CN201569788U - 激光扫描装置的短聚光距二片式fθ镜片 - Google Patents

Abstract

一种激光扫描装置的短聚光距二片式fθ镜片，用于具有旋转多面镜的激光扫描装置，在扫描中心轴上的主扫描方向，第一镜片为具有正屈光度的镜片、第二镜片为具有负屈光度的镜片，其中第一镜片具有第一及第二光学面，第二镜片具有第三及第四光学面，第一、第二、第三光学面的凹面设置于旋转多面镜侧，第四光学面具有反曲点且在扫描中心轴上其凸面位于旋转多面镜侧，并满足光学条件：0.4557≤tan(β)≤0.7265，其中β为最大有效窗口角。藉由此短聚光距二片式fθ镜片的第一镜片及第二镜片的设置，可有效缩短旋转多面镜至成像面的距离，以达成减小激光扫描装置体积的具体目的。

Description

激光扫描装置的短聚光距二片式fθ镜片

技术领域

本实用新型涉及一种激光扫描装置的短聚光距二片式fθ镜片，尤其涉及一种用于旋转多面镜(Polygon mirror)的激光扫描装置(Laser scanning unit)，具有短聚光距以缩小激光扫描装置体积的二片式fθ镜片。

背景技术

目前激光束打印机LBP(Laser Beam Print)所用的激光扫描装置LSU(LaserScanning Unit)，利用一高速旋转多面镜(polygon mirror)以操控激光束的扫描动作(laser beam scanning)，如美国专利US7,079,171、US6,377,293、US6,295,116，或如中国台湾专利198966所述。其原理如下简述：利用一半导体激光发出激光束(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，聚焦而形成一线状(line image)，再投射至一高速旋转多面镜(polygon mirror)上，而旋转多面镜上均匀连续设置有多面反射镜(reflection mirror)，其位于或接近于上述线状成像(line image)的焦点位置上。藉由旋转多面镜控制激光束的投射方向，当连续的复数反射镜在高速旋转时，可将投射至一反射镜上的激光束沿着扫描方向(X轴)的平行方向以同一转角速度(angular velocity)偏斜反射至一fθ线性扫描镜片上，而fθ线性扫描镜片设置于旋转多面镜旁侧，可为单件式镜片结构(single-element scanning lens)或为二件式镜片结构。此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镜片的激光束能将扫描光线聚焦成一圆形(或椭圆型)光点并投射在一光接收面(感光鼓photoreceptor drum，即成像面)上，并达成线性扫描(scanning linearity)的要求，使用如美国专利US4,707,085、US6,757,088或日本专利JP2004-294713等。然而，传统的fθ线性扫描镜片仍存在有下列问题：

(1)、由于旋转多面镜反射激光束时，投射至各旋转多面镜的反射镜上的激光束的扫描中心轴并非正对旋转多面镜的中心转轴，以致在设计fθ线性扫描镜片时，需同时考虑旋转多面镜的离轴偏差(reflection deviation)问题。传统技术中使用副扫描方向的光学补正方法以修正主扫描方向的光学补正的方法，如美国专利US5,111,219、US5,136,418、日本专利JP2756125等所揭露的技术。但为使离轴偏差可以经由副扫描方向的光学补正方法加以适当修正，则需要较长的焦距，而引起增加激光扫描装置整体体积的问题。

(2)、为使fθ线性扫描镜片的扫描光线在感光鼓上的光点的直径能符合使用规范要求，在传统技术上，常使用具有较长的焦距的镜片，以使成像质量较佳，甚至使用反射镜延伸成像的距离，如美国专利US2002/0063939或使用三件式镜片如美国专利US2002/0030158、US5,086,350及日本专利JP63-172217。或者是使用较难制作的绕射镜片(diffraction lens)，如美国专利US2001/0009470、US5,838,480等。更或是使用具有反曲点(inflection point)的二件式镜片，如美国专利US5,111,219、US7,057,781、US6,919,993以及使用具有反曲点的单件式镜片如日本专利JP04-50908。

