CN109963682B - 采用改进光学系统的光束定向器 - Google Patents

采用改进光学系统的光束定向器 Download PDF

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Abstract

一种用于3D打印机的光束定向器，包括绕其纵轴旋转的、用于将光束重新定向到第二反射镜上的第一反射镜，然后再定向到工作面上，这可能导致光束呈现扭曲的椭圆形状。光束校正器，例如透镜或反射面，用于确保光束在第一方向和第二垂直方向上具有相同的尺寸。

Description

采用改进光学系统的光束定向器
相关申请
本申请要求2016年11月3日在美国提交的、并已引入本文当中的专利申请61/416,763的优先权。
技术领域
本发明涉及一种光束定向器，尤其是用于3D打印机的光束定向器，其包括第一旋转反射镜和第二旋转圆锥形反射镜。
背景技术
用于3D打印机的光束定向器，例如美国专利9,435,998中公开的、并已引入本文当中的光束定向器，包括绕其纵轴旋转的第一反射镜，其反射面与纵轴成锐角。因此，沿着纵轴发出的光束可以重新定向到第二反射镜，然后再定向到通常垂直于纵轴的工作面。
第二反射镜可采用旋转平面反射镜或固定弧形反射镜，用于沿工作面上的直线或曲线路径反射光束。
小写字母x、y和z表示局部束流坐标：
在本申请中，我们定义了一个以小写字母x、y和z代表的坐标系，该坐标系是光束的局部直角坐标。小写字母z表示光束的方向，而x和y表示光束的尺寸。因此，对小写字母x、y或z轴的任何引用都将提及光束的局部坐标。
大写字母X、Y和Z表示图2、3、4、5、6、9和10所示的全局系统坐标。
参考图1，上述光束定向器的一个实例，其包括致动器108带动旋转的第一反射器106E，并将光束107A反射到基于典型圆锥截面的第二圆锥形反射镜131。第二圆锥形反射镜131的反射面132将光束107A以90°左右的角度重新定向到工作面上。光束107A撞击圆锥形反射面132后，考虑到准直光束(a col l imated beam)源107A的影响，光束特性将发生如下变化：
光束将继续沿Z方向移动(90°移动)；由45°圆锥引起。
当光束源3准直时，光束x分量3B将不再平行于Z方向，因为圆锥形曲线将根据图4所示的偏离规则聚焦x分量。
沿132半径的圆锥形曲线将在x轴上增加与圆锥形反射镜132半径成比例的光学偏离。例如，该圆锥形曲线仅在x轴上添加一个靠近工作面的焦点，从而使来自圆锥形反射镜132的偏离光束107A在x轴和y轴上具有不同的焦点。这个结果是不理想的：理想的结果是x轴和y轴上的准直光束或对焦光束；明确来说，如图4所示，如果光束3是直径为D的圆形准直光束，其最初从光源发出，则经过圆锥形反射镜132产生的光束将呈现扭曲的椭圆形状：x轴上的光束尺寸Dx将小于y轴上的光束尺寸Dy，(11)到达焦点前后，随着光束3B的继续移动，光束3B的x尺寸将扩大。光束尺寸分量11如图4所示，其中x和y分量尺寸分别为Dx和Dy。
因此，本发明的一个目的是通过提供校正元件来解决处理现有技术的光学分量，所述光束入射到工作面时，其在第一和第二方向上具有相同的尺寸，或光束撞击工作面时保持第一和第二方向之间的比例时，其在第一和第二方向上具有相同的尺寸。
发明内容
本发明涉及一种光束定向器，其包括：
可旋转的第一反射镜，其可绕纵轴旋转以接收来自沿着纵轴的光束源发出的光束，所述第一反射镜包括与纵轴成锐角的反射面以反射光束；
致动器，用于绕纵轴旋转第一反射镜，由此使得第一反射镜旋转并以与纵轴成恒定角度反射光束；
由致动器带动旋转的第二圆锥形反射镜，并当第一反射镜旋转时，围绕第一反射镜的纵轴旋转；始终与第一反射镜成恒定的角度；第二反射镜还被配置成以恒定的角度将光束反射到工作面；
