Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Konditionieren von Strahlen in Beleuchtungssystemen und insbesondere auf Strahlenkonditioniersysteme, welche in stereolithographischen Systemen verwendet werden. The present invention relates to the conditioning of beams in lighting systems and in particular Strahlenkonditioniersysteme, which are used in stereolithography systems.

In den letzten Jahren wurden Rapid Prototyping- und Manufacturing-(RP&M)-Techniken für die industrielle Verwendung bei der schnellen Herstellung von dreidimensionalen Modellen entwickelt. In recent years, rapid prototyping and Manufacturing- (RP & M) techniques have been developed for industrial use in the fast production of three-dimensional models. Im Allgemeinen bilden RP&M-Techniken ein dreidimensionales Objekt Schicht für Schicht aus einem Arbeitsmaterial, welches einen scheibchenweisen Datensatz verwendet, der Querschnitte des zu bildenden Objekts darstellt. In general form RP & M techniques, a three-dimensional object layer by layer from a working material using a disc-point data representing the cross-sections of the object. Typischerweise wird eine Objektdarstellung anfänglich durch ein Computer Aided Design (CAD) System bereitgestellt, und die Darstellung wird übersetzt in eine Anzahl von scheibchenweisen Datensätzen, welche anschließend übertragen werden auf die aufeinander folgenden Schichten des Arbeitsmaterials. Typically an object representation is initially provided by a Computer Aided Design (CAD) system and the representation is translated into a number of slices have data records, which are then transferred to the successive layers of the working material.

Stereolithographie, die die momentan vorherrschende RP&M-Technik ist, kann definiert werden als eine Technik für die automatisierte Herstellung von dreidimensionalen Objekten aus einem fluidähnlichen Material unter Ausnutzung einer selektiven Aushärtung von dünnen Schichten des Materials auf einer Arbeitsoberfläche, um aufeinander folgenden Schichten des Objekts (das heißt Lagen) zu bilden und aneinander zu haften. To successive layers of the object (Stereo lithography, which is the currently predominant RP & M technique, may be defined as a technique for the automated production of three-dimensional objects from a fluid-like material utilizing selective curing of thin films of material on a work surface, ie documents) to form and stick together. In der Stereolithographie werden Daten, die dreidimensionale Objekte darstellen, eingegeben als oder umgewandelt zu zweidimensionalen Schichtdaten, welche Querschnitte des zu bildenden Objekts darstellen. In stereolithography, data representing the three-dimensional objects, input as, or converted to two-dimensional layer data representing cross-sections of the object. Dünne Schichten aus Material werden aufeinander folgend gebildet und selektiv transformiert (das heißt ausgehärtet) zu aufeinander folgenden Lagen in Übereinstimmung mit den zweidimensionalen Schichtdaten. Thin layers of material are successively formed and selectively transformed (i.e. cured) into successive laminae according to the two-dimensional layer data. Während der Transformation werden die aufeinander folgenden Lagen verbunden mit den zuvor geformten Lagen, um eine integrale Bildung des dreidimensionalen Objekts zu gestatten. During transformation, the successive laminae are bonded to the previously formed layers, to allow integral formation of the three-dimensional object.

Ein bevorzugtes Material, welches in einem stereolithographischen Apparat (SLA) verwendet wird, ist ein flüssiges Photopolymerharz. A preferred material which is used in a stereolithographic apparatus (SLA) is a liquid photopolymer resin. Typische Harze werden ausgehärtet, indem ausgewählte Wellenlängen einer elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt werden (zum Beispiel ausgewählte Wellenlängen von ultravioletten Strahlungen (UV) oder sichtbarem Licht). Typical resins are cured by exposure to selected wavelengths of electromagnetic radiation (e.g., selected wavelengths of ultraviolet radiation (UV) or visible light). Diese Strahlung von verschiedenen Wellenlängen kann als „Aushärtungsstrahlung" bezeichnet werden. Die elektromagnetische Strahlung liegt typischerweise in Form eines Laserstrahls vor, welcher gerichtet ist auf eine Zieloberfläche des Harzes durch zwei computergesteuerte Scannspiegel, welche die Zieloberfläche entlang orthogonaler Richtungen scannen. Die Scanngeschwindigkeit, die Pulswiederholungsfrequenz und die Punktgröße des Strahls auf der Flüssigkeitsoberfläche werden gesteuert, um eine gewünschte Belichtung, Aushärtetiefe und Aushärtecharakteristika bereitzustellen. This radiation of different wavelengths may be referred to as "curing radiation". The electromagnetic radiation is typically in the form of a laser beam which is directed on a target surface of the resin by two computer controlled scanning mirrors that scan the target surface along orthogonal directions. The scanning speed, pulse repetition frequency and the spot size of the beam on the liquid surface are controlled to provide a desired exposure, depth of cure and solidification characteristics.

Eine genauere Beschreibung der Stereolithographie und der Verfahren und Vorrichtungen zum Ausführen der Photolithographie sind zu finden in den folgenden Patenten: A more detailed description of stereolithography and the methods and apparatus for carrying out the photolithography are found in the following patents:
US Patent Nr. 4,575,330 von Hull: beschreibt fundamentale Grundlagen der Stereolithographie; . US Patent No. 4,575,330 to Hull describes the fundamental basics of stereo;
US Patent Nr. 5,058,988 von Spence et al.: beschreibt die Verwendung von Strahlprofilierungstechniken bei der Stereolithographie; . US Patent No. 5,058,988 to Spence, et al .: Describes the use of beam profiling techniques in stereolithography;
US Patent Nr. 5,059,021 von Spence et al.: beschreibt die Verwendung von Scannsystem Drift Korrektur Techniken zum Beibehalten der Ausrichtung von Belichtungspositionen auf der Zieloberfläche; . US Patent No. 5,059,021 to Spence, et al .: Describes the use of scanning system drift correction techniques for maintaining the alignment of the exposure positions on the target surface;
US Patent Nr. 5,104,592 von Hull et al.: beschreibt die Verwendung von verschiedenen Scanntechniken zum Reduzieren von wellenartigen Verzerrungen in den Objekten, welche stereolithographisch gebildet werden; . US Patent No. 5,104,592 to Hull, et al .: Describes the use of different scanning techniques for reducing wave-like distortion in the objects, which are formed by stereolithography;
US Patent Nr. 5,123,734 von Spence et al.: beschreibt eine Technik zum Kalibrieren eines Scannsystems in einer stereolithographischen Vorrichtung; . US Patent No. 5,123,734 to Spence, et al .: Describes a technique for calibrating a scanning system in a stereolithographic apparatus;
US Patent Nr. 5,133,987 von Spence et al.: beschreibt die Verwendung eines großen stationären Spiegels in dem Strahlpfad zwischen dem Scannspiegeln und einer Zieloberfläche; . US Patent No. 5,133,987 to Spence, et al .: Describes the use of a large stationary mirror in the beam path between the scanning mirrors and a target surface;
US Patent Nr. 5,182,056 von Spence et al.: beschreibt die gleichzeitige Verwendung von mehreren Wellenlängen, um das Harz zu belichten; . US Patent No. 5,182,056 to Spence, et al .: Describes the simultaneous use of multiple wavelengths to expose the resin;
US Patent Nr. 5,184,307 von Hull et al.: beschreibt die Verwendung von Schichtaufteilungstechniken zum Umwandeln von dreidimensionalen CAD Daten in Querschnittsdaten zur Verwendung bei der Belichtung der Zieloberfläche mit einer geeigneten Stimulation; . US Patent No. 5,184,307 to Hull, et al .: Describes the use of layer allocation techniques for converting three-dimensional CAD data into cross-sectional data for use in exposing the target surface with an appropriate stimulation;
US Patent Nr. 5,321,622 von Snead et al.: beschreibt die Verwendung von booleschen Operationen beim Ableiten von Querschnittsdaten aus den dreidimensionalen Objektdaten; . US Patent No. 5,321,622 to Snead, et al .: Describes the use of Boolean operations in deriving cross-sectional data from the three-dimensional object data;
US Patent Nr. 5,965,079 von Gigl et al.: beschreibt verschiedene Scanntechniken zur Verwendung in der Stereolithographie; . US Patent No. 5,965,079 of Gigl et al .: Describes various scanning techniques for use in stereo;
US Patent Nr. 5,999,184 von Smalley et al.: beschreibt die Verwendung von Aushärtetechniken, um gleichzeitig mehrere Schichten aushärten zu können; . US Patent No. 5,999,184, to Smalley, et al .: Describes the use of solidification techniques to simultaneously cure multiple layers;
US Patent Nr. 6,129,884 von Beers et al.: beschreibt die Steuerung einer gepulsten Beleuchtungsquelle, um die gewünschten Aushärtecharakteristika zu erreichen. US Pat. No. 6,129,884 to Beers, et al .: Describes the control of a pulsed illumination source to achieve the desired solidification characteristics.

