KR20220140764A

KR20220140764A - 개선된 광학 특성을 가지는 향상된 빔 디렉터

Info

Publication number: KR20220140764A
Application number: KR1020227030231A
Authority: KR
Inventors: 찰스 비바스
Original assignee: 찰스 비바스
Priority date: 2020-02-25
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2022-10-18
Also published as: CN115335748A; US20210263302A1; BR112022017058A2; US11709356B2; EP4111250A4; WO2021173883A4; WO2021173883A1; EP4111250A1

Abstract

3D 프린터에 사용하기 위한 빔 디렉터는 빔을 제 2 미러로 방향 전환한 다음 작업면으로 방향 전환하기 위해 종축을 중심으로 회전하는 제 1 미러를 포함하며, 이로 인해 형상이 왜곡된 빔이 생성될 수 있다. 빔 보정기, 예를 들어 렌즈 또는 반사면은, 빔이 작업면에 부딪칠 때 제 1 및 제 2 수직한 방향에 있어서 동일한 원하는 치수를 갖도록 하는데 사용된다.

Description

개선된 광학 특성을 가지는 향상된 빔 디렉터

출원

본 출원은 2020년 2월 25일자로 출원된 미국 가특허출원 번호 US62/981,128의 우선권 및 이익을 주장하며 이 문헌은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

기술 분야

본 발명은 빔 디렉터(beam director)에 관한 것이며, 특히 제 1 회전 반사기 및 제 2 회전 환형 반사기를 포함하는 3D 프린터용 빔 디렉터에 관한 것이다.

본 명세서에 참조로서 포함되는 미국 특허 제9,435,998호, 제10,416,444호 및 제10,473,915호에 개시된 바와 같은 2D 및 3D 프린터에 사용하기 위한 빔 디렉터는 종축을 중심으로 회전하는 제 1 미러를 포함하며, 종축에 대하여 예각으로 이루어진 반사면을 구비한다. 이에 따라, 종축을 따라 전송되는 빔이 제 2 미러로 방향 전환될 수 있으며, 그 후에 일반적으로 종축에 수직인 작업면으로 방향 전환될 수 있다.

본 발명은 다음을 포함하는 빔 디렉터에 관한 것이다:

종축을 따라 빔 소스로부터 빔을 수신하기 위해 종축을 중심으로 회전 가능한 회전식 제 1 반사기 - 제 1 반사기는 빔을 반사하기 위한 종축에 대해 예각을 이루는 반사면을 포함함 -;

종축을 중심으로 제 1 반사기를 회전시킴으로써, 제 1 반사기가 회전하여 종축에 대해 일정한 각도로 빔을 반사하도록 하기 위한 액추에이터;

액추에이터에 의해 회전되고 제 1 반사기가 회전함에 따라 제 1 반사기의 종축을 중심으로 원으로 회전하는 제 2 환형 반사기 - 제 2 반사기는 일정한 각도로 제 1 반사기를 계속 향하며, 빔을 작업면을 향하여 일정한 각도로 반사하도록 구성됨 -;

빔이 활성화되고 액추에이터가 제 1 및 제 2 반사기들을 회전시킬 경우, 빔은, 빔을 회전시켜 빔을 제 2 반사기로 반사하는 - 제 2 반사기로 반사된 광은 제 2 반사기에 의해 작업면으로 반사됨 - 회전식 제 1 반사기에 부딪치고; 그 후에 빔은 작업면에 대한 곡선 경로를 따라, 작업면의 호를 추적하게 된다.

환형 반사기 M2는 표면 상의 각 점이 M1 광축 Z를 둘러싸는 구조이다. 수학적으로, 광축 Z를 도는 표면 상의 모든 점은 광축과 같은 거리에 있다. 개념적으로, 환형 구조 표면을 무제한 개의 슬라이스로 슬라이싱하면 각 슬라이스는 Z가 슬라이스의 중심에 있는 원이다.

작업면에 빔을 집속할 때의 광학적 문제는 특히 다른 파라미터들 중에서도,다음과 같은 시스템 지오메트리 및 빔 소스 파라미터에 의해 지시가 이루어진다는 점이다:

- 빔 소스 거리에서 제 1 미러까지의 거리

- 제 1 미러에서 제 2 미러까지의 거리

- 제 2 미러와 작업면 사이의 거리

- 콜리메이팅된 또는 콜리메이팅되지 않음 빔 소스 형태

- 빔 소스 유형은 광, 단일 모드 레이저, 다중 모드 레이저 또는 파이버 레이저이다.

- BPP(Beam Parameter Product)로 정량화된 빔 품질

본 출원은 빔 소스가 회전식 제 1 반사기 및/또는 제 2 반사기 광학 반사 기능들에 임베딩함으로써 콜리메이팅되거나 콜리메이팅되지 않는 지점(7)에서의 작업면(1)에의 빔 집속을 다룬다. 따라서, 광학 부품을 최소화하고 부품 수를 감소시킬 수 있으며, 캘리브레이션 절차를 줄이게 된다. 광학 반사 기능들은 표면 지오메트리들에 의해 결정된다.

그러나, 본 출원의 다른 양태는 작업면(7)에 부딪칠 때의 빔 치수를 제어하는 것이다. 또한, 본 출원은 다중 모드 또는 단일 모드에서 파이버 레이저와 같은 다양한 유형의 빔 소스도 처리한다.

따라서, 본 발명의 목적은 보정 요소들을 제공함으로써 종래 기술의 빔을 처리하기 위한 광학적 구성 요소들을 해결하는 것이며, 이에 의해 빔이 작업면에 입사할 때에 또는 빔이 작업면에 입사할 시에 제 1 방향과 제 2 방향 사이의 비율을 유지할 때에 제 1 및 제 2 방향에서 원하는 치수들을 갖게 된다. 여기서 제 1 방향과 제 2 방향은 소문자 x 및 y 직교 좌표계로 표시된 로컬 빔 좌표이다.

표면은 다양한 방식으로 표현될 수 있다. 본 출원에서 사용할 한 가지 방식은 정점들이 광축에서 만나는 두 개의 직교 곡률 선들로 표면을 정의하는 것이다. 또한 표면을 정의하는 다른 방식들이 적용될 것이다.

그러나, 본 발명의 다른 양태는 작업면 상의 x 및 y 치수들 모두에 집속되도록 빔을 제어하는 것이다.

본 발명의 다른 양태는 인쇄면에서의 x 및 y 모두에 대한 빔 크기를 제어하는 것이며,

그러나, 본 발명의 다른 양태는 직사각형 소스와 같은 비대칭 소스 빔을 집속시키는 것이다.

본 발명의 다른 양태는 하나의 차원, 즉 x 또는 y 차원에서 집속점이 맞춰지도록 빔을 제어하는 것이다. 이러한 특징들은 픽셀 논리 크기를 25 x 25로 제어하는데 사용될 수 있다. 픽셀 논리 크기는 움직이는 물리적 픽셀 크기로 구성되며 다음과 같이 표현될 수 있다:

Logical_Pixel_size[mm^2] = physical_pixel_size[mm]*Vb[mm/sec]*T[sec]

여기서 Vb는 움직이는 빔 속도이고 Tp는 논리 픽셀을 이동하는 시간이다. 또한 단일 모드 빔 또는 작은 클래드 직경의 파이버 레이저를 사용할 때 원하는 빔 크기가 단일 모드 레이저 또는 파이버의 가장 작은 집속 빔 크기보다 클 수 있다. 따라서, 작업면에서의 빔 크기를 조정할 필요가 있다.

제 2 반사기는 회전식 반사기 또는 고정 아치형 반사기의 형태를 취할 수 있으며, 이것은 작업면의 직선 또는 아치형 경로를 따라 빔을 반사하는데 사용된다. 우리는 고정식 제 2 반사기를 분석할 것이지만, 모든 분석은 물리적으로 회전되는 제 2 반사기에도 적용된다. 회전하는 물리적 제 2 반사기에 분석을 적용할 경우에는, 고정식 반사기로부터 수직 슬라이스를 절단하여 물리적으로 회전된 제 2 반사기로서 사용한다.

