KR20000026440A - 레이저 스캐닝 유니트 - Google Patents

Abstract

레이저 스캐닝 유니트를 간단하게 구성하여 조립 및 조정을 손쉽게 할 수 있도록 fθ 렌즈를 단순결상기능을 갖는 일반 구면렌즈로 대체하고, 레이저 빔 스폿의 크기가 동일하게 주사되어 등속주사의 효과를 발생할 수 있도록 레이저 빔 스폿이 온되는 시간을 비선형적으로 제어하는 레이저 다이오드 구동회로 제어부를 포함하는 레이저 스캐닝 유니트를 제공한다.

본 발명은 입력화상의 비디오신호에 따라 레이저 다이오드(LD)로부터 방출되는 레이저 빔을 감광드럼에 결상시키고, 감광드럼에 형성되는 잠상을 종이에 전사함으로써 화상이미지를 재현하는 레이저 프린터에 있어서: 비디오신호의 주파수에 맞춰 온되어 감광드럼의 표면을 스캔하는 레이저 빔을 방출하는 레이저 다이오드를 제어하여 레이저 빔이 온되는 시간을 보정하는 레이저 다이오드 구동회로 제어부와, 레이저 다이오드 구동회로 제어부의 제어에 따라 레이저 다이오드로부터 방출되는 레이저 빔을 평행광으로 집속시키는 콜리메이터 렌즈와, 콜리메이터 렌즈에서 집숙된 광을 감광드럼의 소정 위치로 편향시키기 위해 일정속도로 회전하는 측부에 경면을 갖는 다각형 형상을 갖는 폴리곤 미러와, 폴리곤 미러에서 편향된 레이저 빔을 감광드럼에 결상시키는 결상 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 스캐닝 유니트

본 발명은 레이저 스캐닝 유니트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 스캐닝 유니트의 fθ렌즈를 단순결상기능을 갖는 일반 구면렌즈로 대체하고, 입력화상의 비디오신호에 대응하여 주사되는 레이저 빔 스폿의 크기가 동일하도록 레이저 빔이 온되는 시간을 비선형적으로 제어하여 등속으로 주사되는 효과를 얻을 수 있는 레이저 다이오드 구동회로 제어부를 구비한 레이저 스캐닝 유니트에 관한 것이다.

일반적으로, 레이저 프린터는 비디오신호에 의해 레이저 다이오드로부터 방출되는 레이저 빔을 감광드럼에 결상시키고, 감광드럼에 형성되는 잠상을 종이등의 매개체에 전사함으로써 화상이미지를 재현하는 장치이다.

이러한 레이저 프린터에서 레이저 빔을 발생시켜 감광드럼상에 결상시키는 종래의 레이저 스캐닝 유니트의 구성을 도 1을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

도면에서와 같이, 광원으로 사용되는 레이저 빔을 출사시키는 레이저 다이오드(100)와; 레이저 다이오드(100)에서 출사된 레이저 빔을 광축에 대해 평행 광으로 만들어주는 콜리메이터 렌즈(101)와; 콜리메이터 렌즈(101)를 통한 평행 광을 부주사 방향에 대해 수평방향의 선형 광으로 만들어주는 실린더 렌즈(102)와; 실린더 렌즈(102)를 통한 수평방향의 선형 광을 등선속도로 이동시켜 스캐닝하는 폴리곤 미러(103)와; 폴리곤 미러(103)를 등선속도로 회전시키는 폴리곤 미러 구동용 모터(104)와; 광축에 대해 일정한 음의 굴절률을 갖고 폴리곤 미러(103)를 통한 등선속도의 광을 주 스캐닝 방향으로 편광 시키고 구면수차를 보정하여 스캐닝 면상에 포커스를 맞추어 주는 fθ 렌즈(105)와; fθ 렌즈(105)를 통한 레이저 빔을 수직으로 반사시켜 결상면인 감광드럼(107)의 표면에 점상으로 결상시키는 결상용 반사미러(106)와; fθ 렌즈(105)를 통한 레이저 빔을 수평방향으로 반사시켜 주는 수평동기 미러(108)와; 수평동기 미러(108)에서 반사된 레이저 빔을 수광하여 동기를 맞추어 주기 위한 광센서(109)로 구성된다.

