專利名稱：短聚光距二片式fθ鏡片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光掃描裝置的短聚光距二片式f θ鏡片，尤其涉及一種用于旋 轉(zhuǎn)多面鏡(Polygon mirror)的激光掃描裝置(Laser scanning unit)，具有短聚光距以縮 小激光掃描裝置體積的二片式fθ鏡片。
背景技術(shù)：
目前激光打印機(jī)(LBP =Laser Beam Print)所使用的激光掃描裝置(LSU =Laser Scanning Unit)，利用高速旋轉(zhuǎn)的多面鏡(polygon mirror)以操控激光束的掃描動作 (laser beam scanning)，如美國專利 US7, 079，171、US6, 377，293、US6, 295，116，或如中國 臺灣專利1198966所述。其原理如下簡述利用半導(dǎo)體激光器發(fā)出激光束(laser beam)，先 經(jīng)由準(zhǔn)直鏡(collimator)，再經(jīng)由光圈(aperture)而形成平行光束，而平行光束再經(jīng)過柱 面鏡(cylindrical lens)之后，能在副掃描方向(sub scanning direction)的X軸上的 寬度能沿著主掃描方向(main scanning direction)的Y軸的平行方向平行聚焦而形成線 狀圖像(Iineimage)，再投射至高速旋轉(zhuǎn)多面鏡(polygon mirror)上，而旋轉(zhuǎn)多面鏡上均 勻連續(xù)設(shè)置有多面反射鏡(reflection mirror)，其恰好位于或接近于上述線狀圖像(line image)的焦點(diǎn)位置。通過旋轉(zhuǎn)多面鏡控制激光束的投射方向，當(dāng)旋轉(zhuǎn)多面鏡上連續(xù)排列的 多個反射鏡在高速旋轉(zhuǎn)時可將射至其中之一反射鏡上的激光束沿著主掃描方向(Y軸)的 平行方向以同一轉(zhuǎn)角速度(angular velocity)偏斜反射至f θ線性掃描鏡片上，而 線性掃描鏡片設(shè)置于旋轉(zhuǎn)多面鏡旁側(cè)，可為單件式鏡片結(jié)構(gòu)(single-element scanning lens)或?yàn)槎界R片結(jié)構(gòu)。此fe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鏡片的激光束能聚焦成圓形(或橢圓型)光點(diǎn)并投射在光接收面(感光鼓 photoreceptor drum，即成像面)上，并達(dá)到線性掃描(scanning linearity)的要求,如美 國專利US4, 707，085、US6，757，088 ；日本專利JP2004-294713等。然而，現(xiàn)有的f θ線性掃 描鏡片存在有下列問題(1)、由于旋轉(zhuǎn)多面鏡反射激光束時，投射至旋轉(zhuǎn)多面鏡反射鏡上的激光束中心軸 并非正對旋轉(zhuǎn)多面鏡的中心轉(zhuǎn)軸，以致在設(shè)計(jì)f θ線性掃描鏡片時，需同時考慮旋轉(zhuǎn)多面 鏡的離軸偏差(reflection deviation)問題；在現(xiàn)有技術(shù)中使用以副掃描方向的光學(xué)補(bǔ) 正來修正主掃描方向的光學(xué)補(bǔ)正的方法，如美國專利US5，111，219、US5，136，418、日本專利 JP2756125等。但為使離軸偏差可以經(jīng)由副掃描方向適當(dāng)修正，則需要較長的焦距，此亦增 加激光掃描裝置的體積。(2)、為使€9線性掃描鏡片的掃描光線在感光鼓上的光點(diǎn)的直徑能符合使用 規(guī)范要求，在現(xiàn)有技術(shù)中，常使用較長的焦距使成像質(zhì)量較佳，甚至使用反射鏡延伸成像 的距離，如美國專利US2002/0063939 ；或使用三件式鏡片如美國專利US2002/0030158、 US5, 086，350、日本專利JP63-172217 ；或使用制作困難的繞射鏡片(diffraction lens)， 如美國專利US2001/0009470、US5，838，480等；或使用具有反曲點(diǎn)(inflection point)的 二件式鏡片，如美國專利US5，111，219、US7, 057 781、US6, 919, 993 ；或使用具單件式鏡片，如日本專利JP04-50908。(3)、對于小型打印機(jī)的使用而言，為縮小激光掃描裝置LSU的體積，方法之一為 縮短感光鼓上的成像距離，如美國專利US7，130，096等，以限制有效掃描距離(effective scanning range)與成像光學(xué)距離(optical length)的比值的方法縮短感光鼓上的成像距 離并消除鬼影現(xiàn)象(ghost image)；美國專利US6，324，015使用限制旋轉(zhuǎn)多面鏡至感光鼓 的距離(稱聚光距，F(xiàn)ocal Distance)與f θ鏡片的焦距比值(d/f)，以縮短其距離，但以焦 距為IOOmm為例，聚光距約為200mm ；美國專利US6，933，961揭露限制最末光點(diǎn)(end ofthe scanning line)至f θ鏡片光學(xué)面距離，但其最大掃描角度約為27. 6度，尚不足以有效縮 小聚光距。為滿足消費(fèi)者對激光掃描裝置輕薄短小的需求，對于短聚光距(如對于Α4的激光 打印機(jī)，聚光距小于150mm)且在主掃描與副掃描方向可有效修正光學(xué)畸變、提高掃描質(zhì)量 與提高分辨率上，為使用者的迫切需求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種激光掃描裝置的短聚光距二片式f θ鏡片，系適用于 具有旋轉(zhuǎn)多面鏡的激光掃描裝置，該二片式f θ鏡片由旋轉(zhuǎn)多面鏡依序起算，其中第一鏡 片具有第一光學(xué)面及第二光學(xué)面，第二鏡片具有第三光學(xué)面及第四光學(xué)面；其特征在于該 二片式f θ鏡片的各光學(xué)面在主掃描方向均為非球面；在光軸主掃描方向，第一、第二、第 三光學(xué)面的凹面在旋轉(zhuǎn)多面鏡側(cè)，第四光學(xué)面具有反曲點(diǎn)且其凸面在旋轉(zhuǎn)多面鏡側(cè)；主要 用以均勻化掃描光線于主掃描方向及副掃描方向，因偏移光軸而造成在感光鼓上形成成像 偏差，并將掃描光線修正聚光于目標(biāo)物上；可將旋轉(zhuǎn)多面鏡所反射的掃描光線在目標(biāo)物上 正確成像，而達(dá)到激光掃描裝置所要求的線性掃描效果。