KR20080109474A - 2차원 주사광학용 회전다면경 및 주사계 - Google Patents

Abstract

반도체광원 프로젝션 디스플레이 장치, 반도체광원 스캐닝 장치 또는 반도체광원 프린터 등에 사용되는 2차원 주사광학용 회전다면경 및 주사계가 개시된다. 본 발명은 기존 프린터 등에 활용되는 1차원 스캐닝용 직각회전다면경에 회전축을 기준으로 경사각을 주어 회전다면경 각 반사면에 의한 수직방향 광 반사각이 순차적으로 변화할 수 있도록 구성된다. 따라서 본 발명에 따른 2차원 주사광학용 회전다면경은 종래의 1차원 주사광학용 직각회전다면경 또는 이를 변형가공한 것을 이용할 수 있고, 이를 통해 2차원 주사광학 용도로 사용가능하다. 또한 기존 1차원 직각회전다면경의 경우 정밀도와 양산성이 확립된 상태이므로 이를 연장 활용하여 동급 정밀도와 양산성으로 2차원 주사광학계 구현이 가능하다. 그리고 본 발명에 의한 2차원 회전다면경을 적용하여 2차원 주사광학계를 구현하기 위해서 광 경로상에 수직방향 광 반사각의 분포 균일성 향상을 위한 주사보정 광학계가 적용되도록 구성된다.

회전다면경, 2차원 주사계, 레이저 스캐닝, 레이저 디스플레이, 광부품

Description

2차원 주사광학용 회전다면경 및 주사계{TWO DIMENSIONAL POLYGON MIRROR AND PROJECTION UNIT}

도 1은 통상적인 회전다면경의 구조를 나타낸 도면,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 2차원 주사광학용 회전다면경의 원리를 표현하기 위한 회전다면경의 회전 좌표계를 나타낸 도면,

도 3는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 2차원 주사광학용 회전다면경의 구성과 이를 구동모터에 배치한 상태를 나타낸 도면, 그리고

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 주사보정렌즈를 구비한 2차원 주사계의 구조를 나타낸 도면이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 회전다면경 11 : 회전다면경의 각 반사면

12 : 회전다면경의 대칭중심축 13 : 회전다면경의 회전축

21 : 구동모터 22 : 주사보정 렌즈

23 : 투영스크린 31 : 입사광

32 : 반사광 33 : 수직반사 분포광

34 : 보정된 수직반사 분포광

본 발명은 반도체광원 프로젝션 디스플레이 장치, 반도체광원 스캐닝 장치 및 반도체광원 프린터 등에 사용되는 2차원 주사광학용 회전다면경 및 주사계에 관한 것으로서, 특히 통상적으로 프린터 등에 사용되고 있는 1차원 직각 회전다면경을 사용하여 2차원 주사광학계를 구성함으로써 소형화와 정밀도 및 양산성을 향상시킬 수 있는 2차원 주사광학용 회전다면경 및 주사계에 관한 것이다.

일반적으로, 광학기기에 적용되는 회전다면경은 레이저 등 입사된 광이 회전다면경의 측면에 위치한 반사다면으로부터 스크린 또는 프린터드럼 등으로 반사되며 이러한 다면경의 회전에 의해 스크린 또는 프린터드럼에 각도방향으로 1차원 주사(SCAN)되게 하는 구조이다. 회전다면경 반사면은 보통 금속재질을 연삭가공하거나 금속재질 표면에 박막 코팅을 적용하여 얻어진다.

통상적인 회전다면경은 도 1에서 도시된 바와 같이, 회전다면경(10)의 대칭중심축(12)을 구동모터 등에 의한 회전축과 일치시킨 상태에서 회전다면경(10)의 개별 반사면(11)에 광을 입사시키면 반사광이 1차원 각도 방향으로 분포되어 1차원 주사가 가능한 구조이다. 즉 회전다면경의 각 반사면(11)이 모두 회전축과 직각 방향으로 배치된 ‘직각회전다면경’구조이다(특개평7-325260; 1995.12.12).

