KR20070042765A - 콜리메이터 렌즈 및 이를 이용한 광주사유닛 - Google Patents

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Abstract

광주사유닛은 광원, 상기 광원에서 방출되는 레이저 광을 시준하는 콜리메이터 렌즈, 시준된 상기 레이저 광을 정형화된 크기로 통과시키는 슬릿, 상기 슬릿을 통과한 상기 레이저 광을 편향시키는 폴리곤 미러 및 편향된 상기 레이저 광을 감광체 상에 등속도로 결상시키는 결상광학계를 구비한다. 상기 콜리메이터 렌즈는 상기 광원으로부터 입사되는 레이저 광을 음의 굴절능으로 굴절시키는 제1 구면렌즈와 상기 제1 구면렌즈를 통과한 레이저 광을 양의 굴절능으로 굴절시키는 제2 구면렌즈를 포함하고, ｜f1 / f2｜< 1.6 을 만족하며, 여기서 f1은 상기 제1 구면렌즈의 초점거리, f2은 상기 제2 구면렌즈의 초점거리이다.
화상형성장치, 광주사유닛, 콜리메이터 렌즈, 구면렌즈, VCSEL

Description

콜리메이터 렌즈 및 이를 이용한 광주사유닛{collimator lens and laser scanning unit using the same}
도 1은 종래 기술에 의한 광주사유닛의 콜리메이터 렌즈의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광주사유닛을 나타낸 개략도이다.
도 3은 도 2의 콜리메이터 렌즈의 구성을 나타낸 개략도이다.
** 도면의 주요부분의 부호에 대한 설명 **
110 : 광원
120 : 콜리메이터 렌즈
130 : 슬릿
150 : 폴리곤 미러
160 : 결상광학계
본 발명은 콜리메이터 렌즈 및 이를 이용한 광주사유닛에 관한 것으로서, 더 욱 상세하게는 적어도 2개의 구면렌즈를 갖는 콜리메이터 렌즈 및 이를 이용한 광주사유닛에 관한 것이다.
레이저 프린터나 디지털 복사기와 같은 화상형성장치는 감광체 표면을 (-)전하로 대전시킨 후에 입력된 화상데이터로부터 광원이 감광체 표면에 레이저 광(laser beam)을 주사하여 대전된 영역을 중화시킴으로써 잠재적인 정전잠상(electrostatic latent image)을 형성한 후, 토너를 차례로 현상, 전사, 정착시켜 화상을 형성한다.
광주사유닛(laser scanning unit)은 광원, 상기 광원에서 출사된 레이저 광을 시준(視準)하는 콜리메이터 렌즈(collimator lens), 상기 콜리메이터 렌즈를 통과한 레이저 광의 크기를 제한하는 슬릿, 상기 슬릿을 통과한 레이저 광을 부-주사방향으로 집광시키는 실린더 렌즈, 상기 실린더 렌즈를 통과한 레이저 광을 정전잠상이 형성될 감광체로 편향시켜 주사하는 폴리곤 미러 및 편향된 레이저 광을 감광체 상에 등속도로 결상시키고 주-주사 방향의 상면만곡수차를 보정하는 에프-세타(fθ) 렌즈를 포함한다.
여기서, 부-주사 방향(sub-scanning direction)은 감광체의 이동방향을 말하고, 주-주사방향은(main-scanning direction))은 부-주사 방향에 수직인 방향을 말한다.
도 1은 종래 기술에 의한 광주사유닛의 콜리메이터 렌즈의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 1을 참조하면, 광원(11)으로부터 발산된 레이저 광은 콜리메이터 렌즈 (13)에 의해 시준되어 평행광으로 변환되고, 슬릿(15)에 의해 정형화된 크기로 제한된다. 이어서 폴리곤 미러(미도시)에 의해 편향된 레이저 광은 감광체(미도시) 상의 피주사면에 결상을 하게 된다.
이때 감광체에 결상되는 레이저 광의 크기(d)는 수학식 1과 같다.
Figure 112005059176816-PAT00001
여기서, 상수 k는 트렁케이션 비(truncation ratio; TR)와 푸필 조명도(pupil illumination)에 의존하는 값이고, λ는 레이저 광의 파장, F는 렌즈계의 F값(F-number)으로 f/D로 쓸 수 있다. f는 콜리메이터 렌즈(13)의 초점거리(focal length), D는 슬릿(15)의 크기이다.
일반적으로 광원(11)으로 사용되는 레이저 다이오드나 VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)에서는 가우시안(Gaussian) 광을 방출한다. 레이저 광이 가우시안 광일 경우 상수 k는 수학식 2와 같다.
Figure 112005059176816-PAT00002
수학식 2를 참조하면, 상수 k는 트렁케이션 비(TR)에 반비례한다. 즉 트렁케이션 비(TR)가 무한대로 커지면 상수 k는 회절 한계(diffraction limit) 값인 1.6449로 접근한다.
