JP5341111B2 - アキシコン部を用いた光学的パターン生成器 - Google Patents

Description

本発明はおおよそ点、領域及び線の画像配列などの光学的図形パターンの生成に関わる。さらに詳細に述べると、本発明は複数のアキシコン偏向部を備えた回転部材を用いて前記のような画像パターンを生成することに関する。

（関連出願の説明）
本出願は米国特許法１１９条（e）に基づいて、２００８年２月５日に米国にて出願された仮特許出願No.61/026,459「アキシコン部を用いた光学的パターン生成器」を基礎として優先権を主張するものである。

あらかじめパターンが設定された点や画像構成の光学的生成は、様々な用途に使用されている。デジタルコピー機、携帯型バーコードスキャナー、工業用の切断や溶接作業、印刷機、指紋認証、ライトショーエンターテイメント、遠距離通信スイッチ、医療用途や光ディスプレーなどがいくつかの例である。図形パターン生成で最も一般的なメカニズムの一つは、傾斜ミラー（例えば検流計によって動かされる振動ミラー）や回転凸ポリゴンからの反射である。

しかしながら、傾斜ミラーに基づく光学的パターン生成器は一般的に特定の用途には適さない特徴がある。例えば、前記生成器によるパターン生成は傾斜ミラーを往復で走査することにより達成される。しかし、傾斜ミラーを振動させたり又は往復走査するには、前記ミラーの動きが止まったらその方向を逆に向けることが必要である。これには時間がかかるため、パターンが生成される速度が制限されてしまう。パターン生成速度を増加させるには、システムにおけるミラーを大抵、検流計の共振周波数付近で稼動させることである。しかしながら、このようにすることは生成されるパターンを厳しく制限するとともに、システムのデューティ−サイクルを低下させる。例えば不規則なパターンを生成することは、ミラーの動きが振動に限定されるため難しい。共振に近い状況も、実現可能なパターン生成速度の範囲を制限する。例えば、共振に近い状況は小範囲の速度にわたってしか存在しないため、前記のようなシステムを速度の広範囲にわたるよう調整することが難しい。加えて、共振パターン生成器の角速度は、通常正弦関数的であり、各時点において滞留時間が適当に一定かつ長く持続しなくてはならない用途の多くに適さない。

二次元の画像パターン（例えば一連の平行線あるいは二次元の領域パターン）が所望される場合、一般的には単一ミラーが同時に二方向に傾けられるか、あるいは調整された二つの傾斜ミラーが用いられる。

多くの場合、レーザーなどのエネルギー源に係る効率性やデューティ−サイクルもまた重要である。効率性やデューティ−サイクルは、「与えられた期間内にエネルギー源から供給される全エネルギー」に対する「処理位置における所望のパターンに蓄積される全エネルギー」の割合で定義される。パターンが背景視野と比較してまばらな場合には、エネルギー源を止めてすぐに露出していない背景を走査し、露出している像点に画像が定まった時にエネルギー源を元に戻すことが好ましい。これには、速やかに加速、減速、停止ができる反応性の良い装置が必要である。このように必要とされる特性の結果として、検流計、凸ポリゴンあるいはその他先行技術のメカニズムはハイスピードなパターン生成にはあまり適しておらず、特にパターンが不規則あるいはまばらな場合には尚更である。

回転凸ポリゴンシステムにおいて、三次元ポリゴンの複数の面は反射するように作られ、そのポリゴンは中心軸周りに回転する。ポリゴンの各々の反射面が回転するときにそこに入射光ビームが入射して、光ビームは反射し走査線上に点の軌跡を作る。各々の反射面の回転が異なる走査線を生み出す。ポリゴンの面が全て同一なら、ポリゴンの各々の面によって同じ線が走査される。反射面が中心回転軸に対して異なるプリズムの角度を有していれば、各々の面は異なる変位走査線を生み出す。

しかしながら、回転ポリゴン手法も特定の用途には適さない欠点がある。例えば、一連の走査線を生み出すシステムは、ポリゴンの回転によって生じる収差という問題を抱えている。一連の走査線を生み出すためには、ポリゴンの各面が走査線を走査方向に垂直な方向にオフセットするような異なるピラミッド型の角度を有していなければならない。しかしながら、各々の面が回転するときにそこに入射光ビームが入射するため、その回転角によってポリゴンの反射面の角度方向は変動する。これによって、回転角の作用によるオフセット量の変動を誘発したりその他の不要な像収差を招く恐れがある。不要な像収差の一例は線の弓形湾曲である。通常、理想の走査線は直線だが、ポリゴンの回転に伴う反射表面の角度方向の変動が原因により、実際の走査線はしばしば弓形の円弧になる。画像円弧のたわみ部分は走査線中の「弓形湾曲」であり、通常、弓形湾曲の量はポリゴンの反射面におけるピラミッド型の立体角の量に依存している。ポリゴンの面における異なるピラミッド型の立体角を用いて異なる線が走査されると、各々の走査線に異なる弓形湾曲の量が生み出される。

ポリゴンの回転によって誘発された走査線の弓形湾曲やその他の影響は、用途に依存したさらなる問題を誘発する可能性がある。例えば、ある用途では、走査動作を処理位置（あるいは表面）に対する走査システムの移動を補うために用いることで、光学系が表面に対して動かされるときも理論上光学的パターンを処理位置に固定させる。この場合、走査線の弓形湾曲やその他のポリゴンによって引き起こされた収差によって、光学的パターンは走査方向に垂直な方向に移動する。処理位置・表面に対する光学的パターンの不要な移動は結果的に不要な画像のぼやけをもたらす。

