KR20240046420A - 주사 광학계 - Google Patents

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KR20240046420A
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준페이 오다
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나럭스 컴퍼니 리미티드
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Abstract

제1 및 제2 광원과, 폴리곤 미러와, 제1-제4 주사 렌즈를 포함하는 주사 광학계로서, 상기 제1 및 제2 주사 렌즈의 입사측면의 정점을 각각 A1 및 A2로 하고, 상기 폴리곤 미러의 회전축의 방향으로 x축을 규정하며, 광속(光束)의 주사 방향으로 y축을 규정하고, x축 및 y축에 직교하도록 z축을 규정하며, 상기 제1 및 제2 광원으로부터의 광속의 편향 기준점을 각각 P1 및 P2로 하고, 점 P1 및 점 A1 사이의 z축 방향의 거리를 L1로 하며, 점 P2 및 점 A2 사이의 z축 방향의 거리를 L2로 하고, 점 P1 및 점 P2 사이의 z축 방향의 거리를 Lp12로 하며, 상기 제1 주사 렌즈의 x축 방향의 두께를 h1로 하고, 상기 제2 주사 렌즈의 x축 방향의 두께를 h2로 하며, 상기 제1 및 제2 광원으로부터 상기 폴리곤 미러에 도달하는 광속의 주광선을, x축 및 y축을 포함하는 평면에 투영한 직선이 y축과 이루는 예각을 각각 θ1 및 θ2로 하여, 하기의 수식이 만족되도록 구성되어 있다.
[수학식]

Description

주사 광학계
본 발명은 1개의 폴리곤 미러에 복수의 광속(光束)을 입사시켜 복수의 주사면 상의 주사를 실시하는 주사 광학계에 관한 것이다.
1개의 폴리곤 미러에 복수의 광속을 입사시켜 복수의 주사면 상의 주사를 실시하는 주사 광학계가 사용되고 있다. 그러한 주사 광학계에서는, 폴리곤 미러를 사이에 두고 그 양측에 광속을 집광하기 위한 주사 렌즈가 배치된다. 이 때문에, 그러한 주사 광학계에서는, 하나의 광속의 일부가 주사 렌즈에서 반사되어, 그 광속의 주사면으로부터 폴리곤 미러의 반대측에 배치된 다른 주사면에 미광(迷光)으로서 입사하여, 줄무늬 및 그 외의 인자 불량을 발생시킨다고 하는 문제가 있다.
상기한 문제를 해결하기 위해서, 폴리곤 미러와 주사 렌즈 사이에 미광을 방지하기 위한 차광 부재를 구비한 주사 광학계가 개발되어 있다(특허문헌 1). 그러나, 상기한 주사 광학계에서는, 차광 부재로 인해 구성이 번잡화되고 비용도 증가한다. 또한, 광속이 반사되는 주사 렌즈의 면의 형상을 폴리곤 미러측으로 볼록면으로 할 필요가 있어, 부(副)주사 방향의 횡배율이 증가하기 때문에 렌즈 형상 및 설치 위치의 오차 감도가 증가한다.
지금까지, 구성이 번잡하지 않고 주사 렌즈의 면의 제약이 작은, 1개의 폴리곤 미러에 복수의 광속을 입사시켜 복수의 주사면 상의 주사를 실시하는 주사 광학계는 개발되어 있지 않다.
그래서, 구성이 번잡하지 않고 주사 렌즈의 면의 제약이 작은, 1개의 폴리곤 미러에 복수의 광속을 입사시켜 복수의 주사면 상의 주사를 실시하는 주사 광학계에 대한 요구가 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2014-206673호 공보
본 발명의 과제는, 구성이 번잡하지 않고 주사 렌즈의 면의 제약이 작은, 1개의 폴리곤 미러에 복수의 광속을 입사시켜 복수의 주사면 상의 주사를 실시하는 주사 광학계를 제공하는 것이다.
본 발명의 주사 광학계는, 제1 및 제2 광원과, 폴리곤 미러와, 제1-제4 주사 렌즈를 포함하고, 상기 제1 광원으로부터의 광속이 상기 폴리곤 미러에 반사된 후 상기 제1 주사 렌즈 및 제3 주사 렌즈를 통과하고, 상기 제2 광원으로부터의 광속이 상기 폴리곤 미러에 반사된 후 상기 제2 주사 렌즈 및 제4 주사 렌즈를 통과하도록 구성되어 있다. 본 발명의 주사 광학계는, 상기 제1 및 제2 주사 렌즈의 입사측면의 정점을 각각 A1 및 A2로 하고, 점 A1 및 점 A2를 연결하는 선분의 중점을 점 O로 하며, 상기 폴리곤 미러의 회전축의 방향으로 x축을 규정하고, 광속의 주사 방향으로 y축을 규정하며, x축 및 y축에 직교하도록 z축을 규정하고, 상기 제1 및 제2 광원으로부터의 광속의 편향 기준점을 각각 P1 및 P2로 하며, 점 P1 및 점 A1 사이의 z축 방향의 거리를 L1로 하고, 점 P2 및 점 A2 사이의 z축 방향의 거리를 L2로 하며, 점 P1 및 점 P2 사이의 z축 방향의 거리를 Lp12로 하고, 상기 제1 주사 렌즈의 x축 방향의 두께를 h1로 하며, 상기 제2 주사 렌즈의 x축 방향의 두께를 h2로 하고, 상기 제1 및 제2 광원으로부터 상기 폴리곤 미러에 도달하는 광속의 주광선을, x축 및 y축을 포함하는 평면에 투영한 직선이 y축과 이루는 예각을 각각 θ1 및 θ2로 하여,
가 만족되도록 구성되고, 각각의 광원으로부터 방출된 광속은, 주사면에 도달한 경우의 x축 방향에 있어서, 각각의 편향 기준점에서 거의 집광하도록 구성되며, 각각의 편향 기준점으로부터 주사면까지의 x축 방향의 횡배율이 2 내지 3의 범위이도록 구성되어 있다.
