本发明公开了一种光束定向器，通常包括绕纵轴旋转的第一反射镜，其具有与纵轴呈锐角的反射面，使激光束能够沿纵轴传输并重新定向到通常垂直于纵轴的工作面上。第二固定弓形镜可用于沿工作面上的弓形路径反射光束。之前的光束定向系统可以通过以下方式进行改进或简化：1)消除对工作面具有90°反射的第二个镜片；2)当使用F‑theta类透镜绘制/渲染/烧结/切割时固定切线因子；3)通过控制能量的总量和/或其持续时间来固定切线因子。
反射镜，所述反射镜配置为沿其转动轴接收所述光源发出的光束，用于将光束以与转动轴成恒定角度反射到工作面上；
并且，所述反射镜能够沿着所述转动轴接收光束，并沿着相对于工作面的路径在反射镜的多个不同的角位置处将光束反射到工作面上，并在工作面上绘出一条垂直于转动轴的线；以及控制器，用于通过增加光源的功率来控制由光源传递到工作面的能量，功率的增加量等于与工作面未吸收的能量成比例的损失，该损失以E0*cos(角位置)量化，其中，角位置是光束与工作表面的法线之间的角度，E0是大约在光源焦点处的峰值功率。
2.根据权利要求1所述的光束定向器，其中，控制器能够在反射镜的角位置发生变化时增加反射镜将光束定向到工作面上的所需位置时需要消耗的时间，以至少部分地补偿能量的减少。
3.根据权利要求1所述的光束定向器，其中，控制器在反射镜的角位置发生变化时能够增加由激光在工作面上的所需位置上传递的功率，以补偿能量的减少。
4.根据权利要求1所述的光束定向器，其中，当反射镜的角位置发生变化时，控制器既能够增加激光在工作面上的所需位置上传递的功率，又能够增加反射镜将光束定向到工作面上的所需位置时所消耗的时间，以补偿能量的减少。
5.根据权利要求1所述的光束定向器，其中反射镜包括聚焦镜；所述光束定向器还包括用于调整反射镜和光源之间的距离的第一距离调节器。
6.根据权利要求1所述的光束定向器，其中反射镜包括离轴抛物线型。
7.根据权利要求1所述的光束定向器，还包括设置在反射镜和工作面之间的调焦透镜，所述调焦透镜用于在反射镜的角位置发生相等的变化时使光束射到工作面上的多个位置之间的距离相等。
8.根据权利要求1所述的光束定向器，还包括设置在反射镜和工作面之间的F-theta调焦透镜。
9.用于3D打印机的打印头，其包括根据权利要求1所述的光束定向器。
10.一种利用光束定向器将光束定向到工作面的方法，包括：利用光源产生光束；
沿着反射镜的转动轴，将光源产生的光束定向到反射镜；
利用反射镜以与转动轴成一定角度将光束朝向工作面反射；
其中，反射镜能够沿着平行于工作面的转动轴接收光束，并沿着相对于工作面的路径在反射镜的多个不同的角位置处将光束反射到工作面上，并在工作面上绘出一条垂直于转动轴的线；以及通过增加光源的功率来控制光源向工作面传递的能量，功率的增加量等于与工作面未吸收的能量成比例的损失，该损失以E0*cos(角位置)量化，其中，角位置是光束与工作表面的法线之间的角度，E0是大约在光源焦点处的峰值功率。
11.根据权利要求10所述的方法，其中控制步骤包括：当反射镜的角位置发生变化时，增加反射镜将光束定向到工作面上所需位置消耗的时间以补偿能量的减少。
12.根据权利要求10所述的方法，其中控制步骤包括：当反射镜的角位置发生变化时，增加激光在工作面上所需位置传递的能量以补偿能量的减少。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，控制步骤包括：当反射镜的角位置发生变化时，增加激光在工作面上所需位置上传递的能量，并增加反射镜将光束定向到工作面上所需位置消耗的时间，以补偿能量的减少。
14.根据权利要求10所述的方法，还包括调整激光和反射镜之间的距离以聚焦光束。
15.根据权利要求10所述的方法，其中所述反射镜包括离轴抛物线型。
16.根据权利要求10所述的方法，还包括设置在反射镜和工作面之间的调焦透镜，所述调焦透镜用于在反射镜的角位置发生相等的变化时使光束射到工作面上的多个位置之间的距离相等。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述调焦透镜包括F-theta透镜。
