KR100698344B1 - 다이렉트 레이저 이미징 시스템 - Google Patents

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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 캄파니
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Abstract

본 발명은 매체 표면에 이미지를 형성하는 일련의 픽셀을 높은 광 파워 밀도를 이용하여 다이렉트 이미징하는 레이저 이미징 시스템을 제공한다. 이 레이저 이미징 시스템은 레이저 광원을 포함하며, 이 레이저 광원은 매체 표면에 이미지를 나타내는 레이저 빔을 방사한다. 레이저 광원과 매체 표면 사이에는 광로가 형성된다. 이 광로를 따라 반사면이 배치되는 스캐너가 마련된다. 매체 표면에서 레이저 빔을 형상화하고 집속하기 위해 광로를 따라 광학 조립체가 배치되며, 이러한 광학 조립체는 스캐너와 매체 표면 사이의 광로를 따라 배치되는 F-theta 렌즈 조립체를 포함한다. F-theta 렌즈 조립체는 구면 렌즈, 비구면 렌즈 및 토릭 렌즈를 포함하며, 매체 표면에서 광 파워 밀도를 증가시킨다.

Description

다이렉트 레이저 이미징 시스템{DIRECT LASER IMAGING SYSTEM}
본 발명은 일반적으로 레이저 이미징 조립체와 이러한 조립체를 포함하는 레이저 이미징 시스템에 관한 것이다. 구체적으로 말하면, 본 발명은 적고 낮은 입력 파워로 고해상도의 레이저 이미지를 얻는 다이렉트 레이저 이미징 시스템에 관한 것으로, 이 시스템은 매체의 표면에서 높은 광 파워 밀도를 제공하는 축소 광학 조립체를 이용하고, x-y 좌표계 내에서 주사를 위해 정확하게 제어될 수 있다.
일반적으로, 레이저 이미징 시스템은 컴퓨터 제어식 스캐너 시스템 또는 마이크로프로세서 기반 스캐너 시스템에 의해 발생된 디지털 이미지 데이터로부터 사진 이미지 또는 전자 사진 이미지를 생성하는 데 이용된다. 디지털 이미지 데이터는 주사되는 이미지를 나타내는 일련의 디지털 이미지 값이다. 이미지 관리 서브 시스템 내에서 이미지 처리 전자 장치는 이미지 데이터 값을 처리하여 일련의 디지털 레이저 구동 값(즉, 노출값)을 발생시키며, 이 구동 값은 레이저 스캐너에 대한 입력이다. 레이저 스캐너는 디지털 레이저 구동 값에 응답하는 것으로서, 감광성 필름 또는 전자 사진 드럼을 가로질러 래스터(raster) 패턴으로 주사하여 이 필름 또는 드럼 표면에 잠상(latent image)을 노출시키기 위한 것이다. 이들 시스템 모두는 유용한 이미지를 얻기 위해 더 개선될 필요가 있다.
광학 주사 조립체는 감광성 필름에 이미지를 균일하게 노출시키는 데 이용된다. 필름 상에 이미지를 균일하게 노출시키기 위해서, 광학 주사 조립체에는 특유의 광학적 구성(즉, 렌즈 및 거울)을 갖는 레이저 시스템이 통합된다. 이동형 감광성 필름 또는 고정 감광성 필름을 가로질러 레이저 빔이 주사되는 경우 레이저 빔을 안내 및 확대하기 위해서, 이러한 레이저 시스템에는 복잡한 다면경(多面鏡) 및 렌즈 구조가 조합된다.
한 가지 알려진 레이저 이미징 시스템으로는 다면경 스캐너가 있다. 다면경 스캐너 구성은, 연속하는 래스터 라인 또는 주사 라인을 이동형 감광성 필름 또는 전자 사진 매체의 시트를 가로질러 반복적으로 노출하는 다면경을 구비한다. 주사 라인은 시트 전체를 가로질러 연장된다. 필름은 연속하는 주사 라인의 노출 이후에 정지 상태로 유지되거나, 일정한 속도로 이동되거나, 또는 단계적으로 더 빠르게 이동될 수 있다. 이러한 주사 시스템은 상당히 크며, 레이저 빔을 필름 표면에서 시트 전체 표면에 걸쳐 집속하고 안내하며 확대하기 위한 광학 조립체를 필요로 한다.
예컨대, 공지의 전자 사진 이미징 시스템은 500 μJ/㎠ 미만의 매우 낮은 레이저 에너지를 필요로 한다. 이로써, 5 내지 30배의 레이저 빔 배율을 갖는 광학 조립체를 사용할 수 있게 된다. 특정 필름 또는 매체의 표면(예컨대, 흑색의 아산화알루미늄)에 이미지를 형성하기 위해서는 상당한 빔 에너지(10 mJ/㎠ 초과)가 필요하다. 이와 같이 많은 에너지를 적당한 시간 범위에서 제공하기 위해서, 빔의 에너지 밀도는 다이렉트 이미지를 형상하도록 50 ㎝/㎾2 이상이어야 한다. 이러한 파워 강도를 갖는 시스템에서는, 빛의 증폭 기술이 필요하다(예컨대, "Diode-Pumped Laser System and Method"로 명명된 미국 특허 제5,822,345호 참조). 배율이 큰 레이저 이미징 시스템은 소형의 레이저 스캐너 시스템 내의 매체 표면에서 큰 빔 에너지를 얻기가 매우 곤란하다.
