專利名稱：使用旋轉光學元件的高速高效率光學圖案生成器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及光學地生成圖的圖案，諸如點陣列或掃描線陣列。更具體地，本發(fā)明涉及使用多面旋轉光學元件生成這種圖案。
背景技術：
點或掃描線的圖案的光學生成用于很多應用。數(shù)字復印機、打印機、指紋識別、手持條形碼掃描儀、工業(yè)應用、光影娛樂、顯示、電信交換、以及醫(yī)學應用是幾個例子?；蛟S用于生成圖的圖案的最普通的機構是傾斜反射鏡(例如由檢流計驅動的震蕩反射鏡)和來自旋轉多面棱體的反射。
然而，基于傾斜反射鏡的光學圖案生成器典型具有不適合于某些應用的特征。例如，在這些系統(tǒng)中的掃描典型地通過前后傾斜反射鏡而實現(xiàn)。然而前后移動需要反射鏡停止然后反轉方向。這花費時間，限制掃描速率。為了提高這些系統(tǒng)的掃描速率，反射鏡經(jīng)常以接近其共振頻率的速率的震蕩移動被驅動。然而，這嚴格限制了可以生成的圖案。例如，由于反射鏡移動被約束為震蕩移動，因此很難生成不規(guī)則圖案。近共振(near-resonance)的條件也限制了能夠實現(xiàn)的掃描速率的范圍。例如，由于在寬的范圍上不能滿足近共振的條件，因此很難在寬的掃描速率范圍上調諧這種系統(tǒng)。如果期望獲得二維圖案(例如一系列平行掃描線或點的二維圖案)，則典型地，要么在兩個方向上同時傾斜單個反射鏡，要么使用兩個協(xié)同的傾斜反射鏡。在很多情況下，使用諸如激光的光的效率也很重要。該效率可以定義為，與光源在給定時間期間所產(chǎn)生的總能量相比，處理表面上的所需圖案中儲存的能量的分數(shù)。如果圖案與背景相比是稀疏的，優(yōu)選地關斷光源，并且快速在背景上掃描，接著當該光束已經(jīng)安置在要曝光的該點之上時再將其接通，并且以在時間上有效地利用光源的方式來曝光該圖案中的點。這需要一個能夠加速、減速、以及快速安置的甚至更易響應的裝置。這些特征的結果是，基于檢流計的系統(tǒng)不適合高速圖案生成，尤其是如果圖案是不規(guī)則的或稀疏的圖案。
在該旋轉多面棱體方法中，三維多面棱體的側面作為反射鏡，并且多面棱體圍繞中心軸旋轉。隨著每個反射側面旋轉通過入射光束，反射該光束以便生成掃描線上的點。每個反射的側面旋轉通過光束產(chǎn)生一條掃描線。如果所有的反射側面都相同(例如，基于多面棱體制造相同的棱錐角)，則相同的掃描線一遍又一遍地畫線(trace)。如果反射側面不同，則隨著每個側面旋轉通過光束，可以畫出不同的掃描線。例如，通過改變每個側面的棱錐角，反射光束可以畫出一系列掃描線。
然而，旋轉多面棱體方法也有不適合某些應用的缺點。例如，產(chǎn)生一系列掃描線的系統(tǒng)會由于旋轉而遭受象差。為了畫出一系列掃描線，每一側面都具有不同的棱錐角，該棱錐角將基本掃描線在垂直于掃描方向的方向上偏移。然而，隨著每一側面旋轉通過光束，有角度的側面的方向也旋轉。這會引起偏移量的變化和/或其他不希望的象差。一個例子是掃描線弓形。理想掃描線大體上是直線段，而實際掃描線經(jīng)常是弧形段?；⌒味蔚拇苟仁枪?。在旋轉多面棱體掃描儀的情況下，具有非零棱錐角的側面生成弓形掃描線。弓形彎曲的量取決于棱錐角。在使用不同棱錐角來畫多條掃描線或在不同位置上生成點的光學多面棱體掃描儀中，不僅每條掃描線弓形彎曲，而且該弓形對于一條掃描線和下一條掃描線是不同的。最上方的掃描線的弓形和最下方的掃描線的弓形之間的差異會相當顯著。
取決于具體應用，由旋轉引起的掃描線弓形和其他效果可以引起其他問題。例如在一些應用中，掃描動作用于補償掃描儀相對于目標的移動，使得即使掃描儀相對于該目標移動，光束仍理想地保持在目標的固定點上。在這種情況下，掃描線弓形將引起光束在垂直于掃描方向的方向上的移動。如果該移動與光束在目標上的停留時間相比很慢，則該弓形有效地引入在垂直方向上的不希望的移動。如果該移動與光束在目標上的停留時間相比很快，則該徑向偏轉的弓形在與未補償?shù)那芯€移動組合時，有效地模糊該光束，增加了該光束在目標上的點的大小。典型地，以上兩種效果都是不期望的。
因而，需要一種可以高速運轉的光學圖案生成器，尤其用于生成不規(guī)則圖案。還需要一種象差和/或模糊降低的圖案生成器。

