CN101566726B - 微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片，具有一第一镜片以及一第二镜片，均为新月形且凹面在微机电反射镜侧的镜片所构成；其中，所述第一镜片，具有一第一光学面及一第二光学面，主要是将微机电反射镜反射的角度与时间非线性关系的扫描关系的扫瞄光线光点转换成距离与时间为线性的扫描光线光点；所述第二镜片，具有一第三光学面及一第四光学面，主要是将第一镜片的扫瞄光线修正聚光于目标物上，且第一镜片及第二镜片均满足特定的光学条件，藉由第一镜片及第二镜片的设置，可以达成线性扫描效果与高解析度扫描的功效。

Description

微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片

技术领域

本发明涉及一种微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片，特别是涉及一种用以修正呈简谐性运动的微机电反射镜而产生随时间成正弦关系的角度变化量，以达成激光扫瞄装置所要求的线性扫描效果的微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片。

背景技术

目前激光光束打印机LBP(Laser Beam Print)所用的激光扫描装置LSU(Laser Scanning Unit)，是利用一高速旋转的多面镜(polygon mirror)以操控激光光束的扫描动作(laser beam scanning)，例如美国专利US7079171、US6377293、US6295116，或如中国台湾专利I198966所述。其原理如下简述：利用一半导体激光发出激光光束(laser beam)，先经由一准直镜(collimator)，再经由一光圈(aperture)而形成平行光束，而平行光束再经过一柱面镜(cylindrical lens)后，能在副扫瞄方向(sub scanningdirection)的Y轴上的宽度能沿着主扫描方向(main scanning direction)的X轴的平行方向平行聚焦而形成一线状(line image)，再投射至一高速旋转的多面镜上，而多面镜上均匀连续设置有多面反射镜，其恰好位于或接近于上述线状成像(line image)的焦点位置。藉由多面镜控制激光光束的投射方向，当连续的复数反射镜在高速旋转时可将射至一反射镜上的激光光束沿着主扫描方向(X轴)的平行方向以同一转角速度(angularvelocity)偏斜反射至一fθ线性扫描镜片上，而fθ线性扫描镜片是设置于多面镜旁侧，可为单件式镜片结构(single-element scanning lens)或为二件式镜片结构。所述fθ线性扫描镜片的功能在于，使经由多面镜上的反射镜反射而射入fθ镜片的激光光束能聚焦成一椭圆型光点并投射在一光接收面(photoreceptor drum，即成像面)上，并达成线性扫描(scanninglinearity)的要求。然而，现有习用的激光扫瞄装置LSU在使用上会存在有下列问题：

(1)、旋转式多面镜的制作难度高且价格不低，相对的增加了LSU的制作成本。

(2)、多面镜需要具有高速旋转(如40000转/分)功能，且精密度要求又高，以致一般多面镜上反射面的镜面Y轴宽度极薄，使现有习用LSU中均需 增设一柱面镜(cylindrical lens)，以使激光光束经过柱面镜能聚焦成一线(Y轴上成一点)而再投射在多面镜的反射镜上，以致增加了购件及组装作业流程。

(3)、现有习用的多面镜须高速旋转(如40000转/分)，致使旋转噪音相对提高，并且多面镜从启动至工作转速须耗费较长时间，从而增加了开机后的等待时间。

(4)、现有习用的LSU的组装结构中，投射至多面镜反射镜的激光光束中心轴并非正对多面镜的中心转轴，以致在设计相配合的fθ镜片时，需要同时考虑多面镜的离轴偏差(deviation)问题，相对的增加了fθ镜片的设计及制作上的麻烦。

近年以来，为了改善现有习用LSU组装结构的问题，目前市面上开发出一种摆动式(oscillatory)的微机电反射镜(MEMS mirror)，用以取代现有习用的多面镜来操控激光光束扫描。微机电反射镜为转矩振荡器(torsion oscillators)表层上附有反光层，可藉由振荡摆动反光层，将光线反射而扫描，未来将可应用于影像***(imaging system)、扫描器(scanner)或激光打印机(laser printer)的激光扫描装置(laser scanningunit，简称LSU)，其扫描效率(Scanning efficiency)将可高于传统的旋转多面镜。如美国专利US6,844,951、US6,956,597，是产生至少一驱动讯号，其驱动频率趋近复数微机电反射镜的共振频率，并以一驱动讯号驱动微机电反射镜以产生一扫瞄路径；或如中国台湾专利TW M253133，其是在一LSU模组结构中准直镜及fθ镜片之间，利用一微机电反射镜取代现有习用的旋转式多面镜，藉以控制激光光束的投射方向；其他技术如美国专利US7,064,876、US7,184,187、US7,190,499、US2006/0033021、US2007/0008401、US2006/0279826、日本专利JP 2006-201350等所揭露，在此不多叙述。所述微机电反射镜，具有元件小，转动速度快，制造成本低的优点。然而由于所述微机电反射镜在接收一电压驱动后，将作一简谐运动，且所述简谐运动的方式为时间与角速度呈正弦关系，而投射于微机电反射镜，其经反射后的反射角度θ与时间t的关系为：

θ(t)＝θ_s·sin(2π·f·t)            (1)