18.根据权利要求10所述的方法，还包括将光束定向器用作3D打印机的打印头。
光束操纵系统
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求2016年9月26日提交的、并已引入本文当中的美国专利申请62/399,691的优先权。
技术领域
[0003] 本发明涉及一种用于3D打印机的光束定向器，尤其是包括围绕水平轴旋转并沿水平轴接收光束的旋转反射镜。
背景技术
[0004] 传统的3D打印机，如已引入本文当中的由Bibas等人于2016年9月6日发布的美国专利号9,435,998公开的打印机，包括具有反射镜的光束定向器，其绕纵轴旋转并沿纵轴接收光束。因此，通常需要第二个反射镜将光束重新定向到工作面上。
发明内容
[0005] 本发明涉及一种光束定向器，其包括：
[0006] 用于产生光束的光源；
[0007] 反射镜，该反射镜配置为沿其转动轴接收光源发出的光束，以与转动轴成恒定角度将光束反射到工作面上；
[0008] 以及围绕转动轴转动反射镜的致动器；
[0009] 其中，转动轴平行于工作面；
[0010] 并且，反射镜能够沿着转动轴接收光束，并在反射镜的多个不同的角位置处沿着相对于工作面的路径将光束反射到工作面上，并在工作面上绘出一条垂直于转动轴的线。
附图说明
[0011] 图1示出了基于本发明实例的3-D打印机打印头的等距视图；
[0012] 图2示出了由图1的打印头定向的光线，示出了一个切线因子，其中尽管光束以反射角度相同的恒定运动旋转，但工作面上光线之间的距离在增加；
[0013] 图3示出了由图1的打印头定向的光线，示出了一个切线因子，其中当光束在相同角度下反射时不断旋转，工作面上的光斑形状在发生变化；
[0014] 图4示出了用于校正切线因子的第一个实例；
[0015] 图5示出了用于校正切线因子的第二个和第三个实例；
[0016] 图5B示出了用于校正切线因子的第四个实例；
[0017] 图6示出了用于校正切线因子的第五个和第六个实例；
[0018] 图7示出了用于校正切线因子的第七个实例。
具体实施方式
[0019] 光束定向器19包括反射镜，例如镜片21，可通过致动器18(例如电机)围绕水平、纵向转动轴(例如平行于工作面3)旋转。镜片21包括一个反射面，其设置成锐角，例如30°到60°，优选45°，朝向纵轴，用于沿着水平轴(例如平行于Y轴和工作面3)将从光源14(例如激光)发射的光束20定向。
[0020] 本发明的光束定向器19可用作3D打印机的打印头(图1)，并安装在3D打印机的定位系统上，该定位系统可以采用X-Y-Z传动定位系统的形式。Y轴台13可由两条高架轨道组成，工作面3的每侧各一条，每条轨道由一根或多根支柱支撑。第一个X轴台12延伸到Y轴台13的两个高架轨道之间，包括高架轨道，并且在Y轴台13的高架轨道中可沿X轴往复移动。Z轴台16在X轴台12的轨道中可沿Y轴往复移动，并且包括使光束定向器19沿Z轴移动，移向和远离工作面3的垂直轨道。光束定向器19安装在底座上，该底座可在Z轴台16轨道上往复移动。底座还包括轨道，其中安装了光束定向器19，以便在Y2方向上进行往复运动，从而使镜片21靠近或远离光源14。
[0021] 当光束被激活时，例如沿着平行于工作面3的转动轴发射，并且致动器18旋转反射镜21，光束撞击反射镜21并反射光束(例如基本上垂直于转动轴)到工作面3；然后光束沿着相对于工作面的路径，例如基本上垂直于转动轴、平行于X轴，并在工作面3(包括对应于反射镜21的角位置，在工作面3上所需位置的多个焦点)上绘出一条垂直于转动轴的线。当反射镜21是离轴抛物面反射镜时，它将进一步简化光学系统，因为抛物面反射镜不仅可以用作反射镜，而且可以用作聚焦元件。沿着光轴进入的光束将离开并聚焦在工作区。激光14沿旋转镜21的纵轴居中。旋转镜19使用沿Y2轴移动的底座，将镜21移动到离激光14更近的位置，以根据需要改变焦距(当聚焦在模型边缘而不是中心时，焦距会更低)。