도 1은 종래 기술인 빔 디렉터 시스템의 등각 투영도이다.
도 2는 종래 기술인 2개의 좌표계, 즉 빔 로컬 좌표 및 글로벌 좌표를 갖는 빔 디렉터 시스템의 도면이다.
도 3은 원뿔형 제 2 반사기를 사용하여 콜리메이팅된 빔 소스를 갖는 빔 디렉터의 등각 투영도이다(종래 기술).
도 4는 콜리메이팅된 빔 소스의 도면이다.
도 5는 도 3의 시스템을 사용하여 콜리메이팅된 빔 입력을 위한 작업면에서의 빔 형상 및 크기를 도시한 것이다.
도 6은 로컬 및 글로벌 좌표계를 갖는 빔 소스를 포함하는 빔 디렉터 시스템의 등각 투영도이다.
도 7은 빔 소스를 포함하는 빔 디렉터 시스템의 측면도이다.
도 8은 표면 곡률들을 갖는 M1 미러를 도시한 것이다.
도 9는 빔 소스를 작업면에 집속시키는 M1, M2의 등각 투영도이다.
도 9a는 빔 소스가 콜리메이팅된 도 9의 측면도이다.
도 9b는 빔 소스가 발산하는 M1, M2 집속 시스템의 측면도이다.
도 9c는 빔 소스가 발산하고 M1이 소스 빔을 콜리메이팅하는 M1, M2 집속 시스템의 측면도이다.
도 9d는 M1과 M2가 콜리메이팅된 소스 빔을 수렴하는 M1, M2 시스템의 측면도이다.
도 10은 M2가 회전 빔을 집속하는 토로이달 M2 면에 대한 등각 투영 시스템이다.
도 11은 도 10의 시스템의 측면도이다.
도 12는 회전 광원 대신에 추가 회전 미러를 가지는 도 10의 구현예이다.
도 13은 발산 빔 소스이다.
도 14는 작업면에서 원하는 빔 형상 및 크기이다.
도 15는 x 및 y 상대 치수들을 보여주는 x 방향으로 집속된 좁은 빔이다.
도 16은 도 15의 이동으로 구성되는 논리 픽셀이다.
도 17은 비축 매칭 포물선으로 발산 빔을 집속한 것이다.
도 18은 x 차원 상의 등가 렌즈 광학 시스템이다.
도 19는 원통형 렌즈를 사용할 때 y 차원에 있어서의 광선 추적 분석을 도시한 것이다.
도 20은 비축 토로이달로부터의 M2 면 선택을 도시한 것이다.
도 21은 M1 및 M2 시스템에서의 포물선 M2의 분석을 도시한 것이다.
도 22는 M1, M2 구성 및 배치를 도시한 것이다.
도 23은 집속된 빔 샘플을 도시한 것이다.
도 24는 플랫 M2를 가진 M1 쌍원뿔을 도시한 것이다.
도 24b는 도 24의 시스템에서 나오는 빔을 도시한 것이다.
도 25는 작업면에서 떨어져 구성되는 M1, M2를 도시한 것이다.
도 26은 M1을 M2의 뒤에 둘 경우 M1, M2 구성을 도시한 것이다.
도 27은 동일한 포물선 속성들로 구성된 M1 및 M2를 도시한 것이다.
도 28 도 27의 M1 및 M2에 대한 대안예 및 실제 설정을 도시한 것이다.

본 발명의 목적은 빔 디렉터 시스템의 작업면에 빔을 집속하고 빔 치수를 제어하는 솔루션들을 제공하는 것이다.

용어 및 정의

본 용어 및 정의는 당업자가 본 출원에 사용된 용어 및 방법을 이해하는데 도움이 될 것이다. 더 많은 광학적 설명 및 속성은 Robert E. Fischer Second Edition의 광학 시스템 설계(Optical System Design)에서 확인할 수 있다.

Asp - 구면 프로파일로부터의 벗어남을 정의하는 정의 표면에서의 비구면 값이다. 곡률 - 곡률 C는 반경 R의 역수이다.

면의 곡률 - Cx와 Cy는 도 8에 도시된 바와 같이 정점 만곡이 광축에서 만나는 Cx와 Cy의 면을 정의하는 직교 곡률이다. 빔 - 광 빔이다. BPP(Beam Parameter Product) - 레이저 빔의 발산각(반각(half-angle))과 가장 좁은 지점에서의 빔 반경의 곱이다.

소문자 x, y 및 z 좌표 - 로컬 빔 좌표를 나타낸다.

본 출원에서는 빔에 로컬인 직교 좌표인 소문자 x, y 및 z 좌표계를 정의한다. 소문자 z는 빔의 방향을 나타내고 x와 y는 빔 크기를 나타낸다. 따라서, 소문자 x, y 또는 z 축에 대한 언급은 광축(3)을 따르는 빔의 로컬 좌표를 말하는 것일 수 있다(여기서는 z가 광축이기도 함). x0, y0 - 빔이 표면에서 표면으로 바운스되는 시스템 내 빔의 시작 좌표들이다.

표면 함수 - Z 축을 중심으로 회전하거나 Z 축에 평행한 축을 중심으로 회전하는 2D 함수로 정의된다. xn, xn - 빔 소스에서 시작하는 빔의 n 면 좌표이다(여기서는 x0, y0이 소스 빔이고, x1, y1은 빔 경로에서의 첫 번째 표면이며 기타 이러한 방식으로 이루어진다). xfinal, yfinal - 빔의 마지막 면 좌표이다. 논리 픽셀(Logical Pixel) - 물리적 빔의 이동 속도와 활성화 시간에 의해 논리 픽셀 크기가 제어되는 이동하는 물리적 빔으로 구성된 픽셀이다.

M1(4) 및 M2(2)는 각각 제 1 미러 및 제 2 미러이다. 플랫 M1 - 평탄면 미러로 지칭된다.

플랫 M2 - M2 표면 함수가 Y 축을 중심으로 회전하는 Y = X - R0의 2D 표면 함수로 정의되는 원뿔면을 사용하는 것이다(여기서는 R0가 원뿔 밑면의 반경이다). 플랫 M2는 원뿔 M2라고도 한다.

물리적 회전식 반사기 - 회전 축을 중심으로 물리적으로 회전되는 회전자이다. 물리적 회전식 반사기가 회전함에 따라 제 1 반사기를 향하게 되며, 따라서 제 1 회전자로부터 수신되는 빔을 반사하며 이 빔을 작업면으로 반사한다.

광학 거리 - 시작점에서 끝점까지의 전체 광학 경로를 광축을 따라 합산하여 측정된 거리이다.

단위 - 본 명세서에서는 mm 단위를 사용한다. 이러한 단위는 인치 또는 다른 단위이거나, 승수를 사용하여 모든 단위 치수가 동일한 승수로 수정될 필요가 있는 경우에는 승수일 수 있다. 대문자 X, Y, Z는 도 1, 2, 6, 7에 도시된 바와 같이 글로벌 시스템 좌표를 나타낸다. WFE - 파면 오차(Wave front error)이다. 이 양은 각 광선 추적에서 계산되며 광선 시작 및 광선 종료 면들 사이의 지연을 나타내는데 사용된다. 총 제곱 평균 WFE는 각 광선 그룹 내 WFE의 편차에서 계산된다.

빔 소스(5)는 코리메이팅되거나, 콜리메이팅되지 않거나 또는 비대칭인(예를 들면 직사각형 유사 형상) 광 빔을 생성하도록 구성될 수 있다.

다음 섹션에서는 고정 M2 반사기(2)를 기반으로 하는 다양한 솔루션을 다룬다. 동일한 솔루션이 물리적 회전식 M2 반사기에 적용되며, 여기서 M2 반사기의 작은 섹션은 비회전식 M2 반사기에서와 같은 표면 공식 및 분석을 구현한다. M1 반사기 또는 M2 반사기를 언급할 때, 본 개시는 각각 제 1 반사기 표면(4) 또는 제 2 반사기 표면(2)으로 지칭하고 있다.