由此当光束被激活并且致动器旋转第一和第二反射镜时，光束撞击旋转的第一反射镜，所述第一反射镜旋转光束并将光束反射到第二反射镜，再由第二反射镜反射光束到工作面；然后，光束沿着相对于工作面的曲线路径，在工作面上描绘出一条弧线。
附图说明
图1是光束定向系统的等距视图；
图2是带有打印头的光束定向系统的简化视图；
图3是光束定向系统的二维图；
图4是显示光束直径变化的光束定向系统图；
图5是带有校正圆柱透镜的光束定向系统图；
图6是当第二反射镜为圆锥体时的光束跟踪模拟图；
图7是准直光束，由两条正交直线组成，分别由x0和y0表示，并显示其对称性；
图8显示在失去对称的工作区上的光束结构。在此工作区上，y进入焦点时会失去平行；
图9是改进的第二反射镜，以匹配x/y曲率；
图10是用第二反射镜校正最终光束的光束跟踪模拟图；以及
图11是准直光束，由两条正交直线组成，分别由x0和y0表示，并显示其对称性。
具体实施方式
参考图2、3和6，准直光束3从光源发出，例如激光(x0、y0)，图7中的两条正交直线表示光束的圆形结构，定向到旋转反射镜4，如图2、3所示。旋转反射镜4在致动器5带动下绕纵轴旋转。光束3由光源沿纵轴发出，并将被与纵轴成锐角的反射面进行重新定向，例如，旋转反射镜4到圆锥形反射镜2的45°。圆锥形反射镜2再次将光束3定向到工作区1。圆锥形反射镜2只需是完整360°圆锥体的一部分，例如小于90°、小于45°、介于5°和30°之间。运用美国专利9435998中所示的任一实例或任何其他适当方式，可相对于第一反射镜4安装第二圆锥形反射镜2并与第一反射镜4一同旋转。同样，本发明的光束定向器可以安装在任何3D打印机定位系统中，包括US 9435998中公开的系统。
对于标准圆锥形反射镜2，离开圆锥形反射镜2的光束3将由于x轴和y轴之间的焦距差异而变得扭曲。因此，撞击工作区1时，从光源3发射的圆形光束将变成一个扭曲的椭圆形状，由(xfinal，yfinal)表示，如图6、7和8所示。
这种扭曲是图4所示的x轴上圆锥形反射镜2的曲面引起的。曲面的曲率是1/R，其中R是圆锥形反射镜2的曲率半径。事实上，圆锥形反射镜2是焦距为R的聚焦反射镜。这意味着，如果工作区1与圆锥形反射镜2的距离为R，则光束3的y特性将保持准直，而x特性将聚焦，形成类似椭圆形的光束3B。图8显示了光束3B的形状，其在光束的x尺寸缩小的地方聚集，而光束在y方向保持准直。请注意：将工作区1精确定位在与圆锥形反射镜2距离为R的地方，在中心会出现一条高密度窄线。
图6进行了光束跟踪模拟，其中第二反射镜呈圆锥形状。图7显示圆形且对称的光束源3，而图8显示工作面测量的扭曲结果。简言之，偏离第二反射镜2之后，x尺寸的原始准直光束3没有保持准直。
解决方案：
方法一：
在光源和工作面1之间，最好在光源和第一反射镜4之间添加一个圆柱形透镜12，以在y方向校正光束3，使其与工作区1的x分量匹配。如图5所示。应计算透镜的位置和焦点，以确保其准确，即在工作区1聚集光束3y分量。
例如：
R＝100毫米时
到工作区的距离(7)＝100毫米；这也是x分量的焦距fx。我们应该选择一个焦点透镜超过200毫米的圆柱形透镜。我们可以选择f＝250毫米的圆柱形透镜，并将其标记为fy。现在，将圆柱形透镜定位在与旋转反射镜4相距50毫米的地方可有效解决问题，其中fx和fy将在工作区。
方法二：
在该方法中，x尺寸将在撞击第二反射镜之前发散。当扩展光束3B撞击第二反射镜时，其将被校正回准直光束。
在光源和工作面1之间(最好在光源和第一反射镜4之间)添加一个发散圆柱形透镜12，以发散光束3的x尺寸，并在x尺寸上产生一个发散的3A光束。从第一反射镜4反射后，当撞击第二反射镜时，光束3B将继续发散。第二反射镜2将汇聚发散的光束。汇集速度由第二反射镜(R)的焦点决定，而初始发散速度由圆柱形透镜决定。类似于方法一，可以计算发散率以在工作面上得到对称光束。
