CN107850773A

CN107850773A - 光束导向器

Info

Publication number: CN107850773A
Application number: CN201680030655.0A
Authority: CN
Inventors: 查尔斯·比巴斯; 周年庆; 德翁·雨果
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-06-14
Filing date: 2016-06-13
Publication date: 2018-03-27
Anticipated expiration: 2036-06-13
Also published as: US9435998B1; JP2018520379A; EP3308212B1; AU2016325992A1; BR112017026606B1; WO2017052702A3; CA2983200A1; CA2983200C; KR20190067826A; WO2017052702A2; ES2958307T3; WO2017052702A4; EP3308212A2; EP3308212C0; IL256310A; HRP20231016T1; MX2017016129A; CN107850773B; PL3308212T3; EA201890040A1

Abstract

光束导向器，包括：第一反射镜安装在可旋转平台的中心，该平台可通过致动器进行转动，光束导向器配置为接收来自垂直于旋转平台的光束源的垂直光束，并且第一反射镜配置为促使光束随着平台旋转，并将光束水平地反射到安装在旋转平台上的第二反射镜；第二反射镜构造为将所述光束垂直反射到工作表面，使得当光束被激活且致动器转动平台时，垂直光束撞击到转动的第一反射器，随着平面的转动带动光束反射到第二反射镜，随即将光束反射到工作表面，并沿着相对于工作表面的曲线路径并在工作表面上绘出弧线。

Description

光束导向器

申请

本专利申请包含于2015年6月14日提交的美国临时专利申请第US62/175,402号，或者2015年6月14日的371(c)，以及2016年9月8日提交的美国正式专利申请第14/848,056号的优先权和权益在内。

发明领域

本发明是有关于一种用于指示光束对物体进行打印、测绘、绘图、雕刻、焊接和烧结的设备装置和方法。通过后续材料层的相互层层叠加进一步生成3-D(三维，以下称为3-D)物体。

背景技术

3-D打印机和扫描仪中的光束导向器，包含振镜、伺服电机和线性致动器去驱动和引导反射镜和晶体，以偏转和引导光束。因此，打印和扫描速度主要受振镜和致动器速度的限制。

振镜伺服电机最大扫描限速大约在2.5KHz，约有5-10微弧的定位误差。随着振镜伺服电机驱动镜的目标距离的增加，这个误差会更显突出。此外，一个振镜伺服器在达到它的生命极限时往往会发生抖动，由此表明应进行降噪设置。

线性致动器可以用来消除振镜的误差。然而如使用线性致动器，由于其惯性会引起加速和减速缓慢，所以它们的整个前进和后退往返的速度受到限制。

激光扫描和打印的另一种常见方法是使用多角镜，它可用于将光束导向一维，而第二维可以通过线性致动器或振镜来实现。尽管光学多角镜在振镜限速方面有所改进，但由于反射镜的几何形状，它们将会产生额外失真，同时发生从输入到输出区光束的非线性映射。另外，所有的多角镜必须完全相同。X-Y轴振镜以及多角镜技术由于f-θ镜的缺陷而遭受进一步失真。使用f-θ会产生两个误差：

1。射向表面法线的光束角度将远离透镜的中心，导致一个椭圆而非圆形的波束形成。

2。f-θ的光学转换误差将演变为光束远离透镜的中心，Tan(θ)的光学转换将随着θ的扩展进行非线性增长。

本发明的目的是缓解上面讨论的问题。

发明内容

本发明是一种有关光束导向器的发明，包括：通过一个致动器根据其自身垂直旋转带动第一反射镜旋转，光束导向器配置为沿着第一反射镜的转动轴接收来自光束源的垂直光束，并被引向第一反射镜；第一反射镜配置为当其旋转时使得垂直光束旋转，并水平地反射到第二反射镜；当第一反射镜转动时，致动器可围绕第一反射镜的垂直旋转轴线而旋转；使得第二反射镜始终面向第一反射镜；第二反射镜进一步配置为将光束垂直地朝向工作表面，以便当光束被激活并且致动器旋转第一反射镜时，垂直光束与旋转的第一反射镜相遇；当随着光束旋转而旋转，并将光束反射到第二反射镜；将光束反射到工作面；然后光束沿着相对于工作表面的曲线路径，并在工作面上绘出弧线。

本发明的另一方面在于，第一和第二反射镜之间的半径距离可以调节，因此，通过调节从第一反射镜到第二反射镜的光束行进距离，光束移动发生变化，因此调整光束循着相对于工作表面的可调节半径的曲线路径，相应地在工作面上绘出可调半径弧线。

本发明的另一方面：第二反射镜水平环绕第一反射镜的环形倾斜的反射表面平稳并具有与第一反射镜的旋转轴线相同的垂直轴线；环形倾斜的反射表面具有大、小直径，大直径直指工作表面，从而使得当光束被激活并且致动器转动第一反射镜时，垂直光束随着光束的旋转而旋转，进而与旋转的第一个反射镜相撞，并将光束反射到第二反射镜，由第二反射镜将光束反射到工作表面；光束沿着相对于工作面的曲线路径，并在工作表面上绘出弧线。

