高功率动态透镜的制作方法

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。

背景技术

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。

根据本发明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)。

技术实现要素：

本发明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，本发明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。本发明还提供了输出光束，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。代入本发明的动态透镜(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。代入本发明的动态透镜(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

将容易理解本发明的其他优点，因为当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，可以更好地理解本发明的其他优点，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13的1x0.5m中的158个部件的最大构建面积中的多个“空心轮”部件的透视图；

图15是具有大约75％面密度的“刚性推杆结构”部件的透视图；以及

图16是图15的“刚性推杆结构”部件的切片的俯视图。

具体实施方式

参照附图，其中，贯穿数个视图，相同的附图标记表示对应的部件，动态透镜20通常被示出用于在通常示出的目标24上投射多个不同的输出光束形状22。动态透镜20包括：激光二极管28的第一光源26，其以足够用于增材制造技术(诸如选择性层烧结(sls))的高功率和朝向目标24的路径32中的第一波长λ1生成第一光束30，如图1a所示，它可以是平面的并且横向于路径32设置。例如，第一光束30可以具有大约10kw或更大的功率。本发明的动态透镜可以与具有从100w至大于100kw的宽功率范围的第一光束30一起使用。目标24也可以是波状外形的，并且目标24中的一些或全部可以设置成与第一光束30的路径32成锐角或钝角。

控制器34生成对应于初始图案38的控制信号36，并且将控制信号36传输至投影仪40，投影仪40包括：第二光源42，其生成具有不同于第一波长λ1的第二波长λ2的第二光束44；以及空间光调制器46(slm)，其根据控制信号36将第二光束44形成为初始图案38。可以使用许多不同的装置在第二光束44中形成初始图案38，包括但不限于slm装置、lcd、led、预印透明胶片、阴极射线束、数字光处理(dlp)装置等。还可以包括诸如透镜和滤光器的附加光学组件。

如图2a、图2b所示，包括设置在玻璃的载体片54上的光敏单元52的透镜阵列50的聚焦面48折射第一光束30，其中折射的程度和方向响应于光敏单元52被具有第二波长λ2的第二光束44激发而变化。来自投影仪40的第二波长λ2的光的初始图案38使得透镜阵列50中的光敏单元52形成相位图案68，该相位图案68使穿过其中的第一光束30弯曲和聚焦以在目标24上形成输出光束形状22。例如可以在增材制造(“am”)应用中预定输出光束形状22，在增材制造应用中，输出光束形状22用于产生具有预定形状的部件，如图13至图16中所示的。例如，可以在快速原型增材制造中或在输出光束形状22用于焊接可能具有与聚焦面48不同的轮廓、距离和/或定向的部件的应用中动态地生成输出光束形状22。

如图1e所示，第一光源26可以包括：点源阵列，其具有生成第一光束30的一部分的点源中的每一个。例如，点源可以是单独的激光二极管28。点源可以根据投影图单独地被控制开/关或被改变强度，以使得点源中的每一个选择性地照射所述聚焦面的对应部分。微透镜29可以覆盖点源中的每一个，以聚焦和引导来自对应的点源的第一光束30的部分。

实际中，本公开内容的布置可以允许超出透镜阵列50的容量的输出光束形状22作用在引导至聚焦面48的整个框架上的全框架第一光束30上。例如，透镜阵列50可能不能将第一光束30从透镜阵列50的一个角部一直聚焦和引导至聚焦面48的相对角部。在这种情况下，照射整个聚焦面48的全框架第一光束30的部分可以被引导至期望的输出光束形状22之外的目标24的部分，在那里它们可能浪费能量并且它们可能引起其他有害影响，诸如使得目标24的不期望的部分熔融或者以其他方式产生不利影响。根据本公开内容的方面，可以根据投影图单独地控制第一光源26的部分，以抑制在目标24上不能被形成为期望的输出光束形状22的点源。控制器34可以生成可以根据期望的输出光束形状22和透镜阵列50的预定能力而变化的投影图，以将第一光束30聚焦和引导至目标24上的输出光束形状22。然后，可以根据投影图选择性地照射第一光源26内的各个点源或点源组，其中停止不能聚焦到期望的光束形状22上的点源。

