KR100797717B1 - 빔주사 타이밍 및 빔량의 조절 방법 및 그를 이용한 주사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고가의 에프 쎄타 렌즈를 사용하지 않고 회절빔의 주사 타이밍을 자동으로 조절하여 피스캐닝 객체 상에 주사되는 빔 스팟의 간격을 일정하게 유지시킴으로써, 제조 비용을 절감할 수 있는 빔주사 타이밍의 조절 방법 및 그를 이용한 주사 장치를 제공한다.

빔량, 타이밍, 조절, 렌즈, 주사

Description

빔주사 타이밍 및 빔량의 조절 방법 및 그를 이용한 주사 장치{Method for contolling beam scanning timing and beam energy, and scanning apparatus using the same}

도 1은 종래의 광빔 스캐닝 장치의 구성도.

도 2a 및 도 2b는 종래의 광빔 스캐닝 장치에 의해 주사된 빔 스팟의 배열 상태를 나타내는 전면도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 빔주사 타이밍 및 빔량의 조절 방법을 이용한 주사 장치의 구성도.

도 4는 본 발명에 따른 주사 장치에 구비되는 주사주기 및 빔량 결정부의 계산 과정을 설명하기 위한 예시도.

도 5는 본 발명에 따른 주사 장치에서의 빔주사 타이밍의 계산 과정을 나타내는 흐름도.

도 6은 본 발명에 따른 주사 장치에 적용되는 다중빔 광변조기의 각 픽셀의 구동 주기를 나타내는 예시도.

도 7은 본 발명에 따른 주사 장치에서의 빔량의 계산 과정을 나타내는 흐름도.

도 8은 본 발명에 따른 주사 장치에 적용되는 다중빔 광변조기의 각 픽셀의 회절량을 나타내는 예시도.

도 9는 본 발명에 따른 주사 장치에 의해 주사되는 빔에너지의 분포도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

200: 주사 장치 210: 광원

220: 평형광 렌즈 230: 다중빔 광변조기

240: 회전 미러 250: 렌즈

260: 포커싱 렌즈 270: 주사주기 및 빔량 결정부

280: 제어부 290: 수평동기 신호센서

본 발명은 빔주사 타이밍 및 빔량의 조절 방법 및 그를 이용한 주사 장치에 관한 것으로서, 특히 프린터의 드럼이나 프로젝션 텔레비젼의 모니터 등에 빔을 주사할 때 회절빔의 주사 타이밍 및 빔량을 자동으로 조절할 수 있는 방법 및 그를 이용한 주사 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 광신호처리는 많은 데이타 양과 실시간 처리가 불가능한 기존의 디지탈 정보처리와는 달리 고속성과 병렬처리 능력, 대용량의 정보처리의 장점을 지니고 있으며, 공간 광변조이론을 이용하여 이진위상 필터 설계 및 제작, 광논리게이트, 광증폭기 등과 영상처리 기법, 광소자, 광변조기 등의 연구가 진행되고 있다. 이중 광변조기는 광메모리, 광디스플레이, 프린터, 광인터커넥션, 그리고 홀로그램 등의 분야에 사용되며, 이를 이용한 광빔 스캐닝 장치의 연구 개발이 진행되어 오고 있다.

이러한 광빔 스캐닝 장치는 화상 형성장치 예를 들면, 레이저 프린터, LED 프린터, 전자 사진 복사기 및 워드 프로세서 등에서 광빔을 스캐닝하여 광빔을 감광매체에 스폿(spot)시켜 화상 이미지를 결상시키는 역할을 한다.

최근에는 프로젝션(Projection) 텔레비젼 등이 개발됨에 따라 영상 디스플레이에 빔을 주사하는 수단으로서 광빔 스캐닝 장치가 이용되고 있다.

이러한 광빔 스캐닝 장치에 반드시 광변조기가 채용되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 1에 도시된 종래의 광빔 스캐닝 장치는 광변조기를 구비하고 있지 않다. 이에 대한 보다 상세한 구성은 다음과 같다.

도 1을 참조하면, 종래의 광빔 스캐닝 장치(100)는, 광원(110), 제어부(120), 렌즈(130), 회전 미러(140), 에프 쎄타(F-theta) 렌즈(150), 포커싱 렌즈(160), 그리고 수평동기 신호센서(170)로 구성된다.

광원(110)은 레이저빔을 발생하는 레이저나 레이저 다이오드로 구현될 수 있으며, 이러한 광원(110)은 제어부(120)의 구동 제어에 따라 온/오프(ON/OFF)되어 레이저 빔을 발생한다.

제어부(120)는 수평동기 신호센서(170)로부터 입력되는 빔 주사에 대한 타이밍값을 입력받아 광원(110)의 온/오프 및 회전 미러(140)의 구동을 제어한다.

렌즈(130)는 광원(110)으로부터 발생되는 레이저빔을 회전 미러(140)의 회전축 방향으로 집속시킨다.

