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用于照亮光閥的裝置和方法

文檔序號:2764619閱讀:236來源:國知局
專利名稱:用于照亮光閥的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及激光照明領(lǐng)域,更具體而言,涉及產(chǎn)生在成像和其它應(yīng)用中使用的照明線。
背景在許多成像應(yīng)用中采用二極管激光器作為方便且低成本的輻射源。材料加工應(yīng)用可利用適當(dāng)耦合的二極管激光器輻射以改變工件的性質(zhì)或特征。圖像記錄和顯示系統(tǒng)可使用激光二極管來為光學(xué)系統(tǒng)提供照明。
在一個特定的成像應(yīng)用中,激光二極管發(fā)射器的單片陣列可用于照亮多通道光閥。光閥通常具有多個可獨(dú)立尋址的調(diào)節(jié)位置(modulatorsite);每個位置產(chǎn)生光束或成圖像的調(diào)制光的通道。當(dāng)在圖像接收器上方掃描這些通道時,通過有選擇激活通道來形成圖像。對于高質(zhì)量的成像,通常需要的是,這些通道的成像特征是相同的。這一需求對系統(tǒng)設(shè)計者提出了一項艱難的挑戰(zhàn),因為來自激光二極管的照明是高度像散的,其具有差的總光束質(zhì)量。因此,用于聚集和格式化光輸出的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)法克服二極管激光器輸出的固有限制,以便產(chǎn)生可使用的照明。
Gelbart的美國專利5,517,359描述了一種用于將來自具有多個發(fā)射器的激光二極管陣列的輻射成像到線性光閥上的方法。光學(xué)系統(tǒng)在光閥的平面處疊加來自每個發(fā)射器的輻射線,從而形成單個合并的照明線。該疊加提供了對于發(fā)射器故障(局部或全部)的某種抗除性。如果出現(xiàn)這種故障,那么盡管降低了輸出功率,但是線的均勻性未受到嚴(yán)重的影響。
即使利用疊加的發(fā)射器,各個發(fā)射器的輻射分布的均勻性仍對線的總均勻性具有影響。良好的激光二極管陣列可具有沿慢軸高于20%的非均勻性的發(fā)射器。當(dāng)來自多個發(fā)射器的輻射被合并時,一些非均勻性可能彼此補(bǔ)償,但通常會剩有10-15%的非均勻性。通過衰減來自被更強(qiáng)烈照射的通道的輸出以均衡來自每個通道的輸出,一些光閥能夠調(diào)節(jié)該非均勻性。然而這表示高達(dá)15%的有用光輸出的損耗,因為不可能放大弱通道。
Moulin的美國專利6,137,631描述了一種用于混合來自激光二極管陣列中的多個發(fā)射器的輻射能量的裝置。該混合裝置包括位于激光輻射被聚焦的位置處或者該位置的下游的多個反射表面。進(jìn)入該混合裝置的輻射能量受到多重反射,這使得出現(xiàn)的輻射能量的輸出分布更均勻。
現(xiàn)在可獲得具有19個或更多個150μm的發(fā)射器的激光二極管陣列,其在830nm波長處的總功率輸出約為50W。盡管不斷地進(jìn)行努力以提供更高的功率,但是材料和制造技術(shù)仍然限制對于任何給定結(jié)構(gòu)可獲得的功率。為了提供具有約100W總功率的照明線,光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計者可能只剩將來自多個激光二極管陣列的輻射合并這一選擇。在Oren等人的美國專利5,900,981和Simpson的美國專利6,064,528中公開了雙激光器陣列組合。
發(fā)明概要本發(fā)明的第一方面提供一種光閥照明器,該光閥照明器包括至少一個激光器陣列和一個光管,所述至少一個激光器陣列的每個可操作用于發(fā)射相應(yīng)的多條輻射束。該光管由分開設(shè)置并彼此相對的兩個反射表面來限定。該光管具有輸入端和輸出端。輸入端可操作用于接收來自所述至少一個激光器陣列的每個的相應(yīng)的多條輻射束。任何給定的相應(yīng)的多條輻射束的部分在輸入端處不與相同的相應(yīng)的多條輻射束的其它部分重疊。此外,一個相應(yīng)的多條輻射束的一部分在輸入端處將不與另一相應(yīng)的多條輻射束的一部分相重疊。該相應(yīng)的多條激光束的每個相應(yīng)的部分小于該相應(yīng)的多條輻射束的總和。在該輸出端的下游設(shè)有至少一個光學(xué)元件,用于將該光管輸出端成像到該光閥上。
