KR20060052301A - 광 주사 장치 및 광 주사 조정 방법 - Google Patents

광 주사 장치 및 광 주사 조정 방법 Download PDF

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Abstract

복사 성능의 저하가 없고 전체 구성의 소형화 및 단순화가 가능한 광 주사 장치 및 이를 사용한 화상 형성 장치가 제공된다. 광 주사 장치는: 광원 유닛; 이 광원 유닛에서 나온 광 빔을 편향 유닛으로 유도하기 위한 입사 광학계; 및 상기 편향 유닛에 의해 편향된 광 빔을 주사 대상 표면으로 유도하는 결상 광학계를 포함한다. 상기 입사 광학계는 서로 다른 주 주사 단면 및 부 주사 단면의 굴절력을 갖는 비균등 집광 렌즈를 포함하며, 결상 광학계는 상기 편향 유닛의 편향면 또는 편향면 인접부 및 주사 대상 표면이 서로 공액 관계를 갖는 굴절력이 제공되며, 소정 수학식의 조건을 만족한다.
광 주사 장치, 주 주사 단면, 부 주사 단면, 입사 광학계, 비균등 집광 렌즈

Description

광 주사 장치 및 광 주사 조정 방법{OPTICAL SCANNING APPARATUS AND METHOD FOR ADJUSTING THE SAME}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 주 주사 단면도이고;
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 부 주사 단면도이고;
도 3 (A), (B), (C)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 주 주사 단면도 및 부 주사 단면도이고;
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른, 주 주사 방향 및 부 주사 방향의 상면만곡을 도시한 도면이고;
도 5는 본 발명에 따른 화상 형성 장치의 실시예를 도시한 부 주사 단면도이고;
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 색상 형성 장치의 주요부를 도시한 개략도이고;
도 7은 종래의 광 주사 장치의 주요부를 도시한 개략도이다.
본 발명은 광 주사 장치 및 광 주사 장치를 이용한 화상 형성 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전체 장치의 소형화 및 단순화를 위해 광원 수단과 광 편향기 사이의 원통 렌즈 및 시준기 렌즈를 일체로 구성한 광 주사 장치에 관한 것이다.
본 발명은 예컨대, 전사 사진 공정을 채용한 레이저 빔 프린터(Laser beam printer; LBP), 디지털 복사기, 다기능 프린터(다중 기능 프린터) 등에 적합한 광 주사 장치에 관한 것이다.
종래, 레이저 빔 프린터, 디지털 복사기 등에 사용되는 광 주사 장치에 있어서, 화상 신호에 따라 광원 수단으로부터 광학적으로 변조되어 조사되는 광 빔은 예컨대, 다각형 미러 등으로 형성된 광 편향기에 의해 주기적으로 편향되고, 광 빔은 fθ렌즈 등에 의해 구성된 결상 광학계에 의해 감광 기록 매체의 표면 상의 스폿에 집속되고, 표면이 광학적으로 주사됨으로써, 화상 기록을 행한다.
도 7은 이와 같은 종류의 종래의 광 주사 장치의 주요부를 도시한 개략도이다.
도 7에서, 광원 수단(91)으로부터 발광된 발산 광 빔은 시준기 렌즈(92)에 의해 실질적으로 평행한 광 빔 또는 수렴 광 빔으로 만들어지며, 광 빔(광량)은 구경 다이어프램에 의해 성형되고, 광 빔은 부 주사 단면으로만 굴절 출력(refractive power)되는 원통 렌즈(94)에 입사된다.
원통 렌즈(94)에 입사된 광 빔은 주-주사 단면에 있을 때 발광된다. 한편, 원통 렌즈(94)에 입사된 광 빔은 수렴되어, 부 주사 단면의 회전 다각형 미러에 의해 구성된 광 편향기(95)의 편향면(95a) 근처에 선형 화상을 포함한 실질적으로 선형 화상으로서 결상된다.
광 편향기(95)의 편향면(95a) 상에 반사되어 편향된 광 빔은 fθ특성의 결상 광학계(fθ 렌즈계)(96)를 통해 주사 대상 표면인 감광 드럼면(97)으로 안내된다.
화상 정보의 기록은 광 편향기(95)를 화살표(A) 방향으로 회전시키는 것에 의해 화살표(B) 방향으로 감광 드럼 표면(97) 상에 광 주사를 행하는 것으로써 행해진다.
시준기 렌즈(92), 원통 렌즈(94) 등의 각 요소는 일 요소의 입사 광학계(LA)를 구성한다.
최근, 이러한 종류의 광 주사 장치 및 화상 형성 장치와 관련하여, 전체 장치에 대한 소형화 및 단순화(비용 절감)의 요구가 증가되고 있다.
이 요구를 만족시키기 위해, 예컨대, 시준기 렌즈(92), 원통 렌즈(94) 등을 포함한 입사 광학계를 하나의 단일 비균등 집광 렌즈(이방성 굴절 출력 단일 렌즈)로 구성한 장치가 제안된다(미국 특허 제4,915,484호 참조).
미국 특허 제4,915,484호에서는 시준기 렌즈 및 원통 렌즈로 구성된 종래의 입사 광학를 하나의 단일 비균등 집광 렌즈로써 형성함으로써 장치의 단순화 및 소형화를 실현하고 있다.
또한, 하나의 렌즈로써 시준기 렌즈, 2개의 프리즘, 원통 렌즈 등의 기능을 구현할 수 있는 비균등 집광 렌즈를 사용한 포스트-오브젝티브형(post-objective type) 결상 광학계가 제안된 바 있다(일본 특허 공개 제H05-313089호 참조).
일본 특허 공개 제H05-313089호는 전체 광학계에서 주 주사 단면의 촛접 길이가 부 주사 단면에서의 초점 길이의 대략 10배인 포스트-오브젝티브형 결상 광학계를 개시한다.
일본 특허 공개 제H05-313089호에서는 광 활용 효율 저하를 방지하기 위해 시준기 렌즈, 두 개의 프리즘, 원통 렌즈 등으로 구성된 복합 입사 광학계를 하나의 단일 비균등 집광 렌즈로써 구성하며, 비균등 집광 렌즈의 구성을 적절히 적합화하는 것에 의해 광의 활용 효율의 유지가 가능하다.
그러나, 미국 특허 제 4,915,484호에 개시된 비균등 집광 렌즈는 유리 렌즈로 이루어진 유리 성형 렌즈로써 구성된다. 따라서, 비균등 집광 렌즈는 간단한 성형 기법으로 성형 가능한 플라스틱 성형 렌즈에 비해 그 제조가 어렵다고 하는 문제가 있다(고비용).
미국 특허 제 4,915,484호에 개시된 비균등 집광 렌즈와 마찬가지로, 일본 특허 공개 제H05-313089호에 개시된 비균등 집광 렌즈는 광학 유리로 구성되기 때문에, 그 제조가 어려운 문제가 있다.
또한, 미국 특허 제4,915,484호 및 미본 특허 공개 제H05-313089호에서는 비균등 집광 렌즈에서 나오는 광 빔의 수렴도(평행도)의 조정(시준기 조정)에 대해서는 개시하고 있지 않다.
이하, 종래의 시준기 렌즈 및 원통 렌즈로 구성된 입사 광학계에 대해 설명한다.
시준기 렌즈 및 원통 렌즈로 구성된 입사 광학계는 시준기 렌즈를 주 주사 단면으로 이동시키는 한편 원통 렌즈를 광축 방향의 부 주사 단면으로 이동시키는 것에 의해 입사 광학계에서 나오는 광빔의 수렴도(평행도)의 조정을 행한다.
다시 말해, 종래의 광 주사 장치에서는 주 주사 단면과 부 주사 단면에서 독립적으로 조정을 행하는 것이 가능하다.
그러나, 종래의 광 주사 장치는 시준기 렌즈와 원통 렌즈가 일체로 구성된 경우 주 주사 단면과 부 주사 단면에서 독립적으로 조정을 행하는 것이 불가능하다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 전체적으로 소형화 및 단순화 가능한 광 주사 장치 및 이를 사용한 화상 형성 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 광 주사 장치는: 광원 유닛; 이 광원 유닛에서 나온 광 빔을 편향 유닛으로 유도하기 위한 입사 광학계; 및 상기 편향 유닛에 의해 반사된 광 빔을 주사 대상 표면으로 유도하는 결상 광학계를 포함하며, 상기 편향 유닛의 편향면 또는 편향면 근처 및 주사 대상 표면은 부 주사 단면에서 공액 관계를 만족하는 것을 특징으로 한다. 상기 광 주사 장치는 다음과 같은 특징이 있다: 상기 입사 광학계는 서로 다른 주 주사 방향의 광출력 및 부 주사 방향의 광출력을 갖는 비균등 집광 렌즈를 포함하며; 상기 결상 광학계는 다음의 조건을 만족한다: 1≤β 2; 및 β2≤23.56×ωo 2/λo. 이때, β는 결상 광학계의 부 주사 방향의 가로 배율을 나타내고, ωo는 결상 광학계에 의해 집속된 결상 스폿의 광속 허리 위치에서의 부 주사 방향의 빔 반경을 나타내고, λo(mm)는 광원 유닛에서 나온 광 빔의 파장을 나타낸다.
