[发明专利]使用展像段的光学图案生成器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请按照35USC§119(e)要求对通过整体引用结合于此、于2008年2月5日提交、标题为“Optical Pattern Generators Using Axicon Segments”的第61/026,459号美国临时专利申请的优先权。

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。