專利名稱：雷射掃描裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是有關(guān)一種雷射掃描裝置，尤指一種利用一簡諧性運動的微機電擺動式反射鏡(MEMS oscillatory mirror)來操控激光束的投射方向，并藉一F-Sinθ線性掃描鏡片以針對擺動式反射鏡隨時間成正弦關(guān)系的角度變化量作出修正，而達成雷射掃描裝置所要求的線性掃描效果，并增進掃描效率者。
背景技術(shù)：
目前激光束打印機LBP(Laser Beam Printer)的應(yīng)用技術(shù)中，已包括有美國US 5,128,795、US 5,162,938、US 5,329,399、US 5,710,654、US 5,757,533、US 5,619,362、US 5,721,631、US 5,553,729、US 5,111,219、US 5,995,131、US6,724,509，及日本4-50908、日本5-45580等多件專利，其中，所使用的雷射掃描裝置LSU(Laser Scanning Unit)模塊大都是利用一高速旋轉(zhuǎn)的多面鏡(polygon mirror)以操控激光束的掃描動作(laser beam scanning)，其是利用一半導(dǎo)體雷射發(fā)出激光束(laser beam)，該激光束經(jīng)一準直鏡(collimatorlens)，再經(jīng)過一光圈(aperture)而形成平行光束，平行光束再經(jīng)過一柱面鏡(cylindrical lens)，而該柱面鏡主要作用是使前述平行光束在副掃描方向(subscanning direction)Y軸上的寬度能沿著主掃描方向(main scanning direction)X軸的平行方向聚焦而形成一線狀成像(line image)，再投射至一高速旋轉(zhuǎn)的多面鏡(polygon mirror)上；該多面鏡上均勻連續(xù)布設(shè)有多面反射鏡，其恰位于或接近于上述線狀成像(line image)的焦點位置；而藉多面鏡控制激光束的投射方向，當連續(xù)的復(fù)數(shù)反射鏡在高速旋轉(zhuǎn)時可將射至一反射鏡上的激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F-θ鏡片上；而該F-θ鏡片是設(shè)置于多面鏡旁側(cè)，可為單件式鏡片結(jié)構(gòu)(single-element scanning lens)或為兩件式鏡片結(jié)構(gòu)(如US 5,995,131的專利圖所示)，而藉F-θ鏡片主要是使經(jīng)由多面鏡上反射鏡反射而射入F-θ鏡片的激光束能聚焦成一楕圓形光點并投射在一光接收面(photoreceptordrum，即成像面)上，并達成線性掃描(scanning linearity)的要求；然習用雷射掃描裝置LSU在使用上會有下列問題(1)該旋轉(zhuǎn)式多面鏡(polygon mirror)的制作難度高且價格不低，相對增加LSU的制作成本。
(2)該多面鏡須具高度旋轉(zhuǎn)(如40000轉(zhuǎn)/分)功能，精密度要求又高，致一般多面鏡上反射面的鏡面Y軸寬度極薄，使習用LSU中均須增設(shè)一柱面鏡(cylindrical lens)以使激光束經(jīng)過該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，致增加構(gòu)件及組裝作業(yè)流程。
(3)習用多面鏡須高度旋轉(zhuǎn)(如40000轉(zhuǎn)/分)，致旋轉(zhuǎn)噪音相對提高，而且多面鏡從激活至工作轉(zhuǎn)速須耗費較長時間，增加開機后的等待時間。
