用于使零級(jí)減少的光學(xué)設(shè)計(jì)的制作方法
【專利摘要】一種投影圖樣的裝置（10），包括：第一衍射光學(xué)元件（DOE）（12），被配置為衍射輸入光束（20），以便在表面（24）的第一區(qū)（22）產(chǎn)生第一衍射圖樣（23），第一衍射圖樣包括零級(jí)光束（32）。第二DOE（14），被配置為衍射零級(jí)光束，以便在表面的第二區(qū)（27）產(chǎn)生第二衍射圖樣（29），所述第一區(qū)和第二區(qū)共同至少部分地覆蓋表面。
【專利說明】用于使零級(jí)減少的光學(xué)設(shè)計(jì)
[0001]本申請(qǐng)為分案申請(qǐng)，其原申請(qǐng)的申請(qǐng)日為2008年12月7日，申請(qǐng)?zhí)枮?00880119911.9，名稱為“用于使零級(jí)減少的光學(xué)設(shè)計(jì)”。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明總體涉及光學(xué)圖樣的產(chǎn)生，尤其涉及(但不排他性地)在利用了衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)中的光學(xué)圖樣的產(chǎn)生，具體涉及，具有減小的非受控零級(jí)能量的光學(xué)圖樣的產(chǎn)生。
【背景技術(shù)】
[0003]圖樣的有效光學(xué)投影在各式各樣的應(yīng)用中被使用，所述應(yīng)用如光學(xué)三維(3D)繪圖。這種繪圖通過處理目標(biāo)表面的光學(xué)圖像，產(chǎn)生目標(biāo)表面的3D輪廓。投影圖樣的所需特性一般和應(yīng)用相關(guān)，但通常包括高對(duì)比度，高投影效率和組成圖樣的投影細(xì)光束間強(qiáng)度分布的高均勻性。強(qiáng)度分布的均勻性可依照細(xì)光束峰值-均值功率比，即最強(qiáng)細(xì)光束強(qiáng)度和平均細(xì)光束強(qiáng)度的比值，來表示，其中，低比值對(duì)應(yīng)高均勻性。
[0004]投影方法的低均勻度可能致使該投影方法不能在特定的應(yīng)用中使用，所述應(yīng)用如那些投影圖樣能被用戶看見的應(yīng)用。通常地，在這些情況中，眼部安全規(guī)程規(guī)定了每單位截面積的最大允許能量通量或在單個(gè)準(zhǔn)直細(xì)光束中的最大允許能量通量。
[0005]可以使用衍射光學(xué)元件(DOE)來投影圖樣。然而，DOE會(huì)遇到所謂的零級(jí)問題。零級(jí)光束是入射光束中沒有被投影裝置衍射并從而繼續(xù)穿過系統(tǒng)到達(dá)投影體積上的那部分光束。
[0006]Nakai的美國(guó)專利6，560，019——其公開內(nèi)容以參引的方式納入本文——描述了具有第一和第二光柵的衍射光學(xué)兀件。在整個(gè)可見光光譜范圍內(nèi)，兀件的衍射效率據(jù)稱達(dá)到97%或更好。
[0007]Yamauchi等人的美國(guó)專利申請(qǐng)2007/0019909——其公開內(nèi)容以參引的方式納入本文——描述了一種圖像顯示設(shè)備，其包括衍射光學(xué)元件和一個(gè)第一“面”。該面設(shè)置在衍射光學(xué)元件發(fā)出的零級(jí)光沒有入射到的位置處，圖像由經(jīng)過所述第一面的光來顯示。
[0008]盡管有以上現(xiàn)有技術(shù)，改進(jìn)的投影圖樣方法仍是有益的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，第一衍射光學(xué)元件(DOE)位于第二 DOE附近。第一DOE衍射一個(gè)入射的輸入光束以產(chǎn)生第一衍射圖樣，所述第一衍射圖樣中包括零級(jí)光束。第二 DOE接收所述零級(jí)光束，并由其形成第二衍射圖樣。所述這兩個(gè)衍射圖樣投影進(jìn)一個(gè)體積內(nèi)，使得，對(duì)于所述體積內(nèi)的一個(gè)給定的表面，第一衍射圖樣和第二衍射圖樣覆蓋所述表面的相應(yīng)的第一區(qū)和第二區(qū)。通常，這兩個(gè)區(qū)有效地平鋪表面，盡管在區(qū)域之間會(huì)有相對(duì)小的間隙和/或重疊。
[0010]通常，第一區(qū)被界定在第一矩形和第一矩形內(nèi)的較小的第二矩形之間。所述矩形相對(duì)于彼此對(duì)稱地放置，具有公共的中心和平行的邊，并且所述第一區(qū)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)矩形之間的區(qū)域。所述第二區(qū)是由所述第二矩形界定的區(qū)域?；蛘?，這些區(qū)可以由非矩形形狀界定，一個(gè)區(qū)在另一個(gè)區(qū)內(nèi)。
[0011]通過使用兩個(gè)D0E，來自第一 DOE的零級(jí)光束被有效地抵消——其中通過使所述的來自第一 DOE的零級(jí)光束被用于產(chǎn)生第二衍射圖樣。相應(yīng)地，在這兩個(gè)區(qū)上測(cè)量的峰值-均值功率比通常顯著地減少一相比于使用一個(gè)DOE的系統(tǒng)而言。
