CN2800303Y - 雷射扫描装置的镜片结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种雷射扫描装置(LSU，LaserScanning Unit)的fΘ(f－theta)镜片结构，该fΘ(f－theta)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(optical surface)由多区域(multi－sections)构成，使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，而避免习知fΘ镜片每一光学面只具单一参数组的缺点。

Description

雷射扫描装置的镜片结构

技术领域

本实用新型涉及一种雷射扫描装置的镜片结构，特别是一种专用于激光扫描装置中的fΘ镜片(f-theta lens)，其具有多区域光学面(multi-sections opticalsurface)，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US5,128,795、US5,162,938、US5,329,399、US5,710,654、US5,757,533、US5,619,362、US5,721,631、US5,553,729、US5,111,219、US5,995,131，及日本4-50908、日本5-45580等多件专利，其中，所使用的雷射扫描装置LSU(LaserScanning Unit)模块大都是利用一高速旋转(如40000/min)的多面镜(polygonmirror)(如四或六面)以操控激光束的扫描动作(laser beam scanning)。下面以一习知雷射扫描装置(LSU)1说明一般LSU的结构型态及光学路径如下：如图1、图1A、图1B所示，以一半导体雷射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-majorscanning 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(lineimage)的焦点位置；而多面镜14是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是设置于多面镜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。

而上述习知LSU 1中的fΘ镜片16，其实体构造是如图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式及参数的组成：

1.Anamorphic surface

$Z=\frac{\left(\mathrm{CX}\right)X^2+\left(\mathrm{CY}\right)Y^2}{\begin{array}{c}1+{(1-(1+\mathrm{Kx}){\left(\mathrm{Cx}\right)}^2{x}^2-(1+\mathrm{Ky}){\left(\mathrm{Cy}\right)}^2{Y}^2)}^{1/2}\\ +\mathrm{AR}{((1-\mathrm{AP})X^2+(1+\mathrm{AP})Y^2)}^2\\ +\mathrm{BR}{((1-\mathrm{BP})X^2+(1+\mathrm{BP})Y^2)}^3\\ +\mathrm{CR}{((1-\mathrm{CP})X^2+(1+\mathrm{CP})Y^2)}^4\\ +\mathrm{DR}{((1-\mathrm{DP})X^2+(1+\mathrm{DP})Y^2)}^5\end{array}}$

2.First Type Toric surface：

$Z=F+\frac{G\×Y^2}{1+\√-G2\×Y^2}$

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

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

3.Second Type Toric surface：

$Z=\frac{X2/R+B2\×x^2+B4\×x^4+B6\×x^6+B8\×x^8+B10\×x^{10}}{1+\√1-(1+K)\×{(x/R)}^2}$

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

从上述设计方程式及参数，可知习知单件式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；然以习知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特征(unsymmetricalcharacteristics)。

(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，因此当习知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)做光学仿真实验，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(circularlight spot)，且其光点也有偏离100μm直径圆的中心，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；此乃习知fΘ镜片结构设计上最大遗憾。

发明内容

本实用新型主要目的是提供一种能够实现高性能(high performance)及高公差(high tolerance)的扫描效果的雷射扫描装置的fΘ镜片结构。

本实用新型的上述目的是这样实现的，fΘ镜片的光学面(optical surface)由多区域(multi-sections)构成，且各区域的光学面依据各区域相对于激光束的不同位置或角度设有不同光学参数组(coefficient set)，由此避免已有fΘ镜片每一光学面只具单一参数组的缺点，不但可减少fΘ镜片设计的困难度，并能够实现高性能(high performance)及高公差(high tolerance)的扫描效果。

本实用新型再一目的是提供一种雷射扫描装置的fΘ镜片结构，其中，针对二不同区域的光学面交界处可能产生的曲面断差，可先经仿真式曲面修正(curve fitting)及光学仿真实验(optical simulation)，在二不同区域的光学面交界处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，来制作完成一具多区域光学面(multi-sections optical surface)的fΘ镜片成型模具，使模具射出成型的fΘ镜片能符合所预期的设计品质。

