KR20020005458A - 이미지 형성 장치 - Google Patents

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KR20020005458A
KR20020005458A KR1020010040195A KR20010040195A KR20020005458A KR 20020005458 A KR20020005458 A KR 20020005458A KR 1020010040195 A KR1020010040195 A KR 1020010040195A KR 20010040195 A KR20010040195 A KR 20010040195A KR 20020005458 A KR20020005458 A KR 20020005458A
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이키코이치로
토야마미노루
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이주하라 요죠우
닛뽄 시트 글래스 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명의 이미지 형성 장치는 로드 렌즈 어레이(10)의 단부면에 물체면(14)이 대향 배열되어 있고, 한편 이미지면(16)은 그것의 다른 단부에 대향 배열되어 있다. 물체측상의 로드 렌즈 어레이의 렌즈 작용 거리는 이미지 측의 것과 실제적으로 동일하다. 실제적인 물체-이미지 거리(Tco)는 렌즈 어레이 방향으로 로드 렌즈 어레이의 MTF의 평균치(MTFave)에서의 복합 거리(TC1)가 최대가 되고 △MTF( = (MTFmax - MTFmin)/MTFave)에서 복합 거리(TC2)가 최대가 되는 사이에서 설정되고, 편차량 △TC(=｜TCo-TC1｜)은 MTFave가 최대가 되는 곳에서 복합 거리(TC1)가 0mm〈△TC〈 + 0.2 mm이내로 설정된다.

Description

이미지 형성 장치{Image Forming Apparatus}
본 발명은 로드 렌즈 어레이를 사용하는 이미지 형성 장치에 관한 것이다.특히, 본 발명은 균일한 해상도를 보장하면서 적절한 위치에 이미지면과 물체면을 배열하여 기본적인 해상력을 보유하는 이미지 형성 장치에 관한 것이다. 이러한 기술은 접촉 이미지 센서 또는 LED 프린터에 적용할 때 매우 유용하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 로드 렌즈 어레이(10)는 유니트 확대 이미지 광학 시스템으로 구성되어 있는데, 방사 방향으로 수축 지수 분포를 각각 가지는 복수의 로드 렌즈(12)는 그들의 광학축이 서로 평행하게 배열되도록 배열된다. 유니트 확대 이미지 광학 시스템은 팩스밀리 장비, 복사기, 스캐너, LED 프린더 등에 광범위하게 사용된다. 물체면(14)은 로드 렌즈(12)의 대향하는 한단부면에 배열되고, 이미지면(16)은 그것의 다른 단부를 대향하여 배열되어 있다. 도 2에 도시된 접촉 이미지 센서와 같은 이미지 판독 시스템에 있어서, 물체면(14)은 오리지날 서류 표면이고 이미지면(16)은 센서 화소 보유면이다. LED 프린터와 같은 이미지 기록 시스템에 있어서, 물체면은 LED 부품의 발광표면이며 이미지면은 드럼 표면이다.
이들 이미지 형성 장치의 광학적 위치의 설계에 있어서, 가능한 큰 값으로 MTF(Modulation Transfer Function)의 평균치(MTFave)로 설정하는 것이 필수적이다. 평균치(MTFave)는 렌즈 어레이 방향(=로드 렌즈 어레이의 가로 방향)으로 계산하여 MTF의 평균치이다. 결국, MTF는 로드 렌즈 어레이의 기본적인 해상력을 나타낸다. 결국, 물체면(14)과 이미지면(16)은 적어도 다음의 조건을 만족하도록 위치된다 : 물체측(=하나의 렌즈 단부면으로부터 물체면까지의 거리)상의 렌즈 이동 거리(Lo)는 이미지측(=다른 렌즈 단부면으로부터 이미지면까지의 거리)상의 렌즈 이동 거리(Lo)와 광학적으로 동일하다. 종종 사용되는 다른 방법은 MTF의평균치(MTFave)를 최대화하도록 물체면과 이미지면(물체-이미지 거리(TC)라고 한다)사이의 거리(TC)를 조정하는 것이다.
