TWI449977B - 用於傳輸雷射束之系統及方法 - Google Patents

Description

用於傳輸雷射束之系統及方法

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。

本發明提供一種系統以傳輸雷射束，該系統包含一雷射束源及可操作地耦接至該雷射束源之第一透鏡總成。該第一透鏡總成使得該雷射束源由在該第一透鏡總成出口之較大直徑會聚至一較小直徑。該系統進一步包含一第一光學傳輸塊，其可操作地耦接至該第一透鏡總成且具有平坦入 口及出口端以接受該雷射束。該第一光學傳輸塊使得該雷射束持續會聚為在該第一光學傳輸塊之出口之一較小直徑。再者，該系統包含一光纖之一入口端，其與該第一光學傳輸塊之出口端對接。該系統亦包含具有平坦之入口及出口端之一第二光學傳輸塊。該第二光學傳輸塊之入口端與該光纖之出口端對接。該第二光學傳輸塊使得該雷射束由在該第二光學傳輸塊之入口端之較小直徑發散至該第二光學傳輸塊出口端之較大直徑。該第一光學傳輸塊之直徑及該第二光學傳輸塊之直徑各自顯著地大於該第一光纖之直徑。該系統亦包含一第二透鏡總成，其可操作地耦接至該第二光學傳輸塊之出口端。該第二透鏡總成將該雷射束導離或導向一目標。

在某些實施例中，該第二透鏡總成調整該雷射束至一恒定的直徑。該第一光學傳輸塊及第二光學傳輸塊中至少之一者之折射率與該光纖之折射率大約相等。該第一及第二光學傳輸塊之直徑範圍大約為該光纖直徑之5至100倍。

在某些實施例中，該系統進一步包含一運動控制系統，其可操作地耦接至該第二光學傳輸塊。該運動控制系統亦可操作地耦接至該第二透鏡總成以可控制地將該第二光學傳輸塊及該第二透鏡總成相對於一工件移位。

在某些實施例中，該第一光學傳輸塊之長度被選定使得通過之該雷射束在該第一光學傳輸塊出口端會聚至不大於該光纖之直徑。該第二光學傳輸塊之長度被選定使得通過之該雷射束在該第二光學傳輸塊出口端發散至不大於該第 二光學傳輸塊之直徑。該雷射束在該第二透鏡總成出口端之恒定之直徑可大於該光纖之直徑。

本發明之其他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：a)提供第一及第二光學傳輸塊，每一傳輸塊具有一平坦入口端及一平坦出口端；b)將一光纖之入口端與該第一光學傳輸塊之出口端對接，及將該光纖之出口端與該第二光學傳輸塊之入口端對接，該光學傳輸塊每一者之直徑各自比該光纖之直徑大；c)使用一第一透鏡總成將該雷射束聚焦，使得該雷射束由在該第一透鏡總成出口之較大直徑會聚至在該第一光學傳輸塊入口端之較小直徑；d)然後，將該雷射束傳送入及通過該第一光學傳輸塊，使得該雷射束繼續在該第一光學傳輸塊內會聚；e)然後，將雷射束由該第一光學傳輸塊之出口端傳輸入並通過該光纖；f)然後，將該雷射束傳輸出該光纖之出口端而進入並通過該第二光學傳輸塊，該雷射束由在該第二光學傳輸塊入口端之一較小直徑發散至在該第二光學傳輸塊出口端之較大直徑；及g)使該雷射束繼續由該第二光學傳輸塊之出口端發散至該第二透鏡總成之入口，然後，利用該第二透鏡總成將該雷射束調整至一恒定之直徑。

在某些實施例中，該方法包含使用一雷射束源，其包含一波長範圍為3至5微米之雷射束源。在某些實施例中，該第一及第二光學傳輸塊至少之一者之折射率約與該光纖之折射率相同。該第一及第二光學傳輸塊之直徑可為該光纖 之直徑之5至100倍。

在某些實施例中，該方法進一步包含可控制地將該第二光學傳輸塊及該第二透鏡總成相對於一工件移位。該第一光學傳輸塊長度可被選定以使得通過之雷射束會聚在該第一光學傳輸塊出口端之直徑不大於該光纖之直徑。該第二光學傳輸塊之長度可被選定以使得通過之雷射束發散至在該第二光學傳輸塊出口端之直徑不大於該第二光學傳輸塊之直徑。該雷射束在該第二透鏡總成出口之恒定直徑可大於該光纖之直徑。