本發(fā)明的另一目的在于提供一種激光掃描裝置的短聚光距二片式f θ鏡片，由于 該f θ鏡片具有短聚光距，從而可縮小激光掃描裝置的體積并具有良好成像效果，且滿足 0. 5429 彡 tan(e )彡 1.2799，其中 β 為最大有效窗口角(maximum angle of effective window)，即在28. 5°至52°之間。使旋轉(zhuǎn)多面鏡反射的激光束經(jīng)由該短聚光距二片式f θ 鏡片，可以使掃描光線在較短聚焦距離下，仍可符合投射在目標(biāo)物上光點(diǎn)(spot)面積的要 求，達(dá)到減少激光掃描裝置體積的效果。本發(fā)明的再一目的在于提供一種激光掃描裝置的短聚光距二片式f θ鏡片， 可畸變修正因掃描光線偏離光軸，而造成于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)變形的問題，并使每一成像光點(diǎn)大小得以均勻化，達(dá)到提升解像質(zhì)量 (resolution quality)的功效。因此，本發(fā)明激光掃描裝置的短聚光距二片式f θ鏡片，適用于至少包含旋轉(zhuǎn)多 面鏡，通過設(shè)置于旋轉(zhuǎn)多面鏡上的反射鏡，將光源發(fā)射的激光束反射成為掃描光線，以在目 標(biāo)物上成像；對于激光打印機(jī)而言，此目標(biāo)物常為感光鼓(drum)，S卩，待成像的光點(diǎn)經(jīng)由光 源發(fā)出激光束，經(jīng)由旋轉(zhuǎn)多面鏡的反射鏡掃描形成掃描光線，掃描光線經(jīng)由本發(fā)明的二片 式鏡片修正角度與位置后，于感光鼓上形成光點(diǎn)(spot)，由于感光鼓涂有光敏劑，可感 應(yīng)碳粉使其聚集于紙上，如此可將數(shù)據(jù)打印出。
圖l為本發(fā)明短聚光距二片式f O鏡片的光學(xué)路徑示意 圖2為本發(fā)明短聚光距二片式f O鏡片的掃描光線通過第一鏡片及第二鏡片的光學(xué)路徑、符號、光點(diǎn)面積隨投射位置的不同而變化的示意 圖3為本發(fā)明短聚光距二片式f O鏡片第二鏡片的第四光學(xué)面反曲點(diǎn)示意 圖4為掃描光線經(jīng)由本發(fā)明短聚光距二片式f O鏡片投射在感光鼓上的幾何光點(diǎn)及符號說明 圖5為本發(fā)明短聚光距二片式f O鏡片與感光鼓有效窗口最大角示意 圖6為本發(fā)明第一實(shí)施例的光學(xué)路徑 圖7為根據(jù)第一實(shí)施例的感光鼓上的光點(diǎn)分布 圖8為根據(jù)第一實(shí)施例的在目標(biāo)物上不同位置的光點(diǎn)大小形狀 圖9為第二實(shí)施例的光學(xué)路徑 圖lo為根據(jù)第二實(shí)施例的感光鼓上的光點(diǎn)分布 圖11為根據(jù)第二實(shí)施例的在目標(biāo)物上不同位置的光點(diǎn)大小形狀 圖12為第三實(shí)施例的光學(xué)路徑 圖13為根據(jù)第三實(shí)施例的感光鼓上的光點(diǎn)分布 圖14為根據(jù)第三實(shí)施例的在目標(biāo)物上不同位置的光點(diǎn)大小形狀 圖15為第四實(shí)施例的光學(xué)路徑 圖16為根據(jù)第四實(shí)施例的感光鼓上的光點(diǎn)分布 圖17為根據(jù)第四實(shí)施例的在目標(biāo)物上不同位置的光點(diǎn)大小形狀 圖18為第五實(shí)施例的光學(xué)路徑 圖19為根據(jù)第五實(shí)施例的感光鼓上的光點(diǎn)分布 圖20為根據(jù)第五實(shí)施例的在目標(biāo)物上不同位置的光點(diǎn)大小形狀 圖2l為第六實(shí)施例的光學(xué)路徑 圖22為根據(jù)第六實(shí)施例的感光鼓上的光點(diǎn)分布 圖23為根據(jù)第六實(shí)施例的在目標(biāo)物上不同位置的光點(diǎn)大小形狀圖。
[主要組件符號說明]
lo旋轉(zhuǎn)多面反射鏡；11激光光源；
11l光束；113a、113b、113C掃描光線；
13l第一鏡片；13la第一光學(xué)面；
131b第二光學(xué)面；132第二鏡片；
132el第三光學(xué)面；132b第四光學(xué)面；
2、2a、2b、2C光點(diǎn)；3有效掃描窗口。具體實(shí)施方式
圖l為本發(fā)明激光掃描裝置的短聚光距二片式f O鏡片的光學(xué)路徑示意圖。如圖所示，本發(fā)明激光掃描裝置的短聚光距二片式f O鏡片包含具有第一光學(xué)面13la及第二光學(xué)面131b的第一鏡片13l，與具有第三光學(xué)面132a及第四光學(xué)面132b的第二鏡片132，系適用于激光掃描裝置。圖中，激光掃描裝置主要包含激光光源11、旋轉(zhuǎn)多面鏡10、柱面鏡16 及用以感光的目標(biāo)物，在圖中，目標(biāo)物系以用感光鼓(drum)15來實(shí)施。激光光源11所產(chǎn)生 的光束111通過柱面鏡16后，投射到旋轉(zhuǎn)多面鏡10上。而旋轉(zhuǎn)多面鏡10具有反射鏡片(圖 中為五面反射鏡片)，反射鏡片系以中心轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，將光束111反射成掃描光線113a、113b、 113c。