二つの直交する方向に異なる寸法を有する像点を生み出すためには、検流計によって動かされるミラーあるいは回転凸ポリゴンといった光学的パターン生成器は、一般的に複雑な多要素アナモフィック光学系が必要である。用途によっては円よりもむしろ楕円率の大きな楕円の画像を必要とする。工業用の切断用途やいくつかの医療用途では強楕円のアナモフィック画像構成が必要とされる。アナモフィック光学系は、画像フィールドの位置によって変化する収差を有するため、この複雑さによって、処理位置領域にわたって同じ画像構成配置を保つことは極めて難しくなる。

それゆえに、（できれば各々の像点において滞留時間が長く）デューティーサイクルの大きい高スピードで作動する光学的パターン生成器や、特に不規則なパターンの生成についてニーズがある。また、収差や画像のぼやけを低減したパターン生成器にもニーズがある。さらに、アナモフィックかつ画像フィールド全域で形状が比較的一定である画像構成については多くの用途においてより一層のニーズがある。

本発明はアキシコン部を備える回転部材を用いた光学的パターン生成器を提供することで先行技術の限界を克服している。回転部材は複数の反射アキシコン部を備える。少なくとも二つのアキシコン部は異なる夾角を有している。アキシコン部が回転するときにそこに入射光ビーム入射するように回転部材が位置決めされ、回転部材は回転軸周りに回転する。各々のアキシコン部は画像を生成する入射光ビームを偏向させる。アキシコン部全体が画像パターンを生成する。

別の観点から見ると、光学的パターン生成器はアナモフィック光学系（例：円筒レンズ）をより多く含んでいる。アナモフィック光学系には、サジタル面の入射光ビームがアキシコン部上に結像されるときにそれを圧縮するものもある（例えば、光ビームを線焦点上に結像する）。さらなるアナモフィック光学系は、アキシコン部と離れた後のサジタル面の入射ビームの圧縮を解除する。このように、アキシコン部上の光ビームの幅は減らされ、デューティーサイクルは上昇する。加えて、アナモフィック光学系の相対屈折力を調整することで、目的とする位置に生成される画像の形状も調整可能である。例えば、開口数や目的位置にあるサジタル面及びメリディオナル面の光ビームの領域幅を調整することができる。

アキシコンは回転面である。また、回転軸に対して回転対称である。ある態様では、アキシコン部は回転軸と回転部材の自転軸が一致するように位置決めされている。このように、アキシコン部によって光ビームへもたらされる形状は、アキシコン部が回転するところに光ビームが入射するときも変化せず、また、対応する画像も変化しない。別の手法においては、自転軸はアキシコン部の回転軸と平行だが離れている。この手法はわずかに変化する（移動する）画像を生成するために用いられるもので、特定の用途においては有利に作用し得る。

全体の処理量は光学的パターン生成器へ入射する多重光ビームを用いることで増加させられる。

別の実施例では、光学的パターン生成器は二重アキシコン部構造を用いている。この場合、二つの構成部材があり、その内の少なくとも一つは回転している。両方の構成部材とも反射アキシコン部を有している。回転部材において、回転部材が自転軸周りに回転するとともにアキシコン部が回転してそこに光ビームが入射する。入射光ビームは一つのアキシコン部によって各々の部材から偏向される。二つのアキシコン部は、共同で入射光ビームを偏向させて、画像パターンから画像を生成する。多くの異なる形態も可能である。例えば、第一の部材が回転し第二の部材が静止しても良く、第一の部材が静止し第二の部材が回転しても良く、あるいは両方の部材とも回転しても良い。ある形態では、両部材とも同一の回転部材とすることで、全体の要素の数を減少させる。前記のように、アナモフィック光学系は、光ビームがアキシコン部上に結像される時にそれを圧縮するためにも用いられ得る。

前記光学的パターン生成器は様々な用途で有利に用いられる。例えば、前記光学的パターン生成器は光エネルギーをヒト組織上に付与するためにも用いられ、それは外面的に肌上に行うか、あるいは内面的に様々な穴を通して行われる。光エネルギーは異なる目的を達成するためにも用いられる。例えば局部加熱、アブレーション、切断、焼灼などがある。前記生成器はその他の素材に光エネルギーを付与するためにも用いられる。例えば、金属粉末、その他工業用素材である。切断、溶接、アブレーションそしてマーキングは本発明を用いて実施される製造工程の例である。前記生成器はレーザー、ＬＥＤプリンター、光学的画像スキャナー、あるいはコピー機にも用いられる。

