專利名稱：用于光可標(biāo)記材料的直接成像的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文公開的本發(fā)明的實施方案一般來說涉及用于印刷應(yīng)用的光可標(biāo)記介質(zhì)的精確激光直接成像領(lǐng)域，具體來說，涉及在標(biāo)簽將應(yīng)用于信息時，以可變的物品特異性信息 “即時”寫錄制品標(biāo)簽。相關(guān)申請的交叉引用本申請是于2006年8月28日提交并且在2007年3月四日作為美國專利公開 No. 2007/0068630而公布的美國專利申請No. 11/511，103的部分繼續(xù)申請，所述美國專利申請No. 11/511，103要求于2006年4月4日提交的臨時專利申請No. 60/789, 505和2005 年8月四日提交的臨時專利申請No. 60/712,640的優(yōu)先權(quán)，并且是于2005年3月1日提交的美國專利申請No. 11/069，330(現(xiàn)在是美國專利No. 7，168, 472)的部分繼續(xù)申請，所述美國專利申請No. 11/069，330要求于2004年3月3日提交的臨時專利申請No. 60/549, 778 的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
自動標(biāo)記對制品工業(yè)來說是有意義的，在制品工業(yè)中已成為普遍做法的是，用一些物品特異性的信息來標(biāo)記各件制品，這些信息是以例如文本或條形碼的形式來印刷。關(guān)于制品的信息可以包括，例如，制品類型、大小、收獲日期、原產(chǎn)地以及該制品是否是有機的。詳細(xì)來說，用價格查詢(“PLU”)號標(biāo)記各物品已變成人們所希望的，這能夠便于零售商在結(jié)帳柜臺快速地操作并準(zhǔn)確地為制品定價。然而，在過去，例如，用指示蘋果產(chǎn)品的 “小”、“中”或“大”的大小標(biāo)識的不同PLU號來標(biāo)記物品，需要三臺獨立的標(biāo)記機器、三種獨立的標(biāo)簽設(shè)計和三個標(biāo)簽庫存。因此，希望能夠?qū)⒖勺兊摹⒖删幊痰牡男畔⒓磿r應(yīng)用于為個別物品特制的制品標(biāo)簽，從而僅需要單個標(biāo)記機器和僅單一的(至少部分空白的)標(biāo)簽設(shè)計。有關(guān)這種方法的更多背景可見于在2007年1月30日頒發(fā)的Hirst等的標(biāo)題為 Method and Apparatus for Applying Variable Coded Labels to Items of Produce 的美國專利No. 7，168，472中的(下文中稱為“Hirst”)1欄11行至2欄45行，其中全部公開內(nèi)容在此以引用的方式并入本文，也可見于2007年3月四日公布的Griffen等的標(biāo)題為 Multi-Layer Markable Media and Method and Apparatus for Using Same 的美國專利申請公開No. 2007/0068630(下文中稱為“Griffen”)的2_21段，其全部公開內(nèi)容也在此以引用的方式并入本文。如在Hirst和Griffen中所公開，使用光束在標(biāo)簽上直接寫錄變化的信息是人們所希望的。以迅速、一致并且成本有效之方式做到這一點還存在著挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)來源于標(biāo)記機器、標(biāo)簽材料和光束光學(xué)器件之間的關(guān)系。詳細(xì)來說，希望提供高功率的光束，以便減少所需的標(biāo)簽曝光時間。還希望提供在標(biāo)簽上具有長焦深的光束，以便確保即使標(biāo)簽位置相對于光束光學(xué)器件的標(biāo)稱影像表面可能顯著地變化，聚焦影像仍會被寫錄在標(biāo)簽上。還進一步希望使光束像差最小化，以在影像表面盡量接近實際地提供衍射有限的光束影像。在Tamkin的美國專利No. 6，084, 706 (下文中稱為“Tamkin” )中描述一種用激光束直接寫錄圖案的方法和裝置。Tamkin公開一種三面反射鏡焦外光學(xué)系統(tǒng)，其中反射鏡可以具有非球形(例如，拋物形、雙曲形或橢圓形)表面或球形表面。與基于透鏡的系統(tǒng)相比， 這樣的全反射構(gòu)造(使用反射鏡完全代替透鏡)實現(xiàn)了高水平地透射效率，在基于透鏡的系統(tǒng)中，透鏡介質(zhì)在某些波長下不可避免地吸收顯著的光能?！銇碚f，焦外光學(xué)系統(tǒng)是假設(shè)物體和影像位于無限遠的光學(xué)系統(tǒng)。入射和出射焦外光學(xué)系統(tǒng)的光線是平行的。實例包括雙筒鏡和望遠鏡，其中，影像雖然被光學(xué)系統(tǒng)放大，但由眼睛聚焦。放大率可以使影像的大小增大或減小(即分?jǐn)?shù)倍放大)，這取決于放大因子是否分別大于1或小于1。焦外光學(xué)系統(tǒng)可以通過組合兩個有焦光學(xué)系統(tǒng)而形成，以便第一個系統(tǒng)的后焦點與第二個系統(tǒng)的前焦點重合，從而產(chǎn)生沒有有效焦距的整個系統(tǒng)。 Tamkin描述了三面反射鏡焦外系統(tǒng)的若干實施方案，各具有不同的放大率。在Tamkin中，用單個激光源和一個光束分裂器產(chǎn)生多達八個獨立的光束，然后使所述光束穿過一個光學(xué)系統(tǒng)以產(chǎn)生一個15，000像素的影像，像素大小在約1-10微米的范圍內(nèi)。然后用三面反射鏡焦外系統(tǒng)以所需的放大率和最小的功率損失來中繼傳播掃描光束。然而，將單個激光的功率分成多個掃描光束大大降低單位時間傳遞到物體(諸如標(biāo)簽) 給定位點的功率，從而影響直接掃描系統(tǒng)的輸出量。此外，Tamkin沒有解決實現(xiàn)自動“即時” 標(biāo)記系統(tǒng)中所需長焦深的挑戰(zhàn)。