本发明的另一方面涉及锥形的第二反射镜，环绕第一反射镜并具有与第一反射镜的旋转轴线相同的垂直轴线；第二反射镜相对于第一反射镜相对平稳地转动；第二反射镜的较大直径指向工作表面，并配置为将来自于第一反射镜的光束反射到工作表面；第二反射镜相对于第一反射镜可进行垂直调节；因此，通过对锥形的第二反射镜的调整，光束从第一反射镜到第二反射镜的行进距离也被调整，由于调整光束循着相对于工作面的可调节半径的曲线路径，相应地在工作表面上描绘出可调半径弧形。

本发明的另一个方面是光束源在光束导向器内部。

本发明的另一个方面是将光束源连接到光束导向器。

本发明的另一方面是利用光束导管将光束传输到光束导向器。

本发明的另一个方面是光束导向器拥有第三反射器，它配置为用与接收来自光束源的水平光束，并配置为将光束垂直地反射到第一反射镜。

本发明的另一方面是第一和第二反射镜通过一个杠杆来进行连接。

本发明的另一方面在于通过附加一个稳定件来实现第一和第二反射镜的稳定旋转。

本发明的另一个方面在于反射器被放置在气流受控的空气动力外壳中。

本发明的另一方面在于光束导向器可以用作3-D打印机的打印头。

本发明还是一种具有将光束导向器的光束导向工作表面的方法，其方法包括：

利用光束发生器产生光束；

利用致动器使第一反射镜自身垂直地旋转；

将光束沿着第一反射镜的旋转轴导向第一反射镜；

随着第一反射镜的旋转，致动器与第二反射镜一起围绕着第一反射镜的旋转轴进行转动，同时第二反射镜始终保持面向第一反射镜；

将第一反射镜的光束水平地反射到第二反射镜；

利用第二反射镜垂直地将光束反射到工作表面；

从而，当光束被激活并且致动器旋转第一和第二反射镜时，垂直光束射向转动的第一反射镜，随着光束旋转，并将其反射到第二反射镜，由第二反射镜将光束反射到工作面；随后光束沿着相对于工作表面的曲线路径，并在工作表面上绘出弧线。

本发明的另一方面在于该方法还涵盖了调整第一与第二反射镜之间的距离，通过调整第一反射镜到第二反射镜光束的行进距离，循着相对于工作面可调节半径的曲线路径，相应地在工作表面上绘出可调半径弧线。

该方法进一步包括利用具有水平环绕第一反射镜，并有环形倾斜反射表面特征的第二反射镜，它将光束垂直地反射向工作表面；平稳并具有与第一反射镜的旋转轴线相同的竖直轴线，环形反射表面具有大、小直径，大直径直接面向工作表面，这样当光束被激活，致动器旋转第一反射镜时，将光束垂直地与旋转的第一反射镜相撞，随着光束的旋转而旋转，并将光束反射到第二反射镜，由此将光束反射到工作表面；光束随即沿着相对于工作表面的曲线路径在工作表面上绘出一道弧线。

在本发明的另一方面，该方法进一步包含了利用锥形的第二反射镜，将光束垂直地反射到工作表面；围绕第一反射镜并具有与第一反射镜的旋转轴线相同的垂直轴；第二反射镜为平稳旋转；其工作表面的较大直径直指工作平台，它相对于第一反射镜而言可以垂直调节；通过调整第二反射镜，由于其形状为锥形，光束从第一反射镜到第二反射镜的行进距离因此被调整，由于调整光束循着相对于工作表面可调半径的曲线路径，相应地在工作表面上绘出可调半径弧线。

