具有改进光学性能的增强光束导向器制造技术

一种用于3D打印机的光束导向器，包括第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜绕其纵轴旋转，用于将光束重到向到第二反射镜上，然后重导向到工作表面上，这可能导致具有扭曲形状的光束。光束校正器，例如透镜或反射表面，用于确保光束在撞击工作表面时在第一方向和第二垂直方向上具有相同的所需尺寸。直方向上具有相同的所需尺寸。直方向上具有相同的所需尺寸。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有改进光学性能的增强光束导向器
[0001]申请
[0002]本申请通过引用合并申请日或371(C)日为2020年2月25日的美国临时专利申请序列号US62/981,128，并要求其优先权和权益。


[0003]本专利技术涉及一种光束导向器，尤其涉及一种用于3D打印机的光束导向器，包括第一旋转反射器和第二旋转环形反射器。

技术介绍

[0004]一种用于2D和3D打印机的光束导向器，例如在美国专利9,435,998，10,416,444和10,473,915中公开的光束导向器，通过引用合并在此，包括绕其纵轴旋转的第一反射镜，其反射表面与纵轴成锐角。因此，沿着纵轴传输的光束可以被重导向到第二反射镜上，然后被重导向到通常垂直于纵轴的工作表面上。

技术实现思路

[0005]本专利技术涉及一种光束导向器，包括：
[0006]第一反射器，可绕纵轴旋转，用于沿着纵轴从光束源接收光束，第一反射器包括与纵轴成锐角的反射表面，用于反射光束；
[0007]致动器，用于使所述第一反射器绕所述纵轴旋转，其中所述第一反射器以相对于所述纵轴恒定的角度旋转和反射所述光束；
[0008]第二环形反射器，由致动器旋转，并且在所述第一反射器旋转时，以围绕第一反射器的纵轴的圆旋转；始终以恒定的角度面对所述第一反射器；所述第二反射器还配置为将所述光束以恒定的角度朝向工作表面反射；
[0009]其中，当光束被激励并且致动器旋转第一和第二反射器时，光束撞击旋转的第一反射器，第一反射器旋转光束并将光束反射到第二反射器，第二反射器将光束反射到工作表面；然后，光束沿着相对于工作表面的曲线路径，在工作面上描绘出圆弧。
[0010]环形反射器M2是表面上的每个点环绕M1光轴Z的结构。数学上，环绕光轴Z的表面上的任何点在距离光轴相同的距离处。概念上，如果我们将环形结构表面切割成无限数量的切片，那么每个切片都是Z位于任何切片中心的圆。
[0011]在将光束聚焦在工作表面上时的光学挑战由系统几何形状和光束源参数等决定，其中包括：
[0012]到第一反射镜的光束源距离
[0013]从第一反射镜到第二反射镜的距离
[0014]第二反射镜与工作面之间的距离
[0015]诸如准直或非准直的光束源形式
[0016]光束源类型为光、单模激光器、多模激光器或光纤激光器。
[0017]由光束参数乘积(BPP)量化的光束量
[0018]本申请解决了光束在工作表面1上在点7处的聚焦问题，其中光束源通过嵌入旋转的第一反射器和/或第二反射器光学反射功能而被准直或非准直。因此，最小化光学部件并减少部件数量和减少校准过程。光学反射功能由表面几何形状决定。
[0019]本申请的又一个方面是在撞击工作面7时控制光束尺寸。此外，本申请还解决了不同类型的光束源，例如多模或单模的光纤激光器的问题。
[0020]因此，本专利技术的目的是通过提供校正元件来解决现有技术的用于处置光束的光学部件的问题，其中当光束入射到工作表面上时，光束在第一和第二方向上具有相同的尺寸，或者当光束入射到工作表面上时，光束在第一和第二方向之间保持比例。其中第一方向和第二方向是由小写x和y笛卡尔坐标系表示的局部光束坐标。
[0021]表面可以以许多方式表示。在本申请中，将使用的一种方式是通过两条正交的曲线限定一个表面，其中如图8所示，它们的顶点相交在光轴处。我们还将应用其它方式来限定表面。