(4)習用LSU的組裝結(jié)構(gòu)中，投射至多面鏡反射鏡的激光束中心軸并非正對多面鏡的中心轉(zhuǎn)軸，致在設(shè)計相配合的F-θ鏡片時，須同時考慮多面鏡的離軸偏差問題(deviation)，相對增加F-θ鏡片的設(shè)計及制作上麻煩。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型主要目的乃在于提供一種雷射掃描裝置(LSU)，其是利用一微機電擺動式反射鏡以取代習用旋轉(zhuǎn)式多面鏡來操控激光束掃描(laser beamscanning)，并利用一F-Sinθ線性掃描鏡片以取代習用F-θ線性掃描鏡片，而該F-Sinθ鏡片是針對擺動式反射鏡隨時間成正弦關(guān)系的角度變化量作修正，使激光束在成像面上作等速率的掃描；藉此，半導(dǎo)體雷射射出的激光束先經(jīng)準直鏡形成平行光束，再射至微機電擺動式反射鏡，再藉經(jīng)該反射鏡的簡諧式擺動使激光束反射至F-Sinθ鏡片，再藉該F-Sinθ鏡片對入射激光束隨時間成正弦關(guān)系的角度變化量的修正效果，使激光束投射在成像面上作等速率掃描，而達成雷射掃描裝置所要求的線性掃描效果，并增進掃描效率者。
本實用新型再一要目的乃在于提供一種雷射掃描裝置，其是針對微機電擺動式反射鏡以簡諧運動方式反射激光束致使在成像面上的光點間距呈現(xiàn)隨時間增加而遞減的非等速率掃描現(xiàn)象，而特別設(shè)計一F-Sinθ線性掃描鏡片，使該F-Sinθ鏡片可對隨時間成正弦關(guān)系的角度變化量作修正，使微機電簡諧運動反射鏡在成像面上光點間距由原來隨時間增加而遞減的非等速率掃描現(xiàn)象，修正為等速率掃描，使激光束投射在成像面上作等速率掃描，而達成雷射掃描裝置所要求的線性掃描效果。
本實用新型另一要目的乃在于提供一種雷射掃描裝置，其中該激光束中心軸是正對該微機電反射鏡的機械中心(即反射鏡的擺動中心)，藉以消除習用者多面鏡的離軸偏差(deviation)，俾可簡化F-Sinθ鏡片的設(shè)計及制作。
本實用新型又另一要目的乃在于提供一種雷射掃描裝置，其中該雷射掃描裝置(LSU)的模塊中，在該準直鏡及該微機電擺動式反射鏡之間可隨需要而設(shè)置或不設(shè)置一柱面鏡(cylindrical lens)，藉以簡化雷射掃描裝置的構(gòu)件及組裝作業(yè)流程。


圖1是本實用新型雷射掃描裝置模塊的立體示意圖；圖2是圖1光學(xué)路徑的上視示意圖；圖3是圖1光學(xué)路徑的一側(cè)視示意圖；圖4是本實用新型微機電擺動式反射鏡一實施例立體示意圖；圖5(A)、圖5(B)分別是旋轉(zhuǎn)式多面鏡及與微機電擺動式反射鏡反射后的反射角度θ與時間t的關(guān)系圖圖6(A)、圖6(B)分別是旋轉(zhuǎn)式多面鏡及與微機電擺動式反射鏡的掃描光點軌跡圖；圖7(A)、圖7(B)分別是旋轉(zhuǎn)式多面鏡及微機電擺動式反射鏡的雷射掃描裝置(LSU)的光學(xué)設(shè)計示意圖；圖8(A)、圖8(B)分別是旋轉(zhuǎn)式多面鏡與微機電擺動式反射鏡的雷射掃描裝置所使用的F-θ鏡片與F-Sinθ鏡片在畸變(Distortion)的光學(xué)特性示意圖。
附圖標記說明1雷射掃描裝置(LSU，Laser Scanning Unit)；10半導(dǎo)體雷射；11準直鏡；12微機電擺動式反射鏡(MEMS oscillatory mirror)；13F-Sinθ鏡片；14成像面。
具體實施方式
為使本實用新型更加明確詳實，茲舉一較佳實施例并配合下列圖標，將本實用新型的結(jié)構(gòu)及其技術(shù)特征詳述如后參考圖1、2、3、4所示，本實用新型雷射掃描裝置(LSU，Laser ScanningUnit)1，主要包括一半導(dǎo)體雷射10、一準直鏡11、一微機電擺動式反射鏡(MEMS oscillatory mirror)12、及一F-Sinθ鏡片13，而其特征在于利用該微機電擺動式反射鏡12以取代習用旋轉(zhuǎn)式多面鏡(polygon mirror)，使半導(dǎo)體雷射10所發(fā)出的激光束可經(jīng)過準直鏡11以形成平行光束，而平行光束可以不必再經(jīng)過一柱面鏡(cylindrical lens)，而可直接投射至微機電擺動式反射鏡(MEMS oscillatory mirror)12上，而微機電擺動式反射鏡(MEMSoscillatory mirror)12是在某一擺動幅度下進行簡諧運動，藉以控制該入射激光束的反射方向，使激光束反射至位于旁側(cè)的F-Sinθ鏡片13，再經(jīng)由F-Sinθ鏡片13折射而投射至成像面(Image Plane)14上而達成一雷射掃描裝置所要求的線性掃描(scanning linearity)功效。
又針對該微機電擺動式反射鏡(MEMS oscillatory mirror)12的簡諧運動(harmonic motion)方式，本實用新型特別利用一重新設(shè)計的F-Sinθ鏡片13，以達成線性掃描(scanning linearity)的要求。茲針對該F-Sinθ鏡片13的技征特征及作用功效，以及其與原有F-θ鏡片之間的不同處說明如下一般傳統(tǒng)的雷射掃描裝置(LSU)是采用旋轉(zhuǎn)式多面鏡(Polygon Mirror)以等角速率旋轉(zhuǎn)來完成激光束在感光鼓上作掃描的動作；此時激光束由PolygonMirror反射的角度滿足下式θ(t)＝ω*t ，其中ω為Polygon Mirror的旋轉(zhuǎn)角速率.........E(1)如圖5(A)、6(A)所示，由于多面鏡為等角速率旋轉(zhuǎn)，即ω為常數(shù)，故反射角度θ正比于時間t；換言的，在相同的時間間隔下，反射角度θ隨時間的變化量也是相同的。被反射的激光束經(jīng)由鏡片聚焦于成像面(Image Plane)處，此時光點在Y方向的位置Y′滿足下式Y(jié)′＝LP*Tan(θ(t))，其中LP為多面鏡的反射鏡面到成像面的距離.........E(2)
如圖6(A)中虛線所示，在成像面的光點軌跡隨時間增加，且光點與下一個光點間之間距也隨的漸增，即在成像面上光點的速率為非等速且漸增的，而此現(xiàn)象在LSU中是不允許的；此時該鏡片除了聚焦的功能外，尚需有修正光點非等速運動的功能，使光點的軌跡是等速率的，使修正后的光點位置Y′滿足下式Y(jié)′＝F*θ(t)，其中F為該鏡片的焦距.........E(3)如圖6(A)中實線所示，相同的時間間隔對應(yīng)相同的反射角度的變化量，由E(3)式便可知對應(yīng)到的光點位置Y′為等間距的變化，故稱此種同時具有修正光點大小與修正其軌跡為等速的特殊鏡片為F-θ鏡片；又如圖7(A)所示，在光學(xué)設(shè)計上，此鏡片是要刻意的產(chǎn)生一″負畸變(Negative Distortion or BarrelDistortion)″，即將原來的光路徑(Original Beam Path)經(jīng)由F-θ鏡片向打印中心(Printing Center)彎折，而被鏡片彎折的光束與原來的光束在成像面上的位置差量(即圖6(A)所示d1、d2、d3)，由中心向外漸增。
而本實用新型是利用一微機電擺動式反射鏡(MEMS oscillatory mirror)12以取代多面鏡(Polygon Mirror)，而微機電擺動式反射鏡12的運動模式是簡諧運動(Harmonic Motion)，與旋轉(zhuǎn)式多面鏡不同，即激光束經(jīng)擺動式反射鏡反射后的反射角度θ與時間t的關(guān)系為θ(t)＝θs*Sin(2πf*t).........E(4)其中f為MEMS Mirror微機電擺動式反射鏡12的掃描頻率；θs為光束經(jīng)MEMS Mirror后，單邊最大的掃描角度。
