使用旋转光学元件的高速高效率光学图案生成器的制作方法

专利名称：使用旋转光学元件的高速高效率光学图案生成器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及光学地生成图的图案，诸如点阵列或扫描线阵 列。更具体地，本发明涉及使用多面旋转光学元件生成这种图案。
背景技术：
点或扫描线的图案的光学生成用于很多应用。数字复印机、打印 机、指紋识别、手持条形码扫描仪、工业应用、光影娱乐、显示、电 信交换、以及医学应用是几个例子。或许用于生成图的图案的最普通 的机构是倾料反射镜(例如由检流计驱动的震荡反射镜)和来自旋转 多面棱体的反射。然而，基于倾料反射镜的光学图案生成器典型具有不适合于某些 应用的特征。例如，在这些系统中的扫描典型地通过前后倾斜反射镜 而实现。然而前后移动需要反射镜停止然后反转方向。这花费时间， 限制扫描速率。为了提高这些系统的扫描速率，反射镜经常以接近其 共振频率的速率的震荡移动被驱动。然而，这严格限制了可以生成的 图案。例如，由于反射镜移动被约束为震荡移动，因此很难生成不规 则图案。近共振(near-resonance)的条件也限制了能够实现的扫描 速率的范围。例如，由于在宽的范围上不能满足近共振的条件，因此 很难在宽的扫描速率范围上调谐这种系统。如果期望获得二维图案 (例如一系列平行扫描线或点的二维图案)，则典型地，要么在两个方向上同时倾斜单个反射镜，要么使用两个协同的倾斜反射镜。在很 多情况下，使用诸如激光的光的效率也很重要。该效率可以定义为， 与光源在给定时间期间所产生的总能量相比，处理表面上的所需图案 中储存的能量的分数。如果图案与背景相比是稀疏的，优选地关断光 源，并且快速在背景上扫描，接着当该光束已经安置在要曝光的该点 之上时再将其接通，并且以在时间上有效地利用光源的方式来曝光该 图案中的点。这需要一个能够加速、减速、以及快速安置的甚至更易 响应的装置。这些特征的结果是，基于检流计的系统不适合高速图案 生成，尤其是如果图案是不规则的或稀疏的图案。在该旋转多面棱体方法中，三维多面棱体的侧面作为反射镜，并 且多面棱体围绕中心轴旋转。随着每个反射侧面旋转通过入射光束， 反射该光束以便生成扫描线上的点。每个反射的侧面旋转通过光束产 生一条扫描线。如果所有的反射侧面都相同(例如，基于多面棱体制造相同的棱锥角)，则相同的扫描线一遍又一遍地画线(trace)。如果 反射侧面不同，则随着每个侧面旋转通过光束，可以画出不同的扫描 线。例如，通过改变每个侧面的棱锥角，反射光束可以画出一系列扫 描线。然而，旋转多面棱体方法也有不适合某些应用的缺点。例如，产 生一 系列扫描线的系统会由于旋转而遭受象差。为了画出 一 系列扫描 线，每一侧面都具有不同的棱锥角，该棱锥角将基本扫描线在垂直于 扫描方向的方向上偏移。然而，随着每一侧面旋转通过光束，有角度 的侧面的方向也旋转。这会引起偏移量的变化和/或其他不希望的象 差。 一个例子是扫描线弓形。理想扫描线大体上是直线段，而实际扫 描线经常是弧形段。弧形段的垂度是弓形。在旋转多面棱体扫描仪的 情况下，具有非零棱锥角的侧面生成弓形扫描线。弓形弯曲的量取决 于棱锥角。在使用不同棱锥角来画多条扫描线或在不同位置上生成点 的光学多面棱体扫描仪中，不仅每条扫描线弓形弯曲，而且该弓形对 于一条扫描线和下一条扫描线是不同的。最上方的扫描线的弓形和最 下方的扫描线的弓形之间的差异会相当显著。取决于具体应用，由旋转引起的扫描线弓形和其他效果可以引起 其他问题。例如在一些应用中，扫描动作用于补偿扫描仪相对于目标 的移动，使得即使扫描仪相对于该目标移动，光束仍理想地保持在目 标的固定点上。在这种情况下，扫描线弓形将引起光束在垂直于扫描 方向的方向上的移动。