專利名稱：微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片，特別是涉及一種對(duì)呈簡(jiǎn)諧性運(yùn)動(dòng)的微機(jī)電反射鏡所產(chǎn)生隨時(shí)間成正弦關(guān)系的角度變化量進(jìn)行修正的單片式fθ鏡片，以達(dá)成激光掃瞄裝置所要求的線性掃描效果的微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片。

背景技術(shù)：
目前激光光束打印機(jī)LBP(Laser Beam Print，印表機(jī))所用的激光掃描裝置LSU(Laser Scanning Unit)，是利用一高速旋轉(zhuǎn)的多面鏡(polygonmirror)以操控激光光束的掃描動(dòng)作(laser beam scanning)，如美國(guó)專利US7079171、US6377293、US6295116，或如中國(guó)臺(tái)灣專利I198966所述。其原理如以下簡(jiǎn)述利用一半導(dǎo)體激光發(fā)出激光光束(laser beam)，先經(jīng)由一準(zhǔn)直鏡(collimator)，再經(jīng)由一光圈(aperture)而形成平行光束，而平行光束再經(jīng)過一柱面鏡(cylindrical lens)后，能在副掃瞄方向(subscanning direction)的Y軸上的寬度能沿著主掃描方向(main scanningdirection)的X軸的平行方向平行聚焦而形成一線狀(line image)，再投射至一高速旋轉(zhuǎn)的多面鏡上。多面鏡上均勻連續(xù)設(shè)置有多面反射鏡，其大致位于或接近于上述線狀成像(line image)的焦點(diǎn)位置。所述多面鏡可用以控制激光光束的投射方向，當(dāng)連續(xù)的復(fù)數(shù)反射鏡在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)可以將射至一反射鏡上的激光光束沿著主掃描方向(X軸)的平行方向以同一轉(zhuǎn)角速度(angular velocity)偏斜反射至一fθ線性掃描鏡片上。fθ線性掃描鏡片是設(shè)置于多面鏡的旁側(cè)，可為單件式鏡片結(jié)構(gòu)(single-element scanninglens)或?yàn)槎界R片結(jié)構(gòu)。所述fθ線性掃描鏡片的功能在于，使經(jīng)由多面鏡上的反射鏡反射而射入fθ鏡片的激光光束能聚焦成一橢圓型光點(diǎn)并投射在一光接收面(photoreceptor drum，即成像面)上，并達(dá)成線性掃描(scanning linearity)的要求。然而，現(xiàn)有習(xí)用的激光掃瞄裝置LSU在使用上會(huì)存在有下列問題 (1)、旋轉(zhuǎn)式多面鏡的制作難度高，且價(jià)格不低，相對(duì)增加了激光掃描裝置(LSU)的制作成本。
(2)、多面鏡須具有高速旋轉(zhuǎn)(如40000轉(zhuǎn)/分)功能，其精密度要求又高，以致于一般多面鏡上反射面的鏡面Y軸寬度極薄，使習(xí)用的激光掃描裝置(LSU)中均需增設(shè)一柱面鏡(cylindrical lens)，以使激光光束經(jīng)過柱面鏡能聚焦成一線(Y軸上成一點(diǎn))而再投射在多面鏡的反射鏡上，以致增加了構(gòu)件及組裝作業(yè)流程。
(3)、現(xiàn)有習(xí)用的多面鏡須高速旋轉(zhuǎn)(如40000轉(zhuǎn)/分)，致使旋轉(zhuǎn)噪音相對(duì)提高，且多面鏡從啟動(dòng)至工作轉(zhuǎn)速須耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，增加了開機(jī)后的等待時(shí)間。
(4)、現(xiàn)有習(xí)用的激光掃描裝置(LSU)的組裝結(jié)構(gòu)中，投射至多面鏡反射鏡的激光光束中心軸并非正對(duì)多面鏡的中心轉(zhuǎn)軸，以致在設(shè)計(jì)相配合的fθ鏡片時(shí)，需要同時(shí)考慮多面鏡的離軸偏差(deviation)問題，相對(duì)的增加了fθ鏡片的設(shè)計(jì)及制作上的麻煩。
近年以來(lái)，為了改善上述現(xiàn)有習(xí)用的激光掃描裝置(LSU)組裝結(jié)構(gòu)存在的問題，目前市面上開發(fā)出一種擺動(dòng)式(oscillatory)的微機(jī)電反射鏡(MEMS mirror)，用以取代習(xí)用的多面鏡來(lái)操控激光光束掃描。微機(jī)電反射鏡為轉(zhuǎn)矩振蕩器(torsion oscillators)表層上附有反光層，可藉由振蕩擺動(dòng)反光層，將光線反射而掃描，未來(lái)將可應(yīng)用于影像系統(tǒng)(imagingsystem)、掃描器(scanner)或激光打印機(jī)(laser printer)的激光掃描裝置(laser scanning unit，簡(jiǎn)稱LSU)，其掃描效率(Scanning efficiency)將可高于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)多面鏡。如美國(guó)專利US6,844,951、US6,956,597，是產(chǎn)生至少一驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其驅(qū)動(dòng)頻率趨近復(fù)數(shù)微機(jī)電反射鏡的共振頻率，并以一驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)微機(jī)電反射鏡以產(chǎn)生一掃瞄路徑；或如中國(guó)臺(tái)灣專利TWM253133號(hào)，其是在一激光掃描裝置(LSU)模組結(jié)構(gòu)中準(zhǔn)直鏡及fθ鏡片之間，利用一微機(jī)電反射鏡取代現(xiàn)有習(xí)用的旋轉(zhuǎn)式多面鏡，藉以控制激光光束的投射方向；其他技術(shù)如美國(guó)專利US7,064,876、US7,184,187、US7,190,499、US2006/0033021、US2007/0008401、US2006/0279826、日本專利JP2006-201350號(hào)等所揭露，在此不多敘述。