KR101168983B1 - 회절광학소자를 이용한 광주사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 온도의 상승에 따른 광원의 파장 변화로 인한 광학소자의 초점 변화가 보정된 광주사장치에 관한 것이다. 본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 광원; 상기 광원으로부터 출사한 광빔을 평행빔으로 변환하는 콜리메이팅 렌즈; 평행빔을 부주사 방향으로 수렴시키는 실린더 렌즈; 수렴된 광빔을 주주사 방향으로 편향하는 빔편향 미러; 및 상기 빔편향 미러에 의해 편향되는 광빔을 피주사면상에 결상시키는 에프-세타 렌즈를 구비하는 광주사장치에 있어서, 상기 콜리메이팅 렌즈의 입사면은 굴절면이고 출사면은 회절면이며, 상기 실린더 렌즈의 입사면은 부주사 방향으로 음(-)의 파워를 갖는 굴절면인 것을 특징으로 한다.

Description

회절광학소자를 이용한 광주사장치{Laser scanning unit using diffraction optical element}

도 1은 일반적인 광주사장치를 개략적으로 도시한다.

도 2는 광주사장치에서 온도에 따른 초점거리의 변화를 보상하기 위한 종래의 렌즈 구성을 도시한다.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광주사장치에서 온도에 따른 초점거리의 변화를 보상하기 위한 렌즈 구성을 도시한다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광주사장치에서 온도에 따른 초점거리의 변화를 보상하기 위한 렌즈 구성을 도시한다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광주사장치에서 온도 변화에 따른 초점거리의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광주사장치에서 온도 변화에 따른 초점거리의 변화를 나타내는 그래프이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※

50......광원 60.....콜리메이팅 렌즈

64,84...회절면 70.....구경 조리개

80......실린더 렌즈 90.....빔편향 미러

100.....에프-세타 렌즈 110....감광면

본 발명은 레이저 프린터 및 디지털 복사기 등에서 화상을 형성하기 위해 사용되는 광주사장치(laser scanning unit; LSU)에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 동작시 온도의 상승에 따른 광원의 파장 변화로 인한 광학소자의 초점 변화가 보정된 광주사장치에 관한 것이다.

일반적으로, 레이저 프린터는 레이저 다이오드(laser diode)로부터 방출되는 레이저광을 감광체 상에 스캐닝하면서 결상시키고, 감광체에 형성되는 잠상을 종이와 같은 매체에 전사함으로써 화상 이미지를 재현하는 인쇄 장치이다. 광주사장치는 이러한 레이저 프린터에서 레이저광을 발생시켜 감광체에 결상시키는 기능을 수행하는 화상형성장치이다. 도 1은 일반적인 광주사장치를 개략적으로 도시하고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 광주사장치는 크게 광원(50), 콜리메이팅 렌즈(60), 구경 조리개(70), 실린더 렌즈(80), 빔편향 미러(90) 및 에프-세타 렌즈(F-θ lens)(100) 등으로 구성된다.

이와 같은 구조에서, 레이저 다이오드와 같은 광원(50)으로부터 방출된 광빔(52)은 콜리메이팅 렌즈(60)에 의해 광축에 대해 평행빔으로 변환된다. 상기 평행빔은 구경 조리개(70)에 의해 빔 형태가 제한된 후, 실린더 렌즈(80)를 통과하여 부주사 방향으로 수렴됨으로써 부주사 방향에 대해 수평방향의 선형광이 된다. 그 런 후, 상기 수평방향의 선형광은 고속으로 회전하는 빔편향 미러(90)에 의해 주주사 방향(즉, 용지의 가로 방향)으로 등속도로 이동되면서 에프-세타 렌즈(100)를 거쳐 감광면(110) 상에 결상된다.

그런데, 이러한 구조의 광주사장치의 경우, 동작시 온도가 상승하면서 광원에서 방출되는 광빔의 파장이 증가하게 된다. 뿐만 아니라, 온도의 상승에 따라 콜리메이팅 렌즈(60), 실린더 렌즈(80) 및 에프-세타 렌즈(100) 등과 같은 광학소자의 길이가 신장된다. 이로 인해, 전체적인 광학계의 파워가 변하면서 광학계의 초점거리가 변하게 된다. 그 결과, 광빔이 감광면(110)에 정확한 스폿 사이즈로 결상되지 못하고, 주주사 방향을 따라 스폿 사이즈가 균일하지 않게 되는 문제가 발생한다.