Kommerziell erhältliche Photopolymere zur Verwendung in der Stereolithographie sind typischerweise aus Acrylat, Epoxyd oder aus kombinierten chemischen Zusammensetzungen. Commercially available photopolymers for use in stereolithography are typically of acrylate, epoxy or combined chemical compositions. Typischerweise enthalten Harze eine Mehrzahl von Komponenten. Typically, resins contain a plurality of components. Diese Komponenten können einen oder mehrere Photoinitiatoren, Monomere, Olygomere, inerte Absorber und andere Zusätze umfassen. These components can include one or more photoinitiators, monomers, Olygomere, inert absorbers, and other additives. Die Nützlichkeit von Harzen für die Stereolithographie wird teilweise bestimmt durch die Photogeschwindigkeit des Harzes und die Fähigkeit des Harzes, adäquate kohesive Lagen von geeigneter Dicke zu bilden. The usefulness of resins for stereolithography is partially form determined by the photo-rate of the resin and the resin's ability, adequate cohesive layers of suitable thickness. Es ist erwünscht, dass die Photogeschwindigkeit hoch genug ist, um eine rasche Aushärtung von Querschnitten mit zur Verfügung stehenden Leistungsniveaus an Aushärtestrahlung zu ermöglichen. It is desired that the photospeed be high enough to allow rapid hardening of cross-sections with available power levels of solidifying radiation. Des Weiteren sollte, da die Tiefe der Polymerisation in dem Harz verbunden ist mit den Positionen, an denen Photonen absorbiert werden, die Absorption der Photonen durch das Harz ausreichend sein, um adäquat dünne Schichten zu bilden. Furthermore, it should, since the depth of polymerization in the resin is connected with the positions at which photons are absorbed, absorption of photons by the resin may be sufficient to form adequately thin layers. Beispiele von bevorzugten Photopolymeren umfassen, sind aber nicht begrenzt auf SL 7540, SL 7520, SL 7510, SL 5530, SL 5520, SL 5510 und SL 5195 (hergestellt von Vantico, Inc. und verkauft von 3D Systems, Inc. aus Valencia, Kalifornien), SOMOS 9120, 9100, 8120, 8100, 7120 und 7120 (hergestellt von DSM Somos aus New Castle, Del.). Examples of preferred photopolymers include, but are not limited to, SL 7540, SL 7520, SL 7510, SL 5530, SL 5520, SL 5510 and SL 5195 (manufactured by Vantico, Inc. and sold by 3D Systems, Inc. of Valencia, California ), SOMOS 9120, 9100, 8120, 8100, 7120 and 7120 (manufactured by DSM Somos of New Castle, Del.).

Photoinitiatoren sind die Komponenten des Harzes, die die Photoempfindlichkeit des Harzes bei einer gegebenen Wellenlänge bestimmen. Photoinitiators are the components of the resin, which determine the photosensitivity of the resin at a given wavelength. Die Strahlungsabsorption durch den Photoinitiator führt zu chemischen Veränderungen in dem Photoinitiator, welche eine Polymerisation der Monomere und der Olygomere auslösen kann. Radiation absorption by the photoinitiator leads to chemical changes in the photoinitiator that can cause polymerization of the monomers and the Olygomere. Daher ist die Strahlung von geeigneten Wellenlängen, welche von dem Photoinitiator absorbiert werden sollen, als Aushärtestrahlung bekannt. Therefore, the radiation of appropriate wavelengths to be absorbed by the photoinitiator, as solidifying radiation is known. Die Monomere/Olygomere können bestimmte Wellenlängen von elektromagnetischer Strahlung absorbieren. The monomers / Olygomere can absorb certain wavelengths of electromagnetic radiation. Da eine Absorption durch die Monomere/Olygomere typischerweise keine effiziente Polymerisationsreaktion ergibt, ist die Absorption von aushärtender Strahlung durch die Monomere/Olygomere typischerweise unerwünscht. As absorption by the monomers / Olygomere typically does not result in efficient polymerization reaction, absorption of the curing radiation by the monomers / Olygomere is typically undesirable. Daher sind die effektivsten Wellenlängen für die Verwendung in der Stereolithographie diejenigen, welche stark absorbiert werden durch den Photoinitiator (hoher Absorptionskoeffizient) und nur schwach absorbiert werden von den Monomeren und Olygomeren (niedriger Absorptionskoeffizient). Therefore, the effective wavelengths for use in stereolithography are those which are strongly absorbed by the photoinitiator (high absorption coefficient) and are only weakly absorbed by the monomers and Olygomeren (low absorption coefficient). Beispiele von bevorzugten Photoinitiatoren umfassen, sind aber nicht begrenzt auf Triarylsulfoniumsalze, Mischungen von Triarylsulfoniumsalzen mit Phosphatsalzen oder Antimonatsalzen; Examples of preferred photoinitiators include, but are not limited to, triarylsulfonium salts, mixtures of triarylsulfonium salts with phosphate salts or antimonate salts; 2,2-Dimethoxy-2-Phenyl-Acetonphenon (BDK) C ₁₆ H ₁₆ O ₁₆ ; 2,2-dimethoxy-2-phenyl acetophenone (BDK) C ₁₆ H ₁₆ O _16; 2,4,6-Trimethyl-Benzoyl-Diphenyl-Phosphinoxid (TPO); 2,4,6-trimethyl benzoyl-diphenyl-phosphine oxide (TPO); und 1-Hydroxycyclohexyl-Phenyl-Keton (HCPK) C ₁₃ H ₁₆ O ₂ . and 1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone (HCPK) C ₁₃ H ₁₆ O _2.

Der anwendbare Wellenlängenbereich ist begrenzt an seinem unteren Wellenlängenende durch die Absorptionseigenschaften der Monomere/Olygomere und an seinem oberen Wellenlängenende durch die Photoinitiatorabsorption. The applicable wavelength range is limited at its lower end by the absorption wavelength properties of the monomers / Olygomere and at its upper wavelength end by photoinitiator absorption. Solchermaßen kann die reaktive (dh aktinisch) spektrale Empfindlichkeit eines Photopolymerharzes beschrieben werden als das Produkt des Photoinitiatorabsorptionsspektrums und des Monomer-/Olygomer-Transmissionsspektrums, wie in Such measures may spectral sensitivity of a photopolymer resin can be described as the product of the photoinitiator absorption spectrum and the monomer / Olygomer transmission spectrum reactive (ie actinic) as shown in 1 1 gezeigt. shown. Es sollte festgehalten werden, dass die Abbildung gemäß It should be noted that the figure according to 1 1 für ein besonderes Photopolymersystem gilt. applies to a particular photopolymer system. Andere Systeme existieren und werden verschiedenartige Kurven aufweisen, welche verschiedenartige optimale Beleuchtungsquellen bereitstellen. Other systems exist and are different kinds of curves exhibit, which provide various optimal lighting sources. Die The 1 1 zeigt Kurven der Photoinitiatorabsorption shows plots of photoinitiator absorption 11 11 , der Monomer-/Olygomertransmission , The monomer / Olygomertransmission 13 13 und der reaktiven Empfindlichkeit oder reaktiven Reaktion and the reactive sensitivity or reactive response 15 15 des Harzes. of the resin. Die Absorptions- und Transmissionskoeffizienten hängen nicht nur von der spezifischen chemischen Zusammensetzung jeder Komponente ab, sondern auch von den Konzentrationen von jeder Komponente innerhalb des Harzes. The absorption and transmission coefficients not only depend on the specific chemical composition of each component, but also on the concentrations of each component within the resin. Die Absorption durch die Monomere/Olygomere, welche abhängig ist von der Strahlungswellenlänge, beeinflusst die Aktivierung der Photopolymere, da die Monomer-/Olygomerabsorption manchmal in Konkurrenz tritt mit der Photoinitiatorabsorption. The absorption by the monomers / Olygomere, which is dependent on the wavelength of radiation, affects the activation of the photopolymers because the monomer / Olygomerabsorption sometimes competes with the photoinitiator absorption. Konsequenterweise können Verschiebungen in der Wellenlänge für die Spitzen der reaktiven Reaktion resultieren, aufgrund der Veränderungen von entweder der Zusammensetzung oder der Konzentration. Consequently, shifts in wavelength can result for the peak reactive response, due to the changes in either composition or concentration. Für eine gegebene Harzzusammensetzung kann diese Spitze von einem Fachmann schnell bestimmt werden. For a given resin composition this peak can be determined by an expert quickly. Die Fachleute werden es zu würdigen wissen, dass verschiedene Lichtquellen die Verwendung verschiedener Harzzusammensetzungen erfordern. The professionals will appreciate the fact that different light sources require the use of different resin compositions.

In dem Beispiel aus In the example of 1 1 tritt die Spitze der reaktiven Reaktion innerhalb eines Bereichs von ungefähr 328 nm bis 337 nm auf, und die halbmaximale Reaktion fällt in den Bereich von ungefähr 320 nm bis ungefähr 345 nm. Solchermaßen wird in diesem Beispiel eine elektromagnetische Strahlung innerhalb des Bereichs von 320 nm bis 345 nm bevorzugt, und eine elektromagnetische Strahlung innerhalb des Bereichs von 328 nm bis 337 nm wird sogar noch mehr bevorzugt. takes the peak reactive response to within a range of about 328 nm to 337 nm, and the half maximum response falls within the range of about 320 nm to about 345 nm. In such a way, in this example electromagnetic radiation within the range of 320 nm to 345 nm is preferred and electromagnetic radiation within the range of 328 nm to 337 nm is even more preferred. Der noch mehr bevorzugte Bereich umfasst die Wellenlängen innerhalb von 10% der Spitze der reaktiven Reaktion. The more preferred range includes the wavelengths within 10% of the peak reactive response. Der bevorzugte Bereich umfasst Wellenlängen innerhalb von 50% der Spitze der reaktiven Reaktion. The preferred range includes wavelengths within 50% of the peak reactive response. Für verschiedene Harzsysteme und Reaktionskurven können verschiedene bevorzugte Bereiche auf die gleiche Weise erstellt werden. For various resin systems and response curves various preferred areas can be created in the same way.

