JP2007521518A - 回転光学部品を用いた高速、高周波の光パターン生成器 - Google Patents

Abstract

光パターン生成器は、１つ以上の複数個眼面の回転する光学要素を含み、その光学要素は、回転に非感知のオフセットを導入する。オフセットを発生する部品は、光学要素の回転軸に対し、回転対称である。その結果、光学要素が回転する時、オフセット部品の効果は変化しない。更に、回転する光学要素は、互いの望ましくない光学的作用を相殺するように設計されてもよい。

Description

発明の詳細な説明

[発明の背景]
１．発明の分野
一般に、この発明は、スポットのアレイまたはスキャンラインのアレイのように光学的に図形パターンを生成することに関連する。特に、この発明は、個眼面の光学部品を用いてそのようなパターンを生成することに関係する。

２．関連技術の説明
スポットかスキャンラインの光学的なパターン生成は、さまざまなアプリケーションで使用される。デジタルコピー機、プリンタ、指紋認証、携帯用のバーコードスキャナ、産業応用、光ショーエンターテインメント、ディスプレイ、テレコミュニケーションの切り換え、および医療への適用はいくつかの例である。図形パターンを生成するための恐らく最も一般的な機構は、ミラーを回転し(例えばガルバノメータによって駆動されたミラーを振動させる)、そして、傾動する多角形から反射することである。

しかしながら、ミラーを回転することに基づいた光学的な図形生成器は、あるアプリケーションに対してその図形生成器を不適正にする特性が通常ある。例えば、これらのシステムでスキャンすることは、ミラーを前後に傾けることによって、通常達成される。しかし、前後方向の動きは、ミラーが停止およびその後の逆方向に至ることを必要とする。これは時間を必要とし、そのことはスキャン速度を制限する。これらのシステムのスキャン速度を増すために、そのミラーは共鳴周波数に近い速度での振動で移動するように駆動される。しかしながら、これは、生成できるパターンを厳しく制限する。例えば、ミラーの動きが振動であることに制限されるので、不規則なパターンを作るのは難しい。また、共鳴状態に近いことも、達成することができるスキャン速度の範囲を制限する。例えば、共振に近い状態は、広範囲と迎合しないので、そのようなシステムを広範囲のスキャン速度にわたって調整することは難しい。二次元パターン(例えば、一連の平行なスキャンラインまたはスポットの二次元パターン)が望まれるなら、通常、単一のミラーが２方向に同時に傾けられるか、または、２つの調整された、傾動ミラーが使用される。多くの場合、また、レーザ光線などの光の利用効率も重要である。その効率は、与えられた期間で光源で発生した総エネルギーと比較して、処理表面上の必要なパターンに与えられたエネルギーの部分と定義されてもよい。パターンが背景と比較してまばらであるなら、光源をオフにして、背景に対して迅速にスキャンするのが望ましく、そして、露光されるべきスポットに対して光線が定まった時、光源をオンにし、そして、光源が時間内に有効に利用されるような方法で、パターン内のスポットを露光する。これは、迅速に加速して、減速して、定住できるさらに敏感な装置を必要とする。これらの特性の結果、ガルバノメータに基づくシステムは、高速パターン生成、特に、パターンが不規則なものであるかまばらなものであるなら、うまく適しない。

回転する多角形アプローチでは、３次元の多角形の側面がミラー化され、そして、その多角形はセンター軸の周りで回転する。入射光ビーム内でそれぞれのミラー化された側面が回転する時、光ビームは反射され、スキャンライン上のポイントに集まる。光ビーム中でのそれぞれのミラー化された側面の回転は１つのスキャンラインを発生させる。ミラー化されたすべての側面が同じであるなら(つまり多角形のベースに対し同じピラミッド角度を作る)、同じスキャンラインが再三にわたってトレースされる。例えば、それぞれの各側面のピラミッド角度を変えることによって、反射された光ビームは、一連のスキャンラインをトレースする。

しかしながら、回転する多角形のアプローチも、あるアプリケーションを不向きにする欠点がある。例えば、一連のスキャンラインを生成するシステムは、回転による異常に苦しむ。一連のスキャンラインをトレースするために、それぞれの側面は、基本的なスキャン線をスキャン方向に垂直な方向に相殺する異なったピラミッド角を持つ。しかしながら、それぞれの側面が光ビーム中で回転する時、角度のある側面の方向も回転する。これは、相殺の量、および/または、他の求められていない異常における変化を引き起こす場合がある。１つの例はスキャンラインのゆがみである。理想的なスキャンラインは一般に直線ラインのセグメントであるが、しばしば実際のスキャンラインはアークセグメントである。アークセグメントのたるみは、ゆがみである。回転する多角形スキャナの場合では、ゼロでない角度を持つ側面は、ゆがんだスキャンラインを発生させる。ゆがみの量はピラミッド角に依存する。異なったピラミッド角が複数のスキャンラインをトレースするか、または異なった位置でスポットを発生させるのに使用される多角形スキャナでは、それぞれのスキャンラインがゆがむだけではなく、そのゆがみは１つのスキャンラインと次にものとが異なるであろう。最も先頭のスキャンラインと最も下部のスキャンラインとのゆがみの違いは重要である場合がある。

回転で引き起こされたスキャンラインのゆがみ及び他の作用は、アプリケーションによっては追加的に問題を引き起こす場合がある。例えば、使用目的によっては、スキャン動作は、スキャナがターゲットに対して動いていることがあっても、光ビームが理想的にターゲットの上の固定スポットに留まるように、ターゲットに対してスキャナの動きを補うために使用される。この場合、スキャンラインのゆがみは、光ビームをスキャン方向と直交する方向に移動させるであろう。この移動がターゲット上の光ビームの存在時間に較べて遅いなら、直交する方向での好ましくない移動を導入するであろう。この移動がターゲット上の光ビームの存在時間に較べて速いなら、半径方向のそのゆがみは、望ましくないタンジェントの移動と結びついた時、光ビームをひどくぼんやりさせ、ターゲット上のビームのスポットサイズを増す。典型的にいずれの影響も望ましくない。

