KR20040027267A - 광 주사장치 - Google Patents

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Abstract

광 주사장치가 개시된다. 개시된 광 주사장치는 주 주사방향에 대하여 접합면이 경사지도록 설치된 멀티 빔 반도체 레이저와 광원으로부터 광다발을 집속시키기 위하여 주 주사방향에서만 슬릿과의 사이에서 광 다발의 초점을 맺도록 하는 아나몰픽한면 형상을 적어도 한 면에 가진 블록렌즈로 이루어진 제 1렌즈와, 제 1렌즈를 투과한 광 다발을 폴리곤 미러의 편향면으로 이끌기 위하여 주 주사방향에서 광다발을 평행광 다발 또는 집속광 다발로 만드는 실린드리컬 렌즈로 이루어진 제 2렌즈를 구비한다. 이와 같은 구성에 의하면, 레이저 파워 손실이 적은 고속의 광 주사장치를 실현할 수 있는 효과가 있다.

Description

광 주사장치{Laser scanning apparatus}
본 발명은 디지털 복사기, 레이저 프린터 등에 사용되기에 적합한 광 주사장치에 관한 것이다.
일반적으로, 디지털 복사기나 레이저 프린터 등에 사용되고 있는 광 주사장치는 반도체 레이저광원으로부터 조사되는 발산성 광 다발을 콜리메이팅 렌즈에 의해 평행광 다발 또는 집속광 다발로 만든 다음, 광 다발을 폴리곤미러에 의해 주사시키면서 복수의 광학렌즈, 미러 등을 통하여 감광체 상에 상을 맺도록 하고 있다.
최근에는, 레이저 빔 프린터의 고속화를 도모하기 위하여 멀티 빔 레이저를 이용하여 기록을 행하는 방식이 이용되고 있다. 이러한 방식의 광원으로는 복수의 발광점이 모노리식(monolithic)하게 형성된 반도체 레이저(이하, LD라 칭함)가 있다. 이러한 모노리식 멀티 빔 LD는 일반적으로 발광점의 간격이 넓은 것이 많다.
특히, 가시광 타입인 것은 발광점 간격을 70 ∼ 100 ㎛ 보다 좁게 하는 것이 제조상 어렵다는 것이 일본 특허 등록번호 제 2554724호(공개번호 특개평 제 01-250922호)에 개시되어 있다.
이와 같이 발광점 간격이 넓은 모노리식 멀티 빔 LD를 사용한 경우 그 설치방법에 의해 여러 문제점들이 발생한다.
먼저, 도 1은 반도체 레이저의 접합면을 주 주사방향에 대하여 수직으로 하여 사용한 경우를 나타낸 설명도이다.
도 1을 참조하면, LD의 접합면을 주 주사방향(폴리곤 미러에 의해 주사되는 방향)에 대하여 수직으로 하여 사용한 경우, 부 주사방향 파워가 큰 주사렌즈에 있어서 화상면 왜곡의 원인이 되어 고도의 광학성능을 얻을 수 없다는 문제점이 있다.
이러한 광 주사장치에 있어서, 폴리곤 미러면의 기울어짐을 보정하기 위하여 LD 발광점과 폴리곤 미러면을 부 주사방향(주 주사방향과 수직인 방향)에서 광학적으로 공액함수(conjugate function)로 만드는데, 일반적으로 확대배율(2 ∼ 10 배정도)이므로 폴리곤 미러면 상에서의 빔 간격이 LD면상보다 넓어지게 된다.
이와 같이 이격된 각 발광점을 다시 주사렌즈에 의해 감광체에 결상시키기 때문에, 부 주사방향에서 파워가 큰 주사렌즈를 사용한 경우 화상 만곡 등의 수차를 발생시키기 쉽다는 문제점이 있다.
또한, 부 주사방향에서 파워가 작은 주사렌즈를 사용하면 수차를 억제하는 것이 가능하나, 초점거리가 길어지고 광학계의 대형화를 초래하기 쉽다. 그리고, LD와 폴리곤 미러면과의 공액배율을 작게 하면 동일한 수차 감소효과가 있지만, 광 이용 효율이 작아지므로 이러한 면에서 고속주사에는 적합하지 않다.
