DE69735733T2

DE69735733T2 - System zum Fokusieren eines Lichtstrahls

Info

Publication number: DE69735733T2
Application number: DE69735733T
Authority: DE
Inventors: George A. Holtsville Plesko
Original assignee: Symbol Technologies LLC
Current assignee: Symbol Technologies LLC
Priority date: 1996-05-13
Filing date: 1997-05-13
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2017-05-14
Also published as: EP0904578A1; US6233098B1; EP0904578B1; EP1426897A1; EP1426897B1; US5886332A; EP0904578A4; DE69733711T2; DE69735733D1; WO1997043731A1; DE69733711D1

Description

In einem Strahlenscanner streicht ein kleiner Lichtpunkt rasch über ein Ziel hinweg. Nach der Reflektion von dem Ziel detektiert ein photoelektrischer Konvertierer, wie beispielsweise eine Photodiode das reflektierte Licht und konvertiert es in ein elektronisches Signal, das Merkmale des Ziels repräsentiert. Um die Merkmale des Ziels erfolgreich aufzulösen, ist es notwendig, dass die Punktgröße ungefähr der Größe des kleinsten Merkmals des Ziels entspricht oder kleiner ist.
Ein Strichcodeleser ist eine wichtige gewerbliche Anwendung für Strahlenscanner und wird hierin als ein typisches Beispiel einer speziellen Anwendung der vorliegenden Erfindung bezeichnet.
In typischen Strichcodescannern werden optische Komponenten, wie beispielsweise Sammellinsen und Blendenöffnungen vor eine Lichtquelle, wie beispielsweise eine Laserdiode, platziert, wodurch der Strahl veranlasst wird, zu einem kleinen Punkt zusammenzulaufen, und zwar ungefähr einige Zoll (1 Zoll ≈ 2,54 cm) von der Quelle weg. Die dichtesten Strichcodes, solche mit den engsten Strichen und Abständen, sind am besten auflösbar, wenn der Strahlenpunkt die geringsten Querschnittsdimensionen besitzt. Dieser schmale Bereich wird manchmal als die Strahlentaille bezeichnet.
Der Entfernungsbereich, über den die dichtesten Codes mit einer Linse mit konstanter Brennweite bzw. einer Fixfokuslinse aufgelöst werden kann, ist relativ kurz. Beispielsweise Strichcodeziele mit 0,127 mm (5 Milli-Zoll; 0,005 Zoll) breiten Strichen und Abständen sind nur über eine Entfernung von 2,54 oder 5,08 mm (1 oder 2 Zoll) auflösbar, wenn die Taille etwa 15,24 cm (6 Zoll) von der Laserquelle entfernt gelegen ist. Es wird wahrgenommen, dass derartige Leser einen sensiblen „sweet spot" besitzen, wenn sie versuchen, dichte Codes zu lesen.
Über die Strahlentaille hinaus, wo der Strahl auseinandergeht, ist es nur möglich, breitere Striche und Abstände aufzulösen. Es ist jedoch für tragbare Scanner sehr wünschenswert, eine längere effektive Tiefenschärfe für die dichten 0,127 mm und 0,1778 mm (5 und 7 Milli-Zoll) Strichcodes zu besitzen.
In der US-A-5,371,347 wurden einige Verfahren zum Vergrößern der Tiefenschärfe eines Strahlenscannstrichcodelesers beschrieben. Eines dieser Verfahren setzt die Verwendung eines beweglichen Linsensystems ein, das elektrisch fokussiert werden kann und ein anderes setzt ein nicht-abbildendes, konisches optisches Element ein, um einen Strahl vorzusehen, der über eine bestimmte Entfernung schmal ist und dann über diese Entfernung hinaus rasch divergiert bzw. auseinandergeht.
US-A-4,816,660 beschreibt die Verwendung einer herkömmlichen Öffnungsblende, um die Tiefenschärfe eines Laserstrichcodelesers zu erhöhen. Die Öffnungsblende besitzt dahingehend Nachteile, dass sie einen wesentlichen Teil der Laserstrahlkraft verschwendet, um die vergrößerte Tiefenschärfe zu erlangen und erfordert das präzise Anbringen zahlreicher Teile einschließlich einer separaten Sperrwand, die ausgerichtet mit und beabstandet von einer separaten Linse ist, wodurch ein voluminöses System gebildet wird.
Wenn der Strahlenpunkt sich nicht bei seiner geringsten Größe bei einem bestimmten Abstandsbereich befindet, wird es für Fixfokussysteme schwierig oder unmöglich, ein dichtes Strichcodeziel aufzulösen.
US-A-5,438,187 beschreibt Linsen mit zusammengesetzten Oberflächen, d.h. unterschiedlichen Krümmungen auf einer einzelnen Linsenoberfläche, um simultan Licht bei unterschiedlichen Abstandspunkten zu fokussieren. Dieser Ansatz ist schwierig zu implementieren, da die Herstellung derartiger Linsen kompliziert ist, selbst wenn diese aus Kunststoff geformt bzw. gegossen werden. Das Fokussieren derartiger Linsen ist ebenfalls komplex und führt zu mühsamen Kompromissen. Die Signalverarbeitung wird auch aufgrund des verringerten Signal-Rausch-Verhältnisses beeinträchtigt, das mit simultanem Zuweisen von Licht zu Bereiche Regionen verbunden ist. (Licht, das nicht im Fokus für einen Bereich ist, kann besonders das Rauschen zwischen Brennpunkten vergrößern.)
Ferner wird hinsichtlich des Standes der Technik aufmerksam gemacht auf US-A-4,783,155, US-A-4,781,445, US-A-4,859,041, US-A-5,066,301, US-A-5,331,143, und US-A-4,818,886.
US-A-4,783,155 offenbart eine optische Vorrichtung mit einer variablen optischen Oberfläche. Die optische Vorrichtung wird vorgesehen durch die Kombination eines elastischen Körpers und eines relativ starren Glieds, das eine Öffnung besitzt und angeordnet ist, um den elastischen Körper zu kontaktieren, um einen Teil der Oberfläche des elastischen Körpers freizulegen. Der freigelegte Oberflächenteil bildet eine variable optische Oberfläche, deren Form durch Deformieren des elastischen Körpers verändert wird, um die Brennweite zu variieren.
Die Patent Abstracts of Japan, Band 1995, Nr. 05, JP-A-07 049404 und US-A-5,574,598 offenbaren eine Linse mit variabler Brennweite, deren variable Brennweite beispielsweise durch ein elektrisches Signal gesteuert werden kann und geeignet ist zur Verwendung in Strichcodelesern etc. Eine Linse mit variabler Brennweite weist eine erste Druckkammer auf, die zwischen einem Glassubstrat und einem lichtdurchlässigen elastischen Film definiert wird. Der lichtdurchlässige elastische Film weist zu der Oberfläche des planaren Glassubstrats, das parallele Oberflächen mit einem dazwischen eingebauten Abstandshalter besitzt, um die erste Druckkammer vorzusehen. Eine Pumpe ist benachbart zu der ersten Druckkammer über einen Verbindungspfad zum Laden einer Betriebsflüssigkeit in die erste Druckkammer von einer zweiten Druckkammer der Pumpe durch elektrisches Deformieren des lichtdurchlässigen elastischen Films vorgesehen, um eine Linse zu bilden, die eine variable Brennweite besitzt. Der lichtdurchlässige elastische Film besitzt eine derartige Filmdickenverteilung, um eine sphärische Ebene in ihrem Mittelteil sowie eine gekrümmte Oberfläche dritter Ordnung in ihrer Peripherie vorzusehen. Auf diese Weise kann eine aberrationsfreie Linse erhalten werden, wenn eine Flüssigkeit in die erste Druckkammer gespeist wird, um eine sphärische Ebene zu bilden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung sieht eine vergrößerte Tiefenschärfe bei optischen Systemen, wie beispielsweise Strahlenscannern vor, während sie die Anzahl der Teile und die erforderliche Komplexität verglichen mit Systemen des Standes der Technik reduziert. Eine vereinfachte Anbringungs-, Verpackungs- und Anpassungserfordernis werden mit gewöhnlichen Strukturen kombiniert, wodurch die Produktionskosten und Raumerfordernisse niedrig gehalten werden.
Verschiedene Ausführungsbeispiele dieser Strukturen werden mit einem neuartigen Fluid- oder Gellinsenmechanismus kombiniert, um eine stufenlos einstellbare Brennweite zu bewirken, wodurch eine minimale Punktgröße über eine breite Spanne geliefert wird, um die Scannbereichstiefe signifikant über Scanner des Standes der Technik hinaus zu erweitern, und zwar mit wenig verschwendetem Licht und gleichzeitiger Energieeinsparung.
Die vorliegende Erfindung löst effektiv die Probleme des Erhöhens der Auflösung über einen langen Arbeitsbereich, während sie die Vorteile der geringen Größe, des niedrigen Verbrauchs und geringer Kosten vorsieht, die allesamt wertvolle Merkmale bei tragbarer Ausrüstung sind. Die Signalverarbeitung von Lichtsignalen erfolgt ebenfalls deutlich direkter, was einfachere Signalverstärkungs- und -konditionierungsschaltungen für die Signale von dichten bzw. entfernten Zielen erfordert.
Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf ein Linsensystem zum Fokussieren eines Lichtstrahls gerichtet, wie es in Anspruch 1 definiert ist. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden. Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtstrahlfokussiersystems gemäß Anspruch 17 gerichtet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Sammellinse, die einen engen Taillenbereich in dem Strahl einer Laserlichtquelle erzeugt.
2 zeigt wie eine Öffnungsblende verwendet wird, um einen Strahlenquerschnitt kleiner zu machen, während Strahlkraft geopfert wird, um die Tiefenschärfe zu erhöhen.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und wie dieses eine erweiterte Tiefenschärfe erzeugt, ohne Strahlkraft zu opfern.
4 zeigt eine durchsichtige bzw. transparente Platte mit einem Loch in ihrer Mitte und einen durchscheinenden bzw. lichtdurchlässigen Umfangsbereich zur Streuung von ungewolltem Licht.
5 zeigt eine transparente Platte mit einem Loch in ihrer Mitte, zwei Stufen zur Erzeugung unterschiedlicher Brennpunkte und einen lichtdurchlässigen Bereich zur Streuung von Licht.
6 zeigt wie eine Fensterplatte wie die der 3 zwei Brennzonen erzeugt und ungewolltes Licht streut.
7 zeigt wie ein Mehrzonenbrennsystem in einem Strichcodescannsystem beinhaltet werden kann.
8a zeigt eine durchscheinende, Licht streuende Linsenoberfläche mit einem klaren, nicht streuenden Teil, der wie ein Schlitz geformt ist.
8b zeigt eine durchscheinende, Licht streuende Linsenoberfläche mit einem klaren, nicht streuenden Teil, der wie eine Ellipse geformt ist.
8c zeigt eine weitere durchscheinende, Licht streuende Linsenoberfläche mit einem zentralen, klaren, nicht streuenden Teil und einem lichtundurchlässigen Punkt in ihrer Mitte.
8d zeigt eine weitere durchscheinende, Licht streuende Linsenoberfläche mit einer Zonenplattenbehandlung auf ihrer Oberfläche.
9 zeigt eine herkömmliche Linse mit einem durchscheinenden Bereich auf ihrer Oberfläche und einer Lichtquelle dahinter.
10A zeigt eine Ansicht der Stirnfläche einer Linse mit einem ringförmigen Lichtstreuungsbereich und einem kreisförmigen klaren Bereich in der Mitte.