したがって、高速で動作できる以外に、光パターン生成器に対する要求があり、特に、不規則なパターン発生に対する要求がある。また、低減された異常、および/または、手ぶれがあるパターン生成器の必要がある。

[発明の概要]
この発明は、従来技術の限界を多数の方法で克服する。１つの態様では、１つ以上の個眼面の回転する光学部品が、回転不感帯のオフセットを導入する。そのオフセットを発生させる部品は、光学部品の回転軸の周りで左右対称である。したがって、光学部品が回転するのに従って、オフセットコンポーネントの効果は変化しない。

もう一つの態様では、２つ以上の個眼面の回転する光学部品が、他のそれぞれによって導入された好ましくない影響を相殺するために使用される。１つの例では、１つの回転する光学部品が、何らかの求められていない光学パワーと共に歪みを導入する。第２の回転する光学部品は、歪みを補強している間、光学パワーを打ち消す。結果、追加的な光学パワーを持たない偏向ビームとなる。別の例では、回転する光学部品はスキャンラインを生成し、１つの回転光学要素により導入されたスキャンラインのゆがみは、他の回転する光学部品によって相殺され、他方で所望されるスキャンを補強する。

１つの具体化では、光パターン生成器は、複数の個眼を持つ複数の個眼面の回転する光学部品を含む。各個眼面は、個眼面が光ビーム中で回転する時、入射光学で図形(例えば、スポットやスキャンライン)を生じさせる。複数の個眼面は、図形のアレイを生成する。１つ以上の個眼面は、実質的に回転対称であり、そして、回転する光学部品の回転軸上で中心に位置するオフセット部品を含む。オフセット部品は、オフセット方向に沿って図形を相殺し、一般に、回転する光学部品の半径方向に整列する。１つの実現では、異なった量に応じて、異なった個眼面は図形を相殺する。図形が不ぞろいな量によって相殺されるか、および/または、非連続の順で発生されるように、個眼面を配置できる。いくつかの具体化では、図形は、スポットやスキャンラインよりもより複雑にでき、また、図形は、時間的に変化できる。さらに、パターン生成器は、別の移動およびスキャン用ミラーと結合することができる。結果として起こるパターンは、ビデオ表示などように変化する二次元画像であるかもしれない。

特定の設計では、１つ１つが対応する個眼面を有する２個の反回転するスキャンディスクがある。少なくとも１組の対応する個眼面に関しては、両方のスキャンディスク上の個眼面は、上で説明されるようにオフセット部品を含む。オフセット部品は、１つのスキャンディスク上の収斂レンズに似た部品および他のスキャンディスク上の発散レンズに似た部品として実装される。１個のスキャンディスクの上の発散レンズのような部品ともう片方の負のレンズのような部品がディスクをスキャンするとき、オフセット部品が実装される。使用目的によっては、レンズのような部品のパワーは、個眼面から個眼面で変化し、異なる個眼面は異なったオフセットを導入する。その個眼面も、スキャンラインを発生するために、スキャン部品を含むかもしれない。例えば、他の個眼面上のスキャン部品により導入されたゆがみを相殺するゆがみを導入する１つの個眼面上のスキャン部品を備える。

別の態様では、光パターン生成器は、スキャンラインのアレイに沿って光軸を偏向する。光パターン生成器は、２つの複数個眼面の回転光学要素を含み、１つの光学要素は他方の下流に位置する。２つの回転する光学要素は、反対に回転し、そして対応する個眼面を持つ。個眼面は、その個眼面が光軸内で回転する時、光軸をスキャンラインに沿って偏向させる。また、光学要素は、上で説明されるように、スキャンラインのゆがみ修正、および/または、オフセットを実行するかもしれない。このタイプのパターン生成器は、多くの異なったアプリケーションで使用することができ、光学的図形を発生するシステムおよびイメージ化システムの双方を含む。

別の態様では、異なったデバイスは、上で説明されたオフセット機能、スキャンライン機能、および相殺する原則の様々な組み合わせを含む。いくつかの具体化では、回転する光学要素は、従来のスキャナに結合される。この発明の他の態様は、上で述べたデバイスおよび上述したすべてに対するアプリケーションに対応する方法を含む。移動を補償するためにスキャンライン用いた例を含む。

[好ましい実施例の詳細な説明]
図１Ａから１Ｃは、この発明による光パターン生成器１００の１実施例を示す。そのパターン生成器１００の光学部品の列は、１つ以上の光源１１０ＡからＥおよび、１つ以上の複数個眼面の回転光学部品１２０ＡからＢを含む。光学部品列を通過してターゲット面１５０へ向かう光ビームを鋭くするために追加的な光学部品１３０ＡからＢを含んでもよい。

光源１１０は、回転光部品１２０に入射する光ビームを発する。各光学部品１２０は、多くの個眼面を有し、そして、１つの回転光学部品１２０上の個眼面は、他の光学部品１２０上の対応する個眼面を有する。対応する面が入射光ビームを通じて同期して回転するように、光学部品１２０の回転は、同期される。

前記個眼面が光ビーム内で回転するので、光ビームは、ターゲット面１５０上に図形を生成する。この実施例では、図形１４０ＡからＥは、スキャンラインであるが、別の実施例では、それらは、スポットまたは他の形状であってもよい。図１Ａでは、スキャン方向１４２は、この紙面の内外にある。その個眼面はまた、スキャンライン１４０を、そのスキャン方向１４２と直交する方向なオフセットする。例えば、図１Ｃを参照すると、スキャンディスク上の対応する１つの組みは、スキャンライン１４０ＡからＥの組みを生成し、５本のスキャンラインの各々は、対応する光ビームによってトレースされる。対応する個眼面の次の組みは、スキャンライン１４１ＡからＥを生成し、これらは、スキャンライン１４０に対してΔ量がオフセットされている。