如在Landsman的美國專利No. 6，640, 713中所公開，在直接寫錄應(yīng)用中可以使用多激光二極管陣列，而不是將單個激光分成多個光束。然而，除非激光二極管陣列可以立即放置于光可標(biāo)記介質(zhì)附近，正如即時寫錄制品標(biāo)簽的情況，否則將激光有效地傳遞到介質(zhì)仍是一個挑戰(zhàn)。Johnson的美國專利No. 6，177，980 (下文中稱為“Johnson”)，公開一種耦連微型透鏡元件或小透鏡陣列的光學(xué)系統(tǒng)，其帶有一個低分辨率、大視野微光刻應(yīng)用的影像投影系統(tǒng)。Johnson利用光柵光閥或微反射鏡陣列來調(diào)節(jié)單個二極管激光光源的擴散光束。然后，經(jīng)過調(diào)節(jié)的光由小透鏡陣列聚焦成寬間距的點影像。Johnson的小透鏡之間的光束間隔大體上比聚焦點寬，這需要不適于高速、在線、卷筒處理的寫錄策略。雖然Johnson公開了帶有小透鏡陣列的焦外系統(tǒng)在直接寫錄應(yīng)用中的用途，但它沒有解決存在于直接寫錄成像系統(tǒng)設(shè)計中的上述挑戰(zhàn)，即其中影像平面的位置可能隨時間顯著地變化，光束的初始質(zhì)量如多模式二極管激光的輸出一樣差，光束的照明功率必須要高，且需要一種形態(tài)緊湊，成本有效的光學(xué)組件。因此，需要一種通過用激光束在光可標(biāo)記介質(zhì)上直接寫錄的用于光敏印刷的改良光學(xué)系統(tǒng)，其中，介質(zhì)的位置可以顯著地變化，照明功率高，并且所述光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)緊湊且成本有效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開一種成像系統(tǒng)。在第一方面中，所述成像系統(tǒng)包括光源陣列、透鏡陣列，所述透鏡陣列對應(yīng)于所述光源并且具有大體上彼此平行的光軸。所述透鏡產(chǎn)生準(zhǔn)直輸出光束。本發(fā)明也包括一種焦外光學(xué)中繼器，其具有與所述透鏡的光軸大體上平行的光軸，所述透鏡陣列相對于所述焦外光學(xué)中繼器定位，以便形成在影像平面上產(chǎn)生各準(zhǔn)直輸出光束的影像的光學(xué)系統(tǒng)，各影像具有規(guī)定的焦深和光點尺寸。在第二方面中，所述成像系統(tǒng)包括激光陣列，該激光陣列產(chǎn)生各自激光束的陣列。 第二方面進一步包括透鏡陣列，其對應(yīng)于所述激光陣列，并且布置在相對于所述激光陣列的選定位置處，以便產(chǎn)生各自激光束的放大影像。一種光學(xué)中繼器布置在相對于所述透鏡陣列的選定位置，以便在影像平面產(chǎn)生各自激光束的影像，其中所述影像滿足選定的模糊準(zhǔn)則。本發(fā)明也公開一種用于在光敏標(biāo)簽上寫錄信息的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括產(chǎn)生光束陣列的光源陣列，以及對應(yīng)于所述光源以用于將光束導(dǎo)向影像平面的透鏡陣列。提供一種用于將光敏標(biāo)簽定位在影像平面上的標(biāo)記裝置。布置于光源陣列與標(biāo)記裝置之間的光學(xué)中繼器在光敏標(biāo)簽上產(chǎn)生放大的光束影像，從而使標(biāo)簽曝光并進而將圖案寫錄在標(biāo)簽上。本發(fā)明也公開一種在光敏標(biāo)簽上成像和寫錄信息的方法。應(yīng)理解，提供本概述是作為用于大體確定后繼的附圖和詳細(xì)描述的內(nèi)容的手段， 并不意欲限制本發(fā)明的范圍。通過對以下詳細(xì)描述結(jié)合附圖一起考量，將易于理解本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點。


根據(jù)以下詳細(xì)描述并結(jié)合附圖，將易于理解本發(fā)明的實施方案。為了便于描述，相同的參考數(shù)字表示相同的結(jié)構(gòu)元件。本發(fā)明的實施方案通過舉例的方式說明，而不是限制于附圖中的圖形。圖1是自動的制品標(biāo)記裝置的透視圖，其中激光束用來在多層熱敏標(biāo)簽上寫錄編碼信息。圖2是波紋管的一部分的側(cè)視圖，所述波紋管附連有標(biāo)簽，并且與本文公開的光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)選實施方案的光軸對準(zhǔn)。圖3是由激光二極管光源陣列產(chǎn)生并由微透鏡陣列校準(zhǔn)的激光束的陣列的示意側(cè)視圖。圖4是展示圖3的定制微透鏡陣列的幾何形狀的示意端視圖。圖5是圖3中展示的微透鏡陣列內(nèi)部的單個小透鏡的透鏡部分的詳細(xì)端視圖。圖6是圖3中展示的微透鏡陣列內(nèi)部的單個小透鏡的截面?zhèn)纫晥D。圖7是本文公開的光學(xué)系統(tǒng)的一個優(yōu)選實施方案的布局圖，其展示來自單個激光二極管的例示性邊緣光線在其傳播穿過系統(tǒng)時的情況。圖8是圖7的光學(xué)系統(tǒng)的展開側(cè)視圖，其僅展示三個供電反射鏡，其中，第一個反射鏡和第三個反射鏡的凹面，以及第二個反射鏡的凸面是可見的。圖9是圖7的光學(xué)系統(tǒng)的三面反射鏡焦外部分的薄透鏡示意圖，其展示從二極管陣列中心的單個、代表性激光二極管發(fā)出的并傳播穿過整個光學(xué)系統(tǒng)的主光線和邊緣光線。圖10是高斯激光束波形的側(cè)視圖，其展示光束寬度隨傳播的改變。圖11是二極管激光的多模式操作對高斯光束束腰的影響的波動光學(xué)圖解，所述高斯光束在經(jīng)小透鏡校準(zhǔn)時由激光產(chǎn)生。圖12是激光束的寬度與離激光光源的距離呈函數(shù)關(guān)系的曲線圖。
