用于利用激光辐射作用旋转对称的构件的外侧的装置 |
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| 申请号 | CN201480027335.0 | 申请日 | 2014-05-14 | 公开(公告)号 | CN105209215B | 公开(公告)日 | 2017-07-21 |
| 申请人 | LIMO专利管理有限及两合公司; | 发明人 | T·米特拉; | ||||
| 摘要 | 用于利用激光 辐射 (13)作用 旋转对称 的构件(11)的外侧的装置，包括多个透镜(10)，这些透镜这样设计和/或设置，使得构件(11)的对称轴线(12)位于每个所述透镜(10)的焦点处。 | ||||||
| 权利要求 | 1.用于利用激光辐射(13)作用旋转对称的构件(11、11'、11”)的外侧的装置，包括多个透镜(10)，激光辐射(13)能够穿过这些透镜并且这些透镜这样设计和/或设置，使得构件(11、11'、11”)的对称轴线(12、12'、12”)位于每个所述透镜(10)的焦点处，其中，在运行所述装置时，利用激光辐射使构件(11、11'、11”)的外周的整个角度空间被照射，对于数值孔径(NA)和透镜(10)的数量适用：NA＝sin(α/2) |
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| 说明书全文 | 用于利用激光辐射作用旋转对称的构件的外侧的装置技术领域[0001] 本发明涉及一种用于利用激光辐射作用旋转对称的构件的外侧的装置。 背景技术[0002] 定义：沿激光辐射的传播方向是指激光辐射的平均传播方向，特别是当该激光辐射不是平面波或者至少部分地发散时。当没有明确地额外指明某物时，激光射束、光束、部分光束或者射束指的不是几何上的光学的理想化了的射束，而是真实的光束、例如具有高斯轮廓或者改进的高斯轮廓或者Top-Hat轮廓的激光射束，该激光射束不具有无限小的而是伸展的射束横截面。 [0003] 在由外部焊接旋转对称的、特别是圆柱体的塑料件时经常使用二极管激光器。在此，典型地使用两种方法或者装置类型。在已知的第一种装置中，射束绕构件运动，或者构件在激光射束中旋转。这种装置的缺点在于，必须使零件运动并且焊接不同时发生。这可能对于焊接缝的质量产生负面作用。在已知的第二种装置中，多个例如发散的辐射源由环状布置结构照射构件。图4示意性地示出一种这样的装置，在该装置中，五个激光辐射1由五个不同方向击中旋转对称的构件2上。 [0004] 这种装置的缺点在于，构件2被照射的角度在构件2的表面上是不同的。因此，反射和吸收在构件上面有所波动。此外，可以仅针对构件的固定直径达到所定义的照射(见图4)。在构件2'直径较大时，不以激光辐射作用表面的各部分3(见图5)。在构件2”直径较小时，激光辐射的部分4经过构件2”旁边(见图6)。 发明内容[0005] 本发明的问题在于，创造一种开头提到类型的装置，在该装置中，利用激光辐射与构件的直径相对无关地进行作用，和/或在该装置中，击中到构件的外侧上的激光辐射具有较均匀的角度分布。 [0006] 按照本发明，这点通过按照本发明的装置达到：一种用于利用激光辐射作用旋转对称的构件的外侧的装置，包括多个透镜，激光辐射能够穿过这些透镜并且这些透镜这样设计和/或设置，使得构件的对称轴线位于每个所述透镜的焦点处，其中，在运行所述装置时，利用激光辐射使构件的外周的整个角度空间被照射，对于数值孔径和透镜的数量适用： [0007] NA＝sin(α/2) [0008] 其中，α＝360°/透镜数量。 [0009] 按照本发明规定，所述装置包括多个透镜，这些透镜这样设计和/或设置，使得构件的对称轴线位于每个所述透镜的焦点处。通过这样的布置结构可以保证穿过透镜并且击中到构件上的激光辐射具有均匀的角度分布。