CN114069374A - 激光稳源系统与激光源模块 - Google Patents

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CN114069374A CN202010744994.3A CN202010744994A CN114069374A CN 114069374 A CN114069374 A CN 114069374A CN 202010744994 A CN202010744994 A CN 202010744994A CN 114069374 A CN114069374 A CN 114069374A
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Abstract

本发明提供一种激光稳源系统，用以使激光源所发出的激光束维持稳定。激光稳源系统包括光束操控元件、第一分光器、第一光侦测器、第二分光器及第二光侦测器。光束操控元件用以对激光束的方向与位置作4个自由度以上的操控。第一分光器用以将来自光束操控元件的激光束分成第一部分光束与第二部分光束。第一光侦测器配置于第一部分光束的传递路径上。第二分光器用以将第二部分光束分成第三部分光束与第四部分光束。第二光侦测器配置于第三部分光束的传递路径上。一种激光源模块亦被提出。

Description

激光稳源系统与激光源模块
技术领域
本发明涉及一种光学系统与光源模块，且特别是涉及一种激光稳源系统与激光源模块。
背景技术
随着科技进步，激光源被广泛应用于各种不同的领域，其相关产业可生产高质量与高精密的高单价产品。许多研究显示，激光源的精度与稳定度不仅受外在环境温度、震动所影响，也会受本身的结构、热源及输入源等影响，故克服上述的问题以提升激光源的质量，则能进一步提升激光仪器的精度以及价值。
目前市售激光稳源系统由两个二自由度摆动的快速控制反射镜(fast steeringmirror,FSM)以及两个传感器所组成。两个传感器用来测量激光源并将数据传递到控制器，透过算法来解析激光几何误差。接着，控制器会驱动两个二自由度摆动的快速控制反射镜来补偿激光源四个自由度的误差。此外，市售的快速控制反射镜包括两个自由度的致动器，可以使装载在快速控制反射镜上的平面镜绕着两个互相垂直的轴旋转，来反射及控制激光束的方向。
然而，现有市售的快速控制反射镜仅能使激光束产生两个自由度的偏摆，而无法使激光束产生平移。此外，现有市售的快速控制反射镜激光稳源系统的零件过多，不适合安装于狭小的空间内。再者，现有市售的快速控制反射镜激光稳源系统的光程过长，会导致激光束的角度误差被放大。
发明内容
本发明是针对一种激光稳源系统，可以使激光束产生偏摆与平移，易于安装于狭小的空间内，且可具有较短的光程长度，进而有效降低激光束的角度误差。
本发明是针对一种激光源模块，可以使激光束产生偏摆与平移，易于安装于狭小的空间内，且可具有较短的光程长度，进而有效降低激光束的角度误差。
本发明的一实施例提出一种激光稳源系统，用以使激光源所发出的激光束维持稳定。激光稳源系统包括光束操控元件、第一分光器、第一光侦测器、第二分光器及第二光侦测器。光束操控元件配置于激光束的路径上，且用以对激光束的方向与位置作4个自由度以上的操控。第一分光器配置于来自光束操控元件的激光束的路径上，且用以将激光束分成第一部分光束与第二部分光束。第一光侦测器配置于第一部分光束的传递路径上。第二分光器配置于第二部分光束的传递路径上，且用以将第二部分光束分成第三部分光束与第四部分光束。第二光侦测器配置于第三部分光束的传递路径上。
本发明的一实施例提出一种激光源模块，包括激光源、光束操控元件、第一分光器、第一光侦测器、第二分光器及第二光侦测器。激光源用以发出激光束。光束操控元件配置于激光束的路径上，且用以对激光束的方向与位置作4个自由度以上的操控。第一分光器配置于来自光束操控元件的激光束的路径上，且用以将激光束分成第一部分光束与第二部分光束。第一光侦测器配置于第一部分光束的传递路径上。第二分光器配置于第二部分光束的传递路径上，且用以将第二部分光束分成第三部分光束与第四部分光束。第二光侦测器配置于第三部分光束的传递路径上。