圖13是激光束輸出束腰的位置與其輸入束腰的位置呈函數(shù)關(guān)系的曲線圖。圖14是說明激光束光點相對于目標(biāo)標(biāo)簽未對準(zhǔn)的示圖。圖15是圖7的光學(xué)布局圖的再現(xiàn)，其進一步展示在焦外光學(xué)中繼器的輸入處的標(biāo)簽邊緣傳感器的置放。圖16是在圖15的標(biāo)簽邊緣傳感器內(nèi)部的分色光束分裂器的示意圖。圖17是圖7的光學(xué)布局圖的再現(xiàn)，其進一步展示用于在焦外光學(xué)中繼器校準(zhǔn)期間監(jiān)控激光功率的檢測器的置放。
具體實施例方式如上文所提，使用直接寫錄激光系統(tǒng)來產(chǎn)生制品標(biāo)簽的一個優(yōu)點在于標(biāo)簽信息可以根據(jù)制品(諸如大小)的變化而“即時”改變。例如，個別的水果可以在測量之后立即標(biāo)記，而不是在標(biāo)記之前將一批水果按大小分類。在Hirst的制品標(biāo)記方法和裝置的一個實施方案中(參考并且以引用的方式整體并入本文)，由波紋管從一條可移去的標(biāo)簽上獲取一個標(biāo)簽，將其曝露于光束以使光的圖案穿過標(biāo)簽寫錄并寫錄到標(biāo)簽的前表面上，然后由波紋管將其施加到制品的個件制品。(Hirst,圖IA和IB ；Hirst，3欄，45-59行)。這樣的方法和裝置，以及供其使用的標(biāo)簽，對設(shè)計以最有效的方式在標(biāo)簽上寫錄的光學(xué)系統(tǒng)帶來諸多挑戰(zhàn)。一個挑戰(zhàn)是因以下而產(chǎn)生當(dāng)波紋管旋轉(zhuǎn)至將個別的標(biāo)簽施加到制品上的位置時，標(biāo)簽的縱向位置可能顯著地變化。因此，寫在標(biāo)簽上的光點尺寸的一致性部分取決于光束的焦深，并部分取決于光束的質(zhì)量。另一個挑戰(zhàn)是因以下而產(chǎn)生通常要求光束具有足夠的強度以使光敏介質(zhì)充分曝光。再一個挑戰(zhàn)是在形態(tài)適宜、成本有效的組件中產(chǎn)生焦深相對長的、強烈高質(zhì)量的光束。轉(zhuǎn)向圖1，標(biāo)記裝置40用來量取標(biāo)簽41并將標(biāo)簽41立即施加到在生產(chǎn)線44中加工的產(chǎn)品42上。在本實施例中，通過傳感器46收集關(guān)于產(chǎn)品42的大小或其他數(shù)據(jù)，并且將所述關(guān)于產(chǎn)品42的大小或其他數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊す饩幋a器件48，該器件發(fā)出具有光軸52的激光束50。標(biāo)記裝置40將背襯粘著劑的空白標(biāo)簽41從空白標(biāo)簽41的卷筒M轉(zhuǎn)移到旋轉(zhuǎn)固定的波紋管58的波紋管頂端56上。當(dāng)獲取標(biāo)簽41后，波紋管58通過在標(biāo)簽41和波紋管頂端56之間的界面處維持低壓來將標(biāo)簽41保持在適當(dāng)位置。當(dāng)波紋管58沿曲線路徑 59向生產(chǎn)線44旋轉(zhuǎn)時，標(biāo)簽41 (優(yōu)選為多層的熱變色類型)通過激光編碼器件48的光軸 52并且曝露于激光束50。激光束50被導(dǎo)向而傳播穿過光學(xué)調(diào)節(jié)器件60 (諸如在圖7中示意展示的透鏡系統(tǒng))。光學(xué)調(diào)節(jié)器件60調(diào)節(jié)激光束50，以便其適合于將編碼的標(biāo)記信息準(zhǔn)確地直接寫錄到標(biāo)簽41上。當(dāng)旋轉(zhuǎn)固定的波紋管58繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時，波紋管58將標(biāo)簽41施加到產(chǎn)品42上，并且重復(fù)剛才描述的循環(huán)。在這樣一個制品標(biāo)記系統(tǒng)的商業(yè)應(yīng)用中，一個重大的挑戰(zhàn)是由對準(zhǔn)確定時的需要、加工速度以及對在移動目標(biāo)上準(zhǔn)確地聚焦影像的需要而造成。例如，在Griffen中 114-120段(所述公開內(nèi)容已經(jīng)在上文以引用的方式并入)描述的標(biāo)記裝置能夠保持每分鐘720件制品的制品產(chǎn)量。所以希望投射在標(biāo)簽41上的激光束影像具有大的焦深，以便影像會保持聚焦并且在盡可能多的波紋管動作期間保持其放大率，如在Griffen的圖6_8以及63-64段中所指示(其中所述公開內(nèi)容已在上文以引用的方式并入)。然而，為了使高的功率曝光標(biāo)簽41相對較大的面積(大約20mm寬)，可能損失一定的焦深。例如，GrifTen的0119和0120段中給出適用于在這樣的制品標(biāo)記系統(tǒng)的單個激光二極管光源或激光二極管陣列的特征。這些特征包括介于800與ieOOnm之間的波長以及每個激光二極管大約500mW 的功率水平。如在圖2中展示，在如上文和Hirst的圖1A-1B以及Griffen的圖6-8中所述的自動標(biāo)記系統(tǒng)中的波紋管58，具有氣動附連于光敏標(biāo)簽41的波紋管頂端56，其從襯底材料 (未展示)來獲取標(biāo)簽，使標(biāo)簽移動穿過光束調(diào)節(jié)器60的光軸52，并且將其施加到一件制品上，如前文所解釋。Griffen在圖9A-9B以及65-66段中描述了光敏標(biāo)簽41的一個尤其有利的實施方案的實施例，其包含圖2中展示的三層結(jié)構(gòu)(所述公開內(nèi)容已在上文以引用的方式并入)。標(biāo)簽41優(yōu)選具有半透明的粘著涂層62、襯底的半透明基底層64、中間的光吸收劑層66以及熱變色層前側(cè)層68，這些層按所述順序排列，以使得當(dāng)光束照射標(biāo)簽41的背側(cè)時，光束通過粘合涂層和基底層64到達吸收劑層66，在此層中輻射能被轉(zhuǎn)變成熱，然后無論其在何處從標(biāo)簽的背側(cè)曝光，都引起熱變色層68改變顏色。