여기서 fθ 렌즈(105)는, 폴리곤 미러(103)에서 등선속도로 굴절된 레이저 빔을 집속하여 편광시키는 구면수차 보정용 구면렌즈(105a); 및 구면렌즈(105a)를 통해 구면수차가 보정된 레이저 빔을 일정한 굴절률을 갖고 주 스캐닝 방향으로 편광시켜 주는 토릭렌즈(Toric Lens)(105b)를 포함한다. 이러한 fθ 렌즈는 레이저 프린터의 해상도가 고해상도일수록 구성이 복잡해지며 렌즈를 구성하는 매수도 증가하게 된다.

이러한 레이저 프린터에서 감광체에 초점을 맺도록 직선 주사시키는 것과 레이저 빔을 등속 주사시키는 것이 중요한 기술로 알려져 있다. 왜냐하면, 폴리곤미러를 통해 주사된 레이저 빔이 초점면에서 원호를 형성하는 것은 감광드럼상에 직진 초점면을 형성시키지 못하기 때문이며, 이에 따라 등속 회전하는 폴리곤미러를 통한 레이저 빔은 감광드럼 상에서 등속 주사되지 않으므로 프린팅에서 심한 왜곡이 발생된다.

이를 좀더 구체적으로 도 2를 참조하여 설명하면, 일반 구면렌즈에서 초점거리를 f라 하고, 광선과 광축이 이루는 각을 θ라 할 때 무한원점에 있는 물체의 상높이(H) = f·tanθ로 된다.

여기서, 레이저 프린터에서 폴리곤미러가 항상 일정한 각속도(등각속도)로 회전하고 있을 때(각속도: 회전의 중심과 물체의 연결한 선분이 기선과 이루는 각의 시각적 변환율) 상높이(H)는 광선과 광축이 이루는 각(θ)이 0일 때, 초점거리(f)와 관계없이 0이 된다. 그러나, 광선과 광축이 이루는 각(θ)이 커진다는 것은 광축으로부터 멀어진다는 뜻이므로 tanθ의 값이 커져서 H = f·tanθ의 관계에 의해 상높이(H)는 커진다. 이때 주사속도는 주기(T) = H/V(V:주사속도, H:상높이)의 관계에서 V = dl/dt(dl:상높이의 변화량, dt:시간의 변화량)로 정의할 수 있으므로, 로 된다. 따라서, 감광드럼 표면의 각 위치에서의 레이저 빔 스폿의 주사속도는 하기의 수학식 1과 같다.

V_i= f·ω·sec²(ω·t_i)

t_i: 1 스폿 스캔 시간

f : 결상렌즈의 초점거리

ω : 폴리곤미러의 회전주파수

상기의 수학식 1에서와 같이, 레이저 빔 스폿의 주사속도는 주주사방향에 있어서, 결상렌즈의 초점거리가 멀수록, 즉 주사각도가 커질수록 주사속도가 빨라지게 되어 스캔 중심에 비해 양끝부부분이 큰 포물선궤도를 그리게 된다(도 6a 참조).

따라서, 폴리곤미러에서 반사된 레이저 빔이 감광드럼에서의 주사위치가 등거리가 되도록 보정할 필요가 있는데, 이를 fθ 보정이라고 한다.

종래의 fθ 보정은 fθ특성을 얻는 fθ 렌즈가 사용되었는데, 재료비의 절감 및 조립의 단순성을 위해 비구면등의 복잡한 면을 갖는 적은수의 렌즈로 fθ 렌즈를 구성하고 있다. 일례로 미국특허공보 5,631,763에서는 한면이 토릭형상을 갖는 두 매의 렌즈로 fθ 렌즈를 구성하고 있으며, 미국특허공보 5,640,265에서는 비구면렌즈 한매와 원통형렌즈 한매로 이루어지는 두 매의 렌즈로 fθ 렌즈를 구성하고, 한국특허공보 94-32729에서는 양면이 비구면으로 된 한매의 렌즈로 fθ 렌즈를 구성하기도 한다.

그러나, 이와 같은 종래의 레이저 스캐닝 유니트의 fθ 렌즈는 면구성이 간단할수록 렌즈의 매수가 증가하게 되며, 재료비의 증가 및 조립, 조정이 복잡해지는 문제점이 있다. 또한 1-2매 정도의 렌즈로 fθ 렌즈를 구성할 경우에는 그 면의 형상이 복잡해져서 고도의 정밀가공과 설계기술이 필요한 문제점이 발생한다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 레이저 스캐닝 유니트를 간단하게 구성하여 조립 및 조정을 손쉽게 할 수 있도록 fθ 렌즈를 단순결상기능을 갖는 일반 구면렌즈로 대체하고, 레이저 빔 스폿의 크기가 동일하게 주사되어 등속주사의 효과를 발생할 수 있도록 레이저 빔 스폿이 온되는 시간을 비선형적으로 제어하는 레이저 다이오드 구동회로 제어부를 포함하는 레이저 스캐닝 유니트를 제공함에 있다.

