CN101881874B - 短聚光距二片式fθ镜片 - Google Patents

Abstract

一种短聚光距二片式fθ镜片，用于具有旋转多面镜的激光扫描装置，其中第一镜片具有第一光学面及第二光学面，第二镜片具有第三光学面及第四光学面；其特征在于该二片式fθ镜片的各光学面在主扫描方向均为非球面；在光轴上的主扫描方向，第一、第二、第三光学面的凹面在旋转多面镜侧，第四光学面具有反曲点(inflection point)且其凸面在旋转多面镜侧；且满足光学条件：0.5429≤tan(β)≤1.2799；其中β为最大有效窗口角。通过此短聚光距二片式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，以达到减小激光扫描装置体积的具体目的。

Description

短聚光距二片式fθ镜片

技术领域

本发明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

目前激光打印机(LBP：Laser Beam Print)所使用的激光扫描装置(LSU：Laser Scanning Unit)，利用高速旋转的多面镜(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I198966所述。其原理如下简述：利用半导体激光器发出激光束(laser beam)，先经由准直镜(collimator)，再经由光圈(aperture)而形成平行光束，而平行光束再经过柱面镜(cylindrical lens)之后，能在副扫描方向(sub scanning direction)的X轴上的宽度能沿着主扫描方向(main scanning direction)的Y轴的平行方向平行聚焦而形成线状图像(lineimage)，再投射至高速旋转多面镜(polygon mirror)上，而旋转多面镜上均匀连续设置有多面反射镜(reflection mirror)，其恰好位于或接近于上述线状图像(line image)的焦点位置。通过旋转多面镜控制激光束的投射方向，当旋转多面镜上连续排列的多个反射镜在高速旋转时可将射至其中之一反射镜上的激光束沿着主扫描方向(Y轴)的平行方向以同一转角速度(angular velocity)偏斜反射至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镜片的激光束能聚焦成圆形(或椭圆型)光点并投射在光接收面(感光鼓photoreceptor drum，即成像面)上，并达到线性扫描(scanning linearity)的要求，如美国专利US4,707,085、US6,757,088；日本专利JP2004-294713等。然而，现有的fθ线性扫描镜片存在有下列问题：

(1)、由于旋转多面镜反射激光束时，投射至旋转多面镜反射镜上的激光束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；在现有技术中使用以副扫描方向的光学补正来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。但为使离轴偏差可以经由副扫描方向适当修正，则需要较长的焦距，此亦增加激光扫描装置的体积。

(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，在现有技术中，常使用较长的焦距使成像质量较佳，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、日本专利JP63-172217；或使用制作困难的绕射镜片(diffraction lens)，如美国专利US2001/0009470、US5,838,480等；或使用具有反曲点(inflection point)的二件式镜片，如美国专利US5,111,219、US7,057,781、US6,919,993；或使用具有反曲点的单件式镜片，如日本专利JP04-50908。

(3)、对于小型打印机的使用而言，为缩小激光扫描装置LSU的体积，方法之一为缩短感光鼓上的成像距离，如美国专利US7,130,096等，以限制有效扫描距离(effective scanning range)与成像光学距离(optical length)的比值的方法缩短感光鼓上的成像距离并消除鬼影现象(ghost image)；美国专利US6,324,015使用限制旋转多面镜至感光鼓的距离(称聚光距，Focal Distance)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揭露限制最末光点(end of the scanning line)至fθ镜片光学面距离，但其最大扫描角度约为27.6度，尚不足以有效缩小聚光距。

为满足消费者对激光扫描装置轻薄短小的需求，对于短聚光距(如对于A4的激光打印机，聚光距小于150mm)且在主扫描与副扫描方向可有效修正光学畸变、提高扫描质量与提高分辨率上，为使用者的迫切需求。