這樣一種包括不同材料的復(fù)雜、多層標(biāo)簽本身可以視為特征為點擴散函數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)，這種點擴散函數(shù)不同于表征光學(xué)調(diào)節(jié)器件60的點擴散函數(shù)并且是該點擴散函數(shù)的補充。當(dāng)波紋管58行進穿過光軸 52時，標(biāo)簽41沿光軸52的位置隨著時間變化，這主要是由于波紋管58徑向伸展的不一致性，但也是由于波紋管58沿曲線路徑59的旋轉(zhuǎn)，標(biāo)簽41的表面形狀的變化以及其他因素。 標(biāo)簽41位置的這種變化由圖2中的ΔΖ表示。因此，為了在標(biāo)簽41上一致地寫錄清晰的影像，光學(xué)系統(tǒng)的焦深應(yīng)該至少和ΔΖ —樣長。除以引用的方式整體并入的Hirst和Griffen的公開內(nèi)容，包括如上文敘述的那些特定的部分之外，本發(fā)明的公開內(nèi)容包含執(zhí)行激光編碼器件48和光學(xué)調(diào)節(jié)器件60的功能的一種新的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，以及所述光學(xué)系統(tǒng)與自動制品標(biāo)記裝置40的組合。所述光學(xué)系統(tǒng)包含產(chǎn)生激光束陣列的激光二極管光源陣列、單獨校準(zhǔn)激光束的微透鏡陣列，以及調(diào)節(jié)激光束并且產(chǎn)生滿足特定應(yīng)用(諸如制品標(biāo)記應(yīng)用)需要的激光光點的焦外光學(xué)中繼
ο圖3展示激光二極管和微透鏡光源陣列部件90的近距離側(cè)視圖。光源陣列部件 90包含間隔選定距離的光源陣列組件100和透鏡陣列組件105。光源陣列組件100包括電源(未展示)和(根據(jù)一個優(yōu)選實施方案)激光二極管陣列102，其產(chǎn)生沿大體上平行的軸傳播的激光束104的陣列。激光二極管102優(yōu)選是可尋址、可編程的光源，具有可以通過改變提供給陣列中各二極管的電流來單獨調(diào)節(jié)的輸出功率。由光源陣列100產(chǎn)生的激光優(yōu)選具有大約980nm的激光波長，大約300個激光二極管102的各個激光二極管的標(biāo)稱輸出功率水平大約是500mW，且激光二極管102的間隔是大約125微米。本文中所述的激光二極管陣列類型可以從(例如)加州森尼韋爾的OSRAM Opto Semiconductors, Inc.和德國慕尼黑的LaSer2000 GmbH獲得。透鏡陣列組件105優(yōu)選包含準(zhǔn)直微透鏡陣列106，其中的元件是具有大體上平行光軸的單獨小透鏡107，因此小透鏡107產(chǎn)生激光束104的準(zhǔn)直陣列。圖4展示定制的微透鏡陣列106的優(yōu)選實施方案的端視圖，所述微透鏡陣列具有大約35mm的陣列長度202和大約5mm的陣列寬度204。微透鏡陣列106是由諸如紐約的 Rochester Photonics Corporation of Corning公司制造的用戶定制的器件。微透鏡陣列 106是通過微透鏡陣列元件或小透鏡107的重復(fù)線性樣式構(gòu)造來制造。小透鏡107彼此靠近布置，中心與中心的間隔距離208大約是125微米，形成具有大約280個透鏡的一維垂直列210。圖5展示了單個微小透鏡107的放大端視圖，在各小透鏡107的內(nèi)部中心是單獨的透明微透鏡212，其具有大約500微米的透鏡直徑214。微透鏡212可用聚合物、溶膠凝膠來復(fù)制，或蝕刻入玻璃基底中。在一個優(yōu)選實施方案中，用一對通光孔徑式(即透明的)、非球形、凸面的、圓錐截面聚合物微透鏡212來控制像差，而不是使用現(xiàn)存激光陣列系統(tǒng)中常見的單式圓柱透鏡設(shè)計借以單面陣列來控制。圖6以橫截面展示單個小透鏡107。小透鏡107是在熔融硅石(玻璃)基底216 上制成為約Imm厚，折射率為大約1. 45。側(cè)面基底216是兩個平行光聚合物基層218，大約 50mm厚，折射率為大約134。各聚合物微透鏡212優(yōu)選具有非球形、雙曲線體形狀，并且經(jīng)成形以便于從聚合物基層218的前表面220或后表面222橫向凸出大約40微米的高度 219。在垂直列210中的各小透鏡107的中心處，一個二雙曲線體聚合物透鏡212從前表面 220凸出，而另一個透鏡212從后表面222凸出。因此，在圖6中垂直入射微透鏡陣列106 的平面的從左至右傳播的單獨的激光束2 會通過一對雙曲線體透鏡212，以及通過夾在所述透鏡對之間的聚合物基層218和玻璃基底216。圖7展示定位于物平面301與影像平面302之間的全反射焦外光學(xué)中繼系統(tǒng)300， 光源陣列部件90定位在所述物平面301處，而所述影像平面302與一個目標(biāo)標(biāo)簽303 —起共同定位。或者，雖然優(yōu)選全反射系統(tǒng)以使透射中的功率損耗最小化，但是應(yīng)理解，在不脫離本發(fā)明最廣泛原理的情況下，光學(xué)中繼系統(tǒng)300可以是折射性的，其包括透鏡而非反射
^Ml O激光束陣列104的輸出影像304在影像平面302上形成，影像304包含單獨的激光束光點，各光點具有光點尺寸308。從幾何光學(xué)的觀點來看，包含由光源陣列100的給定激光二極管102產(chǎn)生的各激光束224的光射線是由給定的小透鏡陣列107校準(zhǔn)，然后所述準(zhǔn)直光束傳播穿過一系列光滑反射鏡310-320(其中一些是供電的)，以在影像平面302上產(chǎn)生所述激光束光點的略微放大的輸出影像304。因為主光線平行光軸入射并出射焦外光學(xué)中繼器系統(tǒng)300，所以放大率不隨散焦而改變。焦深是由最后的影像平面上的聚焦激光光點的波動光學(xué)特征嚴(yán)格地確定。這是所展示的優(yōu)選系統(tǒng)設(shè)計的一個優(yōu)點。