Bis vor kurzem verwendeten herkömmliche Stereolithographiesysteme Helium-Cadmium-(HeCd)-Laser, welche eine Strahlung von 325 nm aussenden oder Argon-Ionen-Laser, welche eine Strahlung von hauptsächlich 351 nm aussenden. Until recently conventional stereolithography systems used helium-cadmium (HeCd) lasers that emit radiation at 325 nm or argon-ion lasers that emit radiation of mainly 351 nm. Helium-Cadmium-Laser weisen eine Wellenlänge, eine Eingangsleistung und eine Ausgabe auf, welche geeignet sind und akzeptabel sind für die Stereolithographie. Helium-cadmium lasers have a wavelength, input power and output that are suitable and acceptable for stereolithography are. Die Ausgangsleistung von HeCd-Lasern ist unerwünschter Weise beschränkt und ungeeignet zum Aufbau von großen Objekten, oder wenn schnellere Aufbaugeschwindigkeiten erforderlich sind. The output power of HeCd lasers is undesirably limited and unsuitable for the construction of large objects, or faster build speeds are required. Daher erfüllen HeCd-Laser, obwohl nützlich in der Stereolithographie, nicht alle Anforderungen, die die Stereolithographie stellt. Therefore meet HeCd laser, although useful in stereolithography, not all requirements set by the stereo.

Argon-Ionen-Laser weisen Ausgangsleistungsniveaus und Ausgangsmoden auf, welche geeignet sind für ein schnelleres Teilebauen und/oder größere Stereolithographieteile. Argon-ion lasers have output power levels and output modes suitable for faster Teilebauen and / or larger stereolithography parts. Andererseits ist die Eingangsleistung übermäßig und erfordert eine Wasserkühlung. On the other hand, the input power is excessive and requires water cooling.

Gegenwärtige diodengepumpte Festkörperlaser (DPSS) weisen sowohl Eingangs- als auch Ausgangsleistungen auf, welche für die Stereolithographie geeignet sind. Present diode pumped solid state laser (DPSS) have both input and output powers suitable for stereolithography. Diese Festkörperlaser werden gepulst, wo die vorigen Gaslaser (zum Beispiel HeCd und Ar+) einen Laserstrahl mit kontinuierlichen Wellen (CW) bereitstellen. These solid state lasers are pulsed where to deploy the previous gas laser (for example HeCd and Ar +) laser beam with continuous wave (CW). Um diese Festkörperlaser effektiv zu nutzen, ist eine ausreichend hohe Pulswiederholungsrate nötig, um sicherzustellen, dass kontinuierlich ausgehärtete Linien des Photopolymers gebildet werden. To take advantage of this solid-state laser effectively, a sufficiently high pulse repetition rate is necessary to ensure that continuous cured lines of photopolymer are formed.

Neuere kommerzielle Stereolithographiesysteme verwenden gepulste Festkörperlaser, um das Material selektiv auszuhärten. Recent commercial stereolithography systems using pulsed solid-state laser to selectively harden the material. Die Frequenz dieser kommerziellen Systeme verdreifacht die 1064 nm fundamentale Infrarotstrahlung von Nd:YVO ₄ -gepulsten Festkörperlasern, um ein ultraviolettes Ausgangslicht zu erzeugen. The frequency of these commercial systems triples the 1064 nm fundamental infrared radiation of Nd: YVO ₄ -gepulsten solid state lasers to generate ultraviolet output light a. Die Frequenzverdreifachung erzeugt eine Ausgangswellenlänge von 355 nm. Harze, welche geeignet sind, um mit 355 nm Lichtquellen verwendet zu werden, sind bekannt und kommerziell erhältlich. The frequency tripling generates an output wavelength of 355 nm. Resins which are suitable to be used with 355 nm light sources are known and commercially available.

Ein optisches System zur Verwendung in einem stereolithografischen System, wobei das optische System aufweist: An optical system for use in a stereolithographic system, the optical system comprising:
eine Punktgrößen-Steuerungsoptik zum Empfangen eines Lichtstrahls, Anpassen eines seitlichen Ausmaßes des Lichtstrahls und Ausgeben des Lichtstrahls, wobei der Lichtstrahl ein erstes Ausmaß aufweist in einer ersten seitlichen Richtung und ein zweites Ausmaß in einer zweiten seitlichen Richtung rechtwinklig zu der ersten seitlichen Richtung, wobei die Punktgrößen-Steuerungsoptik gekoppelt ist mit einem Punktgrößen-Betätiger und reagiert auf elektrische Signale, um eine Elliptizität in der Punktgröße des Strahls einzustellen bzw. anzupassen, wobei eine Bewegung des Punktgrößen-Betätigers das erste seitliche Ausmaß des Lichtstrahls mehr verändert als das zweite seitliche Ausmaß; a dot size control optics for receiving a beam of light, adjusting a lateral extent of the beam of light and outputting the light beam, said light beam having a first extent in a first lateral direction and a second extent in a second lateral direction perpendicular to the first lateral direction, said spot size control optics being coupled to a spot size actuator and responsive to electrical signals to set or adjust an ellipticity in the spot size of the beam, wherein movement of the spot size actuator, the first lateral extent of the light beam changed more than the second lateral extent; und and
eine Fokussteuerungsoptik, welche den Lichtstrahl empfängt von der Punktgrößen-Steuerungsoptik, eine Position eines Fokus des Lichtstrahls ändert und den Lichtstrahl ausgibt, wobei die Fokussteuerungsoptik gekoppelt ist mit einem Fokusbetätiger, welcher reagiert auf elektrische Signale, wobei die Fokussteuerungsoptik den Lichtstrahl von der punktgroßen Steuerungsoptik empfängt, eine Position eines Fokus des Lichtstrahls verändert, und den Lichtstrahl ausgibt, wobei der Lichtstrahl eine erste Fokusposition für eine erste seitliche Komponente des Lichtstrahls aufweist und eine zweite Fokusposition für eine zweite seitliche Komponente des Lichtstrahls, wobei die erste seitliche Komponente im Wesentlichen rechtwinklig zu der zweiten seitlichen Komponente ist, wobei die Fokussteuerungsoptik die erste Fokusposition in einem größeren Ausmaß anpasst als die zweite Fokusposition in Reaktion auf die elektrischen Signale, die an dem Fokusbetätiger bereitgestellt werden. a focus control optics, which the beam of light received from the spot size control optics, changes a position of a focus of the light beam and the light beam outputs, wherein the focus control optics coupled to a focus actuator, responsive to electrical signals, the focus control optics receiving the light beam from the point sized control optics , changes a position of a focus of the light beam and the light beam outputs, wherein the light beam has a first focus position for a first lateral component of the light beam and a second focus position for a second lateral component of the light beam, wherein the first lateral component being substantially perpendicular to the second lateral component, the focus control optics, the first focus position to a greater extent than the second focus position adapts in response to the electrical signals that are provided to the focus actuator.

Die Erfindung kann besser verstanden werden unter Einbeziehung eines Beispiels aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen: The invention may be better understood by inclusion of an example from the following description with reference to the drawings:

1 1 veranschaulicht einige der optischen Eigenschaften eines exemplarischen Satzes von stereolithographischen Materialien; illustrates some of the optical properties of an exemplary set of stereolithography materials;

2 2 veranschaulicht einen elliptischen Strahlquerschnitt und illustrates an elliptical beam cross-section and 3 3 veranschaulicht einen kreisrunden Strahlquerschnitt; illustrates a circular beam cross section;

4 4 veranschaulicht astigmatische Strahlfokussierungscharakteristika von bestimmten Festkörperlasersystemen; illustrates astigmatic beam focusing characteristics of certain solid-state laser systems;

5 5 veranschaulicht schematisch Aspekte von Stereolithographiegeräten in Übereinstimmung mit den Aspekten der vorliegenden Erfindung; illustrates schematically aspects of stereolithography equipment in accordance with aspects of the present invention;

6 6 veranschaulicht detaillierte Aspekte der Strahlkonditionierungsoptik innerhalb des stereolithographischen Geräts aus illustrated from detailed aspects of beam conditioning optics within the stereolithographic apparatus 5 5 ; ; und and

7 7 zeigt eine weitere schematische Ansicht der Strahlkonditionierungsoptik. shows a further schematic view of the beam conditioning optics.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein Beleuchtungssystem dar, welches geeignet ist für die Verwendung in der Stereolithographie. Preferred embodiments of the present invention provide an illumination system which is suitable for use in stereolithography. Bevorzugte Implementierungen dieses Beleuchtungssystems stellen einen Lichtstrahl mit höherer Qualität bereit zum Bestrahlen des Materials, welches in der Stereolithographie verwendet wird. Preferred implementations of this lighting system provide a beam of light available for irradiating the material that is used in stereolithography with higher quality. Zudem kann das Beleuchtungssystem leichter innerhalb des Stereolithographiegeräts eingerichtet werden und ermöglicht eine leichtere Einstellung, um die Charakteristika des Beleuchtungssystems innerhalb des Stereolithographiegeräts zu optimieren. In addition, the lighting system may be easier to set up within the stereolithography apparatus and allows easier setting to optimize the characteristics of the illumination system within the stereolithography apparatus.