MTF는 다음 방정식에 의해 주어진다 :
MTF(%) = [(imax-imin)/(imax-imin)] x 100
상기 방정식에서, imax 및 imin이라는 용어는 다음과 같은 방법으로 얻어진다. 도 3에 도시된 바와 같이, 로드 렌즈 어레이(10)는 사각 격자 패턴(=오리지날 이미지)(20)을 수용하고 패턴의 이미지(22)를 형성한다. 센서는 이미지(22)를 수용한다. 수용된 이미지(22)의 광량의 상대적인 최대 imax와 상대적인 최소 imin을 측정한다. MTF가 100%에 근사할 때 이를 평가해 보면, 광학 시스템에 의해 형성된 이미지는 광학 이미지(광학 시스템의 해상력이 크다)는 더욱 정확하게 근사해진다.
실제적인 측정은 도 4에 도시된 바와 같은 광학 시스템을 사용하여 행한다. 도면에서, 할로겐 램프와 같은 광원(30)으로부터 방사된 광은 필터(31)와, 확산판(32)과, 사각형 테스트 챠트(33)를 통하여 통과한다. 그 결과, 사각형 격자 패턴이 형성된다. 로드 렌즈 어레이(10)는 사각형 격자 패턴의 이미지를 형성한다. CCD 이미지 센서(34)는 이미지를 수용하고 이를 대응하는 전기적 신호로 변환한다. 로드 렌즈 어레이(10)는 공심 화살표 방향으로 이동한다. 로드 렌즈 어레이의 이동을 통하여, 이미지는 그 길이 전체를 통하여 조사된다. CCD 이미지 센서(34)의 출력신호의 파형은 데이터 프로세서(35)로 출력된다. 데이터 프로세서(35)는 파형의 상대 최소 imin과 상대 최대 imax를 가지도록 출력 파형을 적절하게 처리하며, 이들을 이용하여 MTF를 계산한다. 렌즈 어레이 방향으로 계산된 MTF 평균치는 렌즈어레이의 MTFave이다.
MTF의 평균치(MTFave)를 최소화하기 위하여 물체-이미지 거리(TC)를 조정하기 위한 연구에 더하여, 여기에 또 하나의 연구가 있다. 예를 들면, 이미지 판독 시스템에 있어서, 오리지날 서류가 오직 한방향으로의 위치 편차를 제한할 수 있는 플래튼 유리가 존재한다면, 물체 표면측상의 최적의 포커스 위치는 정확한 초점 깊이를 증가시키기 위하여 플래튼 유리 표면으로부터 편위된다. 또 다른 하나의 연구에 있어서, 이미지 기록 시스템은 LED 요소의 광방사의 변동의 악영향을 경감하기 위하여 비초점 위치적 관계를 이용할 수 있다.
로드 렌즈에 있어서, 해상도는 시야내의 방사 방향으로 분포된다. 따라서, 로드 렌즈 어레이에 의해 중첩된 이미지는 렌즈 반경(센서 화소/LED 요소가 렌즈 어레이의 중심 위치와 정렬될 때) 또는 렌즈 직경(센서 화소/LED 요소가 렌즈 어레이의 중심 위치와 정렬되지 않을 때)의 어떤 사이클로 가로 방향으로 해상도의 급격한 변화를 포함한다. 현재 판매되고 있는 로드 렌즈 어레이가 600 dip 해상력 또는 그 이상이 사용된다면, 해상도의 변동은 감지할 수 없다.
최근의 고해상도의 경향은 종래의 기술이 해상도의 균일도를 보장할 수 없으며 한편으로 이의 근본적인 해상력을 보유하지 못하게 한다. 이미지 판독/기록 시스템에서 사용되는 하프 톤 이미지를 취급하는데 있어서, 광학 밀도의 불균일이 종종 발생한다.