10B zeigt wie eine Linsenoberfläche behandelt werden kann, um einen äußeren durchsichtigen Bereich und einen rechteckigen klaren Bereich in der Mitte aufzuweisen.
11A zeigt eine Gradientenindexlinse (gradient Index lens) mit abgeschrägtem bzw. gefastem Boden auf einer ihrer Stirnflächen, um ungewolltes Umfangslicht zu streuen.
11B zeigt eine Gradientenindexlinse mit einer elliptischen oder runden klaren Mittelfläche, die von einem durchscheinenden Lichtstreuungsbereich umgeben ist.
11C zeigt eine Gradientenindexlinse mit einer rechteckigen klaren Mittelfläche, die von einem durchscheinenden Lichtstreuungsbereich umgeben ist.
11D zeigt eine Gradientenindexlinse mit einem behandelten Mittelbereich, der durchscheinend oder undurchsichtig sein kann, und zwar umgeben von einem konzentrischen klaren Bereich, der auf eine ihrer Stirnflächen aufgetragen ist.
11E zeigt eine weitere Gradientenindexlinse, auf die eine Zonenplattenmusterbehandlung auf eine ihrer Stirnflächen aufgetragen ist.
12 zeigt einen Lichtquellenhalter, der mit einem Linsenhalter und einem Fokussiermechanismus vereinigt ist.
13 zeigt einen Lichtquellenhalter, der ebenfalls als ein Linsenhalter dient, und stellt dar, wie der Fokussiermechanismus die Linse bewegt.
14 zeigt wie eine preisgünstige Flüssigkeitstropfenlinse gebildet wird.
15 zeigt die fertiggestellte Flüssigkeitstropfenlinse, die mit dem Halter vereinigt ist, der verwendet wird, um sie zu formen.
16 zeigt wie die Flüssigkeitstropfenlinse und der Halter an einer Lichtquelle angebracht werden können.
17 zeigt eine Querschnittsansicht der Flüssigkeitstropfenlinse und des Halters, die an der Lichtquelle angebracht sind.
18 illustriert die Grundstruktur einer fluidischen Linse.
19 zeigt eine Lichtquelle, eine befestigte anbringbare Primärlinse mit ihrer Fokussiervorrichtung und eine elektrisch fokussierbare Sekundärgellinse, die alle in einem einzelnen Gehäuse vereinigt sind.
20 zeigt ein weiteres Beispiel einer Lichtquelle, einer befestigen Primärlinse, einer Vorrichtung zum Bewirken eines ersten Brennpunkts der Lichtquelle und einer piezoelektrisch fokussierbaren Sekundärgellinse, die alle in einem einzigen Gehäuse vereinigt sind.
21 zeigt das System der 19 vereinigt mit einem Strahlenscanner und einem photoelektrischen Konverter, um einen Strichcodeleser zu bilden.
22 zeigt ein tragbares Datenerfassungssystem, das die Komponenten der vorliegenden Erfindung zum Scannen von Strichcodes mit einem Handrasterverfahren verwendet.
23 zeigt ein Scannsystem mit einem reflektierenden Streifen oder einem Photoresist behandelten Spiegel zum Formen eines Strahls.
24a zeigt eine oberflächenmontierbare Scannvorrichtung zum Scannen eines Strahls.
24b zeigt eine weitere Ansicht einer oberflächenabringbaren Scannvorrichtung.
24c zeigt ein dünnes oberflächenmontierbares Scannelement mit einer einheitlichen Struktur.
25A zeigt eine tragbare Informationserfassungsvorrichtung mit Speicher- und Informationsverarbeitungsfähigkeit und ein dünnes Scannmodul.
25B zeigt eine vergrößerte Ansicht des dünnen Scannmoduls mit der Scannvorrichtung der 24a und eine behandelte Linse.
26 zeigt eine akustische Betätigungsschaltung.
27a zeigt einen akustischen Sensor.
27b zeigt wie ein akustisches Sensorelement direkt an einer Leiterplatte zur Kleinstraumanbringung angebracht ist.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Während die folgende Beschreibung sich auf einen Strichcodeleser und die zu lesenden Gegenstände, die als Strichcodeziele bezeichnet werden, bezieht, sollte erkannt werden, dass die Erfindung auf andere Informationsauslesevorrichtungen und Ausrüstung anwendbar ist, die Strahlenkonditionierung und Lichtfokussierung, wie sie hierin offenbart ist, erfordert. Demgemäß bezieht sich der Ausdruck Ziel, wie er hierin verwendet wird, nicht nur auf einen Strichcode, sondern auf irgendeinen Gegenstand, der optisch unterscheidbare Merkmale besitzt, die Detektion und Unterscheidung erfordern, und der Ausdruck Signal kann irgendein elektronisches oder optisches Signal darstellen, das Zielinformation trägt.
Wie in 1 gezeigt, erzeugt eine Lichtquelle, wie beispielsweise ein Halbleiterlaser 1 einen Lichtstrahl, der von der Quelle S ausstrahlt, der durch eine Sammellinse 2 fokussiert wird. Das Licht von der Quelle S konvergiert im weiteren Verlauf zu einem Bereich, der als Strahlentaille 3 bekannt ist, die der Bereich der größten Leistungskonzentration oder -intensität des Strahls ist. In dem Taillenbereich besitzt der Lichtstrahl seinen kleinsten Querschnitt. Auf diese Weise ist in der Nähe der Strahlentaille 3 die höchste Auflösung erhältlich und das feinste Zieldetail ist auflösbar. In der Praxis ist der Strahl derart geformt, um graduell zu konvergieren und divergieren, um einen brauchbaren Tiefenschärfenbereich R zum Strichcodelesen zu erzeugen.
Nun auf 2 Bezug nehmend, wird, wenn eine Blendenöffnung 9 und eine Blende 8 vor die Sammellinse 2 platziert werden, der weit divergierende Teil des Strahls, verkörpert durch Strahl 10a, durch die Blende 8 blockiert, während der weniger divergierende Strahlenteil, wie durch Strahl 11 gezeigt, durch die Blendenöffnung 9 hindurchgeht. Das Ergebnis ist, dass sich der Strahl 11 ungehindert im weiteren Verlauf bewegt, während Strahl 10a (der dem gepunkteten Pfad gefolgt wäre, wenn die Blende 8 nicht vorhanden gewesen wäre) 10b blockiert wird. Wenn keine Öffnungsblende in dem System der 2 verwendet werden würde, dann würde der brauchbare Bereich, in der die Strahlengröße klein genug wäre, um ein Strichcodeziel aufzulösen, durch die Reichweite R dargestellt werden. Jedoch aufgrund der Verwendung der Öffnungsblende 8 wird der Bereich, in der die Punktegröße brauchbar ist, relativ länger sein, wie durch R' dargestellt. Die Verwendung der Blendenöffnung führt jedoch dazu, dass Licht verschwendet wird. Dies geschieht natürlich in Übereinstimmung mit bekannten Prinzipien der geo metrischen Optik, der Gauss'schen Strahlengeometrie und der Blendenöffnungstechniken.
Aperturfenster mit lichtstreuender Oberfläche
Sich nun der 3 zuwendend, ist ein lichtdurchlässiges Fenster 14 mit einer Apertur bzw. Öffnung 15 und einem durchscheinenden Umfangsbereich 23 gezeigt. Der durchscheinende Bereich 23 fungiert zum Streuen (im Gegensatz zum Fokussieren) des Lichts von der Quelle S. Das lichtdurchlässige Fenster besitzt eine Dicke T und einen Brechungsindex N > 1. Das lichtdurchlässige Aperturfenster 14 ist zwischen der tatsächlichen Lichtquelle S und der Sammellinse 2 gelegen. Während es höchst erwünscht ist, kein Licht von der Quelle zu verschwenden, ist es bekannt, dass der Aufweitungswinkel von Licht von Laserdiodenlichtquellen um einige Grad von einer Einheit zur anderen variieren kann. Um gleichbleibende Ergebnisse zu erhalten ist es erwünscht, Licht zu beseitigen, das von der Quelle mit einem Winkel abweicht, der größer als ein zulässiger Höchstwert ist. Dies kann bewerkstelligt werden, indem ein durchscheinender lichtstreuender Bereich 23, wie in 3 (und auch in 6) gezeigt, hinzugefügt wird, um das ungewollte übermäßig abweichende Licht am Erreichen des Ziels zu hindern.
Immer noch auf 3 Bezug nehmend, bündeln sich Strahlen, die von der Quelle S emittiert werden, wie beispielsweise die Strahlen 16a und 16b, die mit Winkeln abweichen, die klein genug sind, um durch die Öffnung 15 zu passieren, bei Punkt f1 nach dem Hindurchgehen durch die Sammellinse 2. Strahlen, wie beispielsweise 17a und 18a, die ebenfalls von der Quelle S emittiert werden und mit einem Winkel abweichen, der zu groß ist, um durch die Öffnung 15 zu passieren, gehen andererseits durch das Fenster 14 und erfahren ein Brechung. Diese stärker abweichenden Strahlen tauchen entlang Pfaden auf, die durch die Strahlen 17b bzw. 18b verkörpert werden. Nach dem Hindurchgehen durch die Sammellinse 2 konvergieren Strahlen, wie beispielsweise 17b und 18b in der Nähe des Punkts f2 im weiteren Verlauf gemäß den Prinzipien der geometrischen Optik. Demgemäß wird der resultierende Strahl bei Laserlicht als Quelle S zwei Taillenbereiche bilden, die charakteristisch für Gauss'sche Strahlen sind. Aufgrund der Brechung verhalten sich die Lichtstrahlen, die durch das Brechungsfenster 14 hindurchgehen, wie beispielsweise die ursprünglichen Strahlen 17a und 18a, als ob sie von zwei unterschiedlichen Quellenpunkten ausgegangen seien, nämlich S und S'. S' stellt einen virtuellen Quellenpunkt dar, der dichter an der konvergierenden Linse 2 ist als der tatsächliche Quellenpunkt S. Der Abstand X zwischen den Quellenpunkten S und S' in Luft entspricht (N – 1)T/N, wobei N dem Brechungsindex des strahlenbrechenden Materials entspricht, das verwendet wird, um das Fenster 14 zu bilden, und T dessen Dicke ist. Dies kann gemeinsam mit den bekannten Formeln für die Bildposition verwendet werden, um ähnliche Fensterelemente mit gewünschtem Brennbereich zu konstruieren.
Die Lage der virtuellen Quelle S' ist unterschiedlich von der Lage der tatsächlichen Quelle S, da während Teile des Strahls durch Medien mit unterschiedlichen Brechungsindices hindurchgehen, unterschiedliche optische Pfadlängen erzeugt werden. Jegliche Anzahl an optischen Pfaden kann in dieser Art und Weise erzeugt werden und wenn Strahlen von den verschiedenen Pfaden durch ein konvergierendes optisches Element passieren, wie beispielsweise eine Sammellinse 2, werden Strahlen von unterschiedlichen Quellen bei unterschiedlichen Punkten im weiteren Verlauf konvergieren. Da dieses System nicht eine einzelne Brennweite besitzt, ist es inhärenter Weise eine nicht abbildende Strahlenkonditionierungsvorrichtung.
In dem in 3 gezeigten System, ist die Öffnung 15 kleiner gemacht, so dass nur ein geringer Teil des Lichts durch diese für nahe Ziele hindurchgeht und eine wesentlich größere Lichtmenge durch den klaren Teil des durchscheinenden Substrats 14 zum Fokussieren bei entfernten Zielen durchgelassen wird, während die meisten abweichenden Strahlen durch Bereich 23 gestreut werden, was einen noch besseren Arbeitsbereich bewirkt. Das durchscheinende Fenster 14 kann aus Glas oder einem Kunststofffilm hergestellt sein. Die Öffnung 15 kann durch Ätzen oder Bohren eines Lochs in das Fenster 14 gebildet sein. Der Lichtstreuungsbereich 23 kann durch Mattieren, Schleifen oder Ätzen von einer oder beider Seiten des Fensters 14 gebildet werden.