便宜上、スキャンラインをトレースするために、光ビームを生じる個眼面の部分は、スキャン部分として参照され、そして、スキャンラインのオフセットを生じる部分は、オフセット部分と参照される。これらは、物理的に区別される部分として実施され、例えば、スキャン部分は、光学部品１２０の一方側に取り付けでき、オフセット部分は逆の側に取り付けできる。これとは別に、スキャン部分およびオフセット部分は、単一の部品に一体化されてもよい。例えば、スキャニング機能およびオフセット機能の双方を実施できる単焦点非球面レンズが用いられてもよい。これとは別に、スキャニングおよびオフセットの機能は、その機能が装着されるディスクの回転軸から僅かに変位した自身の対称の軸を持つ単焦点非球面により発生されてもよい。更に、パターン生成器は、スキャニングおよびオフセットの双方を発生するが、別の実施例では、スキャニングのみか、オフセットのみが用いられてもよい。

図１に示した特定の例では、５本の光ファイバが光源１１０として使用される。平行化の光学器１３０Ａは、５本のファイバからの光ビームを平行にする。２つのスキャンディスク１２０Ａ−Ｂは、面１６０に接近し、かつ、その面の各々の側に位置する。面１６０は、５本の光ビームの主光線が交差するところである。スキャンディスクの回転軸１２５は光ビームの反対側に位置する。スキャンディスク120は反対に回転 (すなわち、１つが時計方向に回転するなら、もう片方が反時計方向に回転) し、その結果、スキャンディスク１２０が光ビーム中で回転する時、対応する個眼面は、一緒に移動する。合焦用の光学器１３０Ｂは、偏向した平行ビームをターゲット面１５０上のスポットへ焦点を合わせる。そのスポットは、個眼面のスキャン動作により、スキャンライン１４０から外れ、そして、スキャンラインは、個眼面のオフセット動作により、相殺される。モータがスキャンディスク１２０を回転する。

図２は、個眼面のオフセット部品を示す。従来のアプローチでは、オフセットを発生するオフセット部品は、プリズムであってもよい。しかしながら、スキャンディスクが回転するのに従って、プリズムも回転し、その結果、光ビームの意図的でないスキャンなどのように、望ましくない影響を導入する。この影響を回避するために、この例でのオフセット部品は、それぞれの光学部品１２０の回転軸に対して回転対称である。そして、光学部品１２０が回転するとき、オフセット部品の光学作用の変化はない。そのようなオフセット部品に関する１つの例は球の一部であり、球の軸は、スキャンディスクの回転軸に整列する。より短い半径の球は、光ビームの中心線で球面の、より大きいオフセットをもたらす。

図２は、回転対称のオフセット部品で特定の例を示す。この場合、２つのスキャンディスク１２０Ａ−Ｂのオフセット部品は、スキャンディスクのそれぞれの回転軸１２５Ａ−Ｂに関して中心に置かれたレンズ３２０である。オフセット部品は、大きさで等しいが反対の性質の光学パワーがあり、そして、光ビーム２１０は、２つの回転軸１２５の間の中心に位置する。図２では、オフセット部品３２０Ａは、発散(拡散的)の光学パワーがあるレンズであり、そして、オフセット部品３２０Ｂは収斂のパワーがあるレンズである。

レンズ３２０Ａの発散性質により、このレンズの通過後、光は、レンズ(この場合スキャンディスクの回転軸１２５Ａである)の回転軸上に位置するポイントのソースから広がるように見える。レンズ３２０Ａに比較して光ビーム２１０は小さい直径を持つので、その影響は、主として、回転軸１２５Ａからそれる光ビーム２１０の偏向である。さらに、光ビームの個々の光線は、互いに離れるように拡散し始め、そして、長距離を伝播するのが許容されているなら、光ビームは広くなり始めるであろう。しかしながら、光ビームはすぐ、２番目のオフセット部品３２０Ｂに達し、このオフセット部品３２０Ｂは、第１のものと極めて等しく、かつ反対の光学パワーを持つ。光ビームは本質的に平行にされた状態で現れる。さらに、収斂レンズ３２０Ｂの回転軸１２５Ｂが、発散レンズ３２０Ａのための軸の１２５Ａとして光ビームの反対側にあるので、２番目のレンズ３２０Ｂによって伝えられた偏向は、最初のレンズ３２０Ａによって伝えられた偏向に加算される。最終結果は、２つのスキャンディスクを通過して到来する平行ビームは、まだ平行であるが、ある程度に偏向されることになる。その上、オフセット部品が回転軸に対し、回転対称なので、スキャンディスク１２０が回転するのに応じて、この偏向量および出て行くビームの形は変化しない。

図２は、全体のレンズとしてレンズ３２０Ａと３２０Ｂを示す。これは、説明目的のためのものである。実際の実施では、各レンズ３２０は、全体のスキャンディスク１２０をカバーしていない。むしろ、各レンズは、スキャンディスク上の個眼面を覆う。異なる個眼面は、異なるパワーのレンズを使用する。例えば、１組の対応する個眼面は、強い収斂レンズと強い発散レンズを含むかもしれず、その結果、強い偏向を引き起こす。次の組の対応する個眼面は、より弱い収斂レンズと、より弱い発散レンズを含むかもしれず、その結果、より弱い偏向を引き起こす。異なった組の個眼面が入射光ビーム内で回転するので、レンズの異なった光学パワーによる異なった量により、ビームが偏向される。しかしながら、ビームは、平行にされた状態ですべて現れる。したがって、合焦用の光学器は、結像用ビームを平坦な目標フィールドに焦点を合わせるために使用することができる。