本發(fā)明的另一方面提供一種用于將來自一個或多個激光器陣列的多條輻射束耦合到光閥上的方法。來自所述一個或多個激光器陣列的每個的多條輻射束射入光管。該光管具有輸入端、輸出端以及一對在輸入端和輸出端之間分開設(shè)置的相對的反射表面。在發(fā)射期間,任何給定的相應(yīng)的多條輻射束的部分在該輸入端處都不與相同的相應(yīng)的多個輻射束的其它部分相重疊。此外,一個相應(yīng)的多條輻射束的一部分在該輸入端處不與另一相應(yīng)的多條輻射束的一部分相重疊。在所有的情況下,該相應(yīng)的多條激光束的每個相應(yīng)部分小于該相應(yīng)的多條輻射束的總和。該光管的輸出端被成像到該光閥上。
在本發(fā)明的又一方面中,一種照明系統(tǒng)包括至少兩個激光器和一個光管,每個激光器能夠產(chǎn)生輻射束,該光管用于將來自這些激光器的輻射束合并為一條復(fù)合照明線。位置傳感器位于該光管的下游,用于監(jiān)測輻射束的位置并產(chǎn)生位置反饋信號。存在至少一個致動器,用于響應(yīng)于該位置反饋信號而改變至少一條輻射束的指向。
為了理解本發(fā)明,現(xiàn)在將通過例子來參考下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述。
附圖簡述在通過例子僅說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例的圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的透視圖;圖2-A是圖1的照明系統(tǒng)的平面圖;圖2-B是圖1的照明系統(tǒng)的側(cè)視圖;圖3是光管的平面圖;圖4是光管的另一個實施例的平面圖;圖5-A是光束指向控制系統(tǒng)的透視圖;圖5-B是光束指向伺服系統(tǒng)的示意圖;圖6-A是光管照明系統(tǒng)的平面圖;圖6-B是來自圖6-A中所示的光管的輸出的相位空間圖;圖7-A是光束指向控制系統(tǒng)的可替換實施例的透視圖;以及圖7-B是圖7-A中所示的探測器的平面圖。
說明在整個下面的說明中,陳述了特定的細(xì)節(jié)以便提供對本發(fā)明更透徹的理解。然而,可以實行本發(fā)明而不具有這些細(xì)節(jié)。在其它情況下,沒有詳細(xì)示出或描述一些公知的元件,以避免不必要地模糊本發(fā)明。因此,應(yīng)當(dāng)在說明性而非限制性的意義上看待本說明書和附圖。
圖1示出本發(fā)明的實施例,其中來自兩個激光器陣列10和12的輻射被引導(dǎo)到光管20上。光管20由基本上垂直于系統(tǒng)平面的一對反射表面22來限定。系統(tǒng)平面被定義為平行于XZ平面的平面。光管20從其輸入端24至其輸出端26成錐形。光管20的輸出端26是在反射表面22下游終端之間的區(qū)域。
該對激光器陣列10和12優(yōu)選包括一對激光二極管陣列,每個激光二極管陣列具有多個發(fā)射器14。發(fā)射器14通常被稱為條狀發(fā)射器,因為它們在一個方向上非常窄(一般1μm),并且在另一個方向上被拉長(對于多模激光器而言,一般大于80μm)。優(yōu)選地,條狀發(fā)射器的拉長側(cè)位于系統(tǒng)平面內(nèi)。在這種情況下,Y軸通常被稱為“快軸”,因為激光輻射沿該方向非??斓匕l(fā)散,而X軸通常被稱為“慢軸”,因為激光輻射沿該方向相當(dāng)慢地發(fā)散(沿慢軸的約8°夾角的發(fā)散可與沿快軸的約30°夾角的發(fā)散相比)。在每個激光器陣列10和12中的每個發(fā)射器14產(chǎn)生一個輸出束,該輸出束沿快軸是單橫模的,以及沿慢軸是多橫模的。微透鏡16位于每個發(fā)射器14的前部,以便聚集來自發(fā)射器14的輻射。利用一對分開設(shè)置的金剛石鋸條可從圓形非球面透鏡中切下微透鏡16(如共同轉(zhuǎn)讓的Gelbart的US專利5,861,992中所述)。
由透鏡28、30和32將光管20的輸出端26光耦合至光閥34,從而使得輸出端26能夠成像在光閥34上。光閥34具有多個調(diào)節(jié)位置36??讖焦怅@29位于棱鏡28和30之間。利用光學(xué)成像系統(tǒng)(未示出)可將光閥34的調(diào)節(jié)位置36成像到預(yù)定目標(biāo)上。
如圖1所示,激光器陣列10和12優(yōu)選是輕微的“內(nèi)八字(toed-in)”以朝向中心軸18??商鎿Q地,可利用在系統(tǒng)平面內(nèi)具有光焦度(power)的柱面透鏡(未示出)在光學(xué)上來實現(xiàn)這種內(nèi)八字。柱面透鏡可位于微透鏡16和光管輸入端24之間。
照明系統(tǒng)的操作相對于圖1、圖2-A和圖2-B中進(jìn)行了描述。在所示的實施例中,來自激光器陣列10和12的發(fā)射器14的輻射是像散的。變形成像系統(tǒng)用于照亮光閥34。因此,輻射沿快軸和慢軸的傳播應(yīng)該被認(rèn)為是分開的。
