高功率动态透镜制造技术

一种用于投射不同输出光束形状的动态透镜包括：生成朝向目标的第一光束的激光二极管的第一光源。投影仪生成具有与第一光束不同的波长的第二光束。光束组合器将第一光束与第二光束组合在一起，并且将组合的光束引导至包括透镜阵列的聚焦面，以将第一光束聚焦成在目标上的输出光束形状。透镜阵列包括多个光敏单元，所述多个光敏单元包括响应于来自第二光束的光能而改变分子形状的至少一个光反应基团，从而改变相邻液晶分子的定向，这进而改变光敏单元的折射率。还公开了一种操作动态透镜以生成输出光束形状的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高功率动态透镜相关申请的交叉引用本PCT专利申请要求于2016年4月12日提交的美国临时专利申请序列第62/321,300号的权益和优先权，该申请的全部公开内容被认为是本申请的公开内容的一部分，并且通过引用并入本文。
用于在目标上投射不同的输出光束形状的动态透镜。
技术介绍
透镜被用于各种应用中，包括用于诸如焊接和增材制造(“AM”)的应用的在目标上将高功率光束形成为输出光束形状。这种透镜必须能够在透镜的整个寿命期间承受通过大量的周期或脉冲对高功率光束的暴露。动态型透镜能够改变以将光束形成为不同的形状。到目前为止，动态透镜还不适用于高功率应用，因为可用的动态透镜具有所需的电极或其他易碎材料，其被穿过其中的高功率光束损坏。近来，在采用“用于在指定的图像平面上投射预定义的焦散图像的相位调制图案”的可编程自由形态(即动态)透镜的领域中取得了进步。在Damberg等人的“EfficientFreeformLensOptimizationforComputationalCausticDisplays.”OpticsExpress23.8(2015年4月13日发表)中公开了这样一种可编程自由形态透镜布置。迄今已知的动态透镜(包括在Damberg等人文章中公开的那些动态透镜)采用了诸如用于视频投影仪的空间光调制器(SLM)装置的传统的基于硅上液晶(LCOS)的技术，使得它们不适用于高功率应用。近来开发了可以使用光敏液晶将高功率光束形成为不同的输出形状的自适应掩模。例如，参见Marshall等人的“ComputationalChemistryModelingandDesignofPhotoswitchableAlignmentMaterialsforOpticallyAddressableLiquidCrystalDevices.”142LLEReviewat151(2015)。美国专利申请公布第2014/0252687号(2014年9月11号)公开了一种用于利用掩模来执行增材制造(“AM”)的系统，该系统使用液晶来修改高功率光束的一部分的偏振，然后由偏振镜对其进行掩膜，使剩余部分穿过基板目标。因为高功率光束的一部分从目标中被遮掩而由此不能用于使用自适应掩模的系统中的有用功，所以仍然需要能够将基本上所有穿过其中的高功率光束形成为目标上的输出光束形状的自适应透镜。根据本专利技术的动态透镜在透镜阵列的尺寸的限制内允许尺寸变化的目标或框架。动态透镜还允许取决于框架尺寸的可变功率密度。这意味着框架尺寸可能随着部件密度的降低而增加。此外，与采用自适应掩模的系统不同，使用动态透镜的AM系统的构建速率不依赖于部件密度(框架利用率)。
技术实现思路
本专利技术提供了一种用于在目标上投射不同的输出光束形状的动态透镜。动态透镜包括生成在第一波长下的第一光束的第一光源。包括第二光源的投影仪生成具有不同于第一波长的第二波长的第二光束，并且将第二光束形成为初始图案。动态透镜还包括：聚焦面，其包括：光敏单元的透镜阵列，用于响应于通过具有第二波长的第二光束的刺激而折射第一光束；以及光束组合器，用于组合第一光束与第二光束，并且将组合的光束引导至聚焦面上。聚焦面包括光敏单元的透镜阵列，该透镜阵列根据初始图案响应于通过具有第二波长的第二光束的刺激而形成相位图案，以在目标上将第一光束形成为输出光束形状。因此，本专利技术在其最广泛的方面提供了可动态调节的输出光束形状，意味着可以快速改变其形状和焦点。本专利技术还提供了输出光束，其中基本上所有的第一光束被传输至目标。这是对现有技术“掩模”型光束形成器的改进，现有技术“掩模”型光束形成器遮掩或引导第一光束的一部分离开目标以便产生期望的光束形状。如表1所示，使用掩模光束形成器来制造具有大约18％面密度的示例“空心轮”结构的增材制造过程每层需要花费22s。代入本专利技术的动态透镜(其将基本上所有的高功率第一光束引导到目标)，增材制造过程可以在5.122s内制造相同的层。这是大约四(4)倍的改进。表1-空心轮结构～18％部件面密度如表2所示，使用掩模光束形成器来制造具有大约75％面密度的示例“刚性推杆”结构的增材制造过程每层需要花费4.4s。代入本专利技术的动态透镜(其将基本上所有的高功率第一光束引导至目标)，增材制造过程可以在3.62s内制造相同的层，提升了20％。表2-刚性推杆结构～75％部件面密度可以设想用于可以将基本上所有的高功率光束形成为期望的光束形状的高功率动态透镜的许多应用。一些此类应用为：塑料和复合焊接、金属焊接、用于注塑模具的保形冷却、用于热冲压模具的保形冷却、金属表面处理(即抛光、回火、部件退火、激光喷丸)、原型设计、用于轻质结构组件的低中等产量替换过程(即铸造；复合材料)。