微機電雷射掃描裝置的二片式fθ鏡片的製作方法
2023-05-26 10:53:21
專利名稱：微機電雷射掃描裝置的二片式fθ鏡片的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種微機電雷射掃描裝置的二片式fθ鏡片，特別涉及一種用以修正呈簡諧性運動的微機電反射鏡而產生隨時間成正弦關係的角度變化量，以實現雷射掃描裝置所要求的線性掃描效果的二片式fθ鏡片。
背景技術：
目前雷射束印表機LBP(Laser Beam Print)所用的雷射掃描裝置LSU(Laser Scanning Unit)，是利用一高速旋轉的多面鏡(polygon mirror)以操控雷射束的掃描動作(laser beam scanning)，如美國專利US7079171、US6377293、US6295116，或如臺灣專利I198966所述。其原理如下簡述利用一半導體雷射發出雷射束(laser beam)，先經由一準直鏡(collimator)，再經由一光圈(aperture)而形成平行光束，而平行光束再經過一柱面鏡(cylindrical lens)後，在副掃描方向(sub scanning direction)的Y軸上的寬度能沿著主掃描方向(mainscanning direction)的X軸的平行方向平行聚焦而形成一線狀成像(line image)，再投射至一高速旋轉的多面鏡上，而多面鏡上均勻連續設置有多面反射鏡，其恰位於或接近於上述線狀成像(line image)的焦點位置。通過多面鏡控制雷射束的投射方向，當連續的多個反射鏡在高速旋轉時可將射至一反射鏡上的雷射束沿著主掃描方向(X軸)的平行方向以同一轉角速度(angular velocity)偏斜反射至一fθ線性掃描鏡片上，而fθ線性掃描鏡片設置於多面鏡旁側，可為單件式鏡片結構(single-element scanning lens)或為二件式鏡片結構。此fθ線性掃描鏡片的功能在於使經由多面鏡上的反射鏡反射而射入fθ鏡片的雷射束能聚焦成一橢圓型光點並投射在一光接收面(photoreceptor drum，即成像面)上，並實現線性掃描(scanning linearity)的要求。然而，現有技術的雷射掃描裝置LSU在使用上會有下列問題 (1)旋轉式多面鏡的製作難度高且價格不低，相對增加LSU的製作成本。
(2)多面鏡須具高速旋轉(如40000轉/分)功能，精密度要求又高，以致一般多面鏡上反射面的鏡面Y軸寬度極薄，使現有技術的LSU中均需增設一柱面鏡(cylindrical lens)以使雷射束經過柱面鏡能聚焦成一線(Y軸上成一點)而再投射在多面鏡的反射鏡上，以致增加構件成本及組裝作業流程。
(3)現有技術的多面鏡須高速旋轉(如40000轉/分)，致旋轉噪音相對提高，且多面鏡從啟動至工作轉速須耗費較長時間，增加開機後之等待時間。
(4)現有技術的LSU的組裝結構中，投射至多面鏡反射鏡的雷射束中心軸並非正對多面鏡的中心轉軸，以致在設計相配合的fθ鏡片時，需同時考慮多面鏡的離軸偏差(off axis deviation)問題，相對增加fθ鏡片的設計及製作上麻煩。
近年以來，為了改善現有技術的LSU組裝結構之問題，目前市面上開發出一種擺動式(oscillatory)的微機電反射鏡(MEMS mirror)，用以取代現有技術的多面鏡來操控雷射束掃描。微機電反射鏡為轉矩振蕩器(torsion oscillators)，其表層上附有反光層，可通過振蕩擺動反光層，將光線反射而掃描，未來將可應用於影像系統(imaging system)、掃描儀(scanner)或雷射印表機(laserprinter)的雷射掃描裝置(laser scanning unit，簡稱LSU)，其掃描效率(Scanningefficiency)將可高於傳統的旋轉多面鏡。