CN100434964C - 激光扫描装置的fθ镜片的制法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光扫描装置的fθ镜片的制法，包括下列步骤：先设定一fθ镜片的区域数，并针对各区域的各光学面分别模拟实验出一最佳参数组，藉以构成各区域的各光学面；再针对二不同区域的邻接二光学面交界处所产生的曲面断差，利用模拟式曲面修正及光学模拟实验，以在二不同区域的邻接二光学面交界处确定一最佳的平滑连续面；再根据上述步骤所得到的各区域的光学面资料及二不同区域邻接二光学面交界处的平滑连续面资料，利用超精密机械加工方式来进行模具机械加工，藉以完成一具多区域光学面的fθ镜片的成型模具；再利用上述fθ镜片成型模具来进行模具射出成型制程，而制成具多区域光学面结构的fθ镜片。

Description

激光扫描装置的fθ镜片的制法

技术领域

本发明涉及一种激光扫描装置(LSU)的fθ(f-theta lens)镜片的制法，尤指一种具有多区域光学面(multi-sections optical surface)的fθ镜片的制法，藉以取代公知fθ镜片每一光学面只具单一参数组的结构，而可达到高公差(high tolerance)的组装品质及高效率(high performance)的扫描效果.

背景技术

目前激光束扫描器LBP(Laser Beam Printer)的应用技术中，已包括有：美国US 5,128,795、US5,162,938、US 5,329,399、US5,710,654、US5,757,533、US5,619,362、US 5,721,631、US5,553,729、US5,111,219、US 5,995,131及日本4-50908、日本5-45580等多件专利，其中，所使用的激光扫描装置LSU(Laser Scanning Unit)模块大都是利用一高速旋转(如40000/min)的多面镜(polygon mirror)(如四或六面)以操控激光束的扫描动作(laser beam scanning)，兹以一公知激光扫描装置(LSU)1说明一般LSU的结构型态及光学路径如下：如图1、1A、1B所示，以一半导体激光10作光源而发出激光束(laser beam)，该激光束可先经一细孔(aperture)11再经过一准直镜(collimator)12，而准直镜12可使激光束形成平行光束，平行光束再经过一柱面镜(cylindrical lens)13，而该柱面镜13主要作用是使前述平行光束在副扫描方向(sub-major scanning direction)Y轴上的宽度能沿着主扫描方向(major scanning direction)X轴(如箭头所示)的平行方向聚焦而形成一线状成像(line image)(在图1B中聚焦成一点)；又利用一可高速旋转的多面镜(polygon mirror)14，使其上均匀连续布设的多面反射面(镜面)15恰位于或接近于上述线状成像(line image)的焦点位置；而多面镜14用以控制激光束的投射方向，其上连续的复数反射面15在高速旋转时可将入射至反射面15上的激光束沿着主扫描方向(X轴)的平行方向以同一转角速度(angular velocity)偏斜反射至一fθ镜片16上；而该fθ镜片16设置于多面镜14旁侧，可为单件式镜片结构(single-element scanning lens)如图1所示，或为两件式镜片结构(如US 5,995,131专利图所示)，而藉fθ镜片16通常是使经由多面镜14上反射面15而射入的激光束能聚焦成一圆形光点(circular light spot)并投射在一光接收面(photoreceptor drum)17上，以达成线性扫描(scanning linearity)的要求。

而上述公知LSU中的fθ镜片16，其实体构造如图2所示的fθ镜片2，而其光学面的设计是引用下列几种方程序及参数的组成：

1.Anamorphic surface：

$Z=\frac{\left(\mathrm{Cx}\right)x^2+\left(\mathrm{Cy}\right)y^2}{1+{(1-(1+\mathrm{Kx}){\left(\mathrm{Cx}\right)}^2{x}^2-(1+\mathrm{Ky}){\left(\mathrm{Cy}\right)}^2{y}^2)}^{1/2}}$