如果该移动与光束在目标上的停留时间相比很 慢，则该弓形有效地引入在垂直方向上的不希望的移动。如果该移动 与光束在目标上的停留时间相比很快，则该径向偏转的弓形在与未补 偿的切线移动组合时，有效地模糊该光束，增加了该光束在目标上的 点的大小。典型地，以上两种效果都是不期望的。因而，需要一种可以高速运转的光学图案生成器，尤其用于生成 不规则图案。还需要一种象差和/或模糊降低的图案生成器。发明内容本发明以几种方式克服了现有技术的局限性。在一个方面， 一个或更多个多面旋转光学元件引入了对旋转不敏感的偏移。生成该偏移 的部件围绕光学元件的旋转轴旋转对称。因而，随着光学元件旋转， 偏移部件的效果不改变。在另一个方面，两个或更多个多面旋转光学元件用于抵消彼此产 生的不希望的效果。在一个例子中， 一个旋转光学元件引入偏转，但 也引入一些不希望的光焦度。第二旋转光学元件抵消该光焦度，同时 加强该偏转。结果是不具有额外光焦度的偏转光束。在另一个例子中， 旋转光学元件生成扫描线，并且由 一个旋转光学元件引入的扫描线弓 形抵消由其他旋转光学元件引入的弓形，同时加强所希望的扫描。在一个实施例中，光学图案生成器包括具有多个面的多面旋转光 学元件。随着面旋转通过光束，每个面使入射光束生成图(例如点或 扫描线)。各面共同生成图阵列。 一个或更多面包括这样的偏移部件， 该偏移部件基本上旋转对称，并且其中心基本上在旋转光学元件的旋 转轴土。该偏移部件沿着偏移方向偏移图，该偏移方向大体上与4t專争 光学元件的径向方向对准。在一种实施中，不同的面将图偏移不同的量.该面可以布置为使得图偏移不均匀的量，和/或以非顺序的次序生 成。在一些实施例中，图可以比点或扫描线更复杂，并且图可以随着 时间改变。此外，图案生成器可以与另一个移动或扫描反射镜组合。 所得图案可以是诸如视频显示中的变化的二维图像。在一个特别的设计中，有两个相互对转(counter-rotating)的扫 描盘，其具有一一对应的面。对于至少一对相应的面，两个扫描盘上 的面包括上述的偏移部件。偏移部件被实施为在一个扫描盘上的正透 镜状的元件，以及在另一个扫描盘上的负透镜状的元件。在一些应用 中，透镜状元件的焦度在面与面之间是不同的，不同的面引入不同的 偏移。该面还可以包括扫描部件，以生成扫描线，例如，在一个面上 的扫描部件引入弓形，该弓形抵消另一个面上的扫描部件引入的弓 形。在另一个方面，光学图案生成器沿扫描线阵列偏转光轴。光学图 案生成器包括两个多面旋转光学元件，其中一个光学元件位于另一个 的下游。该两个旋转光学元件相互对转，并且具有对应的面。随着这 些面旋转通过光轴，这些面引起光轴沿扫描线偏转。光学元件还可以 实施弓形修正和/或扫描线偏移，如上所述。此类型的图案生成器可 以用于多种不同的应用，包括生成光学图的系统和成像系统。在另一个方面，不同的装置包括上述的偏移功能、扫描线功能、 和抵消原理的各种组合。在一些实施例中，旋转光学元件与常规扫描 仪组合。本发明的其他方面包括对应上述装置的方法，以及对前述全 部的应用，例如包括使用扫描线补偿移动。


本发明具有其他优势和特征，这些优势和特征从结合附图对本发 明的以下详细描述和所附权利要求书中将更加明显，在附图中图1A是根据本发明的一个方面的光学图案生成器的侧截面图。 图1B是图IA的图案生成器的光学链的透视图。 图1C是示出了扫描线的偏移的图。图2是通过两个偏移部件的光线轨迹(ray trace )。 图3A是示出了偏移图案的图。图3B是用于生成图3A的偏移图案的扫描盘的顶视图。 图4A是图1的图案生成器的旋转光学元件的顶视图。 图4B是示出了由图4A的旋转光学元件产生的扫描线的弓形修正 的图。图5A是根据本发明的另一个图案生成器的透视图。 图5B是通过图5A的图案生成器的光线轨迹。 图6是通过根据本发明的另一个图案生成器的光线轨迹。 图7A-7C是示出了由使用根据本发明的图案生成器的系统生成的 各种图案的图。