所述的微機(jī)電反射鏡具有元件小，轉(zhuǎn)動(dòng)速度快，制造成本低的優(yōu)點(diǎn)。然而由于微機(jī)電反射鏡在接收一電壓驅(qū)動(dòng)后，將作一簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，且此簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的方式為時(shí)間與角速度呈正弦關(guān)系，而投射于微機(jī)電反射鏡，其經(jīng)反射后的反射角度θ與時(shí)間t的關(guān)系為 θ(t)＝θs·sin(2π·f·t)(1) 其中:f為微機(jī)電反射鏡的掃描頻率；θs為激光光束經(jīng)微機(jī)電反射鏡后，單邊最大的掃描角度。
因此，在相同的時(shí)間間隔下Δt，所對(duì)應(yīng)的反射角度的變化量并不相同且為遞減，是一與時(shí)間成正弦函數(shù)(Sinusoidal)的關(guān)系，即在相同時(shí)間間隔Δt時(shí)，反射角度變化為:Δθ(t)＝θs·(sin(2π·f·t1)-sin(2π·f·t2))，與時(shí)間為非線性關(guān)系；當(dāng)此反射的光線以不同角度投射在目標(biāo)物時(shí)，因受不同角度的關(guān)系，相同時(shí)間間隔產(chǎn)生的光點(diǎn)距離為不相同。
由于微機(jī)電反射鏡位于正弦波的波峰及波谷的角度變化量將隨時(shí)間遞增或遞減，與習(xí)知的多面鏡成等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式不同，若使用習(xí)知的fθ鏡片在具有微機(jī)電反射鏡的激光掃瞄裝置(LSU)上，將無(wú)法修正微機(jī)電反射鏡其擺動(dòng)隨時(shí)間成正弦關(guān)系所產(chǎn)生的角度變化量，造成投射在成像面上的激光光束將產(chǎn)生非等速率掃描現(xiàn)象，而造成成像面上的成像偏差。因此，對(duì)于微機(jī)電反射鏡所構(gòu)成的激光掃描裝置，簡(jiǎn)稱為微機(jī)電激光掃描裝置(MEMS LSU)，其特性為激光光線經(jīng)由微機(jī)電反射鏡掃描后，形成等時(shí)間不同角度的掃描光線，因此發(fā)展可以使用于微機(jī)電激光掃描裝置的fθ鏡片以修正掃描光線，使其可以在目標(biāo)物上正確成像，將成為迫切所需。
由此可見，上述現(xiàn)有的微機(jī)電激光掃描裝置在結(jié)構(gòu)與使用上，顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進(jìn)一步改進(jìn)。為了解決上述存在的問題，相關(guān)廠商莫不費(fèi)盡心思來(lái)謀求解決之道，但長(zhǎng)久以來(lái)一直未見適用的設(shè)計(jì)被發(fā)展完成，而一般產(chǎn)品又沒有適切結(jié)構(gòu)能夠解決上述問題，此顯然是相關(guān)業(yè)者急欲解決的問題。因此如何能創(chuàng)設(shè)一種新型結(jié)構(gòu)的微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片，實(shí)屬當(dāng)前重要研發(fā)課題之一，亦成為當(dāng)前業(yè)界極需改進(jìn)的目標(biāo)。
有鑒于上述現(xiàn)有的微機(jī)電激光掃描裝置存在的缺陷，本發(fā)明人基于從事此類產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造多年豐富的實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)及其專業(yè)知識(shí)，并配合學(xué)理的運(yùn)用，積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設(shè)一種新型結(jié)構(gòu)的微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片，能夠改進(jìn)一般現(xiàn)有的微機(jī)電激光掃描裝置，使其更具有實(shí)用性。經(jīng)過不斷的研究、設(shè)計(jì)，并經(jīng)過反復(fù)試作樣品及改進(jìn)后，終于創(chuàng)設(shè)出確具實(shí)用價(jià)值的本實(shí)用新型。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于，克服現(xiàn)有的微機(jī)電激光掃描裝置存在的缺陷，而提供一種新型結(jié)構(gòu)的微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片，所要解決的技術(shù)問題是使其由一新月形且凹面在微機(jī)電反射鏡側(cè)的單一鏡片構(gòu)成，可將微機(jī)電反射鏡所反射的掃描光線在目標(biāo)物上正確成像，而能夠達(dá)成激光掃瞄裝置所要求的線性掃描效果，非常適于實(shí)用。
本實(shí)用新型的另一目的在于，提供一種新型結(jié)構(gòu)的微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片，所要解決的技術(shù)問題是使其用以縮小投射在目標(biāo)物上光點(diǎn)(spot)的面積，而可以達(dá)成提高解析度的效果，從而更加適于實(shí)用。