다중 모드 레이저 다이오드는 일반적으로 스캐너 조립체를 포함하는 레이저 이미징 시스템에 적합하지 않은 것으로 여겨지고 있다. 다중 모드 레이저 다이오드의 오리피스(orifice) 또는 이미터(emitter)의 폭은 넓어서, 스폿의 크기가 바람직하지 못하게 크다. 이러한 다이오드로부터 방사된 다중 파장은 회절 오차를 초래한다.
본 발명은 매체 표면에 이미지를 형성하는 일련의 픽셀을 높은 광 파워를 이용하여 다이렉트 이미징하는 레이저 이미징 시스템을 제공한다. 이 레이저 이미징 시스템은 레이저 광원을 포함하며, 이 레이저 광원은 매체 표면에 주사되는 이미지를 나타내는 레이저 빔을 방사한다. 레이저 광원과 매체 표면 사이에는 광로가 형성된다. 이 광로를 따라 반사면이 배치되는 스캐너가 마련된다. 레이저 빔을 매체 표면에서 형상화하고 집속하기 위해 광로를 따라 광학 조립체가 배치되며, 이러한 광학 조립체는 스캐너와 매체 표면 사이의 광로를 따라 배치되는 F-theta 렌즈 조립체를 포함한다. F-theta 렌즈 조립체는 구면 렌즈, 비구면 렌즈 및 토릭 렌즈(toric lens)를 포함하며, 매체 표면에서의 광 파워 밀도를 증가시킨다.
다른 실시예에서, 본 발명은 매체 표면에 이미지를 형성하는 일련의 픽셀을 높은 광 파워 밀도를 이용하여 다이렉트 이미징하는 이미징 시스템을 제공한다. 이 시스템은 조준 레이저 광원이 마련된 제1 이미징 모듈을 포함하며, 이 레이저 광원은 매체 표면에 주사되는 이미지를 나타내는 다중 모드 레이저 빔을 방사한다. 레이저 광원과 매체 표면 사이에는 광로가 형성된다. 이 광로를 따라 반사면이 배치되는 스캐너가 마련되며, 이 스캐너는 회전 축선을 중심으로 회전하여 주사 라인을 매체 표면에 생성할 수 있다. 조준 레이저 빔을 매체 표면에서 형상화하고 집속하기 위해 광로를 따라 광학 조립체가 배치된다. 이 광학 조립체는 스캐너와 매체 사이의 광로를 따라 배치되는 F-Theta 렌즈 조립체를 포함한다. 이 F-Theta 렌즈 조립체는 구면 렌즈, 비구면 렌즈 및 토릭 렌즈를 포함하며, 매체 표면에서의 파워 밀도를 증가시킨다. 레이저 이미징 시스템의 작동 중에 제1 이미징 모듈을 스캐너의 회전 축선을 따라 제1 방향으로 병진 운동시키기 위해 제1 기구가 마련된다. 한 가지 양태에서는, 스캐너 조립체와 매체 표면 사이에서 스캐너 조립체의 회전 축선에 실질적으로 수직한 방향의 상대 운동을 제공하기 위해 급송 기구가 마련된다. 이 급송 기구의 타이밍은 스캐너 및 병진 기구에 조화(동기화)된다.
첨부 도면은 본 발명의 더 나은 이해를 위해 포함된 것이며, 본 명세서에 포함되어 그 일부분을 구성한다. 도면은 본 발명의 실시예를 예시하며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 본 발명의 다른 실시예 및 본 발명이 의도하는 많은 장점들은 동일한 것으로 쉽게 이해되며, 첨부 도면과 관련하 여 고려되어 있는 이하의 상세한 설명을 참조로 하여 더 잘 이해될 것이다. 상기 도면에 걸쳐서 유사한 도면 부호는 유사한 부품을 지시한다.
도 1은 본 발명에 따른 광학 조립체를 포함하는 레이저 이미징 시스템의 한 가지 예시적인 실시예의 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 이미징 시스템에 이용되는 광학 조립체의 한 가지 예시적인 실시예를 설명하는 "고속 주사"의 도면.
도 3은 도 2에 도시된 광학 조립체의 "저속 주사"의 도면.
도 4는 본 발명에 따른 레이저 이미징 시스템에 있어서 레이저 빔의 광로 방향 형상의 한 가지 예시적인 실시예를 설명하는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 레이저 이미징 시스템에 있어서 레이저 빔의 광로 방향 형상의 한 가지 예시적인 실시예를 설명하는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 레이저 이미징 시스템에 있어서 레이저 빔의 광로 방향 형상의 한 가지 예시적인 실시예를 설명하는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 레이저 이미징 시스템에 있어서 레이저 빔의 광로 방향 형상의 한 가지 예시적인 실시예를 설명하는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 레이저 이미징 시스템에 있어서 레이저 빔의 광로 방향 형상의 한 가지 예시적인 실시예를 설명하는 도면.
도 9는 본 발명에 따른 레이저 이미징 시스템에 있어서 레이저 빔의 광로 방향 형상의 한 가지 예시적인 실시예를 설명하는 도면.
도 10은 본 발명에 따른 레이저 이미징 시스템에 있어서 레이저 빔의 광로 방향 형상의 한 가지 예시적인 실시예를 설명하는 도면.
도 11은 본 발명에 따른 레이저 이미징 시스템의 광학 조립체의 다른 예시적인 실시예를 설명하는 도면.
도 12는 본 발명에 따른 레이저 이미징 시스템의 광학 조립체의 다른 예시적인 실시예를 설명하는 도면.
도 13은 본 발명에 따른 레이저 이미징 시스템의 광학 조립체의 다른 예시적인 실시예를 설명하는 도면.
