KR930010133B1 - 반도체 레이저용 출력 빔 제어장치 - Google Patents

반도체 레이저용 출력 빔 제어장치 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

반도체 레이저용 출력 빔 제어장치
제 1 도는 종래의 반도체 레이저용 출력 빔 제어장치를 도식적으로 나타내는 블럭다이아그램.
제 2 도는 반도체 레이저나 레이저 다이오드의 출력특성을 나타내는 그래프.
제 3 도는 본 발명의 실시예인 반도체 레이저용 출력 빔 제어장치를 도식적으로 나타내는 블럭다이아그램.
제 4 도는 실시예의 특별한 제어 흐름을 나타내는 플로우챠트.
제 5 도는 오프세트 전류출력 회로를 도식적으로 나타내는 블럭다이아그램.
제 6 도는 아날로그 스위치가 선택할 수 있는 기준값과 설정된 전류값 사이의 관계를 나타내는 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
14, 34 : LD구동장치 18, 38 : 아날로그-디지탈 변환기
22, 40 : 디지탈-아날로그 변환기 20, 42 : 제어회로
30 : 제어장치 50 : 전류 출력회로
52 : 아날로그 스위치 58 : 구동부
본 발명은 광원과 같은 반도체 레이저를 사용하는 형태의 스캐닝 장치에 관한것으로, 특히 반도체 레이저의 출력 빔을 제어하기 위한 장치에 관한 것이다. 일반적으로 레이저 빔 프린터, 디지탈 복사기, 이와 유사한 화상 기록장치들은 반도체 레이저(semiconductor laser)를 탑재한 스캐닝 장치를 갖고 있다. 이러한 형태의 스캐닝 장치는 화상 데이타에 의해 변조된 레이저 빔으로써 감광체나, 화상기록요소를 주사함으로써 감광체상에 잠상이 형성된다. 따라서, 반도체 레이저가 안정적으로 제어되어 일정한 출력 빔을 방출하는 것이 필요한 것이다.
그렇지만, 반도체 레이저나, 레이저 다이오드(LD)의 출력 빔은 레이저 다이오드에 공급된 전류 뿐만 아니라 주위온도의 영향을 상당히 받는다. 이 문제를 해결하기 위하여, 반도체 레이저의 실제 출력빔을 전기적 신호, 예를들어 전압으로써 검출하고, 이를 기준값과 비교함으로써, 레이저 구동회로를 제어하였다.
예를들면, 일본 특허공고 제 54273/1988호에서는 레이저 출력이 목표치보다 낮을때 업-다운 카운터가 증가되고, 목표치 이상일때는 감소됨으로써 단계적으로 레이저 출력이 목표치에 접근하도록 제어한다.
그렇지만, 상기한 바와같은 단계적인 제어구성에서는 레이저 다이오드에 인가된 전류가 단계적으로 증가되거나 감소되어 목표치에 근접하기 때문에 레이저출력 제어가 끝날때까지 상당한 시간을 필요로 한다.
레이저 빔 프린터나 디지탈복사기와 같은 화상기록 장치에서는, 토너를 이용하여 감광체 혹은 화상기록요소에 형성된 잠상을 현상하는 것이 보통이다. 그러므로, 레이저 출력제어는 보호목적으로 대전되는 감광체의 영향을 받는다.
그리하여 앞서 언급된 종래 구성에서와 같이 제어가 끝날때까지 상당한 시간이 걸린다면, 제어과정동안 토너가 감광체상에 불필요하게 부착될 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은 반도체 레이저의 실제 출력 빔을 짧은 시간내에 목표치로 제어하는 반도체 레이저용 출력 빔 제어장치를 제공함에 있다. 본 발명의 다른 목적은 전반적으로 향상된 반도체 레이저용 출력 빔 제어장치를 제공함에 있다.
본 발명의 반도체 레이저용 출력 빔 제어 장치는, 출력 빔을 방출하는 레이저 다이오드 ; 상기 레이저 다이오드를 구동하기 위한 구동장치 ; 상기 레이저 다이오드의 출력 빔을 광전 변환시킴으로써 아날로그 신호를 발생하는 광전 변환장치 ; 상기 광전 변환장치의 아날로그 신호를 디지탈 신호로 변화시켜 제어장치에 제공하는 아날로그-디지탈 변환 장치 ; 주어진 온도에 대하여 2곳의 온도 측정점에서의 레이저 다이오드의 출력 빔과 그 레이저 다이오드에 인가된 전류와의 관계를 측정하고, 그 측정된 관계를 기초로하여 레이저 다이오드에 대한 설정 전류값을 연산하여 그 설정 전류값을 나타내는 디지탈 신호를 발생하는 제어장치 ; 및 상기 제어장치로부터 나온 디지탈 신호를 아날로그 신호로 변환시켜 그 아날로그신호를 설정 전류값으로서 구동장치에 제공하는 디지탈-아날로그 변환장치 ; 를 구비함을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면에 따라 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명의 이해를 돕기 위하여, 제 1 도에 도시된 종래의 반도체 레이저용 출력 빔 제어장치에 대하여 간략히 설명한다.