具体实施方式
图1A-1C示出了根据本发明的光学图案生成器100的一个例子。 图案生成器100的光学链包括一个或更多光源110A-E,以及一个或 更多个多面旋转光学元件120A-B。它还可以包括额外的光学部件 130A-B，用于当光束通过光学链到目标表面150时对光束进行成形。光源IIO产生入射到旋转光学元件120上的光束。每个旋转光学 元件120具有若干个面，并且一个旋转光学元件120上的面具有在其 他光学元件120上的对应的面。光学元件120的旋转是同步的，使得 对应的面同步地S走转通过入射光束，当面旋转通过光束时，光束在目标表面150上生成图140A-E。在 此例中，图140A-E是扫描线，然而它们在替换实施例中也可以是点 或其他形状。在图1A中，扫描方向142进入和离开纸面。这些面还 在垂直于扫描方向142的方向144上偏移扫描线140。例如，参考图 1C,扫描盘上的一组对应的面可以产生该组扫描线140A-E,由相应的 光束来画五条扫描线中的每一条。下一组对应的面可以产生扫描线 141A-E,其关于扫描线140偏移了量A。为便利起见，这些面中使光束画扫描线的部分可以被称为扫描部件，并且使扫描线偏移的部分可以被称为偏移部件。这些可以被实施
为物理上的明显不同的部件，例如，扫描部件可以附着在光学元件120 的一侧，并且偏移部件附着在相反侧。作为替换，它们可以;故整合到 一个单个部件中。例如，可以使用大体上的非球面，该非J求面既实施
扫描也实施偏移功能。作为替换，扫描和偏移功能可以由一个球面生 成，该球面的对称轴稍微从其所安装的盘的旋转轴移位。此外，此示 例图案生成器具有扫描和偏移功能，但是替换的实施例可以仅利用扫 描或仅利用偏移。
在图1中所示的具体例子中，使用五根光纤作为光源110。准直 光学部件130A使来自五根光纤的光束准直。两个扫描盘120A-B位于 平面160的附近，每一个扫描盘位于该平面的一侧。平面160是这五 条光束的主光线交叉的地方。扫描盘的旋转轴125位于光束的相对侧。 扫描盘120是相互对转的(即，如果一个顺时针旋转，则另一个逆时 针旋转)，使得对应的面在旋转通过光束时大体上一起行进。聚焦光 学部件130B将偏转的准直光束重新聚焦在目标表面150上的点上。 由于各面的扫描动作，这些点画出扫描线140,并且该扫描线由于这 些面的偏移动作而偏移。电机旋转该扫描盘120。
图2示出了这些面的偏移部件。在常规方法中，生成偏移的偏移 部件可以是棱镜。然而，随着扫描盘旋转，该棱镜也旋转，并且这引 入不希望的效果，诸如无心的光束扫描。为了避免此效果，此例中的 偏移部件关于相应于光学元件120的旋转轴旋转对称。则，当光学元 件120旋转时，偏移部件的光学效果没有变化。这种偏移部件的一个 例子是球面的一部分，其中球面的轴与扫描盘的旋转轴对准。具有较 短半径的球面导致球面在光束的中心线上的更大的偏移。
图2示出了旋转对称偏移部件的具体例子。在这种情况下，两个 扫描盘120A-B上的偏移部件是中心在扫描盘的相应旋转轴125A-B上 的透镜320。偏移部件具有大小相等，但是符号相反的光焦度，并且 该光束210位于两个旋转轴125之间的中途上。在图2中，偏移部件 320A是具有负(发散)光焦度的透镜，并且偏移部件320B是具有正焦度的透镜。