M2 반사기는 표면 상의 각 지점이 광학 Z 축(9)을 둘러싸는 환형 구조일 수 있다. 수학적으로, 광학 Z 축(9)을 둘러싸는 표면 상의 임의의 지점은 광학 Z 축(9)에 대해 동일한 거리에 있을 수 있다. 개념적으로, 환형 구조 표면을 무제한 개의 슬라이스로 슬라이싱하면 각 슬라이스는 광학 Z 축(9)이 중심에 있는 원이 될 수 있다.

M2 표면 함수는 이에 의해 Z 축을 중심으로 회전되거나 또는 Z 축(3)에 평행한 축을 중심으로 회전되는 2D 함수에 의해 정의될 수 있다. 일 예로서 Y = a*X는 Y(X)가 Z 축(9) 주위에서 회전될 경우 원뿔 구조를 나타내는 선형 함수 Y(X)이며 여기서 a는 원뿔 반각의 접선이다.

원뿔 단면들은 다음과 같이 정의되는 표면 함수들이다:

이차 대수식을 충족하는 수학적 곡선(포물선, 쌍곡선, 원 등)(Optical System Design, Robert E. Fischer Second Edition, 7장 117페이지 참조). 기하학적으로, 이들은 원뿔과 평면의 교차 부분과 동일하며, 즉 원뿔 단면이 축을 중심으로 회전하면, 이것이 삼차원의 표면(포물면, 쌍곡면, 구체 또는 타원체)을 스위프 아웃하게 된다. 이러한 유형의 표면은 광학에서 매우 유용하며 정점 원점 직교 좌표에서 다음 수학식으로 정의된다:

여기서:

C는 표면의 곡률이다: 표면이 +z를 향해 만곡되면 양수이고 -z를 향해 만곡되면 음수이다. 0(영) 곡률은 평탄면이다(반경은 1/C이므로 평탄면인 경우 반경은 무한대이다).

Asph 또는 Asp는 구체로부터의 벗어남으로 정의되는 Asp로 표면 분류를 나타낸다. 값이 0인 Asp는 구체를 나타낸다. 예를 들어, Asp 값이 -1이면 포물면을 나타낸다.

유사하게, 표면 함수 z(r)는 부여된 조건을 충족시키기 위한 다항식 계수를 나타내는 데에도 사용될 수 있다.

이러한 함수는 더 높은 수준의 유연성을 제공하는 반면 예를 들어 C=0으로 설정하고 모든 계수를 0으로 설정하면 A1에서 원뿔 구조가 생성된다.

토릭면(toric surface)은 아래의 함수 z(y)가 y 축에 평행한 축을 중심으로 회전될 경우 스위프 아웃되는 표면이다. 이 표면 함수는 0이거나, 원뿔이거나, 다항식 항들을 포함할 수 있다.

이러한 z(y) 곡선이 로컬 y 축에 평행한 축을 중심으로 회전될 경우, 결과 토릭면은 xz 평면에서 정확히 원형이고 yz 평면에서 정확하게 규정된 함수이다. 본 명세서에서는 토릭면 C를 지칭할 때 Cx로 표시할 것이며 여기서 Cx는 xz 평면에서 반경의 역수이고 +z를 향해서 구부러지면 양수이고 -z를 향해서 구부러지면 음수이다.

x, y 및 z가 모두 정점에 대해 측정되며 z가 정점의 표면에 대한 법선이 되도록 방향이 정해진다.

표면을 틸팅(tilting)할 경우에는 x 축을 중심으로 이루어지고 표면을 피칭(pitching)할 경우에는 y 축을 중심으로 이루어진다.

또한 참고로, 쌍원뿔면은 추가 유연성이 있는 표면이며 여기서는 토릭의 구면 성분이 비구면이고 Cx 및 Cy 곡률이 비구면이며 AspX 및 AspY를 사용하여 비구면으로부터의 벗어남을 정량화한다. AspX 또는 AspY가 0이면 토릭면이 형성된다.

본 출원에서는 M1, M2 표면을 언급할 때, 반사기 M2(2)가 대부분 토릭 함수에 의해 정의되는 반면 반사기 M1은 쌍원뿔 함수에 의해 정의된다. M2와 M1이 포물선과 같은 동일한 계열을 나타낼 경우에는 양쪽 모두가 동일한 체계로 표현될 수 있다.

추가적으로 또는 대안적으로는, 요구되는 사양을 부여하면서 표면(2)의 완전한 정의를 위해 다항식만이 사용될 수 있다.

다항식 항들은 슈미트 보정기와 같은 다항식 광학에서, 곡률이나 비구면도 없이도 그 자체로 유용하다. 보다 흔하게는 이들을 곡률 및 비구면도와 결합시켜 표면에 작은 고차 보정을 제공한다. 일반적으로, 대부분의 광학 표면은 원뿔 비구면 프로파일에 의해 거의 근사되기 때문에, A2, A4 및 A6로서 처음 몇 개의 짝수 계수만으로도 충분하다.

빔 소스(5)에 의해 전송되는 광 빔(3)이 콜리메이팅될 경우, 제 1 M1 반사기(4)는 플랫 미러일 수 있으며, 이에 의해 제 2 M2 반사기(2)가 도 9 및 도 9a에서와 같이 빔(3)의 집속을 수행할 수 있다. 제 2 M2 반사기 표면(2)은 빔의 x 및 y 치수가 집속 또는 원하는 치수로 수렴되는 비콜리메이팅 빔으로 타격 콜리메이팅 빔(3)을 변경할 수 있다.

본 발명의 다른 양태에서는, 콜리메이팅된 빔(3)이 제 1 M1 반사기(4)에 부딪친다. 제 1 M1 반사기(4)가 평탄한 경우, 제 1 M1 반사기(4)는 빔의 콜리메이팅을 유지하면서 Z 축(9)의 방향에서 Z 축(9)을 중심으로 회전하는 방향으로 빔 이동 방향을 변경할 수 있다. 바람직하게는, 도 7에 도시된 바와 같이 빔 소스 광축(9)과 제 1 M1 반사기 표면(2) 사이의 각도는 45°이다. 선형 상관 관계가 표준 얇은 렌즈 공식을 나타낼 경우 비평탄 제 2 M2 반사기(2)는 비선형 상관 관계에서 x를 변경할 수 있다.

도 7을 참조하면, 제 1 M1 반사기(4)가 평탄한 경우, 제 1 M1 반사기(4)는 로컬 x,y 빔 성분들을 고정 상태로 유지한다. 제 2 M2 반사기(2)는 약 R의 거리에서 x 성분에 집속점을 맞출 것이기 때문에 정의에 의해 x 성분을 변경하도록 구성된 환형(예를 들어 원뿔) 구조를 포함할 수 있으며, 여기서 R은 거리(11)이고 제 2 M2 반사기(2)가 원뿔일 때 거리(12)로 될 수 있으며, 원뿔이 약 45°의 선형 라인으로 구성될 경우에는 빔 소스(5) 및/또는 제 1 M1 반사기(4)의 광축(9)에서 제 2 M2 반사기(2)까지의 거리로 될 수 있다.

제 2 M2 반사기 표면(2)에 대해 원뿔면을 사용할 경우, 함수는 Y 축 주위를 회전하는 Y = X - R0의 2D 표면 함수로서 정의될 수 있으며, 여기서 R0는 원뿔의 밑면에서의 반경이다. 미국특허 제10,416,444호에 나와 있는 바와 같이 이러한 함수는 작업면까지의 미리 정해진 거리에서 두 차원 모두에 있어서의 빔 크기가 동일하게 되도록 보정될 수 있다.

