数字掩模系统、图样成像设备及数字掩模方法与流程

本发明涉及一种掩模系统及方法，特别是指一种数字掩模系统及方法。

背景技术：

数字掩模是一种能在没有物理遮光罩的情况下于光敏材料上形成图样的技术(也就是无光罩微影处理)，而因此适用于例如三维打印领域。

参阅图1，一种现有且用于三维打印的投影机包含一光源及一数字微镜器件(dmd)芯片。借由控制其中的每一个微型反射镜于分别代表一开启状态及一关闭状态的两个特定角度之间转动(所述的两个特定角度之间通常相差20度左右)，该数字微镜器件芯片能将由光源所提供的光转换为一光学图像，并借由一投影镜头将该光学图像投影至一被置于一可动的打印机床的光固化材料(图未示)上。通过改变投射于该光固化材料上的光学图像并配合打印机床的移动，便能借此形成一个三维打印物件。

然而，该数字微镜器件芯片具有最大光功率输入的限制，其限制了投影机输出的光的强度，从而限制了三维打印的速度。

技术实现要素：

因此，本发明提供了能克服背景技术的至少一缺点的一种数字掩模系统、图样成像设备及数字掩模方法。

根据本发明的一方面，该数字掩模系统包含一图样成像设备。该图样成像设备包含一用于支撑该材料的该至少一层的支撑结构、一光源装置、一群成像装置及一组合器。该光源装置被组配于提供一群光分量，该群成像装置被设置为分别接收所述光分量并将所述光分量转换为各表示出一图像的一群光束，该组合器被设置为接收所述光束并将所述光束组合为一被朝该支撑结构所支撑的该材料的该至少一层投射的光束输出。

根据本发明的另一方面，该图样成像设备适用于将一材料图样化，且包含一被组配于提供多个光分量的光源装置、多个被设置为分别接收所述光分量并将所述光分量转换为各表示出一图像的多个光束的成像装置，及一被设置为接收所述光束并将所述光束组合为一被朝该材料投射的光束输出的组合器。

根据本发明，该数字掩模方法包含：提供多个光分量；接收所述光分量并将所述光分量转换为各表示出一图像的多个光束；接收所述光束并将所述光束组合为一光束输出；将该光束输出朝一材料投射。

附图说明

本发明的其他的特征及功效，将于参照图式的实施方式中清楚地呈现，其中：

图1是一示意图，绘示一个现有的用于三维打印的投影机；

图2是一方块示意图，绘示本发明数字掩模系统的一第一实施例；

图3是一示意图，绘示该第一实施例中利用数字光处理技术的一图样成像设备；

图4a及4b分别为两个示意图，且分别绘示该第一实施例的两种示例性实施方式；

图5a、5b及5c是一示意图，绘示该第一实施例中图样成像设备是以数字光处理技术实现的一种示例性实施方式；

图6是一示意图，绘示该第一实施例中图样成像设备是以液晶显示面板技术实现的另一种示例性实施方式；

图7是一示意图，绘示该第一实施例中图样成像设备是以硅上液晶技术实现的再一种示例性实施方式；

图8是一示意图，绘示本发明数字掩模系统的一第二实施例；

图9是一示意图，绘示本发明数字掩模系统的一第三实施例；

图10a及10b各为一示意图且各绘示本发明数字掩模系统的一第四实施例；

图11是一示意图，绘示本发明数字掩模系统的一第五实施例；

图12是一示意图，绘示本发明数字掩模系统的一第六实施例；

图13是一示意图，绘示本发明数字掩模系统的一第七实施例；

图14是一示意图，绘示本发明数字掩模系统的一第八实施例；

图15是一示意图，绘示该第一实施例中图样成像设备是以液晶显示技术实现的又一种示例性实施方式；及

图16a及16b是一示意图，绘示该第一实施例中图样成像设备是以硅上液晶技术实现的又一种示例性实施方式。

具体实施方式

在本发明被详细说明之前，应当注意在以下的说明内容中，类似的组件是以相同的编号来表示。并且，应当进一步注意的是，本说明书中所提及的“光”、“光线”、“光束”及“光束输出”等术语并不限于紫外线光(uvlight)，而还可以表示电磁辐射、电磁波以及其他任何波长的光线。