发明内容

本发明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，系适用于具有旋转多面镜的激光扫描装置，该二片式fθ镜片由旋转多面镜依序起算，其中第一镜片具有第一光学面及第二光学面，第二镜片具有第三光学面及第四光学面；其特征在于该二片式fθ镜片的各光学面在主扫描方向均为非球面；在光轴主扫描方向，第一、第二、第三光学面的凹面在旋转多面镜侧，第四光学面具有反曲点且其凸面在旋转多面镜侧；主要用以均匀化扫描光线于主扫描方向及副扫描方向，因偏移光轴而造成在感光鼓上形成成像偏差，并将扫描光线修正聚光于目标物上；可将旋转多面镜所反射的扫描光线在目标物上正确成像，而达到激光扫描装置所要求的线性扫描效果。

本发明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，由于该fθ镜片具有短聚光距，从而可缩小激光扫描装置的体积并具有良好成像效果，且满足0.5429≤tan(β)≤1.2799，其中β为最大有效窗口角(maximum angle of effective window)，即在28.5°至52°之间。使旋转多面镜反射的激光束经由该短聚光距二片式fθ镜片，可以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，达到减少激光扫描装置体积的效果。

本发明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光轴，而造成于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的问题，并使每一成像光点大小得以均匀化，达到提升解像质量(resolution quality)的功效。

因此，本发明激光扫描装置的短聚光距二片式fθ镜片，适用于至少包含旋转多面镜，通过设置于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；对于激光打印机而言，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束，经由旋转多面镜的反射镜扫描形成扫描光线，扫描光线经由本发明的二片式fθ镜片修正角度与位置后，于感光鼓上形成光点(spot)，由于感光鼓涂有光敏剂，可感应碳粉使其聚集于纸上，如此可将数据打印出。

附图说明

图1为本发明短聚光距二片式fθ镜片的光学路径示意图；

图2为本发明短聚光距二片式fθ镜片的扫描光线通过第一镜片及第二镜片的光学路径、符号、光点面积随投射位置的不同而变化的示意图；

图3为本发明短聚光距二片式fθ镜片第二镜片的第四光学面反曲点示意图；

图4为扫描光线经由本发明短聚光距二片式fθ镜片投射在感光鼓上的几何光点及符号说明图；

图5为本发明短聚光距二片式fθ镜片与感光鼓有效窗口最大角示意图；

图6为本发明第一实施例的光学路径图；

图7为根据第一实施例的感光鼓上的光点分布图；

图8为根据第一实施例的在目标物上不同位置的光点大小形状图；

图9为第二实施例的光学路径图；

图10为根据第二实施例的感光鼓上的光点分布图；

图11为根据第二实施例的在目标物上不同位置的光点大小形状图；

图12为第三实施例的光学路径图；

图13为根据第三实施例的感光鼓上的光点分布图；

图14为根据第三实施例的在目标物上不同位置的光点大小形状图；

图15为第四实施例的光学路径图；

图16为根据第四实施例的感光鼓上的光点分布图；

图17为根据第四实施例的在目标物上不同位置的光点大小形状图；

图18为第五实施例的光学路径图；

图19为根据第五实施例的感光鼓上的光点分布图；

图20为根据第五实施例的在目标物上不同位置的光点大小形状图；

图21为第六实施例的光学路径图；

图22为根据第六实施例的感光鼓上的光点分布图；

图23为根据第六实施例的在目标物上不同位置的光点大小形状图。

【主要组件符号说明】

10：旋转多面反射镜；     11：激光光源；

111：光束；              113a、113b、113c：扫描光线；

131：第一镜片；          131a：第一光学面；

131b：第二光学面；       132：第二镜片；

132a：第三光学面；       132b：第四光学面；

15：感光鼓；             16：柱面镜；

2、2a、2b、2c：光点；    3：有效扫描窗口。

具体实施方式

图1为本发明激光扫描装置的短聚光距二片式fθ镜片的光学路径示意图。如图所示，本发明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，系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及用以感光的目标物，在图中，目标物系以用感光鼓(drum)15来实施。激光光源11所产生的光束111通过柱面镜16后，投射到旋转多面镜10上。而旋转多面镜10具有反射镜片(图中为五面反射镜片)，反射镜片系以中心转轴旋转，将光束111反射成扫描光线113a、113b、113c。其中扫描光线113a、113b、113c在X方向的投影称之为副扫描方向(sub scanning direction)，在Y方向的投影称之为主扫描方向(main scanning direction)，而旋转多面镜10扫描角度为θ，扫描光线113a、113b、113c自fθ镜片的第四光学面132b射出后在感光鼓15形成最左端(left end)与最右端(right end)的距离为有效窗口3(effective window)距离，如图2所示，在有效窗口距离内的光点可将原文件数据打印成图纸。