회전 미러(140)는 제어부(120)의 구동 제어에 따라 온/오프되며, 구동시 미리 설정된 회전 속도로 일정하게 회전한다. 이러한 회전 미러(140)는 다각형으로 구현되어 있어 회전시 각 면을 통해 입사되는 빔을 반사시킨다. 이때, 회전 미러(140)의 한 면으로부터 반사되는 빔은 일정 간격의 스팟(Spot) 배열을 형성시키며 피스캐닝 객체(180)에 주사되되, 이 스팟 배열은 피스캐닝 객체(180)의 횡단면 상에 일렬로 형성된다. 현재 반사 면의 바로 다음 면에 의해 반사되는 빔도 역시 피스캐닝 객체(180)의 횡단면 상에 일정 간격의 스팟 배열을 형성시키지만, 이때 빔의 스팟 배열은 이전 면에 의해 반사된 빔의 스팟 배열과 일정 간격으로 이격되어 그 하부에 위치한다. 이에 따라, 회전 미러(140)의 각 면에 의해 반사되는 빔의 스팟 배열은 피스캐닝 객체(180) 상에 종과 횡으로 형성된다.

회전 미러(140)는 회전할 수 있는 모터(미도시)를 구비하고 있으며, 이 모터에 의해 회전하면서 렌즈(130)를 통해 주사되는 빔을 피스캐닝 객체(180) 방향으로 반사하게 된다. 이러한 회전 미러(140)는 폴리곤 미러(Polygon Mirror)나 갈바노 미러(Galvano Mirror)로 구현될 수 있다.

상기 폴리곤 미러가 회전 미러(140)로 사용될 경우, 상기 폴리곤 미러는 렌즈(130)를 통해 주사되는 빔을 일정 속도로 이동시키는 특징이 있다.

상기 갈바노 미러가 회전 미러(140)로 채용될 경우, 상기 갈바노 미러는 렌즈(130)를 통해 주사되는 빔을 비등선속도로 이동시키는 특징이 있다.

에프 쎄타(F-theta) 렌즈(150)는 회전 미러(140)에 의해 반사되는 빔을 피스캐닝 객체(180)에 주사시키되, 회전 미러(140)의 현재 반사면과 피스캐닝 객체(180)의 주사면 사이의 주사 거리를 일정하게 유지시켜 주어 피스캐닝 객체(180) 상의 주사 선속도를 일정하도록 유지시켜 줌으로써, 빔 스팟의 배열 간격이 일정하도록 조절하여 준다. 이러한 에프 쎄타(F-theta) 렌즈(150)의 유무에 따라 피스캐닝 객체(180) 상에 형성되는 빔 스팟의 배열 간격이 변화된다. 그 예를 들어 보면, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같다.

도 2a는 에프 쎄타(F-theta) 렌즈(150)가 종래의 광빔 스캐닝 장치에 구비된 경우에 피스캐닝 객체(180) 상에 형성되는 빔 스팟의 배열 상태를 나타낸 것으로서, 그 간격이 일정함을 보여주고 있다.

도 2b는 에프 쎄타(F-theta) 렌즈(150)가 종래의 광빔 스캐닝 장치에 구비되지 않은 경우에 피스캐닝 객체(180) 상에 형성되는 빔 스팟의 배열 상태를 나타낸 것으로서, 그 간격이 불규칙함을 보여주고 있다.

포커싱 렌즈(160)는 에프 쎄타(F-theta) 렌즈(150)를 통해 주사되는 빔을 집속시켜 피스캐닝 객체(180)에 주사한다.

수평동기 신호센서(170)는 회전 미러(140)에 의해 반사되는 빔 스팟 중에 프린팅이나 영상 디스플레이 등의 시작을 알리는 기준 빔스팟을 수광한 후 수광시부터 회전 미러(140)의 현재 반사면에 의한 빔 주사 시간을 타이밍하여 타이밍값을 제어부(120)로 출력한다. 이때, 수펑동기 신호센서(170)는 회전 미러(140)의 현재 면의 다음 면으로부터 반사되는 기준 빔스팟이 수광될 때까지 빔 주사 시간을 타이밍한다.

상기한 바와 같은 종래의 광빔 스캐닝 장치의 경우 피스캐닝 객체 상의 빔 스팟 배열의 간격을 일정하게 유지시켜 주기 위하여 에프 쎄타(F-theta) 렌즈를 채용하고 있지만, 이 에프 쎄타(F-theta) 렌즈는 가공 및 설계 상의 어려움으로 인해 개발 시간이 많이 소요되고 그 제조 단가가 높은 문제점이 있었다.