도 14는 본 발명에 따라 2차원(x-y) 좌표 시스템에서 이용되는 레이저 이미징 시스템의 한 가지 예시적인 실시예를 설명하는 도면.
도 15는 본 발명에 따라 3차원(x, y, z) 좌표 시스템에서 이용되는 레이저 이미징 시스템의 한 가지 예시적인 실시예를 설명하는 도면.
도 16은 본 발명에 따른 다중 모드 레이저 이미징 시스템의 한 가지 예시적인 실시예를 설명하는 도면.
도 17은 본 발명에 따른 다중 모드 레이저 이미징 시스템의 다른 예시적인 실시예를 설명하는 도면.
바람직한 실시예에 대한 이하의 상세한 설명에서는, 본원의 일부분을 형성하는 첨부 도면을 참조로 하며, 이 도면에는 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예가 실례로서 도시되어 있다. 그 밖의 실시예가 이용될 수 있으며, 본 발명의 범위 를 벗어나지 않으면서, 구조적 또는 논리적으로 변형시킬 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 이하의 상세한 설명은 한정적인 의도로 받아들여져는 안되며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서 정의된다.
도 1에서, 본 발명에 따른 레이저 이미징 시스템은 도면 부호 20으로 표시되어 있다. 레이저 이미징 시스템(20)은 매체 표면(22)에 이미지를 형성하는 일련의 픽셀을 높은 광 파워를 이용하여 다이렉트 이미징하기 위한 작동 상태로 도시되어 있다. 레이저 이미징 시스템(20)은 매체 표면(22)에 이미지를 직접 노출시키기 위하여 레이저 빔을 안내하고 집속하여 축소하는 특유한 시스템을 이용한다. 레이저 이미징 시스템(20)은, 이미지를 형성하려면 매체의 표면에서 높은 광 파워 밀도가 필요한 매체와 함께 사용하기에 적합한 소형의 레이저 이미징 조립체를 제공한다.
한 가지 예시적인 실시예에서, 레이저 이미징 시스템(20)은 조준 광원(24), 스캐너(26) 및 광학 조립체(28)를 포함한다. 레이저 광원(24)은 매체 표면(22)에 주사되는 이미지를 나타내는 조준 레이저 빔(30)을 방사한다. 레이저 광원(24)과 매체 표면(22) 사이에는 광로(32)가 형성된다. 스캐너(26)는 이 광로(32)를 따라 배치된 반사면(34)을 포함한다. 광학 조립체(28)는 매체 표면(22)에서 조준 레이저 빔(30)을 형상화하고 집속하기 위해 전체 광로(32)를 따라 배치된다. 광학 조립체(28)는 스캐너(26)와 매체 표면(22) 사이의 광로(32)를 따라 배치되는 F-Theta 렌즈 조립체(36)를 포함한다. 본 명세서에서 상세히 후술되는 한 가지 실시예에서, F-Theta 렌즈 조립체(36)는 구면 렌즈와 토릭 렌즈를 포함한다. F-Theta 렌즈 조립체(36)는 매체 표면에서의 광 파워 밀도를 증가시킨다. 광학 조립체(28)는 매체 표면(22)에서 레이저 빔(30)을 형상화하고 집속하기 위하여 하나 이상의 방향에서 1배 이하의 배율을 갖는다. F-Theta 렌즈 조립체는 하나 이상의 방향에서 1 미만의 배율을 갖는 축소 렌즈 조립체인 것이 바람직하다.
한 가지 실시예에서, 레이저 이미징 시스템(20)은 대형 인화 또는 이미징 시스템의 일부분으로서 이용된다. 이미징 시스템(20)은 스캐너 모터(38)(M1)를 더 포함하여, 레이저 이미징 시스템(20)의 작동 중에 스캐너(26)를 회전 축선(40)에 대하여 방향 화살표(42)로 지시된 방향으로 회전시킨다. 병진 기구(44)가 레이저 이미징 시스템(20)을 병진 운동시킨다. 병진 기구(44)는 모터(M2)를 포함할 수도 있다. 구체적으로 말하면, 레이저 이미징 시스템(20)의 작동 중에, 주사 라인(46)은 "고속 주사" 방향으로 지칭되는 매체(22)를 가로지르는 방향으로 주사된다. 이와 동시에, 병진 기구(44)는 레이저 이미징 시스템(20)을 매체 표면을 가로지르는 방향으로, 즉 "저속 주사" 방향으로 지칭되는 주사 라인(46)에 실질적으로 수직한 방향(48)으로[회전 축선(40)에 대해(따라) 실질적으로 평행] 이동시키도록 작동한다.
제어기(50)는 이미징 시스템(20)의 이미징 과정을 제어하도록 작동된다. 제어기(50)는 마이크로프로세서 기반 제어 시스템, 또는 일련의 논리 연산을 수행하고 이미징 시스템(20)의 구성 요소와 상호 작용하기에 적합한 그 밖의 제어 시스템인 것이 바람직하다. 제어기(50)는 디지털 데이터 공급원(54)으로부터 디지털 이미지 데이터(52), 예컨대 컴퓨터 제어식 또는 마이크로프로세서 기반 스캐너 시스템에서 발생되는 디지털 이미지 데이터를 받는다. 이 디지털 이미지 데이터는 매체 표면(22)에 다이렉트 이미징되는 이미지를 나타내는 일련의 디지털 이미지 값이다. 제어기(50)는 디지털 이미지 데이터(52)를 조준 광원(24)에 제공한다. 구체적으로 말하면, 제어기(50)는 조준 광원(24)에 제공되는 디지털 이미지 데이터(52)를, 스캐너 모터(38)를 통한 스캐너(26)의 회전 및 병진 기구(44)를 통한 레이저 이미징 시스템(20)의 병진 운동을 비롯한 레이저 이미징 시스템(20)의 동작과 동기화시키도록 작동한다.