[0012]兩個(gè)DOE的組合允許該DOE被配置成使得衍射圖樣的產(chǎn)生可以在DOE之間展開。這樣的分散式的產(chǎn)生也被稱為兩個(gè)DOE的分布式設(shè)計(jì)。因?yàn)榱慵?jí)光束被第二 DOE使用，分布式設(shè)計(jì)允許產(chǎn)生第一 DOE的零級(jí)光束的非受控能量分量大幅度減少的整體衍射圖樣。換句話說，本發(fā)明的實(shí)施方案利用并使用的是在現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中通常被認(rèn)為是不合需要的特性，即零級(jí)光束中的過多能量。
[0013]相應(yīng)地，和使用單個(gè)DOE產(chǎn)生衍射圖樣的效率相比，本發(fā)明的分布式設(shè)計(jì)產(chǎn)生的衍射圖樣通常具有增強(qiáng)的整體效率。除此之外，在一些將會(huì)在下面詳細(xì)描述的實(shí)施方案中，分布式設(shè)計(jì)系統(tǒng)產(chǎn)生的光束的對(duì)比度通常大于單個(gè)DOE產(chǎn)生的光束的對(duì)比度——因?yàn)閮蓚€(gè)DOE所要求的更小的偏離角。
[0014]在一個(gè)替代實(shí)施方案中，第一衍射圖樣包括一些基本準(zhǔn)直的光束。通常，第一 DOE是達(dá)曼光柵。第二 DOE用作圖樣產(chǎn)生器，以衍射每一個(gè)光束，形成相應(yīng)的衍射圖樣。在替代實(shí)施方案的分布式設(shè)計(jì)中，每一個(gè)衍射圖樣投影到一個(gè)表面的相應(yīng)的區(qū)以便至少部分地覆蓋所述表面，并且所述區(qū)可以平鋪所述表面。替代地或除此之外，衍射圖樣投影進(jìn)一些填充了一預(yù)定體積的子體積內(nèi)。一般說來，盡管所有的圖樣產(chǎn)生器可以在單個(gè)DOE上制造，但第一衍射圖樣的不同光束不需要經(jīng)過相同的圖樣產(chǎn)生器。第一衍射圖樣的光束的每一束均可以被適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)經(jīng)過第二 DOE對(duì)應(yīng)的區(qū)。因此，在這個(gè)實(shí)施方案中產(chǎn)生的平鋪可以相同，也可以不同。
[0015]在一個(gè)進(jìn)一步的替代實(shí)施方案中，DOE形成包括零級(jí)光束的衍射圖樣，并且，放置干涉濾光器以接收零級(jí)光束。干涉濾光器被配置成阻擋以阻擋方位角入射到干涉濾光器上的輻射的窄帶阻濾光器，以及使以阻擋角之外的角度入射的輻射通過。放置并確定濾光器方向，以便零級(jí)光束以阻擋角入射到濾光器上。除了零級(jí)光束之外的衍射圖樣的光束和濾光器形成不同于阻擋角的角度，并因此透過濾光器。少了零級(jí)光束的衍射圖樣，因此透過濾光器以便投影進(jìn)一個(gè)預(yù)定體積內(nèi)，并且/或者投影到一個(gè)表面的預(yù)定區(qū)上。
[0016]盡管上述實(shí)施方案特別涉及衍射光學(xué)元件，本發(fā)明的原理可以替代地用于包含折射元件的系統(tǒng)，并尤其適用于包含折射元件和衍射元件的系統(tǒng)。
[0017]因此根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，提供用于投影圖樣的裝置，包括第一衍射光學(xué)兀件(D0E),該第一衍射光學(xué)兀件被配置成衍射輸入光束以便在表面第一區(qū)上產(chǎn)生第一衍射光學(xué)圖樣，所述第一衍射光學(xué)圖樣包括零級(jí)光束。第二 DOE被配置以衍射所述零級(jí)光束，以便在所述表面的第二區(qū)上產(chǎn)生第二衍射光學(xué)圖樣，以使所述第一和所述第二區(qū)共同至少部分地覆蓋所述表面。
[0018]在一個(gè)公開的實(shí)施方案中，第二 DOE包括光學(xué)作用區(qū)(optically activeregion)，其被配置以接收所述零級(jí)光束；以及非光學(xué)作用區(qū)，其被配置以使不包含所述零級(jí)光束的第一衍射圖樣透過。通常，所述第一區(qū)和所述第二區(qū)平鋪所述表面。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，還提供了用于投影圖樣的裝置，該裝置包括第一衍射光學(xué)元件(DOE)，該第一衍射光學(xué)元件被配置成衍射輸入光束以便產(chǎn)生多個(gè)分立的輸出光束。第二 DOE被配置以將衍射效應(yīng)用于所述的多個(gè)分立的輸出光束，以便在表面各個(gè)區(qū)產(chǎn)生相應(yīng)的一些衍射圖樣，使得各個(gè)區(qū)共同至少部分地覆蓋所述表面。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，此外還提供了用于投影圖樣的裝置，該裝置包括衍射光學(xué)元件(D0E)，所述衍射光學(xué)元件被配置成衍射具有一個(gè)波長(zhǎng)的輸入光束，以便產(chǎn)生包括零級(jí)光束的衍射圖樣。窄帶濾光器調(diào)諧到輸入光束的波長(zhǎng)并相對(duì)于DOE定位，以便使不包含所述零級(jí)光束的衍射圖樣入射到一個(gè)表面的一個(gè)區(qū)上。
