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KR100311628B1 - 광주사장치 - Google Patents

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KR100311628B1
KR100311628B1 KR1019990030523A KR19990030523A KR100311628B1 KR 100311628 B1 KR100311628 B1 KR 100311628B1 KR 1019990030523 A KR1019990030523 A KR 1019990030523A KR 19990030523 A KR19990030523 A KR 19990030523A KR 100311628 B1 KR100311628 B1 KR 100311628B1
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South Korea
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optical
optical element
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scanning
slit
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이형도
삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명은 광주사장치를 개시한다.
본 발명은, 소정 파장의 레이저 빔을 주사하는 레이저 다이오드와; 레이저 다이오드로부터 주사된 빔을 거의 평행한 빔으로 정형시키는 제 1 광학소자와; 제 1 광학소자의 전방에 위치되며, 광축과 평행한 주주사 방향으로 장공이 형성된 슬릿과; 슬릿의 전방에 위치되며, 광축과 수직인 방향으로 굴절능을 갖는 제 2 광학소자와; 레이저 다이오드로부터 주사되고, 제 1 광학소자와 슬릿 및 제 2 광학소자를 통과한 레이저 빔을 소정각도로 반사시키는 반사면이 마련된 광 편향기와; 광 편향기로부터 반사된 레이저 빔을 피주사면으로 스폿시키며, 주주사 방향은 비구면 형상이고, 부주사 방향은 구면으로 형성된 제 3 광학소자;를 포함하여 된 것으로서, 제 3 광학소자의 양면을 변곡점이 비교적 적은 완만한 형상을 가지도록 하여 금형가공 및 사출성형이 용이하며 복굴절의 영향을 저감시킬 수 있는 효과를 갖게된다.
또한 주주사 방향으로 렌즈 양면의 굴절능을 유사하게 함으로써 온도 및 습도등의 환경변화 및 조립오차에 따른 성능 저하를 미연에 방지할 수 있는 효과를 얻게된다.

Description

광주사장치{Laser scanning device}
본 발명은 광주사장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무한 광학계의 특성과 유한 광학계의 특성을 동시에 만족할 수 있는 광주사장치에 관한 것이다.
일반적인 광주사장치는, 레이저 다이오드(1)로부터 광 변조된 광속은 제 1 광학소자(2)에 의해 거의 평행한 광속이 된 후 주주사 방향으로 장공의 형태를 갖는 슬릿(3)을 통과한다.
슬릿(3)을 통과한 광속은 부주사 방향으로 굴절능을 갖는 제 2 광학소자(4)에 입사하게 되고, 제 2 광학소자(4)를 통과한후 주주사 방향의 광속은 거의 평행광으로 광편향기(5)의 반사면(5a)에 입사후 제 3 광학소자(6)로 편향되고, 부주사 방향의 광속은 광편향기(5)의 반사면(5a)상에 결상된후 제 3 광학소자(6)로 편향된다.
이때 광편향기(5)의 각 반사면(5a)이 회전축에 대해 경사진 각도오차가 있다면 피주사면(7)상에서 광속이 결상될 때 부주사 방향으로 스폿 사이즈에 악영향을 미치게 된다.
이를 해결하기 위하여 일본 특개평 4-110817호에서는 각도 오차에 의한 영향을 최소화하기 위해서 제 3 광학소자에 주주사와 부주사 방향으로 서로 다른 곡률반경을 갖는 토릭면을 사용하고, 회전 다면경의 반사면과 피주사면을 광학적인 공액관계(optical conjugate point)를 이루도록 하는 것을 제안하고 있다.
또한 USP4,639,072에서는 피주사면 근방에 실린더 렌즈를 배치하여 각도 오차(wobble)에 의한 성능의 악영향을 막고자 하였다.
제 3 광학소자는 광편향기에 의해서 편향된 광속을 피주사면상에 부주사 방향으로 장축을 가지는 타원형 스폿(spot)을 결상시키는 동시에 전체 주사범위에 대해서 f.θ특성을 만족시킨다.