그리고, 광변조기를 구비하는 종래의 광빔 스캐닝 장치의 경우에도 에프 쎄타(F-theta) 렌즈를 이용하여 빔 스팟 배열의 간격을 일정하게 유지켜 주고 있는데, 이 제품 역시 상기한 바와 마찬가지로 에프 쎄타(F-theta) 렌즈에 의해 제조 비용이 비싼 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 피스캐닝 객체에 주사되는 회절빔의 주사 타이밍을 자동으로 조절하여 주사면 상에 주사되는 빔 스팟의 간격을 일정하게 유지시킬 수 있는 빔주사 타이밍 조절 방법 및 그를 이용한 주사 장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 고가의 에프 쎄타(F-theta) 렌즈를 사용하지 않고 회절빔의 주사 타이밍을 자동으로 조절하여 피스캐닝 객체 상에 주사되는 빔 스팟의 간격을 일정 하게 유지시킴으로써, 제조 비용을 절감할 수 있는 빔주사 타이밍의 조절 방법 및 그를 이용한 주사 장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 다중빔 광변조기의 각 픽셀의 회절량을 자동으로 조절함으로써, 주사면 상에 주사되는 빔에너지 분포를 균일하게 만들어 줄 수 있는 빔량의 조절 방법 및 그를 이용한 주사 장치를 제공하는데 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 빔을 발생하여 이 빔을 평형광으로 변형시켜 주사하는 빔발생 처리수단; 피스캐닝 객체의 주사라인 상에 배열되는 빔 스팟의 각 구간에서의 주사주기 및 주사 빔량을 계산하여 결정하고, 결정한 주사주기 및 빔량에 따라 상기 빔발생 처리수단으로부터 주사되는 빔을 회절 및 변조시키는 다중빔 광변조기의 각 픽셀의 구동 주기와 회절량을 제어하는 계산 및 제어수단; 상기 계산 및 제어수단에 의한 각 픽셀의 구동주기 및 회절량의 제어에 따라 상기 빔발생 처리수단으로부터 주사되는 빔을 회절 및 변조시켜 다중빔을 주사하는 회절 및 주사수단; 및 상기 회절 및 주사수단에 의해 회절 및 변조된 다중빔을 일정 속도로 이동시켜 스캐닝하는 주사처리수단을 포함한다.

본 발명은 회전 미러의 초기 회전각량 θ값과 피스캐닝 객체의 주사면 상의 빔 선속도 v가 설정되고, 주사면 상에 x축으로 배열되는 빔 스팟 간의 간격 Δx가 설정되면, 상기 설정된 값들을 계산식에 이용하는 소정의 프로그램에 따라 인접한 빔 스팟 간의 주사 시간차 Δt를 계산하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계에서의 주사 시간차 Δt가 계산되면, 상기 회전 미러의 등각속도 Ω를 이용하여 상기 계산한 주사 시간차 Δt 동안의 상기 회전 미러의 회전각량 Δθ를 계산하는 제 2 단계; 및 상기 제 1 단계에서 설정된 회전각량 θ값을 상기 제 2 단계에서 계산한 회전각량 Δθ로 갱신한 후 갱신한 회전각량 Δθ를 이용하여 새로운 빔 스팟 간의 주사 시간차 Δt를 계산하는 제 3 단계을 구비하되, 상기 제 1 내지 제 3 단계의 과정을 반복적으로 수행하여 주사면 상에 배열되는 빔 스팟 간의 샘플링 시간 간격을 계산하여 저장하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 인접한 빔 스팟 간의 샘플링 시간 간격 Δt를 계산한 후 계산한 Δt 중에 가장 짧은 빔 스팟 간의 주사 시간차인 Δtmin을 결정하는 제 1 단계; 상기 계산한 빔 스팟 간의 샘플링 시간 간격 Δt로 상기 결정한 Δtmin을 나누어서 빔 스팟 배열의 각 구간에서의 시간 가중치 R을 계산하는 제 2 단계; 및 상기 계산한 시간 가중치 R과 광원에서 발생되는 빔에너지의 최대값 Pmax를 곱하여 주사면 상에 스팟들을 형성하는 각 빔의 회절량 P를 결정하는 제 3 단계를 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 빔주사 타이밍 및 빔량의 조절 방법을 이용한 주사 장치의 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 주사 장치(200)는, 레이저빔을 발생하기 위한 광원(210)과, 광원(210)으로부터 주사된 레이저빔을 평행광으로 변경시키기 위한 적어도 하나의 평행광 렌즈(220)와, 적어도 하나의 평형광 렌즈(220)를 통해 평행광으로 변형된 레이저빔을 회절 및 변조시켜 N(N은 자연수) 개의 다중빔을 출력하는 다중빔 광변조기(230)와, 다중빔 광변조기(230)로부터 출력되는 회절 다중빔을 비등선속도나 등선속도로 이동시켜 스캐닝하는 회전 미러(Rotating Mirror)(240)와, 다중빔 광변조기(230)에 의해 회절 및 변조되어 출력되는 회절 다중빔을 회전 미러(240)의 현재 반사면으로 집속시키기 위한 적어도 하나의 렌즈(250)와, 회전 미러(240)에 의해 반사되는 회절 다중빔을 피스캐닝 객체(201)에 집속시키기 위한 포커싱 렌즈(260)와, 피스캐닝 객체(201)의 주사라인 상에 배열되는 빔 스팟의 각 구간에서의 주사주기 및 주사 빔량을 계산하여 결정하는 주사주기 및 빔량 결정부(270)와, 주사주기 및 빔량 결정부(270)에 의해 결정된 빔 스팟의 주사주기 및 빔량에 따라 다중빔 광변조기(230)의 각 픽셀의 구동 주기 및 회절량을 제어하는 제어부(280)를 구비한다.

본 발명은 포커싱 렌즈(260)를 통해 피스캐닝 객체(201)에 주사되는 빔 스팟 중에서 기준 빔스팟을 수광하고 수광시부터 빔 주사 시간을 타이밍하여 타이밍값을 출력하는 수평동기 신호센서(270)를 더 포함한다. 무엇보다도, 본 발명에 따른 주사 장치(200)가 프린터에 적용될 경우, 수평동기 신호센서(290)는 주사 장치(200)에 구비된다.

