의 렌즈들로 구성되어 있으므로 주사장치에 렌즈들을 고정시킬때, 큰 오차를 유발할 수 있고 설치에 따른 시간이 많이 필요하다. 또한 렌즈계의 각 면을 통과할대마다 레이저 빔의 손실을 가져오는 문제점이 있었다.While the laser beam reflected by the rotating polygon mirror 4 passes through the F.θ lens system 5, the direction of the beam and the size of the beam are changed. The laser load is refracted when incident at oblique angles at interfaces having different refractive indices. In the F.θ lens system 5 shown in FIG. 2, the incident laser beam is refracted at the first face first because it is different from the refractive index of air and n1, even when passing through the first lens. Similarly, each time it passes through the second and third lenses, it is refracted to reach the ΔZ position on the drum 6 surface. Therefore, since the refractive index of each lens of the F.θ lens system 5 is constant, in order to make the beam incident at an arbitrary angle θ reach a specific position Z, the laser passing through varying the curvature of each lens The beam must be controlled. In addition, in order to control the direction and beam size of the laser beam, not only a lens having different curvatures is required but also a plurality of lenses, which may cause a large error when fixing the lenses to the scanning device. It takes a lot of time to follow. In addition, there is a problem that the loss of the laser beam to pass through each surface of the lens system.

따라서, 본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 종래기술에서 당면하고 있던 문제점을 해소시킬 수 있도록 주사장치에 렌즈를 고정시킬때 오차발생이 거의 없으며 빔이 렌즈계를 통과할 때 손실되지 않게 할 수 있는 레이저 빔 주사장치를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a laser that can hardly cause an error when the lens is fixed to the scanning device so as to solve the problems encountered in the prior art as described above, and to prevent the beam from being lost when passing through the lens system. It is to provide a beam scanning device.

이러한 본 발명의 목적은 광원에서 방출한 레이저 빔을 방출시키는 광원과, 그 광원으로부터의 레이저 빔을 콜리메이터 렌즈를거쳐 받아 소정의 각도로 반사시키는 회전다면경과, 그 회전다면경으로부터의 빔을 받아 드럼에 주시시키는 렌즈계로 구성되는 레이저 빔 주사장치에 있어서, 상기 렌즈계가 양면이 평면이고, △Z=F.θ의 특성관계를 만족하는 굴절률 분포를 갖는 그린 렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 주사장치(여기서, △Z는 드럼상의 주사중심위치로부터 주사된 위치까지의 거리, F는 유효초점거리, θ는 회전다면경의 회전각임)를 제공한다.The object of the present invention is a light source that emits a laser beam emitted from a light source, a rotating polyhedron that reflects the laser beam from the light source through a collimator lens at a predetermined angle, and receives a beam from the rotating polyhedral drum A laser beam scanning device composed of a lens system for focusing on the laser beam scanning apparatus, wherein the lens system comprises a green lens having a planar surface and a green lens having a refractive index distribution satisfying a characteristic relationship of ΔZ = F.θ. Device, where ΔZ is the distance from the scanning center position on the drum to the scanned position, F is the effective focal length, and θ is the angle of rotation of the rotating polyhedron.

이하 첨부딘 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제 3 도에는 본 발명에 따른 레이저 빔 주사장치의 광학계가 되시되어 있는데, 이 광학계는 제 1 도에 관련하여 설명한 바와 같은 광원(1), 콜리메이터 렌즈(2), 그리고 회전다면경(4)을 통해 레이저 빔(L)을 받게 되는데, 이 과정은 제 1 도를 참조하여 설명한 바와 동일하므로, 재차의 구체적인 설명은 생략한다.3 shows an optical system of the laser beam scanning apparatus according to the present invention, which includes a light source 1, a collimator lens 2, and a rotating polyscopy 4 as described in connection with FIG. The laser beam (L) is received through the process, which is the same as described with reference to FIG. 1, and thus, a detailed description thereof will be omitted.

본 발명의 주사 광학계의 렌즈계는 양면이 평면으로 되어 있는 하나의 그린(Grin) 렌즈(8)로 구성되어 있다. 이 렌즈는 렌즈 내부의 굴절률 분포가 일정치 않고, 제 4 도의 특성 곡선(C)으로 표시되는 바와 같은 굴절률을 가지고 있다. 그린 렌즈(8)은 렌즈 내부의 위치에 따라 굴절률을 변화시키기 때문에 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 방향과 크기를 제어할 수 있다.The lens system of the scanning optical system of the present invention is constituted by one green lens 8 whose surfaces are both flat. This lens has a non-uniform refractive index distribution, and has a refractive index as indicated by the characteristic curve C of FIG. Since the green lens 8 changes the refractive index according to the position inside the lens, the green lens 8 can control the direction and size of the laser beam passing through the lens.

제 5 도에는 레이저 범의 굴절특성이 도시되어 있는데, 이에 도시된 바와 같이 서로 다른 굴절률(n,n')을 지닌 경계면에 레이저 빔이 통과하는 경우에는 굴절률(n,n')과 경계면의 곡률에 따라 레이저 빔의 방향과 크기가 변화한다. 여기서, 굴절률 n과 n'가 일정한 경우에는, 경계면을 통과하는 빔은 △d의 값이 변해도 투과 방향과 크기의 변화 정도는 일정하다. 따라서, △d의 크기에 따른 투과 빔의 변화정도를 변화시키기 위해서는 경계면을 곡면으로 처리하거나 △d의 크기에 상응하여 굴절률 n'을 변화시켜야 한다. 본 발명은 이러한 점에 착안하여 △d의 크기에 상응하여 귤절률 n'이 변화될 수 있는 그린 렌즈(8)을 사용하여 렌즈계를 구성하게 한 것이다. 즉, 본 발명에 있어서는 제 4 도에 도시된 바와 같이 렌즈의 중심에서 볼때 주사각도(θ)가 커질수록, 즉 렌즈의 중심으로부터 입사지점까지의 길이(r)가 클수록 굴절률(n)이 곡선적으로 감소하도록 △Z=F.θ의 특성관계를 만족하는 굴절률 특성곡선을 제공할 수 있는 양면이 평판으로 구성된 그린 렌즈를 사용하여 렌즈계를 구성하고 있다. 여기서 △Z는 드럼(6)상의 주사중심위치(0)으로부터 조사된 위치(Z)까지의 거리, F는 유효초점거리, θ는 회전다면경(4)의 회전각이다.5 shows the refractive characteristics of the laser beam. As shown in FIG. 5, when the laser beam passes through the interface having different refractive indices (n, n '), the refractive index (n, n') and the curvature of the interface are shown. Accordingly, the direction and size of the laser beam change. Here, when the refractive indices n and n 'are constant, the degree of change in the transmission direction and the magnitude of the beam passing through the interface is constant even if the value of Δd changes. Therefore, in order to change the degree of change of the transmission beam according to the size of Δd, the boundary surface must be treated as a curved surface or the refractive index n 'must be changed to correspond to the size of Δd. In view of the above, the present invention allows the lens system to be constructed using the green lens 8 in which the regulation rate n 'can be changed in correspondence with the magnitude of Δd. That is, in the present invention, as shown in FIG. 4, as the scanning angle θ becomes larger when viewed from the center of the lens, that is, as the length r from the center of the lens to the incident point becomes larger, the refractive index n becomes curved. The lens system is constructed by using a green lens composed of both flat plates capable of providing a refractive index characteristic curve satisfying the characteristic relationship of ΔZ = F.θ so as to decrease. ΔZ is the distance from the scanning center position 0 on the drum 6 to the irradiated position Z, F is the effective focal length, and θ is the rotation angle of the rotating polygon mirror 4.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 종래의 복잡한 곡률을 갖는 여러장의 렌즈로 구성된 F.θ 렌즈계 대신 굴절률을 변화시켜 레이저 빔을 제어하는 한장의 평면 렌즈계를 사용하는 것이 가능하기 때문에 주사광학계 조립시 광 배열이 용이하고 기구적인 에러도 줄일수 있을 뿐만 아니라 빠른 시간에 조립할 수 있다. 또한, 본 발명의 렌즈계는 한장으로 구성되기 때문에 레이저 빔 손실이 적고, 소형 제품에도 적용 가능하다.As described above, according to the present invention, it is possible to use one planar lens system for controlling the laser beam by varying the refractive index instead of the F.θ lens system composed of several lenses having a complicated curvature. It is easy to align, reduces mechanical errors and can be assembled quickly. In addition, since the lens system of the present invention is composed of one piece, the laser beam loss is small and can be applied to small products.

Claims (1)

레이저 빔을 방출시키는 광원과, 그 광원으로부터의 레이저 빔을 콜레메이터 렌즈를 거쳐 받아 소정의 각도로 반사시키는 회전다면경(4)과, 그 회전다면경(4)으로부터의 빔을 받아 드럼(6)에 주사시키는 렌즈계로 구성되는 레이저 빔 주사장치에 있어서, 상기 렌즈계는 양면이 평면이고, △Z=F.θ의 특성관계를 만족하는 굴절률 분포를 갖는 그린 렌즈(8)로 구성되는 것을 특징으로 하는 그린 렌즈를 이용한 레이저 빔 주사장치.A light source that emits a laser beam, a rotating polygon mirror 4 that receives a laser beam from the light source through a collimator lens and reflects the beam at a predetermined angle, and receives a beam from the rotating mirror mirror 4 and receives a drum 6 A laser beam scanning device comprising a lens system for scanning a lens), wherein the lens system comprises a green lens 8 having a planar surface on both sides and a refractive index distribution satisfying a characteristic relationship of ΔZ = F.θ. Laser beam scanning device using a green lens.
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