그러나 광편향기가 회전할 때 편향면의 위치가 바뀌면서 앞서 언급한 광학적인 공액관계가 유지되지 않아 부주사 방향의 결상점이 피주사면상에서 좌,우 비대칭적으로 나타나는 현상이 발생하여 USP5,448,502호에서는 피주사면 근방에 있는 주사렌즈에 부주사 방향의 곡률반경이 좌,우 비대칭으로 형성된 변형 실린더 렌즈를 사용하여 부주사 방향의 결상점 쉬프트(shift)를 최소화 하는 제안을 하였다.
그러나 상술한 선행기술들은 대부분이 플라스틱이나 글래스로 조합된 2매나 3매의 경우로 구성되어진 주사광학계이다.
따라서 최근들어 장치의 콤팩트화 및 가격의 저렴화 관점에서 1매 구성의 제 3 광학소자의 사용에 관해 제안되었다.
주사광학장치는 콤팩트 사이즈에 넓은 유효 주사영역에서 양호한 광학적 성능을 가지기 위해 유효 편향각을 크게 함으로써 제 3 광학소자를 대형화시키지 않기 위해서는 가능한 제 3 광학소자를 광편향기 근방에 배치시키는 것이 필요하다.
그러나 이렇게 광편향기의 근처에 제 3 광학소자를 배치하면 제 3 광학소자의 부주사방향의 배율이 커지게 되는데, 전술한 바와 같이 제 2 광학소자에서 나온 빔의 회전다면경에 위치오차를 가지고 선상(線像)으로 결상되면 피주사면에서의 부주사방향의 스폿은 부주사방향의 배율만큼 위치오차가 커져 상대적으로 부주사방향의 상면만곡이 커지는 결과를 초래하여 성능의 악화를 가져올수 있다.
기존 2매나 3매로 구성된 제 3 광학소자를 가지는 주사광학장치에 있어서는 부주사 방향으로 여러개의 굴절면을 가지고 있기 때문에 부주사방향으로 상면을 양호하게 보정하는 것이 용이하나 1매로 구성된 제 3 광학소자를 가지는 주사광학장치에서는 최대한 2면의 굴절면 밖에 가질수 없기 때문에 가능한 설계시 상면만곡, 특히 부주사 방향의 상면만곡을 양호하게 보정하지 않으면 안된다.
그러나 이와는 반대로 특개평8-76011, 특개평8-297256호에서는 제 3 광학소자의 부주 방향의 배율을 다소 작게 함으로써 피주사면 근방의 결상점에 파면수차가 증가하여 피주사면 전체에 걸쳐 결상되는 스폿을 작게하는 것이 곤란하게 된다.
따라서 제 3 광학소자를 광편향기의 편향점과 피주사면 사이에 적절한 배율을 유지하도록 배치하는 것이 중요하다.
또한 편향기로서 회전다면경을 일반적으로 사용하는데 회전다면경의 회전축이 편향반사면내 없기 때문에 결상위치와 편향반사면 간의 공간적인 어긋남 있어 회전다면경의 편향각에 대해 피주사면의 중심점을 기준으로 좌,우 비대칭이 발생하여 제 3 광학소자의 성능 악화의 원인이 되는 문제가 있다.
이와같은 문제들로 인하여 제 3 광학소자를 1매의 렌즈로 구성하는 경우에는 적어도 한면에서는 변형된 토릭을 사용하는 것이 필요하다는 것이 제안되었다.
USP 5,111,219에서는 제 1 광학소자에서 나오는 빔을 인위적으로 수렴시키고 제 3 광학소자를 편향면내에 볼록면을 가지는 메니스커스 형상을 가지도록 하는 제안을 하였다.
그러나 이 발명에서 제안한 메니스커스 형태는 중심두께와 주변부의 두께차를 줄일수 있다는 장점이 있으나 각면의 굴절능이 커져 공차에 다소 민감할 수 있다는 단점이 있다.