본 발명에 따르면, 집광 광학계를 하나의 단일 비균등 집광 렌즈로 구성하고 각 요소를 적절히 설정함으로써, 복사 성능(drawing performance)의 저하가 없고 소형화 및 단순화 가능한 광 주사 장치 및 이를 사용한 화상 형성 장치의 구현이 가능하다.
이하, 본 발명의 실시예들을 도면을 참조로 하여 설명한다.
제1 실시예
도 1은 본 발명에 따른 주 주사 방향(주 주사 단면)의 제1 실시예의 주요부의 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 부 주사 방향(부 주사 단면)의 제1 실시예의 주요부의 단면도이다.
여기에서, 주 주사 방향(main scanning direction)은 결상 광학계의 광축 및 편향 수단의 회전축의 직교 방향(광 빔이 반사되고 편향되는 방향, 즉, 편향 수단에 의해 주사되도록 편향되는 방향)을 나타내고; 부 주사 방향(sub-scanning direction)은 편향 수단의 회전축에 평행한 방향을 나타낸다.
또한, 주 주사 단면(main scanning cross section)은 주 주사 방향에 평행하고 결상 광학계의 광축을 포함하는 평면을 나타낸다. 또한, 부 주사 단면(sub- scanning cross section)은 주 주사 단면의 직교 단면을 나타낸다.
도 1 및 도 2에서, 참조 번호 1은 하나의 발광부를 갖는 광원 수단을 지시한다. 광원 수단(1)은 예컨대, 반도체 레이저로 구성된다.
참조 번호 2는 입사 광학계를 지시한다. 입사 광학계(2)는 광원 수단(1)에서 나오는 광 빔을 집속한다. 본 실시예에서 입사 광학계(2)는 주 주사 단면에서의 굴절 출력과 부 주사 단면에서의 굴절 출력이 서로 상이한 비균등 집광 렌즈(이방성 굴절 출력의 단일 렌즈)를 구비한다.
참조 번호 3은 구경 다이어프램을 지시한다. 구경 다이어프램(3)은 통과 광속을 제한함으로써 빔 형태를 성형한다.
참조 번호 4는 입사 광학계(2)로부터 나온 광빔을 주 주사 방향으로 편향시키기 위한 편향 수단으로서의 광 편향기를 지시한다. 광 편향기(4)는 예컨대, 4-면 구조의 다각형 미러(회전형 다각형 미러)로 구성된다. 광 편향기(4)는 모터와 같은 구동 수단에 의해 도 1의 화살표(A) 방향으로 정속 회전한다.
참조 번호 5는 집속 기능 및 fθ 특성을 갖는 결상 광학계(fθ 렌즈계)를 나타낸다. 결상 광학계(5)는 플라스틱재로 된 단일 주사 렌즈(fθ 렌즈)로 구성된다.
결상 광학계(fθ 렌즈계)(5)는 광 편향기(4)에 의해 반사 및 편향된 화상 정보에 기초하여 주사 대상 표면인 감광 드럼 표면 상에 광 빔의 화상을 형성한다.
또한, 결상 광학계(fθ 렌즈계)(5)는 광 편향기(4)의 편향면(4a) 또는 편향면(4a)의 인접 부분을 부 주사 단면에서 감광 드럼 표면(6)과 공액화하는 것에 의 해 광학면 탱글 오차 보정 기능(optical face tangle error correction function)을 갖는다.
참조 번호 6은 주사 대상 표면으로서의 감광 드럼 표면을 지시한다.
참조 번호 7은 비균등 집광 렌즈 조정 수단을 지시한다. 비균등 집광 렌즈 조정 수단(7)은 광 빔의 이동 방향을 따라 비균등 집광 렌즈(2)를 이동시키는 것에 의해 주사 대상 표면(6) 상에 주 주사 방향 및 부 주사 방향의 굉 빔의 집속 상태를 조정한다.
다시 말해, 본 실시예의 비균등 집광 렌즈 조정 수단(7)은 주사 대상 표면(6) 상의 광 빔의 집속 상태를 직접 관찰하여, 광 빔의 화상 형성 스폿의 주 주사 방향의 빔 직경을 최소화하도록 조정을 행한다.
참조 번호 8은 제1 조정 수단을 지시한다. 제1 조정 수단(8)은 주사 대상 표면 상의 광 빔의 집속 위치 조정을 위해 비균등 집광 렌즈(2)의 광축에 직교하는 평면 내에서 광원 수단(1)을 이동시킨다.
본 실시예에서, 화상 정보에 따라 광원 수단(1)에 의해 광학적으로 계조되고 발광되는 광 빔은 비균등 집광 렌즈(2)에 의해 주 주사 단면에서 평행광 빔을 포함하는 실질적으로 평행한 광 빔(또는 수렴광 빔을 포함하는 실질적으로 수렴성의 광 빔)으로 변환된 후, 구경 다이어프램(3)을 통과한다(그런 다음 부분 차폐된다.).
또한, 화상 정보에 따라 광원 수단(1)에 의해 광학적으로 계조되고 발광되는 광 빔은 부 주사 방향으로 수렴되어 구경 다이어프램(3)을 통과한다(그런 다음 부분 차페된다.). 광 빔의 화상은 부 주사 단면에 광 편향기(4)의 편향면(4a) 상에 선형 화상(주 주사 방향으로 연장하는 선형 화상)을 포함하는 실질적으로 선형인 화상으로서 형성된다.
또한, 광 편향기(4)의 편향면(4a) 상에 반사 및 편향된 광 빔의 화상은 주사 렌즈(5a)에 의해 감광 표면(6) 상에 스폿으로 형성된다. 광 편향기(4)는 화살표(A) 방향으로 회전되면서 감광 드럼 표면(6)을 화살표(B) 방향(주 주사 방향)으로 등속으로 광 주사하게 된다.
따라서, 기록 매체인 감광 드럼 표면(6) 상에 화상이 기록된다.
본 실시예의 비균등 집광 렌즈(2)는 주 주사 단면에서 보다 부 주사 단면에서의 굴절 출력이 큰 비균등 렌즈이다.
또한, 본 실시예의 비균등 집광 렌즈(2)는 주 주사 방향의 광 출력 및 부 주사 방향의 광 출력을 갖는다.
비균등 집광 렌즈(2)는 도 7에 도시된 종래의 광 주사 장치에 따른 시준기 렌즈(92) 및 원통 렌즈(94)가 일체로 형성된 것과 같은 구성을 갖는다. 결국, 부품수의 저감이 가능하고, 장치 전체의 소형화 및 단순화(비용 절감)가 가능하다.
이와 같은 비균등 집광 렌즈(2) 사용시, 전술한 효과를 얻을 수 있다.
그러나, 비균등 집광 렌즈(2)로부터 나오는 광 빔의 수렴도 조정(시준기 조정) 방법에 따라, 주사 대상 표면(6) 상의 스폿은 충분히 수렴되지 않을 수 있다.
이하, 도 3 (A), (B), (C)를 참조로 하여 이러한 현상을 설명한다.
도 3 (A)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 주 주사 단면을 도시한다.
반도체 레이저와 같은 광원 수단(1)과 광 빔의 이동 방향(입사 광학계의 광축 방향)의 비균등 집광 렌즈(2) 사이의 거리가 설계 수치에 따라 정확하게 설정되면, 광원 수단(1)으로부터 나오는 광 빔은 주사 렌즈(5a)에 의해 감광 드럼 등으로 구성된 주사 대상 표면(6) 상에 스폿으로서 집속된다.
그러나, 일반적으로, 반도체 레이저와 같은 광원 수단(1)의 발광점의 위치와 관련하여, 위치상 오차가 반드시 존재하며, 또한, 광 주사 장치에 광원 수단(1)의 설치시 설치상 오차가 반드시 존재한다.
그러므로, 광원 수단(1)의 발광점과 광 빔 이동 방향의 비균등 집광 렌즈(2) 사이의 거리를 정확하게 조정할 필요가 있다.
이하, 상기 조정을 시준기 조정으로 지칭한다.
도 3 (B)는 이 도면의 화살표(E) 방향(광 빔 이동 방향)으로 선정된 양(δx)의 편차를 가지고 광원 수단(1)의 발광점이 광 주사 장치 상에 설치되는 경우를 도시한 주 주사 단면도이다.
이 경우, 주 주사 방향으로 주사 대상 표면(6) 상에 광 빔(화상 스폿)을 정상 수렴시키기 위해, 비균등 집광 렌즈(2) 또한 도 3 (B)의 화살표(L) 방향으로 동일한 양(δx) 만큼 이동되어야(시준기 조정을 받아야) 하는 것은 분명하다.
도 3 (C)는 도 3 (B)의 부 주사 단면을 도시한다.
도 3 (C)에서, 비균등 집광 렌즈(2)는 도 3 (C)의 화살표(L) 방향으로 δx 만큼 이동되기 때문에, 부 주사 단면으로 다각형 미러(4)의 편향면(4a) 상에 수렴될 광 빔의 집속점은 도 3 (C)의 화살표(S) 방향으로 δx 만큼 편이된다.