또한 프린터에 적용되는 광학계의 경우 회전다면경을 기준으로 입사되는 광은 레이저 또는 정렬광학계로 구성되고 회전다면경으로부터의 반사광은 회전다면경에 의한 반사광이 고르게 분포되도록 ｆ-φ 렌즈를 통해 변환된다(US6648482 B2; 2003.11.18).

이러한 통상적인 구조의 경우 회전다면경으로부터의 반사광은 회전다면경의 회전에 의해 반사광이 1차원 수평방향의 분포만을 갖게 되므로 반사광의 수직방향성분 생성을 통한 2차원 주사용 회전다면경을 얻기 위해서는 다른 구조의 회전다면경 또는 반사체가 필요하다.

따라서 수평 및 수직방향 반사성분을 도출하는 2개의 독립적인 회전다면경을 이용하거나, 회전반사체의 모양을 변경시켜 회전을 통한 수평방향 반사성분 이외의 수직방향 반사성분을 도출한 경우도 있고(JP1991130715; 1991.6.4, US 6809847 B2; 2004.10.26), 그 외에 액상 수지 등을 회전시켜 회전속도 변화에 의한 원심력의 변화를 이용한 회전반사체(US H2123 H; 2005.9.6)를 구성하는 방법 등이 있으나 제작 및 제어방법 상 2차원 주사용의 효율적인 구조가 되지는 못한다. 회전반사체의 반사면 모양을 변화시켜 구성하는 경우(KR 19920021975U; 1991.5.30, 특1999-0066792; 1999.8.16, 특개평8-122508; 1996.5.17)에도 반사광 분포가 특정방향에 국한되거나 분포범위가 한정된 경우가 많다.

특히 투사 디스플레이나 프로젝션 시스템, 스캐너, 프린터 또는 계측기 등의 응용분야에서 2차원 주사광학계가 필요한 경우 주사 분포가 선형이 아닌 면적 형태의 분포를 이루기 위해서는 회전다면경을 통해 반사된 광의 분포도 수평방향뿐만 아니라 수직방향 분포도 필요하며, 특히 고성능 스캐너 또는 디스플레이의 구현을 위해서는 이러한 수직방향 반사광의 공간적 분포가 매우 균일하도록 구성하거나 또는 매우 정밀하게 제어하는 방법이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로, 본 발명의 기술적 과제는, 2차원 주사 기능의 단일 회전다면경과 수직방향 주사보정 광학계를 사용하여 간편하고 소형화된 2차원 주사계를 구성할 수 있는 수단을 제공하는 데 있다.

또한 본 발명의 다른 기술적 과제는, 통상적인 1차원 직각회전다면경을 활용함으로써 2차원 주사 시 회전축 방향의 주사분포 정밀도를 1차원 직각회전다면경 수준으로 유지할 수 있는 수단을 제공하는 데 있다.

또한 본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 양산성이 확립된 통상적인 1차원 직각회전다면경을 활용하게 되므로 양산성을 확보할 수 있는 수단을 제공하는데 있다.

따라서 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기본적으로 통상적인 다수 개의 반사면을 갖는 1차원 주사용 회전다면경을 활용하며, 이때 발생되는 수직방향 주사 불균일도를 보정하기 위한 수직방향 주사보정 렌즈를 부착하도록 구성되어 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 2차원 주사광학용 회전다면경 및 주사계의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 2차원 주사광학용 회전다면경의 원리를 표현하기 위한 회전다면경의 회전 좌표계가 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 2차원 주사광학용 회전다면경의 구성과 이를 구동모터에 배치한 상태가 도시되어 있으며, 도 4에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 주사보정 렌즈를 구비한 2차원 주사계의 구조가 도시되어 있다.

도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 통상적인 1차원 직각회전다면경의 경우 회전다면경(10)의 대칭중심축(12)과 구동모터에 의한 회전축(13)인 z축이 일치하는 구조를 가지며, 이에 따라 대칭중심축(12)의 기울어짐 각도는 α=0이다. 이 경우 회전다면경(10)의 반사면(11) 표면의 법선이 대칭중심축(12) 또는 회전축(13)과 수직인 상태이므로, 반사면(11)에 입사하는 입사광(31)이 대칭중심축(12) 또는 회전축(13)과 수직인 경우 대칭중심축(12) 또는 회전축(13)에 수직인 상태로 반사되는 광 분포를 얻게 된다. 즉 통상적인 1차원 직각회전다면경에 의한 반사광은 수평방향 반사광 성분에 의한 1차원 반사광 분포를 갖는다.

