TWI432880B - 具有擴大掃描角度範圍之光學系統 - Google Patents

Description

具有擴大掃描角度範圍之光學系統

本發明係有關於具有擴大掃描角度範圍之光學系統。

發明背景

雷射印表機以電子方式將儲存資料轉換成“硬拷貝(hardcopy)”形式，使能夠對資料進行視覺審視及實體儲存。目前的雷射印表機能夠以每分鐘約16,000行的一速率下進行列印。然而，目前正努力發展一“新一代”雷射印表機，能夠以每分鐘32,000行或更高的一速率下進行列印。

目前的雷射印表機技術係根據一雷射印表機引擎，其包括一邊緣放射型雷射二極體、一旋轉鏡及折射透鏡。該旋轉鏡掃描涵蓋一滾筒之寬度的反射雷射光束。無論電荷撞擊表面何處，雷射光束改變滾筒表面上的電荷。該滾筒接著通過一碳粉儲存器(toner reservoir)，因此碳粉係藉由位在滾筒表面上的充電部分而汲取，而碳粉接著藉由結合熱量及壓力由滾筒轉送至紙張。藉由當於掃描作業期間開啟及關掉雷射時加以控制，能夠將電子方式儲存的資料轉換成一硬拷貝形式。該旋轉鏡能夠轉動的速度以及因而雷射印表機的列印速率，係受包括機械穩定性及安全性的複數因素所限制。

一以微機電系統(MEMS)為基礎的旋轉鏡，由於其之微型化尺寸，能夠在一高轉速下來回地振盪。事實上，假若旋轉鏡係經由一不超過約20度的一掃描角度範圍進行掃描，則一微機電系統旋轉鏡能夠在一足夠高速下轉動，於一雷射印表機中能夠以每分鐘32,000行的速率下進行列印。然而，在20度的一掃描角度範圍下，需要將雷射印表機之滾筒配置在距MEMS旋轉鏡數呎處，為了能夠掃描涵蓋滾筒之整個寬度的一雷射光束。為了提供一小型的雷射印表機設計，需要一較大的掃描角度範圍，例如，約為60度。

發明概要

根據本發明，提供用於掃描涵蓋一光接受表面之光線的一系統及方法。一用於掃描涵蓋一光接受表面之光線用以在光接受表面上投影一掃描線的系統，具有一光束產生器用於產生複數之光束。一掃描機構同時地掃描涵蓋一光接受表面之複數光束的每一光束，用以在光接受表面上投影掃描線之一不同的部分。該掃描系統能夠於可在一高速率下進行列印作業的一小型雷射印表機，以及其他的掃描作業應用中使用。

圖式簡單說明

再者，本發明提供該等具體實施例以及該等上述說明之外或是加以取代的其他特性及優點。經由以上相關於下列圖式之說明，該等特性及優點係為顯而易見的。

第1圖係概略地圖示本發明之一示範具體實施例的一光學掃描系統；第2圖係概略地圖示本發明之一進一步示範具體實施例的一光學掃描系統；第3圖係為圖示於第1及2圖中所示光學掃描系統的一掃描角度範圍；第4A、4B及4C圖係為圖示於第1及2圖中所示光學掃描系統的作業；以及第5圖係為一流程圖，圖示本發明之一進一步示範具體實施例用於掃描涵蓋一光接受表面之光線的一方法。

詳細說明

本發明之該等具體實施例提供用於掃描涵蓋一光接受表面之光線，用以將一掃描線投影在光接受表面上的一光學掃描系統及方法。

第1圖係概略地圖示本發明之一示範具體實施例的一光學掃描系統。該光學掃描系統一般係以代表符號100標示，並於此所說明的示範具體實施例中，包含一概略地以代表符號102標示的雷射印表機用之雷射印表機引擎。然而，應瞭解的是本發明之一光學掃描系統並未限定於一雷射印表機中使用，而亦能夠於其他的光學掃描應用中使用。