當(dāng)包含激光束2M的射線傳播穿過光學(xué)中繼系統(tǒng)300時，根據(jù)反射定律，它們被反射鏡310-320的各個反射鏡沿彎折的光程偏轉(zhuǎn)，所述反射定律規(guī)定相對于在反射鏡表面反射點處的法線來說，反射角等于入射角。所展示的前兩個反射鏡(310和312)優(yōu)選是平坦的反射鏡，而不是凹面或凸面。因此，它們不改變光束2M的波形；相反地，它們將所述光束導(dǎo)向傾斜的反射鏡系統(tǒng)。反射鏡314、316和318優(yōu)選是包含三面反射鏡焦外系統(tǒng)319的球形供電反射鏡。為了進一步控制像差，使用三元件焦外系統(tǒng)而不是雙元件系統(tǒng)。輸出反射鏡320優(yōu)選是成角的平坦反射鏡，以便在影像平面302上將調(diào)節(jié)的激光束2M導(dǎo)向目標(biāo)標(biāo)簽303。當(dāng)縮小率變大致使NA超過0.05時，反射鏡314-318可以是非球形的。三面反射鏡系統(tǒng)319用來使像差最小化，以便使系統(tǒng)性能保持為衍射有限而不是像差有限的。參考圖8，其展示三面反射鏡焦外系統(tǒng)319的展開的前視圖，在一個優(yōu)選實施方案中，第一反射鏡314和第三反射鏡318優(yōu)選是增加輸出影像304大小的正供電反射鏡；反射鏡316優(yōu)選是減小輸出影像304大小的凸面、負(fù)供電反射鏡。因此，為了產(chǎn)生具有所需光點尺寸308的所需輸出影像304，反射鏡314-318配合來調(diào)節(jié)激光束224。包括微透鏡陣列106 的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的主要特征是，就陣列單元間隔而言，去掉激光二極管發(fā)射的點狀屬性，從而使各個激光束2M足夠擴散，以便在影像平面302形成重疊的光點。微透鏡陣列106有效地使各個激光二極管102輸出的數(shù)值孔徑(NA)減少至少大約10倍，從而放寬對焦外光學(xué)中繼器系統(tǒng)300設(shè)計的約束。應(yīng)重點注意的是，即使物平面301或影像平面302移位，焦外系統(tǒng)仍維持輸出影像 304的放大率。這是重要的，因為當(dāng)波紋管頂端56的位置移位穿過焦深時，由于旋轉(zhuǎn)、振動和其他機械誤差，在直接寫錄操作期間影像的橫向位置不會改變或變扭曲。輸出影像304的最終放大率可以通過改變焦外光學(xué)中繼器系統(tǒng)300內(nèi)部的反射鏡的相對位置來調(diào)整。表1中詳述合適的焦外光學(xué)中繼器系統(tǒng)300的方案，并且通過圖9說明。
光學(xué)元件位置，mm 曲率半徑，mm
物體無限遠 nTA
1st供電反射鏡-190. 97 -80. 78 (凹面)
2nd供電反射鏡-86. 54 21. 19(凸面)
3rd供電反射鏡-159. 42 -156. 67(凹面)~
"^S3 nTA表1 焦外光學(xué)中繼器系統(tǒng)300的方案。在圖9中，激光束224的展開、減少線性光線軌跡的圖更詳細(xì)地說明所述優(yōu)選實施方案的光學(xué)特性。圖9展示位于物平面301的小透鏡107的薄透鏡表示，第一供電反射鏡 314具有焦距Π，第二供電反射鏡316具有焦距f2，并且第三供電反射鏡318具有焦距f3， 它們以所述順序分布來沿光學(xué)調(diào)節(jié)器件60的光軸52輸出影像304。反射鏡314-318形成焦外系統(tǒng)；然而，物體事實上不是位于無限遠。圖9展示表示激光束2M的主光線321，其從左側(cè)入射反射鏡314，與光軸52平行， 并從反射鏡318向右出射，也與光軸52平行。由各個激光二極管102產(chǎn)生的各個這樣的主光線隨后沿著穿過光學(xué)中繼器焦外系統(tǒng)300的如同代表性的主光線321的路徑前行至最終影像304。邊緣光線322表示激光束224的寬度程度的一半。在一個優(yōu)選實施方案中，發(fā)生分?jǐn)?shù)倍放大，所以在焦外系統(tǒng)的入射點的激光束寬度比在焦外系統(tǒng)的輸出點的激光束光點尺寸308大。本文公開的優(yōu)選實施方案的一個重要特征是，激光二極管源陣列100相對于微透鏡陣列106定位，以便在影像平面302提供所需的焦深和光束寬度，同時也提供最大的光功率。小透鏡107限制從各個激光二極管102收集的光的量，因而限制出射各個小透鏡107 的激光束224的大小。同時，為了在本文所述的即時標(biāo)簽寫錄中使用并用于其他的高速成像應(yīng)用，重要的是，對應(yīng)于鄰近的激光二極管102的激光束光點的影像在影像平面302處重疊。這能夠在標(biāo)簽41上產(chǎn)生連續(xù)寫錄的區(qū)域，寫錄區(qū)域之間的任何間隔因此成為關(guān)閉一個或一個以上激光二極管102的結(jié)果。沒有微透鏡212時，將激光二極管源102上的小平面上的光點大小重新成像于影像平面302上。因此，這些直徑大約為幾微米的光點與中心到中心小透鏡間隔距離208相比是很小的。使用微透鏡212 “校準(zhǔn)”來自各個激光的光束，產(chǎn)生較大的光點，大約和125微米的中心到中心間隔距離208—樣大小。因為，實際上來自一個激光二極管源102的光應(yīng)僅被一個小透鏡107截獲，實際影像光點尺寸308比間隔距離 208略小，并且出射兩個鄰近的小透鏡107的激光束224不會立即重疊。然而，可以使鄰近的激光束2 在相距小透鏡107 —定距離處重疊，因為根據(jù)公式(1)，激光束224以與距離 (d)的函數(shù)關(guān)系來傳播。因此，將要放置于影像平面302的影像不是直接出射小透鏡107的多個激光束224的影像；相反地，它是位于相距微透鏡陣列一定距離處的影像，鄰近的激光束2 在此距離處充分地重疊。轉(zhuǎn)向波動光學(xué)，圖10展示傳播穿過光學(xué)系統(tǒng)的一束光的形狀的較逼真的表示。 本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，激光二極管102的輸出通常是高斯激光束(Gaussian laser beam) 330，具有焦距f的經(jīng)配置以校準(zhǔn)或聚焦高斯激光束330的透鏡或供電反射鏡，在透鏡或反射鏡的影像空間的束腰平面332上產(chǎn)生束腰，或最小寬度ω0Π1。所述激光束寬度com 沿激光束330的光傳播軸52與離束腰ωοπι的距離ζ呈雙曲線函數(shù)關(guān)系擴展，以使得寬度與束腰《0111、距離2、焦距廠波長λ和模參數(shù)M呈函數(shù)關(guān)系，如下
