具有用于改變輻照度和光束尺寸的可更換模塊的二極管激光發(fā)光器的制造方法
【專利摘要】用于將輻射線光斑投影到工作平面上的投影裝置包括多個(gè)二極管激光條陣列。每個(gè)陣列提供激光輻射線束。每個(gè)陣列中的二極管激光條被布置為沿二極管激光條的快軸方向在彼此之上。對(duì)應(yīng)的多個(gè)擴(kuò)束器僅沿二極管激光條的慢軸方向擴(kuò)展來自對(duì)應(yīng)的二極管激光條陣列的光束。聚焦透鏡收集慢軸擴(kuò)展束并且將慢軸擴(kuò)展束投影到工作平面中以形成輻射線光斑。
【專利說明】具有用于改變輻照度和光束尺寸的可更換模塊的二極管激光發(fā)光器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及用于將一個(gè)或多個(gè)激光器的輸出投影成諸如具有預(yù)定寬度和高度的線的預(yù)定尺寸的光斑的光學(xué)裝置。本發(fā)明尤其涉及用于投影來自快軸二極管激光條陣列的輸出的這樣的光斑的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]存在激光輻射線的多種應(yīng)用，激光輻射線被投影以在目標(biāo)上形成光線。這種用于二極管激光器的線投影裝置的早期型式見于條碼閱讀器等中。然而，此處，沿著線的照射均勻度至多是次要考慮。
[0003]二極管激光器線投影裝置的后期型式被開發(fā)以用于激光打印機(jī)、圖像投影儀等中的空間光調(diào)制器(SLM)。此處，不要求光線功率極高，并且可以通過簡(jiǎn)單的一維激光器排列(通稱為二極管激光條)來傳遞光線功率。在這些應(yīng)用中沿著光線的照射均勻度是重要的。“理想的”輻射線要求在線寬度上的強(qiáng)度的高斯強(qiáng)度分布以及沿線長(zhǎng)度的均勻的或“平坦頂部”分布。該均勻度要求促進(jìn)了可提供足夠均勻度的投影光學(xué)器件的發(fā)明。這種投影光學(xué)器件的實(shí)施例描述于美國(guó)專利N0.6，773，142、美國(guó)專利N0.7，016，393、美國(guó)專利N0.7，265，908和美國(guó)專利N0.7，355，800，所有專利均已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。
[0004]用于投影預(yù)定的長(zhǎng)度寬度比的光斑的近期應(yīng)用為激光熔覆(laser cladding)。在激光熔覆中，通過將粉末形式的層材料沉積在表面上同時(shí)用激光輻射線輻照覆蓋有粉末的表面以使流動(dòng)的粉末熔化，將耐用的防護(hù)層形成在表面上，然后防護(hù)層硬化在表面上以形成層。在形成層的同時(shí)，末和輻射源在表面上方移動(dòng)。更大的激光器功率提供了，能夠?qū)崿F(xiàn)更快的層形成速度以用于任何給定光斑尺寸。典型的光斑具有大約1.0mm的寬度以及在大約3.0mm和30.0mm之間的長(zhǎng)度，傳遞到光斑的總功率在大約2千瓦(kW)和8kW之間。
[0005]優(yōu)選地，在光斑寬度上光斑具有高斯強(qiáng)度分布，并且在光斑長(zhǎng)度上具有均勻的(“平坦頂部”)分布。根據(jù)照明器的光效率，要求具有可能超過大約3kW的總功率的二極管激光源。由于能夠從典型的多模二極管激光條提供的功率僅在70瓦(W)的級(jí)別上，這種3kW的源需要大約50個(gè)二極管激光條。為了提供7kW，需要100個(gè)二極管激光條。
[0006]在許多情況下，熔覆裝置的用戶可以對(duì)于用于不同熔覆操作具有對(duì)不同光斑形狀的要求，并且甚至可能在具有固定尺寸的光斑中具有對(duì)不同的功率的要求。目前，這要求不同的投影儀用于各自不同的光斑形狀。使一個(gè)投影儀能夠投影所有所需的不同光斑形狀、優(yōu)選地功率可變是方便且具有成本效益的。光斑應(yīng)當(dāng)能夠投影到投影儀中的相同工作距離處。
[0007]發(fā)明概述
[0008]本發(fā)明涉及用于將輻射線投影成工作平面中的預(yù)定長(zhǎng)度和寬度的光斑的光學(xué)裝置。在一個(gè)方案中，所述裝置包括多個(gè)二極管激光條陣列。每個(gè)陣列均被布置成提供激光輻射線束。二極管激光條具有長(zhǎng)度、與長(zhǎng)度對(duì)準(zhǔn)的慢軸、與慢軸垂直的快軸以及與快軸和慢軸垂直的傳播軸。每個(gè)陣列中的二極管激光條被布置為沿快軸方向在彼此之上。提供對(duì)應(yīng)的多個(gè)擴(kuò)束器，為每個(gè)二極管激光條陣列各設(shè)一個(gè)擴(kuò)束器。每個(gè)擴(kuò)束器均被布置為僅沿慢軸方向擴(kuò)展來自對(duì)應(yīng)的二極管激光條陣列的光束。包括球面聚焦透鏡的光學(xué)布置被布置為收集慢軸擴(kuò)展束并且將慢軸擴(kuò)展束投影到工作平面中以形成輻射線光斑的長(zhǎng)度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]并入說明書并構(gòu)成本發(fā)明的一部分的附圖示意性圖示了本發(fā)明的實(shí)施例，并且與上文給出的一般性描述和下面給出的優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述一起用于解釋本發(fā)明的原理。
[0010]圖1A是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的優(yōu)選實(shí)施方案的慢軸視圖，所述光學(xué)裝置被布置為投影具有大約30毫米長(zhǎng)度和大約1_寬度的輻射線，該裝置:包括沿慢軸對(duì)準(zhǔn)的六個(gè)快軸二極管激光條陣列，每個(gè)陣列具有快軸準(zhǔn)直器排列和慢軸準(zhǔn)直器排列；六個(gè)反向伽利略擴(kuò)束器，每個(gè)二極管激光條陣列各配有一個(gè)反向伽利略擴(kuò)束器，六個(gè)反向伽利略擴(kuò)束器被布置為僅沿慢軸擴(kuò)展；以及共用聚焦透鏡，其在快軸和慢軸上具有光功率且布置為在距透鏡預(yù)定工作距離的平面中在慢軸上擴(kuò)散來自二極管激光條陣列的光束以形成線的長(zhǎng)度并且在平面中在快軸上聚焦光束以形成線的寬度。
[0011]圖1B是示意性地示出圖1A的裝置的進(jìn)一步細(xì)節(jié)的快軸視圖。
[0012]圖1C是示意性地示出作為圖1A的裝置的工作平面中的慢軸坐標(biāo)的函數(shù)的計(jì)算輻照度的曲線圖。
[0013]圖2A是示出用于圖1A的裝置的二極管激光條陣列的快軸準(zhǔn)直器和慢軸準(zhǔn)直器的細(xì)節(jié)的等距視圖。
[0014]圖2B是示意性地示出圖1A的裝置中的快軸二極管激光條陣列的細(xì)節(jié)的等距視圖。
[0015]圖3A是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的實(shí)施例的慢軸視圖，所述光學(xué)裝置被布置為投影具有大約12毫米長(zhǎng)度和大約1_寬度的輻射線，該裝置與圖1A的裝置類似，但是具有不同配置的反向伽利略擴(kuò)束器。
[0016]圖3B是示意性地示出圖3A的裝置的進(jìn)一步細(xì)節(jié)的快軸視圖。
[0017]圖3C是示意性地示出作為圖3A的裝置的工作平面中的慢軸坐標(biāo)的函數(shù)的計(jì)算輻照度的曲線圖。
[0018]圖4A是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的實(shí)施例的慢軸視圖，所述光學(xué)裝置被布置為投影具有大約5毫米長(zhǎng)度和大約Imm寬度的輻射線，該裝置與圖1A的裝置類似，但是具有另一不同配置的反向伽利略擴(kuò)束器。
[0019]圖4B是示意性地示出圖4A的裝置的進(jìn)一步細(xì)節(jié)的快軸視圖。
[0020]圖4C是示意性地示出作為圖4A的裝置的工作平面中的慢軸坐標(biāo)的函數(shù)的計(jì)算輻照度的曲線圖。
[0021]圖5是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的另一優(yōu)選實(shí)施方案的慢軸視圖，該光學(xué)裝置與圖1A的類似，但是僅包括三個(gè)二極管激光器排列以及相關(guān)的準(zhǔn)直器，并且被布置為在工作平面中投影6_乘1_的光束，該裝置還包括柱面負(fù)透鏡，柱面負(fù)透鏡與聚焦透鏡配合，用于延長(zhǎng)快軸上的光束寬度以確定Y尺寸，并且包括三個(gè)模塊的組件，第一模塊包含三個(gè)二極管激光條陣列和相關(guān)的準(zhǔn)直透鏡排列，第二模塊包含反向伽利略擴(kuò)束器，并且第三模塊包括聚焦透鏡和柱面負(fù)透鏡，在第二模塊中能夠更換擴(kuò)束器，并且在第三模塊中能夠更換柱面負(fù)透鏡。
[0022]圖6是示意性地示出圖5的但被布置為投影5mm乘Imm光束的裝置的實(shí)施例的慢軸視圖。
[0023]圖7是示意性地示出圖5的但被布置為投影4mm乘Imm光束的裝置的實(shí)施例的慢軸視圖。
[0024]圖8是示意性地示出圖5的但僅包括兩個(gè)二極管激光條陣列且被布置為投影3mm乘Imm光束的裝置的實(shí)施例的慢軸視圖。
[0025]圖9是示意性地示出用于圖5、圖6、圖7和圖8的裝置的作為慢軸坐標(biāo)的函數(shù)的工作平面中的計(jì)算輻照度的曲線圖。
[0026]圖1OA和圖1OB分別為示意性地示出被布置為在工作平面中投影6mm乘6mm光束的圖5的裝置的慢軸視圖和快軸視圖。
[0027]圖1lA和圖1lB為示意性地示出分別作為圖1OA和圖1OB的裝置中的慢軸坐標(biāo)和快軸坐標(biāo)的函數(shù)的工作平面中的計(jì)算輻照度的曲線圖。
[0028]圖12是示意性地示出用于圖5、圖6、圖7、圖8和圖10A-B的模塊化布局構(gòu)思的機(jī)械細(xì)節(jié)的分解等距視圖，第二模塊包含保持反向伽利略擴(kuò)束器的可更換盒，并且第三模塊包含用于更換柱面負(fù)透鏡的可移除且可更換的抽屜。
[0029]圖12A是示意性地示出圖12的反向伽利略擴(kuò)束器盒的進(jìn)一步機(jī)械細(xì)節(jié)的分解等距視圖。
[0030]發(fā)明詳述
[0031]現(xiàn)在參照附圖，其中相似的部件由相似的附圖標(biāo)記表示，圖1A和圖1B分別為根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的優(yōu)選實(shí)施方案10的慢軸視圖和快軸視圖。裝置10具有系統(tǒng)光軸12。裝置10包括六個(gè)二極管激光條陣列18，快軸和慢軸準(zhǔn)直布置16與每個(gè)二極管激光條陣列相關(guān)聯(lián)。