광원(210)은 레이저 빔을 발생하는 레이저 또는 레이저 다이오드(LD) 등으로 구현될 수 있다. 여기서, 광원(210)인 레이저 다이오드는 비교적 낮은 출력갖는데, 이는 동시에 다수개의 빔을 주사하므로 단일 픽셀에 대해서는 노광에 필요한 레이저 다이오드의 주사 시간을 길게 허용할 수 있기 때문이다.

적어도 하나의 평형광 렌즈(220)는 광원(210)과 다중빔 광변조기(230) 사이에 배치되되, 평형광 렌즈(220)가 2개 이상이 채용될 경우, 다수의 평형광 렌즈(220)들은 일정 간격으로 이격되어 배열된다.

다중빔 광변조기(230)는 최소 2 픽셀에서 최대 광학계가 허용하는 한 수백 내지 수천 픽셀까지 동시 제어가 가능하다.

또한, 다중빔 광변조기(230)는 아날로그로 픽셀을 제어할 수 있어 프린터 및 디스플레이 제품에 적용시 그레이(Gray) 컨트롤이 가능하다. 이때 사용되는 광학렌즈 및 광투사거리를 다중빔 광변조기(230)가 제어함으로서 해당 스팟(Spot)에 대한 크기(Size) 및 스팟 간의 간격을 제어할 수 있다.

회전 미러(240)는 회전할 수 있는 모터(미도시)를 구비하고 있으며, 이 모터에 의해 회전하면서 회절 다중빔을 주사하게 된다. 이러한 회전 미러(240)는 폴리곤 미러(Polygon Mirror)나 갈바노 미러(Galvano Mirror)로 구현될 수 있다.

상기 폴리곤 미러가 회전 미러(240)로 사용될 경우, 상기 폴리곤 미러는 다중빔 광변조기(230)로부터 출력되는 회절 다중빔을 등선속도로 이동시키는 특징이 있다. 이때, 포커싱 렌즈(260)는 상기 폴리곤 미러에서 반사된 등각속도의 회절 다중빔을 집속시켜 주주사 방향으로 편향시킨다.

상기 갈바노 미러가 회전 미러(240)로 채용될 경우, 상기 갈바노 미러는 다 중빔 광변조기(230)로부터 출력되는 회절 다중빔을 비등선속도로 이동시키는 특징이 있다. 이때, 포커싱 렌즈(260)는 상기 갈바노 미러에서 반사된 비등각속도의 회절 다중빔을 집속시켜 주주사 방향으로 편향시킨다.

적어도 하나의 렌즈(250)는 다중빔 광변조기(230)와 회전 미러(240) 사이에 배치된다. 렌즈(250)가 2개 이상이 배치될 경우, 다수의 렌즈(250)들은 일정 간격으로 이격되어 배열된다.

이러한 회전 미러(240)는 제어부(290)의 구동 제어에 따라 온/오프되며, 구동시 미리 설정된 회전 속도로 일정하게 회전한다. 이러한 회전 미러(240)는 다각형으로 구현되어 있어 회전시 각 면을 통해 입사되는 빔을 반사시킨다. 이때, 회전 미러(240)의 한 면으로부터 반사되는 빔은 일정 간격의 스팟(Spot) 배열을 형성시키며 피스캐닝 객체(180)에 주사되되, 이 스팟 배열은 피스캐닝 객체(201)의 횡단면 상에 일렬로 형성된다. 현재 반사면의 바로 다음 면에 의해 반사되는 빔도 역시 피스캐닝 객체(201)의 횡단면 상에 일정 간격의 스팟 배열을 형성시키지만, 이때 빔의 스팟 배열은 이전 면에 의해 반사된 빔의 스팟 배열과 일정 간격으로 이격되어 그 하부에 위치한다. 이에 따라, 회전 미러(240)의 각 면에 의해 반사되는 빔의 스팟 배열은 피스캐닝 객체(201) 상에 종과 횡으로 형성된다.

수평동기 신호센서(290)는 회전 미러(240)에 의해 반사되는 빔 스팟 중에 프린팅이나 영상 디스플레이 등의 시작을 알리는 기준 빔스팟을 수광한 후 수광시부터 회전 미러(240)의 현재 반사면에 의한 빔 주사 시간을 타이밍하여 타이밍값을 제어부(290)로 출력한다. 이때, 수펑동기 신호센서(270)는 회전 미러(240)의 현재 반사면의 다음 면으로부터 반사되는 기준 빔스팟이 수광될 때까지 빔 주사 시간을 타이밍하여 이 타이밍값을 제어부(290)로 출력한다.

이렇게, 수평동기 신호센서(270)에 의해 산출된 현재 수평 주사라인의 타이밍값이 제어부(290)로 입력되면, 제어부(290)는 이 타이밍값 동안 다중빔 광변조기(230)를 구동시켜 피스캐닝 객체(201)의 현재 수평주사라인에 빔 스팟이 주사되도록 한다.