其中掃描光線113a、113b、113c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)，而旋轉(zhuǎn)多面 鏡10掃描角度為θ，掃描光線113a、113b、113c自f θ鏡片的第四光學(xué)面132b射出后在 感光鼓15形成最左端(left end)與最右端(right end)的距離為有效窗口 3 (effective window)距離，如圖2所示，在有效窗口距離內(nèi)的光點(diǎn)可將原文件數(shù)據(jù)打印成圖紙。參照圖1及圖2，其中圖2為通過第一鏡片及第二鏡片的掃描光線的光學(xué)路徑圖。 當(dāng)激光光源11開始發(fā)出激光束111，經(jīng)由旋轉(zhuǎn)多面鏡10反射為掃描光線，當(dāng)掃描光線通過 第一鏡片131時受第一鏡片131的第一光學(xué)面131a與第二光學(xué)面131b的折射，將旋轉(zhuǎn)多 面鏡10所反射的距離與時間成非線性關(guān)系的掃描光線轉(zhuǎn)換成距離與時間為線性關(guān)系的掃 描光線。當(dāng)掃描光線通過第一鏡片131與第二鏡片132后，由于第一光學(xué)面131a、第二光學(xué) 面131b、第三光學(xué)面132a、第四光學(xué)面132b的光學(xué)性質(zhì)，將掃描光線聚焦于感光鼓15上， 而于感光鼓15上形成一列的光點(diǎn)(Spot)2。其中，d0(未圖示)為柱面鏡16在旋轉(zhuǎn)多面 鏡10的光學(xué)面沿激光束中心至旋轉(zhuǎn)多面鏡10反射鏡的最小距離，Cl1為旋轉(zhuǎn)多面鏡10至第 一光學(xué)面131a的間距、d2為第一光學(xué)面131a至第二光學(xué)面131b的間距、d3為第二光學(xué)面 131b至第三光學(xué)面132a的間距、d4為第三光學(xué)面132a至第四光學(xué)面132b的間距、d5為 第四光學(xué)面132b至感光鼓15的間距、Rl為第一光學(xué)面131a的曲率半徑(Curvature)、R2 為第二光學(xué)面131b的曲率半徑、R3為第三光學(xué)面132a的曲率半徑、R4為第四光學(xué)面132b 的曲率半徑。第四光學(xué)面132b在主掃描方向?yàn)榫哂蟹辞c(diǎn)的光學(xué)面，如圖3所示，在光軸上，為 凸面面向旋轉(zhuǎn)多面鏡10側(cè)，離開光軸經(jīng)過反曲點(diǎn)P漸變?yōu)榘济婷嫦蛐D(zhuǎn)多面鏡10側(cè)。圖4 為掃描光線投射在感光鼓上后，光點(diǎn)面積(spot area)隨投射位置的不同而變化的示意圖。 當(dāng)掃描光線113a沿光軸方向透過第一鏡片131及第二鏡片132后投射在感光鼓15時，因 入射于第一鏡片131及第二鏡片132的角度為零，在主掃描方向所產(chǎn)生的偏移率最小，因此 成像于感光鼓15上的光點(diǎn)2a為類似圓形(quasi-circle)。當(dāng)掃描光線113b及113c透過 第一鏡片131及第二鏡片132后而投射在感光鼓15時，因入射于第一鏡片131及第二鏡片 132時與光軸所形成的夾角不為零，從而在主掃描方向所產(chǎn)生的偏移率較光軸為大，而造成 于主掃描方向的投影長度較掃描光線113a所形成的光點(diǎn)為大；此情形在副掃描方向也相 同，因此偏離光軸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為類似橢圓形，且2b、2c的面積大于2a。其中，Satl與Sbtl為旋轉(zhuǎn)多面鏡10反射面上掃 描光線的光點(diǎn)在主掃描方向(Y方向)及副掃描方向(X方向)的均方根半徑(Rootmeans square of spot size radius on mirror)、Sa與Sb分另ij為在目標(biāo)物上光點(diǎn)大小于X方向 及 Y 方向的均方根半徑(Root means square of spot size radius ontarget)。圖5為掃描光線投射在感光鼓上的有效窗口與最大有效窗口角 (effectivewindow angle) β之示意圖。當(dāng)最左端掃描光線113c射出第二鏡片132的第 四光學(xué)面132b后，此掃描光線與平行于光軸的直線夾角為有效窗口角的最大值；通常，最右端的掃描光線113b與最左端掃描光線113c為對稱。為縮小激光掃描裝置的體積，即在 縮短自旋轉(zhuǎn)多面鏡10至感光鼓15的成像距離，即縮短聚光距。為縮短聚光距，除可在第一 鏡片131及第二鏡片132的四個光學(xué)面的光學(xué)特性、第一鏡片131及第二鏡片132的使用 材料(折射率、阿貝數(shù))等進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)，以縮短聚光距(dl+d2+d3+d4+d5)，特別是空氣間 隔(dl+d3+d5)外，還可通過提高最大有效窗口角0的數(shù)值，使掃描的張開角度增大，最大 有效窗口角0與第二鏡片132至感光鼓15的距離關(guān)系如式(1)，當(dāng)加大0值，在固定的有 效窗口下，可有效縮短1值。 其中，ya為主掃描方向(Y方向)最末端掃描光線(最左端113c或最右端113b) 出射于第二鏡片132的第四光學(xué)面132b平形于光軸至感光鼓15成像面的距離；yb為主掃 描方向(Y方向)最末端掃描光線(最左端113c或最右端113b)出射于第二鏡片132的第 四光學(xué)面132b至感光鼓15成像面的距離。綜上所述，本發(fā)明的短聚光距二片式f e鏡片可將旋轉(zhuǎn)多面鏡10反射的掃描光 線，將高斯光束的掃描光線進(jìn)行畸變(distortion)修正，及將時間-角速度的關(guān)系轉(zhuǎn)成時 間-距離的關(guān)系；在主掃描方向與副掃描方向，掃描光線在X方向與Y方向的光束半徑經(jīng)過 f 9鏡片的各角度，于成像面上產(chǎn)生均勻光點(diǎn)，以提供符合需求的分辨率；并可有效縮短聚 光距離，以減少激光掃描裝置的體積。