多くの場合、これらのアキシコン要素は直接機械加工されるかあるいはプラスティック射出成形、電鋳法、エポキシ樹脂接着法といった複製法によって製造される。

本発明の別の態様では前記に対応する装置、製造、用途の手法が含まれている。

図１Ａは、角度Ａを有するアキシコン部からのメリディオナル面での反射を示す図 図１Ｂは、角度Ａ’を有するアキシコン部からのメリディオナル面での反射を示す図 図２Ａは、サジタル面での異なるビームの発散を示すアキシコン反射体の端面図 図２Ｂは、サジタル面での異なるビームの発散を示すアキシコン反射体の端面図 図３は、アキシコン部を備え、サジタル面でアキシコン部に集束するビームを用いる光学的パターン生成器システムの斜視図 図４Ａは、図３のアキシコン部を備える光学的パターン生成器システムの側面図 図４Ｂは、図３のアキシコン部を備える光学的パターン生成器システムの側面図 図５Ａは、図３のシステムの端面図 図５Ｂは、図５Ａを引き伸ばしたもので、アキシコン部上の光ビームの軌跡を示す図 図６は、第二の円筒半径が第一の円筒半径の２倍の長さである点広がり関数等高線図 図７は、第一の円筒半径が第二の円筒半径の２倍の長さである点広がり関数等高線図 図８は、小さな夾角を有するアキシコン部を基礎とするアキシコン光学的パターン生成器システムの斜視図 図９は、小さな夾角を有するアキシコン部を基礎とするアキシコン光学的パターン生成器システムの側面図 図１０は、小さな夾角を有するアキシコン部を基礎とするアキシコン光学的パターン生成器システムの底面図 図１１は、小さな夾角を有するアキシコン部を備えた光学的パターン生成器システムの斜視図 図１２は、小さな夾角を有するアキシコン部を備えた光学的パターン生成器システムの上面図 図１３は、さらにもう一つの、アキシコン部を備える光学的パターン生成器システムの斜視図 図１４は、さらにもう一つの、アキシコン部を備える光学的パターン生成器システムの側面図 図１５は、さらにもう一つの、アキシコン部を備える光学的パターン生成器システムの上面図 図１６は、自転軸とアキシコン部の回転軸が分かれており、画像図形が線の軌跡方向を横断する方向に移動する、アキシコン光学的パターン生成器システムの斜視図 図１７は、自転軸とアキシコン部の回転軸が分かれており、画像図形が線の軌跡方向を横断する方向に移動する、アキシコン光学的パターン生成器システムの上面図 図１８は、自転軸と回転軸が一致するアキシコン光学的パターン生成器システムによって形成された図形の領域図 図１９は、図１６のアキシコン光学的パターン生成器システム（自転軸と回転軸は分かれている）によって形成された図形の領域図 図２０は、生成される図形画像を増加させるために多重流入ビームを用いるアキシコン光学的パターン生成器システムの斜視図 図２１は、図２０の流入ビームによって同時に生成された三つの画像図形の領域図 図２２は、サジタル面にもたらされた多重流入ビームが入射するアキシコン光学的パターン生成器システムの斜視図 図２３は、サジタル面にもたらされた多重流入ビームが入射するアキシコン光学的パターン生成器システムの上面図 図２４は、図２２の三つの流入ビームによって同時に生成された三つの画像図形の領域図 図２５は、二重アキシコン光学的パターン生成器システムの斜視図 図２６は、二重アキシコン光学的パターン生成器システムの側面図 図２７は、二重アキシコン光学的パターン生成器システムの上面図 図２８は、デューティーサイクルを改善する二重アキシコン態様の斜視図 図２９は、デューティーサイクルを改善する二重アキシコン態様の上面図

本発明はその他の利点や特徴を有しており、それは後に続く発明の詳細な説明、添付された請求項及び図面を併用することで容易に明らかになる。

図は本発明の態様を説明の為だけに描いている。当業者であれば、ここで説明された構造及び方法についての別の態様をここに記載された発明の原則から離脱することなく容易に認定する。

図１Ａは、メリディオナル面における入射光ビーム１４の反射アキシコン表面１０からの反射を示した図であり、反射アキシコン表面１０は回転軸１２周りの回転面である。この場合、アキシコンは直円錐の形状を有する。図１（及び他の多くの図）に示されるアキシコン１０上に重ね合わされた格子は図形プログラムで加工したものであり、格子内の各々の台形領域が全て区分的に均一であるという意味ではない。アキシコンの夾角はＡである。この夾角は直円錐の頂角の半分で、そこからアキシコンが生成されている。反射光ビーム１６が図１に示されている。アキシコン表面１０は回転面であるから、回転軸１２周りの回転はその表面の形状を変化させず、また反射光ビーム１６はアキシコン表面１０が回転している時も伝播方向を変化させない。

図１Ｂは、アキシコンが異なる夾角Ａ’を有するが、それ以外は図１Ａと同じである。結果として、反射光ビーム１６’は図１Ａとは異なる方向へ伝播する。しかしながら、図１Ａと同様に、アキシコン１０’の回転軸１２周りの回転は表面の形状を変化させず、また反射光ビーム１６’はアキシコン１０’が回転している時も伝播方向を変化させない。

本発明の第１態様によれば、光学的パターン生成器は複数の反射アキシコン部を有する回転部材を備える。図１Ａ及び図１Ｂにおいて、アキシコン１０及び１０’は各々が回転軸１２周りに完全に３６０度広がっているが、アキシコン部は３６０度以下に広がるよう作られても良い。これらは完全な錐体というよりもむしろ錐体の一部に相当する。異なるアキシコン部を３６０度に広がるよう組立てても良い。例えば、各々のアキシコン部が１５度広がっていると仮定する。第一のアキシコン部が夾角Ａを有し、その次が夾角Ａ’を有し、と第二十四のアキシコン部まで同じように続くとする。これらのアキシコン部を回転部材の中に取り付けて、その際にその自転軸と各々のアキシコン部の回転軸は一致するものとする。アキシコン部を含む部材が共通の回転軸１２周りに回転すると、各々異なる反射アキシコン部が回転してそこに入射光ビーム１４が入射し、それによって一連の反射光ビーム１６、１６’等を生み出す。一連の反射光はそれぞれ異なる反射角を有して良い。さらに、そのアキシコン部は回転軸周りに回転するから、異なるアキシコン部が回転してそこに光ビームが入射するに応じてそれぞれ反射光はおそらく変化するが、ある一つのアキシコン部が回転してそこに入射光ビームが入射するときには反射光は変化しない。

図２Ａは、サジタル面における平行入射光ビーム１４の反射アキシコン表面１０からの反射を示した図である。平行光ビームは反射に際してサジタル面に強く発散する。反射光ビーム１６Ｓの発散量はサジタル面におけるアキシコン表面への入射光ビームのサイズの関数である。図２Ａには７本の光線が例として示されている。反射光ビーム上１６Ｓの７本の光線は強く発散し、発散角はアキシコン表面１０のサジタル方向寸法における入射光の距離の関数であり、光線は一点から発散しているようには見えない。光線はサジタル面において収差が生じる。

この発散はシステムにおけるメリディオナル面とサジタル面の口径比を変えることに有効だが、アキシコン表面１０上の変位はシステムのデューティーサイクルを大幅に低減させてしまう。アキシコン光学的パターン生成器のデューティーサイクルはアキシコン表面における入射ビームの軌跡のサジタル方向幅の関数である。より広い軌跡というのは、部材を回転させる任意の直径に対してデューティーサイクルがより小さいことを意味し、裏を返せば、任意のデューティーサイクルに対して部材を回転させる直径がより大きいということを意味する。

図２Ｂは、サジタル方向寸法において入射光ビーム１４がアキシコン反射表面に集束しているが、それ以外は図２Ａと同じある。結果として、反射光ビーム１６Ｓ’はアキシコンからより小さく発散し、７本の光線はおおよそアキシコン表面１０上の１点から発散しているように見える。この構成はシステムのデューティーサイクルを増加させることとアキシコン１０のサジタル面における収差を低減させることに有効である。

単一あるいは二重のアキシコンを用いたアキシコン光学的パターン生成器を、図２Ａで示されるような発散の大きいケースあるいは図２Ｂで示されるような発散の小さいケースで上手く活用することも可能である。前記両ケースに基づく態様の例が以下に示されている。

多くの用途では高いデューティーサイクル及び小さな製品ボリュームが必要とされる。これらの用途では、サジタル面においてアキシコン表面に集束するビームを備えた、「単一アキシコン」光学的パターン生成器の構成を上手く利用しても良い。本文における「単一アキシコン」の意味は、光ビーム中の各々の光線がそれぞれ単一のアキシコン部に反射することを意味するが、ただしアキシコン部は回転部材の回転とともに経時変化しても良い。図３は、単一アキシコン光学的パターン生成器の態様の斜視図である。平行入射ビーム１００（一般的にはレーザーエネルギー源から）は、調整可能な動力を備えた望遠鏡として機能する２つのレンズ１０２、１０４を通過する。その２つのレンズ１０２、１０４は、必要な画像サイズを提供するビームの直径を選択する働き及び画像表面を選択的に処理表面の前後へ移動させる働きを有し、操作者によって選択された処理計画を最適化することに供する。

望遠鏡グループの１０２、１０４から出ていく拡張ビーム１０６はビーム調整レンズ１０８に入り、ビーム調整レンズ１０８はサジタル面における入射ビームを回転部材１１２の表面上に集束させ、回転部材１１２は複数のアキシコン部を備える。アキシコン部は各々が異なる夾角を有しても良い。フォルダーミラー１１０はシステムのボリュームを低減するためにビーム調整レンズ１０８と回転部材１１２の間に置かれても良い。拡張ビーム１０６は一つのアキシコン部表面１１４に反射し、反射した射出ビーム１１６はイメージングレンズ１１８に入る。ウィンドウ１２０はシステムをシールするために用いられても良い。ビームは処理位置１２２に集束している。なお、処理「位置」１２２をビームが集束する平面として示しているのは分かりやすくするためであり、実際の処理位置は平面でなくても良く、さらには真に三次元でも良い。加えて、焦点は最大効率の位置と同じでなくても良い。図３は、処理表面１２２の異なる三つの位置に集束する異なる三本のビームを示している。三本のビームは異なる夾角を有する三つのアキシコン部に対応している。すなわち、三本のビームは、処理位置１２２上に同時には現れないで、むしろ各々のアキシコン部が回転するときにそこに入射光ビームが入射するにつれて連続して現れる。

図３において、ビーム調整レンズ１０８は片側に円筒表面を有し、この円筒表面は入射してくる拡張ビーム１０６をアキシコン部表面１１４に集束させる。円筒表面はビームがはっきりとサジタル面に集束する（線焦点はアキシコン部表面１１４上に形成される）ように置かれている。図３で示される回転部材１１２は上端部分が用いられないので省略している。イメージングレンズ１１８は一つの円筒表面１２４と一つの球状表面１２６を有している。円筒表面１２４は、サジタル面で集束するビームを再度平行にすることで、球状表面１２６を通過する光ビームがサジタル面及びメリディオナル面の両方において処理表面１２２に明確に集束するようにしている。ビーム調整レンズ１０８の円筒表面と円筒表面１２４はアキシコン部１１４に共通の焦点を共有しているため、これら二つの円筒表面はサジタル面において望遠鏡として機能する。これら二つの円筒半径の比率を調整することで、望遠鏡の倍率を選択し、サジタル面及びメリディオナル面の口径比を変えることができる。二つの半径が等しい時、望遠鏡のサジタル方向の倍率は一致し、サジタル面及びメリディオナル面の口径比も同じで、さらにこれら２面における画像領域のサイズも等しくなる。場合によっては異なる画像領域のサイズを有することが好都合であるが、それは二つの円筒表面の割合を適切に選択することで達成される。

図４Ａは図３中のシステムの側面図である。自転軸１１３が示されている。これもまたアキシコン部の回転軸である。アキシコン部１１４から反射したビーム１３０は処理位置におけるアキシャルポイント１３２に集束する。図４Ｂは同じ側面図だが、三つの順次的なアキシコン部１１４、１１４’、１１４’’があり、各々が処理位置において対応する像点１３２，１３２’，１３２’’を生成する。回転部材１１２の異なるアキシコン部の各々は処理位置において異なる像点を生成し、アキシコン部に光ビームが入射する限りそれぞれの像点は処理位置に存在する。

図５Ａは、図４で示されるシステムの端面図であり、ビームの焦点の状況を観察することができる。ビーム調整レンズ１０８の円筒表面は光ビームをアキシコン部１１４のサジタル面中の点１３８に集束させる。アキシコン部１１４から反射した発散ビーム１３０はイメージングレンズ１１８の円筒表面１２４を通過する。円筒表面１２４は光ビームをイメージングレンズ１１８中で再度平行にし、イメージングレンズ１１８の球状表面１２６は光ビームを処理位置の点に集束させる。