發(fā)明內容
本發(fā)明以幾種方式克服了現(xiàn)有技術的局限性。在一個方面，一個或更多個多面旋轉光學元件引入了對旋轉不敏感的偏移。生成該偏移的部件圍繞光學元件的旋轉軸旋轉對稱。因而，隨著光學元件旋轉，偏移部件的效果不改變。
在另一個方面，兩個或更多個多面旋轉光學元件用于抵消彼此產(chǎn)生的不希望的效果。在一個例子中，一個旋轉光學元件引入偏轉，但也引入一些不希望的光焦度。第二旋轉光學元件抵消該光焦度，同時加強該偏轉。結果是不具有額外光焦度的偏轉光束。在另一個例子中，旋轉光學元件生成掃描線，并且由一個旋轉光學元件引入的掃描線弓形抵消由其他旋轉光學元件引入的弓形，同時加強所希望的掃描。
在一個實施例中，光學圖案生成器包括具有多個面的多面旋轉光學元件。隨著面旋轉通過光束，每個面使入射光束生成圖(例如點或掃描線)。各面共同生成圖陣列。一個或更多面包括這樣的偏移部件，該偏移部件基本上旋轉對稱，并且其中心基本上在旋轉光學元件的旋轉軸上。該偏移部件沿著偏移方向偏移圖，該偏移方向大體上與旋轉光學元件的徑向方向對準。在一種實施中，不同的面將圖偏移不同的量。該面可以布置為使得圖偏移不均勻的量，和/或以非順序的次序生成。在一些實施例中，圖可以比點或掃描線更復雜，并且圖可以隨著時間改變。此外，圖案生成器可以與另一個移動或掃描反射鏡組合。所得圖案可以是諸如視頻顯示中的變化的二維圖像。
在一個特別的設計中，有兩個相互對轉(counter-rotating)的掃描盤，其具有一一對應的面。對于至少一對相應的面，兩個掃描盤上的面包括上述的偏移部件。偏移部件被實施為在一個掃描盤上的正透鏡狀的元件，以及在另一個掃描盤上的負透鏡狀的元件。在一些應用中，透鏡狀元件的焦度在面與面之間是不同的，不同的面引入不同的偏移。該面還可以包括掃描部件，以生成掃描線，例如，在一個面上的掃描部件引入弓形，該弓形抵消另一個面上的掃描部件引入的弓形。
在另一個方面，光學圖案生成器沿掃描線陣列偏轉光軸。光學圖案生成器包括兩個多面旋轉光學元件，其中一個光學元件位于另一個的下游。該兩個旋轉光學元件相互對轉，并且具有對應的面。隨著這些面旋轉通過光軸，這些面引起光軸沿掃描線偏轉。光學元件還可以實施弓形修正和/或掃描線偏移，如上所述。此類型的圖案生成器可以用于多種不同的應用，包括生成光學圖的系統(tǒng)和成像系統(tǒng)。
在另一個方面，不同的裝置包括上述的偏移功能、掃描線功能、和抵消原理的各種組合。在一些實施例中，旋轉光學元件與常規(guī)掃描儀組合。本發(fā)明的其他方面包括對應上述裝置的方法，以及對前述全部的應用，例如包括使用掃描線補償移動。


本發(fā)明具有其他優(yōu)勢和特征，這些優(yōu)勢和特征從結合附圖對本發(fā)明的以下詳細描述和所附權利要求書中將更加明顯，在附圖中圖1A是根據(jù)本發(fā)明的一個方面的光學圖案生成器的側截面圖。
圖1B是圖1A的圖案生成器的光學鏈的透視圖。
圖1C是示出了掃描線的偏移的圖。
圖2是通過兩個偏移部件的光線軌跡(ray trace)。
圖3A是示出了偏移圖案的圖。
圖3B是用于生成圖3A的偏移圖案的掃描盤的頂視圖。
圖4A是圖1的圖案生成器的旋轉光學元件的頂視圖。
圖4B是示出了由圖4A的旋轉光學元件產(chǎn)生的掃描線的弓形修正的圖。
圖5A是根據(jù)本發(fā)明的另一個圖案生成器的透視圖。
圖5B是通過圖5A的圖案生成器的光線軌跡。
圖6是通過根據(jù)本發(fā)明的另一個圖案生成器的光線軌跡。
圖7A-7C是示出了由使用根據(jù)本發(fā)明的圖案生成器的系統(tǒng)生成的各種圖案的圖。
具體實施例方式
圖1A-1C示出了根據(jù)本發(fā)明的光學圖案生成器100的一個例子。圖案生成器100的光學鏈包括一個或更多光源110A-E，以及一個或更多個多面旋轉光學元件120A-B。它還可以包括額外的光學部件130A-B，用于當光束通過光學鏈到目標表面150時對光束進行成形。
光源110產(chǎn)生入射到旋轉光學元件120上的光束。每個旋轉光學元件120具有若干個面，并且一個旋轉光學元件120上的面具有在其他光學元件120上的對應的面。光學元件120的旋轉是同步的，使得對應的面同步地旋轉通過入射光束。