인쇄매체에 고해상도의 화상을 형성하기 위해, 감광체에 결상되는 레이저 광의 크기(d)가 상기 회절 한계값(k=1.6449)의 2% 내에 들어야 한다고 하자. 이 경우 , 수학식 2에 의하면 TR > 2.5이 성립해야 한다.
수학식 2의 트렁케이션 비(TR)는 수학식 3과 같이 구할 수 있다.
Figure 112005059176816-PAT00003
여기서, w는 1/e2 강도(intensity)에서 레이저 광의 크기이고, D는 슬릿(15)의 크기이다. 또한, L은 광원(11)에서 슬릿(15)까지의 거리, α는 광원(11)의 발산각이다.
수학식 3에 의할 때, 광원(11)의 발산각(α)은 w에 의해 정의되고, 트렁케이션 비(TR)는 발산각(α)이 클수록 커진다.
최근에, 광주사유닛에 있어서 광원(11)으로 레이저 다이오드가 아닌 VCSEL이 많이 채용되고 있다. VCSEL은 광 출력이 표면으로 방출되어 출력되는 레이저 광의 패턴을 원형으로 조절할 수 있고, 2차원 어레이를 용이하게 구현할 수 있는 장점이 있다.
따라서, VCSEL로 다수의 레이저 광을 방출할 수 있도록 어레이 형태로 광원을 구성함으로써, 다수의 레이저 광을 한꺼번에 감광체에 주사하여 한번의 주사로 주-주사 방향으로 다수의 라인을 형성하여 인쇄 속도를 대폭적으로 향상시키는 멀티빔 화상형성장치가 등장하고 있다.
레이저 다이오드에 비해 VCSEL은 발산각(α)이 1/3 정도로 작다. 예를 들어, 레이저 다이오드의 발산각(α)은 약 40°정도이나, VCSEL의 발산각(α)은 약 15°정도이다.
슬릿(D)의 크기가 6mm 이고, 발산각(α)이 15°일 때, TR > 2.5를 만족하기 위해서는, 수학식 3에 의할 때 L > 57.3 mm 이상이어야 한다.
즉, 발산각(α)이 작아짐에 따라 광원(11)에서 슬릿(15)까지의 거리(L)를 작게 하는 데 한계가 있다. 이는 광주사유닛을 콤팩트(compact)하게 설계하는 데 있어 커다란 제약이 된다.
또한, 파면수차를 보정하기 위해 콜리메이터 렌즈(13)의 적어도 1면은 비구면을 포함해야 한다. 비구면은 가공이 구면에 비해 상대적으로 어려워 콜리메이터 렌즈(13)의 제조 비용이 높아지는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기의 문제점을 해결하기 위해 발산각이 작아지더라도 광원과 슬릿 사이의 거리를 짧게 할 수 있는 콜리메이터 렌즈 및 이를 이용한 광주사유닛을 제공하는 데에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 구면렌즈로 구성되는 콜리메이터 렌즈 및 이를 이용한 광주사유닛을 제공하는 데에 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 양태에 의한 콜리메이터 렌즈는 입사되는 레이저 광을 음의 굴절능으로 굴절시키는 제1 렌즈와 상기 제1 구면 렌즈를 통과한 레이저 광을 양의 굴절능으로 굴절시키는 제2 렌즈를 포함하고,
Figure 112005059176816-PAT00004
을 만족하며, 여기서 f1은 상기 제1 렌즈의 초점거리, f2은 상기 제2 렌즈의 초점거리이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 양태에 의한 광주사유닛은 광원, 상기 광원에서 방출되는 레이저 광을 시준하는 콜리메이터 렌즈, 시준된 상기 레이저 광을 정형화된 크기로 통과시키는 슬릿, 상기 슬릿을 통과한 상기 레이저 광을 편향시키는 폴리곤 미러 및 편향된 상기 레이저 광을 감광체 상에 등속도로 결상시키는 결상광학계를 구비한다. 상기 콜리메이터 렌즈는 상기 광원으로부터 입사되는 레이저 광을 음의 굴절능으로 굴절시키는 제1 구면렌즈와 상기 제1 구면렌즈를 통과한 레이저 광을 양의 굴절능으로 굴절시키는 제2 구면렌즈를 포함하고,
Figure 112005059176816-PAT00005
을 만족하며, 여기서 f1은 상기 제1 구면렌즈의 초점거리, f2은 상기 제2 구면렌즈의 초점거리이다.
바람직하게는 상기 광주사유닛은
Figure 112005059176816-PAT00006
을 만족하며, 여기서, L은 상기 광원에서 상기 슬릿까지의 거리, D는 상기 슬릿의 크기, α는 상기 광원의 발산각이다.
상기 광원은 VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)일 수 있다. 레이저 다이오드에 비해 발산각이 작은 VCSEL에 대하여도 광원에서 슬릿까지의 거리를 짧게 하여 컴팩트한 광주사유닛을 설계할 수 있다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 실시예가 이하에서 개시되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광주사유닛을 나타낸 개략도이다.