본 발명의 주사 광학계에서는, 상기 제1 및 제2 주사 렌즈가 소정의 조건을 만족시키도록 배치되어 있기 때문에, 상기 제1 및 제2 광원으로부터 방출된 광속에 관해, 폴리곤 미러의 반대측에 배치된 다른 주사면에서의 미광의 조도의 영향은 허용할 수 있는 범위가 되어, 줄무늬 및 그 외의 인자 불량이 발생하는 일은 없다.
본 발명의 제1 실시형태의 주사 광학계에 있어서, 상기 제1 주사 렌즈의 형상과 상기 제2 주사 렌즈의 형상이 동일하고, 상기 제3 주사 렌즈의 형상과 상기 제4 주사 렌즈의 형상이 동일하며, 상기 제1 주사 렌즈와 상기 제2 주사 렌즈의 쌍 및 상기 제3 주사 렌즈와 상기 제4 주사 렌즈의 쌍이 각각 x축 및 y축에 평행하며 상기 점 O를 포함하는 평면에 관해 대칭으로 배치되어 있다.
본 발명의 제2 실시형태의 주사 광학계에 있어서, 상기 제3 주사 렌즈 및 상기 제4 주사 렌즈의 각각은 x축 방향으로 중첩된 2개의 입사면 및 2개의 출사면을 갖는 렌즈이다.
본 발명의 제3 실시형태의 주사 광학계에 있어서, 상기 제1 주사 렌즈 및 상기 제2 주사 렌즈의 입사면은, 광속이 반사되는 영역의 xz 단면의 곡률 반경의 절대값의 평균값이 200 밀리미터 이하의 오목면이 아니다.
본 실시형태의 주사 광학계에 있어서, 상기 제1 주사 렌즈 및 상기 제2 주사 렌즈의 입사면은, 광속이 반사되는 영역의 xz 단면의 곡률 반경의 절대값의 평균값이 200 밀리미터 이하의 오목면이 아니기 때문에, 폴리곤 미러의 반대측에 배치된 다른 주사면에 있어서, 상기 제1 주사 렌즈 및 상기 제2 주사 렌즈의 입사면에서 반사된 광속의 조도가 증가하여 미광의 영향이 커지는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 제4 실시형태의 주사 광학계는, 제3 및 제4 광원을 더 포함하고, 상기 제3 광원으로부터의 광속이 상기 폴리곤 미러에 반사된 후 상기 제1 주사 렌즈 및 상기 제3 주사 렌즈를 통과하고, 상기 제4 광원으로부터의 광속이 상기 폴리곤 미러에 반사된 후 상기 제2 주사 렌즈 및 제4 주사 렌즈를 통과하도록 구성되며, 상기 제3 광원으로부터의 광속의 편향 기준점이 상기 점 P1과 일치하고, 상기 제4 광원으로부터의 광속의 편향 기준점이 상기 P2와 일치하도록 구성되며, 상기 제3 및 제4 광원으로부터 상기 폴리곤 미러에 도달하는 광속의 주광선을, x축 및 y축을 포함하는 평면에 투영한 직선이 y축과 이루는 예각을 각각 θ3 및 θ4로 하여,
가 만족되도록 구성되고, 각각의 광원으로부터 방출된 광속은, 주사면에 도달한 경우의 x축 방향에 있어서, 각각의 편향 기준점에서 거의 집광하도록 구성되며, 각각의 편향 기준점으로부터 주사면까지의 x축 방향의 횡배율이 2 내지 3의 범위이도록 구성되어 있다.
본 실시형태의 주사 광학계에서는, 상기 제1 및 제2 주사 렌즈가 소정의 조건을 만족시키도록 배치되어 있기 때문에, 상기 제3 및 제4 광원으로부터 방출된 광속에 관해, 폴리곤 미러의 반대측에 배치된 다른 주사면에서의 미광의 조도의 영향은 허용할 수 있는 범위가 되어, 줄무늬 및 그 외의 인자 불량이 발생하는 일은 없다.
본 발명의 제5 실시형태의 주사 광학계에 있어서, 상기 제1-제4 광원으로부터의 각각의 광속의 주사면 상의 유효 주사폭이 230 밀리미터 이하이다.
본 발명의 제6 실시형태의 주사 광학계는, 각각의 광원과 상기 폴리곤 미러 사이에 입사 광학계 소자를 더 포함하고, 각각의 입사 광학계 소자를 통과한 광속이 주사면에 도달했을 때의 y축 방향에 있어서 집광 광속이 되도록 구성되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태의 주사 광학계의 투시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태의 주사 광학계의 평면도이다.
도 3은 나중에 설명하는 비교예의 주사 광학계의 제3 광원으로부터 방출된 광속의 경로의 평면도이다.
도 4는 나중에 설명하는 비교예의 주사 광학계의 제3 광원으로부터 방출된 광속의 경로의 측면도이다.
도 5는 도 3의, 폴리곤 미러, 제1 주사 렌즈 및 제2 주사 렌즈를 포함하는 영역을 확대한 도면이다.
도 6은 제1 광원으로부터 방출된 광속의 주광선의 경로를 x축 및 y축을 포함하는 평면에 투영한 도면이다.