도 2는 이러한 문제를 개선하기 위하여 콜리메이팅 렌즈(60)의 출사면에 회절광학소자를 형성한 종래의 구성을 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 광원(50)에서 방출된 광빔(52)을 평행빔으로 변환하는 콜리메이팅 렌즈(60)의 출사면에 회절광학소자를 형성함으로써, 상기 콜리메이팅 렌즈(60)의 입사면은 굴절면(62)이 되고 출사면은 회절면(64)이 된다. 이러한 구성에 따르면, 콜리메이팅 렌즈(60)가 신장하여도, 콜리메이팅 렌즈(60)의 굴절면(62)의 파워의 변화량이 회절면(64)의 파워의 변화량에 의해 상쇄되기 때문에, 콜리메이팅 렌즈(60)의 전체적인 파워는 변화되지 않는다.

그러나, 도 2에 도시된 종래의 기술은, 콜리메이팅 렌즈(60)에서의 파워의 변화에 대한 보정만을 다루고 있다. 따라서, 콜리메이팅 렌즈(60) 이후의 실린더 렌즈(80)와 에프-세타 렌즈(100)에서 온도 변화로 인한 초점 변동이 발생하게 되면, 콜리메이팅 렌즈(60)만으로는 주주사 방향과 부주사 방향의 파워를 충분히 보정하는 것이 곤란하다.

본 발명은 상술한 종래의 기술의 문제점을 개선하기 위한 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은, 온도 변화에 따른 굴절률 변화와 파장 변동으로 인한 주주사 방향 및 부주사 방향의 초점 변동이 보다 효율적으로 보정되며, 저렴하고 설계가 용이한 광주사장치를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 광원; 상기 광원으로부터 출사한 광빔을 평행빔으로 변환하는 콜리메이팅 렌즈; 평행빔을 부주사 방향으로 수렴시키는 실린더 렌즈; 수렴된 광빔을 주주사 방향으로 편향하는 빔편향 미러; 및 상기 빔편향 미러에 의해 편향되는 광빔을 피주사면상에 결상시키는 에프-세타 렌즈를 구비하는 광주사장치에 있어서, 상기 콜리메이팅 렌즈의 입사면은 굴절면이고 출사면은 회절면이며, 상기 실린더 렌즈의 입사면은 부주사 방향으로 음(-)의 파워를 갖는 굴절면인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 실린더 렌즈의 출사면은 회절면일 수도 있다.

본 발명에 따른 광주사장치에서 온도변화에 의하여 주주사 방향으로 초점 변동이 발생하지 않도록, 주주사 방향의 굴절면들의 총 파워(φrm)에 대한 주주사 방향의 회절면들의 총 파워(φdm)의 비(φdm/φrm)는 0.5 < φdm/φrm < 1 을 만족하 도록 설정되는 것이 바람직하다.