為達(dá)到上述功效，本發(fā)明短聚光距二片式f 6鏡片在第一鏡片131的第一光學(xué)面 131a或第二光學(xué)面132a及第二鏡片132的第三光學(xué)面132a或第四光學(xué)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(shè)計(jì)，若使用非球面曲面設(shè)計(jì)，其非球面 曲面滿足下列曲面方程式1 環(huán)像曲面方程式(Torical equation) 其中，Z為鏡片上任一點(diǎn)以光軸方向至原點(diǎn)切平面的距離(SAG) ;Cy與Cx分別為 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、 88與81(1為四次、六次、八次、十次冪的系數(shù)(4th lOthorder coefficients deformation from the conic)；當(dāng) Cx = Cy 且 Ky = AP = Bp = Cp = Dp = 0 時，則簡化為單一球面。 3 + A32X2Y + A33xy2+ A34Y3
+ A4]X'‘+ a42x3y + a43x2y2 + A44xy3+ A.45Y4
+為丨r5 + a52x4y + a53x'y:2 + a54x2y-'+ A55XY4 + a5J5
+ Vb + Ab2X5Y + Ab3X4Y2 + AMx3Y3 + A65X2Y4 + AbbXY5 +■AX
+ A7lx7+ A12XbY+ A73XsY2 + A14X4Y3 + A15X3Y4 + AlbX2Y5 + A17XYb
+...(3)
其中，z為鏡片上任一點(diǎn)以光軸方向至原點(diǎn)切平面的距離(SAG) ；C為曲率
(curvature at the pole of the surface) ；K 為圓維系數(shù)(Conic coefficient) ；Aij 為 第i次冪的多項(xiàng)式系數(shù)。為能使掃描光線在目標(biāo)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(nèi)，維持兩個光點(diǎn)的間距相等，本發(fā)明的短聚光距二片式f 9鏡片可將位于掃 描光線113c至掃描光線113b之間的掃描光線，通過第一鏡片131及第二鏡片132進(jìn)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(jīng)出射角度修正后，在成像的感光 鼓15上形成的兩個光點(diǎn)的距離相等，即成像在感光鼓15上的光點(diǎn)大小均勻化(限制于符 合分辨率要求的范圍內(nèi))，以獲得最佳的解析效果。本發(fā)明的短聚光距二片式fe鏡片包含，由旋轉(zhuǎn)多面鏡10起算，為第一鏡片131 及第二鏡片132 ；其中第一鏡片131具有第一光學(xué)面131a及第二光學(xué)面131b，第二鏡片 132具有第三光學(xué)面132a及第四光學(xué)面132b ；在光軸主掃描方向，第一、第二、第三光學(xué)面 (131a、131b，132a)的凹面在旋轉(zhuǎn)多面鏡10側(cè)，第四光學(xué)面132b具有反曲點(diǎn)且其凸面在旋 轉(zhuǎn)多面鏡10側(cè)；系將旋轉(zhuǎn)多面鏡10反射的角度與時間為非線性關(guān)系的掃描光線光點(diǎn)轉(zhuǎn)換 成距離與時間為線性關(guān)系的掃描光線光點(diǎn)，并修正光學(xué)畸變后聚光于目標(biāo)物上；其中，第一 光學(xué)面131a、第二光學(xué)面131b、第三光學(xué)面132a及第四光學(xué)面132b在主掃描方向均為非 球面的光學(xué)面所構(gòu)成；第一光學(xué)面131a、第二光學(xué)面131b、第三光學(xué)面132a及第四光學(xué)面 132b在副掃描方向可至少有一個為非球面所構(gòu)成的光學(xué)面。更進(jìn)一步，在第一鏡片131及 第二鏡片132構(gòu)成上，在光學(xué)效果上，本發(fā)明的二片式f0鏡片，在空氣間隔(dl+d3+d5)與 最大有效窗口角0進(jìn)一步滿足式(4) 式(5)條件
^ ^ d, + d, + d, /2.5 ~j^<5.2(4)
J s0. 5429 彡 tan ( 3 )彡 1. 2799(5)或，在主掃描方向滿足式(6)0.06 < fs ■(( 1 — ” + ( 2—1)) < 0.22(6)
/(!)>'f(2)y其中，屯為光軸上旋轉(zhuǎn)多面鏡10反射面至第一鏡片131旋轉(zhuǎn)多面鏡側(cè)光學(xué)面的距 離、d3為光軸上第一鏡片131目標(biāo)物側(cè)光學(xué)面至第二鏡片132旋轉(zhuǎn)多面鏡10側(cè)光學(xué)面的距 離、d5為光軸上第二鏡片132目標(biāo)物側(cè)光學(xué)面至目標(biāo)物的距離、fs為該二片式fe鏡片的復(fù) 合焦距，0為最大有效窗口角，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、ndl與nd2為第一鏡片131與第二鏡片132的折射率(refraction index)0再者，本發(fā)明之短聚光距二片式fe鏡片所形成的光點(diǎn)均一性，可以掃描光線在 感光鼓15上Y位置的光點(diǎn)的最大半徑SmaxY的比值來表示，即滿足式(7)
rn n J n < 義 min(Un\0.10<()=-———(/)