在本发明的实施例的激光稳源系统与激光源模块中，由于采用了对激光束的方向与位置作4个自由度以上的操控的光束操控元件，因此可以使激光束产生偏摆与平移，易于安装于狭小的空间内，且可具有较短的光程长度，进而有效降低激光束的角度误差。
附图说明
图1为本发明的一实施例的激光源模块的光路示意图。
图2为图1中的光束操控元件中的棱镜的光路示意图。
图3A为本发明的另一实施例的光束操控元件的立体示意图。
图3B是将图3A的光束操控元件的一部分切除后的立体示意图。
图4为本发明的另一实施例的光束操控元件的第一棱镜与第二棱镜的立体示意图。
图5为本发明的又一实施例的激光源模块的光路示意图。
附图标记说明
100、100c:激光源模块
110:激光源
112:激光束
114:第一部分光束
116:第二部分光束
118:第三部分光束
119:第四部分光束
120:第一分光器
130:第一光侦测器
140:第二分光器
150:第二光侦测器
160:控制器
200、200a、200c:光束操控元件
210、210a、210b:第一棱镜
212、212a:第一倾斜反射面
214、214a:第三倾斜反射面
220、220a、220b:第二棱镜
222、222a:第二倾斜反射面
224、224a:第四倾斜反射面
230:马达
231:棱镜固定座
232:磁铁固定座
233:上弹簧片
234:第一磁铁
235:第一线圈
236:第二磁铁
237:第二线圈
2375:弹线
238:下弹簧片
239:基座
300、300c:激光稳源系统
240:扩散片
242:转动轴
C1:控制讯号
x:第一轴向
y:第二轴向
z:第三轴向
具体实施方式
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在图式和描述中用来表示相同或相似部分。
图1为本发明的一实施例的激光源模块的光路示意图，而图2为图1中的光束操控元件中的棱镜的光路示意图。请参照图1与图2，本实施例的激光源模块100包括激光源110、光束操控元件200、第一分光器120、第一光侦测器130、第二分光器140及第二光侦测器150。激光源110用以发出激光束112。激光源110可以是各种形式的激光源，例如固态激光源、液态激光源或气体激光源。
光束操控元件200配置于激光束112的路径上，且用以对激光束112的方向与位置作4个自由度以上的操控。举例而言，光束操控元件200可对激光束112作两个轴向的转向与两个轴向的平移等4个自由度的操控。
第一分光器120配置于来自光束操控元件200的激光束112的路径上，且用以将激光束112分成第一部分光束114与第二部分光束116。第一光侦测器130配置于第一部分光束114的传递路径上。第二分光器140配置于第二部分光束116的传递路径上，且用以将第二部分光束116分成第三部分光束118与第四部分光束119。第二光侦测器150配置于第三部分光束118的传递路径上。在本实施例中，第一分光器120与第二分光器140例如为分光棱镜。然而，在其他实施例中，第一分光器120与第二分光器140也可以是分光镜。
在本实施例中，第一光侦测器130与第二光侦测器150皆为影像传感器，例如是互补式金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)影像传感器或电荷耦合器件(charge coupled device,CCD)。此外，在本实施例中，激光源模块110还包括控制器160，电性连接至第一光侦测器130、第二光侦测器150及光束操控元件200，且用以根据第一光侦测器130测量到的第一部分光束114在其上所形成的光点位置与第二光侦测器150测量到的第三部分光束118在其上所形成的光点位置，而计算出激光束112所需补偿的角度与位置，并传递控制讯号C1至光束操控元件200以使光束操控元件200补偿激光束112的角度与位置的偏差。激光束112经过光束操控元件200实时且良好的补偿后，第四部分光束119就成为可供外界利用的高精度且高稳定的激光束，而较不受外在环境温度及震动所影响，也较不受本身的结构、热源及输入源等的影响。
