利用单个旋转部件的光学图案发生器的制作方法

专利名称：利用单个旋转部件的光学图案发生器的制作方法
利用单个旋转部件的光学图案发生器相关申请
其他的实施例利用单个旋转部件，其中入射光束来源于旋 转部件之外，而且不是在该旋转部件的旋转面内的方向上传播。例如， 入射光束可以被引导到面向入射光束的圆盘上两个光学表面。
两个反射面2和3形成五面镜几何结构。在折叠光程的平 面内一起旋转的偶数反射面有这样的性质，角偏转相对于反射面的旋 转角是不变的。在这种情况下，有两个反射面2和3，而圆盘9的旋 转可以使棱镜6， 7和它们的反射面2， 3在折叠光程的平面内一起旋 转。因此，当反射面2, 3旋转通过入射光束1时，输出光束角5不 发生变化。反射面2， 3相对于圓盘9的旋转是自动补偿的。此外， 若反射面2， 3是平坦面，则它们相对于圆盘的摆动基本上也是空间 不变的。
在另一个方法中，旋转方案可以使角偏转排列这样的序 列，最终传送的光斑不是按顺序产生的。换句话说，若图案是光斑l， 2， 3， ...29的阵列，则扇区可以设计成产生不是按照从l至29顺序 的光斑。在某些应用中，在短的时间周期内产生相邻的光斑可以造成 被辐照区之间的热耦合，而这种情况对于正确治疗是有害的。通过合 适地排列棱镜，可以按照这样的方式传送光斑，它可以使时间上相继的光斑在空间上是互相分隔开的，而仍然可以传送全部的光斑图案。
图4是按照本发明另一个光学图案发生器的视图，其中入 射光束42的传播方向在垂直于旋转面的方向上有很大的分量。这种 图案发生器也利用有旋转轴41的单个旋转部件40以产生所需的图 案。在这个例子中，圆盘40支承旋转通过入射光束的反射段43， 44。 该反射段有旋转对称的主光学表面，它们的光轴是与旋转部件的旋转 轴41重合。图4画出很大的主光学表面，这些光学表面有较小的反 射段43， 44，其中光束反射两次和随后从图案发生器中射出。在图4 中，旋转部件包含圆盘40，每个扇区有一对相对着的反射面43， 44， 其中不同的扇区可以包含有不同曲率半径的反射面，因此，每个扇区 的输出光束被位移不同的角度，但仍然保持PSD条件。因为反射面 43， 44是旋转对称的，并围绕它们的光学中心线旋转，所以，与光束 相交的两个反射面43, 44相对于旋转是空间不变的。两个反射段43， 44的半径和它们的轴向间隔是这样选取的，可以保持该系统的所有反 射段是近似无焦的，与此同时改变输出光束的角度。0054图5A表示与反射成像透镜组组合的图4所示光学图案发 生器的侧视图。也可以利用折射和衍射成像透镜组。输入光束42是 从第一表面段43上反射，并随后从第二表面段44A上反射。在这个 具体的实施例中，表面段43是与所有顺序段有相同的表面，而第二 表面段的半径与每个顺序段的半径不同，并表示成44A， 44B和44C。 利用顺序段的不同第一表面半径，这个实施例的变化也是可能的，且 这些段分别表示成43A， 43B和43C。旋转部件中的角偏转变化是由 于第一表面段43上不同的半径造成的。0055在表面段43的所有顺序光程保持相同的具体实施例中， 该表面段可以是非旋转的。例如，它可以稳定地固定到成像透镜组45 ， 而不是固定到圆盘40。0056在图5A中，成像透镜组45形成三个光斑构成的图像模式，这三个光斑是由图像平面53上的三个顺序扇区产生。在这个光学图 案发生器中，无散光(即，清晰聚焦)的图像是在与成像透镜组45 的光轴倾斜的表面上。这个图像表面倾斜是基于这样的事实，仅仅一 个表面段对可以有两个半径，和造成输出光束与输入光束共线的间隔 距离，而且也没有给光束增加的折射本领。