한 가지 예시적인 실시예에서, 조준 광원(24)은 입력 파워가 비교적 낮은 다중 모드 레이저 다이오드, 마이크로렌즈 및 조준 렌즈를 포함한다. 한 가지 실시예에서, 다중 모드 레이저 다이오드는 하나의 이미터 공동(emitter cavity)을 구비하는 반도체 레이저 다이오드이다. 다중 모드 레이저 다이오드는 200 mW 내지 4 W의 파워를 갖는다. 한 가지 실시예에서, 다중 모드 레이저 다이오드로부터 방사된 레이저 빔은 1 미크론 × 50 미크론 내지 1 미크론 × 500 미크론이다. 따라서, 매체 표면에서 바람직한 파워 밀도를 얻기 위해서, 레이저 빔은 광학 조립체(28)를 통해 하나의 방향에서는(즉, 저속 주사 방향) 적어도 약 40 내지 60 미크론까지 축소되며, 다른 방향에서는(즉, 고속 주사 방향) 빛이 최대 20 미크론까지 확대될 수 있다. 레이저 빔이 다중 모드 레이저 다이오드로부터 방사되는 위치에서, 레이저 빔은 발산한다. 따라서, 마이크로렌즈는 다중 모드 레이저 다이오드의 단부에 배치되어, 광선의 발산성을 감소시킨다. 한 가지 적합한 마이크로렌즈는 미국 캘리포니아 산호세 소재의 Blue Sky로부터 구할 수 있다. 한 가지 적합한 레이저 다이오드로는 캘리포니아 산호세 소재의 SDL에서 구입 가능한 다중 모드 레이저 다이오드가 있다.
별법으로서, 광원(24)은 조준 광원 대신에 섬유 결합 광원일 수 있다. 예컨대, 레이저 광원은 60 내지 104 미크론의 섬유 결합 다이오드를 포함할 수 있다. 당업자라면 본 명세서를 읽은 후에 그 밖의 적합한 광원을 쉽게 알 수 있을 것이다.
한 가지 바람직한 실시예에서, 스캐너(26)는 다면(경) 스캐너이다. 도시된 예시적인 실시예에서, 다면경 스캐너는 레이저 빔(30)을 매체 표면(22)을 가로지르는 방향으로 안내하여 주사 라인(46)을 형성하기 위한 8개의 반사면 또는 표면을 구비한다. 따라서, 스캐너(26)가 1회 회전하면, 8개의 주사 라인이 매체 표면(22)을 가로지르는 방향으로 주사되는데, 여기서 하나의 주사 라인은 다면경 스캐너의 각 표면으로부터 주사되는 것이다. 별법으로서, 매체 표면을 가로지르는 방향으로 레이저 빔(30)을 안내/재안내하여 주사 라인(46)을 형성하는 데 다른 거울 시스템을 이용할 수도 있다. 한 가지 변형예에서, 스캐너(26)는 갈바노미터 스캐너이며, 이 스캐너는 완전히 회전하기보다는 반사면을 후방 및 전방으로 이동 또는 진동시켜 주사 간격을 감소시킨다. 갈바노미터 스캐너의 타이밍 작동은, 당업자에게 알려진 바와 같이 주사 시간 중에 긴 선형화 부분을 갖고 귀선(歸線) 시간이 짧은 톱니 모양의 파형을 특징으로 하기 때문에, 다음 주사를 위해 거울을 신속히 재배치할 수 있게 된다. 다른 실시예에서, 스캐너(26)는 조화 공명 스캐너(harmonic resonant scanner)이다. 정현 진동을 제공하는 공명 주파수에서 또는 그 부근에서 반사면이 크게 진동하는 것이 유지된다. 또 다른 실시예에서, 스캐너(26)는 홀로그래픽 디스크 스캐너(holographic disc scanner)이다. 당업자라면 본 명세서를 읽은 후에 그 밖의 적절한 광 재안내 조립체를 쉽게 알 것이다.
F-Theta 렌즈 조립체(36)는 매체 표면(22)에서 레이저 빔(30)을 형상화하고 집속하여 축소하도록 작동한다. 구체적으로 말하면, 저속 주사 방향에서 레이저 빔(30)을 축소하면, 매체 표면(22)에 고에너지의 레이저 빔이 제공된다. F-Theta 렌즈 조립체(36)[또는 플랫필드 렌즈(flat field lens)]는 1미만의 배율을 갖는 축소 렌즈 조립체인 것이 바람직하다. F-Theta 렌즈 조립체(36)와 전체 광학 조립체(28)는 6미만의 배율을 가져서, 매체 표면(22)에서 50 kW/㎠를 초과하는 파워 밀도를 제공하는 것이 더 바람직하며, 매체 표면(22)에서 100 내지 600 kW/㎠의 파워 밀도를 제공하는 것이 더욱 바람직하다. 따라서, 조준 레이저 광원(24)의 입력 파워는 비교적 낮지만, 매체 표면(22)에서의 축소된 집속 빔의 광 밀도는 특정 매체 타입이 요구하는 만큼 높다. 이와 같은 레이저 이미징 시스템(20)에서의 축소는, 비교적 길이가 짧고 파워 밀도가 높은 주사 라인(46)을 초래한다. 한 가지 예시적인 실시예에서, 주사 라인(46)의 길이는 1인치 미만이다. 다른 예시적인 실시예에서, 주사 라인(46)의 길이는 1/2인치이다. 따라서, 본 발명에 따른 레이저 이미징 시스템(20)은 높은 광 파워 밀도의 광원을 필요로 하는 매체와 함께 사용하기에 적합하다. 한 가지 양태에서, 매체 표면(22)은 이미지를 매체 표면에 다이렉트 이미징하는 데 비교적 높은 광 파워 밀도를 필요로 한다. 한 가지 양태에서, 매체(22)는 충분한 파워 밀도로 레이저 빔에 노출됨으로써 이미지가 형성될 수 있는 금속/금속 산화물의 이미징 층을 포함한다(예컨대, 흑색의 알루미늄 산화물을 기초로 하는 매체). 적합한 이미징 매체가, 1998년 6월 16일에 "Process of Imaging Black Metal Thermally Imageable Transparency Elements"란 제목으로 Bills 등에 허여된 미국 특허 제5,766,827호와, 1997년 5월 19일에 "Method of Imaging an Article"이란 제목으로 Fitzer 등에 허여된 미국 출원 제09/314,554호에 개시되어 있으며, 이들 특허는 모두 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M사에 양도되었고 본원에 참조로 인용되어 있다. 당업자라면 본 명세서를 읽은 후에 본 발명에 따른 다이렉트 레이저 이미징 시스템과 함께 사용하기에 적합한 그 밖의 매체를 쉽게 알 것이다.