方法三：
圆锥曲线：
圆锥曲线是满足二次代数式(见光学系统设计，Robert E.Fischer第二版，第七章，第117页)的数学曲线(抛物线、双曲线、圆等)。几何上，它们相当于圆锥与平面的交点，因此得名。当圆锥曲线绕轴旋转时，会绘出一个三维面(抛物面、双曲面、球面或椭球面)。这种三维面在光学中非常有用，由下列顶点原点直角坐标方程定义：
Figure BDA0002048949960000051
其中：r2＝x2+y2
其中：
C：坐标原点处的曲面曲率；1/radius(半径)
r(radius)：z轴到曲面的距离
Asph：非球面性，偏离球面轮廓，非球面性＝形状-1
使用本方法中的圆锥曲线方程，通过向y面提供与x曲率匹配的曲率，在x方向上修改圆锥形反射镜2的反射面。通过选择曲面坡度/导数45°或135°来实现90°的偏离。
为了方便起见，我们采用了135°，本发明允许范围更广的偏离角度。
(1)
Figure BDA0002048949960000052
(2)r2＝x2+y2
(3)z'(r)＝-1
(4)
Figure BDA0002048949960000053
(3)(4)C2r2＝1-C2(Asph+1)r2
(3)(4)Asph＝1/C2r2-2
选择旋转反射镜2与第二反射镜5之间的工作距离
(5)r＝R
(5)(3)(4)Asph(C)＝1/C2R2-2
(6)Asph(C)＝1/C2R2-2
C＝1/R时，将得到Asph＝-1，即抛物面。
当光束3到达工作面3C时，上述规格可提供一个正确的解决方案。
当光束在圆锥截线上循环时，将满足反射镜2在光束3A循环时偏离光束的要求。通过选择曲面坡度/导数(导数为1或-1)45°或135°来实现90°的偏离。
举例来说，我们使用R＝125毫米->曲率＝0.008，而Asph＝-1，见图9。曲率为1/Radius(半径)。在图9中，R与XY平面平行。在这个例子中，我们将它垂直于ZY平面放置，因为这样可以更容易地进行直角坐标计算。
与图6、7和8相比较，可以清晰地看到反射面1(由xfinal和yfinal表示)上光束3的位置和如图11所示的漂亮的圆形光束。
实现相同的匹配曲率是其中一种方法。但是，当光束源3呈现椭圆形时，如许多激光二极管一样，也可以选择y曲率的其他值。
扫描系统进一步改进为：
-移除透镜，因为圆锥形反射镜2本身也是聚焦透镜。
-移除或减少透镜数量也可以减少像差。
-移除或减少透镜数量可以减少系统调整次数。
同样，Z(r)曲线方程也可以用多项式系数表示，以满足所施加的条件：
Figure BDA0002048949960000061
此外/或者，我们只能在施加所需规格的同时，使用多项式来完整定义反射面。
z(r)＝A0r0+A1r1+A2r2+A3r3+…+Airj
没有曲率或非球面性，在诸如施密特校正板等多项式光学中，多项式发挥其固有的作用。更常见的是，多项式与曲率和非球面性相结合，对反射面进行小幅度的高阶校正。通常，前几个偶数系数就足以作为A2、A4和A6，因为大多数光学反射面非常接近圆锥形非球面性轮廓。
Figure BDA0002048949960000071
方法四：
圆锥形反射镜2的反射面，满足任何尺寸的光束和工作半径的要求。该反射面可显示为一个具有多个反射面切片的组合。如果每个切片“i”都有自己的“Ri”，我们就用非球面方程来表示每个切片及其参数。现在，C是C(Ri)，因为C取决于R。
对于Z(r)方程，其中C是曲率，定义为C(R(r))。C是一个变量，其取决于r，而r取决于到原点z的工作距离。
定义这种反射面的一种方法是将多个R点设置到电子表格中，并使用圆锥形曲面方程创建切片计算C的结果。