该均匀的角度分布一方面可以保证构件的外侧沿周向方向被以激光辐射均匀地作用，其中，由于相同的击中角度，激光辐射的吸收和反射在外周上也不变化。另一方面，激光的均匀的角度分布对以下做出贡献，即，具有不同直径的各构件可以利用激光辐射优化地被作用。 [0010] 存在如下可能性，即，所述装置包括均匀化器件，这些均匀化器件可以在激光辐射穿过透镜之前将其均匀化。按照这种方式保证激光辐射的击中到构件上的角度分布的大的均匀性。 [0011] 在此例如可以规定，均匀化器件在透镜的数量小于8时这样设计，使得激光辐射具有强度朝向各边缘按照cos2(φ)下降的Top-Hat强度分布，并且所述均匀化器件在透镜的数量大于或者等于8时这样设计，使得激光辐射具有线性的Top-Hat强度分布。 [0012] 存在如下可能性，即，所述均匀化器件具有一个、优选两个透镜阵列或者一个光导体。 [0013] 备选地存在如下可能性，即，所述均匀化器件具有带有至少区段式的方形的光导区域的波导。 [0014] 在此，光导区域的在光导区域的射入面和射出面之间延伸的第一延伸尺寸大于光导区域的垂直于第一延伸尺寸的第二和/或第三延伸尺寸，优选大至少3倍、特别是至少7倍、例如至少10倍，和/或优选大最高100倍、特别是最高50倍、例如最高40倍。通过这种设计例如可以创造均匀的、但朝向各边缘略微下降的、例如如cos2(φ)下降的强度分布。 [0015] 可以规定，所述透镜中的至少两个或者每个具有相同的焦距。通过该措施可以构建同轴于构件的对称轴线的装置，由此更简单地达到击中到构件上的激光辐射的均匀的角度分布。 [0016] 存在如下可能性，即，所述装置包括至少一个激光源、优选多个激光源，这些激光源能够产生用于对构件作用的激光辐射。特别是可以给每一个所述透镜配设激光源。例如激光二极管栅(Laserdiodenbarren)或者光纤耦合的二极管激光器适合作为激光源。 [0017] 可以规定，所述装置包括光学器件，所述光学器件可以利用激光辐射、特别是利用由所述至少一个激光源发出的激光辐射来作用所述透镜中的至少一个或者每个。所述光学器件例如可以包括成像的或者调焦的透镜。此外，所述光学器件包括均匀化器件。例如，所述光学器件和/或所述均匀化器件可以这样设计，使得每个所述透镜的射入面以激光辐射的均匀的位置分布或者均匀的空间强度分布来作用。穿过这些透镜，从均匀的位置分布变成均匀的角度分布。 [0018] 备选地可以规定，所述光学器件和/或所述均匀化器件可以这样设计，使得每个所述透镜的射入面以激光辐射的匹配于透镜的构型的位置分布或者说匹配于透镜的构型的空间强度分布来作用。例如，在与理想的透镜相似的透镜中朝向各边缘略微下降的空间强度分布可以施加到透镜上，这些透镜可以对在构件上的还均匀的强度分布做出贡献。在透镜的另一种构型中，例如在真实的透镜或者F-Theta透镜中，可以将激光辐射的其他合适的空间强度分布或者位置分布施加到透镜上。 [0019] 存在如下可能性，即，所述光学器件包括准直器件、特别是至少一个用于准直的透镜，该透镜这样设计并且设置在所述装置中，使得激光辐射以没有发散量或者有尽可能少的发散量或者说至少尽可能对准地击中到各透镜上。击中到透镜上的激光辐射的准直也对击中到构件上的强度分布的均匀性做出贡献。 [0020] 存在如下可能性，即，所述透镜中的至少一个或者每个是柱面透镜，该柱面透镜的柱面轴线平行于构件的对称轴线。按照这种方式，在构件的外侧上产生朝向构件的对称轴线方向、按照透镜的柱面轴线的长度延伸的环形的强度分布。该强度分布例如可以在加工过程的范围内朝向构件的对称轴线方向运动。 [0021] 备选地存在如下可能性，即，所述透镜中的至少一个或者每个具有旋转对称的曲面并且特别是球面的透镜。按照这种方式，在构件的外侧上产生极窄的环形的强度分布。