オフセットを実行するための複数の個眼面の回転する光学部品の使用は、極めて有利であり、その幾つかは図３Ａ−３Ｂで例証される。図３Ａは、発生されるべきオフセット３４１−３４９を示す。その図３Ａは、オフセットパターンの描画を示すことに注意すべきである。システムにより発生された図形がスポットであるなら、オフセットスポットのアレイが発生されるであろう。図形がスキャンラインであるなら、オフセットスキャンラインのアレイが発生されるであろう。(図１のように)複数の光ビームが使用されるなら、基本パターンが模写されるであろう。時間的に変化するより複雑なオブジェクトソースが使用されるなら、そのソースのイメージは、模写され、かつ、時間的に変化するであろう。図３Ｂは、これらのオフセットを発生するために用いられる回転する光学部品の対の１つを示す。回転する光学部品には、個眼面３６１−３６９などがある。

１つの利点は、各オフセット１４１−１４９が個眼面３６１−３６９の対応する１対によって発生されるが、その個眼面を他の各々と独立して設計できることである。したがって、図３Ａに示されるように、そのオフセットは、不規則に隔てられる。さらに、その図形は、非連続の順で発生することができる。すなわち、個眼面３６１がオフセット３４１1を発生する必要がなく、個眼面３６２がオフセット３４２を、個眼面３６３がオフセット３４３を、・・・に対しても同様である。代わりに、個眼面３６１−３６９は、オフセット３４１、３４４、３４７、３４２、３４８、３４３、３４５、３４９、および３４６をそれぞれ発生させてもよい。個眼面が光ビーム内で回転するので、図形はこの非連続の順で発生するであろう。また、対応する個眼面を追加することにより、図形も増加して提示できる。例えば、個眼面３６１、３６４および３６７はすべて、オフセット３４４を発生する。この特性は、不規則なパターンの生成を許容する。２台の交差したシステムを使用することによって、不規則な二次元パターンを作ることができ、１つは、x方向に偏向を生じさせ、他のものはy方向の偏向を生じさせる。これとは別に、２次元パターンを生成するために、このアプローチは、普通のガルバノメータまたは、多角形のミラースキャナと結合できる。

別の利点は、このアプローチの速度である。ディスクは極めて高速に回転できる。例えば、ディスクが３０個の個眼面を含み、１万rpmの速度で回転するなら、単光ビーム光源の場合、システムは１秒あたり5,000個の図形を生成するであろう。光源がNビームを持つなら、5,000N 個の図形が発生される。その上、ほぼ共鳴周波数で存在するという要求が全くないので、広範囲にわたって速度を変えることができる。１つのアプローチでは、駆動シャフトまたはディスク自身は、エンコードされ、このフイードバックは、ディスクの速度を制御するためと、そのディスクを互いに同期させるための双方に用いられる。

オフセット部品が、光学部品の回転軸上で正確に回転対称で、かつ、正確に中心に位置するなら、オフセット部品が光ビーム中で回転するので、半径方向のオフセットは、変化しない。個眼面に他の部品が無いなら、システムは、半径方向にオフセットされたスポットの配列を生成するであろう。

しかしながら、多くのアプリケーションでは、正確な回転対称を破ることが有利である。例えば、少しの非対称が、他の異常を修正するためにオフセット部品に加えられるかもしれません。これとは別に、オフセット部品は、例えばスキャン動作を導入するために、光学部品の回転軸からわずかにずれた軸に置かれてもよい。いずれかのスキャン動作が、半径成分およびタンジェント成分に破られてもよい。図２における対称性は、２つのディスクの設計を許可し、その結果、対応する個眼面からの半径方向の成分をキャンセルし、そして、タンジェント成分を補強する。例えば、２つのレンズ３２０Ａおよび３２０Ｂが同じ(但し反対の)パワーを持つなら、それらの回転軸に対して、互いの方向に、又は、互いに離れる方向に、同じ量だけ、中心位置がずれる。２つのレンズ３２０からの半径方向からの半径方向のスキャン効果がキャンセルされるので、スキャンラインは純粋にタンジェンシャル方向になる。

図４Ａ，４Ｂは更に、半径方向のスキャン効果がキャンセルされるように、いかにして個眼面を設計できるかを例証する。スキャン部品が入射光ビーム中で回転するとき、一般に、スキャン部品はスキャンラインにゆがみを導入する。この場合、各スキャンディスク上のスキャン成分がゆがみを導入するかも知れないが、異なるゆがみが、互いに作用して、全体的なゆがみが低減されるか排除されるように、２つのスキャン部品が設計される。

スキャン部品の１つの例は、中心がずれたレンズである。一般に、中心がずれたレンズは、中心からのずれ量に比例して、光線の方向に変化を与える。つまり、Δθ = δx/f であり、Δθは、光線方向の変化であり、δxは中心からのずれ量であり、そして、fはレンズの焦点長である。このように、光線ビームを通じてレンズを移動することにより、スキャンラインを生成できる。

図４Ａ，４Ｂを参照すると、円２２０により示されるように、一方のスキャンディスク１２０Ａのみに移動があり、光ビーム２１０は、スキャンディスク１２０Ａへの通常の入射光であり、そして、現在の個眼面のスキャン部品は、収斂光学パワーのレンズ(発散パワーのレンズも使用できる)と同じ光学効果を持つと仮定する。円の表示は、スキャン部品が明確に円形でなければならないことを意味するものではない。例えば、それは個眼面と同じ形であってもよい。光ビームは初期には、円２２０の中心に向けられる。また、個眼面が光ビーム２１０に対して回転するのに従って、円２２０の中心は回転軸１２５Ａの周りで回転します。結果、スキャンラインは、レンズの移動に追従し、図４Ｂに示すように、弧２４０Ａをトレースする。弧のたるみは、このスキャン線のゆがみである。