由于透镜320A的发散特性，在经过此透镜之后，光看上去是从 位于透镜的旋转轴(在这种情况下，也是扫描盘的旋转轴125A)上的 一个点光源发出的。由于光束210的直径与透镜320A相比很小，这 个效果主要是光束210离开旋转轴125A的偏转。此外，光束中的单 条光线开始彼此发散，如果允许传播长距离，则该光束将开始变宽。 然而，光束很快到达第二偏移部件320B，其光焦度与第一偏移部件的 光焦度近似相等但符号相反。该光束汇聚成基本上准直。此外，由于 与负透镜320A的轴125A相比，正透镜320B的旋转轴125B在光束的 相反侧，由第二透镜320B给予的偏转加到由第一透镜320A给予的偏 转上。净余的结果是，进入的准直光束离开两个扫描盘120，其仍然 准直，但是偏转了一个量。此外，由于偏移部件关于旋转轴旋转对称， 因此此偏转量和射出的光束形状不随着扫描盘120旋转而改变。
图2示出了透镜320A和320B作为全部透镜。为了图示目的而这 样做。在实际实施中，每个透镜320并不覆盖全部扫描盘120。而是 每个透镜覆盖扫描盘上的一个面。不同面可以使用不同焦度的透镜。 例如， 一对相应的面可以包括强的正透镜和强的负透镜，因而引起强 的偏转。下一对相应的面可以包括较弱的正透镜和较弱的负透镜，因 而引起较弱的偏转。随着不同对的面旋转通过入射光束，由于透镜的 不同光焦度，该光束偏转不同的量。然而，光束全部显现为准直。因 而，聚焦光学部件可以用来将显现出的光束会聚到平坦对象区域上。
使用多面旋转光学元件实施偏移具有相当大的优势，其中 一 些优 势在图3A-3B中示出。图3A示出了要生成的偏移341-349。注意，图 3A是对偏移图案的描绘。如果由系统生成的图是点，则将生成偏移点 的阵列。如果图是扫描线，则将生成偏移扫描线的阵列。如果使用多 个光束(如图1)，则将重复基本图案。如果使用在时间上变化的更复 杂的对象源，则该源的图像将被重复，并且在时间上变化。图3B示 出了用于生成这些偏移的一对旋转光学元件中的一个。该旋转光学元 件具有面361-369等等。一个优势是，每个偏移141-149由对应的一对面361-369生成， 但是这些面可以被设计为彼此独立。因此，该偏移可以间隔不均匀， 如图3A所示。此外，可以以非顺序的次序生成这些图。即，不需要 面361生成偏移341、面362生成偏移342、面363生成偏移343等。 而是面361-369可以分别生成偏移341、 344、 347、 342、 348、 343、 345、 349和346。当这些面旋转通过光束时，将以这种非顺序的次序 生成这些图。也可以通过添加对应的面，复合曝光这些图。例如，面 361、 364、和367可以都生成偏移344。此特性允许生成不^L则图案。 可以通过使用两个交又的系统来生成不规则二维图案， 一个引起x方 向上的偏转，另一个引起y方向上的偏转。可替换地，此方法可以和 普通检流计反射镜或多面棱体反射镜扫描仪组合，以创建二维图案。
另一个优势是此方法的速度。盘可以非常高速旋转。例如，如果 盘包含30个面，并且以10， OOOrpm的速度旋转，则如果具有单光束 光源，系统将每秒生成5， 000幅图。如果光源具有N个光束，则将每 秒生成5,000N幅图。此外，由于不需要停留在共振频率附近，所以 速度可以在一个宽的范围上变化。在一种方法中，驱动轴或盘本身被 编码，并且此反馈用于控制盘的速度和用于使盘彼此同步。
如果偏移部件是严格地旋转对称的，并且其中心严格地在光学元 件的旋转轴上，则当偏移部件旋转通过光束时，径向方向上的偏移将 不变化。如果这些面上没有其他部件，则系统将生成在径向方向上偏 移的点阵列。
然而，在很多应用中，打破严格的旋转对称是有优势的。例如， 小量的非对称可以添加到偏移部件中，以便修正其他象差。可替换地， 该偏移部件可以稍孩i地从光学元件的旋转轴离心，例如以便引入扫描 移动。任何扫描移动都可以分解为径向分量和切向分量。图2中的对 称性允许两个盘被设计为使得来自相应面的径向分量抵消，并且切向 分量增强。例如，如果两个透镜320A和320B具有相同(但是符号相 反的)焦度，它们可以关于其旋转轴125朝向彼此或者彼此离开地离 心相同的量。由于来自两个透镜320的径向扫描作用抵消，该结果是一条纯粹在切向方向上的扫描线。