또한, 온도변화에 의하여 부주사 방향으로 초점 변동이 발생하지 않도록, 부주사 방향의 굴절면들의 총 파워(φrs)에 대한 부주사 방향의 회절면들의 총 파워(φds)의 비(φds/φrs)는 -3 < φds/φrs < -1.5 를 만족하도록 설정되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 상기 콜리메이팅 렌즈와 실린더 렌즈는 각각 플라스틱으로 성형된 것일 수도 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 광주사 장치의 구성 및 동작에 대해 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광주사장치에서 온도에 따른 초점거리의 변화를 보상하기 위한 렌즈 구성을 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따르면, 콜리메이팅 렌즈(60) 뿐만 아니라 실린더 렌즈(80)에도 회절면을 형성하고 있다. 즉, 콜리메이팅 렌즈(60)와 실린더 렌즈(80)의 입사면은 각각 광을 굴절시키는 굴절면(62,82)이며, 출사면은 각각 광을 회절시키는 회절면(64,84)이다. 콜리메이팅 렌즈(60)와 실린더 렌즈(80)의 출사면에 각각 형성되는 회절면(64,84)은, 예컨대, 프레넬 렌즈와 같은 회절광학소자로 이루어질 수 있다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 실린더 렌즈(80)의 굴절면인 광 입사면은, 종래의 기술과는 달리, 양(+)의 파워를 갖는 것이 아니라 음(-)의 파워를 갖도록 설계된다. 일반적으로, 부주사 방향으로 광빔을 수렴시키기 위해서는 실린더 렌즈(80)의 입사면이 양의 파워를 갖도록 설계되지만, 이 경우 회절면(64,84)만을 이용하여 온도 변화에 따른 초점 거리의 변화를 완벽하게 보정하기가 매우 어렵다. 따라서, 본 발명에서는, 실린더 렌즈(80)가 음의 파워를 갖도록 하여 전체적인 굴절면의 파워를 다소 감소시킴으로써 온도 변화에 따른 초점 거리 변화량을 줄이는 대신, 회절면의 파워를 적절히 조절함으로써 광빔이 부주사 방향으로 정확하게 수렴될 수 있도록 한다.

또한, 본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 콜리메이팅 렌즈(60)의 출사면에 형성된 회절면(64)과 실린더 렌즈(80)의 출사면에 형성된 회절면(84)은, 상기 콜리메이팅 렌즈(60)와 실린더 렌즈(80) 각각의 신장에 따른 변화만을 보정하도록 설계되는 것이 아니라, 광주사장치 내의 광학계의 전체적인 변화를 고려하여 설계되는 것이 바람직하다.

이렇게 실린더 렌즈(80)의 입사면이 음의 파워를 가지면서도 광빔이 부주사 방향으로 정확하게 수렴될 수 있도록 하고, 광주사장치 내의 광학계의 온도에 따른 변화를 전체적으로 보정할 수 있도록 하기 위해서는, 광주사장치 내의 굴절면들의 전체적인 파워와 회절면들의 전체적인 파워이 비율이 소정의 범위 내에 있어야 한다. 보다 구체적으로, 모의실험에 의한 결과에 따르면, 주주사 방향의 굴절면들의 총 파워(φrm)에 대한 주주사 방향의 회절면들의 총 파워(φdm)의 비(φdm/φrm)가 다음의 수학식(1)을 만족할 때, 광빔의 부주사 방향으로의 수렴과 온도 변화에 따른 초점 거리 변화의 보정이 최적으로 수행되었다.

0.5 < φdm/φrm < 1

또한, 모의실험에 의한 결과에 따르면, 부주사 방향의 굴절면들의 총 파워(φrs)에 대한 부주사 방향의 회절면들의 총 파워(φds)의 비(φds/φrs)가 다음의 수학식(2)을 만족할 때, 광빔의 부주사 방향으로의 수렴과 온도 변화에 따른 초점 거리 변화의 보정이 최적으로 수행되었다.

-3 < φds/φrs < -1.5

상기 주주사 방향의 굴절면들의 총 파워(φrm)에 대한 주주사 방향의 회절면들의 총 파워(φdm)의 비(φdm/φrm)는 다음의 수학식(3)을 이용하여 계산할 수 있다.

φdm/φrm = (Δnλ + Δnt)/((Δλ/λ0)×(n0 - 1))

여기서, φrm은 주주사 방향의 굴절면들의 총 파워이고, φdm은 주주사 방향의 회절면들의 총 파워이며, Δnλ은 파장 변동에 의한 굴절율의 변동량, Δnt은 온도 변동에 의한 굴절율 변동량, Δλ은 기준 파장에서 온도의 상승으로 인한 파장의 변동량, λ0은 기준 파장, n0은 기준 파장에서의 굴절율을 각각 의미한다.

또한, 상기 부주사 방향의 굴절면들의 총 파워(φrs)에 대한 부주사 방향의 회절면들의 총 파워(φds)의 비(φds/φrs)는 다음의 수학식(4)을 이용하여 계산할 수 있다.