다음으로, 도 2는 반도체 레이저의 접합면을 주 주사방향에 대하여 경사지도록 하여 설치한 경우를 나타낸 설명도이다.
도 2를 참조하면, LD의 접합면을 주 주사방향에 대하여 경사지도록 설치하면, LD의 빔 퍼짐각이 접합면을 수평한 방향보다 수직한 방향에서 크기 때문에 콜리메이팅렌즈 통과 후에 빔 현상이 세로가 긴 타원이 된다.
일반적으로, 광 주사장치에서는 콜리메이팅렌즈 통과 후에 가로가 긴 개구를 갖는 슬릿을 배치하고, 그 회절효과에 의해 빔 정형을 행하고 있는데, 슬릿에 입사되는 빔은 슬릿 개구 단부에서 충분히 큰 광 세기를 가질 필요가 있다.
그러나, 상기한 바와 같이, 입사 빔이 세로가 긴 경우, 콜리메이팅렌즈의 초점거리를 길게 하고, 빔 형상을 확대하지 않으면 슬릿 개구단부에서 충분히 큰 광 세기를 얻을 수 없다.
따라서, 슬릿 통과 시에 레이저 파워를 크게 잃게 되는 문제점이 있다. 또한, 콜리메이팅렌즈 뒤에 빔을 정형하는 광학소자를 삽입하면 해결되는데, 부품수의 증가에 의해 비용이 상승하게 된다.
본 발명은 상기 문제점을 감안한 것으로, 모노리식 멀티 빔 반도체 레이저를 광원에 사용하여도 슬릿 투과율의 저하를 막을 수 있고 부품 수의 증가를 초래하지 않는 광 주사장치를 제공함에 그 목적으로 한다.
도 1은 반도체 레이저(LD)의 접합면을 주 주사방향에 대하여 수직으로 하여 사용한 경우를 나타낸 설명도,
도 2는 반도체 레이저(LD)의 접합면을 주 주사방향에 대하여 경사지도록 하여 설치한 경우를 나타낸 설명도,
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광 주사장치에서, 광주사평면(주 주사방향을 포함하는 평면)에서의 광경로 및 구성을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광 주사장치에서, 부주사평면(부 주사방향을 포함하는 평면)에서의 광 경로 및 구성을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광 주사장치의 제 1렌즈의 외형을 나타낸 사시도,
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 비구면식에서의 좌표계를 설명하는 도면,
도 7은 종래 예에서 슬릿입사 시 빔 직경과 슬릿의 개구형상과의 관계를 나타낸 설명도,
도 8은 본 발명에서 슬릿입사 시 빔 직경과 슬릿의 개구형상과의 관계를 나타낸 설명도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1...광원2...슬릿
L1...제1렌즈L2...제2렌즈
F...제 1렌즈의 평면부
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명인 광주사장치는 모노리식한 멀티 빔 반도체 레이저(LD)의 광원으로부터 출사되는 광 다발을 폴리곤 미러에서 주 주사방향으로 주사시키는 광 주사장치에 있어서, 상기 광원으로부터 광 다발을 집속시키는 제 1렌즈 및 상기 제 1렌즈를 투과한 광 다발을 상기 폴리곤 미러의 편향면으로 이끄는 제 2렌즈를 구비하고, 상기 멀티 빔 반도체 레이저는 주 주사방향에 대하여 접합면이 경사지도록 설치되고, 상기 제 1렌즈는 주 주사방향에서만 상기 슬릿과의 사이에서 광 다발의 초점을 맺도록 하는 아나몰픽한 면 형상을 적어도 한 면에 가진 볼록렌즈이고, 상기 제 2렌즈는 주 주사방향에서 광다발을 평행광 다발 또는 집속광 다발로 만드는 실린드리컬 렌즈이다.