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的折射，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，由于第一光学面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，而于感光鼓15上形成一列的光点(Spot)2。其中，d0(未图示)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，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在主扫描方向为具有反曲点的光学面，如图3所示，在光轴上，为凸面面向旋转多面镜10侧，离开光轴经过反曲点P渐变为凹面面向旋转多面镜10侧。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，因入射于第一镜片131及第二镜片132的角度为零，在主扫描方向所产生的偏移率最小，因此成像于感光鼓15上的光点2a为类似圆形(quasi-circle)。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时，因入射于第一镜片131及第二镜片132时与光轴所形成的夹角不为零，从而在主扫描方向所产生的偏移率较光轴为大，而造成于主扫描方向的投影长度较扫描光线113a所形成的光点为大；此情形在副扫描方向也相同，因此偏离光轴的扫描光线所形成的光点，也将较大；所以成像于感光鼓15上的光点2b、2c为类似椭圆形，且2b、2c的面积大于2a。其中，S_a0与S_b0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(Rootmeans square of spot size radius on mirror)、S_a与S_b分别为在目标物上光点大小于X方向及Y方向的均方根半径(Root means square of spot size radius ontarget)。

图5为扫描光线投射在感光鼓上的有效窗口与最大有效窗口角(effectivewindow angle)β之示意图。当最左端扫描光线113c射出第二镜片132的第四光学面132b后，此扫描光线与平行于光轴的直线夹角为有效窗口角的最大值；通常，最右端的扫描光线113b与最左端扫描光线113c为对称。为缩小激光扫描装置的体积，即在缩短自旋转多面镜10至感光鼓15的成像距离，即缩短聚光距。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)等进行光学设计，以缩短聚光距(d1+d2+d3+d4+d5)，特别是空气间隔(d1+d3+d5)外，还可通过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的距离关系如式(1)，当加大β值，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)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平形于光轴至感光鼓15成像面的距离；y_b为主扫描方向(Y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，本发明的短聚光距二片式fθ镜片可将旋转多面镜10反射的扫描光线，将高斯光束的扫描光线进行畸变(distortion)修正，及将时间-角速度的关系转成时间-距离的关系；在主扫描方向与副扫描方向，扫描光线在X方向与Y方向的光束半径经过fθ镜片的各角度，于成像面上产生均匀光点，以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。

为达到上述功效，本发明短聚光距二片式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，在主扫描方向或副扫描方向，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，其非球面曲面满足下列曲面方程式：

1：环像曲面方程式(Torical equation)

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

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

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

其中，Z为镜片上任一点以光轴方向至原点切平面的距离(SAG)；C_y与C_x分别为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(4th～10thorder coefficients deformation from the conic)；当C_x＝C_y且K_y＝A_P＝B_p＝C_p＝D_p＝0时，则简化为单一球面。

2：扩展多项式面方程式(Extended polynomial equation)

$Z=\frac{{\mathrm{CR}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)C^2{R}^2}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{E}_i(X,Y)$

$=\frac{C{R}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)C^2{R}^2}}+A_{11}X+A_{12}Y+A_{21}{X}^2+A_{22}\mathrm{XY}+A_{23}{Y}^2$

$+A_{31}{X}^3+A_{32}{X}^{2}Y+A_{33}{\mathrm{XY}}^2+A_{34}{Y}^3$

$+A_{41}{X}^4+A_{42}{X}^{3}Y+A_{43}{X}^2{Y}^2+A_{44}{\mathrm{XY}}^3+A_{45}{Y}^4$

$+A_{51}{X}^5+A_{52}{X}^{4}Y+A_{53}{X}^3{Y}^2+A_{54}{X}^2{Y}^3+A_{55}{\mathrm{XY}}^4+A_{56}{Y}^5$