如美國專利US6,844,951、US6,956,597(產生至少一驅動信號，其驅動頻率趨近多個微機電反射鏡的共振頻率，並以一驅動訊號驅動微機電反射鏡以產生一掃描路徑)、US7,064,876、US7,184,187、US7,190,499、US2006/0113393；或如臺灣專利TW M253133，在一LSU模塊結構中準直鏡及fθ鏡片之間，利用一微機電反射鏡取代現有技術的旋轉式多面鏡，由此控制雷射束之投射方向；或如日本專利JP2006-201350等。此微機電反射鏡具有組件小，轉動速度快，製造成本低的優點。然而由於微機電反射鏡，在接收一電壓驅動後，將作一簡諧運動(harmonicmotion)，且此簡諧運動的方式為時間與角速度呈正弦關係，而投射於微機電反射鏡，其經反射後的反射角度θ與時間t的關係為 θ(t)＝θs·sin(2π·f·t)(1) 其中f為微機電反射鏡的掃描頻率；θs為雷射束經微機電反射鏡後單邊最大的掃描角度。
因此，在相同的時間間隔下Δt，所對應的反射角度系與時間成正弦函數(Sinusoidal)變化，即在相同時間間隔Δt時，反射角度變化為Δθ(t)＝θs·(sin(2π·f·t1)-sin(2π·f·t2))，而與時間呈非線性關係，亦即當此反射的光線以不同角度投射在目標物時在相同時間間隔內所產生的光點距離間隔並不相同而可能隨時間遞增或遞減。
舉例而言，當微機電反射鏡的擺動角度位於正弦波之波峰及波谷時，角度變化量將隨時間遞增或遞減，與現有技術的多面鏡成等角速度轉動的運動方式不同，若在具有微機電反射鏡的雷射掃描裝置(LSU)上使用現有技術的fθ鏡片，將無法修正微機電反射鏡所產生的角度變化量，造成投射在成像面上的雷射光速將產生非等速率掃描現象而產生位於成像面上的成像偏差。因此，對於微機電反射鏡所構成的雷射掃描裝置，簡稱為微機電雷射掃描裝置(MEMS LSU)，其特性為雷射光線經由微機電反射鏡掃描後，形成等時間間隔不等角度的掃描光線，因此發展可使用於微機電雷射掃描裝置的fθ鏡片以修正掃描光線，使可在目標物上正確成像，將為迫切所需。
實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種微機電雷射掃描裝置的二片式fθ鏡片，該二片式fθ鏡片由微機電反射鏡依序起算，由一雙凸形發第一鏡片及一雙凹形發第二鏡片所構成，可將微機電反射鏡所反射的掃描光線於目標物上正確成像，從而實現雷射掃描裝置所要求的線性掃描效果。
本實用新型的另一目的在於提供一種微機電雷射掃描裝置的二片式fθ鏡片，用以縮小投射在目標物上光點(spot)的面積，從而實現提高解析度之效果。
本實用新型的再一目的在於提供一種微機電雷射掃描裝置的二片式fθ鏡片，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，使成像於感光鼓的光點變形成類橢圓形的問題，並使每一成像光點大小得以均勻化，從而實現提升解析度質量(resolution quality)的效果。
因此，本實用新型的微機電雷射掃描裝置的二片式fθ鏡片，適用於至少包含一將發射雷射束的光源以共振左右擺動將光源發射之雷射束反射成為掃描光線的微機電反射鏡，以在目標物上成像；對於雷射印表機而言，此目標物常為感光鼓(drum)，即，待成像的光點經由光源發出雷射束，經由微機電反射鏡左右掃描，微機電反射鏡反射雷射束形成掃描光線，掃描光線經由本實用新型的二片式fθ鏡片修正角度與位置後，在感光鼓上形成光點(spot)，由於感光鼓塗有光敏劑，可感應碳粉使其聚集於紙上，如此可將數據列印出來。