本實(shí)用新型的還一目的在于，提供一種新型結(jié)構(gòu)的微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片，所要解決的技術(shù)問題是使其可畸變修正因掃描光線偏離光軸，而造成在主掃描方向及副掃描方向的偏移增加，使成像于感光鼓的光點(diǎn)變形成類橢圓形的問題，并使每一成像光點(diǎn)大小得以均勻化，而可以達(dá)成提升解像品質(zhì)的功效，從而更加適于實(shí)用。
本實(shí)用新型的目的及解決其技術(shù)問題是采用以下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。依據(jù)本實(shí)用新型提出的一種微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片，是適用于微機(jī)電激光掃描裝置，所述的微機(jī)電激光掃描裝置至少包含一用以發(fā)射光束的光源、一以共振左右擺動(dòng)將光源發(fā)射的光束反射成為掃描光線的微機(jī)電反射鏡、及一用以感光的目標(biāo)物；所述單片式fθ鏡片由一新月形且凹面在微機(jī)電反射鏡側(cè)的鏡片所構(gòu)成，具有一第一光學(xué)面及一第二光學(xué)面，可將所述微機(jī)電反射鏡反射的角度與時(shí)間非線性關(guān)系的掃描光線光點(diǎn)轉(zhuǎn)換成距離與時(shí)間為線性關(guān)系的掃描光線光點(diǎn)，并可將掃描光線修正聚光于一目標(biāo)物上；藉由所述單片式fθ鏡片將所述微機(jī)電反射鏡反射的掃描光線在主掃描方向及副掃描方向于所述目標(biāo)物上成像。
本實(shí)用新型的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。
前述的微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片，其中在主掃描方向進(jìn)一步滿足下列條件 其中，fY為所述單片式fθ鏡片在主掃描方向的焦距，d3為θ＝0°鏡片目標(biāo)物側(cè)光學(xué)面至所述目標(biāo)物的距離。
前述的微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片，其進(jìn)一步滿足下列條件 在主掃描方向滿足 且在副掃描方向滿足 其中，fY為所述單片式fθ鏡片在主掃描方向的焦距，fs為所述單片式fθ鏡片的焦距，Rix第i光學(xué)面在X方向的曲率半徑；nd為所述單片式fθ鏡片的折射率。
前述的微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片，其中所述的光點(diǎn)的最大光點(diǎn)與最小光點(diǎn)大小的比值滿足 其中，Sa與Sb為一感光鼓上掃瞄光線形成的任一個(gè)光點(diǎn)在主掃描方向及副掃描方向的長(zhǎng)度，δ為所述感光鼓上最小光點(diǎn)與最大光點(diǎn)的比值。
前述的微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片，其中所述的目標(biāo)物上最大光點(diǎn)的比值與在所述目標(biāo)物上最小光點(diǎn)的比值分別滿足 其中，Sa0與Sb0為所述微機(jī)電反射鏡反射面上掃瞄光線的光點(diǎn)在主掃描方向及副掃描方向的長(zhǎng)度，Sa與Sb為一感光鼓上掃瞄光線形成的任一個(gè)光點(diǎn)在主掃描方向及副掃描方向的長(zhǎng)度，ηmax為所述微機(jī)電反射鏡反射面上掃瞄光線的光點(diǎn)經(jīng)掃描在所述目標(biāo)物上最大光點(diǎn)的比值，ηmin為所述微機(jī)電反射鏡反射面上掃瞄光線的光點(diǎn)經(jīng)掃描在所述目標(biāo)物上最小光點(diǎn)的比值。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和有益效果。由以上可知，為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供了一種微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片，適用于至少包含一將發(fā)射激光光束的光源、以共振左右擺動(dòng)將光源發(fā)射的激光光束反射成為掃描光線的微機(jī)電反射鏡，以在目標(biāo)物上成像；對(duì)于激光打印機(jī)而言，此目標(biāo)物常為感光鼓(drum)，即，待成像的光點(diǎn)經(jīng)由光源發(fā)出激光光束，經(jīng)由微機(jī)電反射鏡左右掃描，微機(jī)電反射鏡反射激光光束形成掃描光線，掃描光線經(jīng)由本實(shí)用新型的單片式fθ鏡片修正角度與位置后，在感光鼓上形成光點(diǎn)(spot)，由于感光鼓涂有光敏劑，可以感應(yīng)碳粉的聚集于紙上，如此可將資料打印出。
本實(shí)用新型的單片式fθ鏡片包含一第一光學(xué)面及一第二光學(xué)面，是將呈簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的微機(jī)電反射鏡，在成像面上光點(diǎn)間距由原來(lái)隨時(shí)間增加而遞減或遞增的非等速率掃描現(xiàn)象，修正為等速率掃描，使激光光束在成像面的投射作等速率掃描，并對(duì)掃瞄光線在主掃描方向及副掃描方向因偏移光軸而造成在感光鼓上所形成的成像偏差作均勻化，而將掃描光線修正聚光于目標(biāo)物上。
借由上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片至少具有下列優(yōu)點(diǎn)及有益效果 1、本實(shí)用新型是由一新月形且凹面在微機(jī)電反射鏡側(cè)的單一鏡片構(gòu)成，可將微機(jī)電反射鏡所反射的掃描光線在目標(biāo)物上正確成像，而能夠達(dá)成激光掃瞄裝置所要求的線性掃描效果，非常適于實(shí)用。
2、本實(shí)用新型藉由用以縮小投射在目標(biāo)物上光點(diǎn)(spot)的面積，而可以達(dá)成提高解析度的效果，從而更加適于實(shí)用。
