CN103650265A - 具有用于改变辐照度和光束尺寸的可更换模块的二极管激光发光器 - Google Patents

具有用于改变辐照度和光束尺寸的可更换模块的二极管激光发光器 Download PDF

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Abstract

用于将辐射线光斑投影到工作平面上的投影装置包括多个二极管激光条阵列。每个阵列提供激光辐射线束。每个阵列中的二极管激光条被布置为沿二极管激光条的快轴方向在彼此之上。对应的多个扩束器仅沿二极管激光条的慢轴方向扩展来自对应的二极管激光条阵列的光束。聚焦透镜收集慢轴扩展束并且将慢轴扩展束投影到工作平面中以形成辐射线光斑。

Description

具有用于改变辐照度和光束尺寸的可更换模块的二极管激光发光器
技术领域
本发明一般地涉及用于将一个或多个激光器的输出投影成诸如具有预定宽度和高度的线的预定尺寸的光斑的光学装置。本发明尤其涉及用于投影来自快轴二极管激光条阵列的输出的这样的光斑的装置。
背景技术
存在激光辐射线的多种应用，激光辐射线被投影以在目标上形成光线。这种用于二极管激光器的线投影装置的早期型式见于条码阅读器等中。然而，此处，沿着线的照射均匀度至多是次要考虑。
二极管激光器线投影装置的后期型式被开发以用于激光打印机、图像投影仪等中的空间光调制器（SLM）。此处，不要求光线功率极高，并且可以通过简单的一维激光器排列（通称为二极管激光条）来传递光线功率。在这些应用中沿着光线的照射均匀度是重要的。“理想的”辐射线要求在线宽度上的强度的高斯强度分布以及沿线长度的均匀的或“平坦顶部”分布。该均匀度要求促进了可提供足够均匀度的投影光学器件的发明。这种投影光学器件的实施例描述于美国专利No.6,773,142、美国专利No.7,016,393、美国专利No.7,265,908和美国专利No.7,355,800，所有专利均已转让给本发明的受让人。
用于投影预定的长度宽度比的光斑的近期应用为激光熔覆（lasercladding）。在激光熔覆中，通过将粉末形式的层材料沉积在表面上同时用激光辐射线辐照覆盖有粉末的表面以使流动的粉末熔化，将耐用的防护层形成在表面上，然后防护层硬化在表面上以形成层。在形成层的同时，末和辐射源在表面上方移动。更大的激光器功率提供了，能够实现更快的层形成速度以用于任何给定光斑尺寸。典型的光斑具有大约1.0mm的宽度以及在大约3.0mm和30.0mm之间的长度，传递到光斑的总功率在大约2千瓦（kW）和8kW之间。
优选地，在光斑宽度上光斑具有高斯强度分布，并且在光斑长度上具有均匀的（“平坦顶部”）分布。根据照明器的光效率，要求具有可能超过大约3kW的总功率的二极管激光源。由于能够从典型的多模二极管激光条提供的功率仅在70瓦（W）的级别上，这种3kW的源需要大约50个二极管激光条。为了提供7kW，需要100个二极管激光条。
在许多情况下，熔覆装置的用户可以对于用于不同熔覆操作具有对不同光斑形状的要求，并且甚至可能在具有固定尺寸的光斑中具有对不同的功率的要求。目前，这要求不同的投影仪用于各自不同的光斑形状。使一个投影仪能够投影所有所需的不同光斑形状、优选地功率可变是方便且具有成本效益的。光斑应当能够投影到投影仪中的相同工作距离处。
发明概述
本发明涉及用于将辐射线投影成工作平面中的预定长度和宽度的光斑的光学装置。在一个方案中，所述装置包括多个二极管激光条阵列。每个阵列均被布置成提供激光辐射线束。二极管激光条具有长度、与长度对准的慢轴、与慢轴垂直的快轴以及与快轴和慢轴垂直的传播轴。每个阵列中的二极管激光条被布置为沿快轴方向在彼此之上。提供对应的多个扩束器，为每个二极管激光条阵列各设一个扩束器。每个扩束器均被布置为仅沿慢轴方向扩展来自对应的二极管激光条阵列的光束。包括球面聚焦透镜的光学布置被布置为收集慢轴扩展束并且将慢轴扩展束投影到工作平面中以形成辐射线光斑的长度。
附图说明
并入说明书并构成本发明的一部分的附图示意性图示了本发明的实施例，并且与上文给出的一般性描述和下面给出的优选实施方案的详细描述一起用于解释本发明的原理。
图1A是示意性地示出根据本发明的光学装置的优选实施方案的慢轴视图，所述光学装置被布置为投影具有大约30毫米长度和大约1mm宽度的辐射线，该装置：包括沿慢轴对准的六个快轴二极管激光条阵列，每个阵列具有快轴准直器排列和慢轴准直器排列；六个反向伽利略扩束器，每个二极管激光条阵列各配有一个反向伽利略扩束器，六个反向伽利略扩束器被布置为仅沿慢轴扩展；以及共用聚焦透镜，其在快轴和慢轴上具有光功率且布置为在距透镜预定工作距离的平面中在慢轴上扩散来自二极管激光条阵列的光束以形成线的长度并且在平面中在快轴上聚焦光束以形成线的宽度。
图1B是示意性地示出图1A的装置的进一步细节的快轴视图。
图1C是示意性地示出作为图1A的装置的工作平面中的慢轴坐标的函数的计算辐照度的曲线图。
图2A是示出用于图1A的装置的二极管激光条阵列的快轴准直器和慢轴准直器的细节的等距视图。
图2B是示意性地示出图1A的装置中的快轴二极管激光条阵列的细节的等距视图。
图3A是示意性地示出根据本发明的光学装置的实施例的慢轴视图，所述光学装置被布置为投影具有大约12毫米长度和大约1mm宽度的辐射线，该装置与图1A的装置类似，但是具有不同配置的反向伽利略扩束器。
图3B是示意性地示出图3A的装置的进一步细节的快轴视图。
图3C是示意性地示出作为图3A的装置的工作平面中的慢轴坐标的函数的计算辐照度的曲线图。
图4A是示意性地示出根据本发明的光学装置的实施例的慢轴视图，所述光学装置被布置为投影具有大约5毫米长度和大约1mm宽度的辐射线，该装置与图1A的装置类似，但是具有另一不同配置的反向伽利略扩束器。
图4B是示意性地示出图4A的装置的进一步细节的快轴视图。
图4C是示意性地示出作为图4A的装置的工作平面中的慢轴坐标的函数的计算辐照度的曲线图。
图5是示意性地示出根据本发明的光学装置的另一优选实施方案的慢轴视图，该光学装置与图1A的类似，但是仅包括三个二极管激光器排列以及相关的准直器，并且被布置为在工作平面中投影6mm乘1mm的光束，该装置还包括柱面负透镜，柱面负透镜与聚焦透镜配合，用于延长快轴上的光束宽度以确定Y尺寸，并且包括三个模块的组件，第一模块包含三个二极管激光条阵列和相关的准直透镜排列，第二模块包含反向伽利略扩束器，并且第三模块包括聚焦透镜和柱面负透镜，在第二模块中能够更换扩束器，并且在第三模块中能够更换柱面负透镜。
图6是示意性地示出图5的但被布置为投影5mm乘1mm光束的装置的实施例的慢轴视图。
图7是示意性地示出图5的但被布置为投影4mm乘1mm光束的装置的实施例的慢轴视图。
图8是示意性地示出图5的但仅包括两个二极管激光条阵列且被布置为投影3mm乘1mm光束的装置的实施例的慢轴视图。
图9是示意性地示出用于图5、图6、图7和图8的装置的作为慢轴坐标的函数的工作平面中的计算辐照度的曲线图。
图10A和图10B分别为示意性地示出被布置为在工作平面中投影6mm乘6mm光束的图5的装置的慢轴视图和快轴视图。
图11A和图11B为示意性地示出分别作为图10A和图10B的装置中的慢轴坐标和快轴坐标的函数的工作平面中的计算辐照度的曲线图。
图12是示意性地示出用于图5、图6、图7、图8和图10A-B的模块化布局构思的机械细节的分解等距视图，第二模块包含保持反向伽利略扩束器的可更换盒，并且第三模块包含用于更换柱面负透镜的可移除且可更换的抽屉。
图12A是示意性地示出图12的反向伽利略扩束器盒的进一步机械细节的分解等距视图。
发明详述
现在参照附图，其中相似的部件由相似的附图标记表示，图1A和图1B分别为根据本发明的光学装置的优选实施方案10的慢轴视图和快轴视图。装置10具有系统光轴12。装置10包括六个二极管激光条阵列18，快轴和慢轴准直布置16与每个二极管激光条阵列相关联。