本发明的另一个方面在于该方法还包括将光束源附属于光束导向器。

本发明的另一个方面是该方法还包括利用光束导管将光束传输到光束导向器。

本发明的另一方面是该方法还包括通过杠杆来实现对第一、第二反射镜的连接。

该方法还包括通过添加稳定元件以稳定第一和第二反射镜的旋转。

本发明的另一个方面是，该方法还包括将第一和第二反射镜安置在控制气流的空气动力元件之中

本发明的另一方面在于，该方法还包括沿着第一反射镜的旋转轴，将第三反射器的水平光束垂直地反射到第一反射镜。

本发明的另一方面，该方法还包括将光束导向器用作3-D打印机的打印头。

附图说明

以下将对照附图对本发明做进一步说明，其中：

图1，显示了光束导向器接收垂直光束以及随后的光束路径。

图2，展示了光束导向器接收水平光束以及跟随光束的路径。

图3A,显示本发明的第二反射镜与第一个反射器的相对位移，以及光束的路径。

图3B：显示图3A的一个径向出口狭缝的仰视图。

图4,具体显示本发明接收水平光束和光束路径。

图5，具体显示本发明的中光束源向下指向光束导向器内。

图6，具体显示本发明的另一个实例，光源垂直向上引导并光束导向器相连接。

图7：显示安装在3-D打印机上的光束导向器。

图8：显示另一个，通过一个杠杆来连接的反射镜。

图9：显示使用棱镜的另一实例。

图10：显示第二反射镜的环形倾斜的反射面。

图11：具有可变半径致动器的锥形反射器

图12：显示双杠杆的结构形状。

图13：从下方看到的带有指示孔(凹槽)的双臂。

图14：用一个图框显示光束导向器是如何控制的。

图15：索引臂定位器的简化原理图。

图16：显示环形倾斜反射镜，能够完整地实现360度打印。

图17：FIG.16的另一视图显示完全有可能实现完整的360度打印。

图18：显示环形倾斜反射器的另一个实例，可使用棱镜作为第二反射镜来实现完整地360度打印。

图19：显示图18所示的完整地360度打印。使用棱镜作为第二反射镜。

图20：显示具有可变半径致动器的锥形反射器，其利用棱镜作为第二反射镜并具有360°的利用率。

附图标记说明

101 3-D打印机

102 x-轴段。

103 支柱

104A 第一y-轴段。

104B 第二y-轴段。

105 光束导向器

106A 底部反射镜

106B 顶部反射镜

106C x-轴段反射镜

106D 第三面反射镜

106E 第一面反射镜

106EP 第一棱镜角侧面

106F 第二面反射镜

106FP 第二棱镜角侧面

107 光束

107A 聚焦光束

107B 光束撞击点建立面

108 电机

109 轮盘

110 外壳

111 开口

112 聚焦透镜

113 工作面

114 光束源

115 孔

116 径向滑块

117 径向出口狭缝

118 支撑面

120 径向致动器

121A 棱镜

121B 转子棱镜平台

123 锥形电机

124 螺纹轴

125 杠杆

125A 虚拟杠杆

125B 杠杆装置

125C 电机轴插座

125D 指标孔(缺口)

125E 指标孔(缺口)

126 支撑基座

127A 第一导杆

127B 第二导杆

128A 第一导孔

128B 第二导孔

128C 螺纹孔

129 锥体构件

129A 锥形反射器

131 环形反射面构件

132 环形倾斜反射面

133 电机支撑件

134 棱镜内壁

135 棱镜外壁

136 轴承

137 电机齿轮

138 空心轴

138A 第一镜像齿轮

139 底部棱镜壁

具体实施方式

以下将参照图纸对本发明进行描述。在此基础上，可以进行各种改进和替换。

图1.光束导向器105在外壳110的顶部具有一个孔115，并且聚焦透镜112位于支撑面118之中。第一面反射镜106E朝向可旋转的转盘109的中心。转盘109通过电机108而转动。第一反射镜106E朝向第二反射镜106F，因此放置为朝着第二反射镜106F的反射聚焦光束107A(光束设定为聚焦在工作表面上)。第二反射镜106F位于转盘109的边缘，并以一定角度安装在转盘109上，同时构成将光束朝工作面113反射，在图7中是3-D打印机的构建面。

当激活光束107通过孔115进入光束导向器105，并穿过透镜112被聚焦。聚焦光束107A随即直击第一反射镜106E。电机108带动转盘109以及安装在转盘109上的第一反射镜106E和第二反射镜106F旋转，使聚焦光束107A旋转，并反射到第二反射镜106F，从第二反射镜106F射出光束107A随即垂直反射，并通过开口111离开光束导向器105，如图2所示，光束107A扩展到工作面113，如图7所示，该光束沿着相对于工作表面的曲线路径在工作表面上绘出弧线。

在图2显示了光束导向器105的另一个实例。在此状况之下，光束导向器105具有静止的的第三反射镜106D，它按一定角度安装在支撑面118上。第三反射镜106D直指聚焦透镜112，并将其配置为将水平光束107通过聚焦透镜112反射到第一反射镜106E。一旦第三反射镜106D通过透镜112将水平光束107垂直地反射到第二反射镜106E，则聚焦光束107A沿着上述的相同路径，并仍然通过开口111离开光束导向器105，.然后光束107A扩展到工作表面113。如图7所示，该光束沿着相对于工作表面的曲线路径，并在工作表面上绘出弧线。

在图3A中，显示了壳体110、第三反射镜106D以及支撑面118，其中聚焦透镜112被移除以更好地显示本发明的另一特征。该配置中，第二反射镜106F相对于第一反射镜106E相对可调，由径向致动器120驱动径向滑块116来完成，如图3A所示。聚焦光束107A通过径向出口狭缝117射出，如图3B所示，通过调节光束107A从第一到第二反射镜的移动距离，由于调节聚焦光束107A沿着相对于工作面可调半径的曲线路径，并在工作面113上绘出可调半径的弧线，如图7所示。为使光束聚焦在工作面113上，就必须使光束107A平行，或者锥角需要保持45度角。