このゆがみは、以下のように、低減できるか、排除できる。また、スキャンディスク１２０Ｂ上のスキャン部品が収斂光学パワーがあるレンズであるなら、それは弧２４０Ｂをたどるであろう。しかし、この弧は、弧２４０Ａのように逆方向に曲げられる。２つのゆがみは、互いを打ち消す結果、より速く、かつより長くスキャンし、そしてゆがみが無い。あるケースでは、そのゆがみは完全に排除できる。例えば、(スキャンディスク間の伝播が無視できる作用となるように)スキャンディスク１２０Ａ−Ｂが互いに接近し、光ビーム２１０からそれぞれの回転軸１２５までの距離が同じで、両スキャン部品が、それらのそれぞれの個眼面上で同じ相対的な位置する同じ光学パワーを持つレンズの時である。

オフセットの生成およびスキャンラインの生成は、特定の例を用いて上で説明した。これは、明確目的のために成されたものであり、この発明はこれらの例に限定されない。例えば、この発明は、単一の光ビーム(図１の５本の光ビームのケースである)、単一の個眼面、全体のスキャンディスクを通じて複製された同じ個眼面のいずれにも限定されない。各スキャンディスクは、複数の個眼面を含み、対応する個眼面のそれぞれの組みは、図形(スポットかスキャンライン)を生成する。スキャンディスク上の個眼面がすべて同じなら、同じ図形が同じオフセットで繰り替えされる。

しかし、異なる図形または異なるオフセットの図例を発生するために、個眼面は異ならせることができる。例えば、異なった長さのスキャンラインを発生するために、異なるスキャン部品は、異なる個眼面に使用できる。同様に異なったオフセット部品(例えば、異なる光学パワーのレンズ)は、異なったオフセットを発生するために、異なった個眼面上に使用できる。更に、スキャン部品およびオフセット部品は、異なるスキャンパターンを達成するために、種々の方法で結合できる。また、上で述べたゆがみの修正およびオフセット部品は、各個眼面で使用する必要はない。例えば、個眼面は、ゼロのオフセットのために設計されてもよく、その場合、オフセット部品は必要でない。その場合、すべての個眼面ではなく、個眼面の大部分がオフセット部品を利用するかもしれない。いくつかの適用では、またはいくつかの個眼面に対し、通常の技術により導入された望ましくない個眼面は、許容でき、そのため、ゆがみの修正および／または、オフセット技術は必要ない。それとは正反対に、使用目的によっては、あらゆる個眼面が、ゆがみの修正、および/または、上で説明されたオフセット部品を利用してもよい。

また、スキャン部品とオフセット部品との物理的な実現は異なることがある。個別のスキャン部品とオフセット部品を含む個眼面に関しては、異なる設計では、これらの部品を光学部品の列内で異なる順で配置できる。また、スキャン部品とオフセット部品を単一の光学部品と統合することができる。例えば、上で説明されたレンズベースの設計では、スキャン部品は、光ビームとほとんど同じ半径の位置の中心に置かれたレンズとして実施され、そして、オフセット部品は、スキャンディスクの回転軸に中心を置いたレンズとして実施される。第１の近似のために、これらの２個のレンズの正味の効果は、スキャン部品およびオフセット部品及び、ほかのどこかに位置する中心軸の光学パワーの合計とほとんど等しい光学パワーを持っている単レンズのものと同じである。したがって、２個の部品は、単レンズとして実施することができる。出て行くビームを合焦させる対物レンズがスキャンされるビームを適切なパワーに調整できるので、入射ビームおよび反回転のディスクからでるビームは平行にされるのが通常望ましいが、それは実施のための要件ではない。ある場合には、異なった個眼面の組みからの異なった量のパワーさえも調整することができる。

その上、上で示した例は、伝達性の個眼面を使用するが、反射性であるかハイブリッドの設計も使用できる。また、スキャン部品とオフセット部品はこれらの屈折、反射、回折または組み合わせに基づくことができる。ミラー、従来のレンズ、非球面、フレスネルレンズ、映画館の形態、発散性およびホログラフィの光学は可能な物理的な実現に関する例である。「レンズに似た光学部品」という用語は、反射レンズ、曲がった鏡、ホログラフィのレンズ、および、反射レンズの複製である他の光学部品を参照するために使用されるであろう。

図５Ａ−５Ｂは、反射設計を示す。この例では、光源は、波長1535nmのファイバーレーザを示す。平行の光学器１３０Ａは、到来する光ビームを２つの反射回転スキャンディスク１２０Ａ−１２０Ｂ上に平行に投射し、前記スキャンディスクは、標準から１９°傾いている。各スキャンディスク１２０は、直径がほぼ３０から５０nmで、各々１５から３０個の個眼面を持つ。その個眼面は、典型的に、タンジェンシャル方向でおよそ5mm広がり、そして、半径方向で僅かに少ない。入射光ビームは、ほぼ、直径１．０から１．５nmである。合焦用の光学器１３０Ｂは、偏向された光ビームをターゲットに焦点を合わせるための３つの出口を含む。図５は、５個の異なったオフセット５４１から５４５の光ビームを示す。およそ１５nmの全ターゲット幅に対し、１５から３０のオフセット(各個眼面に対して１個)があり、それらは、等間隔にほぼ０．７５nmで隔てられる。

この特定の例は例えば、2003年2月14日出願の同時継続の米国特許出願 No. 10/367,582「光学エネルギーのパターンを使用することで皮膚を治療するための方法および装置」および2003年7月11日出願の「皮膚の分割撮影のための方法及び装置」に開示された医療応用に対して設計される。これらの双方は、ここに引用される。この応用では、光学スキャナが皮膚上に掃引される。そのスキャニング移動は、図５の紙面内および紙面外にある。実際のスキャンラインは、短く、典型的には０．１mmであり、そして、掃引移動に対して補償するために主として使用される。別の実施例は、１mm以下のスキャンラインを使用する。結果、光ビームは、単一の個眼面のスキャン期間に対し、皮膚上の単一ポイントに合焦して留まる。移動補償に関する更なる詳細については、2003年10月23日出願の同時継続の米国特許出願No. *** (代理人事件整理番号 8533)の「レーザ誘起の組織処理をモニターして、制御するための方法および装置」を参照。参考のためにここに取り込まれる。次の個眼面が光ビームに入るとき、別の処理スポットは異なった位置で発生される。ディスク１２０は6000rpmまで回転するように設計され、１秒あたり最大3000のスポットの処理速度をもたらす。