도 3(종래 기술)의 원뿔 구조와 관련하여, 빔을 집속하는 한 가지 방법은 집속점 Fy를 2*R보다 크게 하고 작업면(7)으로부터의 광학 거리 Fy에 위치하는 빔의 y 성분에 원통형 렌즈를 사용하는 것이다. Fy는 2*R보다 큰 값을 여러 개 가질 수 있지만, 2R에 가까운 값을 사용하는 것이 권장된다. 이렇게 하면 x 및 y 차원들에서의 빔이 거의 동일한 속도로 발산하거나 수렴하는 것이 보장된다. 5/4*R의 원통형 렌즈 Fy를 선택하고 M1으로부터 ¼*R의 거리에 위치되는 일 예는 미국 특허 제1,046,444호를 사용하는 사운드 솔루션이다.

(BPP가 낮을수록 더 나은) BPP로 레이저 소스를 사용할 경우 직경 W0의 가장 작은 빔 크기로 집속을 수행한다. 여기서 제공되는 빔 소스는 빔 직경 크기 2*ho(예를 들면, 10mm 빔 직경의 경우 5mm) 및 빔이 작은 집속점 W0으로 되게 하기에 충분한 BPP(예를 들면, 단일 모드 레이저를 사용하는 경우 2um)로 콜리메이팅된다.

도 3과 같이 원뿔 구조 M2를 사용한다. 다음 방법들 중 하나를 사용하여 W0 물리적 픽셀로부터 논리 픽셀 LP를 구성할 수 있다.

원통형 렌즈 방법을 추가하여 해결

제 1 M1 반사기(4)는 이것이 플랫 미러일 경우 계산의 일부가 아닐 수 있다. 따라서, 원통형 렌즈가 제 1 M1 반사기(4)의 앞 또는 제 1 M1 반사기(4)의 뒤에 배치될 수 있다. 제 1 M1 반사기(4)의 앞에 배치하는 것이 바람직할 수 있으며, 그렇지 않은 경우 회전하는 제 1 M1 반사기(4) 뿐만 아니라 더 큰 원형 표면 렌즈가 필요할 수 있다. 원뿔 형상의 제 2 M2 반사기(2)는 제 2 M2 반사기(2)로부터의 거리(R)에 빔(3)의 x 성분을 집속시킨다. 원하는 LP를 생성하기 위해서는 작업면(1)을 집속점 f의 앞이나 뒤로 집속점에서 떨어지게 배치해야 한다. 도 18은 집속점 Fx가 제 2 M2 반사기(16)로부터 거리 R13에 배치되는 x 축에 대한 제 2 M2 반사기(16)의 등가 광학 미러를 도시한다. hox(18)는 콜리메이팅된빔 소스의 x 성분이다. hix(15)는 작업면(7)에서 이미지의 x 성분이다. 유사하게, 원통형 렌즈 등가 시스템이 도 19에 도시되어 있으며 여기서는 y 축 성분이 이미지 hoy(22)로 리졸브되고 여기서 소스 빔 y 성분(21)은 원통형 렌즈(24)에 부딪치고 집속 렌즈(19)는 작업면(7)으로부터 2R보다 큰 광학 거리에 배치된다.

hix(15) 및 hiy는 작업면(7)에서 동일할 수 있다. x 축 광선 추적 치수들은 다음과 같이 리졸브된다.

(1) hix = hi

(2) Fx = R

(3) hox = ho

(4) Fx/Lx = hox/hix

Lx = Fx*hix/hox = R*hi/ho

마찬가지로, y 광선 추적은 다음과 같이 리졸브된다:

(1) hiy = hi

(2) Fy = 2.25 R

(3) hoy = ho

(4) Fx/Ly = hoy/hiy

Ly = Fx*hiy/hoy = 2.25*R*hi/ho

여기서 Lx(14)은 Fx 지점에서 원하는 LP를 x 차원으로 생성하는, 작업면(7)이 배치될 지점까지의 거리이다. 유사하게, Ly(20)은 Fy 집속점에서 작업면(7)까지의 거리이다.

예를 들어, R이 125mm일 때, ho는 5mm이고 원하는 LP는 50um이다:

hi = 0.5*LP→0.025mm ; ho는 반경

Lx = 125*0.025/5 = 0.625 mm

Ly = 2.25*125*0.025/5 = 1.4 mm

50um의 논리 픽셀 LP는 원통형 렌즈(24)를 추가하여 빔 소스(5)와 제 1 M1 반사기(4) 사이에 이것을 포지셔닝함으로써 생성되었다.

논리 픽셀 LP는 원통형 렌즈 없이도 생성될 수 있으며 여기서는 높이(27)를 가진 좁은 직사각형(26)이 길이 변(25)을 갖는 정사각형을 생성할 수 있는 도 15 및 16에 도시된 LP와 같이 이동 직사각형이 정사각형을 생성할 수 있다. 일 예로서 2um에 집속점을 맞출 수 있는 단일 모드 레이저를 사용할 경우, 일정 영역에 대한 스캔 속도를 제어하여 픽셀 속도를 제어하는 것에 의하여 LP(예를 들어, 50um)가 구성될 수 있다. 집속점에서의 원뿔 구조에 의해 직사각형 빔이 생성되며, 여기서는 yfinal가 50마이크로미터이고 xfinal는 2마이크로미터이다(원뿔에서).

제 1 M1 반사기(4)가 회전하면서 스캐닝이 수행된다. 논리 빔 직경은 제 1 M1 반사기(4)에서의 제어 속도 Vm에 의해 2*π*R*f로서 계산된다. Tp는 논리 픽셀을 생성하는 시간이고, T는 f=1/T인 회전 기간이다.

(1) Vm=2*π*R*f; f는 M1 회전/초이다.

(2) Lp=Vm*Tp

Tp = LP/(2*ð*R*f)

필요한 LP가 50um이고 W0가 2um인 동일한 예(여기서 f는 1회전/초)를 계속하면, Lp를 생성하는 시간은 다음과 같다:

Tp = 0.050/(0.002*125*π*1) = 63밀리초

또한 레이저 속도가 증가하면 흡수되는 표면 에너지를 일정하게 유지하기 위해 레이저 출력도 증가할 수 있음에 유의한다.

컨트롤러는 Tp 기간 동안 픽셀을 켤 수 있다. 이것은 LP = Vm*Tp인 대칭 논리 픽셀을 생성한다.

본 발명의 다른 양태에서는, 빔(3)이 완벽하게 콜리메이팅될 필요가 없다. 이러한 경우 작업면(7)에서 원하는 x 및 y 치수를 매칭시키기 위해 얇은 렌즈 공식이 양쪽 모두에 사용된다:

1/fx = 1/sox + 1/six

1/fy = 1/soy + 1/siy

여기서 Fx는 x 차원의 집속점이고, sox는 등가 렌즈까지의 물체 거리이고, six는 등가 렌즈까지의 이미지 거리이다. 마찬가지로, x 차원의 경우 sox는 등가 렌즈까지의 물체 거리이고 six는 등가 렌즈까지의 이미지 거리이다.

본 발명의 다른 양태에서는, 렌즈가 제 1 M1 반사기(4)와 제 2 M2 반사기(2) 사이에 배치될 수 있다. 이 경우에 렌즈는 회전 빔 범위를 커버하도록 환형으로 이루어진다.

이 방법에서, 제 2 M2 반사기 표면(2)의 기능은 빔(3)이 작업면(7)에 집속되도록 보정을 수행하는 것이다.

추가적으로, 제 1 M1 반사기(4)는 제 2 M2 반사기(2)가 광학 보정을 완료할 로컬 x,y 빔 성분들을 변경한다.

M2 플랫 미러를 이용한 토로이달 미러의 기하학적 설계

도 12는 빔 소스(5)로부터의 광 빔(3)을 집속하기 위한 대응 토로이달 미러의 설계 파라미터들을 나타낸다.