图4显示了本发明的另一个方面，这种情况之下，光束导向器105向下倒，如图2所示。电机108和转盘109朝上。与图2中的第二反射镜106F相比其方向不同。如图4所示的第二反射镜106F朝向顶部，并光束107避开转盘109的倒置向下朝向工作面113。

在图5中，第三反射镜106D被移开。光束源114位于光束导向器105的内部，并向第一反射镜106E垂直向下。如上所述，聚焦光束107A沿着打印头105中的相同路径行进。

图6所示的光束导向器105类似于图5中的光束导向器。图中的第三反射镜106D被移去，外部垂直光束源114朝向第一反射镜106E，并与光束导向器105的壳体110连接。

由3-D打印机所生成的物体，由一小段材料组成，该材料被光束撞击而升温，随着材料的冷却而变硬。本发明由于反射镜和光束旋转的作用而沿着相对于工作表面的曲线路径，并在工作表面上绘出弧线，产生细小曲线。通过对光束的激活与不激活(调节光束)，可使细小的曲线部分来打印对象。

通过计算机的控制完成对光束的调节。打印对象的数字图像被加载到计算机中，其软件计算出不同的后续图案层，并逐层地生成打印对象。

如图7所示，光束导向器105用作3-D打印机101的打印头，并安装在3-D打印机的定位系统上。该状态下的定位系统作为致动器驱动X-Y轴架系统。第一y-轴段104A和第二y-轴104B均在其端部由两个支柱103支撑。在柱103之间设置有工作表面113(3-D打印机的构建面)。

x-轴段102垂直于第一y-轴104A和第二y-轴段104B。x-轴段102沿着y-轴段前后移动。位于x-轴段102上的光束导向器105沿着x-轴台102前后移动。

底部反射镜106A位于支柱103的底部，并以一定角度定向于顶部的反射镜106B，配置为将光束107反射向顶部的反射镜106B；而顶部反射镜106B的定位朝向支柱103的顶部，并将光束107反射到x-轴段的反射镜106C。而X-轴段反射镜106C则将光束反射向光束导向器105。

可以预计的是，通过将光束107导向打印头，还可有许多其他反射镜的设置。

将光束导向器105用作为打印头，如图2所示，光束107由此将光束直接导向第三反射镜106D。

图7中，当光束源被激活时，光束107射向底部反射镜106A，并向上反射到顶部的反射镜106B。光束107随即被顶部的反射镜106B反射到x-轴段的反射镜106C。然后，x-轴段的反射镜106C将光束107反射到光导向器105的第三反射镜106D。如图2所示。

如图7所示。光束107沿着图2所示的光束导向器105中的路径，直至聚焦光束107A离开光束导向器105。

如图7所示，聚焦光束107A在107B处直击工作表面113(打印机的构建表面)。由于第一反射镜106E带动聚焦光束107A旋转，使得聚焦光束107A循着相对于工作面的曲线路径，并在工作表面113上绘出弧线。

在转盘109每次旋转之后，通过定位系统促使光束导向器105在X-轴向上移动光束宽度。此时光束将再接着前一个曲线打印出一个新的曲线，就这样一直持续到在X-轴向上的打印对象打印完成。通过定位系统在Y-轴向上移动光束引导器105一个曲线宽度，随后光束导向器将在x轴向上返回到物体的另一端，以沿着x-轴向打印。本发明的另一个方面是在打印头105正在打印的同时移动X和Y。

当光束再次回到这一端时，光束导向器将再次在Y轴方向上移动一个曲线宽度，并沿着相反方向的X-轴上移动，来回地打印直到打印对象打印完毕。当第一层打印完成时，工作面(或3-D打印机的构建面)将在z-轴方向上降低一层的厚度，而新的一层粉末将会撒在本层上，并重新开始一个新的打印过程。因此，打印对象通过持续的层叠打印在彼此之上而构成。

在图8显示了杠杆125替换了转盘109，它将第二反射镜106F相对于第一反射镜106E水平地保持在适当的位置。

在图9显示，在长形棱镜121A上安装了旋转体棱镜平台121B来替代转盘的109。在这种情况下，第一个棱镜侧面106EP的角度和第二棱镜侧面106FP的角度，被当第一和第二反射镜106E和106F。

在图10显示第二反射镜106F有一个环形倾斜的反射表面132(形状类似于一个圆锥的水平切片)，由环形反射面131支撑，倾斜的环形反射面132稳定地水平环绕第一反射镜106E，并具有与第一反射镜106E的旋转轴线相同的纵轴。电机108由电机支撑件133保持定位，并带动第一反射镜106E旋转。环形反射面132具有大、小直径，大直径指向工作面，与第一反射镜106E的旋转轴线相对形成角度，并将聚焦光束107A垂直地反射到工作表面。当聚焦光束107A射向第一反射镜106E，并被电机108带动旋转时，第一反射镜106E随着光束107A的旋转而旋转同时将光束反射到环形倾斜的反射面132，进而将聚焦光束107A反射到工作表面；然后光束沿着相对于工作面的曲线路径，在工作面上绘出弧线。