Immer noch auf 3 Bezug nehmend, wird vorzugsweise, da der Anteil des Lichts, der von den entfernten Zielen zurückgesendet wird weitaus geringer sein wird als der Anteil, der von den nahen Zielen zurückgesendet wird, mehr Licht den Entfernten zugewiesen und im weiteren Verlauf fokussiert. Der geringere Anteil des Lichts, der auf die nahen Ziele fokussiert ist, wird leicht in der Nähe detektiert, aber ist unscharf für entfernte Ziele und besitzt für diese einen insignifikanten Effekt auf den Lichtsignaldetektor. Alternativ ist das Licht, das den entfernten Zielen zugewiesen ist, noch nicht schart, um die nahen Ziele aufzulösen, und erzeugt daher keine gut modulierten Impulse, wenn es über die nahen Ziele hinweg streicht, erzeugt aber scharfe Impulse beim Hinwegstreichen über die Entfernten, und wird dadurch detektiert. Auf diese Weise wird das Problem dynamischer Entfernungen durch variierende Lichtintensität über große Entfernungen verbessert, während eine kleine Punktgröße sowohl in der Nähe als auch im weiteren Verlauf vorgesehen wird. Die Digitalisierung der scharten elektronischen Hochgeschwindigkeitsimpulse, die mit Mehrzonenstrahlformungselementen erzeugt werden, wird vorzugsweise mit Schaltungen erreicht, die ausgelegt sind, um auf abrupte Variationen bei den reflektierten Lichtsignalen anzusprechen, die durch Licht erzeugt werden, das über ein Ziel hinweg gestrichen wird. Ein Differentiator, ein automatischer Schwundausgleich (AGC = Automatic Gain Control), ein elektronischer Filter, sowie Mikroprozessorschaltungen werden vorzugsweise eingesetzt, um die erforderliche Signaldiskriminierung und -verarbeitung zu bewerkstelligen.
Linse mit integralem durchscheinendem Bereich zum Streuen von Licht
Sich jetzt der 9 zuwendend wird ein alternatives Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem der durchscheinende Lichtstreuungsbereich 23 direkt auf die Oberfläche der Linse 2 aufgebracht wurde. Nur das Licht, das durch den klaren Teil der Linse 2 passiert, wird effektiv auf dem Zielbereich bei Punkt f1 fokussiert und peripheres, stark divergierendes Licht geht durch den Bereich 23 hindurch und wird weggestreut. Der Lichtstreuungsbereich 23 kann durch Anlegen eines mattierten Bandes bzw. Streifens, von Farbe oder Ähnlichem auf die Außenoberfläche der Linse 2 gebildet werden. In einem bevorzugten Modus wird der Lichtstreuungsbereich 23 als ein integraler Teil der Oberfläche der Linse 2 gebildet. Die Fertigung des durchscheinenden Bereichs 23 als Teil der Linse spart Anbringungsraum, verringert die Komponentenzahl und die Ausrichtung, die mit dem Anbringen eines diskreten Teils verbunden ist. Es wird durch Fachleute erkannt werden, dass derartige lichtdurchlässige Bereiche 23 ebenfalls auf eine Linse auf andere Arten und Weisen angelegt werden können, die kosteneffektiv sind. Beispielsweise kann ein mattierter Bereich 23 auf eine Linsenoberfläche mittels Schleifen, Sprühen, Abstrahlen oder Aufdampfen auf die Linsenoberfläche aufgebracht werden. Dieser kann entweder auf eine oder auf beide Seiten der Linse und in verschiedenen Formen, wie beispielsweise einer rechteckigen Form (in 10B gezeigt), einer runden Form (in 10A gezeigt), einer elliptischen Form usw. angelegt werden, um Strahlen, die durch die Linse 2 hindurchgehen, verschiedene Profile zu geben. Die Bereiche 323 und 324 in den 10A und 10B stellen vorzugsweise klare Bereiche auf der Linsenoberfläche dar, und die schattierten Bereiche 23 und 322 in diesen Fig. stellen Bereiche auf der Linsenoberfläche dar, die behandelt wurden (beispielsweise durch Abschleifen oder Ätzen), um Licht zu streuen. Alternativ können die schattierten Bereiche 23 und 322 in 10A und 10B Bereiche auf der Linsenoberfläche darstellen, die lichtundurchlässig gemacht wurden, um Licht am Hindurchgehen durch einen Teil der Linse zu hindern, und in noch weiteren Ausführungsbeispielen können die Bereiche 23 und 322 Bereiche auf der Linsenoberfläche darstellen, wo Photoresistmaterial abgelagert und/oder gefärbt wurde.
Das direkte Anwenden einer lichtdurchlässigen Behandlung auf bestimmte Linsenarten, liefert, wie unten gezeigt wird, große Vorteile, nicht nur in der Verbesserungen der Tiefenschärfe, sondern auch in der Raumersparnis, der Anbringbarkeit, dem Fokussieren, der Montage in Miniaturvorrichtungen, der Herstellung der Linse selbst, sowie der Verringerung der Komponentenzahl (insbesondere im Vergleich zu Blendenöffnungen des Standes der Technik, die besondere lichtundurchlässige Komponenten und Anbringungskomponenten erfordern).
8c und 8d zeigen Lichtstreuungsoberflächen 124 anderer Formen, die um die klaren Bereiche einer Linsenoberfläche angelegt werden können. Insbesondere zeigt 8c einen durchscheinenden Bereich 124, der einen klaren Bereich 127 mit einem lichtundurchlässigen oder diffusen kreisförmigen Punkt 126 (oder recht eckigen etc.) in der Mitte umgibt, um eine Fresnelschen Beugungseffekt bzw. eine Zonenplattenbehandlung zu ergeben. Die 8a und 8b zeigen eine klare Linsenoberfläche 14 mit entweder einer rechteckig geformten Öffnung 120 oder einer elliptisch geformten Öffnung 122. Jede der in 8a, 8b, 8c und 8d gezeigten Behandlungen erzeugen nützliche Strahleneigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung.
Das Ausführungsbeispiel der 8C ist besonders einfach und nützlich. Der durchscheinende Bereich 124 streut das ungewollte Licht und liefert auf diese Weise eine bessere Tiefenschärfe für die Linse, auf die dieser angelegt wird. Der mittlere Punkt 126 (der lichtundurchlässig sein kann, um Licht abzublocken, oder durchscheinend, um Licht zu streuen), erzeugt aufgrund der Beugung im weiteren Verlauf einen hellen Punkt. Dieser helle Punkt aufgrund der Beugung kann an einer anderen Stelle gelegen sein als der Punkt, der durch die strahlenbrechenden Effekte erzeugt wird. Zwei Arbeitsbereiche können auf diese Weise erzeugt werden, die ausgelegt sein können, um sich gegenseitig zu überlappen, um den Arbeitsbereich auszudehnen.
Behandlung zur direkten Anwendung auf Linsen
Gradientenindexlinsen oder GRIN-Linsen, wie sie manchmal bezeichnet werden, sind klein und fokussieren Licht mittels eines radialen Brechungsindexgradienten anstatt der Verwendung gekrümmter Flächen wie herkömmliche Linsen. Ein chemischer Diffusionsvorgang wird verwendet, um diese Linsen herzustellen, und sie werden mit einem effektiven Durchmesser spezifiziert, der geringer ist als ihr mechanischer Durchmesser. Der äußere Glasteil einer Gradientenindexlinse ist über ihren kleineren effektiven Durchmesser hinaus unzuverlässig oder in seinen strahlenbrechenden Eigenschaften für Fokussierungszwecke unerwünscht. Gradientenindexlinsen werden oft mit einem zylindrischen Körper und flachen Stirnflächen hergestellt, Merkmalen die für die Anbringung und Ausrichtung vorteilhaft sein können. Es wurde entdeckt, dass derartige Gradientenindexlinsen weiter modifiziert werden können, um die Lichtstrahlformung zu verbessern, wie im Folgenden beschrieben wird.
Sich der 11A zuwendend, ist eine Gradientenindexlinse 320 mit einem abgefasten Rand 321 umgeben von einem klaren Mittelbereich 326 gezeigt. Die Abfasung ist in dem gezeigten Beispiel nicht poliert und wird daher Licht streuen, wodurch das Erfordernis beseitigt wird, eine separate Blendenöffnungskomponente anzubringen. Die geschliffene Fase 321 streut auch das Licht, das durch den unzuverlässigen äußeren strahlenbrechenden Teil der Linse 320 hindurchgeht. Auf diese Weise wird eine Einfachheit beim Zusammenbau und der Anbringung ebenso wie eine Verringerung der Komponentenzahl erreicht. Derartig modifizierte Linsen können in einem ultrakompakten Scannmodul angebracht werden, wie beispielsweise dem in 25B gezeigten. Da Gradientenindexlinsen typischerweise flache Enden besitzen, kann ein behandelter Teil auf den flachen Enden durch selektives Abdecken eines flachen Endes mit Photoresist, chemisch beständigem Band oder Film und dann Ätzen mit Fluorwasserstoffsäure oder ihrem Dampf gebildet werden. Es ist ebenfalls herausgefunden worden, dass Gradientenindexlinsenoberflächen selektiv mattiert werden können (um darauf Lichtstreuungsoberflächen zu bilden), und zwar indem die Gradientenindexlinsenoberflächen den Dämpfen von Cyanacrylat-Kleber ausgesetzt werden. In einigen Fällen kann die Maske oder eine Photoresistbeschichtung, die beim Bilden der Lichtstreuungsoberfläche verwendet wird, vorteilhafter Weise darauf nach dem Aussetzen mit UV-Licht und Entwicklung belassen werden.
11B und 11C zeigen Gradientenindexlinsen mit durchscheinenden Lichtstreuungsbereichen 327 und 329, die ovale bzw. rechteckige klare Bereiche umgeben, wodurch wiederum das Erfordernis separater Blendenöffnungskomponenten beseitigt wird. Eingestanztes mattiertes Band oder Schleifverfahren können auf die flachen Oberflächen der Gradientenindexlinsen angewandt werden, um diese Lichtstreuungsgeometrien zu erreichen. Da es bevorzugt ist, Teile und Schritte wann immer es möglich ist zu beseitigen, werden direkte Schleif- oder Photolithographieverfahren bevorzugt. Das Aufbringen von flüssigem Photoresist auf die Oberfläche von Gradientenindexlinsen (oder anderen herkömmlichen Linsen) macht das Aufbringen anspruchsvoller Muster auf deren Oberflächen, wie beispielsweise einem in 11E gezeigten Zonenplattenmuster, möglich.
