使用展像段的光学图案生成器的制作方法

专利名称：使用展像段的光学图案生成器的制作方法
技术领域：
本发明主要地涉及光学地生成比如图像点、斑或者线的阵列的图形图案。具体而 言，本发明涉及使用具有多个展像(axicon)偏转段的旋转部件来生成这样的图案。
背景技术：
在多种应用中使用预定义的斑或者图像结构图案的光学生成。数字复印机、手持 条形码扫描仪、工业切割或者焊接操作、打印机、指纹标识、灯光表演娱乐、远程通信切换、 医疗应用和光学显示器为少数例子。在用于生成图形图案的最常用机制之中有倾斜镜(例 如由电流计驱动的振荡镜)和来自旋转凸多边形的反射。然而，基于倾斜镜的光学图案生成器通常具有使它们并不适合于某些应用的特 性。例如，通过来回扫描倾斜镜来实现这些设备中的图案生成。但是倾斜镜的振荡或者来 回扫描要求镜移动停止、然后反转它的方向。这需要时间，从而限制可以产生图案的速率。 为了增加图案生成速率，常常在电流计谐振频率附近驱动这些系统中的镜。然而，这严格地 制约可以产生的图案并且减少系统占空比。例如，难以产生不规则图案，因为镜运动限于振 荡。接近谐振的条件也限制可以实现的图案生成速率范围。例如，难以在宽的速率范围内 调谐这样的系统，因为接近谐振的条件仅存在于小的速率范围内。此外，谐振图案生成器的 角速率通常为正弦而不适合于大量如下应用，在这些应用中在各点的停留时间必须合理地 恒定并且持续时间合理地长。如果希望二维图像图案(例如连串平行线或者二维斑图案)，则通常单个镜在两 个方向上同时倾斜或者使用两个协调的倾斜镜。在许多情况下，能量源(如激光)的效率或者占空比也是重要的。效率或者占空 比可以定义为在处理位置按照希望图案沉积的能量与源在给定时间段中递送的总能量之 比。如果图案与背景视野相比稀疏，则可优选地关断能量源并且在未曝光的背景内快速扫 描，然后在图像已经稳定于待曝光的图像点时恢复接通源。这需要一种可以快速地进行加 速、减速和稳定的甚至更具响应性的设备。由于这些必备特性，电流计或者凸多边形或者其 他现有技术的机制并未很好地适合于高速图案生成，特别是如果该图案是不规则或者稀疏 图案。在旋转凸多边形系统中，使三维多边形的多条边反射并且围绕中心轴旋转多边 形。随着多边形的各反射边旋转经过入射光束，光束被反射以在扫描线上生成点轨迹。各 反射边的旋转产生不同扫描线。如果所有多边形边相同，则各多边形边扫描相同线。如果 反射边参照中心旋转轴具有不同棱镜角，则各边产生不同移位扫描线。
然而，旋转多边形方式也具有使得它并不适合于某些应用的弊端。例如，产生连串 扫描线的系统可能受到由多边形旋转引起的像差所困扰。为了产生连串扫描线，各多边形 边必须具有在与扫描方向垂直的方向上偏移扫描线的不同锥体角。然而，随着各边旋转经 过入射光束，反射多边形边的角定向随着旋转角而改变。这可能引起偏移量随着旋转角而 改变和/或引起其他不利图像像差。不利图像像差的一个例子为线弓(line bow)。理想扫 描线通常为直线，但是实际扫描线常常由于反射表面角定向随着多边形旋转的改变而为弓 形弧。图像弧的下陷是扫描线中的“弓”，并且弓的量通常依赖于多边形的反射边上的锥体 角的量。当在多边形边上使用不同锥体角来扫描不同线时，针对各扫描线产生不同量的线 弓。多边形旋转引起的扫描线弓和其他影响根据应用可能引起另外的问题。例如，在 一些应用中，扫描动作用来补偿扫描系统相对于处理位置(或者表面)的运动，从而光学图 案在光学系统参照表面移动时理想地保持固定于处理位置。在这一情况下，扫描线弓和其 他由多边形引起的像差将使光学图案在与扫描方向垂直的方向上移动。光学图案参照处理 位置/表面的不利移动造成不利的图像模糊。光学图案生成器(比如电流计驱动的镜或者凸旋转多边形)通常需要复杂的多元 件象变(anamorphic)光学系统以产生在两个正交方向上具有不同尺度的图像点。一些应 用需要强椭圆形而不是圆形的图像。工业焊接应用和一些医疗应用需要象变图像结构的这 一条件。这些光学系统的复杂度使得很难在处理位置的整个区域内保持相同图像结构几何 形状，因为象变光学系统具有随着图像场位置而变化的像差。因此，需要可以按照高占空比、在各图像点的停留时间可能长久并且特别用于生 成不规则图案的高速操作的光学图案生成器。也需要像差减少和/或图像模糊减少的图案 生成器。在许多应用中还需要象变的并且在整个图像场内形状相对恒定的图像结构。