權(quán)利要求
1.一種成像系統(tǒng)，其包含光源陣列；透鏡陣列，其對應(yīng)于所述光源，具有大體上彼此平行的光軸，所述透鏡產(chǎn)生準(zhǔn)直輸出光束；以及焦外光學(xué)中繼器，其具有與所述透鏡的所述光軸大體上平行的光軸；其中所述透鏡陣列相對于所述焦外光學(xué)中繼器定位，以便形成在影像平面上產(chǎn)生各準(zhǔn)直輸出光束的影像的光學(xué)系統(tǒng)，各影像具有規(guī)定的焦深和最小的光點尺寸。根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，其中各所述光源具有獨立可變的輸出功率，并且所述光源受調(diào)節(jié)以便選擇性地改變它們各自的輸出功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求2所述的成像系統(tǒng)，其中所述光源是可編程的激光二極管，其可以通過改變供給所述二極管的電流來單獨調(diào)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求3所述的成像系統(tǒng)，其中所述光源以線性陣列排列。
4.根據(jù)權(quán)利要求4所述的成像系統(tǒng)，其中所述焦外光學(xué)中繼器包含一系列供電反射
5.根據(jù)權(quán)利要求5所述的成像系統(tǒng)，其中所述供電反射鏡包含第一凹面反射鏡、第二凸面反射鏡和第三凹面反射鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求6所述的成像系統(tǒng)，其中所述光源相比所述透鏡之間的中心到中心間隔而言具有大體上點狀的結(jié)構(gòu)，由此產(chǎn)生的所述準(zhǔn)直光束通過所述焦外光學(xué)中繼器放大， 以使得所述影像按選定量來重疊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，其中所述光源是激光二極管，并且所述焦外光學(xué)中繼器包含一系列供電反射鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，其中所述光源相比所述透鏡之間的中心到中心間隔而言具有大體上點狀的結(jié)構(gòu)，由此產(chǎn)生的所述準(zhǔn)直光束通過所述焦外光學(xué)中繼器放大， 以使得所述影像按選定量來重疊。
9.一種成像系統(tǒng)，其包含光源陣列；透鏡陣列，其對應(yīng)于所述光源，所述透鏡具有大體上彼此平行的光軸，并且相對于其各自的光源定位，以便產(chǎn)生所述光源的第一影像；以及光學(xué)中繼器，其包含至少一個供電反射表面，具有與所述透鏡的所述光軸大體上平行的光軸，并且相對于所述光源的所述第一影像定位，以在影像平面產(chǎn)生所述光源的放大第二影像，借此所述供電反射表面用來使所述光學(xué)中繼器中的功率損失最小化。
10.根據(jù)權(quán)利要求10所述的成像系統(tǒng)，其中各所述光源具有獨立可變的輸出功率，并且所述光源受調(diào)節(jié)以便選擇性地改變它們獨立的輸出功率。
11.根據(jù)權(quán)利要求11所述的成像系統(tǒng)，其中所述光源是可編程的激光二極管，其可以通過改變供給所述二極管的電流來單獨調(diào)節(jié)。
12.根據(jù)權(quán)利要求12所述的成像系統(tǒng)，其中所述光源以線性陣列排列。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的成像系統(tǒng)，其中所述焦外光學(xué)中繼器包含形成焦外系統(tǒng)的一系列供電反射鏡。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的成像系統(tǒng)，其中所述光源是激光器。
15.根據(jù)權(quán)利要求15所述的成像系統(tǒng)，其中所述供電反射鏡包含第一凹面反射鏡、第二凸面反射鏡和第三凹面反射鏡。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述成像系統(tǒng)，其中所述光源相比所述透鏡之間的中心到中心間隔而言具有大體上點狀的結(jié)構(gòu)，由此產(chǎn)生的所述第一影像通過所述光學(xué)中繼器放大，以使得所述第二影像按選定量來重疊。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，其中所述光源是激光器。
18.—種成像系統(tǒng)，其包含激光光源陣列，所述激光光源陣列產(chǎn)生各自激光束的陣列；透鏡陣列，其對應(yīng)于所述激光光源陣列，并且布置于相對于所述激光光源陣列的選定位置，以便產(chǎn)生所述各自激光束的放大影像；以及焦外光學(xué)中繼器，其布置于相對于所述透鏡陣列的選定位置，以便在影像平面產(chǎn)生所述各自激光束的影像，其中所述影像滿足選定的模糊準(zhǔn)則。
19.根據(jù)權(quán)利要求19所述的成像系統(tǒng)，其中所述透鏡陣列內(nèi)部的各透鏡具有一個前焦平面和一個后焦平面，并且其中所述激光布置在相對于所述各自透鏡的所述前焦平面的選定物平面。
20.根據(jù)權(quán)利要求20所述的成像系統(tǒng)，其中各激光束具有束腰，且其中所述光學(xué)中繼器在位于相對于所述束腰一定距離處具有一個物平面，以使得由所述光學(xué)中繼器形成的鄰近影像按選定量來重疊。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的成像系統(tǒng)，其中各激光束具有束腰，且其中所述光學(xué)中繼器在位于相對于所述束腰一定距離處具有一個物平面，以使得由所述光學(xué)中繼器形成的鄰近影像按選定量來重疊。