该强度分布也例如可以在加工过程的范围内朝向构件的对称轴线方向运动。此外，该强度分布也可以用于产生局部环绕的焊接缝。 [0022] 可以规定，透镜关于构件的对称轴线沿周向方向并排地设置，特别是彼此邻接。按照这种方式，利用简单的手段可以保证，在构件的整个外周上存在激光辐射的均匀的强度分布。 [0023] 此外，存在如下可能性，即，所述透镜中的至少一个或者每个这样设置，使得激光辐射在穿过所述所述透镜中的所述至少一个或者每个之后的传播方向关于构件的对称轴线不仅具有径向分量、而且具有轴向分量。由此可以达到，激光源不会被在构件上反射的激光辐射或者被从构件旁经过的激光辐射所损坏。 [0024] 备选地或者附加地可以规定，所述装置具有射束阱(Strahlfalle)，该射束阱可以将激光辐射的由构件反射的和/或从该构件旁经过的和/或穿过所述构件传输的部分俘获，其中，射束倾斜特别是构成为环形的。通过这样的射束倾斜也可以达到，激光源不会被在构件上反射的激光辐射或者被从构件旁经过的激光辐射或者被穿过部分透明的构件的激光辐射所损坏。附图说明 [0025] 本发明的其他的特征和优点借助于对优选的各实施例的以下说明参考附图来明确。图中： [0026] 图1示出按照本发明的装置连同带有旋转对称的第一构件的示意图； [0027] 图2示出按照图1的、带有旋转对称的第二构件的视图； [0028] 图3示出按照图1的、带有旋转对称的第三构件的视图； [0029] 图4示出按照现有技术的装置连同旋转对称的第一构件的示意图； [0030] 图5示出按照图4的、带有旋转对称的第二构件的视图； [0031] 图6示出按照图4的、带有旋转对称的第三构件的视图； [0032] 图7示出按照本发明的带有透镜的装置的按照图1的视图，所述透镜构成为平凸透镜； [0033] 图8示出按照本发明的装置连同均匀化器件的第一实施形式的细节视图； [0034] 图9示出按照本发明的装置连同均匀化器件的第二实施形式的细节视图； [0035] 图10示出均匀化器件的第三实施形式的透视图； [0036] 图11示出从第三均匀化器件射出的光的示例性的强度分布； [0037] 图12示出按照本发明的装置连同均匀化器件的第三实施形式的细节视图； [0038] 图13示出对于理想的透镜而言激光辐射在构件上的强度分布的示意图，所述理想的透镜以线性的Top-Hat分布来作用； [0039] 图14示出激光辐射在理想的透镜上朝向各边缘下降的强度分布的示意图； [0040] 图15示出对于理想的透镜而言激光辐射在构件上的强度分布的示意图，所述理想的透镜以按照图15的强度分布来作用。 具体实施方式[0041] 在这些图中，相同的或者功能相同的部分配设有相同的附图标记。 [0042] 按照本发明的装置的在图1至3中示出的实施形式包括五个透镜10。这些透镜10在附图中仅示意性地通过各一条线来表示。这些透镜10例如可以是平凸的或者双凸的或者凹凸的透镜。 [0043] 存在设有少于五个透镜、特别是两个或者三个或者四个透镜或者多于五个透镜的可能性。 [0044] 所述五个透镜10在规则的五边形的侧面上平行于这些侧面地这样设置，使得透镜10在五边形的角上相互邻接。在此，这些透镜10中的每个透镜的焦距是一样大的并且这样选择，使得全部透镜的聚焦点或者说焦点或焦线设置在相同的位置上。 [0045] 在更多或者更少的透镜的情况下，所述布置结构相应地改变，从而例如在四个透镜时，这些透镜设置在正方形的各侧面上。在仅两个透镜时，这些透镜相互平行地以及相互对置地并且彼此间隔开地设置。 [0046] 在所示出的实施例中，透镜10可以构成为柱面透镜，这些柱面透镜的柱面轴线彼此平行并且延伸到图平面中。在这种情况中，每个所述透镜10具有焦线或者焦点线。但是也存在如下可能性，即，各透镜10分别具有旋转对称的曲面并且特别是球面透镜。