CN101984767B - 用于使零级减少的光学设计 - Google Patents

Abstract

一种投影图样的装置(10)，包括：第一衍射光学元件(DOE)(12)，被配置为衍射输入光束(20)，以便在表面(24)的第一区(22)产生第一衍射图样(23)，第一衍射图样包括零级光束(32)。第二DOE(14)，被配置为衍射零级光束，以便在表面的第二区(27)产生第二衍射图样(29)，所述第一区和第二区共同至少部分地覆盖表面。

Description

用于使零级减少的光学设计

技术领域

本发明总体涉及光学图样的产生，尤其涉及(但不排他性地)在利用了衍射光学元件的结构中的光学图样的产生，具体涉及，具有减小的非受控零级能量的光学图样的产生。

背景技术

图样的有效光学投影在各式各样的应用中被使用，所述应用如光学三维(3D)绘图。这种绘图通过处理目标表面的光学图像，产生目标表面的3D轮廓。投影图样的所需特性一般和应用相关，但通常包括高对比度，高投影效率和组成图样的投影细光束间强度分布的高均匀性。强度分布的均匀性可依照细光束峰值-均值功率比，即最强细光束强度和平均细光束强度的比值，来表示，其中，低比值对应高均匀性。

投影方法的低均匀度可能致使该投影方法不能在特定的应用中使用，所述应用如那些投影图样能被用户看见的应用。通常地，在这些情况中，眼部安全规程规定了每单位截面积的最大允许能量通量或在单个准直细光束中的最大允许能量通量。

可以使用衍射光学元件(DOE)来投影图样。然而，DOE会遇到所谓的零级问题。零级光束是入射光束中没有被投影装置衍射并从而继续穿过系统到达投影体积上的那部分光束。

Nakai的美国专利6,560,019——其公开内容以参引的方式纳入本文——描述了具有第一和第二光栅的衍射光学元件。在整个可见光光谱范围内，元件的衍射效率据称达到97％或更好。

Yamauchi等人的美国专利申请2007/0019909——其公开内容以参引的方式纳入本文——描述了一种图像显示设备，其包括衍射光学元件和一个第一“面”。该面设置在衍射光学元件发出的零级光没有入射到的位置处，图像由经过所述第一面的光来显示。

尽管有以上现有技术，改进的投影图样方法仍是有益的。

发明内容

在本发明的一个实施方案中，第一衍射光学元件(DOE)位于第二DOE附近。第一DOE衍射一个入射的输入光束以产生第一衍射图样，所述第一衍射图样中包括零级光束。第二DOE接收所述零级光束，并由其形成第二衍射图样。所述这两个衍射图样投影进一个体积内，使得，对于所述体积内的一个给定的表面，第一衍射图样和第二衍射图样覆盖所述表面的各自的第一区和第二区。通常，这两个区有效地平铺表面，尽管在区域之间会有相对小的间隙和/或重叠。

通常，第一区被界定在第一矩形和第一矩形内的较小的第二矩形之间。所述矩形相对于彼此对称地放置，具有公共的中心和平行的边，并且所述第一区对应于两个矩形之间的区域。所述第二区是由所述第二矩形界定的区域。或者，这些区可以由非矩形形状界定，一个区在另一个区内。

通过使用两个DOE，来自第一DOE的零级光束被有效地抵消——其中通过使所述的来自第一DOE的零级光束被用于产生第二衍射图样。相应地，在这两个区上测量的峰值-均值功率比通常显著地减少——相比于使用一个DOE的系统而言。

两个DOE的组合允许该DOE被配置成使得衍射图样的产生可以在DOE之间展开。这样的分散式的产生也被称为两个DOE的分布式设计。因为零级光束被第二DOE使用，分布式设计允许产生第一DOE的零级光束的非受控能量分量大幅度减少的整体衍射图样。换句话说，本发明的实施方案利用并使用的是在现有技术系统中通常被认为是不合需要的特性，即零级光束中的过多能量。