发明内容
本发明通过提供一种使用具有展像段的旋转部件的光学图案生成器来克服现有 技术的局限。旋转部件包括多个反射展像段。至少两个展像段具有不同夹角。旋转部件被 定位成使得展像段随着旋转部件围绕它的旋转轴旋转而旋转经过入射光束。各展像段偏转 入射光束以生成图形。集合中的展像段生成图形图案。在另一方面中，光学图案生成器还包括象变光学器件(例如，圆柱透镜)。一些象 变光学器件在矢平面中压缩入射光束如成像到展像段上(例如，通过将光束成像到线轨迹 上)。附加象变光学器件然后在光束离开展像段之后在矢平面中解压光束。以这一方式，减 少光束在展像段上的宽度，因此增加占空比。此外，可以通过调节象变光学器件的相对光学 放大率(power)来调节在目标位置产生的图形的形状。例如，可以调节光束在目标位置的 矢平面和子午平面中的数值孔径和/或斑宽度。展像是绕转表面。它们围绕绕转轴可旋转地对称。在一些实施例中，展像段被定 位成使得它们的绕转轴与用于旋转部件的旋转轴重合。以这一方式，展像段向光束呈现的 形状并不随着展像段旋转经过光束而改变，并且产生的对应图形也不会改变。在一种替代 方式中，旋转轴与绕转轴平行、但是从绕转轴移位。这可以用来创建略微改变(例如，略微 移动)的图形，这可以有利地使用于某些应用中。
可以通过使用在光学图案生成器上入射的多个光束来增加总吞吐。在另一实施方式中，光学图案生成器使用双展像设计。在这一情况下，有两个部 件，其中至少一个部件旋转。两个部件具有反射展像段。对于旋转部件，展像段随着旋转部 件围绕它的旋转轴旋转而旋转经过光束。传入光束由来自各部件的一个展像段偏转。两个 展像段配合以偏转入射光束以生成图形图案中的图形。许多不同配置是可能的。例如，第 一部件可以旋转而第二部件静止，或者第一部件可以静止而第二部件旋转，或者两个部件 可以旋转。在一种方式中，两个部件旋转并且它们相同，因此减少总部件数。如上文所述， 象变光学器件也可以用来压缩光束如成像到展像段上。上述光学图案生成器可以有利地用于各种应用。例如，它们可以用来将光学能量 沉积到人类组织上(外部沉积沉积到皮肤上或者内部经过各种孔)。光学能量可以用来实 现不同目的例如局部加热、烧蚀、切割或者烧灼。设备也可以用来将光学能量沉积到其他 材料上例如金属粉末或者其他工业材料。切割、焊接、烧蚀和标记是可以使用本发明来实 施的制造过程的例子。设备也可以使用于激光器或者LED打印机、光学成像扫描仪或者复 印机中。其他应用将是明显的。在许多情况下，可以通过直接加工或者通过复制方法(比如塑料注模、电铸或者 环氧复制)来制造这些展像元件。本发明的其他方面包括与设备对应的方法及其制造和应用。


本发明具有根据在与附图结合时对本发明的下文详细描述和所附权利要求书将 更容易清楚的其他优点和特征，附图中图IA和图IB是分别示出了子午平面中从夹角为A和A’的展像段的反射的图。图2A和图2B是示出了展像反射体的端视图，这些端视示了矢平面中的不同 光束发散。图3是在展像段上的矢平面中使用光束聚焦的展像光学图案生成器系统的透视 图。图4A和图4B是图3的展像光学图案生成器系统的侧视图。图5A是图3中的系统的端视图。图5B是图5A的放大图，该放大图示出了展像段 上的光束覆盖区。图6是针对如下条件的点扩展函数轮廓绘图，在该条件下第二圆柱半径是第一圆 柱半径的两倍长。图7是针对如下条件的点扩展函数轮廓绘图，在该条件下第一圆柱半径是第二圆 柱半径的两倍长。图8、图9和图10是基于小夹角展像段的展像光学图案生成器系统的透视图、侧视 图和仰视图。图11和图12是其中另一展像段具有小夹角的另一展像光学图案生成器系统的透 视图和俯视图。图13、图14和图15是又一展像光学图案生成器系统的透视图、侧视图和俯视图。图16和图17是展像光学图案生成器系统的透视图和俯视图，其中用于展像段的旋转轴和绕转轴分离并且图像图形与线轨迹方向横切移动。图18是由旋转轴和绕转轴重合的展像光学图案生成器系统形成的图形的斑图。图19是由旋转轴和绕转轴分离的图16的展像光学图案生成器系统形成的图形的 斑图。图20是使用多个输入光束以增加产生的图像图形数目的展像光学图案生成器的 透视图。图21示出了由图20的三个输入光束同时产生的三个图像图形的斑图。图22和图23是在矢平面中引入多个输入光束的展像光学图案生成器的透视图和 俯视图。图24示出了由图22的三个输入光束同时产生的三个图像图形的斑图。图25、图26和图27是双展像光学图案生成器的透视图、侧视图和俯视图。图28和图29是占空比提高的双展像实施例的透视图和俯视图。附图仅出于示例目的描绘本发明的实施例。本领域技术人员将根据下文讨论容易 认识到可以运用这里所示结构和方法的替代实施例而不脱离这里描述的本发明原理。