圖5(B)所示，在相同的時間間隔下，所對應(yīng)的反射角度的變化量并不相同且為遞減，是一與時間成正弦函數(shù)(Sinusoidal)的關(guān)系；微機電擺動式反射鏡來回擺動一次為一完整的周期，圖5(B)所示僅為四分的一周期，此時即達到最大的反射角度θs。
如圖6(B)所示，同理可得光點的位置Y′亦滿足E(2)，并將E(4)代入E(2)可得Y′＝LM*Tan[θs*Sin(2πf*t)]，.........E(5)其中，LM為反射鏡面到成像面的距離。
由E(5)式可得，在成像面14上光點與下一個光點之間距隨時間增加而遞減，即在成像面上光點的速率為非等速且遞減的；而此現(xiàn)象與旋轉(zhuǎn)式多面鏡(Polygon Mirror)的情況相反，因此須加入一特殊鏡片來修正此現(xiàn)象，使其在成像面14上作等速率的掃描；由于此鏡片是針對隨時間成正弦關(guān)系的角度變化量作修正，而有別用于旋轉(zhuǎn)式多面鏡所使用的F-θ鏡片，故稱其為F-Sinθ鏡片13；而在光學(xué)設(shè)計上，此F-Sinθ鏡片13是要刻意產(chǎn)生一″正畸變(PositiveDistortion or Pincushion Distortion)″，即將原來的光路徑經(jīng)由F-Sinθ鏡片13向打印終端(Printing End)彎折，如圖6(B)所示，而被F-Sinθ鏡片13彎折的光束與原來的光束在成像面上的位置差量(即d1′，d2′，d3′)，由中心向外漸增。
再參考圖7(A)、(B)，其分別為旋轉(zhuǎn)式多面鏡(Polygon Mirror)與微機電擺動式反射鏡(MEMS oscillatory mirror)的雷射掃描裝置(LSU)的光學(xué)設(shè)計，其中，光學(xué)是統(tǒng)中的鏡片都有修正光點位置的功能，使其在成像面上的掃描速率為等速率，即相同的時間間隔下，光點與下一光點之間距為相等的。
再參考圖8(A)、(B)，其分別為旋轉(zhuǎn)式多面鏡與微機電擺動式反射鏡的雷射掃描裝置(LSU)所使用的F-θ鏡片與F-Sinθ鏡片在畸變(Distortion)的光學(xué)特性，圖8(A)是表示一″負畸變″的光學(xué)特性，圖8(B)則是一″正畸變″的光學(xué)特性。
由上所述，可知本實用新型利用一微機電擺動式反射鏡22及一F-Sinθ鏡片23組成一雷射掃描裝置(LSU)，已與習知利用一旋轉(zhuǎn)式多面鏡及一F-θ鏡片組成的雷射掃描裝置(LSU)完全不同，且而本實用新型至少可達成下列優(yōu)點(1)在雷射掃描裝置(LSU)模塊中不須再設(shè)置一柱面鏡(cylindricallens)，可使F-Sinθ鏡片的光學(xué)設(shè)計將更堅固(more robust)且更高公差(highertolerance)。
(2)激光束中心軸與微機電擺動式反射鏡的機械中心不再有習用多面鏡(polygon mirror)的離軸偏差問題(deviation)，因此在設(shè)計F-Sinθ鏡片時，可只考慮對稱性光學(xué)區(qū)域(symmetric optical field)，而可簡化F-Sinθ鏡片的設(shè)計及制作。
(3)微機電擺動式反射鏡的簡諧運動(harmonic motion)激活后可馬上達成工作轉(zhuǎn)速，幾乎沒有待機時間，而且可具較高運轉(zhuǎn)速度，甚至比多面鏡馬達(polygon motor)使用氣式軸承馬達(air-bearing motor)還高，故微機電擺動式反射鏡微機電反射鏡的掃幅效率較佳。