本發明之另外實施例提供用於傳輸雷射束之系統，其包含一雷射束源及可操作地耦接至該雷射束源之一第一透鏡總成。該第一透鏡總成由雷射束源接受一單獨之雷射束並使該雷射束成錐形地會聚。該系統進一步包含一第一光學傳輸塊，其具有可操作地耦接至該第一透鏡總成之一平坦端以接收該雷射束。該雷射束在該第一光學傳輸塊之入口端之直徑小於該第一透鏡總成之出口。該第一光學傳輸塊之直徑大於該雷射在該第一光學傳輸塊入口端之直徑，且該第一光學傳輸塊使得該雷射束繼續以相同的會聚率會聚至在該第一光學傳輸塊出口端之一較小直徑。該第一光學傳輸塊之出口端係平坦的。該系統進一步包含一光纖之入口端其與該第一光學傳輸塊之出口端對接。該光纖之直徑小於在雷射束源與該第一透鏡總成之間之雷射束之直徑。一第二光學傳輸塊具有一平坦入口端，其與該光纖之出口端對接。該第二光學傳輸塊使得該雷射束在該入口端之一 較小直徑發散至在該第二光學傳輸塊出口端之較大直徑，且該第二光學傳輸塊之出口端係平坦的。該第一光學傳輸塊之直徑及該第二光學傳輸塊之直徑各自大於該第一光纖之直徑。該系統進一步包含一第二透鏡總成，其可操作地耦接至該第二光學傳輸塊之出口端。該雷射束在該第二透鏡總成之入口之直徑大於其在該第二光學傳輸塊之出口端之直徑，且該第二透鏡總成調整該雷射束使其不再發散而至一大於該光纖直徑之恒定直徑。

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 一光學傳輸塊106之輸入。該光學傳輸塊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光學傳輸塊110之輸入。該光學傳輸塊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可為一習知雷射束源，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可為適於雷射束聚焦之習知透鏡總成。在一例示性實施例中，該等光學傳輸塊106及110可為由具有與光纖108相似之折射率且對於由雷射束源102產生之波長具有最小吸收之一材料組成的習知光學傳輸塊。在一例示性實施例中，可藉由習知方法，舉例而言，諸如接合、套接、熔化或任何其他能夠提供最小光學干擾之技術而耦接該等光學傳輸塊106及110之末端至光纖108之對應末端。在一例示性實施例中，該等光學傳輸塊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，該等光學傳輸塊106及110之直徑分別大於在相對於透鏡總成104及112相對地定位之該等光學傳輸塊之末端上之射束102a的直徑，將該等光學傳輸塊之長度及光纖108之數值孔徑及直徑納入考量。在一例示性實施例中，光學傳輸塊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之直徑在光學傳輸塊之末端比在光纖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接著行進進入光學傳輸塊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光學傳輸塊110。隨著該雷射束102a行進穿過並穿出光學傳輸塊110，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，其中光學傳輸塊110及透鏡總成112係可操作地耦接至一運動控制系統202以使該光學傳輸塊及透鏡總成可控制地相對於一工件204移動。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該光學傳輸塊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之設計及操作被認為是對一般技術者所熟知的。

在一例示性實施例中，該等光學傳輸塊106及110之直徑及長度係經選定使得在相對於透鏡總成104及112相反地定 位之該等光學傳輸塊之開口端處的束102a之直徑大約比光纖108之直徑大5到100倍。

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，空間參考僅用於說明之目的且不限制上述結構之特定方向或位置。雖然已顯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。許多變化及修改係可能的且係在本發明之範圍內。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之所有等效物。

102‧‧‧雷射束源

102a‧‧‧雷射束

104‧‧‧透鏡總成

106‧‧‧第一光學傳輸塊

108‧‧‧光纖

110‧‧‧第二光學傳輸塊

112‧‧‧透鏡總成

204‧‧‧工件

206‧‧‧光學探測系統

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之雷射傳輸系統之雷射超音波偵測系統中之例示性實施例之一示意性圖解。

102‧‧‧雷射束源

102a‧‧‧雷射束

104‧‧‧透鏡總成

106‧‧‧第一光學傳輸塊

108‧‧‧光纖

110‧‧‧第二光學傳輸塊

112‧‧‧透鏡總成

Claims (17)