$+\mathrm{AR}{[(1-\mathrm{AP})x^2+(1+\mathrm{AP})y^2]}^2$

$+\mathrm{BR}{[(1-\mathrm{BP})x^2+(1+\mathrm{BP})y^2]}^3$

$+\mathrm{CR}{[(1-\mathrm{CP})x^2+(1+\mathrm{CP})y^2]}^4$

$+\mathrm{DR}{[(1-\mathrm{DP})x^2+(1+\mathrm{DP})y^2]}^5$

2.First Type Toric surface：

$Z=F+\frac{G\×y^2}{1+\sqrt{1-G^2\×y^2}}$

$F=\frac{\mathrm{Cx}\×x^2}{1+\sqrt{1-(1+\mathrm{Kx})\×C{x}^2\×x^2}}+A4\×x^4+A6\×x^6+A8\×x^8+A10\×x^{10};$

$G=\frac{\mathrm{Cy}}{1-\mathrm{Cy}\×F};$

3.Second Type Toric surface：

$Z=\frac{x^2/R}{1+\sqrt{1-(1+K)\×{(x/R)}^2}}+B2\×x^2+B4\×x^4+B6\×x^6+B8\×x^8+B10\×x^{10}$

r′＝r(1+D2×x²+D4×x⁴+D6×x⁶+D8×x⁸+D10×x¹⁰

而由上述设计方程式及参数，可知公知单件式fθ镜片2的光学面21、22皆由单一参数组构成，亦即fθ镜片的第一光学面21及第二光学面22分别由单一参数组构成，如此设计虽可使第一、二光学面21、22皆呈连续式光学面型(continuing surface profile)，但在使用上会有下列问题：

(1)fθ镜片的主要功能是将射入的激光束聚焦成一圆形光点(circularlight spot)并以线性扫描(scanning linearity)方式投射在一光接收面(photoreceptor drum)上，而该圆形光点(circular light spot)的成像要求最好是在线性扫描上成像直径为30μm的圆形光点，或至少是在100μm直径的圆范围内；然以公知LSU的组装型态(参照图1)而言，投射至多面镜14反射面15而再反射入fθ镜片的激光光束中心轴，显然并非正对多面镜14的中心转轴，因此在设计相配合的fθ镜片时，须同时考虑多面镜14的离轴偏差(deviation)问题，致最佳化的fθ镜片的光学面存在有非对称性的本质(unsymmetrical characteristics)。

(2)而因fθ镜片的光学面既具有光学非对称性区域(unsymmetrical opticalfield)，而又须达成线性扫描(scanning linearity)要求，已使fθ镜片的设计困难度提高，因此当公知fθ镜片的光学面只以单一参数组设计时，则须在单一参数组上作出各种妥协性或平衡性修改，藉以兼顾左、右非对称性区域的光学面条件，然此不但增加fθ镜片的设计麻烦，也使妥协设计(Trade-off)后的单一参数组无法同时以高程度来满足左、右非对称性区域的光学面要求，致使左、右非对称性区域的光学效率相对降低，如图3所示，其是以一利用单一参数组设计的fθ镜片2(如图2所示)做光学模拟实验，其中所示包括多面镜23、多面反射面(镜面)24、激光束25及光接收面(photoreceptor drum)26，可知其在单位距离呈现的光点(light spot)27，不但形成多种形状而非圆形光点(circular light spot)，且其光点也有偏离100μm直径圆的中心者，甚至有超出100μm直径圆的范围外，俱表示妥协后单一参数组的设计已使左、右光学非对称性区域的光学效率相对降低，也相对形成低公差(tolerance)而增加组装的困难度；此乃公知fθ镜片结构设计上最大缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种激光扫描装置的fθ镜片的制法，其使fθ镜片的光学面(optical surface)分由多区域(multi-sections)构成，且各区域的光学面依各区域相对于激光束的不同位置或角度而设具不同光学参数组(coefficient set)，藉以避免公知fθ镜片每一光学面只具有单一参数组的缺点，而可减少fθ镜片设计的困难度，并能达成高效率(highperformance)及高公差(high tolerance)的扫描效果。