光學掃描系統100包括光源總成104及聚焦總成106。光源總成104包括光束產生器108用於產生複數之光束110、112及114、掃描機構116以及用以將光束110、112及114自光束產生器108傳遞至掃描機構116所需的光學裝置。聚焦總成106包括光線聚焦結構118用於聚焦光線並藉由掃描機構116將光束110、112及114再引導至雷射印表機102(第1圖中未顯示)的一滾筒的一表面上。熟知此技藝之人士應瞭解的是，滾筒表面上的電荷在光線撞擊表面處係為改變的。滾筒通過一碳粉儲存器，因此碳粉係由位在滾筒表面上的該等充電部分所汲取，接著將碳粉經由熱量及壓力之結合作用自滾筒轉移至紙張。例如，當藉由與光束產生器108連接的控制器119，開啟及關掉光線時之控制作業，能夠將電子方式儲存的資料轉換成一硬拷貝形式。

光束產生器108包含複數之光源120、122及124，用於分別地產生複數之光束110、112及114。光源120、122及124較佳地包含垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)。垂直共振腔面射型雷射係為一半導體微雷射(microlaser)，放射之光束具有一環形橫截面及低發散性，因而減少對於修正性光學裝置的需求。然而，應瞭解的是光源120、122及124亦能夠包含邊射型雷射二極體或是其他光源，且不意欲將本發明限制在任一特定形式的光源。亦應瞭解的是，儘管光束產生器108產生三光束110、112及114，但於本發明之其他具體實施例中，該光束產生器108能夠產生複數之不同的光束。

用於將光束110、112及114自光束產生器108傳遞至掃描機構116的光學裝置，包括具有折射表面127及128的透鏡126，以及固定的平面鏡129及130。該等折射表面127及128之其中至少之一者係為一非球狀表面，用於針對球面像差進行修正。於第1圖中所示本發明之示範具體實例中，表面127係為一非球狀表面，其之直徑為7.0公厘，曲率半徑為5.75公厘及非球狀係數D＝20E－4及E＝12E－6。折射表面128係為一球狀表面，其之直徑為7.0公厘以及曲率半徑為5.75公厘。儘管表面127及128係為一單一透鏡126之相對表面，若有需要，該等表面亦能夠配置在個別的光學元件上。

掃描機構116較佳地包含一光反射構件用於接受自光束產生器108傳遞的光束110、112及114，並用於將光束反射在雷射印表機102中之滾筒的表面上。於此說明的本發明之示範具體實施例中，掃描機構116包含一微機電系統(MEMS)鏡。一微機電系統鏡，由於其之微型尺寸(例如，約為2mm² )，能夠在一高轉速下來回地振盪，因此，能夠快速來回地掃描涵蓋滾筒之表面的反射光線，用以提供具有一高列印速率的一雷射印表機。

透鏡126將自每一VCSEL 120、122及124放射的光線準直。VCSEL 122係位在透鏡126之光軸134上，並提供沿著光軸134朝向MEMS鏡116之中心傳播的準直光束112。VCSEL 120及124係配置在VCSEL 112之相對側邊上並以透鏡126之光軸134為對稱，分別地提供準直光束110及114，在一相關於光軸134成一角度下傳播。光束110及114分別地撞擊平面鏡130及129，其經定位並定向用以將光束朝向MEMS鏡116之中心反射。於是，所有三準直光束110、112及114係同時地作用在MEMS鏡116上，但彼此的傳播角度不同。

於第1圖中圖示的本發明之示範具體實施例中，VCSEL 120及124係配置在VCSEL 122之相對側邊上並與VCSEL 122間隔約2公厘的距離。自VCSEL 122至非球狀表面127之頂點的距離約為5公厘，自非球狀表面127之頂點至球狀表面128之頂點的距離約為4公厘，以及自VCSEL 122至MEMS鏡116之中心的距離約為70公厘。每一準直光束110、112及114之直徑約為1公產。利用具有上述之幾何形狀的一掃描光學系統，如第1圖所示準直光束110及114以相對於準直光束112約20度的一角度照射在MEMS鏡116上。

