生成三维物体的方法和设备以及所用的计算机和数据载体的制作方法

专利名称：生成三维物体的方法和设备以及所用的计算机和数据载体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种生成三维物体的方法和设备，该方法釆用 一种在电磁辐射作用下可 以固化的材料，通过包含预定数量离散成像元素(像素)的成像单元进行能量输入，使 该材料固化而完成造型。本发明具体涉及以光栅(位图)掩模曝光而生成三维物体的设 备和方法。典型地，掩模内的最小物理分辨率由像素大小确定。空间光调制器(SLM) 技术是可以用于该设备成像单元的特定技术。
背景技术：
在常规的立体光刻技术及快速原型装置领域中，三維物体的生成方法是使用在电 磁辐射作用下可以固化的材料，通常在光敏聚合物的光硬化作用下进行分层固化。目前 已经有若干种通过包含预定数量离散元素(像素)的成像单元进行曝光来实现三维物体 分层构造的方法和设备。可参考的专利包括US 5,247,180、 US 5,980,813、 DE93 19405.5 U、DE299 11 122U、EP 1 250 995A、EP 1 338 846 A、 WO 01/003卯以及WO 2005/110722 等专利。
通过旨在进行光致聚合作用的基于激光的系统，曝光点的能量或光输出由激光束的 能量设置确定。为了有选择地将相应层硬化，激光束将对需进行硬化的横截面进行扫描。 待硬化横截面的轮廓可以由激光束扫描为 一个曲线。
三维物体的分层构造是通过在对应于三维(3D)模型(对应于三维物体)横截面 的一个横截面内的固化实现的。由此，待硬化的横截面处于XY构造平面内，而相应的 层在Z维(Z方向)硬化至所需的层厚度。为了实现这种构造方法，加工过程包含一个 对三维模型数据(STL)切片、使之成为对应于待曝光横截面的一组切片二维(2D)数 据的步骤。这种现有技术在图1中示意性地示出。
然而，采用上述现有技术的三维才莫型数据切片和对应于相应横截面的分层化二维数 据的转换较为复杂，需要全面的算法和计算机处理。此外，光敏聚合物的分层硬化精度 取决于多种因素，例如根据Z向高度进行的切片横截面分配、切片横截面轮廓线设置、 能量(光输出)源的相应调整以及相关的控制要素等。
发明目的
本发明的目的是通过提供复杂性较低的系统，改进生成三维物体的方法和设备，其 中涉及将物体信息相对简便地转换为对应的构造信息。此外还要使在待生成三维物体的 表面结构上进行相对精确的构造成为可能。

发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种生成三维物体的方法，该方法采用一种在电磁 辐射作用下可以固化的材料，通过包含预定数量离散成像元素(像素)的成像单元进行 能量输入，使该材料固化而完成造型，该方法包括以下步骤
a) 由一个三维体提供位图数据栈，该三维体要完全或部分包围住待生成的至少三 维物体的一部分的三维模型，其中的位图数据栈已由包括以下步骤的过程生成
在完全或部分包围住三维模型的三维体上叠加一个光栅， 确定是否与三维^t型存在重叠，
对于已确定存在重叠的地方，将位图数据设置为能量输出状态，或者在确定不 存在重叠的地方，将位图数据设置为无能量输出状态；
b) 使用由步骤a)中所提供的位图数据栈生成的位图掩模以曝光方式进行固化。 本发明的该第 一方面特别适用于已经提供有上述位图栈的情况。 根据本发明的第二方面，提供了一种生成三维物体的方法，该方法采用一种在电磁
辐射作用下可以固化的材料，通过包含预定数量离散像素的成像单元进行能量输入，使 所述材料固化而完成造型，所述方法包括以下步骤
a')由一个三维体提供二维数据集，所述三维体要完全或部分包围住至少待生成的 三维物体的一部分的三维模型，其中所述二维数据集已由包括以下步骤的过程生成
在完全或部分包围住所述三维模型的所述三维体上叠加网格光栅，
确定是否与所述三维模型存在重叠，
将重叠信息转换为不同类型的转变信息，其中包括作为第一类的进入信息，所 述进入信息由从三维才莫型外部到内部的转变来定义；和作为第二类的退出信息，所述退 出信息由从三维模型内部到外部的转变来定义，
将所述转变信息保存在二维数据集中；和
b')使用由步骤a')中所提供的二所述维数据集生成的位图掩模以曝光方式进行固化。
本发明的该第二方面特别适用于固化所用位图掩模由上述二维数据集生成的情 况。此后可以由二维翁:据集生成位图栈。在构造过程中，最好由二维数据集直接生成至 少一幅位图。这样就可以对设备成像单元的位图掩模进行控制，以即时生成三维物体。
根据本发明的另一方面，提供了一种生成三维物体的设备，该方法采用一种在电 磁辐射作用下可以固化的材料，通过包含预定数量离散成像元素(像素)的成像单元进 行能量输入，使该材料固化而完成造型,其中的设备包括计算机单元、集成电路(IC)和 /或软件实现，分别执行如下的操作
由三维体转换得到的位图数据栈，该三维体至少包含待生成物体的三维模型的一
部分，
其中栈内的每一位图数据均包含关于能量输出水平的信息，以使对应于三维模型 内部某个位置的像素被置为能量输出状态，而对应于三维模型外部某个位置的像素被置 为无能量输出状态。