(3)、为适用于小型打印机的使用，而缩小激光扫描装置体积时所采用的传统方法之一为缩短感光鼓上的成像距离，如美国专利US7,130,096中，使用限制有效扫描距离(effective scanning range)与成像光学距离(optical length)比值的方法，以缩短感光鼓上的成像距离并消除鬼影现象(ghost image)。又如美国专利US6,324,015中，使用限制旋转多面镜至感光鼓的距离(称聚光距)与fθ镜片的焦距比值(d/f)，以缩短其距离，但以焦距为100mm为例，聚光距约为200mm。美国专利US6,933,961中所揭露的二片式fθ镜片，采用不对称(asymmetric optical surface)光学面，使二个fθ镜片光轴在主扫描方向或副扫描方向上产生偏位(axis deviate from main-scanning or sub-scanning)而可缩小聚光距。为满足消费者对激光扫描装置轻薄短小的需求，对于具有短聚光距(如以A4的激光打印机，而聚光距需小于150mm)且在主扫描与副扫描方向上，可有效修正光学畸变、提高扫描质量与提高分辨率的短聚光距二片式fθ镜片，实为使用者的迫切需求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种激光扫描装置的短聚光距二片式fθ镜片，用于具有旋转多面镜的激光扫描装置，主要用以均匀化扫描光线在主扫描方向及副扫描方向上，因偏移扫描中心轴而造成感光鼓上所形成的成像偏差，并可将扫描光线修正聚焦于目标物上，而可将旋转多面镜所反射的扫描光线在目标物上正确成像，达成激光扫描装置所要求的线性扫描的效果。

本实用新型的另一目的在于提供一种激光扫描装置的短聚光距二片式fθ镜片，具有短聚光距，可达到缩小激光扫描装置的体积并具有良好成像效果的目的。因满足0.4557≤tan(β)≤0.7265的条件，其中β为最大有效窗口角(maximum angle of effective window)，使得旋转多面镜反射的激光束经由此短聚光距二片式fθ镜片，可使扫描光线在较短聚焦距离下，仍可符合投射在目标物上光点(spot)面积的要求，而达到减少激光扫描装置体积的目的。

本实用新型的再一目的在于提供一种激光扫描装置的短聚光距二片式fθ镜片，可畸变修正因扫描光线偏离扫描中心轴，而造成在主扫描方向及副扫描方向的偏移增加，使得成像于感光鼓的光点产生变形的问题，并使每一成像光点大小得以均匀化，而达到提高解像质量(resolution quality)的功效。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种短聚光距二片式fθ镜片，其适用于激光扫描装置，该激光扫描装置至少包含一用以发射激光束的光源、一用以将激光束扫描成扫描光线的旋转多面镜及一用以感光的目标物；该二片式fθ镜片具有一第一镜片及一第二镜片，且由该旋转多面镜依序起算，该第一镜片为新月型具有一第一光学面及一第二光学面，该第二镜片具有一第三光学面及一第四光学面，其特征在于：该二片式fθ镜片在扫描中心轴的主扫描方向上，该第一镜片具正屈光度、该第二镜片具负屈光度，该第一光学面、该第二光学面及该第三光学面的凹面面向旋转多面镜侧，该第四光学面具有反曲点且在扫描中心轴上其凸面面向旋转多面镜侧；该第一光学面、该第二光学面、该第三光学面及该第四光学面在主扫描方向均为非球面，并满足下列条件：

$0.6\≤\frac{d_1+d_3+d_5}{f_s}\≤2.0;$

0.4557≤tan(β)≤0.7265；

其中，d₁为扫描中心轴上该旋转多面镜的反射面至该第一镜片的旋转多面镜侧的距离、d₃为扫描中心轴上该第一镜片的该目标物侧光学面至该第二镜片的该旋转多面镜的距离、d₅为扫描中心轴上该第二镜片目标物侧光学面至该目标物的距离、f_s为该二片式fθ镜片的复合焦距，β为最大有效窗口角。

另外，所述短聚光距二片式fθ镜片可在主扫描方向上，进一步满足下列条件：

$0.22\≤f_s\·(\frac{(n_{d1}-1)}{f_{\left(1\right)Y}}+\frac{(n_{d2}-1)}{f_{\left(2\right)Y}})\≤1.2;$

其中，f_(1)Y为该第一镜片在主扫描方向的焦距、f_(2)Y为该第二镜片在主扫描方向的焦距、f_s为二片式fθ镜片的复合焦距、n_d1与n_d2为该第一镜片与该第二镜片的折射率。

此外，所述短聚光距二片式fθ镜片可在副扫描方向进一步满足下列条件：

$-2.82\≤f_s\·(\frac{(n_{d1}-1)}{f_{\left(1\right)X}}+\frac{(n_{d2}-1)}{f_{\left(2\right)X}})\≤-0.31;$

其中，f_(1)X为该第一镜片在副扫描方向的焦距、f_(2)X为该第二镜片在副扫描方向的焦距、f_s为该二片式fθ镜片的复合焦距、n_d1与n_d2为该第一镜片与该第二镜片的折射率。