在圖2-A所示的系統(tǒng)平面中,來自發(fā)射器14的發(fā)散輻射束42a由微透鏡16聚集并導(dǎo)入光管20的輸入端24。微透鏡16沿慢軸被校直,以將來自每個發(fā)射器14的輻射束42a朝向在光管20的輸出端26附近的中心軸18對準(zhǔn)。然而,根據(jù)本發(fā)明的所有實施例,由相應(yīng)的發(fā)射器發(fā)射的任何特定的輻射束將不會沿慢掃描方向在光管的輸入端處與由其它所有發(fā)射器發(fā)出的其它所有的輻射束相重疊,而不管其它發(fā)射器是同一激光器陣列的一部分還是任何其它激光器陣列。值得注意的是,來自給定發(fā)射器14的輻射可由多于一個的微透鏡16收集并導(dǎo)入光管20的輸入端24。
在圖2-B所示的垂直于系統(tǒng)平面的平面中,發(fā)射器14的輻射束40a迅速發(fā)散。應(yīng)當(dāng)注意的是,每個輻射束40a和42a表示由發(fā)射器14發(fā)出的在不同平面中觀察到的光束。每個微透鏡16聚集來自單個發(fā)射器14的輻射40a,并將其聚焦至點(diǎn)44處的束腰。在本發(fā)明的這個實施例中,點(diǎn)44位于光管20的輸出端26的下游,并位于透鏡28和30之間。選擇束腰的位置以限制光學(xué)表面上的功率密度。由柱面透鏡32將該束腰成像在光閥34上。可替換地,發(fā)射器14不需要被聚焦以在柱面透鏡32之前產(chǎn)生束腰,而是在柱面透鏡32后產(chǎn)生虛束腰。接著柱面透鏡32將該虛束腰成像到光閥34上。
返回到圖1所示的實施例,為了將來自每個發(fā)射器14的輻射貢獻(xiàn)重疊以從而在44處形成復(fù)合束腰,沿快軸校直微透鏡16以將每個發(fā)射器14的束腰定位在點(diǎn)44處。
光學(xué)元件28是沿快軸不具有光焦度的柱面透鏡。類似地,孔徑29對輻射的快軸傳播不具有影響。元件30是球面場透鏡。元件32是沿快軸具有光焦度的柱面透鏡,用于將光束40c聚焦到光閥34上的窄線46中。
光管20合并并混合來自激光器陣列10和12的發(fā)射器14的輻射束,并在輸出端26處產(chǎn)生輸出輻射。相對于圖3描述了光管20的操作。發(fā)射器14產(chǎn)生輻射束,該輻射束由如前所述的微透鏡16聚集并聚焦。圖3中示出了兩條代表性的光束60和62,盡管應(yīng)當(dāng)理解每個發(fā)射器產(chǎn)生這樣一條光束。每條光束60和62還應(yīng)當(dāng)被理解為在為該光束所示的邊界范圍之內(nèi)包括一束射線。還應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步理解,由光束60和62表示的邊界僅為了說明的目的而示出,并且在本發(fā)明的其他優(yōu)選實施例中可以進(jìn)行改變。在到達(dá)光管20的輸出端26之前,在點(diǎn)66、68和70處由反射表面22反射光束60。在到達(dá)輸出端26之前,光束62在點(diǎn)72和74處被反射。在輸出端26處,重疊并混合光束60和62以在輸出端26處形成一部分輸出輻射。來自其他發(fā)射器14的光束在到達(dá)輸出端26之前被類似地反射。因此,在輸出端26處,輸出輻射將包括由從發(fā)射器14發(fā)射的每個輻射束的實質(zhì)性部分(即考慮到在光管20內(nèi)任何微小的損耗)構(gòu)成的輸出復(fù)合輻射束。此外,在輸出端26處,輸出輻射包括從一個反射表面22的終端延伸至另一個反射表面22的終端的均勻的復(fù)合照明線??赏ㄟ^適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)放大該復(fù)合照明線以照亮光閥。應(yīng)當(dāng)注意,在輸出端26處,由激光器陣列10發(fā)射的多條輻射束將產(chǎn)生第一照明線,以及由激光器陣列12發(fā)射的多條輻射束將產(chǎn)生第二照明線。第一和第二照明線在輸出端26處可分開設(shè)置或者至少部分重疊,但是在這兩種情況下它們都將形成復(fù)合照明線。當(dāng)分開設(shè)置時,第一和第二照明線在光管20的下游可被合并。
現(xiàn)在返回到圖2-A和圖2-B,由柱面透鏡28和球面透鏡30將光管20的輸出端26成像到光閥34上。離開光管20的輸出端26的輸出輻射束42b基本上是遠(yuǎn)心的,并且孔徑29位于透鏡28的焦點(diǎn)處??讖?9的功能是阻擋可能在光管中經(jīng)歷了過多反射從而在離開輸出端26時相對于軸18具有過大角度的最外面的射線。如果包括這種射線,那么可能降低復(fù)合照明線42c的均勻性,特別是在邊緣處的均勻性。球面透鏡30是場透鏡,其確保光束42d在系統(tǒng)平面內(nèi)遠(yuǎn)心地照射光閥34。光閥的遠(yuǎn)心照射確保能夠同等地照射每個調(diào)節(jié)位置。