现在通过设置Asph＝-1和C＝1/ri对非球面方程进行简化，其中ri是工作距离(光束偏移的位置)：
Figure BDA0002048949960000072
)
设置C(ri)＝1/ri
Figure BDA0002048949960000073
)
z(ri)＝ri/2
现在，对于每个ri，我们计算它的反射面切片z。
同样，我们可以使用多项式的进一步校正来定义反射面，其中我们通过为R设置多个点，来计算多项式系数。
Figure BDA0002048949960000074
由于单个元件执行两个功能，将焦距特性合并到反射镜4中将提高系统的像差和校准。

Claims (12)

1.光束定向器， 包括：
可旋转的第一反射镜，其可绕纵轴旋转以接收来自沿着所述纵轴的光束源发出的光束，所述第一反射镜包括与所述纵轴成锐角的反射面以反射光束；
致动器，用于绕所述纵轴旋转所述第一反射镜，由此使得所述第一反射镜旋转并以与所述纵轴成恒定角度反射光束；
第二环形反射镜，当所述第一反射镜旋转时，其围绕所述第一反射镜的所述纵轴并配置成以恒定的角度将光束反射到工作面；
光束校正器，用于确保光束在第一方向和第二垂直方向上具有相同的尺寸；
由此当光束被激活并且所述致动器旋转所述第一反射镜时，光束撞击转动的、旋转光束并将光束反射到所述第二反射镜的所述第一反射镜，之后所述第二反射镜将光束反射到所述工作面；以及
其中所述光束校正器包括在所述第二环形反射镜上的反射面，所述反射面在第一(x)方向上具有与第二(y)垂直方向上匹配的曲率，由此，所述光束入射到所述工作面时在所述第一方向和所述第二方向上具有相同的尺寸。
2.根据权利要求1所述的光束定向器，其中所述第二反射镜反射来自所述第一反射镜的光束，所述第一反射镜平行于其纵轴并且垂直于所述工作面。
3.用于3D打印机的打印头，包括权利要求1所述的光束定向器。
4.光束定向器， 包括：
可旋转的第一反射镜，其可绕纵轴旋转以接收来自沿着所述纵轴的光束源发出的光束，所述第一反射镜包括与所述纵轴成锐角的反射面以反射光束；
致动器，用于绕所述纵轴旋转所述第一反射镜，由此使得所述第一反射镜旋转并以与所述纵轴成恒定角度反射光束；
第二环形反射镜，当所述第一反射镜旋转时，其围绕所述第一反射镜的所述纵轴并配置成以恒定的角度将光束反射到工作面；
光束校正器，用于确保光束在第一方向和第二垂直方向上具有相同的尺寸；
由此当光束被激活并且所述致动器旋转所述第一反射镜时，光束撞击转动的、旋转光束并将光束反射到所述第二反射镜的所述第一反射镜，之后所述第二反射镜将光束反射到所述工作面；
其中所述第二环形反射镜将光束聚焦在第二方向，而非第一方向；以及
其中所述光束校正器包括用于在所述第二方向上扩展光束的圆柱透镜，由此当所述光束入射到所述工作面时在所述第一方向和所述第二方向上具有相同的尺寸。
5.根据权利要求4所述的光束定向器，其中所述第二反射镜反射来自所述第一反射镜的光束，所述第一反射镜平行于其纵轴并且垂直于所述工作面。
6.用于3D打印机的打印头，包括权利要求4所述的光束定向器。
7.光束定向器， 包括：
可旋转的第一反射镜，其可绕纵轴旋转以接收来自沿着所述纵轴的光束源发出的光束，所述第一反射镜包括与所述纵轴成锐角的反射面以反射光束；
致动器，用于绕所述纵轴旋转所述第一反射镜，由此使得所述第一反射镜旋转并以与所述纵轴成恒定角度反射光束；
第二环形反射镜，当所述第一反射镜旋转时，其围绕所述第一反射镜的所述纵轴并配置成以恒定的角度将光束反射到工作面；
光束校正器，用于确保光束在第一方向和第二垂直方向上具有相同的尺寸；
由此当光束被激活并且所述致动器旋转所述第一反射镜时，光束撞击转动的、旋转光束并将光束反射到所述第二反射镜的所述第一反射镜，之后所述第二反射镜将光束反射到所述工作面；