在本实施例中，光束操控元件200包括第一棱镜210及第二棱镜220，第一棱镜210具有第一倾斜反射面212，而第二棱镜220具有第二倾斜反射面222。激光束112依序被第一倾斜反射面212与第二倾斜反射面222反射，第一倾斜反射面212平行于第一轴向x，第二倾斜反射面222平行于第二轴向y，第一倾斜反射面212相对于激光束112入射其的方向倾斜，且第二倾斜反射面222相对于激光束112从其出射的方向倾斜。在本实施例中，第一轴向x与第二轴向y彼此垂直。
此外，在本实施例中，第一棱镜210还具有第三倾斜反射面214，相对第一倾斜反射面212倾斜，且平行于第一轴向x。第二棱镜220还具有第四倾斜反射面224，相对于第二倾斜反射面222倾斜，且平行于第二轴向y。激光束112依序被第一倾斜反射面212、第三倾斜反射面214、第二倾斜反射面222及第四倾斜反射面224反射。第三倾斜反射面214相对于激光束112入射其的方向倾斜，且第四倾斜反射面224相对于激光束112从其出射的方向倾斜。
在本实施例中，光束操控元件200还包括马达230，且第一棱镜210与第二棱镜220配置于马达230中，以受马达230控制方向与位置。此外，在本实施例中，第一棱镜210与第二棱镜220是配置于单一的马达230中，且单一的马达230为能够控制4个自由度以上的马达。举例而言，马达230可使第一棱镜210与第二棱镜220沿着第一轴向x平移及绕着平行于第一轴向x的轴旋转，也可以使第一棱镜210与第二棱镜220沿着第二轴向y平移及绕着平行于第二轴向y的轴旋转。也就是说，马达230可使第一棱镜210与第二棱镜220产生4个自由度的偏摆及平移。在另一实施例中，马达230还可以使第一移镜210与第二棱镜220沿着第三轴向z平移及/或绕着平行于第三轴向z的轴旋转，而使第一棱镜210与第二棱镜220产生5或6个自由度的偏摆及平移，其中第三轴向z例如是垂直于第一轴向x与第二轴向y。
激光源110以外的元件(例如光束操控元件200、第一分光器120、第一光侦测器130、第二分光器140、第二光侦测器150及控制器160)可形成激光稳源系统300，用以使激光源110所发出的激光束112维持稳定。
在一实施例中，控制器160例如为中央处理单元(central processing unit,CPU)、微处理器(microprocessor)、数字信号处理器(digital signal processor,DSP)、可程序化控制器、可程序化逻辑设备(programmable logic device,PLD)或其他类似装置或这些装置的组合，本发明并不加以限制。此外，在一实施例中，控制器160的各功能可被实作为多个程序代码。这些程序代码会被储存在一个内存中，由控制器160来执行这些程序代码。或者，在一实施例中，控制器160的各功能可被实作为一或多个电路。本发明并不限制用软件或硬件的方式来实作控制器160的各功能。
在本实施例的激光稳源系统300与激光源模块100中，由于采用了对激光束112的方向与位置作4个自由度以上的操控的光束操控元件200，因此可以使激光束112产生偏摆与平移，易于安装于狭小的空间内，且可具有较短的光程长度，进而有效降低激光束112的角度误差。换句话说，本实施例的激光稳源系统300与激光源模块100可以只采用单一一个光束操控元件200来取代传统的两个以上的快速控制反射镜，因此可有效减少零件数量，并达到上述的功效。