其他的表面段对要求它们 的半径和被选取的间隔距离可以实现所需的输出光束角偏差。为了使 角偏差小于产生共线输出光束的光程，第一反射面43C通常变得较平 坦或有增大的曲率半径，而第二反射面44C变得较陡峭或有减小的曲 率半径。这意味着两个表面不再产生无焦对，而增加正的曲光本领到 输出光束可以使它的焦点更接近成像透镜组。当输出光束角偏转大于 共线的输出光束时，则发生相反的情况，并增加负的曲光本领到输出 光束，因此，它的焦点更远离成像透镜组。00571为了实现近似衍射受限的图像光斑，有利的是利用这样的 表面段，这些表面段是非球形旋转面段，它们的光轴是与系统的旋转 轴41重合。 一些应用可以有较大的图像光斑，而在这些情况下，球 形旋转面是可以接受的。00581在一些不要求高的光输出效率的应用中，光束仅在每个扇 区的短部分旋转范围内是照明的。表面段可以制成环形非球面，因此， 它可以抵消每个表面段对的折射本领。当表面段对旋转通过入射光束 时，这可以造成图像光斑的微小移动。移动的方向垂直光斑相对于系 统光轴位移的方向。垂直的图像位移是表面复曲率(toric power)的 函数，因此，图像中每个光斑在与位移距离垂直方向上的移动量是不 同的。若系统的占空比(即，辐射效率)是低的，则可以容忍这种条 件。[00591图5B表示图5的透视图。有旋转轴41的旋转圆盘40支 承两个表面段43和44，这两个表面段是非球形旋转面段，它们的共 同光轴是与旋转轴41重合。当圆盘40旋转时，不同对的旋转面段(未 画出)与入射光束相交，并在光束进入成像透镜组45之前改变输出 光束46的偏转角。成像透镜組45包括第一平面折叠反射镜50，成像反射镜51，该反射镜最好是变形非球面，可以产生近似衍射受限的 图案光斑，和第二平面折叠反射镜52，该反射镜引导图像到空间中的 优选位置，它是在有长的工作距离的某些应用中所要求的。[0060不要求近似衍射受限的图案光斑的应用可以利用环形面 形状的成像反射镜51，因此，可以校正像散性，或者，若在某个应用 中可以接受非圆形的图像光斑，则可以利用球面形状的成像反射镜 51。[0061图5C是在一个实施例成像透镜组中所用折叠型几何结构 的这个实施例顶视图。利用成像反射镜51的离轴段或成像反射镜51 的倾斜段，这种折叠型几何结构可以避免光程的自遮挡。当成〗象反射 镜51是球面形状时，这种偏心的几何结构可以引入像散。成像反射 镜51制作成环形面或非球形环形面，可以在很大程度上校正这种像 散。成像反射镜51制作成变形非球面，该变形非球面是由两个在反 射面上正交取向的非球面构成，可以实现其他的图像校正。0062图6表示这个实施例的变型，其中反射面段43， 44是来 自环形面或变形非球面形状的主面。这种变型可以提供不同光程的光 束角变化和完全校正的折射本领，因此，旋转部件是无焦的，而图像 表面与系统的光轴垂直。因为环形面或变形非球面段43， 44在旋转 时改变它们的轮廓，就存在图像光斑的很小正交位移，该正交位移也 取决于图像表面上的光斑直线位移。在曝光周期和旋转角是^f艮小的应 用中，这种变型配置是可接受的。0063图7是利用衍射元件把入射光束偏转成一 系列输出光束的 另一个光学图案发生器的视图。在图7中，输入光束70入射到折叠 反射镜71上，然后，该光束传输通过有一系列偏转扇区的旋转圃盘 72，每个偏转扇区有位于圆盘周边的衍射光学元件。圆盘72是围绕 它的轴73旋转。不同扇区产生的输出光束74进入成像透镜组75，该 透镜装置在图像表面76上形成图案。每个衍射光学元件有不同的空 间周期，因此，每个相继的扇区使光束产生不同的角偏差，成像透镜 组75把光束聚焦成沿焦线的不同光斑。