参阅图2，本发明数字掩模系统的一第一实施例例如适用于一三维打印系统。在本实施例中，该数字掩模系统包含一图样成像设备1、一支撑结构2、一电动机设备3，以及一计算机4。在该支撑结构2上，一个由一光敏材料所形成的三维打印物件受到该支撑结构2的支撑。该电动机设备3连接于该支撑结构2，并用于驱动该支撑结构2移动。该计算机4电连接该图样成像设备1及该电动机设备3，并用于根据由一用户所输入的打印参数及打印档案控制该图样成像设备1及该电动机设备3的运作。补充说明的是，用于三维打印的光敏材料可根据所使用的三维打印技术不同而调整，而本发明并不对光敏材料的种类进行限制。举例来说，该光敏材料可例如是用于立体光刻技术(stereolithographytechnology，sla)、数字光处理(digitallightprocessing，dlp)技术，或者是polyjet^tm技术的可凝固性/光固化性树脂。另一方面，该光敏材料也可例如是用于选择性激光烧结(selectivelasersintering，简称sls)技术且例如包含金属、陶瓷、聚合物或尼龙等材料的可烧结粉末。再一方面，该光敏材料还可例如是用于选择性沉积层压(selectivedepositionlamination，简称sdl)技术的粘合剂，且可例如是聚醋酸乙烯酯(英文为polyvinylacetate，或称pva)。又一方面，所述的光敏材料更可例如是用于由hewlett-packard公司所开发的多喷射融合技术(multijetfusiontechnology)且例如含有聚酰胺(或称pa12)的可固化粉末。在现有的图样化过程中，该光敏材料可以被实施为一个光敏基板。在本实施例中，该支撑结构2可例如是用于被浸入在一个填充有呈现液态的光固化树脂的容置槽中。当该数字掩模系统是被应用于三维打印时，本发明中所使用的术语“图样图像”或“结果图样图像”是对应于一个三维打印物件的多个材料层的其中一个材料层，且每一个材料层例如是在支撑结构2(示于图1)被设置在一相对于例如该容置槽的固定位置时所形成。通过连续的图样成像操作并配合支撑结构2的移动，当光敏材料已被固化且其经过图样成像的所述材料层彼此堆叠在一起时，即可形成经过打印的三维对象。

该图样成像设备1是被配置为产生一形成一图样的图样化光束。适用于传递图样化光束的技术可例如包含：空间光调制器(spatiallightmodulators，简称slms)、基于数字光处理(digitallightprocessing，或称)运作的投影单元、数字镜装置(digitalmirrordevice，简称)、液晶显示(liquidcrystaldisplay，简称lcd)、图像光放大器(imagelightamplifier，或称)、硅上液晶(liquidcrystalonsilicon，简称lcos)，或者是硅上液晶反射式显示(siliconx-talreflectivedisplay，或称sxrd^tm)、光阀、微机电系统(micro-electro-mechanicalsystems，简称mems)及激光系统，但不以此为限。在本实施例中，图样成像设备1被实施为一台应用数字光处理(dlp)技术而实现的一台投影机，并包括一数字光处理控制器11、一光源装置12、多个分别被实施为多个数字微镜器件(dmd)芯片131的成像装置13、一透镜单元14、一组合器15，以及一壳体10(例如为形成投影机的外型的一投影器外壳)。该数字光处理控制器11、该光源装置12、该成像装置13、该透镜单元14及该组合器15是设置于该壳体10，其中，此处所述的“设置于该壳体10”可例如是指被容置于该壳体10内，或者是指经由例如一内部框架而间接地连接至该壳体10(也就是说，该数字光处理控制器11、该光源装置12、该透镜单元14及该组合器15可以是非直接地连接至该壳体10)。在本实施例中，该透镜单元14可例如包括一或多个透镜及/或例如被实施为机械聚焦装置的其他部件，但并不以此为限。