한 가지 예시적인 실시예에서, 레이저 이미징 시스템(20)은 라벨 제조 시스템의 일부분으로서 이용된다. 한 가지 양태에서, 라벨 제조 시스템은 금속 산화물을 기초로 하는 매체 상에 라벨 정보를 다이렉트 이미징한다. 한 가지 실시예에서, 라벨 제조 시스템은 제조, 포장 및 적송 과정의 일부분으로 이용된다.
도 2는 본 발명에 따른 광학 조립체(28)를 포함하는 레이저 이미징 시스템(20)의 한 가지 예시적인 실시예의 "고속 주사"를 보여주는 도면이며, 이 시스템은 도 1을 참조하여 예시 및 기술된 레이저 이미징 시스템(20)과 유사한 것일 수 있다. 이미징 시스템(20)은 광학 조립체(28) 이외에도 스캐너(26), 광 재안내 기구(76) 및 광원(24) 등의 기계 구성 요소를 포함한다. 도 3은 도 2에 도시된 이미징 시스템의 "저속 주사"를 보여주는 도면이다.
도시된 예시적인 실시예에서, 광학 조립체(28)는 F-Theta 렌즈 조립체(36)를 포함하고, 또한 광섬유 비구면-평면 렌즈 또는 마이크로렌즈(70), 조준 렌즈(72) 및 원통 렌즈(74)를 더 포함한다. 도면 부호 76으로 지시된 광 재안내 기구가 사 용된다. 조준 광원(24)과 매체 표면(22) 사이에는 광로(32)가 형성된다. 조준 광원(24)은 다중 모드 레이저 다이오드(78)를 포함한다. 마이크로렌즈(70)는 빛이 레이저 다이오드(78)로부터 방사되는 위치에 배치된다. 마이크로렌즈(70)는 광섬유 비구면-평면 렌즈로서, 레이저 빔(30)이 레이저 다이오드(78)로부터 방사되는 경우(즉, 나오는 경우), 레이저 빔의 발산을 감소시킨다. 조준 렌즈(72)는 레이저 다이오드(78)와 스캐너(26) 사이의 광로를 따라 배치된다. 조준 렌즈(72)는 발산 레이저 빔(30)이 조준 렌즈(72)를 통과하는 경우 발산 레이저 빔이 조준되도록 작동하여, 그 결과 조준(또는 평행) 레이저 빔(30)이 형성된다.
원통 렌즈(74)는 조준 렌즈(72)와 스캐너(26) 사이에 배치된다. 한 가지 바람직한 실시예에서, 원통 렌즈(74)는 평-볼록 렌즈이다. 원통 렌즈(74)의 초점은 반사면(34)에 있다. 원통 렌즈(74)는 "고속 축선" 방향에서 레이저 빔(30)의 형상을 변화시키지 않도록 배향된다. 원통 렌즈(74)는 "저속 축선" 방향에서(도 3 참조) 레이저 빔(30)을 스캐너(26)의 반사면(34)에 집속시키도록 작동한다. 따라서, 반사면(34)에서 레이저 빔(30)의 형상은 타원형이다.
한 가지 양태에서, 원통 렌즈(74)의 위치는 광로(32)를 따라 변화되어[예컨대, 조준 렌즈(72)에 대한 위치] 광로를 따라 초점을 변화시킬 수 있다. 따라서, 원통 렌즈(74)는 레이저 빔을 매체 표면에 집속시키도록 이동될 수 있다. 다른 양태에서, 원통 렌즈 조립체는 광로(32)를 따라 초점이 변화될 수 있게 하는 다요소 시스템의 일부분이다. 또한, 원통 렌즈(74)와 함께 자동 초점 시스템의 일부분으로서 사용하기 위해 피드백 시스템이 제공될 수도 있다.