Die Verwendung von Festkörperlasern in stereolithografischen Systemen stellt größere Beleuchtungsniveaus bereit und sollte, zumindest theoretisch, Systeme bereitstellen, welche leichter einzurichten und zu unterhalten sind. The use of solid-state lasers in stereolithography systems provides greater levels of lighting available and should, in theory, provide systems that are easier to set up and maintain. Diese Möglichkeit wurde nicht gänzlich erreicht. This possibility was not completely achieved. Manche der Schwierigkeiten von stereolithographischen Systemen, welche Festkörperlaser verwenden, werden überwunden durch die Verwendung von robusteren, effizienteren und langlebigeren Lasersystemen, wie jenes, welches in dem US-Patent Nr. 6,157,663 von Wu, et al. Some of the difficulties of stereolithography systems using solid-state lasers are overcome by the use of more robust, efficient and longer lasting laser systems, such as that which, in US Pat. No. 6,157,663 by Wu, et al beschrieben wird. will be described. Das Wu-Patent beschreibt eine Lichtquelle, welche einen Nd:YVO ₄ -Festkörperlaser mit dreifacher Frequenz umfasst, und wird hiermit unter Bezugnahme als eine bevorzugte Komponente eines Beleuchtungssystems in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufgenommen. The Wu patent describes a light source which an Nd: _YVO4 solid-state laser comprises triple frequency, and is incorporated herein in accordance with the present invention by reference as a preferred component of an illumination system. Obwohl das Lasersystem, welches das Wu-Patent offenbart, gut optimiert ist, benötigt die Strahlenausgabe von diesem Laser eine Strahlkonditionierung, um für die Stereolithographie eingesetzt zu werden. Although the laser system, which discloses the Wu patent is well optimized, the radiation output required by this laser beam conditioning to be used for the stereo. Die folgenden zwei Patente beschreiben Aspekte der Implementierung von Festkörperlasern in stereolithographischen Geräten, wobei bestimmte Aspekte der Strahlkonditionierung mit umfasst sind: The following two patents describe aspects of the implementation of solid state lasers in stereolithography equipment, with certain aspects of beam conditioning feature includes:
Das US-Patent Nr. 6,129,884 von Beers, et al.: beschreibt die Steuerung einer gepulsten Beleuchtungsquelle, um gewünschte Aushärtecharakteristika zu erreichen. The US Pat. No. 6,129,884 to Beers, et al .: Describes the control of a pulsed illumination source to achieve desired solidification characteristics.
Das US-Patent Nr. 6,172,996 von Partenen, et al.: beschreibt die Verwendung eines Festkörperlasers mit multiplizierter Frequenz als eine Lichtquelle für die Stereolithographie. US Patent no. 6,172,996 of partenen, et al .: Describes the use of a frequency multiplied solid state laser with as a light source for stereolithography.

Ein Teil der Strahlkonditionierung, welche bei dem Laser des Wu-Patents ausgeführt werden soll, ist konventionell und bezieht sich auf die Tatsache, dass die Größe des Strahls, welcher von einem Laser erzeugt wird, im Allgemeinen eingestellt werden muss für eine Verwendung in einem stereolithographischen System. Part of the beam conditioning, which is to be executed in the laser of the Wu patent is conventionally and refers to the fact that the size of the beam, which is generated by a laser, needs to be set in general for use in a stereolithographic system. Das Einstellen der Punktgröße eines Laserstrahls wird in dem US-Patent Nr. 6,129,884 von Beers, et al. Adjusting the dot size of a laser beam is disclosed in US Pat. No. 6,129,884 to Beers, et al. beschrieben. described. Das Beers-Patent beschreibt ein System, in welchem die Punktgröße eines Laserstrahls geändert wird durch Verändern der Fokusposition des Strahls. The Beers patent describes a system in which the spot size of a laser beam is changed by changing the focus position of the beam. Während diese Strategie die Punktgröße eines Strahls verändert, ist sie unerwünscht, da die Fokusebene des Strahls entfernt wird von der Zieloberfläche, sodass die Strahlpunktgröße sich beträchtlich verändert, sogar für kleine Änderungen in der Beabstandung zwischen dem Strahl und der Zieloberfläche. While this strategy alters the spot size of a beam, it is undesirable because the focus plane of the beam is removed from the target surface so that the beam spot size changes significantly for even small changes in the spacing between the beam and the target surface. Es ist schwierig, ein Material in diesem Zustand verlässlich zu bestrahlen. It is difficult to irradiate a material in this state reliably. Bevorzugte Aspekte der vorliegenden Erfindung ändern die Punktgröße, während sie den Fokus des Strahls nahe bei der Zieloberfläche beibehalten. Preferred aspects of the present invention change the point size while maintaining the focus of the beam near the target surface.

Ein zweiter Typ von Strahlkonditionierung für die Stereolithographie verändert die Fokusposition der Ausgabe des Beleuchtungssystems, welche auf der Oberfläche des stereolithografischen Materials bereitgestellt wird. A second type of beam conditioning for stereolithography changed the focus position of the output of the lighting system which is provided on the surface of the stereolithography material. Ein Fokussierungsmodul wird beschrieben in dem Beers-Patent, aber, wie bereits oben diskutiert, wird dieses Modul verwendet zum Verändern der Punktgröße und stellt keine unabhängige, automatische Steuerung der Fokusposition bereit. A focusing module is described in the Beers patent but, as discussed above, this module is used for changing the spot size and does not provide an independent, automatic control of focus position ready. Konventionelle Beleuchtungssysteme stellen eine manuelle Fokuseinstellung bereit, welche während des Aufbaus des Beleuchtungssystems fixiert ist. Conventional lighting systems provide a manual focus available which is fixed during the construction of the lighting system. Diese Formen von Strahlkonditionierung können adäquat sein, sie sind aber nicht völlig optimal für die Festkörperlaser mit dreifacher Frequenz gemäß dem Wu-Patent. These forms of beam conditioning may be adequate, but they are not fully optimized for solid-state lasers with triple frequency according to the Wu patent. Beispielsweise werden die meisten Beleuchtungssysteme wie diejenigen, welche in dem Beers-Patent beschrieben werden, eingestellt im Hinblick auf den Fokus, wobei das Gehäuse des Systems von dem System abgenommen ist. For example, most illumination systems like those that are described in the Beers patent, adjusted with respect to the focus, wherein the housing of the system is removed from the system. Wenn das Gehäuse um die Lichtquelle und deren zugehörige Optik platziert wird, verändern sich die thermische Umgebung für die Optik und die Charakteristika der Optik in einem unerwünschten Ausmaß. When the housing is placed around the light source and its associated optics, the thermal environment for the optics and change the characteristics of the optical system to an undesirable extent.

Die Lichtstrahlausgabe des frequenzverdreifachten Nd:YVO ₄ -Lasers des Wu-Patents ist im Allgemeinen asymmetrisch, und zwar dergestalt, dass der Strahl elliptisch im Querschnitt ist und astigmatisch dergestalt, dass die Achsen des Laserstrahls bei unterschiedlichen Distanzen fokussieren. The light beam output of the frequency-tripled Nd: YVO ₄ laser of the Wu patent generally is asymmetric, namely such that the beam is elliptical in cross section and astigmatic in such a way that the axes of the laser beam focus at different distances. Die Asymmetrie wird schematisch in Asymmetry is illustrated schematically in 2 2 veranschaulicht, die das 1/e ² -Niveau der Intensität für einen Querschnitt einer Ausgabe des frequenzverdreifachten Festkörperlasers zeigt, wobei die Querschnittsebene rechtwinklig zu dem Ausbreitungspfad des Lasers ist. illustrated showing the 1 / e ² level of the intensity for a cross section of an output of the frequency tripled solid state laser, wherein the cross-sectional plane perpendicular to the propagation path of the laser. In vielen Fällen kann der Grad der Elliptizität des Ausgangsstrahls des Lasers gesteuert werden, aber die Ausgabe von typischen Festkörperlasersystemen ist im Allgemeinen elliptisch. In many cases, can be controlled, the degree of ellipticity of the output beam of the laser, but the output of typical solid state laser systems generally is elliptical. Für die meisten stereolithografischen Systeme wird es bevorzugt, dass ein Beleuchtungssystem als Ausgabe einen Strahl bereitstellt, welcher einen idealeren Querschnitt aufweist als den kreisrunden Querschnittsabschnitt, welcher in For most stereolithography systems, it is preferred that an illumination system provides as an output a beam having a more ideal cross section than the circular cross-section portion, which in 3 3 veranschaulicht ist. is illustrated. Dies macht es im Allgemeinen erforderlich, dass eine zusätzliche Strahlkonditionierung für den Laser des Wu-Patents vorgenommen werden muss. This makes it necessary, in general, that an additional beam conditioning for the laser of the Wu patent must be made.