도 1은 종래의 레이저 스캐닝 유니트를 나타낸 사시도,

도 2는 레이저 프린터의 스캐닝 시스템도,

도 3은 본 발명에 따른 레이저 스캐닝 유니트를 나타낸 사시도,

도 4는 도 3에서의 레이저 다이오드 구동회로 제어부의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도,

도 5는 비디오신호에 따라 감광드럼에 주사되는 레이저 빔 스폿을 도시한 도면,

도 6a는 주주사방향에 따라 감광드럼을 스캔하는 레이저 빔 스폿의 속도변화를 나타낸 그래프,

도 6b는 주주사방향에 따라 레이저 빔 스폿이 온되는 시간을 저장하고 있는 룩-업 테이블의 타이밍 데이터를 나타낸 그래프,

도 6c는 도 4의 레이저 다이오드 구동회로 제어부에 따라 보정된 레이저 빔 스폿의 크기를 나타낸 그래프이다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

200 : 레이저 다이오드 201 : 콜리메이터렌즈

202 : 폴리곤미러 203 : 결상렌즈

204 : 반사미러 205 : 폴리곤미러 구동용 모터

206 : 동기신호 검출센서 207 : 감광드럼

이와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 입력화상의 비디오신호에 따라 레이저 다이오드(LD)로부터 방출되는 레이저 빔을 감광드럼에 결상시키고, 감광드럼에 형성되는 잠상을 종이에 전사함으로써 화상이미지를 재현하는 레이저 프린터에 있어서: 비디오신호의 주파수에 맞춰 온되어 감광드럼의 표면을 스캔하는 레이저 빔을 방출하는 레이저 다이오드를 제어하여 레이저 빔이 온되는 시간을 보정하는 레이저 다이오드 구동회로 제어부와, 레이저 다이오드 구동회로 제어부의 제어에 따라 레이저 다이오드로부터 방출되는 레이저 빔을 평행광으로 집속시키는 콜리메이터 렌즈와, 콜리메이터 렌즈에서 집숙된 광을 감광드럼의 소정 위치로 편향시키기 위해 일정속도로 회전하는 측부에 경면을 갖는 다각형 형상을 갖는 폴리곤 미러와, 폴리곤 미러에서 편향된 레이저 빔을 감광드럼에 결상시키는 결상 렌즈를 포함하는 것에 있다.

바람직하게, 레이저 다이오드 구동회로 제어부는 감광드럼에 주사되는 레이저 빔 스폿의 크기를 동일하게 하기 위하여 레이저 빔이 감광드럼의 각 위치에 주사되는 속도에 대응하여 레이저 빔의 한 스폿이 온되는 시간을 저장하고 있는 룩-업 테이블과, 입력화상의 비디오신호에 대응하여 룩-업 테이블에 저장된 타이밍 데이터(timing data)를 적용하는 멀티플렉서로 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 결상렌즈는 레이저 다이오드에서 주사되어 평행광으로 집속된 레이저 빔을 감광드럼의 표면에 결상시킬 수 있도록 폴리곤 미러와 감광드럼의 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 결상렌즈는 레이저 다이오드에서 주사되어 평행광으로 집속된 레이저 빔을 감광드럼의 표면에 결상시킬 수 있도록 콜리메이터 렌즈와 폴리곤 미러의 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 결상렌즈는 하나의 구면렌즈로 이루어진 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 룩-업 테이블에 저장된 레이저 빔 스폿이 온되는 시간은 LUT(t_i) = cos²(ω·t_i)/(f·ω)인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3에는 본 발명에 따른 레이저 스캐닝 유니트를 나타낸 사시도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3에서의 레이저 다이오드 구동회로 제어부의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도가 도시되어 있으며, 도 5에는 비디오신호에 따라 감광드럼에 주사되는 레이저 빔 스폿을 도시한 도면이 도시되어 있고, 도 6a에는 주주사방향에 따라 감광드럼을 스캔하는 레이저 빔 스폿의 속도변화를 나타낸 그래프가 도시되어 있으며, 도 6b에는 주주사방향에 따라 레이저 빔 스폿이 온되는 시간을 저장하고 있는 룩-업 테이블의 타이밍 데이터를 나타낸 그래프가 도시되어 있고, 도 6c에는 도 4의 레이저 다이오드 구동회로 제어부에 따라 보정된 레이저 빔 스폿의 크기를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.