따라서, 본 발명의 목적은 렌즈 어레이 방향으로 균일한 해상도를 보장하며,근본적인 해상력을 보유하므로서 하프 톤 이미지를 취급할 때 일지라도 광학적 밀도의 불균일이 무시할 수 있을 정도로 경감할 수 있는 이미지 형성 장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 따라서, 이미지 형성 장치는 방사 방향으로 반사 지수 분포를 각각 가지는 복수의 로드 렌즈를 포함하는 유니트 확대 이미지 로드 렌즈 어레이를 사용하며, 그들의 광학축은 서로 평행하게 배열되도록 정렬되어 있고, 물체면은 로드 렌즈 어레이의 대향하는 한단부면에 배열되어 있으며, 이미지면은 그것의 다른 단부면에 대향되게 배열되어 있으며, 물체측상의 로드 렌즈 어레이의 렌즈 작용 거리는 이미지측상의 것과 실제적으로 동일하다. 이미지 형성 장치는 실제적인 물체-이미지 거리(Tco)가 렌즈 어레이 방향으로 로드 렌즈 어레이의 MTF의 평균치(MTFave)가 최소치가 되는 복합 거리(TC1)와 △MTF(=(MTFmax-MTFmin)/MTFave)가 최소화되는 복합 거리(TC2) 사이에서 설정, 또는 실제적인 물체-이미지 거리(Tco)는 △MTF가 최소가 될 때 복합 거리(TC2)와 동일하게 되고 변위량(△TC(=｜TCo-TC1｜))은 MTFave가 최대화가 되는 복합 거리(TC1)에 관하여 0 mm < △TC < +0.2 mm 이내로 설정된다. 이미지 형성 장치에 있어서, 물체-이미지 거리(Tco)는 +0.05 mm < △TC < + 0.15 mm로 설정되는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 발명자들은 하프 톤 이미지가 고해상도에서 사용될 때 이러한 현상에 연구하였으며 광학적 밀도의 불균일도는 감지할 수 없다는 것을 알아냈으며 다음과 같은 결론에 이르게 되었다. 연구를 통하여, 다음과 같은 사실을 발견하였다: 1) 광학적 밀도 불균일도를 평가하는데 새로운 변수 △MTF를 사용하는 것이 편리하며, 2) 일반적으로, 렌즈 어레이 방향(가로 방향)으로의 MTF의 평균치(MTFave)의 복합 거리(TC1)는 최대화되고 △MTF가 최소화되는 복합 거리(TC2)는 동일하지 않다는 것을 알았다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 있어서, 실제적인 물체-이미지 거리(Tco)가 렌즈 어레이 방향으로 로드 렌즈 어레이의 MTF의 평균치(MTFave)가 최소치가 되는 복합 거리(TC1)와 △MTF(=(MTFmax-MTFmin)/MTFave)가 최소화되는 복합 거리(TC2) 사이에서 설정, 또는 실제적인 물체-이미지 거리(Tco)는 △MTF가 최소가 될 때 복합 거리(TC2)와 동일하게 되고 변위량(△TC(=｜TCo-TC1｜))은 MTFave가 최대화가 되는 복합 거리(TC1)에 관하여 0 mm < △TC < +0.2 mm 이내로 설정된다. 이미지 형성 장치에 있어서, 물체-이미지 거리(Tco)sms +0.05 mm < △TC < + 0.15 mm로 설정되는 것이 더욱 바람직하다. △MTF의 복합 거리(TC2)가 최소화되고 MTFave에서의 복합 거리(TC1)가 최소화되는데 따라 변경되고 로드 렌즈 등(방향 : +방향은 복합 거리가 증가되는 것이고 -방향은 복합거리가 감소하는 방향 )의 굴절 지수 분포에 의해 결정된다. 따라서, 본 발명에 있어서, 실제적인 물체-이미지 거리(TCo)는 렌즈 어레이 방향으로 로드 렌즈 어레이의 MTF의 평균치(MTFave)가 최대화되는 복합 거리(TC1)와 △MTF가 최소화되는 복합 거리(TC2) 사이에서 설정되는 것이 중요하다. 또한, 본 발명에 있어서, 물체측으로의 로드 렌즈 어레이의 렌즈 작동 거리는 이미지측의 것과 실제적으로 동일하다. 따라서, 각각의 물체측 및 이미지측상의 광학적 편차량은 △TC/2이다. 이 때문에, MTF의 평균치(MTFave)의 감소는 허용범위 이내이다. 렌즈 어레이 방향으로의 해상도의 불균일도는 높은 해상력을 보유하면서도 보장된다. 따라서, 광학적 밀도의 불균일도는 하프 톤 이미지를 취급할 때 일지라도 무시할 수 있다.