Der Astigmatismus wird in Astigmatism is in 4 4 veranschaulicht, welcher schematisch den Ausgangsstrahl illustrates, schematically showing the output beam 20 20 eines Festkörperlasersystems zeigt, welches durch eine ideale Linse a solid-state laser system is represented by an ideal lens 22 22 fokussiert wird. is focused. 4 4 illustriert das Fokussierungsverhalten des Strahls entlang rechtwinkliger x- und y-Ebenen innerhalb des Strahls des Lasers, wobei die x- und y-Achsenstrahlprofile gedreht werden, um sie überlappend auf der Figur zu zeigen. illustrates the focussing behavior of the beam along perpendicular x and y planes within the beam of the laser, with the x and y axis beam profiles rotated to show them overlapping on the figure. Das Fokussierungsverhalten des Strahls entlang einer x-Achsenebene wird angezeigt durch die durchgezogene Linie The focusing behavior of the beam along an x ​​axis plane is indicated by the solid line 24 24 , wobei eine Fokuspositions- oder Strahlentaille bei f _x vorhanden ist. Wherein a Fokuspositions- or beam waist is present at f _x. Das Fokussierungsverhalten des Strahls entlang einer y-Achsenebene wird angezeigt durch die gestrichelte Linie The focusing behavior of the beam along ay axis plane is indicated by the dashed line 26 26 , wobei eine Fokusposition oder Strahlentaille bei f _y vorhanden ist. , With a focus position or beam waist is present at f _y. Wie dargestellt, fokussiert der Strahl nicht einheitlich bei einer einzigen Ebene. As shown, the focused beam is not uniform in a single plane. Dieser Astigmatismus vermindert unerwünschter Weise die Qualität des Strahls bei einer Fokusposition. This astigmatism undesirably reduces the quality of the beam at a focus position. Die asymmetrischen und astigmatischen Unzulänglichkeiten des Strahls, welcher oben diskutiert wurde, vermindern die Qualität des Strahls, welcher für die Stereolithographie verwendet wird und er wird daher vorzugsweise angepasst durch Strahlkonditionierung in bevorzugten Implementierungen eines Beleuchtungssystems. The asymmetric and astigmatic beam imperfections, which was discussed above reduce the quality of the beam, which is used for stereolithography and it is therefore preferably adjusted through beam conditioning in preferred implementations of an illumination system.

Eine bevorzugte Implementierung eines Beleuchtungssystems umfasst eine Optik zum Einstellen der Punktgröße eines Lichtstrahls und zur Einstellung des Fokus des Lichtstrahls. A preferred implementation of an illumination system includes an optical system for adjusting the spot size of a light beam and for adjusting the focus of the light beam. Vorzugsweise stellt die Optik die Gesamtpunktgröße des Strahls ein, und stellt im Wesentlichen unabhängig die Punktgröße des Strahls entlang einer Achse über den Strahl ein. Preferably, the optical system adjusts the overall spot size of the beam, and is essentially independent of the point size of the beam along an axis across the beam. Vorzugsweise stellt die Optik die Gesamtfokusposition des Strahls ein, und, ebenfalls im Wesentlichen unabhängig, die Fokusposition des Strahls über eine Achse des Strahls. Preferably, the optics adjust the overall focus position of the beam a, and, also substantially independent, the focus position of the beam across one axis of the beam. Unter dieser bevorzugten Konfiguration stellt das Beleuchtungssystem nicht nur die Größe des Lichtstrahls ein, sondern kann auch eine bestimmte Asymmetrie und einen Astigmatismus von dem Lichtstrahl entfernen. Under this preferred configuration, the illumination system not only the size of the light beam a, but can also remove certain asymmetry and astigmatism one of the light beam.

Der Ausdruck „im Wesentlichen unabhängig" bezieht sich auf die Tatsache, dass viele optische Elemente keine vollständig unabhängigen Einstellungen entlang rechtwinkliger Achsen über den Strahlpunkt gestatten. Beispielsweise kann eine kreisförmige Linse gekippt werden, um die optische Leistung in einem größtmöglichen Ausmaß entlang einer Ebene durch eine x-Achse zu beeinflussen. Solch ein Kippen verändert unweigerlich die optische Leistung der Linse entlang einer Ebene durch die y-Achse, allerdings in einem kleineren Ausmaß. Praktischerweise stellen bevorzugte Strahlkonditionierungssysteme eine Einstellung entlang einer Achse bereit, welche rechtwinklig ist zu dem Ausbreitungspfad, um die Elliptizität oder den Astigmatismus des Strahls zu verändern und eine andere Einstellung um die Gesamtpunktgröße oder Gesamtfokusposition zu verändern. Weil eine Einstellung entlang einer Achse im Allgemeinen eine andere Achse des Strahls verändert, ist es typischerweise notwendig, Iterationen der Punktgröße und Fokuspositionseinstellungen auszuführen, um eine gewünschte Fokusposition und Punktgröße zu erreichen, zumindest beim anfänglichen Einrichten. The term "substantially independently" refers to the fact that many optical elements do not allow entirely independent adjustments along perpendicular axes across the beam spot. For example, can be tilted, a circular lens, the optical power in a greatest extent along a plane through a x-axis influence. Such a tilting inevitably changes the optical power of the lens along a plane through the y axis, but to a lesser extent. Practically, represent preferred beam conditioning systems adjustment along an axis prepared which is perpendicular to the propagation path to to alter the ellipticity or astigmatism of the beam and to change some other setting of the overall spot size or overall focus position. Because an adjustment along one axis generally changed to another axis of the beam, it is typically necessary to perform iterations of the spot size and focus position adjustments to a to achieve desired focus position and spot size, at least during the initial setup.

Eine Implementierung des Beleuchtungssystems kann einen Satz von Optiken umfassen zum Einstellen der Punktgröße des Strahls, welcher produziert wird durch das Beleuchtungssystem, und einen zweiten Satz von Optiken zum Einstellen einer Fokusposition dieses Strahls. An implementation of the illumination system may comprise a set of optics for adjusting the spot size of the beam, which is produced by the illumination system, and a second set of optics for adjusting a focus position of that beam. Die Punktgrößeneinstelloptik kann eine Linse umfassen, welche auf einem Drehpunkt befestigt ist, welcher gesteuert wird durch einen Aktuator bzw. Betätiger, um die Linse um ihre Drehachse zu bewegen, und um dabei die optischen Charakteristika der Linse zu verändern, welche der Strahl erfährt, der durch die Linse entlang seines vorbestimmten optischen Pfads verläuft. The spot size adjusting optics may include a lens which is mounted on a pivot, which is controlled by an actuator or actuator to the lens in order to move its axis of rotation, and to thereby change the optical characteristics of the lens experienced by the beam passes through the lens along its predetermined optical path. Diese Punktgrößeneinstelllinse kann auch befestigt werden auf einer Verschiebebühne, welche gesteuert wird durch einen Aktuator, um die Linse entlang eines Ausbreitungspfads des Lichtstrahls zu bewegen. This spot size can also be mounted on a translation stage controlled by an actuator to move the lens along a propagation path of the light beam. Die Verschiebebühne ist typischerweise eine lineare Verschiebebühne, welche parallel ausgerichtet ist mit dem lokalen Ausbreitungspfad des Strahls und kann verwendet werden, um die Gesamtgröße des Punkts des Stahls einzustellen, wie sie gemessen wird entlang der rechtwinkligen Achse in einer Ebene, welche rechtwinklig ist zu dem lokalen Ausbreitungspfad. The translation stage is typically a linear translation stage aligned parallel to the local propagation path of the beam and can be used to adjust the overall size of the point of the steel, as measured along the perpendicular axis in a plane which is perpendicular to the local propagation path. Praktischerweise befindet sich die Punktgröße des Strahls, welche signifikant ist für die Leistung des Beleuchtungssystems, bei oder nahe der fokalen Ebene der Ausgabe des Beleuchtungssystems. Conveniently, there is the spot size of the beam that is significant to the performance of the illumination system, at or near the focal plane of the output of the illumination system. Dann bezieht sich die Diskussion bezüglich des Vergrößerns oder Verkleinerns eines Punkts auf die Größe des Punkts nahe der fokalen Ebene des Beleuchtungssystems. Then, the discussion with respect to the increasing or decreasing of a point on the size of the spot near the focal plane of the illumination system relates. Die Fachleute werden erkennen, dass das Vergrößern eines Strahlpunkts in vielen Fällen erreicht werden kann durch Verringern der Punktgröße an einem anderen Teil des Beleuchtungssystems, was natürlich abhängig ist von der bestimmten Konfiguration des optischen Systems. The skilled artisan will recognize that the increasing of the beam spot can be achieved in many cases by reducing the spot size at a different part of the lighting system, which is of course dependent on the particular configuration of the optical system.

Die Fokuseinstellungsoptik kann auf ähnliche Weise eine Linse enthalten, welche auf einem Drehpunkt befestigt ist, welcher gesteuert wird durch einen Aktuator, um die Linse um die Drehachse zu bewegen, und dabei die Fokussierungscharakteristika der Linse zu ändern, welche von dem Strahl erfahren werden, der durch die Linse entlang seines vorbestimmten optischen Pfads verläuft. The focusing optics may similarly include a lens mounted on a pivot, which is controlled by an actuator in order to move the lens about the pivot axis and thereby change the focusing characteristics of the lens which are experienced by the beam passes through the lens along its predetermined optical path. Eine gekippte Linse, die eine Linse ist, die gekippt wurde von einer Ebene, die rechtwinklig zu dem Ausbreitungspfad eines Strahls ist, weist asymmetrische Fokussierungsqualitäten auf. A tilted lens, that is a lens which has been tilted from a plane that is perpendicular to the propagation path of a beam, has asymmetric focusing qualities. Diese Fokuseinstelllinse kann auch befestigt werden auf einer Verschiebebühne, welche gesteuert wird durch einen Aktuator, um die Linse entlang eines Ausbreitungspfads des Lichtstrahls zu bewegen. This focus adjusting lens may also be mounted on a translation stage controlled by an actuator to move the lens along a propagation path of the light beam. Die Verschiebebühne ist typischerweise eine lineare Verschiebebühne, welche parallel ausgerichtet ist zu der lokalen Ausbreitung des Strahls, und die, wenn sie bewegt wird, die Gesamtfokusposition des Strahls einstellt. The translation stage is typically a linear translation stage aligned parallel to the local propagation of the beam, and which, when moved, adjusts the overall focus position of the beam.