3、本實(shí)用新型可畸變修正因掃描光線偏離光軸，而造成在主掃描方向及副掃描方向的偏移增加，使成像于感光鼓的光點(diǎn)變形成類橢圓形的問題，并使每一成像光點(diǎn)大小得以均勻化，而可以達(dá)成提升解像品質(zhì)的功效，從而更加適于實(shí)用。
綜上所述，本實(shí)用新型是有關(guān)于一種微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片，為新月形且凹面在微機(jī)電反射鏡側(cè)的鏡片所構(gòu)成，具有一第一光學(xué)面及一第二光學(xué)面，是將微機(jī)電反射鏡反射的角度與時(shí)間非線性關(guān)系的掃描關(guān)系的掃瞄光線光點(diǎn)轉(zhuǎn)換成距離與時(shí)間為線性的掃描光線光點(diǎn)，并同時(shí)將掃瞄光線修正聚光于目標(biāo)物上，滿足特定的光學(xué)條件，可以達(dá)成線性掃描效果與高解析度掃描的目的。本實(shí)用新型具有上述諸多優(yōu)點(diǎn)及實(shí)用價(jià)值，其不論在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)或功能上皆有較大改進(jìn)，在技術(shù)上有顯著的進(jìn)步，并產(chǎn)生了好用及實(shí)用的效果，且較現(xiàn)有的微機(jī)電激光掃描裝置具有增進(jìn)的功效，從而更加適于實(shí)用，誠(chéng)為一新穎、進(jìn)步、實(shí)用的新設(shè)計(jì)。
上述說明僅是本實(shí)用新型技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本實(shí)用新型的技術(shù)手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，并且為了讓本實(shí)用新型的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實(shí)施例，并配合附圖，詳細(xì)說明如下。

圖1是本實(shí)用新型微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片的光學(xué)路徑的示意圖。
圖2是一微機(jī)電反射鏡掃描角度θ與時(shí)間t的關(guān)系圖。
圖3是通過第一鏡片及第二鏡片的掃描光線的光學(xué)路徑圖及符號(hào)說明圖。
圖4是掃描光線投射在感光鼓上后，光點(diǎn)面積隨投射位置的不同而變化的示意圖。
圖5是本實(shí)用新型第一較佳實(shí)施例的光路圖。
圖6是本實(shí)用新型第一較佳實(shí)施例的光點(diǎn)示意圖。
圖7是本實(shí)用新型第二較佳實(shí)施例的光路圖。
圖8是本實(shí)用新型第二較佳實(shí)施例的光點(diǎn)示意圖。
圖9是本實(shí)用新型第三較佳實(shí)施例的光路圖。
圖10是本實(shí)用新型第三較佳實(shí)施例的光點(diǎn)示意圖。
圖11是本實(shí)用新型第四較佳實(shí)施例的光路圖。
圖12是本實(shí)用新型第四較佳實(shí)施例的光點(diǎn)示意圖。
10感光鼓11激光光源 111激光光束 113a、113b、113c掃瞄光線 114a、114b掃瞄光線 115a、115b掃瞄光線 13fθ鏡片 14a、14b光電感測(cè)器 15感光鼓 16柱面鏡 2、2a、2b、2c光點(diǎn)3有效掃描視窗 5、7、9、11中心軸 6、8、10、120.1mm的解析圓(Geometrical Spot) 6a、6b、6c、6d光點(diǎn) 6e、6f、6g、6h光點(diǎn) 8a、8b、8c、8d、8e光點(diǎn) 8f、8g、8h、8i、8j光點(diǎn) 10a、10b、10c、10d、10e光點(diǎn) 10f、10g、10h、10i、10j光點(diǎn) 12a、12b、12c、12d、12e光點(diǎn) 12f、12g、12h、12i、12j光點(diǎn) 具體實(shí)施方式
為更進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型為達(dá)成預(yù)定實(shí)用新型目的所采取的技術(shù)手段及功效，
以下結(jié)合附圖及較佳實(shí)施例，對(duì)依據(jù)本實(shí)用新型提出的微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片其具體實(shí)施方式
、結(jié)構(gòu)、特征及其功效，詳細(xì)說明如后。
有關(guān)本實(shí)用新型的前述及其他技術(shù)內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，在以下配合參考圖式的較佳實(shí)施例的詳細(xì)說明中將可清楚呈現(xiàn)。通過具體實(shí)施方式
的說明，當(dāng)可對(duì)本實(shí)用新型為達(dá)成預(yù)定目的所采取的技術(shù)手段及功效得一更加深入且具體的了解，然而所附圖式僅是提供參考與說明之用，并非用來(lái)對(duì)本實(shí)用新型加以限制。
請(qǐng)參閱圖1所示，是本實(shí)用新型微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片的光學(xué)路徑的示意圖。本實(shí)用新型較佳實(shí)施例的微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片13，包含一具有一第一光學(xué)面及一第二光學(xué)面，是適用于微機(jī)電激光掃瞄裝置。圖中，所述微機(jī)電激光掃描裝置，主要包含一激光光源11、一微機(jī)電反射鏡10、一柱面鏡16、二光電感測(cè)器14a、14b，以及一用以感光的目標(biāo)物。在圖中，目標(biāo)物是以用感光鼓(drum)15來(lái)實(shí)施。激光光源11所產(chǎn)生的光束111通過柱面鏡16后，投射到微機(jī)電反射鏡10上。而微機(jī)電反射鏡10以共振左右擺動(dòng)的方式，將光束111在不同時(shí)間點(diǎn)反射成掃瞄光線113a、113b、114a、114b、115a、115b。其中，掃瞄光線113a、113b、114a、114b、115a、115b在X方向的投影稱之為副掃描方向(sub scanningdirection)，在Y方向的投影稱之為主掃描方向(main scanningdirection)，而微機(jī)電反射鏡10掃描角度為θc。
