專(zhuān)利名稱(chēng)：雷射掃描裝置的鏡片結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種雷射掃描裝置的鏡片結(jié)構(gòu)，特別是一種專(zhuān)用于激光掃描裝置中的fΘ鏡片(f-theta lens)，其具有多區(qū)域光學(xué)面(multi-sections opticalsurface)，可達(dá)到高公差(high tolerance)的組裝品質(zhì)及高效率(high performance)的掃描效果。
背景技術(shù)：
目前激光束掃描器LBP(Laser Beam Printer)的應(yīng)用技術(shù)中，已包括有美國(guó)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等多件專(zhuān)利，其中，所使用的雷射掃描裝置LSU(LaserScanning Unit)模塊大都是利用一高速旋轉(zhuǎn)(如40000/min)的多面鏡(polygonmirror)(如四或六面)以操控激光束的掃描動(dòng)作(laser beam scanning)。下面以一習(xí)知雷射掃描裝置(LSU)1說(shuō)明一般LSU的結(jié)構(gòu)型態(tài)及光學(xué)路徑如下如圖1、圖1A、圖1B所示，以一半導(dǎo)體雷射10作光源而發(fā)出激光束(laser beam)，該激光束可先經(jīng)一細(xì)孔(aperture)11再經(jīng)過(guò)一準(zhǔn)直鏡(collimator)12，而準(zhǔn)直鏡12可使激光束形成平行光束，平行光束再經(jīng)過(guò)一柱面鏡(cylindrical lens)13，而該柱面鏡13主要作用是使前述平行光束在副掃描方向(sub-majorscanning direction)Y軸上的寬度能沿著主掃描方向(major scanning direction)X軸(如箭頭所示)的平行方向聚焦而形成一線狀成像(line image)(在圖1B中聚焦成一點(diǎn))；又利用一可高速旋轉(zhuǎn)的多面鏡(polygon mirror)14，使其上均勻連續(xù)布設(shè)的多面反射面(鏡面)15恰位于或接近于上述線狀成像(lineimage)的焦點(diǎn)位置；而多面鏡14是用以控制激光束的投射方向，其上連續(xù)的復(fù)數(shù)反射面15在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)可將入射至反射面15上的激光束沿著主掃描方向(X軸)的平行方向以同一轉(zhuǎn)角速度(angular velocity)偏斜反射至一fθ鏡片16上；而該fθ鏡片16是設(shè)置于多面鏡14旁側(cè)，可為單件式鏡片結(jié)構(gòu)(single-element scanning lens)如圖1所示，或?yàn)閮杉界R片結(jié)構(gòu)(如US 5,995,131所示)，而藉fθ鏡片16通常是使經(jīng)由多面鏡14上反射面15而射入的激光束能聚焦成一圓形光點(diǎn)(circular light spot)并投射在一光接收面(photoreceptor drum)17上，以達(dá)成線性掃描(scanning linearity)的要求。
而上述習(xí)知LSU 1中的fΘ鏡片16，其實(shí)體構(gòu)造是如圖2所示的fΘ鏡片2，而其光學(xué)面的設(shè)計(jì)是引用下列幾種方程式及參數(shù)的組成1.Anamorphic surfaceZ=(CX)X2+(CY)Y21+(1-(1+Kx)(Cx)2x2-(1+Ky)(Cy)2Y2)1/2+AR((1-AP)X2+(1+AP)Y2)2+BR((1-BP)X2+(1+BP)Y2)3+CR((1-CP)X2+(1+CP)Y2)4+DR((1-DP)X2+(1+DP)Y2)5]]>2.First Type Toric surfaceZ=F+G×Y21+√-G2×Y2]]>F=Cx×x2+A4×x4+A6×x6+A8×x8+A10×x101+√1-(1+Kx)×Cx2×x2]]>G=CY1-CY×F]]>3.Second Type Toric surfaceZ=X2/R+B2×x2+B4×x4+B6×x6+B8×x8+B10×x101+√1-(1+K)×(x/R)2]]>r′＝r(1+D2×x2+D4×x4+D6×x6+D8×x8+D10×x10)
從上述設(shè)計(jì)方程式及參數(shù)，可知習(xí)知單件式fΘ鏡片2的光學(xué)面21、22皆由單一參數(shù)組構(gòu)成，亦即fΘ鏡片的第一光學(xué)面21及第二光學(xué)面22分別由單一參數(shù)組構(gòu)成，如此設(shè)計(jì)雖可使第一、二光學(xué)面21、22皆呈連續(xù)式光學(xué)面型(continuing surface profile)，但在使用上會(huì)有下列問(wèn)題(1)、fθ鏡片的主要功能是將射入的激光束聚焦成一圓形光點(diǎn)(circularlight spot)并以線性掃描(scanning linearity)方式投射在一光接收面(photoreceptor drum)上，而該圓形光點(diǎn)(circular light spot)的成像要求最好是在線性掃描上成像直徑為30μm的圓形光點(diǎn)，或至少是在100μm直徑的圓范圍內(nèi)；然以習(xí)知LSU的組裝型態(tài)(參照?qǐng)D1)而言，投射至多面鏡14反射面15而再反射入fΘ鏡片的激光束中心軸，顯然并非正對(duì)多面鏡14的中心轉(zhuǎn)軸，因此在設(shè)計(jì)相配合的fΘ鏡片時(shí)，須同時(shí)考慮多面鏡14的離軸偏差(deviation)問(wèn)題，致最佳化的fΘ鏡片的光學(xué)面存在有非對(duì)稱(chēng)性的特征(unsymmetricalcharacteristics)。