22.根據(jù)權(quán)利要求22所述的成像系統(tǒng)，其中所述光學(xué)中繼器是焦外系統(tǒng)，其中對位于所述物平面的一個物體來說，所述影像中的像差得以最小化。
23.根據(jù)權(quán)利要求23所述的成像系統(tǒng)，其中所述激光是多模式激光器。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的成像系統(tǒng)，其中各所述激光具有獨立可變的輸出功率，并且所述激光受調(diào)節(jié)以便選擇性地改變它們獨立的輸出功率。
25.根據(jù)權(quán)利要求25所述的成像系統(tǒng)，其中所述激光是可編程的激光二極管，其可以通過改變供給所述二極管的電流來單獨調(diào)節(jié)。
26.一種用于在光敏標(biāo)簽上寫錄信息的系統(tǒng)，其包含光源陣列，其產(chǎn)生光束陣列；透鏡陣列，其對應(yīng)于所述光源，用于將所述光束導(dǎo)向影像平面；標(biāo)記裝置，其用于將所述光敏標(biāo)簽定位于所述影像平面；焦外光學(xué)中繼器，其布置于所述光源陣列與所述標(biāo)記裝置之間，在所述光敏標(biāo)簽上產(chǎn)生所述光束的放大影像，以便使所述標(biāo)簽曝光并從而在所述標(biāo)簽上寫錄圖案。
27.根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中用于定位光敏標(biāo)簽的所述裝置包含具有波紋管頂端的波紋管，所述波紋管通過使所述波紋管頂端與所述標(biāo)簽之間的界面維持低壓來將所述標(biāo)簽保持在適當(dāng)位置。
28.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的系統(tǒng)，其中所述波紋管固定在可旋轉(zhuǎn)的支架上，其在第一位置獲取標(biāo)簽，并且沿所述光學(xué)中繼器的光軸旋轉(zhuǎn)至第二軸向位置，以便使所述標(biāo)簽曝露于所述光束陣列。
29.根據(jù)權(quán)利要求四所述的系統(tǒng)，其中所述波紋管進一步適于旋轉(zhuǎn)至第三位置并徑向伸展，以便將所述標(biāo)簽施加到物品上。
30.根據(jù)權(quán)利要求四所述的系統(tǒng)，其中所述影像具有焦深，所述標(biāo)簽的所述軸向位置具有已知的變化量，并且所述影像的所述焦深被選定為至少與所述標(biāo)簽的所述軸向位置的所述變化量一樣大。
31.根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)中繼器具有光軸，用于定位所述標(biāo)簽的所述裝置適于使所述標(biāo)簽在曝露于所述光束的同時移動穿過所述光軸。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中所述光束沿垂直于所述光軸的第一軸線性對準(zhǔn)，并且所述標(biāo)記裝置使所述標(biāo)簽在曝露于所述光束的同時沿垂直于所述第一軸和所述光軸的第二軸移動穿過所述光軸。
33.根據(jù)權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中所述光源受調(diào)節(jié)以便當(dāng)所述標(biāo)簽通過所述光軸時寫錄在所述標(biāo)簽上的所述圖案是條形碼。
34.根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述光源是可以激光波長操作的二極管激光器，并且所述標(biāo)簽具有三層結(jié)構(gòu)，其中底層包含在所述激光波長下是半透明的材料；中間層吸收所述激光波長下的光并且將光能轉(zhuǎn)換成熱；且熱敏性的前側(cè)層在所述中間層被透射過所述半透明材料的光照射時，響應(yīng)由所述中間層產(chǎn)生的熱而改變在透射過所述半透明材料的位置處的顏色。
35.根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述光束是激光束，各激光束在相對于所述透鏡陣列一定距離處具有束腰，并且所述光學(xué)中繼器是放置在便于鄰近光束束腰的影像按選定量來重疊的位置。
36.根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述放大影像的放大率是分?jǐn)?shù)。
37.一種用于在光敏標(biāo)簽上寫錄信息的系統(tǒng)，其包含光源陣列，其產(chǎn)生光束陣列；透鏡陣列，其對應(yīng)于所述光源，用于將所述光束導(dǎo)向影像平面；標(biāo)記裝置，其用于將所述光敏標(biāo)簽定位于所述影像平面；光學(xué)中繼器，其包含至少一個供電反射表面，具有與所述透鏡的所述光軸大體上平行的光軸，并且布置于所述源陣列與所述標(biāo)記裝置之間，以便在所述光敏標(biāo)簽上產(chǎn)生所述光束的放大影像并從而在所述標(biāo)簽寫錄圖案。
38.根據(jù)權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其中用于定位光敏標(biāo)簽的所述裝置包含具有波紋管頂端的波紋管，所述波紋管通過使所述波紋管頂端與所述標(biāo)簽之間的界面維持低壓來將所述標(biāo)簽保持在適當(dāng)位置。
39.根據(jù)權(quán)利要求39所述的系統(tǒng)，其中所述波紋管安裝在可旋轉(zhuǎn)的支架上，其在第一位置獲取標(biāo)簽，并且沿所述光學(xué)中繼器的光軸旋轉(zhuǎn)至第二軸向位置，以便使所述標(biāo)簽曝露于所述光束陣列。