φds/φrs = (φrm/φdm) × (φts/φtm)

여기서, φts는 광주사장치의 전체 광학계의 부주사 방향이 파워이고, φtm은 광주사장치의 전체 광학계의 주주사 방향의 파워이다.

예컨대, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광주사장치의 광학계가 아래의 표(1)과 같은 수치를 갖는 구조인 경우, 상기와 같은 조건을 만족하는 콜리메이팅 렌즈(60)와 실린더 렌즈(80)의 회절면(64,84)은 아래의 표(2)와 같은 수치를 갖는 구조를 갖는다. 표(1)에서, 각 렌즈의 입사면은 R1으로 표시하고, 출사면은 R2로 표시하고 있다. 또한, 면간 거리(d)는 바로 다음에 있는 광학면과의 거리를 나타낸다.

상기 표(2)에서, 위상항 계수란 콜리메이팅 렌즈(60) 및 실린더 렌즈(80)의 회절면에 형성된 회절 격자의 형태를 결정하는 위상함수 Ψ(r)의 계수로서, 위상함수 Ψ(r)는 일반적으로 다음의 수학식(5)와 같이 정의된다.

상기 수학식(5)에 의해 정의된 위상함수 Ψ(r)의 원점은 렌즈와 광축의 교점에 설정되며, z-축은 광축 방향이고, x-축은 부주사 평면에서 광축에 수직한 방향이며, y-축은 주주사 평면에서 광축에 수직한 축이다. 또한, m은 임의의 정수를 의미한다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 광주사장치가 표(1) 및 표(2)에 예시된 것과 같은 구조를 갖는 경우, 광주사장치 주변의 온도가 35℃~55℃로 바뀔 때, Δλ = 5nm, λ0 = 793nm(35℃ 기준), n0 = 1.5261, Δnλ = 0.0002, Δnt = 0.001984 이므로, φdm/φrm = 0.65 이고 φds/φrs = -1.7 이다. 따라서, 상술한 조건을 만족할 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 제 1 실시예에 광주사장치에서의 온도 변화에 따른 초점거리의 변화를 나타내는 그래프로서, 도 5a는 주주사 방향의 초점거리 변화를 나타내고, 도 5b는 부주사 방향의 초점거리 변화를 나타낸다. 도 5a 및 도 5b를 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광주사장치의 경우 온도에 따른 초점거리의 편차가 크지 않다.

한편, 도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광주사장치에서 온도에 따른 초점거리의 변화를 보상하기 위한 렌즈 구성을 도시한다. 도 3에 도시된 제 1 실시예와 비교할 때, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 구조에서는, 실린더 렌즈(80)가 음의 파워를 갖는다는 점에서는 동일하지만, 회절면이 콜리메이팅 렌즈(60)의 출사면에만 형성되어 있다는 점에서는 차이가 있다. 즉, 제 2 실시예에서는, 제 1 실시예의 실린더 렌즈(80)의 출사면에 형성될 회절면을 콜리메이팅 렌즈(60)의 회절면(64)에 중첩시킴으로써, 거의 동일한 보상 성능을 유지하는 동시에 실린더 렌즈(80)의 형태를 보다 단순화 할 수 있다. 도 4에 도시된 제 2 실시예의 경우에도, 상술한 수학식과 조건들은 동일하게 적용된다.

아래의 표(3) 및 표(4)는 상술한 조건들과 수학식을 만족하는 제 2 실시예에 따른 광주사장치의 구체적인 구조를 예시적으로 나타낸다.