(2)、而因fΘ鏡片的光學(xué)面既具有光學(xué)非對(duì)稱(chēng)性區(qū)域(unsymmetrical opticalfield)，而又須達(dá)成線性掃描(scanning linearity)要求，已使fΘ鏡片的設(shè)計(jì)困難度提高，因此當(dāng)習(xí)知fΘ鏡片的光學(xué)面只以單一參數(shù)組設(shè)計(jì)時(shí)，則須在單一參數(shù)組上作出各種妥協(xié)性或平衡性修改，藉以兼顧左、右非對(duì)稱(chēng)性區(qū)域的光學(xué)面條件，然此不但增加fΘ鏡片的設(shè)計(jì)麻煩，也使妥協(xié)設(shè)計(jì)(Trade-off)后的單一參數(shù)組無(wú)法同時(shí)以高程度來(lái)滿足左、右非對(duì)稱(chēng)性區(qū)域的光學(xué)面要求，致使左、右非對(duì)稱(chēng)性區(qū)域的光學(xué)效率相對(duì)降低，如圖3所示，其是以一利用單一參數(shù)組設(shè)計(jì)的fΘ鏡片2(如圖2所示)做光學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)，其中所示包括多面鏡23、多面反射面(鏡面)24、激光束25及光接收面(photoreceptor drum)26，可知其在單位距離呈現(xiàn)的光點(diǎn)(light spot)27，不但形成多種形狀而非圓形光點(diǎn)(circularlight spot)，且其光點(diǎn)也有偏離100μm直徑圓的中心，甚至有超出100μm直徑圓的范圍外，俱表示妥協(xié)后單一參數(shù)組的設(shè)計(jì)已使左、右光學(xué)非對(duì)稱(chēng)性區(qū)域的光學(xué)效率相對(duì)降低，也相對(duì)形成低公差(tolerance)而增加組裝的困難度；此乃習(xí)知fΘ鏡片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上最大遺憾。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型主要目的是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)高性能(high performance)及高公差(high tolerance)的掃描效果的雷射掃描裝置的fΘ鏡片結(jié)構(gòu)。
本實(shí)用新型的上述目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，fΘ鏡片的光學(xué)面(optical surface)由多區(qū)域(multi-sections)構(gòu)成，且各區(qū)域的光學(xué)面依據(jù)各區(qū)域相對(duì)于激光束的不同位置或角度設(shè)有不同光學(xué)參數(shù)組(coefficient set)，由此避免已有fΘ鏡片每一光學(xué)面只具單一參數(shù)組的缺點(diǎn)，不但可減少fΘ鏡片設(shè)計(jì)的困難度，并能夠?qū)崿F(xiàn)高性能(high performance)及高公差(high tolerance)的掃描效果。
本實(shí)用新型再一目的是提供一種雷射掃描裝置的fΘ鏡片結(jié)構(gòu)，其中，針對(duì)二不同區(qū)域的光學(xué)面交界處可能產(chǎn)生的曲面斷差，可先經(jīng)仿真式曲面修正(curve fitting)及光學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)(optical simulation)，在二不同區(qū)域的光學(xué)面交界處先確定一最佳的平滑連續(xù)面(continuing surface profile)，再利用超精密機(jī)械加工方式，來(lái)制作完成一具多區(qū)域光學(xué)面(multi-sections optical surface)的fΘ鏡片成型模具，使模具射出成型的fΘ鏡片能符合所預(yù)期的設(shè)計(jì)品質(zhì)。
以下結(jié)合附圖，并以具體實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。


