TWI449976B - 用於傳輸雷射束之系統、雷射超音波系統及判定ㄧ工件之特性之方法 - Google Patents

Description

用於傳輸雷射束之系統、雷射超音波系統及判定一工件之特性之方法

本發明係關於用於傳輸雷射束之傳輸系統。

雷射超音波檢測，特別是用於航太工業複合材料之檢測者，可能需要將一系統定位於一特定位置且相距待測物某一距離。有些時候待測物之複雜性會因檢測頭太大而使檢測頭難以定位，主要是因為雷射產生部位尺寸之緣故。當待測物需要從內部(或凹部)檢測時，此問題(檢測頭難以定位)將更為嚴重。另外的問題是，雷射產生部位在極高能量下操作。

上述問題之解決包含：隨著檢測頭移動雷射產生部位，或將雷射產生部位置於一起重裝置上，並經由其z軸自由地送出該雷射束。這兩種方法各有限制，例如，在前一種方法中，雷射產生部位可能很龐大，需要巨大的機械手臂將其移動，然仍僅能有限地接近該複雜處。在後一種方法中，需要昂貴的起重裝置，而仍僅能使該雷射超音波有限地接近待測物。

本發明提供一種傳輸雷射束之系統，包含：雷射束源、一可操作地耦接至該雷射束源之第一透鏡總成以接受來自該雷射束源之雷射束並聚焦該雷射束、及一第一空心波導，該第一空心波導具有耦接至該第一透鏡總成之輸出端之第一端以接受該聚焦之雷射束。一光纖之第一端耦接至 該第一空心波導之第二端以在該雷射束通過該空心波導之後接受該雷射束、一第二空心波導具有耦接至該光纖之第二端之第一端以接受來自該光纖之雷射束、及一第二透鏡總成，其具有可操作地耦接至第二空心波導之第一端。在此系統中，該第一空心波導之長度及該第一透鏡總成之焦距可被選擇而使得進入該第一波導之雷射束之直徑大於該光纖之外徑，且該第二空心波導之長度可被選擇而使該雷射束之直徑在其由該第二空心波導發出時大於該光纖之外徑。

在某些實施例中，雷射束源可包含波長為3至5微米之雷射束，且該第一及第二空心波導中之至少之一的折射率可與該光纖之折射率大約相同。另外，該第一及第二空心波導之至少之一之長度為該第一及第二透鏡總成之至少之一之焦距之5至100倍。再者，本發明之系統可進一步包含一運動控制系統，可操作地耦接至該第二空心波導及該第二透鏡總成，以可控制地將該第二空心波導及該第二透鏡相對於一工件移動。

本發明之另一實施例提供一種由一雷射束源傳輸一雷射束至一工件之方法。該方法包含下列步驟：使用一第一透鏡總成將該雷射束聚焦，接著將該雷射束由該第一透鏡總成傳輸至且通過一第一空心波導，接著將該雷射束由該第一空心波導傳輸至且通過一光纖，及選擇該第一空心波導之長度及該第一透鏡總成之焦距，使得進入該第一波導之雷射束直徑大於該光纖之外徑。該方法進一步包含下列步 驟：將該雷射束傳輸出該光纖並進入且通過一第二空心波導，接著使用一第二透鏡總成將在該雷射束由該第二空心波導通過時聚焦，並選擇該第二空心波導之長度使得該雷射束由該第二空心波導射出時，該雷射束之直徑大於該光纖之外徑。

在某些實施例中，該雷射源可包含波長為3至5毫米之雷射束源，且該第一及第二空心波導中至少之一之折射率可與該光纖之折射率相同。再者，該第一及第二空心波導之至少之一之長度可為該第一及第二透鏡總成之至少之一之焦聚之5至100倍。又，該方法包含可控制地將該第二空心波導及該第二透鏡總成相對於一工件移動。

又其他本發明之實施例提供一種雷射超音波系統，包含：一雷射束源、一可操作地耦接至該雷射束源之第一透鏡總成、一可操作地耦接至該第一透鏡總成之第一空心波導、及耦接至該第一空心波導之光纖之一端。該系統亦包含耦接至該光纖之另一端之一第二空心波導、可操作地耦接至該第二空心波導之一第二鏡總成，及一運動控制系統，其可操作地耦接至該第二空心波導及該第二透鏡總成以可控制地將該第二空心波導及該第二透鏡總成相對於一工件定位。一光學偵測系統被配置於接近該工件以偵測由該工件反射之光能，且一控制器可操作地耦合至該雷射源、該運動控制系統、及該光學偵測系統及用於處理由該工件反射之光能以判定一或多個該工件之特徵。