본 발명의 제 2 실시예에 따른 광주사장치가 표(3) 및 표(4)에 예시된 것과 같은 구조를 갖는 경우, 광주사장치 주변의 온도가 35℃~55℃로 바뀔 때, Δλ = 5nm, λ0 = 793nm(35℃ 기준), n0 = 1.5261, Δnλ = 0.0002, Δnt = 0.001984 이므로, φdm/φrm =0.6 이고 φds/φrs = -2.16 이다. 따라서, 상술한 조건을 만족할 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 표(3) 및 표(4)에 나타난 수치를 갖는 제 2 실시예에 따른 광주사장치에서의 온도 변화에 따른 초점거리의 변화를 나타내는 그래프로서, 도 6a는 주주사 방향의 초점거리 변화를 나타내고, 도 6b는 부주사 방향의 초점거리 변화를 나타낸다. 도 6a 및 도 6b를 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광주사장치의 경우, 온도에 따른 초점거리의 편차는 제 1 실시예의 경우 보다 더 작다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광주사장치의 경우, 온도 변화에 따른 굴절률 변화와 파장 변동으로 인한 주주사 방향 및 부주사 방향의 초점 변동이, 콜리메이팅 렌즈에서 뿐만 아니라 광주사장치 전체적으로 효율적으로 보정될 수 있다. 따라서, 감광면에 결상되는 빔의 스폿 사이즈가 온도 변화에 의한 영향을 거의 받지 않으며, 주주사 방향으로 균일한 스폿 사이즈를 얻을 수 있다.

또한, 온도 변화에 의한 초점 거리 변화를 거의 완전하게 보정할 수 있으므로, 열팽창율이 비교적 큰 플라스틱 재료로 콜리메이팅 렌즈 및 실리콘 렌즈와 같은 광학소자를 제조하는 것이 가능하다. 따라서, 저렴하고 설계가 용이한 광주사장치를 제공할 수 있다.

Claims (5)

1. 광원; 상기 광원으로부터 출사한 광빔을 평행빔으로 변환하는 콜리메이팅 렌즈; 평행빔을 부주사 방향으로 수렴시키는 실린더 렌즈; 수렴된 광빔을 주주사 방향으로 편향하는 빔편향 미러; 및 상기 빔편향 미러에 의해 편향되는 광빔을 피주사면상에 결상시키는 에프-세타 렌즈를 구비하는 광주사장치에 있어서,

   상기 콜리메이팅 렌즈의 입사면은 굴절면이고 출사면은 회절면이며,

   상기 실린더 렌즈의 입사면은 부주사 방향으로 음(-)의 파워를 갖는 굴절면이며,

   온도변화에 의하여 주주사 방향으로 초점 변동이 발생하지 않도록, 주주사 방향의 굴절면들의 총 파워(φrm)에 대한 주주사 방향의 회절면들의 총 파워(φdm)의 비(φdm/φrm)는 0.5 < φdm/φrm < 1 을 만족하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 광주사 장치.
2. 광원; 상기 광원으로부터 출사한 광빔을 평행빔으로 변환하는 콜리메이팅 렌즈; 평행빔을 부주사 방향으로 수렴시키는 실린더 렌즈; 수렴된 광빔을 주주사 방향으로 편향하는 빔편향 미러; 및 상기 빔편향 미러에 의해 편향되는 광빔을 피주사면상에 결상시키는 에프-세타 렌즈를 구비하는 광주사장치에 있어서,

   상기 콜리메이팅 렌즈의 입사면은 굴절면이고 출사면은 회절면이며,

   상기 실린더 렌즈의 입사면은 부주사 방향으로 음(-)의 파워를 갖는 굴절면이며,

   상기 실린더 렌즈의 출사면이 회절면인 것을 특징으로 하는 광주사장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   온도변화에 의하여 주주사 방향으로 초점 변동이 발생하지 않도록, 주주사 방향의 굴절면들의 총 파워(φrm)에 대한 주주사 방향의 회절면들의 총 파워(φdm)의 비(φdm/φrm)는 0.5 < φdm/φrm < 1 을 만족하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 광주사 장치.
4. 제1항 또는 제 3 항에 있어서,

   온도변화에 의하여 부주사 방향으로 초점 변동이 발생하지 않도록, 부주사 방향의 굴절면들의 총 파워(φrs)에 대한 부주사 방향의 회절면들의 총 파워(φds)의 비(φds/φrs)는 -3 < φds/φrs < -1.5 를 만족하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 광주사 장치.
5. 제1항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 콜리메이팅 렌즈와 실린더 렌즈는 각각 플라스틱으로 성형된 것을 특징으로 하는 광주사장치.

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