由于微機(jī)電反射鏡10是呈一簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)角度隨時(shí)間呈一正弦變化，如圖2所示，是一微機(jī)電反射鏡掃描角度θ與時(shí)間t的關(guān)系圖。因此掃瞄光線的射出角度與時(shí)間為非線性關(guān)系。如圖示中的波峰a-a’及波谷b-b’，其擺動(dòng)角度明顯小于波段a-b及a’-b’，而此角速度不均等的現(xiàn)象容易造成掃描光線在感光鼓15上產(chǎn)生成像偏差。因此，光電感測(cè)器14a、14b是設(shè)置于微機(jī)電反射鏡10最大掃描角度±θc之內(nèi)，其夾角為±θp，激光光束111被微機(jī)電反射鏡10由圖2的波峰開始反射，此時(shí)相當(dāng)于圖1的掃描光線115a；當(dāng)光電感測(cè)器14a偵測(cè)到掃描光束的時(shí)候，表示微機(jī)電反射鏡10是擺動(dòng)到+θp角度，此時(shí)相當(dāng)于圖1的掃描光線114a；當(dāng)微機(jī)電反射鏡10掃描角度變化圖2的a點(diǎn)時(shí)，此時(shí)相當(dāng)于掃描光線113a位置；此時(shí)激光光源11被控制開始發(fā)出激光光束111，而掃描至圖2的b點(diǎn)時(shí)，此時(shí)相當(dāng)于掃描光線113b位置為止(相當(dāng)±θn角度內(nèi)由激光光源11發(fā)出激光光束111)；在微機(jī)電反射鏡10反振時(shí)，也在波段a’-b’時(shí)由激光光源11被控制開始發(fā)出激光光束111；如此完成一個(gè)周期。
請(qǐng)參閱圖3所示，是通過第一鏡片及第二鏡片的掃描光線的光學(xué)路徑圖及符號(hào)說明圖，顯示通過fθ鏡片的掃描光線的光學(xué)路徑圖。其中，±θn為有效掃描角度，如圖1所示，當(dāng)微機(jī)電反射鏡10的轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)入±θn時(shí)，激光光源11開始發(fā)出待掃描的激光光束111，經(jīng)由微機(jī)電反射鏡10反射成掃瞄光線，掃瞄光線得以通過fθ鏡片13而受fθ鏡片13的第一光學(xué)面與第二光學(xué)面折射，將微機(jī)電反射鏡10所反射的距離與時(shí)間成非線性關(guān)系的掃描光線轉(zhuǎn)換成距離與時(shí)間為線性關(guān)系的掃描光線；并當(dāng)通過fθ鏡片13后，藉由第一光學(xué)面、第二光學(xué)面所形成的聚焦效果，將掃描光線聚焦于感光鼓15上，并在感光鼓15上形成一列的光點(diǎn)(Spot)2，而投影在感光鼓15上，兩最遠(yuǎn)光點(diǎn)2的間距稱為有效掃描視窗3。其中，d1為微機(jī)電反射鏡10至第一光學(xué)面的間距，d2為第一光學(xué)面至第二光學(xué)面的間距，d3為第二光學(xué)面至感光鼓15的間距，R1為第一光學(xué)面的曲率半徑(Curvature)，R2為第二光學(xué)面的曲率半徑。
請(qǐng)參閱圖4所示，是掃描光線投射在感光鼓上后，光點(diǎn)面積隨投射位置的不同而變化的示意圖。當(dāng)掃瞄光線113a沿光軸方向透過fθ鏡片13后投射在感光鼓15時(shí)，由于入射于fθ鏡片13的角度為零，因此在主掃描方向的偏移率是零，因此成像于感光鼓上15的光點(diǎn)2a為一類圓形。當(dāng)掃描光線113b及113c透過fθ鏡片13，投射在感光鼓15時(shí)，由于入射于fθ鏡片13與光軸所形成的角度不為零，因此在主掃描方向的偏移率不為零，而造成在主掃描方向的投影長(zhǎng)度較掃描光線111a所形成的光點(diǎn)為大；此情形在副掃描方向也相同，偏離掃描光線111a的掃描光線所形成的光點(diǎn)，也將較大；所以成像于感光鼓15上的光點(diǎn)2b、2c為一類橢圓形，并且所述光點(diǎn)2b、2c的面積大于2a。其中，Sa0與Sb0為微機(jī)電反射鏡10反射面上掃瞄光線的光點(diǎn)在主掃描方向(Y方向)及副掃描方向(X方向)的長(zhǎng)度、Sa與Sb為感光鼓15上掃瞄光線形成的任一個(gè)光點(diǎn)在Y方向及X方向的長(zhǎng)度。本實(shí)用新型的單片式fθ鏡片，可以在主掃描方向?qū)⒐恻c(diǎn)大小經(jīng)由fθ片13的畸變(distortion)修正，使光點(diǎn)大小控制在有限的范圍，同時(shí)可在副掃描方向?qū)⒐恻c(diǎn)大小經(jīng)由fθ鏡片13的畸變(distortion)修正，使光點(diǎn)大小控制在有限的范圍，且使各光點(diǎn)大小分布(最大光點(diǎn)與最小光點(diǎn)比值)，并控制在適當(dāng)范圍，以提供符合的解析度。