本實用新型的二片式fθ鏡片包含由微機電反射鏡依序起算之一第一鏡片及一第二鏡片，其中第一鏡片具有一第一光學面及一第二光學面，第一光學面與第二光學面在主掃描方向至少有一個光學面為非球面所構成，主要將呈簡諧運動的微機電反射鏡，在成像面上光點間距由原來隨時間增加而遞減或遞增的非等速率掃描現象，修正為等速率掃描，使雷射束在成像面的投射作等速率掃描。第二鏡片具有一第三光學面及一第四光學面，第三光學面與第四光學面在主掃描方向至少有一個光學面為非球面所構成，主要用以均勻化掃描光線在主掃描方向及副掃描方向因偏移光軸而造成於感光鼓上形成成像偏差，並將第一鏡片的掃描光線修正聚光於目標物上。
本實用新型至少可達下列效果 (1)通過本實用新型的二片式fθ鏡片的設置，可將呈簡諧運動的微機電反射鏡在成像面上光點間距由原來隨時間增加而遞減或遞增的非等速率掃描現象，修正為等速率掃描，使雷射束在成像面的投射作等速率掃描，使成像於目標物上形成的兩相鄰光點的間距相等。
(2)通過本實用新型的二片式fθ鏡片的設置，可對在主掃描方向及副掃描方向掃描光線進行畸變修正，使聚焦於成像的目標物上的光點得以縮小。
(3)通過本實用新型的二片式fθ鏡片的設置，可對在主掃描方向及副掃描方向掃描光線進行畸變修正，使成像在目標物上的光點大小均勻化。
圖1是本實用新型的二片式fθ鏡片的光學路徑的示意圖； 圖2是一微機電反射鏡掃描角度θ與時間t的關係圖； 圖3是通過第一鏡片及第二鏡片的掃描光線的光學路徑圖及符號說明圖； 圖4是掃描光線投射在感光鼓上後，光點面積隨投射位置的不同而變化的示意圖； 圖5是光束之高斯分布與光強度的關係圖； 圖6是本實用新型的通過第一鏡片及第二鏡片之掃描光線的實施例的光學路徑圖； 圖7是第一實施例的光點示意圖； 圖8是第二實施例的光點示意圖； 圖9是第三實施例的光點示意圖；以及 圖10是第四實施例的光點示意圖。
主要組件符號說明 10微機電反射鏡； 11雷射光源； 111光束； 113a、113b、113c、114a、114b、115a、115b掃描光線； 131第一鏡片； 132第二鏡片； 14a、14b光電傳感器； 15感光鼓； 16柱面鏡； 2、2a、2b、2c光點；以及 3有效掃描窗口 具體實施方式
參照圖1，圖1是本實用新型的微機電雷射掃描裝置的二片式fθ鏡片的光學路徑的示意圖。本實用新型的微機電雷射掃描裝置的二片式fθ鏡片包含具有第一光學面131a和第二光學面131b的第一鏡片131，以及具有第三光學面132a和第四光學面132b的第二鏡片132，適用於微機電雷射掃描裝置。圖中，微機電雷射掃描裝置主要包含一雷射光源11、一微機電反射鏡10、一柱面鏡16、兩個光電傳感器14a、14b，及一用以感光的目標物。在圖中，目標物使用感光鼓(drum)15來實施。雷射光源11所產生的光束111通過柱面鏡16後，投射到微機電反射鏡10上。而微機電反射鏡10以共振左右擺動的方式，將光束111反射成掃描光線113a、113b、113c、114a、114b、115a、115b。其中掃描光線113a、113b、113c、114a、114b、115a、115b在X方向的投影稱之為副掃描方向(sub scanning direction)，在Y方向的投影稱之為主掃描方向(main scanning direction)，而微機電反射鏡10掃描角度為θc。