图4A-4B还示出了如何将各面设计为其径向扫描作用抵消。扫描 部件通常在其旋转通过入射光束时引入扫描线的弓形。在这种情况 下，虽然每个扫描盘上的扫描部件可以引入弓形，将两个扫描部件设 计为使得不同弓形彼此抵消，并且降低或消除总的弓形。
扫描部件的一个例子是偏心透镜。大体上，偏心透镜与离心量成 比例地产生光线方向上的变化。即，A6-5x/f，其中A6是光线方 向上的变化，5x是离心量，并且f是透镜的焦距。因而，可以通过
移动透镜通过光束来创建扫描线。
参考图4A-4B, ^底设该时刻^f义有一个扫描盘120A,光束210法向 地射入扫描盘120A,并且当前面的扫描部件具有与正光焦度透镜相同 的光学效果(也可以使用负光焦度透镜)，如圆形220表示。圆形表 示不意味着暗示扫描部件在形状上必须是圆形。例如，它可以具有与 面相同的形状。光束起初被引导到圆形220的中心。随着面旋转通过 光束210,圆形220的中心也围绕旋转轴125A旋转。所得扫描线追随 透镜的移动，画出如图4B所示的弧形240A。弧形的垂度是此扫描线 的弓形。
可以降低或者甚至消除此弓形。如果扫描盘120B上的扫描部件 也是具有正光焦度的透镜，则它将画出弧形240B。但是此弧形向弧形 240A的相反方向弯曲。这两个弓形彼此抵消，导致扫描更快且更长并 且弯曲更少的净余扫描线245。在一些情况下，该弓形可以被全部消 除。例如，这将是如下情况如果扫描盘12QA-B彼此接近(使得扫 描盘之间的传播具有可忽略的作用)，从光束210到每个旋转轴125 的距离相同，并且两个扫描部件是位于其相应面上的相同相关位置上 的具有相同光焦度的透镜。
注意，以上利用具体例子描述了偏移生成和扫描线生成。这是为 了清楚的目的，并且本发明不限于这些例子。例如，不局限于单条光 束(例如图1示出了五条光束的情况)，也不局限于单个面，也不限 于在整个扫描盘上复制的完全相同的面。每个扫描盘12 0包括多个面，并且每一套相应面产生一幅图(例如点或扫描线)。如果扫描盘上的 面全都相同，则将以相同偏移再三反复相同的图。
但是面也可以不同，以便产生不同的图或具有不同偏移的图。例 如，可以在不同面上使用不同扫描部件，以便生成不同长度的扫描线。 类似地，可以在不同面上使用不同偏移部件(例如具有不同光焦度的 透镜)，以便生成不同偏移。此外，可以用各种方式组合扫描部件和 偏移部件，以便实现不同的扫描图案。此外，不需要对每个面使用上 述的弓形修正和偏移部件。例如，特定的面可以被设计用于零偏移， 在这种情况下，偏移部件不是必需的。或者，可能有一套N个不同偏
移用于整个图案，N个偏移之一为零。在这种情况下，多数面而不是
所有面会使用偏移部件。在一些应用中，或者对一些面，通过常规技 术引入的不希望的作用可能是可以容忍的，使得弓形修正和/或偏移 技术不是必需的。在另一种极端情况下，在一些应用中，每个面都可 以使用上述的弓形修正和/或偏移部件。
扫描部件和偏移部件的物理实现也可以变化。对于包括分立扫描
次序放置。扫描部件和偏移部件也可以整合为一个单个光学部件。例 如，在上述的基于透镜的设计中，扫描部件实施为其中心在与光束大 约相同的半径位置的透镜，并且偏移部件实施为其中心在扫描盘的旋 转轴上的透镜。对于第一种近似，这两个透镜的净余作用与光焦度近 似等于扫描部件和偏移部件的光焦度的和、并且中心轴位于别处的单 个透镜的作用相同。因而，这两个部件可以实施为一个单个透镜。虽 然通常期望入射光束和离开相互对转的盘的光束准直，由于可以修改 聚焦出射光束的物镜以在扫描光束中适应焦度，因此这不是对实际使 用的要求。在一些情况下，甚至可以适应来自不同面組的不同的焦度量。