$+A_{61}{X}^6+A_{62}{X}^{5}Y+A_{63}{X}^4{Y}^2+A_{64}{X}^3{Y}^3+A_{65}{X}^2{Y}^4+A_{66}{\mathrm{XY}}^5+A_{67}{Y}^6$

$+A_{71}{X}^7+A_{72}{X}^{6}Y+A_{73}{X}^5{Y}^2+A_{74}{X}^4{Y}^3+A_{75}{X}^3{Y}^4+A_{76}{X}^2{Y}^5+A_{77}{\mathrm{XY}}^6+A_{78}{Y}^7$

$+\·\·\·---\left(3\right)$

其中，Z为镜片上任一点以光轴方向至原点切平面的距离(SAG)；C为曲率(curvature at the pole of the surface)；K为圆锥系数(Conic coefficient)；A_ij为第i次幂的多项式系数。

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，本发明的短聚光距二片式fθ镜片可将位于扫描光线113c至扫描光线113b之间的扫描光线，通过第一镜片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(限制于符合分辨率要求的范围内)，以获得最佳的解析效果。

本发明的短聚光距二片式fθ镜片包含，由旋转多面镜10起算，为第一镜片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132a及第四光学面132b；在光轴主扫描方向，第一、第二、第三光学面(131a、131b，132a)的凹面在旋转多面镜10侧，第四光学面132b具有反曲点且其凸面在旋转多面镜10侧；系将旋转多面镜10反射的角度与时间为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，并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在主扫描方向均为非球面的光学面所构成；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构成上，在光学效果上，本发明的二片式fθ镜片，在空气间隔(d1+d3+d5)与最大有效窗口角β进一步满足式(4)～式(5)条件：

$2.5\≤\frac{d_1+d_3+d_5}{f_s}\≤5.2---\left(4\right)$

0.5429≤tan(β)≤1.2799                        (5)

或，在主扫描方向满足式(6)

$0.06\≤|f_s\·(\frac{(n_{d1}-1)}{f_{\left(1\right)y}}+\frac{(n_{d2}-1)}{f_{\left(2\right)y}})|\≤0.22---\left(6\right)$

其中，d₁为光轴上旋转多面镜10反射面至第一镜片131旋转多面镜侧光学面的距离、d₃为光轴上第一镜片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为光轴上第二镜片132目标物侧光学面至目标物的距离、f_s为该二片式fθ镜片的复合焦距，β为最大有效窗口角，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、n_d1与n_d2为第一镜片131与第二镜片132的折射率(refraction index)。

再者，本发明之短聚光距二片式fθ镜片所形成的光点均一性，可以扫描光线在感光鼓15上Y位置的光点的最大半径S_max，Y的比值来表示，即满足式(7)：

$0.10\≤\mathrm{\δ}=\frac{\min \left(S_{\max ,Y}\right)}{\max \left(S_{\max ,Y}\right)}---\left(7\right)$

其中，δ为该目标物上最小光点与最大光点的比值。

更进一步，本发明的二片式fθ镜片所形成的分辨率，可使用η_max为旋转多面镜10反射面上扫描光线的几何光点(geometric spot)经扫描在感光鼓15上几何光点最大值的比值与η_min为旋转多面镜10反射面上扫描光线的几何光点经扫描在感光鼓15上几何光点最小值的比值来表示，即可满足式(8)及(9)，

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

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

其中，S_a与S_b为感光鼓15上扫描光线形成的任一个光点在X方向及Y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在副扫描方向及主扫描方向的均方根半径。

为使本发明更加明确详实，兹列举优选实施例并配合下列图示，将本发明的结构及其技术特征详述如下：

本发明以下所揭示的实施例，乃是针对本发明旋转多面镜激光扫描装置的二片式fθ镜片的主要构成组件而作说明，因此本发明以下所揭示的实施例虽是应用于旋转多面镜激光扫描装置中，但就一般具有激光扫描装置而言，除了本发明所揭示的二片式fθ镜片外，其它结构属一般公知技术，因此一般在此领域中熟悉此项技术的人员了解，本发明所揭示旋转多面镜激光扫描装置的二片式fθ镜片的构成组件并不限制于以下所揭示的实施例结构，也就是该旋转多面镜激光扫描装置的二片式fθ镜片的各构成组件是可以进行许多改变、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、间距调整等并不限制。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上光点S_a0＝7.22(μm)、S_b0＝660.94(μm)，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均系为非球面，使用式(3)为非球面公式设计其光学面的曲面；第一镜片131的第一光学面131a、第二镜片132的第四光学面132b的主扫描方向均系为非球面，使用式(2)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一及表二，光路图如图6，第四光学面132b的反曲点位于φ＝4.12°。