參照圖1及圖2，其中圖2是微機電反射鏡掃描角度θ與時間t的關係圖。由於微機電反射鏡10呈簡諧運動，其運動角度隨時間呈正弦變化，因此掃描光線的射出角度與時間為非線性關係。如圖示中的波峰a-a』及波谷b-b』，其擺動角度明顯小于波段a-b及a』-b』，而此角速度不均等的現象容易造成掃描光線在感光鼓15上產生成像偏差。因此，光電傳感器14a、14b設置於微機電反射鏡10最大掃描角度±θc之內，其夾角為±θp，雷射束由圖2的波峰處開始被微機電反射鏡10所反射，此時相當於圖1的掃描光線115a；當光電傳感器14a偵測到掃描光束的時候，表示微機電反射鏡10擺動到+θp角度，此時相當於圖1的掃描光線114a；當微機電反射鏡10掃描角度變化如圖2的a點時，此時相當於掃描光線113b位置；此時雷射光源11將被驅動而發出雷射束111，而掃描至圖2的b點時，此時相當於掃描光線113c位置為止(相當於在±θn角度內由雷射光源11發出雷射束111)；當微機電反射鏡10產生反向振動時，如在波段a』-b』時由雷射光源11被驅動而開始發出雷射束111；如此完成一個周期。
參照圖1及圖3，其中圖3是通過第一鏡片及第二鏡片的掃描光線的光學路徑圖。其中，±θn為有效掃描角度，當微機電反射鏡10的轉動角度進入±θn時，雷射光源11開始發出雷射束111，經由微機電反射鏡10反射為掃描光線，當掃描光線通過第一鏡片131時受第一鏡片131的第一光學面131a與第二光學面131b折射，將微機電反射鏡10所反射的距離與時間成非線性關係的掃描光線轉換成距離與時間為線性關係的掃描光線。當掃描光線通過第一鏡片131與第二鏡片132後，通過第一光學面131a、第二光學面131b、第三光學面132a、第四光學面132b的光學性質，將掃描光線聚焦在感光鼓15上，而在感光鼓15上形成一列的光點(Spot)2。在感光鼓15上，兩個最遠光點2的間距稱為有效掃描窗口3。其中，d1為微機電反射鏡10至第一光學面131a的間距、d2為第一光學面131a至第二光學面131b的間距、d3為第二光學面131b至第三光學面132a的間距、d4為第三光學面132a至第四光學面132b的間距、d5為第四光學面132b至感光鼓15的間距、R1為第一光學面131a的曲率半徑(Curvature)、R2為第二光學面131b的曲率半徑、R3為第三光學面132a的曲率半徑及R4為第四光學面132b的曲率半徑。
參照圖4，圖4是掃描光線投射在感光鼓上後，光點面積(spot area)隨投射位置的不同而變化之示意圖。當掃描光線113a沿光軸方向透過第一鏡片131及第二鏡片132後投射在感光鼓15時，因為入射於第一鏡片131及第二鏡片132的角度為零，所以在主掃描方向所產生的偏移率是零，因此成像於感光鼓15上的光點2a為一類圓形。當掃描光線113b及113c透過第一鏡片131及第二鏡片132後而投射在感光鼓15時，因為入射於第一鏡片131及第二鏡片132與光軸所形成的夾角不為零，所以在主掃描方向所產生的偏移率不為零，而造成在主掃描方向的投影長度比掃描光線113a所形成的光點大；此情形在副掃描方向也相同，偏離掃描光線113a的掃描光線所形成的光點也將比較大；所以成像於感光鼓15上的光點2b、2c為一類橢圓形，且2b、2c的面積大於2a。其中，Sa0與Sb0是微機電反射鏡10反射面上掃描光線的光點在主掃描方向(Y方向)及副掃描方向(X方向)的長度、Ga與Gb是掃描光線之高斯光束(Gaussian Beams)於光強度為13.5％處在Y方向及X方向的光束半徑，如圖5所示，圖5中僅顯示Y方向的光束半徑的說明。
綜上所述，本實用新型的二片式fθ鏡片可將微機電反射鏡10反射的掃描光線，即，將高斯光束的掃描光線進行畸變(distortion)修正，並將時間-角速度的關係轉成時間-距離的關係。掃描光線在主掃描方向(Y方向)與副掃描方向(X方向)的光束被放大，在成像面上產生光點，以提供符合需求的解析度。