본 발명에 따르면, 상기 제 1렌즈는 부 주사방향에서 광 다발을 상기 제 2렌즈를 통하여 상기 편향면에 집속시키는 면 형상을 가진다.
본 발명에 따르면, 상기 제 1렌즈는 설치할 때 위치결정을 하기 위한 평면부를 가진다.
본 발명에 따르면, 상기 제 2렌즈는 곡면이 비구면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광 주사장치에서, 광주사평면(주 주사방향을 포함하는 평면)에서의 광 경로 및 구성을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광 주사장치에서, 부 주사평면(부 주사방향을 포함하는 평면)에서의 광 경로 및 구성을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광 주사장치의 제 1렌즈의 외형을 나타낸 사시도이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 비구면식에서의 좌표계를 설명하는도면이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 레이저 프린터 등에 사용되는 광 주사장치는 모노리식(monolithic) 멀티 빔 LD의 광원(1)으로부터 출사되는 광 다발을 폴리곤미러(3)에서 주 주사방향(도 4의 화살표 방향)으로 주사시키고, Fθ렌즈(미도시)를 통하여 감광체(미도시)에 입사시킨다.
상기 광 주사장치는 상기 광원(1)으로부터의 광 다발을 집속시키는 제1렌즈(L1), 상기 제 1렌즈(L1)를 투과한 광 다발의 빔 형상을 정형하는 슬릿(2) 및 상기 제 1렌즈(L1)를 투과한 광 다발을 상기 폴리곤 미러(3)의 편향면으로 이끄는 제 2렌즈(L2)를 구비하고 있다.
상기 슬릿(2)은 상기 제 2렌즈(L2)의 입사면상에 설치하고 있으며, 그 개구형상은 주 주사방향이 3.2mm, 부 주사방향이 1.1mm 인 타원이다.
상기 광원(1)은 주 주사방향(주 주사방향을 포함하는 평면)에 대하여 접합면을 거의 수평상태에서 약간 경사지도록 즉, 수평에 가까운 예각인 교차각으로 경사지도록 설치된 모노리식 2빔 반도체 레이저로서, 그 퍼짐각(반치전각)은 주 주사방향에서 10도, 부 주사방향에서 30도, 발광점 간격은 100㎛, 발진파장은 650nm이다.
상기 제 1렌즈(L1)는 주 주사방향에서만 상기 슬릿(2)과의 사이에서 광 다발의 초점을 맺도록 하는 아나몰픽(anamorphic)한 면 형상을 적어도 한 면에 가진 볼록렌즈로서, 부 주사방향(부 주사방향을 포함하는 평면)에서 광 다발을 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제 2렌즈(L2)를 통하여 편향면에 집광시키는 면 형상을 갖는다. 또한, 상기 제 1렌즈(L1)는 환경변동 시의 성능변화를 고려하여 유리(glass)인것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1렌즈(L1)는 상기 슬릿(2)측의 면만이 아나몰픽한 면 형상으로 되어 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이, 설치할 때 위치결정을 하기 위한 평면부(F)를 가지고 있다.
상기 제 2렌즈(L2)는 도 3에 도시된 바와 같이, 주 주사방향에서 광다발을 평행광 다발로 만드는 프라스틱제의 실린드리컬(cylindrical) 렌즈이다. 또한, 상기 제 2렌즈(L2)는 곡면이 비구면이다.
상기 제 1렌즈(L1) 및 제 2렌즈(L2)에서의 광학특성 데이터의 일 예를 아래 표 1에 나타내었다.
주주사방향곡률반경(R)(mm) 부주사방향곡률반경(R)(mm) 비구면수차 간격(d)(mm) 굴절율(λ=650mm) 비고
d1=11.16 1
R1=9.28* K=0 d2=2.5 1.75 축대칭 비구면
A=0.594744×10-3
B=0
C=0
D=0
R2=7.69 R2=35.64 d3=40 1 아나몰픽면
R3=13.6* R3=∞ K=0 d4=3 1.53 비구면실린드리컬
A=0.123721×10-3
B=0
C=0
D=0
R4=∞ d5=40 1 평면
여기서, 면 R1은 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 제1렌즈(L1)의 광원(1)측의 면(축대칭 비구면)이고, 면 R2는 상기 제 1렌즈(L1)의 슬릿(2)측의 면(아나몰픽면)이다. 또한, 면 R3은 상기 제 2렌즈(L2)의 슬릿(2)측의 면(비구면)이고, 면 R4는 상기 제 2렌즈(L2)의 폴리곤 미러(3)측의 면(평면)이다.