제어장치(10)는 광원으로서의 역활을 하는 반도체 레이저 혹은 레이저 다이오드(LD)(12), LD구동장치(14), 광다이오드(16), 아날로그-디지탈 변환기(ADC)(18), 자동출력제어(APC) 회로(20), 디지탈-아날로그 변환기(DAC)(22), 및 OR게이트(24)를 갖는다.
상기 레이저 다이오드(12)로부터 발생되는 빔은 광다이오드(16)에 의해 광전변화된 후 아날로그 신호(S1)로써 ADC(18)에 인가된다. ADC(18)의 출력, 즉 디지탈 신호(S2)는 APC회로(20)에 인가된다. 그 결과, 상기 APC회로(20)는 디지탈 신호(S3)를 DAC(22)에 인가한다. 차례로 DAC(22)는 LD구동장치(14)에 설정전류 신호(S4)를 보내어 레이저 다이오드(12)를 통해 흐르는 전류를 제어한다. 상기 APC(20)는 아날로그 신호(S5)를 OR게이트(24)의 한 입력단에 인가시킨다.
OR게이트(24)의 다른 입력단에 인가되는 신호는 화상신호(S6)이다. 이에 대응하여, OR게이트(24)는 레이저 다이오드(12)를 온/오프 하기 위한 온/오프 신호(S7)를 레이저 구동장치(14)로 보낸다. 입력신호(S4) 및 (S7)에 따라, LD구동장치(14)는 이를 통해 흐르는 전류를 일정하게 유지하면서 레이저 다이오드(12)를 온/오프한다. APC회로(20)는 또한 에러신호(S8)와 APC의 최정신호(S9)를 발생한다.
제 2 도는 통상의 레이저 다이오드 출력특성을 나타낸 것이다.
도시된 바와같이, 레이저 다이오드의 출력빔(Y)은 주변온도가 일정한한 이에 인가된 전류(X)에 비례한다. 그리하여, 상기 출력 빔(Y)과 전류(X)는 다음과 같이 표시되는 특별한 관계를 갖는다.
Y=αX+B ………………………………………… (1)
단, 여기서 α 및 β는 각각 기울기 및 상수이다.
상기 (1)식은 선형 등식이라는 사실에 주목해 볼때, 본 발명은 주어진 온도에 대하여 다른 두점에서의 출력빔과 전류사이의 관계를 측정하고, 이 두 측정데이타에 의하여 전술한 설정 전류신호(S4)를 정한다. 이는 산술회로나 타이밍 회로로 이행될 수 있으나, 단순한 구조라는 측면에서 CPU에 의해 구성된 제어회로가 보다 이익적일 것이다. 제 3 도에 의하면, 본 발명을 구체화하는 반도체 레이저용 출력 빔 제어장치(30)가 도시되어 있다.
상기 제어장치(30)는 반도체 레이저나 레이저 다이오드(LD)(32)를 갖는다. 실시예에 있어서, 상기 LD구동장치(34)는 비교기(34a)와 구동장치(32b)로 이루어진다.
기준전압(Vr)은 비교기(34a)의 부측(-)입력단자에 인가된다. 상기 제어장치(30)는 또한 광다이오드(36), ADC(38), DAC(40), 및 CPU로서 동작되는 제어회로(42)를 갖는다. 상기 레이저 다이오드(32)의 출력 빔은 광다이오드(36)에 의해 아날로그 신호(S10)로 광전변환된다. ADC(38)가 상기 아날로그 신호(S10)를 수신하면, 그 신호를 디지탈 신호(S11)로 변환하고, 이 신호(S11)를 제어회로나 CPU(42)에 인가한다. 상기 CPU(42)는 디지탈 신호(S11)를 연산하고 그 결과를 디지탈 신호(S12)로써 DAC(40)에 인가한다. 이에 대응하여 LD구동장치(34)의 비교기(34a)의 다른 입력 단자에 설정 전류 신호로써 인가된다.
상기 레이저 다이오드(32)를 통하여 흐르는 전류는 전압(S13)과 기준 전압(Vr)사이의 비교결과에 따라 일정한 값을 유지한다.
제 4 도는 실시예의 동작을 나타내는 플로우챠트이며, CPU(42)에 의해 행해지는 연산 방법을 그 플로우챠트에 의해 설명한다. 도시된 바와같이 실행절차는 조기화(단계 S1)와 여러가지 처리 서브루틴(단계 S2)으로 시작한다.