相应地，和使用单个DOE产生衍射图样的效率相比，本发明的分布式设计产生的衍射图样通常具有增强的整体效率。除此之外，在一些将会在下面详细描述的实施方案中，分布式设计系统产生的光束的对比度通常大于单个DOE产生的光束的对比度——因为两个DOE所要求的更小的偏离角。

在一个替代实施方案中，第一衍射图样包括一些基本准直的光束。通常，第一DOE是达曼光栅。第二DOE用作图样产生器，以衍射每一个光束，形成各自的衍射图样。在替代实施方案的分布式设计中，每一个衍射图样投影到一个表面的各自的区以便至少部分地覆盖所述表面，并且所述区可以平铺所述表面。替代地或除此之外，衍射图样投影进一些填充了一预定体积的子体积内。一般说来，尽管所有的图样产生器可以在单个DOE上制造，但第一衍射图样的不同光束不需要经过相同的图样产生器。第一衍射图样的光束的每一束均可以被适当地引导经过第二DOE对应的区。因此，在这个实施方案中产生的平铺可以相同，也可以不同。

在一个进一步的替代实施方案中，DOE形成包括零级光束的衍射图样，并且，放置干涉滤光器以接收零级光束。干涉滤光器被配置成阻挡以阻挡方位角入射到干涉滤光器上的辐射的窄带阻滤光器，以及使以阻挡角之外的角度入射的辐射通过。放置并确定滤光器方向，以便零级光束以阻挡角入射到滤光器上。除了零级光束之外的衍射图样的光束和滤光器形成不同于阻挡角的角度，并因此透过滤光器。少了零级光束的衍射图样，因此透过滤光器以便投影进一个预定体积内，并且/或者投影到一个表面的预定区上。

尽管上述实施方案特别涉及衍射光学元件，本发明的原理可以替代地用于包含折射元件的系统，并尤其适用于包含折射元件和衍射元件的系统。

因此根据本发明的一个实施方案，提供用于投影图样的装置，包括第一衍射光学元件(DOE)，该第一衍射光学元件被配置成衍射输入光束以便在表面第一区上产生第一衍射光学图样，所述第一衍射光学图样包括零级光束。第二DOE被配置以衍射所述零级光束，以便在所述表面的第二区上产生第二衍射光学图样，以使所述第一区和所述第二区共同至少部分地覆盖所述表面。

在一个公开的实施方案中，第二DOE包括光学作用区(opticallyactive region)，其被配置以接收所述零级光束；以及非光学作用区，其被配置以使不包含所述零级光束的第一衍射图样透过。通常，所述第一区和所述第二区平铺所述表面。

根据本发明的一个实施方案，还提供了用于投影图样的装置，该装置包括第一衍射光学元件(DOE)，该第一衍射光学元件被配置成衍射输入光束以便产生多个分立的输出光束。第二DOE被配置以将衍射效应用于所述的多个分立的输出光束，以便在表面各个区产生各自的多个衍射图样，使得各个区共同至少部分地覆盖所述表面。

根据本发明的一个实施方案，此外还提供了用于投影图样的装置，该装置包括衍射光学元件(DOE)，所述衍射光学元件被配置成衍射具有一个波长的输入光束，以便产生包括零级光束的衍射图样。窄带滤光器调谐到输入光束的波长并相对于DOE定位，以便使不包含所述零级光束的衍射图样入射到一个表面的一个区上。

滤光器可以包括干涉滤光器或光栅。

根据本发明的一个实施方案，进一步提供用于投影图样的方法，所述方法包括使用第一衍射光学元件(DOE)衍射输入光束以便在一个表面的第一区上产生第一衍射光学图样，所述第一衍射光学图样包括零级光束。所述零级光束被第二DOE衍射，以便在所述表面的第二区上产生第二衍射光学图样，以使所述第一和第二区共同至少部分地覆盖表面。

根据本发明的一个实施方案，再提供了用于投影图样的方法，该方法包括使用第一衍射光学元件(DOE)衍射输入光束，以便产生多个分立的输出光束。使用第二DOE将衍射效应用于所述多个分立的输出光束，以便在一个表面的各个区产生各自的多个衍射图样，以使得各个区共同至少部分地覆盖表面。