總之,使用光管20通過反射表面22的多次反射將多個發(fā)射器14的輻射束攪亂(scramble)。這種攪亂導(dǎo)致在輸出端26處均勻的輻射分布。光管20的輸出端26可被成像在光閥24上,以提供多個調(diào)節(jié)位置36的均勻的遠(yuǎn)心照射。
有利的是,光管20的反射表面22可被選擇為只對沿快軸方向偏振的輻射具有高反射率。沿其他方向偏振的輻射通過在光管20中的多次反射被衰減。這對于一些只能夠調(diào)節(jié)在特定方向上偏振的光束的光閥而言是有利的。當(dāng)具有其他偏振方向的光束無衰減地通過光閥時,通過衰減具有不同于該特定方向的偏振方向的光束,可以改善可實現(xiàn)的對比度。
盡管在前述實施例中光管20是錐形的,但這不是強(qiáng)制性的。選擇錐形是為了適合包括激光發(fā)射器的慢軸發(fā)散、激光器陣列10和12的尺寸、激光器陣列朝向軸18成內(nèi)八字狀的角度、以及對于光管長度的任何約束條件的多種因素。在一些情況下,如果發(fā)射器是高度發(fā)散的和/或如果存在足夠的空間來容納更長的光管,那么可以采用非錐形的光管。在系統(tǒng)平面中可以檢查任何特定光管的反射,以預(yù)測任何給定光束的反射次數(shù)以及所產(chǎn)生的輸出的均勻性(例如參見圖6-A和圖6-B)。根據(jù)模擬的相位空間,對于給定的情況可最佳地選擇光管的長度和錐度。在圖4中所示的可替換實施例中,一對無微透鏡的激光器陣列10和12被耦合入包括一對平行反射表面80的光管。來自外部發(fā)射器的輻射束82被示出。光束82中的一些射線可以在到達(dá)輸出端26之前經(jīng)過兩次反射,從而在輸出端26處提供發(fā)射器貢獻(xiàn)的某種混合。
在本發(fā)明的可替換實施例中,使用直接在激光器陣列后面的柱面透鏡沿快軸方向準(zhǔn)直來自每個激光器陣列的所有發(fā)射器的輻射。
在許多應(yīng)用中,控制從激光器陣列發(fā)射的輻射束的指向是重要的。在來自兩個或更多個激光器陣列的光束將被組合時,在指向方面的任何改變都將導(dǎo)致線照明的亮度上的波動(亮度是從每單位面積每單位立體角的表面發(fā)射的光通量,并且是照明系統(tǒng)中的重要參數(shù))。在一些應(yīng)用中,這將需要單獨(dú)控制每個反射器的指向。
一種用于主動控制激光束的指向的方法是在激光路徑中采用可移動的反射元件,以將光束與位于遠(yuǎn)離激光源某一距離處的目標(biāo)相對準(zhǔn)。該目標(biāo)通常是某一類型的位置敏感探測器(PSD)。來自該目標(biāo)的輸出被用作反饋信號以伺服可移動的反射元件。可選地,該激光器本身是可移動的,從而消除了附加反射元件的需要。
對于具有兩個或更多個激光器的系統(tǒng)而言,這一概念的擴(kuò)展具有一種相當(dāng)嚴(yán)重的復(fù)雜性,特別是當(dāng)所述兩個或更多個激光器中的每個包括激光器陣列時。在利用光管組合來自多個激光器陣列的輻射時,重點(diǎn)是產(chǎn)生復(fù)合照明線,在該復(fù)合照明線中不可能從不同的激光器陣列中區(qū)分單個的貢獻(xiàn)。當(dāng)采用多個激光二極管陣列時,對于檢測來自特定激光二極管的光束的位置,這帶來一個直接的問題。盡管通過在光束完全重疊之前監(jiān)測光束末端,現(xiàn)有技術(shù)的單個激光器指向控制方案可以相當(dāng)簡單地適于雙激光器系統(tǒng),但在光管輸出端處獨(dú)立地提取位置信息不是那么簡單的。
在圖5-A中,一對激光器10和12被耦合入光管20。來自激光器10的輻射被向下導(dǎo)到旋轉(zhuǎn)鏡90上,該旋轉(zhuǎn)鏡將輻射導(dǎo)入光管20。旋轉(zhuǎn)鏡90可如箭頭94所示繞軸92旋轉(zhuǎn)。類似地,來自激光器12的被向上導(dǎo)到旋轉(zhuǎn)鏡96上的輻射也被導(dǎo)入光管。旋轉(zhuǎn)鏡96可繞軸98旋轉(zhuǎn)。應(yīng)該顯而易見的是,通過旋轉(zhuǎn)每個鏡90和96,激光器10和12的指向可被改變,因此,可沿Y軸方向調(diào)整在光管20的輸出端26處的輻射束的位置。
圖6-B是圖6-A中所示的光管結(jié)構(gòu)的輸出端的相位空間圖。在數(shù)學(xué)射線跟蹤仿真中模擬激光源和光管反射表面產(chǎn)生該圖。圖6-A中,來自激光器10和12的射線束110相對于它們通過光管20的路徑進(jìn)行分析。在輸出端26處示出三條代表性的射線112、114和116。每條射線具有在軸118上的位置x,并與軸120成一角度θ。在輸出端26處射出光管20的每條射線的位置和角度在圖6-A中被畫出(作為角度θ的正弦)。盡管只示出了3條輸出射線,但是應(yīng)當(dāng)理解,該相位空間圖是通過觀測多條射線的x和θ值并在圖6-A中畫出它們以形成密度區(qū)域122而產(chǎn)生的。作為一個例子,如在圖6-B中所示,畫出了射線112、114和116。