第2圖係概略地圖示本發明之一進一步示範具體實施例的一光學掃描系統。該光學掃描系統係以代表符號200標示，且大體上與第1圖中的光學掃描系統100相似，因此相一致的元件係以相一致的代表符號標示。光學掃描系統200與光學掃描系統100不同之處在於光學掃描系統100中的旋轉鏡129及130已由繞射元件250所取代，用以將光束210、212及214導引到MEMS鏡216之中心上。繞射元件250，例如，可為具有同中心溝槽的一平坦的二氧化矽元件用以與第1圖中系統的相同方式將光束210、212及214自光束產生器208傳遞用以照射在MEMS鏡216上。

為了達到用以提供一具有每分鐘32,000行之列印速率的一雷射印表機所需的高轉速，MEMS鏡116或216係約為10度(相對於光軸134或234，自約＋5度至約－5度)。反射作用使掃描範圍加倍，自約10度至約20度致使MEMS鏡116或216經由約為20度的一掃描角度掃描每一光束。第3圖係為圖示於第1及2圖中分別所示光學掃描系統100及200之掃描角度範圍。

如第3圖中所示，相對於光軸334，MEMS鏡316介於約為＋5度與約為－5度之間的一單一旋轉，掠過該三光束310、312及314的每一光束涵蓋約為20度的一角度範圍。特別地，MEMS鏡316自位在滾筒362之一端部處的位置371至位置372掃描涵蓋滾筒362之表面360的光束310。同時，MEMS鏡316自位置372至位置373掠過涵蓋滾筒表面的光束312，以及自位置373至位在滾筒362之一端部處的位置374掠過涵蓋滾筒表面的光束314。MEMS鏡316於是沿著等於約為滾筒362之三分之一寬度的一掃描長度掃描每一光束。此外，三光束掠過涵蓋彼此相鄰的該等角度範圍，用以提供約為60度之三光束的一總掃描角度範圍，相對於光軸334自約＋30度至約－30度。亦如第3圖中所示，假若滾筒362之表面360係與MEMS鏡316之中心間隔開一段約為200公厘的距離，於一典型的雷射印表機中，三光束掃描涵蓋與滾筒362之寬度相等，約為230公厘的一段長度。

如先前所示，假若MEMS鏡係經由不超過約10度的一掃描角度範圍掃描，則一MEMS鏡能夠在一足夠高的速度下轉動，使一雷射印表機能夠進行每分鐘32,000行之列印作業。根據第1及2圖中本發明之該等示範具體實施例，每一光束係經由僅約為20度的一掃描範圍掃描，因而光學系統100或200能夠掃描涵蓋約為60度的一完整掃描範圍，俾便能夠在每分鐘32,000行的一速率下列印，同時維持一小型雷射印表機設計。

第4A、4B及4C圖係為圖示於第1及2圖中所示光學掃描系統的作業。特別地，第4A圖係圖示於一掃描作業期間，當MEMS鏡434係位在約＋5度的一角度下時的光束410、412及414，第4B圖係圖示當MEMS鏡434係位在約0度的一角度下時的光束410、412及414，以及第4C圖係圖示當MEMS鏡434係位在約－5度的一角度下時的光束410、412及414。如圖所示，於一掃描作業期間，每一光束410、412及414提供位在滾筒表面460上的一掃描線的一部分，致使該三光束一同提供一完整的掃描線，自滾筒表面460的一端部延伸至相對端部。

第4A、4B及4C圖亦圖示與分別於第1及2圖中的光線聚焦結構118及218相一致的光線聚焦結構418。光線聚焦結構包括二聚焦折射透鏡480及482，其之作用在於將自MEMS鏡416反射的光束聚焦在滾筒表面460上。透鏡較佳地包含fθ透鏡，用以當光束410、412及414行進距滾筒表面不同距離時修正曲率場(field of curvature)。該fθ透鏡修正光束，因此儘管所有光束行進不同距離，但該所有光束聚焦在滾筒表面460上。

往前參考第3圖，在位置372及373處發生“編結(stitching)”現象，其中一光束結束一掃描而相鄰光束開始一掃描。特別地，於一掃描作業期間相鄰光束於位置372及373處並未準確地排列，致使該等光束稍微部分重疊或是沿著在滾筒表面的掃描線留有一微小的間隙。