根据本发明的一个实施方案，还提供了用于投影图样的方法，包括使用衍射光学元件(DOE)衍射具有一个波长的输入光束，以便产生衍射图样，所述衍射图样包括零级光束。窄带滤光器调谐到输入光束的波长并相对于DOE定位，以便使不包含所述零级光束的衍射图样入射在所述表面的一个区上。

通过下面详细的描述，并结合附图，将会更全面地理解本发明，在附图中：

附图说明

图1A是根据本发明的实施方案的光学装置的示意侧视图，图1B是示出了通过根据本发明的实施方案的装置被投影到一个平面上的那些区的示意图。

图2是根据本发明的实施方案的另一个光学装置的侧视图。

图3A是根据本发明的实施方案的替代的光学装置的侧视图，图3B是示出了通过根据本发明的实施方案的替代的装置被投影到一个平面上的那些区的示意图。

图4是根据本发明的实施方案的又一个替代的光学装置的示意图。

具体实施方案

在说明书和权利要求中，假设，一个平面的一个区的平铺(tiling)包括无明显重叠和无明显间隙地填充该区的多个平面图或多个块的组合。

现参照图1A和图1B，图1A是根据本发明的一个实施方案的光学装置1O的侧视图，图1B是示出了装置10所投影到的区的示意图。装置10包括第一衍射光学元件(DOE)12和第二DOE14。举例来说，在下面的描述中，假设DOE12和DOE14基本彼此平行，间隔距离为“d₁”。然而，两个DOE并不需要相互平行，并且相互之间可以以任何方便的角度排列。在装置10中，举例来说，假设DOE12和DOE14将在单个透明光学元件16的第一和第二表面上形成。在替代实施方案中，DOE12和DOE14可以在分立的光学元件上形成。尽管DOE12和DOE14是透射元件，但下面描述的本实施方案和其他实施方案的原理也可以使用反射DOE或者透射DOE和反射DOE的组合来实施——只要加以必要的变更。

光束产生器18——通常是激光器——产生具有波长λ₁的光学输入光束20。通常，例如在光束产生器18包括多模激光器的情况中，光束20具有椭圆截面。在一些实施方案中，光束20也可以具有圆形截面。光束20可以是准直的或非准直的，并且在非准直情况中，非准直度，也即，光束的发散或收敛度，通常被配置以便来自非准直光束中的不同部分的衍射级不会重叠。下文中，举例来说，假设光束20是准直光束。

如下面更详细地加以描述的，DOE12和DOE14产生各自的衍射图样，每个图样包括大量光束。

元件16被放置为便于DOE12接收光束，举例来说，假设DOE12近似和光束垂直。DOE12含有光学作用部分(optically active portion)17，该光学作用部分被配置成和光束20的横截面相对应。光学作用部分17也被配置为使得，由光束20通过元件12而形成的整体衍射图样21包括投影到元件远场的第一衍射图样23和零级光束32。第一衍射图样23将一个相应的第一衍射图样22I投影到一个平面24的一个区22上。(虽然，为了图解的方便和清晰，图1A和图1B的实施方案涉及衍射图样在一个具体平面上的投影，但在实际中，图样被投影到一个体积内，如随后的图中所示的，这个体积对着平面24。)举例来说，在下文中，假设第一衍射图样包括一组分布式光点30，每个光点对应DOE12的一个衍射级光束。在一个实施方案中，DOE12产生大约10⁶个的衍射级。这些衍射级光束中有大约10⁵个的衍射级被用于产生光点，剩余的衍射级光束被抑制。

然而，可以理解，第一衍射图像22I可不包括明显的光点，并可以，例如，包括强度相似或强度不同的一组线、一个具有一个或多个强度呈梯度分布的区域的图像，或一个包括了光点、线和/或强度呈梯度分布的多个区域的组合的图像。

第一衍射图样23的投影经过DOE14的非光学作用(opticallyinactive)透明部分31，以便第一衍射图样23基本不被所述部分31改变。图1B示意性地示出了一组光点30。所述光点通过DOE12形成，作为平面24的区22上的衍射图像22I。