相位空間圖(圖6-B)示出輸出相位空間的照射部分是如何由來自不同的激光源的貢獻(xiàn)構(gòu)成的。該圖旁邊的標(biāo)記用于表示哪個激光器已經(jīng)產(chǎn)生特定部分的照明,以及在到達(dá)輸出端26之前在表面22處經(jīng)歷了多少次反射。一些射線的角度太大(在sinθ軸的正極限和負(fù)極限處),并且將損害光管20的輸出端26的均勻性。圖左側(cè)標(biāo)記為“R”的范圍之外的照明貢獻(xiàn)因此被孔徑阻擋,以防止它們進(jìn)入照明分布。被阻擋的區(qū)域通常表示經(jīng)歷太多反射(在這種情況下超過兩次反射)的貢獻(xiàn)。
在區(qū)域R外部的照明貢獻(xiàn)可清楚地看作是來自激光器10或激光器12。此外,由于這部分照明線無論如何都將被阻擋,所以它可用于監(jiān)測激光器10和12的指向而不影響有用的輸出輻射。在圖5-A中,如所示設(shè)置一對位置敏感探測器124和126,以便監(jiān)測激光器10和12的位置并提供反饋給控制系統(tǒng)。
在圖5-B中示意性地描繪了一個合適的控制器。“設(shè)定點(diǎn)”是對光束的期望的位置。旋轉(zhuǎn)鏡致動器130通過致動旋轉(zhuǎn)鏡來響應(yīng)設(shè)定點(diǎn)的改變,從而導(dǎo)致實際光束位置132的改變。光束位置的這種改變由PSD傳感器134探測,并被反饋(作為負(fù)反饋)給比較器136。如果光束位置132在所期望的位置處,那么反饋138和設(shè)定點(diǎn)將具有相同的電平,并且比較器136的輸出140將為零,這意味著旋轉(zhuǎn)鏡致動器130的位置不再改變。然而,如果反饋138偏離設(shè)定點(diǎn)(表示偏離該設(shè)定點(diǎn)的位置),那么比較器136的輸出140起到校正該偏離的作用。在雙激光器系統(tǒng)中,圖5-B的控制器對于每個激光器被復(fù)制,并且每個激光器被獨(dú)立地控制。方便地,為了在Y軸上最佳的重疊,可通過調(diào)整每個控制回路的設(shè)定點(diǎn)來調(diào)整激光束。
在圖7-A中所示的可替換實施例中,來自光管20的輸出端26被引導(dǎo)至位于光管20下游的分束器150。分束器150將光輸出分為兩束。大部分能量作為照亮光閥(未示出)的光束152被允許穿過分束器150。較小的部分被分出作為光束154,穿過透鏡156,并被引導(dǎo)至象限探測器158。選擇透鏡156和象限探測器158的定位以將激光器陣列10和12成像到探測器158上。
參考圖6-B,圖的中心區(qū)域具有來自在x軸上方的激光器10和x軸下方的激光器12的貢獻(xiàn)。現(xiàn)在回到圖7-B,這些貢獻(xiàn)在象限探測器158上被示出為對應(yīng)于來自激光器10的貢獻(xiàn)的光束160、以及對應(yīng)于來自激光器12的貢獻(xiàn)的光束165。對準(zhǔn)透鏡156和探測器158,以使光束160落在探測器部分170和172上,以及光束165落在探測器部分174和176上。指向的變化將光束160和165上下移動,從而改變在不同的部分處探測到的信號電平。光束160在部分170和172的上方垂直居中,因此從這些探測器的每個輸出的信號將是相同的。光束165對部分174的照射比對部分176的照射更多,因此來自這些部分的信號將不相同。通過改變激光器10的指向直到部分174和176上的信號電平相同為止,光束165可居中并與光束160對準(zhǔn)。以這種方式可主動控制光束指向。然而應(yīng)該顯而易見的是,將光束居中位于探測器部分的上方是不必要的。實際上,兩條光束都可根據(jù)需要通過某一數(shù)量進(jìn)行補(bǔ)償。這些補(bǔ)償甚至不必是相同的,因為光束指向可被調(diào)整至外部診斷系統(tǒng),并且光束160和165可具有不同的補(bǔ)償目標(biāo),它們根據(jù)補(bǔ)償目標(biāo)而受到控制。
盡管象限探測器提供了一種用于在單個元件上控制兩條光束的便利的形式,但是它可以被一對位置敏感探測器所取代,其中對于每條光束采用探測器之一。
