CN102395914A - 激光射线成型装置及具有该类装置的激光装置 - Google Patents

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Abstract

激光射线(3)成型装置，包括均匀化单元(1)，其能够单独均匀化多个激光射线(3)的子射线(6)的射线组(7)，使得从均匀化单元(1)穿出的子射线(6)的射线组(7)在工作面(8)上能形成具有在线端有限陡峭下降的边缘(10)的线形强度分布(9，19)，以及还包括用于叠加子射线(6)的射线组(7)的叠加单元(2)，使得在工作面(8)上能形成线形强度分布(11，20)，其长度大于每个子射线(6)的射线组(7)的线形强度分布(9，19)，其中叠加单元(2)包含一个具有多个透镜(5)的透镜阵列。

Description

激光射线成型装置及具有该类装置的激光装置
技术领域
本发明涉及根据权利要求1或者权利要求2的前序部分的激光射线成型装置和根据权利要求12的前序部分的激光装置。
背景技术
定义：激光射线的传播方向指的是激光射线的中间的传播方向，尤其是当其不是平面波或至少部分发散时。激光射线、光射线、子射线(Teilstrahl)或射线，当没有特别指出时，指的不是几何光学中的理想射线，而是真实的光射线，例如不具有无限小的、而是具有膨胀的射线截面的高斯轮廓(Profil)或修正的高斯轮廓或平顶轮廓(Top-Hat-Profil)射线。平顶分布或者平顶强度分布或者平顶轮廓指的是至少在某一方向上基本可以通过矩形函数(rect(x))描述的强度分布。其中与矩形函数存在百分比偏差或者具有倾斜边缘的真实的强度分布也可以被称作平顶分布或者平顶轮廓。
前述所提及种类的激光射线成型装置及前述中所提及种类的激光装置可从WO 2008/006460中得知。在其中描述的装置中设置了透镜阵列作为均匀化单元(Homogenisatormittel)，其透镜具有不同宽度。特别是透镜的宽度从边缘至中心逐渐减小。以此实现具有穿过均匀化单元的激光射线的类似梯形下降边缘的平顶角分布。更多的具有该类均匀化单元的激光模块可以被并排设置在一起，使得它们的激光射线在一个工作面内叠加成均匀的线形强度分布。
该现有技术的缺点是，具有类似梯形下降边缘的平顶角分布是必需的。为了实现这一点，均匀化单元必须以透镜中心距离(镜距)从外至内逐渐减小的方式被复杂地构成。
发明内容
本发明的任务是，提供前述所提及种类的激光射线成型装置及前述所提及种类的激光装置，其尤其是在涉及到均匀化单元的构成上更简单以及/或者更经济地被建造。
这根据本发明通过具有权利要求1特征的前述中所提及种类的激光射线成型装置和/或通过具有权利要求2特征的前述中所提及种类的激光射线成型装置以及通过具有权利要求12特征的前述中所提及种类的激光装置实现。从属权利要求涉及本发明的优选实施方式。
根据权利要求1设置，叠加单元包含具有多个透镜的透镜阵列。根据权利要求2设置，装置还包含控制单元，其可以影响激光射线，使每条从均匀化单元中穿出的子射线或者每组从均匀化单元中穿出的子射线的强度大小相同。两种方式都是为保证每条子射线或子射线组在工作面内的均匀叠加而服务，同时角分布的边缘不必须近似梯形下降或者均匀化单元不必须有变化的透镜中心距离。边缘下降或者角度分布呈对称对本发明是足够的。
通过本发明在理论上可以生成任意长度的线形强度分布。另外均匀度的品质只会被在生产用于均匀化单元或/和叠加单元的透镜阵列时的加工误差影响。不需要复杂的调校就可以达到高均匀度。
可以设置，以下条件适用于透镜阵列的透镜：
2·F·NA(50％)＝M·P2
M＝1、2、3...