这种高功率动态透镜可以应用于许多行业，包括：例如机动车、航空航天生产(支架、喷嘴、泵壳等)、军事(现场维修/服务)、医疗植入物以及原型设计。附图说明将容易理解本专利技术的其他优点，因为当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，可以更好地理解本专利技术的其他优点，在附图中：图1A是根据本公开内容的动态透镜的示意图；图1B是图1A的示意图的剖视图，其示出在部分1B-1B处的第一光束；图1C是图1A的示意图的剖视图，其示出由透镜阵列对第一光束进行变换以形成输出光束形状的表示；图1D是图1A的示意图的剖视图，其示出在部分1D-1D处限定输出光束形状的第三光束；图1E是激光二极管阵列的正视图；图2A是透镜阵列中的光敏单元的剖面示意图，该透镜阵列使穿过其中的光束弯曲；图2B是透镜阵列中的光敏单元的剖面示意图，该透镜阵列使穿过其中的光束弯曲；图3是根据本公开内容的动态透镜的部分的框图；图4是光敏单元的布置的示意图；图5是光敏单元的可替选布置的示意图；图6是在两种不同构型中的偶氮苯分子的图；图7是现有技术中已知类型的自适应掩模的示意图；图8是现有技术中已知类型的自适应掩模的另一示意图；图9是在Damberg等人的“EfficientFreeformLensOptimizationforComputationalCausticDisplays.”OpticsExpress23.8(2015年4月13日发表)中示出的相位图案的示例；图10是在Damberg等人的“EfficientFreeformLensOptimizationforComputationalCausticDisplays.”OpticsExpress23.8(2015年4月13日发表)中示出的由根据图9的相位图案聚焦的光束形成的输出光束形状；图11是如在现有技术美国专利申请公布第2014/0252687号(2014年9月11号)公开的“SystemforPerformingAdditiveManufacturing(‘AM’)FabricationProcessUsingaHigh-PowerDiodeArrayandaMask,”的示意图；图12是如在现有技术美国专利申请公布第2014/0252687号(2014年9月11号)公开的图11“示出来自二极管阵列的光线的一部分如何在制造过程期间被偏振镜反射以防止它们到达基板”的系统的示意图；图13是具有大约18％面密度的“空心轮”部件的透视图；图14是图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在目标上投射输出光束形状的动态透镜，所述动态透镜包括：第一光源，其生成具有第一波长的第一光束，投影仪，其包括第二光源，所述第二光源生成具有与所述第一波长不同的第二波长的第二光束并且将所述第二光束形成为初始图案，聚焦面，其包括：光敏单元的透镜阵列，用于响应于具有所述第二波长的所述第二光束的刺激而折射所述第一光束，来自所述投影仪的所述第二波长光的所述初始图案使所述光敏单元的所述透镜阵列形成相位图案，以弯曲和聚焦所述第一光束，从而在所述目标上形成所述输出光束形状。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.12 US 62/321,3001.一种用于在目标上投射输出光束形状的动态透镜，所述动态透镜包括：第一光源，其生成具有第一波长的第一光束，投影仪，其包括第二光源，所述第二光源生成具有与所述第一波长不同的第二波长的第二光束并且将所述第二光束形成为初始图案，聚焦面，其包括：光敏单元的透镜阵列，用于响应于具有所述第二波长的所述第二光束的刺激而折射所述第一光束，来自所述投影仪的所述第二波长光的所述初始图案使所述光敏单元的所述透镜阵列形成相位图案，以弯曲和聚焦所述第一光束，从而在所述目标上形成所述输出光束形状。2.根据权利要求1所述的动态透镜，其中，基本上所有的所述第一光束以所述第三光束的形式传输至所述目标。3.根据权利要求1所述的动态透镜，还包括：光束组合器，用于将来自所述投影仪的所述第二光束引导至所述聚焦面上，并且将所述第一光束传递至所述聚焦面上。4.根据权利要求1所述的动态透镜，其中，所述第一光源包括多个激光二极管。5.根据权利要求1所述的动态透镜，其中，所述第一光束具有至少约10kW的高功率。6.根据权利要求1所述的动态透镜，还包括：控制器，其生成对应于所述初始图案的控制信号，并且被配置成向所述投影仪传输所述控制信号。7.根据权利要求6所述的动态透镜，其中，所述投影仪包括：空间光调制器，其根据所述控制信号将所述第二光束形成为所述初始图案。8.根据权利要求1所述的动态透镜，其中，所述聚焦面包括：光敏单元的透镜阵列，其设置在载体片上，并且响应于具有所述第二波长的所述第二光束的刺激而可变地折射所述第一光束，其中，所述光敏单元中的每一个包括至少一个液晶分子，所述至少一个液晶分子与连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：托德·德亚维尔，维托·阿巴特，
申请(专利权)人：麦格纳国际公司，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA