CN112088066A - 具有激光束定位光学器件、光纤和光纤终端光学器件的激光束扫描器 - Google Patents

具有激光束定位光学器件、光纤和光纤终端光学器件的激光束扫描器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种激光束扫描器，包括激光束定位光学器件(120)、用于传输多个激光束(122a)的多个光纤(121)和被对准以将激光束从多个光纤(121)的输出端引导到激光束定位光学器件(120)的光纤终端光学器件(123a)。激光束定位光学器件(120)可相对于光纤终端光学器件(123a)移动，以在工作表面(124)上扫描激光束(122a)。

Description

具有激光束定位光学器件、光纤和光纤终端光学器件的激光 束扫描器
技术领域
本发明涉及一种激光束扫描器，具体地但非排他地涉及一种用于比如粉末床增材制造设备等增材制造(AM)设备的激光束扫描器。本发明还涉及用于激光束扫描器的光学器件(包括多激光束光学器件)及其制造方法。
背景技术
在粉末床增材制造中，通过粉末材料的逐层固化来生产物体。存在粉末床增材制造的多种不同方法，包括选择性激光熔化(SLM)和选择性激光烧结(SLS)。
在选择性激光熔化中，在构建室中的粉末床上沉积粉末层(比如，金属粉末层)，并且扫描器在粉末层的与正在构造的物体的截面(剖切面)相对应的部分上扫描激光束。激光束将粉末熔化以便形成固化层。在层的选择性固化之后，粉末床下降层厚度，并且根据需要在表面上铺展另一层粉末并使其固化。通过这种逐层工艺，形成一个或多个物体。
基于激光的粉末床增材制造工艺可以进行的速率受到以灵活而准确的方式将激光功率获取到粉末床的难度所限制。复杂扫描路径需要来自光束定位机电系统的高带宽定位性能，而实心部段需要在大面积上传输的大量光功率。可以实现此的速度是决定AM部件成本的关键因素，机器每小时的设施成本是较大的(通常是最大的)单一因素，超过了材料成本和机器准备。
最近，通过使用多激光器AM设备已显著提高了速率。通常，这些设备包括单个构建室，该单个构建室具有定位于单个粉末床上方的多个光束传输通道。尽管雷尼绍(Renishaw)的RenAMTM 500Q示例具有四个全部名义上寻址同一粉末床的激光器，但是通常这些通道寻址的区域是用重叠部分拼接的。每个光束传输通道包括激光源、两个名义上正交的振镜(galvo-mirror)和呈动态聚焦透镜形式的聚焦机构，使得激光束能够在粉末床上被单独地操纵。
这种类型的多激光器系统的缺点是每个激光器将需要两个振镜和聚焦部件。这是昂贵的、对准是耗时的、需要定期维修、并且由于光束传输通道的物理尺寸而对可以被塞入以寻址粉末的相同区域的激光器(最高效的多激光器布置)的数量设置物理限制。
US 5508489披露了一种多光束激光烧结装置，包括在粉末床处具有焦点的烧结光束和入射在聚焦光束的焦点附近的区域上的至少一个散焦激光束。聚焦镜向扫描镜提供聚焦光束。散焦光束穿过镜中的孔到达扫描镜。代替在其中具有允许光束穿过的孔的聚焦光学器件，可以使用更大的聚焦光学器件来反射和聚焦两个光束。可以使用两个独立的激光源，而不是分裂激光束以形成聚焦激光束和散焦激光束。
US 2003/0214571 A1披露了一种包括扫描器的曝光设备，该曝光设备包括多个曝光头。每个曝光头包括数字微镜装置(DMD)。在DMD的光入射侧上依次布置有包括激光出射部的光纤阵列光源、透镜系统和镜，在该激光出射部中，光纤的出射端部被布置成一列，该透镜系统对从光纤阵列光源发射的激光束进行修正以将激光束聚集到DMD上，该镜将传输到该透镜系统的激光束反射到DMD。光纤的出射端部被夹在具有平坦表面的两个板之间。比如玻璃等透明保护板放置在光纤的光出射侧上，以便保护光纤的端面。
US 2015/0165556 A1披露了用于在直接金属激光熔化中使用的二极管激光器光纤阵列。多个柱面透镜定位在二极管激光器与多个光纤之间以使每个二极管激光器与光纤耦合。二极管激光器阵列可以在光纤的端部包括透镜，或者光纤的端部可以被成形为提供准直或发散的激光束。