举例来说，在下文中，假设区22有作为外部界限的矩形26和作为内部界限的矩形28，两个矩形有共同的中心。因此，区22实际上是“环形”区，具有中心区域27，其中中心区域27没有从DOE12形成的衍射图样。区22的环形形式是衍射图样23以中空圆锥或棱锥为形式的结果。然而，对于区22，没有必要是这种特殊的环形，并且通常，区22可以是任何方便的环形区。因此，区22通常包括在平面24中心区27内的基本任何形状的空间，其中没有形成来自DOE12的衍射图样。在一个实施方案中，矩形26所对着的最大的平面角——即由矩形的角对着主零级光束32所成的角度，大约是30°。

除了形成上述第一衍射图样，被衍射的光束20的一些能量作为基本未偏射的零级光束32离开DOE12。光束32通常由DOE12的制造的限制引起的，但是通常可以至少部分地配置进DOE的设计和制造中，以便可以在零级光束中提供足够的能量。为了区分零级光束32和稍后的由装置10产生的零级光束，光束32此处也称作主零级光束32。主零级光束32具有和光束22的横截面大致相似的横截面。

DOE14被配置成在该DOE的光学作用部分33接收光束32，并从该光束形成整体衍射图样39，图样39包括投影进元件14的远场的第二衍射图样29和零级光束37。设计DOE14以使DOE14产生的第二衍射图样在中心区域27上投影第二衍射图像27I，并通常填充中心区域。对区域27进行填充时，第二衍射图像27I和第一衍射图像22I之间的任何间隙或重叠通常很小，以使两个衍射图样共同覆盖平面24的部分25。在一个实施方案中，图像间的任何间隙或重叠是图像中的较小图像的最大线性尺寸的大约0.1％，或者更小。例如，如果图像27I小于图像22I，并有最大为100mm的尺寸，则两个图像之间的间隙或重叠为大约是0.1mm。因此，区22和27至少部分地覆盖部分25，并且可以被配置以有效地平铺部分25。

零级光束37，此处也称作次零级光束37，基本不偏离由主零级光束32限定的方向。光束37投影为光点37I，近似在区27的中心。

举例来说，矩形28对着的最大平面角——即由矩形的角对着次零级光束37所成的角，通常大约为10°。

虽然上面的描述使用平面角表示第一和第二衍射图样的尺寸，可以理解，尺寸也可以分别由第一和第二衍射图样所对着的第一立体角和第二立体角的形式表达。

对于上述第一衍射图样23，光束32的总能量通量通常大约是光束20入射能量通量的5％。对于上述第二衍射图样，次零级光束37的总能量通量通常大约是主零级光束的总能量通量的1％。因此，次零级光束的总能量通量小于光束20的总能量通量的0.1％，并且通常大约为光束20的总能量通量的0.05％。次零级光束的减少的能量通量致使在所述两个区上测量的衍射细光束的峰值-均值功率比明显减少——相比于使用一个DOE的系统而言。

两个衍射图样除了在基本平铺部分25的区上形成图像外，在一些实施方案中，两个衍射图样通常被配置为使得分布在部分25上的衍射图像的总体强度分布是大体均匀的。

为了获得在上述部分25上的平铺以及整体均匀的强度分布，下面的DOE 12和DOE14的相互依赖的参数可以变化：

·光束20的波长λ₁；

·第一衍射图样的外立体角和/或内立体角；

·主零级光束的能量通量；

·第二衍射图样的立体角；

·次零级光束的能量通量；

·几何因素，如光束20的尺寸和两个DOE之间的距离d₁；

·光学作用部分33的尺寸；

上述参数的相互依赖关系对于本领域的普通技术人员而言是明显的。例如，随着给定衍射图样立体角的增加，各衍射图样零级光束的能量通量倾向于增加。这些参数以及其他相关参数的选择，通常采用本领域已知的用于将DOE设计为相位掩膜的方法。例如，DOE可使用盖师贝格-撒克斯通(Gerchberg-Saxton)迭代算法或它的一个变形来设计。替代地或除此之外，标准软件或定制软件可被用作设计DOE，例如，出版在“Phase Retrieval Algorithms：A Comparison”J.R.Fienup，Applied Optics 21，2758-2769(1982年8月1日)中的设计方法。

在一些实施方案中，DOE12和DOE14被配置为使得上述平铺效应的应用基本独立于输入光束波长λ₁的改变。对衍射图样上的波长改变效应的解释在下面参照装置160(图3A和图3B)给出。本领域普通技术人员能够将该解释应用于，波长λ₁的改变对装置10中的平铺效应的影响——只要加以必要的变更。

不要求在部分25上的总体强度分布是均匀的，并且在一些实施方案中，两个不同衍射图样间的强度可以有相对大的变化。这种变化的一个例子在下面参照图3A和图3B描述。

图2是根据本发明另一个实施方案的光学装置110的侧视图。一些在装置10(图1A和图1B)和装置110中使用的元件具有大致相同的功能，并且在装置10和装置110中相同参考数字表示的元件在结构和操作上大致相似。装置10被配置成将衍射图样投影到体积102中。

装置110包括第一DOE112和第二DOE114，除了下文描述的之外，假设DOE112和DOE114的操作和配置如同上面描述的装置10中的DOE 12和DOE14。因此，举例来说，假设DOE112和DOE114相互平行，间隔距离“d₄”，并且将形成在单个透明光学元件116的第一和第二表面上。

如同装置10，在装置110中，光束20假设为例如是已准直的。

元件116被放置为便于DOE112接收光束20并且使DOE112与光束近似垂直。DOE12有光学作用部分117，其在尺寸上和光束20的截面积相应。部分117被配置为使得，由光束20通过元件112而形成的整体衍射图样121包括第一衍射图样123。图样123有着与图样23大致相同的特性，并通常包括准直光束，或聚焦在体积102中各个区的光束，所述光束是由光束20的衍射形成的不同衍射级。图样123因此投影到近似为截断过的棱锥形125中，125含有在体积102内的空的中央区127。图样121也包括有着和零级光束32的特性大体相同的特性的主零级光束132，且其近似沿着近似为截断过的棱锥形125的对称轴。

第一衍射图样123的投影经过DOE114的非光学作用透明部分131，以便第一衍射图样123基本不被部分131改变。

DOE 114也被配置成在该DOE的光学作用部分133接收光束132，并从该光束形成整体衍射图样139，图样139包括第二衍射图样129和次零级光束137。DOE14被设计为使得第二衍射图样129把从部分133出射的光束投影进中心区127，以及形成近似为截断过的棱锥形129，其通常填充该区。DOE 114通常被配置为使得出射的光束可以在体积102中准直或聚焦。然而，可行的是，第二衍射图样129可在该体积中的至少一些平面重叠棱锥形125，这些重叠由阴影区141指示。(为了清晰起见，图2没有示出，因发生这种重叠而需要对描述总体衍射图样139的线所做的改变)。主零级光束132和次零级光束137通常具有类似于对装置10的光束32和光束37所描述的能量通量。

因此，装置110能形成复合衍射图样143，其包括投影进体积102中的第一衍射图样123和第二衍射图样129。如同装置10，通过使用两个DOE，第二DOE从第一DOE的零级光束中形成衍射图样，装置110有效地产生复合衍射图样，使得在次零级光束中不想要的能量很少。

对装置10和装置110的运行的考虑表明，组合衍射图样的不同部分通过在两个DOE之间分布所要求的衍射效应而产生。这样的分布，或分散，此处也被称作两个DOE的分布式设计。本发明的分布式设计使得能够产生如下的整体衍射图样：该整体衍射图样减少了第一个DOE的零级光束的不受控的能量部分，因为所述分布式设计使用所述零级光束形成一部分所需的衍射图样。

图3A是根据本发明的一个实施方案的光学装置160的侧视图，而图3B则是示出了由装置160投射到平面163上的多个区的示意图。在装置10和装置160中使用的一些元件具有大致相同的功能，并且在装置10和装置160中用相同数字指示的元件在结构和操作上大致相同。