當面旋轉通過光束時，光束在目標表面150上生成圖140A-E。在此例中，圖140A-E是掃描線，然而它們在替換實施例中也可以是點或其他形狀。在圖1A中，掃描方向142進入和離開紙面。這些面還在垂直于掃描方向142的方向144上偏移掃描線140。例如，參考圖1C，掃描盤上的一組對應的面可以產(chǎn)生該組掃描線140A-E，由相應的光束來畫五條掃描線中的每一條。下一組對應的面可以產(chǎn)生掃描線141A-E，其關于掃描線140偏移了量Δ。
為便利起見，這些面中使光束畫掃描線的部分可以被稱為掃描部件，并且使掃描線偏移的部分可以被稱為偏移部件。這些可以被實施為物理上的明顯不同的部件，例如，掃描部件可以附著在光學元件120的一側，并且偏移部件附著在相反側。作為替換，它們可以被整合到一個單個部件中。例如，可以使用大體上的非球面，該非球面既實施掃描也實施偏移功能。作為替換，掃描和偏移功能可以由一個球面生成，該球面的對稱軸稍微從其所安裝的盤的旋轉軸移位。此外，此示例圖案生成器具有掃描和偏移功能，但是替換的實施例可以僅利用掃描或僅利用偏移。
在圖1中所示的具體例子中，使用五根光纖作為光源110。準直光學部件130A使來自五根光纖的光束準直。兩個掃描盤120A-B位于平面160的附近，每一個掃描盤位于該平面的一側。平面160是這五條光束的主光線交叉的地方。掃描盤的旋轉軸125位于光束的相對側。掃描盤120是相互對轉的(即，如果一個順時針旋轉，則另一個逆時針旋轉)，使得對應的面在旋轉通過光束時大體上一起行進。聚焦光學部件130B將偏轉的準直光束重新聚焦在目標表面150上的點上。由于各面的掃描動作，這些點畫出掃描線140，并且該掃描線由于這些面的偏移動作而偏移。電機旋轉該掃描盤120。
圖2示出了這些面的偏移部件。在常規(guī)方法中，生成偏移的偏移部件可以是棱鏡。然而，隨著掃描盤旋轉，該棱鏡也旋轉，并且這引入不希望的效果，諸如無心的光束掃描。為了避免此效果，此例中的偏移部件關于相應于光學元件120的旋轉軸旋轉對稱。則，當光學元件120旋轉時，偏移部件的光學效果沒有變化。這種偏移部件的一個例子是球面的一部分，其中球面的軸與掃描盤的旋轉軸對準。具有較短半徑的球面導致球面在光束的中心線上的更大的偏移。
圖2示出了旋轉對稱偏移部件的具體例子。在這種情況下，兩個掃描盤120A-B上的偏移部件是中心在掃描盤的相應旋轉軸125A-B上的透鏡320。偏移部件具有大小相等，但是符號相反的光焦度，并且該光束210位于兩個旋轉軸125之間的中途上。在圖2中，偏移部件320A是具有負(發(fā)散)光焦度的透鏡，并且偏移部件320B是具有正焦度的透鏡。
由于透鏡320A的發(fā)散特性，在經(jīng)過此透鏡之后，光看上去是從位于透鏡的旋轉軸(在這種情況下，也是掃描盤的旋轉軸125A)上的一個點光源發(fā)出的。由于光束210的直徑與透鏡320A相比很小，這個效果主要是光束210離開旋轉軸125A的偏轉。此外，光束中的單條光線開始彼此發(fā)散，如果允許傳播長距離，則該光束將開始變寬。然而，光束很快到達第二偏移部件320B，其光焦度與第一偏移部件的光焦度近似相等但符號相反。該光束匯聚成基本上準直。此外，由于與負透鏡320A的軸125A相比，正透鏡320B的旋轉軸125B在光束的相反側，由第二透鏡320B給予的偏轉加到由第一透鏡320A給予的偏轉上。凈余的結果是，進入的準直光束離開兩個掃描盤120，其仍然準直，但是偏轉了一個量。此外，由于偏移部件關于旋轉軸旋轉對稱，因此此偏轉量和射出的光束形狀不隨著掃描盤120旋轉而改變。
圖2示出了透鏡320A和320B作為全部透鏡。為了圖示目的而這樣做。在實際實施中，每個透鏡320并不覆蓋全部掃描盤120。而是每個透鏡覆蓋掃描盤上的一個面。不同面可以使用不同焦度的透鏡。例如，一對相應的面可以包括強的正透鏡和強的負透鏡，因而引起強的偏轉。下一對相應的面可以包括較弱的正透鏡和較弱的負透鏡，因而引起較弱的偏轉。隨著不同對的面旋轉通過入射光束，由于透鏡的不同光焦度，該光束偏轉不同的量。然而，光束全部顯現(xiàn)為準直。因而，聚焦光學部件可以用來將顯現(xiàn)出的光束會聚到平坦對象區(qū)域上。