具体实施例方式图IA是示出了入射光束14在子午平面中从反射展像表面10的反射的图，该表面 是围绕绕转轴12的绕转表面。在这一情况下，展像具有直圆锥的形状。在图IA中(和许 多其他图中)的展像10上叠加的网格是绘图程序的人造物；并非意味着网格内的各梯形区 域为分段平坦。展像的夹角标记为A。该夹角是从其生成展像的圆锥的顶角的一半。也示 出了反射的光束16。由于展像表面10为绕转表面，所以围绕绕转轴12的旋转并不改变表 面形状，并且反射的光束16并不随着展像表面10旋转而改变传播方向。图IB与图IA相同，不同之处在于展像10’具有不同夹角A’。结果是反射的光束 16’按照与图IA相比不同的角度传播。然而，如在图IA中一样，展像10’围绕它的绕转轴 12的旋转并不改变表面形状，并且反射的光束16’并不随着展像10’旋转而改变它的传播 方向。在一个实施例中，光学图案生成器包括具有多个反射展像段的旋转部件。在图IA 和图IB中，各展像10、10’围绕绕转轴12跨越完全360度。然而，可以形成跨越少于360 度的展像段。这些是对应圆锥的段而不是整个圆锥。然后可以组装不同段以跨越整个360 度。例如，假设各展像段跨越15度。第一段可以具有夹角A，下一段具有夹角A’，并且对于 所有24段以此类推。现在将这些段组装成旋转部件，其中旋转轴与用于各展像段的绕转轴 重合。随着包含展像段的部件围绕共同轴12旋转，各不同反射展像段依次旋转经过入射光 束14，由此产生可以各自具有不同反射角的连串反射光束16、16’等。另外，由于段是围绕 其绕转轴旋转的展像，所以反射光束不随着一个特定段旋转经过入射光束而改变，尽管它 将随着不同段旋转经过光束而改变。图2A是示出了准直的入射光束14在矢平面中从反射展像表面10的反射的图。 准直的光束在矢平面中反射时强发散。反射光束16S的发散量取决于矢方向上的展像表面 上的入射光束的尺寸。在这一例子中示出了若干射线。反射光束16S中的这七条射线强发 散，并且发散角取决于入射射线在展像表面10的矢尺度上的距离，从而射线不表现为从单
7点散发。在射线平面中的射线扇异常。该发散可以用于变化在系统的子午平面与矢平面之间的相对孔径，但是在展像表 面10上的移位明显减少系统占空比。展像光学图案生成器系统的占空比取决于入射光束 在展像表面上的覆盖区的矢宽度。更宽的覆盖区对于给定直径的旋转部件意味着更低占空 比或者反言之对于给定占空比意味着更大直径的旋转部件。图2B与图2A相同，不同之处在于在矢尺度上入射光束14已经聚焦到展像反射表 面10上。结果是反射光束16S’从展像更慢地发散并且七条射线表现为近似从展像表面10 上的点散发。这一配置可以用于增加系统占空比并且减少展像10的矢平面中的像差。使用单个展像或者双展像的展像光学图案生成器可以利用图2A中所示迅速发散 条件或者图2B中缓慢发散条件。下文提供基于上述两个条件的实施例的例子。大量应用需要高占空比和小产品体积。这些应用可以利用在展像表面的矢平面中 光束聚焦的“单展像”光学图案生成器配置。“单展像”在本文中意味着光束中的各射线从 单个展像段反射，尽管展像段可以在旋转部件旋转时随着时间而改变。图3是单展像光学 图案生成器的一个实施例的透视图。通常来自激光能量源的准直输入光束100穿过两个透 镜102和104，这些透镜作为放大率可调的望远镜来操作，该望远镜适于选择将提供所需图 像尺寸的光束直径并且在处理表面之前或者之后有选择地移动图像表面以优化操作者所 选处理方案。退出望远镜组102、104的扩展光束106进入光束调节透镜108，该透镜将矢平面中 的输入光束聚焦到包括各自可以具有不同夹角的多个展像段的旋转部件112的表面上。