光束组合器64(其可以是对光的不同波长λ1、λ2具有不同反射率的二向色镜)可以设置在第一光源26与聚焦面48之间并且以偏转角66设置，用于将第二光束44从投影仪40引导至聚焦面48上并且允许来自第一光源26的第一光束30穿过至聚焦面48。换句话说，光束组合器64将第一光束30与第二光束44组合在一起，其中组合的光束30、44然后被引导至聚焦面48。例如，偏转角66可以是距第一光束30的路径32的45度。偏转角66可以根据第一光束30和第二光束44之间的相对角度而变化。

如图4至图6所示，光敏单元52中的每一个包括：至少一个液晶分子56，其与由柔性烃的间隔链60连接至设置在载体片54上的聚合物材料的光控取向(photoalignment)层62的偶氮苯的至少一个光反应基团58相邻。光敏单元52的光反应基团58响应于在第二波长λ2下的光能而经历从第一分子形状70到第二分子形状72的可逆变化。具体地，处于第一分子形状70的光反应基团58使得液晶分子56中的相邻液晶分子处于第一定向74，并且处于第二分子形状72的光反应基团58使得液晶分子56中的相邻液晶分子具有不同于第一定向74的第二定向76。液晶分子56的不同定向74、76使得光敏单元52呈现具有不同值的范围或梯度的不同折射率。光敏单元52的光反应基团58可以响应于诸如可见光的与第二波长λ2不同的波长下的光能而改变回到第一份子形状。由此，这种在光反应基团58的分子形状中的往回变化重置相应的光敏单元52的折射率。投影仪40可以提供在与第二波长λ2不同的波长下的光能以执行这种重置功能。还可以使用附加光源来执行重置功能。

因此，每个光敏单元52的折射率78根据初始图案38而变化，以限定透镜阵列50中的相位图案68，以便弯曲和聚焦第一光束30以在目标24上形成限定输出光束形状22的第三光束69。因为透镜阵列50聚焦第一光束30以形成输出光束形状22而不是遮掩或过滤第一光束30的一部分，如在现有技术中所做的，所以基本上所有的第一光束30以第三光束69的形式被传输至目标24。

本主题发明还包括操作动态透镜20以生成输出光束形状22的方法。方法包括通过第一光源26生成具有第一波长λ1的第一光束30的第一步骤。方法的第二步骤是针对对应于期望的输出光束形状22的初始图案38由控制器34生成控制信号36。下一步骤是控制器34将控制信号36传输至投影仪40。方法的第四步骤是第二光源42生成具有不同于第一波长λ1的第二波长λ2的第二光束44。第五步骤是投影仪40的空间光调制器46根据控制信号36将第二光束44形成为初始图案38。方法中的下一步骤是投影仪40投射具有第二波长λ2的光作为第二光束44，具有第二波长λ2的光具有初始图案38。光束组合器64执行利用初始图案38将第二光束44反射到透镜阵列50上的第七步骤。光束组合器64还执行将第一光束30从第一光源26传输至透镜阵列50上的第八步骤。第七步骤和第八步骤一起包括“组合”第一光束30和第二光束44的更宽的步骤。方法包括第九步骤，在第九步骤中，根据初始图案38调整透镜阵列50的光敏单元52中的每一个的折射率78，以在透镜阵列50中产生相位图案68。方法以透镜阵列50执行第十步骤而结束，该第十步骤根据相位图案68聚焦和引导第一光束30，以在目标24上形成限定输出光束形状22的第三光束69。

动态透镜20可以与诸如在marshall等人的“computationalchemistrymodelinganddesignofphotoswitchablealignmentmaterialsforopticallyaddressableliquidcrystaldevices.”142llereviewat151(2015)和/或美国专利申请公布第2014/0252687号中公开的类型的自适应掩模结合使用。在这种情况下，自适应掩模可以用于进一步解决目标24上的输出光束形状22。

两个或更多个动态透镜20可以串联组合以进一步解决目标24上的输出光束形状22。

显然，鉴于上述教导，本发明的许多修改和变化是可能的，并且可以在所附权利要求的范围内以不同于具体描述的方式实施。这些先行的叙述应该被解释为涵盖本发明的新颖性发挥其效用的任何组合。在装置权利要求中使用词语“所述”指的是意在包括在权利要求的覆盖范围中的肯定叙述的先行词，而词语前的定冠词(“the”)并不意味着包括在该权利要求的覆盖范围内。