광 재배향 기구(76)는 원통 렌즈(74)와 스캐너(26) 사이의 광로(32)를 따라 배치된다. 광 재배향 기구(76)는 스캐너(26)의 반사면(34)에서 레이저 빔(30)을 재배향하도록 제공되어[레이저 빔이 매체(22)까지 연장되지 않도록], 레이저 이미징 시스템(20)을 소형 설계의 구조로 할 수 있게 된다. 한 가지 바람직한 실시예에서, 광 재배향 기구(76)는 직각 프리즘이다. 제1 표면(90)과 제2 표면(92)에는 반사 방지 코팅이 마련되어, 레이저 빔(30)이 직각 프리즘을 통과할 경우 레이저 빔이 내부 전반사할 수 있게 된다. 따라서, 직각 프리즘은 레이저 빔(30)을 굴절시켜, 스캐너(26)의 반사면(34) 방향으로 재배향시킨다. 별법으로서, 광 재배향 기구(76)는 거울 조립체이다.
한 가지 바람직한 실시예에서, 스캐너(26)는 다면경 스캐너이다. 스캐너(26)가 회전할 경우, 레이저 빔(30)은 F-Theta 렌즈 조립체(36)를 가로지르는 방향으로 주사되며, 그 결과 매체 표면(22)에 주사 라인(46)이 형성된다[위치(94, 96, 98)에 도시]. F-Theta 렌즈(36)는, 레이저 빔(30)이 주사 라인(46)을 따라 각 위치[예컨대, 위치(94, 96, 98)]에서 매체 표면(22)에 대해 수직(즉, 직각)하도록, +/- 7°범위 내에 있는 텔레센트릭 렌즈(telecentric lens)이다.
한 가지 실시예에서, F-Theta 렌즈 조립체(36)는 3개의 개별적인 렌즈로 구성된다. F-Theta 렌즈 조립체(36)는 제1 구면 렌즈(100), 제2 구면 렌즈(102) 및 비구면-토릭 렌즈(104)를 포함한다. 제1 구면 렌즈(100)와 제2 구면 렌즈(102)는 하이-인덱스(high-index) 유리 구면 렌즈이다. 비구면-토릭 렌즈(104)는 플라스틱 또는 폴리머 렌즈이다. 한 가지 실시예에서, 제1 구면 렌즈(100)는 평-볼록 렌즈이며, 제2 구면 렌즈(102)는 양면 볼록 렌즈이다. 제1 구면 렌즈(100)와 제2 구면 렌즈(102)는 필드 플래트닝 렌즈(field flattening lens)로서 작동하여, 레이저 빔(30)을 매체 표면(22)에 대해 실질적으로 수직(즉, 직각)하게 안내한다. 또한, 제1 구면 렌즈(100)와 제2 구면 렌즈(102)는 레이저 빔(30) 축소의 일부를 제공한다. 비구면-토릭 렌즈(104)는 레이저 빔(30) 축소의 대부분을 제공하며, 레이저 빔(30)을 매체 표면(22)에서 바람직한 방식으로 집속하고 형상화한다.
도 3은 도 2에 도시된 광학 조립체(28)을 저속 축선에서 본 것을 설명하는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 저속 축선 방향에서 원통 렌즈(74)는 스캐너(26)의 반사면(34)에서 초점을 갖는다. 따라서, 원통 렌즈(74)는 레이저 빔(30)을 저속 주사 방향으로 반사면(34)에 집속시키도록 작동한다. 레이저 빔(30)은 반사면(34)을 나오면, F-Theta 렌즈(36)에 도달할 때까지 발산한다.
도 4 내지 도 10은 레이저 빔(30)이 광학 조립체(28)를 통과하는 경우, 광로 방향의 여러 표면에 있어서 레이저 빔의 형상을 설명하는 도면이다. 역시, 도 1 및 도 3을 참조한다. 참조를 의도로, 고속 축선은 FS로 표시하며, 저속 축선은 SS로 표시한다.
도 4에서, 조준 렌즈(72)를 나오는 조준 레이저 빔(30)은 실질적으로 조준되거나 평행한 것으로, 거의 원형으로 나타난다. 도 5에서, 광 재배향 기구(76)를 나오는 레이저 빔은 실질적으로 타원형이다. 레이저 빔(30)은 토릭 렌즈(74)를 통과하므로, 반사면(34)에서 저속 축선 방향을 따라 집속된다. 따라서, 레이저 빔(30)은 하나의 방향으로 발산하기 시작하여, 고속 축선 방향이 더 길고 저속 축선 방향이 더 짧아진다.
도 6은 스캐너(26)의 반사면(34)에 있어서 레이저 빔의 형상을 예시한다. 레이저 빔(30)은 선 형상으로 나타난다. 레이저 빔(30)은 반사면(34)에서 저속 주사 축선 방향으로 집속되지만, 고속 주사 축선 방향으로 길이가 유지된다.
도 7 내지 도 10은 레이저 빔(30)이 F-Theta 렌즈, 제1 구면 렌즈(100), 제2 구면 렌즈(102) 및 비구면-토릭 렌즈(104)를 통과할 때, 레이저 빔의 형상화와 집속을 예시한다. 도 7은 제1 구면 렌즈(100)의 제1 표면에 있어서 레이저 빔의 형상을 예시한다. 레이저 빔(30)은 반사면(34)을 나오면, 저속 주사 축선 방향으로 발산하기 시작하여, 실질적으로 계란형 또는 타원형으로 나타난다. 도 8은 비구면-토릭 렌즈(104)의 비구면 표면에 있어서 레이저 빔의 형상을 예시한다. 레이저 빔(30)은 다시 저속 주사 축선 방향으로 계속 발산하여, 레이저 빔은 타원 형상을 갖게 된다. 도 9는 비구면-토릭 렌즈(104)의 원주형 표면에 있어서 레이저 빔의 형상을 예시한다. 레이저 빔(30)은 모서리가 둥근 정사각형 형상을 갖고, 형상화되며 축소되고 집속된다. 도 10은 토릭 렌즈의 출구측에 있어서 레이저 빔의 형상을 예시한다. 레이저 빔(30)은 매체 표면(22)에서 대체적으로 타원 형상을 갖고, 축소되며 집속된다.
도 11은 본 발명에 따른 레이저 이미징 시스템의 다른 예시적인 실시예를 설명하는 도면이다. 레이저 이미징 시스템(20)에 대해 추가의 레이저 파워를 제공하여, 매체 표면(22)에서 주사 속도가 더 빨라지고 파워 밀도가 더 커질 수 있게 되는 것이 바람직하다. 따라서, 복수 개의 레이저원을 이용한다. 예시적인 실시예에 도시된 제1 레이저원(110)과 제2 레이저원(112)은 중첩되어, 레이저 이미징 시스템(20)에 대해 레이저 빔 파워를 제공한다. 제1 레이저원(110)과 제2 레이저원(112)은 레이저빔이 합쳐지기 전에 개별적으로 조준된다. 구체적으로 말하면, 제1 레이저원(110)의 레이저 빔은 제1 조준 렌즈(114)를 통해 이동하고, 제2 레이저원(112)의 레이저 빔은 제2 조준 렌즈(116)를 통해 이동한다. 제1 레이저원(110)의 레이저 빔과 제2 레이저원(112)의 레이저 빔은 입방형 편광 프리즘(118)에서 합쳐진다. 그러나, 제1 레이저원(110)의 레이저 빔은 입방형 편광 프리즘을 일직선으로 통과하므로, 이 레이저 빔이 편광 프리즘에 들어가기 전에 편광 평면을 90°회전시켜야 하며, 이러한 회전은 반파장 지연기(120)의 사용을 통해 수행된다. 별법으로서, 도 12에 도시된 바와 같이, 합쳐진 레이저 빔을 조준하기 위하여, 광로를 따라 반파장 지연기(120)의 하류에 단일 조준기(122)를 배치할 수도 있다.
도 13은 본 발명에 따른 다른 예시적인 실시예를 설명하는 도면이다. 레이저 이미징 시스템(20A)은 광학 효율을 향상시키기 위해 상이한 파장을 갖는 2개의 레이저와 색선별 거울(dichroic mirror)을 사용하는 것을 포함한다. 이 시스템은 색선별 거울(119), 제1 레이저 광원(110A) 및 제2 레이저 광원(112A)을 포함한다. 색선별 거울(119)은 하나의 빛의 파장만을 통과시키며 다른 빛의 파장은 반사시킨다. 한 가지 실시예에서, 상이한 파장을 갖는 2개의 레이저 광원이 마련된 레이저 광 시스템의 경우, 색선별 거울(119)은 긴 파장을 갖는 레이저 광을 통과시키며, 짧은 파장의 레이저 광을 반사시킨다. 한 가지 예시적인 실시예에서, 광원(110)은 975 nm의 광원이며, 광원(112)은 808 nm의 광원이다. 작동시 808 nm의 광원(112)은 거울(119)로부터 광로를 향해 반사된다. 975 nm의 광원(110)은 거울(119)을 통과하여, 역시 광로를 향해 투과된다. 광원(110)의 파장은 광원(112)의 파장에 비교적 근접한 것이 바람직하다. 색선별 거울(119)을 이용하는 광학 조립체(28)는 2개의 레이저 광원을 합치는 것에 있어서 파워의 손실을 감소시킨다.
도 14는 2차원 또는 x-y 평면에 다이렉트 이미징하는 데 이용되는 레이저 이미징 시스템(20)의 한 가지 예시적인 실시예를 설명하는 도면이다. 본 발명에 따른 레이저 이미징 시스템(20)이 도시되어 있다. 레이저 이미징 시스템(20)은 x-y 플로터 또는 잉크젯 프린터와 유사한 프린터 또는 이미징 시스템에 이용될 수 있다. 도시된 한 가지 예시적인 실시예에서, 이미징 시스템(100)은 제1 제어 캐리지(102)와 제2 제어 캐리지(104)를 포함한다. 이미징 소재 또는 매체는 22에 배치된다. 이미징 시스템(100)은 레이저 이미징 영역(106)의 범위 내에 이미징하도록 프로그램될 수 있다. 한 가지 실시예에서, 제어 캐리지(102)는 레이저 이미징 시스템(20)을 제1 방향(108)으로 병진 운동시킨다. 제1 방향(108)은 x축 방향으로 도시되어 있다. 제어 캐리지(104)는 레이저 이미징 시스템(20)을 제2 차원 또는 방향(110)으로 이동시킨다. 제2 방향(110)은 y축 방향으로 도시되어 있다. 따라서, 레이저 이미징 시스템(20)은 레이저 이미징 영역(106)의 범위 내에서 희망 영역(112)을 정확하게 이미징하기 위해 제어기(50)를 통해 정확하게 제어될 수 있다.
도 15는 본 발명에 따른 레이저 이미징 시스템의 다른 예시적인 실시예로서, 제3 차원 또는 방향으로 이미징하는 시스템을 예시힌다. 도시된 바와 같이, 레이저 이미징 시스템(20)은 이미징 중에 제3 방향 또는 "z" 방향으로 더 이동될 수 있다. 따라서, 레이저 이미징 시스템(20)은 매체를 3차원 평면 내에 이미징하는 데 이용될 수 있다. 작동시, 3차원 표면(22a)이 우선 주사되고, 주사된 좌표는 제어기(50) 내에 저장된다. 응답시, 제어기(50)는 이미징 시스템(20)을 제1, x방향; 제2, y방향; 제3, z방향으로 이동시키도록 작동하여, 매체 표면(22a)의 3차원 이미지를 보상한다.