(4)微機電擺動式反射鏡的簡諧運動(harmonic motion)是在某一定擺動幅度下的正反向擺動，使掃描方向(scanning direction)可雙向來回進行，致同一運轉(zhuǎn)速度的下，微機電擺動式反射鏡的雙向掃幅速度可兩倍于多面鏡的單向掃幅速度，相對增進掃幅效率。
綜上所述，本實用新型的確能藉由上述所揭露的結(jié)構(gòu)達到所預(yù)期的功效，且本實用新型申請前未見于刊物亦未公開使用，誠已符合專利的新穎、進步等要件。
惟，上述所揭的圖式及說明，僅為本實用新型的實施例而已，非為限定本實用新型的實施例；大凡熟悉該項技藝的人士，其所依本實用新型的特征范疇，所作的其它等效變化或修飾，皆應(yīng)涵蓋在以下本案的申請專利范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種雷射掃描裝置，其特征在于包含一半導(dǎo)體雷射，發(fā)射激光束并射出至準直鏡；一準直鏡，可接受半導(dǎo)體雷射的激光束，并形成平行光束出射至微機電擺動式反射鏡，且出射激光束主軸對準微機電擺動式反射鏡的擺動軸心；一微機電擺動式反射鏡，藉其微機電擺動結(jié)構(gòu)，使其上的反射鏡以某一擺動幅度下進行簡諧運動式擺動，并使入射激光束而反射至F-Sinθ鏡片；及一F-sinθ鏡片，其是針對微機電擺動式反射鏡隨時間成正弦關(guān)系的角度變化量作修正，使激光束在成像面上作等速率掃描。
2.如權(quán)利要求1所述的雷射掃描裝置，其特征在于，該F-Sinθ鏡是針對微機電擺動式反射鏡以簡諧運動方式反射激光束致使在成像面上的光點間距呈現(xiàn)隨時間增加而遞減的非等速率掃描現(xiàn)象，設(shè)計一F-Sinθ線性掃描鏡片，使該F-Sinθ鏡片可對隨時間成正弦關(guān)系的角度變化量作修正，使微機電簡諧運動反射鏡在成像面上光點間距由原來隨時間增加而遞減的非等速率掃描現(xiàn)象，修正為等速率掃描。
3.如權(quán)利要求1所述的雷射掃描裝置，其特征在于，該F-Sinθ可為單件式鏡片結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的雷射掃描裝置，其特征在于，該F-Sinθ可為兩件式鏡片結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1所述的雷射掃描裝置，其特征在于，該F-Sinθ可為多件式鏡片結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1所述的雷射掃描裝置，其特征在于，該準直鏡與該微機電擺動式反射鏡之間可設(shè)置一柱面鏡。
專利摘要一種雷射掃描裝置(LSU，Laser Scanning Unit)，包含一半導(dǎo)體雷射、一準直鏡、一微機電擺動式反射鏡(MEMS oscillatory mirror)、及一F－Sinθ線性掃描鏡片，其是于一LSU模塊中，設(shè)置一微機電擺動式反射鏡以操控激光束的掃描(laser beam scanning)，且藉以取代習用旋轉(zhuǎn)式多面鏡(polygonmirror)，并設(shè)置一F－Sinθ線性掃描鏡片以取代習用F－θ線性掃描鏡片，使可針對擺動式反射鏡隨時間成正弦關(guān)系的角度變化量作出修正，使激光束在成像面上作等速率的掃描關(guān)系。
文檔編號G02B26/10GK2879228SQ20062000228
公開日2007年3月14日 申請日期2006年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月22日
發(fā)明者徐三偉, 鄧兆展, 陳國仁, 溫明華, 朱翊麟 申請人:一品光學(xué)工業(yè)股份有限公司