[0032]參考X、y和z笛卡爾軸系統(tǒng)描述了該裝置，X軸和y軸分別對(duì)應(yīng)于陣列中二極管激光條的慢軸和快軸。系統(tǒng)光軸12與二極管激光條陣列的發(fā)射或傳播軸(z軸)方向平行。如圖所示且按適當(dāng)比例繪制的裝置10被布置為在工作平面15中投射輻射線14，線具有大約30.0毫米的長(zhǎng)度L和大約1.0mm的寬度W。光學(xué)元件的z軸分離近似相對(duì)成比例。在對(duì)元件的構(gòu)造和布置進(jìn)行進(jìn)一步描述之前，參考圖2A和圖2B對(duì)二極管激光條陣列和相關(guān)的準(zhǔn)直布置進(jìn)行描述。
[0033]圖2A是示意性地示出二極管激光器模塊16的細(xì)節(jié)的三維視圖。模塊包括快軸二極管激光條陣列18，此處假設(shè)為二十六(26)個(gè)二極管激光條的陣列。在圖2B中描繪了陣列構(gòu)造的一個(gè)實(shí)施例的細(xì)節(jié)。此處，每個(gè)二極管激光條17安裝到對(duì)應(yīng)的散熱部件19的前部上。散熱部件一起夾緊在夾緊塊23A和安裝塊23B之間。每個(gè)散熱部件具有向前延伸部分21，快軸準(zhǔn)直(FAC)透鏡或包括FAC透鏡和慢軸準(zhǔn)直(SAC)透鏡排列的模塊能夠附接到向前延伸部分21。每個(gè)條具有十九個(gè)發(fā)射器的諸如陣列18的26條陣列能夠傳送具有大約
1.4kff的總功率的福射線。這種類型的二極管激光條陣列可通過商業(yè)方式從California的Coherent Inc.0f Santa Clara 獲得。[0034]再次參照?qǐng)D2A，每個(gè)二極管激光條均具有專用柱面快軸準(zhǔn)直(FAC)透鏡20，如其名稱所暗示的，專用柱面FAC透鏡20沿極發(fā)散的快軸方向準(zhǔn)直來自條中的每個(gè)發(fā)射器的光。在圖示的實(shí)施方案中，存在二十六個(gè)透鏡20。沿z軸方向與每個(gè)FAC透鏡間隔開的是柱面慢軸準(zhǔn)直(SAC)透鏡24的排列22。每個(gè)排列22中的透鏡24的數(shù)量與每個(gè)二極管激光條中的間隔開的發(fā)射器(二極管激光器)的數(shù)量對(duì)應(yīng)。此處，假設(shè)在每個(gè)條中存在十九個(gè)
(19)個(gè)發(fā)射器。每個(gè)SAC透鏡與對(duì)應(yīng)的發(fā)射器對(duì)準(zhǔn)。FAC透鏡和SAC透鏡排列通過支架26(為了便于圖示，僅在圖2中的一側(cè)顯示出)保持彼此對(duì)準(zhǔn)。FAC和SAC透鏡的組件可從多個(gè)商品供應(yīng)商處獲得。
[0035]FAC和SAC透鏡優(yōu)選地沿z軸間隔開恰好足以允許來自每個(gè)發(fā)射器的慢軸發(fā)散光束幾乎填充對(duì)應(yīng)的SAC透鏡24的距離。在任何實(shí)施例中，該距離將取決于實(shí)際的發(fā)散度以及發(fā)射器寬度和間距(所謂的填充因數(shù))。在考慮中的實(shí)施例中，假設(shè)發(fā)射器寬度為100.0 μ m，發(fā)射器節(jié)距為0.5臟，并且FAC和SAC透鏡之間的間距為3.0臟。
[0036]此處應(yīng)指出，來自二極管激光發(fā)射器的光的準(zhǔn)直永遠(yuǎn)不會(huì)是完美的。這尤其是因?yàn)閬碜远O管激光發(fā)射器的光束的相對(duì)差的光束品質(zhì)、準(zhǔn)直透鏡的相對(duì)簡(jiǎn)單化以及在任何條中發(fā)射器沿慢軸的未對(duì)準(zhǔn)，該未對(duì)準(zhǔn)是制造人為現(xiàn)象，本領(lǐng)域從業(yè)人員將其幽默地稱為“微笑”。從一條到另一條，該“微笑”將是不同的。還應(yīng)當(dāng)注意的，盡管準(zhǔn)直快軸總是必要的，在一些配置中，鑒于該軸上相對(duì)低的發(fā)散度，可省略慢軸準(zhǔn)直。準(zhǔn)直SAC排列節(jié)約了成本，而以性能降低為代價(jià)。
[0037]再次參照?qǐng)D1A和圖1B，裝置10包括在慢軸上間隔開的六個(gè)反向伽利略擴(kuò)束器30，一個(gè)擴(kuò)束器與二極管激光條陣列的各個(gè)準(zhǔn)直排列中的對(duì)應(yīng)一個(gè)對(duì)準(zhǔn)。每個(gè)擴(kuò)束器均包括沿貫通裝置的輻射線傳播方向按數(shù)字次序列出的柱面負(fù)透鏡32和柱面正透鏡34。負(fù)透鏡32沿慢軸方向?qū)?zhǔn)，并且在該實(shí)施例中形成為其排列33。類似地，透鏡34沿慢軸方向?qū)?zhǔn)并且形成為其排列35。由于透鏡為柱面的，所以每個(gè)望遠(yuǎn)鏡僅沿慢軸擴(kuò)展光束，而光束的快軸尺寸保持不變。