在装置160中，光束产生器18产生输入光束162，光束162和光束20大体相同，其波长为λ₂。装置160包括第一DOE164，该第一DOE164也被称作主DOE164，其在该DOE的光学作用区161中接收光束162。区161的形状被配置成和光束162的截面相对应。装置也包括第二DOE166，该第二DOE166也被称作次DOE166。举例来说，在下面的描述中，假设DOE164和DOE166相互间基本平行，间隔距离“d₂”。然而，两个DOE并不需要相互平行，并且相互之间可以以任何方便的角度排列。举例来说，假设DOE164和DOE166在一个透明元件168的两个相对表面上形成。然而，在一些实施方案中，DOE164和DOE166可以在分立的光学元件上形成。

和装置10不同的是，主DOE164被配置为产生离开DOE的大量近似准直的相对窄光束174。DOE164可有利地被形成为达曼光栅。在一个实施方案中，DOE164被配置以便光束174以对称的光点172图样与垂直于输入光束162的虚平面170相交。在图176中示出了这样的对称图样的一个实施例，其中光点172位于平铺了平面170的一部分的多个全等矩形的角上。对于本领域的普通技术人员显而易见的是，可以从DOE164的出射光产生其他多种对称光点图样的实施例，这些实施例被包括在本发明的范围内。在其他实施方案中，形成在平面170上的光点172的图样是部分对称或部分不对称的。例如，上述全等矩形的对称图样可以失真以便矩形的角变成非矩形四边形的角，例如在出现枕形失真时，该失真可由DOE164产生。通常，光束174中的一个光束相对于输入光束162基本不偏离，等价于DOE164的零级光束。

主DOE 164通常被形成为使得光束174具有近似相等的能量通量和大致相同的截面。如同装置10，主DOE 164可被配置为使得，对应于零级光束的光束174中的总能量，包括由于制造限制存在的能量，有个期望的值。

次DOE166被配置成在各光学作用区169接收光束174。区169从每个光束形成各个整体衍射图样184。因此，和装置10不同的是——在装置10中，次DOE衍射一个从主DOE中接收的零级光束——在装置160中，次DOE有效地衍射大量从主DOE中接收的光束174。

由各光束174产生的每个衍射图样184通常具有相对窄的立体角，并包括各个零级光束180——其在此处也被称作各次零级光束180。在一个实施方案中，每个衍射图样184，——以垂直于其光束180来度量——具有失真的矩形截面，失真通常包括枕形失真。每个次零级光束180的能量通量通常为各光束174能量通量的大约1％或更小，并且每个次零级光束在平面163上形成光点180I。如果每个光束174有近似相同的能量通量，并且如果有15个光束174，则每个次零级光束180的能量通量是输入光束162能量通量的0.07％或更小。

假设每个衍射图样184在垂直于输入光束162的平面163的部分178的区185上投影各自的衍射图像185I。区185在形状上相互间大体相似，并近似地以各自的光点180I为中心。在一个实施方案中，区185是由上述的枕形效应而失真的矩形。DOE 164和DOE166被配置为使得，区185，以及相应的图像185I覆盖部分178。通常，区185几乎或完全没有重叠，以便所述区近似地平铺部分178。在一些实施方案中，大致如上面对装置10的描述，由次DOE166产生的衍射图像185I可以包括一些光点，每个光点对应DOE的一个衍射级。然而，DOE166可以被配置以产生其他衍射图像，如上述参照装置10描述的其他图像。在一些实施方案中，DOE 164和DOE 166被配置以便分布在部分178上的图像185I的总体强度分布是大体均匀的，并且在相邻图像185I之间几乎或完全没有明显的分隔。如同装置10，不要求图像185I的强度分布是大体均匀的，并且在一些实施方案中，低强度图像185I和高强度图像185I之间的强度比可以大约是1∶2。