[0021 ] 濾光器可以包括干涉濾光器或光柵。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，進(jìn)一步提供用于投影圖樣的方法，所述方法包括使用第一衍射光學(xué)元件(DOE)衍射輸入光束以便在一個(gè)表面的第一區(qū)上產(chǎn)生第一衍射光學(xué)圖樣，所述第一衍射光學(xué)圖樣包括零級(jí)光束。所述零級(jí)光束被第二 DOE衍射，以便在所述表面的第二區(qū)上產(chǎn)生第二衍射光學(xué)圖樣，以使所述第一和第二區(qū)共同至少部分地覆蓋表面。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，再提供了用于投影圖樣的方法，該方法包括使用第一衍射光學(xué)元件(DOE)衍射輸入光束，以便產(chǎn)生多個(gè)分立的輸出光束。使用第二 DOE將衍射效應(yīng)用于所述多個(gè)分立的輸出光束，以便在一個(gè)表面的各個(gè)區(qū)產(chǎn)生相應(yīng)的多個(gè)衍射圖樣，以使得各個(gè)區(qū)共同至少部分地覆蓋表面。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，還提供了用于投影圖樣的方法，包括使用衍射光學(xué)元件(DOE)衍射具有一個(gè)波長(zhǎng)的輸入光束，以便產(chǎn)生衍射圖樣，所述衍射圖樣包括零級(jí)光束。窄帶濾光器調(diào)諧到輸入光束的波長(zhǎng)并相對(duì)于DOE定位，以便使不包含所述零級(jí)光束的衍射圖樣入射在所述表面的一個(gè)區(qū)上。
[0025]通過下面詳細(xì)的描述，并結(jié)合附圖，將會(huì)更全面地理解本發(fā)明，在附圖中:
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1A是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的光學(xué)裝置的示意側(cè)視圖，圖1B是示出了通過根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的裝置被投影到一個(gè)平面上的那些區(qū)的示意圖。
[0027]圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的另一個(gè)光學(xué)裝置的側(cè)視圖。
[0028]圖3A是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的替代的光學(xué)裝置的側(cè)視圖，圖3B是示出了通過根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的替代的裝置被投影到一個(gè)平面上的那些區(qū)的示意圖。
[0029]圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的又一個(gè)替代的光學(xué)裝置的示意圖。
具體實(shí)施方案
[0030]在說明書和權(quán)利要求中，假設(shè)，一個(gè)平面的一個(gè)區(qū)的平鋪(tiling)包括無明顯重疊和無明顯間隙地填充該區(qū)的多個(gè)平面圖或多個(gè)塊的組合。
[0031]現(xiàn)參照?qǐng)D1A和圖1B，圖1A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的光學(xué)裝置10的側(cè)視圖，圖1B是示出了裝置10所投影到的區(qū)的示意圖。裝置10包括第一衍射光學(xué)元件(DOE) 12和第二 D0E14。舉例來說，在下面的描述中，假設(shè)D0E12和D0E14基本彼此平行，間隔距離為“d/’。然而，兩個(gè)DOE并不需要相互平行，并且相互之間可以以任何方便的角度排列。在裝置10中，舉例來說，假設(shè)D0E12和D0E14將在單個(gè)透明光學(xué)元件16的第一和第二表面上形成。在替代實(shí)施方案中，D0E12和D0E14可以在分立的光學(xué)元件上形成。盡管D0E12和DOE 14是透射元件，但下面描述的本實(shí)施方案和其他實(shí)施方案的原理也可以使用反射DOE或者透射DOE和反射DOE的組合來實(shí)施——只要加以必要的變更。
[0032]光束產(chǎn)生器18——通常是激光器——產(chǎn)生具有波長(zhǎng)λ I的光學(xué)輸入光束20。通常，例如在光束產(chǎn)生器18包括多模激光器的情況中，光束20具有橢圓截面。在一些實(shí)施方案中，光束20也可以具有圓形截面。光束20可以是準(zhǔn)直的或非準(zhǔn)直的，并且在非準(zhǔn)直情況中，非準(zhǔn)直度，也即，光束的發(fā)散或收斂度，通常被配置以便來自非準(zhǔn)直光束中的不同部分的衍射級(jí)不會(huì)重疊。下文中，舉例來說，假設(shè)光束20是準(zhǔn)直光束。
[0033]如下面更詳細(xì)地加以描述的，D0E12和D0E14產(chǎn)生各自的衍射圖樣，每個(gè)圖樣包括
大量光束。
[0034]元件16被放置為便于D0E12接收光束，舉例來說，假設(shè)D0E12近似和光束垂直。D0E12含有光學(xué)作用部分(optically active portion) 17,該光學(xué)作用部分被配置成和光束20的橫截面相對(duì)應(yīng)。光學(xué)作用部分17也被配置為使得，由光束20通過元件12而形成的整體衍射圖樣21包括投影到元件遠(yuǎn)場(chǎng)的第一衍射圖樣23和零級(jí)光束32。第一衍射圖樣23將一個(gè)相應(yīng)的第一衍射圖樣22 I投影到一個(gè)平面24的一個(gè)區(qū)22上。(雖然，為了圖解的方便和清晰，圖1A和圖1B的實(shí)施方案涉及衍射圖樣在一個(gè)具體平面上的投影，但在實(shí)際中，圖樣被投影到一個(gè)體積內(nèi)，如隨后的圖中所示的，這個(gè)體積對(duì)著平面24。)舉例來說，在下文中，假設(shè)第一衍射圖樣包括一組分布式光點(diǎn)30，每個(gè)光點(diǎn)對(duì)應(yīng)D0E12的一個(gè)衍射級(jí)光束。在一個(gè)實(shí)施方案中，D0E12產(chǎn)生大約IO6個(gè)的衍射級(jí)。這些衍射級(jí)光束中有大約IO5個(gè)的衍射級(jí)被用于產(chǎn)生光點(diǎn)，剩余的衍射級(jí)光束被抑制。