图3A为本发明的另一实施例的光束操控元件的立体示意图，而图3B是将图3A的光束操控元件的一部分切除后的立体示意图。请参照图3A与图3B，本实施例的光束操控元件200a与图1的光束操控元件200类似，而两者的主要差异如下所述。图1中的第一棱镜210与第二棱镜220具有透光材料，而激光束112可以进入透光材料中，第一倾斜反射面212、第三倾斜反射面214、第二倾斜反射面222及第四倾斜反射面224上可镀有反射膜，以反射激光束112。或者，第一倾斜反射面212、第三倾斜反射面214、第二倾斜反射面222及第四倾斜反射面224可以利用内全反射(total internal reflection)的方式将激光束112反射，而其上可以没有镀反射膜。与此不同的是，在图3A与图3B的实施例中，第一棱镜210a与第二棱镜220a可以是透光材料或不透光材料，激光束112不会在第一棱镜210a与第二棱镜220a的材料中传递，且第一倾斜反射面212a、第三倾斜反射面214a、第二倾斜反射面222a及第四倾斜反射面224a上可镀有反射膜。
至于本实施例的光束操控元件200a与图1的光束操控元件200相似的部分则如下所述。马达230可包括棱镜固定座231，磁铁固定座232、多个上弹簧片233、多个第一磁铁234、多个第一线圈235、多个第二磁铁236及多个第二线圈237、多个下弹簧片238、多个弹线2375及基座239。棱镜固定座231用以固定第一棱镜210a与第二棱镜220a，磁铁固定座232用以固定这些第一磁铁234与这些第二磁铁236，且配置于基座239上方。这些第一线圈235配置于棱镜固定座231上。每一上弹簧片233与每一下弹簧片238连接棱镜固定座231与磁铁固定座232。在图3A中，下弹簧片238大部分被磁铁固定座232挡住而看不到，但其实下弹簧片238的配置于延伸方式与上弹簧片233类似，而两者的差异是在上弹簧片233是位于磁铁固定座232的顶部，而下弹簧片238是位于磁铁固定座232的底部(其中图3B可以看到一部分的下弹簧片238)。此外，弹线2375的一端固定于基座239上，且这些弹线2375可分别延伸至磁铁固定座232的四个角落。第二线圈237则配置于基座239上。当第一线圈235通电时，第一磁铁234会对第一线圈235产生横向的电磁力，举例而言，位于图3B上方(即-x方向)的第一线圈235被施加朝向+z方向的磁力，而位于图3B的下方(即+x方向)的第一线圈被施加朝向-z方向的电磁力，则棱镜固定座231会绕着平行于第二轴向y的轴转动。反之，若位于图3B上方(即-x方向)的第一线圈235被施加朝向-z方向的磁力，而位于图3B的下方(即+x方向)的第一线圈被施加朝向+z方向的磁力，则棱镜固定座231会绕着平行于第二轴向y的轴作与上述相反的方向转动。棱镜固定座231的转动带动第一棱镜210a与第二棱镜220a绕着平行于第二轴向y的轴转动。
另一方面，当第二线圈237通电时，第二线圈237会对第二磁铁236产生横向的电磁力。举例而言，位于图3B上方(即-x方向)的第二磁铁236与位于图3B下方(即+x方向)的第二磁铁236同样被施加朝向-x方向的电磁力，则棱镜固定座231可沿着-x方向平移。反之，位于图3B上方(即-x方向)的第二磁铁236与位于图3B下方(即+x方向)的第二磁铁236可也以同样被施加朝向+x方向的磁力，则棱镜固定座231可沿着+x方向平移。磁铁固定座232的平移可带动第一棱镜210a与第二棱镜220a朝+x方向或-x方向平移。
马达230的大部分结构可以是90度旋转对称或近似于90度旋转对称，也就是每绕z轴旋转90度后结构会与旋转前的结构重合、大致重合或类似，因此，藉由排列于第二轴向y上的第一线圈235与第一磁铁234的磁力作用，棱镜固定座231可绕着平行于第一轴向的轴转动。此外，藉由排列于第二轴向y上的第二线圈237与第二磁铁236，棱镜固定座可以朝+y方向或-y方向平移。至此，马达230可使第一棱镜210a与第二棱镜220a作4个自由度的操控，包括在第一轴向x及第二轴向y上平移等2个自由度，以及绕着平行于第一轴向x的轴转动及绕着平行于第二轴向y的轴转动等另外2个自由度。上弹簧片233与下弹簧片238则可与上述电磁力达成平衡，以使棱镜固定座231稳定处于某一转动角度或位置。弹线2375则可平衡使磁铁固定座232往第一轴向x与第二轴向y平移的电磁力。