그후 CPU(42)는 APC동작을 위한 타이밍에 도달했는지의 여부를 결정하고(단계 S3), 만일 답이 YES이면, APC동작이 첫번째 APC동작 인지를 결정한다(단계 S4). 단계(S4)의 답이 YES이면, 즉 전원이 막 ON되었다면, CPU 42는 레이저 다이오드(32)의 출력 빔이 제 2 도에 도시된 목표값 Pt과 다른 설정값, 즉 최소값 P1을 초과하였는지 여부를 결정한다(단계 S5). 단계 S5의 답이 NO이면, CPU(42)는 1단계 만큼 설정 전류값(S13)을 증가시킨다(단계 S6). 출력빔이 최소값 P1을 초과하면(단계 S5에서 YES이면), [현상태 설정값 +α]가 설정전류값 S13으로 출력하고 그때의 레이저 다이오드 32의 출력빔이 측정된다(단계 S7).
α는 앞서 측정된 최적값이라 하자
이같은 측정에 의해 CPU(42)는 제 2 도의 서로 다른 두점에서 데이타를 얻은 후 레이저 다이오드(32)의 출력빔을 목표값 Pt로 제어하는데 필요한 설정전류값(S13)을 계산한다(단계 S8). 상기 CPU(42)는 그 계산결과를 출력함으로써 APC동작을 완료한다(단계 S9).
한편, 단계 S4의 답이 NO이면, 즉 APC동작이 제 2 혹은 다른 연속 APC동작이면, CPU(42)는 현상태 설정값(첫째점에서의 측정값)과 관련되는 레이저다이오드(32)의 출력빔을 측정한다(단계 S10).
이어서 CPU(42)는 [현상태 설정값-γ](제 2 점에서의 측정값)에 관련된 레이저 다이오드(32)의 출력빔을 측정한다(단계 S11). γ값이 [현상태 설정값-최저설정출력]보다 크면 [현상태 설정값+γ]에 관한 레이저 다이오드(32)의 출력빔이 단계 S11에서 측정되는 것이 주목된다.
제 1 ACP동작에서와 같이 단계 S8 및 S9가 이어진다.
상술한 절차를 제 2 도를 참조하여 보다 상세히 기술한다.
제 2 도에 나타낸 바와같이 a와b 두 측정점과 관련된 전류(X)가 각각 Ia와 Ib라고 하고, a와 b점에서의 출력 빔(Y)이 각각 Pa와 Pb라 하면 점C에서 측정했을때 출력빔 Y가 목표값(상수)에 도달하는데 필요한 전류 It는 다음과 같이 생성된다.
상기한 (1)식으로부터,
Pa=α×Ia+β ………………………………………… (2),
Pb=α×Ib+β ………………………………………… (3),
상기 (2)식에서 (3)식을 빼면,
Figure kpo00001
상기 (4)식을 상기 (2)식에 대입하면,
Figure kpo00002
상기 (1)식으로부터
Pt=α×It+β ………………………………………… (6),
상기 (4)식과 (5)식을 상기 식(6)에 대입하면,
Figure kpo00003
상기 식(7)에서, (Ia-Ib)는 제 4 도의 단계(S7)와 단계(S11)에서의 편차를 나타내므로 (Ia-Ib)×Pt는 상수이다.
다음으로 식(7)의 It는 Ib×Pa, Ia×Pb, Pa-Pb, 그리고 나눗셈으로 구할 수 있다.
그와같은 곱셈이나 나눗셈을 실행하기 위한 연산회로가 구성적인 면에서 좀 복잡하기는 하지만, 현대의 CPU로 쉽게 수행할 수 있다.
제 5 도는 설정 전류신호(S13)의 정확도를 높일 목적으로 상기 DAC(40)와 별도로 제공된 오프세트 전류 출력회로(50)를 도식적으로 나타낸 것이다. 상기 오프세트 전류 출력회로(50)는 오프세트 전류를 생성한다.
도시한 바와같이, 오프세트 전류 출력 회로(50)는 선택신호 S20, 비교기(54) 및 (56), 그리고 트랜지스터 Tr1, Tr2, Tr3 및 Tr4로 이루어진 구동장치(58)에 따라 한번에 기준값 1,2 및 3하나를 선택하기 위한 아날로그 스위치(52)를 갖는다.
기준 전류신호(S22)는 비교기(56)의 한 입력단에 인가되고, 반면 온/오프신호(24)는 트랜지스터(Tr1)의 베이스에 인가된다. 지금까지는 설정 전류값이 디지탈 양을 증감시킴으로써 산출되었기 때문에, 한단계씩 변화되는 전류값의 양, 즉 사용된 비트(bits)수에 의해 결정되었다.