在此處所描述的實施例中,輻射在光閥處被形成為一條窄線,但這不是強(qiáng)制性的。通常輻射線被格式化以適應(yīng)光閥,并且輻射可在更寬的區(qū)域上傳播。此外,盡管此處所述的實施例示出在公共平面中發(fā)射的激光器,但是這些激光器也可以被布置在不同的平面內(nèi)發(fā)射。在這種情況下,光管仍沿慢軸方向混合光束,在光管之后出現(xiàn)沿快軸的光束的組合。應(yīng)當(dāng)注意,本發(fā)明的優(yōu)選實施例可采用兩個或更多個激光器,其中每個激光器是單個激光束??蛇x地,兩個或更多個激光器的每個可包括由多個激光器元件構(gòu)成的激光器陣列。此外,本發(fā)明的可選實施例可結(jié)合包括多個激光器的單個激光器陣列。因此,作為激光二極管陣列的激光器陣列將由多個激光二極管構(gòu)成。在其中采用激光二極管陣列的本發(fā)明的優(yōu)選實施例中,微透鏡優(yōu)選位于二極管陣列中每個發(fā)射器的前方。也可使用例如由Lissotschenko Mikrooptik(LIMO)GmbH of Dortmund,Germany制造的單片微光學(xué)陣列的其它微透鏡元件。LIMO制造一系列快軸和慢軸準(zhǔn)直器,這些準(zhǔn)直器可單獨(dú)使用或組合使用以格式化來自激光二極管陣列的輻射。
也可使用不同于激光二極管陣列的激光器陣列作為光源。例如,可采用多個光纖耦合激光二極管形成這些陣列,該光纖耦合激光二極管具有相對于彼此分開設(shè)置的光纖頭,從而形成激光束陣列。這種光纖的輸出可同樣耦合入光管,并被攪亂以產(chǎn)生均勻的照明線。在另一可替換形式中,這些光纖也可是具有以固定的關(guān)系排列的輸出端的多個光纖激光器。本發(fā)明的優(yōu)選實施例采用紅外激光器。在本發(fā)明中已經(jīng)成功地使用了采用150μm發(fā)射器的紅外二極管激光器陣列,其在830nm波長處具有約50W的總功率輸出。對于本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員而言,包括可見光激光器的可替換激光器顯然也可用在本發(fā)明中。
方便地,利用如此處所述的一對反射鏡可以制造光管,但這并不是強(qiáng)制性的。該光管還可由透明玻璃固體制成,該透明玻璃固體具有用于反射激光束的相對的反射面。合適的固體將具有與在附圖中所示的反射鏡之間的區(qū)域相同的形狀(即楔形)。這些表面可涂有反射層,或者該光管可依賴于總的內(nèi)部折射以將激光束導(dǎo)向光管的輸出端。
最后,從輸出端到光閥的光路被示出為基本上沿著系統(tǒng)平面。本發(fā)明的可替換實施例可采用一個或多個元件,例如在光管和光閥之間的反射鏡,以便允許在平面上的光閥的定位偏離系統(tǒng)平面,或者在與系統(tǒng)平面成一定角度的平面上定位該光閥。光閥的這些可替換位置可有利于允許更緊湊的成像系統(tǒng)。
根據(jù)上面的公開,對于本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員而言顯而易見的是,在不背離本發(fā)明的精神或范圍的情況下,有可能在本發(fā)明的實行中進(jìn)行許多變化和修改。因此,本發(fā)明的范圍應(yīng)根據(jù)由后面的權(quán)利要求書限定的內(nèi)容進(jìn)行解釋。
權(quán)利要求
1.一種用于照亮光閥的裝置,包括第一激光器陣列,其能夠發(fā)射第一多條輻射束;光管,其包括兩個反射表面,該兩個反射表面相互分開設(shè)置并且彼此相對,輸入端,其可操作用來接收該第一多條輻射束,該第一多條輻射束的至少第一部分和第二部分在該輸入端處不重疊,該第一多條輻射束的至少第一部分和第二部分中的每個小于該第一多條輻射束的總和,以及輸出端,其可操作用來發(fā)射輸出輻射;以及至少一個光學(xué)元件,其位于該輸出端的下游,可操作用于通過將該輸出端成像到該光閥上來照亮該光閥。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置,包括至少一個能夠發(fā)射第二多條激光束的第二激光器陣列,其中該輸入端可操作用于接收該第二多條輻射束,該第二多條輻射束的至少第一部分和第二部分在該輸入端處不重疊,以及該第二多條輻射束的至少第一部分和第二部分中的每個小于該第二多條輻射束的總和。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置,其中該輸入端可操作用于接收該第一和第二多條輻射束,該第一多條輻射束的至少第三部分不與該第二多條輻射束的至少第三部分在該輸入端處重疊,并且該第一多條輻射束的至少第三部分小于該第一多條輻射束的總和,以及該第二多條輻射束的至少第三部分小于該第二多條輻射束的總和。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置,其中該第一激光器陣列和該至少一個第二激光器陣列被對準(zhǔn),以使該第一多條輻射束和該第二多條輻射束在共同的平面內(nèi)傳播。