Die Bereiche 326 und 329 in den 11B und 11C stellen vorzugsweise klare Bereiche auf der Linsenoberfläche dar, und die schattierten Bereiche 327, 328, 330 und 332 in den 11B-11D stellen Bereiche auf der Linsenoberfläche dar, die behandelt wurden (z.B. durch Schleifen oder Ätzen), um Licht zu streuen. Alternativ können die schattierten Bereiche 327, 328, 330 und 332 Bereiche auf der Linsenoberfläche darstellen, die lichtundurchlässig gemacht wurden, um Licht am Hindurchgehen durch einen Teil der Linse zu hindern, und in noch anderen alternativen Ausführungsbeispielen können die Bereiche 327, 328, 330 und 332 Bereiche auf der Linsenoberfläche darstellen, wo ein Photoresistmaterial abgelagert, durch eine Maske UV-Licht ausgesetzt, entwickelt und dann teilweise entfernt und/oder gefärbt wurde, um optische Streuung, Blockierung und/oder Abschwächung zu erreichen. In noch weiteren alternativer Ausführungsbeispielen können die Bereiche 327, 328, 330 und 332 Bereiche auf der Linsenoberfläche darstellen, wo eine klare Photoresistschicht verbleibt, die eine klare Stufe auf der Linsenoberfläche zwischen beispielsweise den Bereichen 326 und 327 bildet, was zu einer Zweizonenplatte führt, die die gleichen optischen Eigenschaften besitzt, wie beispielsweise die in 3 und 4 gezeigten Vorrichtungen. In noch weiteren alternativen Ausführungsbeispielen können die behandelten Bereiche 327, 328, 330 und 332 auf der Oberfläche der Linse positioniert sein, die benachbart zu der Lichtquelle S positioniert ist.
Muster können in die Linsenoberfläche geätzt werden, nachdem das Photoresist belichtet und entwickelt wurde, aber es ist nicht immer notwendig, den Ätz- oder Entfernungsschritt auszuführen. Das Resistmuster kann einfach auf der Linse nach der Entwicklung gelassen werden. Wenn jedoch das Photoresist belichtet wird, um einen kleinen offenen Bereich auf der Oberfläche einer Gradientenindexlinse zu bilden, kann die resultierende Struktur eine lichtdurchlässige Stufe für die Mehrzonenfokussierung bilden, die in der Art und Weise der Vorrichtung der Fensterplatte 14 der 3 und 4 funktioniert. Alternativ kann das entwickelte Resist gefärbt werden, um einen Lichtabsorbierbereich zu bilden oder um eine Appodisierbehandlung zu erzeugen. Photoresist vom KPR-Typ kann beispielsweise blau gefärbt werden und die gefärbten Bereiche werden den Durchlass von nicht blau em Licht abschwächen, dessen Durchlass verzögern, es phasenverändern oder Ähnliches, wodurch die übertragene Strahlenform modifiziert wird. Wenn das Resist nicht gefärbt sondern einfach entwickelt wird, können Ringe erzeugt werden, die bei geeigneter Größe und Beabstandung, Beugungseffekte erzeugen werden, um Formeigenschaften an einen Strahl abzugeben, der durch das Muster hindurchgeht. In der Tat ist es bekannt, dass Hologramme mit Photoresist gebildet werden können und diese können auf diese Weise auf derartige Linsen aufgebracht werden.
In ihrem Artikel, der in den Physical Review Letters, Band 58, Nr. 15, S. 1499 erschienen ist, beschreiben J. Durnin, J.J. Miceli Jr. und J.M. Eberly wie beugungsfreie Strahlen unter Verwendung eines Ringmusters wie dem der 11 D erzeugt werden können. Derartige Strahlen behalten einen geringen Durchmesser über eine lange Entfernung bei und sind daher bei den hierin beschriebenen Strahlenscannausführungsbeispielen sehr nützlich.
Flüssigkeitstropfenlinsen
Die Herstellung einer kostengünstigen Flüssigkeitstropfenlinse mit integraler Fassung ist in 14 dargestellt. Eine Düse 350 gibt ein Tröpfchen eines Flüssigharzes 352 ab. Wenn das Tröpfchen groß genug ist, fällt es durch die Schwerkraft auf eine Schale 340, die flüssigkeitsbegrenzende Oberflächen 347 und 348 besitzt. Die flüssigkeitsbegrenzenden Oberflächen 347 und 348 sind erhabene Oberflächen auf der Schale 340, die durch ein Loch 349 getrennt sind. Das Tröpfchen fließt dann auf die Oberfläche 347 und benetzt diese, wobei ein Teil des Tröpfchens durch das Loch 349 und auf die untere Oberfläche 348 fließt, wodurch die Oberfläche 348 benetzt wird. Die begrenzenden Oberflächen 347 und 348 begrenzen die Ausbreitung der Flüssigkeit. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Oberflächen 347 und 348 kreisförmig (und erhaben), so dass die Oberflächenspannung des Flüssigharzes die Bildung sphärischer Oberflächen 344 bzw. 346 veranlasst, wie in 15 gezeigt. Da es die Aufgabe der Oberflächen 347 und 348 ist, die Ausbreitung der Flüssigkeit zu begrenzen, wenn das Tröpfchen auf die Schale 340 aufgetragen wird, könnten in alternativen Ausführungs beispielen die Oberflächen 347 und 348 andere Gestalten und Formen annehmen, wie beispielsweise becherartige Oberflächen, die ihn ähnlicher Weise dazu dienen, um die Ausbreitung der Flüssigkeit zu begrenzen, wenn diese ursprünglich auf die Schale aufgetragen wird.
Während der gewöhnlichen Herstellung der Tropfenlinse gemäß der vorliegenden Erfindung legt die Schwerkraft die Richtung des Flüssigkeitsstromes fest und beeinflusst den Grad der sphärischen Gestalt der gekrümmten Linsenoberflächen 344 und 346. Merkmale der Aufbaugeometrie, wie beispielsweise des Volumens des Lochs 349 und der Bereich der Oberflächen 347 und 348 bestimmen die letztendliche Form der in 15 gezeigten Linse. Die Wirkungen der Schwerkraft, der Tröpfchengröße und der Oberflächenspannung werden dazu neigen, asphärische Linsenoberflächen mit kreisförmiger Symmetrie mit zunehmender Tröpfchengröße zu bilden.
Die auf diese Weise gebildete flüssige Linse wird letztendlich ausgehärtet, um ein beständiges optisches Bauteil zu erzeugen. Bestimmte flüssige Polymere beinhalten Agenzien, die es ermöglichen, dass das Harz bei Aussetzung mit ultraviolettem Licht (UV-Licht) ausgehärtet wird. Zum Beispiel stellt die Master Bond Inc. aus Hackensack, N.J., ein Polymersystem her, das als EP21TDC-7 bezeichnet wird, das optisch transparent bzw. lichtdurchlässig ist, einen Brechungsindex nahe dem von Glas besitzt und mit UV-Licht zu einer harten Masse innerhalb von Sekunden ausgehärtet werden kann. Wenn die Schale 340 aus lichtdurchlässigem bzw. durchscheinendem Material gebildet wird, wird das UV-Licht, das durch diese während dem Aushärten hindurchgeht, umfassend zerstreut und ermöglicht ein gleichmäßiges Aushärten der flüssigen Linse. Andere Polymere wie beispielsweise Epoxidharz können verwendet werden, um die flüssige Linse zu bilden und können ohne UV-Licht ausgehärtet werden. In einigen Ausführungsbeispielen, die später beschrieben werden sollen, wird erklärt werden, wie flüssiges Silikonharz verwendet werden kann, um eine kontinuierlich fokussierbare Polymergellinse zu erzeugen.
Der Bereich, der das Loch 349 in der durchscheinenden Schale 344 umgibt, wirkt als ein Lichtstreuungsmechanismus, um den effektiven fokussierten Strahlendurchmesser zu trunkieren. Auf diese Weise wird eine separate Öffnungsblendenkomponente beseitigt, um einen längeren Arbeitsbereich zu erhalten. Die Schale 340 kann ebenfalls als eine integrale Anbringung bzw. Fassung für die Linse dienen, wie in 17 gezeigt, wodurch das Erfordernis spezieller Linsenanbringungskomponenten als auch einer Öffnungsblende beseitigt wird.
Alternativ kann die Schale 340 aus einem klaren (anstelle eines durchscheinenden) Material gebildet sein, wie beispielsweise einem Kunststoff mit einem Brechungsindex, der sich von dem des flüssigen Harzes unterscheidet. Dies wird einen Zweizonenfokussiereffekt ergeben, der wie oben für die Vorrichtung der 3 beschrieben wirkt. Beispielsweise sei zum Verständnis, wie dieses Ausführungsbeispiel funktioniert, angenommen, dass das gewählte flüssige Harz einen geringeren Brechungsindex besitzt als die durchlässige Schale 340. In diesem Fall wird (jetzt auf 17 Bezug nehmend) nachdem Licht von der Quelle S durch die Linsenoberfläche 344 hindurchgeht, ein Teil von diesem einen Weg durch das Loch 345 nehmen, das mit einem Harz mit niedrigem (Brechungs-)Index gefüllt ist, und eine zweite Gruppe von Strahlen, nämlich die stärker divergierenden Strahlen, wird einen Weg durch den klaren Schalenbereich knapp außerhalb der Grenze des Lochs 345 mit dem höheren Brechungsindex nehmen. Letztendlich werden beide Strahlengruppen schließlich durch die Linsenoberfläche 346 hindurch gehen. In diesem Beispiel entspricht das Loch, das mit dem Harz mit niedrigem Index gefüllt ist, dem Loch 16a in 3, das mit Luft gefüllt ist, und das Schalenmaterial außerhalb der Grenze des Lochs 345 in 17 entspricht dem Material 14 mit höherem Index der 3. Zwei unterschiedliche interne optische Pfadlängen werden dadurch in einer Flüssigkeitstropfenlinse mit einer durchlässigen Schale vorgesehen, und diese Pfade werden zurückgelegt. bevor das Licht durch die letzte Linsenoberfläche 346 hindurchgeht, die der Linse 2 der 3 entspricht. Daher werden, ebenso wie in dem Fall der 3, zwei unterschiedliche Brennbereiche f1 und f2 erzeugt. Im Fall der Flüssigkeitstropfenlinse mit einer durchlässigen Schale kann natürlich das Loch 345 alternativ mit einem Harz mit hohem Index gefüllt werden und die Schale 340 kann aus einem Material mit niedrigem Index gebildet sein, wobei die internen optischen Pfade und die Positionen f1 und f2 unterschiedlich von den Beschriebenen sein werden.
In alternativen Ausführungsbeispielen können entweder eine oder beide der erhaben Oberflächenbereiche 347 und 348 aus Oberflächen geformt sein, die nicht kreisförmig sind. Wenn beispielsweise die Oberflächen 347 und 348 eine elliptische Form besitzen, wird die entstehende Linsenoberfläche eher eine ellipsenförmige Oberfläche besitzen als eine, die sich einem sphärischen Abschnitt annähert. Eine ellipsenförmige Oberfläche kann einen Astigmatismus, der durch eine Lichtquelle, wie beispielsweise eine Laserdiode, eingeführt wird, korrigieren oder vorsätzlich einen Astigmatismus in die Linse einführen, wenn dies erwünscht ist, um den Effekt zweier separater Lichtquellen entlang der optischen Achse zu erzeugen, um einen verlängerten Brennbereich vorzusehen.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der Flüssigkeitstropfenlinse können in kleinen Dimensionierungen hergestellt werden und zwar mit etwa einem Zehntel der Kosten von Glaslinsen oder herkömmlichen Kunststofflinsen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, in dem die Flüssigkeitstropfenlinse klein hergestellt werden soll, können sich die Durchmesser der erhabenen Oberflächen 347 und 348 zwischen 1,0 und 5,0 Millimetern bewegen und vorzugsweise in der Größenordnung von ungefähr 3,0 Millimetern liegen. Zusätzlich kann in diesem Ausführungsbeispiel, in dem die Flüssigkeitstropfenlinse klein hergestellt werden soll, der Durchmesser des Lochs, das sich zwischen den erhabenen Oberflächen erstreckt, zwischen 0,5 bis 2,0 Millimetern betragen und vorzugsweise in der Größenordnung von 0,75 Millimetern sein.
Kombinierte Fokussier- und Anbringungstechniken
Die 12 und 13 zeigen eine Lichtquelle S, die in einem Gehäuse 4 angeordnet ist. Die Basis 1 des Gehäuses 4 ist in eine Halterung 300 eingesetzt. Innerhalb der Halterung 300 befindet sich ein Loch 302, in das eine zylindrische Gradientenindexlinse 308 geladen ist. Eine kleine Schulterstufe 304 ist vorgesehen, um die Linse daran zu hindern, während des Betriebs aus ihrem Loch zu fallen. Die Querbohrungen 314 und 310 sind senkrecht zu dem Gradientenindexlinsenloch 302 und schneiden dieses teilweise. Die Querbohrung 310 besitzt einen darin angeordneten Stift, der ermöglicht, dass die Linse 308 bewegt wird, um die Lichtquelle S auf einen kleinen Punkt im weiteren Verlauf entlang der Achse Z zu fokussieren. Die Bewegung der Linse 308 wird bewerkstelligt, indem eine Rolle mit starker Reibung, wie beispielsweise ein dünnes Stück Gummirohr in die Querbohrung 310 eingesetzt wird und der darin angeordnete Stift gemäß Pfeil 312 gedreht wird. Die Reibung zwischen dem Stift und der Seite der Linse 308 bewirkt, dass die Linse 308 entlang der Achse Z in der Richtung des Pfeils 307 bewegt wird, wenn der Stift im Uhrzeigersinn gedreht wird bzw. in der Richtung des Pfeils 309, wenn die Rolle gegen den Uhrzeigersinn bewegt wird. Sobald die erwünschte Fokussierung erreicht ist, wird ein Tropfen eines Klebstoffs vorzugsweise in das offene Loch 314 gebracht, um die Linse an Ort und Stelle zu befestigen und dann wird die Gummirolle entfernt.
12 zeigte den gleichen Aufbau wie 13 mit der Ausnahme, dass die Gradientenindexlinse 308 in 12 eine geschliffene Fase 320 besitzt, die durchscheinend ist, wodurch die Erfordernis separater Öffnungsblendenkomponenten beseitigt wird und/oder ungewolltes Licht, das durch die Linse in Bereichen außerhalb ihres effektiven Durchmessers gelangt, beseitigt wird. Die nicht abgefaste Gradientenindexlinse der 13 kann eine der zahlreichen, hierin beschriebenen Oberflächenbehandlungen erhalten, wie beispielsweise die in 8a, 8b, 8c, 8d, 10a oder 10b dargestellten. Der Schulterbereich 304 des Lochs 302 kann ebenfalls etwa auf den Durchmesser des effektiven Durchmessers der Gradientenindexlinse dimensioniert sein, um Umfangslicht, das nicht in geeigneter Weise durch den ineffektiven Außenteil der Gradientenindexlinse fokussiert ist, zu beseitigen.
In einer alternativen Fokussiertechnik kann die Gradientenindexlinse der 12 oder 13 einfach in das Loch 302 geklebt werden, wobei sie auf der Blende 304 ruhen gelassen wird und dann die Lichtquelle S mit ihrem Gehäuse 4 entlang der Achse Z bewegt wird. Wenn die geeignete Position für die Lichtquelle S in Bezug auf die Linse gefunden wurde, wird das Gehäuse 4 in der Halterung 300 mittels Kleben oder Klemmen, um die Halterung 300 leicht bei dem Basisbereich 1 des Lichtquellengehäuses zu deformieren, eingeschlossen. Es ist vorteilhaft, das Lichtquellengehäuse 4 in einer dünnen, hohlen, zylindrischen Hülse zur Unterstützung beim Gleiten in das Loch 303 und zur Verhinderung ungewollter Schiefstellung anzubringen. Eine derartige Hülse ist als Gegenstand 332 in 20 gezeigt.
Die oben beschriebenen Fokussier- und Anbringungstechniken beseitigen das Erfordernis mit feinem Gewinde versehener Fokussierzylinder und Ähnlichem und bewirken die präzise Anbringung der Optik innerhalb einer einzelnen Halterung 300. Die Halterung 300 dient auch als eine Wärmesenke für die Lichtquelle und als eine feste Anbringungsbasis für Platinen bzw. Schaltplatten, wodurch ein vollständiges Scannmodul gebildet wird.
Gellinsen mit stufenloser Fokussierung
18 ist eine schematische Darstellung eines nachgiebigen Gellinsensystems, das imstande ist, eine stufenlos veränderbare Fokussierung zu bewirken. Dieses wird in einem flüssigen Zustand gebildet, wobei Verfahren verwendet werden, die für die Flüssigkeitstropfenlinse beschrieben wurden, und wird dann zu einem extrem formbaren Gel ausgehärtet. Auf diese Weise wird der Hohlraum 360 in dem festen Gehäuse 361 mit einem flüssigen Polymer gefüllt, das später zu einem formbaren Gel ausgehärtet wird. Siliconharz mit einem Brechungsindex größer als 1,0 und vorzugsweise ungefähr 1,4 bis 1,6 sowie extrem niedrigem Härtegrad nach dem Aushärten ist als gelariges Harz geeignet. Einige Unternehmen der chemischen Industrie stellen derartige Siliconharze her. Die Firma General Electric liefert ein derartiges Harzprodukt, das als RTV 6157 bekannt ist. Bei Aushärtung besitzt das Harz eine Konsistenz, die etwas weicher ist als das Nahrungsmittelprodukt, das als JELLO^® bekannt ist. Darüber hinaus ist dieses Harz bei Aushärtung höchst elastisch, kann mit wenig Druck erheblich deformiert werden, ist transparent und besitzt über die Zeit hinweg eine gute chemische Stabilität.
Wenn eine Kraft F auf die Oberfläche 380 des gelartigen Harzes angelegt wird, das den Hohlraum 360 füllt, wird die Oberfläche 380 nach innen in Richtung der Pfeile 370 verdreht bzw. deformiert. Diese Kraft wird durch das Gel in dem Hohl raum 360 übertragen als ob es eine Flüssigkeit wäre, was veranlasst, dass die Geloberflächen 362 und 364 nach außen ausbauchen, wie durch die Pfeile 371 angezeigt. Die Krümmungsradien der Geloberflächen 362 und 364 nehmen mit zunehmender Kraft F ab. Die ausbauchenden konvexen Oberflächen 362 und 364 und das Gel zwischen diesen konstituieren eine dicke Linse, deren Brennweite durch Variieren der Kraft F, die an das Gel in dem Hohlraum 360 angelegt wird, variiert wird. Ein Objekt, das eine Lichtquelle sein kann und bei Punkt P platziert wird, wird durch die dicke Gellinse in Brennebene f abgebildet, und zwar gemäß bekannten Formeln zur Herstellung von Linsen. Eine zunehmende Kraft F bewegt die Brennebene f in Richtung des Pfeils 372 zu dem Objekt, während eine abnehmende Kraft F die Brennebene weiter in Richtung des Pfeils 374 weg bewegt.
In einem Ausführungsbeispiel können entweder eine oder beide Oberflächen 362 und 364 flach sein, wenn keine Kraft F angelegt wird, und konvex bzw. konkav sein, wenn die Kraft F zu bzw. weg von dem Hohlraum 360 angelegt wird.
Die Gellinse ist nützlich beim Fokussieren einer Lichtquelle, wie beispielsweise einer Laserdiodenlichtquelle oder beim Fokussieren eines Abbilds, das bei Punkt P auf eine Ebene bei Punkt f platziert wird. Beispielsweise kann sie zum Fokussieren des Abbilds eines Ziels auf einer CCD-Photodiodenanordnung verwendet werden, um Information darauf abzulesen. Darüber hinaus könnte die Gellinse in optischen Instrumenten zur Verwendung mit dem menschlichen Auge, wie beispielsweise Brillen, Mikroskopobjektiven und Ähnlichem verwendet werden.
Elektrisch variables Gelfokussiersystem
Sich jetzt der 19 zuwendend, ist ein vollständiges elektrisch variierbares Fokussiersystem mit einer Gellinse gezeigt, das angepasst ist, um eine Lichtquelle S, wie beispielsweise eine Laserdiode, zu fokussieren. Das System ist aus den zuvor beschriebenen neuartigen Elementen aufgebaut.
Die Lichtquelle S, die in dem Gehäuse 4 angeordnet ist, ist in einem monolithischen Gehäuse 361 angebracht. Das Gehäuse 361 kann aus einem Wärme ablei tenden Material hergestellt sein, um als Wärmesenke für die Lichtquelle zu dienen. Die primäre Fokussierlinse 308 kann eine Gradientenindexlinse mit einem abgefasten durchscheinenden Bereich 320 sein. Die Linse 308 wird vorzugsweise in dem Anbringungsloch 302 angeordnet, als nächstes angepasst, um Licht von der Quelle S zu fokussieren und zuletzt an der Stelle verklebt. Alternativ kann die Linse 308 an der Stelle festgeklebt werden und die Lichtquelle S in ihrem Gehäuse 4 in Bezug auf die Linse 308 bewegt werden, um eine erwünschte Fokussierung zu erreichen. Nachdem die Linse 308 angebracht worden ist, wird der Hohlraum 360 mit einem transparenten bzw. durchsichtigen Medium, wie beispielsweise einem formbaren Silicongel gefüllt. Das Licht, das durch die Linse 308 hindurchgeht, verläuft entlang einer optischen Achse Z durch das Gel, das den Hohlraum 360 füllt, und durch die Gellinsenoberfläche 362, woraufhin Licht im weiteren Verlauf entlang der Achse Z im Bereich von f fokussiert wird.
Wie unten beschrieben, kann die Krümmung der Linsenoberfläche 362 kontinuierlich variiert werden, um die Brennebene (oder den -punkt) f entlang der Z-Achse vorwärts oder rückwärts in Richtungen zu bewegen, die durch den Pfeil 367 angezeigt sind. Das Licht von der Quelle S wird hierbei auf eine minimale Punktgröße fokussiert, wo immer es entlang der Z-Achse erwünscht ist. Um die Krümmung der Linsenoberfläche 362 zu verändern ist es notwendig, Druck auf das Gel anzulegen, das den Hohlraum 360 füllt, und zwar mit einem geeigneten Druckelement. Ein bevorzugtes Druckelement wird durch Anordnen einer geeigneten Membran 504 in Kontakt mit dem Gel bei einer Öffnung in dem Hohlraum 360 konstruiert. Ein kleiner, starker Magnet 502, der positioniert ist, um mit der Magnetspule 500 zu interagieren, wird angebracht, um eine Kraft an die Membran 504 anzulegen. Während Strom in einer Richtung zu den Drähten 501 der Spule 500 geleitet wird, komprimiert der Magnet 502 das Gel in dem Hohlraum 360, was veranlasst, dass die Gellinsenoberfläche 362 ausbaucht und bewegt dadurch den Punkt, bei dem der fokussierte Punkt eine minimale Größe besitzt, zu der Quelle hin. Wenn Strom an die Spule 500 in der entgegengesetzten Richtung geliefert wird, dann wird der Magnet 502 den Druck auf das Gel verringern und der Krümmungsradius der Linsenoberfläche 362 wird von ihrem normalen Zustand aus vergrößert werden, was verursacht, dass die minimale Größe des Strahlenpunkts weiter strahlabwärts, weg von der Quelle S konvergiert. Die Strahlenfokussiervorrichtung der 19 kann außergewöhnlich kompakt sein, wobei sämtliche Systemkomponenten, einschließlich des elektromagnetischen Druckelements, in dem Gehäuse 361 untergebracht sind.