[0038]此處應(yīng)當(dāng)注意的是，在該說明書和隨附的權(quán)利要求書中，應(yīng)用于透鏡或透鏡元件的術(shù)語(yǔ)“柱面”僅表示，透鏡僅在兩個(gè)橫軸中的一個(gè)(快軸或慢軸)上具有功率。該術(shù)語(yǔ)不意味著，功率提供表面必然為圓柱體的截面。如果認(rèn)為方便，可以提供略偏離圓形的布置。類似地，應(yīng)用于透鏡或透鏡元件的表面的“球面”僅意味著，透鏡在兩個(gè)橫軸上具有相等的功率。該表面可以包括某非球面測(cè)量，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。應(yīng)用于具有一個(gè)或多個(gè)元件的透鏡的術(shù)語(yǔ)“透鏡”產(chǎn)生期望功率。
[0039]繼續(xù)參照?qǐng)D1A，六個(gè)擴(kuò)展光束，每個(gè)擴(kuò)束器提供一個(gè)擴(kuò)展光束，擴(kuò)展光束由具有凸進(jìn)入表面38A和平面型離開表面38B的聚焦透鏡38收集。聚焦透鏡38將快軸上的光束聚焦到距透鏡為工作距離Dw的工作平面15中，從而限定輻射線14的線寬度W或細(xì)長(zhǎng)光斑。反向伽利略擴(kuò)束器被配置為使得擴(kuò)散光束各自聚焦到慢軸間隔開且大約在平面J中對(duì)準(zhǔn)的慢軸上的對(duì)應(yīng)中間焦點(diǎn)然后，光束發(fā)散以擴(kuò)散并且在平面15中彼此重疊，關(guān)于軸12對(duì)稱，從而限定線14的長(zhǎng)度L。
[0040]在用于形成具有大約30.0mm的長(zhǎng)度L和1.0mm的寬度W的線14的實(shí)施例中，擴(kuò)束器的透鏡32和34分別具有-80.0mm和+40.0mm的曲率半徑。透鏡在z軸方向上間隔開50.0mm。透鏡38的表面38A具有160.0mm的曲率半徑并且與透鏡排列35軸向間隔開46.0mm。相鄰的二極管激光器排列陣列之間的間距P被設(shè)定為16.0mm。透鏡38具有16.0mm的軸向(頂點(diǎn))厚度，并且工作平面15與透鏡的平面型表面38B軸向地間隔開大約325.0mm的距離Dw。
[0041]在優(yōu)選的實(shí)施方案中，設(shè)置平面平行窗40以保護(hù)上游光學(xué)器件免受灰塵和碎屑的破壞。
[0042]圖1C是示意性地示出作為圖1A的裝置的工作平面中的慢軸坐標(biāo)的函數(shù)的計(jì)算輻照度的曲線圖。曲率半徑和間距如上文所假設(shè)的。假設(shè)光線追跡和輻照度，假設(shè)每個(gè)二極管激光條陣列具有1.4kff的總輸出。
[0043]此處應(yīng)當(dāng)注意的是，本文中所有的光線追跡圖和輻照度計(jì)算是利用可從ZEMAXCorporation of Bellevue, Washington獲得的ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件生成的。還應(yīng)當(dāng)注意的是，在裝置10中，盡管從方便制造的角度假設(shè)其排列33和35中的透鏡是相同的，但是每個(gè)擴(kuò)束器可以各自且不同地配置以提供工作平面中的特定輻照度分布。還應(yīng)當(dāng)注意的，盡管對(duì)于擴(kuò)束器30而言反向伽利略配置是優(yōu)選的，但是其它配置也是可以的。光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以利用上文提及或類似的通過商業(yè)方式獲得軟件來設(shè)計(jì)這些配置，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
[0044]圖3A和圖3B分別為示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的實(shí)施例10A的慢軸視圖和快軸視圖，該光學(xué)裝置被布置為投射具有大約12.0毫米長(zhǎng)度和大約1.0mm寬度的輻射線La。該裝置與圖1A的裝置類似，但是具有不同配置的反向伽利略擴(kuò)束器。該不同配置基本上填充了反向伽利略擴(kuò)束器的每個(gè)透鏡34的光圈并且使中間焦點(diǎn)的平面(此處表示為平面Ja)比在裝置10中進(jìn)一步朝向工作平面15移動(dòng)，這具有減少光束擴(kuò)散以及相應(yīng)地縮短線長(zhǎng)度的效果。
[0045]在用于形成具有大約12.0mm的長(zhǎng)度L以及1.0mm的寬度W的線14的實(shí)施例中，擴(kuò)束器的透鏡32和34分別具有-50.0mm和+54.5mm的曲率半徑。透鏡沿z軸方向間隔開40.0mm。排列陣列間距P以及聚焦透鏡38的規(guī)格和相應(yīng)的工作距離Wd (由透鏡的快軸背面聚焦長(zhǎng)度確定)與圖1A和圖1B的實(shí)施例相同。
[0046]圖3C是示意性地示出作為圖3A的裝置的工作平面中的慢軸坐標(biāo)的函數(shù)的計(jì)算輻照度的曲線圖。曲率半徑和間距如上文所假設(shè)。假設(shè)每個(gè)二極管激光條陣列具有如圖1C的實(shí)施例中的總輸出。這樣的結(jié)果是，由于減小的線長(zhǎng)度，峰值輻照度幾乎為圖1C的實(shí)施例的兩倍。