其中：f为微机电反射镜的扫描频率；θ_s为激光光束经过微机电反射镜后，单边最大的扫描角度。

因此，在相同的时间间隔下Δt，所对应的反射角度的变化量并不相同且为递减，是一与时间成正弦函数(Sinusoidal)的关系，即在相同时间间隔Δt时，反射角度变化为：Δθ(t)＝θ_s·(sin(2π·f·t₁)-sin(2π·f·t₂))，与时间为非线性关系；当此反射的光线以不同角度投射在目标物时，因为受不同角度 的关系，相同时间间隔产生的光点距离为不相同。

由于微机电反射镜位于正弦波的波峰及波谷的角度变化量将随时间递增或递减，与习知的多面镜成等角速度转动的运动方式不同，若使用习知的fθ镜片在具有微机电反射镜的激光扫瞄装置(LSU)上，将无法修正微机电反射镜其摆动随时间成正弦关系所产生的角度变化量，造成投射在成像面上的激光光速将产生非等速率扫描现象，而造成成像面上的成像偏差。因此，对于微机电反射镜所构成的激光扫描装置，简称为微机电激光扫描装置(MEMS LSU)，其特性为激光光线经由微机电反射镜扫描后，形成等时间不同角度的扫描光线，因此发展可使用于微机电激光扫描装置的fθ镜片以修正扫描光线，使可在目标物上正确成像，将为迫切所需。

由此可见，上述现有的微机电激光扫描装置在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新型结构的微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。

有鉴于上述现有的微机电激光扫描装置存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及其专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片，能够改进一般现有的微机电激光扫描装置，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经过反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的微机电激光扫描装置存在的缺陷，而提供一种新型结构的微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片，所要解决的技术问题是使所述二片式fθ镜片由微机电反射镜起算，依序是由一新月形且凹面在微机电反射镜侧的第一镜片以及一新月形且凹面在微机电反射镜侧的第二镜片所构成，可将微机电反射镜所反射的扫描光线在目标物上正确成像，而可以达成激光扫瞄装置所要求的线性扫描效果，非常适于实用。

本发明的另一目的在于，提供一种新型结构的微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片，所要解决的技术问题是使其用以缩小投射在目标物上光点(spot)的面积，而可以达成提高解析度的效果，从而更加适于实用。

本发明的还一目的在于，提供一种新型结构的微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片，所要解决的技术问题是使其可畸变修正因扫描光线偏离光轴，而造成在主扫描方向及副扫描方向的偏移增加，使成像于感光鼓的光点变形成类椭圆形的问题，并使每一成像光点大小得以均匀化，而可以达成提升解像品质的功效，从而更加适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片，是适用于微机电激光扫描装置，所述微机电激光扫描装置至少包含一用以发射光束的光源、以共振左右摆动将光源发射的光束反射成为扫描光线的微机电反射镜、及一用以感光的目标物；其中，所述二片式fθ镜片包含：由所述微机电反射镜起算依序，是由一新月形且凹面在所述微机电反射镜侧的一第一镜片以及一新月形且凹面在微机电反射镜侧的一第二镜片所构成，其中：所述第一镜片，具有一第一光学面及一第二光学面，其是将所述微机电反射镜反射的角度与时间非线性关系的扫描光线光点转换成距离与时间为线性关系的扫描光线光点；所述第二镜片，具有一第三光学面及一第四光学面，是将所述第一镜片的扫描光线修正聚光于目标物上；藉由所述二片式fθ镜片，将所述微机电反射镜反射的扫描光线在主扫描方向及副扫描方向於目标物上成像。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片，其中在主扫描方向进一步满足下列条件：

$-0.7<\frac{d_3+d_4+d_5}{f_{\left(1\right)Y}}<0$

$0<\frac{d_5}{f_{\left(2\right)Y}}<0.6$

其中，f_(1)Y为所述第一镜片在主扫描方向的焦距，f_(2)Y为所述第二镜片在主扫描方向的焦距，d₃为θ＝0°所述第一镜片目标物侧光学面至所述第二镜片微机电反射镜侧光学面的距离，d₄为θ＝0°所述第二镜片厚度，d₅为θ＝0°所述第二镜片目标物侧光学面至目标物的距离。

前述的微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片，其进一步满足下列条件：

在主扫描方向满足

$0.05<\left|f_s(\frac{(n_{d1}-1)}{f_{\left(1\right)Y}}+\frac{(n_{d2}-1)}{f_{\left(2\right)Y}})\right|<0.5$

在副扫描方向满足

$0.1<|(\frac{1}{R_{1x}}-\frac{1}{R_{2x}})+(\frac{1}{R_{3x}}-\frac{1}{R_{4x}})f_s|<10.0$

其中，f_(1)Y与f_(1)X为所述第一镜片在主扫描方向与副扫描方向的焦距，f_(2)Y与f_(2)X为所述第二镜片在主扫描方向与副扫描方向的焦距，f_s为二片式fθ镜片的复合焦距，R_ix第i光学面在X方向的曲率半径；R_ix为第i光学面在X方向的曲率半径；nd1与nd2为所述第一镜片与所述第二镜片的折射率。

前述的微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片，其中光点的最大光点与最小光点大小的比值满足：