다음은 설계 고려 사항 중 일부이다:

도 12는 제 2 M2 반사기가 토로이달이고 제 1 M1 반사기(4)는 평탄한 것인 2개의 미러 시스템 M1 및 M2에 대한 2-미러 구성을 나타낸다. 이 시스템은 x'y'z' 좌표를 사용하며, 여기서 x' 축은 관찰자를 향한다.

빔 소스(8), 바람직하게는 파이버 레이저로부터의 광(3)이 회전 축(9)을 따라서 제 1 M1 반사기(4) 쪽으로 지향되며, 제 1 M1 반사기(4)는 회전 축(9) 및/또는 z 축에 대해 45°로 기울어질 수 있고, z' 축을 중심으로 회전할 수 있다. 빔 소스(5)는 제 1 M1 반사기(4)로부터 거리 h(10)에 배치된다. 그 후에 빔(3)은 토로이달 M2 미러에 충돌하여 z' 축(회전 축(9)이기도 함)에 평행하게 제 2 M2 반사기(2)로부터 반사됨으로써 y' 축에 평행하게 제 1 M1 반사기(4)로부터 제 2 M2 반사기(2)로 반사될 수 있다. d(11)는 회전 축 z'와 M2에서 반사된 빔 사이의 거리이다.

C1은 y'z' 평면(접선 평면)에서 토로이달 미러의 중심이고, C2는 x'y' 평면(시상 평면)에서 토로이달 미러의 중심이고, V는 토로이달 미러의 정점이다. 미러의 반경은 C1V = R'(접선 평면) 및 C2V = r(시상 평면)이다. 제 2 M2 반사면(2 및 C1)에서의 빔 반사점과 x'y' 평면 상의 정점(V) 사이의 각도는 θ = 45°일 수 있다.

C2는 회전 축 상에 존재한다.

제 2 M2 반사기 수학식은 다음과 같이 주어진다.

여기서 p = h+d는 물체 거리이고, q_T는 접선 평면에서의 이미지 거리(미러 M2의 반사점에서 I₁ 점까지)이고, q_S는 시상 평면에서의 이미지 거리(미러 M2의 반사점에서 I₂ 점까지)이다. 동일한 거리에 있는 두 평면들 내의 이미지를 갖기 위해 qT = qS = q 또는 동등하게 다음을 부여한다.

또한, 수차(가장 작은 이미지 크기)를 제거하기 위해, p = q가 부여되어야 한다:

도 19에 제시된 지오메트리에서 다음을 얻을 수 있다:

수학식 (2)와 (4)를 결합하면 다음과 같은 결과가 생성된다:

일 예로서 d = 125mm 및 θ = 45°인 경우 수학식 (2)를 사용하여 R' = 603.5534mm 및 r' = 301.7767mm를 얻을 수 있다. 수학식 (3)에 따른 물체 거리는 p = h + d = R'cos(θ)이다. 따라서, 빔 소스(5)로부터, 회전하는 평탄한 제 1 M1 반사기까지의 거리는 h = 301.7767mm이다. R' sin(θ) = 426.7767 mm와 같이 거리 q = 426.7767 mm에 위치한 수학식 (3)에 따른 빔 소스 패싯의 이미지 또는 작업면(7)은 제 2 반사기(2)의 주축(라인 C1V)에 위치된다.

본 발명의 다른 양태는 토로이달 제 2 반사기(2)를 향하는 회전 빔 소스(8)를 사용하는 것이다(도 10, 11 및 20 참조). 광 소스(8)가 회전하여 제 2 M2 반사기 표면(2)을 향해 발산할 때(여기서 제 2 M2 반사기(2)는 토로이달 형상이며 Cx, Cy에 의해 정의됨), 비축(off-axis) 부분이 사용된다. 표면(2)은 Cx=-0.00165, C=-0.0033으로 생성될 수 있으며, 여기서 Cx는 XY 평면 상에 정의되고 C는 Y 축을 중심으로 스위프된 곡면이다. 빔이 집속되는 것을 보장하기 위해 |C| = 2|Cx|이 선택된다. 사용할 선택된 표면(2)은 빔 소스(8)가 Y 축을 중심으로 회전할 Y ~ 428mm의 비축(off-axis) 표면이다. 이 실시예의 다른 양태는 빔 소스(8)를 회전하는 제 1 M1 반사기로 대체하고, 빔 소스(8)가 제 1 M1 반사기(4) 방향으로 45°를 향하도록 아래로 이동시키는 것이다. 대안적으로는, 빔(3)이 Y 축을 중심으로 회전하는 제 1 M1 반사기(4) 방향으로 아래로부터 올 수 있으며, 여기서 제 1 M1 반사기(4)는 Z 축으로부터 45°기울어질 수 있다.

본 발명의 다른 양태는 제 1 M1 반사기(4) 및 제 2 M2 반사기(2)에 대해 2개의 포물면을 사용하는 것이며, 여기서 제 1 M1 반사기(4) 및 제 2 M2 반사기(2)는 동일한 포물면들이다. 확장 빔(3)이 제 1 M1 반사기(4)로부터 출발된 후 콜리메이팅될 수 있다. 제 2 M2 반사기는 도 17에서와 같이 평행 빔을 다시 소스로 수렴시킬 수 있다. 제 1 M1 반사기(4)는 제 2 M2 반사기(2)로 들어오는 광을 콜리메이팅하도록 포지셔닝될 수 있으며, 여기서 제 2 M2 반사기(2)는 광을 집속시키게 된다.

본 발명의 다른 양태는 제 1 M1 반사기(4) 및 제 2 M2 반사기(2)가 확장 빔에 대한 집속 기능을 수행하는 것이며, 여기서 제 2 M2 반사기(2)는 포물면을 포함할 수 있고 제 1 M1 반사기(4)는 한쪽 차원이 구체(Cx 곡률, 아래에 자세히 설명)로 정의되고 직교 차원이 비구면(비구면 값을 갖는 C)인 표면을 포함할 수 있고 또한 제 1 M1 반사기 표면은 약 45°로 피칭될 수 있다(도 9c 및 도 8 참조). 이 경우 제 2 M2 반사기(2)는 포물면을 포함할 수 있고, 제 1 M1 반사기(4)는 Y 축에 평행한 축을 중심으로 스위프된 Cx일 수 있다(그 곡면은 ~-0.5의 비구면 값을 갖는 곡면 C에 의해 정의될 수 있음). 이 표면으로서의 C ~ 2*Cx(C 곡률은 Cx 곡률의 약 2배와 같음)는 도 22에 도시된 바와 같이 Y 축으로부터 ~45°회전된다.

제 1 M1 표면(4)은 그 광축이 포물면과 일치하는 제 2 M2 반사기(2) 포물면의 집속점 위치 주위에 위치된다. 정점 직교 좌표를 사용하면 다음과 같다:

여기서 S=0(Asp =-1이므로)->Z=C*X^2/2

또한 Z=1/(4*P)*X^2 →C=½^*P 여기서 P는 포물면의 집속점

제 1 M1 반사기(4) 및 제 2 M2 반사기(2)의 배치가 도 21에 도시되어 있으며, 여기서 제 1 M1 반사기(4)는 제 2 M2 반사기(2)의 정점으로부터 l(10)의 거리에 배치되고, 여기서 제 1 반사기(4)의 광축과 포물면 중심이 일치한다. l은 대략 거리 P이고, 여기서 P는 제 2 M2 반사기(2)의 집속점이다(예를 들어, 제 2 M2 반사기(2)는 회전 포물면을 포함할 수 있음). l = l2 + l3 또는 대략 동일하게 설정하면 I2(12) 및 I3(11)에 필요한 파라미터 수가 줄어든다. 포물면 구성 및 위치가 도 21에 도시되어 있으며, 이것을 포물면으로 표현하면 다음과 같을 수 있다:

여기서 C = 1/(2P) 또는 P = Rc/2(Rc=1/C)

본 솔루션은 매칭되는 면들을 찾아내는 것을 기반으로 한다. 면들이 많기 때문에 예를 들어 빔을 보정해야 할 경우에는 반대 기능의 면들을 매칭해야할 필요가 있다.