此外，以上所示的例子使用了透射面，但是也可以使用反射或混 合设计。扫描部件和偏移部件也可以基于折射、反射、衍射、或它们 的组合。反射镜、常规透镜、非球面、菲涅尔透镜、开诺全息照片(kinoform)、衍射和全息光学部件是可能的物理实施的例子。将使用 术语"透镜状光学元件"表示对应于折射透镜的折射透镜、曲面反射 镜、全息透镜、以及其他光学元件。
图5A-5B示出了反射设计。在此例中，光源是波长为1535nm的 光纤激光。准直光学部件130A将进入的光束校准到两个反射旋转扫 描盘120A-120B上，该两个扫描盘120A-120B从法线倾斜19度。每 个扫描盘120的直径近似为30-50mm,每个扫描盘120具有15-30个 面。这些面典型地在切线方向上大约延伸5mm,并且稍微小于径向方 向上地延伸。入射光束直径大约为1.0-L5mm。聚焦光学部件130B 包括用于将偏转光束聚焦到目标上的三合透镜(triplet )。图5示出 了在五个不同偏移541-545上的光束。具有15-30个偏移(每个面有 一个偏移)，对于约15mm的整个目标宽度，这些偏移均匀地彼此隔开 大约0. 75mm。
此特定的例子是为2003年2月14日申请的共同待审的美国专利 申请No. 1 0/367， 582， "Method and Apparatus for Treating skin using Patterns of optical Energy (使用光能量图案治疗皮肤的方 法和设备)"、以及2003年7月11日申请的No. 60/486， 304, "Method and Apparatus for Fractional Phototheropy of skin (用于皮肤 的分段光线疗法的方法和设备)"中描述的医学应用而设计的，这两 个专利申请作为参考引入本文。在该申请中，光学扫描仪扫过皮肤。 扫描移动进入和离开图5中的纸面。实际扫描线很短，典型地为 0. lmm,并且主要用于补偿扫略移动。替换实施例应用短于1mm的扫 描线。结果，在单个面的扫描持续时间内，光束保持聚焦在皮肤上的 单个点上。对于关于移动补偿的进一步的细节，见2003年12月23 日申请的共同未决的美国专利申请序号No. ***[代理机构案巻号 8553], "Method And Apparatus for Monitoring and Controlling Laser—Induced Tissue Treatment (用于监一见牙口4空制;敛光感应的纟且织 治疗的方法和设备)"，并且该申请引入本文作为参考。当下一个面进 入光束时，在不同的位置生成另一个治疗点。将盘120设计为以高达6000rpm的速率旋转，得到高达3000点每秒的治疗速率。图6是使用一个旋转光学元件的光学图案生成器的例子。进入的 光束通过光纤110到达准直光学部件i30A，并且由该准直光学部件 130A进行准直。准直光束入射在旋转光学元件120上。在图6中，光 学元件120被描绘为透镜，以便图示偏移功能。在实际中，光学元件 120包括大约20个面，每个面具有偏移部件，该每个偏移部件被实施 为中心在旋转轴125上的透镜。每个透镜具有不同的焦度，并且对进 入的光束偏转不同的量。图6示出了所有二十个偏转光束641-649。 最弱的透镜生成偏转最少的光束641，并且最强的透镜生成偏转最多 的光束649。然而，不同焦度的透镜还引入对每一个光束641-649的 不同量的聚焦。在图2中，这由焦度相等但符号相反的第二透镜抵消。 在此例中，使用梯形类型的反射镜阵列632以便单独地将每个光束 641-649改变方向到目标，并且透镜阵列634单独地将每个光束 641-649聚焦到目标150上。虽然上述描述包括很多细节，但是它们不应该被解释为限制本发 明的范围，而是仅仅作为说明本发明的不同例子和方面。