max(U其中，5為該目標(biāo)物上最小光點(diǎn)與最大光點(diǎn)的比值。更進(jìn)一步，本發(fā)明的二片式fe鏡片所形成的分辨率，可使用為旋轉(zhuǎn)多面鏡 10反射面上掃描光線的幾何光點(diǎn)(geometric spot)經(jīng)掃描在感光鼓15上幾何光點(diǎn)最大值 的比值與nmin為旋轉(zhuǎn)多面鏡10反射面上掃描光線的幾何光點(diǎn)經(jīng)掃描在感光鼓15上幾何 光點(diǎn)最小值的比值來表示，即可滿足式⑶及(9)，(8),mm ^=^,0.005(9)其中，Sa與Sb為感光鼓15上掃描光線形成的任一個光點(diǎn)在X方向及Y方向的均 方根半徑、8為感光鼓15上最小光點(diǎn)與最大光點(diǎn)的比值、n為旋轉(zhuǎn)多面鏡10反射面上掃 描光線的光點(diǎn)與感光鼓15上光點(diǎn)的比值；Sa(l與SM為旋轉(zhuǎn)多面鏡10反射面上掃描光線的 光點(diǎn)在副掃描方向及主掃描方向的均方根半徑。為使本發(fā)明更加明確詳實(shí)，茲列舉優(yōu)選實(shí)施例并配合下列圖示，將本發(fā)明的結(jié)構(gòu) 及其技術(shù)特征詳述如下本發(fā)明以下所揭示的實(shí)施例，乃是針對本發(fā)明旋轉(zhuǎn)多面鏡激光掃描裝置的二片式 f e鏡片的主要構(gòu)成組件而作說明，因此本發(fā)明以下所揭示的實(shí)施例雖是應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)多面 鏡激光掃描裝置中，但就一般具有激光掃描裝置而言，除了本發(fā)明所揭示的二片式f 9鏡 片外，其它結(jié)構(gòu)屬一般公知技術(shù)，因此一般在此領(lǐng)域中熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人員了解，本發(fā)明所 揭示旋轉(zhuǎn)多面鏡激光掃描裝置的二片式f e鏡片的構(gòu)成組件并不限制于以下所揭示的實(shí) 施例結(jié)構(gòu)，也就是該旋轉(zhuǎn)多面鏡激光掃描裝置的二片式f e鏡片的各構(gòu)成組件是可以進(jìn)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(shè)計(jì)、材 質(zhì)選用、間距調(diào)整等并不限制。并且為便于說明及比較，以下的實(shí)施例均采用旋轉(zhuǎn)多面鏡10 上光點(diǎn) sa0 = 7. 22(iim)、sb0 = 660. 94 ( y m)，但不以此為限。〈第一實(shí)施例〉本實(shí)施例的短聚光距二片式f e鏡片在第一鏡片131的第二光學(xué)面131b與第二 鏡片132的第三光學(xué)面132a均系為非球面，使用式(3)為非球面公式設(shè)計(jì)其光學(xué)面的曲 面；第一鏡片131的第一光學(xué)面131a、第二鏡片132的第四光學(xué)面132b的主掃描方向均系 為非球面，使用式(2)為非球面公式設(shè)計(jì)其光學(xué)面的曲面。其光學(xué)特性與非球面參數(shù)如表 一及表二，光路圖如圖6，第四光學(xué)面132b的反曲點(diǎn)位于V = 4. 12°。(!) =4J2°。表一、第一實(shí)施例的fe光學(xué)特性fs= 30.221 *表示非球面 表二(A)、第一實(shí)施例的光學(xué)面非球面參數(shù)
表二(B)第一實(shí)施例的光學(xué)面非球面參數(shù)
經(jīng)由此所構(gòu)成的短聚光距二片式f θ鏡片的光學(xué)面，f(1)γ = 118.315, f(2)Y = 22389.4(讓)，其73 = 71.50、yb = 53.47(mm)，使得最大窗口角 β = 37.01°，可將旋轉(zhuǎn) 多面鏡10上光點(diǎn)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 ⑷ (6)及式(7) (9)的條件，如表三；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(diǎn)的幾何光點(diǎn)直徑(ym)，如表四；且本實(shí)施例的光點(diǎn)分布圖及光點(diǎn)大 小形狀圖，如圖7及圖8所示。表三、第一實(shí)施例滿足條件表 表四、第一實(shí)施例感光鼓上光點(diǎn)最大半徑與均方根半徑表 <第二實(shí)施例>本實(shí)施例的短聚光距二片式f θ鏡片在第一鏡片131的第二光學(xué)面131b與第二 鏡片132的第三光學(xué)面132a均系為非球面，使用式(3)為非球面公式設(shè)計(jì)其光學(xué)面的曲 面；在第一鏡片131的第一光學(xué)面131a、第二鏡片132的第四光學(xué)面132b的主掃描方向均 系為非球面，使用式(2)為非球面公式設(shè)計(jì)其光學(xué)面的曲面。其光學(xué)特性與非球面參數(shù)如 表五及表六，光路圖如圖9，第四光學(xué)面132b的反曲點(diǎn)位于Ψ =6.47°。(/) =6.47°。表五、第二實(shí)施例的f θ光學(xué)特性 *表示非球面表六(A)、第二實(shí)施例的光學(xué)面非球面參數(shù) 經(jīng)由此所構(gòu)成的短聚光距二片式f Θ鏡片的光學(xué)面，f(1)Y = 89. 253、f(2)Y =-306.107(讓)，其73 = 79.73、713 = 55.15(讓)，使得最大窗口角3 = 34.673°，可將旋 轉(zhuǎn)多面鏡10上光點(diǎn)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⑷ (6)及式(7) (9)的條件，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(diǎn)的幾何光點(diǎn)直徑(μ m)，如表八；且本實(shí)施例的光點(diǎn)分布圖及光點(diǎn) 大小形狀圖，如圖10及圖11所示。表七、第二實(shí)施例滿足條件表
環(huán)像曲面方程式系數(shù)Toric Equation Coefficient