$0.2<\mathrm{\&delta;}=\frac{\min (S_b\&CenterDot;S_a)}{\max (S_b\&CenterDot;S_a)}$

其中，S_a与S_b为感光鼓上扫瞄光线形成的任一个光点在主扫描方向及副扫描方向的长度，δ为一感光鼓上最小光点与最大光点的比值。

前述的微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片，其中所述的目标物上最大光点的比值与在目标物上最小光点的比值分别满足：

${\mathrm{\&eta;}}_{\max }=\frac{\max (S_b\&CenterDot;S_a)}{(S_{b0}\&CenterDot;S_{a0})}<0.25$

${\mathrm{\&eta;}}_{\min }=\frac{\min (S_b\&CenterDot;S_a)}{(S_{b0}\&CenterDot;S_{a0})}<0.05$

其中，S_a0与S_b0为所述微机电反射镜反射面上扫瞄光线的光点在主扫描方向及副扫描方向的长度，S_a与S_b为所述感光鼓上扫瞄光线形成的任一个光点在主扫描方向及副扫描方向的长度，η_max为所述微机电反射镜反射面上扫瞄光线的光点经扫描在目标物上最大光点的比值，η_min为所述微机电反射镜反射面上扫瞄光线的光点经扫描在目标物上最小光点的比值。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，本发明的主要技术内容如下：

为达到上述目的，本发明提供一种微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片，适用于至少包含一将发射激光光束的光源、以共振左右摆动将光源发射的激光光束反射成为扫描光线的微机电反射镜，以在目标物上成像；对于激光打印机(即印表机)而言，此目标物常为感光鼓(drum)，即，待成像的光点经由光源发出激光光束，经由微机电反射镜左右扫描，微机电反射镜反射激光光束形成扫描光线，扫描光线经由本发明的二片式fθ镜片修正角度与位置后，在感光鼓上形成光点(spot)，由于感光鼓涂有光敏剂，可感应碳粉的聚集于纸上，如此可将资料打印出。

另外，为达到上述目的，本发明另还提供了一种二片式fθ镜片，包含由微机电反射镜起算依序的一第一镜片及一第二镜片，其中第一镜片具有一第一光学面及一第二光学面，主要是将呈简谐运动的微机电反射镜，在成像面上光点间距由原来随时间增加而递减或递增的非等速率扫描现象，修 正为等速率扫描，使激光光束于成像面的投射作等速率扫描。第二镜片具有一第三光学面及一第四光学面，主要用以均匀化扫瞄光线于主扫描方向及副扫描方向因偏移光轴而造成于感光鼓上形成成像偏差，并将第一镜片的扫描光线修正聚光于目标物上。

借由上述技术方案，本发明微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片至少具有下列优点及有益效果：

1、本发明使所述二片式fθ镜片由微机电反射镜起算，依序是由一新月形且凹面在微机电反射镜侧的第一镜片以及一新月形且凹面在微机电反射镜侧的第二镜片所构成，可以将微机电反射镜所反射的扫描光线在目标物上正确成像，而能够达成激光扫瞄装置所要求的线性扫描效果，非常适于实用。

2、本发明藉由缩小投射在目标物上光点(spot)的面积，而可以达成提高解析度的效果，从而更加适于实用。

3、本发明可以有效地畸变修正因扫描光线偏离光轴而造成在主扫描方向及副扫描方向的偏移增加，使成像于感光鼓的光点变形成类椭圆形的问题，并使每一成像光点大小得以均匀化，而能达成提升解像品质的功效，从而更加适于实用。

综上所述，本发明是有关于一种微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片，具有一第一镜片以及一第二镜片，均为新月形且凹面在微机电反射镜侧的镜片所构成；其中，所述第一镜片，具有一第一光学面及一第二光学面，主要是将微机电反射镜反射的角度与时间非线性关系的扫描关系的扫瞄光线光点转换成距离与时间为线性的扫描光线光点；所述第二镜片，具有一第三光学面及一第四光学面，主要是将第一镜片的扫瞄光线修正聚光于目标物上，且第一镜片及第二镜片均满足特定的光学条件，藉由第一镜片及第二镜片的设置，可以达成线性扫描效果与高解析度扫描的目的及功效。本发明具有上述诸多优点及实用价值，其不论在产品结构或功能上皆有较大改进，在技术上有显著的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的微机电激光扫描装置具有增进的突出功效，从而更加适于实用，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片的光学路径的示意图。

图2是一微机电反射镜扫描角度θ与时间t的关系图。

图3是通过第一镜片及第二镜片的扫描光线的光学路径图及符号说明图。

图4是扫描光线投射在感光鼓上后，光点面积随投射位置的不同而变化的示意图。

图5是本发明第一较佳实施例的光路图。

图6是本发明第一较佳实施例的光点示意图。

图7是本发明第二较佳实施例的光路图。

图8是本发明第二较佳实施例的光点示意图。

图9是本发明第三较佳实施例的光路图。

图10是本发明第三较佳实施例的光点示意图。

图11是本发明第四较佳实施例的光路图。

图12是本发明第四较佳实施例的光点示意图。

10：感光鼓                       11：激光光源

111：光束                        113a、113b、113c：扫瞄光线

114a、114b：扫瞄光线             115a、115b：扫瞄光线

131：第一镜片                    132：第二镜片

14a、14b：光电感测器             15：感光鼓

16：柱面镜                       2、2a、2b、2c：光点

3：有效扫描视窗

5：0.1mm的解析圆(Geometrical Spot)