[0022]本专利技术的又一方面是控制光束聚焦在工作面的x和y维度上。
[0023]本专利技术的另一个方面是控制打印表面处在x和y上的光束尺寸，
[0024]本专利技术的又一方面是聚焦非对称源光束，例如矩形源。
[0025]本专利技术的另一个方面是控制光束在一个维度上聚焦，x或y维度。这些特征可用于控制像素逻辑尺寸25，其中像素逻辑尺寸25由移动物理像素尺寸组成，并且其可由下式表示：
[0026]逻辑像素尺寸[mm2]＝物理像素尺寸[mm]×
Vb[mm/秒]×
T[秒][0027]其中Vb是移动光束速度，Tp是在逻辑像素上行进的时间。另外，当使用单模光束或具有小包层直径的光纤激光器时，所需的光束尺寸可以大于单模激光器或光纤激光器最小焦点光束的尺寸。因此，需要调整工作表面的光束尺寸。
[0028]第二反射器可以采用旋转反射器或静止弧形反射器的形式，其用于沿着工作表面上的直线或弧形路径反射光束。我们将分析静止的第二反射器，然而，所有的分析也适用于物理上旋转的第二反射器。当将该分析应用于旋转的物理第二反射器时，则从静止反射器切割垂直切片以用作物理上旋转的第二反射器。
附图说明
[0029]图1是现有技术的光束导向器系统的等轴视图；
[0030]图2是具有两坐标系(光束局部坐标和全局坐标)的光束导向器系统的现有技术视图；
[0031]图3是使用锥形第二反射器的具有准直光束源的光束导向器的等轴视图(现有技术)；
[0032]图4是准直光束源的视图；
[0033]图5是使用图3系统的准直光束输入在工作面处的光束形状和尺寸；
[0034]图6是使用局部和全局坐标系的包括光束源的光束导向器系统的等轴视图；
[0035]图7是包括光束源的光束导向器系统的侧视图；
[0036]图8示出了具有表面曲率的M1镜子；
[0037]图9是将光束源聚焦到工作表面上的M1，M2的等轴视图；
[0038]图9A是图9的侧视图，其中光束源是准直的；
[0039]图9B是M1，M2聚焦系统的侧视图，其中光束源是发散的；
[0040]图9C是M1，M2聚焦系统的侧视图，其中光束源发散，M1将源光束准直；
[0041]图9D是M1，M2系统的侧视图，其中M1和M2会聚准直的源光束；
[0042]图10是环形M2表面的等轴系统，M2聚焦旋转光束；
[0043]图11是图10系统的侧视图；
[0044]图12是用另外的旋转反射镜代替旋转光源的图10的实施方式；
[0045]图13是发散光束源；
[0046]图14是在工作表面处的所需光束形状和尺寸；
[0047]图15是在x方向上的显示x和y相对尺寸的聚焦窄光束；
[0048]图16是由移动的图15构成的逻辑像素；
[0049]图17是用离轴匹配抛物线聚焦发散光束；
[0050]图18是在x维度上的等效透镜光学系统；
[0051]图19是使用柱面透镜时对y维度的光线跟踪分析；
[0052]图20是从离轴环形选择M2表面；
[0053]图21是M1和M2系统中抛物线M2的分析；
[0054]图22是M1，M2的构造和位置；
[0055]图23是聚焦光束样图；
[0056]24是M1双锥与平面M2；
[0057]图24B是从图24中的系统输出的光束；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光束导向器，包括：光束源，可绕纵轴旋转，致动器，用于绕纵轴旋转光束源，其中光束源以相对于纵轴恒定的角度旋转和反射光束；环形反射器，环绕光束源，该环形反射器与旋转致动器的纵轴重合；始终以恒定的角度面对光束源；第二反射器，其包括与所述纵轴成锐角的反射表面，用于反射所述光束，所述第二反射器被配置为将所述光束以恒定的角度朝向所述工作面反射；以及光束校正器，包括在第二反射器上的反射表面，所述反射表面用于修正光束尺寸；其中，当光束被激励并且致动器旋转光束源时，光束撞击反射器，反射器旋转光束并且将光束反射到工作面；然后，所述光束沿着相对于所述工作表面弯曲的路径，在所述工作表面上描绘出圆弧；并且其中，所述光束校正器包括在所述第二反射器上的反射表面，所述反射表面在所述第一(X)方向上和在所述第二(Y)方向上具有曲率修正作用。