再根据本发明的另一方面，提供了一种生成三维物体的设备，该方法采用一种在 电磁辐射作用下可以固化的材料，通过包含预定数量离散成像元素(像素)的成像单元
进行能量输入，使该材料固化而完成造型。其中的设备包括计算机单元、集成电路(IC)
和/或软件实现，分别执行如下的操作
由转变信息的二维数据集转换得到的位图数据，
其中所述的转变信息包括作为第 一类的进入信息(由从三维模型外部到内部的转 变来定义)和作为第二类的退出信息(由从三维模型内部到外部的转变来定义)，所述 的模型至少对应于待生成的三维物体的一部分。
再根据本发明的另一方面，提供了保存位图数据栈的计算机或数据载体，其中位 图栈的每一位图数据均包含用于控制成像单元的能量输出水平信息，成像单元则包含预 定数量的、对应于位图光栅的离散成像元素(像素)。
再根据本发明的另一方面，提供了保存包含转变信息的二维数据集的计算机或数 据载体，其中的转变信息包括作为第一类的进入信息(由从三维模型外部到内部的转变 来定义)和作为第二类的退出信息(由从三维模型内部到外部的转变来定义)。基于所 保存的二維数据集，所述的模型至少对应于待生成的三维物体的一部分。
由计算机或凝:据载体保存位图数据栈或二维数据集，分别特别适用于执行根据本 发明上述第一或第二方面的方法或实现根据上述本发明内容的设备。
原理、特点和优点以及本发明的优选实施方式介绍
本发明基于以掩模曝光方法进行的三维物体构造，该方法回避了对三维模型数据 进行切片处理的机制。因此，本发明是一种相对筒单的系统，所需的算法或计算机处理 或软件实现都不太复杂。此外，尽管相对常规切片技术而言数据量会缩减，但却可提供 额外的信息，以使诸如待固化层厚度、曝光微调(特别是对三维物体的表面结构进行的 微调)、曝光时间等构造参数可以在相应情况下获得更粗略或更精细的控制。根据本发 明，只需要通过在三维体上叠加适当的网格光栅或体素网格光栅，确定位图数据中的特
定像素位置与三维;漠型之间是否存在重叠，并根据该确定结果，将位图数据及相应的像 素设置为能量输出状态或相反状态。由此，可以相应地生成可以完全表达三维模型信息 的上述位图数据栈或二维数据集。此外，根据重叠特性，可以通过适当的位图控制精确 地生成三维物体的表面结构，位图控制最适合采用对位图中与表面结构相关的像素分配 灰度值和/或颜色值的方法(其中的位图是整个位图栈的组成部分)。上述位图数据栈或 二维数据集的生成(分别如步骤a)或a')所述)只需通过虚拟过程(如在计算机上进行) 来执行。在不生成中间过渡的位图数据栈的情况下，仍然可以在三维构造过程中即时生 成位图掩模。由此可以以相对简单而方便的方式高效、精确地生成三维物体。 下文中将对特别优选的优点、特点和实施方式进行进一步介绍。 与基于切片数据的一个横截面内的外部和内部轮廓的常规层数据信息相比较，根 据本发明，不需要在数据生成之前就对三维模型进行切片，信息是通过分析三维物体模 型直接得出的。
该信息可以按2 '/2维格式保存，通过这种方式，XY平面内的每个光栅/网格点均 包含在该XY点穿过该物体的Z向量的所有进入和退出点的Z向信息。
保存在矩阵中的这种2 i/2维信息(可能对应于显示设备或位图的分辨率光栅)不 一定以位图栈形式保存，也不一定直接与特定层厚的层相关。待固化的层厚度可能随数 据结构有所变化。
该2 VS维信息文件可以被发送至机器，在此实际需要的层信息可以根据该层的Z 向高度/位置"即时"生成。
作业文件(可能采用不同的层厚度甚至采用动态厚度调整)可以由机器上同一个 2'/2维信息文件直接得出，只需确定层厚度或不同层厚度的范围(针对动态调整)。不需 要将物体切片为确定的层/横截面即可获得构造信息。
数据处理可描述整个构造包络面的构造信息，即三维模型的边界框，或完整或部
分包含三维模型的任意大小的体积。因此，三维体通常不只包括三维模型。 一个三维物 体的不同部分可以依据构造体的调整情况整体或独立生成。
通过计算三维模型和栅格元素(如体素)的三维相交或其近似情况，可以调整或 控制该位置处的光强度，方法是对该像素分配或指定一个与相交等级相对应的灰度值和 /或颜色值。
在本发明第一和第二方面的一种优选实施方式中，将由网格光栅经三维体投影得 到的线或面来确定重叠。另一种情况是，光栅是一个被叠加到三维体上的体素网格光栅， 在体素网格光栅与三维模型的体素之间的重叠是确定的。这些尺寸为重叠的确定和/或计 算提供了高效的算法。
在本发明第一和第二方面的一种优选实施方式中，位图掩模由XY平面的一幅或 多幅位图生成，当将网格光栅叠加到三维体上时，网格光栅由(i)XY平面内相应对应于 位图的子像素、像素或多个像素的方形或(ii)垂直于XY平面的Z方向的分区生成。
然而，网格光栅还可以由(i)XY平面内不同于该位图光栅的方形生成。
此外，垂直于XY平面的Z方向分区的设置可以与之后构造过程中待固化的层厚 度无关。
在由本发明使之可行的进一步的实施方式中，网格光栅的光栅元件的尺寸可以相 同，也可以在XY平面内有变化的尺寸。