在这种情况中，每个所述透镜10具有焦点或者聚焦点。 [0047] 在各透镜10之间的中间设置有旋转对称的构件11、特别是圆柱体(见图1)，该旋转对称的构件、特别是圆柱体在无横截面变化的情况下延伸到图1的图平面中。在此，构件11这样设置，使得透镜10的聚焦点位于构件11的对称轴线12或者柱面轴线上。 [0048] 此外，所述装置包括至少一个、优选数量符合透镜数的激光源以及光学器件，这些激光源以及光学器件可以使由激光源发出的激光辐射13施加到透镜上。所述光学器件特别是可以包括准直器件，例如包括多个用于准直的透镜，这些透镜这样设计并且设置在所述装置中，使得激光辐射以没有发散量或者有尽可能少的发散量或者说至少尽可能对准地击中到各透镜10上。 [0049] 图1示例性地示出五个激光辐射13，这些激光辐射分别由外垂直地击中到透镜10的背离构件的射入面上。在此，仅示意性地示出激光辐射13。特别是激光辐射13在透镜10的射入面上应该相应地具有均匀的位置分布或者说空间强度分布。 [0050] 激光辐射13穿过透镜10相应地这样变形，使得各激光辐射13在从透镜10的面向构件的射出面中射出之后相应地具有均匀的角度分布。这导致如下结果，即，相同的激光功率照射到构件11的外侧的每个周向区段上，其中，击中角度也是相同的。 [0051] 图2示出图1的装置，在该装置中，在各透镜10之间设置有具有对称轴线12'的构件11'，该构件具有比构件11大的直径。证明了，即使在该构件11'的情况下，各外侧也被均匀地照射。 [0052] 图3示出图1的装置，在该装置中，在各透镜10之间设置有具有对称轴线12”的构件11”，该构件具有比构件11小的直径。证明了，即使在该构件11”的情况下，各外侧也被均匀地照射。 [0053] 此外，与按照图6的实施例不同，没有激光辐射从构件11”旁经过。 [0054] 透镜10的数值孔径(NA)和其照射这样选择，使得利用所选数量的透镜10使构件11、11'、11”的外周的整个角度空间被照射。在此，透镜的数值孔径可以如下地确定： [0055] NA＝sin(α/2) [0056] 其中α＝360°/透镜数量。 [0057] 因此在实际中，至少4个透镜10作为数量是可能切合实际的，因为制造具有非常大的数值孔径(NA>0.8)的透镜应是困难的。 [0058] 为了确保在穿过透镜10之后存在各个激光辐射13的均匀的角度分布，透镜10应该以均匀的位置分布被照射。激光二极管栅的慢轴分布适合于此。因此，激光二极管栅相应地可以被选择作为激光源。所述慢轴分布也还可以附加地被均匀化。以下参考图7至12还更详细地说明相应的均匀化器件。 [0060] 非圆柱体可以被选择作为具有大的数值孔径的透镜，在特殊的情况中也选择圆的非球面或者圆柱形的环带透镜。 [0061] 在所有的变形方案中有利的是，位于透镜上的防反射涂层针对所有角度可以具有类似良好的透射。 [0062] 从击中到透镜10上的激光辐射13的发散量中可以推断出构件11、11'、11”的最小的直径d，在该直径的情况下，所有的激光辐射13射到构件11、11'、11”的表面上。以良好的F-Theta近似得出最小的直径d [0063] d＝θ·f [0064] 其中，θ等于入射的激光辐射的完整的发散角和f等于透镜10的焦距。 [0065] 通过在透镜10之间供使用的空间预定可针对构件11、11'、11”选择的最大直径。该直径可以这样大地选择这样，使得构件11、11'、11”的外侧击中到透镜10的射出面上。在实际中可以稍微较小地选择最大直径，以便阻止在加工时太多的污物击中到透镜10上。 [0066] 存在如下可能性，即，所述透镜10中的至少一个或者每个这样设置，使得激光辐射13在穿过所述透镜10中的所述至少一个或者每个之后的传播方向关于构件11、11'、11”的对称轴线12、12'、12”不仅具有径向分量、而且具有轴向分量。 [0067] 这可以通过如下方式达到，即，透镜10倾斜于对称轴线12、12'、12”，从而激光辐射13在穿过透镜10之后不在图1至3的图平面中延伸，而是以小的角度向上或者向下倾斜于图平面地延伸。这具有如下优点，即，在构件11、11'、11”上反射的激光辐射13或者在构件11、 11'、11”旁经过的激光辐射13不会损坏激光源之一。 [0068] 此外可以设有未示出的射束阱，该射束阱特别是可以构成为环形的。该射束阱可以俘获激光辐射的由构件11、11'、11”所反射的和/或穿过构件传输的部分。 [0069] 在图7中示出按照本发明的装置，在该装置中，透镜10示例性地构成为平凸透镜。如在图1中示出的例子中那样地，在规则的五边形的侧面上设置有五个透镜10。但是如已经提到的那样存在少于五个透镜10、特别是两个或者三个或者四个透镜10、或者多于五个透镜10的可能性，如例如设有六个、七个、八个、九个或者十个或者更多个透镜10，其中，透镜 10的规则的结构布置相应地例如在正方形、规则的六边形上或者在规则的八边形上进行。 此外，在此透镜10这样设置，使得相邻的透镜10相互接触或者说相互接界(anstoβen)。 [0070] 图8示出均匀化器件14的第一实施形式，该实施形式包括两个透镜阵列15、16以及仅示意性地示出的透镜17。该透镜17这样设置在所述装置中，使得在透镜17的输入侧的焦平面内设置有第二透镜阵列16的射出面并且在透镜17的输出侧的焦平面内设置有透镜10的射入面。在此，透镜阵列15、16的各个透镜的焦距f15、16明显小于透镜17的焦距f17。透镜阵列15、16可以是柱面透镜阵列，该柱面透镜阵列的柱面轴线延伸到图8的图平面中。此外，透镜17也可以是柱面透镜，该柱面透镜的柱面轴线延伸到图8的图平面中。 [0071] 在用于利用激光辐射13作用构件11的透镜10中，示例地仅示出一个透镜。但应该设有数量按照透镜10数目的均匀化器件14，亦即例如在六个透镜10的情况下也设有配设给这些透镜的六个均匀化器件14，或者例如在八个透镜10的情况下也设有配设给这些透镜的八个均匀化器件14。 [0072] 图9示出均匀化器件18的第二实施形式，该均匀化器件包括光导纤维19以及仅示意性地示出的透镜20。在此，光纤耦合的激光器的相对均匀的光由光导纤维19的端部射出。该均匀的分布由透镜20准直并且由该透镜延伸到透镜10的射入面上。透镜20可以是柱面透镜，该柱面透镜的柱面轴线延伸到图9的图平面中。 [0073] 在光导纤维19的端部和透镜20之间的距离在此等于透镜20的焦距f20。在图9中为了更好的可视性而相对大地呈现射出的光的发散角θ。切合实际的发散角θ处于12°和26°之间。 [0074] 在用于利用激光辐射13作用构件11的各透镜10中，仅示例地示出一个透镜。但应该设有数量按照透镜10数目的均匀化器件18，亦即例如在六个透镜10时也设有配设给这些透镜的六个均匀化器件18或者例如在八个透镜10时也设有配设给这些透镜的八个均匀化器件18。 [0075] 图12示出均匀化器件21的第三实施形式，该均匀化器件包括一个示意性地示出的波导22以及一个包括两个透镜23、24的望远镜。透镜23、24可以是柱面透镜，该柱面透镜的柱面轴线延伸到图9的图平面中。波导22在图10中更详细地示出并且与已经在WO2014/001277中所公开的波导相应。WO 2014/001277通过引用而作为本申请的一部分。 [0076] 在其尺寸确定的情况下，光以如下强度角度分布由在图10中示出的波导22射出，该强度角度分布至少沿一个方向符合凸出的Top-Hat轮廓25，如其在图11中示例性地示出的。该图示出与角度φ有关的强度I，其中，φ＝0°相当于光的中间的传播方向的角度。 [0077] 波导22具有方形的光导的区域26。然而完全存在如下可能性，即，光导的区域26仅区段式地具有长方体形状，特别是仅在一个或者多个垂直于光的中间的传播方向Z的平面内具有长方形的形状。 [0078] 为了达到前面提到的凸出的Top-Hat曲面25，特别是可以规定，光导的区域26的延伸尺寸D1大于光导的区域26的第二和/或第三延伸尺寸D2、D3，优选大至少3倍、特别是至少7倍、例如至少10倍，和/或优选大最高100倍、特别是最高50倍、例如最高40倍。 [0079] 此外，在图12中示出透镜27，该透镜将由激光源出发的激光13引入到波导22的光导的区域26中。透镜23、24的焦距f23、f24彼此比例处于1:2，从而光导的区域26的射出面放大2倍地投射到透镜10的射入面上。 [0080] 然而完全存在选择其他的焦距比例以便达到其它放大的可能性。例如，十倍或者二十倍的放大也是可能的。 [0081] 在用于利用激光辐射13作用构件11的各透镜10中，仅示例性地示出一个透镜。然而应该设置数量按照透镜10数目的均匀化器件21的数量，亦即例如在六个透镜10的情况下也设有配设给这些透镜的六个均匀化器件21或者例如在八个透镜10的情况下也设有配设给这些透镜的八个均匀化器件21。 [0082] 强度角度分布25朝向各边缘的下降大致符合与cos2(φ)成比例的下降。证明了，在透镜10数目小于8的情况下，光在构件11上的这样均匀的、特别是以cos2(φ)朝向各边缘下降的空间强度分布或者说位置分布导致非常均匀的强度分布。在此处应说明的是，朝向各边缘的下降沿与构件11的周向方向相应的方向进行，或者说沿透镜10相互连接的方向进行。 [0083] 以下应参考图13至15阐述对于选择光的朝向各边缘下降的空间强度分布或者说位置分布。 [0084] 图13说明当利用准直的光和线性的Top-Hat分布照射透镜时根据对于用作透镜10的理想透镜的角度φ在构件11上的激光辐射的强度I。在此，φ＝0°相当于在透镜10的光轴的区域中击中到构件11上的光部分。所示出的强度分布28表示，对于构件11的由各个透镜10作用的区段的边缘区域，所击中的强度大于中间的靠近所述光轴设置的区域。 [0085] 图14示出在相关的单元中在透镜10上的空间强度分布29或者说位置分布，其中，在光轴的区域中强度I的大小以1规定。强度I朝向各边缘下降至光轴的值的大约80％。空间强度分布29例如可以利用在图12中示出的均匀化器件21来产生。 [0086] 图15说明当尽管利用准直的光但是不利用线性的Top-Hat分布而是利用按照图14的分布29来作用时根据对于用作透镜10的理想透镜的角度φ在构件11上的激光辐射的强度I。这证明，在这种情况下，在全部的角度区域中在构件11上所接收到的强度分布30具有相同的强度I。按照这种方式保证构件11利用激光辐射的非常均匀的作用。 [0087] 当透镜10的用于表示的理想透镜通过真实的透镜或者F-Theta透镜来代替时，在透镜10上的空间强度分布29的形状必须匹配于其与理想透镜的偏差。 [0088] 同样相对良好地均匀化的基本上以cos2(φ)朝向各边缘下降的强度分布可以通过已经提到的激光二极管栅的慢轴分布来达到。因此，当应该放弃使用均匀化器件时，推荐在透镜10数目小于八的情况下以激光二极管栅的慢轴分布照射透镜10的射入面。在这里，所述慢轴也应平行于构件11的周向方向地设置或者说平行于透镜10彼此连接的方向设置。 [0089] 在透镜10数目大于或者等于八的情况下，在构件11上通过线性的Top-Hat分布或者说通过不下降的强度分布来达到均匀的强度分布，如该强度分布例如可以利用按照图8和图9的均匀化器件14、18来达到。 |
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