본 설명은 일본 특허 출원 제2000-207380호(2000년 7월 7일 출원)내에 포함딘 주제에 관한 것이며 본원에 그 전체로서 참조로 인용되어 있다.
도 1은 로드 렌즈 어레이를 사용하는 이미지 형성 장치를 도시한 예시적인 다이어 그램.
도 2는 접촉 이미지 센서를 도시한 예시적인 다이어그램.
도 3은 MTF를 도시한 예시적인 다이어그램.
도 4는 MTF를 측정하기 위한 광학 시스템을 도시한 예시적인 다이어그램.
도 5는 로드 렌즈 어레이의 한예의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프.
도 6은 로드 렌즈 어레이의 실제적인 측정 결과를 도시한 그래프.
도 7은 다른 로드 렌즈 어레이의 실제적인 측정 결과를 도시한 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 로드 렌즈 어레이 12 : 로드 렌즈
14 : 물체면 16 : 이미지면
20 : 사각 격자 패턴 22 : 이미지
하기에 주어진 설계 스펙을 가지는 로드 렌즈 어레이의 MTF는 굴절 지수 분포 계수를 올림 차순으로 가로 방향(렌조 요소 배열 방향)으로 계산된다. 계산 결과가 도 5에 도시된다. 계산에 있어서, 24 lp/mm(lp/mm=line pair/mm) 패턴이 사용되었으며, MTFave 및 △MTF는 물체-이미지 거리(TC)상에서 계산된다. 기본적인 로드 렌즈 어레이의 설계 기준은:
로드 렌즈 직경(D) : 0.563 mm
최대 MTFave를 제공하는 복합 길이(TC1) : 9.9 mm
로드 렌즈 길이(Zo) : 4.34 mm
개구각도(최대 경사각)(Θo) : 20°
로드 렌즈의 굴절 지수 분포는 다음과 같이 주어진다.
n(r)2= no 2·{1-(g·r)2+ h4(g·r)4+ h6(g·r)6+ h8(g·r)8}
여기에서 r : 로드 렌즈의 광학축으로부터 방사방향으로 측정한 거리
no : 로드 렌즈의 광학축상의 굴절지수(=1.625)
g : 굴절 지수 분포 계수(=0.8423)
h4, h6, h8 : 오름차순 굴절 지수 분포 계수
도 5내의 경우 A 내지 D 까지의 오름차순 굴절 지수 분포 계수는 표 1에 표시된 바와 같다.
(표 1)
경우 h4 h6 h8
A 1.50 -25 175
B 1.50 -27 200
C 1.50 -22 200
D 1.40 -25 200
도 5에서 경우 A 내지 D중의 어느 하나에 있어서, 렌즈 어레이 방향으로 로드 렌즈 어레이의 MTF의 평균치(MTFave)에서의 복합 거리(TC1)가 최소화 되고, △MTF (△MTF = (MTFmax- MTFmin)/MTFave)가 최소화 되는 곳에서의 복합 거리(TC2)는 동일하지 않다. 이들 길이의 차이는 좌측 또는 우측(물체-이미지 거리가 증가 또는 감소하는 방향으로)으로 변경된다. 따라서, 실제적인 물체-이미지 거리(Tco)가 렌즈 어레이 방향으로 로드 렌즈 어레이의 MTF의 평균치(MTFave)에서최대가 될 때의 복합 거리(TC1)와 △MTF가 최소가 될 때의 복합 거리(TC2)의 사이에 설정 또는 △MTF가 최소가 되는 복합 거리(TC2)와 동일하다면 편차량 △TC (=｜TCo - TC1)｜)이 0mm < △TC < + 0.2mm 이내가 되도록 MTFave가 최대가 될 때 복합 거리가 설정된다면, MTF의 평균치가 감소하는 허용 범위내로 설정하는 것을 허용한다. 그러므로, 높은 기본적인 해상력은 유지되며 렌즈 어레이 방향으로의 해상도의 균일도가 보장된다. 따라서, 광학적 밀도 불균일도는 하프 톤 이미지가 취급될 때 일지라도 무시할 수 있다. 특히 편차량(△TC)이 +0.05mm ≤ △TC ≤ +0.15mm 범위내로 설정된다면, MTFave는 높고 △MTF는 낮다. 즉, 양호한 결과가 얻어진다.