[0035]然而，可以理解，第一衍射圖像221可不包括明顯的光點(diǎn)，并可以，例如，包括強(qiáng)度相似或強(qiáng)度不同的一組線、一個(gè)具有一個(gè)或多個(gè)強(qiáng)度呈梯度分布的區(qū)域的圖像，或一個(gè)包括了光點(diǎn)、線和/或強(qiáng)度呈梯度分布的多個(gè)區(qū)域的組合的圖像。
[0036]第一衍射圖樣23的投影經(jīng)過D0E14的非光學(xué)作用(optically inactive)透明部分31，以便第一衍射圖樣23基本不被所述部分31改變。圖1B示意性地示出了一組光點(diǎn)30。所述光點(diǎn)通過D0E12形成，作為平面24的區(qū)22上的衍射圖像221。
[0037]舉例來說，在下文中，假設(shè)區(qū)22有作為外部界限的矩形26和作為內(nèi)部界限的矩形28，兩個(gè)矩形有共同的中心。因此，區(qū)22實(shí)際上是“環(huán)形”區(qū)，具有中心區(qū)域27，其中中心區(qū)域27沒有從D0E12形成的衍射圖樣。區(qū)22的環(huán)形形式是衍射圖樣23以中空?qǐng)A錐或棱錐為形式的結(jié)果。然而，對(duì)于區(qū)22，沒有必要是這種特殊的環(huán)形，并且通常，區(qū)22可以是任何方便的環(huán)形區(qū)。因此，區(qū)22通常包括在平面24中心區(qū)27內(nèi)的基本任何形狀的空間，其中沒有形成來自D0E12的衍射圖樣。在一個(gè)實(shí)施方案中，矩形26所對(duì)著的最大的平面角——即由矩形的角對(duì)著主零級(jí)光束32所成的角度，大約是30°。
[0038]除了形成上述第一衍射圖樣，被衍射的光束20的一些能量作為基本未偏射的零級(jí)光束32離開D0E12。光束32通常由D0E12的制造的限制引起的，但是通?？梢灾辽俨糠值嘏渲眠M(jìn)DOE的設(shè)計(jì)和制造中，以便可以在零級(jí)光束中提供足夠的能量。為了區(qū)分零級(jí)光束32和稍后的由裝置10產(chǎn)生的零級(jí)光束，光束32此處也稱作主零級(jí)光束32。主零級(jí)光束32具有和光束22的橫截面大致相似的橫截面。
[0039]D0E14被配置成在該DOE的光學(xué)作用部分33接收光束32，并從該光束形成整體衍射圖樣39，圖樣39包括投影進(jìn)元件14的遠(yuǎn)場(chǎng)的第二衍射圖樣29和零級(jí)光束37。設(shè)計(jì)D0E14以使D0E14產(chǎn)生的第二衍射圖樣在中心區(qū)域27上投影第二衍射圖像271，并通常填充中心區(qū)域。對(duì)區(qū)域27進(jìn)行填充時(shí)，第二衍射圖像271和第一衍射圖像221之間的任何間隙或重疊通常很小，以使兩個(gè)衍射圖樣共同覆蓋平面24的部分25。在一個(gè)實(shí)施方案中，圖像間的任何間隙或重疊是圖像中的較小圖像的最大線性尺寸的大約0.1%，或者更小。例如，如果圖像271小于圖像221，并有最大為IOOmm的尺寸，則兩個(gè)圖像之間的間隙或重疊為大約是0.1mm。因此，區(qū)22和27至少部分地覆蓋部分25，并且可以被配置以有效地平鋪部分25。
[0040]零級(jí)光束37，此處也稱作次零級(jí)光束37，基本不偏離由主零級(jí)光束32限定的方向。光束37投影為光點(diǎn)371，近似在區(qū)27的中心。
[0041]舉例來說，矩形28對(duì)著的最大平面角一即由矩形的角對(duì)著次零級(jí)光束37所成的角，通常大約為10°。
[0042]雖然上面的描述使用平面角表示第一和第二衍射圖樣的尺寸，可以理解，尺寸也可以分別由第一和第二衍射圖樣所對(duì)著的第一立體角和第二立體角的形式表達(dá)。
[0043]對(duì)于上述第一衍射圖樣23，光束32的總能量通量通常大約是光束20入射能量通量的5%。對(duì)于上述第二衍射圖樣，次零級(jí)光束37的總能量通量通常大約是主零級(jí)光束的總能量通量的1%。因此，次零級(jí)光束的總能量通量小于光束20的總能量通量的0.1%，并且通常大約為光束20的總能量通量的0.05%。次零級(jí)光束的減少的能量通量致使在所述兩個(gè)區(qū)上測(cè)量的衍射細(xì)光束的峰值-均值功率比明顯減少——相比于使用一個(gè)DOE的系統(tǒng)而言。
[0044]兩個(gè)衍射圖樣除了在基本平鋪部分25的區(qū)上形成圖像外，在一些實(shí)施方案中，兩個(gè)衍射圖樣通常被配置為使得分布在部分25上的衍射圖像的總體強(qiáng)度分布是大體均勻的。
[0045]為了獲得在上述部分25上的平鋪以及整體均勻的強(qiáng)度分布，下面的D0E12和D0E14的相互依賴的參數(shù)可以變化:`
[0046].光束20的波長(zhǎng)λ i ;
[0047].第一衍射圖樣的外立體角和/或內(nèi)立體角；
[0048].主零級(jí)光束的能量通量；
[0049].第二衍射圖樣的立體角；