[0064在一个优选实施例中，衍射元件利用弧形而不是平行线的 衍射结构，且弧形槽有一个与旋转轴73重合的轴。这种衍射结构不 是以单个角度偏转透射的波前，而是使波前有小的角度变化，它造成 图像光斑的微小模糊。通过成像透镜组的设计，可以部分地校正这种 多余的图像模糊，因此，图像光斑接近衍射受限的质量。当每个扇区 旋转通过入射光束70时，弧形性质产生空间不变性。这个实施例的 变型利用反射的衍射光学元件。[0065图8是按照本发明的另一个光学图案发生器的视图。在这 个例子中，旋转部件有旋转轴83。在图8中，输入光束80首先传输 通过内圆柱面81，随后传输通过圆柱面82。这两个圓柱面有共同的 旋转轴83。圃柱面82被分割成扇区，每个扇区包含光学元件。在图 8中，这些光学元件是有不同周期性的线性衍射光栅。在图8中，光 栅的刻线是沿垂直于纸面的方向。每个衍射光栅表面偏转输出光束84 一个不同的角度，而成像透镜组85在图像表面86上形成光斑图案。 当它们旋转通过光束80时，利用扇区是空间不变的线性光栅装置。[0066I在其他的实施例中，也可以利用折射或反射光学元件。例 如，反射面可以作用在圆柱面82上的输入光束，或在圓柱面82上可 以利用折射棱镜。此外，光学元件可以放置在圆柱面81和82上，例 如，用于形成类似于图4所示的Z形折叠光程。[00671以上的例子是在一个入射光束和一个输出光束的语境下 讨论的。本发明不局限于这种情况。例如，参照

图1A，多个光束可 以同时入射到所示的扇区上。这些光束可以重叠或可以不重叠。例如， 利用波长灵敏的装置，可以在旋转部件9的上游组合这些重叠光束， 然后，沿相同的光程一起传播到旋转部件9。或者，光束可以到达扇 区内的相同光斑，但是它们来自不同的角度。在图l中，第二光源可 以略微高于纸面，但是以略微向下的角度传播，因此，它可以入射到 与图1A所示光束1相同位置的扇区上。0068或者，这些光束可以完全不重叠。在图1A中，棱镜可以 沿与纸面垂直的方向延伸，而单个光束可以被光束阵列代替，这些光束也是沿与纸面垂直的方向延伸。作为最后一个例子，多个扇区可以同时激活的。在图1A中，光束l从左侧发出，并大致以旋转部件9 的7:30位置入射。第二个光束从右侧发出，并以对称的4:30位置入 射。此外，这两个光束可以入射到其他的位置，虽然随后的成像可能 变得更加复杂。[0069以上描述的光学图案发生器可以用在许多不同的应用中。 在美国专利申请号10/888,356,10/751,041和60/xxx(代理人案号9454 ) 中描述一些生物学应用的例子，它们的标题分别是"Method and Apparatus for Fractional Photo Therapy of Skin", "Multi-Spot Laser Surgical Apparatus and Method，，和"Optically画Induced Treatment of Internal Tissue",全文合并在此供参考。[0070显然，还有各种工业的应用。 一个例子是图9A-9B所示。 在这个例子中，图1所示的光学图案发生器用于引导激光束91到工 件95上的各个光斑以形成焊接点。图9A表示被光学图案发生器92 中一个扇区偏转的单个激光束91，并被透镜93聚焦到工件95上。[0071图9B表示一个透视图。此外，两个激光束91A-91B同时 用于产生两个平行的焊接行97A-97B。图9B还画出所有扇区产生的 整个焊接图案。对于每个激光束，图9B所示的每个焦点光斑是由光 学图案发生器92中不同扇区产生的。[0072图9C表示图9B所示焊接图案中的一行焊接图案97。