도 7은 점 A1을 포함하는 z축에 수직인 단면에서의, 제1 광원으로부터 방출된 광속 및 제3 광원으로부터 방출된 광속의 통과 위치를 도시한 도면이다.
도 8은 나중에 설명하는 실시예의 주사 광학계의, 제3 광원으로부터 방출된 광속의 경로의 평면도이다.
도 9는 나중에 설명하는 실시예의 주사 광학계의, 제3 광원(103)으로부터 방출된 광속의 경로의 측면도이다.
도 10은 실시예의 주사 광학계의 주(主)주사 방향(y축 방향) 및 부(副)주사 방향(x축 방향)의 빔 웨이스트 위치를 도시한 도면이다.
도 11은 비교예의 주사 광학계의 주주사 방향(y축 방향) 및 부주사 방향(x축 방향)의 빔 웨이스트 위치를 도시한 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태의 주사 광학계의 투시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태의 주사 광학계의 평면도이다.
본 발명의 주사 광학계는, 1개의 폴리곤 미러에 복수의 광속을 입사시켜 복수의 주사면 상의 주사를 실시한다. 도 1 및 도 2에 도시된 실시형태에서는 4개의 광원에 의해 4개의 광속을 1개의 폴리곤 미러에 입사시킨다. 제1 주사 광학계는 제1 광원(101)과, 제1 애퍼처(aperture)와, 제1 입사 광학계 소자(1011)와, 폴리곤 미러(200)와, 제1 주사 렌즈(301)와, 제3 주사 렌즈(303)를 포함한다. 제2 주사 광학계는 제2 광원(102)과, 제2 애퍼처와, 제2 입사 광학계 소자(1021)와, 폴리곤 미러(200)와, 제2 주사 렌즈(302)와, 제4 주사 렌즈(304)를 포함한다. 제3 주사 광학계는 제3 광원(103)과, 제3 애퍼처와, 제3 입사 광학계 소자(1031)와, 폴리곤 미러(200)와, 제1 주사 렌즈(301)와, 제3 주사 렌즈(303)를 포함한다. 제4 주사 광학계는 제4 광원(104)과, 제4 애퍼처와, 제4 입사 광학계 소자(1041)와, 폴리곤 미러(200)와, 제2 주사 렌즈(302)와, 제4 주사 렌즈(304)를 포함한다. 즉, 폴리곤 미러(200)는 제1-제4 주사 광학계에 의해 공유되고, 제1 주사 렌즈(301) 및 제3 주사 렌즈(303)는 제1 및 제3 주사 광학계에 의해 공유되며, 제2 주사 렌즈(302) 및 제4 주사 렌즈(304)는 제2 및 제4 주사 광학계에 의해 공유된다.
폴리곤 미러(200)의 회전축의 방향으로 x축을 규정하고, 광속의 주사 방향으로 y축을 규정하며, x축 및 y축에 직교하도록 z축을 규정한다. x축, y축 및 z축의 방향은 도 1 및 도 2에 도시된 방향이다. y축의 방향을 주주사 방향, x축의 방향을 부주사 방향이라고도 호칭한다.
제1 주사 광학계에 있어서, 제1 광원(101)으로부터 방출된 광속은, 제1 입사 광학계 소자(1011) 및 제1 애퍼처를 통과하여, 폴리곤 미러(200)의 면에 의해 반사되고, 제1 주사 렌즈(301) 및 제3 주사 렌즈(303)를 통과한 후에 주사면(401) 상에 집광된다. 제2 주사 광학계에 있어서, 제2 광원(102)으로부터 방출된 광속은, 제2 입사 광학계 소자(1021) 및 제2 애퍼처를 통과하여, 폴리곤 미러(200)의 면에 의해 반사되고, 제2 주사 렌즈(302) 및 제4 주사 렌즈(304)를 통과한 후에 주사면(402) 상에 집광된다. 제3 주사 광학계에 있어서, 제3 광원(103)으로부터 방출된 광속은, 제3 입사 광학계 소자(1031) 및 제3 애퍼처를 통과하여, 폴리곤 미러(200)의 면에 의해 반사되고, 제1 주사 렌즈(301) 및 제3 주사 렌즈(303)를 통과한 후에 주사면(403) 상에 집광된다. 제4 주사 광학계에 있어서, 제4 광원(104)으로부터 방출된 광속은, 제4 입사 광학계 소자(1041) 및 제4 애퍼처를 통과하여, 폴리곤 미러(200)의 면에 의해 반사되고, 제2 주사 렌즈(302) 및 제4 주사 렌즈(304)를 통과한 후에 주사면(404) 상에 집광된다. 각각의 주사 광학계는, 광원으로부터 방출된 광속은, 주사면에 도달한 경우의 x축 방향에 있어서, 폴리곤 미러(200)의 면 상의 반사점에서 거의 집광하고, 주사면에 도달한 경우의 y축 방향에 있어서, 입사 광학계 소자를 통과한 후에 집광 광속이 되도록 구성된다. 입사 광학계 소자는, 주주사 방향의 초점 거리와 부주사 방향의 초점 거리가 상이한 아나모픽(anamorphic) 소자(아나모픽 렌즈)이다. 각각의 광학계에 있어서, 광원으로부터 폴리곤 미러까지를 입사 광학계라고 호칭하고, 폴리곤 미러로부터 주사면까지를 결상 광학계라고 호칭한다.
본 실시형태에 있어서 폴리곤 미러(200)의 x축에 수직인 단면은 정방형이지만, 다른 실시형태에 있어서 폴리곤 미러의 x축에 수직인 단면은 육각형, 팔각형 등이어도 좋다.