[0050].次零級(jí)光束的能量通量；
[0051].幾何因素，如光束20的尺寸和兩個(gè)DOE之間的距離Cl1 ；
[0052].光學(xué)作用部分33的尺寸；
[0053]上述參數(shù)的相互依賴關(guān)系對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言是明顯的。例如，隨著給定衍射圖樣立體角的增加，各衍射圖樣零級(jí)光束的能量通量?jī)A向于增加。這些參數(shù)以及其他相關(guān)參數(shù)的選擇，通常采用本領(lǐng)域已知的用于將DOE設(shè)計(jì)為相位掩膜的方法。例如，DOE可使用蓋師貝格-撒克斯通(Gerchberg-Saxton )迭代算法或它的一個(gè)變形來設(shè)計(jì)。替代地或除此之外，標(biāo)準(zhǔn)軟件或定制軟件可被用作設(shè)計(jì)D0E,例如，出版在“Phase RetrievalAlgorithms:A Comparison，，J.R.Fienup, Applied 0ptics21, 2758-2769( 1982 年 8 月 I 日)中的設(shè)計(jì)方法。
[0054]在一些實(shí)施方案中，DOE12和D0E14被配置為使得上述平鋪效應(yīng)的應(yīng)用基本獨(dú)立于輸入光束波長(zhǎng)入^勺改變。對(duì)衍射圖樣上的波長(zhǎng)改變效應(yīng)的解釋在下面參照裝置160(圖3A和圖3B)給出。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠?qū)⒃摻忉寫?yīng)用于，波長(zhǎng)λ i的改變對(duì)裝置10中的平鋪效應(yīng)的影響一只要加以必要的變更。
[0055]不要求在部分25上的總體強(qiáng)度分布是均勻的，并且在一些實(shí)施方案中，兩個(gè)不同衍射圖樣間的強(qiáng)度可以有相對(duì)大的變化。這種變化的一個(gè)例子在下面參照?qǐng)D3A和圖3B描述。
[0056]圖2是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的光學(xué)裝置110的側(cè)視圖。一些在裝置10(圖1A和圖1B)和裝置110中使用的元件具有大致相同的功能，并且在裝置10和裝置110中相同參考數(shù)字表示的元件在結(jié)構(gòu)和操作上大致相似。裝置10被配置成將衍射圖樣投影到體積102中。
[0057]裝置110包括第一 DOEl 12和第二 DOEl 14，除了下文描述的之外，假設(shè)DOEl 12和DOEl 14的操作和配置如同上面描述的裝置10中的D0E12和D0E14。因此，舉例來說，假設(shè)D0E112和D0E114相互平行，間隔距離“d4”，并且將形成在單個(gè)透明光學(xué)元件116的第一和
第二表面上。
[0058]如同裝置10，在裝置110中，光束20假設(shè)為例如是已準(zhǔn)直的。
[0059]元件116被放置為便于DOEl 12接收光束20并且使DOEl 12與光束近似垂直。D0E12有光學(xué)作用部分117，其在尺寸上和光束20的截面積相應(yīng)。部分117被配置為使得，由光束20通過元件112而形成的整體衍射圖樣121包括第一衍射圖樣123。圖樣123有著與圖樣23大致相同的特性，并通常包括準(zhǔn)直光束，或聚焦在體積102中各個(gè)區(qū)的光束，所述光束是由光束20的衍射形成的不同衍射級(jí)。圖樣123因此投影到近似為截?cái)噙^的棱錐形125中，125含有在體積102內(nèi)的空的中央?yún)^(qū)127。圖樣121也包括有著和零級(jí)光束32的特性大體相同的特性的主零級(jí)光束132，且其近似沿著近似為截?cái)噙^的棱錐形125的對(duì)稱軸。
[0060]第一衍射圖樣123的投影經(jīng)過D0E114的非光學(xué)作用透明部分131，以便第一衍射圖樣123基本不被部分131改變。
[0061]DOEl 14也被配置成在該DOE的光學(xué)作用部分133接收光束132，并從該光束形成整體衍射圖樣139，圖樣139包括第二衍射圖樣129和次零級(jí)光束137。D0E14被設(shè)計(jì)為使得第二衍射圖樣129把從部分133出射的光束投影進(jìn)中心區(qū)127，以及形成近似為截?cái)噙^的棱錐形129，其通常填充該區(qū)。D0E114通常被配置為使得出射的光束可以在體積102中準(zhǔn)直或聚焦。然而，可行的是，第二衍射圖樣129可在該體積中的至少一些平面重疊棱錐形125，這些重疊由陰影區(qū)141指示。(為了清晰起見，圖2沒有示出，因發(fā)生這種重疊而需要對(duì)描述總體衍射圖樣139的線所做的改變)。主零級(jí)光束132和次零級(jí)光束137通常具有類似于對(duì)裝置10的光束32和光束37所描述的能量通量。
[0062]因此，裝置110能形成復(fù)合衍射圖樣143，其包括投影進(jìn)體積102中的第一衍射圖樣123和第二衍射圖樣129。如同裝置10，通過使用兩個(gè)D0E，第二 DOE從第一 DOE的零級(jí)光束中形成衍射圖樣，裝置110有效地產(chǎn)生復(fù)合衍射圖樣，使得在次零級(jí)光束中不想要的能量很少。