由此在根据本发明的设备中，可能且足以设置像素的能量输出水平，依据为以下 判定结果，即处于三维^i型内部还是外部，或是处于分别对应于进入信息和退出信息的 点之间，判断依据为全部或部分包围三维模型的三维体与叠加在该三维模型上的网格光 栅投影之间的重叠情况。在该设备的一种优选实施方式中，像素的能量输出水平同样可 以高效地确定，依据是三维模型与由网格光栅经三维体(包含该三维模型)投影得到的 线或面之间的重叠情况。类似地，对于设备而言，也可以高效地确定像素的能量输出水 平，依据则是三维模型与叠加在三维体(包含该三维模型)上的体素网格光栅之间的重 叠情况。
这些不同的可能性使本发明的系统可以非常灵活地适应生成三维物体的需求，特 别是取决于提供精细或粗略结构的必要性及需求。例如，对于从重叠分析未获得任何信 息或仅获得很少信息的立体件，可以对位图掩模应用粗略光栅化，而对于从重叠分析已 获得许多信息或详细信息的立体件，则可以对位图掩模应用精细光栅化。因此可以在适 当情况下将粗略光栅化和精细光栅化进行组合。这样也可以减少采用整体生成方法期间
需要保存、存储或处理的lt据量。
在本发明第一和第二方面的一种优选实施方式中，位图数据栈(可以由步骤a)提 供，或从步骤a，)由二维数据集生成)包含XY平面的多个位图的堆栈；而代表Z向像 素的位图光栅点，则在进入点或进入面与由Z维相应网格光栅经三维模型投影得到的线 或面的退出点之间的区域内，被设置为能量输出状态。通过这种方式提供或生成位图数 据栈可以显著减少需要保存、存储和/或处理的数据量。
在另 一种优选实施方式中，二维数据集内转变信息中保存的数据将被发送至包含 成像单元、用于生成三维物体的设备，而在进行步骤b)中的固化时，将采用步骤a)中提 供的转变信息"即时"地生成一个或多个位图掩模。通过这种方式，实际所需的层信息可 以在构造过程中(即"即时")依据层的实际Z高度或Z位置由二维数据集直接生成。
在本发明第 一方面的一种优选实施方式中，步骤a)中给出的位图栈仅包含相互有 差异的位图。类似地，在本发明第二方面的一种优选实施方式中，步骤a，)中给出的二 维数据集用于生成位图栈，或者直接用以生成位图掩模，而该位图栈或位图掩模仅包含 相互有差异的位图。通过这种方式，最终在构造过程中使用的信息范围被缩减至层固化 中实际需要的信息。特别地，要求相同构造条件(特别是周界结构和/或厚度)的多个层 可以通过共用同一个位图掩模进行固化，而其他要求不同构造条件(特别是周界结构和 /或厚度)的层则可以分别使用不同的位图掩模进行固化。
此外，同一幅位图可以用于待固化的多个层。作为选择或与之结合，同一幅位图 也可以多次用于同一层。
在本发明第一和第二方面的一种优选实施方式中，当在三维体上叠加网格光栅时， 每个网格光栅单元包含多条投影线，而当相应投影线的已确定重叠相互有差别时，将向 代表位图中 一个子像素、 一个像素或多个像素的相应光栅元件分配一个灰度值和/或颜色 值。
或者，确定是否存在重叠包括重叠度的确定，而结果是，将根据重叠度将所生成 的位图掩模中的像素具体设置为能量输出比率。在另外的优选实施方式中，在体素网格 光栅的体素与三维模型的体素之间的重叠度确定，当重叠度低于100%且高于0%时，所 生成的位图掩模中的像素将被设置为一个灰度值和/或颜色值。
相应地，在才艮据本发明的设备中，通过特定灰度值和/或颜色值来调整和/或控制 能量输出水平，可以控制成像单元。
这些方式可以或多或少地获取关于特定结构(如表面结构)的详细信息，并将其
用于构造参数的微调。
在本发明第 一和第二方面的一种优选实施方式中，根据位图数据栈中提供的位图 数据的数据结构，或者是二维数据集中的数据结构，通过固化可固化材料形成的层厚度 可受到控制，以获得相同和/或不同的厚度。
作为本发明所实现的另一种可能性，特定Z尺寸范围内的厚度可能相同，但根据 需要在其他Z尺寸范围内也可以不同。变化的厚度控制进一步扩展了根据本发明的系统 的灵活性。
在根据本发明的设备中，成像单元的光栅包含预定数量的作为点、线或矩阵安排 的离散成像元素(像素)，其中成像单元包含一幅层图像，其像素特定于位图数据。这 样就可以根据所提供的信息数据对可固化材料进行精确的固化。
根据本发明的计算机或数据载体是有价值的产品，它们在控制用于生成三维物体 的设备的成像单元位图掩模时可以发挥作用。在根据本发明的计算机或数据载体的一种 优选实施方式中，关于能量输出水平的信息按上述方式由重叠情况确定。
特别地，二维数据集可被安排用以生成位图栈，或者可被安排用以即时生成至少 一幅位图，而不需生成一个中间过渡位图栈。此法的特别优势在于，由计算机或数据载 体内的位图栈提供的位图掩模，或者由二維数据集生成的位图掩模，均只包含相互有差 异的位图。
位图数据栈或二维数据集可与关于构造参数的信息一起保存或存储在作业文件中。
在本发明的一个具体方面，二维数据集作为准2y2维格式的信息保存或存储在计算
机或数据载体中，其中包括叠加在完全或部分包含三維模型的三维体上的光栅网格的 XY点信息；以及作为准Z维信息的进入信息和退出信息，用于XY内的相应光栅网格 元件。由此可以忽略Z向的光栅化。
此外，该二维数据集可用于且足以生成构造数据包以及相应的啄光曲线。 此外，使用每个位图掩模的曝光次数可以有变化，以生成相应的可变硬化深度。


图1以示意和示例方式给出了在现有技术用以生成三维物体的方法中由三維物体 数据转换为片状二维(横截面)数据的常规图解。
图2以示意和示例方式给出了4艮据本发明的一种实施方式将三維物体数据转换为