US 2016/0114427披露了一种用于基于激光的生成部件生产的装置。该装置包括用于在加工平面中的激光线上形成五个激光斑点的加工头。激光斑点在各自情况下由光纤耦合的二极管激光器形成，这些激光器的辐射经由光纤被引导到加工头中的光学聚焦元件，并且使用聚焦元件聚焦到加工平面上。
US 2016/0279707 A1披露了一种用于增材制造的激光打印系统，该激光打印系统包括至少两个半导体激光器阵列和至少一个光学元件，其中，该光学元件适于将由激光器阵列发射的激光成像到工作平面。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种激光束扫描器，包括激光束定位光学器件、用于传输多个激光束的多个光纤和被对准以将这些激光束从该多个光纤的输出端引导到该激光束定位光学器件的光纤终端光学器件，该激光束定位光学器件可相对于该光纤终端光学器件移动，以在工作表面上扫描这些激光束。
以此方式，激光束扫描器将增加的激光功率传输到所需区域，从而确保了激光器的高百分比开启时间，而不会显著增加与为每个激光束提供单独的光学通道相关联的成本。在增材制造中，通常仅需要在每一层中将一小部分工作表面(比如，粉末床的表面)暴露于激光束中，如此，为了使激光束的开启时间最大化，期望能够将激光束引导到工作表面上的多个位置。通过移动激光束定位光学器件而不是移动光学通道的所有光学器件来扫描激光束，允许实现快速的动态响应。
一旦光纤的输出端与终端光学器件对准，就可以通过光纤终端光学器件与光轴的对准来实现激光束与激光扫描器的其他光学部件(比如，激光束定位光学器件)的光轴的对准。终端光学器件可以连接到用于固持该多个光纤的输出端的固持器。该固持器可以包括用于接纳该多个光纤的输出端并使该多个光纤的输出端与该终端光学器件对准的多个通道。该终端光学器件可以包括形成用于准直和/或聚焦每个激光束的多个透镜的有弯曲的表面。该终端光学器件可以连接到该固持器，使得这些光纤插入这些通道中使每个光纤的输出端与该有弯曲的表面的这些透镜中的相应透镜对准。替代地，该终端光学器件可以包括激光束穿过的平面端表面(平面光学器件)。
该终端光学器件和该固持器可以由一体基材形成。替代地，该终端光学器件和该固持器可以是包括定位结构的分开的部分(比如，公部分和母部分)，这些定位结构在两个部分连接在一起时相对地定位这两个部分。可以通过使用激光划刻和化学蚀刻工艺，例如PCT/GB 2018/050195中描述的工艺，来形成该固持器和/或该终端光学器件。
这些光纤的输出端可以连结到该终端光学器件。这些光纤的输出端可以熔接/焊接到该终端光学器件。例如，可以通过使光纤与终端光学器件的表面接触，并且通过光纤传输激光束以使光纤与终端光学器件之间的接触界面处的材料熔化而将光纤熔接到终端光学器件，来将光纤的输出端熔接/焊接到终端光学器件。一旦焊缝已经冷却，光纤就连结到终端光学器件，使得两个部件之间的界面处的能量损失(通过反射)最小。这在用于操纵高能量激光束的激光束扫描器中非常重要，因为即使在部件界面处的损失很小也可能导致部件/激光束扫描器发热显著并且随后导致激光束路径变形。
该激光束定位光学器件可以包括至少一个可倾斜镜、优选地至少两个可倾斜镜，用于将这些激光束引导到该工作表面上的不同位置。该激光束定位光学器件可以包括可围绕正交轴线倾斜的两个可倾斜镜。替代地或者附加地，该激光束定位光学器件可以包括可围绕非正交轴线(例如，平行轴线)倾斜的两个可倾斜镜。例如，可倾斜镜中的一个可倾斜镜可以比另一个可倾斜镜具有更快的动态响应，例如WO 2016/156824中所描述的。
激光束扫描器可以包括激光束图案调整光学器件，用于动态地调整激光束在工作表面上的相对位置。激光束图案调整光学器件可以包括多个单独可移位的部分(例如，镜部分)，每个可移位的部分被布置成用于操纵这些激光束中的一个激光束或其子集。以此方式，镜部分的位移可以用于调整激光束在工作表面上的相对位置。激光束图案调整光学器件的每个部分可以是可移位的，以使对应的激光束在工作表面上具有相对较小的位移，而相比之下，使用激光束定位光学器件(例如，在检流计控制下的可倾斜镜)可实现的激光束图案在工作表面上的位移较大。
该激光束扫描器可以包括用于聚焦这些激光束的聚焦光学器件。该聚焦光学器件可以操作用于将这些激光束的焦点维持在工作平面上。该聚焦光学器件可以包括f-θ透镜或至少一个可移动聚焦透镜，其可随着激光束在工作平面上的位置变化而动态地调整。