图11所示实例，其中第二反射镜106F为锥形，以及锥形反射器129A是锥形构件129的锥形反射内面。锥形反射器129A环绕着第一反射镜106E，并具有与第一反射镜106E的旋转轴相同的纵轴其较大直径锥形反射器129A旋转平稳，直接朝向工作面，并将来自第一反射镜的光束反射到工作面。

圆锥形构件129具有支撑基座126与第一导杆127A和第二导杆127B的。螺纹杆124搁置在支撑基座126上。电机支撑件133将电机108保持在适当位置，导杆127A穿过第一导孔128A，导杆127B穿过第二导孔128B以及螺纹杆124穿过螺纹孔128C。螺纹孔128C的螺纹与螺纹轴124的螺纹啮合。锥形电机123连接到螺纹轴124并带动螺纹轴124旋转。电机108与第一反射镜106E连接并带动其转动。

当锥形电机123被致动时，螺纹杆124旋转并与螺纹孔128C的螺纹啮合，驱使锥形反射器129A相对于第一反射镜106E垂直移动，同时导杆127A和127B稳定地引导电机支架133。在锥形反射器129A相对于第一反射镜106E位移的过程中，聚焦光束107A撞击对锥形反射器129A，并且聚焦光束107A从第一反射镜106E行进到锥形反射器129A的距离(半径)发生变化。相应地，从第一反射镜106E的转动轴线，光束107A离开锥形构件129的距离发生变化。聚焦光束107A以第一反射镜106E的旋转轴线为半径的原点，在工作面上绘出不同半径的圆弧。为使光束聚集在工作面113上，就须使光束107A平行，或者使锥角为45度角。

在图12实例中，纵向转动的第一反射镜106E由电机108的工作而自行旋转，并接收垂直聚焦光束107A。旋转的垂直光束随着第一反射镜106E旋转而转动，并将光束水平地反射到杠杆125端部的第二反射镜106F。杠杆125具有相对的稳定构件–虚拟杠杆125A为平衡，并在旋转期间提供更大的稳定性能。杠杆125A和125安装在支座125B上。随后第二反射镜106F将聚焦光束107A垂直地反射到图7中的工作面113。

光束107可以是任意波长或类型的光线，例如激光、光、X-射线或者红外光束。它也可以是粒子束，例如分子、原子、离子、质子、中子、同位素、电子或任何其他亚原子粒子。

光束107也可以通过光纤从光束导向器外部的光束源传送到光束导向器105。在本发明中，打印速度在很大程度上仅受到电机108转速的限制。

没有停止和开始的动作导致加速和减速，以及损失打印时间。由于转盘109，杠杆125自身及其虚拟杠杆125A的组合在一起，以恒定速度保持旋转，所以不需要减速或倒速。

当光束垂直照射工作面113(目标)时，本发明的打印质量得到了明显改善，因此减少了f-θ、检流计或/和多角镜相关的误差。

当光束以一定角度撞击目标表面时，会出现一些f-θ误差。在扫描和打印系统中，光束通过偏转而形成一个朝向目标的反射镜，光束以一定角度直击目标。这使得光束直径从圆形变为椭圆形状时的f-θ失真。

想象一个普通透镜与一个假想的透镜光轴在同一方向，光束穿过透镜，透镜轴从透镜中心穿过。将透镜轴与光束的路径之间的夹角定义为θ。在这些普通的透镜中，焦距以一个球体表面一段的形式存在，它的轴穿过透镜作为球体的原点。如果透镜的图像投射在球体的内部表面，它则会聚焦。这是因为无论θ的角度如何，光束所经过的路径长度总是相同的，如上所述它是一个球体半径。

然而，如果图像被投影在一个平面上，则另当别论。如果是一个普通的透镜直接指向平面，并且透镜聚焦在光束垂直照射的平面上的区域，图像将会变得远离焦点，进一步远离光束垂直射向平面上的点。这就是随着角度θ的增加，图像将变得更加失焦。

光束必须发射到平面上的距离随着透镜轴线与光束路径之间光束角度的增大而增大。即当角度增大时，光束传播的距离也必定增加。由于光束的路径较长，它超过了透镜的焦距。这会导致聚焦光束和图像失焦，但这可以通过F-θ透镜来校正。然而，F-θ镜头非常昂贵，而且F-θ解决方案也不能避免误差。