図６は、１つの回転する光学部品を使用する光パターン生成器に関する例である。入って来る光ビームは、光ファイバ１１０を通して到達し、そして、平行光学器１３０Ａによって平行光にされる。平行ビームは回転する光学部品１２０に入射する。光学部品１２０は、オフセット機能を図示するために、図６のレンズとして示される。実際に、光学部品１２０は、およそ２０の個眼面を含み、それらの各々は、回転軸１２５上に中心を置くレンズとして実行されるオフセット部品を持つ。各レンズは、異なったパワーを持ち、かつ、入って来る光ビームを、異なった量だけ偏向する。図６は、全てで２０本の偏向されたビーム６４１から６４９を示す。最も弱いレンズは、偏向が最も少ないビーム６４１を発生させ、そして、最も強いレンズは偏向が最も覆いビーム６４９を発生させる。しかしながら、また、異なったパワーレンズは、それぞれのビーム６４１−６４９に異なった量の合焦を与える。図２では、これは、等しいが反対のパワーの２番目のレンズによって打ち消される。この例では、階段タイプのミラーアレイ６３２が、各ビーム６４１から６４９を個別にターゲットへの向け直すために使用され、そして、レンズアレイ６３４は、各ビーム６４１から６４９を個別にターゲット１５０上に合焦させる。

上の記述は多くの詳細を含むが、これらは、この発明の範囲を制限するものとして理解すべきではなく、この発明の異なる例および態様を単に示すものである。例えば、上で述べた医療目的以外の適用が明白であり、レーザによる材料処理目的、プリント／コピー用、レーザ表示システムおよび材料の直接マーキングなどを含む。光パターン生成器の特定の設計は、アプリケーションに依存するであろう。例えば、光ビームの波長は、アプリケーションに一部依存するであろう。皮膚科学でさえ、異なった波長を持つレーザが異なった外科のアプリケーションで使用される。皮膚科学のレーザ光源に関する例は、ダイオードレーザ、ダイオードポンプのソリッドステートのレーザ、Er: YAGレーザ、Nd:YAG レーザ、アルゴンイオンレーザ、ヘリウム・ネオンレーザ、二酸化炭素レーザ、エキシマ・レーザ、エルビウムファイバーレーザ、およびルビーレーザを含む。これらの装置は、スペクトル(0.4-0.7μm)の可視範囲と、赤外線(0.7-1 1μm)と、UV(0.18-0.40μm)範囲に波長を持つレーザ光線を発生させる。「光学」や「光」などの用語がスペクトルの目に見える範囲だけではなく、これらと他の波長領域のすべてを含むことになっていること注意されるべきである。

アプリケーションによって、発生された図形も異なったフォームを取ることができる。多くのアプリケーションでは、ただ一つの連続したスキャンラインは繰り返してトレースされる。例えば、ソースレーザがスキャンの間、オンオフされるパルスであるなら、スキャンラインは連続するラインよりもむしろ一連のポイントであるかもしれない。また、最終的な例として、スキャニング装置がターゲットに対して移動されても、スキャンスポットがターゲット上の固定位置に残るように、動きを補うためにスキャンを使用することができる。他の変形は容易である。

別の例の異なる変形として、回転する光学部品１２０の数も変更できる。(図６以外の上の例の全ては、１対のスキャンディスクを使用するが、そのことは要求されない。例えば、２対以上の回転する光学部品を使用できる。別の例として、スキャンディスクの１つを２つのスキャンディスクに“分離”することにより、２ディスクの設計を３ディスクの設計に変更できる。図３では、収斂レンズ３２０Ｂを、パワーが半分の２つの収斂レンズに分割でき、１つは、発散レンズ３２０Ａの上流に位置し、他方は、発散レンズ３２０Ａの下流に位置する。

基本のパターン発生器は、多くの異なるアプリケーションにも使用できる。回転する光学部品は、全体のシステムの光学軸に偏向を導入する。もし個眼面がオフセット部品を含むなら、その偏向は、一般に半径方向に沿ったオフセットを含む。もし、個眼面がスキャン部品を含むなら、その偏向は、典型的にタンジェンシャル方向に沿ったスキャンラインを含む。例えば、１mmのスキャン線がある焦点長２０mmの対物レンズを使用するシステムは、０．０５ラジアンの偏向を導入するであろう。異なるアプリケーションはこれらの一方または双方を用いることができ、他の偏向機構との組み合わせも可能である。

例えば、図７Ａ−７Ｃは、パターン生成器を使用したシステムにより、発生された異なるパターンを例証する。図７Ａでは、パターン生成器は、従来の多角形スキャナなどの別のスキャニング装置と光学的に結合される。従来のスキャニング装置だけが、７１１などのスキャンラインを発生させるであろう。パターン生成器は、スキャンライン７１１−７１４の間のオフセットで表現されるように純粋なオフセット(スキャンしない)を発生させる。パターン生成器は、もう片方のスキャニング装置よりはるかに速い速度で作動する。したがって、オフセットの設定は、従来のスキャナが１つのスキャン線を発生させるのに必要である時間内に複数の回を通して繰り替えされる。結果として起こるパターンは図７Ａに示されるように１組みの「ダッシュ記号」７２１である。各ダッシュ７２１は、入射光ビーム内で回転する１つの個眼面(または、対応する一組みの個眼面)に対応する。