도 2를 참조하면, 광주사유닛(100)은 광원(110), 콜리메이터 렌즈(120), 슬릿(130), 실린더 렌즈(140), 폴리곤 미러(140) 및 결상광학계(160)를 포함한다.
광원(110)은 VCSEL이며, 레이저 광을 방출한다. 다만, VCSEL에 한하지 않고, 광원(110)은 일반적인 레이저 다이오드일 수도 있다.
콜리메이터 렌즈(collimator lens; 120)는 상기 광원(110)에서 방출된 레이저 광을 시준(視準)한다. 콜리메이터 렌즈(120)를 통과한 레이저 광은 일반적으로 평행광이 되나, 이에 한하지 않고 수렴광 또는 발산광이 될 수도 있다.
슬릿(130)은 상기 콜리메이터 렌즈(120)를 통과한 레이저 광을 정형화된 크 기로 통과시킨다. 실린더 렌즈(140)는 상기 슬릿(130)을 통과한 레이저 광을 부-주사방향으로 집광시킨다. 폴리곤 미러(150)는 등속 회전하여, 입사되는 레이저 광을 주-주사 방향으로 등선속으로 이동시키면서 편향시킨다.
결상광학계(160)는 에프-세타 렌즈(162)와 반사미러(164)를 포함하며, 폴리곤 미러(140)에 의해 편향된 레이저 광을 감광체(200) 상에 등속도로 결상시키고, 주주사 방향의 상면만곡수차를 보정한다. 폴리곤 미러(140)에 의해 편향된 레이저 광은 에프-세타 렌즈(162)를 통과하면서 회절 및 굴절되고 반사미러(164)에 의해 반사되어 결상면인 감광체(200)의 표면에 정전잠상을 결상시킨다.
도 3은 도 2의 콜리메이터 렌즈의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 3을 참조하면, 콜리메이터 렌즈(120)는 제1 렌즈(122)와 제2 렌즈(124)를 포함한다.
제1 렌즈(122)는 구면으로, 음의 굴절능을 갖는다. 제2 렌즈(124)는 구면으로, 양의 굴절능을 갖는다. 굴절능은 초점거리(focal length)의 역수를 의미하며, 따라서 제1 렌즈(122)는 음의 초점거리를 갖고, 제2 렌즈(124)는 양의 초점거리를 갖는다.
제1 렌즈(122)의 초점거리를 f1, 제2 렌즈(124)의 초점거리를 f2라 할 때, 2개의 렌즈는 다음의 수학식을 만족한다.
Figure 112005059176816-PAT00007
수학식 4를 만족하도록, 2개의 구면렌즈, 즉 제1 렌즈(122)와 제2 렌즈(124)를 설계하여 콜리메이터 렌즈(120)를 구성한다. 이로써 광원(110)의 발산각(α)이 작아지더라도 컴팩트한 광주사유닛(100)을 구현할 수 있다.
이하에서는, 구체적인 값들을 인용하여 본 발명의 실시예에 의한 광주사유닛을 설명한다.
제1 렌즈(122)의 초점거리(f1)를 -9.803, 제2 렌즈(124)의 초점거리(f2)를 11.690 이라 할 때, ｜f1 / f2｜= 0.836 으로 1.6 보다 작다. 따라서 수학식 4를 만족한다.
이때, 광원(110)과 슬릿(130) 사이의 거리(D)가 33.5 mm, 광원(110)의 발산각(α)을 15°, 슬릿(130)의 크기(D)를 6mm 할 때, Lα/D = 1.46 이다. 따라서, Lα/D < 2.5 이다.
다른 예로, 제1 렌즈(122)의 초점거리(f1)를 -11.439, 제2 렌즈(124)의 초점거리(f2)를 13.311 이라 할 때, ｜f1 / f2｜= 0.859 으로 1.6 보다 작다. 따라서 수학식 4를 만족한다.
이때, 광원(110)과 슬릿(130) 사이의 거리(D)가 33.5 mm, 광원(110)의 발산각(α)을 15°, 슬릿(130)의 크기(D)를 6mm 할 때, Lα/D = 1.46 이다. 따라서, Lα/D < 2.5 이다.
즉, 본 발명에 의하면, 2개의 구면렌즈로 콜리메이터 렌즈(120)를 구성함으로써 광원(110)과 슬릿(130) 사이의 거리(D)를 1개의 렌즈로 구성한 콜리메이터 렌 즈(120)에 비해 작게 할 수 있다. 이때 광원(110)과 슬릿(130) 사이의 거리(D)는 다음을 만족한다.
Figure 112005059176816-PAT00008
상기에서는 1개의 레이저 광을 이용한 광주사유닛에 대하여 설명하였으나, 2개 이상의 레이저 광을 이용한 멀티빔 광주사유닛에 대하여도 본 발명의 기술적 사상은 그대로 적용될 수 있다.
상기에서 상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 2개의 구면렌즈로 콜리메이터 렌즈를 구성하여 비구면을 갖는 데 따르는 렌즈의 가공비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 광원의 발산각이 작아지더라도 광원과 슬릿 사이의 거리를 짧게 할 수 있어 컴팩트한 광주사유닛을 설계할 수 있다.