도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 2차원 회전다면경의 경우 회전다면경(10)의 대칭중심축(12)을 회전축(13)에 일치시키지 않고, 도 2의 (a)에 도시되 바와 같이, 대칭중심축(12)을 회전축(13)에 대해 특정한 기울임 각도 α와 특정한 기울임 편향각도 Ψ를 갖도록 고정시킨다. 이를 통해 회전다면경(10)의 반사면(11) 표면의 법선 방향과 회전축(13)과는 수직인 상태가 아니고, 더욱이 회전다면경(10)의 회전에 따라 반사각이 주기적으로 변화하게 되므로, 각 반사면(11)에 입사된 광은 수평방향뿐만 아니라 수직방향으로도 주기적으로 변화하는 반사각을 얻는다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 회전다면경(10)의 반사면(11)은 다수개로 구성될 수 있으며, 본 실시 예에서는 6개의 반사면(11)을 갖는 회전다면경(10)이 도시되어 있다. 이에 따르면 통상적인 1차원 직각회전다면경의 대칭중심축(12)을 구동모터(21)에 의한 회전축(13)인 z축과 특정한 각도(α)가 되도록 기울여 고정시킨다. 이를 통해 회전다면경(10)이 회전함에 따라 반사면(11)의 각도가 일정한 형태로 주기적으로 변하게 되므로 회전다면경(10)의 각 반사면(11)에 입사된 광(31)은 수평방향뿐만 아니라 수직방향으로도 주기적으로 편향되는 반사광(32)을 얻는다.

이를 더욱 자세히 살펴보기 위해, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 회전다면경(10)의 기울임 각도를 α, 기울임 편향각도를 Ψ, 회전다면경(10)의 각 반사면(11)의 총 수를 N으로 표기하고, 그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 회전에 따른 각 반사면(11)의 회전동경각을 Φ, 각 반사면(11)의 법선을 기준으로 한 광의 수평방향 입사각 및 반사각을 θ, 그리고 광의 수직방향 입사각 및 반사각을 β라 표기한다. 이 경우 입사광(31)에 대한 수평방향 반사각 θ가 최대 각도와 최소 각도 범위를 변화하는 각주기는 2π/N이 되며, 이는 통상적인 회전다면경(10)의 회전에 따른 동경각 Φ의 변화에 의한 반사각 변화의 경우와 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 도 3에 도시된 2차원 회전다면경의 수직방향 반사각의 변화를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3에 도시된 바와 같이, 설정되어 고정된 기울임 각도 α와 기울임 편향각도 Ψ를 가지고 회전하는 회전다면경(10)에서 회전동경각 Φ의 변화에 의한 입사광(31)에 대한 수직반사각 β의 변화는, 회전동경각 Φ의 기준점을 Φ=0일 때 β=0인 상태로 할 경우, 다음 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

tanβ＝ tanα * sinΦ ((수직반사각), α＞0)

상기 식에서,

α는 회전다면경(10)의 기울임 각도이고, Φ는 회전다면경(10)의 회전동경각이며, β는 기울임 각도를 가지고 회전하는 회전다면경(10)의 회전동경각 변화에 의한 입사광(31)에 대한 수직반사각(32)이다.

상기한 수학식 1로 볼 때 회전다면경(10)에 의한 광 반사각의 수직방향 변화주기는 1임을 알 수 있다. 이를 통해 본 발명의 실시 예에 따른 2차원 회전다면경에 입사된 광이 회전다면경(10)의 반사면(11)으로부터 수직반사각 β로 반사되어 투영스크린 또는 투영대상물에 형성되는 수직투영라인의 위치 Z는, 회전다면경(10)의 회전축(13)에서 투영스크린 또는 투영대상물까지의 거리를 L이라 하고 회전다면경(10)의 지름이 거리 L보다 무시될 수 있을 만큼 작은 경우, 다음 수학식 2로부터 유도될 수 있다. 여기서 Z=0인 위치는 회전다면경(10)으로부터의 수직반사각 β=0인 위치로 설정하였다.