在某些實施例中，雷射束源可包含波長為3至5微米之雷 射束，且該第一及第二空心波導中之至少之一的折射率可與該光纖之折射率大約相同。另外，該第一及第二空心波導之至少之一之長度為該第一及第二透鏡總成之至少之一之焦距之5至100倍。

本發明之另一實施例提供一種判定一工件之一或多個特徵，包含：產生一雷射束、使用一第一透鏡總成將該雷射束聚焦、接著將該雷射束傳輸至及通過一第一空心波導、接著將該雷射束傳輸至及通過一光纖之一端。另外，該方法包含將該雷射束傳輸該光纖之另一端，接著將該雷射傳輸至及通過一第二空心波導，接著使用一第二透鏡總成將該雷射束聚焦。再者，該方法包含：可控制地將該第二空心波導及該第二透鏡總成相對於該工件移動，以該雷射束衝擊該工件之一或多個表面、監視由該工件之一或多個表面反射之該雷射束、及處理該受監視之反射以判定該工件之一或多個特徵。

在某些實施例中，雷射束源可包含波長為3至5微米之雷射束，且該第一及第二空心波導中之至少之一的折射率可與該光纖之折射率大約相同。另外，該第一及第二空心波導之至少之一之長度為該第一及第二透鏡總成之至少之一之焦距之5至100倍。再者，本發明之系統可進一步包含一運動控制系統，可操作地耦接至該第二空心波導及該第二透鏡總成，以可控制地將該第二空心波導及該第二透鏡相對於一工件移動。

在以下圖式及描述中，在說明書及圖式各處，相同部分係分別用相同之參考數字標記。該等圖式不必按比例繪製。可將本發明之一些特徵顯示為按比例擴大或為某種示意性形式且為了清晰簡明，可能未繪示習知元件的一些細節。本發明易用於不同形式之實施例。在瞭解了本揭示內容將視為本發明之原理之一例示，且不希望其將本發明限制於本文中之繪示及描述之條件下，詳細描述多個特定實施例且繪示於圖式中。應完全認可以下討論之實施例之不同教示可分開利用或以任何適當組合利用以產生所需結果。對於熟悉此項技術者，根據閱讀以下實施例之詳細描述並藉由參考附圖，以上提及之各種特性及在下文更詳細描述之其他特徵及特性將係顯而易見的。

首先參考圖1，雷射傳輸系統100之一例示性實施例包含一雷射束源102，其具有可操作地耦接至一透鏡總成104之輸入的一輸出。該透鏡總成104之輸出係可操作地耦接至一第一空心波導106之輸入。該第一空心波導106之輸出被耦接至一光纖108的一端。光纖108的另一端被耦接至一第二空心波導110之輸入。該第二空心波導110之輸出被可操作地耦接至一透鏡總成112之輸入。

在一例示性實施例中，該雷射束源102可係一習知雷射束源，舉例而言，諸如可產生在紅外線區域之中間範圍內(例如在3微米到5微米範圍內)之波長的一雷射束。在一例示性實施例中，該等透鏡總成104及112可為適合聚焦一雷射束之習知透鏡總成。在一例示性實施例中，該等空心波 導106及110可係習知空心波導，舉例而言，諸如金屬、塑膠及玻璃空心波導。在一例示性實施例中，該等空心波導106及110之直徑明顯大於光纖108之直徑。在一例示性實施例中，該等空心波導106及110之直徑大於分別相對於透鏡總成104及112相反地安置之空心波導的末端之射束102a的直徑，將空心波導之長度及光纖108之數值孔徑及直徑納入考量。在一例示性實施例中，空心波導106及110之長度在很大程度上與透鏡總成104及112之焦距相關，使得該雷射束102a之直徑在空心波導之末端比在光纖108之末端的大很多。