7：0.imm的解析圆(Geometrical Spot)

9：0.1mm的解析圆(Geometrical Spot)

11：0.1mm的解析圆(Geometrical Spot)

6a、6b、6c、6d：光点             6e、6f、6g、6h：光点

8a、8b、8c、8d、8e：光点         8f、8g、8h、8i、8j：光点

10a、10b、10c、10d、10e：光点    10f、10g、10h、10i、10j：光点

12a、12b、12c、12d、12e：光点    12f、12g、12h、12i、12j：光点

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得一更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

请参阅图1所示，是本发明微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片的光学路径的示意图。本发明较佳实施例的微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片，其包含一具有一第一光学面131a及一第二光学面131b的第一镜片131，以及一具有一第三光学面132a及一第四光学面132b的第二镜片132，是适用于微机电激光扫瞄装置。图中，所述微机电激光扫描装置，主要包含有一激光光源11、一微机电反射镜10、一柱面镜16、二光电感测器14a、14b，及一用以感光的目标物。在图中，所述目标物是以用感光鼓(drum)15来实施。激光光源11所产生的光束111通过柱面镜16后，投射到微机电反射镜10上。而微机电反射镜10以共振左右摆动的方式，将光束111反射成扫瞄光线113a、113b、114a、114b、115a、115b。其中，所述扫瞄光线113a、113b、114a、114b、115a、115b在X方向的投影称为副扫描方向(sub scanning direction)，在Y方向的投影称为主扫描方向(mainscanning direction)，而微机电反射镜10扫描角度为θc。

由于微机电反射镜10呈一简谐运动，其运动角度是随时间呈一正弦变化，如图2所示，是一微机电反射镜扫描角度θ与时间t的关系图，因此扫瞄光线的射出角度与时间为非线性关系。如图示中的波峰a-a’及波谷b-b’，其摆动角度明显小于波段a-b及a’-b’，而此角速度不均等的现象容易造成扫描光线在感光鼓15上产生成像偏差。因此，光电感测器14a、14b是设置于微机电反射镜10最大扫描角度±θc之内，其夹角为±θp，激光光束111被微机电反射镜10由图2的波峰开始反射，此时相当于图1的扫描光线115a；当光电感测器14a侦测到扫描光束的时候，表示微机电反射镜10是摆动到+θp角度，此时相当于图1的扫描光线114a；当微机电反射镜10扫描角度变化图2的a点时，此时相当于扫描光线113a位置；此时激光光源11被控制开始发出激光光束111，而扫描至图2的b点时，此时相当于扫描光线113b位置为止(相当±θn角度内由激光光源11发出激光光束111)；在微机电反射镜10反振时，也在波段a’-b’时由激光光源11被控制开始发出激光光束111；如此完成一个周期。

请参阅图3所示，是通过第一镜片及第二镜片的扫描光线的光学路径图及符号说明图。其中，±θn为有效扫描角度，当微机电反射镜10的转动角度进入±θn时，激光光源11开始发出待扫描的激光光束111，经由微机 电反射镜10反射成扫瞄光线，扫瞄光线得以通过第一镜片131而受第一镜片131的第一光学面与第二光学面折射，将微机电反射镜10所反射的距离与时间成非线性关系的扫描光线转换成距离与时间为线性关系的扫描光线。并且，当通过第一镜片131与第二镜片132后，藉由第一镜片131与第二镜片132的第一光学面、第二光学面、第三光学面、第四光学面及各光学面的间距所形成的聚焦效果，将扫描光线聚焦于感光鼓15上，并且在感光鼓15上形成一列的光点(Spot)2，而投影在感光鼓15上，两最远光点2的间距称为有效扫描视窗3。其中，d1为微机电反射镜10至第一光学面的间距、d2为第一光学面至第二光学面的间距、d3为第二光学面至第三光学面的间距、d4为第三光学面至第四光学面的间距、d5为第四光学面至感光鼓15的间距、R1为第一光学面的曲率半径(Curvature)、R2为第二光学面的曲率半径、R3为第三光学面的曲率半径及R4为第四光学面的曲率半径。