光學(xué)面 (optical surface)Ky圓錐系數(shù) 4th次冪系數(shù) 6th次冪系數(shù) 8th次冪系數(shù) (Conic Order Order Order Coefficient) Coefficient (B4) Coefficient (B6) Coefficient (B8)IOth次冪系數(shù) Order Coefficient (BlO)Rl* R4*3.5663E-01 3.0005E-06 5.6757E-10 2.2990E-13 1.3628E+04 -9.5217E-07 2.3670E-11 3.8344E-15-4.2545E-17 -1.2502E-18
表六(B)第二實(shí)施例的光學(xué)面非球面參數(shù)擴(kuò)展多項(xiàng)式曲面方程式系數(shù) Extend Polynomial Equation Coefficient IC 圓錐系數(shù)(Conic Coefficent)= -0.9249
主掃描方向
表八、第二實(shí)施例感光鼓上光點(diǎn)最大半徑與均方根半徑表 〈第三實(shí)施例〉本實(shí)施例的短聚光距二片式f θ鏡片在第一鏡片131的第二光學(xué)面131b與第二 鏡片132的第三光學(xué)面132a均系為非球面，使用式(3)為非球面公式設(shè)計(jì)其光學(xué)面的曲 面；在第一鏡片131的第一光學(xué)面131a與第二鏡片132的第四光學(xué)面132b的主掃描方向 均系為非球面，使用式(2)為非球面公式設(shè)計(jì)其光學(xué)面的曲面。其光學(xué)特性與非球面參數(shù) 如表九及表十，光路圖如圖12，第四光學(xué)面132b的反曲點(diǎn)位于Ψ =31.86°。(p =31.86°。表九、第三實(shí)施例的f θ光學(xué)特性
*表示非球面
表十(A)、第三實(shí)施例之光學(xué)面非球面參數(shù)
_環(huán)像曲面方程式系數(shù)Toric Equation Coefficient_
光學(xué)面 ^““圓錐^4th次冪系數(shù)~6th次冪系數(shù)8th次冪系數(shù) IOth次冪系數(shù) (optical y Order Order Order Order surface) . ^ Coefficient Coefficient Coefficient Coefficient _?！鉫mcient) (B4)_(B6)_(B8)_(BlO)_ 表十(B)第:實(shí)施例之光學(xué)面非球面參數(shù) 經(jīng)由此所構(gòu)成的短聚光距二片式fe鏡片的光學(xué)面，f(1)Y = 85.306、f⑵γ =-281.708(讓)，其73 = 79.34、713 = 88.70(讓)，使得最大窗口角 β = 48.188°，可將旋 轉(zhuǎn)多面鏡10上光點(diǎn)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⑷ (6)及式(7) (9)的條件，如表十一；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(diǎn)的幾何光點(diǎn)直徑(μ m)，如表十二；且本實(shí)施例的光點(diǎn)分布圖及 光點(diǎn)大小形狀圖，如圖13及圖14所示。表^^一、第三實(shí)施例滿足條件表 表十二、第三實(shí)施例感光鼓上光點(diǎn)最大半徑與均方根半徑表 〈第四實(shí)施例〉本實(shí)施例的短聚光距二片式f θ鏡片在第一鏡片131的第二光學(xué)面131b與第二 鏡片132的第三光學(xué)面132a均系為非球面，使用式(3)為非球面公式設(shè)計(jì)其光學(xué)面的曲 面；在第一鏡片131的第一光學(xué)面131a與第二鏡片132的第四光學(xué)面132b的主掃描方 向均系為非球面，使用式(2)為非球面公式設(shè)計(jì)其光學(xué)面的曲面。其光學(xué)特性與非球面 參數(shù)如表十三及表十四，光路圖如圖15，第四光學(xué)面132b的反曲點(diǎn)位于Ψ = 18.94°。 φ =18.94。。表十三、第四實(shí)施例的f θ光學(xué)特性 *表示非球面表十四(A)、第四實(shí)施例之光學(xué)面非球面參數(shù) 經(jīng)由此所構(gòu)成的短聚光距二片式f θ鏡片的光學(xué)面，f(1)Y = 89.817、f(2)Y =-232. 765 (mm)，其73 = 71. 50、yb = 53. 468 (mm)，使得最大窗口角 β = 36.789°，可將 旋轉(zhuǎn)多面鏡10上光點(diǎn)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⑷ (6)及式(7) (9)之條件，如表十五；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(diǎn)的幾何光點(diǎn)直徑(μ m)，如表十六；且本實(shí)施例的光點(diǎn)分布圖 及光點(diǎn)大小形狀圖，如圖16及圖17所示。表十五、第四實(shí)施例滿足條件表
表十四(B)第四實(shí)施例之光學(xué)面非球面參數(shù)R2* 擴(kuò)展多項(xiàng)式曲面方程式系數(shù) Extend Polynomiul Equation CoefficienlK 圓錐系數(shù)(Conic C ocilicenl)= -0.4639
Ai
O I 71 . I 6 7 Vo
Xxxxxxxxx
X0 X' X2 X3 X" X5 X" X' Xs
19