為實現上述效果，本實用新型的二片式fθ鏡片在第一鏡片131的第一光學面131a或第二光學面132a及第二鏡片132的第三光學面132a或第四光學面132b，在主掃描方向或副掃描方向，可使用球面曲面或非球面曲面設計，如果使用非球面曲面設計，則非球面曲面是下面的曲面方程式 1橫像曲面方程式(Anamorphic equation) 其中，Z為鏡片上任一點以光軸方向至原點切平面的距離(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方向的圓錐係數(Conic coefficient)；AR、BR、CR與DR分別為旋轉對稱(rotationallysymmetric portion)的四次、六次、八次與十次冪的圓錐變形係數(deformationfrom the conic)；AP、BP、CP與DP分別為非旋轉對稱(non-rotationallysymmetric components)的四次、六次、八次、十次冪的圓錐變形係數(deformation foom the conic)；當Cx＝Cy，Kx＝Ky且AP＝Bp＝Cp＝Dp＝0時，簡化為單一非球面。
2環像曲面方程式(Toric equation) 其中，Z為鏡片上任一點以光軸方向至原點切平面的距離(SAG)；Cy與Cx分別Y方向與X方向的曲率(curvature)；Ky為Y方向之圓錐係數(Coniccoefficient)；B4、B6、B8與B10為四次、六次、八次、十次冪的圓錐變形係數(4th～10th order coefficients)(deformation from the conic)；當Cx＝Cy且Ky＝AP＝Bp＝Cp＝Dp＝0時，簡化為單一球面。
為了能使掃描光線在目標物上的成像面上維持等掃描速度，舉例而言，在兩個相同的時間間隔內，維持兩個光點的間距相等；本實用新型的二片式fθ鏡片可將掃描光線113a至掃描光線113b之間的光線通過第一鏡片131及第二鏡片132進行掃描光線出射角的修正，使相同的時間間隔的兩掃描光線，經出射角度修正後，在成像的感光鼓15上形成的兩個光點的距離相等。更進一步，當雷射束111經由微機電反射鏡10反射後，其高斯光束半徑Ga與Gb較大，如果此掃描光線經過微機電反射鏡10與感光鼓15的距離後，高斯光束半徑Ga與Gb將更大，不符合實用解析度要求；本實用新型的二片式fθ鏡片進一步可將微機電反射鏡10反射的掃描光線113a至掃描光線113b之間的光線形成Ga與Gb較小的高斯光束，然後進行聚焦而在成像的感光鼓15上產生較小的光點；再者，本實用新型的二片式fθ鏡片更可將成像在感光鼓15上的光點大小均勻化(限制於一符合解析度要求的範圍內)，以得最佳的解析度效果。
本實用新型的二片式fθ鏡片包含，由微機電反射鏡10依序起算，為第一鏡片131及第二鏡片132，均為雙凸形的鏡片所構成，其中第一鏡片131具有第一光學面131a及第二光學面131b，將微機電反射鏡10反射的角度與時間成非線性關係的掃描光線光點轉換成距離與時間為線性關係的掃描光線光點；其中，第二鏡片132具有第三光學面132a及第四光學面132b，將第一鏡片131的掃描光線修正聚光於目標物上；通過該二片式fθ鏡片將微機電反射鏡10反射的掃描光線於感光鼓15上成像；其中，第一光學面131a、第二光學面131b、第三光學面132a及第四光學面132b在主掃描方向至少有一個為非球面所構成的光學面，第一光學面131a、第二光學面131b、第三光學面132a及第四光學面132b在副掃描方向可至少有一個為非球面所構成的光學面或在副掃描方向均使用球面所構成的光學面。更進一步，在第一鏡片131及第二鏡片132構成上，在光學效果上，本實用新型的二片式fθ鏡片，在主掃描方向進一步滿足式(4)～式(5)條件 或在主掃描方向滿足式(6) 且在副掃描方向滿足式(7) 其中，f(1)Y為第一鏡片131在主掃描方向的焦距，f(2)Y為第二鏡片132在主掃描方向的焦距，d3為θ＝0°時第一鏡片131目標物側光學面至第二鏡片132微機電反射鏡10側光學面的距離，d4為θ＝0°時第二鏡片132厚度，d5為θ＝0°時第二鏡片132目標物側光學面至目標物的距離，fsx為二片式fθ鏡片在副掃描方向的複合焦距(combination focal length)，fsY為二片式fθ鏡片在主掃描方向的複合焦距，Rix為第i光學面在副掃描方向的曲率半徑；Riy為第i光學面在主掃描方向的曲率半徑；nd1與nd2為第一鏡片131與第二鏡片132的折射率(refraction index)。