请参阅图4所示，是扫描光线投射在感光鼓上后，光点面积随投射位置的不同而变化的示意图。为扫描光线投射在感光鼓上后，光点面积随投射位置的不同而变化的示意图。当扫瞄光线113a沿光轴方向透过第一镜片131及第二镜片132后投射在感光鼓15时，由于入射于第一镜片131及第二镜片132的角度为零，因此在主扫描方向的偏移率是零，因此成像于感光鼓上15的光点2a为一类圆形。当扫描光线113b及113c透过第一镜片131及第二镜片132后，投射在感光鼓15时，由于入射于第一镜片131及第二镜片132与光轴所形成的角度不为零，因此在主扫描方向的偏移率不为零，从而造成在主扫描方向的投影长度较扫描光线111a所形成的光点为大；此情形在副扫描方向也相同，偏离扫描光线111a的扫描光线所形成的光点，也将较大；所以，成像于感光鼓上的光点2b、2c为一类椭圆形，且2b、2c的面积大于2a。其中，S_a0与S_b0为微机电反射镜反射面上扫瞄光线的光点在主扫描方向(Y方向)及副扫描方向(X方向)的长度、S_a与S_b为感光鼓上扫瞄光线形成的任一个光点在Y方向及X方向的长度。本发明的二片式fθ镜片可在主扫描方向将光点大小经由fθ镜片的畸变(distortion)修正，使光点大小控制在有限的范围同时，可在副扫描方向将光点大小经由fθ镜片的畸变(distortion)修正，使光点大小控制在有限的范围。藉由本发明的二片式fθ镜片第一镜片131及第二镜片132各光学面在主扫描方向及副扫描方向的畸变修正，使各光点大小分布(最大光点与最小光点比值)，并控制在适当范围，可以提供符合的解析度。

为了达成上述功效，本发明二片式fθ镜片在第一镜片的第一光学面或第二光学面及第二镜片的第三光学面或第四光学面，可使用球面曲面或 非球面曲面为设计，若使用非球面曲面为设计，其非球面是以下列方程式为设计：

1：横像曲面方程式(Anamorphic equation)

$Z=\frac{\left(\mathrm{Cx}\right)X^2+\left(\mathrm{Cy}\right)Y^2}{1+\sqrt{1-(1+\mathrm{Kx}){\left(\mathrm{Cx}\right)}^2{X}^2-(1+\mathrm{Ky}){\left(\mathrm{Cy}\right)}^2{Y}^2}}+A_R{[(1-A_P)X^2+(1+A_P)Y^2]}^2+$

$B_R{[(1-B_P)X^2+(1+B_P)Y^2]}^3+C_R{[(1-C_P)X^2+(1+C_P)Y^2]}^4+$

$D_R{[(1-D_P)X^2+(1+D_P)Y^2]}^5---\left(2\right)$

其中，Z为镜片上任一点以光轴方向至0点切平面的距离(SAG)；C_x与C_y 分别为X方向及Y方向的曲率(curvature)；K_x与K_y分别为X方向及Y方向的圆锥系数(Conic coefficient)；A_R、B_R、C_R与D_R分别为旋转对称(rotationally symmetric portion)的四次、六次、八次与十次幂的圆锥变形系数(deformation from the conic)；A_P、B_P、C_P与D_P分别非旋转对称(non-rotationally symmetric components)的分别为四次、六次、八次、十次幂的圆锥变形系数(deformation from the conic)；当C_x＝C_y，K_x＝K_y且A_P＝B_p＝C_p＝D_p＝0则简化为单一非球面。

2：环像曲面方程式(Toric equation)

$Z=\mathrm{Zy}+\frac{\left(\mathrm{Cxy}\right)X^2}{1+\sqrt{1-{\left(\mathrm{Cxy}\right)}^2{X}^2}}$

$\mathrm{Cxy}=\frac{1}{(1/\mathrm{Cx})-\mathrm{Zy}}$

$\mathrm{Zy}=\frac{\left(\mathrm{Cy}\right)Y^2}{1+\sqrt{1-(1+\mathrm{Ky}){\left(\mathrm{Cy}\right)}^2{Y}^2}}+B_4{Y}^4+B_6{Y}^6+B_8{Y}^8+B_{10}{Y}^{10}---\left(3\right)$

其中，Z为镜片上任一点以光轴方向至0点切平面的距离(SAG)；C_y与C_x 分别Y方向与X方向的曲率(curvature)；K_y为Y方向的圆锥系数(Coniccoefficient)；B₄、B₆、B₈与B₁₀为四次、六次、八次、十次幂的系数deformation from the conic)；当C_x＝C_y且K_y＝A_P＝B_p＝C_p＝D_p＝0则简化为单一球面。

为能使扫描光线在目标物上成像的扫描速度为等速率，在两个相同的时间间隔，两个光点的距离相等；本发明的二片式fθ镜片可将扫描光线113a至扫描光线113b之间，藉由第一镜片131及第二镜片132进行扫描光线出射角的修正，使相同的时间间隔的两扫描光线，经出射角度修正后，在成像的感光鼓15上形成的两个光点的距离相等。更进一步的，当激光光束 111经由微机电反射镜10反射后，其光点较大，如果此扫描光线经过微机电反射镜10与感光鼓15的距离后，光点将更大，不符合实用解析度要求；本发明的二片式fθ镜片进一步可将微机电反射镜10反射的扫描光线113a至扫描光线113b之间进行聚焦于成像的感光鼓15上，形成较小的光点；再者，本发明的二片式fθ镜片更可将成像在感光鼓15上的光点大小均匀化(限制于一符合解析度要求的范围内)，以得最佳的解析度。