在一例示性實施例中，在系統100操作期間，該雷射束源102產生一雷射束102a，接著藉由透鏡總成104聚焦該雷射束102a。經聚焦之雷射束102a接著行進進入空心波導106並進入且穿過光纖108之末端。在光纖108末端之另一端，該雷射束102a出射並行進進入且穿過空心波導110。隨著該雷射束102a行進穿過並穿出空心波導，該雷射束傳播且接著藉由透鏡總成112聚焦。

現在參考圖2，在一例示性實施例中，該系統100被併入於一雷射超音波系統200中，其中空心波導110及透鏡總成112係可操作地耦接至一運動控制系統202以相對於一工件204可控制地移動空心波導及透鏡總成。亦提供一習知光學偵測系統206緊鄰於工件204，該光學偵測系統206係可操作地耦接至一系統控制器208。在一例示性實施例中，該運動控制系統202可包含如一機械臂。

在一例示性實施例中，在雷射超音波系統200操作期間，系統100係由系統控制器208操作以使雷射束102a聚焦至工件204之表面上。在一例示性實施例中，在系統200操作期間，該運動控制系統202可經操作以相對於工件204之一個或多個外表面將空心波導110及透鏡總成112安置及定位。由工件204之外表面反射之光能量接著由光學偵測系統206偵測，並由系統控制器208按一已熟知之方式處理以檢驗工件204。將雷射束能量用於一工件之雷射超音波檢驗的設計及操作被認為是對一般技術者所熟知的。

應瞭解在不脫離本發明之範疇下可在上文中做出變化。此外，空間參考僅用於圖解說明之目的且不限制上述結構之特定方向或位置。雖然已繪示及描述特定實施例，在不脫離本發明之精神或教示下可由熟悉此項技術者進行修改。所描述之該等實施例僅為例示性且不具限制性。在本發明範圍內可有許多變化及修改。相應地，保護範圍並不限於所描述之實施例，但僅由以下請求項限制，其中該範圍應包含該等請求項之標的的所有均等物。

100‧‧‧雷射傳輸系統

102‧‧‧雷射束源

102a‧‧‧雷射束

104‧‧‧透鏡總成

106‧‧‧第一空心波導

108‧‧‧光纖

110‧‧‧第二空心波導

112‧‧‧透鏡總成

200‧‧‧雷射超音波系統

202‧‧‧運動控制系統

204‧‧‧工件

206‧‧‧光學偵測系統

208‧‧‧系統控制器

圖1係一雷射傳輸系統之例示性實施例之一示意性圖解；及圖2係一併入於圖1之雷射傳輸系統中之雷射超音波偵測系統之例示性實施例之一示意性圖解。

100‧‧‧雷射傳輸系統

102‧‧‧雷射束源

102a‧‧‧雷射束

104‧‧‧透鏡總成

106‧‧‧第一空心波導

108‧‧‧光纖

110‧‧‧第二空心波導

112‧‧‧透鏡總成

Claims (19)