Obwohl das Silicongel ein bevorzugtes elastisches Medium für den variablen Fokussiermechanismus der 19 ist, ist es nicht das einzige Medium mit dem das variable Fokussiersystem realisiert werden kann. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der Hohlraum 360 mit einer Flüssigkeit mit einem hohen Brechungsindex gefüllt sein. Die Flüssigkeit würde durch eine Membran 504 eingedämmt werden und eine durchsichtige Membran würde in dem Strahlenausgang bei der Position 365 angeordnet werden, um die Flüssigkeit einzuschließen. Dies würde dann, während der Magnet 502 bewegt wird, verursachen, dass die durchsichtige Membran eine positive oder negative Krümmung der Linsenoberfläche 362 bewirkt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Gel, das zum Füllen des Hohlraums 360 verwendet wird, mit einer flachen Oberfläche bei Ebene 365 gegossen werden, wenn kein Druck an dieses angelegt wird, und die Oberfläche 362 kann konkav oder konvex durch geeignetes Anlegen eines Stroms an die Spule 500 gemacht werden. In diesem Fall kann die Primärlinse 308 auf eine erwünschte Fokussierung angepasst werden, während keine Kraft an das Gel angelegt wird. Um den Brennbereich der Vorrichtung zu variieren, kann ein Gleichstrom an die Spule 500 in nur einer Richtung für eine einpoligen Betrieb des Systems angelegt werden. Die magnetische Spulenanordnung kann aus unterschiedlichen Strukturen, wie beispielsweise denjenigen die zur Herstellung von Kopfhörern oder Lautsprechern verwendet werden, hergestellt werden.
Obwohl es als nützlich gefunden wurde, eine feststehende Primärlinse, wie beispielsweise Linse 308 in 19, zu verwenden, kann das variable Fokussiersystem ohne eine derartige Linse konstruiert sein, wie in 18 gezeigt, und wobei der elektromagnetische Druckwandler aus einem Magnet 502 und einer Spule 500 besteht, die eine geeignete Verkrümmungs- bzw. Verformungskraft F an das opti sche Gelmedium in dem Hohlraum 360 liefert, um die Fokussierung zu beeinflussen.
Kontinuierliche Driftfokussiertechnik
Die gesamte Vorrichtung 600 der 19 kann in einem Strichcodescannsystem eingebaut sein, wie in 21 gezeigt. Während ihres Betriebs kann die Krümmung der sekundären Gellinsenoberfläche 362 auf einer zyklischen Basis mit einer Rate variiert werden, die geringer als die Scannrate des Strahls ist, um eine sich kontinuierlich bewegende Fokussierung während des Scannens vorzusehen. Dieses Verfahren soll als „Driftfokussierung" bezeichnet werden und ein derartig fokussierter Strahl soll „driftfokussiert" sein, wie im Folgenden dargestellt wird. Auf diese Weise kann beispielsweise die Brennebene f der Lichtquelle S vor und zurück entlang der Z-Achse mit einer Rate von 10 Hz driftfokussiert werden, während der Strahlenscanner einen Strahl mit 100 Scannvorgängen pro Sekunde über einen Zielbereich hinweg scannt. In diesem Beispiel wird der gescannte Punkt vielfach bei einer bestimmten Entfernung im weiteren Verlauf während einer kurzen Zeitperiode fokussiert und nicht fokussiert werden. Wenn der Strahl mit einer geringeren Rate als der Scannrate driftfokussiert wird, wird der driftfokussierte Punkt ausreichend fokussiert werden, um irgendein Ziel entlang des Bereichs zwischen f1 und f2 in einer sehr kurzen Zeitperiode aufzulösen. Diese Zeit wird aus einer Benutzerperspektive praktisch nicht wahrnehmbar sein und es wird im Wesentlichen scheinen, dass der Scanner eine ideale Fokussierung aufweist, wo auch immer das Ziel gelegen ist. In seiner einfachsten Form muss das elektromagnetische Druckelement nur mit einem Einzelpolungsgleichstrom mit variabler Amplitude angetrieben werden, wobei im Zustand ohne Stromzufuhr die Gellinsenoberfläche 362 einfach flach sein kann.
In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das variable Gellinsensystem durch einen Mikroprozessor gesteuert werden. Beispielsweise kann ein Strichcodeleser konstruiert werden, in dem der Fokus einmal über eine maximale Reichweite gedriftet wird. Der Mikroprozessor bestimmt dann den besten Brennbereich für ein zu lesendes Ziel und passt elektrisch die Linse zum Lesen in diesem Bereich an und/oder optimiert die Driftrate in Bezug auf die Scannrate. Der Mikroprozessor nimmt die Bestimmung des besten Brennbereichs für ein Ziel durch Überwachen der TTL-Ausgabe der digitalisierten optischen Signalausgabe durch den Photodetektor bei unterschiedlichen Reichweiten vor und identifiziert dann den Brennbereich wo die Striche/Abstände am deutlichsten in diesem Ausgabesignal vorhanden sind.
Für sehr kompakte, robuste Systeme können der Magnet 501 und die Spule 500 direkt in und im Wesentlichen umgeben durch das Gehäuse 361 eingebaut werden. Ein derartiges System kann in einen kompakten Aluminiumblock mit 16,51 mm (0,65 Zoll) Länge in Richtung der Z-Achse, 12,7mm (0,5 Zoll) Breite in Richtung des Pfeils 501 und 6,35mm (0,25 Zoll) Dicke eingebaut werden. Der Aluminiumblock besitzt ein darin installiertes Strahlenscannelement; dieses Strahlenscannelement besitzt einen Durchmesser von 9,017 mm (0,355 Zoll). Die Basis 1 der in dem Aluminiumblock installierten Laserdiodenquelle S, besitzt einen Durchmesser von 5,588mm (0,220 Zoll).
Piezoelektrisches Druckelement
Die 20 bildet ein Fokussiersystem ähnlich dem der 19, aber mit einem piezoelektrischen Druckwandler 370 anstelle eines elektromagnetischen, ab. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine Antriebsspannung an das Piezoelement angelegt und dieses biegt sich entweder nach oben oder nach unten durch, wie durch den Pfeil 371 gezeigt. Diese Biegung wendet positiven oder negativen Druck auf das elastische Medium in dem Hohlraum 360 an, wodurch verursacht wird, dass die Linsenoberfläche 362, wie zuvor beschrieben, die Krümmung verändert. Derartige Piezoelemente werden bei Tongeneratoren, wie beispielsweise elektrischen Summern, und bei Ultraschallausrüstung verwendet. Sie nehmen sehr wenig Platz ein, erfordern beim Betrieb sehr wenig Antriebsenergie, sprechen sehr rasch an und können kostengünstig hergestellt werden. Geeignete Piezowandlerelemente bestehen aus einer flachen Membran, die mit piezoelektrischem Material, wie beispielsweise „PZT", behandelt wurde, und die deformiert wird, wenn eine Spannung an sie angelegt wird. Elemente vom sogenannten „Bimorph- Typ" können relativ starke Biegungen bzw. Durchbiegungen für eine gegebene Antriebsspannung vorsehen.
Alternative Druckwandler und -steuerungen
Wenn kein schnelles Ansprechen der Fokussierung für das Fokussierungssystem erforderlich ist, wie es in 18 gezeigt ist, dann kann der Druckwandler, der erforderlich ist um das Medium in dem Hohlraum 360 zu deformieren, einfach ein widerstandsfähiges Element sein, das sich erwärmt, wenn Strom angelegt wird. Die Erwärmung verursacht Innendruck in dem optischen Medium aufgrund der thermischen Expansion und die Linsenoberflächen 364 und 362 verändern ihre Krümmung.
Es wird angenommen, dass andere Verfahren zum Zuführen eine Kraft F in neuartigen Anwendungen des Fokussierungselements der 18 genutzt werden können. Luftdruck, Wasserdruck, Beschleunigung, Schwerkraft, Schalldruck, mechanischer oder menschlich angewendeter Druck sind alle gut bekannt und können angepasst werden, um die Durchbiegungskräfte auf die hierin offenbarten neuartigen Gel- oder Flüssiglinsen zu liefern.
Ultradünnes Scannmodul
25A und 25B stellen ein dünnes Scannsystem dar, das aus hierin beschriebenen Komponenten gebildet wurde. Das dünne Scannmodul 50 enthält eine Lichtquelle 32, die eine Laserdiode oder eine Leuchtdiode (LED) sein kann, einen an der Oberfläche angebrachten Scannmechanismus, der aus dem Antriebselement 49 und dem Scannelement 45 gebildet ist, eine Mikrolinse 34, die eine Gradientenindexlinse sein kann, die durch Abfasung modifiziert oder wie zuvor beschrieben behandelt wurde (oder alternativ eine oben beschriebene Tröpfchen- oder Gellinse), um das Erfordernis sperriger, separater Öffnungsblendenhalterungen oder Ähnlichem zu beseitigen, sowie einen photoelektrischen Konverter 52 zur Aufnahme reflektierten Lichts und zum Konvertieren desselben in elektrische Signale, die repräsentativ für eine Zielinformation sind.
Andere optionale Komponenten können umfasst sein, wie beispielsweise ein Spiegel 38, der ein Strahlen formender, reflektierender Streifenspiegel (der später beschrieben wird) sein kann, und ein Lichtfilter 51 zum Beseitigen ungewollter Wellenlängen des Lichts. Der feststehende Spiegel 38 ist dahingehend optional, dass der Laser und der bewegliche Spiegel 40 angeordnet werden können, um einen Strahl über ein externes Ziel hinweg ohne den Spiegel 38 zu scannen. Das Scannmodul 50 ist klein genug und dünn genug, um in einen armbanduhrgroßen Scanner, einen mit einer Hand haltbaren Rechner, einen Computer oder einen Scannanschluss in Kartengröße, wie beispielsweise einen PCMCIA-Kartenscanner oder eine andere Speichervorrichtung zu passen.
Betrieb und Verwendung des dünnen Scannsystems
In einem Ausführungsbeispiel ist das in 25 dargestellte dünne, modulare Scannsystem als ein Strichcodescanner mit einem dünnen Scannmodul 50 konfiguriert. Eine interne Uhr und eine Speichervorrichtung 55 sind vorgesehen, um die genaue Zeit aufzuzeichnen, an der gescannte Daten erhalten werden. Die Daten können dann mittels eines Verbinders 34 heruntergeladen werden, der kompatibel mit PCMCIA-Kartenanwendungen ist.
In einem anderen Ausführungsbeispiel, das typischerweise nicht kompatibel mit PCMCIA-Karten ist, und auf diese Weise den Platz spart, der mit dem Verbinder 34 verbunden ist und die Verschleißprobleme vermeidet, die mit derartigen Verbindungsstücken verbunden sind, wird eine optische Datenübertragungsverbindung 36 vorgesehen, um Daten auf und herunter zu laden. Diese optische Verbindung kann eine oberflächenmontierbare Leuchtdiode und ein Phototransistor sein, um Daten zu senden bzw. zu empfangen. In noch einem anderen Ausführungsbeispiel könnte die Lichtquelle 32 selbst, die normalerweise zum Scannen verwendet wird, vorzugsweise in einer Niedrigleistungsbetriebsart moduliert bzw. reguliert werden, wobei die Scannvorrichtung deaktiviert ist, um ihre Daten auf einen externen Empfänger herunter zu laden, und der Detektor 52, der normalerweise zum Empfang der gescannten Daten verwendet wird, könnte genutzt werden, um die externen Daten in einem Nicht-Scann-Modus zu empfangen.
22 zeigt ein Ausführungsbeispiel und die Verwendung einer dünnen, tragbaren Scanndatensammelvorrichtung 200, die das oben beschriebene, dünne Scannmodul 50 nutzt. Die Scannvorrichtung 200 ist dimensioniert, um wie ein dünner Taschenrechner gehalten zu werden, und kann durch einen einfachen, mit dem Daumen herabdrückbaren Schalter 208 betätigt werden. Während des Betriebs bewegt ein Benutzer manuell die Vorrichtung 200 durch Neigen des Handgelenks des Benutzers, um manuell einen Strahl, welcher über einen Winkel 58 scannt, über den Strichcode 236 hinweg zu rastern, wodurch zahlreiche Scannlinien im Bereich 230 erzeugt werden. Zum Zwecke der Kürze wird diese Technik als „Überstreichscannen" bezeichnet. Vorzugsweise arbeitet der Scanner mit einer Rate von ungefähr 100 bis 200 oder mehr Scannvorgängen pro Sekunde in diesem Modus. Um Energie zu sparen, muss das Scannsystem nur vorübergehend betätigt werden, so dass das Herabdrücken eines Tasttyp- oder vorübergehenden Kontaktschalters 208 eine Scannsequenz auslöst oder betätigt, die automatisch nach einer bestimmten Zeit endet. Die entsprechende Zeitperiode braucht nur ein Bruchteil einer Sekunde zu sein. Während dieser kurzen Zeitperiode wird ein Ziel, das überstreichgescannt wird, zahlreichen guten Scannvorgängen ausgesetzt. Ferner werden unterschiedliche Teile des Ziels abgetastet worden sein anstelle nur eines Bereichs, der einen Druckfehler enthalten kann. Überstreichscannen ist ebenfalls vorteilhaft, da es Probleme verhindert, die mit spiegelnden Reflektionen von dem Ziel verbunden sind. Diese Probleme können verhindert werden, da während der Scannstrahl überstreichgescannt wird, der Winkel variiert wird, mit dem die Ebene des gescannten Strahls der Oberfläche des Ziels präsentiert wird.
Es wird durch Fachleute erkannt werden, dass das oben beschriebene dünne Scannsystem ferner ein Mikroprozessorsteuersystem (nicht gezeigt) zur Handhabung der Daten, Steuerung des Strahlenscanners, Annehmen von Eingaben von einer Tastatur und Anzeigen und Transferieren der Daten aufweisen kann.
Schallbetätigung des Scanners
In einem anderen Ausführungsbeispiel kann ein Scanner, wie beispielsweise der Scanner 200 der 22, durch Bewegung der Vorrichtung selbst angeschaltet oder betätigt werden. Ein Verfahren der Schallauslösung kann verwendet werden, um diese Funktion zu erreichen.
Für die Schall- oder akustische Betätigung ist ein Mikrofonelement 60 in dem Gehäuse des Scanners enthalten, wie in 25A gezeigt. Wenn die Außenseite des Scanners mit einem Finger leicht angeklopft oder gerieben wird, beispielsweise um eine interne, voreingestellte akustische Schwelle zu erreichen, schaltet sich der Scanner 200 für eine zeitlich abgestimmte Periode ein, die eine Sekunde dauert oder weniger. Diese Technik ist immun gegen fälschliches Auslösen durch Bewegung alleine. Die Schallbetätigung kann weiter durch Umfassen eines kleinen Partikels nahe des Mikrofonelements 60 verbessert werden, so dass bei Bewegen des Scanners 200 mit einer bestimmten Bewegung, der Partikel ein internes Geräusch sehr ähnlich einem Rasseln erzeugt, das durch das interne Mikrofonelement 60 wahrgenommen wird, wodurch der Scanner 200 angeschaltet wird. Diese Anordnung kann konstruiert sein, um nur auf bestimmte Bewegungen einer minimalen Schwellenstärke zu reagieren, was eine Falschbetätigungssicherheit des Scanners liefert. Geeignete akustische oder elektronische Filter können ebenfalls verwendet werden, um das ungewollte Anschalten aufgrund externen Lärms zu beseitigen.
Das Mikrofonelement in dem Gehäuse ist vorzugsweise vom Elektrettyp, wie beispielsweise der Typ, der von der Firma Panasonic unter P/N WM-62A hergestellt wird. Nur das Membranelement in dem Mikrofon 60 selbst muss an die Leiterplatte angelegt werden und kann über ein Loch in der Leiterplatte zur Kleinstunterbringung gespannt werden.
27a stellt ein Mikrofonelement 110 mit eingeschlossenem Partikel 104 dar. Die Rückhalteschale 103 hält den Partikel nahe des Mikrofonelements, um eine Rassel zu bilden, wenn das Element 110 bewegt wird. Das Loch 105 ermöglicht, dass externe Geräusche von einem Fingerklopfen oder -reiben, das auf die Außenseite des Gehäuses einer Scannvorrichtung, wie derjenigen die in 22 mit 200 bezeichnet ist, angelegt werden. Wenn der akustische Betätiger 110 der 27a bewegt wird, so dass sich der Partikel 104 in der Richtung des Pfeils 107 bewegt, klopft der Partikel 104 auf die Mikrofonmembran 106 oder das entgegengesetzte Ende des Haltegefäßes 103 und ein Geräusch wird erzeugt. Die Seitenwände des Haltegefäßes 103 können aus einem weichen geräuschdämmenden Material, wie beispielsweise einem Kunststoffschaum hergestellt sein, um, wenn erwünscht, die Betätigung durch eine seitliche Schubbewegung auszuschließen. Wenn der Partikel 104 nicht in dem akustischen Betätiger 110 umfasst wird, dann wird der Betätiger 110 bewegungsunempfindlich und reagiert nur auf ein Klopfen oder Reiben. Der akustische Betätiger 110 ist für viele Arten von Scannern geeignet, insbesondere Tragbare, die wie ein Stift oder Stab geformt sind oder einen Scanner vom dünnen Rechnertyp.
In sehr kleiner, tragbarer Ausrüstung, wie beispielsweise in 22 und 25A dargestellt, ist es vorteilhaft Platz zu sparen, indem ein akustischer Sensor durch Anbringen eines akustischen Elements direkt auf einer Leiterplatte gebildet wird. Dieses Ausführungsbeispiel ist in 27b gezeigt, wo ein Filmelektretelement 112 gezeigt ist, das mit einer Leiterplatte 116 verbunden ist. Ein mit Metall bedecktes Loch 115 bildet einen elektrischen Kontakt mit dem Element 112, während der andere Kontakt durch eine metallisierte Schaltungskontaktfläche 114 vorgesehen wird. Die zusammengefaltete Lasche 113, die Teil des Elements 112 ist, kontaktiert elektrisch die Metallschaltungsspur 114. Dünnes Klebeband oder leitender Bondungskitt können angewendet werden, um das Elektretelement 112 an der Stelle zu halten. Es ist ebenfalls herausgefunden worden, dass ein piezoelektrischer Film, wie beispielsweise KYNAR^® (Polyvinylfluorid), hergestellt durch die Pennwalt Co., sich als ein geeignetes akustisches Element 112 betätigen kann.
26 stellt eine Schaltung dar, die entwickelt wurde, um auf den akustischen Betätiger zu reagieren, der in 27a und 27b gezeigt ist. U7A weist einen Hochimpedanz-CMOS-Verstärker auf und die mit U7B verbundene Schaltung fungiert als eine „Einschalt/Time-Out"-Schaltung, die sich nur anschaltet, wenn sie ein rela tiv schnelles Impulssignal von dem Verstärker U7A empfängt. Der von Texas Instruments hergestellte TLC2272-Verstärker kann für die Verstärker U7A und U7B verwendet werden. R65 und C62 funktionieren als die Zeitglieder. Wenn das Mikrofonelement 110 ein Geräusch von ausreichendem Pegel empfängt (beispielsweise dem Geräuschpegel, der durch externes Klopfen auf ein Gehäuse erzeugt wird, das das Element 110 umfasst), sinkt der Ausgabekollektor von Q8 ab, wodurch ermöglicht wird, dass ein Scanner arbeitet bis der Time-out-Zyklus vervollständigt ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Dauer des Time-Out-Zyklus weniger als eine Sekunde. Die Time-out-Schaltung wurde von einer abgeleitet, die in dem Buch „THE CMOS COOK BOOK" von Don Lancaster gezeigt ist.
Oberflächenmontagescannmechanismus
Oberflächenmontierbare Komponenten sind im Allgemeinen elektronische Miniaturkomponenten, die direkt auf einer Leiterplattenoberfläche montierbar sind. Die 24a und 24b stellen einen oberflächenmontierbaren Scannmechanismus dar, der klein genug ist, um in einem Raum von nur 1 bis 2 Millimetern Höhe zu lagern. Die oberflächenmontierbare Scannvorrichtung wird durch einen oberflächenmontierbaren Antrieb 49 und ein oberflächenmontierbares Scannelement 45 gebildet. Der Antrieb 49 enthält einen magnetischen Kern 71, der vorzugsweise aus einem Ferrit oder Eisen hergestellt und wie ein kleiner Spulenkörper geformt ist, um den Draht zu halten. Eine Spule 70 ist um den Kern herum gewickelt. In einem Ausführungsbeispiel bildeten 700 Umdrehungen eines Magnetdrahts mit einer Dichte von 50 Gage die Spule 70. Angebracht an den Enden des Kerns 70 befinden sich magnetische Polstücke 73a und 73b, die aus einem weichen Eisenblech, Permalloy oder ähnlichen Legierungen gebildet sind und vorzugsweise in der Größenordnung von 4 bis 10 Mil dick sind. Die Polstücke 73a und 73b sind vorzugsweise derart geformt, dass sie Drahtanschlüsse 74a und 74b zur internen Verbindung von Drähten von der Spule 70, bzw. lötbare Füße 72a und 72b zum mechanischen Anbringen und elektrischen Verbinden des Antriebs mit einer Leiterplatte, die eine Quelle von Antriebsstrom speist, bzw. Magnetflusskonzentrationsenden 77a und 77b versehen. Der gesamte Antrieb 49 ist in einem festen Kunststoff, wie bei spielsweise Epoxidharz eingekapselt, das imstande ist Löt- und Säuberungsvorgängen zu widerstehen, wobei nur seine lötbaren Füße 72a und 72b freigelegt sind.
Der Antrieb 49 ist vorzugsweise direkt auf einer Leiterplatte durch Löten der Füße 72a und 72b auf Kontaktflächen auf der Platte angebracht. Der Antrieb 49 ist vorzugsweise nahe liegend an dem Scannelement positioniert, wie in 24a und 24b gezeigt.
Das Scannelement 45 (das den Spiegel 40 hält) ist aus einer Spiegelhalterung 41 gebildet, die aus einem Kunststoff mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten, wie beispielsweise Acetyl, besteht. Die Spiegelhalterung 41 ist drehbar auf einem Stift 42 angebracht, der vorzugsweise aus einem nicht magnetischen, nicht korrodierenden Metall besteht, wie beispielsweise rostfreiem Stahl oder Titan. Der Stift 42 kann automatisch auf die Leiterplatte 53 aufgesteckt werden, wie in 25a gezeigt. Das Scannelement 45 hält auch einen winzigen Magneten 43, der ein Volumen in der Größenordnung von einem Kubikmillimeter besitzen kann. Der Magnet 43 interagiert mit den Feldlinien 76, die aus den Antriebspolenden 77a und 77b hervorgehen, wenn die Spule 70 mit Wechselstrom erregt wird, wodurch veranlasst wird, dass das Scannelement 45 den Spiegel 40 um den durch Pfeil 56 angezeigten Winkel schwenkt, wodurch ein Lichtstrahl gescannt wird. Es sei bemerkt, dass die Polenden 77a und 77b sich wie die Pole eines Tonbandaufnahmekopfs verhalten, um ein Magnetfeld nach außen zu projizieren. Der Lichtstrahl tritt dann aus dem Anschluss 11 aus, wobei er durch den Winkel 58 des Scannmoduls 50 scannt, wie in 25B gezeigt.