该目标物上最大光点的比值与在该目标物上最小光点的比值可分别满足：

${\mathrm{\η}}_{\max }=\frac{\max (S_b\·S_a)}{(S_{b0}\·S_{a0})}\≤0.05;$

${\mathrm{\η}}_{\min }=\frac{\min (S_b\·S_a)}{(S_{b0}\·S_{a0})}\≤0.005;$

其中，S_a0与S_b0为该旋转多面镜反射面上扫描光线的光点在副扫描方向及主扫描方向的均方根半径、S_a与S_b为该旋转多面镜的反射面上扫描光线形成的任一个光点在副扫描方向及主扫描方向的均方根半径、η_max为该旋转多面镜反射面上扫描光线的光点与扫描在该目标物上最大光点的比值、η_min为该旋转多面镜反射面上扫描光线的光点与扫描在该目标物上最小光点的比值。

因此，本实用新型的激光扫描装置的短聚光距二片式fθ镜片，适用于激光扫瞄装置，藉由设置于激光扫描装置内的旋转多面镜上的反射镜，将光源发射的激光束反射成为扫描光线，以在目标物上成像。对激光打印机而言，此目标物通常为感光鼓(drum)，即，待成像的光点可藉由光源发射出的激光束，经由旋转多面镜的反射镜扫描形成扫描光线后，此扫描光线再经由本实用新型的短聚光距二片式fθ镜片加以修正角度与位置后，即可在感光鼓上形成光点(spot)。由于感光鼓上涂有光敏剂，用于感应碳粉使其聚集于纸上，如此一来，便可将数据打印出。

附图说明

图1为本实用新型二片式fθ镜片的光学路径的示意图；

图2为通过第一镜片及第二镜片的扫描光线的光学路径的示意图；

图3为说明第四光学面反曲点的部分放大示意图；

图4为说明感光鼓上的几何光点的光点面积的示意图；

图5为最大有效窗口示意图；

图6为本实用新型各实施例的光学路径图；

图7为第一实施例的在目标物上不同位置的光点大小示意图；

图8为第一实施例感光鼓上的光点分布图；

图9为第二实施例的在目标物上不同位置的光点大小示意图；

图10为第二实施例感光鼓上的光点分布图；

图11为第三实施例的在目标物上不同位置的光点大小示意图；

图12为第三实施例感光鼓上的光点分布图；

图13为第四实施例的在目标物上不同位置的光点大小示意图；

图14为第四实施例感光鼓上的光点分布图；

图15为第五实施例的在目标物上不同位置的光点大小示意图；

图16为第五实施例感光鼓上的光点分布图；

图17为第六实施例的在目标物上不同位置的光点大小示意图；及

图18为第六实施例感光鼓上的光点分布图。

具体实施方式

请参照图1，为本实用新型激光扫描装置的短聚光距二片式fθ镜片的光学路径的示意图。本实用新型的激光扫描装置的短聚光距二片式fθ镜片包含具有第一光学面131a及第二光学面131b的第一镜片131，与具有第三光学面132a及第四光学面132b的第二镜片132，适用于激光扫描装置。图中，激光扫描装置主要包含激光光源11、旋转多面镜10、柱面镜16以及用以感光的目标物，在图中，目标物以感光鼓(drum)15来实施。激光光源11所产生的光束111通过柱面镜16后，投射到旋转多面镜10上。而旋转多面镜10具有复数个反射镜片(在图中，为五面反射镜片)，各面反射镜片以旋转多面镜10的中心转轴为转轴进行旋转，而将光束111反射成扫描光线113a、113b及113c。其中扫描光线113a、113b、113c在X方向上的投影称为副扫描方向(subscanning direction)，在Y方向上的投影称之为主扫描方向(main scanningdirection)，扫描光线113c及113b自第二镜片的第四光学面132b射出后，在感光鼓15上分别形成最左端(left end)与最右端(right end)，此两端间的距离为有效窗口3(effective window)距离，如图2所示，在有效窗口3距离内的光点2可将碳粉热转印于纸张上，而将原文件数据打印出来。

请参照图1及图2，其中图2为通过第一镜片及第二镜片的扫描光线的光学路径图。当激光光源11开始发出激光束111，经由旋转多面镜10反射为扫描光线，当扫描光线通过第一镜片131时受第一镜片131的第一光学面131a与第二光学面131b折射，将旋转多面镜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。当扫描光线通过第一镜片131与第二镜片132后，藉由第一光学面131a、第二光学面131b、第三光学面132a、第四光学面132b的光学性质，将扫描光线聚焦于感光鼓15上，而在感光鼓15上形成一列的光点(Spot)2。其中，d₀为柱面镜16在旋转多面镜10的光学面沿激光束中心至旋转多面镜10反射镜的最小距离(未在图上显示)，d₁为旋转多面镜10至第一光学面131a的间距、d₂为第一光学面131a至第二光学面131b的间距、d₃为第二光学面131b至第三光学面132a的间距、d₄为第三光学面132a至第四光学面132b的间距、d₅为第四光学面132b至感光鼓15的间距、R₁为第一光学面131a的曲率半径(Curvature)、R₂为第二光学面131b的曲率半径、R₃为第三光学面132a的曲率半径、R₄为第四光学面132b的曲率半径。