일반적으로 본 발명은 폴리곤 미러의 반사점으로부터 주사면까지의 부주사 방향의 횡배율이 2 내지 3의 범위이고 주사면 상의 유효 주사폭이 230 밀리미터 이하의 컴팩트한 주사 광학계에 적용된다.
다음으로, 주사 렌즈의 입사면에서의 광속의 반사에 의한 미광에 대해 설명한다.
도 3은 나중에 설명하는 비교예의 주사 광학계의 제3 광원(103)으로부터 방출된 광속의 경로의 평면도이다. 도 3은 y축 및 z축에 평행한 면을 도시한다. 또한, 비교예의 광원 등의 소자의 부호는 도 1 및 도 2에 도시된 실시형태의 부호와 동일한 것을 사용한다.
도 4는 나중에 설명하는 비교예의 주사 광학계의 제3 광원(103)으로부터 방출된 광속의 경로의 측면도이다. 도 4는 x축 및 z축에 평행한 면을 도시한다.
전술한 바와 같이, 제3 광원(103)으로부터 방출된 광속은, 제3 입사 광학계 소자(1031)를 통과하여, 폴리곤 미러(200)의 면에 의해 반사되고, 제1 주사 렌즈(301) 및 제3 주사 렌즈(303)를 통과한 후에 주사면(403) 상에 집광된다. 그러나, 상기한 광속의 일부는 제1 주사 렌즈(301)의 입사면에 있어서 반사되어, 제2 주사 렌즈(302) 및 제4 주사 렌즈(304)를 통과한 후에 주사면(402) 상에 미광으로서 도달한다. 도 4에 의하면, 제1 주사 렌즈(301)의 입사면에 있어서 반사된 전광속(全光束)이, 제2 주사 렌즈(302) 및 제4 주사 렌즈(304)를 통과한 후에 주사면(402) 상에 미광으로서 도달한다.
도 5는 도 2의, 폴리곤 미러(200), 제1 주사 렌즈(301) 및 제2 주사 렌즈(302)를 포함하는 영역을 확대한 도면이다. 제1 주사 렌즈(301)의 입사측면의 정점을 A1, 제2 주사 렌즈(302)의 입사측면의 정점을 A2로 하고, 점 A1 및 점 A2를 연결하는 선분의 중점을 점 O로 한다. 제1 주사 렌즈(301) 및 제2 주사 렌즈(302)는, 점 A1 및 점 A2를 연결하는 직선이 z축 방향이 되도록 배치된다. 제1 광원(101)으로부터의 광속의 편향 기준점을 P1로 하고, 제2 광원(102)으로부터의 광속의 편향 기준점을 P2로 한다. 일반적으로 편향 기준점이란, 광원으로부터 편향기(폴리곤 미러)에 도달하는 광속의 주광선이 편향기에서 반사된 후의 광선을 y축 및 z축을 포함하는 평면에 투영한 직선이 y축과 직교하는 경우의 반사점을 가리킨다. 편향 기준점 P1 및 P2는, 점 A1 및 점 A2를 연결하는 직선 상에 위치하도록 구성된다.
도 6은 제1 광원(101)으로부터 방출된 광속의 주광선의 경로를 x축 및 y축을 포함하는 평면에 투영한 도면이다. 도 6에서 주광선은, 제1 주사 렌즈(301)의 입사면의 반사에 의해 진행 방향이 변화하지 않도록 표현되어 있다. 점 P1 및 점 A1 사이의 z축 방향의 거리를 L1로 하고, 점 P2 및 점 A2 사이의 z축 방향의 거리를 L2로 하며, 점 P1 및 점 P2 사이의 z축 방향의 거리를 Lp12로 한다. 제1 광원(101)으로부터 폴리곤 미러(200)에 도달하는 광속의 주광선을, x축 및 y축을 포함하는 평면에 투영한 직선이 y축과 이루는 예각을 θ1로 하고, 제2 주사 렌즈(302)의 x축 방향의 두께를 h2로 한다.
또한, 실제로는 제1 주사 렌즈(301) 및 제2 주사 렌즈(302)의 입사면의 위치의 좌표는 y 좌표에 의해, 점 O를 지나고 z축에 평행한 직선 상의 입사면의 위치의 좌표와 차를 갖는다. 도 6에서는 상기한 차를 무시하고 있다.
제1 광원(101)으로부터 방출된 광속의 주광선이, 제1 주사 렌즈(301)의 입사면에 있어서 반사된 후, 제2 주사 렌즈(302)의 입사면에 입사하지 않는 조건은 이하의 식으로 나타낼 수 있다.
제2 광원(102)으로부터 폴리곤 미러(200)에 도달하는 광속의 주광선을, x축 및 y축을 포함하는 평면에 투영한 직선이 y축과 이루는 예각을 θ2, 제3 광원(103)으로부터 폴리곤 미러(200)에 도달하는 광속의 주광선을, x축 및 y축을 포함하는 평면에 투영한 직선이 y축과 이루는 예각을 θ3, 제4 광원(104)으로부터 폴리곤 미러(200)에 도달하는 광속의 주광선을, x축 및 y축을 포함하는 평면에 투영한 직선이 y축과 이루는 예각을 θ4로 하고, 제1 주사 렌즈(301)의 x축 방향의 두께를 h1로 하면, 제2-제4 광원으로부터 방출된 광속의 주광선이 폴리곤 미러의 반대측에 배치된 다른 주사 렌즈의 입사면에 입사하지 않는 조건은 이하의 식으로 나타낼 수 있다.
여기서, 제1 주사 렌즈(301)의 x축 방향의 두께 h1에 대해 설명한다.