[0047]圖4A和圖4B分別為示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的另一實(shí)施例10A的慢軸視圖和快軸視圖，該光學(xué)裝置被布置為投射具有大約5毫米長(zhǎng)度和大約1_寬度的輻射線La。該裝置與圖3A的裝置相似，但是具有不同配置的反向伽利略擴(kuò)束器。該不同配置基本上填充了反向伽利略擴(kuò)束器的每個(gè)透鏡34的光圈，并且使中間焦點(diǎn)的平面(此處表示為平面Jb)比在裝置10中更進(jìn)一步朝向工作平面15移動(dòng)，這具有減小光束擴(kuò)散以及相應(yīng)的進(jìn)一步縮短線長(zhǎng)度的效果。
[0048]在用于形成具有大約5.0mm的長(zhǎng)度L和1.0mm的寬度W的線14的該實(shí)施例中，擴(kuò)束器的透鏡32和34分別具有-20mm和+35_的曲率半徑。透鏡沿z軸方向間隔開30.0_。而且，排列陣列間距P以及聚焦透鏡38的規(guī)格和相應(yīng)的工作距離Wd (由透鏡的快軸背面聚焦長(zhǎng)度確定)與圖1A和圖1B的實(shí)施例中相同。[0049]圖4C是示意性地示出作為圖4A的裝置的工作平面中的慢軸坐標(biāo)的函數(shù)的計(jì)算輻照度的曲線圖。曲率半徑和間距如上文所假設(shè)的，而且，假設(shè)每個(gè)二極管激光條陣列具有如圖1C的實(shí)施例中的總輸出。這樣的結(jié)果是，由于減小的線長(zhǎng)度，峰值輻照度大于圖3C的實(shí)施例的兩倍。
[0050]上述本發(fā)明的實(shí)施例主要用于投射具有大約5.0mm和大約30.0mm或更大之間的長(zhǎng)度以及大約1.0mm的寬度的輻射線或細(xì)長(zhǎng)光斑。下文闡述的是對(duì)本發(fā)明裝置的模塊化實(shí)施方案的描述，該裝置允許用戶重新配置以將輻射線投影成具有能夠在大約3.0mm和大約
6.0mm之間選擇的長(zhǎng)度和能夠在大約1.0mm和大約6.0mm之間選擇的寬度的大致矩形光斑。
[0051]圖5是示意性地示出本發(fā)明裝置的模塊化實(shí)施方案的實(shí)施例50的慢軸視圖。裝置50僅包括三個(gè)二極管激光條陣列18和相關(guān)的FAC和SAC排列。二極管激光器陣列沿慢軸大體均等間隔，末端陣列之間的距離為P。存在三個(gè)反向伽利略擴(kuò)束器30，每個(gè)擴(kuò)束器均包括柱面負(fù)透鏡32，隨后是柱面正透鏡34。如上文所述的實(shí)施例，這些透鏡僅在慢軸上具有光功率。此處，擴(kuò)束器被布置和配置為在慢軸上擴(kuò)展用于相關(guān)二極管激光條陣列的總光束并且在慢軸上準(zhǔn)直光束。來自二極管激光條陣列的光束不受快軸上的擴(kuò)束器影響，并且已經(jīng)通過二極管激光條陣列的FAC透鏡排列準(zhǔn)直。
[0052]裝置50包括聚焦透鏡38，其后是僅在快軸上具有(負(fù))光功率的柱面透鏡42。在該柱面負(fù)透鏡后面的是防護(hù)窗40。透鏡38沿慢軸對(duì)來自二極管激光器排列的三擴(kuò)展和準(zhǔn)直總光束進(jìn)行聚焦，三個(gè)聚焦光束重疊以形成線14的長(zhǎng)度。在該布置中，透鏡38處的光束的慢軸尺寸越大，線長(zhǎng)度L越短。
[0053]在透鏡42中不存在任何快軸光功率的情況下，透鏡38將投射快軸上的光束以使透鏡38的快軸焦點(diǎn)大約在工作平面15中以提供大約1.0mm的線寬度W，如上述圖1A-B、3A-B和4A-B的實(shí)施例中。通過將球面透鏡和柱面透鏡的組合的快軸聚焦平面定位在超過工作平面的距離Q處，增大透鏡42中的負(fù)功率將增大平面15中的線寬度。
[0054]如果僅要求最小光束寬度，則透鏡42能夠由平面-平面元件替換或者一起省略，因?yàn)榫哂谢虿痪哂衅矫?平面元件的厚度的聚焦平面位置的差別將是聚焦深度的小部分。該說明書和隨附的權(quán)利要求書中所使用的術(shù)語(yǔ)“大約聚焦在”(特定位置或平面)考慮到了所有的聚焦布置存在聚焦深度。
[0055]如上所述，實(shí)施方案50被設(shè)計(jì)為用戶可配置的以提供不同的線尺寸，以及甚至通過相同的基本裝置和相同的工作距離Dw來提供不同的功率密度(輻照度)。為此密度，二極管激光條陣列18和相關(guān)的FAC和SAC排列定位在第一模塊44中，反向伽利略擴(kuò)束器合并到第二模塊46中，并且聚焦透鏡38、柱面透鏡42和窗40定位在第三模塊48中。
[0056]透鏡32在模塊46中的z軸位置是固定的。改變透鏡34和透鏡32之間的間距S以及改變透鏡曲率用于改變透鏡38處的慢軸光束尺寸。透鏡38的功率是相同的，無論期望線長(zhǎng)度如可，用于固定工作距離Dw。形成反向伽利略擴(kuò)束器的一組透鏡32和34的能夠組裝在盒上，盒能夠從模塊中移除并且由具有不同組的具有不同間距的透鏡的另一盒替換。透鏡38和42在模塊48中的z軸位置是固定的，當(dāng)然窗40的位置也是固定的。透鏡42能夠安裝到抽屜上，抽屜能夠從模塊中移除并且能夠由具有不同功率的透鏡的另一抽屜替換。下文更加詳細(xì)地描述了盒和抽屜布置以及模塊化組件的一個(gè)實(shí)施例。
[0057]在用于提供具有大約6.0mm的長(zhǎng)度L的輻射線的裝置50的實(shí)施例中，二極管激光器排列間距P為大約24.0mm,透鏡32各自具有-12.0mm的曲率半徑，透鏡34具有+22.5mm的曲率半徑，并且間距S被設(shè)定為16.0mm。透鏡39的進(jìn)入表面具有160.0mm的曲率八級(jí)，限定大約325.0mm的工作距離。線長(zhǎng)度獨(dú)立于透鏡42的快軸負(fù)功率。