40.根據(jù)權(quán)利要求40所述的系統(tǒng)，其中所述波紋管進一步適于旋轉(zhuǎn)至第三位置并徑向伸展，以便將所述標(biāo)簽施加到物品上。
41.根據(jù)權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其中所述光束沿垂直于所述光軸的第一軸線性對準(zhǔn)，并且所述標(biāo)記裝置使所述標(biāo)簽在曝露于所述光束的同時沿垂直于所述第一軸和所述光軸的第二軸移動穿過所述光軸。
42.根據(jù)權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其中所述光源受調(diào)節(jié)以便當(dāng)所述標(biāo)簽通過所述光軸時寫錄在所述標(biāo)簽上的圖案是條形碼。
43.根據(jù)權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其中所述光源是可以激光波長操作的二極管激光器，并且所述標(biāo)簽具有三層結(jié)構(gòu)，其中底層包含在所述激光波長下是半透明的材料；中間層吸收所述激光波長下的光并且將光能轉(zhuǎn)換成熱；且熱敏性的前側(cè)層在所述中間層被透射過所述半透明材料的光照射時，響應(yīng)由所述中間層產(chǎn)生的熱而改變在透射過所述半透明材料的位置處的顏色。
44.根據(jù)權(quán)利要求38所述的成像系統(tǒng)，其中所述光源是激光束。
45.一種成像的方法，其包括提供多個光源；校準(zhǔn)來自所述光源的光，以便產(chǎn)生對應(yīng)的多個準(zhǔn)直光束；以及在影像平面上以焦外方式產(chǎn)生所述多個光束的影像，各影像具有規(guī)定的焦深和最小的光點尺寸。
46.根據(jù)權(quán)利要求46所述的方法，其中所述光源具有大體上點狀的結(jié)構(gòu)，且使得由此產(chǎn)生的所述準(zhǔn)直光束在所述影像平面上按選定量來重疊。
47.根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其進一步包括使所述影像放大分?jǐn)?shù)倍的量。
48.根據(jù)權(quán)利要求46所述的方法，其進一步包括調(diào)節(jié)所述光源以便選擇性地改變它們個別的功率輸出。
49.根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其進一步包括以線性陣列排列所述光源，以便通過調(diào)節(jié)所述光源來產(chǎn)生二維圖案，同時目標(biāo)體在垂直于所述線性陣列的所述軸的方向上移動穿過所述光束。
50.一種成像的方法，其包括提供多個光源；校準(zhǔn)來自所述光源的光，以便產(chǎn)生對應(yīng)的多個準(zhǔn)直光束；以及在影像平面上以反射方式產(chǎn)生所述多個光束的影像。
51.根據(jù)權(quán)利要求51所述的方法，其中以反射方式產(chǎn)生影像包括使所述多個光束從多個供電表面連續(xù)地反射。
52.根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其進一步包括放大所述影像。
53.根據(jù)權(quán)利要求51所述的方法，其進一步包括調(diào)節(jié)所述光源，以便選擇性地改變它們個別的功率輸出。
54.根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其進一步包括以線性陣列排列所述光源，以便通過調(diào)節(jié)所述光源來產(chǎn)生二維圖案，同時目標(biāo)體在垂直于所述線性陣列的所述軸的方向上移動穿過所述光束。
55.根據(jù)權(quán)利要求51所述的方法，其中所述光源是激光光源。
56.一種成像的方法，其包括提供具有各自輸出的多個激光光源；在選定位置獨立地產(chǎn)生所述輸出的多個各自的影像；以及在影像平面上以焦外方式產(chǎn)生所述輸出的單個影像，其中在所述影像平面上的所述多個輸出滿足選定的模糊準(zhǔn)則。
57.一種在光敏標(biāo)簽上寫錄信息的方法，其包括 將所述光敏標(biāo)簽放置在選定位置；提供光源陣列；從所述光源產(chǎn)生多個各自的光束；以及將所述多個各自的光束以焦外方式成像在所述標(biāo)簽上，以便將所述標(biāo)簽曝光并從而在所述標(biāo)簽上寫錄圖案。
58.一種在光敏標(biāo)簽上寫錄信息的方法，其包括 將所述光敏標(biāo)簽放置在選定位置；提供光源陣列；從所述光源產(chǎn)生多個各自的光束；以及將所述多個各自的光束以反射方式成像在所述標(biāo)簽上，以便將所述標(biāo)簽曝光并從而在所述標(biāo)簽寫錄圖案。
全文摘要
一種成像系統(tǒng)。本發(fā)明提供一種光源陣列和一種透鏡陣列，所述透鏡陣列對應(yīng)于所述光源并且具有大體上彼此平行的光軸。所述透鏡產(chǎn)生準(zhǔn)直輸出光束。本發(fā)明也包括一種焦外光學(xué)中繼器，其具有與所述透鏡的所述光軸大體上平行的光軸，所述透鏡陣列相對于所述焦外光學(xué)中繼器定位，以便形成在影像平面上產(chǎn)生各準(zhǔn)直輸出光束的影像的光學(xué)系統(tǒng)，各影像具有規(guī)定的焦深和光點尺寸。所述光源優(yōu)選是產(chǎn)生具有高強度和長束腰的各自激光束陣列的激光器。一種用于在光敏標(biāo)簽上寫錄信息的系統(tǒng)包括所述成像系統(tǒng)。本發(fā)明也提供在光敏標(biāo)簽上成像和寫錄信息的方法。
文檔編號B23K26/18GK102458753SQ200980159658
公開日2012年5月16日 申請日期2009年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月3日
發(fā)明者理查德·埃文斯, 理查德·赫斯特, 約翰·邁克爾·塔姆肯, 約翰·邁克爾·羅杰斯, 馬修·斯科特·胡瓦斯 申請人:辛克萊系統(tǒng)國際有限責(zé)任公司