图4为本发明的另一实施例的光束操控元件的第一棱镜与第二棱镜的立体示意图。请参照图4，本实施例的光束操控元件的第一棱镜210b与第二棱镜220b与图2的第一棱镜210与第二棱镜220类似，而两者的差异如下。在本实施例中，第一棱镜210b只有一个倾斜反射面(即第一倾斜反射面212)，且第二棱镜220b只有一个倾斜反射面(即第二倾斜反射面222)，而激光束112依序被第一倾斜反射面212与第二倾斜反射面222反射。在本实施例中，马达亦可以使第一棱镜210b与第二棱镜220b作4个自由度以上的偏摆与平移，如此仍然可以达到对激光束112作4个自由度以上的操控的效果。
图5为本发明的又一实施例的激光源模块的光路示意图。请参照图5，本实施例的激光源模块100c与图1的激光源模块100类似，而两者的差异如下所述。在本实施例的激光源模块100c及激光稳源系统300c中，光束操控元件200c还包括扩散片240，配置于激光束112的路径上，位于第一棱镜210与第二棱镜220的一侧，且用以扩散激光束112。此外，在本实施例中，第一棱镜210与第二棱镜220配置于光束操控元件200c的马达230c中，以受马达230c控制方向与位置，且扩散片240连接至马达230c，马达230c驱动扩散片240旋转，例如是绕着平行于第三轴向z的转动轴242旋转。扩散片240的震动或旋转可有效抑制激光束112所产生的散斑(speckle)现象。在本实施例中，从扩散片240出射的激光束112传递至第一棱镜210。然而，在另一实施例中，扩散片240也可以设置于从第二棱镜220出射的激光束112的路径上。
综上所述，在本发明的实施例的激光稳源系统与激光源模块中，由于采用了对激光束的方向与位置作4个自由度以上的操控的光束操控元件，因此可以使激光束产生偏摆与平移，易于安装于狭小的空间内，且可具有较短的光程长度，进而有效降低激光束的角度误差。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (20)

1.一种激光稳源系统，其特征在于，用以使激光源所发出的激光束维持稳定，所述激光稳源系统包括：
光束操控元件，配置于所述激光束的路径上，且用以对所述激光束的方向与位置作4个自由度以上的操控；
第一分光器，配置于来自所述光束操控元件的所述激光束的路径上，且用以将所述激光束分成第一部分光束与第二部分光束；
第一光侦测器，配置于所述第一部分光束的传递路径上；
第二分光器，配置于所述第二部分光束的传递路径上，且用以将所述第二部分光束分成第三部分光束与第四部分光束；以及
第二光侦测器，配置于所述第三部分光束的传递路径上。
2.根据权利要求1所述的激光稳源系统，其特征在于，所述光束操控元件包括：
第一棱镜，具有第一倾斜反射面；以及
第二棱镜，具有第二倾斜反射面，其中所述激光束依序被所述第一倾斜反射面与所述第二倾斜反射面反射，所述第一倾斜反射面平行于第一轴向，所述第二倾斜反射面平行于第二轴向，所述第一倾斜反射面相对于所述激光束入射其的方向倾斜，且所述第二倾斜反射面相对于所述激光束从其出射的方向倾斜。
3.根据权利要求2所述的激光稳源系统，其特征在于，所述第一轴向与所述第二轴向彼此垂直。
4.根据权利要求2所述的激光稳源系统，其特征在于，所述光束操控元件还包括马达，且所述第一棱镜与所述第二棱镜配置于所述马达中，以受所述马达控制方向与位置。
5.根据权利要求4所述的激光稳源系统，其特征在于，所述第一棱镜与所述第二棱镜是配置于单一的所述马达中，且所述单一的马达为能够控制4个自由度以上的马达。
6.根据权利要求2所述的激光稳源系统，其特征在于，所述第一棱镜还具有第三倾斜反射面，相对所述第一倾斜反射面倾斜，且平行于所述第一轴向，所述第二棱镜还具有第四倾斜反射面，相对于所述第二倾斜反射面倾斜，且平行于所述第二轴向，其中所述激光束依序被所述第一倾斜反射面、所述第三倾斜反射面、所述第二倾斜反射面及所述第四倾斜反射面反射，所述第三倾斜反射面相对于所述激光束入射其的方向倾斜，且所述第四倾斜反射面相对于所述激光束从其出射的方向倾斜。
7.根据权利要求2所述的激光稳源系统，其特征在于，所述光束操控元件还包括扩散片，配置于所述激光束的路径上，位于所述第一棱镜与所述第二棱镜的一侧，且用以扩散所述激光束。