其中所述第二环形反射镜将光束聚焦在第二方向，而非第一方向；以及
其中所述光束校正器包括用于将光束聚焦在第一方向上的圆柱透镜，由此当所述光束入射到所述工作面时在所述第一方向和所述第二方向上具有相同的尺寸。
8.根据权利要求7所述的光束定向器，其中所述第二反射镜反射来自所述第一反射镜的光束，所述第一反射镜平行于其纵轴并且垂直于所述工作面。
9.用于3D打印机的打印头，包括权利要求7所述的光束定向器。
10.用光束定向器将光束定向到工作面的方法，所述方法包括：
通过光束源产生光束；
通过致动器围绕纵向旋转轴旋转第一反射镜；
沿着所述第一反射镜的所述纵向旋转轴将光束导向所述第一反射镜；
当所述第一反射镜旋转时，设置第二环形反射镜，所述第二环形反射镜以恒定角度始终面向第一反射镜；
通过所述第一反射镜与所述纵向旋转轴成恒定角度向所述第二反射镜反射光束；
用所述第二反射镜向工作面反射光束；
校正光束，确保光束在第一方向和第二垂直方向上具有相同的尺寸；
由此当光束被激活并且所述致动器旋转所述第一反射镜和所述第二反射镜时，光束撞击旋转的所述第一反射镜，所述第一反射镜旋转光束并将光束反射到所述第二反射镜，再由所述第二反射镜将光束反射到所述工作面；然后，光束沿着相对于所述工作面的曲线路径，在所述工作面上描绘出一条弧线；
其中所述第二环形反射镜具有反射面，所述反射面在第一(x)方向和第二(y)垂直方向上具有相同的曲率，由此当所述光束入射到所述工作面时在所述第一方向和所述第二方向上具有相同的尺寸。
11.用光束定向器将光束定向到工作面的方法，所述方法包括：
通过光束源产生光束；
通过致动器围绕纵向旋转轴旋转第一反射镜；
沿着所述第一反射镜的所述纵向旋转轴将光束导向所述第一反射镜；
当所述第一反射镜旋转时，设置第二环形反射镜，所述第二环形反射镜以恒定角度始终面向第一反射镜；
通过所述第一反射镜与所述纵向旋转轴成恒定角度向所述第二反射镜反射光束；
用所述第二反射镜向工作面反射光束；
校正光束，确保光束在第一方向和第二垂直方向上具有相同的尺寸；
由此当光束被激活并且所述致动器旋转所述第一反射镜和所述第二反射镜时，光束撞击旋转的所述第一反射镜，所述第一反射镜旋转光束并将光束反射到所述第二反射镜，再由所述第二反射镜将光束反射到所述工作面；然后，光束沿着相对于所述工作面的曲线路径，在所述工作面上描绘出一条弧线；
其中所述第二环形反射镜将光束聚焦在第二方向，而非第一方向；还包括用圆柱透镜在所述第二方向上扩展光束，由此当所述光束入射到所述工作面时在所述第一方向和所述第二方向上具有相同的尺寸。
12.用光束定向器将光束定向到工作面的方法，所述方法包括：
通过光束源产生光束；
通过致动器围绕纵向旋转轴旋转第一反射镜；
沿着所述第一反射镜的所述纵向旋转轴将光束导向所述第一反射镜；
当所述第一反射镜旋转时，设置第二环形反射镜，所述第二环形反射镜以恒定角度始终面向第一反射镜；
通过所述第一反射镜与所述纵向旋转轴成恒定角度向所述第二反射镜反射光束；
用所述第二反射镜向工作面反射光束；
校正光束，确保光束在第一方向和第二垂直方向上具有相同的尺寸；
由此当光束被激活并且所述致动器旋转所述第一反射镜和所述第二反射镜时，光束撞击旋转的所述第一反射镜，所述第一反射镜旋转光束并将光束反射到所述第二反射镜，再由所述第二反射镜将光束反射到所述工作面；然后，光束沿着相对于所述工作面的曲线路径，在所述工作面上描绘出一条弧线；
其中所述第二环形反射镜将光束聚焦在第二方向，而非第一方向；还包括用圆柱透镜将光束聚焦在所述第一方向，由此当所述光束入射到所述工作面时在所述第一方向和所述第二方向上具有相同的尺寸。
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