2.一种光束导向器，包括：第一反射器，可绕纵轴旋转，用于沿着纵轴从光束源接收光束，第一反射器包括与纵轴成锐角的反射表面，用于反射光束；致动器，用于使所述第一反射器绕所述纵轴旋转，其中所述第一反射器以相对于所述纵轴恒定的角度旋转和反射所述光束；环形第二反射器，环绕所述第一反射器，所述第一反射器的中心与所述第一反射器的纵轴重合，始终以恒定的角度面对所述第一反射器；所述第二反射器配置为将所述光束以恒定的角度朝向工作表面反射；光束校正器，包括在第二反射器上的反射表面，所述反射表面用于修正光束尺寸；其中，当光束被激励并且致动器旋转第一反射器时，光束撞击旋转的第一反射器，第一反射器旋转光束并将光束反射到第二反射器，第二反射器将光束反射到工作表面；然后，光束沿着相对于工作表面的曲线路径，在工作面上描绘出圆弧；其中，第一和第二反射器的反射表面在第一(X)方向和第二垂直方向(Y)上将光束尺寸改变为所需尺寸；其中，所述第一反射表面包括第一曲线和第二曲线，第一曲线位于第一平面上，第二曲线位于第二平面上，第一曲线与第二曲线正交，其中所述第一平面和所述第二平面正交，并且所述第一曲线和所述第二曲线的顶点与所述纵轴相交，其中，所述第二反射器包括环形表面，其中所述环形表面是当函数z(y)绕平行于局部y轴的轴旋转时扫掠出的表面，由下式表示：其中，函数在距离1/Cx处旋转，其中Cx是xz平面内的圆的半径的倒数；其中，多项式系数为旋转函数z(y)提供了更高自由度的定义；以及其中，C是定义旋转函数的曲率。3.如权利要求1所述的光束导向器，
其中，所述第二反射器包括具有在第一方向上的曲率C1和在第二垂直方向上的曲率C2的环形表面；其中，所述光束源距环形原点距离d，并可沿C1表面旋转；以及其中纵轴与环形竖直轴平行。4.如权利要求2所述的光束导向器，其中，所述第一反射镜包括与所述纵轴成45度锐角的旋转平面反射镜，并且其中，所述光束源沿着所述纵轴定位，其中所述光束源将所述光束导向到所述第一反射器，并且所述第一反射器将所述光束反射到所述环形表面，其中，所述光束根据以下公式激活：其中，第二反射镜包括环形表面，其中，V是环形顶点，其中，C1是半径为R
’
的第一环形的第一中心，位于zy平面上，其中，C2是半径为r
’
的第二环形的第二中心，位于xy平面上，其中，光束源垂直于连接C1、V和C2的线，其中，光束源光轴在C2上，其中，光束从第一反射器反射，在环形表面的M2处撞击第二反射器，并且在第二反射镜的M2处距光束源光轴距离d撞击第二反射镜，其中，q是从第二反射器M2到工作面处的点I的距离，其中，q＝d+h，三角形M2C1V中的角为θ，R
’
由下式计算：r
’
由下式计算：5.如权利要求2所述的光束导向器，其中，所述第二反射器包括抛物面表面，并且其中，所述第一反射器包括双锥面，其中第一表面包括球面，以及非球面值在0和
‑
1之间且俯仰角在大约45度内的正交第二曲面。6.如权利要求2所述的光束导向器，其中，所述第一反射器是双锥面，所述双锥面包括球面，以及包括非球面的第二表面，并且其中，所述非球面和所述球面在顶点处相交。7.如权利要求2所述的光束导向器，其中，所述第二反射器被配置成仅在一个方向上聚焦所述光束；并且其中，所述一个方向用于构造逻辑像素。
8.如权利要求2所述的光束导向器，其中，所述第一反射器包括第一抛物面和第二球面，其中，所述第二反射器包括第二抛物面；并且其中，所述第一表面以大约45度俯仰，其中，第一反射器的顶点在P周围面对第二反射器的离轴部分，其中P是第二反射器在抛物面平面上...

【专利技术属性】
技术研发人员：查尔斯，
申请(专利权)人：查尔斯，
类型：发明
国别省市：