図５Ｂは図５Ａの拡大図で、角度が少し違う。これは軌跡を示す図で自転軸に沿った回転部材１１２の投影図を示す。アキシコン部１１４が示され、アキシコン部のサジタル面における光ビームの線焦点１４０も見られる。サジタル面における線焦点のおかげで本システムのデューティーサイクルは容易に９０％を超えることができる。図５Ｂより、アキシコン部１１４における集束ビーム幅が０．５ｍｍ、光ビーム入射ポイントにおける回転部材１１２の外周が１２５ｍｍ、そして２０のアキシコン部がある場合、デューティーサイクルはおおよそ〔１２５（３．１４）−（２０）（０．５）〕〔１００〕／〔１２５（３．１４）〕＝９７％となる。

本例ではアキシコン部の線焦点への圧縮を達成するために円筒光学部材を用いた。しかしながら、他のタイプのアナモフィック光学系要素や線焦点以外の形への圧縮も用いることができる。アキシコン部を備えた回転部材を光学的に二つのアナモフィック光学系部材間に配置すると大抵有利であり、その二つのアナモフィック光学系部材は、第一のアナモフィック光学系部材が入射光ビームをアキシコン部のサジタル面に圧縮し、第二のアナモフィック光学系部材がアキシコン部から離れた後の光ビームの圧縮を解除するものである。サジタル面での圧縮は概してシステムのデューティーサイクル全体を増加させる。

図３を再度参照すると、ビーム調整レンズ１０８の一つの円筒表面１０９は入射平行ビームをアキシコン表面上の線に集束させる。もう一つのイメージングレンズ１１８の円筒表面１２４はアキシコン表面上の線に集束したビームを再度平行にする。二つの円筒表面の半径の比率を選択することで、メリディオナル面及びサジタル面における像空間の口径比が異なる値となり、それによって画像寸法は異なる寸法を有する（言い換えればサジタル面とメリディオナル面で画像領域幅が異なる）。

円筒表面１２４が円筒表面１０９より長い円筒半径を有すれば、サジタル方向における数値上のレンズの口径はメリディオナル方向の数値上のレンズの口径より大きくなり、画像寸法はサジタル方向において最も短くなる。図６はその画像状態を表している。ここでは、円筒表面１２４の半径は円筒表面１０９半径の２倍である。図６は結果として生じる点広がり作用に係る等高線図である。矢印は異なるアキシコン部によって生成された画像線の軌跡の方位を表している。線の軌跡は、その軌跡と直交するメリディオナル方向及びサジタル方向に沿って位置する。

反対に、円筒表面１０９の円筒半径が円筒表面１２４の半径より長いときは、メリディオナル方向の開口数はサジタル方向における開口数より大きくなり、画像寸法はメリディオナル方向において最も短くなる。図７はその画像状態を表している。矢印は線の軌跡の方位を表している。

用途によっては、線の軌跡方向に沿って広がる画像領域を上手く利用できるものがあり、それはイメージングレンズ１１８の円筒半径をビーム調整レンズ１０８の円筒半径より長くなるよう選択することで成し得る。他の用途では、線の軌跡方向に垂直に広がる画像領域を上手く利用できるものもあり、それはイメージングレンズ１１８の円筒半径をビーム調整レンズ１０８の円筒半径より短くなるよう選択することで成し得る。さらに他の用途では、線の軌跡方向とその垂直方向に沿って等しい寸法を有する画像領域を上手く利用できるものもあり、それはイメージングレンズ１１８とビーム調整レンズ１０８の円筒半径を等しい大きさにすることで成し得る。

要素１０８の円筒表面１０９の位置は要素の第二の側面に示されているが、代わりに第一の側面に位置付けることもできる。同様に、要素１１８の円筒表面１２４の位置は要素の第一の側面に示されているが、代わりに第二の側面に位置付けることもできる。

図３から図７で示される態様では、共通の回転軸に対して大きく傾けられたアキシコン部を用いている。別の態様が図８に示されており、この態様ではアキシコン表面は回転軸に対してほんの小さく傾けられている。表面上、いくらか以上のアキシコン部が直円柱（言い換えれば夾角が０度）になっても良く、その残りのアキシコン部が直円柱表面に対して正、負の小さな夾角を有しても良い。円は退化した楕円である、という数学的意味と同様の意味で、直円柱表面は退化したアキシコン表面である。それ故に、本態様はまだアキシコン部を用いるが、よりコンパクトなシステムが可能でより小さいアキシコン表面での収差変動が達成されるほど、夾角が小さい。

図８において、入射光ビーム２００は円筒表面２０４を有する円筒レンズ２０２を通過し、円筒表面２０４は自転軸２０８を有するマルチセグメント回転部材２０６のアキシコン部２０４上の線画像にビームを圧縮する。反射光２１０はフォルダーミラー２１２に入射し、反射して円筒表面２１６を有する円筒レンズ２１４を通過する。円筒表面２１６はアキシコン部２０４における線焦点を再度平行にし、ビームはイメージングレンズ２１８を通過して処理位置２２０に集束する。図３のシステムと比較すると、図１１に係る態様ではアキシコン部２０４における夾角を小さくするため、光学収差が低減されるとともに、図３で示されるシステムに比べて画像の質も改善される。

図３のシステムのように、円筒表面２０４及び２１６の円筒半径の比率を選択することで、画像寸法は処理位置２２０において円かもしくは楕円のどちらかとなる。

図９、１０はそれぞれ図８で示される態様の側面図、底面図である。図９には、三つの異なるアキシコン部２０４、２０４’、２０４’’が示されており、これらは入射ビームをビーム２１０，２１０’，２１０’’として反射させ、処理位置２２０に三つの像点を表す。ほとんどの用途では多数のアキシコン部が用いられるが、本図では明確さのために三つのみ示される。図１０の底面図において、注意すべき点は入射ビーム２００及び自転軸２０８が反射光ビームを含む平面に存在することである。