第四光学面132b在主扫描方向上，为具有反曲点的光学面，如图3所示，在扫描中心轴上，其凸面面向旋转多面镜10侧，离开扫描中心轴经过反曲点P后，则变为其凹面面向旋转多面镜10侧。

请参照图4，为扫描光线投射在感光鼓上后，光点面积(spot area)随投射位置的不同而变化的示意图。当扫描光线113a沿主扫描方向透过第一镜片131及第二镜片132后，投射在感光鼓15上时，因入射于第一镜片131及第二镜片132的角度为零，所以在主扫描方向上所产生的偏移率最小，其成像于感光鼓15上的光点2a具一类似圆形的外形。当扫描光线113b及113c透过第一镜片131及第二镜片132后而投射在感光鼓15上时，因入射于第一镜片131及第二镜片132与扫描中心轴所形成的夹角不为零，所以在主扫描方向上将产生偏移率，而造成在主扫描方向上的投影长度较扫描光线113a所形成的光点为大；此种情形在副扫描方向亦同样会发生，偏离扫描光线113a的扫描光线113b，113c所形成的光点，也将较大。所以成像于感光鼓15上的光点2b及2c为一类椭圆形，且2b、2c的面积大于2a。图中，Sa0与Sb0为旋转多面镜10反射面上扫描光线的光点在主扫描方向(Y方向)及副扫描方向(X方向)的均方根半径(Root means square of spot size radius on target)、Sa与Sb为在目标物上光点大小X方向及Y方向的均方根半径，Smax，Y为任一光点在主扫描方向最大的半径。

请参考图5，为扫描光线投射在感光鼓15上的有效窗口与最大有效窗口角(effective window angle)β的示意图。当最左端扫描光线113c射出第二镜片132的第四光学面132b后，此扫描光线113c与平行于扫描中心轴的直线夹角，即为有效窗口角的最大值。为达成缩小激光扫描装置的体积的目的，可藉由缩短自旋转多面镜10至感光鼓15的成像距离，即缩短聚光距来实现。为缩短聚光距，除可在第一镜片131及第二镜片132的四个光学面的光学特性、第一镜片131及第二镜片132的使用材料(折射率、阿贝数)等光学设计要素的变更，以缩短聚光距(d1+d2+d3+d4+d5)外，另外还可提高最大有效窗口角β的数值，使扫描的张开角度增大，最大有效窗口角β与第二镜片132至感光鼓15的距离之间的关系如式(1)所示，当加大β值时，在固定的有效窗口下，可有效缩短y_a值。

$\mathrm{\β}={\tan }^{-1}\left(\frac{y_b}{y_a}\right)---\left(1\right)$

其中，y_a为主扫描方向(Y方向)上，最末端扫描光线(最左端113c或最右端113b)出射于第二镜片132的第四光学面132b平行于扫描中心轴至感光鼓15成像面的距离，y_b为副扫描方向X方向)最末端扫描光线(最左端113c或最右端113b)出射于第二镜片132的第四光学面132b至感光鼓15成像面的距离。

综上所述，本实用新型的短聚光距二片式fθ镜片可将旋转多面镜10反射的扫描光线进行畸变(distortion)修正，及将各投影光点位于目标物的间距的时间-角速度的非线性关系转成时间-距离的线性关系；在主扫描方向与副扫描方向，扫描光线在副扫描方向(X方向)与主扫描方向(Y方向)的光束半径经过fθ镜片的各角度，可在成像面上产生均匀光点，除可提供符合需求的分辨率，并可有效缩短聚光距离，以减少激光扫描装置的体积。

为达成上述功效，本实用新型的短聚光距二片式fθ镜片在第一镜片131的第一光学面131a或第二光学面132a及第二镜片132的第三光学面132a或第四光学面132b，在主扫描方向(Y)方向或副扫描方向(X方向)上，可使用球面曲面或非球面曲面设计，若使用非球面曲面设计，其非球面曲面以下列曲面方程式：

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为镜片上任一点以扫描中心轴方向至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分别为非旋转对称(non-rotationally symmetric components)的四次、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(Torical 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为镜片上任一点以扫描中心轴方向至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(Conic coefficient)；B₄、B₆、B₈与B₁₀为四次、六次、八次、十次幂的系数(4th～10th order coefficients)。