δx의 편이량 만큼 편이되는 부 주사 단면의 집속점은 광 빔을 주사 대상 표면(6) 상에 정상적으로 집속시킬 수 없다. 따라서, 집속점은 도 3 (C)의 화살표(T) 방향으로 δx×β2(β는 부 주사 단면에서 주사 렌즈(5a)의 가로 배율) 만큼의 편이량으로 편이되어 광 빔을 집속한다.
다시 말해, 주 주사 단면에서의 주사 대상 표면(6) 상의 집속 상태가 적절하게 조정되면, 부 주사 단면에서의 주사 대상 표면(6) 상의 집속 상태가 열화된다. 그러므로, 주 주사 단면 및 부 주사 단면 모두에서 주사 대상 표면(6) 상의 집속 상태를 적절하게 조정하기가 곤란하다는 점을 이해할 수 있다.
다시 말해, 도 3 (C)의 화살표(L) 방향으로 동일한 편이량(δx) 만큼 주 주사 단면에서 비균등 집광 렌즈(2)를 이동시키는 것에 의해 주사 대상 표면(6) 상에 빔 허리가 위치되도록 조정을 행하면, 부 주사 단면에서 주사 대상 표면(6) 상의 화상 스폿의 빔 직경이 확대된다는 문제가 생긴다.
전술한 시준기 조정에서, 레이저 빔 프린터 또는 디지털 복사기와 같은 화상 형성 장치에서 주사 대상 표면 상의 스폿의 주 주사 방향을 따른 직경이 부 주사 방향을 따른 직경에 비해 통상 작게 설정되기 때문에, 주 주사 방향을 따른 스폿 직경을 보다 작게 하도록 조정을 행하는 것이 바람직하다.
여기서, 전술한 조정을 행한 경우 부 주사 방향의 스폿의 집속 상태를 설명한다.
다음과 같은 공지된 가우스 빔 전파 수학식이 확립된다:
Figure 112005061712196-PAT00001
여기에서, ωo는 빔 허리 위치에서 주사 대상 표면(6) 상에 집속되는 결상 광학계에 의해 집속된 결상 스폿의 빔 반경을 나타내며, ω는 광 빔의 전파 방향의 주사 대상 표면(6) 상에 집속되는 결상 스폿의 위치로부터 소정 간격(x) 만큼 떨어진 위치에서의 빔 반경을 나타내며, λo(mm)는 광원 수단에서 나오는 광 빔의 파장을 나타낸다.
여기서, "빔 반경"은 빔 단면에서의 강도 분포가 가우스 분포로서 피크 강도의 1/e2의 강도가 되는 반경으로서 정의된다.
수학식 1의 변환으로 수학식 2가 얻어진다.
Figure 112005061712196-PAT00002
여기서, 부 주사 방향의 주사 대상 표면(6) 상에 집속되는 결상 광학계에 의해 집속된 결상 스폿의 빔 허리 위치에서의 빔 반경은 우수한 인쇄 품질을 얻을 수 있다는 이유로 최대 20% 증가될 수 있다.
그러므로, ω=1.25ωo를 수학식 2에 대입하면, 수학식 3이 얻어진다.
Figure 112005061712196-PAT00003
즉, 전술한 δx×β2은
Figure 112005061712196-PAT00004
또는 그 이하일 수 있으며, 하기의 수학식 4를 확립할 필요가 있다.
Figure 112005061712196-PAT00005
또한, 일반적으로, 반도체 레이저와 같은 광원 수단(1)의 입사 광학계(2 및 3)의 발광점의 위치 정확도에 약 0.1(mm) 정도의 오차가 존재하고, 또한, 광 주사 장치에 광원 수단을 설치시 그러한 오차 등을 감안할 필요가 있기 때문에, 발광점의 위치 오차(δx)가 0.1(mm) 이상 존재함을 고려할 필요가 있다.
그러므로, 수학식 4로부터 수학식 5가 유도된다.
Figure 112005061712196-PAT00006
또한, 부 주사 단면에서 결상 광학계(5)의 가로 배율(β)이 1 이하로 설정되 면, 상기 결상 광학계(5)는 주사 대상 표면(6)에 보다 근접되며, 결상 광학계(5)의 크기가 커진다. 그러므로, 전체 장치의 소형화 및 단순화(비용 절감)가 곤란하게 된다.
따라서, 본 실시예에서, 부 주사 단면에서 결상 광학계(5)의 가로 배율(β)은 1 이상으로 설정된다.
그러므로, 각 수치를 다음의 수학식 6의 조건을 만족하도록 설정하는 것이 바람직하다.
Figure 112005061712196-PAT00007
즉, 비균등 집광 렌즈(2)를 사용하는 경우, 부 주사 단면에서 결상 광학계(5)의 가로 배율이 β이고, 부 주사 방향의 주사 대상 표면(6) 상에 결상 광학계(5)에 의해 집속되는 결상 스폿의 빔 반경이 ωo이고, 광원 수단(1)에서 나오는 광 빔의 파장이 λo(mm)일 때, 상기 수학식 6을 만족하도록 수치를 설정하는 것이 필요하다.
따라서, 주사 대상 표면(6) 상에 스폿으로써 집속되는 광 빔의 열화를 효과적으로 억제할 수 있어서, 복사 성능 저하가 없고 전체 장치의 소형화 및 단순화가 가능한 광 주사 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 광 주사 장치의 광학계의 특징을 표 1에 나타 낸다.
사용된 기준 파장 λ(nm) 780
발광점으로부터 비균등 집광렌즈의 제1 표면까지의 거리 do(mm) 20.05000
비균등 집광렌즈의 두께 d1(mm) 3.00000
비균등 집광렌즈의 굴절률 n1 1.51052
비균등 집광 렌즈로부터 정지부까지의 거리 d2(mm) 10.00000
정지부로부터 편향 및 반사면까지의 거리 d3(mm) 18.43000
편광 및 반사면으로부터 fθ렌즈의 제1 표면까지의 거리 d4(mm) 27.00000
fθ렌즈의 두께 d5(mm) 8.60000
fθ렌즈의 굴절률 n2 1.523972
fθ렌즈의 제2 표면으로부터 주사 대상 표면까지의 거리 d6(mm) 103.49508
입사 광학계의 입사각(주 주사 단면에서) γ(도) 85.00000
최대 광 주사각 ζ(도) ±48.60000
광 편향기의 반사면 수 N 4
광 편향기의 외접원 반경 φ(mm) 10.00000
정지부의 형태 타원 주 주사 2.54mm x 부 주사 1.18mm
비균등 집광렌즈의 제1 표면의 곡률반경 r1(mm) ∞
비균등 집광렌즈의 제2 표면의 주 주사방향 곡률반경 r2m(mm) -10.53150
비균등 집광렌즈의 제2 표면의 부 주사방향 곡률반경 r2s(mm) -6.33800
정지부의 형태 타원 주 주사 2.54mm x 부 주사 1.18mm
Figure 112005061712196-PAT00008
각 렌즈면과 광축의 교점을 시점으로 하고, 광축 방향은 X-축, 주 주사 단면에서 광축의 직교축은 Y-축, 부 주사 단면에서 광축의 직교축은 Z-축이라고 가정할 때, 주 주사 단면에서 fθ 렌즈(5a)의 비구면 형상은 다음의 수학식으로 표현된다.
Figure 112005061712196-PAT00009
여기서 R은 곡률 반경, k 및 B2 내지 B16은 비구면 계수임을 주의하라.
또한, 부 주사 단면의 형상은 주 주사 방향의 렌즈면의 좌표가 Y일 때 그 곡률 반경(r')이 다음의 수학식으로 표현되는 형상이다.
Figure 112005061712196-PAT00010
여기서 r은 광축상의 곡률 반경; D2 내지 D16은 계수임에 주의하라.
도 4의 수차 도면은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 주사 장치의 광학계의 주 주사 방향 및 부 주사 방향의 상면만곡(field curvature)을 나타낸다.
표 2에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 주사 장치에서 화상 형성 부 주사 단면의 광학계의 가로 배율(β); 부 주사 방향의 주사 대상 표면(6) 상에 집속되는 결상 광학계에 의해 집속된 결상 스폿의 빔 허리 위치에서의 빔 반경(피크 강도의 1/e2의 강도를 갖는 빔 반경)(ωo); 광원 수단(1)에서 나오는 광 빔의 파장(λo)(mm); 수학식 6의 β2 및 23.56 x ωo2/λo 의 각 수치를 나타낸다.
Figure 112005061712196-PAT00011
표 2에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 결상 광학계(5)의 부 주사 단면에서의 가로 배율(β), 주사 대상 표면(6) 상에 결상 광학계(5)에 의해 집속된 결상 스폿의 부 주사 방향의 빔 반경(ωo) 및 광원 수단(1)에서 나오는 광 빔의 파장(λo)은 수학식 6의 조건을 만족하도록 설정된다.
따라서, 주사 대상 표면(6) 상에 스폿으로써 집속되는 광 빔의 열화를 효과적으로 저지할 수 있어서, 복사 성능의 열화가 없고 전체 장치의 소형화 및 단순화가 가능한 광 주사 장치를 제공할 수 있다.