이와 같은 빔의 수평주사 과정에서, 수평동기 신호센서(270)에 의해 산출된 타이밍값에 해당하는 현재 수평 주사라인의 주사 시간이 경과한 후, 현재 수평주사라인의 수직 하부에 주사되어야 할 기준 빔스팟이 수평동기 신호센서(270)에 수광되지 않으면, 수평동기 신호센서(270)는 새로운 수평 주사라인의 주사시간을 타이밍하지 않으며, 결국 제어부(290)에는 새로운 빔의 수평 주사를 위한 타이밍값이 입력되지 않는다. 이에 따라, 제어부(290)는 다중빔 광변조기(230)의 구동을 중지시킨다.

도 4는 본 발명에 따른 주사 장치에 구비되는 주사주기 및 빔량 결정부의 계산 과정을 설명하기 위한 예시도로서, 이를 참조하여 주사주기 및 빔량의 계산 과정을 보다 구체적으로 살펴본다.

우선, 하기 수학식에서 주어진 변수들을 정의하면 다음과 같다.

도 4를 참조하면, x는 회전 미러(240)의 중심축 CT1을 수평으로 지나는 수평축이다. y는 회전 미러(240)의 중심축 CT1을 수직으로 지나는 수직축이다. r은 회 전 미러(240)의 중심축 CT1으로부터 반사면 RF의 중앙점 CT2까지의 거리이다. θ는 회전 미러(240)의 중심축 CT1으로부터 반사면 RF의 중앙점 CT2까지 직선으로 연결할 경우, 이 직선과 x축이 이루는 각도이다. d는 x축과 피스캐닝 객체(201)의 주사면 간의 직선 거리이다. Ω는 회전 미러(240)의 등각속도이다. n은 y축의 좌표점으로서, 다중빔 광변조기(230)의 발광부분과 수평 방향으로 일치되는 좌표값이다. φ는 다중빔 광변조기(230)로부터 발생되는 입사빔이 회전 미러(240)의 반사점 RP에 의해 반사될 경우, 반사점 RP를 수평으로 지나는 수평축과 다중빔 광변조기(230)로부터 입사되는 빔이 이루는 각도이다. m은 x축의 좌표점으로서, 다중빔 광변조기(230)의 발광부분과 수직 방향으로 일치되는 좌표값이다.

회전 미러(240)의 현재 반사면 RF에서의 빔주사에 대한 평면방정식은 다음 [수학식 1] 및 [수학식 2]와 같다.

F1(x,y,r,θ) = 0

xcosθ+ysinθ = r

다중빔 광변조기(230)로부터 회전 미러(240)의 반사점 RP로 입사되는 빔의 직선방정식은 다음 [수학식 3] 및 [수학식 4]와 같다.

F2(x,y,n,m,φ) = 0

y = tanφx+n-mtanφ

회전 미러(240)의 현재 반사면 RF 상의 반사점 RP로부터 반사되는 빔의 직선방정식은 다음 [수학식 5] 및 [수학식 6]과 같다.

F3(x,y,n,m,r,φ) = 0

x = (r-nsinθ)/cosθ+(y-n)cot2θ

회전 미러(240)의 현재 반사면 RF으로부터 반사된 빔이 피스캐닝 객체(201)에 주사될 경우, 주사면상의 빔의 궤적은 다음 [수학식 7] 및 [수학식 8]과 같다.

x = F4(n,m,r,d,θ,φ)

x = (r-nsinθ)/cosθ+(d-n)cot2θ

회전 미러(240)가 회전하면서 반사면을 통해 반사시킨 빔이 피스캐닝 객체(201)에 주사되므로, 주사면 상에 x축 방향으로 주사되는 빔은 선속도를 갖게 되는데, 이때 주사면 상의 빔의 선속도 v는 다음 [수학식 9]와 같다.

v = dF4/dt = dF4/dθ*dθ/dt = dF4/dθ*Ω

여기서, "dθ/dt"는 회전 미러의 등각속도 Ω이다.

상기 수학식들을 통해 살펴본 바와 같이, 피스캐닝 객체(201)의 주사면 상에 주사되는 빔의 선속도 v가 다르기 때문에, 도 2b에서와 같이 빔 스팟 간의 간격이 불균일하게 발생되는 것이다. 물론, 종래의 주사 장치의 경우 빔의 선속도 변화에 의해 빔 스팟 간에 발생되는 불균일성을 에프 쎄타(F-theta) 렌즈를 이용하여 해결하였다.

그러나, 에프 쎄타(F-theta) 렌즈는 제조 기간이 오래 걸리고 제조 비용이 많이 들기 때문에, 본 발명에서는 에프 쎄타(F-theta) 렌즈를 이용하지 않고 다음과 같은 방식을 이용하여 빔 스팟 간의 간격을 균일하게 일치시켜 주고자 하는 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 주사 장치에서의 빔주사 타이밍의 계산 과정을 나타내는 흐름도이다.

우선, 제조자가 초기 θ값을 설정하여 준다(S501). 이어서, 제조자는 상기 [수학식 9]를 실행하는 소정의 프로그램에 이 초기 θ값을 대입하여 주사면 상의 빔의 선속도 v를 계산한다(S502).

이와 같이, 초기 θ값과 주사면 상의 빔의 선속도 v가 결정되고, 주사면 상에 x축으로 배열되는 빔 스팟 간의 간격 Δx가 제조자에 의해 정해지면, 주사주기 및 빔량 결정부(270)는 소정의 프로그램에 따라 다음 [수학식 10] 및 [수학식 11]을 실행시켜 인접한 빔 스팟 간의 주사 시간차 Δt를 계산한다(S503). 여기서, Δx는 인접한 빔 스팟 간의 x축 좌표 거리이고, Δt는 주사면 상에 주사되는 빔이 일정한 선속을 갖기 위한 샘플링 시간 간격이다.