本发明的二片式fθ镜片，其包含，由微机电反射镜10起算依序，为一第一镜片131及第二镜片132，均为新月形且凹面在微机电反射镜侧的镜片所构成其中第一镜片131具有第一光学面及第二光学面，是将微机电反射镜10反射的角度与时间非线性关系的扫描光线光点转换成距离与时间为线性关系的扫描光线光点；其中，第二镜片132具有第三光学面及第四光学面，是将第一镜片131的扫描光线修正聚光于目标物上；藉由所述二片式fθ镜片将微机电反射镜10反射的扫描光线于敢光鼓15上成像；其中，第一光学面、第二光学面、第三光学面及第四光学面在主扫描方向至少有一个为非球面所构成的光学面、第一光学面、第二光学面、第三光学面及第四光学面在副扫描方向至少有一个为非球面所构成的光学面。更进一步的，在第一镜片131及第二镜片132构成上，在光学效果上，本发明的二片式fθ镜片，在主扫描方向进一步满足式(4)及式(5)条件：

$-0.7<\frac{d_3+d_4+d_5}{f_{\left(1\right)Y}}<0---\left(4\right)$

$0<\frac{d_5}{f_{\left(2\right)Y}}<0.6---\left(5\right)$

或者，在主扫描方向满足式(6)

$0.05<\left|f_s(\frac{(n_{d1}-1)}{f_{\left(1\right)Y}}+\frac{(n_{d2}-1)}{f_{\left(2\right)Y}})\right|<0.5---\left(6\right)$

且在副扫描方向满足式(7)

$0.1<|(\frac{1}{R_{1x}}-\frac{1}{R_{2x}})+(\frac{1}{R_{3x}}-\frac{1}{R_{4x}})f_s|<10.0---\left(7\right)$

其中，f_(1)Y为第一镜片131在主扫描方向的焦距，f_(2)Y为第二镜片132在主扫描方向的焦距，d₃为θ＝0°第一镜片131目标物侧光学面至第二镜片132微机电反射镜侧光学面的距离，d₄为θ＝0°第二镜片厚度，d₅为θ＝0°第二镜片目标物侧光学面至目标物的距离，f_(1)X为第一镜片在副扫描方向的焦距，f_(2)X为第二镜片副扫描方向的焦距，f_s为二片式fθ镜片的复合焦距 (combined focal length)，R_ix第i光学面在X方向的曲率半径；R_ix为第i光学面在X方向的曲率半径；n_d1与n_d2为第一镜片与第二镜片的折射率(refraction index)。

再者，本发明的二片式fθ镜片所形成的光点均一性，可以最大光点与最小光点大小的比值δ表示，即满足式(8)：

$0.2<\mathrm{\&delta;}=\frac{\min (S_b\&CenterDot;S_a)}{\max (S_b\&CenterDot;S_a)}---\left(8\right)$

更进一步的，本发明的二片式fθ镜片所形成的解析度，可以使用η_max 为微机电反射镜10反射面上扫瞄光线的光点经扫描在感光鼓15上最大光点的比值(Ratio of scanning light of maximum spot)与η_min为微机电反射镜10反射面上扫瞄光线的光点经扫描在目标物上最小光点的比值(Ratioof scanning light of minimum spot)为表示，即可满足式(9)及(10)，

${\mathrm{\&eta;}}_{\max }=\frac{\max (S_b\&CenterDot;S_a)}{(S_{b0}\&CenterDot;S_{a0})}<0.25---\left(9\right)$

${\mathrm{\&eta;}}_{\min }=\frac{\min (S_b\&CenterDot;S_a)}{(S_{b0}\&CenterDot;S_{a0})}<0.05---\left(10\right)$

其中，S_a与S_b为感光鼓上扫瞄光线形成的任一个光点在主扫描方向及副扫描方向的长度、δ为感光鼓上最小光点与最大光点的比值；S_a0与S_b0为微机电反射镜反射面上扫瞄光线的光点在主扫描方向及副扫描方向的长度。

为了使本发明更加明确详实，兹列举较佳实施例并配合下列图示，将本发明的结构及其技术特征详细说明如后：

本发明以下所揭示的实施例，是针对本发明微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片的主要构成元件而作说明，因此本发明以下所揭示的实施例虽然是应用于一微机电激光扫描装置中，但是就一般具有微机电激光扫描装置而言，除了本发明所揭示的二片式fθ镜片外，其他结构是属于一般技术人员通知的技术，因此一般在此领域中熟悉此项技艺的人士均了解，本发明所揭示的微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片的构成元件，并不限制于以下所揭示的实施例结构，也就是所述微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片的各构成元件，可以是进行许多改变、修改、甚至等效变更的，例如：第一镜片及第二镜片的曲率半径设计或面型设计、材质选用、间距调整等并不限制。

<第一实施例>

本实施例的二片式fθ镜片的第一镜片及一第二镜片，均为新月形且 凹面在微机电反射镜侧的镜片所构成，在第一镜片第一光学面、第二镜片第四光学面是为非球面，使用式(2)为非球面公式设计；在第一镜片第二光学面及第二镜片第三学面是为非球面，使用式(2)为非球面公式设计。其光学特性与非球面参数如下面的表一及表二所示。