二维位图数据的图解。
图3以示意方式给出了在本发明的一种实施方式中如何将光栅叠加在一个包围着 待生成的三维物体的三维体上，该三维物体以球体形式为例。
图4A示出了依据本发明的一种实施方式，例示了将以图3所示方式叠加的网格 光栅所投影的线判定为有重叠还是无重叠的方法。
图4B以示意方式给出了另一种实施方式，例示了将以图3所示方式叠加的网格 光栅的子光栅点所投影的线判定为有重叠还是无重叠的另 一种方法。
图4C以示意方式给出了另一种实施方式，还例示了将以图3所示方式叠加的网 格光栅所投影的面判定为有重叠还是无重叠的另 一种方法。
图5示出了本发明的另一种实施方式，其中涉及在三维体上叠加体素网格光栅的过程。
图6A至6F以示意方式给出了根据本发明的另 一种实施方式将体素网格光栅信息 转为位图栈的过程中的步骤。
图7A至7C以示意方式给出了4艮据本发明的一种实施方式确定体素网格光栅重叠 和位图数据设置的过程中的步骤。
图8A以示意方式示出了根据本发明的一种实施方式用以保存位图数据栈及有用 附加参数的数据载体和/或计算机。
图8B以示意方式示出了根据本发明的一种实施方式用以保存转变信息数据集及 有用附加参数的数据载体和/或计算机。
图9以示意方式给出了 一种用于生成三维物体的设备举例，在该设备上可以应用 根据本发明的方法和系统。
本发明优选实施方式的详细i兑明
在下文中，将参照本发明的优选实施方式并结合附图，对本发明的原理、目的、 优选特点和优点进行更详细的说明，但需要指出，本说明仅作示例目的，决不意味着对 本发明的限制。
图2以示意方式示出了本发明的基本原理。其基本概念是，在包围待固化三维物 体的三維体上，对于用以对其中一层进行膝光的位图掩模的每一个像素，必须确定该像 素是处于三维物体的三维模型内部还是外部。图2还进一步示出，重叠和像素设置的确 定要针对位图栈的所有位图层进行。由此，通过任何一种用以将三维模型数据转换为位图数据的可能的实施方式，可以生成一个位图数据栈，以生成对可固化材料曝光的相应 的位图掩模。每个位图数据及相应的位图掩模均可用于对待生成的三维物体的一层或多 层进行曝光。
据本发明，将不再使用对三维数据进行切片以生成横截面分层二维数据的机制， 同时也不要求像图1所示的现有技术一样计算截面轮廓。
图3以示意方式给出了依据本发明的一种实施方式，其中一个光栅被叠加在一个 三维体上，后者至少部分包围着待生成的三维物体的三维模型的一部分。在此，对于以 球体100形式示出的三维模型，光栅200被虚拟地叠加在三维体上。基于这种光栅，可 以确定在由光栅200所投影的光栅的相应单元面内是否存在与三维模型的重叠。两种情 况在图3中分别示出第n个光栅单元20(T为重叠的情况，而光栅单元200'则为无重叠 的情况。
以下将分别参照图4A、 4B和4C,对确定光栅与三维模型之间重叠情况的可能方 式进行说明。相同的元素以相同的编号标识。
根据图4A所示的实施方式，线由相应光栅单元的每个中心虚拟投影得到(由线 250表示图3中第n个网格光栅单元20011)。将光栅置于XY平面(该平面对应于在待生 成的三维物体的相应XY平面内构造层所需的一个XY构造平面)内，对线250平行于 Z轴(即沿Z维方向)投影，可以确定投影线250在Z轴(或Z維)的哪一点/高度处 进入三维模型，以及投影线250在Z轴(或Z维)的哪一点/高度处退出三维模型(在 图4A中以圆环点表示)。关于设置位图数据，可能提前给出，或者采用更好的方式，即 在构造过程中根据需要"即时"生成，可以针对对应于位图中相应光栅单元的每个网格光 栅单元，确定其Z值是否处于进入值和退出值之间如果是(例如图4A中所示的进入 点与退出点之间的网格光栅单元200n),则处于Z维的位图数据的所有相应像素均将被 置为能量输出状态(例如用于输出白光)；如果不是(例如图3中所示的光栅单元200'， 或者如图4A中所示在光栅单元200"中处于进入点以下或退出点以上的位图数据)，则 处于Z维的位图数据的相应像素均将被置为无能量输出状态(例如阻塞光输出；或为黑 色颜色值)。根据由此生成的位图数据，组成一个类似图2所示的XY位图数据栈，并 包含由上述重叠分析得出的能量输出状态(即能量输出或白光状态；或能量阻塞或黑光 状态)信息，可以控制三维物体生成设备的成像单元，以形成对应于相应位图层的曝光 掩模。相应地，通过CPU等计算机单元、IC和/或软件实现，可以对三维物体生成设备 成像单元的曝光掩模的像素进行相应的特定像素设置，使之成为对应于相应位图数据的
开或关状态。由此一个三维物体(例如由球形三维模型100所表达的)将通过对应于相 应位图数据的分层曝光以高度有效且方便的方式物理地生成。
图4B示出了本发明的一种优选实施方式，其中对应于三维模型表面的三维物体 的表面结构可以通过灰度值和/或颜色值控制得以更精确地生成。为了获取表面结构的信 息，可以采用以下的方式。在此并不是从单一网格光栅单元投影得到一条线，而是从单 一网格光栅单元投影得到多条线(如2501、 2502、 2503和2504这4条线)。在图4B所 示的实施方式中，这些线由构成网格光栅单元200n的子光栅元件的相应中心投影得到。 投影是在虚拟过程中平行于Z轴进行的，此时可以再次确定投影线在Z轴的哪一点/高 度处进入三维模型，以及投影线在Z轴的哪一点/高度处退出三维模型。为了将灰度值 和/或颜色值由光栅单元分配至位图及曝光掩模的相应像素，将确定Z维光栅单元的哪 些子元件包含进入点与退出点之间的位置。在本例中，由子光栅元件的总和，可以将相 应的灰度值和/或颜色值与光栅单元建立关联，并由此分配至位图数据中的相应像素。例 如，如果在由光栅单元各子单元中心引出的相应投影线上所确定的重叠相互不同，则会 向位图数据中位图的相应像素分配一个灰度值和/或颜色值。