本发明的技术解决方案是：一种激光扫描装置的fθ镜片的制法，包括下列步骤：先设定一fθ镜片的区域数，并针对各区域的各光学面分别模拟实验出一最佳参数组，藉以构成各区域的各光学面；再针对二不同区域的邻接二光学面交界处所产生的曲面断差，利用模拟式曲面修正及光学模拟实验，以在二不同区域的邻接二光学面交界处确定一最佳的平滑连续面；再根据上述步骤所得到的各区域的光学面资料及二不同区域邻接二光学面交界处的平滑连续面资料，利用超精密机械加工方式来进行模具机械加工，藉以完成一具多区域光学面的fθ镜片的成型模具；再利用上述fθ镜片成型模具来进行模具射出成型制程，而制成具多区域光学面结构的fθ镜片。

本发明的特点和优点是：本发明提出激光扫描装置(LSU，Laser ScanningUnit)的fθ镜片(f-theta lens)的制法，该fθ镜片是一利用模具射出成型(injection molding)方式制作成型的塑料镜片，且其光学面(opticalsurface)分由多区域(multi-sections)构成，使各区域的光学面可依各区域相对于激光束的不同位置或角度而设具不同光学参数组(coefficient set)，藉以达成高公差(high tolerance)的组装品质及高效率(high performance)的扫描效果，而避免公知fθ镜片每一光学面只具单一参数组的缺点；又针对二不同区域的光学面交界处可能产生的曲面断差，则可经模拟式曲面修正(curve fitting)及光学模拟实验(optical simulation)，藉以先确定一最佳的平滑连续面(continuing surface profile)，再利用超精密机械加工方式，完成一具多区域光学面(multi-sections optical surface)的fθ镜片成型模具。

附图说明

图1为公知一激光扫描装置模块的立体图。

图1A为图1光学路径的俯视图。

图1B为图1光学路径的一侧视图。

图2为公知一fθ镜片其光学面只具单一参数组的结构图。

图3为公知利用单一参数组设计的fθ镜片经模拟实验的光点(light spot)示意图。

图4为本发明一具有二区域(2-sections)光学面实施例的分区示意图。

图4A为本发明一具有三区域(3-sections)光学面实施例的分区示意图。

图5为本发明一具有二区域(2-sections)光学面实施例的结构俯视图。

图5A为图5中5A-5A的剖视图。

图6为图5的结构侧视图。

图6A为图6中6A-6A的剖视图。

图7为本发明一具有二区域(2--section)光学面的fθ镜片实施例的结构图。

图8为图7经模拟实验的光点(light spot)示意图(包括未分区域的光点比较)。

图9为本发明具多区域光学面(multi-sections optical surface)的fθ镜片的制法方块图。

附图标号说明：

1、激光扫描装置           10、半导体激光          11、细孔

12、准直镜                13、柱面镜              14、多面镜

15、反射面                16、fθ镜片             17、光接收面

2、fθ镜片                21、22、光学面          3、4、fθ镜片

3a、4a、分界线            31、32、区域            41、42、43、区域

311、312、321、322、光学面     411、412、421、422、43、432、光学面

5、断差                   51、平滑连续面型

具体实施方式

为使本发明更加明确详实，兹配合附图即及具体实施例将本发明的结构及其技术特征详述如后：

本发明激光扫描装置的fθ镜片，其结构特征在于：该fθ镜片分由多区域(multi-sections)构成，且各区域的光学面(optical surface)依各区域相对于入射激光束的不同位置或角度而设具光学参数组(coefficient set)，参考图4所示，该fθ镜片3是以一分界线3a分成二等区域(2-sections)，包括第一区域31及第二区域32；再参考图4A，该fθ镜片4是以二分界线4d分成三等区域(3-sections)，包括第一区域41、第二区域42及第三区域43；而依此类推，可依需要而将一fθ镜片分成多区域(multi-sections)；又本发明fθ镜片上各区域的主要光学面(optical surface)，如fθ镜片3上的光学面311、312、321、322共四面光学面，或fθ镜片4上的光学面411、412、421、422、431、432共六面光学面，是依各区域31、32(或41、42、43)在fθ镜片3(或4)上的不同位置，亦即各区域31、32(或41、42、43)相对于入射激光束的不同位置或角度，而设具不同的光学参数组(coefficient set)，使fθ镜片3或4上不同区域的数个光学面分别由一最佳光学参数组构成，进而使形成的具多区域光学面(multi-sections optical surface)fθ镜片3或4可达成高公差(high tolerance)的组装品质及高效率(high performance)的扫描效果。