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置,其中該兩個反射表面被定向為基本上垂直于系統(tǒng)平面。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置,其中該第一激光器陣列和該至少一個第二激光器陣列被對準(zhǔn),以使該第一多條輻射束和該第二多條輻射束向內(nèi)朝向中心軸成一定角度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任何一項所述的裝置,其中該光管從輸入端至輸出端成錐形。
8.根據(jù)權(quán)利要求2至6中任何一項所述的裝置,包括微透鏡元件,其位于該第一多條輻射束的每條光束和該第二多條輻射束的每條光束的路徑中。
9.根據(jù)權(quán)利要求2至6中任何一項所述的裝置,包括微透鏡元件,其至少位于該第一多條輻射束和該第二多條輻射束之一的路徑中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置,其中該微透鏡元件包括微光學(xué)元件的陣列。
11.根據(jù)權(quán)利要求2至6中任何一項所述的裝置,包括位于光管和該第一以及該至少一個第二激光器陣列之間的透鏡。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任何一項所述的裝置,其中該至少一個光學(xué)元件包括在至少一個系統(tǒng)平面內(nèi)具有光焦度的光學(xué)元件。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任何一項所述的裝置,其中該至少一個光學(xué)元件包括球面透鏡。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任何一項所述的裝置,其中該至少一個光學(xué)元件包括柱面透鏡。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任何一項所述的裝置,其中該至少一個光學(xué)元件包括用于以基本上遠(yuǎn)心的方式將輸出端成像到光閥上的透鏡。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任何一項所述的裝置,其中該兩個反射表面包括一對分開設(shè)置的反射鏡。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任何一項所述的裝置,其中該光管包括固體的透明光學(xué)材料,該材料具有至少一對形成兩個反射表面的相對的平面。
18.根據(jù)權(quán)利要求2至6中任何一項所述的裝置,其中該第一多條輻射束和該第二多條輻射束中的每個包括紅外輻射束。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至18中任何一項所述的裝置,包括位于該光管下游的孔徑,該孔徑可操作用來阻擋該輸出輻射的至少一部分。
20.根據(jù)權(quán)利要求2至6中任何一項所述的裝置,其中該輸出輻射包括該第一多條輻射束的至少一部分以及該第二多條輻射束的至少一部分,以及其中該裝置還包括至少一個位于光管的下游的第一位置傳感器,該至少一個第一位置傳感器可操作用于產(chǎn)生對應(yīng)于該第一多條輻射束的至少一部分的位置的第一位置反饋信號,以及至少一個第一致動器,其可操作用于響應(yīng)于該第一位置反饋信號而改變至少該第一激光器陣列的指向。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置,包括至少一個位于該光管下游的第二位置傳感器,該至少一個第二位置傳感器可操作用于產(chǎn)生對應(yīng)于該第二多條輻射束的至少一部分的位置的第二位置反饋信號,以及至少一個第二致動器,其可操作用于響應(yīng)于該第二位置反饋信號而改變該至少一個第二激光器陣列的指向。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置,其中該至少一個第一致動器改變第一光學(xué)元件在該第一多條輻射束的路徑中的位置,以及該至少一個第二致動器改變第二光學(xué)元件在該第二多條輻射束的路徑中的位置。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置,其中該第一光學(xué)元件和該第二光學(xué)元件的每個是旋轉(zhuǎn)鏡。
24.根據(jù)權(quán)利要求2至6中任何一項所述的裝置,其中該輸出輻射包括復(fù)合照明線,該復(fù)合照明線包括來自該第一多條輻射束和該第二多條輻射束的貢獻(xiàn)。