例如，除了 上述医学应用之外的应用也是很明显的，包括各种激光材料处理应 用、打印/拷贝、激光显示系统、以及材料的直接标记。光学图案生 成器的具体设计取决于应用。例如，光束的波长部分取决于应用。即 使是在皮肤病学领域中，具有不同波长的激光用于不同外科手术应用 中。皮肤病治疗激光源的例子包括二极管激光、二极管激发式固态激 光、Er:YAG激光、Nd: YAG激光、氩离子激光、氦氖激光、二氧化碳 激光、激态原子激光、铒光纤激光、以及红宝石激光。这些装置产生 波长在可见光谱范围内(0. 4-0. 7jim)、以及红外(0. 7-11 jam)和 UV(O. 18-0. 40pm)范围的激光束。应该注意，诸如"光学"和"光" 的术语意味着包括所有这些和其他波长区域，而不仅仅是可见光谱范 围。取决于应用，所生成的图也可以采取不同形式。在很多应用中， 重复地画单个连续扫描线。在一些应用中，产生一系列平行扫描线，^:此^f黄向地偏移。扫描线也可以是一系列点，而不是连续的线，例如 如果在扫描过程中源激光脉冲接通和关断。作为最后的例子，扫描也 可以用于补偿移动，使得即使扫描装置相对于目标移动，扫描点也保 持在目标上的固定位置。其他各种变化也是明显的。作为不同变化的另 一 个例子，旋转光学元件12 0的数量可以变化。 上述例子(除了图6以外)都使用了一对扫描盘，但这并不是一个要求。例如，可以使用两对或更多对旋转光学元件。作为另一个例子， 通过将其中 一 个扫描盘分离成两个扫描盘，双盘设计可以被转化为三盘设计。在图3中，正透镜320B可以被分离为两个具有半焦度的正 透镜， 一个置于负透镜320A的上游，另一个置于负透镜320A的下游。本图案生成器也可以用于多种不同的应用。旋转光学元件将偏转 引入整个系统的光轴。如果这些面包括偏移部件，则该偏转包括大体 上沿径向方向的偏移。如果这些面包括扫描部件，则偏转包括扫描线， 典型地沿切向方向的扫描线。例如，使用20mm焦距物镜的具有l隱 扫描线的系统将引入0.05弧度的偏转。不同应用可以使用以上的任 何一种，或者使用它们全部，很可能是与其他偏转机构组合。例如，图7A-7C示出了使用图案生成器的系统能够产生的不同图 案。在图7A中，图案生成器光学地辐合到另一扫描装置，诸如常规 多面棱体扫描仪。该常规扫描装置单独地可以产生扫描线，诸如711。 图案生成器生成一个纯偏移(没有扫描)，如扫描线711-714之间的 偏移所描绘。图案生成器在比其他扫描装置快得多的速率下操作。因 而，在常规扫描仪产生一个扫描线所需的时间中， 一套偏移循环多次。 所得的图案是如图7A所示的一套"划线"721。每条划线721对应旋 转通过入射光束的一个面(或一套对应的面)。在图7B的例子中，图案生成器上的面也包含扫描部件，该扫描 部件抵消常规扫描装置产生的扫描。因而，图7A中的划线721被压 缩为图7B中的点722。当每个面旋转通过入射光束时，面上的扫描部 件抵消常规扫描仪，因而将光束保持在固定位置。当下一个面旋转到 位时，光束跳跃到下一位置，在本例中，该位置也包括横向偏移。在图7C中，图案生成器不引入横向偏移。而是图案生成器中的 该扫描部件;f氐消产生点722的行711的常M^3描^f义。当该^f亍完成时， 引入了偏移(例如由另一常规扫描仪引入)，以便产生下一行712的 点。以这种方式，可以建立显示。作为最终的例子，光学图案生成器也可以用于成像或者感测系 统。在一种情况下，对象源位于扫描仪的焦平面，并且传感器(诸如 CCD)位于扫描仪的相对端。例如，扫描部件可以用于补偿要被成像 的对象的移动，而不是使用扫描部件补偿来自常规扫描仪的扫描。实 质上，扫描可以用于图像拍摄中的模糊消去。可以在超高速扫描照相 机中找到应用。虽然上述描述包含很多细节，但是它们不应该被解释为限制本发 明的范围，而是仅仅作为说明本发明的不同例子和方面。应该理解， 本发明的范围包括没有在前文中详细描述的其他实施例。可以在于此 公开的本发明的方法和设备的布置、操作和细节方面做出对于本领域 中的技术人员明显的各种其他修改、变化、和改变，而不偏离由所附 权利要求限定的本发明的实质和范围。因此，本发明的范围应由所附 权利要求极其法律上的等同物确定。此外，不论元件、部件或方法步 骤是否明确地记载在权利要求中，不意图将这些元件、部件或方法步 骤奉献给公众。