总 共有15个焊点。数字指出产生焊接的顺序。请注意，焊点不是按照 从左到右的顺序产生的。相反，产生最左侧的焊点1，然后产生最右 侧的焊点2。选取剩余的焊点是在其长跨度的中点。例如，焊点3大 致是在焊点1与焊点2之间跨度的中点；焊点4是在焊点2与焊点4 之间跨度的中点(它是那时最长的跨度)；而焊点5大致是在焊点1 与焊点3之间跨度的中点，等等。[0073这种方法是有利的，因为初始的两个焊点可以约束两端的 部分，因此，它不需要夹钳进行固定。此外，激光能量分布在整个工 件上，从而避免过大的热量积累，若焊接是从左到右顺序进行的，就可能出现热量积累的情况。在长跨度的中点进行焊接还可以控制因局 部热量积累而产生的微分热膨胀效应。0074!由于焊接图案的对称形，从焊点9而不是从焊点1开始， 可以实现相同的效果。这可以减小焊接图案开始之前的等待时间。若 准备焊接工件，但是激活扇区是焊点2的扇区，则该装置仅需要等待 到焊点9的扇区，而不是等待整个图案循环返回到焊点1的扇区。利 用本发明，可以产生每秒1-10,000个焊点的焊接速度，最好是每秒几 百个或几千个焊点的焊接速度。如图9D所示，若在扫描仪轮中不要 求对称性，则可以进一步优化热膨胀的控制。显然，专业人员还知道 其他的安排。[0075图10表示按照本发明的另一个光学图案发生器。这个光 学图案发生器利用有旋转轴1001的单个旋转部件1000以产生所需的 图案。在这个例子中，每段是由单个旋转部件1000支承的一对反射 面1003和1004构成。单个旋转部件1000的三个不同旋转角在图1 中是重叠的，它说明单个旋转部件旋转时，入射光束1002的偏转是 由这对反射面1003和1004产生的。这种旋转产生反射面1003和1004 的三个分开位置，它们分别是1003A， 1003B和1003C;以及1004A， 1004B和1004C。当旋转部件1000旋转时，可以保持入射光束的偏转 角(由于它们是从偶数面上反射的)。[0076虽然详细的描述包含许多具体的细节，这些细节不应当解 释成对本发明范围的限制，而仅仅说明本发明的不同例子和特征，应 当理解，本发明的范围包含以上没有详细讨论的其他实施例。例如， 光束的入射角可以是平行或垂直于旋转部件的旋转面之外的其他角 度。此外，可以利用与具体应用有关的不同波长。 一般地说，术语"光 束"是指这样的电磁辐射，至少其功率的一半是在200 nm至12000 nm 的波长范围内。显而易见，在不偏离所附权利要求书限定的本发明精 神和范围的条件下，专业人员可以对本发明方法和设备的安排，运行 和细节作各种其他的改动，改变和变化。
权利要求
1.一种用于产生图形图案的光学图案发生器，该光学图案发生器包括有旋转面和旋转轴的可旋转部件，可旋转部件包含围绕旋转轴排列成图案的多个偏转扇区，其中该图案基本上是在旋转面上，且当扇区旋转通过入射光束时，每个扇区偏转入射光束一个基本恒定的角偏转。
2. 按照权利要求1的光学图案发生器，其中 偏转扇区大致排列成以旋转轴为中心的一个圆；偏转扇区相对于可旋转部件的旋转基本上是自动补偿的，而相对 于可旋转部件的摆动基本上是空间不变的；和 角偏转主要是在旋转面上。
3. 按照权利要求l的光学图案发生器，其中 多个偏转扇区大致排列成以旋转轴为中心的一个圆；和 对于大多数的扇区，每个扇区包含一对相对着的反射面，其表面法线在旋转面上有很大的分量。
4. 按照权利要求3的光学图案发生器，其中可旋转部件包括大 致围绕该圆排列的多个离散结构，每个离散结构至少有两个反射面， 其中相邻结构的反射面形成该扇区的相对着的反射面。
5. 按照权利要求4的光学图案发生器，其中离散结构是棱镜。