図１１、１２はそれぞれ単一アキシコンを用いた他の態様に係る斜視図及び上面図で、ここではアキシコン部は小さな夾角を有する。図１２では、入射ビーム３００がレンズ３０２の円筒表面３０４によってサジタル面に集束するところと、サジタル方向に集束する入射ビームがアキシコン部３０９の法線に対してある角度をなしてアキシコン部３０９に入射するところが見られる。部材３０６は自身の軸３０８周りに回転するので、サジタル方向に集束するビームはフォルダーミラー３１０を経由して一定の角度でレンズ３１２に反射する。レンズ３１２の円筒表面３１３はサジタル面でビームを再度平行にする。サジタル方向の反射角は、部材３０６の全てのアキシコン部において一定である。各々のアキシコン部３０９とその近くのものは、メリディオナル面において異なる傾斜角を有するから、メリディオナル面における反射光ビームの角度を変えることで、イメージングレンズグループ３１４は処理位置において一連の像点を生成する。図１１には三つの像点が示されている。

用途によっては自転軸に対して平行でない画像線の軌跡を必要とするものもある。図１３〜図１５は処理位置４１６の画像線の軌跡が自転軸４０６に対して垂直である態様を示している。入射光ビーム４００は円筒表面４０３を有するレンズ４０２を通過し、円筒表面４０３は、サジタル面中のビームを、自転軸４０６を有する回転部材４０４のある部分に集束させる。フォルダーミラー４０８は反射光ビームが自転軸４０６と平行になるように反射光ビームの向きを変える。反射光ビームは円筒表面４１２を有するレンズ４１０を通過するが、円筒表面４１２はサジタル面中のビームを再度平行にする。平行になったビームはイメージングレンズ４１４を通過し、結果として自転軸４０６に垂直な面に存在する画像表面に集束することになる。本態様もまた回転部材４０４に垂直なメリディオナル面中の入射光を上手く利用して光学収差は低減される。

多くの態様は、線パターンの軌跡方向における制御された画像図形の横断方向変位を生成する光学的パターン生成器のために存在する。処理表面に対し移動している装置は、システムの相対的な移動によって誘発された画像図形のぼやけを打ち消すために、前記画像図形の横断方向変位を上手く利用できる。工業用マイクロ溶接工法のような他の装置は、溶接の熱条件を改良すべく、より広い領域にわたってエネルギーを広げるために、移動する画像図形を上手く利用してできる。

ここで開示されているアキシコン光学的パターン生成器は自転軸とアキシコン部の回転軸を分けることで画像図形の横断方向移動という特徴を備えることができる。図１６に例が示されている。入射光ビーム５００は円筒レンズ５０２を通過し、円筒レンズ５０２はサジタル面中のビームをアキシコン部５０６に集束させる。アキシコン部５０６は回転軸５１０を有し（言い換えればアキシコン表面は回転軸５１０に対して回転対称である）、回転軸５１０は自転軸５０８から分けられる（言い換えればアキシコン部は物理的に自転軸５０８周りに回転する）。これら二つの軸５０８、５１０が一致すれば、前記例で示されているようにアキシコン部は終始同じところを回転する。これら二つの軸５０８、５１０が図１６、１７で示されているようにずれていれば、アキシコン部が自転軸５０８周りに回転するにつれて、画像図形は処理位置において横断方向に変位する。図１８は処理位置における画像図形を示しており、ここでは二つの軸５０８、５１０は一致し横断方向の画像移動は表れていない。図１９も処理位置における画像図形を示しており、ここでは二つの軸５０８、５１０はずれており、横断方向の画像移動が表れている。図１９中の三つの領域郡はアキシコン部の異なる三つの自転位置に対応する。図１８には、三つ全ての自転位置に対して同じ領域図が生成されている。

軸５０８、５１０のずれは図１６，１７で示されるアキシコン表面へ小さな画像のピンぼけをもたらす。改良設計は円形よりむしろ非球面断面を使用しているので、アキシコン表面の法線は回転とともに変化し、入射光ビームに対するアキシコン表面の変位が低減される。上記で述べた技術は他のアキシコン構造にも用いることができ、図１６、１７で示される特定の構造のみに限らない。

生成される図形の数を増加させるため（例えば線の軌跡に沿って画像図形の密度を増加させたり、二次元あるいはジグザグの画像パターンを生成するため）には、多重流入ビームを使用することで、アキシコン光学的パターン生成器の各種態様についてさらなる変形例が可能となる。医療用途ではよく、高密度の画像図形、高速パターン生成あるいは二次元の画像パターンが役に立つ。マイクロ溶接でもまたこれらの改良特徴が役に立つ。

図２０は、メリディオナル面中で一直線になった多重流入ビームを用いたアキシコン光学的パターン生成器の斜視図であるが、ここでは多重の画像図形が処理パターンの線の軌跡に沿って同時に生成される。図２０において、流入光ビーム６００，６００’，６００’’は円筒表面６０４を有する円筒レンズ６０２を通過して、アキシコン部６０６上の共通の開口絞り６０８に線焦点を形成する。多重反射光ビームは円筒表面６１２を有するレンズ６１０を通過して、サジタル面にて再度平行になり、イメージングレンズ６１４に入る。多重流入ビーム６００，６００’，６００’’の各々は線パターンの軌跡に沿って同時に画像図形６１６，６１６’，６１６’’を形成する。図２４は、処理位置における線パターンの軌跡に沿った多重画像図形６１６，６１６’，６１６’’を示したものである。