Bevorzugte Implementierungen des Beleuchtungssystems stellen zwei Freiheitsgrade für die Punktgrößeneinstelloptik und zwei Freiheitsgrade für die Fokuseinstelloptik bereit. Preferred implementations of the illumination system provide two degrees of freedom for the spot size and two degrees of freedom for the focus adjusting optics ready. Dies kann erreicht werden mit einer einzigen, einfachen Linse für die Punktgrößeneinstellung und einer einzigen, einfachen Linse zur Fokussteuerungseinstellung, wobei jede dieser Linsen bewegt werden kann auf eine gesteuerte Weise in zwei zumindest teilweise unabhängigen Richtungen. This can be achieved with a single, simple lens for spot size setting and one simple lens for focus control setting, each of these lenses can be moved in a controlled manner in two at least partially independent directions. Vorliegend bestehen die unabhängigen Richtungen aus einer linearen Translation und Rotation. In the present case, the independent directions consist of a linear translation and rotation. Andere Kombinationen von optischen Elementen und Bewegungen von diesen Linsen können die gleichen Ergebnisse erreichen. Other combinations of optical elements and movements of those lenses can accomplish the same results. Das gewünschte Einstellniveau wird erreicht für das veranschaulichte System unter Verwendung von zwei Linsen. The desired level of adjustment is achieved for the illustrated system using two lenses. Solch ein System ist wünschenswert wegen seiner Einfachheit und seiner Kompaktheit. Such a system is desirable because of its simplicity and compactness. Andererseits können vier Linsen, jede mit einem einzelnen Freiheitsgrad, leicht erreichen, was mit zwei Linsen erreicht werden kann, die zwei Freiheitsgrade aufweisen. On the other hand, four lenses each with a single degree of freedom to achieve, light, which can be accomplished with two lenses which have two degrees of freedom.

Weil die Drehung von Linsen typischerweise nur die effektive fokale Länge der Linse verringert, hängt die Wahl zwischen einer vertikalen oder horizontalen Drehachse für jede der Linsen ab von den speziellen Eigenschaften des Strahls und muss bestimmt werden, beispielsweise unter Verwendung von geeigneten optischen Ray-Tracing-Programmen, wie PARAXIA. Because the rotation of lens typically only reduces the effective focal length of the lens, the choice between a vertical or horizontal axis of rotation for each of the lenses on the specific properties of the beam and must depend be determined, for example, using appropriate optical ray tracing programs, such PARAXIA. Vorzugsweise ist das Strahlkonditionierungssystem für das Beleuchtungssystem so ausgestattet, dass es zuerst den Strahl analysiert, welcher von der Lichtquelle erzeugt wird, wie beispielsweise einen Festkörperlaser und durch Verfolgen des Strahlzugs, um zu verstehen, wo und wie die optische Leistung von verschiedenen optischen Elementen eingestellt werden muss. Preferably, the beam conditioning system for the illumination system is so equipped that it first analyzes the beam, which is generated from the light source, such as a solid state laser and by following the Strahlzugs to understand where and how the optical power of different optical elements to be adjusted must.

Der Begriff „Strahl", welcher hier verwendet wird, ist allgemein auszulegen. Der Begriff „Punktgröße" bezieht sich im Allgemeinen auf eine Dimension, welche seitlich über den Querschnitt eines Strahls gemessen wird, im Wesentlichen in einer Ebene, welche rechtwinklig ist zu der Ausbreitungsrichtung des Strahls. The term "beam" that is used herein is generally construed. The term "spot size" generally refers to a dimension, which is measured laterally across the cross section of a beam, substantially in a plane which is perpendicular to the propagation direction of the beam. Die hier beschriebenen Strahlen haben Gausssche Intensitätsverteilungen im Querschnitt, und somit ist der Begriff „Punktgröße" im Allgemeinen definiert durch das Grenzwertniveau innerhalb dieser Verteilung. Andere Strahlformen sind bekannt und möglich. In manchen Fällen kann der Grenzwert definiert werden als das 1/e ² -Niveau auf der Verteilung, obwohl andere Konventionen anwendbar sind. Zusätzlich werden die Fachleute würdigen, dass die Punktgrößeneinstelloptik und die Fokuseinstelloptik nicht, für sich selbst genommen, bestimmend sind für die Punktgröße oder die Fokusposition. Typische Systeme umfassen zusätzliche optische Elemente, und jedes dieser Elemente kann die letztendliche Punktgöße und Fokusposition des Strahls beeinflussen. The beams described here have Gaussian intensity distributions in cross section, and thus the term "spot size" is generally defined by the threshold level within this distribution Other beam shapes are known and can, in some cases, the limit can be defined as the 1 / e ^2.. - level on the distribution, although other conventions are applicable. In addition, the experts will appreciate that the spot size and the focus adjusting optics not taken for itself, determinative are for the spot size or the focus position. Typical systems include additional optical elements, and each of these elements may affect the ultimate spot size and focal position of the beam.

Ein Vorteil von besonders bevorzugten Implementierungen des Beleuchtungssystems ist, dass die Punktgrößeneinstellungen und die Fokuseinstellungen aus der Ferne vorgenommen werden unter Verwendung von elektrischen Signalen. An advantage of particularly preferred implementations of the illumination system is that the spot size adjustments and the focus adjustments are made remotely using electrical signals. Daher können die endgültigen Einstellungen für das Beleuchtungssystem mit dem Laser, der Strahlpositionierungsoptik und anderen optischen Systemen innerhalb der thermischen Umgebung gemacht werden, in der das System arbeiten soll. Therefore, the final settings for the lighting system with the laser, beam positioning optics and other optical systems may be made within the thermal environment in which the system is to operate. Beispielweise liegen der Laser und die Strahlkonditionierungsoptik innerhalb eines einzigen Gehäuses. For example, the laser and the beam conditioning optics are within a single housing. Da der Laser eine signifikante Wärmequelle ist, und der Strahlfokus eine beträchtliche Distanz von dem Ausgang des Beleuchtungssystems entfernt ist (in der Größenordnung von 700 mm in manchen berücksichtigten Systemen), ist es wichtig, eine konstante thermische Umgebung zu errichten. Since the laser is a significant heat source and the beam focus is located a considerable distance from the output of the illumination system (on the order of 700 mm taken into account in some systems), it is important to establish a constant thermal environment. Einstellungen an der Strahlkonditionierungsoptik werden vorgenommen bei geschlossenem Gehäuse des Beleuchtungssystems. Adjustments to the beam conditioning optics are made with a closed housing of the illumination system. Dies verbessert signifikant die Vorhersagbarkeit und Verlässlichkeit des Intensitätsprofils und des Fokus des Strahls. This significantly improves the predictability and reliability of the intensity profile and the focus of the beam. Darüber hinaus können sowohl die Punktgöße als auch der Fokus des Strahls während des Betriebs verändert werden, um verschiedene Separationen zwischen dem Beleuchtungssystemausgang und der Oberfläche des stereolithografischen Materials zu ermöglichen. In addition, both the spot size and the focus of the beam can be altered during operation to accommodate different separations between the illumination system output and the surface of the stereolithography material.

Bevorzugte Implementierungen des Strahlkonditionierungssystems ermöglichen ebenfalls Veränderungen in dem Beleuchtungssystem. Preferred implementations of the beam conditioning system also allow changes in the illumination system. Es können leichte Verschiebungen bei den Charakteristika der optischen Elemente auftreten, und die optischen Elemente können mit der Zeit nachlassen. There may be slight shifts in the characteristics of the optical elements occur, and the optical elements can decrease over time. Solche Veränderungen und Verschlechterungen können erkannt werden mit einem Strahlprofilierer innerhalb des Beleuchtungssystems oder vorhergesagt werden aus der Erfahrung, und das Beleuchtungssystem kann eingestellt werden, um diese Verschiebungen oder Verschlechterungen zu korrigieren. Such changes and deterioration can be detected with a beam profiler within the illumination system or predicted from the experience, and the lighting system can be adjusted to correct these shifts or deterioration.