도 6은 시뮬레이션의 기초상에 특정된 로드 렌즈 어레이를 사용하여 측정된 MTF와 △MTF'의 평균치(MTFave)의 변동을 나타낸 그래프이다. 측정에 있어서, 12 lp/mm에 MTF의 전폭 프로파일은 실제적으로 측정된다. MTF와 △MTF'의 평균치(MTFave)의 변동은 MTF의 전폭 프로파일에 기초하여 얻어진다. △MTF'는 수학적으로 다음과 같이 정의된다.
△MTF' = (MTFave - MTFmin)/MTFave
△MTF'는 최대의 MTFave(10.2 mm)를 제공하는 복합 거리(TC1)에 관하여 △TC = 0.1 mm 일 경우에 그 위치에서 최소치, 10.3 mm를 취한다.
아래와 같이 특정된 로드 렌즈 어레이의 MTF와 △MTF'의 평균치(MTFave)의 변동이 계산된다. 결국, 도 4에 도시된 광학 시스템이 사용된다. 12 lp/mm에서 MTF 전폭 프로파일은 다양한 물체-이미지 거리(Tc)에 대하여 측정된다. 계산 결과가 도 7내에 도시되어 있다.
로드 렌즈 직경 D : 0.912 mm
최대 MTFave를 제공하는 복합 길이(TC1) : 15.1 mm
로드 렌즈 길이(Zo) : 6.89 mm
각개구(최대 예각, Θo : 20°
굴절지수(no) : 1.627
굴절지수 분포 계수(g) : 0.5348
△MTF'는 최대의 MTFave(14.8 mm)를 제공하는 복합 거리(TC1)에 관하여 △TC = 0.1 mm 일 경우에 그 위치에서 최소치, 14.9 mm를 취한다.
상기 설명에서 알수 있는 바와 같이, 본 발명의 이미지 형성 장치에 있어서, 실제적인 물체-이미지 거리(Tco)가 렌즈 어레이 방향으로 로드 렌즈 어레이의 MTF의 평균치(MTFave)에서 최대가 될 때의 복합 거리(TC1)와 △MTF가 최소가 될 때의 복합 거리(TC2)의 사이에 설정 또는 △MTF가 최소가 되는 복합 거리(TC2)와 동일하다면 편차량 △TC (=｜TCo - TC1)｜)이 0mm < △TC < + 0.2mm 이내가 되도록 MTFave가 최대가 될 때 복합 거리가 설정된다면, MTF의 평균치가 감소하는 허용 범위내로 설정하는 것을 허용한다. 그러므로, 높은 기본적인 해상력은 유지되며 렌즈 어레이 방향으로의 해상도의 균일도가 보장된다. 따라서, 광학적 밀도 불균일도는 하프 톤 이미지가 취급될 때 일지라도 무시할 수 있다. 특히 편차량(△TC)이 +0.05mm ≤ △TC ≤ +0.15mm 범위내로 설정된다면, MTFave는 높고 △MTF는 낮다.
본 발명에 있어서, 물체측으로의 로드 렌즈 어레이의 렌즈 작동 거리는 이미지측의 것과 실제적으로 동일하다. 렌즈 어레이 방향으로의 해상도의 불균일도는 높은 해상력을 보유하면서도 보장된다. 따라서, 광학적 밀도의 불균일도는 하프 톤 이미지를 취급할 때 일지라도 무시할 수 있다.