参考x、y和z笛卡尔轴系统描述了该装置，x轴和y轴分别对应于阵列中二极管激光条的慢轴和快轴。系统光轴12与二极管激光条阵列的发射或传播轴（z轴）方向平行。如图所示且按适当比例绘制的装置10被布置为在工作平面15中投射辐射线14，线具有大约30.0毫米的长度L和大约1.0mm的宽度W。光学元件的z轴分离近似相对成比例。在对元件的构造和布置进行进一步描述之前，参考图2A和图2B对二极管激光条阵列和相关的准直布置进行描述。
图2A是示意性地示出二极管激光器模块16的细节的三维视图。模块包括快轴二极管激光条阵列18，此处假设为二十六（26）个二极管激光条的阵列。在图2B中描绘了阵列构造的一个实施例的细节。此处，每个二极管激光条17安装到对应的散热部件19的前部上。散热部件一起夹紧在夹紧块23A和安装块23B之间。每个散热部件具有向前延伸部分21，快轴准直（FAC）透镜或包括FAC透镜和慢轴准直（SAC）透镜排列的模块能够附接到向前延伸部分21。每个条具有十九个发射器的诸如阵列18的26条阵列能够传送具有大约1.4kW的总功率的辐射线。这种类型的二极管激光条阵列可通过商业方式从California的Coherent Inc.of Santa Clara获得。
再次参照图2A，每个二极管激光条均具有专用柱面快轴准直（FAC）透镜20，如其名称所暗示的，专用柱面FAC透镜20沿极发散的快轴方向准直来自条中的每个发射器的光。在图示的实施方案中，存在二十六个透镜20。沿z轴方向与每个FAC透镜间隔开的是柱面慢轴准直（SAC）透镜24的排列22。每个排列22中的透镜24的数量与每个二极管激光条中的间隔开的发射器（二极管激光器）的数量对应。此处，假设在每个条中存在十九个（19）个发射器。每个SAC透镜与对应的发射器对准。FAC透镜和SAC透镜排列通过支架26（为了便于图示，仅在图2中的一侧显示出）保持彼此对准。FAC和SAC透镜的组件可从多个商品供应商处获得。
FAC和SAC透镜优选地沿z轴间隔开恰好足以允许来自每个发射器的慢轴发散光束几乎填充对应的SAC透镜24的距离。在任何实施例中，该距离将取决于实际的发散度以及发射器宽度和间距（所谓的填充因数）。在考虑中的实施例中，假设发射器宽度为100.0μm，发射器节距为0.5mm，并且FAC和SAC透镜之间的间距为3.0mm。
此处应指出，来自二极管激光发射器的光的准直永远不会是完美的。这尤其是因为来自二极管激光发射器的光束的相对差的光束品质、准直透镜的相对简单化以及在任何条中发射器沿慢轴的未对准，该未对准是制造人为现象，本领域从业人员将其幽默地称为“微笑”。从一条到另一条，该“微笑”将是不同的。还应当注意的，尽管准直快轴总是必要的，在一些配置中，鉴于该轴上相对低的发散度，可省略慢轴准直。准直SAC排列节约了成本，而以性能降低为代价。
再次参照图1A和图1B，装置10包括在慢轴上间隔开的六个反向伽利略扩束器30，一个扩束器与二极管激光条阵列的各个准直排列中的对应一个对准。每个扩束器均包括沿贯通装置的辐射线传播方向按数字次序列出的柱面负透镜32和柱面正透镜34。负透镜32沿慢轴方向对准，并且在该实施例中形成为其排列33。类似地，透镜34沿慢轴方向对准并且形成为其排列35。由于透镜为柱面的，所以每个望远镜仅沿慢轴扩展光束，而光束的快轴尺寸保持不变。
此处应当注意的是，在该说明书和随附的权利要求书中，应用于透镜或透镜元件的术语“柱面”仅表示，透镜仅在两个横轴中的一个（快轴或慢轴）上具有功率。该术语不意味着，功率提供表面必然为圆柱体的截面。如果认为方便，可以提供略偏离圆形的布置。类似地，应用于透镜或透镜元件的表面的“球面”仅意味着，透镜在两个横轴上具有相等的功率。该表面可以包括某非球面测量，而不偏离本发明的精神和范围。应用于具有一个或多个元件的透镜的术语“透镜”产生期望功率。