特定の用途においては、線パターンの軌跡から横断方向に変位した画像図形を有する画像パターンを生成することも有利になる。ジグザグ状の画像パターンはこのようにして生成され、また処理位置に沿った装置の迅速な移動も装置の移動方向に沿って変位した同時多重画像図形を用いることで成し得る。図２２はアキシコン光学的パターン生成器の斜視図を示しており、ここでは線パターンの軌跡に対して横断方向に変位した画像図形を同時に生成するために、多重流入ビームがサジタル面中に導かれている。図２２において、サジタル面中に存在する多重流入ビーム７００，７００’，７００’’はレンズ７０２を通過し、レンズ７０２はサジタル面中の全てのビームをアキシコン部７０６に集束させる。多重ビームはアキシコン部７０６から反射してレンズ７０２を通過し、レンズ７０２はサジタル面中の全てのビームを再度平行にする。平行になったビームはイメージングレンズ７１４を通過し、処理位置に像点７１６，７１６’，７１６’’として現れる。

図２３は本態様を示す図で、ここではサジタル面中の多重流入ビーム７００，７００’，７００’’がレンズ７０２によってアキシコン部７０６に集束している。流入ビーム７００，７００’，７００’’は、アキシコン部表面７０６上に中間の像点７０５，７０５’，７０５’’としてサジタル面中で集束し、これら中間の像点は続いて処理位置上に像点７１６，７１６’，７１６’’として再画像化される。図２４は、サジタル面中の多重流入ビームによって処理位置に生成された多重画像を示している。像点７１６，７１６’，７１６’’は図２４に示されている通り、線パターンの軌跡に対して横断方向に変位している。

アキシコン光学的パターン生成器の利点の一つは、サジタル面及びメリディオナル面において異なる開口数を得ることにより画像図形が線パターンの軌跡に沿った方向及びその横断方向に異なる寸法を得られることである。この特徴は前記態様の全てが提供する。用途によっては画像図形の寸法における非常に大きな差異が有利になる光学的パターン生成器もある。これらの用途ではアキシコン部材一つの代わりに二つを用いる光学的パターン生成器が好ましい配置となる。

図２５、２６、２７はそれぞれ、アキシコン部材一つの代わりに二つを用いるアキシコン光学的パターン生成器の斜視図、側面図、上面図である。これは「二重アキシコン」光学的パターン生成器と言う。流入光ビーム８００はまず最初に回転軸８０４を有するアキシコン部８０２に入射する。本態様では、アキシコン部８０２が全て同一かつ同じ夾角を有する。本態様では、全てのアキシコン部が同一であるため代わりに単一非回転アキシコンミラーを用いることができる。他の態様では、回転部材が回転軸８０４周りに回転するため、アキシコン部が異なる夾角を有し各々が異なって流入ビーム８００を偏向させても良い。流入光ビームはアキシコン部８０２によって反射し、続いて第二のアキシコン部８０６によって反射する。本態様では、アキシコン部８０６は異なる夾角を有し、光ビームを各々異なる角度で反射させる。他の態様では、アキシコン部８０６が各々同じ夾角を有するのに対し、アキシコン部８０２は各々異なる夾角を有しても良く、また非回転アキシコン表面であっても良い。

本態様では、アキシコン部８０６から反射した光ビームはメリディオナル面中で異なる角度を有しレンズ８０８を通過する。レンズ８０８は円筒表面である一つの表面８１０を有する。アキシコン部８０２及び８０６から反射した光ビームはサジタル面中で強く発散し、円筒表面８１０はサジタル面中の多重反射光ビームを平行にする。レンズ８０８の表面８１２は球状で、二重平面ウィンドウ要素８１４を通過した後の多重反射光ビームを処理位置に集束させる。

一つの変形例では、アキシコン部８０２、８０６は両アキシコン表面が光ビームの偏向に寄与するよう、同一であっても良い。さらに、アキシコン部８０２、８０６を備える回転部材をそれぞれ同一の部材にしてその製造の複雑性を低減しても良い。本変形例では、各々のアキシコン部対による偏向の合計が正しいビームの偏向角を得られるように夾角を選択しても良い。

側面図の図２６は異なる夾角を有するアキシコン部から生じる多重反射光ビームを示している。図２６において、流入光ビーム８００はアキシコン部８０２から反射する。続いて、光ビームは連続するアキシコン部８０６，８０６’，８０６’’から反射し、これらのアキシコン部の各々は光ビーム８０７，８０７’，８０７’’をメリディオナル面中に異なる角度で反射させる。続いて、レンズ８０８はこれらの反射光ビームをメリディオナル面中の線上にある像点８１６，８１６’，８１６’’に集束させる。

図２７は上面図である。流入光ビームは二つの回転部材にあるアキシコン部８０２、８０６から反射するが、二つの回転部材は共通の回転軸８０４周りに回転している。続いて、反射光ビームはレンズ８０８に入る。二つのアキシコン部８０２、８０６から反射した光ビーム８０７は、レンズ８０８に入る前にサジタル面中で強く発散する。この強い発散はレンズ８０８によって再度平行にされ、処理位置８１６上に結像する。サジタル面におけるビーム８０７の強い発散によって、レンズ８０８におけるサジタル方向ビーム幅がメリディオナル方向ビーム幅より非常に大きくなり、よって処理表面８１６における画像図形寸法がサジタル方向とメリディオナル方向で大きく異なる。画像図形寸法のこの変形例は光学的パターン生成器の特定の用途で非常に所望される。

二重アキシコン光学的パターン生成器は、アキシコン部におけるサジタル方向ビーム幅によって制限されるデューティーサイクルを有する。円筒レンズを入射ビームに加えてビームをサジタル方向において反対側にある二つのアキシコン部間の中ほどに集束させることで、このシステムのデューティーサイクルを改良しても良い。図２８、２９は前記態様の斜視図、上面図である。入射ビーム９００は円筒表面９０４を有するレンズ９０２を通過し、円筒表面９０４はビームを回転軸９０８周りに回転するアキシコン部９０６、９１０間でサジタル方向に集束させる。