Claims (6)

  1. 방사 방향으로 각각 굴절 지수 분포를 가지는 다수의 로드 렌즈를 포함하며 광학축이 서로 평행하게 배열되도록 배열되어 있으며, 여기에 물체면 로드 렌즈 어레이의 하나의 단부면에 대향 배열되고 이미지면은 그 것의 다른 단부면에 대향하여 배열되어 있으며, 물체측상에서의 로드 렌즈 어레이의 렌즈 작동 거리는 이미지측의 것과 실제적으로 동일한 유니트 확대 이미징 로드 렌즈를 사용하는 이미지 형성 장치에 있어서,
    실제적인 물체-이미지 거리(Tco)가 렌즈 어레이 방향으로 로드 렌즈 어레이의 MTF의 평균치(MTFave)에서 최대가 될 때의 복합 거리(TC1)와 △MTF가 최소가 될 때의 복합 거리(TC2)의 사이에 설정되는 것을 특징으로 하는 이미지 형성 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    실제적인 물체-이미지 거리(Tco)는 MTF가 최소가 되는 복합 거리(TC2)와 동일하다면 편차량 △TC (=｜TCo - TC1)｜)이 0mm < △TC < + 0.2mm 이내가 되도록 MTFave가 최대가 될 때 복합 거리가 설정되는 것을 특징으로 하는 이미지 형성 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 실제적인 물체-이미지 거리(Tco)는 MTF가 최소가 되는 복합 거리(TC1)에 관하여 상기 편차량(△TC)이 +0.05mm ≤ △TC ≤ +0.15mm 범위내로 설정되는 것을 특징으로 하는 이미지 형성 장치.
  4. 방사 방향으로 각각 굴절 지수 분포를 가지는 다수의 로드 렌즈를 포함하며 광학축이 서로 평행하게 배열되도록 배열되어 있으며, 여기에 물체면 로드 렌즈 어레이의 하나의 단부면에 대향 배열되고 이미지면은 그 것의 다른 단부면에 대향하여 배열되어 있으며, 물체측상에서의 로드 렌즈 어레이의 렌즈 작동 거리는 이미지측의 것과 실제적으로 동일한 유니트 확대 이미징 로드 렌즈를 사용하는 이미지 형성 장치에 있어서,
    실제적인 물체-이미지 거리(Tco)는 편차량 △TC (=｜TCo - TC1)｜)이 0mm < △TC < + 0.2mm 이내로 설정 되도록 MTFave가 최대가 될 때 복합 거리(TC1)가 설정되게 △MTF( = (MTFmax - MTF min)/MTFave)가 최소가 될 때의 복합 거리(TC2)와 동일한 것을 특징으로 하는 이미지 형성 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 실제적인 물체-이미지 거리(Tco)는 MTF가 최소가 되는 복합 거리(TC1)에 관하여 상기 편차량(△TC)이 +0.05mm ≤ △TC ≤ +0.15mm 범위내로 설정되는 것을 특징으로 하는 이미지 형성 장치.
  6. 이미지 형성 장치에 있어서,
    로드 렌즈 어레이는 렌즈 어레이 방향으로 MTF의 평균치(MTFave)가 최소가 될 때 제 1 복합 거리(TC1)와 △MTF( = (MTFmax - MTF min)/MTFave)가 최소가 되는 제 2 복합 거리(TC2)규정하는 특성을 가지며, 그래디언트 지수 로드 렌즈들은 그들의 광축이 서로 평행하게 배열되는 로드 렌즈 어레이와,
    로드 렌즈 어레이의 단부면에 대향하는 물체면과,
    로드 렌즈 어레이의 다른 단부면과 대향하는 이미지면이,
    물체면과 이미지 면과의 사이의 길이(TCo)는 제 1 복합 길이(TC1)와 제 2 복합 길이(TC2) 사이의 범위내에 들어가고, 또는,
    길이(TCo)는 제 2 복합 길이(TC2)와 실제적으로 동일하고 0mm 내지 +0.2mm의 범위이내에 들어오는 소정의 편차량(△TC (=｜TCo - TC1)｜))에 의해 제 1 복합 길이(TC1)로부터 편위되어 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 이미지 형성 장치.
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