[0058]圖6是示意性地示出模塊化裝置50的另一實(shí)施例50A的慢軸視圖。該實(shí)施例被布置為提供大約5.0mm的線長(zhǎng)度。這是通過將實(shí)施例50的間距S增大到較長(zhǎng)的間距Sa來實(shí)現(xiàn)的。透鏡32各種具有-12.0mm的曲率半徑，透鏡34具有+27.0mm的曲率半徑。間距Sa為26.6mm。二極管激光器排列間距P大約為24.0mm。
[0059]圖7是示意性地示出模塊化裝置50的又一實(shí)施例50B的慢軸視圖。該實(shí)施例被布置為提供大約4.0mm的線長(zhǎng)度。這是通過將透鏡32和34的間距增大到比間距Sa長(zhǎng)的間距Sb來實(shí)現(xiàn)的。透鏡32各自具有-12.0mm的曲率半徑，透鏡34具有+32.0mm的曲率半徑。間距Sb為37.0mm。二極管激光器排列間距P大約為24.0mm。
[0060]在裝置50B中，發(fā)散束透鏡32基本上填充了對(duì)應(yīng)的透鏡34的整個(gè)光圈。為了提供用于較小線長(zhǎng)度的較大的慢軸擴(kuò)展束，增大透鏡的光圈是必要的，在不改變模塊尺寸和二極管激光條陣列間距的情況使用三個(gè)二極管激光條陣列是不可能實(shí)現(xiàn)的。
[0061]圖8是示意性地示出模塊化裝置50的又一實(shí)施例50C的慢軸視圖。該實(shí)施例被布置為提供大約3.0mm的線長(zhǎng)度。省略上述實(shí)施例的中央二極管激光條陣列，使末端兩個(gè)陣列為大約48.0mm的固定間距P。相應(yīng)地省略中央擴(kuò)束器。這允許其余透鏡34的光圈和透鏡32和34之間的間距增大,從而在透鏡38處提供較大的光束。在該實(shí)施例中，透鏡間隔距離S。，該距離S。從等于大約57.0mm。透鏡32各自具有-12.0mm的曲率半徑，透鏡34具有+41.9mm的曲率半徑。
[0062]圖9是示意性地示出對(duì)與圖5、圖6、圖7和圖8的各自裝置的實(shí)施例50、50A、50B和50C的作為慢軸坐標(biāo)的函數(shù)的工作平面中的計(jì)算輻照度的曲線圖。能夠看出，因?yàn)榫€長(zhǎng)度減小，與三陣列式裝置50B相比，在兩陣列式裝置50C的情況下，峰值輻照度僅略微減小。
[0063]圖1OA和圖1OB分別為示意性地示出配置為將大體方形輻射光斑14S而不是輻射線投射到工作平面15中的上述裝置50的變型例50D的慢軸視圖和快軸視圖。光斑的慢軸尺寸和快軸尺寸大約相等。圖1OA具有與圖5的裝置的實(shí)施例相同的配置，用于提供6.0mm的慢軸尺寸。6.0mm的快軸尺寸是通過在快軸柱面透鏡42的進(jìn)入面上提供大約-1lOOmm的曲率半徑來實(shí)現(xiàn)的。
[0064]圖1lA和圖1lB為示意性地示出用于圖1OA和圖1OB的裝置的實(shí)施例的分別作為慢軸坐標(biāo)和快軸坐標(biāo)的函數(shù)的計(jì)算輻照度的曲線圖。計(jì)算等高線曲線圖(未示出)表明，光束截面為大體方形。然而，能夠看出，在快軸方向和慢軸方向上存在50%峰值輻照度水平以上的一定程度的輻照度均勻度差別。
[0065]根據(jù)上文參考圖5-6和圖1O-B提供的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在不進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明的情況下，根據(jù)本發(fā)明的裝置可被配置為在工作平面中提供具有大約
3.0mm和6.0mm之間的任意長(zhǎng)度以及大約1.0mm和大約6.0mm之間的任意寬度的光束截面。通過選擇反向伽利略擴(kuò)束器的適當(dāng)曲率和元件間距以及快軸柱面透鏡42的適當(dāng)曲率，可以在不改變裝置的工作距離或二極管激光條陣列和聚焦透鏡之間的間距的情況下來實(shí)現(xiàn)。
[0066]下文參照?qǐng)D12和圖12A給出了有利于這種重配置的機(jī)械組件構(gòu)思的描述。該構(gòu)思在提供用于特定用戶的特定光束截面方面當(dāng)然簡(jiǎn)化了制造商的任務(wù)。該構(gòu)思還使得用戶可以在無需制造輔助的情況下里實(shí)現(xiàn)重配置。
[0067]圖12是示意性地示出用于圖5、圖6、圖7、圖8和圖10A-B的裝置的構(gòu)思出的模塊化布局布置60的機(jī)械細(xì)節(jié)的等距視圖。三個(gè)模塊44、46和48由上文體積的圖中示意性描繪的模塊所使用的相同的附圖標(biāo)記表示，這些模塊被配置為承載相同的光學(xué)元件。為了簡(jiǎn)化圖示，未示出用于二極管激光條陣列的水冷以及與模塊44的電連接。在配置為用于激光熔覆操作的裝置中。在模塊和線14所投射的工作平面之間存在與模塊48附接的附加模塊。該附加模塊(未示出)將承載用于激光熔覆工藝的粉末噴灑管等。