进入点与退出点之间的位图层内的像素被置为能量输出状态，而低于进入点和高 于退出点的位图层内的像素则被置为无能量输出状态。在一种优选方式中，依据多条投 影线(即250'、 2502、 2503和250"的重叠与各光栅网格单元(即200"重叠平均值的 偏离值，来确定和设置相应位图数据中的灰度值和/或颜色值水平。例如，每个网格光栅 单元的偏离值越小，可能设置的灰度值或颜色值水平就越低。这种确定和设置方式可能 适用于图4B所示球形的上半球和/或下半球的表面部分。
在其他表面部分(例如图4B所示球形的中绵切面)内，可能会存在子单元一部 分确与三维模型(未示出)有重叠而其余部分与之不会重叠的光栅单元。在这种情况下， 灰度值和/或颜色值水平可以根据每个与三维模型有重叠的网格光栅单元的多条投影线 与无重叠网格光栅单元的多条投影线的比率确定。由此子光栅元件的部分重叠可以得到 确定，并继而用于设置位图数据，以便为灰度值和/或颜色值控制提供附加的有用信息。
在这种实施方式中可以显见，表面结构位图数据的确定和设置存在达到更高精度 的趋势，因为网格光栅单元的子光栅数量增加，相应地，由单个网格光栅单元投影得到 的虚拟线的数量也在增加。由此可以根据相应三維物体的要求来调整表面结构的精度。
图4C中示出了另一种方式。在这种实施方式中，通过一个虚拟过程由一个网格 光栅单元投影得到一个面，例如以柱形投影出一个方形，以便叠加到三维模型上，如图
4C中针对200'1网格光栅单元所示。如上所述，可以类似地确定是否与三维模型重叠， 如图4C所示在分别由标号300A和300B表示的2个下方横截面和上方橫截面之间的Z 范围内，而位图数据的位图内的相应区域将被置为能量输出状态(如用于白光曝光)。 如果Z点或高度位于横截面300A或300B区域内，则将计算出实际的重叠面，并且根 据此计算的结果，设置相应的灰度值和/或颜色值，并分配给位图数据中位图的相应部分。
代表一个网格光栅单元(如200")的面可能对应于位图乃至位图掩模中的一个像 素、像素的 一部分或 一组多个像素
图5和图6A至6F中以示意方式给出了依据本发明的另一种实施方式，它基于三 维模型的所谓直接体素光栅化来从三维模型提供位图数据。首先，如图5所示(部分处 于上方行内，大部分处于下方行内)，通过虚拟的体素网格定义了一个矩阵。由此，由 XY平面内的正方形生成一个体素网格光栅，它与位图数据栈中位图的像素光栅相对应， 并由此对应于三维物体生成设备的一个成像单元一次曝光所需的曝光掩模的像素光栅。 在这里，位于体素网格光栅XY维度内的方形的尺寸对应于位图中一个像素的大小。它 也可能对应于位图中一个像素尺寸的某个倍数或分数(对应于三维物体生成设备成像单 元的相应位图掩模)。
在一个虚拟过程中，图5所示的体素网格被叠加到包围着三维模型的三维体上， 之后会确定重叠，并设置位图数据以生成位图数据栈(提前或如上文所述即时生成)。
为例示此过程，图6A至6F的顺序以示意方式给出了可以采取的执行顺序。左边 的图以XYZ的三維方式示出了这一原理，而右边的图则分别显示XZ平面内的二維展 示。
如图6A所示，生成一个对应于三维物体生成设备成像单元投影面的构造包络面。 如图6A左、右图具体所示，可以在该构造包络面上放置一个三维模型数据球。如图6B 进一步所示，XY平面内的投影图对应于构成方形图元件(像素)矩阵的位像。
对于对应于位图乃至曝光用位图掩模的像素元件的每个体素网格单元，将由Z向 的中心投影出 一条线，如图6C所示。
之后，如图6D所示，将对每条投影线与此球形模型(左边的三维图示)或与该 圆(右边的二维图示)的交点进行估计。有两种不同类型的交点在第一类中，投影线 进入三维模型此交点定义为进入点。在第二类中，投影线离开三维模型在此情况下， 此交点定义为退出点。在图6D的二维图示中，相应投影线的进入点以叉号表示，而投 影线的退出点则以方号表示。
接下来，使用估计出的交点组模型体或模型面在体素网格元件(体素光栅单元) 内的重叠量进行近似。此时，与原始的三维模型已不再有关系。这在图6E中由体素网 格光栅的进入点与退出点之间的重叠线示出。
保存每一光栅元件的进入点和退出点，如果该进入点和退出点出现，则生成一个 数据包，其中包含三維体乃至其中所包含的三维模型的光栅化表达。
这一光栅化表达可用于预先构造一个完整的位图栈，以便随后送至三维物体生成 设备，或者可以直接发送至三维物体生成设备，以便在构造过程中(即时)生成相应的 位图掩模。