该终端光学器件和这些光纤的输出端可以被布置成的图案为使得可以在工作表面上针对多个不同的扫描方向实现相同的激光束斑点图案。这些光纤的输出端可以被布置成围绕该激光束扫描器的光轴的旋转对称图案。这些光纤的圆形输出端可以被布置成三角形图案、六边形图案或正方形图案(拼接图)。旋转对称性允许沿不同的扫描方向扫描激光束，同时维持由激光束形成的迹线(影线)之间的间隔相同。
该终端光学器件和这些光纤的输出端可以围绕该激光束扫描器的光轴旋转。这样可以允许沿附加方向进行扫描，同时维持由激光束和/或光纤的输出端围绕光轴的非旋转对称布置形成的迹线(影线)之间的间隔相同。
该激光束扫描器可以包括控制器，用于控制该激光束定位光学器件、该聚焦光学器件和/或该终端光学器件的运动。该控制器可以被布置成控制该激光束定位光学器件在该表面扫描这些激光束，以在这些激光束沿该工作表面第一遍历时形成一组第一迹线，以及在这些激光束沿该工作表面第二遍历时形成一组第二迹线，其中，这些第二迹线中的迹线散布在这些第一迹线的迹线之间。
该多个光纤可以包括三个与七个之间的光纤。
根据本发明的第二方面，提供了一种增材制造设备，包括根据本发明的第一方面所述的激光束扫描器。增材制造设备通过材料层的选择性固化以逐层方式构建物体。
该增材制造设备可以是粉末床增材制造设备，该粉末床增材制造设备包括用于支撑粉末床的可移动平台，并且该激光束扫描器被布置成在该粉末床的表面上扫描这些激光束。
该增材制造设备可以包括控制器，用于控制该激光束扫描器沿迹线(影线)扫描这些激光束，这些迹线(影线)针对相继层沿不同的扫描方向延伸。该控制器可以被布置成控制产生这些激光束的激光器，使得使用这些激光束的不同子集来形成沿不同的扫描方向延伸的迹线。
该增材制造设备可以包括多个激光器，用于产生通过光纤传输到激光束扫描器的激光束，该多个激光器包括用于产生具有不同波长和/或不同脉冲长度的激光束的不同类型的激光器。例如，激光器可以包括用于预热和/或固化材料的连续波激光器(其可以被调制以产生具有至少微秒、数十微秒或甚至数百微秒的长度的激光脉冲)和可以被用于烧蚀材料的脉冲激光器，例如纳秒激光器、皮秒激光器或飞秒激光器。
根据本发明的第三方面，提供了一种将光纤熔接到光学部件的方法，该方法包括：使该光纤的端部与该光学部件接触；使激光束穿过该光纤，该激光束的功率足以熔化该光纤的端部与该光学部件之间的界面处的材料；以及允许熔化的材料冷却以将该光纤熔接到该光学部件。
根据本发明的第四方面，提供了一种多激光束传输光学器件，包括：固持器，该固持器中具有多个通道，每个通道被布置用于接纳光纤；以及终端光学器件，该终端光学器件包括形成多个透镜的有弯曲的表面，该终端光学器件连接到该固持器，其中，每个通道与该多个透镜中的对应透镜对准，以使插入通道中的光纤的输出端与对应透镜对准，使得对应透镜准直和/或聚焦由该光纤传输的激光束。
该光纤的输出端可以熔接/焊接到该终端光学器件。该终端光学器件可以与该固持器一体地形成，或者该固持器和该终端光学器件可以包括分开的部件。
根据本发明的第五方面，提供了一种多激光束光学器件，包括可围绕公用枢轴移位的多个镜部分、以及用于每个镜部分的、用于驱动该镜部分移位的至少一个致动器。
该至少一个致动器可以包括压电致动器。该压电致动器可以提供有限的行程高频响应。每个镜部分可以通过至少两个间隔开的致动器围绕两个、优选地正交轴线可移位。这些镜部分可以例如以花瓣设计围绕公用枢轴布置。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的激光束扫描器的截面图；
图2是图1中所示的激光束扫描器的多个光纤的端盖的截面图；
图3是图2中所示的端盖的终端光学器件的端视图；
图4是根据本发明的实施例的粉末床增材制造设备的示意图；
图5a至图5d展示了根据本发明的实施例的用于使用不同的激光束构型(图案)在工作表面上形成一系列等距间隔开的平行迹线(影线)的单次遍历扫描方法；
图6展示了用于使用图5b中所示的激光束构型在工作表面上形成一系列等距间隔开的平行迹线(影线)的多次遍历扫描方法；