[0068]在裝置60中，反向伽利略擴(kuò)束器的負(fù)透鏡32和正透鏡34 (在圖12中不可見)安裝到包括具有側(cè)壁64的框架的盒62和端板66上，透鏡固定到盒62上，在透鏡固定之前，端板66用于對(duì)準(zhǔn)透鏡。盒62能夠經(jīng)由其中的縫隙49插入到模塊46中并且從模塊46中移除。當(dāng)插入到模塊中時(shí)，盒定位在模塊中的突出部68上并且經(jīng)由來自彈簧70 (在圖12中僅示出了其中一個(gè))的彈簧壓力抵靠橫檔而被保持。設(shè)置蓋板72，用于當(dāng)盒插入時(shí)蓋住模塊中的孔隙。抽屜或托盤74設(shè)置在聚集負(fù)透鏡模塊48中，用于移除一個(gè)快軸負(fù)透鏡以及用具有不同快軸功率的另一透鏡替換該透鏡。抽屜74能夠移除且能夠更換到模塊中，如圖箭頭T所示。
[0069]圖12A是示意性地示出圖12的擴(kuò)束器盒的進(jìn)一步機(jī)械細(xì)節(jié)的等距視圖。盒包括具有側(cè)壁64和端壁65的矩形框架。球平面凹負(fù)透鏡32被布置為使凹表面朝外，如圖所示，并且平面表面支撐在每個(gè)側(cè)壁上的突出部80上(由于附圖的方位僅一個(gè)突出部可見)。在其排列35中的球平面凹透鏡34支撐在類似的突出部(不可見)上，使凸表面朝外。
[0070]透鏡通過附接到側(cè)壁中的槽口 76和78的彈簧夾(未示出)保持在突出部上。任意盒的總高度Hf總是外表相同，從而允許每個(gè)盒恰當(dāng)?shù)匮b配到模塊46中。通過選擇性地改變固定有透鏡34的脊?fàn)畈康母叨菻v (側(cè)壁底部之上)來提供透鏡間距的選擇性差別。槽口78也具有高度Hv。端蓋66Α的邊緣69形成用于透鏡和透鏡排列對(duì)準(zhǔn)的基準(zhǔn)平面。透鏡32和透鏡排列通過借助相對(duì)的端蓋66Β施加的彈簧壓力而保持與其邊緣相接觸。
[0071]此處重述，上文描述的發(fā)明涉及將從多個(gè)快軸二極管激光條陣列投影成具有預(yù)定長(zhǎng)度和寬度的矩形輻射斑點(diǎn)的裝置。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，裝置為模塊化形式并且能夠通過用戶相對(duì)簡(jiǎn)單地重配置，用于改變光束的高度和寬度以及甚至傳送到光束的功率密度。然而，該裝置不限于本文所描述的和圖示的優(yōu)選的或任何其它實(shí)施方案。相反，本發(fā)明僅由隨附的權(quán)利要求書限定。
【權(quán)利要求】
1.一種用于將輻射線投影成工作平面中的預(yù)定長(zhǎng)度和寬度的光斑的光學(xué)裝置，所述裝置包括: 多個(gè)二極管激光條陣列，每個(gè)陣列被布置為提供激光輻射線束，所述二極管激光條具有長(zhǎng)度、與所述長(zhǎng)度對(duì)準(zhǔn)的慢軸、與所述慢軸垂直的快軸以及與所述快軸和所述慢軸垂直的傳播軸，在其每個(gè)陣列中的所述二極管激光條被布置沿所述快軸方向在彼此之上，所述二極管激光條陣列沿所述慢軸方向間隔開且對(duì)準(zhǔn)； 對(duì)應(yīng)的多個(gè)擴(kuò)束器，每個(gè)所述二極管激光條陣列均布置有一個(gè)所述擴(kuò)束器，每個(gè)所述擴(kuò)束器均被布置為僅沿所述慢軸方向擴(kuò)展來自對(duì)應(yīng)的二極管激光條陣列的光束；以及 光學(xué)布置，其包括球面聚焦透鏡，被布置為收集慢軸擴(kuò)展束并且在所述慢軸上將所述慢軸擴(kuò)展束投影到所述工作平面中以形成輻射線光斑的長(zhǎng)度。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光學(xué)布置將在所述快軸上的所述慢軸擴(kuò)展束聚焦在所述工作平面中以形成所述輻射線光斑的寬度。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述擴(kuò)束器被配置為與所述光學(xué)布置配合以使所述慢軸擴(kuò)展束各自集中到大約在所述聚焦透鏡和所述工作平面之間的中間平面中在所述慢軸上對(duì)準(zhǔn)的中間焦點(diǎn)并且然后發(fā)散且在所述工作平面中彼此重疊以形成所述輻射線光斑的長(zhǎng)度。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述擴(kuò)束器被配置為與所述光學(xué)布置配合以使所述慢軸擴(kuò)展束在所述慢軸 上聚焦、大約在所述工作平面中重疊。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述光學(xué)布置將所述快軸上的所述慢軸擴(kuò)展束投影到所述工作平面中以形成所述輻射線光斑的寬度。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述光學(xué)布置還包括柱面透鏡，所述柱面透鏡僅在所述快軸上具有光功率，快軸功率被選擇以將所述光學(xué)布置的快軸聚焦平面定位在距所述工作平面一定距離處，所述輻射線光斑的所述寬度取決于該距離。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述柱面透鏡的所述快軸功率為負(fù)功率，并且所述快軸聚焦平面被定位成沿所述傳播軸方向超過所述工作平面。