8.根据权利要求7所述的激光稳源系统，其特征在于，所述光束操控元件还包括马达，所述第一棱镜与所述第二棱镜配置于所述马达中，以受所述马达控制方向与位置，且所述扩散片连接至所述马达，所述马达驱动所述扩散片旋转。
9.根据权利要求1所述的激光稳源系统，其特征在于，还包括控制器，电性连接至所述第一光侦测器、所述第二光侦测器及所述光束操控元件，且用以根据所述第一光侦测器测量到的所述第一部分光束在其上所形成的光点位置与所述第二光侦测器测量到的第三部分光束在其上所形成的光点位置，而计算出所述激光束所需补偿的角度与位置，并传递控制讯号至所述光束操控元件以使所述光束操控元件补偿所述激光束的所述角度与所述位置。
10.根据权利要求9所述的激光稳源系统，其特征在于，所述第一光侦测器与所述第二光侦测器皆为影像传感器。
11.一种激光源模块，其特征在于，包括：
激光源，用以发出激光束；
光束操控元件，配置于所述激光束的路径上，且用以对所述激光束的方向与位置作4个自由度以上的操控；
第一分光器，配置于来自所述光束操控元件的所述激光束的路径上，且用以将所述激光束分成第一部分光束与第二部分光束；
第一光侦测器，配置于所述第一部分光束的传递路径上；
第二分光器，配置于所述第二部分光束的传递路径上，且用以将所述第二部分光束分成第三部分光束与第四部分光束；以及
第二光侦测器，配置于所述第三部分光束的传递路径上。
12.根据权利要求11所述的激光源模块，其特征在于，所述光束操控元件包括：
第一棱镜，具有第一倾斜反射面；以及
第二棱镜，具有第二倾斜反射面，其中所述激光束依序被所述第一倾斜反射面与所述第二倾斜反射面反射，所述第一倾斜反射面平行于第一轴向，所述第二倾斜反射面平行于第二轴向，所述第一倾斜反射面相对于所述激光束入射其的方向倾斜，且所述第二倾斜反射面相对于所述激光束从其出射的方向倾斜。
13.根据权利要求12所述的激光源模块，其特征在于，所述第一轴向与所述第二轴向彼此垂直。
14.根据权利要求12所述的激光源模块，其特征在于，所述光束操控元件还包括马达，且所述第一棱镜与所述第二棱镜配置于所述马达中，以受所述马达控制方向与位置。
15.根据权利要求14所述的激光源模块，其特征在于，所述第一棱镜与所述第二棱镜是配置于单一的所述马达中，且所述单一的马达为能够控制4个自由度以上的马达。
16.根据权利要求12所述的激光源模块，其特征在于，所述第一棱镜还具有第三倾斜反射面，相对所述第一倾斜反射面倾斜，且平行于所述第一轴向，所述第二棱镜还具有第四倾斜反射面，相对于所述第二倾斜反射面倾斜，且平行于所述第二轴向，其中所述激光束依序被所述第一倾斜反射面、所述第三倾斜反射面、所述第二倾斜反射面及所述第四倾斜反射面反射，所述第三倾斜反射面相对于所述激光束入射其的方向倾斜，且所述第四倾斜反射面相对于所述激光束从其出射的方向倾斜。
17.根据权利要求12所述的激光源模块，其特征在于，所述光束操控元件还包括扩散片，配置于所述激光束的路径上，位于所述第一棱镜与所述第二棱镜的一侧，且用以扩散所述激光束。
18.根据权利要求17所述的激光源模块，其特征在于，所述光束操控元件还包括马达，所述第一棱镜与所述第二棱镜配置于所述马达中，以受所述马达控制方向与位置，且所述扩散片连接至所述马达，所述马达驱动所述扩散片旋转。
19.根据权利要求11所述的激光源模块，其特征在于，还包括控制器，电性连接至所述第一光侦测器、所述第二光侦测器及所述光束操控元件，且用以根据所述第一光侦测器测量到的所述第一部分光束在其上所形成的光点位置与所述第二光侦测器测量到的第三部分光束在其上所形成的光点位置，而计算出所述激光束所需补偿的角度与位置，并传递控制讯号至所述光束操控元件以使所述光束操控元件补偿所述激光束的所述角度与所述位置。
20.根据权利要求19所述的激光源模块，其特征在于，所述第一光侦测器与所述第二光侦测器皆为影像传感器。
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