继续参照图1A，六个扩展光束，每个扩束器提供一个扩展光束，扩展光束由具有凸进入表面38A和平面型离开表面38B的聚焦透镜38收集。聚焦透镜38将快轴上的光束聚焦到距透镜为工作距离DW的工作平面15中，从而限定辐射线14的线宽度W或细长光斑。反向伽利略扩束器被配置为使得扩散光束各自聚焦到慢轴间隔开且大约在平面J中对准的慢轴上的对应中间焦点FI。然后，光束发散以扩散并且在平面15中彼此重叠，关于轴12对称，从而限定线14的长度L。
在用于形成具有大约30.0mm的长度L和1.0mm的宽度W的线14的实施例中，扩束器的透镜32和34分别具有-80.0mm和+40.0mm的曲率半径。透镜在z轴方向上间隔开50.0mm。透镜38的表面38A具有160.0mm的曲率半径并且与透镜排列35轴向间隔开46.0mm。相邻的二极管激光器排列阵列之间的间距P被设定为16.0mm。透镜38具有16.0mm的轴向（顶点）厚度，并且工作平面15与透镜的平面型表面38B轴向地间隔开大约325.0mm的距离DW。
在优选的实施方案中，设置平面平行窗40以保护上游光学器件免受灰尘和碎屑的破坏。
图1C是示意性地示出作为图1A的装置的工作平面中的慢轴坐标的函数的计算辐照度的曲线图。曲率半径和间距如上文所假设的。假设光线追迹和辐照度，假设每个二极管激光条阵列具有1.4kW的总输出。
此处应当注意的是，本文中所有的光线追迹图和辐照度计算是利用可从ZEMAX Corporation of Bellevue,Washington获得的ZEMAX光学设计软件生成的。还应当注意的是，在装置10中，尽管从方便制造的角度假设其排列33和35中的透镜是相同的，但是每个扩束器可以各自且不同地配置以提供工作平面中的特定辐照度分布。还应当注意的，尽管对于扩束器30而言反向伽利略配置是优选的，但是其它配置也是可以的。光学设计领域的技术人员可以利用上文提及或类似的通过商业方式获得软件来设计这些配置，而不偏离本发明的精神和范围。
图3A和图3B分别为示意性地示出根据本发明的光学装置的实施例10A的慢轴视图和快轴视图，该光学装置被布置为投射具有大约12.0毫米长度和大约1.0mm宽度的辐射线LA。该装置与图1A的装置类似，但是具有不同配置的反向伽利略扩束器。该不同配置基本上填充了反向伽利略扩束器的每个透镜34的光圈并且使中间焦点的平面（此处表示为平面JA）比在装置10中进一步朝向工作平面15移动，这具有减少光束扩散以及相应地缩短线长度的效果。
在用于形成具有大约12.0mm的长度L以及1.0mm的宽度W的线14的实施例中，扩束器的透镜32和34分别具有-50.0mm和+54.5mm的曲率半径。透镜沿z轴方向间隔开40.0mm。排列阵列间距P以及聚焦透镜38的规格和相应的工作距离WD（由透镜的快轴背面聚焦长度确定）与图1A和图1B的实施例相同。
图3C是示意性地示出作为图3A的装置的工作平面中的慢轴坐标的函数的计算辐照度的曲线图。曲率半径和间距如上文所假设。假设每个二极管激光条阵列具有如图1C的实施例中的总输出。这样的结果是，由于减小的线长度，峰值辐照度几乎为图1C的实施例的两倍。
图4A和图4B分别为示意性地示出根据本发明的光学装置的另一实施例10A的慢轴视图和快轴视图，该光学装置被布置为投射具有大约5毫米长度和大约1mm宽度的辐射线LA。该装置与图3A的装置相似，但是具有不同配置的反向伽利略扩束器。该不同配置基本上填充了反向伽利略扩束器的每个透镜34的光圈，并且使中间焦点的平面（此处表示为平面JB）比在装置10中更进一步朝向工作平面15移动，这具有减小光束扩散以及相应的进一步缩短线长度的效果。
在用于形成具有大约5.0mm的长度L和1.0mm的宽度W的线14的该实施例中，扩束器的透镜32和34分别具有-20mm和+35mm的曲率半径。透镜沿z轴方向间隔开30.0mm。而且，排列阵列间距P以及聚焦透镜38的规格和相应的工作距离WD（由透镜的快轴背面聚焦长度确定）与图1A和图1B的实施例中相同。