본 발명은 이와같은 종래 주사광학장치의 제반 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 유한 광학계의 장점과 무한 광학계의 장점을 모두 취함으로써 광학성능의 향상을 꾀할 수 있는 주사광학장치를 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래 광주사장치의 광학계 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 주사광학장치의 평면도,
도 3은 도 2의 정면도,
도 4 내지 도 9는 본 발명 주사광학장치에 있어서의 특성을 보인 그래프들.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 레이저 다이오드 20 : 제 1 광학소자
30 : 슬릿 40 : 제 2 광학소자
50 : 피주사면 60 : 광편향기
61 : 반사면 70 : 제 3 광학소자
이와같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 주사광학장치는, 소정 파장의 레이저 빔을 주사하는 레이저 다이오드와; 상기 레이저 다이오드로부터 주사된 빔을 거의 평행한 빔으로 정형시키는 제 1 광학소자와; 상기 제 1 광학소자의 전방에 위치되며, 광축과 평행한 주주사 방향으로 장공이 형성된 슬릿과; 상기 슬릿의 전방에 위치되며, 광축과 수직인 방향으로 굴절능을 갖는 제 2 광학소자와; 상기 레이저 다이오드로부터 주사되고, 상기 제 1 광학소자와 슬릿 및 제 2 광학소자를 통과한 레이저 빔을 소정각도로 반사시키는 반사면이 마련된 광 편향기와; 상기 광 편향기로부터 반사된 레이저 빔을 피주사면으로 스폿시키며, 주주사 방향은 비구면 형상이고, 부주사 방향은 구면으로 형성된 제 3 광학소자;를 포함하여 된 것을 그 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 한 특징은, 상기 제 3 광학소자는, 편향점에서 첫 번째면 까지의 거리를d, 편향점에서 피주사면까지의 거리를 L, 제 3 광학소자의 중심두께를 S, 사용파장에 대한 제 3 광학소자의 굴절율을 n이라 할 때 왜곡수차 특성 및 상면 만곡을 보정하기 위하여 다음 조건식을 만족하는 것에 특징이 있다.
(상면만곡)M1= d/L ×S, 1.54 ≤M1≤3.28
(왜곡수차특성)M2= M1×(n - 1), 0.74 ≤M2≤1.87
본 발명의 바람직한 다른 한 특징은, 상기 제 3 광학소자는 양면이 변형된토릭면으로 구성되며, 광편향기와 대응되는 면은 볼록 형상을 갖는 것에 특징이 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 한 특징은, 상기 제 1 광학소자를 통과한 빔의 광속은 거의 평행한 성분의 광속이되는 무한 광학계를 사용하는 것에 있다.
이하 본 발명에 따른 주사광학장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 주사광학장치의 평면도이고, 도 3은 정면도이며, 도 4 내지 도 9는 본 발명 주사광학장치에 있어서의 특성을 보인 그래프들이다.
이에 나타내 보인 바와 같이 본 발명에 따른 주사광학장치는, 소정 파장의 레이저 빔을 주사하는 레이저 다이오드(10)를 구비한다.
레이저 다이오드(10)의 전방에는 레이저 다이오드(10)로부터 주사된 빔을 거의 평행한 빔으로 정형시키는 제 1 광학소자(20)가 위치된다.
제 2 광학소자(20)의 전방에는 광축과 평행한 주주사 방향으로 장공이 형성된 슬릿(slit;30)이 위치된다.
슬릿(30)의 전방에는 광축과 수직인 방향으로 즉, 부주사 방향으로 굴절능을 갖는 제 2 광학소자(40)가 위치된다.
그리고 제 2 광학소자(40)의 전방에는 레이저 다이오드(10)로부터 주사되고, 제 1 광학소자(20)와 슬릿(30) 및 제 2 광학소자(40)를 통과한 레이저 빔을 소정각도로 즉, 피주사면(50)을 향해 반사시키기 위한 반사면(61)이 마련된 광 편향기(60)가 위치된다.
이 광 편향기(60)의 반사면(61)는 적어도 1면 이상 복수면이 형성될 수 있다.
광 편향기(60)와 피주사면(50) 사이에는 레이저 빔을 피주사면(50)에 스폿시키며, 특히 주주사 방향으로는 비구면 형상이고, 부주사 방향으로는 구면 형상인 제 3 광학소자(70)가 위치된다.
이 제 3 광학소자(70)는 양면이 변형된 토릭면으로 구성되며, 특히 광 편향기(60)와 대응되는 면은 볼록 형상을 갖는다.
또한 제 3 광학소자(70)는 상면만곡 보정과 왜곡수차 특성 보정을 위하여 다음의 조건식을 만족한다.