使用多面旋轉光學元件實施偏移具有相當大的優(yōu)勢，其中一些優(yōu)勢在圖3A-3B中示出。圖3A示出了要生成的偏移341-349。注意，圖3A是對偏移圖案的描繪。如果由系統(tǒng)生成的圖是點，則將生成偏移點的陣列。如果圖是掃描線，則將生成偏移掃描線的陣列。如果使用多個光束(如圖1)，則將重復基本圖案。如果使用在時間上變化的更復雜的對象源，則該源的圖像將被重復，并且在時間上變化。圖3B示出了用于生成這些偏移的一對旋轉光學元件中的一個。該旋轉光學元件具有面361-369等等。
一個優(yōu)勢是，每個偏移141-149由對應的一對面361-369生成，但是這些面可以被設計為彼此獨立。因此，該偏移可以間隔不均勻，如圖3A所示。此外，可以以非順序的次序生成這些圖。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可以分別生成偏移341、344、347、342、348、343、345、349和346。當這些面旋轉通過光束時，將以這種非順序的次序生成這些圖。也可以通過添加對應的面，復合曝光這些圖。例如，面361、364、和367可以都生成偏移344。此特性允許生成不規(guī)則圖案。可以通過使用兩個交叉的系統(tǒng)來生成不規(guī)則二維圖案，一個引起x方向上的偏轉，另一個引起y方向上的偏轉?？商鎿Q地，此方法可以和普通檢流計反射鏡或多面棱體反射鏡掃描儀組合，以創(chuàng)建二維圖案。
另一個優(yōu)勢是此方法的速度。盤可以非常高速旋轉。例如，如果盤包含30個面，并且以10,000rpm的速度旋轉，則如果具有單光束光源，系統(tǒng)將每秒生成5,000幅圖。如果光源具有N個光束，則將每秒生成5,000N幅圖。此外，由于不需要停留在共振頻率附近，所以速度可以在一個寬的范圍上變化。在一種方法中，驅動軸或盤本身被編碼，并且此反饋用于控制盤的速度和用于使盤彼此同步。
如果偏移部件是嚴格地旋轉對稱的，并且其中心嚴格地在光學元件的旋轉軸上，則當偏移部件旋轉通過光束時，徑向方向上的偏移將不變化。如果這些面上沒有其他部件，則系統(tǒng)將生成在徑向方向上偏移的點陣列。
然而，在很多應用中，打破嚴格的旋轉對稱是有優(yōu)勢的。例如，小量的非對稱可以添加到偏移部件中，以便修正其他象差?？商鎿Q地，該偏移部件可以稍微地從光學元件的旋轉軸離心，例如以便引入掃描移動。任何掃描移動都可以分解為徑向分量和切向分量。圖2中的對稱性允許兩個盤被設計為使得來自相應面的徑向分量抵消，并且切向分量增強。例如，如果兩個透鏡320A和320B具有相同(但是符號相反的)焦度，它們可以關于其旋轉軸125朝向彼此或者彼此離開地離心相同的量。由于來自兩個透鏡320的徑向掃描作用抵消，該結果是一條純粹在切向方向上的掃描線。
圖4A-4B還示出了如何將各面設計為其徑向掃描作用抵消。掃描部件通常在其旋轉通過入射光束時引入掃描線的弓形。在這種情況下，雖然每個掃描盤上的掃描部件可以引入弓形，將兩個掃描部件設計為使得不同弓形彼此抵消，并且降低或消除總的弓形。
掃描部件的一個例子是偏心透鏡。大體上，偏心透鏡與離心量成比例地產(chǎn)生光線方向上的變化。即，Δθ＝δx/f，其中Δθ是光線方向上的變化，δx是離心量，并且f是透鏡的焦距。因而，可以通過移動透鏡通過光束來創(chuàng)建掃描線。
參考圖4A-4B，假設該時刻僅有一個掃描盤120A，光束210法向地射入掃描盤120A，并且當前面的掃描部件具有與正光焦度透鏡相同的光學效果(也可以使用負光焦度透鏡)，如圓形220表示。圓形表示不意味著暗示掃描部件在形狀上必須是圓形。例如，它可以具有與面相同的形狀。光束起初被引導到圓形220的中心。隨著面旋轉通過光束210，圓形220的中心也圍繞旋轉軸125A旋轉。所得掃描線追隨透鏡的移動，畫出如圖4B所示的弧形240A?；⌒蔚拇苟仁谴藪呙杈€的弓形。
可以降低或者甚至消除此弓形。如果掃描盤120B上的掃描部件也是具有正光焦度的透鏡，則它將畫出弧形240B。但是此弧形向弧形240A的相反方向彎曲。這兩個弓形彼此抵消，導致掃描更快且更長并且彎曲更少的凈余掃描線245。在一些情況下，該弓形可以被全部消除。例如，這將是如下情況如果掃描盤120A-B彼此接近(使得掃描盤之間的傳播具有可忽略的作用)，從光束210到每個旋轉軸125的距離相同，并且兩個掃描部件是位于其相應面上的相同相關位置上的具有相同光焦度的透鏡。