도 7은 점 A1을 포함하는 z축에 수직인 단면에서의, 제1 광원(101)으로부터 방출된 광속 및 제3 광원(103)으로부터 방출된 광속의 통과 위치를 도시한 도면이다. 도 7의 횡축은 y축 방향의 좌표를 나타낸다. 도 7의 종축은 z축 방향의 좌표를 나타낸다. 길이의 단위는 밀리미터이다. 3개의 파선은 제1 광원(101)으로부터 방출된 광속의 통과 위치를 나타낸다. 3개의 일점쇄선은 제3 광원(103)으로부터 방출된 광속의 통과 위치를 나타낸다. 각각의 경우에 3개의 선은, 애퍼처(개구 조리개)의 중심을 통과하는 주광선 및 개구 조리개의 대각선 상의 2 정점을 통과하는 2 광선의 통과 위치를 나타낸다. 모든 통과 위치를 포함하는 최소의 직사각형의 x축 방향의 길이를 유효 직경으로 하여 AX1로 나타낸다. 유효 직경의 한쪽의 마진량을 B로 나타낸다. 제1 주사 렌즈(301)의 x축 방향의 두께 h1은 이하의 식으로 나타낼 수 있다.
모든 통과 위치를 포함하는 최소의 직사각형의 x축 방향의 길이를 유효 직경으로 하여 AX2로 나타내면, 제2 주사 렌즈(302)의 x축 방향의 두께 h2도 마찬가지로 이하의 식으로 나타낼 수 있다.
유효 직경의 한쪽의 마진량 B의 값은 주사 렌즈의 면간 편심량, 설치 위치 오차량, 설치 조정폭 등을 고려하여 2 밀리미터 이상으로 정하는 것이 바람직하다.
제2 주사 렌즈(302)의 x축 방향의 두께 h2는 상기한 값으로 정해지기 때문에, 식 (1)이 만족되도록, 점 P1 및 점 A1 사이의 z축 방향의 거리 L1 및 점 P2 및 점 A2 사이의 z축 방향의 거리 L2를 적절한 값으로 증가시킬 필요가 있다.
도 8은 나중에 설명하는 실시예의 주사 광학계의, 제3 광원(103)으로부터 방출된 광속의 경로의 평면도이다. 도 8은 y축 및 z축에 평행한 면을 도시한다.
도 9는 나중에 설명하는 실시예의 주사 광학계의, 제3 광원(103)으로부터 방출된 광속의 경로의 측면도이다. 도 9는 x축 및 z축에 평행한 면을 도시한다.
도 9에 의하면, 제1 주사 렌즈(301)의 입사면에 있어서 반사된 광속 중 일부는 제2 주사 렌즈(302)의 입사면에 입사하지 않으나, 다른 것은 제2 주사 렌즈(302)의 입사면에 입사하여 최종적으로 주사면(402)에 도달한다. 시뮬레이션에 의하면, 제1 주사 렌즈(301)의 입사면에 있어서 반사된 광속 중 제2 주사 렌즈(302)의 입사면에 입사하는 광속은 56.4 퍼센트이다.
제1 주사 렌즈(301)의 입사면이 오목면이고, 곡률의 절대값의 증가(곡률 반경의 절대값의 감소)에 따라, 제1 주사 렌즈(301)의 입사면에 있어서 반사된 광속의 발산도는 작아진다. 그 결과, 주사면(402)에서의 상기한 광속의 조도는 증가하여 미광의 영향이 커진다. 따라서, 제1 주사 렌즈(301) 및 제2 주사 렌즈(302)의 입사면이 오목면인 경우에 곡률 반경의 절대값이 일정값 이상인 것이 바람직하다. 실험적으로는, 제1 주사 렌즈(301) 및 제2 주사 렌즈(302)의 입사면은, 광속이 반사되는 영역의 xz 단면의 곡률 반경의 절대값의 평균값이 200 밀리미터 이하의 오목면이 아닌 것이 바람직하다.
일반적으로, 이하의 식이 만족되면 폴리곤 미러의 반대측에 배치된 다른 주사면에서의 미광의 조도의 영향은 허용할 수 있는 범위가 된다. 이하의 식이 만족되지 않는 경우에는 주사면에서의 미광의 조도의 영향이 커져 줄무늬 및 그 외의 인자 불량이 발생하는 경우가 있다.
이하에 있어서 본 발명의 실시예 및 비교예를 설명한다. 주사 렌즈의 재료는 폴리시클로올레핀계 수지이고, 굴절률은 1.503이다. 또한, 입사 광학계 소자의 재료는 폴리시클로올레핀계 수지이고, 굴절률은 1.528이다.
실시예 및 비교예에 있어서, 제1 주사 렌즈(301) 및 제2 주사 렌즈(302)의 형상은 동일하고, 제1 주사 렌즈(301) 및 제2 주사 렌즈(302)는 광학계의 x축 및 y축에 평행하며 점 O를 포함하는 평면에 관해 대칭으로 배치된다. 또한, 제3 주사 렌즈(303) 및 제4 주사 렌즈(304)의 형상은 동일하고, 제3 주사 렌즈(303) 및 제4 주사 렌즈(304)는 광학계의 x축 및 y축에 평행하며 점 O를 포함하는 평면에 관해 대칭으로 배치된다. 또한, 제1 광원(101) 및 제2 광원은 광학계의 x축 및 y축에 평행하며 점 O를 포함하는 평면에 관해 대칭으로 배치되고, 제3 광원(103) 및 제4 광원(104)은 광학계의 x축 및 y축에 평행하며 점 O를 포함하는 평면에 관해 대칭으로 배치된다. 광원은 레이저 다이오드이다.