〈第五實(shí)施例〉本實(shí)施例的短聚光距二片式f θ鏡片在第一鏡片131的第二光學(xué)面131b與第二 鏡片132的第三光學(xué)面132a均系為非球面，使用式(3)為非球面公式設(shè)計(jì)其光學(xué)面的曲 面；在第一鏡片131的第一光學(xué)面131a與第二鏡片132的第四光學(xué)面132b的主掃描方向均 系為非球面，使用式(2)為非球面公式設(shè)計(jì)其光學(xué)面的曲面。其光學(xué)特性與非球面參數(shù)如 表十七及表十八，光路圖如圖18，第四光學(xué)面132b的反曲點(diǎn)位于Ψ =9.60°。φ =9.60°。表十七、第五實(shí)施例的f θ光學(xué)特性 *表示非球面表十八(A)、第五實(shí)施例之光學(xué)面非球面參數(shù) 表十八(B)第五實(shí)施例之光學(xué)面非球面參數(shù) 經(jīng)由此所構(gòu)成的短聚光距二片式f Θ鏡片的光學(xué)面，f(1)Y = 89. 834、f(2)Y =-314.630(讓)，其73 = 72.694、713 = 48.158(讓)，使得最大窗口角0 = 33.523°，可將 旋轉(zhuǎn)多面鏡10上光點(diǎn)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⑷ (6)及式(7) (9)的條件，如表十九；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(diǎn)的幾何光點(diǎn)直徑(μ m)，如表二十；且本實(shí)施例的光點(diǎn)分布圖 及光點(diǎn)大小形狀圖，如圖19及圖20所示。表十九、第五實(shí)施例滿足條件表 表二十、第五實(shí)施例感光鼓上光點(diǎn)最大半徑與均方根半徑表 〈第六實(shí)施例〉本實(shí)施例的短聚光距二片式f θ鏡片在第一鏡片131的第二光學(xué)面131b與第二 鏡片132的第三光學(xué)面132a均系為非球面，使用式(3)為非球面公式設(shè)計(jì)其光學(xué)面的曲 面；在第一鏡片131的第一光學(xué)面131a與第二鏡片132的第四光學(xué)面132b的主掃描方 向均系為非球面，使用式(2)為非球面公式設(shè)計(jì)其光學(xué)面的曲面。其光學(xué)特性與非球面參 數(shù)如表二十一及表二十二，光路圖如圖21，第四光學(xué)面132b的反曲點(diǎn)位于Ψ = 13. 07°。 φ =13.07。。表二十一、第六實(shí)施例之f θ光學(xué)特性 *表示非球面表二十二(A)、第六實(shí)施例之光學(xué)面非球面參數(shù) 經(jīng)由此所構(gòu)成的短聚光距二片式f Θ鏡片的光學(xué)面，f(1)Y = 89. 991、f(2)Y =-521. 085 (mm)，其 ya = 65. 46、yb = 58. 208 (mm)，使得最大窗口角 β = 33.523°，可將 旋轉(zhuǎn)多面鏡10上光點(diǎn)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⑷ (6)及式(7) (9)的條件，如表二十三；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(diǎn)的幾何光點(diǎn)直徑(ym)，如表二十四；且本實(shí)施例的光點(diǎn)分 布圖及光點(diǎn)大小形狀圖，如圖22及圖23所示。表二十三、第六實(shí)施例滿足條件表
環(huán)像曲面方程式系數(shù)Toric Equation Coefficient
光學(xué)面 (optical surface)Ky圓錐系數(shù) 4th次冪系數(shù) 6th次冪系數(shù) 8th次冪系數(shù) (Conic Order Order Order Coefficient) Coefficient (B4) Coefficient (B6) Coefficient (B8)IOth次冪系數(shù) Order Coefficient (BlO)Rl* R4*4.4964E 十00 2.5138E-06 -1.0359E-09 2.7212E-12 -1.2544E+02 -2.4604E-06 -2.9977E-10 1.9307E-13-8.4279E-15 -1.3388E-17
表
二十二(B)第六實(shí)施例之光學(xué)面非球面參數(shù)R2* 擴(kuò)展多項(xiàng)式曲面方程式系Ifc Extend Polynomial Equation Coefficient K 圓錐系凄t(Conic CoelTiccnl)= -0.2099
表二十四、第六實(shí)施例感光鼓上光點(diǎn)最大半徑與均方根半徑表
Y(mm) 112.44 102.82 91.33 80.01 68.98 58.25 47.83 37.76 28.01 18.52 9.21 0.00
光點(diǎn)聶大半 徑(網(wǎng))
R^dais)1501 19.320 4.986 7.902 4.158 3.088 3.540 5.156 3.890 3.067 3.314 3.479 3.465
光點(diǎn)均方根 半徑(卩mi)
(RMS Spot Radius)
7.201 3.776 3.506 1.915 1.403 1.765 2.283 1.931 1.534 1.408 1.399 1.475通過上述的實(shí)施例說明，本發(fā)明至少可達(dá)到下列功效(1)通過本發(fā)明二片式f 0鏡片的設(shè)置，可將旋轉(zhuǎn)多面鏡在成像面上光點(diǎn)間距非 等速率掃描現(xiàn)象，修正為等速率掃描，使激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)通過本發(fā)明二片式fe鏡片的設(shè)置，可畸變修正在主掃描方向及副掃描方向 的掃描光線，使聚焦于成像的目標(biāo)物上的光點(diǎn)得以縮小。(3)通過本發(fā)明二片式fe鏡片的設(shè)置，可畸變修正在主掃描方向及副掃描方向 的掃描光線，使成像在目標(biāo)物上的光點(diǎn)大小均勻化。(4)通過本發(fā)明二片式f 6鏡片的設(shè)置，可有效縮短聚光距離，使激光掃描裝置的 體積得以減小，達(dá)到小型化的要求。