간격 d1은 LD와 제 1렌즈와의 간격이고, 간격 d2는 제 1렌즈의 중심두께이고, 간격 d3은 제 1렌즈와 제 2렌즈의 간격이고, 간격 d4는 제 2렌즈의 중심두께이고, 간격 d5는 제 2렌즈와 폴리곤 미러의 간격이다.
주1) 상기 *표시가 붙은 면은 비구면이다.
또한, 면 R3의 비구면은 아래에 기재된 (수학식 1)로 정의되고, 수차를 보정하기 위하여 최적의 곡면으로 설정되어 있다. 또한, 좌표계수는 도 6에 나타낸 바와 같다.
(수학식 1)
여기서, c는 면의 꼭대기의 곡률이다.
본 실시 예에서, 상기 제 1렌즈(L1)는 주 주사방향에서만 상기 슬릿(2)과의 사이에서 광 다발의 초점을 맺도록 하는 아나폴릭한 면 형상을 적어도 한 면에 가진 볼록렌즈이므로, 상기 제 1렌즈(L1)에 의해 상기 슬릿(2)의 바로 앞에서 초점이 맺혀 상기 슬릿(2) 입사시의 빔 형상이 주 주사방향에서만 퍼진 상태로 된다.
따라서, 접합면이 거의 수평한 경우에도 부품 수를 늘리지 않고 슬릿 투과율의 저하를 막을 수 있다.
도 7은 종래 예에서 슬릿입사 시 빔 직경과 슬릿의 개구형상과의 관계를 나타낸 설명도이고, 도 8은 본 발명에서 슬릿입사 시 빔 직경과 슬릿의 개구형상과의 관계를 나타낸 설명도이다.
도 7과 도 8을 참조하면, 상기와 같은 광 주사장치에서, 상기 제 1렌즈(L1)에 의해 주 주사방향에서는 슬릿의 바로 앞에서 빔은 일단 초점이 맺혀 다시 확대되므로, 슬릿 입사시의 빔 형상이 확대된다. 다음 부 주사방향에서는 빔이 집속상태로 되므로 슬릿입사시의 빔 형상이 축소된다.
따라서, 슬릿입사시의 빔 직경은 전체적으로 종래의 콜리메이팅렌즈를 사용한 경우와 비교하여 슬릿의 개구형상과 같은 가로가 긴 형상에 가까워지며, 슬릿 통과 시의 레이저 파워손실이 적어도 된다. 또한, 슬릿의 위치는 상기 제 2렌즈(L2)의 앞뒤 어디에 설치하여도 문제없다.
구체적인 투과율이 아래의 (표 2) 에 기재되어 있다.
슬릿 투과율(%) 비 고
종래의 콜리메이팅 렌즈를 사용한 경우 3 콜리메이팅 렌즈의 초점거리30mm
본 발명의 렌즈를 사용한 경우 13
또한, 상기 제 2렌즈(L2)가 주 주사방향에서 광 다발을 평행광 다발 또는 집속광 다발로 만드는 실린드리컬 렌즈이므로, 주 주사방향으로 확대된 빔을 주 주사방향으로만 파워를 가진 실린드리컬 렌즈에 의해 평행광 다발 또는 집속광 다발로 만들어 Fθ렌즈로 입사시킬 수 있다.