根據本發明之該等具體實施例，藉由蓄意地致使相鄰光束於介於相鄰光束之間的編結區域中部分重疊，而消除編結現象。特別地，如第3圖中所示，相鄰光束310及312係蓄意地致使於編結區域381中部分重疊，以及相鄰光束312及314係蓄意地致使於編結區域382中部分重疊。編結區域381及382較佳地具有一段長度，其足以包含在一掃描作業期間可能發生的任一部分重疊或間隙。於本發明之一示範具體實施例中，一雷射點係為50微米，具有約為10雷射點的長度的編結區域係為足夠的。此係可藉由致使相鄰光束部分重疊約0.1度而達成，針對具有於此說明並於第1－3圖中所示尺寸的一雷射印表機，其在滾筒表面360上造成的編結區域的長度小於1/2公厘。

需要調整於編結區域381及382中部分重疊光束的結合功率，因此該等部分重疊光束的結合效應產生的紙張標誌大體上與於非編結區域中藉由一單一光束所產生的紙張標誌相同。根據本發明之該等示範具體實施例，能夠以電子或光學方式完成調整部分重疊光束之結合功率。藉由對最終聚焦透鏡482(第4圖)施以一光學塗層而完成光學調整作業，因此經由透鏡並撞擊一編結區域的折射光之通量係適當地降低。所施加的塗層，於第4圖中概略地以代表符號485標示，係連續地變化涵蓋透鏡之一小部分用以降低繞射效應。

藉由當光束朝向編結區域傳播時降低光束源功率，以電子方式完成調整部分重疊光束之結合功率。根據本發明之一示範具體實施例，能夠藉由校準雷射印表機致使控制器119或219關掉位在軸向對準雷射122或222之任一側邊上的雷射120及124或220及224，同時當於編結區域中該等光束部分重疊時在全功率下離開軸向對準雷射122或222，完成調整部分重疊光束之結合功率。可交替地，能夠關掉雷射120及124或雷射220及224，同時當於編結區域中該等光束部分重疊時在全功率下離開軸向對準雷射122或222。其他技術亦能夠用以調整於編結區域中該等部分重疊光束之結合功率，不致背離本發明之範疇。

第5圖係為一流程圖，圖示本發明之一進一步示範具體實施例用於掃描涵蓋一光接受表面之掃描光線的一方法。該方法一般係以代表符號500標示，並以產生複數之光束為開始(步驟502)。將複數之光束傳遞至一掃描機構(步驟504)，並同時地掃描涵蓋一光接受表面之不同部分，用以將一掃描線之不同部分投影在光接受表面上(步驟506)。

儘管已說明構成本發明之該等示範具體實施例，但應確認的是本發明能以複數之形式加以變化，而不致背離本發明之範疇。由於本發明之該等具體實施例能夠以複數之形式加以變化，所以應瞭解的是本發明僅限定在由以下申請專利範圍之範疇所需的範圍。

100．．．光學掃描系統

102．．．雷射印表機引擎

104．．．光源總成

106．．．聚焦總成

108．．．光束產生器

110,112,114．．．光束

116．．．掃描機構/MEMS鏡

118．．．光線聚焦結構

119．．．控制器

120,122,124．．．光源

126．．．透鏡

127,128．．．折射表面

129,130．．．平面鏡

134．．．光軸

200．．．光學掃描系統

208．．．光束產生器

210,212,214．．．光束

216．．．MEMS鏡

218．．．光線聚焦結構

219．．．控制器

220,222,224．．．雷射

234．．．光軸

250．．．繞射元件

310,312,314．．．光束

316．．．MEMS鏡

334．．．光軸

360．．．表面

362．．．滾筒

371,372,373,374．．．位置

381,382．．．編結區域

410,412,414．．．光束

416．．．MEMS鏡

418．．．光線聚焦結構

434．．．MEMS鏡

460．．．滾筒表面

480,482．．．聚焦折射透鏡

485．．．塗層

500．．．方法

第1圖係概略地圖示本發明之一示範具體實施例的一光學掃描系統；第2圖係概略地圖示本發明之一進一步示範具體實施例的一光學掃描系統；第3圖係為圖示於第1及2圖中所示光學掃描系統的一掃描角度範圍；第4A、4B及4C圖係為圖示於第1及2圖中所示光學掃描系統的作業；以及第5圖係為一流程圖，圖示本發明之一進一步示範具體實施例用於掃描涵蓋一光接受表面之光線的一方法。