25.一種用于照亮光閥的方法,該方法包括將來自第一激光器陣列的第一多條輻射束射入光管,該光管包括輸入端、輸出端和一對分開設(shè)置在該輸入端和輸出端之間的相對反射表面;用該第一多條輻射束照射該輸入端,照射該輸入端包括在該輸入端處不重疊該第一多條輻射束的至少第一部分和第二部分,該第一多條輻射束的至少第一部分和第二部分小于該第一多條輻射束的總和;在該輸出端處產(chǎn)生輸出輻射;以及通過將該輸出端成像到該光閥來照亮該光閥。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法,包括將來自至少第二激光器陣列的第二多條輻射束射入該光管;以及用該第二多條輻射束照射該輸入端,照射該輸入端還包括在該輸入端處不重疊該第二多條輻射束的至少第一部分和第二部分,該第二多條輻射束的至少第一部分和第二部分小于該第二多條輻射束的總和。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法,其中照射該輸入端包括在該輸入端處不重疊該第一多條輻射束的至少第三部分和該第二多條輻射束的至少第三部分,該第一多條輻射束的至少第三部分小于該第一多條輻射束的總和,以及該第二多條輻射束的至少第三部分小于該第二多條輻射束的總和。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法,包括在該輸入端和該輸出端之間反射該第一和第二多條輻射束中的每個的至少一部分至少一次。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法,其中第一和至少第二激光器陣列的每個具有快軸和慢軸,并且該光管沿至少該慢軸至少混合該第一多條輻射束的部分和該第二多條輻射束的部分。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法,其中該輸出輻射包括對應(yīng)于該第一陣列的第一照明線以及對應(yīng)于該至少一個第二陣列的第二照明線,該第一和第二照明線分開設(shè)置并垂直于系統(tǒng)平面,該方法包括合并該光管的輸出端下游的該第一和第二照明線。
31.一種照明系統(tǒng),包括至少兩個激光器,該至少兩個激光器中的每個能夠發(fā)射相應(yīng)的輻射束;包括輸入端和輸出端的光管,該光管可操作用來在該輸出端處產(chǎn)生來自該相應(yīng)輻射束的每個的復(fù)合照明線;位于該光管的下游的位置傳感器,該位置傳感器可操作用于接收該復(fù)合照明線,探測該相應(yīng)輻射束的每個的位置,以及產(chǎn)生位置反饋信號;以及至少一個致動器,用于響應(yīng)于該位置反饋信號而改變至少一個該相應(yīng)的輻射束的指向。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的照明系統(tǒng),其中該至少一個致動器被可操作地連接到該至少兩個激光器之一以將其移動。
33.根據(jù)權(quán)利要求31所述的照明系統(tǒng),其中該至少兩個激光器的每個是激光器陣列,并且該相應(yīng)的輻射束包括多條輻射束。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的照明系統(tǒng),其中該激光器陣列的每個包括激光二極管陣列。
35.根據(jù)權(quán)利要求31所述的照明系統(tǒng),包括至少一個光學(xué)元件,其被置于接近該至少兩個激光器的每個并在該相應(yīng)的輻射束的每個的路徑中,以及其中該至少一個致動器被可操作地連接到該至少一個光學(xué)元件以將其移動。
36.根據(jù)權(quán)利要求31所述的照明系統(tǒng),包括被可操作地連接到該至少兩個激光器之一的致動器,該致動器可操作用于重新定向由該兩個激光器之一發(fā)射的該相應(yīng)的輻射束。
全文摘要
在照明系統(tǒng)中,來自一個或多個激光器陣列的輻射被導(dǎo)入光管。該光管混合來自該激光器陣列的各個輻射貢獻(xiàn),并且形成均勻的照明線。該激光器陣列的每個的指向被監(jiān)測和控制以保持復(fù)合照明線的亮度。
文檔編號G02B6/26GK1914543SQ200580003504
公開日2007年2月14日 申請日期2005年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月28日
發(fā)明者M·雷諾, O·戴茨, S·休, I·辛科達(dá), I·斯佩爾 申請人:加拿大柯達(dá)圖形通信公司
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