8.如權(quán)利要求5所述的裝置，還包括第一模塊、第二模塊和第三模塊，并且其中，所述二極管激光條陣列定位在所述第一模塊中，所述擴(kuò)束器定位在所述第二模塊中，并且所述光學(xué)布置定位在所述第三模塊中，并且其中，所述擴(kuò)束器安裝在能夠從所述第二模塊中移除且能夠更換到所述第二模塊中的盒中。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述光學(xué)布置還包括柱面透鏡，所述柱面透鏡僅在所述快軸上具有光功率，快軸功率被選擇以將快軸聚焦平面定位在距所述工作平面一定距離處，輻射線光斑的寬度取決于所述距離，并且其中，快軸柱面透鏡安裝到能夠從所述第三模塊移除且能夠更換到所述第三模塊中的托盤上。
10.用于將輻射線投影成工作平面中的預(yù)定長(zhǎng)度和寬度的光斑的光學(xué)裝置，所述裝置包括: 多個(gè)二極管激光條陣列，每個(gè)陣列被布置成提供激光輻射線束，所述二極管激光條具有長(zhǎng)度、與所述長(zhǎng)度對(duì)準(zhǔn)的慢軸、與所述慢軸垂直的快軸以及與所述快軸和所述慢軸垂直的傳播軸，并且在其每個(gè)陣列中的所述二極管激光條被布置成沿所述快軸方向在彼此之上，所述二極管激光條陣列沿所述慢軸方向間隔開且對(duì)準(zhǔn)；對(duì)應(yīng)的多個(gè)擴(kuò)束器，為每個(gè)所述二極管激光條陣列設(shè)有一個(gè)所述擴(kuò)束器，每個(gè)所述擴(kuò)束器均被布置成僅沿所述慢軸方向擴(kuò)展來自對(duì)應(yīng)的二極管激光條陣列的光束； 球面聚焦透鏡，其被布置成收集慢軸擴(kuò)展束并且在所述慢軸上將所述慢軸擴(kuò)展束投影到所述工作平面中以形成輻射線光斑的長(zhǎng)度；以及 其中，所述擴(kuò)束器被配置為與所述球面聚焦透鏡配合以使所述慢軸擴(kuò)展束各自聚焦到在所述聚焦透鏡和所述工作平面之間的中間平面中的在慢軸上間隔開且對(duì)準(zhǔn)的慢軸上的中間焦點(diǎn)，并且然后在慢軸上發(fā)散以擴(kuò)散且工作平面中彼此重疊以形成輻射線光斑的長(zhǎng)度。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中，所述球面聚焦透鏡將在所述快軸上的所述慢軸擴(kuò)展束聚焦到大約所述工作平面中以形成輻射線光斑的寬度。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中，存在6個(gè)二極管激光條陣列和6個(gè)擴(kuò)束器。
13.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述擴(kuò)束器各自包括負(fù)慢軸柱面透鏡，所述負(fù)慢軸柱面透鏡之后是正慢軸柱面透鏡。
14.用于將輻射線投影成工作平面中的預(yù)定長(zhǎng)度和寬度的光斑的光學(xué)裝置，所述裝置包括: 多個(gè)二極管激光條陣列，每個(gè)陣列被布置為提供激光輻射線束，所述二極管激光條具有長(zhǎng)度、與所述長(zhǎng)度對(duì)準(zhǔn)的慢軸、與所述慢軸垂直的快軸，以及與所述快軸和所述慢軸垂直的傳播軸。并且其每個(gè)陣列中的二極管激光條被布置為沿所述快軸方向在彼此之上，所述二極管激光條沿所述慢軸方向間隔開且對(duì)準(zhǔn)； 對(duì)應(yīng)的多個(gè)擴(kuò)束器，每個(gè)所述二極管激光條陣列設(shè)有一個(gè)所述擴(kuò)束器，每個(gè)所述擴(kuò)束器均被布置為僅沿所述慢軸方向擴(kuò)展來自對(duì)應(yīng)的二極管激光條陣列的光束； 光學(xué)布置，其包括球面聚焦透鏡，被布置為收集慢軸擴(kuò)展束并且在所述慢軸上將所述慢軸擴(kuò)展束投影到所述工作平面中以形成輻射線光斑的長(zhǎng)度；以及 其中所述擴(kuò)束器被配置為與所述光學(xué)布置配合以使所述慢軸擴(kuò)展束各自沿慢軸聚焦到大約在所述工作平面中彼此重疊的所述慢軸上的焦點(diǎn)以形成輻射線光斑的長(zhǎng)度。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其中，所述光學(xué)布置將在所述快軸上的所述慢軸擴(kuò)展束投影到大約所述工作平面中以形成輻射線光斑的寬度。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，所述光學(xué)布置還包括僅在所述快軸上具有光功率的柱面透鏡，快軸功率被選擇以將所述光學(xué)布置的快軸聚焦平面定位在距所述工作平面一定距離處，所述輻射線光斑的寬度取決于該距離。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其中，所述柱面透鏡的所述快軸功率為負(fù)功率，并且所述快軸聚焦平面被定位在沿所述傳播軸方向超過所述工作平面。
18.如權(quán)利要求14所述的裝置，還包括第一模塊、第二模塊和第三模塊，并且其中，所述二極管激光條陣列定位在所述第一模塊中，所述擴(kuò)束器定位在所述第二模塊中，并且所述光學(xué)布置定位在所述第三模塊中，所述第二模塊中的所述擴(kuò)束器安裝在能夠從所述第二模塊中可滑動(dòng)地移除且能夠插入到所述第二模塊中的盒中。
【文檔編號(hào)】G02B27/09GK103650265SQ201280016412
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月7日
【發(fā)明者】S·K·庫(kù)奇波特拉, 鄭醒明 申請(qǐng)人:相干公司