전술한 시준기 조정은; 비균등 집광 렌즈 조정 수단(7)이 주사 대상 표면(6)의 실제 위치에 상응하는 위치의 결상 스폿을 직접 관찰할 수 있고; 주 주사 방향의 결상 스폿의 빔 직경이 최소화되게 비균등 집광 렌즈(2)가 광축 방향으로 이동되는 방식으로 수행됨을 주의하라.
이와 같이 시준기 조정을 수행하는 것에 의해 주사 렌즈(5a)의 제작 오차에 기인한 스폿 직경의 열화를 조정하는 것이 가능하기 때문에, 주사 대상 표면(6) 상의 결상 스폿의 상태를 보다 적절하게 조정하는 것이 가능하다.
또한, 비균등 집광 렌즈(2)의 광축 방향 뿐 아니라 상기 광축에 직교하는 평면 내측 방향으로도 위치상 오차가 필연적으로 존재하므로, 통상 반도체 레이저와 같은 광원 수단(1)의 발광점의 위치 오차는 광축에 직교하는 방향의 주사 대상 표면(6) 상의 스폿의 결상 위치 오차에 대응한다.
위치 오차 존재시 화상 위치가 편이되므로, 그러한 오차를 조정하는 것이 필요하다. 이하, 조정은 조사 위치 조정(irradiation position adjustment)으로 지칭된다.
본 실시예에서, 광원 수단(1)은 광 주사 장치의 하우징에 직접 장착되거나 고정 부재를 통해 간접적으로 장착되며, 비균등 집광 렌즈(2)의 광축에 직교하는 평면 내에서 자유롭게 이동할 수 있도록 구성된다.
본 실시예에서, 주사 대상 표면(6) 상의 결상 스폿의 조사 위치 조정은, 결상 스폿이 주사 대상 표면(6)의 위치에 상응하는 위치인 정상 위치에 배치되도록 제1 조정 수단(8)을 사용한 조정을 통해 광원 수단(1)을 비균등 집광 렌즈(2)의 광축에 직교하는 평면 내에서 이동시킴으로써, 수행된다.
주사 대상 표면(6) 상의 결상 스폿의 조사 위치 조정은 주 주사 방향 및 부 주사 방향의 결상 위치에 대한 조정을 의미한다.
조사 위치 조정은 비균등 집광 렌즈(2)를 입사 광학계(2 및 3)의 광축에 직교하는 평면 내에서 이동시키는 것에 의해서도 수행될 수 있으나, 이와 같은 조정을 위해서는 비균등 집광 렌즈(2)를 공기중에 유지하여 3차원적으로 이동시키는 것이 필요함을 주의하라.
그러나, 이와 같은 조정시 광축을 중심으로 한 비균등 집광 렌즈(2)의 회전에 기인한 오차가 발생되기 쉽다.
주 주사 단면 및 부 주사 단면에서의 비균등 집광 렌즈(2)의 굴절 출력은 서로 상이하다.
그러므로, 입사 광학계(2 및 3)의 광축을 중심으로 한 비균등 집광 렌즈(2)의 회전에 기인한 오차가 발생되면, 주사 대상 표면(6) 상의 결상 스폿이 회전되어 X-형을 취한다. 결국, 소망하는 스폿 직경을 얻을 수 없고 화상 열화가 생기기 쉽다.
따라서, 본 실시예에서는 전술한 바와 같이 단순히 입사 광학계(2 및 3)의 광축 방향으로 비균등 집광 렌즈(2)를 이동시켜 시준기 조정을 행하며, 광원 수단(1)을 광축에 직교하는 평면 내에서 이동시켜 조사 위치 조정을 수행한다.
이에 따라, 화상 열화가 잘 생기지 않는 안정적인 조정의 수행이 가능하다.
수학식 6의 조건에서, 주사 대상 표면(6) 상에 결상 광학계에 의해 집속되는 결상 스폿의 빔 허리 위치에서의 허용 가능한 부 주사 방향 빔 반경 수치는 주사 대상 표면(6) 상에 집속되는 결상 광학계에 의해 집속되는 결상 스폿의 빔 허리 위치에서의 부 주사 방향 빔 반경에서 최대 25% 증가된 수치임을 주의하라. 그러나, 미소 출력 화소의 도트와 같은 하프톤(halftone) 또는 펄스 폭 변조(PWM)의 경우, 결상 스폿의 빔 허리 위치에서의 허용 가능한 부 주사 방향 빔 반경 수치는 주사 대상 표면(6) 상의 결상 스폿의 빔 허리 위치에서의 부 주사 방향 빔 반경에서 최대 20% 증가된 수치인 것이 바람직하다.
이 경우, 각 수치는 수학식 6의 조건 대신에 수학식 7의 조건을 만족하도록 설정될 수 있다.
Figure 112005061712196-PAT00012
따라서, 전술한 바와 같이, 본 실시예는 광 주사 장치의 소형화 및 단순화에 대한 요구를 만족하도록 안출된 것이다.
본 실시예는 종래의 광 주사 장치에서 시준기 렌즈 및 원통 렌즈를 하나의 단일 비균등 집광 렌즈로 구성하는 것에 의해 광 주사 장치의 구성을 단순화하여 광 주사 장치의 소형화를 달성하고자 하는 것이다.
본 제 1 실시예에 설명된 비균등 집광 렌즈는 광학 유리로 구성된다. 그러나, 비균등 집광 렌즈를 광학적 플라스틱재로 구성하여, 비균등 집광 렌즈를 간단한 성형 기법으로 성형케 하고 비균등 집광 렌즈의 제조를 용이하게 할 수 있다.
본 실시예에서는 비균등 집광 렌즈에서 나오는 광 빔의 수렴도(평행도)를 조정하기 위한 새로운 방법 및 광학적 특성상의 오차에 기인하여 주사 대상 표면 상에 스폿으로써 집속되는 광 빔의 열화를 효과적으로 억제할 수 있는 새로운 구성을 채용함으로써, 복사 성능 저하가 없고 전체 장치의 소형화 및 단순화가 가능한 새로운 광 주사 장치를 얻을 수 있다.
제2 실시예
다음, 본 발명의 제2 실시예를 설명한다.
본 실시예는 비균등 집광 렌즈(2)가 광 주사 장치의 하우징 상에 소망하는 설계치의 위치에 배치되어 고정되는 구성을 채용한다는 점에서 전술한 제1 실시예와 상이하다.
또한, 본 실시예는 광원 수단(1)이 광 주사 장치의 하우징에 직접 장착되거 나 고정 부재를 사용하여 간접적으로 장착되고; 비균등 집광 렌즈(2)의 광축 방향을 따라 광원 수단(1)을 이동시키는 것에 의해 시준기 조정을 행한다는 점에서 전술한 제1 실시예와 상이하다.
도 3 (A), (B), (C)를 참조하여 설명한 바와 같이, 반도체 레이저와 같은 광원 수단(1)의 발광점과 관련하여, 입사 광하계의 광축 방향으로 약 0.1mm의 오차(δx)가 존재한다.
그러므로, 주 주사 단면에서 주사 대상 표면(6) 상에 광 빔이 정상적으로 집속되면, 부 주사 단면에서 광 빔의 정상적인 집속이 불가능하여 집속 위치가 δx × β2 만큼 편이된다.
제1 실시예에서는 스폿으로써 집속되는 광 빔이 이와 같은 경우에도 열화되지 않도록 하기 위해, 결상 광학계(5)의 부 주사 단면에서의 가로 배율(β), 주사 대상 표면(6) 상에 결상 광학계(5)에 의해 집속된 결상 스폿의 부 주사 방향의 빔 반경(ωo) 및 광원 수단(1)에서 나오는 광 빔의 파장(λo)이 수학식 6의 조건을 만족하도록 설정을 행한다.
한편, 비균등 집광 렌즈(2)가 광 주사 장치의 하우징 상에 소망하는 설계치의 위치에 배치되어 고정되는 경우, 고정 위치의 위치 정밀도는 대략 0.05mm 미만이다. 따라서, 전술한 광원 수단(1)의 발광점의 위치의 경우의 정밀도 보다 높은 정밀도로 비균등 집광 렌즈(2)를 고정시키는 것이 가능하다.
따라서, 광 주사 장치의 하우징 상의 소망하는 설계치의 위치에 비균등 집광 렌즈를 정렬 및 고정시키고, 비균등 집광 렌즈(2)가 고정되는 위치에 따라 비균등 집광 렌즈(2)의 광축 방향을 따라 광원 수단(1)을 이동시키는 것에 의해, 부 주사 단면에서의 집속 위치의 편이도(δx × β2 )는 작아질 수 있다.
전술한 시준기 조정에서, 주사 대상 표면(6)의 실제 위치에 상응하는 위치에서 결상 스폿이 직접 관찰되고, 주 주사 방향의 결상 스폿의 빔 직경이 최소화되도록 광원 수단(1)이 광축 방향으로 이동됨을 주목하라.