為了達(dá)成上述功效，本實(shí)用新型單片式fθ鏡片在第一光學(xué)面或第二光學(xué)面，可使用球面曲面或非球面曲面為設(shè)計(jì)，若使用非球面曲面為設(shè)計(jì)，其非球面是以下列方程式為設(shè)計(jì) 1橫像曲面方程式(Anamorphic equation) 其中，Z為鏡片上任一點(diǎn)以光軸方向至0點(diǎn)切平面的距離(SAG)；Cx與Cy分別為X方向及Y方向的曲率(curvature)；Kx與Ky分別為X方向及Y方向的圓錐系數(shù)(Conic coefficient)；AR、BR、CR與DR分別為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(rotationally symmetric portion)的四次、六次、八次與十次冪的圓錐變形系數(shù)(deformation from the conic)；AP、BP、CP與DP分別非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(non-rotationally symmetric components)的分別為四次、六次、八次、十次冪的圓錐變形系數(shù)(deformation from the conic)；當(dāng)Cx＝Cy，Kx＝Ky且AP＝Bp＝Cp＝Dp＝0則簡(jiǎn)化為單一非球面。
2環(huán)像曲面方程式(Toric equation) 其中，Z為鏡片上任一點(diǎn)以光軸方向至0點(diǎn)切平面的距離(SAG)；Cy與Cx分別Y方向與X方向的曲率(curvature)；Ky為Y方向的圓錐系數(shù)(Coniccoefficient)；B4、B6、B8與B10為四次、六次、八次、十次冪的系數(shù)(deformation from the conic)；當(dāng)Cx＝Cy且Ky＝AP＝Bp＝Cp＝Dp＝0則簡(jiǎn)化為單一球面。
為能使掃描光線在目標(biāo)物上成像的掃描速度為等速率，即在兩個(gè)相同的時(shí)間間隔，兩個(gè)光點(diǎn)的距離相等；本實(shí)用新型的單片式fθ鏡片可將掃描光線113a至掃描光線113b之間，進(jìn)行掃描光線出射角的修正，使相同的時(shí)間間隔的兩掃描光線，經(jīng)出射角度修正后，在成像的感光鼓15上形成的兩個(gè)光點(diǎn)的距離相等。更進(jìn)一步的，當(dāng)激光光束111經(jīng)由微機(jī)電反射鏡10反射后，其光點(diǎn)較大，如果此掃描光線經(jīng)過微機(jī)電反射鏡10與感光鼓15的距離后，光點(diǎn)將更大，不符合實(shí)用解析度要求；本實(shí)用新型的單片式fθ鏡片進(jìn)一步可將微機(jī)電反射鏡10反射的掃描光線113a至掃描光線113b之間進(jìn)行聚焦于成像的感光鼓15上，形成較小的光點(diǎn)；再者，本實(shí)用新型的單片式fθ鏡片更可將成像在感光鼓15上的光點(diǎn)大小均勻化(限制于一符合解析度要求的范圍內(nèi))，以獲得最佳的解析度。
本實(shí)用新型的單片式fθ鏡片為新月形且凹面在微機(jī)電反射鏡側(cè)的鏡片所構(gòu)成，具有第一光學(xué)面及第二光學(xué)面，是將微機(jī)電反射鏡10反射的角度與時(shí)間非線性關(guān)系的掃描光線光點(diǎn)轉(zhuǎn)換成距離與時(shí)間為線性關(guān)系的掃描光線光點(diǎn)，并將掃描光線修正聚光于目標(biāo)物上；藉由所述單片式fθ鏡片13將微機(jī)電反射鏡10反射的掃描光線在感光鼓15上成像；其中，第一光學(xué)面與第二光學(xué)面在主掃描方向至少有一個(gè)為非球面所構(gòu)成的光學(xué)面；第一光學(xué)面與第二光學(xué)面在副掃描方向至少有一個(gè)為非球面所構(gòu)成的光學(xué)面。更進(jìn)一步的，在單片式fθ鏡片13構(gòu)成上，在光學(xué)效果上，本實(shí)用新型的單片式fθ鏡片，在主掃描方向進(jìn)一步滿足式(4)條件 或，在主掃描方向滿足式(5) 且在副掃描方向滿足式(6) 其中，fY為fθ鏡片13在主掃描方向的焦距，d3為θ＝0°fθ鏡片13目標(biāo)物側(cè)光學(xué)面至目標(biāo)物的距離，fs為單片式fθ鏡片13的焦距，Rix為第i光學(xué)面在X方向的曲率半徑；nd為fθ鏡片13的折射率(refractionindex)。
再者，本實(shí)用新型的單片式fθ鏡片所形成的光點(diǎn)均一性，可以最大光點(diǎn)與最小光點(diǎn)大小的比值δ表示，即滿足式(7) 更進(jìn)一步的，本實(shí)用新型的單片式fθ鏡片所形成的解析度，可以使用ηmax為微機(jī)電反射鏡10反射面上掃瞄光線的光點(diǎn)經(jīng)掃描在感光鼓15上最大光點(diǎn)的比值(Ratio of scanning light of maximum spot)與ηmin為微機(jī)電反射鏡10反射面上掃瞄光線的光點(diǎn)經(jīng)掃描在目標(biāo)物上最小光點(diǎn)的比值(Ratio of scanning light of minimum spot)為表示，即可滿足式(9)及(10)， 其中，Sa與Sb為感光鼓上掃瞄光線形成的任一個(gè)光點(diǎn)在主掃描方向及副掃描方向的長(zhǎng)度、δ為感光鼓15上最小光點(diǎn)與最大光點(diǎn)的比值；Sa0與Sb0為微機(jī)電反射鏡10反射面上掃瞄光線的光點(diǎn)在主掃描方向及副掃描方向的長(zhǎng)度。
為使本實(shí)用新型更加明確詳實(shí)，茲列舉較佳實(shí)施例并配合下列圖示，將本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)及其技術(shù)特征詳述如后 本實(shí)用新型以下所揭示的實(shí)施例，是針對(duì)本實(shí)用新型微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片的主要構(gòu)成元件而作說明，因此本實(shí)用新型以下所揭示的實(shí)施例雖然是應(yīng)用于一微機(jī)電激光掃描裝置中，但是就一般具有微機(jī)電激光掃描裝置而言，除了本實(shí)用新型所揭示的單片式fθ鏡片外，其他結(jié)構(gòu)則屬于一般通知的技術(shù)，因此一般在此領(lǐng)域中熟悉此項(xiàng)技藝的技術(shù)人員可以了解，本實(shí)用新型所揭示微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片的構(gòu)成元件并不限制于以下所揭示的實(shí)施例結(jié)構(gòu)，也就是所述微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片的各構(gòu)成元件可以進(jìn)行許多改變、修改、甚至等效變更，例如曲率半徑設(shè)計(jì)或面型設(shè)計(jì)、材質(zhì)選用、間距調(diào)整等，本實(shí)用新型并不限制。