表一、第一实施例的fθ光学特性

表二、第一实施例的光学面非球面参数

经由此所构成的二片式fθ镜片的光学面其光路图是如图5所示，是本发明第一较佳实施例的光路图，f_(1)Y＝152.84、f_(2)Y＝-132.768可将扫描光线转换成距离与时间为线性的扫描光线光点，并将微机电反射镜10上光点S_a0＝154.6、S_b0＝3587.48扫描成为扫描光线，在感光鼓15上进行聚焦，形成较小的光点6，并满足式(4)～式(10)的条件，如表三所示；光点大小自中心轴5至扫描视窗3的左侧分布为：光点4a(中心轴)、4b～4j(扫描视窗3最左侧)，如图6所示，是本发明第一较佳实施例的光点示意图。另外扫描视窗3的右侧与左侧为对称相同。

表三、第一实施例满足条件表

<第二实施例>

本实施例的二片式fθ镜片的第一镜片及一第二镜片均为新月形且凹面在微机电反射镜侧的镜片所构成，在第一镜片第一光学面为非球面，使用式(3)为非球面公式设计；在第一镜片第二光学面及第二镜片第三学面是为非球面，使用式(2)为非球面公式设计；在第二镜片第四学面是为球面。其光学特性与非球面参数如下面的表四及表五所示。

表四、第二实施例的fθ光学特性

fs＝155.0
				光学面	曲率半径(mm)	d厚度(mm)	nd折射率
(optical surface)	(curvature)	(thickness)	(refraction index)
				MEMS反射面R0	0.000000	35.00	1
lens 1			1.533
				R1(Y Toroid)
R1x*	-31.195065	8.00
				R1y*	-66.689255
R2(Anamorphic)
				R2x*	-11.537224	15.00
R2y*	-59.430437
				lens 2			1.533
R3(Anamorphic)
				R3x*	138.084983	8.00
R3y*	-380.314932
				R4(Y Toroid)
R4x	291.593710	73.86
				R4y	-406.695465
感光鼓(drum)R5	0.000000	0.00

*表示非球面

[0119] 表五、第二实施例的光学面非球面参数

经由此所构成的二片式fθ镜片的光学面其光路图是如图7所示，是本发明第二较佳实施例的光路图，f_(1)Y＝750.157、f_(2)Y＝-12420.515可将扫描光线转换成距离与时间为线性的扫描光线光点，并且将微机电反射镜10上光点S_a0＝14.27、S_b0＝3027.158扫描成为扫描光线，在感光鼓15上进行聚焦，形成较小的光点8，并满足(4)～式(10)的条件，如表三所示；光点大小自中心轴7至扫描视窗3的左侧分布为：光点5a(中心轴)、5b～5j(扫描视窗3最左侧)，如图8所示，是本发明第二较佳实施例的光点示意图。另外扫描视窗3的右侧与左侧为对称相同。

表六、第二实施例满足条件表

<第三实施例>

本实施例的二片式fθ镜片的第一镜片及一第二镜片均为新月形且凹面在微机电反射镜侧的镜片所构成，在第一镜片第一光学面及第二镜片第四光学面在副扫描方向是为球面；第一镜片第二光学面及第二镜片第三光学面是为非球面，使用式(2)为非球面公式设计；第一镜片第一光学面及第二镜片第四光学面在主扫描方向是为非球面，使用式(3)为非球面公式设计。其光学特性与非球面参数如下面的表七及表八所示。

表七、第三实施例的fθ光学特性

表八、第三实施例的光学面非球面参数

经由此所构成的二片式fθ镜片的光学面其光路图如图9所示，是本发明第三较佳实施例的光路图，f_(1)Y＝4831.254、f_(2)Y＝-559.613可将扫描光线转换成距离与时间为线性的扫描光线光点，并且将微机电反射镜10上光点S_a0＝14.488、S_b0＝2800.64扫描成为扫描光线，在感光鼓15上进行聚焦，形成较小的光点10，并满足(4)～式(10)的条件，如表三所示；光点大小自中心轴9至扫描视窗3的左侧分布为：光点6a(中心轴)、6b～6j(扫描视窗3最左侧)，如图10所示，是本发明第三较佳实施例的光点示意图。另外扫描视窗3的右侧与左侧为对称相同。

表九、第三实施例满足条件表

<第四实施例>

本实施例的二片式fθ镜片的第一镜片及一第二镜片均为新月形且凹面在微机电反射镜侧的镜片所构成，在第一镜片第一光学面、第二镜片第四光学面是为非球面，使用式(3)为非球面公式设计；在第一镜片第二光学面及第二镜片第三学面是为非球面，使用式(2)为非球面公式设计。其光学特性与非球面参数如下面的表十及表十一所示。

表十、第四实施例的fθ光学特性

表十一、第四实施例的光学面非球面参数

经由此所构成的二片式fθ镜片的光学面其光路图如图11所示，是本发明第四较佳实施例的光路图。f_(1)Y＝199.885、f_(2)Y＝-162.471可将扫描光线转换成距离与时间为线性的扫描光线光点，并且将微机电反射镜10上光点S_a0＝14.374、S_b0＝2917.652扫描成为扫描光线，在感光鼓15上进行聚焦，形成较小的光点12，并满足(4)～式(10)的条件，如表三所示；光点大小自中心轴11至扫描视窗3的左侧分布为：光点7a(中心轴)、7b～7j(扫描视窗3最左侧)，如图12所示，是本发明第四较佳实施例的光点示意图。另扫描视窗3的右侧与左侧为对称相同。