该数字光处理控制器11被组配为根据来自于该计算机4的指令控制各该数字微镜器件芯片131的操作。

该光源装置12被组配为向所述数字微镜器件芯片131提供多个分别对应所述数字微镜器件芯片131的光分量。在本实施例中，该光源装置12包括单一个用于发光的光源121以及一光线分离结构122(例如分叉管或者二向色滤光器等)，该光线分离结构122被设置于接收该光源121所发出的光，并且将该光源121所发出的光分离为所述光分量。在一个实施例中，光源装置12也可以是包括多个各自发光的光源121，且每一个光源121所发出的光是直接被作为一个光分量而被提供至该光分量所对应的其中一个数字微镜器件芯片131，而光线分离结构122在此实施例中可被省略。如图3所示，该图样成像设备1包括两个数字微镜器件芯片131和两个光源121，且该两光源121用于分别向对应的该两数字微镜器件芯片131提供所述光分量。在一个实施例中，所述光源121及该光线分离结构122可被以混合的方式使用于提供所述光分量，但并不以此为限。值得注意的是，该光源装置12所提供的光可以是紫外光、红外光、可见光及/或微波等，但并不以此为限。在本实施例中，由该光源装置12向所述数字微镜器件芯片131提供的所述光分量皆具有相同或相似的波长光谱(wavelengthspectrum)。

每一个数字微镜器件芯片131接收一个对应该数字微镜器件芯片131的光分量，并且将该光分量转换为一个对应该光分量且表示出一个图像的光束。此处所使用的术语“图像”是指由多个像素所组成的一个群体，且所述像素是分别对应任一个成像装置13所具有的多个最小成像元素(例如为该数字微镜器件芯片的多个微型镜)，所以，一个由光束所表示出的图像覆盖了对应的数字微镜器件芯片的一最大可图样化区域，且该图像包括一图样化区域(举例来说，参阅图4的(a)部分中的“图样”)及一无图样区域(举例来说，参阅图4的(a)部分中的“图样图像”除了“图样”以外的部分)。每一个数字微镜器件芯片131都被设置成使该数字微镜器件芯片131所发出的光束会通过透镜单元14被投射向光敏材料(例如为光固化树脂)，从而在光敏材料上形成由光束所表示出的图像。由于每一个数字微镜器件芯片131都具有最大输入功率限制以避免因过热而导致损坏，因此，若仅使用单一个数字微镜器件芯片131进行图样成像，则打印速度会受到限制。为了提升打印速度，该组合器15在本实施例中被用于接收多个光束，并将所接收到的所述光束组合为一个强度更高的光束输出(也就是图样成像光束)，其中，组合器15所接收的所述光束所表示出的所述图像彼此相同，且所述光束是分别由具有相同或大致/实质上相同的波长光谱的所述光分量转换而成。补充说明的是，“将多个光束组合成单一个光束”是指将所述光束重新导向，从而使所述光束具有相同或大致/实质上相同的行进路径，并使得由所述光束分别表示出的所述图像形成在相同或大致/实质上相同的区域上。在该光束输出通过该透镜单元14之后，由所述光束所表示出的所述图像在光固化树脂上彼此对准且完全重叠以形成一个图样。在前述的配置中，虽然每个光分量的功率都小于或等于数字微镜器件芯片的最大输入功率限制，但是组合后的所述光分量的功率可以大于最大输入功率限制，以便增强投射到光固化树脂上的图样的光强度，而导致更佳的打印速度，并借此突破每个数字微镜器件芯片131的最大输入功率极限所造成的限制。补充说明的是，传递光束的合适技术可例如是空间光调制器(slms)、基于数字光处理运作的投影单元、lcd、lcos、sxrd等、光阀、微机电系统(mems)及激光系统，但不以此为限。

图4a及4b分别示出了第一实施例的两个示例性的实施方式。在其中一种实施方式中，如图4a所示，该图样成像设备1包括三个光源121及三个分别对应所述光源121的成像装置13。而在另一种实施方式中，如图4b所示，该图样成像设备1包括五个光源121及五个分别对应所述光源121的成像装置13。在图4a、4b以及后续的附图及说明中，本发明所使用的术语“图样图像”是指一个包含完整图样(例如图4a、4b、8、10a、10b及11中形似岛屿状的部分)的图像，且该图像是由该数字掩模系统产生的一或多个光束输出所表现出来的。该数字掩模系统可以包含一或多个图样成像设备1，且图样图像覆盖了该数字掩模系统的一个最大可图样化区域(也就是由所有图样成像设备1的最大可图样化区域所组成的一个区域)。在本实施例中，由于该数字掩模系统仅包含单一个图样成像设备1，且所述成像装置13所产生的所述光束会被组合成一个光束输出，所以图样图像与每一光束所对应表示出的图像是相同或大致/实质上相同。