Die The 5 5 zeigt schematisch ein Stereolithographiegerät. shows schematically a stereolithography apparatus. Das Licht wird anfangs erzeugt durch ein Festkörperlasersystem Light is initially generated by a solid state laser system 30 30 , wie dasjenige, welches in dem US-Patent Nr. 6,157,663 von Wu, et al. As one which., In US Pat. No. 6,157,663 of Wu, et al beschrieben wird. will be described. Insbesondere umfasst das Festkörperlasersystem More specifically, the solid-state laser system 30 30 einen diodengepumpten Laser, welcher ein Nd:YVO ₄ -Gainmedium mit einem Q-Schalter innerhalb des Hohlraums des Lasers verwendet, um eine gepulste Ausgabe von dem Festkörperlaser bereitzustellen. a diode-pumped laser which a Nd: YVO ₄ -Gainmedium with a Q-switch within the cavity of the laser used to provide a pulsed output from the solid-state laser. Das Festkörperlasersystem The solid-state laser system 30 30 umfasst auch einen Frequenzverdopplungskristall und einen Frequenzverdreifachungskristall, um einen Ausgabestrahl also includes a frequency doubling crystal and a Frequenzverdreifachungskristall to produce an output beam 32 32 mit verdreifachter Frequenz von dem Festkörperlasersystem with tripled frequency of the solid-state laser system 30 30 bereitzustellen. provide. Die Intensität des Ausgabestrahls des Festkörperlasersystems wird vorzugsweise eingestellt auf ein gewünschtes Niveau durch einen akusto-optischen Modulator (AOM) in dem optischen Pfad des Lasers zwischen dem Festkörperlaser und dem Verdopplungskristall. The intensity of the output beam of the solid-state laser system is preferably adjusted to a desired level by an acousto-optic modulator (AOM) in the optical path of the laser between the solid-state laser and the doubling crystal. Der Strahl The beam 32 32 , welcher ausgegeben wird von dem Lasersystem That is output from the laser system 30 30 , wird der Strahlkonditionierungsoptik , The beam conditioning optics are 34 34 bereitgestellt. provided. Sowohl das Lasersystem Both the laser system 30 30 als auch die Strahlkonditionierungsoptik and the beam conditioning optics 34 34 werden innerhalb eines Gehäuses be within a housing 36 36 bereitgestellt. provided. Das Gehäuse ist in erster Linie ein Sicherheits- und Sauberkeitsmerkmal und hat deshalb undurchsichtige Wände, um das Laserlicht einzuschließen, wobei es einen Ausgangsanschluss hat, um den Ausgangsstrahl The housing is primarily a safety and cleanliness feature and therefore opaque walls to confine the laser light, it has an output terminal to the output beam 38 38 zu anderen Teilen des Stereolithographiegeräts zu leiten. to direct to other parts of the stereolithography apparatus.

Die Strahlkonditionierungsoptik The beam conditioning optics 34 34 stellt die Punktgröße und Fokusposition des Strahls ein, und führt vorzugsweise andere Strahlkonditionierungsfunktionen aus, inklusive des Reduzierens der Asymmetrie und des Astigmatismus in dem Strahl. sets the spot size and focus position of the beam, and preferably performs other beam conditioning functions including reducing asymmetry and the astigmatism in the beam. Die Strahlkonditionierungsoptik wird im Nachstehenden detaillierter beschrieben. The beam conditioning optics are described hereinafter in more detail. Nach der Strahlkonditionierung wird der Lichtstrahl After beam conditioning, the light beam is 38 38 aus dem Gehäuse of the housing 36 36 hinausgeleitet zu der Strahllenkungs- und Scannoptik also led to the Strahllenkungs- and scanning optics 40 40 . , Die Strahllenkungs- und Scannoptik The Strahllenkungs- and scanning optics 40 40 umfasst zwei computergesteuerte Scannspiegel zum Bewegen des Ausgangsstrahls includes two computer-controlled scanning mirrors to move the output beam 42 42 auf eine gesteuerte Weise in einer xy-Ebene auf dem Material des Stereolithographiesystems. in a controlled manner in an xy plane on the material of the stereolithography system.

Das Stereolithographiematerial The stereolithography material 44 44 wird in einer Wanne is in a tub 46 46 bereitgehalten, und die Strahlscannoptik held, and the beam scanning optics 40 40 bewegt den Strahl moves the beam 42 42 über die Oberfläche des Stereolithographiematerials over the surface of the stereolithography material 44 44 . , Im Allgemeinen wird ein in dem System gebildetes Objekt auf einer Plattform gehalten, welche eingetaucht wird in das Stereolithographiematerial innerhalb der Wanne In general, a formed object is kept in the system on a platform, which is immersed in the stereolithography material within the vat 46 46 . , Aufeinanderfolgende Schichten werden auf der Oberfläche des Mediums gebildet, und das Objekt wird weiter in die Wanne eingetaucht durch eine Hebebühne, welcher sich bewegt durch Steuerung eines Computers. Successive layers are formed on the surface of the medium, and the object is immersed further into the tub through a lift which moves by control of a computer. Der Betrieb der Wanne und die Bewegung der Hebebühne werden in verschiedenen der oben genannten Patente beschrieben und veranschaulicht. The operation of the bath and the movement of the lifting platform are described in various of the above patents and illustrated.

Das Stereolithographiegerät stellt auch einen Strahlprofilierer The stereolithography apparatus also provides a beam profiler 48 48 bereit, wie beispielsweise denjenigen, welcher in dem US-Patent Nr. 5,058,988 von Spence, et al. ready, such as those which, in US Pat. No. 5,058,988 to Spence, et al beschrieben ist, welcher den Strahl is described in which the beam 50 50 , welcher von der Wanne , Which of the tub 46 46 wegpositioniert ist, empfängt und charakterisiert. is positioned away, receives and characterized. Dieser Strahlprofilierer This beam profiler 48 48 arbeitet unter der Steuerung von und in Kooperation mit dem Computer operates under the control of and in cooperation with the computer 52 52 . , Die anderen Elemente des Beleuchtungssystems, inklusive des Lasersystems The other elements of the illumination system, including the laser system 30 30 , der Strahlkonditionierungsoptik , The beam conditioning optics 34 34 und der Strahllenkungsoptik and the beam steering optics 40 40 sind auch gekoppelt mit und werden gesteuert durch den Steuerungscomputer are also coupled to and controlled by the control computer 52 52 . , Dies gestattet es dem Strahlprofilierer This allows the beam profiler 48 48 in Kooperation mit der Strahlkonditionierungsoptik in cooperation with the beam conditioning optics 34 34 verwendet zu werden, um die Strahlform, den Fokus und die Größe für die Stereolithographie zu optimieren. to be used to optimize the beam shape, focus and size for stereolithography. Der Optimierungsprozess kann vereinfacht werden durch den Steuerungscomputer The optimization process can be simplified by the control computer 52 52 oder kann voll automatisiert werden durch den Computer or can be fully automated by computer 52 52 . , Auf diese Weise kann das Beleuchtungssystem selektiv eine oder zwei verschiedene Punktgrößen produzieren, und stellt die Punktform und die Fokusposition. In this manner, the illumination system can selectively produce one of two different spot sizes and adjusts the spot shape and the focus position. automatisch ein, um den Strahl. automatically to the beam. für die Stereolithographie zu optimieren. to optimize for the stereo.

Die The 6 6 zeigt ein Detail der Strahlkonditionierungsoptik. shows a detail of the beam conditioning optics. Eine erste Linse, welche in einem Linsengehäuse A first lens, which in a lens housing 56 56 befestigt ist, empfängt den Lichtstrahl is attached, receives the light beam 54 54 innerhalb der Strahlkonditionierungsoptik. within the beam conditioning optics. Das Linsengehäuse The lens housing 56 56 hält die Linse in einem Drehpunkt holding the lens in a pivot point 58 58 , welcher gesteuert wird durch einen Aktuator Which is controlled by an actuator 60 60 , welcher die Linse dreht. That rotates the lens. Der Aktuator The actuator 60 60 umfasst vorzugsweise einen Schrittmotor, welcher unter der Steuerung des Computers preferably includes a step motor which, under the control of the computer 52 52 betrieben wird, um die Linse präzise wegzudrehen von der Normalen zu dem Ausbreitungspfad des Lichtstrahls. is operated to turn away from the lens precisely the normal to the propagation path of the light beam. Das Drehen der Linse weg von dieser Normalen verändert die Fokussierungseigenschaften der Linse, um die Linse zu veranlassen, die Elliptizität des Strahls einzustellen. Rotating the lens away from that normal changes the focusing properties of the lens to cause the lens to adjust the ellipticity of the beam. Diese elliptischen Qualitäten erlauben es der Linse, die Eingangsstrahlform zu ändern in eine mehr kreisförmige Strahlform, wie sie durch den Strahlprofilierer bestimmt wird. This elliptical qualities allow the lens to change the input beam shape into a more circular beam shape, as determined by the beam profiler. Die Anordnung der Punktgrößeneinstelloptik mit dem drehenden Gehäuse wird befestigt auf einer linearen Verschiebebühne The arrangement of the spot size adjusting optics with the rotating housing is mounted on a linear translation stage 62 62 , welche ebenfalls betrieben wird durch einen Schrittmotor unter Computersteuerung. Which is also operated by a stepper motor under computer control. Eine Bewegung der Bühne A movement of the stage 62 62 bewegt die punktgroße Steuerungslinse linear bzgl. des Ausbreitungspfads und verändert dabei die Vergrößerung des Strahlpunkts durch das optische Gesamtsystem der Strahlkonditionierungsoptik. moves the point of great control lens linearly with respect. the propagation path, thereby changing the magnification of the beam spot by the overall optical system of the beam conditioning optics. In dem Strahl In the beam 64 64 , welcher von der Punktgrößeneinstelloptik ausgegeben wird, wurden vorzugsweise einige oder alle seiner Strahlformasymmetrien entfernt. Which is output by the spot size adjusting optics, some or all of its beam shape asymmetry are preferably removed.