如图6F所示，处于其相应投影线的进入点与退出点之间的每个体素或体像素范 围被设置为与三维模型完全重叠的状态，从而在位图数据中被置为能量输出状态(如光 输出或白色)。其他所有体素或体像素范围则被设置为与三维模型完全无重叠，从而在 位图数据中被置为无能量输出状态(光输出阻塞或黑色)。 一个体素平面(即对应于一 个体元的XY平面)内的信息被用于生成位图掩模。用于曝光的位图掩模在光敏聚合物 不应固化的区域为黑色像素，而在光敏聚合物应被固化的区域则为白色像素。
对于外部维度没有差别的待固化层，可以多次使用同一个位图掩模。这样就不需 要为每一个待硬化的层生成一个新的位图掩模。
使用根据上述这种实施方式的系统，三维物体生成设备可以采用 一套掩模投影系 统，该系统能够投射出以矩阵形式安排的数百万个方形光点，该矩阵由上文所述的相应 体素元件组成。
在下文中，将参照图7A至7C介绍本发明的其他实施方式。首先，如图7A的左 边部分所示， 一个体素网格光栅被叠加在一个包围着三维模型(在此再以球体形式为例) 的三维体上。接下来，如图7A中从左到右的变换所示，将确定体素网格光栅的相应体 素元件与三維模型之间是否有重叠。根据该决定的结果，对应于相应体素元件的位图数 据将被设置为有能量输出或无能量输出状态。
根据一种优选实施方式，将依据重叠尺寸(即相交面/体的尺寸)以适当的灰度值 和/或颜色值进行颜色编码，如图7B所示。具体而言，如图7B左侧图示，如果没有相 交面/体重叠，则颜色代码将被置为"黑"；对于40%左右的相交面/体，则应设置为一个 近似中间级的灰度值；而对于相应光栅化体元中相交面/体达到100%的情况，则将设置 颜色代码为"白"。体素矩阵与三維模型之间的重叠相交面/体的颜色代码针对由体素网格 光栅进行光栅化的整个构造体生成，如图7B的中间图所示，之后再进一步转换为位图
数据的相应XY体素平面的位图数据设置，如图7B的右图所示。针对这一处理，图7C 特别示出，每个体素元件与三维模型之间的重叠相交面/体颜色代码将转换(见图7C左 图所示)为具体像素的强度值(由黑、白和灰度值组成)，此取决于重叠判定的结果(见 图7C的中图)。最后(见图7C右侧所示)，构造体被光栅化处理为一个由各个位图数 据组成的位图栈。基于所生成的位图栈，可以控制三维物体生成设备的成像单元，其中 每一个用于一个或多个相应待固化层的位图掩模均具有能量输出强度值，包括光敏聚合 物不应固化的黑色像素区、光敏聚合物应完全固化的白色像素区以及固化水平有削减的 灰色像素区。通过这种实施方式，可以高精度、高效率地生成三维物体，即使是表面结 构也不例外。
此外，由图7C可以显见，位图栈的相应2幅位图彼此相似，即仅代表黑色像素 的顶部和底部位图，以及代表黑色和灰色像素的2幅中间位图。对于这种示例情况，整 个位图栈中的位图可以缩减一半(例如从底部起第一幅和第二幅)，而又可以保留所有 待固化层的全部信息，从而可以减少需要保存、存储和/或处理的数据量。
在以上说明中，对本发明的原理和实施方式已经进行明确的例示。然而，对于本 领域技术人员而言，4艮明显，可以进行各种变化和改动。当然，可以生成任何形状的 三维模型及相应的三维物体。同样，本发明也可以只生成某个三维物体的一部分。此外， 按上文所介绍和实现的本发明的原理可以适用于更复杂的三维结构。例如，在具有投影 自网格光栅的线、面或者具有体素网格光栅体素元件的三维模型的Z向上，可能有多个 重叠部分被中断，而同时又适用本发明的原理。此外， 一方面提供位图数据、另一方面 进行材料固化的步骤可以交互或同时进行，或者可以在时间和/或空间上分开进行，也可 以采取以上情况的任何组合。在一种实施方式中，位图数据(采用上述位图栈或二维数 据集的形式)可以在不同于实际固化加工地点的地方远程提供。
有助于提高本发明中方法的效果以及用于操作本发明中设备的有价值的技术产 品，如保存上述位图数据栈或二维数据集的计算机或数据载体，也属于本发明的范围。
图8A和8B示意性地示出了本发明的计算机或数据载体的实施方式。相应地，对 应于待生成的三维物体构造体的位图栈包括针对待固化层的关于能量输出水平的信息 数据，该能量输出水平适于控制成像单元，而成像单元包含许多适当但不一定对应于位 图光栅的像素。针对每个位图掩模，此位图栈将与相应的构造参数组合，以生成作业文 件。构造参数可能包含但不限于为构造三维物体而选择的相应待固化层的厚度、每个 位图掩模的曝光时间、每个固化层的曝光次数、所选光源及可选波长信息等。由此创建的作业文件可以保存在磁盘等数据载体上。它可以被传送至或直接存储在计算机上。计 算机还可能包含CPU及软件实现，以执行图8A和8B所示的作业文件。作业文件的执 行用以控制三维物体生成设备的成像单元，方式可以是在两者间通过适当的信号线路直 接进行、或者采用在线方式、抑或通过适当的信号传送远程进行，也可以是以上几种方 式的组合。
如图8B例示以及上文与图7C相关的类似说明，在数据被保存/存储在数据载体 和/或计算机上之前，整个位图数据栈将被缩减至构造三维物体或其一部分所必需的最小 位图数量，由此可以减少需要保存、存储和/或处理的数据量。
作为示例，图9给出了三维物体生成设备的一种可行的实施方式。通过分层硬化 光硬化材料4实现分层生成三维物体3的设备包括掩模投影机8,其中配有成像光学器 件2的投影单元1置于槽6的上方，槽中装有光硬化材料4。物体3在承板5上分层硬 化，承板5可以在槽6内以竖直方向运动。