再参考图5、图5A、图6、图6A所示，其是以一具有二区域光学面(2-sections optical surface)的fθ镜片3为例，由于第一区域31及第二区域32的光学面是由不同的光学参数组(coefficient set)构成，致第一区域31及第二区域32二不同区域的光学面交界处可能会产生不同程度的曲面断差，其中以fθ镜片的边缘端处产生的断差最大，如图6A所示的断差5；而针对该可能产生的断差5，可先进行模拟的曲面修正(curve fitting)，并将模拟修正后的曲面再经光学模拟实验(optical simulation)，藉以确定一最佳的平滑连续面型(continuing surface profile)51，再利用超精密机械加工方式，如利用数字控制(NC)程序来设定刀具路径(SAG值)，藉以完成一具多区域光学面(multi-sections optical surface)的fθ镜片成型模具，使成型模具中二不同区域的光学面交界处具有最佳的平滑连续面型(continuing surfaceprofile)，而成为fθ镜片的模具射出成型(injection molding)的模具。

又本发明fθ镜片设计成具多区域光学面(multi-sections opticalsurface)结构，确实可克服公知fθ镜片每一光学面只具单一参数组的结构设计问题，兹举一具体实施例做进一步说明，请参考图7、图8，其为一具有二区域光学面(2-sections optical surface)的fθ镜片3，而各区域光学面，包括第一区域的光学面311、312及第二区域的光学面321、322分别由一组参数组构成(如图7所示的四组参数组)；而其成像光点的品质如图8所示，在左上方及右下方所示各五个100μm直径圆所示的光点81是本发明fθ镜片的成像品质，而在左下方及右上方所示各四个100μm直径圆所示的光点82是公知fθ镜片的成像品质，二者间加以比较，可知本发明fθ镜片的成像光点品质显然优于公知fθ镜片。

再参考图9，本发明具多区域光学面(multi-sections optical surface)结构的fθ镜片，其制法包括下列步骤：先设定一fθ镜片的区域数，如2-sections～n-sections，并针对各区域，如第一区域(section 1)、第二区域(section 2)…第n区域(section n)，而模拟实验出一最佳参数组，藉以构成该区域的光学面；

再针对二不同区域的光学面交界处可能产生的曲面断差，利用模拟式曲面修正(curve fitting)及光学模拟实验(optical simulation)，藉以在二不同区域的光学面交界处确定一最佳的平滑连续面(continuing surfaceprofile)；

再利用超精密机械加工方式，如利用数字控制(NC)程序来设定刀具路径(SAG值)，来进行模具的机械加工，藉以完成一具多区域光学面(multi-sections optical surface)的fθ镜片的成型模具；

再利用该fθ镜片成型模具进行模具射出成型(injection molding)制程，藉以量产化制成具多区域光学面(multi-sections optical surface)结构的fθ镜片。

虽然本发明已以具体实施例揭示，但其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围的前提下所作出的等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，皆应仍属本专利涵盖之范畴。

Claims (1)

1、一种激光扫描装置的fθ镜片的制法，包括下列步骤：

先设定一fθ镜片的区域数，并针对各区域的各光学面分别模拟实验出一最佳参数组，藉以构成各区域的各光学面；

再针对二不同区域的邻接二光学面交界处所产生的曲面断差，利用模拟式曲面修正及光学模拟实验，以在二不同区域的邻接二光学面交界处确定一最佳的平滑连续面；

再根据上述步骤所得到的各区域的光学面资料及二不同区域邻接二光学面交界处的平滑连续面资料，利用超精密机械加工方式来进行模具机械加工，藉以完成一具多区域光学面的fθ镜片的成型模具；

再利用上述fθ镜片成型模具来进行模具射出成型制程，而制成具多区域光学面结构的fθ镜片。

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