折 叠镜110可以放置于光束调节透镜108与旋转部件112之间以减少系统体积。光束106从 展像光端表面114之一反射，并且退出光束116进入成像透镜118。窗口 120可以用来密封 系统。光束聚焦于处理位置122。注意处理“位置” 122将表示为聚焦光束的平坦表面。这 样做是为了简洁。事实上，处理位置可以不平坦并且甚至真实地为三维。此外，焦点可以不 与效果最大的位置相同。图3示出了在处理表面122上的三个不同位置聚焦的三个不同光 束。三个光束对应于夹角不同的三个展像段。也就是说，三个光束不会同时出现于处理位 置122。实际上，它们将随着各展像段旋转经过入射光束而相继出现。在图3中，透镜108的任一侧具有将入射光束106聚焦到展像表面114之一上的 圆柱表面。布置圆柱表面使得光束锐聚焦于矢平面中(形成落在展像段114的表面上的线 聚焦)。图3中所示旋转部件112的顶部分被截去，这是因为并不使用这一部分。成像透镜 118具有一个圆柱表面124和一个球形表面126。圆柱表面124在矢平面中重新准直聚焦 光束，因而穿过球表面126的光束将在子午平面和矢平面二者中在处理表面122达到限定 良好的聚焦。由于透镜108上的圆柱表面和圆柱表面124在展像段114共用共同的焦点， 所以这两个圆柱表面在矢平面中作为望远镜来操作。通过调节这两个圆柱半径之比，可以 选择望远镜放大率以改变子午平面与矢平面中的相对孔径之比。当两个半径相等时，望远 镜矢放大率为一，并且在子午平面和矢平面中的相对孔径相同，而且在这两个平面中的图 像斑尺度也相等。在一些实例中，实现不同图像斑尺度是有利的，并且可以通过适当地选择 两个圆柱表面之比来实现这一条件。图4A示出了图3中的系统的侧视图。示出了旋转轴113。这也是用于展像段的绕 转轴。从展像段114反射的光束130聚焦于在处理位置的轴点132。图4B示出了相同侧
8视图，但是针对在处理位置产生对应图像点132、132，和132”的三个相继展像段114、114， 和114”。在旋转部件112上的各不同展像段在处理位置产生不同图像点，并且各点停留于 处理位置如此之久以至于展像段拦截光束。图5A是图4中所示系统的端视图，其中可以观测展像表面上的光束聚焦条件。透 镜108上的圆柱表面在展像段114的矢平面中将光束聚焦到点138。从展像段114反射的 发散光束130穿过透镜118的圆柱透镜表面124。圆柱透镜表面124在透镜118以内重新 准直光束，并且透镜118的球表面126将光束聚焦于处理位置上的点132。图5B是图5A的放大图并且角度略有不同。它是如下覆盖区图，该图示出了旋转 部件112沿着它的旋转轴的投影图。示出了展像段114，并且可以看见光束在展像表面的 矢平面中的线聚焦140。由于在矢平面中的线聚焦，所以该系统的占空比可以容易地超过 90%。根据图5B，如果在展像段114的聚焦光束宽度为0. 5mm，并且旋转部件112在光束的 入射点的周长为125mm,并且有20个段114，则占至比约为[125 (3. 14) - (20) (0. 5) ] [100] / [125(3. 14)] = 97%。这一例子使用圆柱光学透镜以在展像段实现压缩成线聚焦。然而，也可以使用其 他类型的象变光学元件和压缩成除了线聚焦之外的形状。当展像段在如下两个象变光学部 件之间时对旋转部件进行光学定位常常是有利的，其中第一象变光学器件在展像段上的矢 平面中压缩入射光束，并且第二象变光学器件然后在光束离开展像段之后解压它。在矢平 面中的压缩将一般增加系统的总占空比。再次参照图3，透镜108上的一个圆柱表面109在展像表面上将入射准直光束聚焦 成线。透镜118上的第二圆柱表面124重新准直在展像表面上聚焦为线的光束。对这两个 圆柱半径之比的选择使子午平面和矢平面在图像空间中的相对孔径具有不同值，从而图像 尺度可以具有不同尺度(即，在矢平面和子午平面中的不同斑宽度)。如果表面124具有比表面109的圆柱半径更长的圆柱半径，则在矢方向上的数值 孔径大于在子午方向上的数值孔径，因而图像尺度在矢方向上最短。图6图示了这一图像 条件。在这一情况下，表面124的半径长度是表面109的两倍。