图4C是示意性地示出作为图4A的装置的工作平面中的慢轴坐标的函数的计算辐照度的曲线图。曲率半径和间距如上文所假设的，而且，假设每个二极管激光条阵列具有如图1C的实施例中的总输出。这样的结果是，由于减小的线长度，峰值辐照度大于图3C的实施例的两倍。
上述本发明的实施例主要用于投射具有大约5.0mm和大约30.0mm或更大之间的长度以及大约1.0mm的宽度的辐射线或细长光斑。下文阐述的是对本发明装置的模块化实施方案的描述，该装置允许用户重新配置以将辐射线投影成具有能够在大约3.0mm和大约6.0mm之间选择的长度和能够在大约1.0mm和大约6.0mm之间选择的宽度的大致矩形光斑。
图5是示意性地示出本发明装置的模块化实施方案的实施例50的慢轴视图。装置50仅包括三个二极管激光条阵列18和相关的FAC和SAC排列。二极管激光器阵列沿慢轴大体均等间隔，末端阵列之间的距离为P。存在三个反向伽利略扩束器30，每个扩束器均包括柱面负透镜32，随后是柱面正透镜34。如上文所述的实施例，这些透镜仅在慢轴上具有光功率。此处，扩束器被布置和配置为在慢轴上扩展用于相关二极管激光条阵列的总光束并且在慢轴上准直光束。来自二极管激光条阵列的光束不受快轴上的扩束器影响，并且已经通过二极管激光条阵列的FAC透镜排列准直。
装置50包括聚焦透镜38，其后是仅在快轴上具有（负）光功率的柱面透镜42。在该柱面负透镜后面的是防护窗40。透镜38沿慢轴对来自二极管激光器排列的三扩展和准直总光束进行聚焦，三个聚焦光束重叠以形成线14的长度。在该布置中，透镜38处的光束的慢轴尺寸越大，线长度L越短。
在透镜42中不存在任何快轴光功率的情况下，透镜38将投射快轴上的光束以使透镜38的快轴焦点大约在工作平面15中以提供大约1.0mm的线宽度W，如上述图1A-B、3A-B和4A-B的实施例中。通过将球面透镜和柱面透镜的组合的快轴聚焦平面定位在超过工作平面的距离Q处，增大透镜42中的负功率将增大平面15中的线宽度。
如果仅要求最小光束宽度，则透镜42能够由平面-平面元件替换或者一起省略，因为具有或不具有平面-平面元件的厚度的聚焦平面位置的差别将是聚焦深度的小部分。该说明书和随附的权利要求书中所使用的术语“大约聚焦在”（特定位置或平面）考虑到了所有的聚焦布置存在聚焦深度。
如上所述，实施方案50被设计为用户可配置的以提供不同的线尺寸，以及甚至通过相同的基本装置和相同的工作距离DW来提供不同的功率密度（辐照度）。为此密度，二极管激光条阵列18和相关的FAC和SAC排列定位在第一模块44中，反向伽利略扩束器合并到第二模块46中，并且聚焦透镜38、柱面透镜42和窗40定位在第三模块48中。
透镜32在模块46中的z轴位置是固定的。改变透镜34和透镜32之间的间距S以及改变透镜曲率用于改变透镜38处的慢轴光束尺寸。透镜38的功率是相同的，无论期望线长度如可，用于固定工作距离DW。形成反向伽利略扩束器的一组透镜32和34的能够组装在盒上，盒能够从模块中移除并且由具有不同组的具有不同间距的透镜的另一盒替换。透镜38和42在模块48中的z轴位置是固定的，当然窗40的位置也是固定的。透镜42能够安装到抽屉上，抽屉能够从模块中移除并且能够由具有不同功率的透镜的另一抽屉替换。下文更加详细地描述了盒和抽屉布置以及模块化组件的一个实施例。
在用于提供具有大约6.0mm的长度L的辐射线的装置50的实施例中，二极管激光器排列间距P为大约24.0mm，透镜32各自具有-12.0mm的曲率半径，透镜34具有+22.5mm的曲率半径，并且间距S被设定为16.0mm。透镜39的进入表面具有160.0mm的曲率八级，限定大约325.0mm的工作距离。线长度独立于透镜42的快轴负功率。
图6是示意性地示出模块化装置50的另一实施例50A的慢轴视图。该实施例被布置为提供大约5.0mm的线长度。这是通过将实施例50的间距S增大到较长的间距SA来实现的。透镜32各种具有-12.0mm的曲率半径，透镜34具有+27.0mm的曲率半径。间距SA为26.6mm。二极管激光器排列间距P大约为24.0mm。