그러나, 본 실시예의 시준기 조정의 경우, 결상 스폿은 주사 대상 표면(6)의 실제 위치에 상응하는 위치에서 직접 관찰될 수 있고, 광원 수단(1)은 부 주사 방향의 결상 스폿의 빔 직경이 최소화되도록 광축 방향으로 이동될 수 있다.
다른 구성 및 광학적 효과는 제1 실시예의 그것과 실질적으로 동일하다. 따라서, 제1 실시예의 효과와 동일한 효과가 얻어진다.
즉, 전술한 제1 실시예에서, 시준기 조정은 비균등 집광 렌즈(2)를 광축 방향으로 이동시키는 것에 의해 수행된다.
이 경우, 결상 광학계(5)에 의해 집속되는 결상 스폿의 부 주사 방향의 빔 반경(ωo) 및 광원 수단(1)에서 나오는 광 빔의 파장(λo)과 같은 각 수치는 전술한 수학식 6의 조건을 만족하도록 설정된다.
결국, 주사 대상 표면(6) 상의 스폿으로 집속되는 광 빔의 열화를 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 본 실시예는 비균등 집광 렌즈(2)가 광 주사 장치의 하우징 상의 소망 하는 설계치의 위치에 정렬 및 고정되는 구성을 갖는다.
다시 말해, 본 실시예는 광원 수단(1)이 광 주사 장치의 하우징 상에 직접 장착되거나 고정 부재를 이용하여 간접적으로 장착되고; 제2 조정 수단을 사용하여 광원 수단(1)을 비균등 집광 렌즈(2)의 광축 방향을 따라 이동시키는 것에 의해 시준기 조정이 행해지는 구성을 채용한다.
이처럼, 본 실시예에서는 광원 수단(1) 자체가 비균등 집광 렌즈(2)의 광축 방향으로 이동되는 구성을 통해, 주 주사 단면 및 부 주사 단면에서의 집속 상태가 적절하게 조정될 수 없는 현상이 생기지 않음을 쉽게 이해할 수 있다.
이것은 비균등 집광 렌즈(2)가 그 광축 방향으로 이동되지 않으므로 비균등 집광 렌즈(2)가 설계치에 따른 위치에 정확하게 고정되는 경우, 다각형 미러(4)의 편향면(4a) 상에 집속될 광 빔의 집속점이 편이(δx)되지 않기 때문이다. 또한, 이것은 다각형 미러(4)의 편향면(4a) 상에 집속될 광 빔의 집속점의 편이(δx) 정도가 제1 실시예의 경우에서 보다 적기 때문인데, 이는 비균등 집광 렌즈(2)의 고정점 오차 발생시에도 그 위치 정밀도가 광원 수단(1)의 발광점의 위치 정밀도 보다 높은 것에 기인한다.
본 실시예에서는 제1 조정 수단(8)에 의해 입사 광학계(2 및 3)의 광축 방향에 직교하는 평면에서 광원 수단(1)의 위치를 조정함으로써 조사 위치 조정을 하는 것이 바람직하다는 것에 주의하라.
이것은 입사 광학계(2 및 3)의 광축 방향 및 입사 광학계(2 및 3)의 광축 방향에 직교하는 평면 내의 위치에 대해 위치 조정을 동시에 수행함으로써 조정 시간 을 단축하고 조정 공정을 단순화하는 것이 가능하기 때문이다.
주사 대상 표면(6) 상의 결상 스폿에 대한 조사 위치 조정은 주 주사 방향의 결상 위치 및 부 주사 방향의 결상 위치를 의미한다.
또한, 광원 수단(1)으로서 복수개의 발광점(발광 섹션)을 갖는 다중-빔 반도체 레이저를 사용하는 경우, 광원 수단(1)을 광축 주위로 회전시키는 것으로 주사 대상 표면(6)의 부 주사 단면에서의 피치 조정을 수행한다.
이러한 구성을 통해, 시준기 조정, 조사 위치 조정 및 다중-빔의 피치 간격 조정 등의 모든 조정을 단지 광원 수단(1)을 가지고 조정하는 것이 가능하며, 조정 시간의 단축 및 조정 공정의 단순화를 이룰 수 있는 현저한 효과를 얻을 수 있다.
시준기 조정은 제1 실시예 및 제2 실시예에서 설명된 바와 같이 조정을 행하는 것 이외에도 비균등 집광 렌즈(2)의 광축 방향을 따라 비균등 집광 렌즈(2)를 상대 이동시키는 것에 의해 수행될 수 있음에 주의하여야 한다.
제3 실시예
다음, 본 발명의 제3 실시예를 설명한다.
본 실시예에서, 제1 실시예 및 제2 실시예와 다른 점은 비균등 집광 렌즈(2)가 플라스틱 재료로 형성되고, 적어도 하나의 렌즈 표면상에 회절 격자 구조의 회절부(회절 광학 요소)가 제공된다는 것이다.
다른 구성 및 광학적 효과는 제1 실시예 및 제2 실시예의 그것과 동일하므로, 제1 실시예 및 제2 실시예의 효과와 동일한 효과가 얻어진다.
종래, 시준기 렌즈의 경우, 환경 안정성이 우수한 광학 유리가 사용된다. 이것은 시준기 렌즈와 광원 수단 사이의 간격에 오차가 생긴 경우, 시준기 렌즈의 초점 길이가 비교적 짧은데 기인하여 주사 대상 표면 상의 스폿의 집속 위치가 광축 방향으로 크게 편이되는 것 때문이다.
이 때문에, 주변 온도에 따라 굴절률 변동이 큰 플라스틱 재료는 실용적이지 않다.
본 실시예에서는 비균등 집광 렌즈(2)가 시준기 렌즈 및 원통 렌즈가 일체로 형성되도록 구성되어 있기 때문에, 비균등 집광 렌즈(2)의 형상은 광축에 대해 회전 대칭이 되지 않고 광축에 대해 회전 비대칭인 비균등 형상이 된다.
이러한 구상의 비균등 집광 렌즈(2)가 광학 유리로 구성되면 제조가 어렵고 고비용이 소요되므로, 본 실시예에서는 비균등 집광 렌즈(2)를 플라스틱 재료로 형성하고 간단한 플라스틱 성형으로 제작한다.
그러나, 플라스틱 재료는 주변 온도에 따라 굴절률 변동이 크므로, 그 굴절률 변동에 따라 비균등 집광 렌즈(2)의 초점 길이가 변화된다.
이와 관련하여, 본 실시예에서는 비균등 집광 렌즈(2)의 렌즈면 중 적어도 하나의 렌즈면 상에 회절 격자 구조의 회절부를 형성함으로써 주변 온도 변화에도 초점 길이가 변동되지 않는 구성을 채용한다.
이하, 본 실시예의 구성을 상세히 설명한다.
일반적으로, 박형 렌즈의 광 출력(φ)은 다음 수학식으로 표현된다:
Figure 112005061712196-PAT00013
이때, Co는 상수이다.
여기서, 마찬가지로, λz 파장에서 회절 광학 요소의 광 출력(φz diff)은 다음 수학식 8로 표현된다:
Figure 112005061712196-PAT00014
이때, nz eff는 회절 광학 요소의 파장(λz)에서의 같보기 굴절률이다.
상기 겉보기 굴절률은 회절 광학 요소가 λz의 파장에서 가지는 광 출력(φz diff)이 시험적으로 취급되어 굴절계로서 나타내지는 경우의 굴절률이다.
수학식 5는 다음 수학식 9에 의해 표현된다.
Figure 112005061712196-PAT00015
또한, 회절 광학 요소의 광 출력은 사용된 파장에 비례하기 때문에, 예컨대, λd 파장에서의 라인 d의 광출력(φd diff)은 전술한 광출력(φz diff)을 이용하여 다음 수학식으로 나타낸다:
Figure 112005061712196-PAT00016
마찬가지로, λF 파장 및 λC 파장에서의 라인 F 및 라인 C의 광출력(φF diff 및 φC diff)은 다음 수학식으로 나타낸다:
Figure 112005061712196-PAT00017
그러므로, λd 파장, λF 파장 및 λC 파장에서의 회절 광학 요소의 겉보기 굴절률(nd eff, nF eff 및 nC eff)은 다음 수학식으로 나타낸다:
Figure 112005061712196-PAT00018
여기서, 회절계의 겉보기 분산(vd diff)은 굴절계의 분산(vd)의 정의로써 정의될 수 있으며, 다음 수학식 10으로 나타낼 수 있다:
Figure 112005061712196-PAT00019
그러므로, 본 실시예의 광 주사 장치에서의 비균등 집광 렌즈(2) 처럼, 회절 광학 요소가 정상 굴절계의 렌즈에 부가되는 경우의 색지움 조건(achromatic condition)은 다음 수학식 11을 만족한다:
Figure 112005061712196-PAT00020
여기서, vd refr은 굴절부의 분산을, φd refr은 굴절부의 광 출력을, vd diff는 전술한 회절부의 광 출력을, φd diff는 회절부의 광 출력을 나타낸다.
전술한 수학식 11을 만족하는 것에 의해, 회절 광학 요소의 광 출력 변동으로 비균등 집광 렌즈(2) 재료의 굴절률의 파장 종속성에 기인한 광 출력 변동을 상쇄시키는 것이 가능하다.