6. 按照权利要求4的光学图案发生器，其中离散结构是棱镜， 而大致每隔一个棱镜是这样对准的，使该棱镜顶角的二等分直线也穿 过旋转轴。
7. 按照权利要求4的光学图案发生器，其中离散结构有相同的 形状，但是它们相对于圆形排列有不同的倾斜角，以产生扇区的不同 偏转角。
8. 按照权利要求4的光学图案发生器，其中扇区使角偏转是在 标称幅度以上与标称幅度以下之间交变。
9. 按照权利要求3的光学图案发生器，其中相对着的反射面形成五面镜几何结构。
10. 按照权利要求3的光学图案发生器，其中对于大多数的扇 区，入射光束是从该扇区中的偶数反射面上反射的。
11. 按照权利要求3的光学图案发生器，其中可旋转部件包含 奇数扇区。
12. 按照权利要求3的光学图案发生器，其中至少一些扇区的 反射面引入的角偏转有垂直于旋转面的分量。
13. 按照权利要求12的光学图案发生器，其中当扇区旋转通 过入射光束时，角偏转的法线分量是在两个幅度之间交变。
14. 按照权利要求l的光学图案发生器，其中 偏转扇区大致排列成以旋转轴为中心的 一个圆；扇区相对于可旋转部件的摆动基本上是自动补偿的，而相对于可 旋转部件的旋转基本上是空间不变的；和角偏转主要不是在旋转面上。
15. 按照权利要求l的光学图案发生器，其中 偏转扇区大致排列成以旋转轴为中心的一个圆；和对于大多数的扇区，每个扇区包含一对相对着的反射面，其表面 法线在垂直于旋转面的方向上有很大的分量。
16. 按照权利要求15的光学图案发生器，其中每个相对着的 反射面是旋转面，其光轴与旋转轴大致重合。
17. 按照权利要求16的光学图案发生器，其中不同扇区的相 对着的反射面有不同的半径或不同的间隔，且至少一个扇区没有角度 偏转入射光束。
18. 按照权利要求16的光学图案发生器，其中至少一些反射 面是非球面。
19. 按照权利要求15的光学图案发生器，其中至少一些扇区 的反射面引入这样的角偏转，其分量不是在包含入射光束和旋转部件 旋转轴的平面内。
20. 按照权利要求1的光学图案发生器，还包含第一非旋转反射面；其中偏转扇区大致排列成以旋转轴为中心的一个圓；和 对于大多数的扇区，每个扇区包含第二反射面，其表面法线在旋转面上没有很大的分量，第一反射面和第二反射面形成一对用于偏转入射光束的相对着的反射面。
21. 按照权利要求20的光学图案发生器，其中每个相对着的 反射面是旋转面，其光轴与旋转轴重合。
22. 按照权利要求1的光学图案发生器，还包括 成像元件，被定位用于接收被偏转的光束并把不同的角偏转变换成靶面上的不同光束位置，因此，由于可旋转部件的旋转， 一个或多 个图形运动经过该靶面。
23. 按照权利要求l的光学图案发生器，还包括 成像透镜组，被定位用于接收被偏转的光束并把不同的角偏转变换成图形图案内的不同图像位置。
24. 按照权利要求23的光学图案发生器，其中成像透镜组包 括由单块光学材料制成立体的反射折射单片组件。
25. 按照权利要求24的光学图案发生器，其中立体的反射折 射单片组件包括输入窗口，反射的光程折叠面，弯曲的反射面和输 出窗口面，它们是按照沿光程的顺序。
26. 按照权利要求25的光学图案发生器，其中反射的光程折 叠面和输出窗口面是相同的物理面。
27. 按照权利要求1的光学图案发生器，还包括 至少两个同时入射光束。
28. 按照权利要求27的光学图案发生器，其中对于大多数的 扇区，在可旋转部件每次旋转时，至少两个光束入射到扇区上。
29. 按照权利要求28的光学图案发生器，其中对于大多数的 扇区，在可旋转部件旋转时，至少两个光束以同一个角度同时入射到 扇区上。