图7是示意性地示出模块化装置50的又一实施例50B的慢轴视图。该实施例被布置为提供大约4.0mm的线长度。这是通过将透镜32和34的间距增大到比间距SA长的间距SB来实现的。透镜32各自具有-12.0mm的曲率半径，透镜34具有+32.0mm的曲率半径。间距SB为37.0mm。二极管激光器排列间距P大约为24.0mm。
在装置50B中，发散束透镜32基本上填充了对应的透镜34的整个光圈。为了提供用于较小线长度的较大的慢轴扩展束，增大透镜的光圈是必要的，在不改变模块尺寸和二极管激光条阵列间距的情况使用三个二极管激光条阵列是不可能实现的。
图8是示意性地示出模块化装置50的又一实施例50C的慢轴视图。该实施例被布置为提供大约3.0mm的线长度。省略上述实施例的中央二极管激光条阵列，使末端两个阵列为大约48.0mm的固定间距P。相应地省略中央扩束器。这允许其余透镜34的光圈和透镜32和34之间的间距增大，从而在透镜38处提供较大的光束。在该实施例中，透镜间隔距离SC，该距离SC从等于大约57.0mm。透镜32各自具有-12.0mm的曲率半径，透镜34具有+41.9mm的曲率半径。
图9是示意性地示出对与图5、图6、图7和图8的各自装置的实施例50、50A、50B和50C的作为慢轴坐标的函数的工作平面中的计算辐照度的曲线图。能够看出，因为线长度减小，与三阵列式装置50B相比，在两阵列式装置50C的情况下，峰值辐照度仅略微减小。
图10A和图10B分别为示意性地示出配置为将大体方形辐射光斑14S而不是辐射线投射到工作平面15中的上述装置50的变型例50D的慢轴视图和快轴视图。光斑的慢轴尺寸和快轴尺寸大约相等。图10A具有与图5的装置的实施例相同的配置，用于提供6.0mm的慢轴尺寸。6.0mm的快轴尺寸是通过在快轴柱面透镜42的进入面上提供大约-1100mm的曲率半径来实现的。
图11A和图11B为示意性地示出用于图10A和图10B的装置的实施例的分别作为慢轴坐标和快轴坐标的函数的计算辐照度的曲线图。计算等高线曲线图（未示出）表明，光束截面为大体方形。然而，能够看出，在快轴方向和慢轴方向上存在50%峰值辐照度水平以上的一定程度的辐照度均匀度差别。
根据上文参考图5-6和图10-B提供的描述，本领域技术人员将认识到，在不进行进一步详细说明的情况下，根据本发明的装置可被配置为在工作平面中提供具有大约3.0mm和6.0mm之间的任意长度以及大约1.0mm和大约6.0mm之间的任意宽度的光束截面。通过选择反向伽利略扩束器的适当曲率和元件间距以及快轴柱面透镜42的适当曲率，可以在不改变装置的工作距离或二极管激光条阵列和聚焦透镜之间的间距的情况下来实现。
下文参照图12和图12A给出了有利于这种重配置的机械组件构思的描述。该构思在提供用于特定用户的特定光束截面方面当然简化了制造商的任务。该构思还使得用户可以在无需制造辅助的情况下里实现重配置。
图12是示意性地示出用于图5、图6、图7、图8和图10A-B的装置的构思出的模块化布局布置60的机械细节的等距视图。三个模块44、46和48由上文体积的图中示意性描绘的模块所使用的相同的附图标记表示，这些模块被配置为承载相同的光学元件。为了简化图示，未示出用于二极管激光条阵列的水冷以及与模块44的电连接。在配置为用于激光熔覆操作的装置中。在模块和线14所投射的工作平面之间存在与模块48附接的附加模块。该附加模块（未示出）将承载用于激光熔覆工艺的粉末喷洒管等。
在装置60中，反向伽利略扩束器的负透镜32和正透镜34（在图12中不可见）安装到包括具有侧壁64的框架的盒62和端板66上，透镜固定到盒62上，在透镜固定之前，端板66用于对准透镜。盒62能够经由其中的缝隙49插入到模块46中并且从模块46中移除。当插入到模块中时，盒定位在模块中的突出部68上并且经由来自弹簧70（在图12中仅示出了其中一个）的弹簧压力抵靠横档而被保持。设置盖板72，用于当盒插入时盖住模块中的孔隙。抽屉或托盘74设置在聚集负透镜模块48中，用于移除一个快轴负透镜以及用具有不同快轴功率的另一透镜替换该透镜。抽屉74能够移除且能够更换到模块中，如图箭头T所示。
