[发明专利]高功率动态透镜

说明书

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。

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。

技术领域

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“EfficientFreeform Lens Optimization for Computational Caustic Displays.”Optics Express23.8(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“Computational Chemistry Modeling and Design ofPhotoswitchable Alignment Materials for Optically Addressable Liquid CrystalDevices.”142LLE Review at 151(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)。

发明内容

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。