图6是所得点扩展函数的轮 廓绘图。箭头示出了由不同展像段产生的图像线轨迹的定向。线轨迹沿着子午方向放置， 并且矢方向与线轨迹正交。反言之，当表面109的圆柱半径比表面124的圆柱半径更长时，在子午方向上的数 值孔径大于在矢方向上的数值孔径，因而图像尺度在子午方向上最短。图7图示了这一图 像条件。箭头示出了线轨迹的定向。一些应用可以利用沿着线轨迹的方向扩展的图像斑，并且可以通过选择比透镜 108的圆柱半径更长的透镜118的圆柱半径来实现这一条件。其他应用可以利用与线轨迹 的方向垂直扩展的图像斑，并且可以通过选择比透镜108的圆柱半径更短的透镜118的圆 柱半径来实现这一条件。更多其他应用可以利用沿着线轨迹的方向具有相等尺度并且与线 轨迹的方向垂直的图像斑，而且可以通过使透镜108和118上的圆柱半径量值相等来实现 这一条件。圆柱表面109在元件108上的位置是在元件的第二侧上示出的，但是可以代之以 位于元件的第一侧上。类似地，圆柱表面124在元件118上的位置是在元件的第一侧上示 出的，但是可以代之以位于元件的第二侧上。
图3-图7中所示实施例使用具有如下段的展像部件，这些段相对于它们的共同绕 转轴陡峭倾斜。在图8中示出了另一实施例，其中展像表面相对于绕转轴仅浅度倾斜。事 实上，一些或者更多展像段可以退化成直圆柱段(即，夹角为零度)，并且其余展像段可以 具有参照直圆柱表面为正和负的小夹角。直圆柱表面在圆是退化椭圆这一相同数学意义上 为退化展像表面。因此这一实施例仍然使用展像段，但是夹角如此之小以至于更紧凑的系 统是可能的并且可以实现在展像表面的更小像差变化。在图8中，入射光束200穿过具有圆柱表面204的圆柱透镜202，圆柱表面204在 具有旋转轴208的多段旋转部件206的段204上将光束聚焦成线图像。反射光束210拦截 折叠镜212，然后穿过具有圆柱表面216的圆柱透镜214。圆柱表面216在展像段204重新 准直线聚焦，并且光束然后穿过成像透镜218并且聚焦于处理位置220。与图3的系统相 比，图11的实施例减少在展像段204的入射角，从而减少光学像差并且相对于图3中所示 系统可以提高图像质量。与图3的系统一样，选择圆柱半径204与216之比使图像尺度在处理位置220为 圆或者椭圆。图9和图10是图8中所示实施例的侧视图和仰视图。图9示出了使入射光束反 射为光束210、210，和210”的三个不同展像段204、204，和204”。这三个展像段在处理位 置220呈现三个图像点。大量展像段用于多数应用，但是示出了仅三个以求简洁。在图10 的仰视图中，注意入射光束200和旋转轴208落在也包括反射光束的平面中。图11和图12分别是其中展像段具有小夹角的另一单展像实施例的透视图和俯视 图。在图12中可见，入射光束300在矢平面中由透镜302上的圆柱表面304聚焦并且入 射矢聚焦光束在展像段309上与段法线成角度入射。随着部件306围绕它的轴308旋转， 矢聚焦的光束经由折叠镜310以恒定角度反射到透镜312中。透镜312上的圆柱表面313 在矢平面中重新准直光束。反射角在矢方向上对于部件306上的所有展像段而言恒定。各 展像段309及其邻近展像段在子午平面中具有不同倾角，因此在子午平面中改变反射光束 角，从而成像透镜组314在处理位置316产生连串图像点。在图11中示出了三个图像点。一些应用需要与旋转轴不平行的图像线轨迹。图13-图15示出了其中在处理位置 416的图像线轨迹与旋转轴406垂直的一个实施例。入射光束400穿过具有圆柱表面403 透镜420，圆柱表面403在具有旋转轴406的旋转部件404的段上的矢平面中聚焦光束。折 叠镜408转动反射光束，从而它与旋转轴406平行。反射光束穿过具有圆柱表面412的透 镜410，该圆柱表面在矢平面中重新准直光束。准直光束穿过成像透镜414，并且在落在与 旋转轴406垂直的平面中的图像表面416达到聚焦。这一实施例也利用子午平面中的入射 光束垂直于旋转部件404，从而减少光学像差。如下光学图案生成器存在许多应用，这些生成器与线图案轨迹的方向横切产生图 像图形的受控移位。参照处理平面移动的设备可以利用该横切图像图形移动以消除由系统 的相对移动引起的图像图形模糊。