圖1是習(xí)知一激光掃瞄裝置模塊的立體圖；圖1A是圖1光學(xué)路徑的上視圖；圖1B是圖1光學(xué)路徑的一側(cè)視圖；圖2是習(xí)知一fΘ鏡片其光學(xué)面只具單一系數(shù)組的結(jié)構(gòu)圖；圖3是習(xí)知利用單一系數(shù)組設(shè)計(jì)的fΘ鏡片經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)的光點(diǎn)(light spot)示意圖；圖4是本實(shí)用新型一具二區(qū)域(2-sections)光學(xué)面實(shí)施例的分區(qū)示意圖；圖4A是本實(shí)用新型一具三區(qū)域(3-sections)光學(xué)面實(shí)施例的分區(qū)示意圖；圖5是本實(shí)用新型一具二區(qū)域(2-sections)光學(xué)面實(shí)施例的結(jié)構(gòu)上視圖；圖5A是圖5中5A-5A的剖視圖；圖6是圖5的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；圖6A是圖6中6A-6A的剖視圖；圖7是本實(shí)用新型一具二區(qū)域(2-sections)光學(xué)面的fΘ鏡片實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖；圖8是圖7經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)的光點(diǎn)(light spot)示意圖(及未分區(qū)域的光點(diǎn)比較)；圖9是本實(shí)用新型具多區(qū)域光學(xué)面(multi-sectionsoptical surface)fΘ鏡片的制程方塊圖。
附圖標(biāo)記說(shuō)明激光掃瞄裝置(LSU)1；半導(dǎo)體激光10；細(xì)孔11；準(zhǔn)直鏡(collimator)12；柱面鏡(cylindrical lens)13；多面鏡(polygon mirror)14；反射面15；fθ鏡片16；光接收面17；fΘ鏡片2；光學(xué)面21、22；fΘ鏡片3、4；分界線3a、4a；區(qū)域31、32；區(qū)域41、42、43；光學(xué)面311、312、321、322；光學(xué)面411、412、421、422、431、432；斷差5；平滑連續(xù)面型(continuing surfaceprofile)51。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型雷射掃描裝置的fΘ鏡片的結(jié)構(gòu)特征在于該fΘ鏡片由多區(qū)域(multi-sections)構(gòu)成，且各區(qū)域的光學(xué)面(optical surface)依各區(qū)域相對(duì)于入射激光束的不同位置或角度而設(shè)置不同光學(xué)參數(shù)組(coefficient set)。參考圖4所示，該fΘ鏡片3以一分界線3a分成二等區(qū)域(2-sections)，包括第一區(qū)域31及第二區(qū)域32；再參考圖4A，該fΘ鏡片4以二分界線4a分成三等區(qū)域(3-sections)，包括第一區(qū)域41、第二區(qū)域42及第三區(qū)域43；而依此類(lèi)推，可依需要而將一fΘ鏡分成多區(qū)域(multi-sections)；本實(shí)用新型fΘ鏡片上各區(qū)域的主要光學(xué)面(optical surface)，如fΘ鏡片3上的光學(xué)面311、312、321、322共四面光學(xué)面，或fΘ鏡片4上的光學(xué)面411、412、421、422、431、432共六面光學(xué)面，是依各區(qū)域31、32(或41、42、43)在fΘ鏡片3(或4)上的不同位置，亦即各區(qū)域31、32(或41、42、43)相對(duì)于入射激光束的不同位置或角度，而設(shè)具不同的光學(xué)參數(shù)組(coefficient set)，使fΘ鏡片3或4上不同區(qū)域的數(shù)個(gè)光學(xué)面分別由一最佳光學(xué)參數(shù)組構(gòu)成，進(jìn)而使形成的多區(qū)域光學(xué)面(multi-sectionsoptical surface)fΘ鏡片3或4可達(dá)成高公差(high tolerance)的組裝品質(zhì)及高效率(high performance)的掃描效果。
再參考圖5、圖5A、圖6、圖6A，其是以一具二區(qū)域光學(xué)面(2-sections opticalsurface)的fΘ鏡片3為例，由于第一區(qū)域31及第二區(qū)域32的光學(xué)面是由不同的光學(xué)參數(shù)組(coefficient set)構(gòu)成，致第一區(qū)域31及第二區(qū)域32二不同區(qū)域的光學(xué)面交界處可能會(huì)產(chǎn)生不同程度的曲面斷差，其中以fΘ鏡片的邊緣端處產(chǎn)生的斷差最大，如圖5A或圖6A所示的斷差5；而針對(duì)該可能產(chǎn)生的斷差5，可先進(jìn)行仿真的曲面修正(curve fitting)，并將仿真修正后的曲面再經(jīng)光學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)(optical simulation)，藉以確定一最佳的平滑連續(xù)面型(continuing surfaceprofile)51，再利用超精密機(jī)械加工方式，如利用數(shù)字控制(NC)程序來(lái)設(shè)定刀具路徑(SAG值)，藉以完成一具多區(qū)域光學(xué)面(multi-sections optical surface)的fΘ鏡片成型模具，使成型模具中二不同區(qū)域的光學(xué)面交界處具有最佳的平滑連續(xù)面型(continuing surface profile)，而成為fΘ鏡片的模具射出成型(injection molding)的模具。