采用基于光致聚合作用的方法，硬化所需的光辐射被投影至加工层。曝光受到多 媒体投影机之类设备的影响。图像由位图的单个图像点(像素)组成。位图掩模可以由 空间光调制器生成，其像素以平面内固定的相互关系布置。针对此类半导体元件的当前 标准典型分辨率为SXGA+ 1400x 1050像素。
根据本发明可以控制的成像单元不仅可以是多媒体投影机，还可以包括液晶显 示器(反射式或透射式)、发光二极管(LED)或激光二极管行(在层上垂直于行移动)、 光阀技术装置(MEMS技术)或其他的类似设备。
此外，能量输出状态水平，如位图掩模曝光的光输出水平可以通过已知的方式调 整。例如，这些水平可能包括
al)开、关状态，在透射式系统(特别是带有光阀的系统)中分别通过基本完全 的能量透射(白色)和基本完全的无能量透射的能量阻塞(黑色)实现；或
a2)开、关状态，在发射式系统(特别是在数字微反射镜器件(DMD)或用于数 字光处理(DLP)的硅上液晶(LCoS)中)，分别通过基本完全的沿光轴能量反射(投 影图像中为白色)和基本完全的离开光轴向光吸收器的反射(投影图像中为黑色)；以 及附加的
bl)预定的所需数量的灰度水平，或
b2)预定的所需数量的颜色值。这些颜色值可以分别表达色调和/或色密度或强度。
尽管上文已参照具体的实施方式和示例图对本发明进行了详细说明'但本发明的 范围决不仅限于此。显而易见，可以进行各种变化和改动'本发明完全由所附权利要求 书的精神和范围来限定。
权利要求
1.一种生成三维物体的方法，所述方法采用一种在电磁辐射作用下可以固化的材料，通过包含预定数量离散像素的成像单元进行能量输入，使所述材料固化而完成造型，所述方法包括以下步骤a)由三维体提供位图数据栈，所述三维体完全或部分包围住至少待生成的三维物体的一部分的三维模型，其中所述位图数据栈已由包括以下步骤的过程生成·在所述完全或部分包围住所述三维模型的所述三维体上叠加网格光栅，·确定是否与所述三维模型存在重叠，·对于已确定存在重叠的地方，将位图数据设置为能量输出状态，或者在确定不存在重叠的地方，将位图数据设置为无能量输出状态；b)使用由步骤a)中所提供的所述位图数据栈生成的位图掩模以曝光方式进行固化。
2. 如权利要求l所述的方法，其中重叠由光栅经三维体投影得到的线或面确定。
3. 如权利要求1所述的方法，其中所述网格光栅是叠加在所述三维体上的体素网 格光栅，而在所述体素网格光栅的体素与所述三维模型的体素之间的重叠是确定的。
4. 如权利要求1所述的方法，其中，所述所提供的位图数据栈包含XY平面的多 个位图栈，而代表Z向像素的位图光栅点，在由相应Z维网格光栅经所述三维模型分别 投影得到的进入点或进入面与线或面的退出点之间的区域内，被设置为能量输出状态。
5. 如权利要求l所述的方法，其中步骤a)中所提供的位图栈仅包含彼此之间有差 别的位图。
6. 如权利要求1所述的方法，其中，当将网格光栅叠加到所述三维体上时，每个 网格光栅单元包含多条投影线，而当各个投影线中的已确定重叠相互有差别时，则为位 图中一个子像素、 一个像素或多个像素的相应光栅元件分配灰度值和/或颜色值。
7. 如权利要求1所述的方法，其中确定是否存在重叠包括重叠度的确定，而结果 是，将根据所述重叠度将所生成的位图掩模中的像素具体设置为能量输出的比率。
8. —种生成三维物体的方法，所述方法采用一种在电磁辐射作用下可以固化的材 料，通过包含预定数量离散像素的成像单元进行能量输入，使所述材料固化而完成造型， 所述方法包括以下步骤a)由三维体提供二维数据集，所述三维体要完全或部分包围住至少待生成的三维 物体的一部分的三维模型，其中所述二维数据集已由包括以下步骤的过程生成 在完全或部分包围住所述三维模型的所述三维体上叠加网格光栅， 确定是否与所述三维模型存在重叠， 将重叠信息转换为不同类型的转变信息，其中包括作为第一类的进入信 息，所述进入信息由从三维模型外部到内部的转变来定义；和作为第二类的 '退出信息，所述退出信息由从三维模型内部到外部的转变来定义， 将所述转变信息保存在二维lt据集中；和 b)使用由步骤a)中所提供的所述二维数据集生成的位图掩模以曝光方式进行固化。
9. 如权利要求8所述的方法，其中所述二维数据集中所保存的关于转变信息的数 据被发送至包含所述成像单元的所述三维物体的生成设备，而当进行步骤b)中的固化 时，釆用步骤a)中所提供的转变信息"即时"生成一个或多个位图掩模。
10. 如权利要求8所述的方法，其中步骤a)中提供的所述二维数据集用于生成位图 栈，或用于直接生成位图掩模，所述位图栈或位图掩模均仅包含彼此之间有差别的位图。
11. 如权利要求8的方法，其中，当将网格光栅叠加到所述三维体上时，每个网格 光栅单元包含多条投影线，而当所述各个投影线中的已确定的重叠彼此之间有差别时， 则为位图中 一个子像素、 一个像素或多个像素的相应光栅元件分配灰度值和/或颜色值。
12. 如权利要求8所述的方法，其中确定是否存在重叠包括重叠度的确定，而结果 是，将根据重叠度将所生成的位图掩模中的像素具体设置为能量输出的比率。