한편, 비균등 집광 렌즈(2)의 플라스틱 재료의 굴절률은 주변 온도 변동에 의해서도 변화된다.
보다 상세하게, λo=790nm의 중심 발진 파장에서 본 실시예에 사용된 플라스틱 재료의 25℃ 표준 주변 온도에서 광원 수단(1)의 반도체 레이저의 굴절률(nλo)은 다음과 같다:
nλo=1.523972.
한편, λo=790nm의 파장에서 장치 등의 내부 온도 상승으로 인해 주변 온도가 25℃ 만큼 상승하여 50℃로 된 경우의 굴절률(nλ o 50 ℃)은 nλ o 50 ℃=1.521852가 된다. 즉, 굴절률은 0.00212 만큼 감소된다.
또한, 상기 장치가 추운 지역에서 어떤 날 암치에 처음으로 시동된 직후의 경우에, 주변 온도는 약 5℃라고 가정할 필요가 있다. λ0=790 nm 파장에서 5℃의 주변 온도에서의 굴절률은 nλ0 5℃=1.525668이다. 즉, 굴절률은 0.001696만큼 증가한다.
여기서, 본 실시예의 광 주사 장치에 사용되는 광원 수단(1)인 반도체 레이저는, 온도가 상승하는 경우 밴드갭이 작아지기 때문에 상기 반도체 레이저의 발진 파장이 더 긴 파장으로 이동하는 특성을 갖고 있다. 보다 구체적으로, 본 실시예의 광 주사 장치에 사용되는 반도체 레이저는 상기 파장이 0.255 mm/℃의 속도로 상기 더 긴 파장 쪽으로 이동하는 특성을 갖고 있다.
즉, 본 실시예의 광 주사 장치에 사용되는 반도체 레이저는 25℃의 주변 온 도에서 λ0 = 790 nm에서, 50℃의 주변 온도에서 nλ0 50℃= 796.375 nm의 파장에서, 5℃의 주변 온도에서 nλ0 5℃= 784.9 nm의 파장에서 진동된다. 따라서, 주변 온도가 50℃일 때 상기 플라스틱 재료의 정확한 굴절률은 λ0 50℃= 796.375 nm의 발진 파장에서의 플라스틱 재료의 굴절률 1.523830보다 0.00212만큼 작다. 즉, nλ0 50℃= 1.521710이다. 동일한 방식으로, 주변 온도가 5℃일 때 상기 플라스틱 재료의 정확한 굴절률은 λ0 5℃= 784.9 nm의 발진 파장에서의 플라스틱 재료의 굴절률 1.524087보다 0.001696만큼 작다. 즉, nλ0 5℃= 1.525783이다.
주변 온도의 요동으로 인한 플라스틱 재료의 굴절률 요동을 "주변 온도 종속성의 분산"으로서 가정하면, 상기 주변 온도 종속성의 분산 Wv refr은 다음과 같다.
Figure 112005061712196-PAT00021
게다가, 비균등 집광 렌즈(2)의 회절 광학 요소의 5℃ 내지 50℃의 주변 온도 범위에 대응하는 파장 범위의 상기 분산 Wv refr은 다음과 같다.
Figure 112005061712196-PAT00022
여기서, 상기 주변 온도 범위에서의 색지움 조건은 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112005061712196-PAT00023
상기 식에서 Φλ0 refr은 굴절부의 광출력을 나타내고, Φλ0 diff은 비균등 집광 렌즈(2)의 λ0=790 nm의 중심 발진 파장에서 25℃의 주변 온도에서의 회절부의 광출력을 나타낸다. 즉, 굴절부의 광출력 Φλ0 refr는 회절부의 광출력 Φλ0 diff의 거의 1.87배가 되도록 설정될 수 있다.
상기 수학식 12는 상기 플라스틱 재료의 굴절률의 온도 종속 특성으로 인한 굴절부의 광출력 요동을, 반도체 레이저의 발진 파장의 온도 종속 특성으로 인한 회절형 광학 요소의 광출력 요동으로 상쇄하는 조건을 나타낸다.
본 실시예에서, 주 주사 단면 및 부 주사 단면에서 상기 수학식 12를 만족시키는 상기 굴절 회절 구조의 회절부가 적어도 하나의 비균등 집광 렌즈(2)에 추가된다.
이로 인해, 종래에 사용되지 않았던 플라스틱 재료를 사용할 수 있고, 단순한 플라스틱 성형에 의해 상기 장치를 제조할 수 있게 된다.
상기 수학식 12는 본 실시예에서 사용되는 플라스틱 재료의 굴절률의 온도 종속 특성 및 본 실시예에서 사용되는 반도체 레이저의 발진 파장의 온도 종속 특성의 경우에 엄격하게 정해진 것이라는 점에 유의하여야 한다.
이러한 경우에, 주변 온도가 변하더라도, 비균등 집광 렌즈(2)의 초점 길이(광출력)는 주 주사 단면 및 부 주사 단면 어디에서도 변하지 않는다.
그러나, 실제, 상기 수학식 12를 엄격히 만족시킴으로써 초점 길이의 변동(광출력 요동)을 완전히 상쇄할 필요는 없으며, 이 실시예의 효과는 상기 초점 길이의 변동이 어느 정도 수정되도록 상기 장치를 구성함으로써 충분히 발휘될 수 있다.
이와 관련하여, 실제 광학적 용도로 사용될 수 있는 상기 반도체 레이저 및 플라스틱 재료의 온도 특성을 고려하고, 상기 플라스틱 재료의 회절부의 온도 종속 특성으로 인한 광출력 요동을 상기 회절부의 광출력 요동을 이용하여 약 절반으로수정함으로써 본 실시예의 효과를 얻을 수 있다고 가정하면, 다음 조건이 만족된다.
Figure 112005061712196-PAT00024
Figure 112005061712196-PAT00025
상기 식에서, 주 주사 방향에서의 굴절부의 광출력은 Φrefr M이고, 상기 주 주사 방향에서의 회절부의 광출력은 Φdiff M이며, 상기 부 주사 방향에서의 굴절부의 광출력은 Φrefr S이고, 상기 부 주사 방향에서의 회절부의 광출력은 Φdiff S이다.
또한, 상기 수학식 13 및 14는 다음과 같이 설정되는 것이 바람직하다.
Figure 112005061712196-PAT00026
Figure 112005061712196-PAT00027
수학식 13 및 14로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 비균등 집광 렌즈(2)의 주 주사 단면에서의 굴절에 의한 광출력, 주 주사 단면에서의 회절에 의한 광출력, 부 주사 단면에서의 굴절에 의한 광출력, 부 주사 단면에서의 굴절에 의한 광출력 및 부 주사 단면에서의 굴절에 의한 광출력은 모두 양(+)이다.
본 실시예의 광 주사 장치에서, 수학식 13 및 14는 만족된다. 그 결과, 주변 온도 요동에 의해 야기되는 비균등 집광 렌즈(2)의 굴절부의 광출력 요동을 회절부의 광출력 요동으로 수정할 수 있고, 따라서, 주사 대상 표면(6) 상의 스폿의 스폿 직경의 요동을 억제할 수가 있다.
표 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광 주사 장치의 비균등 집광 렌즈(2)의 데이터를 보여준다.
Figure 112005061712196-PAT00028
표 3에서, 표면 번호 0은 광원 수단(1)의 발광부를 나타내고, 표면 번호의 좌측에 있는 "*" 표시는 회절형 광학 요소가 추가되는 표면을 나타낸다. 본 실시예의 광 주사 장치에서, 상기 회절형 광학 요소는 비균등 집광 렌즈(2)의 광원측(입사측)에서 표면(표면 번호 1)에 추가된다.
상기 회절형 광학 요소의 위상 요동(Φ)은 비균등 집광 렌즈(2)의 광축과 관련하여 회전 비대칭이며, 다음과 같은 다항식으로 표현된다.
Figure 112005061712196-PAT00029
Figure 112005061712196-PAT00030
직교 좌표계에서, 상기 광축 방향은 X-축이다. 여기서, 수학식 15는 주 주사 단면에서의 위상 요동을 나타내고, 수학식 16은 부 주사 단면에서의 위상 요동을 나타낸다.
또한, λ0는 기준 파장인데, 이 실시예에서는 790 nm이다. m은 회절 순서로서, 이 실시예에서 제1 회절 순서가 이용된다.
본 실시예의 광학 주사 장치에서 비균등 집광 렌즈(2)의 회절형 광학 요소의 위상 요동(Φ(y), Φ(z))은 상기 다항식의 2차 계수만을 이용하며, 그 계수(c2, d2)는 다음과 같이 표현된다.
c2 = -9.566182 × 10-3
d2 = -1.548503 ×10-3
표 4에서, 본 발명의 광 주사 장치에서 비균등 집광 렌즈(2)의 굴절부의 주 주사 방향에서의 광출력(Φrefr M), 비균등 집광 렌즈(2)의 회절부의 주 주사 방향에서의 광출력(Φdiff M), 비균등 집광 렌즈(2)의 굴절부의 부 주사 방향에서의 광출력( Φrefr S), 비균등 집광 렌즈(2)의 굴절부의 부 주사 방향에서의 광출력(Φdiff S), 및 수학식 13 및 14의 각 값은 다음과 같다.