상기 식에서,

Z는 수직투영라인의 위치이고, L은 회전다면경(10)에서 투영스크린(23) 또는 투영대상물까지의 거리이며, β는 2차원 회전다면경(10)에 입사된 광(31)이 회전다면경(10)의 각 반사면(11)으로부터 반사되는 광(32)의 수직반사각이다.

본 발명의 실시 예에 따른 2차원 회전다면경에 의한 수직투영라인의 위치와 간격은 회전다면경(10)의 반사면 수 N과 도 2에 도시된 기울임 편향각도 Ψ에도 의존하게 된다. 상기한 수학식 1로부터 α＞0 일 때 β=0에서 Φ=0인 상태를 유지하기 위한 기울임 편향각도는 Ψ=±π/2가 되므로, Ψ=±π/2상태에서 반사면(11) 수 N의 변화에 따른 수직투영라인의 위치를 고려할 때, 반사면(11) 수 N이 홀수인 경우 구분 가능한 수직투영라인의 수도 N개이나, 반면 반사면(11) 수 N이 짝수인 경우는 일부 수직투영라인들이 상호 중첩되는 결과로 실제 표현될 수 있는 구분 가능한 라인 수는 N보다 작다. 회전다면경(10)의 반사면(11) 수 N에 대한 구분 가능한 수직투영라인 수의 일부 예는 다음 표에 정리되었다.

회전다면경의 반사면 수 N	홀수	2	4	6	8	10	16	20	32
구분가능한 수직투영라인 수	N	2	3	3	5	5	9	11	17

이에 따라 반사면(11) 수인 N이 짝수인 경우에도 구분 가능한 수직투영라인의 수를 N개로 유지하기 위해서는 기울임 편향각도를 Ψ=±π/2 이외의 상태로 설정할 필요가 있다. 따라서 짝수 개의 반사면(11) 수를 갖는 회전다면경(10)의 경 우, 회전동경각 Φ의 변화에 따른 각 반사면(11)의 법선이 이루는 수평방향 반사각도 변화가 2π/N마다 반복되므로, 수직반사각도 π/2N 주기로 분포 형태가 재연되는 특성이 있으며, 따라서 기울임 편향각도 Ψ의 설정 범위는 다음의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

상기 식에서,

Ψ는 회전다면경(10)의 대칭중심축(12) 기울임 편향각도이고, N은 짝수개를 이루는 회전다면경(10)의 각 반사면(11) 수이다.

따라서 본 발명의 실시 예에 따른 회전다면경(10)의 반사면(11) 수 N이 짝수인 경우 상호 중첩을 방지하고 구분가능한 수직투영라인의 수를 늘리기 위해서는 상기한 수학식 3과 같은 조건으로 기울임 편향각도를 배치하는 것이 필요하다.

한편, 도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 2차원 회전다면경에 의해 수직방향 주사성분이 투영스크린(23) 또는 투영대상물에 결상될 경우를 나타낸 것이다. 여기서는 투영스크린(23)에서 수직방향 각 라인의 간격이 상기 수학식에 의해 일정하지 않은 현상을 보정하기 위해서 주사보정 렌즈(22)를 도입하였다. 이를 통해 상기한 수학식 1에 의한 수직방향 분포광(33)이 주사보정 렌즈(22)를 거치면서 분포광(33)이 보정된 상태(34)에서 투영스크린(23)에 주사되어, 수직방향 광 라인 간격이 일정하게 유지되는 상황을 나타낸 것이다. 주사보정 렌즈(22)는 일 반적으로 수직방향 반사광 방향 보정을 위한 실린더형 렌즈를 적용할 수 있으며, 그 외에도 2차원 주사계의 수평 및 수직방향 조절, 색수차 등 광학계 수차조절, 그 외 본 발명에 의한 회전다면경(10)의 주사성능 조절을 위한 주사보정 광학계 등을 도입할 수도 있다.