再者，本實用新型的二片式fθ鏡片所形成的光點均一性，可以由掃描光線在感光鼓15上的光束大小的最大值與最小值的比值δ表示，即滿足式(8) 更進一步，本實用新型的二片式fθ鏡片所形成的解析度，可使用ηmax為微機電反射鏡10反射面上掃描光線的光點經掃描在感光鼓15上光點最大值的比值與ηmin為微機電反射鏡10反射面上掃描光線的光點經掃描在感光鼓15上光點最小值的比值來表示，即可滿足式(9)及(10)， 其中，Sa與Sb為感光鼓15上掃描光線形成的任一個光點在Y方向及X方向的長度，δ為感光鼓15上最小光點與最大光點的比值，η為微機電反射鏡10反射面上掃描光線的光點與感光鼓15上光點的比值；Sa0與Sb0為微機電反射鏡10反射面上掃描光線的光點在主掃描方向及副掃描方向的長度。
為使本實用新型更加明確詳實，列舉優選實施例並配合下列圖示，將本實用新型的結構及其技術特徵詳述如下 本實用新型以下所揭示的實施例，是針對本實用新型的微機電雷射掃描裝置的二片式fθ鏡片的主要構成組件而作說明，因此本實用新型以下所揭示的實施例雖是應用於一微機電雷射掃描裝置中，但就一般具有微機電雷射掃描裝置而言，除了本實用新型所揭示的二片式fθ鏡片外，其它結構屬於公知技術，因此本領域技術人員應了解，本實用新型所揭示的微機電雷射掃描裝置的二片式fθ鏡片的構成組件並不限於以下所揭示的實施例結構，也就是該微機電雷射掃描裝置的二片式fθ鏡片的各構成組件是可以進行許多改變、修改、甚至等效變更的，例如第一鏡片131及第二鏡片132的曲率半徑設計或面型設計、材質選用、間距調整等並不被限制。
參閱圖3及圖6，其中圖6是本實用新型通過第一鏡片及第二鏡片的掃描光線的實施例的光學路徑圖。本實施例的二片式fθ鏡片的第一鏡片131及一第二鏡片132，其中第一鏡片131a為雙凸形的鏡片，其中第二鏡片132為一雙凹形鏡片所構成，第一鏡片131的第一光學面131a與第二光學面131b、第二鏡片132的第三光學面132a與第四光學面132b均為非球面，使用式(2)為非球面公式設計。其光學特性與非球面參數如表一及表二。
表一、第一實施例的fθ光學特性 表二、第一實施例之光學面非球面參數
經由此所構成的二片式fθ鏡片，f(1)Y＝67.05，f(2)Y＝-93.76，fsX＝32.257，fsY＝147(mm)，可將掃描光線轉換成距離與時間為線性的掃描光線光點，並將微機電反射鏡10上光點Sa0＝19.434(μm)、Sb0＝3972.24(μm)掃描成為掃描光線，在感光鼓15上進行聚焦，形成較小的光點6，並滿足式(4)～式(10)的條件，如表三；感光鼓上以中心軸Z軸在Y方向距離中心軸Y距離(mm)的光點的高斯光束直徑(μm)，如表四；且本實施例的光點分布圖如圖7所示。圖中，單位圓直徑為0.05mm。
表三、第一實施例滿足條件表
表四、第一實施例感光鼓上光點高斯光束直徑的最大值 本實施例的二片式fθ鏡片的第一鏡片131及一第二鏡片132，其中第一鏡片131為雙凸形的鏡片，其中第二鏡片132為一雙凹形鏡片所構成，第一鏡片131的第一光學面131a與第二光學面131b、第二鏡片132的第三光學面132a、第二鏡片132的第四光學面132b均為非球面，使用式(2)為非球面公式設計。其光學特性與非球面參數如表五及表六。