본 발명에 의한 레이저 스캐닝 유니트의 구성 및 동작을 첨부도면을 참조하여 살펴보기로 한다. 본 발명의 구성을 설명함에 있어서, 종래의 공지 기능 혹은 구성에 대한 중복된 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 레이저 스캐닝 유니트는 레이저 다이오드(200), 콜리메이터렌즈(201), 폴리곤미러(202), 결상렌즈(203), 반사미러(204), 레이저 다이오드 구동회로부(미도시), 폴리곤미러 구동용 모터(205) 및 그 구동부(미도시), 레이저 다이오드 구동회로 제어부, 동기신호 검출센서(206) 및 그 제어부(미도시) 등으로 구성된다.

입력화상의 비디오신호에 따라 레이저 다이오드(200)에서 방출된 레이저 빔이 감광드럼(207)상에 결상되는 과정은 종래의 레이저 스캐닝 유니트와 동일하지만, 레이저 빔을 감광드럼상에 결상시키는 결상렌즈(203)는 종래의 fθ렌즈를 대신하여 단순결상기능을 갖는 간단한 1매의 구면렌즈로 구성된다.

이때 결상렌즈(203)는 콜리메이터렌즈(201)에 의해서 평행광으로 집속된 레이저 빔을 감광드럼(207)에 결상시키는 단순한 역할만을 하기 때문에 레이저 다이오드(200)에서 입력화상 비디오신호의 온/오프 주파수에 맞춰 일정한 주파수로 온/오프되어 감광드럼의 표면에 주사되는 레이저 빔 스폿은 도 4에서와 같이 이상적인 크기에 비해 감광드럼의 양끝으로 갈수록 그 크기가 커지게 되어 결과적으로 주주사방향으로의 해상도 변화 및 이에 따른 화질열화를 일으키게 된다.

이와 같은 해상도 변화 및 화질열화를 방지하기 위하여 레이저 다이오드 구동회로 제어부의 전자회로 수단에 의해 레이저 빔 스폿의 크기는 감광드럼상에서 모두 동일한 크기를 가지며, 결과적으로 등속주사를 수행한 효과가 발생된다. 레이저 다이오드 구동회로 제어부는 도 3에서와 같이 룩-업 테이블(Look Up Table; 이하 LUT라 함)과 멀티플렉서로 구성된다.

LUT에는 레이저 빔 스폿이 감광드럼의 표면을 스캔하는 속도에 대응하여 감광드럼 표면에 주사되는 레이저 빔의 주주사방향을 따라 레이저 빔의 한 스폿이 온 되는 시간을 저장하고 있다. 여기서, 주주사방향은 감광드럼에서 레이저 빔이 스캔하는 방향을 의미한다.

LUT에 저장되어 있는 타이밍 데이터의 구성을 상기의 수학식 1을 참조하여 살펴보기로 한다.

여기서, 레이저 빔의 한 스폿이 스캔하는 구간은 수학식 1의 주사속도에 한 스폿의 스캔시간을 곱한 길이가 된다. 따라서, 스캔구간이 일정하게 되기 위해서는 스캔시간, 즉 한 스폿의 온되는 시간을 비선형적으로 제어하여야 한다.

즉, 레이저 빔의 한 스폿이 스캔하는 구간 = 수학식 1의 주사속도 × 한 스폿의 스캔시간이다. 스캔구간이 일정하게 되기 위해서 아래와 같은 식이 성립된다.

t_i= 1/{f·ω·sec²(ω·t_i)} = cos²(ω·t_i)/(f·ω)

상기의 수학식 2에 따라서 감광드럼 표면의 각 위치에서의 LUT의 타이밍 데이터는 다음과 같이 구성된다.

LUT(t₁) = cos²(ω·t₁)/(f·ω)

LUT(t₂) = cos²(ω·t₂)/(f·ω)

LUT(t₃) = cos²(ω·t₃)/(f·ω)

· · ·

LUT(t_n) = cos²(ω·t_n)/(f·ω)

따라서, LUT에 저장되어 있는 타이밍 데이터는 주주사방향에 따라 감광드럼을 스캔하는 레이저 빔 스폿의 속도변화(수학식 1)에 대칭적으로, 수학식 2의 수식에 따라 주주사방향에 따라 레이저 빔 스폿이 온되는 시간이 감광드럼의 각 위치에 대응하여 저장하고 있는데, 레이저 빔 스폿이 온되는 시간은 스캔구간의 중심에서는 길고, 양끝 구간으로 갈수록 레이저 빔 스폿이 온되는 시간이 짧다(도 6b 참조).