각 주사 렌즈의 각 면의 형상을 이하에 설명한다. 각 면을 표현하는 좌표는, 제1-제4 주사 렌즈가 배치된 상태에서, 점 A1 및 점 A2를 연결하는 직선을 z축으로 하고, z축과 각 면의 교점을 원점으로 하며, 원점을 지나고 광학계의 x축에 평행한 직선을 x축으로 하고, 원점을 지나고 광학계의 y축에 평행한 직선을 y축으로 한다. z축의 방향은 광의 진행 방향으로 한다. 따라서, 오목한 입사면 및 볼록한 출사면의 z 좌표는 제로 또는 부(負)가 되고, 볼록한 입사면 및 오목한 출사면의 z 좌표는 제로 또는 정(正)이 된다.
실시예 및 비교예의 점 O에 가까운 쪽의 1세트의 렌즈, 즉 제1 주사 렌즈 및 제2 주사 렌즈의 입사면 및 출사면의 형상은 이하의 식으로 나타낼 수 있다.
단,
y: 주주사 방향 좌표
x: 부주사 방향 좌표
z: 새그(sag)
k: 코닉 계수
Ry: 주주사 단면 곡률 반경
rx(y): 부주사 방향 단면의 주주사 방향 좌표 y에서의 곡률 반경
rx(0): 부주사 방향 단면의 광축 상의 곡률 반경
Ai: 주주사 방향 단면의 비구면 계수(i=1, 2, 3, 4…)
Bi: 부주사 단면 곡률 반경을 결정하는 계수(i=1, 2, 3, 4…)
실시예 및 비교예의 점 O로부터 먼 쪽의 1세트의 렌즈, 즉 제3 주사 렌즈 및 제4 주사 렌즈의 각각은 x축 방향으로 중첩된 2개의 입사면 및 2개의 출사면을 갖는 렌즈이다.
제3 주사 렌즈 및 제4 주사 렌즈의 입사면 및 출사면의 형상은 이하의 식으로 나타낼 수 있다.
단,
단,
y: 주주사 방향 좌표
x: 부주사 방향 좌표
z: 새그
zm: 주주사 방향 새그
zs: 부주사 방향 새그
ky: 주주사 방향 코닉 계수
Ry: 주주사 단면 곡률 반경
h: 모선(母線) 만곡 함수
rx(y): 부주사 방향 단면의 주주사 방향 좌표 y에서의 곡률 반경
rx(0): 부주사 방향 단면의 광축 상의 곡률 반경
Ai: 주주사 방향 단면의 비구면 계수(i=1, 2, 3, 4…)
Bi: 부주사 단면 곡률 반경을 결정하는 계수(i=1, 2, 3, 4…)
Ci: 모선 만곡 계수(i=1, 2, 3, 4…)
Di: 부주사 단면의 비구면 계수(i=1, 2, 3, 4…)
단, 계수 Ai, Bi는 주주사 방향 좌표 부호 +/-에 의해 개별 값을 취한다. +y 영역에서는 Api, Bpi, -y 영역에서는 Ami, Bmi를 취한다.
실시예
표 1은, 실시예의 주사 광학계의 수치 데이터를 나타내는 표이다. 표 1 및 표 4에서, 유효 주사폭 W는 주사면 상의 주사 범위의 y축 방향의 길이를 의미하고, 시스템 초점 거리 f는, 입사 광학계 소자 및 2종류의 주사 렌즈에 의해 형성되는 광학계의 초점 거리를 의미한다. 표 1 및 표 4에서, 레이저 다이오드 광원에 관해, θ⊥ 및 θ//는 각각, 반도체 적층면에 대해 수직인 방향 및 평행한 방향의 발산 각도를 의미한다. 실시예 및 비교예에서는 θ⊥이 x축 방향이 되도록 배치하고 있다. 표 1 및 표 4에서, 제1 및 제2 주사 렌즈를 LensA라고 기재하고, 제3 및 제4 주사 렌즈를 LensB라고 기재한다.
표 1 및 표 4에서, 편향기는 폴리곤 미러를 의미한다. 표 1 및 표 4에서, 「편향기의 중심 좌표」란 편향 기준점(도 5의 점 A1)의 (Y,Z) 좌표를 기준으로 한 경우의 편향기의 중심축(도 5의 점 C)의 (Y,Z) 좌표를 가리킨다. 표 1 및 표 4에서, 「편향기에의 주입사각」이란, 광원으로부터 편향기에 도달하는 광속의 주광선을 y축 및 z축을 포함하는 평면에 투영한 직선이 z축과 이루는 예각을 가리킨다. 표 1 및 표 4에서, 「편향기에의 부입사각」이란, 광원으로부터 편향기에 도달하는 광속의 주광선을 x축 및 y축을 포함하는 평면에 투영한 직선이 y축과 이루는 예각을 가리킨다. 즉, 「편향기에의 부입사각 θin」은 전술한 θ1-θ4에 상당한다.
표 2는, 제1 주사 렌즈(301) 및 제2 주사 렌즈(302)의 각 면의 형상을 나타내는 식 (3)의 계수를 나타내는 표이다. 표 2의 길이의 단위는 밀리미터이다.
표 3은, 제3 주사 렌즈(303) 및 제4 주사 렌즈(304)의 각 면의 형상을 나타내는 식 (4)의 계수를 나타내는 표이다. 표 3의 길이의 단위는 밀리미터이다.
표 1에 의하면, L1=L2=21.5 ㎜, Lp12=12.12 ㎜, θ1=θ2=θ3=θ4=3.15 deg이고, 식 (2)-(2)'''의 우변은 4.22 ㎜가 된다. 한편, h1=h2=8.9 ㎜이기 때문에 식 (2)-(2)'''는 만족된다. 또한, 제1 주사 렌즈(301) 및 제2 주사 렌즈(302)의 입사면은 평면이다.