在本发明的一些实施方案中，DOE164和DOE166被配置以便上述的平铺效应的发生基本独立于输入光束162的波长λ₂的任何变化。如果DOE164包括达曼光栅，则λ₂的增大或减小影响相应的光束174和输入光束所成的角度的增大或减小。这种角度的变化可以通过使区169形成为足够大以便接收不同角度的光束来加接受。除此之外，随着λ₂的增大或减小，衍射图样184的立体角有相应的增大或减小。这两个效应共同作用，并趋于保持上述平铺效应，光束174角度变化可被衍射图样184立体角的变化补偿。补偿随着距离d₂的减小而增大，从而对于较小的d₂值，波长d₂变化时，近似的平铺基本被保持，如果d₂有效地是零，则精确地保持。

上面的描述给出了DOE164和DOE166是如何以分布式设计进行配置，以在平面163上投影预期的图像。然而，在实际中，图像投影进一个体积中，如图3A所示的体积187，并且照明任何呈现在体积内的表面，如平面163或非平的表面。每一个衍射图样184投影进体积187的各个子体积189内，子体积通常完全填充体积187。为清晰起见，在图3A中仅显示两个子体积189。

正如在之前的实施方案中，图3A和图3B的实施方案的原理可以使用其他DOE结构来实施。例如，在光路中，元件166和164的顺序可以相反。替代地或除此之外地，至少一个DOE可以是反射的，而不是图中所示透射的。

图4是根据本发明的一个实施方案的光学装置200的示意图。在装置10和装置200中使用的一些元件具有大致相同的功能，在装置10和装置200中用相同参考数字指示的元件在结构和操作上大致相同。

在装置200中，光束产生器18产生输入光束102，其和光束20大致相似，且其具有波长λ₃。装置200包括DOE204，在一个实施方案中，DOE204被定向为垂直于光束202，并且DOE204在该DOE的光学作用区210接收光束，该光学作用区的尺寸和光束的横截面相对应。尽管可以方便地配置装置200以使得DOE204垂直于光束，但并不要求光束和DOE是垂直的。装置还包括光元件(OE)208，其与DOE204分立安装，安装在可调支架205中。

区210形成总的衍射图样214，其一般为圆锥或棱锥形的，并包括零级光束216。

0E208被配置为陷波滤光器，其被调谐以能够除去波长λ₃。在一些实施方案中，陷波滤光器包括窄带阻干涉滤光器。这些实施方案使用窄带阻干涉滤光器的角度选择特性。因此，当辐射是以给定的标称入射角度入射到滤光器上时，被配置为除去波长λ₃的辐射的滤光器能有效地去除辐射。滤光器透射以标称入射角度以外的角度入射的波长λ₃的辐射。

在其他实施方案中，OE208包括光栅型陷波滤光器，如体积全息光栅(VHG)或体积布拉格光栅(VBG)。(体积全息光栅例如在美国专利5,691,989中描述，此公开内容以参引的方式纳入本文，并且该体积全息光栅可从加利福尼亚Monrovia的Ondax公司获取)。

OE208通常被配置以具有和光束202的线宽相同的带阻线宽。因此，如果产生器18是一个产生具有1nm半高宽度(FWHM)的光束的激光二极管，OE208被配置成，对于被选择的标称入射角，具有相同的FWHM。在一些激光器配置中，光栅元件，如VHG，被用作激光器腔的输出耦合器，将陷波反射回腔中，并因此将激光器锁定在此波长处。同样类型的第二光栅元件可被用作OE208。该元件可以精确地锁定该激光器波长处的衍射图样的零级。

在操作中，支架205可以旋转，以调整OE218，以便OE吸收零级光束216基本所有的能量。通常，在调整之后，零级光束和OE208形成与被选择的标称入射角度相近的角。一旦被调整，OE208透过衍射图样214中的基本所有剩余能量，因为衍射图样(没有零级光束)对着OE208的角度不同于零级光束所对着的角度。在一些实施方案中，一旦调整了OE208，将会通过在光学领域熟知的方法将OE208加固到DOE204以形成一个复合光学元件，并且移除支架205。