즉, 편향점에서 첫 번째면 까지의 거리를d, 편향점에서 피주사면까지의 거리를 L, 제 3 광학소자의 중심두께를 S, 사용파장에 대한 제 3 광학소자의 굴절율을 n이라 할 때
(상면만곡)M1= d/L ×S, 1.54 ≤M1≤3.28
(왜곡수차특성)M2= M1×(n - 1), 0.74 ≤M2≤1.87 의 식을 만족한다.
제 3 광학소자(70)가 전술한 특성을 만족함으로써 제 1 광학소자(20)를 통과한 빔의 광속은 거의 평행한 성분의 광속 즉, 무한 광학계의 사용이 가능하게 된다.
이와같이 구성된 본 발명 주사광학장의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.
레이저 다이오드(10)로부터 주사된 빔은 제 1 광학소자(20)에 의해 거의 평행한 빔으로 정형된다.
제 1 광학소자(20)를 통과하면서 정형화된 평행빔은 주주사 방향으로 장축을 가지는 슬릿(30)과 부주사 방향으로 굴절능을 갖는 제 2 광학소자(40)를 순차적으로 통과하게 된다.
이와같이 슬릿(30)과 제 2 광학소자(40)를 통과한 빔은 주주사 방향으로는 거의 평행하고 부주사 방향으로는 선형 이미지(image)가 되어 광편향기(60)에 입사하게 된다.
광 편향기(60)에 입사된 빔은 반사면(61)에 의해 반사되고 동시에 제 3 광학소자(70)로 편향 입사되면서 피주사면(50)상에 등속 직선운동을 하면 부주사 방향으로 다소 큰 장축의 타원형 스폿을 맺게된다.
이때 제 3 광학소자(70)는, 회전다면경 즉, 광 편향기(60)의 편향점과 피주사면(50) 사이에 광학적인 공액관계가 형성되어 있어 광 편향기(60)의 반사면(61)이 회전축에 대해 부주사 방향으로 어느정도의 각도 오차를 갖고 있어도 피주사면(50)상에 동일선상에 초점을 맺게한다.
이때 특히 제 3 광학소자(70)는, f.θ특성을 가지고 주주사면내에 있어서 볼록한 형상으로 이루어진 1매의 렌즈로 구성된 것이기 때문에 상술한 식을 통해 왜곡수차 및 상면만곡의 보정을 행하게 됨으로써 부주사 방향의 스폿의 균일성을 향상시킬 수 있게된다.
이하에는 본 발명의 실시예를 표 1 내지 표 3을 통해 나타내 보였으며, 이 표 1 내지 표 3을 통한 상면만곡 상태와 왜곡수차 보정상태를 도 4 내지 도 9를 통해 나타내 보였다.
주사렌즈의 형상 설계 PARAMETER
제 1 면 제 2 면 사용파장 : 785㎚
R 139.493 -142.582 광편향기 입사각 : 90°
K -5.6460E+01 -1.1257E+01 유효주사범위 : 107.4∼-107.4
B -1.6614E-06 -2.5477E-06 주사렌즈의 굴절율 : 1.52382
C 1.2977E-09 8.1529E-10 주사렌즈의 초점거리 : 136.6㎜
D -6.8224E-13 -2.0180E-13 주사렌즈의 유효경
E 1.3146E-16 -4.2910E-17 R1면 : 33.8㎜
r -46.23 -13.483 R2면 : 35.6㎜
A' 2.7691E-03 4.1540E-04 편향점에서 주사렌즈까지 거리 : 30.85㎜
B' 4.7092E-06 7.9813E-08 주사렌즈의 중심두께 : 11.965㎜
C' 8.4907E-09 -2.7984E-10 편향점에서 피주사면까지 거리 : 175㎜
D' - 8.6394E-14 광편향기의 면수 : 1면
E' - -
주사렌즈의 형상 설계 PARAMETER
제 1 면 제 2 면 사용파장 : 785㎚
R 139.493 -142.679 광편향기 입사각 : 90°
K -5.3584E+01 -1.1101E+01 유효주사범위 : 107.4∼-107.4
B -1.7396E-06 -2.5486E-06 주사렌즈의 굴절율 : 1.52382
C 1.3661E-09 7.9791E-10 주사렌즈의 초점거리 : 136.6㎜
D -6.5852E-13 -1.8322E-13 주사렌즈의 유효경
E 1.2410E-16 -2.1818E-17 R1면 : 34.12㎜
r -51.196 -13.498 R2면 : 35.72㎜
A' 2.8801E-03 4.3027E-04 편향점에서 주사렌즈까지 거리 : 30.7㎜