图7a至图7c展示了用于在工作表面上形成一系列等距间隔开的平行迹线(影线)的图5a至图5d中所示的激光束构型的多方向扫描能力；
图8a至图8c展示了使用全部可用激光束的子集可实现的、在工作表面上形成一系列等距间隔开的平行迹线(影线)的方法；
图9是根据本发明的另一实施例的激光束扫描器的截面图；
图10示出了根据本发明的实施例的激光束图案调整光学器件；
图11展示了使用图10中所示的激光束图案定位光学器件可实现的扫描策略；以及
图12是根据本发明的另一实施例的激光束扫描器的截面图。
具体实施方式
参照图1至图3，根据本发明的实施例的激光束扫描器106包括激光束定位光学器件120、用于传输多个激光束122a、122b、122c的多个光纤(在该实施例中为七个光纤，但是仅示出了三个光纤121a、121b、121c)和被对准以将激光束122a、122b、122c从光纤121a、121b、121c的输出端引导到激光束定位光学器件120的一体光纤终端光学器件123a。激光束定位光学器件120可相对于光纤终端光学器件123a移动，以在工作表面124上扫描激光束122a、122b、122c。
在该实施例中，激光束定位光学器件120包括一对可倾斜镜(仅示出了其中一个可倾斜镜)，这对可倾斜镜被安装成围绕正交轴线旋转，使得镜的运动在工作表面124上二维扫描激光束122a、122b、122c。检流计(未示出)响应于来自控制器的驱动信号来驱动可倾斜镜。在另一实施例中，设置有另一可倾斜镜，其具有比检流计驱动的镜更快的动态响应，从而增加了在两个扫描方向上快速改变方向的能力。在WO 2016/156824中更详细地披露了这种具有不同动态响应的镜的布置。
设置有动态聚焦光学器件129，以用于在激光束通过可倾斜镜在工作表面上操纵时，将激光束的焦点维持在工作表面124的平面上。在替代实施例中，可以在由扫描器106引导激光束通过的、壳体126中的或腔室窗口(比如，图4中所示的窗口109)中的孔口128处，用f-θ透镜代替动态聚焦光学器件。
光纤终端光学器件123a包括远离光纤端部的有弯曲的表面，该有弯曲的表面形成多个透镜125a至125g，以用于在激光束离开对应光纤的输出端之后使每个发散激光束准直。光纤终端光学器件的靠近光纤端部的表面熔接到光纤，以使在光纤与终端光学器件123a之间的界面处的损耗最小化。可以通过任何合适的手段(包括通过光纤传输激光束以熔化光纤与终端光学器件123a之间的接触界面处的材料)来实现将光纤熔接到终端光学器件。
终端光学器件123a连接到光纤固持器123b，以形成用于多个光纤的输出端的多激光传输光学器件或端盖123。在该实施例中，终端光学器件123a包括用于接纳圆柱形公固持器123b以将终端光学器件123a连接到固持器123b的母套筒部分119。固持器123b在套筒126内过盈配合。
光纤固持器123b包括用于每个光纤121a、121b、121c的通道127a、127b、127c。光纤插入每个通道127a、127b、127c中使光纤的输出端与终端光学器件123a上的对应透镜125a至125g对准。一旦通过使用固持器123b对准，就可以将光学端部熔接到终端光学器件123a。
在另一实施例中，终端光学器件123a与固持器123b一起被形成为单件。
可以通过使用激光划刻和化学蚀刻工艺，例如PCT/GB 2018/050195中描述的工艺，来形成固持器123b和终端光学器件123a。
端盖123通过挠曲件118安装到激光扫描器106的壳体126，该挠曲件允许调整端盖123相对于定位光学器件120和聚焦光学器件129的位置。以此方式，从端盖123输出的准直激光束可以一起与由激光扫描器106提供的光学通道的光轴O-O对准。
激光扫描器可以用在增材制造设备100中。图4示出了作为粉末床增材制造设备100的一部分的激光扫描器106。多个激光器105a至105g经由光纤(总体上标记为121)连接到光学扫描器106。增材制造设备包括构建室101，该构建室中具有光学窗口109，其中激光扫描器106被安装成通过光学窗口109将激光束传输到构建室101中的粉末床104。粉末床104由可在构建套筒117内下降的构建平台102支撑。随着构建平台102下降，使用刮器和分配机构(未示出)在粉末床104上形成粉末层。激光扫描器106在每个粉末层上扫描激光束，以固化粉末材料而形成物体103。激光扫描器106和激光器105a至105g的操作是在控制器130的控制下。控制器130可以控制激光扫描器106和激光器105a至105g以执行如下文所述的扫描策略。