<第一實(shí)施例> 本實(shí)施例的單片式fθ鏡片13為新月形且凹面在微機(jī)電反射鏡側(cè)的鏡片所構(gòu)成，在第一光學(xué)面為非球面，使用式(3)為非球面公式設(shè)計(jì)；在第二光學(xué)面為非球面，使用式(2)為非球面公式設(shè)計(jì)。其光學(xué)特性與非球面參數(shù)如下面的表一及表二所示。
表一、第一實(shí)施例的fθ光學(xué)特性
表二、第一實(shí)施例的光學(xué)面非球面參數(shù)
經(jīng)由此所構(gòu)成的單片式fθ鏡片13的光學(xué)面其光路圖如圖5所示，是本實(shí)用新型第一較佳實(shí)施例的光路圖。fX＝34.432、fY＝431.228可將掃描光線轉(zhuǎn)換成距離與時(shí)間為線性的掃描光線光點(diǎn)，并將微機(jī)電反射鏡10上光點(diǎn)Sa0＝13.616、Sb0＝3747.202掃描成為掃描光線，在感光鼓15上進(jìn)行聚焦，形成較小的光點(diǎn)，并滿足式(4)～式(10)的條件，如表三所示；光點(diǎn)大小自中心軸5至掃描視窗3的右側(cè)分布為光點(diǎn)6a(中心軸)、6b～6j(掃描視窗3最右側(cè))，如圖6所示，是本實(shí)用新型第一較佳實(shí)施例的光點(diǎn)示意圖。另外掃描視窗3的左側(cè)與右側(cè)為對(duì)稱相同。
表三、第一實(shí)施例滿足條件表
<第二實(shí)施例> 本實(shí)施例的單片式fθ鏡片13為新月形且凹面在微機(jī)電反射鏡側(cè)的鏡片所構(gòu)成，在第一光學(xué)面為非球面，使用式(3)為非球面公式設(shè)計(jì)；在第二光學(xué)面為非球面，使用式(2)為非球面公式設(shè)計(jì)。其光學(xué)特性與非球面參數(shù)如下面的表四及表五所示。
表四、第二實(shí)施例的fθ光學(xué)特性
表五、第二實(shí)施例的光學(xué)面非球面參數(shù)
經(jīng)由此所構(gòu)成的單片式fθ鏡片13的光學(xué)面其光路圖如圖7所示，是本實(shí)用新型第二較佳實(shí)施例的光路圖。fX＝34.406、fY＝413.661可以將掃描光線轉(zhuǎn)換成距離與時(shí)間為線性的掃描光線光點(diǎn)，并將微機(jī)電反射鏡10上光點(diǎn)Sa0＝13.64、Sb0＝3720.126掃描成為掃描光線，并在感光鼓15上進(jìn)行聚焦，形成較小的光點(diǎn)，并滿足(4)～式(10)的條件，如表三所示；光點(diǎn)大小自中心軸7至掃描視窗3的右側(cè)分布為光點(diǎn)8a(中心軸)、8b～8j(掃描視窗3最右側(cè))，如圖8所示，是本實(shí)用新型第二較佳實(shí)施例的光點(diǎn)示意圖。另外掃描視窗3的側(cè)與右側(cè)為對(duì)稱相同。
表六、第二實(shí)施例滿足條件表
<第三實(shí)施例> 本實(shí)施例的單片式fθ鏡片13為新月形且凹面在微機(jī)電反射鏡側(cè)的鏡片所構(gòu)成，在第一光學(xué)面為非球面，使用式(3)為非球面公式設(shè)計(jì)；在第二光學(xué)面為非球面，使用式(2)為非球面公式設(shè)計(jì)。其光學(xué)特性與非球面參數(shù)如小面的表七及表八所示。
表七、第三實(shí)施例的fθ光學(xué)特性
表八、第三實(shí)施例的光學(xué)面非球面參數(shù)
經(jīng)由此所構(gòu)成的單片式fθ鏡片13的光學(xué)面其光路圖如圖9所示，是本實(shí)用新型第三較佳實(shí)施例的光路圖。f(1)Y＝4831.254、f(2)Y＝-559.613可將掃描光線轉(zhuǎn)換成距離與時(shí)間為線性的掃描光線光點(diǎn)，并將微機(jī)電反射鏡10上光點(diǎn)Sa0＝14.488、Sb0＝2800.64掃描成為掃描光線，在感光鼓15上進(jìn)行聚焦，形成較小的光點(diǎn)，并滿足(4)～式(10)的條件，如表三所示；光點(diǎn)大小自中心軸9至掃描視窗3的右側(cè)分布為光點(diǎn)10a(中心軸)、10b～10j(掃描視窗3最右側(cè))，如圖10所示，是本實(shí)用新型第三較佳實(shí)施例的光點(diǎn)示意圖。另外掃描視窗3的左側(cè)與右側(cè)為對(duì)稱相同。
表九、第三實(shí)施例滿足條件表
<第四實(shí)施例> 本實(shí)施例的單片式fθ鏡片13為新月形且凹面在微機(jī)電反射鏡側(cè)的鏡片所構(gòu)成，在第一光學(xué)面為非球面，使用式(3)為非球面公式設(shè)計(jì)；在第二光學(xué)面為非球面，使用式(2)為非球面公式設(shè)計(jì)。其光學(xué)特性與非球面參數(shù)如下面的表十及表十一所示。
表十、第四實(shí)施例的fθ光學(xué)特性
表十一、第四實(shí)施例的光學(xué)面非球面參數(shù)
經(jīng)由此所構(gòu)成的單片式fθ鏡片13的光學(xué)面其光路圖如圖11所示，是本實(shí)用新型第四較佳實(shí)施例的光路圖。fX＝33.431、fY＝938.65可將掃描光線轉(zhuǎn)換成距離與時(shí)間為線性的掃描光線光點(diǎn)，并將微機(jī)電反射鏡10上光點(diǎn)Sa0＝11.288、Sb0＝3517.812掃描成為掃描光線，在感光鼓15上進(jìn)行聚焦，形成較小的光點(diǎn)，并滿足(4)～式(10)的條件，如表三所示；光點(diǎn)大小自中心軸11至掃描視窗3的右側(cè)分布為光點(diǎn)12a(中心軸)、12b～12j(掃描視窗3最右側(cè))，如圖12所示，是本實(shí)用新型第四較佳實(shí)施例的光點(diǎn)示意圖。另外掃描視窗3的左側(cè)與右側(cè)為對(duì)稱相同。