図７Ｂの例では、パターン生成器上の個眼面はまた、通常のスキャン装置により生じたスキャンを相殺するスキャン部品を含む。その結果、図７Ａのダッシュ７２１は、図７Ｂのスポット７２２に圧縮される。各個眼面が入射光ビーム中で回転するので、個眼面上のスキャン部品は、通常のスキャナを相殺し、その結果、光ビームを固定された箇所に保持する。次の個眼面が場所に回転すると、光ビームは次の位置までジャンプし、この例では、それは、側方のオフセットも含む。

図７Ｃでは、パターン生成器は、側方のオフセットを導入しない。むしろ、パターン生成器内のスキャン部品は、スポット７２２の列７１１を発生する通常のスキャナを相殺する。列が完成すると、スポットの次の列７１２を発生させるために、(例えば、別の従来のスキャナにより)オフセットが導入される。このように、表示が形成される。

最終的な例として、光パターン生成器は、イメージ作成システムや検知システムにも使用できる。あるケースでは、オブジェクトソースは、スキャナの焦点面に位置し、(CCDのような)センサは、センサの対向端に位置する。例えば、従来のスキャナからのスキャンを補うスキャン部品を用いるよりは、むしろ、スキャン部品は、イメージ化されるべき対象物の移動を補償するために用いられる。事実上、イメージ取得で、ぼやけをなくすために、スキャンを使用することができる。アプリケーションは、ストリークカメラで見つけることができる。

詳細な説明は、多くの特定を含むが、これらの特定は、発明の範囲を制限するものとして理解すべきではなく、この発明の異なる例および態様を単に示すものである。この発明の範囲が上で詳細に議論しなかった他の具体化を含んでいることに理解すべきである。当業者には明白な種々の他の修正、変形、変化は、付記したクレームで限定されたような発明の範囲および本旨から逸脱することなく、ここに開示したこの発明の方法および装置の構成および詳細内で製作される。従って、この発明の範囲は、付記したクレームおよびそれらの適正な等価により決定されるべきである。その上、部品、部品または方法のステップは、要素、部品、または方法のステップがクレーム内に明白に記されているかについて公衆に捧げられることは意図されない。

この発明の１態様に基づく光パターン生成器の断面図 図１Ａの光学部品の列の斜視図 スキャンラインのオフセットを示す図 ２つのオフセット部品を通過した光線の軌跡 オフセットのパターンを示した図 図３Ａのオフセットパターンを発生するために用いたスキャンディスクの平面図 図１のパターン生成器の回転光学部品の平面図 図４Ａの回転光学部品により生じたスキャンラインにおける湾曲修正を示す図。 この発明による別のパターン発生器の斜視図 図５Ａのパターン生成器を通過する光線の軌跡を示す。 この発明による別のパターン生成器を通過した光線の軌跡を示す。 この発明によるパターン生成器を用いたシステムにより発生された種々のパターンを示す。 この発明によるパターン生成器を用いたシステムにより発生された種々のパターンを示す。 この発明によるパターン生成器を用いたシステムにより発生された種々のパターンを示す。

符号の説明

１００ 光パターン生成器
１１０ＡからＥ：光源
１２０ＡからＢ：回転光学部品
１２５：回転軸
１３０ＡからＢ：ターゲット面
１４０：光ファイバ
１５０：スキャンライン
３２０Ａ：オフセット部品

Claims (39)