参照图5a，激光扫描器可以在每一层上扫描七个激光束，以同时形成在粉末层上等距间隔开的多个迹线(影线)。激光束图案的旋转对称性意味着可以针对数个不同扫描方向实现同时形成等距间隔开的迹线，如图7a中所示。在层之间改变扫描方向的优点在于可以使最终制造的物体的方向特性最小化。图7a示出了针对七个激光器构型的6个可能的扫描方向。但是，其他要求可能会将扫描方向的选择限制在这些可能的扫描方向的子集中，例如扫描的方向与气流横越粉末床的方向相反，如WO 2014/125280和WO 2014/125258中披露的。
图5b至图5d和图7b至图7d示出了使用粉末床表面上的激光束斑点的构型(图案)形成的迹线，其中激光扫描器传输三个与五个之间的激光束。与构型5a一样，构型5b提供六个可能的影线方向，具有以60°间隔等距间隔开的迹线，而构型5c和5d提供了八个可能的影线方向，具有以45°间隔等距间隔开的迹线。对于每种构型，在图案中的每个激光斑点沿扫描方向(沿着迹线的长度)处于不同的偏移。该偏移可以被考虑以通过控制激光激发序列确保每个迹线具有正确的起点和终点。这可能使得并非所有激光器105a至105g都沿着在粉末床104上的扫描线在激光图案扫描的开始和结束时激发。
如果同时形成的迹线之间的间隔宽于在相邻迹线之间形成连续固化的材料所需的间隔，则随后可以通过使激光束图案沿着彼此具有小偏移(小于垂直于扫描方向的激光图案的宽度)的一条或多条扫描线进行一次或多次进一步的遍历来固化未固化材料的间隙。图6示出了针对图5b中所示的激光构型的这种扫描策略，其中激光束图案的四次遍历使激光迹线间距为由激光图案的单次遍历提供的激光迹线宽度的1/4，使得材料在第一次遍历(以粗线示出)中形成的前三个迹线之间连续固化。对于不同的激光束图案，遍历的次数将有所不同，并且对于不同的扫描参数，遍历的次数可能会有所不同，所述扫描参数比如是激光功率、扫描速度、(或针对在雷尼绍的RenAM 500M中使用的点扫描方式)曝光时间和/或点距离。每个相继遍历可以是沿相反的方向。
以上描述的扫描策略以在激光束图案在要固化的粉末床区域上遍历期间激发所有激光器为前提。这样提供了激光器资源的有效利用。但是，如果放宽在扫描期间使用所有激光器的要求，则可能有更宽的可能的扫描方向集。在图8a至图8c中示出了示例。在该示例中，使用图5c的激光斑点图案。图8a中形成的迹线均匀间隔开，但是如果所有四个激光器都被激发，则由中心的激光斑点和右侧的激光斑点形成的迹线之间的间隙会比其他激光斑点形成的相邻迹线之间的间隙更大。因此，为了保持迹线间隔相等，当沿图8a中所示的方向进行扫描时，不激发针对右侧斑点的激光器。但是，对于不同的扫描方向(比如，图8b中所示的扫描方向)，将激发针对右侧激光斑点的激光器，而不激发激光器中的不同激光器，以便形成间隔相等的迹线。通过针对每个扫描方向选择哪个激光器不激发，可以针对更多种扫描方向形成等距间隔开的迹线，如图8c中所示。
在另一实施例中，可以针对这些激光斑点中的激光斑点使用不同类型的激光器。如果在构建期间将激光扫描器106用于不同目的，例如用于预热、烧结、熔化、激光喷丸、激光烧蚀或过程中监控，则这可能是有利的。此外，激光图案的移动方向可以使得一个激光斑点可以用于粉末材料的预热，而另一激光斑点可以用于材料的固化。为此目的，激光图案的扫描方向可以使得两个激光斑点的迹线沿着同一条线(或至少重叠)，但是是一个激光斑点沿着该条线跟随另一激光斑点。在图5c中所示的激光斑点构型(同时利用所有激光束)的情况下以及对于图5a、图5b和图5d中所示的激光斑点构型(一个激光器未被激发)下，可以实现这种扫描策略。用于预热的激光器可以以比用于固化的激光器更低的功率操作。在另一实施例中，粉末的预热可能足以使粉末烧结，在激光束斑点图案的单次遍历中随后利用另一激光斑点使经烧结的粉末熔化。对于不同的扫描方向，可以将不同的激光束斑点用于粉末的预热/烧结和固化。