然而，在本发明中，光束直指目标上方，目标路径保持不变，光束始终处于对焦状态，因此，不需要F-θ校正透镜，从而节省了资金。

此外，通过消除振镜的误差，打印质量和速度可得到极大的改善，因为与振镜反转误差和定位误差相比，电机108的转动始终保持在一个恒定的速度。

本发明可以在许多不同配置的3-D打印机、材料切割机、材料标记和扫描仪中实施。例如，它可以运用在打印机和扫描仪中，因其系统的移动和/或控制通常是基于相对于构建面中心的极坐标。这些类型的扫描仪和打印机的部件通常包括可旋转的构建面、打印/扫描头定位在构建面上，耦合到打印头或扫描头，并配置为基于相对于中心极坐标在构建面上移动打印头或扫描头。

本发明有多种应用，例如，它也可用于创建材料的切口模式、材料的标记、材料的烧结、材料的熔化、材料的硬化，材料的雕刻、材料的覆层，平版打印以及用于电子工业和电子设备的生产制造，例如集成电路。本发明也可适用于具有X/Y定位系统的普通3-D打印机，其创建面为平面，沿着Z-轴向外移并远离打印头，材料沉积在创建表面，并逐层叠加打印。

光束导向器的外壳可以由金属、塑料丙烯酸树脂、玻璃或任何适当坚固的材料制成。光束导向器转盘可由轻质固体材料或合金(例如铝、木材、玻璃、丙烯酸、abs、石墨、碳纤维或任何适度轻型材质)制成。当光束导向器由玻璃、透明塑料或任何适度透明材料制成时，则长形棱镜可作结合到结构中形成一体，而不需要反射镜。。

反射镜通常由反光镜或抛光材料制成，如铝、镍和其它合适的由玻璃、塑料或类似材料制成的反射材料或棱镜。反射镜大小取决于光束的直径。例如：3毫米的光束直径将需要4.5毫米×4.5毫米的反光镜以适应光束尺寸。

当棱镜制成并切割成长形时，横截面尺寸通常大于光束直径约50％。因此，在光束直径为3毫米的情况下，横截面为5毫米×5毫米的菱形棱镜。菱镜的长度决定了打印对象的弧线半径。如图9所示，在长度为40毫米的菱形棱镜的情况下，光束107A的路径长度将为40毫米。圆弧的半径也为40毫米。

电机可以是具有转速计输出或霍尔效应反馈的无刷直流(bldc)电机，以便稳定转速。电机的输出受转子惯性的影响。

聚焦镜片为平凸型或焦距约100毫米的任何其他适当类型的聚焦镜片。

打印头的尺寸可以缩放，该特定的情况如图1，并请参考图2如下参数：

1、高度：130毫米。

2、宽度：100毫米。

3、深度：100毫米。

4、光盘直径：80毫米。

5、圆盘厚度：3mm。

图15演示了运用集成红外发射器和检测器套件如何执行索引杠杆定位器的功能，VISHAY SEMICONDUCTOR的TCND5000是一个由LED发射器和光敏二极管组成的红外传感器检测器组合。MPU(除专用MPU驱动程序控制器，稍后讨论)用来监视来自光学索引定位器的输出信号，当没有臂或者当探测器面对刻有凹口125D或125E时，输出电压将接近0伏，并通过如下计算：

Vout＝I暗电流*R1

(当没有转子或当它超过凹口时->出现暗电流，否则当红外探测器检测到发射器的红外光束时即为反射)

当探测器面向杠杆时，反射面则将使用相同的公式增加光电二极管电流：

Vout＝l_反射*R1//时，即使在最差的情况下，表面也反射了20％的强度

光电二极管电流将超过10微安

在此情况下，输出电压大约为5+。。

当转子(在此为双杠杆)旋转时，主MPU将读取信号并检测头部或尾部的图案。另外，脉冲之间的时间间隔将提供给转子RPM。

发射器和接收器的校准程序将使主MPU对杠杆的监测工作进行微调，克服数据表规格偏差。参见美国专利申请14/538,924。

R2设置发射器电流，选择到870欧姆。

选择到5PF，C1可降低噪音，请注意：C1值越高，响应时间越长。

AD8615为ANALOG DEVICES(美国模拟器件公司)推出的低偏置电流运算放大器(运算放大器)

AGND为接地电路

-Vs是AD8615负电源输入

+Vs是AD8615的正电源输入

尽管可以采用完整尺寸的转子或一个杠杆结构，但也可以采用双杠杆结构。在图12和图13中的稳定性更好。它减少了惯性，并提供最大转速，对称于旋转轴，因此更加平衡。虚拟杠杆125A起平衡作用，并在旋转期间提供稳定性。使自身适合于制作各种材料，如：铝。在图12中的反射镜106E和106F被抛光成镜面，并可涂上银色以维持较高的激光能量和防止划伤。

图13为双杠杆的下方。电机轴座125C接受电机108的轴。索引孔(凹口)125D和125E分别位于臂125A和125中，与索引定位器共同工作，以确定两个杠杆的旋转位置。