表一、第一实施例的fθ光学特性

*表示非球面

表二(A)、第一实施例的光学面非球面参数

表二(B)第一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＝118.315、f_(2)Y＝22389.4(mm)，其y_a＝71.50、y_b＝53.47(mm)，使得最大窗口角β＝37.01°，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)～(6)及式(7)～(9)的条件，如表三；感光鼓15上以中心轴Z轴在Y方向距离中心轴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均系为非球面，使用式(3)为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的第四光学面132b的主扫描方向均系为非球面，使用式(2)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五及表六，光路图如图9，第四光学面132b的反曲点位于φ＝6.47°。

表五、第二实施例的fθ光学特性

*表示非球面

表六(A)、第二实施例的光学面非球面参数

表六(B)第二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＝89.253、f_(2)Y＝-306.107(mm)，其y_a＝79.73、y_b＝55.15(mm)，使得最大窗口角β＝34.673°，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)～(6)及式(7)～(9)的条件，如表七；感光鼓15上以中心轴Z轴在Y方向距离中心轴Y距离(mm)的光点的几何光点直径(μm)，如表八；且本实施例的光点分布图及光点大小形状图，如图10及图11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均系为非球面，使用式(3)为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的主扫描方向均系为非球面，使用式(2)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九及表十，光路图如图12，第四光学面132b的反曲点位于φ＝31.86°。

表九、第三实施例的fθ光学特性

*表示非球面

表十(A)、第三实施例之光学面非球面参数

表十(B)第三实施例之光学面非球面参数

经由此所构成的短聚光距二片式fθ镜片的光学面，f_(1)Y＝85.306、f_(2)Y＝-281.708(mm)，其y_a＝79.34、y_b＝88.70(mm)，使得最大窗口角β＝48.188°，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)～(6)及式(7)～(9)的条件，如表十一；感光鼓15上以中心轴Z轴在Y方向距离中心轴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13及图14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均系为非球面，使用式(3)为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的主扫描方向均系为非球面，使用式(2)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15，第四光学面132b的反曲点位于φ＝18.94°。

表十三、第四实施例的fθ光学特性

*表示非球面

表十四(A)、第四实施例之光学面非球面参数

表十四(B)第四实施例之光学面非球面参数

经由此所构成的短聚光距二片式fθ镜片的光学面，f_(1)Y＝89.817、f_(2)Y＝-232.765(mm)，其y_a＝71.50、y_b＝53.468(mm)，使得最大窗口角β＝36.789°，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)～(6)及式(7)～(9)之条件，如表十五；感光鼓15上以中心轴Z轴在Y方向距离中心轴Y距离(mm)的光点的几何光点直径(μm)，如表十六；且本实施例的光点分布图及光点大小形状图，如图16及图17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均系为非球面，使用式(3)为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的主扫描方向均系为非球面，使用式(2)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十七及表十八，光路图如图18，第四光学面132b的反曲点位于φ＝9.60°。

表十七、第五实施例的fθ光学特性

*表示非球面

表十八(A)、第五实施例之光学面非球面参数

表十八(B)第五实施例之光学面非球面参数

经由此所构成的短聚光距二片式fθ镜片的光学面，f_(1)Y＝89.834、f_(2)Y＝-314.630(mm)，其y_a＝72.694、y_b＝48.158(mm)，使得最大窗口角β＝33.523°，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)～(6)及式(7)～(9)的条件，如表十九；感光鼓15上以中心轴Z轴在Y方向距离中心轴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19及图20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均系为非球面，使用式(3)为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的主扫描方向均系为非球面，使用式(2)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二十一及表二十二，光路图如图21，第四光学面132b的反曲点位于φ＝13.07°。