한편, 본 발명의 실시 예인 도 3 및 도 4에 도시된 2차원 주사광학용 회전다면경은 통상적인 1차원 직각회전다면경을 활용하므로 정밀도와 상용성이 높을 뿐만 아니라, 단순한 구조로 인해 2차원 주사광학계의 소형화 또는 초소형화 구현에 유리하다. 그리고 2차원 주사광학계의 표현성능을 높이거나 기타 다른 응용을 위해서 본 발명에 의한 회전다면경 또는 주사광학계를 복수로 연결하거나 통상적인 1차원 직각회전다면경과 결합시켜 활용하는 것도 가능하다. 따라서 이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 2차원 주사광학용 회전다면경 및 주사계는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 통상적인 1차원 직각회전다면경을 활용하거나 응용하므로, 1차원 직각 회전다면경의 가공정밀도를 그대로 활용할 수 있고 또한 1차원 직각회전다면경의 상용성과 양산성 활용을 통해 경쟁력 있는 2차원 주사광학계 구성이 가능하다.

둘째, 본 발명에서 예시된 회전다면경과 구동부는 크기 또는 회전속도 등에 대한 선택 폭이 다양하게 상용화된 상태이므로 본 발명을 응용하여 초소형부터 대형까지, 그리고 저출력부터 고출력까지 다양한 범위에서 응용 가능하다.

셋째, 본 발명에 따른 회전다면경의 반사면 수 N과 회전속도, 기울임 각도 α 및 기울임 편향각도 Ψ 등 여러 파라미터 조절을 통해 2차원 주사계의 성능과 활용 범위를 용이하게 조절하거나 수정할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 각 실시 예로써 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.

Claims (8)

1. 하나 이상의 반사면이 구비되는 회전다면경에서 각 반사면 표면으로부터의 법선과 수직을 이루는 대칭중심축을 구동모터 등에 의한 회전축에 대해 기울임 각도 α(0＜α＜90°)로 배치하여 회전다면경을 회전시키는 구조로서,

   상기 회전다면경의 각 반사면으로부터 반사된 광 중 수직방향 반사각 성분 β는, 상기 회전다면경의 회전축을 중심으로 하는 동경각이 Φ=0일 때 β=0를 만족하는 상태를 기준으로 할 경우,

   tanβ= tanα * sinΦ (0＜α＜90°)

   을 만족시키는 것을 특징으로 하는 2차원 주사광학용 회전다면경.
2. 제 1항에 있어서, 상기 회전다면경의 반사면의 수 N이 짝수일 경우, 동경각이 Φ=0일 때 만족하는 상태를 기준으로 한 대칭중심축의 회전축에 대한 기울임 편향각도 Ψ는,

   

   을 만족하도록 배치된 2차원 주사광학용 회전다면경.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 의한 회전다면경을 갖는 2차원 주사계로서,

   상기 회전다면경의 반사광 방향에 대한 분포 조절 및 수차 조절을 위해서 상 기 회전다면경으로부터 반사된 광의 경로상에 주사보정 렌즈가 배치된 것을 특징으로 하는 2차원 주사계.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 회전다면경은 주사광학에 대한 성능 및 목적변형을 위해서 하나 이상이 복수로 연결되도록 배치된 것을 특징으로 하는 2차원 주사계.
5. 청구항 3에 있어서, 상기 회전다면경은 주사광학에 대한 성능 및 목적변형을 위해서 1차원 주사광학용 직각회전다면경과 조합되게 배치된 것을 특징으로 하는 2차원 주사계.
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 의한 회전다면경을 갖는 2차원 주사계로서,

   상기 회전다면경의 반사광 방향에 대한 분포 조절 및 수차 조절을 위해서 상기 회전다면경으로부터 반사된 광의 경로상에 주사보정 광학계가 배치된 것을 특징으로 하는 2차원 주사계.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 회전다면경은 주사광학에 대한 성능 및 목적변형을 위해서 하나 이상이 복수로 연결되도록 배치된 것을 특징으로 하는 2차원 주사계.
8. 청구항 6에 있어서, 상기 회전다면경은 주사광학에 대한 성능 및 목적변형을 위해서 1차원 주사광학용 직각회전다면경과 조합되게 배치된 것을 특징으로 하는 2 차원 주사계.

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