来自ANAHEIM AUTOMATION的电机108BLY174S-24V-12000可用于长度为30毫米的双杠杆(125和125A)。

如图14所示，所选电机为无刷直流(bldc)电机，具有霍尔效应传感器，能更好地控制电机转速。电机连接到有传感器无刷直流(bldc)电机的驱动器，从而可以检测到电机的转速并施以控制。有传感器的无刷直流(bldc)电机的驱动器也使用了TEXAS INSTRUMENT公司的TMS320F28069M微处理器单元(MPU)，这允许对电机闭环速度进行控制，TMS320F28069MMPU还能带动由TEXAS INSTRUMENT,INC制造的驱动硬件DRV8312，也是专用的MPU属于电机驱动器的一部分，专用时刻用于维护电机闭环。电机指标定位器是一种光束发射器和探测器的组合，由VISHAY半导体封装在TCND5000上，这是一个红外传感器探测器组合，由一个LED发射器和一个光电二极管组成，能提供大约15纳秒的响应时间。光学传感器将位于旋转转子的6毫米处。传感器将检测一个杠杆(125或125A)以及杠杆中的指示孔(凹口)125D和125E。

图14的进一步所示。电机索引定位器的输出信号连接到主MPU并进行读取。主MPU应与电机驱动器的专用MPU，以及专用于时刻维护电机的闭环速度区分开来。索引定位器为主MPU固定两个杠杆的旋转位置。主MPU连接到控制激光发射的激光调制器。主MPU存储器中加载有打印对象的3-D图像。主MPU的计算或加载将打印在彼此之上，形成3-D物。

主MPU向传感电机无刷直流(bldc)电机的驱动器发送信号，以设定电机的转速。它用电机索引定位器检测杠杆的位置，利用杠杆来定位(以及X/Y位置的打印头)打印对象的特定的层次，在打印的对象中，它会给激光调制器发出一个输出信号。

一个更便宜的选择将是使用步进电机，而非使用具有转速计输出或霍尔效应反馈的无刷直流(bldc)电机。这将排除我们讨论过的一种传感器bldc的电机驱动器，它可以检测电机的转速并控制其速度。步进电机也将排除对索引定位器的需求。

在图16中环形反射面构件131的中心处有一个轴承136，它从空心轴138穿过，并且第一反射镜106E以一定角度安装在其端部，如图17所示。轴承136促进空心轴138的旋转。第一镜面齿轮138A与电机齿轮137啮合，并与空心轴138A相连接，电机齿轮137连接到电机108的轴上，如图16所示。当电机108的运行时通过啮合齿轮137和138A旋转中空轴138A。第一反射镜106E与空心轴138A一起旋转，聚焦光束107A进入空心轴138，并撞击旋转光束107A，旋转的第一反射镜106E，并将其反射到倾斜的环形反射面132，反射聚焦光束107A向下到工作面113，如图6所示，体现其可完全实现360°打印。

在图18显示环形反射面构件131在其中心处的轴承136穿过空心轴138、并且第一反射镜106E以一定角度安装在其端部，如图19所示。轴承136促进空心轴138的转动。第一反射镜齿轮138A与电机齿轮137啮合，并与空心轴138A连接。电机齿轮137连接到电机108的轴上，如图18所示。电机108运行时通过啮合齿轮137和138A以旋转空心轴138A。第一反射镜106E与中空轴138A一起旋转，聚焦光束107A进入中空轴138，并撞击旋转光束107A，旋转的第一反射镜106E，并将其反射到棱镜壁134，穿过棱镜壁134反射棱镜壁135，棱镜壁135将聚焦光束107A向下反射向工作表面113，体现其可完全实现360°打印。

图20类似于图11，体现成功实现360°扫描，并且其中第二反射镜为锥形棱镜，其107A被反射到反射镜106E，并进一步通过棱镜壁134反射到棱镜壁135，进一步反射到底部的棱镜壁139。

可使用镜子、棱镜、晶体和其他反射元件作为反射镜，它也可以安装在空气动力元件壳内组合使用，以促进旋转并使空气流过反射器。举例为盘形外壳。

尽管已经将本发明有关的特定实例进行了列示和描述。但是，显然在阅读和理解了本说明书之后，将会有本领域技术人员将想到等同技术和进行改型等现象的发生。而本发明包括所有这些相同、类似和改型。

Claims

1.光束导向器，包括：

可转动的第一反射镜，配置为沿着第一反射镜的转动轴线接收来自光束源的光束；

转动第一反射器旋转轴的致动器，借以第一反射镜的旋转光束，并以恒定角度将光束反射到第一旋转轴线，第二反射镜始终面对第一反射镜，并配置为以恒定角度向工作面反射光束；

由此，当光束被激活并且致动器旋转第一反射镜时，光束射向旋转的第一反射镜，并在旋转过程中将光束反射到第二反射镜，进而将光束反射到工作面，光束随即沿着相对于工作面的曲线路径，并且在工作面上绘出弧线。