图12A是示意性地示出图12的扩束器盒的进一步机械细节的等距视图。盒包括具有侧壁64和端壁65的矩形框架。球平面凹负透镜32被布置为使凹表面朝外，如图所示，并且平面表面支撑在每个侧壁上的突出部80上（由于附图的方位仅一个突出部可见）。在其排列35中的球平面凹透镜34支撑在类似的突出部（不可见）上，使凸表面朝外。
透镜通过附接到侧壁中的槽口76和78的弹簧夹（未示出）保持在突出部上。任意盒的总高度HF总是外表相同，从而允许每个盒恰当地装配到模块46中。通过选择性地改变固定有透镜34的脊状部的高度HV（侧壁底部之上）来提供透镜间距的选择性差别。槽口78也具有高度HV。端盖66A的边缘69形成用于透镜和透镜排列对准的基准平面。透镜32和透镜排列通过借助相对的端盖66B施加的弹簧压力而保持与其边缘相接触。
此处重述，上文描述的发明涉及将从多个快轴二极管激光条阵列投影成具有预定长度和宽度的矩形辐射斑点的装置。在本发明的优选实施方案中，装置为模块化形式并且能够通过用户相对简单地重配置，用于改变光束的高度和宽度以及甚至传送到光束的功率密度。然而，该装置不限于本文所描述的和图示的优选的或任何其它实施方案。相反，本发明仅由随附的权利要求书限定。

Claims (18)

1.一种用于将辐射线投影成工作平面中的预定长度和宽度的光斑的光学装置，所述装置包括：
多个二极管激光条阵列，每个阵列被布置为提供激光辐射线束，所述二极管激光条具有长度、与所述长度对准的慢轴、与所述慢轴垂直的快轴以及与所述快轴和所述慢轴垂直的传播轴，在其每个阵列中的所述二极管激光条被布置沿所述快轴方向在彼此之上，所述二极管激光条阵列沿所述慢轴方向间隔开且对准；
对应的多个扩束器，每个所述二极管激光条阵列均布置有一个所述扩束器，每个所述扩束器均被布置为仅沿所述慢轴方向扩展来自对应的二极管激光条阵列的光束；以及
光学布置，其包括球面聚焦透镜，被布置为收集慢轴扩展束并且在所述慢轴上将所述慢轴扩展束投影到所述工作平面中以形成辐射线光斑的长度。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述光学布置将在所述快轴上的所述慢轴扩展束聚焦在所述工作平面中以形成所述辐射线光斑的宽度。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述扩束器被配置为与所述光学布置配合以使所述慢轴扩展束各自集中到大约在所述聚焦透镜和所述工作平面之间的中间平面中在所述慢轴上对准的中间焦点并且然后发散且在所述工作平面中彼此重叠以形成所述辐射线光斑的长度。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述扩束器被配置为与所述光学布置配合以使所述慢轴扩展束在所述慢轴上聚焦、大约在所述工作平面中重叠。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述光学布置将所述快轴上的所述慢轴扩展束投影到所述工作平面中以形成所述辐射线光斑的宽度。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述光学布置还包括柱面透镜，所述柱面透镜仅在所述快轴上具有光功率，快轴功率被选择以将所述光学布置的快轴聚焦平面定位在距所述工作平面一定距离处，所述辐射线光斑的所述宽度取决于该距离。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述柱面透镜的所述快轴功率为负功率，并且所述快轴聚焦平面被定位成沿所述传播轴方向超过所述工作平面。