1. オフセット方向に沿ってオフセットされる図形のアレイを生成するための光パターン生成器であり、
   回転軸および、前記回転軸の周りに回転する複数個眼面を持つ第１の複数個眼面の回転光学要素を備え、
   各個眼面は、その個眼面が光ビーム中で回転する時、入射光ビームに対し、図形のアレイから図形を生成させ、
   １つ以上の個眼面は、実質的に回転対称であり、かつ、第１の光学要素の回転軸に実質的に中心を置き、かつ、図形をオフセット方向に沿ってオフセットするオフセット部品を含み、オフセット方向は一般に、光学要素の半径方向に整列される光パターン生成器。
2. 図形のアレイは、スポットのアレイを備える請求項１記載のパターン生成器。
3. 図形のアレイは、スキャンラインのアレイを備える請求項１記載のパターン生成器。
4. スキャンラインは１mm未満の長さを持つ請求項３記載のパターン生成器。
5. 回転光学要素は１秒につき5,000の図形を生成するのに十分な速度で回転できる請求項１記載のパターン生成器。
6. 回転光学要素は、少なくとも5,000rpmの速度で回転できる請求項１記載のパターン生成器。
7. 図形のアレイ内の図形は、不規則な量でオフセットされる請求項１記載のパターン生成器。
8. 図形は、非連続的に発生される請求項１記載のパターン生成器。
9. 多数の個眼面は、前記オフセット部品を含む請求項１記載のパターン生成器。
10. 各オフセット部品は、レンズに似た光学要素を備え、そして、前記レンズに似た光学要素の光学パワーは、個眼面毎に変化し、それにより、異なった個眼面が異なったオフセットを導入する請求項９記載のパターン生成器。
11. オフセット部品は、第１の光学要素の回転軸に中心を置く請求項１記載のパターン生成器。
12. オフセット部品は、回転対称である請求項１記載のパターン生成器。
13. オフセット部品は、レンズに似た光学要素である請求項１記載のパターン生成器。
14. 回転軸および前記回転軸の周りに回転する複数の個眼面を有する第２の複数個眼面の回転光学要素を更に備え、前記第２の光学要素は第１の光学要素の下流に位置し、
    第１の光学要素上の各個眼面は、第２の光学要素上の対応する個眼面を有し、そして、対応する個眼面は、光学ビーム中で同期して回転し、そして、対応する個眼面が光学ビーム中で回転する時に、前記光学ビームに対し、図形のアレイから図形を発生させ、そして
    前記オフセット部品を含む第１の光学要素上の少なくとも１つの個眼面に対し、第２の光学要素上の対応する個眼面は、実質的に回転対称であり、かつ、第２の光学要素の回転軸に実質的に中心を置き、かつ、オフセット方向に沿って図形をオフセットするオフセット部品を含む請求項１記載のパターン生成器。
15. 対応する個眼面上のオフセット部品は、性質で反対の光学パワーを持つ請求項１４記載のパターン生成器。
16. 少なくとも１対の対応する個眼面に対し、対の１つの個眼面上のオフセット部品は、収斂光学パワーを備えるレンズに似た光学要素を備え、そして、対の他の個眼面上のオフセット部品は、発散光学パワーを備えるレンズに似た光学要素を備える請求項１５記載のパターン生成器。
17. 図形のアレイは、スキャンラインのアレイを備える請求項１４記載のパターン生成器。
18. スキャンラインは、１mm未満の長さである請求項１７記載のパターン生成器。
19. スキャンラインは、ターゲットに対する相対的な移動に対して補償し、それにより、パターン生成器は、ターゲット上のスポットのアレイを生成する請求項１７記載のパターン生成器。
20. 少なくとも１対の対応する個眼面に対し、対の１つの個眼面は、スキャンラインに第１のゆがみを導入し、そして、対の他の個眼面は、スキャンラインに、第１のゆがみを相殺する第２のゆがみを導入する請求項１７記載のパターン生成器。
21. 回転光学要素は、毎秒5,000の図形を発生するに十分な速度で回転できる請求項１４記載のパターン生成器。
22. スキャンラインのアレイに沿って光軸を偏向するための光パターン生成器であり、
    前記パターン生成器は、回転軸および前記回転軸の周りで回転する複数の個眼面を有する第１の複数個眼面の回転光学要素と、および第１の光学要素の下流に位置する第２の複数個眼面の回転光学要素とを備え、第２の光学要素は、回転軸および、前記回転軸の周りで回転する複数の個眼面を有し、
    第１の光学要素上の各個眼面は、第２の光学要素上に対応する個眼面を有し、第１および第２の光学要素は、反対に回転し、そして、対応する個眼面は、入射光軸内で同期して回転し、そして、対応する個眼面が光軸中で回転する時に、光軸を、スキャンラインに沿って偏向させる光学パターン生成器。
23. 各スキャンラインは0.05ラジアン以下の偏向を生じさせる請求項２２記載のパターン生成器。
24. スキャンラインによる光軸の偏向は、相対的な移動に対して補償する請求項２２記載のパターン生成器。
25. 少なくとも１対の対応する個眼面に対し、対の１つの個眼面は、スキャンラインに第１のゆがみを導入し、そして、対の他の個眼面は、スキャンラインに、第１のゆがみを相殺する第２のゆがみを導入する請求項２２記載のパターン生成器。
26. 回転光学要素は、毎秒5,000の図形を発生するに十分な速度で回転できる請求項２２記載のパターン生成器。
27. スキャンラインのアレイは、単一のスキャンラインから成り、そして、個眼面の各対は、光軸を単一のスキャンラインに沿って偏向する請求項２２記載のパターン生成器。
28. アレイ中のスキャンラインは、スキャン方向と直交する方向に沿ってオフセットされる請求項２２記載のパターン生成器。
29. スキャン方向は、一般に光学要素のタンジェンシャル方向に整列される請求項２８記載のパターン生成器。
30. 光ビームは、光軸に沿って伝わり、これにより、パターン生成器は、光ビームをスキャンラインのアレイをトレースさせる請求項２２記載のパターン生成器。
31. スキャンラインは、ターゲットの相対移動を補償し、それにより、パターン生成器は、光ビームに対し、スポットのアレイを発生させ、そのスポットの露光の間、ターゲット上でスポットは静止する請求項３０記載のパターン生成器。
32. 光軸は、イメージ化システムまたは検知システムの光軸を備える請求項２２記載のパターン生成器。
33. スキャンラインは、対象物の相対移動に対し補償し、対象物のイメージは、イメージ化システムにより捕捉され、それにより、パターン生成器は、イメージ化システムにより捕捉されたイメージを明瞭にする請求項３２記載のパターン生成器。
34. ２つ以上の複数個眼面の回転光学要素を備える光パターン生成器であり、それぞれの複数個眼面の回転光学要素は、回転軸および、前記回転軸の周りで回転する複数の個眼面を有し、回転光学要素は、光軸内で同期して回転する対応の個眼面を有し、そして、少なくとも２つの対応する個眼面は、各個眼面に対して発生した望ましくない光学作用に対し、単独に作用させるが、個眼面が一緒に作用した時、互いに相殺されるように機能させる光パターン生成器。
35. 正しく２つの反回転する複数個眼面の回転光学要素を備える請求項３４記載のパターン生成器。
36. ２つの対応する個眼面は共に、光軸の偏向を発生し、そして、その２つの対応する個眼面は、互いに相殺する望ましくない光学パワーを導入する請求項３５記載のパターン生成器。
37. ２つの対応する個眼面は共に、光軸の偏向を発生し、そして、その２つの対応する個眼面は、部分的に互いに相殺する望ましくない光学パワーを導入し、かつ、正味の残りの光学パワーを導入する請求項３５記載のパターン生成器。
38. ２つの対応する個眼面は共に、光軸のスキャンラインを発生し、そして、その２つの対応する個眼面は、互いに相殺する望ましくないスキャンラインのゆがみを導入する請求項３５記載のパターン生成器。
39. ２つの対応する個眼面は共に、タンジェンシャル方向に沿って光学的作用を発生し、そして、その２つの対応する個眼面は、互いに相殺するタンジェンシャル方向に沿って、望ましくない光学的作用を導入する請求項３５記載のパターン生成器。
    

Images