Die Fokuseinstelloptik umfasst auf ähnliche Weise eine zweite Linse, welche befestigt ist in einem Gehäuse The focus adjusting optics similarly includes a second lens which is mounted in a housing 66 66 auf einem Drehpunkt on a fulcrum 68 68 , welcher gesteuert wird von einem Aktuator Which is controlled by an actuator 70 70 . , Der Aktuator The actuator 70 70 umfasst einen Schrittmotor, welcher betrieben wird unter der Steuerung des Computers comprises a stepping motor which is operated under control of the computer 52 52 , um die Linse präzise um die Drehachse zu drehen, und um dadurch die Fokussierungscharakteristika der Linse zu ändern, die der Strahl erfährt, welcher durch die Linse entlang seines Ausbreitungspfads verläuft. To precisely rotate the lens about the axis of rotation, and to thereby change the focusing characteristics of the lens experienced by the beam which passes through the lens along its propagation path. Die gekippte Linse, das heißt eine Linse, welche gekippt wurde von einer Ebene, die rechtwinklig ist zu dem Ausbreitungspfad eines Strahls, hat asymmetrische Fokussierungsqualitäten, welche den Astigmatismus des Strahls verändern. The tilted lens, that is, a lens which has been tilted from a plane that is perpendicular to the propagation path of a beam, has asymmetric focusing qualities that alter the astigmatism of the beam. Diese Fokuseinstelllinse wird. This will focus adjusting lens. befestigt auf einer linearen Verschiebebühne mounted on a linear translation stage 72 72 , welche gesteuert wird durch einen Aktuator, um die Linse entlang eines Ausbreitungspfads des Lichtstrahls zu bewegen. Which is controlled by an actuator to move the lens along a propagation path of the light beam. Die Verschiebebühne wird parallel zu der lokalen Ausbreitung des Strahls ausgerichtet und stellt die gesamte Fokusposition des Strahls The translation stage is aligned parallel to the local propagation of the beam and constitutes the entire focus position of the beam 74 74 , welcher von diesem Teil der Strahlkonditionierungsoptik ausgegeben wurde, ein, wenn sie bewegt wird. Which has been output from this part of the beam conditioning optics, a, when it is moved. Dem Strahl The beam 74 74 , welcher von der Fokuseinstelloptik ausgegeben wird, wurden vorzugsweise einige oder alle seiner Fokus-Astigmatismen entfernt. Which is output by the focus adjusting optics, some or all of its focus astigmatism-have been preferably removed.

Die The 7 7 zeigt mehr schematisch eine weitere Anordnung der Strahlkonditionierungsoptik, inklusive der drehbaren Punktgrößeneinstelllinse shows more schematically, a further assembly of the beam conditioning optics, including the rotatable spot size 76 76 und der drehbaren Fokuseinstelllinse and the rotatable focus adjusting lens 78 78 . , Diese korrespondieren jeweils mit den Linsen, welche innerhalb der Gehäuse These correspond respectively to the lenses, which within the housing 56 56 und and 66 66 von from 6 6 befestigt sind. are attached. In der dargestellten und gegenwärtig bevorzugten Implementierung ist die Punktgrößeneinstelllinse In the illustrated and presently preferred implementation, the spot size 76 76 eine Sammellinse, und die Fokuseinstelllinse a converging lens, and the focus adjusting lens 78 78 eine Zerstreuungslinse. a diverging lens. Wie dargestellt, können diese Linsen gekippt werden durch einen einstellbaren Betrag von der Normalen zu dem Strahlpfad, um die gewünschten Einstellungen des Strahls zu bewirken. As illustrated, these lenses can be tilted by an adjustable amount from the normal to the beam path to effect the desired settings of the beam. Wie oben diskutiert, kann jede der Linsen As discussed above, each of the lenses 76 76 und and 78 78 linear entlang des Ausbreitungspfads des Strahls bewegt werden. be moved linearly along the propagation path of the beam. In verschiedenen optischen Systemen kann die Funktion dieser Linsen eventuell erreicht werden durch verschiedene Typen von Linsen, und zumindest einige der Funktionen von diesen Linsen können durch einen Spiegel oder durch einen Spiegel in Kombination mit einem Spiegel bereitgestellt werden. In various optical systems, the function of these lenses can be achieved possibly by different types of lenses, and at least some of the functions of these lenses can be provided by a mirror or a mirror in combination with a mirror. Andere geeignete Elemente für die Punktgrößeneinstelloptik und Fokuspositionierungsoptik umfassen Prismen und zylindrische Linsen. Other elements for the spot size and focus positioning optics include prisms and cylindrical lenses. Beispielsweise können die hier diskutierten Einstellungen erreicht werden unter Verwendung von vier zylindrischen Linsen, welche unterschiedlich ausgerichtet sind und linear auf Verschiebebühnen bewegt werden. For example, the settings discussed herein can be accomplished using four cylindrical lenses, which are aligned differently and linearly moved to shift stages.

In der in In the in 7 7 gezeigten Darstellung eines Strahlpositionierungssystems, ist eine zusätzliche Fokussierlinse shown representation of a beam positioning system, an additional focusing lens 80 80 bereitgestellt. provided. Alle dargestellten Linsen wirken zusammen, um den Strahl auf der Zielbrennebene des Beleuchtungssystems zu dimensionieren. All lenses shown cooperate to size the beam at the target focal plane of the illumination system. Die Fokussierlinse The focusing lens 80 80 ist, in diesem veranschaulichten Beispiel, das letzte Fokussierelement der Strahlkonditionierungsoptik. is, in this illustrated example, the last focusing element of the beam conditioning optics. Die Fokussierlinse The focusing lens 80 80 wirkt zusammen mit den anderen Linse cooperates with the other lens 76 76 und and 78 78 , um die Fokusposition des Strahls auf der Zielbrennebene des Beleuchtungssystems zu positionieren. So as to position the focus position of the beam on the target focal plane of the illumination system. Die präzise Auswahl der Linsen, der Linsencharakteristika, der Beabstandung und anderer optischer Eigenschaften des dargestellten Systems werden zu einem großen Teil abhängen von deren spezifischen Implementierungen. The precise selection of lenses, lens characteristics, spacing and other optical characteristics of the illustrated system will depend to a large extent on their specific implementations. Die Fachleute können optische Systeme wie dieses auswählen und einrichten, und es gibt kommerziell erhältliche Computerprogramme, welche die Einrichtungs- und Auslegungsprozesse weiter erleichtern können. The experts can select and set up optical systems such as this, and there are commercially available computer programs that can facilitate the setup and design processes.

In der spezifischen Darstellung eines Strahlkonditionierungssystems kann die erste Linse In the specific representation of a beam conditioning system, the first lens 76 76 eine Brennweite von ungefähr 100 mm aufweisen und ungefähr 100 mm weg von dem Verdreifacher des bevorzugten Festkörperlasersystems positioniert sein. having a focal length of about 100 mm and about 100 mm positioned away from the tripler of the preferred solid state laser system. Deshalb ist die erste Linse Therefore, the first lens 76 76 so positioniert, dass sie etwas ähnlich einer parallel richtenden Linse funktioniert, aber in erster Linie dient sie dazu, die Punktgröße des Strahls bei der zweiten Linse positioned so that they have something similar to a collimating lens works, but first and foremost it serves the spot size of the beam at the second lens 78 78 festzulegen. set. Die zweite Linse The second lens 78 78 ist ungefähr 300 mm von der ersten Linse is about 300 mm from the first lens 76 76 beabstandet. spaced. Wie schematisch dargestellt, ist die zweite Linse As schematically illustrated, the second lens 78 78 eine Zerstreuungslinse und kann eine Brennweite von –25 mm aufweisen und 75 mm von einer dritten Sammellinse a diverging lens and may have a focal length of 25 mm and 75 mm from a third converging lens 80 80 beabstandet sein, welche eine Brennweite von 100 mm aufweist. be spaced apart, having a focal length of 100 mm. Die zweite Linse The second lens 78 78 und die dritte Linse and the third lens 80 80 bilden einen Strahlerweiterer mit konstanter Expansion (Expander). form a beam expander with constant expansion (expander). Licht, welches die Fokussierlinse Light which the focusing lens 80 80 verlässt, wird langsam fokussiert bei einer Distanz von ungefähr 700 mm von der Fokussierlinse leaves, slowly focused at a distance of about 700 mm from the focusing lens 80 80 . ,

Obwohl die vorliegende Erfindung im Detail lediglich unter Bezugnahme auf die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, werden die Fachleute zu würdigen wissen, dass verschiedene Modifikationen ausgeführt werden können, ohne von der Erfindung abzuweichen. Although the present invention has been described in detail with reference only to the presently preferred embodiments, the skilled in the art will appreciate that various modifications can be made without departing from the invention. Beispielsweise, während die obige Diskussion geführt wurde im Hinblick auf Strahlkonditionierung für ein Festkörperlasersystem, sind Aspekte des beschriebenen Strahlkonditionierungssystems anwendbar auf Gaslaserquellen. For example, while the above discussion was in terms of beam conditioning for a solid state laser system, aspects of the described beam conditioning system are applicable to gas laser sources. Als solches ist die vorliegende Erfindung nicht beschränkt durch die speziell beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen. As such, the present invention is not limited by the preferred embodiments specifically described. Der Rahmen der vorliegenden Erfindung sollte eher anhand der folgenden Ansprüche bestimmt werden. The scope of the present invention should be determined rather by the following claims.