[发明专利]使用旋转光学元件的高速高效率光学图案生成器

说明书

本申请是申请号为200480039511.9、申请日为2004年12月21日、发明名称为“使用旋转光学元件的高速高效率光学图案生成器”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明总体上涉及光学地生成图的图案，诸如点阵列或扫描线阵列。更具体地，本发明涉及使用多面旋转光学元件生成这种图案。

背景技术

点或扫描线的图案的光学生成用于很多应用。数字复印机、打印机、指纹识别、手持条形码扫描仪、工业应用、光影娱乐、显示、电信交换、以及医学应用是几个例子。或许用于生成图的图案的最普通的机构是倾斜反射镜(例如由检流计驱动的震荡反射镜)和来自旋转多面棱体的反射。

然而，基于倾斜反射镜的光学图案生成器典型具有不适合于某些应用的特征。例如，在这些系统中的扫描典型地通过前后倾斜反射镜而实现。然而前后移动需要反射镜停止然后反转方向。这花费时间，限制扫描速率。为了提高这些系统的扫描速率，反射镜经常以接近其共振频率的速率的震荡移动被驱动。然而，这严格限制了可以生成的图案。例如，由于反射镜移动被约束为震荡移动，因此很难生成不规则图案。近共振(near-resonance)的条件也限制了能够实现的扫描速率的范围。例如，由于在宽的范围上不能满足近共振的条件，因此很难在宽的扫描速率范围上调谐这种系统。如果期望获得二维图案(例如一系列平行扫描线或点的二维图案)，则典型地，要么在两个方向上同时倾斜单个反射镜，要么使用两个协同的倾斜反射镜。在很多情况下，使用诸如激光的光的效率也很重要。该效率可以定义为，与光源在给定时间期间所产生的总能量相比，处理表面上的所需图案中储存的能量的分数。如果图案与背景相比是稀疏的，优选地关断光源，并且快速在背景上扫描，接着当该光束已经安置在要曝光的该点之上时再将其接通，并且以在时间上有效地利用光源的方式来曝光该图案中的点。这需要一个能够加速、减速、以及快速安置的甚至更易响应的装置。这些特征的结果是，基于检流计的系统不适合高速图案生成，尤其是如果图案是不规则的或稀疏的图案。

在该旋转多面棱体方法中，三维多面棱体的侧面作为反射镜，并且多面棱体围绕中心轴旋转。随着每个反射侧面旋转通过入射光束，反射该光束以便生成扫描线上的点。每个反射的侧面旋转通过光束产生一条扫描线。如果所有的反射侧面都相同(例如，基于多面棱体制造相同的棱锥角)，则相同的扫描线一遍又一遍地画线(trace)。如果反射侧面不同，则随着每个侧面旋转通过光束，可以画出不同的扫描线。例如，通过改变每个侧面的棱锥角，反射光束可以画出一系列扫描线。

然而，旋转多面棱体方法也有不适合某些应用的缺点。例如，产生一系列扫描线的系统会由于旋转而遭受象差。为了画出一系列扫描线，每一侧面都具有不同的棱锥角，该棱锥角将基本扫描线在垂直于扫描方向的方向上偏移。然而，随着每一侧面旋转通过光束，有角度的侧面的方向也旋转。这会引起偏移量的变化和/或其他不希望的象差。一个例子是扫描线弓形。理想扫描线大体上是直线段，而实际扫描线经常是弧形段。弧形段的垂度是弓形。在旋转多面棱体扫描仪的情况下，具有非零棱锥角的侧面生成弓形扫描线。弓形弯曲的量取决于棱锥角。在使用不同棱锥角来画多条扫描线或在不同位置上生成点的光学多面棱体扫描仪中，不仅每条扫描线弓形弯曲，而且该弓形对于一条扫描线和下一条扫描线是不同的。最上方的扫描线的弓形和最下方的扫描线的弓形之间的差异会相当显著。

取决于具体应用，由旋转引起的扫描线弓形和其他效果可以引起其他问题。例如在一些应用中，扫描动作用于补偿扫描仪相对于目标的移动，使得即使扫描仪相对于该目标移动，光束仍理想地保持在目标的固定点上。在这种情况下，扫描线弓形将引起光束在垂直于扫描方向的方向上的移动。如果该移动与光束在目标上的停留时间相比很慢，则该弓形有效地引入在垂直方向上的不希望的移动。如果该移动与光束在目标上的停留时间相比很快，则该径向偏转的弓形在与未补偿的切线移动组合时，有效地模糊该光束，增加了该光束在目标上的点的大小。典型地，以上两种效果都是不期望的。

因而，需要一种可以高速运转的光学图案生成器，尤其用于生成不规则图案。还需要一种象差和/或模糊降低的图案生成器。

发明内容

本发明以几种方式克服了现有技术的局限性。在一个方面，一个或更多个多面旋转光学元件引入了对旋转不敏感的偏移。生成该偏移的部件围绕光学元件的旋转轴旋转对称。因而，随着光学元件旋转，偏移部件的效果不改变。