表五、第二實施例的fθ光學特性 表六、第二實施例之光學面非球面參數
經由此所構成的二片式fθ鏡片，f(1)Y＝60.299，f(2)Y＝-80.169，fsX＝27.399，fsY＝145.725(mm)，可將掃描光線轉換成距離與時間為線性的掃描光線光點，並將微機電反射鏡10上光點Sa0＝19.434(μm)、Sb0＝3972.24(μm)掃描成為掃描光線，在感光鼓15上進行聚焦，形成較小的光點8，並滿足(4)～式(10)之條件，如表七；感光鼓15上以中心軸Z軸在Y方向距離中心軸Y距離(mm)的光點的高斯光束直徑(μm)，如表八；且本實施例之光點分布圖如圖8所示。圖中，單位圓直徑為0.05mm。
表七、第二實施例滿足條件表
表八、第二實施例感光鼓上光點高斯光束直徑的最大值 本實施例的二片式fθ鏡片的第一鏡片131及一第二鏡片132，其中第一鏡片131為雙凸形的鏡片，其中第二鏡片132為一雙凹形鏡片所構成，第一鏡片131的第一光學面131a與第二光學面131b、第二鏡片132的第三光學面132a、第二鏡片132的第四光學面132b均為非球面，使用式(2)為非球面公式設計。其光學特性與非球面參數如表九及表十。
表九、第三實施例之fθ光學特性 表十、第三實施例之光學面非球面參數
經由此所構成的二片式fθ鏡片，f(1)Y＝66.828，f(2)Y＝-93.029，fsX＝31.634，fsY＝146.296(mm)，可將掃描光線轉換成距離與時間為線性的掃描光線光點，並將微機電反射鏡10上光點Sa0＝19.434(μm)、Sb0＝3972.24(μm)掃描成為掃描光線，在感光鼓15上進行聚焦，形成較小的光點10，並滿足(4)～式(10)之條件，如表十一；感光鼓上以中心軸Z軸在Y方向距離中心軸Y距離(mm)的光點的高斯光束直徑(μm)，如表十二；本實施例之光點分布圖如圖9所示。圖中，單位圓直徑為0.05mm。
表十一、第三實施例滿足條件表
表十二、第三實施例感光鼓上光點高斯光束直徑的最大值 本實施例的二片式fθ鏡片的第一鏡片131及一第二鏡片132，其中第一鏡片131為雙凸形的鏡片，其中第二鏡片132為一雙凹形鏡片所構成，第一鏡片131的第一光學面131a與第二光學面131b、第二鏡片132的第三光學面132a為非球面，使用式(2)為非球面公式設計；在第二鏡片132第四光學面132b使用式(3)為非球面公式設計。其光學特性與非球面參數如表十三及表十四。
表十三、第四實施例之fθ光學特性 表十四、第四實施例之光學面非球面參數
經由此所構成的二片式fθ鏡片，f(1)Y＝67.743，f(2)Y＝-94.854，fsX＝32.864，fsY＝147.91(mm)，可將掃描光線轉換成距離與時間為線性的掃描光線光點，並將微機電反射鏡10上光點Sa0＝19.434(μm)、Sb0＝3972.24(μm)掃描成為掃描光線，在感光鼓15上進行聚焦，形成較小的光點12，並滿足(4)～式(10)之條件，如表十五；感光鼓上以中心軸Z軸在Y方向距離中心軸Y距離(mm)的光點之高斯光束直徑(μm)，如表十六；且本實施例之光點分布圖如圖10所示。圖中，單位圓直徑為0.05mm。
表十五、第四實施例滿足條件表
表十六、第四實施例感光鼓上光點高斯光束直徑的最大值 通過上述的實施例說明，本實用新型至少可達下列效果 (1)通過本實用新型的二片式fθ鏡片的設置，可將呈簡諧運動的微機電反射鏡在成像面上光點間距由原來隨時間增加而遞減或遞增的非等速率掃描現象，修正為等速率掃描，使雷射束在成像面的投射作等速率掃描，使成像於目標物上形成的兩相鄰光點的間距相等。
(2)通過本實用新型的二片式fθ鏡片的設置，可對在主掃描方向及副掃描方向掃描光線進行畸變修正，使聚焦於成像的目標物上的光點得以縮小。