13. —种生成三维物体的设备，所述方法采用一种在电磁辐射作用下可以固化的材 料，通过包含预定数量离散像素的成像单元进行能量输入，使所述材料固化而完成造型， 其中所述设备包括计算机单元、集成电路IC和/或软件实现，分别执行如下的操作由三维体转换得到的位图数据栈，所述三维体至少包含所述待生成物体的三维模型 的一部分，其中所述栈的每一位图数据均包含关于能量输出水平的信息，以使对应于所述三维 模型内部某个位置的像素被置为能量输出状态，而对应于所述三维模型外部某个位置的 像素被置为无能量输出状态。
14. 如权利要求13所述的设备，其中，根据全部或部分包围所述三维模型的三维 体与叠加在所述三维模型上的网格光栅投影之间的重叠情况，来判定像素的能量输出水 平处于所述三维模型内部还是外部，或是处于分别对应于进入信息和退出信息的点之 间。
15. 如权利要求13所述的设备，其中，根据所述三维模型与由网格光栅经包含所述三维模型的所述三维体投影得到的线或面之间的重叠情况，来确定像素的能量输出水 平。
16. 如权利要求13所述的设备，其中，根据所述三维模型与叠加在包含所述三维 模型的所述三维体上的体素网格光栅之间的重叠情况，来确定像素的能量输出水平。
17. 如权利要求13所述的设备，其中，所述成像单元可以通过特定灰度值和/或颜 色值来调整和/或控制所述能量输出水平的方式控制。
18. —种生成三维物体的设备，所述方法采用一种在电磁辐射作用下可以固化的材 料，通过包含预定数量离散像素的成像单元进行能量输入，使所述材料固化而完成造型， 其中所述设备包括计算机单元、集成电路IC和/或软件实现，分别执行如下的操作由转变信息的二维数据集转换得到的位图数据，其中，所述转变信息包括作为第一类的进入信息，所述进入信息由从三维模型外部 到内部的转变来定义；和作为第二类的退出信息，所述退出信息由从三维模型内部到外 部的转变来定义，所述模型至少对应于待生成的所述三维物体的一部分。
19. 一种保存位图数据栈的计算机，其中所述位图栈的每一位图数据均包含用于控 制成像单元的能量输出水平信息，所述成像单元则包含预定数量的、对应于位图光栅的 离散像素。
20. 如权利要求19所述的计算机，其中所述能量输出水平信息根据三维模型与叠 加到三维体上的投影网格光栅或体素网格光栅之间的重叠情况来确定，所述三维体应完 全或部分包含至少三维模型的一部分，而所述三维模型则由将通过所述成像单元生成的 三维物体的三维数据构成。
21. —种保存包含转变信息的二维数据集的计算机，所述转变信息包括作为第一类 的进入信息，所述进入信息由从三维模型外部到内部的转变来定义；和作为第二类的退 出信息，所述退出信息由从三维模型内部到外部的转变来定义，所述模型至少对应于基 于所保存二維数据集的待生成的三维物体的一部分。
22. 如权利要求21所述的计算机，其中所述二维数据集以准2'/2维格式保存信息， 所述信息包括叠加在完全或部分包含所述三维模型的三维体上的光栅网格的XY点信 息；以及用于XY内的各个光栅元件、作为准Z維信息的进入信息和退出信息。
23. 如权利要求21所述的计算机，其中所述二维数据集被安排用以生成位图栈， 或被安排用以即时生成至少一幅位图，以便分别控制三维物体生成设备成像单元的位图 掩模。
24. —种保存位图数据栈的数据载体，其中位图栈的每一位图数据均包含用于控制 成像单元的能量输出水平信息，成像单元则包含预定数量的、对应于位图光栅的离散像 素。
25. 如权利要求24所述的数据载体，其中所述能量输出水平信息根据三维模型与 分别叠加到三维体上的投影网格光栅或体素网格光栅之间的重叠情况来确定，所述三维 体应完全或部分包含至少三维模型的一部分，而所述三维模型则由将通过所述成像单元 生成的三维物体的三维数据构成。
26. —种保存包含转变信息的二维数据集的数据载体，所述转变信息包括作为第一 类的进入信息，所述进入信息由从三维模型外部到内部的转变来定义；和作为第二类的 退出信息，所述退出信息由从三维模型内部到外部的转变来定义，所述模型至少对应于 基于所述所保存的二维数据集的待生成的三维物体的一部分。
27. 如权利要求26所述的数据载体，其中所述二维数据集以准2W维格式保存信息， 所述信息包括叠加在完全或部分包含所述三维模型的三维体上的光栅的XY点信息; 以及用于XY内的各个光栅网格元件、作为准Z维信息的进入信息和退出信息。
28. 如权利要求26所述的数据载体，其中所述二维数据集被安排用以生成位图栈， 或被安排用以即时生成至少一幅位图，以便分别控制三维物体生成设备成像单元的位图 掩模。
全文摘要
本发明涉及一种生成三维物体的方法，该方法采用一种在电磁辐射作用下可以固化的材料，通过包含预定数量离散成像元素(像素)的成像单元进行能量输入，使该材料固化而完成造型。该方法包括使用位图掩模曝光以实现固化。位图掩模可以由位图数据栈生成，而后者则通过对完全或部分包围住至少待生成的三维物体的一部分的三维模型的三维体的重叠分析获得。此外，位图掩模还可以由包含重叠信息的二维数据集生成。固化可以使用“即时”生成的位图掩模曝光来进行。本发明还包括用于执行或实现该方法的设备、计算机以及数据载体。
文档编号B29C67/00GK101109898SQ20071013035
公开日2008年1月23日 申请日期2007年7月18日 优先权日2006年7月19日
发明者亨德里克·约翰, 沃尔克·席勒 申请人:德国Envisiontec股份有限公司