또한, 상기 제 1렌즈(L1)가 부 주사방향에서 광 다발을 상기 제 2렌즈(L2)를 통하여 편향면에 집속시키는 면 형상을 가지므로, 상기 폴리곤 미러(3)의 편향면과 감광체를 공액함수로 만들어 상기 폴리곤 미러(3)의 기울어짐 보정을 행할 수 있다. 또한, 상기 제 1렌즈(L1)가 부 주사방향의 광 다발을 편향면에 집광시키는 기능을 가지도록 함으로써 상기 제 2렌즈(L2)를 복잡하게 할 필요가 없어지고, 부재의 제작비용을 줄일 수 있다.
또한, 상기 제 1렌즈(L1)가 설치될 때, 위치결정을 하기 위한 평면부(F)를 가지므로 아나몰픽한 면형상을 가지는 상기 제 1렌즈(L1)의 위치결정을 정밀하고 용이하게 행할 수 있고, 설치 시의 위치 어긋남에 위한 광학특성의 어긋남을 막을 수 있다.
또한, 상기 제 2렌즈(L2)의 곡면이 비구면이므로 아나몰픽면 형상을 갖기 때문에 수차의 보정효과가 비교적 상기 제 1렌즈(L1)를 채용하여도 상기 제 2렌즈(L2)에서 수차를 보정할 수 있다.
또한, 본 발명의 기술범위는 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경을 가하는 것이 가능하다.
예를 들면, 상기 실시예에서는 본 발명의 광 주사장치를 레이저 프린터에 채용하였으나, 다른 장치, 예를 들면, 복사기 등에 채용하여도 무방하다.
또한, 상기 실시예에서는 상기 제 1렌즈의 아남몰픽한 면을 슬릿 측의 한쪽 면에 마련하였으나, 반대측 면 또는 양면에 마련하여도 무방하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광 주사장치는 모노리식 멀티 빔 레이저 반도체의 접합면을 주 주사방향에 대하여 기울어지도록 하여 설치하여도 제 1렌즈가 주 주사방향에서만 슬릿과의 사이에서 광다발의 초점을 맺도록 하는 아나몰픽한 면형상을 적어도 한 면에 가진 볼록렌즈이고, 제 2렌즈가 주주사방향에서 광 다발을 평행광 다발 또는 집속광 다발로 만드는 실린드리컬 렌즈이므로, 슬릿 입사시의 빔형상이 주 주사방향으로만 퍼진상태가 되어 슬릿투과율의 저하를 막을 수 있고, 동시에 주 주사방향에서 평행광 다발 또는 집속광 다발로 만든 상태에서 Fθ렌즈에 입사시킬 수 있다. 따라서, 레이저 파워 손실이 적은 고속의 광 주사장치를 실현할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 모노리식한 멀티 빔 반도체 레이저(LD)의 광원으로부터 출사되는 광 다발을 폴리곤 미러에서 주 주사방향으로 주사시키는 광 주사장치에 있어서,
    상기 광원으로부터 광 다발을 집속시키는 제 1렌즈 및 상기 제 1렌즈를 투과한 광 다발을 상기 폴리곤 미러의 편향면으로 이끄는 제 2렌즈를 구비하고,
    상기 멀티 빔 반도체 레이저는 주 주사방향에 대하여 접합면이 경사지도록 설치되고,
    상기 제 1렌즈는 주 주사방향에서만 상기 슬릿과의 사이에서 광 다발의 초점을 맺도록 하는 아나몰픽한 면 형상을 적어도 한 면에 가진 볼록렌즈이고,
    상기 제 2렌즈는 주 주사방향에서 광다발을 평행광 다발 또는 집속광 다발로 만드는 실린드리컬 렌즈인 것을 특징으로 하는 광 주사장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1렌즈는 부 주사방향에서 광 다발을 상기 제 2렌즈를 통하여 상기 편향면에 집속시키는 면 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 광 주사장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 1렌즈는 설치할 때 위치결정을 하기 위한 평면부를 가지는 것을 특징으로 하는 광 주사장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 2렌즈는 곡면이 비구면인 것을 특징으로 하는 광 주사장치.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 2렌즈는 곡면이 비구면인 것을 특징으로 하는 광 주사장치.
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