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，對本發(fā)明而言僅是說明性的，而非限制性的； 本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，在本發(fā)明權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)可對其進(jìn)行許多改變，修 改，甚至等效變更，但都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種短聚光距二片式fθ鏡片，其適用于激光掃描裝置，該激光掃描裝置至少包含用以發(fā)射激光束的光源、用以將激光束反射成掃描光線的旋轉(zhuǎn)多面鏡及用以感光的目標(biāo)物；所述短聚光距二片式fθ鏡片由旋轉(zhuǎn)多面鏡依序起算，由第一鏡片及第二鏡片所構(gòu)成，該第一鏡片具有第一光學(xué)面及第二光學(xué)面，該第二鏡片具有第三光學(xué)面及第四光學(xué)面，其特征在于所述短聚光距二片式fθ鏡片在光軸上的主掃描方向，所述第一、第二及第三光學(xué)面的凹面在所述旋轉(zhuǎn)多面鏡側(cè)，所述第四光學(xué)面具有反曲點(diǎn)且其凸面在所述旋轉(zhuǎn)多面鏡側(cè)；所述第一光學(xué)面、所述第二光學(xué)面、所述第三光學(xué)面、所述第四光學(xué)面在主掃描方向均為非球面；并滿足下列條件 <mrow><mn>2.5</mn><mo>≤</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>d</mi> <mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub> <mi>d</mi> <mn>3</mn></msub><mo>+</mo><msub> <mi>d</mi> <mn>5</mn></msub> </mrow> <msub><mi>f</mi><mi>s</mi> </msub></mfrac><mo>≤</mo><mn>5.2</mn><mo>;</mo> </mrow>0.5429≤tan(β)≤1.2799；其中，d1為光軸上所述旋轉(zhuǎn)多面鏡反射面至所述第一鏡片的旋轉(zhuǎn)多面鏡側(cè)光學(xué)面的距離、d3為光軸上所述第一鏡片的目標(biāo)物側(cè)光學(xué)面至所述第二鏡片的旋轉(zhuǎn)多面鏡側(cè)光學(xué)面的距離、d5為光軸上所述第二鏡片的目標(biāo)物側(cè)光學(xué)面至所述目標(biāo)物的距離、fs為所述二片式fθ鏡片的復(fù)合焦距，β為最大有效窗口角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的短聚光距二片式fθ鏡片，其特征在于在主掃描方向進(jìn)一步 滿足下列條件0.06 < fs ■(( 1 ~1} + ( 廣 i)) < 0.22 ；/(I)V/(2), V其中，f(1)Y為所述第一鏡片在主掃描方向的焦距、f (2)Y為所述第二鏡片在主掃描方向的 焦距、fs為二片式f θ鏡片的復(fù)合焦距、ndl與nd2分別為所述第一鏡片與所述第二鏡片的折 射率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的短聚光距二片式fθ鏡片，其特征在于所述掃描光線于所述 目標(biāo)物上形成最大光點(diǎn)及最小光點(diǎn)，該最大光點(diǎn)與該最小光點(diǎn)大小的比值滿足Q.10<^ inmD ；腿(U其中，Smax,所述目標(biāo)物上所述掃描光線形成的Y位置上的光點(diǎn)的最大半徑、δ為所 述目標(biāo)物上所述最小光點(diǎn)與所述最大光點(diǎn)的比值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的短聚光距二片式fθ鏡片，其特征在于所述掃描光線于所述 目標(biāo)物上形成最大光點(diǎn)及最小光點(diǎn)，在所述目標(biāo)物上所述最大光點(diǎn)的比值與在所述目標(biāo)物 上最小光點(diǎn)的比值分別滿足二應(yīng)OVDg005ι max/q C ΛWbO · 0)η = EE(VA) <0.005-(mm /c C Λ’其中，Satl與Sbtl為所述旋轉(zhuǎn)多面鏡反射面上所述掃描光線的光點(diǎn)在副掃描方向及主掃 描方向的均方根半徑、Sa與Sb為所述目標(biāo)物上所述掃描光線形成的任一個光點(diǎn)在副掃描方 向及主掃描方向的均方根半徑、nmax為所述旋轉(zhuǎn)多面鏡反射面上所述掃描光線的光點(diǎn)經(jīng)掃描在所述目標(biāo)物上所述最大光點(diǎn)的比值、nmin為所述旋轉(zhuǎn)多面鏡反射面上掃描光線的光點(diǎn) 經(jīng)掃描在所述目標(biāo)物上所述最小光點(diǎn)的比值。
全文摘要
一種短聚光距二片式fθ鏡片，用于具有旋轉(zhuǎn)多面鏡的激光掃描裝置，其中第一鏡片具有第一光學(xué)面及第二光學(xué)面，第二鏡片具有第三光學(xué)面及第四光學(xué)面；其特征在于該二片式fθ鏡片的各光學(xué)面在主掃描方向均為非球面；在光軸上的主掃描方向，第一、第二、第三光學(xué)面的凹面在旋轉(zhuǎn)多面鏡側(cè)，第四光學(xué)面具有反曲點(diǎn)(inflection point)且其凸面在旋轉(zhuǎn)多面鏡側(cè)；且滿足光學(xué)條件0.5429≤tan(β)≤1.2799；其中β為最大有效窗口角。通過此短聚光距二片式fθ鏡片的第一鏡片及第二鏡片的設(shè)置，可有效縮短旋轉(zhuǎn)多面鏡至成像面的距離，以達(dá)到減小激光掃描裝置體積的具體目的。
文檔編號B41J2/47GK101881874SQ200910137139
公開日2010年11月10日 申請日期2009年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月6日
發(fā)明者徐三偉, 王智鵬, 陳皇昌 申請人:一品光學(xué)工業(yè)股份有限公司