Figure 112005061712196-PAT00031
표 4로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 본 실시예에서, 수학식 13 및 14 양자 모두 만족된다.
그 결과, 주변 온도 요동에 의해 야기되는 비균등 집광 렌즈(2)의 굴절부의 광출력 요동을 회절부의 광출력 요동을 이용하여 수정할 수 있다. 또한, 주사 대상 표면(6) 상의 결상 스폿의 부 주사 방향으로의 빔 직경의 요동을 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 복사 성능이 떨어지지 않고 전체 장치의 소형화 및 단순화가 가능한 신규의 광 주사 장치를 얻을 수 있다.
본 실시예의 상기 광 주사 장치에서, 상기 회절형 광학 요소는 비균등 집광 렌즈(2)의 광원측(입사측)에서 표면(표면 번호 1)에 추가된다. 그러나, 상기 회절형 광합 요소가 비균등 집광 렌즈(2)의 다각형 미러측(발광측)에서 표면(표면 번호 2)에 추가되더라도, 주변 온도 변동에 의해 야기되는, 주사 대상 표면(6) 상의 결상 스폿의 부 주사 방향으로의 빔 직경의 요동을 효과적으로 억제할 수 있다.
각각의 실시예에서, 상기 결상 광학계는 하나의 렌즈를 구비하도록 구성되지만, 이에 한정되지 않는다. 즉, 상기 결상 광학계은, 예컨대 2개 이상의 렌즈를 구비하도록 구성될 수도 있다.
또한, 상기 결상 광학계(5)는 렌즈뿐만 아니라 곡면경(curved mirror)도 포함할 수 있다.
본 발명이 해결할 문제는 1,200 dpi 이상의 고해상도의 경우에 특히 문제가 된다. 따라서, 본 발명의 구성을 1,200 dpi 이상의 해상도를 갖는 화상 형성 장치에 적용하면 보다 두드러진 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 광원 수단(1)의 발광부의 개수는 1개에 제한되지 않는다. 광원 수단(1)은 2개 이상의 발광부를 구비하고 있는 다중 빔 광원 수단일 수 있다.
<화상 형성 장치>
도 5는 본 발명의 화상 형성 장치의 한 가지 실시예를 보여주는 부 주사 단면의 주요 단면도이다. 도 5에서, 참조 번호 104는 화상 형성 장치를 나타낸다.
화상 형성 장치(1040에서, 코드 데이터(Dc)가 개인용 컴퓨터와 같은 외부 장치(117)로부터 입력된다. 상기 코드 데이터(Dc)는 화상 형성 장치 내부의 프린터 제어기(111)에 의해 화상 데이터(도트 데이터)(Di)로 전환된다.
상기 화상 데이터(Di)는 제1 실시예, 제2 실시예 및 제3 실시예 중 임의의 실시예에서 도시한 것과 같은 구성을 갖는 광 주사 수단(100)에 입력된다.
또한, 화상 데이터(Di)에 따라 변조된 광 빔(103)이 광 주사 수단(100)으로부터 방출되고, 감광 드럼(101)의 감광면이 주 주사 단면에서 광 빔(103)으로 주사된다.
정전 잠상을 담고 있는 부재(감광 부재)인 감광 드럼(101)은 모터(115)에 의해 시계 방향으로 회전된다.
상기 회전에 따라서, 감광 드럼(101)의 감광면은 광 빔(103)과 관련하여 주 주사 단면에 수직한 부 주사 단면으로 이동된다.
감광 드럼(101) 위에는, 감광 드럼(101)의 표면을 균일하게 대전시키는 대전 롤러(102)가 감광 드럼(101)의 표면에 접하도록 장착된다.
또한, 광 주사 수단(100)이 스캔하는 광 빔(103) 대전 롤러(1020에 의해 대전된 감광 드럼(101)의 표면에 조사된다.
상기한 바와 같이, 광 빔(103)은 화상 데이터(Di)를 기초로 변조되고, 광 빔(103)을 조사함으로써 감광 드럼(101)의 표면에 정전 잠상이 형성된다.
상기 정전 잠상은 감광 드럼(10)의 회전 방향으로 광 빔(103)의 조사 위치의 더 하류측에서 감광 드럼(101)에 접하도록 배치된 현상 기구(107)에 의해 토너 화상으로서 현상된다.
현상 기구(107)에 의해 현상된 토너 화상은 감광 드럼(101)에 대향하도록 배치된 전사 롤러(108)에 의해, 감광 드럼(101) 아래에 있는 전사 물질인 용지(112) 상에 전사된다.
용지(112)는 감광 드럼(101)의 전방(도 5에서 우측)에 있는 용지 카세트(109) 내에 저장된다. 그러나, 수동으로 급지할 수도 있다. 용지 카세트(109)의 엣지부에, 급지 롤러(1100가 배치되어 있다. 급지 롤러(110)는 용지 카세트(109) 내의 용지(112)를 운반 경로 쪽으로 공급한다.
상기한 방식으로, 미정착 토너 화상이 전사되어 있는 상기 용지(112)는 감광 드럼(101)의 뒤쪽(도 5에서 좌측)에 있는 정착 기구로 더 운반된다.
상기 정착 기구는 내부에 정착 히터(도시 생략)를 구비하고 있는 정착 롤러(113) 및 정착 롤러(113)와 가압 접촉하도록 배치된 가압 롤러(114)에 의해 구성된다.
용지(112) 상의 미정착 토너 화상은 정착 롤러(113)와 가압 롤러(114)의 가압 접촉부에서, 전사부로부터 운반되어 온 용지(112)에 압력 및 열을 가함으로써 정착된다.
또한, 정착 롤러(113)의 뒤쪽에는 반송 롤러(113)가 배치되어 있다. 반송 롤러(113)는 화상이 정착된 용지(112)를 화상 형성 장치의 외측으로 반송한다.
도 5에 도시하지 않았지만, 프린트 제어기(111)는 상기한 데이터의 전환뿐만 아니라, 후술하는 광 주사 수단의 모터(115) 및 다각형 모터와 같은 화상 형성 장치의 각 부품에 대한 제어를 수행한다.
<칼라 화상 형성 장치>
도 6은 본 발명의 칼라 화상 형성 장치의 주요부의 개략도이다. 이 실시예는 탠덤형 칼라 화상 형성 장치로서, 4개의 광 주사 장치가 나란히 배치되어 있고, 화상 정보는 상기 4개의 광 주사 장치에 의해 화상 담지 부재인 감광 드럼의 표면에 나란히 기록된다.
도 6에서, 참조 번호 60은 칼라 화상 형성 장치를 나타내고, 참조 번호 11, 12, 13, 14는 각각 제1 실시예, 제2 실시예, 제3 실시예에 도시한 것과 같은 구성 중 임의의 구성을 갖는 광 주사 장치를 나타내며, 참조 번호 21, 22, 23, 24는 화상 담지 부재인 감광 드럼을 나타내고, 참조 번호 31, 32, 33, 34는 현상 기구를 나타내며, 참조 번호 51는 컨베이어 벨트를 나타낸다.
도 6에서, R(레드), G(그린) 및 B(블루)의 각 칼라 신호가 개인용 컴퓨터와 같은 외부 장치(52)로부터 칼라 화상 형성 장치(60)로 입력된다.
상기 칼라 신호는 칼라 화상 형성 장치(60) 내의 프린터 제어기(53)에 의해 시안(C), 마젠타(M), 옐로우(Y) 및 블랙(K)의 각 화상 데이터로 변환된다.
각 화상 데이터는 각각 광 주사 장치(11, 12, 13, 14)에 입력된다.
게다가, 각 화상 데이터에 따라 변조된 광 빔(41, 42, 43, 44)는 상기 광 주사 장치로부터 방출되고, 감광 드럼(21, 22, 23, 24)의 감광 표면은 광 빔(41, 42, 43, 44)에 의해 상기 주 주사 단면에서 주사된다.
본 실시예의 화상 형성 장치에서, 4개의 광 주사 장치(11, 12, 13, 14)가 배치되며, 각각은 시안(C), 마젠타(M), 옐로우(Y) 및 블랙(K)의 색상에 대응한다. 각각의 광 주사 장치(11, 12, 13, 14)는 상기 화상 신호(화상 정보)를 감광 드럼(21, 22, 23, 24)의 표면에 나란히 기록하여 고속으로 칼라 화상을 프린트한다.
상기한 바와 같이, 본 실시예의 화상 형성 장치에서, 각 칼라의 잠상은 4개의 광 주사 장치(11, 12, 13, 14)에 의해 각 화상 데이터에 기초하여 광 빔을 사용하여 각 색상에 대응하는 감광 드럼(21, 22, 23, 24)의 표면에 형성된다.
그 후, 상기 화상의 기록 재료 상에의 다중 전사에 의해 하나의 풀칼라 화상이 형성된다.