为能使扫描光线在目标物上的成像面上维持等扫描速度，举例而言，在两个相同的时间间隔内，维持两个光点的间距相等；本实用新型的短聚光距二片式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，即成像在感光鼓15上的光点大小均匀化(限制于一符合分辨率要求的范围内)，以获得最佳的解析效果。

本实用新型的短聚光距二片式fθ镜片包含，由旋转多面镜10起算，具有第一镜片131及第二镜片132，其中第一镜片131具有第一光学面131a及第二光学面131b，第二镜片132具有第三光学面131a及第四光学面131b。在扫描中心轴的主扫描方向上，第一镜片为具正屈光度的新月形镜片、第二镜片为具负屈光度的镜片，第一、第二、第三光学面(131a、131b、132a)的凹面面向旋转多面镜10侧，第四光学面132b具有反曲点且其凸面面向旋转多面镜侧10，可将旋转多面镜10反射的各扫描光线的角度与时间呈非线性关系的扫描光线光点转换成距离与时间呈线性关系的扫描光线光点，并于修正光学畸变后，聚光于目标物上。其中，第一光学面131a、第二光学面131b、第三光学面132a及第四光学面132b在主扫描方向上，均为非球面的光学面。另，第一光学面131a、第二光学面131b、第三光学面132a及第四光学面132b在副扫描方向，可至少有一个为非球面所构成的光学面。更进一步，在第一镜片131及第二镜片132的光学设计上，本实用新型的二片式fθ镜片，在空气间隔与最大有效窗口角β进一步满足以下式(4)及式(5)的条件：

$0.6\≤\frac{d_1+d_3+d_5}{f_s}\≤2.0---\left(4\right)$

0.4557≤tan(β)≤0.7265           (5)

在主扫描方向进一步满足式(6)的条件：

$0.22\≤f_s\·(\frac{(n_{d1}-1)}{f_{\left(1\right)Y}}+\frac{(n_{d2}-1)}{f_{\left(2\right)Y}})\≤1.2---\left(6\right)$

在副扫描方向满足式(7)的条件：

$-2.82\≤f_s\·(\frac{(n_{d1}-1)}{f_{\left(1\right)X}}+\frac{(n_{d2}-1)}{f_{\left(2\right)X}})\≤-0.31---\left(7\right)$

其中，d₁为扫描中心轴上旋转多面镜10反射面至第一镜片131旋转多面镜侧的距离，d₃为扫描中心轴上第一镜片131目标物侧光学面至第二镜片132旋转多面镜10侧光学面的距离，d₅为扫描中心轴上第二镜片132目标物侧光学面至目标物的距离，f_s为二片式fθ镜片的复合焦距，β为最大有效窗口角，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、f_(1)X为第一镜片131在副扫描方向的焦距，f_(2)X为第二镜片132在副扫描方向的焦距，n_d1与n_d2分别为第一镜片131与第二镜片132的折射率(refraction index)。

再者，本实用新型的二片式fθ镜片所形成的光点大小，可使用η_max与η_min的比值来表示，其中η_max为旋转多面镜10反射面上扫描光线的几何光点(geometric spot)与扫描在感光鼓15上几何光点最大值的比值，η_min为旋转多面镜10反射面上扫描光线的几何光点与扫描在感光鼓15上几何光点最小值的比值。，η_max与η_min分别满足以下式(8)及(9)的条件，

${\mathrm{\η}}_{\max }=\frac{\max (S_b\·S_a)}{(S_{b0}\·S_{a0})}\≤0.05---\left(8\right)$

${\mathrm{\η}}_{\min }=\frac{\min (S_b\·S_a)}{(S_{b0}\·S_{a0})}\≤0.005---\left(9\right)$

其中，S_a与S_b分别为感光鼓15上扫描光线形成的任一个光点在副扫描方向及主扫描方向的均方根半径、δ为感光鼓15上最小光点与最大光点的比值、η为旋转多面镜10反射面上扫描光线的光点与感光鼓15上光点的比值；S_a0与S_b0为旋转多面镜10反射面上扫描光线的光点分别在副扫描方向及主扫描方向的均方根半径。