Für kleine Scannwinkel in der Größenordnung von 20 Grad (+/– 5 mechanische Grad) kann das Scannelement 45 ballistisch arbeiten, d.h. ohne einen anderen Rückführmechanismus als den magnetischen Kräften, die bei den Polenden 77a und 77b und den alternierenden Feldern, die durch diese hergestellt werden, erzeugt werden. Für größere Scannwinkel oder linearen Betrieb bei einer Frequenz unterhalb einer natürlichen Resonanzfrequenz oder für den Betrieb bei hohen Resonanzfrequenzen sind die Rückführmagneten 44a und 44b (gezeigt in 24b) auf der Platte mit Polarisierung angebracht, so dass sie abstoßend auf den Magneten 43 wirken, während dieser wechselweise zu ihnen schwingt. Die Scanngeschwindigkeit von mehr als 200 Scannvorgängen pro Sekunde kann durch Verwenden dieser Anordnung erreicht werden. Die Rückführmagneten 44a und 44b sind klein und können relativ schwach sein. Sie können vom kostengünstigen gummierten oder kunststoffgefüllten Typ sein. Die Magneten 44a und 44b oder irgendein anderer mechanischer Anschlag können platziert werden, um eine in geeigneter Weise geformte Spiegelhalterung 41 am vollständigen Drehen aus der Reichweite der Polenden 77a und 77b zu hindern.
24c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines oberflächenmontierten Scannmechanismus, wobei der Scannmechanismus eine einheitliche Struktur ist, die mit einer vertikalen Gesamthöhe von ungefähr 2 Millimetern hergestellt werden kann. Flüssigkristallpolymerkunststoff, der einen geringen Reibungskoeffizienten besitzt, den Löt- und Reinigungsvorgängen widerstehen und in feine dünne Abschnitte geformt werden kann, ist eine ideale Wahl zum Umfassen der oberflächenmontierbaren Scannvorrichtung der 24c. Geeignet geformte Anschläge können in der in 24c gezeigten Struktur umfasst sein und Abstoßungsmagneten, wie beispielsweise die Magneten 44a und 44b, können an den Außenschafthaltezungen 130 und 131 festgeklebt werden.
Reflektionsstreifenstrahlformer
23 zeigt ein Scannsystem, das einen Reflektionsstreifenstrahlformer anstelle einer Öffnung oder einer anderen Strahlformungsvorrichtung verwendet. Eine Lichtquelle 4 bildet einen Strahl 80, der durch die Linse 308 fokussiert wurde. Der Strahl 80 wird von dem Spiegelstreifen 81 reflektiert, der eine Größenordnung von einem Millimeter oder weniger besitzen kann. Nur ein Teil des Strahls wird von dem Spiegelstreifen 81 reflektiert, der eine verbesserte Tiefenschärfe für einen Strahl oder Strahlenscanner vorsieht. Der reflektierte Strahl 87 kann dann durch den beweglichen Spiegel 86 gescannt werden, wodurch ein dünner enger Punkt 89 über ein Ziel hinweg, wie beispielsweise ein Strichcodeziel 93, gescannt wird. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Strahl 80 ein elliptischer Strahl von einer Laserdiode sein und nach der Reflektion bzw. Spiegelung von dem Spiegel 81 kann der Strahl geformt werden, um einigermaßen rechteckig in der Zielumgebung zu werden.
In noch einem anderen Ausführungsbeispiel kann ein Photoresistmuster direkt in einem Schritt und einer wiederholenden Art und Weise auf ein dünnes Flächenelement eines spiegelnden Materials aufgebracht werden. Nach dem Entwickeln des Photoresistmusters kann das Flächenelement in viele diskrete Spiegel würfelartig zerlegt werden; wobei jeder sein Photoresistmuster besitzt. Eine derartige Verarbeitung ist bei der Herstellung von Halbleitern üblich und ist weitaus kostengünstiger als speziell geformte Linsen. Das Muster auf jedem derart hergestellten Spiegel kann gestaltet werden, um den erwünschten Strahlformungseffekt zu bewirken. Zum Beispiel kann es ein beugendes Muster sein, es kann in Schritten entwickelt oder teilweise belichtet und entwickelt werden, um einen mattierten oder Lichtstreuungsbereich zu bewirken, es kann gefärbt werden, um Lichtabsorptionsbereiche zu bewirken, oder es kann ein holographisches Muster wie die zuvor in der vorliegenden Beschreibung beschriebenen Linsenbehandlungen sein. Die behandelten Spiegel können sehr klein sein, so dass sie in extrem kleine Vorrichtungen passen, wie beispielsweise das zuvor beschriebene dünne Scannmodul 50.

Claims

Eine System zum Fokussieren eines Lichtstrahls, das Folgendes aufweist: eine Lichtquelle (S), die bei einer Quellenposition (P) gelegen ist, um eine Vielzahl von Lichtstrahlen zu erzeugen, die von der Quellenposition (P) ausgeben; und ein Gehäuse (361), das einen verschlossenen Hohlraum (360) aufweist, der mit einem formbaren oder nachgiebigen Gel zur Aufnahme und Fokussierung der Lichtstrahlen von der Lichtquelle (S) gefüllt ist; dadurch gekennzeichnet, dass: das Gehäuse (361) eine erste Öffnung (302) zur Aufnahme einer Gradientenindexlinse (308) in das Gehäuse (361) aufweist, wobei die Gradientenindexlinse (308) innerhalb der ersten Öffnung (302) angeordnet ist; und die Gradientenindexlinse (308) eine erste Endoberfläche zur Aufnahme von Licht von der Lichtquelle (S) und eine zweite Endoberfläche (320) aufweist, die gegenüberliegend der ersten Endoberfläche positioniert ist, wobei die zweite Endoberfläche (320) einen klaren Bereich (326) und einen behandelten Bereich (321) aufweist, der von dem klaren Bereich (326) getrennt ist.
System gemäß Anspruch 1, wobei der behandelte Bereich (321) Licht streut, das von der Lichtquelle (S) aufgenommen wird.
System gemäß Anspruch 1, wobei das Gehäuse (361) eine zweite Öffnung (303) zur Aufnahme der Lichtquelle (S) in dem Gehäuse (361) aufweist, wobei die Lichtquelle (S) innerhalb der zweiten Öffnung (303) angeordnet ist.
System gemäß Anspruch 3, wobei die Lichtquelle (S) benachbart zu der ersten Endoberfläche der Linse (308) in dem Gehäuse (361) angeordnet ist.
System gemäß Anspruch 3, wobei eine Hülse (322) zwischen der Lichtquelle (S) und der zweiten Öffnung (303) positioniert ist.
System gemäß Anspruch 3, wobei der Hohlraum (360) ein erstes Ende für die Aufnahme von Lichtstrahlen aufweist, die von der zweiten Endoberfläche der Linse (308) austreten, sowie ein zweites Ende zur Ausgabe der Lichtstrahlen aus dem Hohlraum (360), wobei das System ferner eine erste transparente bzw. lichtdurchlässige, flexible Membran (365) aufweist, die bei dem zweiten Ende des Hohlraums (360) positioniert ist.
System gemäß Anspruch 6, wobei der Hohlraum (360) ferner ein drittes Ende aufweist, das mit einer zweiten, flexiblen Membran (504) zum Anlegen von Druck auf das formbare Gel in dem Hohlraum (360) bedeckt ist.
Das System gemäß Anspruch 7, wobei die ersten und zweiten flexiblen Membrane (365, 504) durch das formbare Gel gekoppelt sind, so dass die Deformierung der zweiten flexiblen Membran (504) eine entsprechende Deformierung der ersten flexiblen Membran (365) verursacht.
System gemäß Anspruch 8, das ferner einen elektromechanischen Betätiger (500, 502) zum Anlegen einer Kraft auf die zweite flexible Membran (504) aufweist.
System gemäß Anspruch 9, wobei die erste flexible Membran (365) eine konvexe Form erhält, wenn eine positive Kraft auf die zweite flexible Membnan (504) durch den elektromechanischen Betätiger (500, 502) angelegt wird.
System gemäß Anspruch 10, wobei die erste flexible Membran (365) eine konkave Form erhält, wenn eine negative Kraft auf die zweite flexible Membnan (504) durch den elektromechanischen Betätiger (500, 502) angelegt wird.
System gemäß Anspruch 11, wobei die erste flexible Membran (365) flach ist und keine Krümmung aufweist, wenn der elektromechanischen Betätiger (500, 502) keine Kraft auf die zweite flexible Membran (504) anlegt.
System gemäß Anspruch 1, wobei das formbare Gel aus einem Silicongel gebildet ist.
System gemäß Anspruch 1, das ferner einen Strahlenscanner zum Scannen eines Lichtstrahls innerhalb des Gehäuses (361) aufweist.
System gemäß Anspruch 14, wobei die Linse (308) zwischen der Lichtquelle (S) und dem Strahlenscanner in dem Gehäuse (361) angeordnet ist.
System gemäß Anspruch 1, wobei der Hohlraum (360) ein erstes Ende zum Aufnehmen der Lichtstrahlen und ein zweites Ende zur Ausgabe der Lichtstrahlen von dem Hohlraum (360) aufweist, wobei die Linse eine Außenoberfläche (362) aufweist, die bei dem zweiten Ende positioniert ist; und wobei das Gehäuse (361) eine äußere Oberfläche aufweist und die Außenoberfläche (362) der Linse die äußere Oberfläche des Gehäuses (361) kontaktiert.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Lichstrahlfokussierungssystems, das die folgenden Schritte aufweist: Anbringen einer Lichtquelle (S) bei einer Quellenposition (P) zum Erzeugen einer Vielzahl von Lichtstrahlen, die von der Quellenposition (P) ausgehen; Vorsehen eines Gehäuses (361), das einen Hohlraum (360) aufweist; Füllen des Hohlraums (360) mit einem formbaren Gel zur Aufnahme und Fokussieren der Lichtstrahlen von der Lichtquelle (S); gekennzeichnet, durch: Formen des Gehäuses (361) mit einer ersten Öffnung (302) zur Aufnahme einer Gradientenindexlinse (308) in dem Gehäuse (361) und mit einer zweiten Öffnung (303) zur Aufnahme der Lichtquelle (S) in dem Gehäuse (361); Einschließen bzw. Abdichten des formbaren Gels in dem Hohlraum (360); Anordnen der Gradientenindexlinse (308) innerhalb der ersten Öffnung (302); Anordnen der Lichtquelle (S) innerhalb der zweiten Öffnung (303); Fokussieren der Lichtquelle (S) durch Positionieren der Lichtquelle (S) innerhalb der zweiten Öffnung (303), wobei ein Fokussierungsstift (310) innerhalb des Gehäuses (361) benachbart zu der Gradientenindexlinse (308) angeord net ist und die Fokussierung der Lichtquelle (S) durch Drehen des Fokussierungsstifts (310) ausgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 17, das ferner den Schritt des Aushärtens des formbaren Gels nach dem Befüllungsschritt ausführt.