외부 장치(52)로서, 예컨대 CCD 카메라가 구비된 칼라 화상 판독 장치가 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 칼라 화상 판독 장치 및 칼라 화상 형성 장치(60)에 의해 칼라 디지털 복사기를 구성한다.
본 발명의 목적은 전체적으로 소형화 및 단순화 가능한 광 주사 장치 및 이를 사용한 화상 형성 장치를 제공하는 것이다.

Claims (15)

  1. 광 주사 장치로서:
    광원 수단;
    이 광원 수단에서 나온 광 빔을 편향 수단으로 유도하기 위한 입사 광학계; 및
    상기 편향 수단에 의해 반사된 광 빔을 주사 대상 표면으로 유도하는 결상 광학계를 포함하며,
    상기 편향 수단의 편향면 또는 편향면 인접부 및 주사 대상 표면은 부 주사 단면에서 공액 관계를 만족하며,
    상기 입사 광학계는 서로 다른 주 주사 방향의 광출력 및 부 주사 방향의 광출력을 갖는 비균등 집광 렌즈를 포함하며,
    상기 결상 광학계는 다음의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하며:
    1 ≤ β2; 및
    β2 ≤ 23.56 ×ωo 2/λo,
    상기 β는 결상 광학계의 부 주사 방향의 가로 배율을 나타내고, ωo는 결상 광학계에 의해 집속된 결상 스폿의 광속 허리 위치에서의 부 주사 방향의 빔 반경을 나타내고, λo(mm)는 광원 수단에서 나온 광 빔의 파장을 나타내는 것인 광 주사 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비균등 집광 렌즈를 그 광축 방향을 따라 이동시키는 것에 의해 주사 대상 표면 상의 결상 스폿의 주 주사 방향의 빔 직경을 조정하기 위한 제1 조정 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 주사 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 조정 수단은 주사 대상 표면 상의 결상 스폿의 주 주사 방향의 빔 직경을 직접 관찰하는 것에 의해 조정을 수행하는 수단인 것을 특징으로 하는 광 주사 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제1 조정 수단은 주사 대상 표면 상의 결상 스폿의 주 주사 방향의 빔 직경이 최소화되도록 조정을 수행하는 수단인 것을 특징으로 하는 광 주사 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광원 수단을 비균등 집광 렌즈의 광축에 직교하는 평면 내에서 이동시키는 것에 의해 주사 대상 표면 상의 결상 스폿의 집속 위치를 조 정하기 위한 제2 조정 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 주사 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 비균등 집광 렌즈의 재료는 플라스틱 재료이며, 상기 비균등 집광 렌즈는 적어도 일 표면상에 광 출력을 갖는 회절부를 구비한 것을 특징으로 하는 광 주사 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 비균등 집광 렌즈의 굴절부의 주 주사 방향 및 부 주사 방향의 광 출력 모두는 양(positive)의 광 출력을 가지며;
    상기 비균등 집광 렌즈의 회절부의 주 주사 방향 및 부 주사 방향의 광 출력 모두는 양의 광 출력을 가지며;
    다음의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하며:
    1.437 ≤ φrefr M/φdiff M ≤ 2.669
    1.437 ≤ φrefr S/φdiff S ≤ 2.669,
    상기 φrefr M은 상기 굴절부의 주 주사 방향의 광 출력,φdiff M은 상기 회절부의 주 주사 방향의 광 출력, φrefr S은 상기 굴절부의 부 주사 단면의 광 출력, 및 φdiff S은 상기 회절부의 부 주사 단면의 광 출력을 나타내는 것인 광 주사 장치.
  8. 광 주사 장치로서:
    광원 수단;
    이 광원 수단에서 나온 광 빔을 편향 수단으로 유도하기 위한 입사 광학계; 및
    상기 편향 수단에 의해 반사된 광 빔을 주사 대상 표면으로 유도하는 결상 광학계를 포함하며,
    상기 편향 수단의 편향면 또는 편향면 인접부 및 주사 대상 표면은 부 주사 단면에서 공액 관계를 만족하며,
    상기 입사 광학계는 서로 다른 주 주사 방향의 광출력 및 부 주사 방향의 광출력을 갖는 비균등 집광 렌즈; 및 상기 광원 수단을 상기 비균등 집광 렌즈의 광축 방향을 따라 이동시키는 것에 의해 주사 대상 표면 상의 결상 스폿의 주 주사 방향의 빔 직경을 조정하기 위한 조정 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 광 주사 장치.
  9. 화상 형성 장치로서:
    제1항 또는 제8항에 따른 광 주사 장치;
    주사 대상 표면 상에 배치된 감광 부재;
    상기 광 주사 장치에 의해 주사되는 광 빔에 의해 상기 감광 부재 상에 형성되는 정전 잠상을 토너 화상으로서 현상하기 위한 현상 장치;
    현상된 토너 화상을 전사 재료 상에 전사하기 위한 전사 장치; 및
    상기 전사된 토너 화상을 전사 재료 상에 정착시키기 위한 정착 장치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 화상 형성 장치.
  10. 화상 형성 장치로서:
    제9항에 따른 광 주사 장치; 및
    외부 기기로부터 입력된 코드 데이터를 화상 신호로 변환하고 그 화상 신호를 광 주사 장치로 입력하기 위한 프린터 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 화상 형성 장치.
  11. 광 주사 장치 조정 방법으로서:
    상기 광 주사 장치는 광원 수단; 이 광원 수단에서 나온 광 빔을 편향 수단으로 유도하기 위한 입사 광학계; 및 상기 편향 수단에 의해 반사된 광 빔을 주사 대상 표면으로 유도하는 결상 광학계를 포함하며, 상기 편향 수단의 편향면 또는 편향면 인접부 및 주사 대상 표면은 부 주사 단면에서 공액 관계를 만족하며,
    상기 입사 광학계는 서로 다른 주 주사 방향의 광출력 및 부 주사 방향의 광출력을 갖는 비균등 집광 렌즈를 구비하며;
    상기 광 주사 장치 조정 방법은,
    상기 광원 수단을 상기 비균등 집광 렌즈의 광축 방향을 따라 이동시키는 것에 의해 주사 대상 표면 상의 결상 스폿의 부 주사 방향의 빔 직경을 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 주사 장치 조정 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 광원 수단은 주사 대상 표면 상의 결상 스폿의 주 주사 방향을 따른 빔 직경을 직접 관찰하면서 비균등 집광 렌즈의 광축 방향을 따라 이동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 광원 수단은 주사 대상 표면 상의 결상 스폿의 주 주사 방향을 따른 빔 직경이 최소화되도록 비균등 집광 렌즈의 광축 방향을 따라 이동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제11항 내지 제13항중 어느 한 항에 있어서, 상기 비균등 집광 렌즈의 재료 는 플라스틱 재료이며;
    상기 비균등 집광 렌즈는 적어도 일 표면 상에 광 출력을 갖는 회절부를 구비하며,
    상기 비균등 집광 렌즈의 굴절부의 주 주사 방향 및 부 주사 방향의 광 출력 모두는 양(positive)의 광 출력을 가지며;
    상기 비균등 집광 렌즈의 회절부의 주 주사 방향 및 부 주사 방향의 광 출력 모두는 양의 광 출력을 가지며;
    다음의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하며:
    1.437 ≤ φrefr M/φdiff M ≤ 2.669
    1.437 ≤ φrefr S/φdiff S ≤ 2.669,
    상기 φrefr M은 상기 굴절부의 주 주사 방향의 광 출력,φdiff M은 상기 회절부의 주 주사 방향의 광 출력, φrefr S은 상기 굴절부의 부 주사 단면의 광 출력, 및 φdiff S은 상기 회절부의 부 주사 단면의 광 출력을 나타내는 것인 방법.
  15. 광 주사 장치 조정 방법으로서:
    상기 광 주사 장치는 광원 수단; 이 광원 수단에서 나온 광 빔을 편향 수단으로 유도하기 위한 입사 광학계; 및 상기 편향 수단에 의해 반사된 광 빔을 주사 대상 표면으로 유도하는 결상 광학계를 포함하며, 상기 편향 수단의 편향면 또는 편향면 인접부 및 주사 대상 표면은 부 주사 단면에서 공액 관계를 만족하며,
    상기 입사 광학계는 서로 다른 주 주사 방향의 광출력 및 부 주사 방향의 광출력을 갖는 비균등 집광 렌즈를 포함하며,
    상기 결상 광학계는 다음의 조건을 만족하며:
    1 ≤ β2; 및
    β2 ≤ 23.56 × ωo 2/λo,
    상기 β는 결상 광학계의 부 주사 방향의 가로 배율을 나타내고, ωo는 결상 광학계에 의해 집속된 결상 스폿의 광속 허리 위치에서의 부 주사 방향의 빔 반경을 나타내고, λo(mm)는 광원 수단에서 나온 광 빔의 파장을 나타내며;
    상기 광 주사 장치 조정 방법은,
    상기 비균등 집광 렌즈를 그 광축 방향을 따라 이동시키는 것에 의해 주사 대상 표면 상의 결상 스폿의 주 주사 방향의 빔 직경을 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 주사 장치 조정 방법.
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