2.如权利要求1中所述的光束导向器，还包括由距离调节器来调节第一和第二反射器之间的径向距离，促使光束沿着相对于工作面的可调节半径的曲线路径，并在工作面上绘出可调节半径。

3.如权利要求1所述的光束导向器，第二反射镜由旋转平稳、倾斜、环形反射面、围绕第一反射镜、第二反射镜与第一反射镜的转动形成一个角度组成；其环形反射表面具有大、小直径，大直径指向工作面；

当光束被激活，致动器带动第一反射镜转动时，光束撞击转动的第一反射镜，并在旋转过程中将光束反射到第二反射镜的环形反射面，进而将光束反射到工作面。

4.如权利要求1所述的光束导向器，第二反射镜包括平稳旋转的锥形内表面、环绕第一反射镜并与第一反射镜的转动轴线相同的纵轴、朝向工作面的锥形内表面的较大直径，设置为将来自第一反射镜的光束反射至工作面；

第二反射镜相对于第一反射镜可垂直调节；由于第二反射镜的内表面呈圆锥形状，光束从第一反射镜到第二反射镜的行进距离可以调整，使得光束沿着相对于工作面的曲线路径，并在工作面上绘出可调半径的曲线。

5.如权利要求1所述的光束导向器，其第二反射器配置为通过致动器带动第一个反射器的转动轴而环绕转动。

6.如权利要求5所述的光束导向器还包括可围绕旋转轴转动的圆盘，用于支撑第一和第二反射镜。

7.如权利要求6所述的光束引导器，还包括安装在转盘上的径向滑动元件，用于调节第一和第二反射镜之间的径向距离。

8.如权利要求1所述的光束导向器，第二反射镜配置成将来自第一反射镜的光束平行反射到第一反射镜的转动轴，并垂直反射到工作面。

9.如权利要求5所述的光束导向器，还包括可围绕转动轴旋转的转动臂，用于支撑第一和第二反射镜。

10.如权利要求9所述的光束导向器，还包括用于稳定第一和第二反射镜的稳定臂。

11.如权利要求1所述的束引导器，还包括合围第一和第二反射镜的空气动力壳体，以控制气流。

12.如权利要求1所述的束导向器，还包括一个用于3-D打印机的打印头。

13.一种利用光束导向器将光束引导向工作面的方法，包括：

产生光束的光束源；

一个带动第一反射镜的转动轴转动的致动器；

沿着第一反射镜的旋转轴，将光束导向第一反射镜；

当第一反射镜旋转时，使第二反射镜以恒定角度始终面向第一反射镜；

第一反射器的光束以一个固定的角度反射到第二个反射器的转动轴；

将第二反射镜的光束向工作面方向反射，以便当光束被激活并且致动器旋转第一反射镜时，光束射向旋转的第一反射镜，旋转中将光束并反射到第二反射镜，第二反射镜以恒定的角度将光束反射到工作面；然后光束沿着相对于工作面的曲线路径并在工作面上绘出弧形。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括调整第一与第二反射镜之间的距离，以使光束沿着相对于工作面的可调节半径的曲线路径，并在工作面上绘出可调半径的弧线。

15.如权利要求13所述的方法，第二反射镜包括环绕第一反射镜的环形倾斜反射面；平稳地旋转并具有与第一反射镜的旋转轴线相同的中心轴线；其中环形反射面包括大、小直径，大直径指向工作表面；以便当光束被激活并且致动器转动第一反射镜时；垂直光束照射旋转的第一反射镜，并将光束反射到第二反射镜的环形反射表面，再反射到工作表面；光束随即沿着相对于工作表面的曲线路径，并在工作面上绘出弧线。

16.如权利要求13所述的方法，其中第二反射镜为锥形，它环绕第一反射镜以及包括与第一反射镜的旋转轴线相同的纵向轴线；第二反射镜平稳地转动；第二反射镜的较大直径指向工作表面；其方法还包括调整第一和第二反射镜之间的距离，以便第二反射镜利用其圆锥形状调整光束从第一反射镜行进到第二反射镜的距离；由此光束循着相对于工作表面的可调整半径的曲线路径，并在工作面上绘出可调半径的弧线。

17.如权利要求13所述的方法，还包括当第一个反射镜旋转时，围绕第一个反射镜的转动轴转动第二个反射镜。

18.如权利要求13所述的方法，进一步还包括利用光束导管将光束传送到光束导向器。

19.如权利要求13所述的方法，其中第二反射镜平行地将光束反射到第一反射镜的旋转轴，且垂直反射到工作表面。

20.如权利要求17所述的方法，还包括旋转一个转动臂，以支撑在旋转轴周围的第一和第二反射器。

21.如权利要求20所述的方法，还包括通过将稳定元件附接到转动臂，以稳定第一和第二反射镜的旋转。

22.如权利要求13所述的方法，还包括将第一和第二反射镜放置在空气动外壳中，以控制气流。

23.如权利要求13所述的方法，还包括将光束导向器作为3-D打印机的打印头。