又本實(shí)用新型fΘ鏡片設(shè)計(jì)成具多區(qū)域光學(xué)面(multi-sections opticalsurface)結(jié)構(gòu)，確實(shí)可克服習(xí)知fΘ鏡片每一光學(xué)面只具單一參數(shù)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題，茲舉一較佳實(shí)施例做進(jìn)一步說(shuō)明，請(qǐng)參考圖7、圖8所示的一具二區(qū)域光學(xué)面(2-sections optical surface)的fΘ鏡片3，而各區(qū)域光學(xué)面，包括第一區(qū)域的光學(xué)面311、312及第二區(qū)域的光學(xué)面321、322分別由一組參數(shù)組構(gòu)成如圖7所示的四組參數(shù)組；而其成像光點(diǎn)的品質(zhì)如圖8所示，在左上方及右下方所示各五個(gè)100μm直徑圓所示的光點(diǎn)81是本實(shí)用新型fΘ鏡片的成像品質(zhì)，而在左下方及右上方所示各四個(gè)100μm直徑圓所示的光點(diǎn)82是習(xí)知fΘ鏡片的成像品質(zhì)，二者間加以比較，可知本實(shí)用新型fΘ鏡片的成像光點(diǎn)品質(zhì)顯然優(yōu)于習(xí)知fΘ鏡片。
再參考圖9，本實(shí)用新型具多區(qū)域光學(xué)面(multi-sections optical surface)結(jié)構(gòu)的fΘ鏡片的制程，包括先設(shè)定一fΘ鏡片的區(qū)域數(shù)，如2-sections～n-sections，并針對(duì)各區(qū)域如第一區(qū)域(section 1)、第二區(qū)域(section 2)、第n區(qū)域(sectionn)而仿真實(shí)驗(yàn)出一最佳參數(shù)組，以構(gòu)成該區(qū)域的光學(xué)面；再針對(duì)二不同區(qū)域的光學(xué)面交界處可能產(chǎn)生的曲面斷差，利用仿真式曲面修正(curve fitting)及光學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)(optical simulation)，以在二不同區(qū)域的光學(xué)面交界處確定一最佳的平滑連續(xù)面(continuing surface profile)；再利用超精密機(jī)械加工方式，如利用數(shù)字控制(NC)程序來(lái)設(shè)定刀具路徑(SAG值)而進(jìn)行機(jī)械加工，以完成一具多區(qū)域光學(xué)面(multi-sections optical surface)的fΘ鏡片的成型模具；再利用該fΘ鏡片成型模具進(jìn)行模具射出成型(injection molding)制程，而量產(chǎn)化制成具多區(qū)域光學(xué)面(multi-sections optical surface)結(jié)構(gòu)的fΘ鏡片。
上述所示僅為本實(shí)用新型的實(shí)施例，并非是限定本實(shí)用新型的實(shí)施例；本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員依本實(shí)用新型的特征，所作的其它等效變化或修飾，皆應(yīng)涵蓋在以下本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種激光掃瞄裝置的鏡片，是利用成型模具射出成型的一體式塑料鏡片，其特征在于該鏡片由二區(qū)域或二區(qū)域以上的多區(qū)域構(gòu)成，各區(qū)域的光學(xué)面依據(jù)各區(qū)域相對(duì)于入射激光束的位置或角度設(shè)有相適應(yīng)的光學(xué)系數(shù)組。
2.如權(quán)利要求1所述的激光掃瞄裝置的鏡片，其特征在于，在二不同區(qū)域的光學(xué)面交界處具有平滑連續(xù)面型。
3.如權(quán)利要求1所述的激光掃瞄裝置的鏡片，其特征在于，鏡片由二區(qū)域構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1所述的激光掃瞄裝置的鏡片，其特征在于，鏡片由三區(qū)域構(gòu)成。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型是一種雷射掃描裝置(LSU，LaserScanning Unit)的fΘ(f－theta)鏡片結(jié)構(gòu)，該fΘ(f－theta)鏡片是一利用模具射出成型(injection molding)方式制作成型的塑料鏡片，且其光學(xué)面(optical surface)由多區(qū)域(multi－sections)構(gòu)成，使各區(qū)域的光學(xué)面依各區(qū)域相對(duì)于激光束的不同位置或角度而設(shè)具不同光學(xué)參數(shù)組(coefficient set)，藉以達(dá)成高公差(high tolerance)的組裝品質(zhì)及高效率(high performance)的掃描效果，而避免習(xí)知fΘ鏡片每一光學(xué)面只具單一參數(shù)組的缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B26/10GK2800303SQ200420084028
公開(kāi)日2006年7月26日 申請(qǐng)日期2004年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月16日
發(fā)明者鄧兆展 申請(qǐng)人:一品光學(xué)工業(yè)股份有限公司