为使本实用新型更加明确详实，列举较佳实施例并配合下列图示，将本实用新型的结构及其技术特征详述如后：

本实用新型以下所揭示的实施例，乃是针对本实用新型的激光扫描装置的短聚光距二片式fθ镜片的主要构成组件所作的说明，因此以下所揭示的实施例可应用于具旋转多面镜的激光扫描装置中。但是就一般激光扫描装置而言，除了本实用新型所揭示的二片式fθ镜片外，其它结构为本实用新型所属技术领域中具有通常知识者可知悉。本实用新型所揭示的激光扫描装置的二片式fθ镜片的构成组件并不受限于以下所揭示的实施例结构，也就是激光扫描装置的二片式fθ镜片的各构成组件是可以进行改变、修改、甚至等效变更的，例如：第一镜片131及第二镜片132的曲率半径设计、材质选用、间距调整等并不为下列实施例所限。并且为便于说明及比较，以下的实施例均采用旋转多面镜10上扫描光线的光点分别在X方向及Y方向的均方根半径分别为S_a0＝47.89(μm)及S_b0＝641.49(μm)的设计，但不以此为限。

<第一实施例>

本实施例的短聚光距二片式fθ镜片在第一镜片131的第二光学面131b与第二镜片132的第三光学面132a均为非球面，使用式(2)的非球面公式设计其光学面的曲面。在第一镜片131的第一光学面131a与第二镜片132的第四光学面132b在主扫描方向上均为非球面，使用式(3)的非球面公式设计其光学面的曲面。其光学特性与非球面参数如表一及表二，光路图如图6所示，第四光学面132b的反曲点位于ψ＝2.33°。

表一、第一实施例的fθ光学特性

^*表示非球面

表二、第一实施例的光学面非球面参数

经由此构成的短聚光距二片式fθ镜片的光学面，f_(1)Y＝88.111、f_(2)Y＝-502.724、f_(1)X＝-9.844、f_(2)X＝24.685(mm)，其y_a＝85.00、y_b＝50.44(mm)，使得最大窗口角β＝30.68°，可将旋转多面镜10上光点扫描成为扫描光线，在感光鼓15上进行聚焦，形成较小的光点，并满足式(4)～(7)及式(8)～(9)的条件，如表三所示。感光鼓15上以扫描中心轴Z轴在Y方向距离扫描中心轴Y距离(mm)的光点的几何光点直径(μm)，如表四；且本实施例的光点分布图及光点大小形状图，如图7及图8所示。

表三、第一实施例满足条件表

表四、第一实施例感光鼓上光点最大半径与均方根半径表

<第二实施例>

本实施例的短聚光距二片式fθ镜片在第一镜片131的第二光学面131b与第二镜片132的第三光学面132a均为非球面，使用式(2)的非球面公式设计其光学面的曲面。在第一镜片131的第一光学面131a与第二镜片132的第四光学面132b在主扫描方向上均为非球面，使用式(3)的非球面公式设计其光学面的曲面。其光学特性与非球面参数如表五及表六所示，光路图如图6，第四光学面132b的反曲点位于ψ＝8.21°。

表五、第二实施例的fθ光学特性

^*表示非球面

表六、第二实施例的光学面非球面参数

经由此构成的短聚光距二片式fθ镜片的光学面，f_(1)Y＝84.264、f_(2)Y＝-335.022、f_(1)X＝-7.838、f_(2)X＝26.919(mm)，其y_a＝82.0、y_b＝43.0(mm)，使得最大窗口角β＝27.67°，可将旋转多面镜10上光点扫描成为扫描光线，在感光鼓15上进行聚焦，形成较小的光点，并满足式(4)～(7)及式(8)～(9)，如表七所示。感光鼓15上以扫描中心轴Z轴在Y方向距离扫描中心轴Y距离(mm)的光点的几何光点直径(μm)，如表八所示。且本实施例的光点分布图及光点大小形状图，如图9及图10所示。

表七、第二实施例满足条件表

表八、第二实施例感光鼓上光点最大半径与均方根半径表

<第三实施例>

本实施例的短聚光距二片式fθ镜片在第一镜片131的第二光学面131b与第二镜片132的第三光学面132a均为非球面，使用式(2)的非球面公式设计其光学面的曲面。在第一镜片131的第一光学面131a与第二镜片132的第四光学面132b的主扫描方向均为非球面，使用式(3)的非球面公式设计其光学面的曲面。其光学特性与非球面参数如表九及表十，光路图如图6所示，第四光学面132b的反曲点位于ψ＝6.57°。