其中F为单个透镜的焦距，
其中P2为透镜间的中心距离，
以及其中NA(50％)为单个透镜的数值孔径，在以下角度上限定的，即在该角度下，穿过透镜的光线强度会下降到一半。通过满足这个条件以及同时通过根据权利要求2的控制单元的回馈控制可以达到非常均匀的强度分布。
作为替代的，可以设置，以下条件适用于激光射线和透镜阵列的透镜：
w0/d＞1.1
其中w0是工作面内一个透镜所产生的强度分布中最大强度和下降到1/e2的强度之间的距离。
以及其中d为工作面内两个相邻透镜所产生的强度分布中最大强度间的距离。该类实施方式的优点一方面在于子射线或子射线组的类高斯角分布也可以通过层叠从而实现均匀激光线。另一方面条件w0/d＞1.1不需要如2·F·NA(50％)＝M·P2被严格的遵守，这样该类装置的生产可以更简单。
附图说明
本发明的其它特征和优点可以通过以下参考了附图的优选实施例的描述清楚示出。其中：
图1示意性地示出了根据本发明的激光射线成型装置的第一实施方式的俯视图，其中示出了一组子射线在工作面内的强度分布，
图2示意性地示出了第一实施方式的俯视图，其中示出了所有子射线组在工作面内的整体强度分布，
图3示意性地示出了根据本发明的激光射线成型装置的第二实施方式的俯视图，其中示出了所有子射线组在工作面内的整体强度分布，
图4示意性地示出了根据本发明的激光射线成型装置的第三实施方式的俯视图，其中示出了一组子射线在工作面内的强度分布，
图5示意性地示出了第三实施方式的俯视图，其中示出了所有子射线组在工作面内的整体强度分布，
图6示意性地示出了根据本发明的激光射线成型装置的第四实施方式的俯视图，其中示出了一组子射线在工作面内的强度分布，
图7示意性地示出了第四实施方式的俯视图，其中示出了所有子射线组在工作面内的整体强度分布，
图8示意性地示出了根据本发明的激光装置的细节俯视图，该激光装置具有根据本发明的激光射线成型装置的第五实施方式，
图9示意性地示出了根据图8的激光装置的细节侧视图。
具体实施方式
图中相同的或者功能相同的组件或者光线或者强度分布或者尺寸用相同的附图标记标识。另外在一些图中为了更好地概览采用了笛卡尔坐标系。
图1和图2中画出的根据发明的装置的实施方式包含均匀化单元1和叠加单元2。其中叠加单元2在要成型的激光射线3的传播方向Z上被放置在均匀化单元1的后方。
均匀化单元1由一整块的透镜阵列构成并且包含多个在x方向上并排放置的透镜4。其中它们可以是圆柱轴线向Y方向延展的圆柱透镜或者球形透镜。
叠加单元2也是由一整块的透镜阵列构成并且也包含多个在x方向上并排放置的透镜5。这里它们也可以是圆柱轴线向Y方向延展的圆柱透镜或者球形透镜。每一个透镜5可以具有相同的焦距F。
画出的实施方式中叠加单元2具有5个透镜。设置更多的、尤其是显著的更多数量的透镜5也是可行的，相应的均匀化单元1的透镜4的数量也要更大。
画出的实施例中叠加单元2的透镜5的宽度为均匀化单元1的透镜4的宽度的3倍，这样每个叠加单元2的透镜5配有3个均匀化单元1的透镜4。相应的透镜4的中心距离(镜距)P1与透镜5的中心距离(镜距)P2符合3·P1＝P2的关系(见图1)。
设置更小的或者更大的均匀化单元1的透镜4也是可行的。尤其为每个叠加单元2的透镜5分配更多数量的均匀化单元1的透镜4也是可能的。
画出的实施方式中要成型的激光射线3在到达均匀化单元1时具有线形的强度分布，其中该线形强度分布在X方向的线长大约等于均匀化单元1在X方向的长度。
激光射线3被均匀化单元1的透镜4分成多个子射线6。每个由3条子射线6组成的射线组7一起穿过叠加单元2的透镜5。在被放置于与叠加单元2的透镜5距离为对应于透镜5焦距F的距离D的工作面8上，每一个射线组7的三条子射线6被叠加成线形的强度分布9(见图1)。
强度分布9在主要呈平顶分布的形状，但它不具有垂直的下降边缘10，而是相对适度的下降边缘10(见图1)。强度分布9的形状由均匀化单元1的构造，尤其是均匀化单元1的每个单个透镜4的构造决定。