注意，以上利用具體例子描述了偏移生成和掃描線生成。這是為了清楚的目的，并且本發(fā)明不限于這些例子。例如，不局限于單條光束(例如圖1示出了五條光束的情況)，也不局限于單個面，也不限于在整個掃描盤上復制的完全相同的面。每個掃描盤120包括多個面，并且每一套相應面產(chǎn)生一幅圖(例如點或掃描線)。如果掃描盤上的面全都相同，則將以相同偏移再三反復相同的圖。
但是面也可以不同，以便產(chǎn)生不同的圖或具有不同偏移的圖。例如，可以在不同面上使用不同掃描部件，以便生成不同長度的掃描線。類似地，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鏡)，以便生成不同偏移。此外，可以用各種方式組合掃描部件和偏移部件，以便實現(xiàn)不同的掃描圖案。此外，不需要對每個面使用上述的弓形修正和偏移部件。例如，特定的面可以被設計用于零偏移，在這種情況下，偏移部件不是必需的?；蛘?，可能有一套N個不同偏移用于整個圖案，N個偏移之一為零。在這種情況下，多數(shù)面而不是所有面會使用偏移部件。在一些應用中，或者對一些面，通過常規(guī)技術引入的不希望的作用可能是可以容忍的，使得弓形修正和/或偏移技術不是必需的。在另一種極端情況下，在一些應用中，每個面都可以使用上述的弓形修正和/或偏移部件。
掃描部件和偏移部件的物理實現(xiàn)也可以變化。對于包括分立掃描部件和偏移部件的面，不同的設計可以將這些部件以光學鏈中的不同次序放置。掃描部件和偏移部件也可以整合為一個單個光學部件。例如，在上述的基于透鏡的設計中，掃描部件實施為其中心在與光束大約相同的半徑位置的透鏡，并且偏移部件實施為其中心在掃描盤的旋轉軸上的透鏡。對于第一種近似，這兩個透鏡的凈余作用與光焦度近似等于掃描部件和偏移部件的光焦度的和、并且中心軸位于別處的單個透鏡的作用相同。因而，這兩個部件可以實施為一個單個透鏡。雖然通常期望入射光束和離開相互對轉的盤的光束準直，由于可以修改聚焦出射光束的物鏡以在掃描光束中適應焦度，因此這不是對實際使用的要求。在一些情況下，甚至可以適應來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設計。掃描部件和偏移部件也可以基于折射、反射、衍射、或它們的組合。反射鏡、常規(guī)透鏡、非球面、菲涅爾透鏡、開諾全息照片(kinoform)、衍射和全息光學部件是可能的物理實施的例子。將使用術語“透鏡狀光學元件”表示對應于折射透鏡的折射透鏡、曲面反射鏡、全息透鏡、以及其他光學元件。
圖5A-5B示出了反射設計。在此例中，光源是波長為1535nm的光纖激光。準直光學部件130A將進入的光束校準到兩個反射旋轉掃描盤120A-120B上，該兩個掃描盤120A-120B從法線傾斜19度。每個掃描盤120的直徑近似為30-50mm，每個掃描盤120具有15-30個面。這些面典型地在切線方向上大約延伸5mm，并且稍微小于徑向方向上地延伸。入射光束直徑大約為1.0-1.5mm。聚焦光學部件130B包括用于將偏轉光束聚焦到目標上的三合透鏡(triplet)。圖5示出了在五個不同偏移541-545上的光束。具有15-30個偏移(每個面有一個偏移)，對于約15mm的整個目標寬度，這些偏移均勻地彼此隔開大約0.75mm。
此特定的例子是為2003年2月14日申請的共同待審的美國專利申請No.10/367,582，“Method and Apparatus for Treating Skin UsingPatterns of Optical Energy(使用光能量圖案治療皮膚的方法和設備)”、以及2003年7月11日申請的No.60/486,304，“Method andApparatus for Fractional Phototherapy of skin(用于皮膚的分段光線療法的方法和設備)”中描述的醫(yī)學應用而設計的，這兩個專利申請作為參考引入本文。在該申請中，光學掃描儀掃過皮膚。掃描移動進入和離開圖5中的紙面。實際掃描線很短，典型地為0.1mm，并且主要用于補償掃略移動。替換實施例應用短于1mm的掃描線。結果，在單個面的掃描持續(xù)時間內，光束保持聚焦在皮膚上的單個點上。對于關于移動補償?shù)倪M一步的細節(jié)，見2003年12月23日申請的共同未決的美國專利申請序號No.***[代理機構案卷號8553]，“Method AndApparatus for Monitoring and Controlling Laser-Induced TissueTreatment(用于監(jiān)視和控制激光感應的組織治療的方法和設備)”，并且該申請引入本文作為參考。當下一個面進入光束時，在不同的位置生成另一個治療點。將盤120設計為以高達6000rpm的速率旋轉，得到高達3000點每秒的治療速率。
圖6是使用一個旋轉光學元件的光學圖案生成器的例子。進入的光束通過光纖110到達準直光學部件130A，并且由該準直光學部件130A進行準直。準直光束入射在旋轉光學元件120上。在圖6中，光學元件120被描繪為透鏡，以便圖示偏移功能。在實際中，光學元件120包括大約20個面，每個面具有偏移部件，該每個偏移部件被實施為中心在旋轉軸125上的透鏡。每個透鏡具有不同的焦度，并且對進入的光束偏轉不同的量。圖6示出了所有二十個偏轉光束641-649。最弱的透鏡生成偏轉最少的光束641，并且最強的透鏡生成偏轉最多的光束649。然而，不同焦度的透鏡還引入對每一個光束641-649的不同量的聚焦。在圖2中，這由焦度相等但符號相反的第二透鏡抵消。在此例中，使用梯形類型的反射鏡陣列632以便單獨地將每個光束641-649改變方向到目標，并且透鏡陣列634單獨地將每個光束641-649聚焦到目標150上。
雖然上述描述包括很多細節(jié)，但是它們不應該被解釋為限制本發(fā)明的范圍，而是僅僅作為說明本發(fā)明的不同例子和方面。例如，除了上述醫(yī)學應用之外的應用也是很明顯的，包括各種激光材料處理應用、打印/拷貝、激光顯示系統(tǒng)、以及材料的直接標記。光學圖案生成器的具體設計取決于應用。例如，光束的波長部分取決于應用。即使是在皮膚病學領域中，具有不同波長的激光用于不同外科手術應用中。皮膚病治療激光源的例子包括二極管激光、二極管激發(fā)式固態(tài)激光、Er:YAG激光、Nd:YAG激光、氬離子激光、氦氖激光、二氧化碳激光、激態(tài)原子激光、鉺光纖激光、以及紅寶石激光。這些裝置產(chǎn)生波長在可見光譜范圍內(0.4-0.7μm)、以及紅外(0.7-11μm)和UV(0.18-0.40μm)范圍的激光束。應該注意，諸如“光學”和“光”的術語意味著包括所有這些和其他波長區(qū)域，而不僅僅是可見光譜范圍。
取決于應用，所生成的圖也可以采取不同形式。在很多應用中，重復地畫單個連續(xù)掃描線。在一些應用中，產(chǎn)生一系列平行掃描線，彼此橫向地偏移。掃描線也可以是一系列點，而不是連續(xù)的線，例如如果在掃描過程中源激光脈沖接通和關斷。作為最后的例子，掃描也可以用于補償移動，使得即使掃描裝置相對于目標移動，掃描點也保持在目標上的固定位置。其他各種變化也是明顯的。
作為不同變化的另一個例子，旋轉光學元件120的數(shù)量可以變化。上述例子(除了圖6以外)都使用了一對掃描盤，但這并不是一個要求。例如，可以使用兩對或更多對旋轉光學元件。作為另一個例子，通過將其中一個掃描盤分離成兩個掃描盤，雙盤設計可以被轉化為三盤設計。在圖3中，正透鏡320B可以被分離為兩個具有半焦度的正透鏡，一個置于負透鏡320A的上游，另一個置于負透鏡320A的下游。
基本圖案生成器也可以用于多種不同的應用。旋轉光學元件將偏轉引入整個系統(tǒng)的光軸。如果這些面包括偏移部件，則該偏轉包括大體上沿徑向方向的偏移。如果這些面包括掃描部件，則偏轉包括掃描線，典型地沿切向方向的掃描線。例如，使用20mm焦距物鏡的具有1mm掃描線的系統(tǒng)將引入0.05弧度的偏轉。不同應用可以使用以上的任何一種，或者使用它們全部，很可能是與其他偏轉機構組合。
例如，圖7A-7C示出了使用圖案生成器的系統(tǒng)能夠產(chǎn)生的不同圖案。在圖7A中，圖案生成器光學地耦合到另一掃描裝置，諸如常規(guī)多面棱體掃描儀。該常規(guī)掃描裝置單獨地可以產(chǎn)生掃描線，諸如711。圖案生成器生成一個純偏移(沒有掃描)，如掃描線711-714之間的偏移所描繪。圖案生成器在比其他掃描裝置快得多的速率下操作。因而，在常規(guī)掃描儀產(chǎn)生一個掃描線所需的時間中，一套偏移循環(huán)多次。所得的圖案是如圖7A所示的一套“劃線”721。每條劃線721對應旋轉通過入射光束的一個面(或一套對應的面)。
在圖7B的例子中，圖案生成器上的面也包含掃描部件，該掃描部件抵消常規(guī)掃描裝置產(chǎn)生的掃描。因而，圖7A中的劃線721被壓縮為圖7B中的點722。當每個面旋轉通過入射光束時，面上的掃描部件抵消常規(guī)掃描儀，因而將光束保持在固定位置。當下一個面旋轉到位時，光束跳躍到下一位置，在本例中，該位置也包括橫向偏移。
在圖7C中，圖案生成器不引入橫向偏移。而是圖案生成器中的該掃描部件抵消產(chǎn)生點722的行711的常規(guī)掃描儀。當該行完成時，引入了偏移(例如由另一常規(guī)掃描儀引入)，以便產(chǎn)生下一行712的點。以這種方式，可以建立顯示。
作為最終的例子，光學圖案生成器也可以用于成像或者感測系統(tǒng)。在一種情況下，對象源位于掃描儀的焦平面，并且傳感器(諸如CCD)位于掃描儀的相對端。例如，掃描部件可以用于補償要被成像的對象的移動，而不是使用掃描部件補償來自常規(guī)掃描儀的掃描。實質上，掃描可以用于圖像拍攝中的模糊消去?？梢栽诔咚賿呙枵障鄼C中找到應用。
雖然上述描述包含很多細節(jié)，但是它們不應該被解釋為限制本發(fā)明的范圍，而是僅僅作為說明本發(fā)明的不同例子和方面。應該理解，本發(fā)明的范圍包括沒有在前文中詳細描述的其他實施例?？梢栽谟诖斯_的本發(fā)明的方法和設備的布置、操作和細節(jié)方面做出對于本領域中的技術人員明顯的各種其他修改、變化、和改變，而不偏離由所附權利要求限定的本發(fā)明的實質和范圍。因此，本發(fā)明的范圍應由所附權利要求極其法律上的等同物確定。此外，不論元件、部件或方法步驟是否明確地記載在權利要求中，不意圖將這些元件、部件或方法步驟奉獻給公眾。
權利要求
1.一種用于生成沿偏移方向偏移的圖陣列的光學圖案生成器，該圖案生成器包括第一多面旋轉光學元件，其具有旋轉軸和圍繞該旋轉軸旋轉的多個面，其中隨著每個面旋轉通過入射光束，該每個面使得入射光束從該圖陣列中生成一幅圖；以及一個或更多個面包括偏移部件，該偏移部件基本上旋轉對稱，其中心基本上在第一光學元件的旋轉軸上，并且沿偏移方向偏移該圖，其中該偏移方向總體上與光學元件的徑向方向對準。
2.如權利要求1所述的圖案生成器，其中圖陣列包括點的陣列。
3.如權利要求1所述的圖案生成器，其中圖陣列包括掃描線的陣列。
4.如權利要求3所述的圖案生成器，其中掃描線的長度比1mm短。
5.如權利要求1所述的圖案生成器，其中該旋轉光學元件能夠以足夠生成每秒5,000幅圖的速度旋轉。
6.如權利要求1所述的圖案生成器，其中該旋轉光學元件能夠以至少5,000rpm的速度旋轉。
7.如權利要求1所述的圖案生成器，其中該圖陣列中的圖偏移不均勻的量。
8.如權利要求1所述的圖案生成器，其中該圖以非順序的次序生成。
9.如權利要求1所述的圖案生成器，其中多數(shù)的面包括所述偏移部件。
10.如權利要求9所述的圖案生成器，其中每個偏移部件包括透鏡狀光學元件，并且該透鏡狀光學元件的光焦度對于每個面是不同的，從而不同的面引入不同的偏移。
11.如權利要求1所述的圖案生成器，其中該偏移部件的中心在第一光學元件的旋轉軸上。
12.如權利要求1所述的圖案生成器，其中該偏移部件是旋轉對稱的。
13.如權利要求1所述的圖案生成器，其中每個偏移部件包括透鏡狀光學元件。
14.如權利要求1所述的圖案生成器，還包括第二多面旋轉光學元件，其具有旋轉軸和圍繞該旋轉軸旋轉的多個面，該第二光學元件位于第一光學元件的下游，其中第一光學元件上的每個面都具有在第二光學元件上的對應的面，第一和第二光學元件相互對轉，對應的面同步旋轉通過光束，并且隨著對應的面旋轉通過該光束，使光束從圖陣列中生成圖；以及對于包括所述偏移部件的第一光學元件上的至少一個面，第二光學元件上的對應的面包括偏移部件，該偏移部件基本上旋轉對稱，其中心基本上在第二光學元件的旋轉軸上，并且其沿著偏移方向偏移該圖。
15.如權利要求14所述的圖案生成器，其中在對應的面上的該偏移部件具有符號相反的光焦度。
16.如權利要求15所述的圖案生成器，其中，對于至少一對對應的面，該對面中的一個面上的偏移部件包括具有正光焦度的透鏡狀光學元件，以及該對面中的另一個面上的偏移部件包括具有負光焦度的透鏡狀光學元件。
17.如權利要求14所述的圖案生成器，其中圖陣列包括掃描線的陣列。