表九、第三实施例的fθ光学特性

^*表示非球面

表十、第三实施例的光学面非球面参数

经由此构成的短聚光距二片式fθ镜片的光学面，f_(1)Y＝83.522、f_(2)Y＝-357.438、f_(1)X＝-12.477、f_(2)X＝-357.434(mm)，其y_a＝85.0(mm)、y_b＝42.474(mm)，使得最大窗口角β＝28.74°，可将旋转多面镜10上光点扫描成为扫描光线，在感光鼓15上进行聚焦，形成较小的光点，并满足式(4)～(7)及式(8)～(9)，如表十一所示。感光鼓15上以扫描中心轴Z轴在Y方向距离扫描中心轴Y距离(mm)的光点的几何光点直径(μm)，如表十二；且本实施例的光点分布图及光点大小形状图，如图11及图12所示。

表十一、第三实施例满足条件表

表十二、第三实施例感光鼓上光点最大半径与均方根半径表

<第四实施例>

本实施例的短聚光距二片式fθ镜片在第一镜片131的第二光学面131b与第二镜片132的第三光学面132a均为非球面，使用式(2)的非球面公式设计其光学面的曲面。在第一镜片131的第一光学面131a与第二镜片132的第四光学面132b在主扫描方向均为非球面，使用式(3)为非球面公式设计其光学面的曲面。其光学特性与非球面参数如表十三及表十四，光路图如图6所示，第四光学面132b的反曲点位于ψ＝6.569°。

表十三、第四实施例的fθ光学特性

^*表示非球面

表十四、第四实施例的光学面非球面参数

经由此构成的短聚光距二片式fθ镜片的光学面，f_(1)Y＝133.630、f_(2)Y＝-5116.737、f_(1)X＝-0.445、f_(2)X＝20.124(mm)，其y_a＝85.0(mm)、y_b＝42.474(mm)，使得最大窗口角β＝26.55°，可将旋转多面镜10上光点扫描成为扫描光线，在感光鼓15上进行聚焦，形成较小的光点6，并满足式(4)～(7)及式(8)～(9)，如表十五所示。感光鼓15上以扫描中心轴Z轴在Y方向距离扫描中心轴Y距离(mm)的光点的几何光点直径(μm)，如表十六所示。且本实施例的光点分布图及光点大小形状图，如图13及图14所示。

表十五、第四实施例满足条件表

表十六、第四实施例感光鼓上光点最大半径与均方根半径表

<第五实施例>

本实施例的短聚光距二片式fθ镜片在第一镜片131的第二光学面131b与第二镜片132的第三光学面132a均为非球面，使用式(2)为非球面公式设计其光学面的曲面。在第一镜片131第一光学面131a、第二镜片132的第四光学面132b在主扫描方向均为非球面，使用式(3)的非球面公式设计其光学面的曲面。其光学特性与非球面参数如表十七及表十八，光路图如图6所示，第四光学面132b的反曲点位于ψ＝2.04°。

表十七、第五实施例的fθ光学特性

^*表示非球面

表十八、第五实施例的光学面非球面参数

经由此所构成的短聚光距二片式fθ镜片的光学面，f_(1)Y＝99.246、f_(2)Y＝-1228.670、f_(1)X＝-10.704、f_(2)X＝106.623(mm)，其y_a＝85.0、y_b＝48.607(mm)，使得最大窗口角β＝29.763°，可将旋转多面镜10上光点扫描成为扫描光线，在感光鼓15上进行聚焦，形成较小的光点，并满足式(4)～(7)及式(8)～(9)，如表十九所示、感光鼓15上以扫描中心轴Z轴在Y方向距离扫描中心轴Y距离(mm)的光点的几何光点直径(μm)，如表二十；且本实施例的光点分布图及光点大小形状图，如图15及图16所示。

表十九、第五实施例满足条件表

表二十、第五实施例感光鼓上光点最大半径与均方根半径表

<第六实施例>

本实施例的短聚光距二片式fθ镜片在第一镜片131的第二光学面131b与第二镜片132的第三光学面132a均为非球面，使用式(2)的非球面公式设计其光学面的曲面。在第一镜片131的第一光学面131a、第二镜片132第四光学面132b的主扫描方向均为非球面，使用式(3)的非球面公式设计其光学面的曲面。其光学特性与非球面参数如表二十一及表二十二，光路图如图6所示，第四光学面132b的反曲点位于ψ＝6.30°。

表二十一、第六实施例的fθ光学特性

^*表示非球面

表二十二、第六实施例的光学面非球面参数

经由此构成的短聚光距二片式fθ镜片的光学面，f_(1)Y＝82.522、f_(2)Y＝-300.994、f_(1)X＝-8.349、f_(2)X＝21.894(mm)，其y_a＝82.3、y_b＝49.273(mm)，使得最大窗口角β＝30.908°，可将旋转多面镜10上光点扫描成为扫描光线，在感光鼓15上进行聚焦，形成较小的光点，并满足式(4)～(7)及式(8)～(9)，如表二十三所示。感光鼓15上以扫描中心轴Z轴在Y方向距离扫描中心轴Y距离(mm)的光点的几何光点直径(μm)，如表二十四所示。且本实施例的光点分布图及光点大小形状图，如图17及图18所示。