图2示出了，均匀化单元1和叠加单元2以让工作面8上每个子射线7的射线组8的强度分布9总在各个强度分布9最大强度的50％处叠加的方式构造和排列。以此可以形成非常均匀的总强度分布11。
各个强度分布9进一步无震荡叠加形成整体强度分布11的条件可以通过
2·F·NA(50％)＝P2
描述。其中NA(50％)为单个透镜5的数值孔径，在以下角度上限定，即在该角度下，穿过透镜5的光线强度会下降到一半。
另一个额外条件是，各个子射线6的射线组7的强度在工作面8上一样大。这可以通过如根据图8和图9画出的激光装置的安置方式实现。
该激光装置在均匀化单元1和叠加单元2之间设置有多个射线分离器12，其中分离器12的数量和叠加单元2的透镜5的数量相同。通过分离器12每次会有子射线6的射线组7的小部分光线13从传播方向Z偏向图9上方，也即是Y方向。
激光射线3的该部分13抵达多个探测器单元14，其可以获取每个子射线6的射线组7的强度。激光装置还含有比较单元15，其可以比较由探测器单元14获取的每个子射线6的射线组7的强度。比较单元15可以控制图9示意性示出的单个或者多个激光源17的电源16，从而平衡子射线6的射线组7互相间的强度。
通过这种方式可以实现激光射线以相同功率穿过叠加单元2的每个透镜5。这可以导致如图2画出的非常均匀的线形总强度分布11。
图8和图9示出了虚线表示的分离器12’和探测器单元14’，它们可以作为实线表示的分离器12和探测器单元14的替代选择被设置在叠加单元2的后方。
探测器单元14可以由光电二级管、光敏电阻、光电晶体管，光电管或类似元件制成。
前面所述的分离器12，12’，探测器单元14，14’和比较单元15一起组成控制单元，其保证工作面8上子射线6的射线组7的功率或强度相同。该控制单元可以设置在图2至7所画的所有实施方式中。
在根据图1和图2的实施方式中均匀化单元1透镜4以让子射线6的射线组7的方向图或角分布具有适度下降边缘的方式被构造。在透镜5后方D＝F的距离上的叠加形成了图1和图2画出的强度分布9。
根据本发明均匀化单元1的透镜4以让子射线6的射线组7的方向图或角分布具有近乎垂直下降边缘或非常接近理想平顶角分布的方式来构造也是可行的。在该情况下工作面8不被选择置于距离透镜5后D＝F处，而是距离D＝F+δ处。其中额外距离δ应选择为让在工作面9上各个子射线6的射线组7的叠加强度分布9具有相对较小陡峭下降边缘10。
图3示出了实施方式，其中放弃了叠加单元2。子射线6的射线组7的叠加发生在远处，即在离均匀化单元1更远距离处。
图4和图5示出了实施方式，其中叠加单元2的透镜5的焦距F大于根据图1和图2的实施方式中的值。其结果是，在工作面8上的各个子射线6的射线组7的强度分布9更宽。尽管如此，当条件
2·F·NA(50％)＝M·P2
M＝1、2、3...被满足时，仍存在强度分布9无震荡叠加而成的整体强度分布18(见图5)。图4和图5示出了M＝2时的情况。
在根据图6和图7的实施例中均匀化单元1的透镜4以让子射线6的射线组7的方向图或角度分布虽然具有适度下降边缘但不具有恒定强度角区域的方式被构造。在透镜5后方距离D＝F处的叠加形成了图6和图7画出的不具有显著平台区域的强度分布19，其近似于高斯分布。
非均匀度小于1％的整体强度分布20的叠加条件是：
w0/d＞1.1
这里w0是工作面8内由一个透镜5所产生的强度分布19中最大强度和下降到1/e2的强度之间的距离以及d是工作面8内两个相邻透镜5所产生的强度分布19中最大强度间的距离。

Claims (13)

1.一种激光射线(3)成型装置，包括
-均匀化单元(1)，所述均匀化单元能够分别均匀化激光射线(3)的多个子射线(6)或者激光射线(3)的多个子射线(6)组(7)，使得从所述均匀化单元(1)穿出的子射线(6)或者子射线(6)组(7)在工作面(8)上总能形成具有在线端有限陡峭下降的边缘(10)的线形强度分布(9，19)，
-叠加单元(2)，用于叠加子射线(6)或者子射线(6)组(7)，使得在工作面(8)上能够形成长度比子射线(6)或者子射线(6)组(7)的线形强度分布(9，19)中每一个的长度大的线形强度分布(11，20)