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，該第一透鏡總成使該雷射束從該第一透鏡總成之出口處之較大直徑會聚至一較小直徑；一第一光學傳輸塊，其係可操作地耦接至該第一透鏡總成且具有平坦之入口端及出口端以接收該雷射束，該第一光學傳輸塊使該雷射束在該第一光學傳輸塊之一出口持續會聚至一較小直徑；一光纖之入口端，其實體地鄰接及耦接至該第一光學傳輸塊之該出口端；一第二光學傳輸塊，其具有一平坦之入口端及出口端，該第二光學傳輸塊之入口端實體地鄰接及耦接至該光纖之出口端，該第二光學傳輸塊使該雷射束在該第二光學傳輸塊之入口端由一較小之直徑發散至在該第二光學傳輸塊之出口端之一較大直徑；其中該第一光學傳輸塊之直徑及該該第二光學傳輸塊之直徑各自顯著大於該第一光纖之直徑；及一第二透鏡總成，其係可操作地耦接至該第二光學傳輸塊之出口端，該第二透鏡總成將該雷射束導向至一目標。
2. 如請求項1之系統，其中該第二透鏡總成對該雷射束校準至一恒定直徑。
3. 如請求項1之系統，其中該第一光學傳輸塊及該第二光學傳輸塊之至少一者之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，其中該第一光學傳輸塊及該第二光學傳輸塊之直徑範圍大約比該光纖之直徑大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，該運動控制系統可操作地耦接至該第二光學傳輸塊及該第二透鏡總成，用以使該第二光學傳輸塊及該第二透鏡總成可控制地相對於一工件位移。
6. 如請求項1之系統，其中該第一光學傳輸塊具有一長度，該長度被選擇而使得通過之雷射束在該第一光學傳輸塊之出口端會聚至不大於該光纖直徑之一直徑。
7. 如請求項1之系統，其中第二光學傳輸塊具有一長度，該長度被選擇而使得通過之雷射束在該第二光學傳輸塊之出口端發散至不大於該第二光學傳輸塊直徑之一直徑。
8. 如請求項1之系統，其中在該第二透鏡總成之一出口之恒定直徑大於該光纖之直徑。
9. 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：提供第一及第二光學傳輸塊，該各光學傳輸塊具有一平坦入口端及一平坦出口端；將一光纖之入口端連接至該第一光學傳輸塊之出口端且將一光纖之出口端連接至該第二光學傳輸塊之入口 端，該各光學傳輸塊之直徑大於該光纖；使用一第一透鏡總成聚焦該雷射束使該雷射束在該第一透鏡總成之出口由一較大直徑會聚至在該第一光學傳輸塊入口端之較小直徑；接著使該雷射束傳入並穿過該第一光學傳輸塊，使該雷射束持續在該第一光學傳輸塊內會聚；接著將該雷射束由該第一光學傳輸塊出口端傳入並穿過該光纖；接著使該雷射束從該光纖之出口端傳出，且傳入並穿過該第二光學傳輸塊，該雷射束在該第二光學傳輸塊入口端由一較小直徑發散至在該第二光學傳輸塊出口端之一較大直徑；及使該雷射束持續由該第二光學傳輸塊之出口端發散至一第二透鏡總成之一入口，接著使用該第二透鏡總成校準該雷射束至一恒定直徑。
10. 如請求項9之方法，其中該雷射束源包括具有在3微米到5微米範圍內之波長之一雷射束源。
11. 如請求項9之方法，其中該第一光學傳輸塊及該第二光學傳輸塊之至少一者的一折射率大約相同於該光纖之一折射率。
12. 如請求項9之方法，其中該第一光學傳輸塊及該第二光學傳輸塊之直徑範圍大約比該光纖之直徑大5到100倍。
13. 如請求項9之方法，其進一步包括使該第二光學傳輸塊及該第二透鏡總成可控制地相對於一工件位移。
14. 如請求項9之方法，其中該第一光學傳輸塊具有一長度，該長度被選擇而使得通過之雷射束在該第一光學傳輸塊之出口端會聚至一直徑，其不大於該光纖之直徑。
15. 如請求項9之方法，其中第二光學傳輸塊具有一長度，該長度被選擇而使得通過之雷射束在該第二光學傳輸塊之出口端發散至一直徑，其不大於該第二光學傳輸塊之直徑。
16. 如請求項9之方法，其中在該第二透鏡總成之一出口之恒定直徑大於該光纖之直徑。
17. 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，該第一透鏡總成由該雷射束源接收單一雷射束且使該雷射束呈圓錐狀會聚；一第一光學傳輸塊，其具有光學地耦接至該第一透鏡總成之一平坦入口端以接收該雷射束，該雷射束在該第一光學傳輸塊之入口端之直徑小於該第一透鏡總成出口端之直徑，該第一光學傳輸塊之直徑大於在該第一光學傳輸塊入口端之雷射束之直徑，該第一光學傳輸塊使該雷射束在該第一光學傳輸塊之一出口持續以一相同之會聚率在該第一光學傳輸塊之一出口端會聚至一較小直徑，該第一光學傳輸塊之一出口端為平坦面；一光纖之入口端，其鄰接及耦接至該第一光學傳輸塊之該出口端，該光纖之直徑小於在雷射束源與該第一透 鏡總成之間之該雷射束之直徑；一第二光學傳輸塊，其具有一平坦之入口端，鄰接及耦接至該光纖之出口端，該第二光學傳輸塊使該雷射束在該第二光學傳輸塊之入口端由在入口端之一較小之直徑發散至在該第二光學傳輸塊之出口端之一較大直徑，該第二光學傳輸塊之出口端為平坦面；其中該第一光學傳輸塊之直徑及該第二光學傳輸塊之直徑各自大於該第一光纖之直徑；及一第二透鏡總成，其係以光學方式耦接至該第二光學傳輸塊之出口端，該雷射束在該第二透鏡總成入口之直徑大於在第二光學傳輸塊出口之直徑，該第二透鏡總成將該雷射束校準以免於發散至一大於該光纖之直徑之恒定直徑。