[0063]對(duì)裝置10和裝置110的運(yùn)行的考慮表明，組合衍射圖樣的不同部分通過在兩個(gè)DOE之間分布所要求的衍射效應(yīng)而產(chǎn)生。這樣的分布，或分散，此處也被稱作兩個(gè)DOE的分布式設(shè)計(jì)。本發(fā)明的分布式設(shè)計(jì)使得能夠產(chǎn)生如下的整體衍射圖樣:該整體衍射圖樣減少了第一個(gè)DOE的零級(jí)光束的不受控的能量部分，因?yàn)樗龇植际皆O(shè)計(jì)使用所述零級(jí)光束形成一部分所需的衍射圖樣。
[0064]圖3A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的光學(xué)裝置160的側(cè)視圖，而圖3B則是示出了由裝置160投射到平面163上的多個(gè)區(qū)的示意圖。在裝置10和裝置160中使用的一些元件具有大致相同的功能，并且在裝置10和裝置160中用相同數(shù)字指示的元件在結(jié)構(gòu)和操作上大致相同。
[0065]在裝置160中，光束產(chǎn)生器18產(chǎn)生輸入光束162，光束162和光束20大體相同，其波長(zhǎng)為λ 2。裝置160包括第一 D0E164，該第一 D0E164也被稱作主D0E164，其在該DOE的光學(xué)作用區(qū)161中接收光束162。區(qū)161的形狀被配置成和光束162的截面相對(duì)應(yīng)。裝置也包括第二 D0E166，該第二 D0E166也被稱作次D0E166。舉例來說，在下面的描述中，假設(shè)D0E164和D0E166相互間基本平行，間隔距離“d2”。然而，兩個(gè)DOE并不需要相互平行，并且相互之間可以以任何方便的角度排列。舉例來說，假設(shè)D0E164和D0E166在一個(gè)透明元件168的兩個(gè)相對(duì)表面上形成。然而，在一些實(shí)施方案中，D0E164和D0E166可以在分立的光學(xué)兀件上形成。
[0066]和裝置10不同的是，主D0E164被配置為產(chǎn)生離開DOE的大量近似準(zhǔn)直的相對(duì)窄光束174。D0E164可有利地被形成為達(dá)曼光柵。在一個(gè)實(shí)施方案中，D0E164被配置以便光束174以對(duì)稱的光點(diǎn)172圖樣與垂直于輸入光束162的虛平面170相交。在圖176中示出了這樣的對(duì)稱圖樣的一個(gè)實(shí)施例，其中光點(diǎn)172位于平鋪了平面170的一部分的多個(gè)全等矩形的角上。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員顯而易見的是，可以從D0E164的出射光產(chǎn)生其他多種對(duì)稱光點(diǎn)圖樣的實(shí)施例，這些實(shí)施例被包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在其他實(shí)施方案中，形成在平面170上的光點(diǎn)172的圖樣是部分對(duì)稱或部分不對(duì)稱的。例如，上述全等矩形的對(duì)稱圖樣可以失真以便矩形的角變成非矩形四邊形的角，例如在出現(xiàn)枕形失真時(shí)，該失真可由D0E164產(chǎn)生。通常,光束174中的一個(gè)光束相對(duì)于輸入光束162基本不偏離，等價(jià)于D0E164的零級(jí)光束。
[0067]主D0E164通常被形成為使得光束174具有近似相等的能量通量和大致相同的截面。如同裝置10，主D0E164可被配置為使得，對(duì)應(yīng)于零級(jí)光束的光束174中的總能量，包括由于制造限制存在的能量，有個(gè)期望的值。
[0068]次D0E166被配置成在各光學(xué)作用區(qū)169接收光束174。區(qū)169從每個(gè)光束形成各個(gè)整體衍射圖樣184。因此，和裝置10不同的是一在裝置10中，次DOE衍射一個(gè)從主DOE中接收的零級(jí)光束——在裝置160中，次DOE有效地衍射大量從主DOE中接收的光束174。
[0069]由各光束174產(chǎn)生的每個(gè)衍射圖樣184通常具有相對(duì)窄的立體角，并包括各個(gè)零級(jí)光束180——其在此處也被稱作各次零級(jí)光束180。在一個(gè)實(shí)施方案中，每個(gè)衍射圖樣184，——以垂直于其光束180來度量——具有失真的矩形截面，失真通常包括枕形失真。每個(gè)次零級(jí)光束180的能量通量通常為各光束174能量通量的大約1%或更小，并且每個(gè)次零級(jí)光束在平面163上形成光點(diǎn)1801。如果每個(gè)光束174有近似相同的能量通量，并且如果有15個(gè)光束174，則每個(gè)次零級(jí)光束180的能量通量是輸入光束162能量通量的0.07%或更小。
[0070]假設(shè)每個(gè)衍射圖樣184在垂直于輸入光束162的平面163的部分178的區(qū)185上投影各自的衍射圖像1851。區(qū)185在形狀上相互間大體相似，并近似地以各自的光點(diǎn)1801為中心。在一個(gè)實(shí)施方案中，區(qū)185是由上述的枕形效應(yīng)而失真的矩形。D0E164和D0E166被配置為使得，區(qū)185，以及相應(yīng)的圖像1851覆蓋部分178。通常，區(qū)185幾乎或完全沒有重疊，以便所述區(qū)近似地平鋪部分178。在一些實(shí)施方案中，大致如上面對(duì)裝置10的描述，由次DOE166產(chǎn)生的衍射圖像1851可以包括一些光點(diǎn)，每個(gè)光點(diǎn)對(duì)應(yīng)DOE的一個(gè)衍射級(jí)。然而，D0E166可以被配置以產(chǎn)生其他衍射圖像，如上述參照裝置10描述的其他圖像。在一些實(shí)施方案中，D0E164和D0E166被配置以便分布在部分178上的圖像1851的總體強(qiáng)度分布是大體均勻的，并且在相鄰圖像1851之間幾乎或完全沒有明顯的分隔。如同裝置10，不要求圖像1851的強(qiáng)度分布是大體均勻的，并且在一些實(shí)施方案中，低強(qiáng)度圖像1851和高強(qiáng)度圖像1851之間的強(qiáng)度比可以大約是1:2。