1. 一種用於傳輸雷射束之系統，其包括：一雷射束源；一第一透鏡總成，其係可操作地耦接至該雷射束源以接受來自該雷射束源之雷射束及將該雷射束聚焦；一第一空心波導，其具有可操作地耦接至該第一透鏡總成之輸出之一第一末端以接受該聚焦之雷射束；一光纖之一第一末端，其耦接至該第一空心波導之一第二末端以在該雷射束通過該空心波導之後接受該雷射束；一第二空心波導，其具有耦接至該光纖之一第二末端之一第一末端以接受來自該光纖之雷射束；及一第二透鏡總成，其具有可操作地耦接至該第二空心波導之一第一末端；其中該第一空心波導之長度及該第一透鏡總成之焦距被選擇而使得進入該第一波導之雷射束直徑大於該光纖外徑；及該第二空心波導之長度被選擇而使該雷射束之直徑由該第二空心波導傳輸出時大於該光纖之外徑。
2. 如請求項1之系統，其中該雷射束源包括一雷射束源，其具有在3微米到5微米範圍內之波長。
3. 如請求項1之系統，其中該第一空心波導及該第二空心波導之至少一者的一折射率大約相同於該光纖之一折射率。
4. 如請求項1之系統，其中該第一空心波導及該第二空心波導之至少一者的一長度範圍係該第一透鏡總成及該第二透鏡總成之至少一者的一焦距之約5到100倍。
5. 如請求項1之系統，其進一步包括一運動控制系統，該運動控制系統係可操作地耦接至該第二空心波導及該第二透鏡總成，以用於使該第二空心波導及該第二透鏡總成相對於一工件可控制地位移。
6. 一種用於從一雷射束源傳輸一雷射束至一工件之方法，其包括：使用一第一透鏡總成聚焦該雷射束；接著使該雷射束由該第一透鏡總成傳入並穿過一第一空心波導；接著使該雷射束由該第一空心波導傳入並穿過一光纖，並選擇該第一空心波導之長度及該第一透鏡總成之焦距，使得進入該第一空心波導之雷射束之直徑大於該光纖之外徑；接著使該雷射束從該光纖傳出，再進入並通過一第二空心波導；及接著使用一第二透鏡總成在該雷射束通過該第二空心波導時聚焦該雷射束，及選擇該第二空心波導之長度使得該雷射束之直徑在其由該第二空心波導傳輸出時大於該光纖之外徑。
7. 如請求項6之方法，其中該雷射束源包括一雷射束源，其具有在3微米到5微米範圍內之波長。
8. 如請求項6之方法，其中該第一空心波導及該第二空心波導之至少一者的一折射率大約相同於該光纖之一折射率。
9. 如請求項6之方法，其中該第一空心波導及該第二空心波導之至少一者的一長度範圍係該第一透鏡總成及該第二透鏡總成之至少一者的一焦距之約5到100倍。
10. 如請求項6之方法，其進一步包括使該第二空心波導及該第二透鏡總成相對於一工件可控制地位移。
11. 一雷射超音波系統，其包括：一雷射束源；一第一透鏡總成，其係可操作地耦接至該雷射束源；一第一空心波導，其係可操作地耦接至該第一透鏡總成；一光纖之一末端，其耦接至該第一空心波導；一第二空心波導，其耦接至該光纖之另一末端；一第二透鏡總成，其係可操作地耦接至該第二空心波導；一運動控制系統，其係可操作地耦接至該第二空心波導及該第二透鏡總成，以用於相對於一工件可控制地定位該第二空心波導及該第二透鏡總成；一光學偵測系統，其經定位為緊鄰於該工件，以偵測反射自該工件之光能量；及一控制器，其係可操作地耦接至該雷射束源、該運動控制系統及該光學偵測系統，用於控制該雷射束源、該 運動控制系統及該光學偵測系統的操作，及用於處理反射自該工件之光能量，以判定該工件之一或多項特性。
12. 如請求項11之系統，其中該雷射束源包括一雷射束源，其具有在3微米到5微米範圍內之波長。
13. 如請求項11之系統，其中該第一空心波導及該第二空心波導之至少一者的一折射率大約相同於該光纖之一折射率。
14. 如請求項11之系統，其中該第一空心波導及該第二空心波導之至少一者的一長度範圍係該第一透鏡總成及該第二透鏡總成之至少一者的一焦距之約5到100倍。
15. 一種判定一工件之一或多項特性之方法，其包括：產生一雷射束；使用一第一透鏡總成聚焦該雷射束；接著使該雷射束傳入並穿過一第一空心波導；接著使該雷射束傳入並穿過一光纖之一末端；接著使該雷射束從該光纖之一另一末端傳出；接著使該雷射傳入並穿過一第二空心波導；及接著使用一第二透鏡總成聚焦該雷射束；使該第二空心波導及該第二透鏡總成相對於該工件可控制地位移；用該雷射束照射該工件之一或多個表面；監測自該工件之一或多個表面的該雷射束之反射；及處理該等經監測之反射以判定該工件之一或多項特性。
16. 如請求項15之方法，其中該雷射束源包括一雷射束源，其具有在3微米到5微米範圍內之波長。
17. 如請求項15之方法，其中該第一空心波導及該第二空心波導之至少一者的一折射率大約相同於該光纖之一折射率。
18. 如請求項15之方法，其中該第一空心波導及該第二空心波導之至少一者的一長度範圍係該第一透鏡總成及該第二透鏡總成之至少一者的一焦距之約5到100倍。
19. 如請求項15之方法，其進一步包含使該第二空心波導及該第二透鏡總成相對於一工件可控制地位移。