30. 按照权利要求28的光学图案发生器，其中对于大多数的扇区，在可旋转部件旋转时，第一光束以第一角度入射到扇区上，在 可旋转部件旋转时，第二光束以第二角度入射到扇区上，以及在可旋 转部件旋转时，这两个光束在任何角度下不是同时入射到扇区上。
31. 按照权利要求l的光学图案发生器，其中图形图案是基本 稳定的光斑阵列。
32. 按照权利要求31的光学图案发生器，其中光斑的运动可 以补偿工件的运动。
33. 按照权利要求1的光学图案发生器，其中光束参数的选取 适合于焊接材料。
34. 按照权利要求1的光学图案发生器，其中光束参数的选取 适合于切割材料。
35. 按照权利要求1的光学图案发生器，其中光束参数的选取 适合于烧蚀材料。
36. 按照权利要求1的光学图案发生器，其中光束参数的选取 适合于烧灼材料。
37. 按照权利要求1的光学图案发生器，其中光束参数的选取 适合于治疗人的组织。
38. 按照权利要求1的光学图案发生器，其中光束参数的选取 适合于治疗人的皮肤。
39. —种用于产生图形图案的光学图案发生器，该光学图案发 生器包括有旋转面和旋转轴的可旋转部件，可旋转部件包含围绕旋 转轴，列并基本在旋转面内的多个衍射偏转扇区，其中当衍射扇区旋 转通ii入射光束时，每个衍射扇区偏转入射光束一个基本恒定的角偏 转。
40. 按照权利要求39的光学图案发生器，其中 衍射偏转扇区大致排列成以旋转轴为中心的一个圆； 入射光束沿这样一个方向传播，该光束在与旋转面垂直的方向上有很大的分量；和对于大多数的扇区，每个扇区包含基本平坦的衍射光学元件。
41. 按照权利要求39的光学图案发生器，还包括 成像元件，被定位用于接收被偏转的光束，并把不同的角偏转变换成靶面上的不同光束位置，使由于可旋转部件的旋转， 一个或多个 图形运动经过该靶面。
42. 按照权利要求39的光学图案发生器，其中衍射光学元件 有不同的空间周期，并且是光轴基本上与可旋转部件的旋转轴重合的 弧形。
43. —种用于产生图形图案的光学图案发生器，该光学图案 发生器包括有旋转轴的可旋转空心柱形部件，该柱形部件包含围绕 柱形部件排列的多个偏转扇区，其中当扇区旋转通过入射光束时，每 个扇区偏转入射光束一个基本恒定的角偏转。
44. 按照权利要求43的光学图案发生器，其中入射光束从柱 形部件的内部发出。
45. 按照权利要求43的光学图案发生器，其中入射光束从柱 形部件的外部发出。
46. 按照权利要求43的光学图案发生器，其中大多数扇区包 含矛汴射光学元件，并且至少两个扇区的衍射光学元件具有不同的空间 周期。
47. 按照权利要求43的光学图案发生器，其中大多数扇区包 含棱镜，并且至少两个扇区的棱镜具有不同的顶角。
48. —种用于产生图形图案的光学图案发生器，该光学图案 发生器包括有旋转面和旋转轴的可旋转部件，可旋转部件包含围绕 旋转轴排列成图案的反射面对，其中该图案基本上是在旋转面上，且 当反射面旋转通过入射光束时，每对反射面偏转入射光束一个基本恒 定的角偏转。
全文摘要
一种光学图案发生器利用单个旋转部件(图1A，9)。该旋转部件包含多个偏转扇区(8A，8B，8C，等等)。每个扇区偏转入射光束一个基本恒定的角偏转量，虽然这个偏转角量可以随不同的扇区而变化。该旋转部件可以与成像透镜组组合(图2A，19)可以产生，例如，沿直线轨迹位移的像点，光斑，线段。
文档编号G02B26/08GK101218530SQ200680011652
公开日2008年7月9日 申请日期2006年2月9日 优先权日2005年2月14日
发明者乔治·弗朗吉尼亚斯, 巴里·G.·布鲁姆, 里昂纳德·C.·德本迪克蒂斯 申请人:雷利恩特技术公司