8.如权利要求5所述的装置，还包括第一模块、第二模块和第三模块，并且其中，所述二极管激光条阵列定位在所述第一模块中，所述扩束器定位在所述第二模块中，并且所述光学布置定位在所述第三模块中，并且其中，所述扩束器安装在能够从所述第二模块中移除且能够更换到所述第二模块中的盒中。
9.如权利要求8所述的装置，其中，所述光学布置还包括柱面透镜，所述柱面透镜仅在所述快轴上具有光功率，快轴功率被选择以将快轴聚焦平面定位在距所述工作平面一定距离处，辐射线光斑的宽度取决于所述距离，并且其中，快轴柱面透镜安装到能够从所述第三模块移除且能够更换到所述第三模块中的托盘上。
10.用于将辐射线投影成工作平面中的预定长度和宽度的光斑的光学装置，所述装置包括：
多个二极管激光条阵列，每个阵列被布置成提供激光辐射线束，所述二极管激光条具有长度、与所述长度对准的慢轴、与所述慢轴垂直的快轴以及与所述快轴和所述慢轴垂直的传播轴，并且在其每个阵列中的所述二极管激光条被布置成沿所述快轴方向在彼此之上，所述二极管激光条阵列沿所述慢轴方向间隔开且对准；
对应的多个扩束器，为每个所述二极管激光条阵列设有一个所述扩束器，每个所述扩束器均被布置成仅沿所述慢轴方向扩展来自对应的二极管激光条阵列的光束；
球面聚焦透镜，其被布置成收集慢轴扩展束并且在所述慢轴上将所述慢轴扩展束投影到所述工作平面中以形成辐射线光斑的长度；以及
其中，所述扩束器被配置为与所述球面聚焦透镜配合以使所述慢轴扩展束各自聚焦到在所述聚焦透镜和所述工作平面之间的中间平面中的在慢轴上间隔开且对准的慢轴上的中间焦点，并且然后在慢轴上发散以扩散且工作平面中彼此重叠以形成辐射线光斑的长度。
11.如权利要求10所述的装置，其中，所述球面聚焦透镜将在所述快轴上的所述慢轴扩展束聚焦到大约所述工作平面中以形成辐射线光斑的宽度。
12.如权利要求11所述的装置，其中，存在6个二极管激光条阵列和6个扩束器。
13.如权利要求1所述的装置，其中，所述扩束器各自包括负慢轴柱面透镜，所述负慢轴柱面透镜之后是正慢轴柱面透镜。
14.用于将辐射线投影成工作平面中的预定长度和宽度的光斑的光学装置，所述装置包括：
多个二极管激光条阵列，每个阵列被布置为提供激光辐射线束，所述二极管激光条具有长度、与所述长度对准的慢轴、与所述慢轴垂直的快轴，以及与所述快轴和所述慢轴垂直的传播轴。并且其每个阵列中的二极管激光条被布置为沿所述快轴方向在彼此之上，所述二极管激光条沿所述慢轴方向间隔开且对准；
对应的多个扩束器，每个所述二极管激光条阵列设有一个所述扩束器，每个所述扩束器均被布置为仅沿所述慢轴方向扩展来自对应的二极管激光条阵列的光束；
光学布置，其包括球面聚焦透镜，被布置为收集慢轴扩展束并且在所述慢轴上将所述慢轴扩展束投影到所述工作平面中以形成辐射线光斑的长度；以及
其中所述扩束器被配置为与所述光学布置配合以使所述慢轴扩展束各自沿慢轴聚焦到大约在所述工作平面中彼此重叠的所述慢轴上的焦点以形成辐射线光斑的长度。
15.如权利要求14所述的装置，其中，所述光学布置将在所述快轴上的所述慢轴扩展束投影到大约所述工作平面中以形成辐射线光斑的宽度。
16.如权利要求15所述的装置，其中，所述光学布置还包括仅在所述快轴上具有光功率的柱面透镜，快轴功率被选择以将所述光学布置的快轴聚焦平面定位在距所述工作平面一定距离处，所述辐射线光斑的宽度取决于该距离。
17.如权利要求16所述的装置，其中，所述柱面透镜的所述快轴功率为负功率，并且所述快轴聚焦平面被定位在沿所述传播轴方向超过所述工作平面。
18.如权利要求14所述的装置，还包括第一模块、第二模块和第三模块，并且其中，所述二极管激光条阵列定位在所述第一模块中，所述扩束器定位在所述第二模块中，并且所述光学布置定位在所述第三模块中，所述第二模块中的所述扩束器安装在能够从所述第二模块中可滑动地移除且能够插入到所述第二模块中的盒中。
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