[0071]在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，D0E164和D0E166被配置以便上述的平鋪效應(yīng)的發(fā)生基本獨(dú)立于輸入光束162的波長(zhǎng)λ 2的任何變化。如果D0E164包括達(dá)曼光柵，則λ 2的增大或減小影響相應(yīng)的光束174和輸入光束所成的角度的增大或減小。這種角度的變化可以通過使區(qū)169形成為足夠大以便接收不同角度的光束來加接受。除此之外，隨著λ2的增大或減小，衍射圖樣184的立體角有相應(yīng)的增大或減小。這兩個(gè)效應(yīng)共同作用，并趨于保持上述平鋪效應(yīng)，光束174角度變化可被衍射圖樣184立體角的變化補(bǔ)償。補(bǔ)償隨著距離d2的減小而增大，從而對(duì)于較小的d2值，波長(zhǎng)d2變化時(shí)，近似的平鋪基本被保持，如果d2有效地是零，則精確地保持。
[0072]上面的描述給出了 D0E164和D0E166是如何以分布式設(shè)計(jì)進(jìn)行配置，以在平面163上投影預(yù)期的圖像。然而，在實(shí)際中，圖像投影進(jìn)一個(gè)體積中，如圖3A所示的體積187，并且照明任何呈現(xiàn)在體積內(nèi)的表面，如平面163或非平的表面。每一個(gè)衍射圖樣184投影進(jìn)體積187的各個(gè)子體積189內(nèi)，子體積通常完全填充體積187。為清晰起見，在圖3A中僅顯示兩個(gè)子體積189。
[0073]正如在之前的實(shí)施方案中，圖3A和圖3B的實(shí)施方案的原理可以使用其他DOE結(jié)構(gòu)來實(shí)施。例如，在光路中，元件166和164的順序可以相反。替代地或除此之外地，至少一個(gè)DOE可以是反射的，而不是圖中所示透射的。
[0074]圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的光學(xué)裝置200的示意圖。在裝置10和裝置200中使用的一些元件具有大致相同的功能，在裝置10和裝置200中用相同參考數(shù)字指示的元件在結(jié)構(gòu)和操作上大致相同。
[0075]在裝置200中，光束產(chǎn)生器18產(chǎn)生輸入光束102，其和光束20大致相似，且其具有波長(zhǎng)λ3。裝置200包括D0E204，在一個(gè)實(shí)施方案中，D0E204被定向?yàn)榇怪庇诠馐?02，并且D0E204在該DOE的光學(xué)作用區(qū)210接收光束，該光學(xué)作用區(qū)的尺寸和光束的橫截面相對(duì)應(yīng)。盡管可以方便地配置裝置200以使得D0E204垂直于光束，但并不要求光束和DOE是垂直的。裝置還包括光元件(OE) 208，其與D0E204分立安裝，安裝在可調(diào)支架205中。
[0076]區(qū)210形成總的衍射圖樣214，其一般為圓錐或棱錐形的，并包括零級(jí)光束216。
[0077]0Ε208被配置為陷波濾光器，其被調(diào)諧以能夠除去波長(zhǎng)λ 3。在一些實(shí)施方案中，陷波濾光器包括窄帶阻干涉濾光器。這些實(shí)施方案使用窄帶阻干涉濾光器的角度選擇特性。因此，當(dāng)輻射是以給定的標(biāo)稱入射角度入射到濾光器上時(shí)，被配置為除去波長(zhǎng)λ 3的輻射的濾光器能有效地去除輻射。濾光器透射以標(biāo)稱入射角度以外的角度入射的波長(zhǎng)λ 3的輻射。
[0078]在其他實(shí)施方案中，0Ε208包括光柵型陷波濾光器，如體積全息光柵(VHG)或體積布拉格光柵(VBG)。(體積全息光柵例如在美國(guó)專利5，691，989中描述，此公開內(nèi)容以參引的方式納入本文，并且該體積全息光柵可從加利福尼亞Monrovia的Ondax公司獲取)。
[0079]0E208通常被配置以具有和光束202的線寬相同的帶阻線寬。因此，如果產(chǎn)生器18是一個(gè)產(chǎn)生具有Inm半高寬度(FWHM)的光束的激光二極管，0E208被配置成，對(duì)于被選擇的標(biāo)稱入射角，具有相同的FWHM。在一些激光器配置中，光柵元件，如VHG，被用作激光器腔的輸出耦合器，將陷波反射回腔中，并因此將激光器鎖定在此波長(zhǎng)處。同樣類型的第二光柵元件可被用作0E208。該元件可以精確地鎖定該激光器波長(zhǎng)處的衍射圖樣的零級(jí)。
[0080]在操作中，支架205可以旋轉(zhuǎn)，以調(diào)整0E218，以便OE吸收零級(jí)光束216基本所有的能量。通常，在調(diào)整之后，零級(jí)光束和0E208形成與被選擇的標(biāo)稱入射角度相近的角。一旦被調(diào)整，0E208透過衍射圖樣214中的基本所有剩余能量，因?yàn)檠苌鋱D樣(沒有零級(jí)光束)對(duì)著0E208的角度不同于零級(jí)光束所對(duì)著的角度。在一些實(shí)施方案中，一旦調(diào)整了 0E208，將會(huì)通過在光學(xué)領(lǐng)域熟知的方法將0E208加固到D0E204以形成一個(gè)復(fù)合光學(xué)元件，并且移除支架205。