[0022] 当前布置的缺点在于图2和图3中所示的切线因子。即使在光束以恒定的旋转速度旋转时，切线因子会导致在工作面3处光线之间的距离增加，因此在每个恒定时间段以相同的角度1进行反射。因此，距离4大于距离5，因为：
[0023] H*tan(2*α)-H*tan(α)>H*tan(α)
[0024] 式中，H24是工作区3的垂直值，α是1。离中心越远，即最短或垂直(normal)距离，对于镜片21在给定角度下的旋转，工作区3上各点之间的间隙4或5越大。
[0025] 此外，当光束远离中心时：
[0026] 1.工作面吸收的光束能量与E0*Cos(i*α)成比例，其中E0是α＝o时最大光束能量(或功率)，i是在工作面中心从0开始的光束系数。
[0027] 2.光束的形状从圆形7扭变为椭圆形6(从中心向外延伸到5，然后最近)[0028] 3.当光束从焦点向外扩展时，与处于中心时相比，光束区域随着远离中心而变大。因此，每平方厘米的能量(或功率)密度随着i的增加而变小。
[0029] 不过，可以使用校正镜片进行校正，如图4所示，例如f-theta镜片10(“校正镜片”)，其中校正镜片10将校正切线因子。此校正将在具有相同旋转角度的镜片21的点之间产生相等距离11。校正镜片10的制造成本相对较高，由于制造限制，可能无法扩展。因为f-theta镜也将焦点保持在工作面3上，而不是圆形路径2上。
[0030] 或者，可以通过如图5、5B、6和7所示的电子和/或软件手段和方法来校正切线因子。
[0031] 脉宽调制(PWM)方法：当光束焦点位于工作面中心时：当光束离中心越远时，即离工作面3的垂直距离越远，与镜片21的法线的旋转角度越大时，激光14产生的功率脉冲将由控制器23增加，例如包括用于存储计算机软件的非暂时性存储器的计算机，可在其上执行以控制激光14，使其在远离垂直距离的角位置上保持更长的时间，因此至少能提供部分(优选为全部)的能量，以补偿由E0*Cos(i*α)引起的损失。参见图5；脉宽调制。
[0032] 脉幅调制(PAM)方法：当光束焦点位于工作面中心时：光束离中心越远，激光14产生的功率脉冲将由控制器23提供更高的能量(更高的振幅)，因此至少能提供部分(优选为全部)的能量。以补偿由E0*Cos(i*α)引起的损失。参见图5；脉幅调制。
[0033] 方法IV：是对脉宽调制(PWM)和脉幅调制(PAM)的结合，其中焦点位于工作面的中心，脉冲宽度和脉冲能量随着光束靠近中心而增加。因此，控制器23通过调整脉冲时间周期和脉冲能量幅度来调节功率。参见图5B。
[0034] 图6示出了当焦点位于工作面3的边缘时利用脉宽调制或利用脉幅调制进行补偿。图7示出了当使用脉宽调制和脉幅调制以及焦点位于工作面3边缘时的补偿。当聚焦在边缘时，光束将随着其返回中心而变大。
[0035] 附图标记
[0036] 1.激光线之间的角度α
[0037] 2.焦点路径
[0038] 3.工作面
[0039] 4.工作面边缘上工作面两个光束之间的距离；H*tag(2α)-H*tag(α)[0040] 5.靠近工作面区域的两个光束之间的距离；H*tag(α)
[0041] 6.远离中心的激光束的大小和形状。
[0042] 7.垂直于工作区域的激光束的大小和形状。
[0043] 8.工作面上的激光束的大小和形状
[0044] 9.工作区域处的激光束的大小和形状
[0045] 10.类似F theta的校正镜片
[0046] 11.工作面上光束之间的距离
[0047] 12.Y轴导轨
[0048] 13.X轴导轨
[0049] 14.激光束生成器
[0050] 15.激光束大小
[0051] 16.Y轴导轨
[0052] 17.用于改变焦点的y2轨道
[0053] 18.旋转电机的支承托架
[0054] 19.光束定向器的综合参考
[0055] 20.工作面上的激光束路径
[0056] 21.镜和/或抛物柱面镜
[0057] 22.光学系统
[0058] 23.控制器
[0059] 24.从旋转的激光到工作面的距离H