权利要求
1.一种用于生成沿偏移方向偏移的图阵列的光学图案生成器，该图案生成器包括第一多面旋转光学元件，其具有第一旋转轴和围绕该第一旋转轴旋转的多个不同面，其中，随着每个面旋转通过入射光束，每个面使得入射光束从该图阵列中生成一幅图；其中图阵列包括扫描线的阵列，以及所述扫描线补偿目标的相对移动。
2. 如权利要求1所述的图案生成器，其中该图案生成器在目标上 生成点的阵列。
3. 如权利要求1所述的图案生成器，其中该图阵列中的图偏移不 均匀的量。
4. 如权利要求1所述的图案生成器，其中该图以非顺序的次序生成。
5. 如权利要求1所述的图案生成器，其中一个或更多个面包括偏 移部件，该偏移部件基本上旋转对称，其中心基本上在第一光学元件的 第一旋转轴上，并且沿偏移方向偏移该图，其中该偏移方向总体上与光 学元件的径向方向对准。
6. 如权利要求5所述的图案生成器，其中多数的面包括所述偏移 部件。
7. 如权利要求6所述的图案生成器，其中每个偏移部件包括透镜 状光学元件，并且该透镜状光学元件的光焦度对于每个面是不同的，从 而不同的面引入不同的偏移。
8. 如权利要求5所述的图案生成器，其中该偏移部件的中心在第 一光学元件的第 一旋转轴上。
9. 如权利要求5所述的图案生成器，其中该偏移部件是旋转对称的。
10. 如权利要求5所述的图案生成器，其中每个偏移部件包括透镜状光学元件。
11. 如权利要求1所述的图案生成器，还包括第二多面旋转光学元 件，其具有第二旋转轴和围绕该第二旋转轴4t转的多个面，该第二光学元件位于第一光学元件的下游，其中第一光学元件上的每个面都具有在 第二光学元件上的对应的面，第一和第二光学元件相互对转，以及对应 的面同步旋转通过光束，并且随着对应的面旋转通过该光束，使光束从图阵列中生成图；以及对于包括所述偏移部件的第 一光学元件上的至少 一个面，第二光学元件上的对应的面包括偏移部件，该偏移部件基本上 旋转对称，其中心基本上在第二光学元件的第二旋转轴上，并且其沿着 偏移方向偏移该图。
12. 如权利要求11所述的图案生成器，其中在对应的面上的该偏 移部件具有符号相反的光焦度。
13. 如权利要求12所述的图案生成器，其中，对于至少一对对应 的面，该对面中的一个面上的偏移部件包括具有正光焦度的透镜状光学 元件，以及该对面中的另 一个面上的偏移部件包括具有负光焦度的透镜 状光学元件。
14. 如权利要求11所述的图案生成器，其中，对于至少一对对应 的面，该一对面中的一个面引入由于第一光学元件的4^转所致的扫描线 中的第一弓形，并且该一对面中的另一个面引入由于第二光学元件的旋 转所致的扫描线中的第二弓形，该第二弓形抵消该第 一 弓形。
全文摘要
本发明涉及一种光学图案发生器，其包括一个或更多个多面旋转光学元件，所述光学元件引入对旋转不敏感的偏移。生成偏移的部件围绕光学元件的旋转轴旋转对称。因而随着光学元件旋转，偏移部件的效果不变。此外，可以将旋转光学元件设计为彼此抵消不希望的光学效果。
文档编号G02B26/12GK101256282SQ20081008041
公开日2008年9月3日 申请日期2004年12月21日 优先权日2003年12月31日
发明者乔治·弗兰基尼斯, 伦纳德·C·迪拜尼迪克蒂斯, 戴维·C·纳波斯 申请人:雷利恩特技术公司