Δx = dx/dθ*dθ/dt*Δt

여기서, "dx/dθ"는 θ에 대한 x의 미분값이고, "dθ/dt"는 시간 t에 대한 θ의 미분값이다.

Δt = Δx/Ω*1/v

이 수학식에서, 1/v는 다음 [수학식 12]와 같다.

1/v = dθ/dx

이러한 과정을 통해 인접한 빔 스팟 간의 주사 시간차 Δt가 계산되면, 주사주기 및 빔량 결정부(270)는 회전 미러(240)의 등각속도 Ω를 이용하여 계산된 Δt 동안의 회전 미러(240)의 회전각량 Δθ를 계산한다(S504).

이렇게 회전각량 Δθ가 결정되면, 주사주기 및 빔량 결정부(270)는 설정된 θ값을 갱신한 후(S505), 갱신된 회전각량 Δθ를 상기 [수학식 10] 및 [수학식 11]에 대입하여 새로운 빔 스팟 간의 주사 시간차 Δt를 계산한다.

이와 같은 과정을 반복적으로 수행함으로써, 주사주기 및 빔량 결정부(270)는 피스캐닝 객체(201)의 주사면 상에 주사되는 빔이 일정한 선속을 갖기 위한 샘플링 시간 간격 Δt를 계산한다.

이렇게 계산된 샘플링 시간 간격 Δt는 주사면 상의 빔 스팟 배열 중 각 구간에 따라 길어지거나 짧아지게 되는데, 이때 빔 스팟 배열의 각 구간에 따른 샘플링 시간 간격 Δt의 변화는 도 6에 도시된 바와 같다.

도 6에 도시된 바와 같이, 샘플링 시간 간격 Δt는 빔 주사의 시작점인 기준 빔 스팟으로부터 중간 부분에 위치한 빔 스팟까지 점차적으로 길어진 후 이 중간 부분의 빔 스팟부터 마지막 빔 스팟까지 점차적으로 짧아진다.

이와 같은 시간 변화를 갖도록 샘플링 시간 간격 Δt가 결정되는 이유는, 도 2b에 도시된 바와 같이 에프 쎄타(F-theta) 렌즈가 없을 경우 기준 빔 스팟으로부터 빔 스팟 배열의 중간 부분으로 갈수록 인접한 빔 스팟 간의 간격 Δx가 점차적으로 좁아진 후 중간 부분으로부터 마지막 빔 스팟으로 갈수록 빔 스팟 간의 간격 Δx가 점차적으로 넓어지기 때문이다. 실질적으로, 에프 쎄타(F-theta) 렌즈가 없을 경우에도 주사면 상의 빔 스팟 배열 중에 처음 부분과 마지막 부분에 위치한 빔 스팟 간격은 정상적으로 형성된다.

이와 같이, 주사주기 및 빔량 결정부(270)가 샘플링 시간 간격 Δt를 계산하여 저장하고 있으면, 제어부(280)는 이 Δt를 읽어와서 저장한다. 이 상태에서, 피스캐닝 객체(201)에 빔을 주사할 경우, 제어부(280)는 저장된 샘플링 시간 간격 Δt에 따라 다중빔 광변조기(230)의 각 픽셀을 구동시킨다.

예를 들어, 주사면 상의 빔 스팟 배열 중에 처음 부분에 인접되게 주사되는 빔 스팟을 회절시키기 위한 픽셀 간의 구동 시간차 Δt가 0.1초가 되도록 제어부(280)가 다중빔 광변조기(230)의 픽셀 구동을 제어한다면, 주사면 상의 빔 스팟 배열 중에 중간 부분에 인접되게 주사되는 빔 스팟을 회절시키기 위한 픽셀 간의 구동 시간차 Δt는 1초가 되도록 제어부(280)는 다중빔 광변조기(230)의 픽셀 구동을 제어한다. 이 경우에, 주사면 상의 빔 스팟 배열 중에 마지막 부분에 인접되게 주사되는 빔 스팟을 회절시키기 위한 픽셀 간의 구동 시간차 Δt가 0.1초가 되도록 제어부(280)는 다중빔 광변조기(230)의 픽셀 구동을 제어한다.

이렇게 픽셀이 제어되는 경우, 주사면 상의 빔 스팟 배열 중 처음 부분으로부터 중간 부분으로 갈수록 인접되게 주사되는 빔 스팟을 회절시키기 위한 픽셀 간의 구동 시간차 Δt는 0.1초 내지 1초 범위 내에서 점차 길어지고, 반대로 주사면 상의 빔 스팟 배열 중 중간 부분으로부터 마지막 부분으로 갈수록 인접되게 주사되는 빔 스팟을 회절시키기 위한 픽셀 간의 구동 시간차 Δt는 0.1초 내지 1초 범위 내에서 점차 짧아진다.

그러나, 상기한 바와 같이 다중빔 광변조기(230)의 각 픽셀 간의 구동 시간 차를 차등하게 제어하면, 주사면 상의 각 빔 스팟에 주사되는 시간이 달라지기 때문에, 프린터나 영상 디스플레이의 경우 각각 인쇄 농도나 해상도가 달라지는 문제점이 발생한다.

