CN112034616B - 用于可扩展低能激光超高速扫描的可变透镜及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于可扩展低能激光超高速扫描的可变透镜及应用，所述可变透镜包括陶瓷基片以及设置于陶瓷基片上的导线和多个电极单元，每一电极单元对应一透镜单元，导线包括高电平导线和低电平导线，每个电极单元包括两副电极，其中一副为固定极性电极，另一副为可变极性电极，固定极性电极的正电极与高电平导线连接，负电极与低电平导线连接，可变极性电极的两个电极通过开关模块均与高电平导线和低电平导线连接，开关模块通过多级时序控制方式改变与高电平导线或低电平导线的连接状态。与现有技术相比，本发明具有有效提高扫描速率、无需进行畸变矫正等优点。

Description

用于可扩展低能激光超高速扫描的可变透镜及应用
技术领域
本发明涉及激光超高速扫描技术领域，尤其是涉及一种用于可扩展低能激光超高速扫描的可变透镜及应用。
背景技术
目前，由于激光切割、激光焊接、激光3D打印技术的发展，激光超高速扫描的需求越来越高，各种超高速扫描模块也逐步推出。
目前超高速振镜主要包括：
1、MEMS微振镜(单枚成一套子系统)，其水平方向频率可达20000Hz，是常规SLM的振镜系统的200倍(目前用于SLM的振镜系统，最大频率也就在100Hz的级别)，垂直方向可达1000Hz。MEMS微振镜具有水平方向很高的频率，但竖直方向不理想。
2、共振式振镜，共振式振镜的频率可达10000Hz。共振式振镜的扫描速率低于MEMS微振镜，而且它只有单轴进行工作。
此外，这两种振镜依然属于转角振镜，光的传播角度会实时改变。这会存在以下不足：首先，在扫描过程中会出现畸变效应，第二，如果要对其进行光路拓展将需要很多辅助措施。另外，其扫描频率也都止步于10KHz级，为了更好地匹配现在的超高速激光系统以实现更多的加工，扫描频率(扫描速率)应进一步提升。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于可扩展低能激光超高速扫描的可变透镜及应用，有效提高扫描速率，且无需进行畸变矫正。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于可扩展低能激光超高速扫描的可变透镜，包括陶瓷基片以及设置于所述陶瓷基片上的导线和多个电极单元，每一电极单元对应一透镜单元，所述导线包括高电平导线和低电平导线，每个所述电极单元包括两副电极，其中一副为固定极性电极，另一副为可变极性电极，所述固定极性电极的正电极与高电平导线连接，负电极与低电平导线连接，所述可变极性电极的两个电极通过开关模块均与高电平导线和低电平导线连接，所述开关模块通过多级时序控制方式改变与高电平导线或低电平导线的连接状态。
进一步地，所述开关模块为MOS开关三级管。
进一步地，所述开关模块通过两级时序控制方式控制，以实现寻址功能。
进一步地，两级时序控制方式下，所述开关模块依次连接1级时序控制模块、2级时序控制模块和解码器，所述1级时序控制模块的个数与开关模块个数相同，若干个1级时序控制模块与一2级时序控制模块连接，多个所述2级时序控制模块连接解码器的输出端，对所有1级时序控制模块进行分量控制。通过这样的设置，可以以最少的时序实现海量开关模块的控制。
进一步地，在一个扫描周期内，所述解码器将一条包含有所有开关模块打开状态及顺序的总命令分解为多条2级时序控制命令，一个2级时序控制模块对应接收一条2级时序控制命令，每个2级时序控制模块将接收的2级时序控制命令分解为多条1级时序控制命令，每一条1级时序控制命令对应发送至一个1级时序控制模块，各1级时序控制模块根据接收到的若干条1级时序控制命令控制所述开关模块。
进一步地，所述2级时序控制模块通过IO-pin方式连接解码器。
进一步地，所述陶瓷基片为PLZT透明陶瓷基片。
进一步地，所述导线和电极单元通过沉积-光刻方式成形于陶瓷基片上。
本发明还提供一种激光超高速扫描装置，包括所述的可变透镜。
进一步地，该装置的扫描频率达GHz级。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明设置可变极性电极，将按照要求的顺序打开或关闭可变透镜中的各透镜单元，实现将面平行光分割成阵列小点光，这样就相当于小点光按规定路径的扫描，不仅能实现等效单点光的扫描方式(每个扫描周期内，所有阵列单元分布打开，即时序脉冲相位都不一致)，还能实现等效的多激光扫描(部分阵列单元同时打开，即时序脉冲相位部分一致)，功能完善。
2、本发明基于时序控制方式实现对各透镜单元的开关状态控制，由于目前的计算机处理器主频已经达到GHz级，因此等效的扫描频率按单脉冲＝处理器的主频估算，因此，本发明可实现双向高达MHz～GHz级低能激光的超高速扫描。
3、本发明在使用时，光束传播不会改变角度，因而不存在畸变问题和入射角改变问题，便于光路拓展成高功率扫描激光系统及无需畸变矫正。
附图说明
图1为本发明的可变透镜的示意图；
图2为本发明电极单元开关态示意图；
图3为本发明1级时序控制模块的连接示意图；
图4为本发明2级时序控制模块的连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提供一种用于可扩展低能激光超高速扫描的可变透镜，包括陶瓷基片以及设置于陶瓷基片上的导线和多个电极单元，如图1所示，每一电极单元对应一透镜单元，导线包括高电平导线和低电平导线，每个电极单元包括两副电极，其中一副为固定极性电极，另一副为可变极性电极，固定极性电极的正电极与高电平导线连接，负电极与低电平导线连接，可变极性电极的两个电极通过开关模块均与高电平导线和低电平导线连接，开关模块通过多级时序控制方式改变与高电平导线或低电平导线的连接状态。
如图2所示，电极单元的两副电极中，若同侧电极极性同号，且上+下－，则单元呈现开态，光可以通过；若同侧电极极性异号时，单元呈现关态，光只可微量通过。
通过本发明的多级时序控制方式，不仅能实现等效单点光的扫描方式(每个扫描周期内，所有阵列单元分布打开，即时序脉冲相位都不一致)，还能实现等效的多激光扫描(部分阵列单元同时打开，即时序脉冲相位部分一致)。本发明通过多级时序控制实现信号依次输入，按要求顺序打开各透镜单元。本发明设计的可变透镜可实现双向高达MHz～GHz级低能激光的超高速扫描，并且，光束传播不会改变角度，因而不存在畸变问题和入射角改变问题，便于光路拓展成高功率扫描激光系统及无需畸变矫正。开关模块的核心为MOS开关三级管。
实施例1
本实施例中，开关模块通过两级时序控制方式控制。如图3和图4所示，两级时序控制方式下，开关模块依次连接1级时序控制模块、2级时序控制模块和解码器，1级时序控制模块的个数与开关模块个数相同，若干个1级时序控制模块与一2级时序控制模块连接，多个2级时序控制模块连接解码器的输出端，对所有1级时序控制模块进行分量控制。在一个扫描周期内，控制端发送一条扫描指令编码后发给解码器，解码器将一条包含有所有开关模块打开状态及顺序的总命令分解为多条2级时序控制命令，一个2级时序控制模块对应接收一条2级时序控制命令，每个2级时序控制模块将接收的2级时序控制命令分解为多条1级时序控制命令，形成对应分量，每一条1级时序控制命令对应发送至一个1级时序控制模块，各1级时序控制模块根据接收到的若干条1级时序控制命令(各分量)控制开关模块。
通过两级时序控制方式有效减少端口数。比如一个二位数(就是有i1(个位)和i2(十位))，可以表示00-99 100个地址数。用了2级方法后就变成：第1级是确定寻址命令的数是个位还是十位；第2级的作用是确定了数位后，这个数位的数字是多少。这样只要各位10个端口和十位10个端口，总共20个端口即可搞定，而不需要设100个端口了。举例说明如下：在100个地址中选出49这个数，如果采用1级选址，那必须要有100个接口，找到第49个；如果采用二级寻址，那寻址编程2部分：1级先是输入十位是4，2级是个位是9，这样就起到了49这个数字的目的；这样设置后，0-99中表示49就只要十位0-9和各位0-9总共个20个码位即可表示，只有1级的1/5的码位。
如图4所示，每个MOS开关三级管的“使能端”前接一个1级时序控制模块，1级时序控制模块与使能总线连接，每个1级时序控制模块由N个2级时序控制模块(相当于Ai1 i2……iN的N维数组，i1max、i2max、……、iNmax为每个1级时序控制模块对应的2级时序控制模块的个数，该N维数组可理解为N个数位，但是每个数位里的数不仅只有0-9十个，可以是100个、1000个等等)进行分量控制，2级时序控制模块引出N个时序控制IO-pin连接前端专用解码器，2级时序控制模块和1级时序控制模块均与通信总线连接。这样，通过一套编码规则，N个时序控制IO-pin即可控制M＝i1max×i2max×……×iNmax个MOS开关，实现M/2个可变电极或M/4个模块的控制。这种2级的控制的方式，可以大大减少分配量，实现高速化。