其他设备如工业微焊接产品可以利用移动图形图像以在 更大区域内扩展能量从而改进热焊接条件。这里公开的展像光学图案生成器可以通过分离用于展像段的旋转轴和绕转轴来 包括该横切图像图形移动特征。图16示出了例子。入射光束500穿过在展像段506上的 矢平面中聚焦光束的圆柱透镜502。展像段506具有与旋转轴508 (即，展像段在物理上围绕轴508旋转)分离的绕转轴510(S卩，展像表面围绕轴510旋转对称)。如果这两个轴508 和510重合，则展像段如在先前例子中所述旋转经过它本身。如果这两个轴508和510如 图16和图17中所示移位，则图像图形将随着展像段围绕轴508旋转而在处理位置横切移 位。图18示出了当两个轴508和510重合并且无横切图像移动存在时在处理位置的图像 图形。图19示出了当两个轴508和510移位并且存在横切图像移动时在处理位置的图像 图形。图19中的三个斑簇对应于用于展像段的三个不同旋转位置。在图18中，针对所有 三个旋转位置产生相同斑图。轴508和510的移位可能针对图16和图17中所示展像表面引入小图像散焦。一 种改进的设计使用非球面而不是圆形分节，因而展像表面法线在相对于入射光束的展像表 面移位减少之时随着旋转而改变。上述技术也可以与其他展像设计而不仅与图16和图17 的例子中所示具体设计一起使用。通过使用多个输入光束以增加产生的图形数目(例如增加沿着线轨迹的图像图 形密度)或者产生2D或者Z字形图像图案，对展像光学图案生成器各种实施例的更多变化 是可能的。医疗应用常常可以受益于更高图像图形密度、更快图案生成速率或者2D图像图 案。微焊接应用也受益于这些改进特征。图20示出了如下展像光学图案生成器的透视图，该生成器使用子午平面中对准 的多个输入光束，使得沿着处理图案的线轨迹同时产生多个图像图形。在图20中，输入光 束600、600’和600”穿过具有圆柱表面604的圆柱透镜602，圆柱表面604在共同孔径止动 件608在展像段606上形成线聚焦。反射的多个光束穿过具有圆柱表面612的透镜610 (圆 柱表面612在矢平面中变成重新对准)，然后进入成像透镜614。多个输入光束600、600’ 和600”中的各光束沿着图案的线轨迹同时形成图像图形616、616’和616”。图24示出了 沿着图案的线轨迹在处理位置拦截多个图像图形616、616’和616”。对于某些应用，产生如下图像图案也可以是有利的，该图像图案具有从图案线轨 迹横切移位的图像图形。可以用这一方式产生交错的图像图案，并且也可以用沿着设备移 动的方向移位的多个同时图像图形实现设备沿着处理位置的更快移动。图22示出了展像 光学图案生成器的透视图，其中在矢平面中引入多个输入光束，以便同时产生与图案线轨 迹横切移位的图像图形。在图22中，落在矢平面中的多个输入光束700、700’和700”穿过 在展像段706上的矢平面中聚焦所有光束的透镜702。多个光束从展像段706反射并且穿 过在矢平面中重新对准所有光束的透镜712。准直的光束然后穿过图像透镜714并且在处 理位置入射为图像点716,716'和716”。图23示出了这一实施例的视图，其中在矢平面700、700’和700”中的多个输入光 束由透镜702聚焦于展像段706的表面上的矢平面中。输入光束700、700，和700”在矢平 面中聚焦为展像表面段706上的中间图像点705、705’和705”，并且这些中间图像点随后重 新成像到处理位置上作为图像点716、716’和716”。图24示出了多个输入光束在矢平面中 产生于处理位置的多个图像。图像716、716’和716”在图24中表示为参照图案线轨迹的 方向横切移位。展像光学图案生成器的一个优点在于有能力在子午平面和矢平面中获得不同数 值孔径，从而图像图形可以具有沿着图案的线轨迹以及与图案的线轨迹横切的不同尺度。 上述实施例都提供这一特征。存在用于光学图案生成器的一些如下应用，其中图像图形尺度的很大差异是有利的。对于这些应用，使用两个而不是一个展像部件的光学图案生成器 是一种优选布置。图25、图26和图27是使用两个而不是一个展像部件的展像光学图案生成器的透 视图、侧视图和俯视图。这将称为“双展像”光学图案生成器。输入光束800首先在具有旋 转轴804的展像段802上入射。在这一实施例中，所有展像段802相同并且具有相同夹角。 对于这一具体实施例，可以代之以使用单个非旋转展像段，因为所有展像段相同。其他实施 例是可能的，其中展像段802具有不同夹角并且随着旋转部件围绕轴804旋转而针对各段 不同地偏转输入光束800。输入光束由展像段802反射并且随后由第二展像段806反射。 对于这一具体实施例，展像段805具有不同夹角并且针对各展像段806以不同角度反射光 束。对于其他实施例，展像段802可以具有用于各段的不同夹角，而展像段806具有用于所 有段的相同夹角并且可以是非旋转展像表面。对于这一具体实施例，从展像段806反射的光束在子午平面中具有不同角度并且 穿过透镜808。透镜808具有一个表面810，该表面是圆柱表面。从展像段802和806反 射的光束在矢平面中具有强发散，并且圆柱表面810在矢平面中准直多个反射光束。透镜 808的表面812为球形并且在穿过平-平窗口元件814之后将多个反射光束聚焦于处理位 置 816。在一种变化中，展像段802和806可以相同，因而两个展像表面对光束偏转起作 用。另外，分别包含段802和806的旋转部件可以是相同部件，从而减少制造复杂度。对于 这一后一种情况，可以选择夹角，因而用于各段对的偏转之和产生正确光束偏转角。图26的侧视示了从具有不同夹角的展像段产生的多个反射光束。在图26中， 输入光束800从展像段802偏转。光束随后从若干相继展像段806、806’和806”之一反射， 并且这些展像段中的各展像段在子午平面中以不同角度反射光束807、807，和807”。透镜 808随后在子午平面中将这些反射光束在图像点816、816’和816”聚焦成线。图27是俯视图。输入光束800从围绕共同轴804旋转的两个旋转部件上的展像 段802、806反射。反射光束随后进入透镜808。从两个展像段802、806反射的光束807在 它进入透镜808之前在矢平面中强发散。该强发散由透镜808重新准直并且成像到处理位 置816。光束807在矢平面中的强发散使在透镜808的矢光束宽度比在透镜808的子午光 束宽度大得多，从而在处理平面816的图像图形尺度在矢方向和子午方向上大为不同。该 图像图形尺度变化非常合乎某些光学图案生成器应用的需要。双展像光学图案生成器具有受光束在矢方向上在展像段的宽度限制。可以通过在 入射光束中添加圆柱透镜以在矢方向上在双展像的相对段之间将光束聚焦于中间来提高 该系统的占空比。图28示出了这样的实施例的透视图。图29示出了俯视图。入射光束 900穿过具有圆柱表面904的透镜902，该圆柱表面在围绕轴908旋转的展像段906与910 之间将光束聚焦于矢方向上。在从段906和910反射之后，光束由透镜912的圆柱表面914 重新准直。重新准直的光束在图像表面920由透镜912的表面916聚焦。图29的俯视图 图示了入射光束900如何由透镜902聚焦于矢平面中以在展像段906、910之间形成线图像 909。虽然详细描述包含许多细节，但是这些不应理解为限制本发明的范围而是仅理解 为举例说明本发明的不同例子和方面。应当理解本发明的范围包括上文未详细讨论的其他实施例。可以在这里公开的本发明的方法和装置的布置、操作和细节中进行本领域技术人 员将清楚的各种其他修改、改变和变化。
权利要求
一种用于在目标位置生成图形图案的单展像光学图案生成器，包括具有多个反射展像段的旋转部件，所述展像段具有至少两个不同夹角，所述旋转部件被定位成使得所述展像段随着所述旋转部件绕着它的旋转轴旋转而旋转经过入射光束，各展像段偏转所述入射光束以生成所述图形图案中的图形。
2.根据权利要求1所述的单展像光学图案生成器，还包括第一象变光学部件，其在矢平面中压缩所述入射光束如成像到所述展像段上；以及第二象变光学部件，其在光束离开所述展像段之后在矢平面中解压所述光束，所述旋 转部件光学地定位于所述第一与第二象变光学部件之间。
3.根据权利要求2所述的单展像光学图案生成器，其中所述第一象变光学部件在所述 展像段将所述入射光束压缩成线轨迹。
4.根据权利要求2所述的单展像光学图案生成器，其中所述光束在进入所述第一象变 光学部件时被准直，所述第一象变光学部件在所述展像段将所述入射光束压缩成线轨迹， 并且所述第二象变光学部件重新准直所述光束。
5.根据权利要求2所述的单展像光学图案生成器，其中所述第一象变光学部件包括第 一圆柱光学部件，并且所述第二象变光学部件包括第二圆柱光学部件。
6.根据权利要求2所述的单展像光学图案生成器，还包括光学地定位于所述旋转部件 与所述目标位置之间的非象变成像透镜，以在所述目标位置将所述光束聚焦成斑。
7.根据权利要求2所述的单展像光学图案生成器，其中所述第一和第二象变光学部 件的相对光学放大率可调，由此调节在所述目标位置的矢平面与子午平面中的数值孔径之 比，并且也调节所述光束在所述目标位置的矢平面与子午平面中的斑宽度之比。
8.根据权利要求1所述的单展像光学图案生成器，其中所述展像段是具有共同绕转轴 的直圆锥表面的段。
9.根据权利要求8所述的单展像光学图案生成器，其中所述展像段具有小夹角。
10.根据权利要求8所述的单展像光学图案生成器，其中用于所述展像段的绕转轴与 所述旋转部件的旋转轴重合。
11.根据权利要求8所述的单展像光学图案生成器，其中用于所述展像段的绕转轴不 与所述旋转部件的旋转轴重合，而是与所述旋转轴平行并且从所述旋转轴移位。
12.根据权利要求1所述的单展像光学图案生成器，其中所述光束从落在与所述旋转 轴共同的表面中、但是不与所述旋转轴平行的方向进入所述光学图案生成器。
13.根据权利要求1所述的单展像光学图案生成器，其中所述光束从落在与所述旋转 轴共同的平面中的方向进入和退出所述展像段。
14.根据权利要求1所述的单展像光学图案生成器，其中所述光束从与所述旋转轴偏 斜的方向进入和退出所述展像段。
15.根据权利要求1所述的单展像光学图案生成器，其中所述旋转部件被定位成使得 所述展像段随着所述旋转部件围绕它的旋转轴旋转而旋转经过多个入射光束，所述不同光 束生成所述图形图案中的不同图形。
16.根据权利要求1所述的单展像光学图案生成器，其中所述多个入射光束呈现于与 所述旋转轴正交的矢平面中。
17.一种用于在目标位置生成图形图案的双展像光学图案生成器，包括第一旋转部件，其具有多个第一反射展像段，所述展像段具有至少两个不同夹角，所述 第一旋转部件被定位成使得所述展像段随着所述旋转部件围绕它的旋转轴旋转而旋转经 过入射光束；以及第二部件，其具有至少一个第二反射展像段，所述入射光束从所述第一展像段之一和 所述第二展像段中的对应一个展像段偏转，各组两个展像段配合以偏转所述入射光束以生 成所述图形图案中的图形。
18.根据权利要求17所述的双展像光学图案生成器，其中所述第二部件是与所述第一 旋转部件同步围绕相同旋转轴旋转的旋转部件，有相等数目的第二展像段和第一展像段， 并且在第二展像段与第一展像段之间有一一对应。
19.根据权利要求18所述的双展像光学图案生成器，其中对应的第一和第二展像段是 具有相同夹角的直圆锥表面的段。
20.根据权利要求18所述的双展像光学图案生成器，其中所述第一旋转部件和所述第 二旋转部件相同。
21.根据权利要求17所述的双展像光学图案生成器，其中所述光束首先在所述第一旋 转部件上、然后在所述第二部件上入射。
22.根据权利要求17所述的双展像光学图案生成器，其中所述光束首先在所述第二部 件上、然后在所述第一旋转部件上入射。
23.根据权利要求17所述的双展像光学图案生成器，其中所述第二部件不旋转。
24.根据权利要求17所述的双展像光学图案生成器，还包括第一象变光学部件，其在矢平面中压缩所述入射光束如成像到所述第一和第二展像段 上；以及第二象变光学部件，其在光束离开所述两个展像段之后在矢平面中解压所述光束，所 述第一和第二部件光学地定位于所述第一与第二象变光学部件之间。
全文摘要
光学图案生成器使用旋转反射展像段以产生与交叉图案方向相比沿着图案方向可以具有不同尺度的图像。例子包括单展像图案生成器和双展像图案生成器二者，这些生成器独立控制图像空间相对孔径并且由此在两个正交方向上控制图像尺度。
文档编号G06K9/24GK101965579SQ200880127913
公开日2011年2月2日 申请日期2008年12月11日 优先权日2008年2月5日
发明者B·G·布鲁梅, D·A·德维, G·弗兰吉尼亚斯, L·C·德贝尼迪克蒂斯 申请人:雷利恩特技术有限责任公司