비디오 컨트롤러에서 입력화상의 비디오신호가 입력되면, 레이저 다이오드 구동회로 제어부의 멀티플렉서는 입력된 비디오신호에 대응하여 LUT에 저장된 타이밍 데이터에서 해당 레이저 빔 스폿의 온되는 시간을 검출하고, 검출된 레이저 빔 스폿의 온되는 시간을 레이저 다이오드(200)로 출력하여 레이저 다이오드(200)에서 방출하는 레이저 빔을 제어한다.

이와 같이 레이저 다이오드(200)에서 방출된 레이저 빔은 종래와 동일한 방법으로 감광드럼에 주사되는데, 주주사방향을 따라서 방출되는 레이저 빔의 한 스폿이 온되는 시간을 비선형적으로 제어함으로써 감광드럼 표면에서 레이저 빔 스폿의 크기를 일정하게 유지할 수 있으므로, 결과적으로 등속으로 주사되는 효과가 발생된다(도 6c 참조).

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 스캐닝 유니트에 의하면 fθ렌즈의 기능을 일반 구면렌즈로 대체하고, 레이저 빔 스폿의 크기가 동일하게 감광드럼에 주사되도록 레이저 빔 스폿의 온되는 시간을 제어함으로써, 결상렌즈의 조립 및 조정이 간편해지는 이점이 있다.

Claims (6)

1. 입력화상의 비디오신호에 따라 레이저 다이오드(LD)로부터 방출되는 레이저 빔을 감광드럼에 결상시키고, 상기 감광드럼에 형성되는 잠상을 종이에 전사함으로써 화상이미지를 재현하는 레이저 프린터에 있어서:

   상기 비디오신호의 주파수에 맞춰 온되어 상기 감광드럼의 표면을 스캔하는 레이저 빔을 방출하는 상기 레이저 다이오드를 제어하여 상기 레이저 빔이 온되는 시간을 보정하는 레이저 다이오드 구동회로 제어부와;

   상기 레이저 다이오드 구동회로 제어부의 제어에 따라 상기 레이저 다이오드로부터 방출되는 레이저 빔을 평행광으로 집속시키는 콜리메이터 렌즈와;

   상기 콜리메이터 렌즈에서 집숙된 광을 상기 감광드럼의 소정 위치로 편향시키기 위해 일정속도로 회전하는 측부에 경면을 갖는 다각형 형상을 갖는 폴리곤 미러와;

   상기 폴리곤 미러에서 편향된 상기 레이저 빔을 상기 감광드럼에 결상시키는 결상 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캐닝 유니트.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 다이오드 구동회로 제어부는,

   상기 감광드럼에 주사되는 상기 레이저 빔 스폿의 크기를 동일하게 하기 위하여 상기 레이저 빔이 상기 감광드럼의 각 위치에 주사되는 속도에 대응하여 상기 레이저 빔의 한 스폿이 온되는 시간을 저장하고 있는 룩-업 테이블과;

   상기 입력화상의 비디오신호에 대응하여 상기 룩-업 테이블에 저장된 타이밍 데이터(timing data)를 적용하는 멀티플렉서로 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 스캐닝 유니트.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 결상렌즈는,

   상기 레이저 다이오드에서 주사되어 평행광으로 집속된 상기 레이저 빔을 상기 감광드럼의 표면에 결상시킬 수 있도록 상기 폴리곤 미러와 상기 감광드럼의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캐닝 유니트.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 결상렌즈는,

   상기 레이저 다이오드에서 주사되어 평행광으로 집속된 상기 레이저 빔을 상기 감광드럼의 표면에 결상시킬 수 있도록 상기 콜리메이터 렌즈와 상기 폴리곤 미러의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캐닝 유니트.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 결상렌즈는,

   하나의 구면렌즈로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 스캐닝 유니트.
6. 제 2 항에 있어서, 상기 룩-업 테이블에 저장된 레이저 빔 스폿이 온되는 시간은 LUT(t_i) = cos²(ω·t_i)/(f·ω)인 것을 특징으로 하는 레이저 스캐닝 유니트.