图9示出了根据本发明的激光扫描器206的另一实施例。该实施例的与以上参考图1至图3描述的特征相对应的特征已经给出相同的附图标记，但是用系列200给出。与上述实施例的特征相同或相似的该实施例的特征将不再描述，并且针对这些特征参考以上描述。该实施例与图1中所示的实施例的不同之处在于，端盖223被安装成围绕光轴O-O旋转。为此，设置轴承241以允许端盖223在挠曲件225中旋转，并且设置驱动机构240以用于驱动端盖223旋转。端盖223可以旋转(例如，对于图5a和图5b中所示的激光束图案，0°与60°之间的角度集，以及对于图5c和图5d中所示的激光束图案，0°与45°之间的角度集)以增加扫描方向的数量，沿这些扫描方向，可以通过使用激光束的旋转对称图案同时形成等距间隔开的迹线。
替代地，可以通过端盖223提供激光束的非旋转对称图案，并且旋转端盖223以使激光图案与针对每一层的扫描方向对准。在该替代实施例中，端盖223可以旋转0°与360°之间的角度集。端盖223的旋转可能仅在层的起点/终点处是必要的，因为一旦端盖与针对该层的扫描方向对准，则可以通过使用端盖223的该取向形成所有迹线。
激光扫描器可以用于连续扫描，其中激光斑点图案在开启激光器的情况下在工作表面124、224上移动，或者可以用于点扫描，其中激光束图案保持在工作表面上的某个位置处持续曝光时间，并且然后移动到新曝光点。在移动(或“跳动”)到新位置期间，激光束可以被切断。以此方式，曝光一系列离散点而不是连续线，但是通过曝光离散点形成的固化区域可以形成连续固化材料的线。如图5a和图5b中所示，具有激光束的三角形拼接图案的激光束扫描器可以用于以下扫描策略：离散曝光点以三角形图案分布，如WO 2016/079496中所描述的。使点以三角形图案曝光可以用在多层合并策略中，在该多层合并策略中，通过单个层的曝光来合并跨多层延伸的间隔开的材料“列”，并且通过稍后层的曝光来合并这些列之间的未合并材料，例如在未公布的申请GB 1803510.5中披露的，该申请通过援引并入本文。
参照图10，在另一实施例中，激光斑点在工作表面上的相对位置可以由激光扫描器使用设置在激光束的光路中的激光束图案调整光学器件350来动态地改变。光学器件350包括多个可单独移位的部分，在该实施例中，呈四个镜象限351a至351d的形式。每个镜象限351a至351d可围绕中心枢轴352枢转，该中心枢轴包括用于每个镜象限351a至351的扭力弹簧，该扭力弹簧抵抗由致动器353a、353b驱动的位移使镜象限351a、351b、351c、351d偏置。在该实施例中，每个镜象限351a至351d包括两个致动器353a、353b，象限351a至351d的每个外拐角处一个致动器。致动器353a、353b呈压电堆的形式，压电堆可以在高驱动频率下产生镜象限的小位移(与主光束定位光学器件120、220可实现的数百毫米的位移相比，在工作表面处通常为约1mm以下)。在每对镜象限351a至351d之间是柔性膜354a至345d，用于允许镜象限351a至351d之间的小的相对位移。激光束图案调整光学器件350在激光扫描器内被定位成使得沿着光学通道传输的激光束322a至322d中的不同的激光束撞击在镜象限351a至351d中的不同镜象限上。激光束图案调整光学器件350可以位于终端光学器件与检流计驱动的可倾斜镜之间，以用于在工作表面上操纵激光束图案。激光束图案调整光学器件350可以在沿着光轴的激光束被准直的位置处，例如在终端光学器件123a与聚焦光学器件129之间。
在该实施例中，描述了具有四个象限镜的激光束图案调整光学器件350，以用于操纵由四个激光束组成的图案。然而，应理解的是对于包括不同数量的激光束的激光束图案，可能需要不同数量的镜部分。在这样的实施例中，每个镜部分可能不是象限形的，而是可能具有不同的圆扇形的形状，比如120°扇形、六分圆或八分圆。
光束图案调整光学器件350可以在利用定位光学器件120、220扫描整个激光束图案期间用于多种目的。
可能期望在沿特定的扫描方向进行扫描时改变激光束斑点的相对位置以获得迹线之间的期望间隔。改变图案中激光束斑点的相对位置的能力可以增加可用于形成具有设定间隔的迹线的扫描方向的数量。