전술한 바와 같이, 제1 주사 렌즈(301)의 입사면에 있어서 반사된 광속 중 제2 주사 렌즈(302)의 입사면에 입사하는 광속은 56.4 퍼센트이다. 그러나, 이 광속은 미광으로서 주사면에 큰 영향을 주지 않는다.
주사 광학계의 편향 기준점으로부터 주사면까지의 부주사 방향의 횡배율은 2.90이다.
표 1에 의하면, 입사 광학계 소자의 주주사 방향의 초점 거리는 20.0 밀리미터이다. 한편, 광원과 입사 광학계 소자와의 거리는 100.14-78.63=21.51 밀리미터이기 때문에, 입사 광학계 소자 통과 후의 광속은 주주사 방향에 있어서 집광 광속이 된다. 또한, 광속의 주주사 방향이란 광속이 주사면에 도달한 상태의 주주사 방향(y축 방향)을 의미한다.
도 10은 실시예의 주사 광학계의 주주사 방향(y축 방향) 및 부주사 방향(x축 방향)의 빔 웨이스트 위치를 도시한 도면이다. 빔 웨이스트 위치란 광속의 직경이 최소가 되는 위치를 의미한다. 도 10의 횡축은 y축의 좌표를 나타낸다. 단위는 밀리미터이다. 우측이 광원 측이다. 도 10의 종축은 빔 웨이스트 위치를 나타낸다. 단위는 밀리미터이다. 종축의 0은 빔 웨이스트 위치가 주사면 상인 것을 나타내고, 예컨대, 종축의 -1 밀리미터는 빔 웨이스트 위치가 주사면으로부터 폴리곤 미러측으로 1 밀리미터 어긋나 있는 것을 나타내며, 종축의 1 밀리미터는 빔 웨이스트 위치가 주사면으로부터 폴리곤 미러와 반대측으로 1 밀리미터 어긋나 있는 것을 나타낸다. 도 10의 실선은 주주사 방향(y축 방향)의 빔 웨이스트 위치를 나타내고, 도 10의 파선은 부주사 방향(x축 방향)의 빔 웨이스트 위치를 나타낸다. 도 10에 의하면, 빔 웨이스트 위치는 ±1 밀리미터의 범위이고, 광속은 주사면 근방에 집광하고 있다.
비교예
표 4는, 비교예의 주사 광학계의 수치 데이터를 나타내는 표이다.
표 5는, 제1 주사 렌즈(301) 및 제2 주사 렌즈(302)의 각 면의 형상을 나타내는 식 (3)의 계수를 나타내는 표이다. 표 5의 길이의 단위는 밀리미터이다.
표 6은, 제3 주사 렌즈(303) 및 제4 주사 렌즈(304)의 각 면의 형상을 나타내는 식 (4)의 계수를 나타내는 표이다. 표 6의 길이의 단위는 밀리미터이다.
표 4에 의하면, L1=L2=17.5 ㎜, Lp12=12.12 ㎜, θ1=θ2=θ3=θ4=3 deg.이고, 식 (2)-(2)'''의 우변은 3.39 ㎜가 된다. 한편, h1=h2=8 ㎜이기 때문에 식 (2)-(2)'''는 만족되지 않는다. 또한, 제1 주사 렌즈(301) 및 제2 주사 렌즈(302)의 입사면의 광속이 반사되는 영역의 xz 단면의 곡률 반경의 절대값의 평균값은 약 48,000 밀리미터이다.
전술한 바와 같이, 제1 주사 렌즈(301)의 입사면에 있어서 반사된 전광속이, 제2 주사 렌즈(302) 및 제4 주사 렌즈(304)를 통과한 후에 주사면(402) 상에 미광으로서 도달한다. 또한, 제1 주사 렌즈(301)의 입사면이 오목면이기 때문에 집광된 광속이 미광으로서 주사면에 도달하여 주사면에 큰 영향을 준다.
주사 광학계의 편향 기준점으로부터 주사면까지의 부주사 방향의 횡배율은 2.73이다.
표 4에 의하면, 입사 광학계 소자의 주주사 방향의 초점 거리는 20.0 밀리미터이다. 한편, 광원과 입사 광학계 소자와의 거리는 101.00-80.88=20.12 밀리미터이기 때문에, 입사 광학계 소자 통과 후의 광속은 주주사 방향에 있어서 집광 광속이 된다.
도 11은 비교예의 주사 광학계의 주주사 방향(y축 방향) 및 부주사 방향(x축 방향)의 빔 웨이스트 위치를 도시한 도면이다. 도 11의 횡축은 y축의 좌표를 나타낸다. 단위는 밀리미터이다. 우측이 광원 측이다. 도 11의 종축은 빔 웨이스트 위치를 나타낸다. 단위는 밀리미터이다. 종축의 0은 빔 웨이스트 위치가 주사면 상인 것을 나타내고, 예컨대, 종축의 -1 밀리미터는 빔 웨이스트 위치가 주사면으로부터 폴리곤 미러측으로 1 밀리미터 어긋나 있는 것을 나타내며, 종축의 1 밀리미터는 빔 웨이스트 위치가 주사면으로부터 폴리곤 미러와 반대측으로 1 밀리미터 어긋나 있는 것을 나타낸다. 도 11의 실선은 주주사 방향(y축 방향)의 빔 웨이스트 위치를 나타내고, 도 11의 파선은 부주사 방향(x축 방향)의 빔 웨이스트 위치를 나타낸다. 도 11에 의하면, 빔 웨이스트 위치는 ±1 밀리미터의 범위이고, 광속은 주사면 근방에 집광하고 있다.