이 경우 빔은 제 1 M1 반사기 표면(2)에 부여된 집속 기능에 의해서 제 1 M1 반사기 표면(4)에서 편향된다. 포물면으로부터의 환형 링을 빔이 향하고 있으므로, 그 기능도 곡률을 기반으로 해야 한다.

예를 들어 M1이 회전하고 있을 때 반경 R=100mm인 빔이 작업 영역에 집속되는 경우를 가정해 보도록 한다. 사용할 포물면은 R/2→50mm 부근에서 집속점 P를 가질 수 있다. M2에 대한 C는 1/(2P)→0.01이다. M1에 대한 C ~ M2에 대한 -C, M1-0.01에 대한 C를 설정한다.

M1에 대한 Cx를 C M1의 1/2로 설정한다(M2 45도 피치 때문에). M2에 대한 C를 M1의 -C로 설정한다. M1에 대해 피치 각도를 ~45도로 설정한다. 비구면 값을 M1에 대한 -0.5로 M2에 대한 -1로 설정한다. M2 Z 위치를 집속점 주변으로 설정한다. 원하는 M1 직경(d=d0+L*Na) 빔 소스를 커버하는 거리에 확장 빔 소스를 설정한다. C(M1) C(M2), Cx(M1) ASP를 미세 조정하기 위해 Zemax 또는 동등한 광학 소프트웨어를 사용할 때 빔 목표를 WFE 또는 최소 빔 최종 크기 타겟으로 설정한다. ASP도 또한 피치 각도를 45.74°로 설정한다. 참고: 일부 소프트웨어는 더 많은 자유도를 가지고 있다. 따라서, 이것은 제안된 시작 파라미터이다. 다음 값들이 미세 조정된다:

M1에 대한 C = 0.01; 고정으로 설정

M2에 대한 C = -0.01043(-0.01부터)

Cx(M1에 속함) = -0.0049(-0.5부터)

M1에 대한 Asp = -0.45(-0.5부터)

M1에서 M2 정점 Z까지의 거리 = 50.79(50부터)

도 23에 도시된 집속된 빔은 105um의 광섬유 소스 입력을 반사하는 105um이다.

다른 고정 설정(ASP를 고정된 -0.5에 또는 M2에 대한 C에 또는 피치에 설정)에 의해 동일한 크기의 출력 빔을 가진 다른 작업 값 세트가 생성된다.

표면을 설계하는 또 다른 방법은 단순히 기존 표면을 사용하고 그 크기를 조정하는 것이다.

반경이 100mm이 아닌 250mm인 호를 원하는 것으로 가정해 보도록 한다. 그러면 다음 모든 치수를 비례적으로 조정한다.

M1에 대한 C = 0.01; 고정으로 설정 → 0.01*2/5 → 0.004

M2에 대한 C = -0.01043(-0.01부터) → 0.004172

Cx(M1에 속함) = -0.0049(-0.5부터) → -0.00196

M1에 대한 Asp = -0.45(-0.5부터); 순수한 숫자 변화 없음

M1에서 M2 정점 Z까지의 거리 = 50.79(50부터) → 5/2*50.79 → 126.975

본 발명의 다른 양태는 집속 파라미터를 설정함으로써 한 방향에서의 집속을 생성하여 긴 직사각형 유사 라인을 생성하도록 하는 것이다. 이 라인은 도 16에 도시된 바와 같은 논리 픽셀을 생성하는 물리적 픽셀로서 사용될 수 있다.

그러나, 본 발명의 다른 양태는 도 25에서와 같이 제 1 M1 반사기 이후에 빔을 계속 확장하는 것이다. 이것은 시스템에 대해 더 긴 집속점을 생성하게 된다. 따라서, 빔 디렉터는 포물면 제 2 M2 반사기(2)에 의해 대부분의 퓨징 기능이 수행되기 때문에 작업면(7)으로부터 멀리 떨어져 있다. 이 시스템은 M1-0.007에 대하여 C, m1-0.0033에 대하여 Cx, ~45도 asp ~ -0.5에 대하여 ~45도의 피치를 선택하는 것에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어 3D 금속 부품을 인쇄할 때 광학 부품들을 작업면과 같은 작업면(1)에서 최대한 멀리 유지하려는 동기는 상대적 고온 때문일 수 있다.

본 발명의 다른 양태에서, 제 2 M2 반사기(2) 아래의 더 낮은 Z 좌표 상에 제 1 M1 반사기(4)를 가질 필요가 있다. 이 경우, 제 1 반사기(4)의 피치는 약 49°로 설정될 수 있다. 각도를 높이면 도 26과 같이 제 1 M1 반사기(4)가 뒤로 더 밀려나게 된다.

비록, Cx는 비구면 값 Asp를 갖는 곡면 C(또는 Y 축을 중심으로 스위프되는 임의의 함수)에 대한 토릭 정의이며, 여기서 비구면 값은 구체로부터의 벗어남을 정의한 것이다(구체에 대한 asp는 0임). Cx 및 Cy가 각각의 AspY 및 AspY 구면 값들로 정의되는 경우에는 대안적인 정의 및 보다 정교한 방법이 사용될 수 있다. 이 정의는 Cx도 비구면일 수 있으므로 더 높은 자유도를 갖는다. Cx,Cy 및 각각의 비구면 값들이 쌍원뿔면들로 불리는 경우, 도 8은 M1 반사기(4)에서 수행된 쌍원뿔 구성을 보여준다. 또한 비구면 값들은 대안적인 방식들에서 형상 = Asp + 1인 형상으로서 정의될 수 있다. 형상 기본값 1은 구체를 나타낸다. 유사하게 또는 대안적으로, 표면은 그 정점들이 표면 광축에서 만나는 두 개의 직교 타원으로 정의될 수 있다.

그러나, 본 발명의 다른 양태는 도 27에 도시된 바와 같이 제 1 M1 반사기(4)와 제 2 M2 반사기(2)에 대해 동일한 포물선 곡률을 사용하고 있으며 여기서 제 1 M1 반사기(4)와 제 2 M2 반사기(2) 사이의 거리는 그 표면들 사이에서 콜리메이팅된 빔때문에 임의의 거리일 수 있다. 거리 R(11)이 선택되면 거리 R 또는 곡률 Cx=1/R에서 포물 곡선 주위를 스와핑하는 것에 의해서 제 2 M2 반사기(2) 링이 생성된다. 실제에 있어서, 제 2 M2 반사기 표면(2)은 제 1 M1 반사기(4)가 항상 제 2 M2 반사기(2)를 향하기 때문에 수학적으로 음수여야 한다. 또한, 제 2 M2 반사기 표면(2)이 수직으로 뒤집어질 수도 있으며 이에 따라 도 28 및 도 17에 도시된 바와 같이 집속점이 빔 소스(5)로부터 멀어지게 될 수 있다. 이 시스템은 거리 10과 12가 동일하게 되도록 한다. 이것은 광학 캘리브레이션이 다른 시스템들에 비해 완화되는 조립 공정에서 추가적인 이점이다.

본 발명의 다른 양태는 평탄한 제 2 M2 반사기(2)(원뿔)를 사용하는 것이다. 그러면, 제 1 M1 반사기는 쌍원뿔면들을 포함할 수 있으며, 여기서 곡면 Cx는 비구면이고 Cy도 역시 비구면이다. 다음 파라미터들에 따라 작업면 반경이 100mm일 수 있는 제 1 M1 반사기(4)를 생성한다. 참고: mm 단위는 중요하지 않다. 단위는 인치 또는 다른 단위이거나, 승수를 사용할 경우에는 모든 치수들이 앞서 나타낸 바와 같이 수정되어야 한다. 도 24는 시스템의 레이아웃을 보여주고, 도 24b는 결과적인 최종 빔을 보여준다. 도 13은 또한 발산 빔 소스 형상을 보여주고, 도 14는 작업면(7)에서의 원하는 빔 형상과 크기를 보여준다. 도 14는 확장 빔들을 다룰 때 본 명세서의 다른 모든 샘플들에 대해 요구되는 빔이다. 이 예에서는 빔이 0.15의 Na로 확장된다.