도 16에는 본 발명에 따른 레이저 이미징 시스템의 다른 예시적인 실시예가 예시되어 있다. 레이저 이미징 시스템(120)은 레이저 이미징 시스템(20)의 그룹 또는 어레이, 즉 레이저 이미징 시스템(20a, 20b, 20c, 20d)으로 표시된 것을 포함한다. 레이저 이미징 시스템의 어레이(122)는 2개 이상의 레이저 이미징 시스템을 함께 사용하여 매체 이미징 영역의 일부분 또는 전부를 동시에 다이렉트 이미징할 수 있게 한다. 도시된 예시적인 실시예에서, 각 이미징 시스템(20a, 20b, 20c, 20d)은 도면 부호(124a, 124b, 124c, 124d)로 표시되는 ½인치의 주사 라인을 이미징한다. 따라서, 이미징 시스템(120)을 작동시키면, 방향 화살표(126)로 표시되는 이미징 소재를 가로지르는 방향으로 2 인치의 컬럼을 동시에 주사할 수 있게 된다. 도 17에 도시된 바와 같이, 2개의 레이저 이미징 어레이를 합쳐서, 제1 어레이(122a)와 제2 어레이(122b)로 표시되는 2 × 4의 레이저 이미징 시스템 또는 모듈 어레이를 형성할 수 있다. 2 × 4의 레이저 이미징 모듈 어레이를 이용하면, 매체를 다이렉트 이미징하는 속도가 증가한다(즉, 2배).
전술한 설명에 본 발명의 많은 특징과 장점이 기술되어 있다. 물론, 본 명세서는 많은 면에서 단지 예시적인 것으로 이해될 것이다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 세부 사항, 구체적으로 말하면 형상, 크기 및 부품의 배열에 대해 변화를 줄 수 있다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구 범위의 표현으로 정의된다.

Claims (26)

  1. 높은 광 파워 밀도를 이용하여 매체 표면에 이미지를 다이렉트 이미징하는 레이저 이미징 시스템으로서,
    매체 표면에 이미지를 나타내는 레이저 빔을 방사하는 레이저 광원과;
    이 레이저 광원과 매체 표면 사이에 형성되는 광로와;
    이 광로를 따라 배치되는 반사면을 구비하는 스캐너와;
    매체 표면에서 레이저 빔을 형상화하고 집속하기 위해 광로를 따라 배치되며, 스캐너와 매체 표면 사이의 광로를 따라 배치되는 F-Theta 렌즈 조립체를 포함하고, 이 F-Theta 렌즈 조립체는 구면 렌즈, 비구면 렌즈 및 토릭 렌즈(toric lens)를 구비하여 매체 표면에서의 광 파워 밀도를 증가시키는 것인 광학 조립체
    를 포함하는 레이저 이미징 시스템.
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  15. 매체 표면에 이미지를 형성하는 일련의 픽셀을 높은 광 파워 밀도를 이용하여 다이렉트 이미징하는 이미징 시스템으로서,
    매체 표면에 이미지를 나타내는 다중 모드 레이저 빔을 방사하는 조준
    레이저 광원과,
    이 레이저 광원과 매체 표면 사이에 형성되는 광로와,
    이 광로를 따라 배치되는 반사면을 구비하며, 회전 축선을 중심으로
    회전되어 매체 표면에 주사 라인을 형성할 수 있는 스캐너와,
    매체 표면에서 조준 레이저 빔을 형상화하고 집속하기 위해 광로를
    따라 배치되며, 스캐너와 매체 표면 사이의 광로를 따라 배치되는 F-Theta
    렌즈 조립체를 포함하고, 이 F-Theta 렌즈 조립체는 구면 렌즈, 비구면 렌즈
    및 토릭 렌즈를 구비하여 매체 표면에서의 광 파워 밀도를 증가시키는 것인
    광학 조립체
    로 구성되는 제1 이미징 모듈과;
    이미징 시스템의 작동 중에 상기 제1 이미징 모듈을 스캐너의 회전 축선을 따라 제1 방향으로 병진 운동시키는 제1 기구
    를 포함하는 이미징 시스템.
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  24. 높은 광 파워 밀도를 이용하여 매체 표면에 이미지를 다이렉트 이미징하는 레이저 이미징 시스템으로서,
    매체 표면에 이미지를 나타내며 제1 파장을 갖는 제1 다중 모드 레이저 빔을 방사하는 제1 조준 레이저 광원과;
    매체 표면에 이미지를 나타내며 제2 파장을 갖는 제2 다중 모드 레이저 빔을 방사하는 제2 조준 레이저 광원과;
    제1 레이저 광원, 제2 레이저 광원 및 매체 표면 사이에 형성되는 광로와;
    제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔을 합쳐서 조준 레이저 빔을 형성하기 위해, 상기 광로를 따라 배치되는 합성 기구와;
    상기 광로를 따라 배치되는 반사면을 구비하는 스캐너와;
    매체 표면에서 조준 레이저 빔을 형상화하고 집속하기 위해 광로를 따라 배치되며, 스캐너와 매체 표면 사이의 광로를 따라 배치되는 F-Theta 렌즈 조립체를 포함하고, 이 F-Theta 렌즈 조립체는 구면 렌즈, 비구면 렌즈 및 토릭 렌즈를 구비하여 매체 표면에서의 광 파워 밀도를 증가시키는 것인 광학 조립체
    를 포함하는 레이저 이미징 시스템.
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