프린터의 경우를 예로 들면, 주사면 상의 빔 스팟 간의 주사 시간차 Δt가 길어질수록 빔 스팟 배열 중 특정 빔 스팟의 주사 시간이 길어져 그 빔 스팟에 주사되는 빔량이 많아지게 되고, 이로 인해 해당 부분의 인쇄 농도가 진해진다. 즉, 빔 스팟의 주사 시간이 짧아질수록 그 빔 스팟에 주사되는 빔량이 적어지기 때문 에, 해당 부분의 인쇄 농도가 상대적으로 흐려진다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 주사면 상의 빔 스팟 간의 주사 시간차 Δt에 따라 다음과 같이 빔량을 조절한다.

도 7은 본 발명에 따른 주사 장치에서의 빔량의 계산 과정을 나타내는 흐름도이다.

도 7을 참조하면, 우선 주사주기 및 빔량 결정부(270)는 상기 [수학식 11]을 실행시켜 계산한 Δt 중에 가장 짧은 빔 스팟 간의 주사 시간차인 Δtmin을 결정한다(S701).

그리고, 주사주기 및 빔량 결정부(270)는 다음 [수학식 13]에서와 같이 빔 스팟 배열의 각 구간 별 Δt로 Δtmin을 나누어서 각 구간에서의 시간 가중치 R을 계산한다(S702).

R = Δtmin/Δt

이어서, 주사주기 및 빔량 결정부(270)는 다음 [수학식 14]에서와 같이 빔 스팟 배열의 각 구간에서의 시간 가중치 R과 광원(210)에서 발생되는 빔에너지의 최대값 Pmax를 곱하여 주사면 상에 스팟들을 형성하는 각 빔의 회절량 P를 결정한다(S703).

P = R*Pmax

여기서, Pmax는 광원의 최대 출력값이다.

이와 같이, 주사면 상에 주사되는 빔의 회절량이 결정되면, 주사주기 및 빔량 결정부(270)는 다중빔 광변조기(230)의 각 픽셀의 회절량 P를 저장하고, 제어부(280)는 이 회절량 P를 읽어와서 저장한다. 이 상태에서, 피스캐닝 객체(201)에 빔을 주사할 경우, 제어부(280)는 저장된 회절량 P에 따라 다중빔 광변조기(230)의 각 픽셀의 회절량을 조절한다. 여기서, 다중빔 광변조기(230)의 각 픽셀의 회절량은 단차가 λ/4일 때 최대가 된다. 즉, 단차가 λ/4 이하로 갈수록 각 픽셀의 회절량은 감소한다.

이러한 각 픽셀의 단차는 구동 전압의 크기에 비례하여 커지거나 작아지므로, 제어부(280)는 저장된 각 픽셀의 회절량 P에 따라 해당 픽셀에 인가되는 전압의 크기를 제어한다.

예를 들어, 주사면 상의 빔 스팟 배열 중에 처음 부분에 위치하는 빔 스팟에는 비교적 짧은 시간 동안 빔이 주사되기 때문에 제어부(280)는 해당 픽셀의 회절량이 최대가 되도록 높은 전압을 인가하고, 반대로 주사면 상의 빔 스팟 배열 중에 중간 부분에 위치하는 빔 스팟에는 비교적 긴 시간 동안 빔이 주사되기 때문에 제어부(280)는 해당 픽셀의 회절량이 최소가 되도록 적은 전압을 인가한다.

이와 같은 과정을 통해 조절되는 다중빔 변조기(230)의 각 픽셀의 회절량의 변화 상태는 도 8에 도시된 바와 같다.

도 8에 도시된 바와 같이, 주사면 상의 빔 스팟 배열 중에 처음 부분과 마지막 부분에 위치하는 빔 스팟에는 비교적 짧은 시간 동안 빔이 주사되기 때문에 해당 픽셀의 회절량이 커지고, 빔 스팟 배열의 중간 부분으로 갈수록 빔의 주사 시간이 길어지기 때문에 해당 픽셀의 회절량이 작아진다.

전술한 바와 같이, 제어부(280)는 각 픽셀의 회절량을 제어함으로써, 도 9에서와 같이 주사면 상에 주사되는 빔에너지를 균일하게 만들어 준다.

본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 고가의 에프 쎄타(F-theta) 렌즈를 사용하지 않고 발광 타이밍 및 빔량을 자동으로 조절하여 피스캐닝 객체 상에 주사되는 빔 스팟의 간격을 일정하게 유지시키고 빔에너지 분포를 균일하게 만들어 줌으로써, 제조 과정을 비교적 간단하게 하고 제조 비용을 절감할 수 있다.