此外，可能期望动态地改变图案中激光束的相对位置，以实现曝光点的期望分布，这是通过在工作表面上步进固定的激光束图案而无法实现的。例如，在图11中的401处，沿着迹线扫描四个激光束的图案以实现曝光点的三角形图案。为了实现这一点，通过使用激光束图案定位光学器件350来使激光斑点从图5c中所示的方形的斑点阵列稍微移位，其中激光斑点中的某些激光斑点保持在工作表面上的一点处，而斑点中的其他斑点沿着对应的迹线在相邻斑点之间跳动。可以使用WO 2016/156824中描述的技术、特别是参考WO 2016/156824的图4a和图4b来实现将斑点保持在工作表面上的一点处并且随后跳动至相邻点，该文件通过援引并入本文。在图11中，虚线的斑点被示出在从圆的圆周上的“中性”(无偏置)位置移位到的位置。图11中包括的两个三角形用于说明，当图案的处于中性位置的某些斑点与表面上针对点曝光的三角形图案的点曝光重合时，激光斑点中的其他激光斑点在处于“中性”位置时将与曝光点间隔开，因此需要通过致动对应的镜象限来使激光斑点从“中性”位置较小移位。以此方式，在工作表面上可实现点曝光图案，这些点曝光图案不是由端盖123、223提供的激光束的图像的倍数。
单独控制激光束斑点的位置可以允许激光斑点在不同时间跳动到要在激光束图案在工作表面上进行进一步遍历时扫描的相邻迹线上，如图11中的402处所示。这样可以允许激光束图案在要固化的区域的边缘处掉头，同时材料继续被固化(这与Skywriting不同，在Skywriting中，在转向期间切断激光束以避免可能由于在检流计操纵镜的减速和加速期间熔化而导致的缺陷)。可以使用镜350的较快动态响应在所需的时间使每个激光束跳动到下一个曝光点，即便是激光斑点的“中性”位置尚未到达该曝光点。如图11中所示，由于图案中激光束斑点的偏移特性，在区域边缘处激光束图案的“尽早”转向(由虚线403指示)以最小化激光束的非激发时间可能会导致某些迹线未延伸到要固化的区域的边缘，这是因为该区域的边缘不在对应激光束的范围内。这些未固化区域可以在对区域执行边界扫描时稍后进行填充。
在404处示出的另一扫描策略中，图案被定位成使得激光斑点的“中性”位置落在曝光点的迹线之间，并且激光束图案调整光学器件350被用于在图案沿扫描方向传播时使激光斑点在相邻迹线上的曝光点(如虚线斑点、点划线斑点和实线斑点所示)之间跳动。以此方式，可以在激光束图案的单次遍历中固化曝光点的相邻迹线。
图12示出了根据本发明的实施例的激光扫描器的另一实施例。该实施例的与以上参考图1至图3描述的特征相对应的特征已经给出相同的附图标记，但是用系列500给出。与上述实施例的特征相同或相似的该实施例的特征将不再描述，并且针对这些特征参考以上描述。该实施例与图1中所示的实施例的不同之处在于，终端光学器件523a对每个光纤521a、521b、521c呈现出横向于(垂直于)通过光纤521a、521b、521c传输的激光束的传播方向的平面近侧面和平面远侧面。相应地，来自光纤521a、521b、521c的激光束522a、522b、522c在终端光学器件523a处没有被准直，而是继续发散直到到达聚焦光学器件520。
用于形成端盖的替代方法包括剥去一组光纤端部的外包衣，然后使用夹具将露出的玻璃光纤端部束扎成期望图案(比如以上参考图5a至图5d所述的图案)，以便形成光纤阵列。在具有七个光纤的光纤阵列的情况下，这些光纤可以以六边形图案堆叠，而对于其他图案，设置适当的间隔物。光纤阵列被送入具有适当内径的玻璃毛细管中。玻璃毛细管的内径可以在插入端处向外逐渐变细，以便于将光纤端部插入玻璃毛细管中。然后例如使用CO2激光或H2火焰将热量施加到玻璃毛细管，以使毛细管围绕光纤阵列端部收缩。然后将毛细管的端部和光纤阵列端部劈开或以其他方式切割，以提供光纤和毛细管的平面端面，所述端面例如通过使用电弧、CO2激光或H2火焰熔接到如上所述的终端光学器件。平面端面在熔接到终端光学器件之前可以进行抛光。