이를 보다 상세히 설명하면, 설정 전류값이 최소값 사이에서 I를 넘게 변화하고, 데이타량이 보통 8비트라 하면, 단계당 편차는
Figure kpo00004
이다.
반면, 데이타양이 10비트라면, 단계당 편차는
Figure kpo00005
이며 이는 좀더 미세한 제어가 가능하다.
그렇지만, 이는 DAC가 비싸진다는 문제를 초래한다. 이와 대조적으로 APC 동작을 행하는 DAC와는 별도로 제공되는, 오프세트 전류를 설정하는 수단에 의해서는 통상의 8비트 데이타로써 정밀도를 향상시킬 수가 있다.
이를 구체적으로 설명하면, 제 4 도의 단계 S6에서, 아날로그 스위치(52)는 기준 전류값을 최저부터 순차적으로 선택하고, 출력빔이 제 6 도에 도시한 최저값 PI를 초과한 경우 설정 동작이 완료된다.
이는 단계 S6에서 수행되는 전류를 단계별 증가시키는 대신이다.
그후 예를들어 레이저 다이오드가 실제 사용되는 온도범위에서 레이저 다이오드가 기준값 1로 빔을 확실히 방출하도록 설정되어 있다면, 제어 시스템내의 전류 편차는 기준값 1에 해당하는 만큼 감소될 것이다.
이와같이 동일한 8비트의 데이타량으로 보다 정확한 제어가 가능하게 된다. 요약하면, 본 발명에 의하면, 반도체 레이저의 출력빔과 전류사이의 관계가 주어진 온도에 대하여 다른 두점에서 측정되고, 레이저의 설정 전류가 측정데이타에 의하여 계산됨으로써 제어동작은 단지 두단계에 상응하는 짧은 시간내에 완성된다.

Claims (3)

  1. 출력빔을 방출하는 레이저 다이오드(32) ; 상기 레이저 다이오드(32)를 구동시키는 구동장치(34) ; 상기 레이저 다이오드(32)의 출력빔을 광전 변환시킴으로써 아날로그 신호를 발생하는 광전 변환 장치(36) ; 상기 광전변화장치(36)의 아날로그 신호(S10)를 디지탈신호(S11)로 변환시켜 제어장치(42)에 제공하는 아날로그-디지탈 변환장치(38) ; 주어진 온도에 대하여 2곳의 온도측정점에서의 레이저 다이오드(32)의 출력빔과 그 레이저 다이오드(32)에 인가된 전류와의 관계를 측정하고, 그 측정된 관계를 기초로하여 레이저 다이오드(32)에 대한 설정 전류값을 연산하여 그 설정 전류값을 나타내는 디지탈 신호(S12)를 발생하는 제어장치(42) ; 및 상기 제어장치(42)로부터 나온 디지탈 신호(S12)를 아날로그 신호로 변환시켜 그 아날로그 신호를 설정 전류값(S13)으로 구동장치(34)에 제공되는 디지탈-아날로그 변환장치 ; 를 구비함을 특징으로 하는 반도체 레이저용 출력빔 제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어장치(42)는 상기 레이저 다이오드(32)가 온(ON)되었는가를 판단하는 단계(S4) ; 상기 단계(S4)의 판단이 예(YES)이면 제 1 출력빔 제어동작동안 상기 레이저 다이오드(32)의 출력빔이 최소값(P1)을 초과하였는가를 판단하는 단계(S5) 및 상기 단계(S5)의 판단이 아니오(NO)이면 설정된 전류값(S13)을 순차적으로 증가시키는 단계(S6) ; 상기 단계(S5)의 판단이 예(YES)이면 상기 레이저 다이오드(32)의 출력빔을 측정하는 단계(S7) 및 상기 단계(S7)에서 측정된 상기 2곳의 데이타를 기준으로 상기 레이저 다이오드(32)의 설정전류값(S13)를 연산하는 단계(S8) ; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저용 출력빔 제어장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제어장치(42)는 상기 단계(S4)의 판단이 아니오(NO)이면 각각의 제 2 및 계속되는 출력빔 제어동안 제 1 측정점에서의 현상태 설정 전류값에 관련된 상기 레이저다이오드(32)의 출력빔을 측정하는 단계(S10) 및 제 2측정점에서의 [현상태 설정 전류값-γ(γ : 상수)]에 관련된 상기 레이저 다이오드(32)의 출력빔을 측정하는 단계(S11) ; 상기 단계(S10),(S11)에서 측정된 제 1,2측정점의 데이타를 기준으로 상기 레이저 다이오드(32)의 설정전류값(S13)을 연산하는 단계(S8) ; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저용 출력빔 제어장치.
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