表十二、第四實(shí)施例滿足條件表
藉由上述實(shí)施例的說明，本實(shí)用新型至少可達(dá)到下列功效 1、藉由本實(shí)用新型的單片式fθ鏡片的設(shè)置，可將呈簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的微機(jī)電反射鏡在成像面上光點(diǎn)間距由原來(lái)隨時(shí)間增加而遞減或遞增的非等速率掃描現(xiàn)象，修正為等速率掃描，使激光光束在成像面的投射作等速率掃描，使成像于目標(biāo)物上形成的兩相鄰光點(diǎn)間距相等。
2、藉由本實(shí)用新型的單片式fθ鏡片的設(shè)置，可畸變修正在主掃描方向及副掃描方向掃描光線，使聚焦于成像的目標(biāo)物上的光點(diǎn)得以縮小。
3、藉由本實(shí)用新型的單片式fθ鏡片的設(shè)置，可畸變修正在主掃描方向及副掃描方向掃描光線，使成像在目標(biāo)物上的光點(diǎn)大小均勻化。
以上所述，僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，對(duì)本實(shí)用新型而言僅是說明性的，并非對(duì)本實(shí)用新型作任何形式上的限制，雖然本實(shí)用新型已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本實(shí)用新型，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片，適用于微機(jī)電激光掃描裝置，所述微機(jī)電激光掃描裝置至少包含一用以發(fā)射光束的光源、以共振左右擺動(dòng)將光源發(fā)射的光束反射成為掃描光線的微機(jī)電反射鏡、及一用以感光的目標(biāo)物；其特征在于所述的單片式fθ鏡片由一新月形且凹面在微機(jī)電反射鏡側(cè)的鏡片所構(gòu)成，所述鏡片具有一第一光學(xué)面及一第二光學(xué)面，可將所述微機(jī)電反射鏡反射的角度與時(shí)間非線性關(guān)系的掃描光線光點(diǎn)轉(zhuǎn)換成距離與時(shí)間為線性關(guān)系的掃描光線光點(diǎn)，并可將掃描光線修正聚光于所述目標(biāo)物上；藉由所述單片式fθ鏡片將所述微機(jī)電反射鏡反射的掃描光線在一主掃描方向及一副掃描方向於所述目標(biāo)物上成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片，其特征在于所述的主掃描方向進(jìn)一步滿足下列條件
其中，fY為所述單片式fθ鏡片在所述主掃描方向的焦距，d3為θ＝0°鏡片目標(biāo)物側(cè)光學(xué)面至所述目標(biāo)物的距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片，其特征在于所述的主掃描方向及所述的副掃描方向進(jìn)一步滿足下列條件
在所述主掃描方向滿足
且在所述副掃描方向滿足
其中，fY為所述單片式fθ鏡片在所述主掃描方向的焦距，fs為所述單片式fθ鏡片的焦距，Rix第i光學(xué)面在X方向的曲率半徑；nd為所述單片式fθ鏡片的折射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片，其特征在于所述目標(biāo)物上最大光點(diǎn)與最小光點(diǎn)大小的比值滿足
其中，Sa與Sb為所述目標(biāo)物上掃瞄光線形成的任一個(gè)光點(diǎn)在所述主掃描方向及所述副掃描方向的長(zhǎng)度，δ為所述目標(biāo)物上最小光點(diǎn)與最大光點(diǎn)的比值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片，其特征在于所述的目標(biāo)物上最大光點(diǎn)的比值與在所述目標(biāo)物上最小光點(diǎn)的比值分別滿足
其中，Sa0與Sb0為所述微機(jī)電反射鏡反射面上掃瞄光線的光點(diǎn)在所述主掃描方向及所述副掃描方向的長(zhǎng)度，Sa與Sb為所述目標(biāo)物上掃瞄光線形成的任一個(gè)光點(diǎn)在所述主掃描方向及所述副掃描方向的長(zhǎng)度，ηmax為所述微機(jī)電反射鏡反射面上掃瞄光線的光點(diǎn)經(jīng)掃描在所述目標(biāo)物上最大光點(diǎn)的比值，ηmin為所述微機(jī)電反射鏡反射面上掃瞄光線的光點(diǎn)經(jīng)掃描在所述目標(biāo)物上最小光點(diǎn)的比值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片，其特征在于所述的目標(biāo)物為一感光鼓。
專利摘要本實(shí)用新型是有關(guān)于一種微機(jī)電激光掃描裝置的單片式fθ鏡片，為新月形且凹面在微機(jī)電反射鏡側(cè)的鏡片所構(gòu)成，具有一第一光學(xué)面及一第二光學(xué)面，是將微機(jī)電反射鏡反射的角度與時(shí)間非線性關(guān)系的掃描關(guān)系的掃瞄光線光點(diǎn)轉(zhuǎn)換成距離與時(shí)間為線性的掃描光線光點(diǎn)，并同時(shí)將掃瞄光線修正聚光于目標(biāo)物上，滿足特定的光學(xué)條件，可以達(dá)成線性掃描效果與高解析度掃描的目的。
文檔編號(hào)G02B26/10GK201199286SQ20082000945
公開日2009年2月25日 申請(qǐng)日期2008年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月23日
發(fā)明者施柏源 申請(qǐng)人:一品光學(xué)工業(yè)股份有限公司