下面结合附图，并以具体实例对本实用新型进行详细说明。

附图说明

图1是习知一激光扫瞄装置模块的立体图；

图1A是图1光学路径的上视图；

图1B是图1光学路径的一侧视图；

图2是习知一fΘ镜片其光学面只具单一系数组的结构图；

图3是习知利用单一系数组设计的fΘ镜片经仿真实验的光点(light spot)示意图；

图4是本实用新型一具二区域(2-sections)光学面实施例的分区示意图；

图4A是本实用新型一具三区域(3-sections)光学面实施例的分区示意图；

图5是本实用新型一具二区域(2-sections)光学面实施例的结构上视图；

图5A是图5中5A-5A的剖视图；

图6是图5的结构侧视图；

图6A是图6中6A-6A的剖视图；

图7是本实用新型一具二区域(2-sections)光学面的fΘ镜片实施例的结构图；

图8是图7经仿真实验的光点(light spot)示意图(及未分区域的光点比较)；

图9是本实用新型具多区域光学面(multi-sectionsoptical surface)fΘ镜片的制程方块图。

附图标记说明：激光扫瞄装置(LSU)1；半导体激光10；细孔11；准直镜(collimator)12；柱面镜(cylindrical lens)13；多面镜(polygon mirror)14；反射面15；fθ镜片16；光接收面17；fΘ镜片2；光学面21、22；fΘ镜片3、4；分界线3a、4a；区域31、32；区域41、42、43；光学面311、312、321、322；光学面411、412、421、422、431、432；断差5；平滑连续面型(continuing surfaceprofile)51。

具体实施方式

本实用新型雷射扫描装置的fΘ镜片的结构特征在于：该fΘ镜片由多区域(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置不同光学参数组(coefficient set)。参考图4所示，该fΘ镜片3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以二分界线4a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镜分成多区域(multi-sections)；本实用新型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，进而使形成的多区域光学面(multi-sectionsoptical 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，其是以一具二区域光学面(2-sections opticalsurface)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5A或图6A所示的断差5；而针对该可能产生的断差5，可先进行仿真的曲面修正(curve fitting)，并将仿真修正后的曲面再经光学仿真实验(optical simulation)，藉以确定一最佳的平滑连续面型(continuing surfaceprofile)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 surface profile)，而成为fΘ镜片的模具射出成型(injection molding)的模具。

又本实用新型fΘ镜片设计成具多区域光学面(multi-sections opticalsurface)结构，确实可克服习知fΘ镜片每一光学面只具单一参数组的结构设计问题，兹举一较佳实施例做进一步说明，请参考图7、图8所示的一具二区域光学面(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是本实用新型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是习知fΘ镜片的成像品质，二者间加以比较，可知本实用新型fΘ镜片的成像光点品质显然优于习知fΘ镜片。

再参考图9，本实用新型具多区域光学面(multi-sections optical surface)结构的fΘ镜片的制程，包括：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(sectionn)而仿真实验出一最佳参数组，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，利用仿真式曲面修正(curve fitting)及光学仿真实验(optical simulation)，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 surface profile)；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)而进行机械加工，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，而量产化制成具多区域光学面(multi-sections optical surface)结构的fΘ镜片。

上述所示仅为本实用新型的实施例，并非是限定本实用新型的实施例；本领域熟练技术人员依本实用新型的特征，所作的其它等效变化或修饰，皆应涵盖在以下本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种激光扫瞄装置的镜片，是利用成型模具射出成型的一体式塑料镜片，其特征在于：该镜片由二区域或二区域以上的多区域构成，各区域的光学面依据各区域相对于入射激光束的位置或角度设有相适应的光学系数组。

2.如权利要求1所述的激光扫瞄装置的镜片，其特征在于，在二不同区域的光学面交界处具有平滑连续面型。

3.如权利要求1所述的激光扫瞄装置的镜片，其特征在于，镜片由二区域构成。

4.如权利要求1所述的激光扫瞄装置的镜片，其特征在于，镜片由三区域构成。

Images