실시예 및 비교예의 정리
실시예에 있어서, 식 (2)-(2)'''는 만족되고, 제1 및 제2 주사 렌즈의 입사면에 있어서 반사된 광속의 주사면 상의 조도는 작아 인쇄에 영향을 주지 않는다. 한편에 있어서, 식 (2)-(2)'''는 만족되지 않고, 제1 및 제2 주사 렌즈의 입사면에 있어서 반사된 광속의 주사면 상의 조도는 커져 인쇄에 줄무늬 및 그 외의 인자 불량이 발생하는 경우가 있다.

Claims (7)

  1. 제1 및 제2 광원과, 폴리곤 미러와, 제1-제4 주사 렌즈를 포함하고, 상기 제1 광원으로부터의 광속(光束)이 상기 폴리곤 미러에 반사된 후 상기 제1 주사 렌즈 및 제3 주사 렌즈를 통과하고, 상기 제2 광원으로부터의 광속이 상기 폴리곤 미러에 반사된 후 상기 제2 주사 렌즈 및 제4 주사 렌즈를 통과하도록 구성된 주사 광학계로서, 상기 제1 및 제2 주사 렌즈의 입사측면의 정점을 각각 A1 및 A2로 하고, 상기 폴리곤 미러의 회전축의 방향으로 x축을 규정하며, 광속의 주사 방향으로 y축을 규정하고, x축 및 y축에 직교하도록 z축을 규정하며, 상기 제1 및 제2 광원으로부터의 광속의 편향 기준점을 각각 P1 및 P2로 하고, 점 P1 및 점 A1 사이의 z축 방향의 거리를 L1로 하며, 점 P2 및 점 A2 사이의 z축 방향의 거리를 L2로 하고, 점 P1 및 점 P2 사이의 z축 방향의 거리를 Lp12로 하며, 상기 제1 주사 렌즈의 x축 방향의 두께를 h1로 하고, 상기 제2 주사 렌즈의 x축 방향의 두께를 h2로 하며, 상기 제1 및 제2 광원으로부터 상기 폴리곤 미러에 도달하는 광속의 주광선을, x축 및 y축을 포함하는 평면에 투영한 직선이 y축과 이루는 예각을 각각 θ1 및 θ2로 하여,
    [수학식 1]

    [수학식 2]

    가 만족되도록 구성되고, 각각의 광원으로부터 방출된 광속은, 주사면에 도달한 경우의 x축 방향에 있어서, 각각의 편향 기준점에서 거의 집광하도록 구성되며, 각각의 편향 기준점으로부터 주사면까지의 x축 방향의 횡배율이 2 내지 3의 범위이도록 구성된 주사 광학계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 주사 렌즈의 형상과 상기 제2 주사 렌즈의 형상이 동일하고, 상기 제3 주사 렌즈의 형상과 상기 제4 주사 렌즈의 형상이 동일하며, 상기 제1 주사 렌즈와 상기 제2 주사 렌즈의 쌍 및 상기 제3 주사 렌즈와 상기 제4 주사 렌즈의 쌍이 각각 x축 및 y축에 평행하며, 상기 점 A1 및 A2를 연결하는 선분의 중점 O를 포함하는 평면에 관해 대칭으로 배치된 주사 광학계.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제3 주사 렌즈 및 상기 제4 주사 렌즈의 각각은 x축 방향으로 중첩된 2개의 입사면 및 2개의 출사면을 갖는 렌즈인 주사 광학계.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 주사 렌즈 및 상기 제2 주사 렌즈의 입사면은, 광속이 반사되는 영역의 xz 단면의 곡률 반경의 절대값의 평균값이 200 밀리미터 이하의 오목면이 아닌 주사 광학계.
  5. 제1항에 있어서, 제3 및 제4 광원을 더 포함하고, 상기 제3 광원으로부터의 광속이 상기 폴리곤 미러에 반사된 후 상기 제1 주사 렌즈 및 상기 제3 주사 렌즈를 통과하고, 상기 제4 광원으로부터의 광속이 상기 폴리곤 미러에 반사된 후 상기 제2 주사 렌즈 및 제4 주사 렌즈를 통과하도록 구성되며, 상기 제3 광원으로부터의 광속의 편향 기준점이 상기 점 P1과 일치하고, 상기 제4 광원으로부터의 광속의 편향 기준점이 상기 P2와 일치하도록 구성되며, 상기 제3 및 제4 광원으로부터 상기 폴리곤 미러에 도달하는 광속의 주광선을, x축 및 y축을 포함하는 평면에 투영한 직선이 y축과 이루는 예각을 각각 θ3 및 θ4로 하여,
    [수학식 3]

    [수학식 4]

    가 만족되도록 구성되고, 각각의 광원으로부터 방출된 광속은, 주사면에 도달한 경우의 x축 방향에 있어서, 각각의 편향 기준점에서 거의 집광하도록 구성되며, 각각의 편향 기준점으로부터 주사면까지의 x축 방향의 횡배율이 2 내지 3의 범위이도록 구성된 주사 광학계.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1-제4 광원으로부터의 각각의 광속의 주사면 상의 유효 주사폭이 230 밀리미터 이하인 주사 광학계.
  7. 제1항 또는 제5항에 있어서, 각각의 광원과 상기 폴리곤 미러 사이에 입사 광학계 소자를 더 포함하고, 각각의 입사 광학계 소자를 통과한 광속이 주사면에 도달했을 때의 y축 방향에 있어서 집광 광속이 되도록 구성된 주사 광학계.
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