DOE204和OE208被配置，以便衍射图样214投影进预定体积224中，大致如上面针对装置110所描述的。作为替代，所述两个元件被配置以便衍射图样214在平面222的区220上形成衍射图像220I。衍射图像通常和上面参照装置10描述的一个或多个图像类似。

尽管上面的描述假设DOE204和OE208形成在不同的元件上，在一些实施方案中，DOE和干涉滤光器可以在单个透明元件的相对表面上形成。对于单个元件情况，两个相对表面可以配置成相互平行，也可以不平行。在这些实施方案中，单个元件通过将其相对于光束202旋转来调整，以便吸收零级光束216的基本所有能量。

替代地，在反射结构中，OE208被陷波滤光器(notch-pass filter)替换，陷波滤光器被调整，以允许零级光束通过陷波滤光器同时将衍射图像的剩余部分反射入期望的体积中。

应理解，上述实施方案的元件可以结合在一起形成本发明的其他实施方案。例如，与装置200(图4)中描述的干涉滤光器的相类似的干涉滤光器可以加在装置10(图1A)的DOE14后面，以便将次零级光束37中的能量基本变成零，而基本不影响衍射图样23和29。也可以在装置110的DOE114之后进行类似的添加。其他有利的结合对于本领域的普通技术人员是明显的。

因此，可以理解，上述实施方案以举例的方式被纳入，并且本发明并不限于上面已经被特别显示和描述的内容。恰恰相反，本发明的范围包括上述不同特征的组合和子组合，也包括本领域技术人员在阅读前面描述的并且未在现有技术中公开过的内容后，所能实现的变形和修改。

Claims (10)

1.一种投影图样的装置，包括：

第一衍射光学元件，被配置为衍射输入光束，以便在一个表面的第一区上产生第一衍射图样，所述第一衍射图样包括零级光束；以及

第二衍射光学元件，包括：

光学作用区，其被配置以接收所述零级光束且衍射所述零级光束，以便在所述表面的第二区上产生第二衍射图样；以及

非光学作用区，其被配置以使不包含所述零级光束的第一衍射图样透过，

使得所述第一区和所述第二区共同至少部分地覆盖所述表面。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一衍射光学元件和所述第二衍射光学元件形成于一个光学元件上。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一衍射光学元件和所述第二衍射光学元件形成于分立的光学元件上。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二衍射图样包括另一个零级光束，并且其中所述的另一个零级光束的能量通量小于所述输入光束能量通量的0.1%。

5.根据权利要求1-4中任一个所述的装置，其中，所述输入光束有一个输入光束波长，并且其中所述第一衍射光学元件和所述第二衍射光学元件被配置为使得所述第一区和所述第二区独立于所述输入光束波长至少部分地覆盖所述表面。

6.根据权利要求1-4中任一个所述的装置，其中，所述第一衍射图样形成第一衍射图像，所述第一衍射图像包括所述第一区上的第一组第一光点，其中，所述第二衍射图样形成第二衍射图像，所述第二衍射图像包括所述第二区上的第二组第二光点。

7.根据权利要求1-4中任一个所述的装置，其中，所述第一衍射图样和所述第二衍射图样中的至少一个形成一个包括了一组线和强度呈梯度分布的区域两者中的至少一个的衍射图像。

8.根据权利要求1-4中任一个所述的装置，其中，所述第一区和所述第二区平铺所述表面。

9.根据权利要求1-4中任一个所述的装置，其中，所述第一区被第一矩形和小于所述第一矩形的第二矩形界定，所述第一矩形和所述第二矩形具有共同的中心，其中所述第二区被所述第二矩形界定。

10.一种投影图样的方法，包括：

以第一衍射光学元件衍射输入光束，以便在一个表面的第一区上产生第一衍射图样，所述第一衍射图样包括零级光束；以及

以第二衍射光学元件衍射所述零级光束，所述第二衍射光学元件包括：

光学作用区，其被配置以接收所述零级光束以便在所述表面的第二区上产生第二衍射图样；以及

非光学作用区，其被配置以使不包含所述零级光束的第一衍射图样透过，

以使得所述第一区和所述第二区共同至少部分地覆盖该表面。

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