Claims (12)

1. 빔을 발생하여 이 빔을 평형광으로 변형시켜 주사하는 빔발생 처리수단;

   피스캐닝 객체의 주사라인 상에 배열되는 빔 스팟의 각 구간에서의 주사주기 및 주사 빔량을 계산하여 결정하고, 결정한 주사주기 및 빔량에 따라 상기 빔발생 처리수단으로부터 주사되는 빔을 회절 및 변조시키는 다중빔 광변조기의 각 픽셀의 구동 주기와 회절량을 제어하는 계산 및 제어수단;

   상기 계산 및 제어수단에 의한 각 픽셀의 구동주기 및 회절량의 제어에 따라 상기 빔발생 처리수단으로부터 주사되는 빔을 회절 및 변조시켜 다중빔을 주사하는 회절 및 주사수단; 및

   상기 회절 및 주사수단에 의해 회절 및 변조된 다중빔을 일정 속도로 이동시켜 스캐닝하는 주사처리수단

   을 포함하는 주사 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 빔발생 처리수단은,

   레이저빔을 발생하기 위한 광원; 및

   상기 광원으로부터 주사된 레이저빔을 평행광으로 변경시키기 위한 평행광 렌즈

   를 포함하는 주사 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 계산 및 제어수단은,

   상기 피스캐닝 객체의 주사라인 상에 배열되는 빔 스팟의 각 구간에서의 주사주기 및 주사 빔량을 계산하여 결정하는 주사주기 및 빔량 결정부; 및

   상기 주사주기 및 빔량 결정부에 의해 결정된 빔 스팟의 주사주기 및 빔량에 따라 상기 다중빔 광변조기의 각 픽셀의 구동 주기 및 회절량을 제어하는 제어부

   를 포함하는 주사 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 회절 및 주사수단은,

   상기 계산 및 제어수단에 의한 각 픽셀의 구동주기 및 회절량의 제어에 따라 상기 빔발생 처리수단으로부터 주사되는 빔을 회절 및 변조시켜 다중빔을 출력하는 상기 다중빔 광변조기; 및

   상기 다중빔 광변조기에 의해 회절 및 변조되어 출력되는 회절 다중빔을 상기 주사처리수단의 현재 반사면으로 집속시키기 위한 적어도 하나의 렌즈

   를 포함하는 주사 장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 주사처리수단은,

   상기 다중빔 광변조기에 의해 회절 및 변조된 회절 다중빔을 일정 속도로 이동시켜 반사하는 회전 미러; 및

   상기 회전 미러에 의해 반사되는 회절 다중빔을 상기 피스캐닝 객체에 집속시키기 위한 포커싱 렌즈

   를 포함하는 주사 장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 회전 미러는,

   회전 모터에 의해 회전하는 폴리곤 미러인 것을 특징으로 하는 주사 장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 폴리곤 미러는 상기 회절 및 주사수단으로부터 출력되는 회절 다중빔을 이동시켜 스캐닝하는 것을 특징으로 하는 주사 장치.
8. 회전 미러의 초기 회전각량 θ값과 피스캐닝 객체의 주사면 상의 빔 선속도 v를 계산하고, 주사면 상에 x축으로 배열되는 빔 스팟 간의 간격 Δx가 설정되면, 상기 설정된 값들을 계산식에 이용하는 소정의 프로그램에 따라 인접한 빔 스팟 간의 주사 시간차 Δt를 계산하는 제 1 단계;

   상기 제 1 단계에서의 주사 시간차 Δt가 계산되면, 상기 회전 미러의 등각속도 Ω를 이용하여 상기 계산한 주사 시간차 Δt 동안의 상기 회전 미러의 회전각량 Δθ를 계산하는 제 2 단계; 및

   상기 제 1 단계에서 설정된 회전각량 θ값을 상기 제 2 단계에서 계산한 회전각량 Δθ로 갱신한 후 갱신한 회전각량 Δθ를 이용하여 새로운 빔 스팟 간의 주사 시간차 Δt를 계산하는 제 3 단계을 구비하되,

   상기 제 1 내지 제 3 단계의 과정을 반복적으로 수행하여 주사면 상에 배열되는 빔 스팟 간의 샘플링 시간 간격을 계산하여 저장하는 것을 특징으로 하는 주사 장치에서의 주사주기 조절 방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 제 3 단계에서, 빔 스팟 간의 주사 시간차 Δt는 다음 수식

   Δt = Δx/Ω*1/v

   을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 주사 장치에서의 주사주기 조절 방법.
10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,

    상기 계산한 빔 스팟 간의 샘플링 시간 간격에 따라 다중빔 광변조기의 각 픽셀의 구동주기를 제어하는 것을 특징으로 하는 주사 장치에서의 주사주기 조절 방법.
11. 인접한 빔 스팟 간의 샘플링 시간 간격 Δt를 계산한 후 계산한 Δt 중에 가장 짧은 빔 스팟 간의 주사 시간차인 Δtmin을 결정하는 제 1 단계;

    상기 계산한 빔 스팟 간의 샘플링 시간 간격 Δt로 상기 결정한 Δtmin을 나누어서 빔 스팟 배열의 각 구간에서의 시간 가중치 R을 계산하는 제 2 단계; 및

    상기 계산한 시간 가중치 R과 광원에서 발생되는 빔에너지의 최대값 Pmax를 곱하여 주사면 상에 스팟들을 형성하는 각 빔의 회절량 P를 결정하는 제 3 단계

    를 포함하는 주사 장치에서의 빔량 조절 방법.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 결정한 각 빔의 회절량에 따라 다중빔 광변조기의 각 픽셀의 단차를 제어하는 것을 특징으로 하는 주사 장치에서의 빔량 조절 방법.

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