B' 7.1568E-06 3.3262E-08 주사렌즈의 중심두께 : 11.7㎜
C' 6.3368E-09 -2.3889E-10 편향점에서 피주사면까지 거리 : 174.6㎜
D' 1.7609E-11 7.7734E-14 광편향기의 면수 : 2면
E' - -
주사렌즈의 형상 설계 PARAMETER
제 1 면 제 2 면 사용파장 : 785㎚
R 163.038 -124.347 광편향기 입사각 : 90°
K -6.6806E+01 -1.2832E+01 유효주사범위 : 107.4∼-107.4
B -1.4880E-06 -2.5322E-06 주사렌즈의 굴절율 : 1.52382
C 1.2745E-09 8.6546E-10 주사렌즈의 초점거리 : 136.6㎜
D -6.9457E-13 -1.8951E-13 주사렌즈의 유효경
E 1.3265E-16 -5.6262E-17 R1면 : 34.38㎜
r -48.501 -13.539 R2면 : 35.94㎜
A' 2.9100E-03 3.9744E-04 편향점에서 주사렌즈까지 거리 : 30.76㎜
B' 5.3121E-06 3.3123E-08 주사렌즈의 중심두께 : 11.8㎜
C' 6.4206E-09 -2.3208E-10 편향점에서 피주사면까지 거리 : 175.0㎜
D' - 8.6394E-14 광편향기의 면수 : 4면
E' - -
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 광주사장치에 의하면, 제 3 광학소자의 양면을 변곡점이 비교적 적은 완만한 형상을 가지도록 하여 금형가공 및 사출성형이 용이하며 복굴절의 영향을 저감시킬 수 있는 효과를 갖게된다.
또한 주주사 방향으로 렌즈 양면의 굴절능을 유사하게 함으로써 온도 및 습도등의 환경변화 및 조립오차에 따른 성능 저하를 미연에 방지할 수 있는 효과를 얻게된다.

Claims (4)

  1. 소정 파장의 레이저 빔을 주사하는 레이저 다이오드와;
    상기 레이저 다이오드로부터 주사된 빔을 거의 평행한 빔으로 정형시키는 제 1 광학소자와;
    상기 제 1 광학소자의 전방에 위치되며, 광축과 평행한 주주사 방향으로 장공이 형성된 슬릿과;
    상기 슬릿의 전방에 위치되며, 광축과 수직인 방향으로 굴절능을 갖는 제 2 광학소자와;
    상기 레이저 다이오드로부터 주사되고, 상기 제 1 광학소자와 슬릿 및 제 2 광학소자를 통과한 레이저 빔을 소정각도로 반사시키는 반사면이 마련된 광 편향기와;
    상기 광 편향기로부터 반사된 레이저 빔을 피주사면으로 스폿시키며, 주주사 방향은 비구면 형상이고, 부주사 방향은 구면으로 형성된 제 3 광학소자;를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 광주사장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 광학소자는, 편향점에서 첫 번째면 까지의 거리를d, 편향점에서 피주사면까지의 거리를 L, 제 3 광학소자의 중심두께를 S, 사용파장에 대한 제 3 광학소자의 굴절율을 n이라 할 때 왜곡수차 특성 및 상면 만곡을 보정하기 위하여 다음 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광주사장치.
    (상면만곡)M1= d/L ×S, 1.54 ≤M1≤3.28
    (왜곡수차특성)M2= M1×(n - 1), 0.74 ≤M2≤1.87
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 광학소자는 양면이 변형된 토릭면으로 구성되며, 광편향기와 대응되는 면은 볼록 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 광주사장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 광학소자를 통과한 빔의 광속은 거의 평행한 성분의 광속이되는 무한 광학계를 사용하는 것을 특징으로 하는 광주사장치.
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