Claims (5)

  1. 입사되는 레이저 광을 음의 굴절능으로 굴절시키는 제1 렌즈; 및
    상기 제1 구면렌즈를 통과한 레이저 광을 양의 굴절능으로 굴절시키는 제2 렌즈를 포함하고,
    Figure 112005059176816-PAT00009
    을 만족하며, 여기서 f1은 상기 제1 렌즈의 초점거리, f2은 상기 제2 렌즈의 초점거리인 것을 특징으로 하는 콜리메이터 렌즈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈는 구면인 것을 특징으로 하는 콜리메이터 렌즈.
  3. 광원;
    상기 광원에서 방출되는 레이저 광을 시준하는 콜리메이터 렌즈;
    시준된 상기 레이저 광을 정형화된 크기로 통과시키는 슬릿;
    상기 슬릿을 통과한 상기 레이저 광을 편향시키는 폴리곤 미러; 및
    편향된 상기 레이저 광을 감광체 상에 등속도로 결상시키는 결상광학계를 구비하며,
    상기 콜리메이터 렌즈는
    상기 광원으로부터 입사되는 레이저 광을 음의 굴절능으로 굴절시키는 제1 구면렌즈와 상기 제1 구면렌즈를 통과한 레이저 광을 양의 굴절능으로 굴절시키는 제2 구면렌즈를 포함하고,
    Figure 112005059176816-PAT00010
    을 만족하며, 여기서 f1은 상기 제1 구면렌즈의 초점거리, f2은 상기 제2 구면렌즈의 초점거리인 것을 특징으로 하는 광주사유닛.
  4. 제 3항에 있어서,
    Figure 112005059176816-PAT00011
    을 만족하며, 여기서, L은 상기 광원에서 상기 슬릿까지의 거리, D는 상기 슬릿의 크기, α는 상기 광원의 발산각인 것을 특징으로 하는 광주사유닛.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 광원은 VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)인 것을 특징으로 하는 광주사유닛.
KR1020050098722A 2005-10-19 2005-10-19 콜리메이터 렌즈 및 이를 이용한 광주사유닛 KR20070042765A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016148510A1 (ko) * 2015-03-18 2016-09-22 엘지전자 주식회사 레이저 프로젝터

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