表二十一、第六实施例之fθ光学特性

*表示非球面

表二十二(A)、第六实施例之光学面非球面参数

表二十二(B)第六实施例之光学面非球面参数

经由此所构成的短聚光距二片式fθ镜片的光学面，f_(1)Y＝89.991、f_(2)Y＝-521.085(mm)，其y_a＝65.46、y_b＝58.208(mm)，使得最大窗口角β＝33.523°，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)～(6)及式(7)～(9)的条件，如表二十三；感光鼓15上以中心轴Z轴在Y方向距离中心轴Y距离(mm)的光点的几何光点直径(μm)，如表二十四；且本实施例的光点分布图及光点大小形状图，如图22及图23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

通过上述的实施例说明，本发明至少可达到下列功效：

(1)通过本发明二片式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)通过本发明二片式fθ镜片的设置，可畸变修正在主扫描方向及副扫描方向的扫描光线，使聚焦于成像的目标物上的光点得以缩小。

(3)通过本发明二片式fθ镜片的设置，可畸变修正在主扫描方向及副扫描方向的扫描光线，使成像在目标物上的光点大小均匀化。

(4)通过本发明二片式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，达到小型化的要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的；本领域技术人员理解，在本发明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，但都将落入本发明的保护范围内。

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用以发射激光束的光源、用以将激光束反射成扫描光线的旋转多面镜及用以感光的目标物；所述短聚光距二片式fθ镜片由旋转多面镜依序起算，由第一镜片及第二镜片所构成，该第一镜片具有第一光学面及第二光学面，该第二镜片具有第三光学面及第四光学面，其特征在于：所述短聚光距二片式fθ镜片在光轴上的主扫描方向，所述第一、第二及第三光学面的凹面在所述旋转多面镜侧，所述第四光学面具有反曲点且其凸面在所述旋转多面镜侧；所述第一光学面、所述第二光学面、所述第三光学面、所述第四光学面在主扫描方向均为非球面；并满足下列条件：

$2.5\&le;\frac{d_1+d_3+d_5}{f_s}\&le;5.2;$

0.5429≤tan(β)≤1.2799；

其中，d₁为光轴上所述旋转多面镜反射面至所述第一镜片的旋转多面镜侧光学面的距离、d₃为光轴上所述第一镜片的目标物侧光学面至所述第二镜片的旋转多面镜侧光学面的距离、d₅为光轴上所述第二镜片的目标物侧光学面至所述目标物的距离、f_s为所述二片式fθ镜片的复合焦距，β为最末端扫描光线自第四光学面射出后的扫描光线与平行于光轴的直线间的夹角。

2.根据权利要求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进一步满足下列条件：

$0.06\&le;|f_s\&CenterDot;(\frac{(n_{d1}-1)}{f_{\left(1\right)y}}+\frac{(n_{d2}-1)}{f_{\left(2\right)y}})|\&le;0.22;$

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、f_s为二片式fθ镜片的复合焦距、n_d1与n_d2分别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所述的短聚光距二片式fθ镜片，其特征在于所述扫描光线于所述目标物上形成最大光点及最小光点，该最大光点与该最小光点大小的比值满足：

$0.10\&le;\mathrm{\&delta;}=\frac{\min \left(S_{\max ,Y}\right)}{\max \left(S_{\max ,Y}\right)};$

其中，S_max，Y为所述目标物上所述扫描光线形成的Y位置上的光点的最大半径、δ为所述目标物上所述最小光点与所述最大光点的比值。

4.根据权利要求1所述的短聚光距二片式fθ镜片，其特征在于所述扫描光线于所述目标物上形成最大光点及最小光点，在所述目标物上所述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

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

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

其中，S_a0与S_b0为所述旋转多面镜反射面上所述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为所述目标物上所述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为所述旋转多面镜反射面上所述扫描光线的光点经扫描在所述目标物上所述最大光点的比值、η_min为所述旋转多面镜反射面上扫描光线的光点经扫描在所述目标物上所述最小光点的比值。

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