表二十三、第六实施例满足条件表

表二十四、第六实施例感光鼓上光点最大半径与均方根半径表

藉由上述的实施例说明，本实用新型至少可达下列功效：

(1)藉由本实用新型的短聚光距二片式fθ镜片的设置，可将旋转多面镜在成像面上光点间距非等速率扫描现象，修正为等速率扫描，使激光束在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)藉由本实用新型的短聚光距二片式fθ镜片的设置，可畸变修正在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)藉由本实用新型的短聚光距二片式fθ镜片的设置，可畸变修正在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。

(4)藉由本实用新型的短聚光距二片式fθ镜片的设置，可有效缩短聚光距离，使激光扫描装置的体积得以减小，达成小型化的要求。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，对本实用新型而言仅是说明性的，而非限制性的；本专业技术人员理解，在本实用新型权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效变更，但都将落入本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种短聚光距二片式fθ镜片，其适用于激光扫描装置，该激光扫描装置至少包含一用以发射激光束的光源、一用以将激光束扫描成扫描光线的旋转多面镜及一用以感光的目标物；该二片式fθ镜片具有一第一镜片及一第二镜片，且由该旋转多面镜依序起算，该第一镜片为新月型具有一第一光学面及一第二光学面，该第二镜片具有一第三光学面及一第四光学面，其特征在于：该二片式fθ镜片在扫描中心轴的主扫描方向上，该第一镜片具正屈光度、该第二镜片具负屈光度，该第一光学面、该第二光学面及该第三光学面的凹面面向旋转多面镜侧，该第四光学面具有反曲点且在扫描中心轴上其凸面面向旋转多面镜侧；该第一光学面、该第二光学面、该第三光学面及该第四光学面在主扫描方向均为非球面，并满足下列条件：

$0.6\&le;\frac{d_1+d_3+d_5}{f_s}\&le;2.0;$

0.4557≤tan(β)≤0.7265；

其中，d₁为扫描中心轴上该旋转多面镜的反射面至该第一镜片的旋转多面镜侧的距离、d₃为扫描中心轴上该第一镜片的该目标物侧光学面至该第二镜片的该旋转多面镜的距离、d₅为扫描中心轴上该第二镜片目标物侧光学面至该目标物的距离、f_s为该二片式fθ镜片的复合焦距，β为最大有效窗口角。

2.如权利要求1所述的短聚光距二片式fθ镜片，其特征在于，在主扫描方向上，进一步满足下列条件：

$0.22\&le;f_s\&CenterDot;(\frac{(n_{d1}-1)}{f_{\left(1\right)Y}}+\frac{(n_{d2}-1)}{f_{\left(2\right)Y}})\&le;1.2;$

其中，f_(1)Y为该第一镜片在主扫描方向的焦距、f_(2)Y为该第二镜片在主扫描方向的焦距、f_s为二片式fθ镜片的复合焦距、n_d1与n_d2为该第一镜片与该第二镜片的折射率。

3.如权利要求1所述的短聚光距二片式fθ镜片，其特征在于，在副扫描方向进一步满足下列条件：

$-2.82\&le;f_s\&CenterDot;(\frac{(n_{d1}-1)}{f_{\left(1\right)X}}+\frac{(n_{d2}-1)}{f_{\left(2\right)X}})\&le;-0.31;$

其中，f_(1)X为该第一镜片在副扫描方向的焦距、f_(2)X为该第二镜片在副扫描方向的焦距、f_s为该二片式fθ镜片的复合焦距、n_d1与n_d2为该第一镜片与该第二镜片的折射率。

4.如权利要求1所述的短聚光距二片式fθ镜片，其特征在于，该目标物上最大光点的比值与在该目标物上最小光点的比值分别满足：

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

${\mathrm{\&eta;}}_{\min }=\frac{\min (S_b\&CenterDot;S_a)}{(S_{b0}\&CenterDot;S_{a0})}\&le;0.005;$

其中，S_a0与S_b0为该旋转多面镜反射面上扫描光线的光点在副扫描方向及主扫描方向的均方根半径、S_a与S_b为该旋转多面镜的反射面上扫描光线形成的任一个光点在副扫描方向及主扫描方向的均方根半径、η_max为该旋转多面镜反射面上扫描光线的光点与扫描在该目标物上最大光点的比值、η_min为该旋转多面镜反射面上扫描光线的光点与扫描在该目标物上最小光点的比值。

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