18.如權利要求17所述的圖案生成器，其中該掃描線的長度比1mm短。
19.如權利要求17所述的圖案生成器，其中該掃描線補償目標的相對移動，從而該圖案生成器在目標上生成點的陣列。
20.如權利要求17所述的圖案生成器，其中，對于至少一對對應的面，該一對面中的一個面引入掃描線中的第一弓形，并且該一對面中的另一個面引入掃描線中的第二弓形，該第二弓形抵消該第一弓形。
21.如權利要求14所述的圖案生成器，其中該旋轉光學元件能以足夠每秒生成5,000幅圖的速度旋轉。
22.一種用于沿掃描線陣列偏轉光軸的光學圖案生成器，該圖案生成器包括第一多面旋轉光學元件，其具有旋轉軸和圍繞該旋轉軸旋轉的多個面；以及第二多面旋轉光學元件，其位于第一光學元件的下游，該第二光學元件具有旋轉軸和圍繞該旋轉軸旋轉的多個面；其中，第一光學元件上的每個面都具有在第二光學元件上的對應的面，該第一和第二光學元件相互對轉，對應的面同步旋轉通過入射光軸，并且隨著對應的面旋轉通過該光軸，使光軸沿掃描線偏轉。
23.如權利要求22所述的圖案生成器，其中每個掃描線引起不超過0.05弧度的偏轉。
24.如權利要求22所述的圖案生成器，其中掃描線進行的光軸的偏轉補償相對移動。
25.如權利要求22所述的圖案生成器，其中，對于至少一對對應的面，該一對面中的一個面引入掃描線中的第一弓形，并且該一對面中的另一個面引入掃描線中的第二弓形，該第二弓形抵消該第一弓形。
26.如權利要求22所述的圖案生成器，其中該旋轉光學元件能以足夠每秒生成5,000條掃描線的速度旋轉。
27.如權利要求22所述的圖案生成器，其中該掃描線的陣列由單條掃描線組成，并且每一對面沿著該單條掃描線偏轉光軸。
28.如權利要求22所述的圖案生成器，其中該陣列中的掃描線沿著垂直于掃描方向的方向偏移。
29.如權利要求28所述的圖案生成器，其中該掃描方向總體上與光學元件的切線方向對準。
30.如權利要求22所述的圖案生成器，其中該光束沿著光軸傳播，從而該圖案生成器使該光束畫出掃描線陣列。
31.如權利要求30所述的圖案生成器，其中該掃描線補償目標的相對移動，從而該圖案生成器使光束產(chǎn)生點陣列，該點陣列在點的曝光過程中在目標上是固定的。
32.如權利要求22所述的圖案生成器，其中該光軸包括成像或感測系統(tǒng)的光軸。
33.如權利要求32所述的圖案生成器，其中該掃描線補償對象的相對移動，其中該圖像由成像系統(tǒng)拍攝，從而該圖案生成器消去由成像系統(tǒng)拍攝的圖像的模糊。
34.一種光學圖案產(chǎn)生器，其包括兩個或更多個多面旋轉光學元件，每個多面旋轉光學元件具有旋轉軸和圍繞該旋轉軸的多個面；其中該旋轉光學元件具有同步旋轉通過光軸的對應的面，并且對應的面中的至少兩個面對每個單獨作用的面引起不希望的光學效果，而當各面共同作用時該不希望的光學效果相互抵消。
35.如權利要求34所述的圖案生成器，恰好包含兩個相互對轉的多面旋轉光學元件。
36.如權利要求35所述的圖案生成器，其中該兩個對應的面共同生成光軸的偏轉，并且該兩個對應的面引入彼此抵消的不希望的光焦度。
37.如權利要求35所述的圖案生成器，其中該兩個對應的面共同生成光軸的偏轉，該兩個對應的面引入彼此部分抵消的不希望的光焦度，并且共同引入凈余光焦度。
38.如權利要求35所述的圖案生成器，其中該兩個對應的面共同生成光軸的掃描線，并且該兩個對應的面引入彼此抵消的不希望的掃描線弓形。
39.如權利要求35所述的圖案生成器，其中該兩個對應的面共同生成沿切線方向的光學效果，并且該兩個對應的面引入彼此抵消的沿徑向方向的不希望的光學效果。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學圖案發(fā)生器，其包括一個或更多個多面旋轉光學元件，所述光學元件引入對旋轉不敏感的偏移。生成偏移的部件圍繞光學元件的旋轉軸旋轉對稱。因而隨著光學元件旋轉，偏移部件的效果不變。此外，可以將旋轉光學元件設計為彼此抵消不希望的光學效果。
文檔編號G02B26/12GK1902525SQ200480039511
公開日2007年1月24日 申請日期2004年12月21日 優(yōu)先權日2003年12月31日
發(fā)明者倫納德·C.·迪拜尼迪克蒂斯, 戴維·C.·納波斯, 喬治·弗蘭基尼斯 申請人:雷利恩特技術公司