其特征在于，叠加单元(2)包括具有多个透镜(5)的透镜阵列。
2.一种激光射线成型装置，包括
-均匀化单元(1)，所述均匀化单元能够分别均匀化激光射线(3)的多条子射线(6)或者激光射线(3)的多个子射线(6)组(7)，使得从所述均匀化单元(1)穿出的子射线(6)或者子射线(6)组(7)在工作面(8)上总能形成具有在线端有限陡峭下降的边缘(10)的线形强度分布(9，19)，
-叠加单元(2)，用于叠加子射线(6)或者子射线(6)组(7)，使得在工作面(8)上能形成长度比子射线(6)或者子射线(6)组(7)的线形强度分布(9，19)中每一个的长度大的线形强度分布(11，20)，
其特征在于：
-所述装置还具有控制单元，所述控制单元能够影响激光射线(3)，使得每条从均匀化单元(1)中穿出的子射线(6)或者每个从均匀化单元(1)中穿出的子射线(6)组(7)的强度大小相同
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述叠加单元(2)包括具有多个透镜(5)的透镜阵列。
4.如权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，所述均匀化单元(1)和/或所述透镜阵列被设置和/或构造为使得一条子射线(6)或一个子射线(6)组(7)穿过每个透镜(5)。
5.如权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，所述透镜阵列的所有透镜(5)具有相同的焦距。
6.如权利要求1至5之一所述的装置，其特征在于，所述透镜阵列的所有透镜(5)具有相同的宽度和/或相同的中心距离(P2)。
7.如权利要求1至6之一所述的装置，其特征在于，所述透镜阵列的透镜(5)符合以下条件：
2·F·NA(50％)＝M·P2
-其中M＝1、2、3...
-其中F为每个透镜的焦距，
-其中P2为透镜的中心距离，
-其中NA(50％)为在以下角度上限定的每个透镜(5)的数值孔径，即在该角度下，穿过透镜(5)的光线强度下降到一半。
8.如权利要求1至7之一所述的装置，其特征在于，所述激光射线(3)和所述透镜阵列的透镜(5)符合以下条件：
w0/d＞1.1
-其中w0是工作面(8)内一个透镜(5)所产生的强度分布(19)中最大强度和下降到1/e2的强度之间的距离，
-其中d为工作面(8)内两个相邻透镜(5)所产生的强度分布(19)中最大强度间的距离。
9.如权利要求1至8之一所述的装置，其特征在于，所述控制单元具有探测器单元(14)，所述探测器单元能够采集每个从所述均匀化单元(1)穿出的子射线(6)或者子射线(6)组(7)的强度。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述探测器单元(14)被构造为光电二级管、光敏电阻、光电晶体管、光电管或类似元件。
11.如权利要求1至10之一所述的装置，其特征在于，所述控制单元具有比较单元(15)，所述比较单元能够比较每个从所述均匀化单元(1)穿出的子射线(6)或者子射线(6)组(7)的强度。
12.一种激光装置，包含：
-至少一个激光源(17)，
-根据权利要求1前序部分的激光射线(3)成型装置，
其特征在于，所述激光射线(3)成型装置为根据权利要求1至11之一的装置。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，
所述激光装置包括用于所述至少一个激光源(17)的至少一个电源(16)，并且
控制单元能够控制所述至少一个电源(16)从而改变从所述均匀化单元(1)穿出的子射线(6)或者子射线(6)组(7)的强度，尤其是使从所述均匀化单元(1)穿出的子射线(6)或者子射线(6)组(7)的强度相互均衡。
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