詳細な説明には多くの項目が含まれているが、これらによって発明の範囲が制限されるべきではなく、単に発明の異なる例や側面を示しているに過ぎない。当然のことながら、発明の範囲には上記で詳細に論じられていない他の態様も含まれる。当業者から見て明らかであろう他の様々な修正、変化、変形は、本明細書で開示された方法の配置、操作及び詳細、並びに本発明装置中に適用されても良い。

１０、１０’ アキシコン（表面）
１２ 回転軸
１４ 入射光ビーム
１６、１６’、１６Ｓ、１６Ｓ’ 反射光ビーム
１００ 入射ビーム
１０２ レンズ
１０４ レンズ
１０６ 拡張ビーム
１０８ ビーム調整レンズ
１１０ フォルダーミラー
１１２ 回転部材
１１４、１１４’、１１４’’ アキシコン部
１１６ 射出ビーム
１１８ イメージングレンズ
１２０ ウィンドウ
１２２ 処理位置（表面）
１２４ 円筒表面
１２６ 球状表面
１３０ ビーム
１３２，１３２’，１３２’’ 像点
１３８ 点
１４０ 線焦点
２００ 入射ビーム
２０２ 円筒レンズ
２０４、２０４’、２０４’’ 円筒表面（アキシコン部）
２０６ 回転部材
２０８ 自転軸
２１０，２１０’，２１０’’ 反射光
２１２ フォルダーミラー
２１４ 円筒レンズ
２１６ 円筒表面
２１８ イメージングレンズ
２２０ 処理位置
３００ 入射ビーム
３０２ レンズ
３０４ 円筒表面
３０６ 部材
３０８ 軸
３１０ フォルダーミラー
３１２ レンズ
３１４ イメージングレンズグループ
４００ 入射光ビーム
４０２ レンズ
４０４ 回転部材
４０６ 自転軸
４０８ フォルダーミラー
４１０ レンズ
４１２ 円筒表面
４１４ イメージングレンズ
４１６ 処理位置
５００ 入射光ビーム
５０２ 円筒レンズ
５０６ アキシコン部
５０８、５１０ 軸
６００，６００’，６００’’ 流入光ビーム
６０２ 円筒レンズ
６０４ 円筒表面
６０６ アキシコン部
６０８ 開口絞り
６１０ レンズ
６１２ 円筒表面
６１４ イメージングレンズ
６１６，６１６’，６１６’’ 画像図形
７００，７００’，７００’’ 流入ビーム
７０２ レンズ
７０５，７０５’，７０５’’ 像点
７０６ アキシコン部
７１４ イメージングレンズ
７１６，７１６’，７１６’’ 像点
８００ 流入光ビーム
８０２ アキシコン部
８０４ 回転軸
８０６ アキシコン部
８０８ レンズ
８１０ 円筒表面
８１２ 表面
８１４ 二重平面ウィンドウ要素
８１６，８１６’，８１６’’ 像点
９００ 入射ビーム
９０２ レンズ
９０４ 円筒表面
９０６ アキシコン部
９０８ 回転軸
９１０ アキシコン部

Claims (11)

1. 目標位置に図形パターンを生成する単一アキシコン光学的パターン生成器であって、
   複数の反射アキシコン部を有する回転部材と、
   回転部材の自転軸に対する少なくとも二つの異なる傾斜角を有するアキシコン部とを備え、
   回転部材が自転軸周りに回転するときにアキシコン部が回転してそこに入射光ビームが入射するように回転部材が配置され、
   各々のアキシコン部が入射光を偏向させて図形パターンを生成し、
   アキシコン部は共通の回転軸を有する直円錐の表面部分であり、
   アキシコン部の回転軸は回転部材の自転軸と一致しないが離れていて平行である、単一アキシコン光学的パターン生成器。
2. サジタル面中の入射光ビームを圧縮してアキシコン部上に結像させる第一のアナモフィック光学部材と、
   アキシコン部から離れた後のサジタル面中の入射光ビームの圧縮を解除する第二のアナモフィック光学部材とを備え、
   回転部材は第一及び第二のアナモフィック光学部材の間に光学的に配置される、請求項１に記載の単一アキシコン光学的パターン生成器。
3. 第一のアナモフィック光学部材は入射光ビームをアキシコン部における線焦点に圧縮する、請求項２に記載の単一アキシコン光学的パターン生成器。
4. 入射光ビームは第一のアナモフィック光学部材に入るときに平行で、第一のアナモフィック光学部材は入射光ビームをアキシコン部における線焦点に圧縮し、第二のアナモフィック光学部材は入射光ビームを再度平行にする、請求項２に記載の単一アキシコン光学的パターン生成器。
5. 第一のアナモフィック光学部材は第一の円筒光学部材を備え、第二のアナモフィック光学部材は第二の円筒光学部材を備える、請求項２に記載の単一アキシコン光学的パターン生成器。
6. 光ビームを目標位置の領域に集束させるように、回転部材と目標位置の間に光学的に配置されたノンアナモフィックなイメージングレンズをさらに備える、請求項２に記載の単一アキシコン光学的パターン生成器。
7. 自転軸と共通の面に存在するが自転軸に平行でない方向から光ビームが光学的パターン生成器に入る、請求項１に記載の単一アキシコン光学的パターン生成器。
8. 自転軸と共通の面に存在する方向から光ビームが光学的パターン生成器に入って出て行く、請求項１に記載の単一アキシコン光学的パターン生成器。
9. 自転軸とねじれの位置にある方向から光ビームが光学的パターン生成器に入って出て行く、請求項１に記載の単一アキシコン光学的パターン生成器。
10. 回転部材が自転軸周りに回転するとアキシコン部が回転して多重入射光ビームがそのアキシコン部に入射するように、回転部材が配置され、異なる光ビームが異なる図形パターンを生成する、請求項１に記載の単一アキシコン光学的パターン生成器。
11. サジタル面中の多重入射光ビームが自転軸と垂直に位置する、請求項１に記載の単一アキシコン光学的パターン生成器。

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