比如有2个二级时序模块(即就是行列式)，每个二级时序模块都可以发送“0～9”10个数，那么就可以控制a00～a99总共10^2总共100个。上述a00～a99，如为1级，需要100端分配，而采用2级，且有2个二级模块，就变成了20段；如果有100000个元件，采用2级，且有5个二级模块，就变成了10×5＝50段。
本实施例中，优选的控制方式的计算方法(即最少的分配段函数)为：1级时序模块总数，即MOS开关管总数为x1个，这里i1max＝i2max＝……＝iNmax，设2级时序模块数为x个，分配段二元函数Y＝x2*(x1)^(1/x2)在x1、x2为自然数的情况下取最小值即为优选的分配方法和分配数。
本实施例中，陶瓷基片为PLZT透明陶瓷基片。导线和电极单元通过沉积-光刻方式成形于陶瓷基片上。
实施例2
本实施例扩展采用N级时序控制方式。本实施例分配数的优选计算方法采用YN＝xN*(YN-1)^(1/xN)的N元函数最小值，且Y1＝x1。通过上述YN递推式可以求到最佳的时序模块级数。
实施例3
本实施例提供一种激光超高速扫描装置，包括如实施例1所述的可变透镜。由于目前的家用计算机处理器主频已经达到GHz级，因此该扫描装置等效的扫描频率按单脉冲＝处理器的主频估算，最高也可达GHz级。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由本发明所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于可扩展低能激光超高速扫描的可变透镜，其特征在于，包括陶瓷基片以及设置于所述陶瓷基片上的导线和多个电极单元，每一电极单元对应一透镜单元，所述导线包括高电平导线和低电平导线，每个所述电极单元包括两副电极，其中一副为固定极性电极，另一副为可变极性电极，所述固定极性电极的正电极与高电平导线连接，负电极与低电平导线连接，所述可变极性电极的两个电极通过开关模块均与高电平导线和低电平导线连接，所述开关模块通过多级时序控制方式改变与高电平导线或低电平导线的连接状态，按照要求的顺序打开或关闭可变透镜中的各透镜单元，实现将面平行光分割成阵列小点光，所述超高速扫描的扫描频率达GHz级。
2.根据权利要求1所述的用于可扩展低能激光超高速扫描的可变透镜，其特征在于，所述开关模块为MOS开关三级管。
3.根据权利要求1所述的用于可扩展低能激光超高速扫描的可变透镜，其特征在于，所述开关模块通过两级时序控制方式控制。
4.根据权利要求3所述的用于可扩展低能激光超高速扫描的可变透镜，其特征在于，两级时序控制方式下，所述开关模块依次连接1级时序控制模块、2级时序控制模块和解码器，所述1级时序控制模块的个数与开关模块个数相同，若干个1级时序控制模块与一2级时序控制模块连接，多个所述2级时序控制模块连接解码器的输出端，对所有1级时序控制模块进行分量控制。
5.根据权利要求4所述的用于可扩展低能激光超高速扫描的可变透镜，其特征在于，在一个扫描周期内，所述解码器将一条包含有所有开关模块打开状态及顺序的总命令分解为多条2级时序控制命令，一个2级时序控制模块对应接收一条2级时序控制命令，每个2级时序控制模块将接收的2级时序控制命令分解为多条1级时序控制命令，每一条1级时序控制命令对应发送至一个1级时序控制模块，各1级时序控制模块根据接收到的若干条1级时序控制命令控制所述开关模块。
6.根据权利要求4所述的用于可扩展低能激光超高速扫描的可变透镜，其特征在于，所述2级时序控制模块通过IO-pin方式连接解码器。
7.根据权利要求1所述的用于可扩展低能激光超高速扫描的可变透镜，其特征在于，所述陶瓷基片为PLZT透明陶瓷基片。
8.根据权利要求1所述的用于可扩展低能激光超高速扫描的可变透镜，其特征在于，所述导线和电极单元通过沉积-光刻方式成形于陶瓷基片上。
9.一种激光超高速扫描装置，其特征在于，包括如权利要求1所述的可变透镜。
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