[0081]D0E204和0E208被配置，以便衍射圖樣214投影進(jìn)預(yù)定體積224中，大致如上面針對(duì)裝置Iio所描述的。作為替代，所述兩個(gè)元件被配置以便衍射圖樣214在平面222的區(qū)220上形成衍射圖像2201。衍射圖像通常和上面參照裝置10描述的一個(gè)或多個(gè)圖像類似。
[0082]盡管上面的描述假設(shè)D0E204和0E208形成在不同的元件上，在一些實(shí)施方案中，DOE和干涉濾光器可以在單個(gè)透明元件的相對(duì)表面上形成。對(duì)于單個(gè)元件情況，兩個(gè)相對(duì)表面可以配置成相互平行，也可以不平行。在這些實(shí)施方案中，單個(gè)元件通過將其相對(duì)于光束202旋轉(zhuǎn)來調(diào)整，以便吸收零級(jí)光束216的基本所有能量。
[0083]替代地，在反射結(jié)構(gòu)中，0E208被陷波濾光器(notch-pass filter)替換，陷波濾光器被調(diào)整，以允許零級(jí)光束通過陷波濾光器同時(shí)將衍射圖像的剩余部分反射入期望的體積中。
[0084]應(yīng)理解，上述實(shí)施方案的元件可以結(jié)合在一起形成本發(fā)明的其他實(shí)施方案。例如，與裝置200 (圖4)中描述的干涉濾光器的相類似的干涉濾光器可以加在裝置10 (圖1A)的D0E14后面，以便將次零級(jí)光束37中的能量基本變成零，而基本不影響衍射圖樣23和29。也可以在裝置110的D0E114之后進(jìn)行類似的添加。其他有利的結(jié)合對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員是明顯的。
[0085]因此，可以理解，上述實(shí)施方案以舉例的方式被納入，并且本發(fā)明并不限于上面已經(jīng)被特別顯示和描述的內(nèi)容。恰恰相反，本發(fā)明的范圍包括上述不同特征的組合和子組合，也包括本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀前面描述的并且未在現(xiàn)有技術(shù)中公開過的內(nèi)容后，所能實(shí)現(xiàn)的變形和修改。
【權(quán)利要求】
1.一種投影圖樣的裝置，包括: 第一衍射光學(xué)元件，被配置為衍射輸入光束，以便產(chǎn)生多個(gè)分立的輸出光束；以及 第二衍射光學(xué)元件，被配置為將衍射效應(yīng)用于所述多個(gè)分立的輸出光束，以便在一個(gè)表面的各個(gè)區(qū)產(chǎn)生相應(yīng)的多個(gè)衍射圖樣，以使各個(gè)區(qū)共同至少部分地覆蓋所述表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一衍射光學(xué)元件和所述第二衍射光學(xué)元件形成于一個(gè)光學(xué)兀件上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一衍射光學(xué)元件和所述第二衍射光學(xué)元件形成于分立的光學(xué)兀件上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一個(gè)所述的裝置,其中,所述輸入光束有一個(gè)輸入光束波長(zhǎng)，并且其中所述第一衍射光學(xué)元件和所述第二衍射光學(xué)元件被配置以使所述各個(gè)區(qū)在具體的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，獨(dú)立于特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輸入光束波長(zhǎng)至少部分地覆蓋所述表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一個(gè)所述的裝置，其中，所述多個(gè)衍射圖樣形成多個(gè)在所述各個(gè)區(qū)上的多組光點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一個(gè)所述的裝置，其中，至少一個(gè)所述衍射圖樣形成一個(gè)包括一組線和強(qiáng)度呈梯度分布的區(qū)域兩者中的至少一個(gè)的衍射圖像。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一個(gè)所述的裝置，其中，所述各個(gè)區(qū)平鋪所述表面。
8.一種投影圖樣的方法，包括: 以第一衍射光學(xué)兀件衍射輸入光束，以便產(chǎn)生多個(gè)分立的輸出光束；以及 以第二衍射光學(xué)元件將衍射效應(yīng)用于多個(gè)分立的輸出光束，以便在所述表面的各個(gè)區(qū)產(chǎn)生相應(yīng)的多個(gè)衍射圖樣，以使得各個(gè)區(qū)共同至少部分地覆蓋該表面。
【文檔編號(hào)】G02B27/44GK103760682SQ201410024778
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2008年12月7日 優(yōu)先權(quán)日:2008年1月21日
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