在另一实施例中，多芯光纤被形成为具有所需光纤芯图案，并且该多芯光纤熔接到终端光学器件。激光可以通过使用自由空间光学器件被馈送到多芯光纤(但这可能很昂贵并且在生产期间需要仔细对准)，或者被移接到扇出光学器件，该扇出光学器件将多芯光纤分成单独的光纤。可以通过形成用于多芯光纤的传输端的适当端盖来制造扇出光学器件。端盖可以类似于参考图12描述的端盖，其中多芯光纤熔接到中央终端光学器件的相反侧，使得激光束经由中央终端光学器件从单独的光纤进入多芯光纤。单独的光纤与多芯光纤的对准可以通过在终端光学器件的任一侧形成适当定位的通道来实现。可以通过使用激光划刻和化学蚀刻或通过上述使玻璃毛细管围绕光纤收缩的方法来形成端盖。
应理解的是，在不脱离如本文所限定的本发明的范围的情况下，可以对上述实施例进行改变和修改。例如，激光扫描器的使用不限于增材制造设备，而是激光扫描器可以与比如激光做标记设备等其他设备一起使用。

Claims (15)

1.一种激光束扫描器，包括激光束定位光学器件、用于传输多个激光束的多个光纤和被对准以将所述激光束从所述多个光纤的输出端引导到所述激光束定位光学器件的光纤终端光学器件，所述激光束定位光学器件可相对于所述光纤终端光学器件移动，以在工作表面上扫描所述激光束。
2.根据权利要求1所述的激光束扫描器，其中，所述终端光学器件包括形成用于准直和/或聚焦每个激光束的多个透镜的有弯曲的表面。
3.根据权利要求1所述的激光束扫描器，其中，所述终端光学器件连接到用于固持所述多个光纤的输出端的固持器，所述固持器包括用于接纳所述多个光纤的输出端并使所述多个光纤的输出端与所述终端光学器件对准的多个通道。
4.根据权利要求3所述的激光束扫描器，其中，所述终端光学器件包括形成用于准直和/或聚焦每个激光束的多个透镜的有弯曲的表面，并且所述终端光学器件连接到所述固持器，使得所述光纤插入所述通道中使每个光纤的输出端与所述有弯曲的表面的所述透镜中的对应透镜对准。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的激光束扫描器，其中，所述终端光学器件和所述固持器由一体基材形成。
6.根据权利要求3或权利要求4所述的激光束扫描器，其中，所述终端光学器件和所述固持器是包括定位结构的分开的部分，所述定位结构在所述两个部分连接在一起时相对地定位所述两个部分。
7.根据前述权利要求中任一项所述的激光束扫描器，其中，所述固持器和/或所述终端光学器件通过使用激光划刻和化学蚀刻工艺形成。
8.根据前述权利要求中任一项所述的激光束扫描器，其中，所述光纤的输出端连结到、比如焊接或熔接到所述终端光学器件。
9.根据前述权利要求中任一项所述的激光束扫描器，其中，所述激光束定位光学器件包括至少一个可倾斜镜，用于将所述激光束引导到所述工作表面上的不同位置，并且能够包括可围绕正交轴线倾斜的两个可倾斜镜或可围绕非正交轴线倾斜的两个可倾斜镜。
10.根据前述权利要求中任一项所述的激光束扫描器，包括激光束调整光学器件，用于动态地调整所述激光束在所述工作表面上的相对位置，其中，所述激光束调整光学器件能够包括多个单独可移位的部分，例如镜部分，每个可移位的部分被布置成用于操纵所述激光束中的一个激光束或所述激光束的子集。
11.根据前述权利要求中任一项所述的激光束扫描器，其中，所述光纤的输出端被布置成围绕所述激光束扫描器的光轴的旋转对称图案，所述旋转对称图案是比如三角形图案、六边形图案或正方形图案。
12.根据前述权利要求中任一项所述的激光束扫描器，其中，所述终端光学器件和所述光纤的输出端可围绕所述激光束扫描器的光轴旋转。
13.根据前述权利要求中任一项所述的激光束扫描器，其中，所述激光束扫描器包括控制器，用于控制所述激光束定位光学器件的运动，所述控制器被布置成控制所述激光束定位光学器件在所述表面上扫描所述激光束，以在所述激光束沿所述工作表面第一遍历时形成一组第一迹线，以及在所述激光束沿所述工作表面第二遍历时形成一组第二迹线，其中，所述第二迹线中的迹线散布在所述第一迹线的迹线之间。
14.一种增材制造设备，包括根据权利要求1至13中任一项所述的激光束扫描器。
15.根据权利要求14所述的增材制造设备，包括控制器，用于控制所述激光束扫描器沿迹线扫描所述激光束，所述迹线针对相继层沿不同的扫描方向延伸，所述控制器进一步被布置成控制产生所述激光束的激光器，使得使用所述激光束的不同子集来形成沿不同的扫描方向延伸的所述迹线。
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