(3)通過本實用新型的二片式fθ鏡片的設置，可對在主掃描方向及副掃描方向掃描光線進行畸變修正，使成像在目標物上的光點大小均勻化。
以上所述僅為本實用新型的優選實施例，對本實用新型而言僅是說明性的，而非限制性的；本領域技術人員應理解，在本實用新型權利要求所限定的精神和範圍內可對其進行許多改變，修改，甚至等效變更，但都將落入本實用新型的保護範圍內。
權利要求1、一種微機電雷射掃描裝置的二片式fθ鏡片，其適用於一微機電雷射掃描裝置，該微機電雷射掃描裝置至少包含一用以發射光束的光源、一用以共振左右擺動將光源發射的光束反射成為掃描光線的微機電反射鏡、及一用以感光的目標物；其特徵在於該二片式fθ鏡片包含，由該微機電反射鏡依序起算，由一雙凸形的第一鏡片及一雙凹形的第二鏡片所構成，其中該第一鏡片具有一第一光學面及一第二光學面，該第一光學面與該第二光學面在主掃描方向至少有一個光學面為非球面所構成，將該微機電反射鏡反射的角度與時間非線性關係的掃描光線光點轉換成距離與時間為線性關係的掃描光線光點；其中該第二鏡片具有一第三光學面及一第四光學面，該第三光學面與該第四光學面在主掃描方向至少有一個光學面為非球面所構成，將該第一鏡片的掃描光線修正聚光於該目標物上；通過該二片式fθ鏡片將該微機電反射鏡反射的掃描光線在該目標物上成像。
2、如權利要求1所述的微機電雷射掃描裝置的二片式fθ鏡片，其特徵在於在主掃描方向進一步滿足下列條件
其中，f(1)Y為該第一鏡片在主掃描方向的焦距，f(2)Y為該第二鏡片在主掃描方向的焦距，d3為θ＝0°時該第一鏡片目標物側光學面至該第二鏡片微機電反射鏡側光學面的距離，d4為該第二鏡片厚度，d5為θ＝0°時該第二鏡片目標物側光學面至該目標物的距離。
3、如權利要求1所述的微機電雷射掃描裝置的二片式fθ鏡片，其特徵在於進一步滿足下列條件
在主掃描方向滿足
在副掃描方向滿足
其中，f(1)Y與f(2)Y分別為該第一鏡片及該第二鏡片在主掃描方向的焦距，fsX為二片式fθ鏡片在副掃描方向的複合焦距，fsY為二片式fθ鏡片在主掃描方向的複合焦距，Rix為第i光學面在副掃描方向的曲率半徑，nd1與nd2分別為該第一鏡片與該第二鏡片的折射率。
4、如權利要求1所述的微機電雷射掃描裝置的二片式fθ鏡片，其特徵在於該目標物上最大光點與最小光點大小的比值滿足
其中，Sa與Sb分別為該目標物上掃描光線形成的任一個光點在主掃描方向及副掃描方向的長度，δ為該目標物上最小光點與最大光點的比值。
5、如權利要求1所述的微機電雷射掃描裝置的二片式fθ鏡片，其特徵在於該目標物上最大光點的比值與在該目標物上最小光點的比值分別滿足
其中，Sa0與Sb0分別為該微機電反射鏡反射面上掃描光線的光點在主掃描方向及副掃描方向的長度，Sa與Sb分別為該目標物上掃描光線形成的任一個光點在主掃描方向及副掃描方向的長度，ηmax為該微機電反射鏡反射面上掃描光線的光點經掃描在該目標物上最大光點的比值，ηmin為該微機電反射鏡反射面上掃描光線的光點經掃描在該目標物上最小光點的比值。
專利摘要一種微機電雷射掃描裝置的二片式fθ鏡片，第一鏡片為一雙凸形鏡片及第二鏡片為一雙凹形鏡片所構成，其中第一鏡片具有二個光學面，在主掃描方向至少有一個光學面為非球面所構成，第二鏡片具有二個光學面，在主掃描方向至少有一個光學面為非球面所構成，主要將微機電反射鏡反射的角度與時間為非線性關係的掃描光線光點轉換成距離與時間為線性的掃描光線光點，並修正聚光於目標物上，且第一鏡片及第二鏡片均滿足特定的光學條件，通過第一鏡片及第二鏡片的設置，可達成線性掃描效果與高解析度掃描的目的。
文檔編號H04N1/04GK201293873SQ20082020788
公開日2009年8月19日 申請日期2008年8月15日 優先權日2008年8月15日
發明者施柏源 申請人:一品光學工業股份有限公司