100．．．光學掃描系統

102．．．雷射印表機引擎

104．．．光源總成

106．．．聚焦總成

108．．．光束產生器

110,112,114．．．光束

116．．．掃描機構/MEMS鏡

118．．．光線聚焦結構

119．．．控制器

120,122,124．．．光源

126．．．透鏡

127,128．．．折射表面

129,130．．．平面鏡

134．．．光軸

Claims (15)

1. 一種用於掃描涵蓋一印表機中一滾筒(drum)之一表面之光線以在該表面上投影一掃描線之方法，其包含：產生至少三個光束；傳遞所產生之該至少三個光束之每一光束以在不同的傳播角度下照射(impinge)在一微機電系統掃描鏡上；及利用該微機電系統掃描鏡同時地掃描涵蓋該滾筒之該表面的彼此對準之該至少三個光束的每一光束，用以在該表面上投影該掃描線的一不同部分。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包括在一掃描作業期間修正相鄰光束間的未對準。
3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該至少三個光束包含三個光束。
4. 一種印表機，其包含：一滾筒；及一系統，其用於掃描涵蓋該滾筒之一表面之光線以在該滾筒之該表面上投影一掃描線，其包含：一光束產生器，其用於產生複數之光束；一微機電系統掃描鏡，其用於同時地掃描涵蓋該滾筒之該表面的彼此對準之該至少三個光束的每一光束，用以在該滾筒之該表面上投影該掃描線的一不同部分；及傳遞光學裝置，其用於傳遞來自該光束產生器之該至少三個光束之每一光束以在一不同的傳播角度下照射在該微機電系統掃描鏡上。
5. 如申請專利範圍第4項之印表機，其中該用於傳遞該至少三個光束以一在不同的傳播角度下照射在該微機電系統掃描鏡上之光學裝置包括複數個固定鏡。
6. 如申請專利範圍第4項之印表機，其中該用於傳遞該至少三個光束以一在不同的傳播角度下照射在該微機電系統掃描鏡上之光學裝置包括一繞射元件。
7. 如申請專利範圍第4項之印表機，其進一步包括光線聚焦結構，其用於將該至少三個光束聚焦在光接受表面上，其中該光線聚焦結構包括至少一fθ透鏡。
8. 如申請專利範圍第4項之印表機，其進一步包括一編結機構，其用於在一掃描作業期間修正相鄰光束間的未對準，其中該編結機構包含一用於致使該等光束於介於相鄰光束間的編結區域中部分重疊的機構。
9. 如申請專利範圍第8項之印表機，其中該編結機構進一步包含一調整機構，其用於調整編結區域中相鄰光束的一結合功率。
10. 如申請專利範圍第9項之印表機，其中該用於調整編結區域中相鄰光束的該結合功率之調整機構包含一光學機構或一電子機構。
11. 如申請專利範圍第4項之印表機，其中該至少三個光束包含三個光束，每一光束提供約為該掃描線之三分之一。
12. 如申請專利範圍第11項之印表機，其中該三個光束包含在該系統之一光軸上的一第一光束，以用於掃描涵蓋該滾筒之該表面之光線以在該滾筒之該表面上投影該掃描線，及在該第一光束之相對側邊之一第二光束及一第三光束。
13. 如申請專利範圍第4項之印表機，其中該微機電系統掃描鏡在滾筒表面上以約每分鐘32,000行進行列印。
14. 如申請專利範圍第4項之印表機，其中該光束產生器包含至少三個雷射。
15. 如申請專利範圍第14項之印表機，其中該至少三個雷射包含至少三個垂直共振腔面射型雷射。