Cy = -0.00769 및 Aspy = -0.8, Cx = -0.00451, Aspx = 1, Pitch = 45.4인 M1은 소스 빔(105um)과 동일하게 집속된 출력을 생성한다.

도 24는 원점이 M2 정점에 있을 때 mm 단위로 측정된 Z 축을 따라 다음과 같이 M1, M2 및 빔 소스를 배치한 것을 보여준다.

빔 소스 Z 좌표(26): -57.7

좌표에서의 원뿔 정점: 0(원점)

M1 좌표(27): 97.7

작업 영역(28): 155.6

따라서, 본 발명의 목적은 보정 요소들을 제공함으로써 종래 기술의 빔을 처리하기 위한 구성 요소들의 광학 설계를 해결하는 것이며, 이에 의해 빔이 작업면에 입사할 때에 또는 빔이 작업면에 입사할 시에 제 1 방향과 제 2 방향 사이의 비율을 유지할 때에 제 1 및 제 2 방향에서 원하는 치수들을 갖게 된다.

Claims

빔 디렉터로서,
종축을 중심으로 회전 가능한 빔 소스,
상기 종축을 중심으로 상기 빔 소스를 회전시킴으로써, 상기 빔 소스가 회전하여 상기 종축에 대해 일정한 각도로 빔을 반사하도록 하기 위한 액추에이터;
상기 액추에이터의 상기 종축에 맞춰 상기 빔 소스를 둘러싸며, 일정한 각도로 상기 빔 소스를 계속 향하는 환형 반사기(annular reflector);
상기 빔을 반사하기 위한 상기 종축에 대해 예각을 이루는 반사면을 포함하며, 상기 빔을 작업면을 향하여 일정한 각도로 반사하도록 구성되는 제 2 반사기; 및
빔 치수들을 수정하기 위한 상기 제 2 반사기 상의 반사면을 포함하는 빔 보정기(beam corrector)를 포함하며,
상기 빔이 활성화되고 상기 액추에이터가 상기 빔 소스를 회전시킬 경우, 상기 빔은, 상기 빔을 회전시켜 상기 빔을 상기 작업면으로 반사하는 상기 반사기에 부딪치고; 그 후에 상기 빔은 상기 작업면에 대한 곡선 경로를 따라, 상기 작업면의 호(arc)를 추적하게 되며; 또한
상기 빔 보정기는 제 1 방향(x) 및 제 2 방향(y)에서의 곡률 보정을 갖는 상기 제 2 반사기 상의 반사면을 포함하는, 빔 디렉터.
빔 디렉터로서,
종축을 따라 빔 소스로부터 빔을 수신하기 위해 상기 종축을 중심으로 회전 가능한 회전식 제 1 반사기 - 상기 제 1 반사기는 상기 빔을 반사하기 위한 상기 종축에 대해 예각을 이루는 반사면을 포함함 -;
상기 종축을 중심으로 상기 제 1 반사기를 회전시킴으로써, 상기 제 1 반사기가 회전하여 상기 종축에 대해 일정한 각도로 상기 빔을 반사하도록 하기 위한 액추에이터;
상기 제 1 반사기를 둘러싸는 환형 제 2 반사기 - 상기 제 1 반사기의 중심은 상기 제 1 반사기의 상기 종축과 일치하고, 상기 제 2 반사기는 일정한 각도로 상기 제 1 반사기를 계속 향하며, 상기 빔을 작업면을 향하여 일정한 각도로 반사하도록 구성됨 -;
빔 치수들을 수정하기 위한 상기 제 2 반사기 상의 반사면을 포함하는 빔 보정기를 포함하며,
상기 빔이 활성화되고 상기 액추에이터가 상기 제 1 반사기를 회전시킬 경우, 상기 빔은, 상기 빔을 회전시켜 상기 빔을 상기 제 2 반사기로 반사하는 - 상기 제 2 반사기로 반사된 상기 광은 상기 제 2 반사기에 의해 상기 작업면으로 반사됨 - 상기 회전식 제 1 반사기에 부딪치고; 그 후에 상기 빔은 상기 작업면에 대한 곡선 경로를 따라, 상기 작업면의 호를 추적하게 되며; 또한
상기 제 1 반사기 및 상기 제 2 반사기의 상기 반사면들은 상기 빔 치수들을 제 1 방향(x) 및 제 2 수직 방향(y)에서의 원하는 치수로 변경하고;
상기 제 1 반사면은 제 2 평면 상에 놓인 제 2 곡선과 직교하는 제 1 평면 상에 놓인 제 1 곡선을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 평면들은 직교하고 상기 제 1 및 제 2 곡선들의 정점들이 상기 종축에서 만나고,
상기 제 2 반사기는 토릭면(toric surface)을 포함하고, 상기 토릭면은 아래의 수학식에 의해 표현되는 로컬 y 축에 평행한 축을 중심으로 함수 z(y)가 회전될 때 스위프 아웃되는(swept out) 표면이고:

상기 함수는 거리 1/Cx에서 회전되며 여기서 Cx는 xz 평면에서 원의 반경의 역수이고;
상기 회전된 함수 z(y)에 대하여 다항식 계수들이 더 높은 수준의 정의를 제공하며; 그리고
C는 상기 회전된 함수를 정의하는 곡률인, 빔 디렉터.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 반사기는 제 1 방향에서의 곡률(C1) 및 제 2 수직 방향에서의 곡률(C2)을 갖는 토로이달면(toroidal surface)을 포함하고;
상기 빔 소스는 토로이달 원점으로부터 거리 d이고, 상기 C1 표면을 따라 회전 가능하며; 그리고
상기 종축은 토로이달 수직축과 평행한, 빔 디렉터.
제 2 항에 있어서,
제 1 미러는 상기 종축으로부터 45도의 예각을 이루는 회전 플랫 미러(rotating flat mirror)를 포함하고,
상기 빔 소스는 상기 종축을 따라 위치되며, 이에 의해 상기 빔 소스는 상기 빔을 상기 제 1 반사기로 지향시키고 상기 제 1 반사기는 상기 빔을 상기 토로이달면으로 반사시키며, 이에 의해, 상기 빔은 아래의 수학식에 따라 활성화되고:

제 2 미러는 토로이달면을 포함하고,
V는 상기 토로이달의 정점이고,
C1은 zy 평면 상에 놓인 반경 R'을 가진 제 1 토로이달의 제 1 중심이고,
C2는 xy 평면 상에 놓인 제 2 토로이달 반경 r'에 대한 제 2 중심이고,
상기 빔 소스는 C1, V 및 C2를 연결하는 라인(line)에 수직하고,
상기 빔 소스의 광축은 C2 상에 존재하고,
상기 빔은 상기 제 1 반사기로부터 반사되어, 상기 빔 소스의 광축으로부터 거리 d에 있는 상기 토로이달면의 상기 제 2 반사기 M2에 부딪치고,
q는 상기 제 2 반사기 M2에서 상기 작업면의 점 I까지의 거리이고,
여기서 q = d+h이고, 삼각형 M2 C1 V의 각도는 θ이고,
R'은 아래의 수학식에 의해 계산되고:

r'은 아래의 수학식에 의해 계산되는:

빔 디렉터.
제 2 항에 있어서,
상기 제 2 반사기는 포물면을 포함하고,
상기 제 1 반사기는 쌍원뿔면(biconic surface)을 포함하며, 여기서 제 1 면은 구면(spherical surface)이고, 직교하는 제 2 곡면은 0 내지 -1 사이의 비구면 값(aspherical surface value)을 갖고, 피치가 약 45도인, 빔 디렉터.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 반사기는 구면, 및 비구면으로 구성된 제 2 표면을 포함하는 쌍원뿔면이고,
상기 비구면과 상기 구면은 정점에서 만나는, 빔 디렉터.
제 2 항에 있어서,
상기 제 2 반사기는 한 방향으로만 상기 빔을 집속시키도록 구성되며; 그리고
상기 한 방향은 논리 픽셀을 구성하는데 사용되는, 빔 디렉터.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 반사기는 제 1 포물면 및 제 2 구면을 포함하고,
상기 제 2 반사기는 제 2 포물면을 포함하고; 그리고
상기 제 1 면은 약 45도로 피칭되고,
상기 제 1 반사기의 정점은 P 부근에서 상기 제 2 반사기의 비축(off-axis) 부분을 향하고 있으며, 여기서 P는 상기 포물면 상의 상기 제 2 반사기의 집속점(focal point)인, 빔 디렉터.
제 8 항에 있어서,
상기 제 1 반사기 포물면은 상기 제 2 반사기 포물면과 실질적으로 동일한, 빔 디렉터.
제 2 항에 있어서,
상기 제 2 반사기는 원뿔면을 포함하고,
상기 제 1 반사기는 쌍원뿔면을 포함하고;
제 1 쌍원뿔면의 제 1 곡률은 제 2 쌍원뿔면의 제 2 곡률의 약 2배이고; 그리고
상기 제 1 면에 대한 비구면 값은 약 -0.8이고,
상기 제 2 면에 대한 비구면 값은 약 1이고,
상기 제 1 반사기는 ~45도의 예각으로 피칭(pitching)되어 있는, 빔 디렉터.
빔 디렉터로서,
종축을 따라 빔 소스로부터 빔을 수신하기 위해 상기 종축을 중심으로 회전 가능한 회전식 제 1 반사기 - 상기 제 1 반사기는 상기 빔을 반사하기 위한 상기 종축에 대해 예각을 이루는 반사면을 포함함 -;
상기 종축을 중심으로 상기 제 1 반사기를 회전시킴으로써, 상기 제 1 반사기가 회전하여 상기 종축에 대해 일정한 각도로 상기 빔을 반사하도록 하기 위한 액추에이터;
상기 제 1 반사기를 둘러싸는 환형 제 2 반사기 - 상기 제 1 반사기의 중심은 상기 제 1 반사기의 상기 종축과 일치하고, 상기 제 2 반사기는 일정한 각도로 상기 제 1 반사기를 계속 향하며, 상기 빔을 작업면을 향하여 일정한 각도로 반사하도록 구성됨 -;
빔 치수들을 수정하기 위한 상기 제 2 반사기 상의 반사면을 포함하는 빔 보정기를 포함하며,
상기 빔이 활성화되고 상기 액추에이터가 상기 제 1 반사기를 회전시킬 경우, 상기 빔은, 상기 빔을 회전시켜 상기 빔을 상기 제 2 반사기로 반사하는 - 상기 제 2 반사기로 반사된 상기 광은 상기 제 2 반사기에 의해 상기 작업면으로 반사됨 - 상기 회전식 제 1 반사기에 부딪치고; 그 후에 상기 빔은 상기 작업면에 대한 곡선 경로를 따라, 상기 작업면의 호를 추적하게 되며; 또한
상기 제 1 반사기 및 상기 제 2 반사기의 상기 반사면들은 상기 빔 치수들을 제 1 방향(x) 및 제 2 수직 방향(y)에서의 원하는 치수로 변경하고;
상기 제 1 반사면은 쌍원뿔면을 포함하고, 상기 쌍원뿔면은 제 2 평면 상에 놓인 제 2 곡선과 직교하는 제 1 평면 상에 놓인 제 1 곡선을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 평면들은 직교하고 상기 제 1 및 제 2 곡선들의 정점들이 상기 종축에서 만나고,
상기 제 2 반사기는 토릭면을 포함하고, 상기 토릭면은 z(y)에 의해 표현되는 로컬 y 축에 평행한 축을 중심으로 상기 함수 z(y)가 회전될 때 스위프 아웃되는 표면인, 빔 디렉터.
제 11 항에 있어서,
상기 제 2 반사기는 포물면 z(y)를 포함하고,
상기 제 1 반사기는 쌍원뿔면(biconic surface)을 포함하며, 여기서 제 1 면은 구면(spherical surface)이고, 직교하는 제 2 곡면은 0 내지 -1 사이의 비구면 값(aspherical surface value)을 갖고, 피치가 약 45도인, 빔 디렉터.
제 11 항에 있어서,
상기 제 2 반사기는 한 방향으로만 상기 빔을 집속시키도록 구성되며; 그리고
상기 한 방향은 논리 픽셀을 구성하는데 사용되는, 빔 디렉터.
제 11 항에 있어서,
상기 제 1 반사기는 제 1 포물면 및 제 2 구면을 포함하고,
상기 제 2 반사기는 제 2 포물면을 포함하고; 그리고
상기 제 1 면은 약 45도로 피칭되고,
상기 제 1 반사기의 정점은 P 부근에서 상기 제 2 반사기의 비축(off-axis) 부분을 향하고 있으며, 여기서 P는 상기 포물면 상의 상기 제 2 반사기의 집속점(focal point)인, 빔 디렉터.
제 11 항에 있어서,
상기 제 1 반사기 포물면은 상기 제 2 반사기 포물면과 실질적으로 동일한, 빔 디렉터.
제 11 항에 있어서,
상기 제 1 반사기는 제 1 포물면 및 제 2 구면을 포함하고,
상기 제 2 반사기는 원뿔면을 포함하고; 그리고
상기 제 1 면은 약 45도로 피칭되고,
상기 제 1 반사기의 정점은 P 부근에서 상기 제 2 반사기의 비축 부분을 향하고 있으며, 여기서 P는 상기 포물면 상의 상기 제 2 반사기의 집속점인, 빔 디렉터.
제 11 항에 있어서,
상기 제 1 반사기 포물면은 상기 제 2 반사기 포물면과 실질적으로 동일한, 빔 디렉터
제 11 항에 있어서,
상기 제 1 반사면은 xy 평면 상에 놓여 있으면서 약 45도 피칭된 평탄면(flat surface)을 포함하고,
상기 제 1 반사면은 xy 평면 상에 놓여 있으면서 약 45도 피칭된 평탄면을 포함하는, 빔 디렉터.
제 11 항에 있어서,
상기 제 1 반사면은 제 2 평면 상에 놓인 제 2 포물 곡선과 직교하는 제 1 평면 상에 놓인 제 1 포물 곡선을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 평면들은 직교하고 상기 제 1 및 제 2 곡선들의 정점들이 상기 종축에서 만나는, 빔 디렉터.
제 11 항에 있어서,
상기 제 1 반사면은 제 2 평면 상에 놓인 제 2 포물 곡선과 직교하는 제 1 평면 상에 놓인 제 1 포물 곡선을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 평면들은 직교하고 상기 제 1 및 제 2 곡선들의 정점들이 상기 종축에서 만나는, 빔 디렉터.
제 11 항에 있어서,
상기 제 2 반사기는 토릭면을 포함하고, 상기 토릭면은 로컬 y 축에 평행한 축을 중심으로 함수 z(y)=y가 회전될 때 거리 Cx에서 스위프 아웃되는 표면으로 구성되는, 빔 디렉터.
제 11 항에 있어서,
상기 제 2 반사기는 토릭면을 포함하고, 상기 토릭면은 로컬 y 축에 평행한 축을 중심으로 함수 z^2(y)=4*2*P*y^2가 회전될 때 거리 Cx에서 스위프 아웃되는 표면으로 구성되고,
여기서 P는 상기 함수의 집속점인, 빔 디렉터.
제 11 항에 있어서,
상기 제 2 반사기는 토릭면을 포함하고, 상기 토릭면은 로컬 y 축에 평행한 축을 중심으로 함수 z^2(y)+y^2=r^2가 회전될 때 거리 Cx에서 스위프 아웃되는 표면으로 구성되고,
여기서 r은 상기 구면의 반경인, 빔 디렉터.