表十二、第四实施例满足条件表

藉由上述之实施例说明，本发明至少可达下列功效：

1、藉由本发明的二片式fθ镜片的设置，可将呈简谐运动的微机电反射镜在成像面上光点间距由原来随时间增加而递减或递增的非等速率扫描现象，修正为等速率扫描，使激光光束于成像面的投射作等速率扫描，使成像于目标物上形成的两相邻光点间距相等。

2、藉由本发明的二片式fθ镜片的设置，可畸变修正于主扫描方向及副扫描方向扫描光线，使聚焦于成像的目标物上的光点得以缩小。

3、藉由本发明的二片式fθ镜片的设置，可畸变修正于主扫描方向及副扫描方向扫描光线，使成像在目标物上的光点大小均匀化。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片，适用于微机电激光扫描装置，所述微机电激光扫描装置至少包含一用以发射光束的光源、以共振左右摆动将光源发射的光束反射成为扫描光线的微机电反射镜、及一用以感光的目标物；其特征在于所述二片式fθ镜片包含：由所述微机电反射镜起算，依序由一新月形且凹面在所述微机电反射镜侧的一第一镜片，以及一新月形且凹面在微机电反射镜侧的一第二镜片所构成，其中：

所述第一镜片，具有一第一光学面及一第二光学面，是将所述微机电反射镜反射的角度与时间非线性关系的扫描光线光点转换成距离与时间为线性关系的扫描光线光点；

所述第二镜片，具有一第三光学面及一第四光学面，是将所述第一镜片的扫描光线修正聚光于所述目标物上；

藉由所述二片式fθ镜片，将所述微机电反射镜反射的扫描光线在一主扫描方向及一副扫描方向在所述目标物上成像；

所述主扫描方向进一步满足下列条件：

$-0.7<\frac{d_3+d_4+d_5}{f_{\left(1\right)Y}}<0$

$0<\frac{d_5}{f_{\left(2\right)Y}}<0.6$

其中，f_(1)Y为所述第一镜片在所述主扫描方向的焦距，f_(2)Y为所述第二镜片在所述主扫描方向的焦距，d₃为θ＝0°所述第一镜片目标物侧光学面至所述第二镜片微机电反射镜侧光学面的距离，d₄为θ＝0°所述第二镜片厚度，d₅为θ＝0°所述第二镜片目标物侧光学面至所述目标物的距离。

2.根据权利要求1所述的微机电激光扫描装置的二片式f θ镜片，其特征在于所述主扫描方向及所述副扫描方向进一步满足下列条件：

所述主扫描方向满足

$0.05<\left|f_s(\frac{(n_{d1}-1)}{f_{\left(1\right)Y}}+\frac{(n_{d2}-1)}{f_{\left(2\right)Y}})\right|<0.5$

所述副扫描方向满足

$0.1<|(\frac{1}{R_{1x}}-\frac{1}{R_{2x}})+(\frac{1}{R_{3x}}-\frac{1}{R_{4x}})f_s|<10.0$

其中，f_(1)Y与f_(1)X为所述第一镜片在所述主扫描方向与所述副扫描方向的焦距，f_(2)Y与f_(2)X为所述第二镜片在所述主扫描方向与所述副扫描方向的焦距，f_s为二片式fθ 镜片的复合焦距，R_ix第i光学面在X方向的曲率半径；R_ix为第i光学面在X方向的曲率半径；n_d1与n_d2为所述第一镜片与所述第二镜片的折射率。

3.根据权利要求1所述的微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片，其特征在于所述目标物上最大光点与最小光点大小的比值满足：

$0.2<\mathrm{\&delta;}=\frac{\min (S_b\&CenterDot;S_a)}{\max (S_b\&CenterDot;S_a)}$

其中，S_a与S_b为所述目标物上扫瞄光线形成的任一个光点在所述主扫描方向及所述副扫描方向的长度，δ为所述目标物上最小光点与最大光点的比值。

4.根据权利要求1所述的微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片，其特征在于所述的目标物上最大光点的比值与在所述目标物上最小光点的比值分别满足：

${\mathrm{\&eta;}}_{\max }=\frac{\max \left(S_b{\&CenterDot;S}_a\right)}{(S_{b0}\&CenterDot;S_{a0})}<0.25$

${\mathrm{\&eta;}}_{\min }=\frac{\min \left(S_b{\&CenterDot;S}_a\right)}{(S_{b0}\&CenterDot;S_{a0})}<0.05$

其中，S_a0与S_b0为所述微机电反射镜反射面上扫瞄光线的光点在所述主扫描方向及所述副扫描方向的长度，S_a与S_b为所述目标物上扫瞄光线形成的任一个光点在所述主扫描方向及所述副扫描方向的长度，η_max为所述微机电反射镜反射面上扫瞄光线的光点经扫描在所述目标物上最大光点的比值，η_min为所述微机电反射镜反射面上扫瞄光线的光点经扫描在所述目标物上最小光点的比值。

5.根据权利要求1至4任一项所述的微机电激光扫描装置的二片式fθ镜片，其特征在于所述目标物为一感光鼓。

Images