图5a、5b及5c绘示了该第一实施例的另一种实施方式，其中，该图样成像设备1被示例为一包括七个光源121及分别对应所述光源121的七个成像装置13的投影机。图5a及5b示出了从不同角度观察的该图样成像设备1的内部组件。所述的内部组件包括三个逐一堆叠在一起的光线组合模块。图5c示出一个光线组合模块包括一组合器组件150(例如为基于光学棱镜的组件，且例如为一个二向色棱镜或一个合光棱镜等)，以及至少两个被连接至该组合器组件150的成像装置13。该组合器组件150具有一对彼此朝向相反方向的连接面(也就是图5c中的顶面及底面)，以及多个各自连接所述连接面的安装面(也就是图5c中的所述侧面)。每一个成像装置13能被安装至该组合器组件150的其中一个安装面，以用于提供对应的光束至该组合器组件150中。并且，每一组合器组件150的连接面能被用于连接另一个组合器组件150的连接面、成像装置13或透镜单元14等。如此一来，所述组合器组件150便能以串联的方式相连接在一起。在图5a至5c中，每一组合器组件150皆为光学棱镜立方体，且每一组合器组件150的其中两个彼此相反的安装面分别安装有两个成像装置13。位于最上方的该光线组合模块还更包括一个被安装至其朝上的连接面(也就是其顶面)的额外的成像装置13(而其朝下的连接面则是被与所述光线组合模块中位于中间的该光线组合模块安装)。对于位于最下方的该光线组合模块，其组合器组件150被与该透镜单元14安装，且该透镜单元14是安装至该组合器组件150朝下的连接面(也就是其底面)上，而用于提供由来自所述七个成像装置13的光束组合而产生的光束输出。使用光线组合模块能够使得该图样成像设备1具有任意数量的成像装置13及光源121以符合不同的需求。举例来说，具有偶数个成像装置13的图样成像设备1能够以单一个光线组合模块或者彼此堆叠在一起的多个光线组合模块来实现，且每一个光线组合模块是如图5c所示地具有两个成像装置13。而具有奇数个成像装置13的图样成像设备1能够以单一个光线组合模块或者彼此堆叠在一起的多个光线组合模块来实现，其中，每一个光线组合模块具有两个分别被安装至对应的组合器组件150的安装面的成像装置13，而位于最末端的该光线组合模块更具有一个额外的成像装置13，且额外的该成像装置13是如图5a及图5b所示地被安装在对应的组合器组件150的连接面。上述的结构就成本及包装尺寸方面而言是有益的。值得注意的是，在图5a-c所示的实施方式中，每一个光源121及其所对应的成像装置13是使用数字光处理(dlp)技术来实现的，其中，每一个光源121直接向其所对应的该成像装置13(也就是一个数字微镜器件芯片131)发光，且该成像装置13将接收到的光反射至基于所需的图样的对应的该组合器组件150。参阅图15，图15示出了该第一实施例的该图样成像设备1(一台投影机)的另一种相似于图5a-c的示例性实施方式，其不同之处在于，图15所示出的每一光源121及其所对应的成像装置13是使用液晶显示(lcd)技术来实现的，其中，由每一光源121所提供的光通过基于所需的图样的对应的该成像装置13(一个液晶显示面板132)并且进入对应的组合器组件150。参阅图16a及16b，图16a及16b示出了第一实施例的该图样成像设备(一台投影机)的又一种似相于图5a-5c的示例性实施方式，其不同之处在于，图16a及16b所示出的每一光源121及其所对应的该成像装置13是使用硅上液晶(lcos)技术来实现的，其中，每一成像装置13可包括一光学组件(例如是一个偏振分光镜134，也就是polarizingbeamsplitter)及一硅上液晶芯片(包括一硅上液晶面板133)。每一光源121所发出的光通过对应的该光学组件的一偏振表面并且被反射至该硅上液晶芯片的一基于所需的图样的硅上液晶面板133，并从该光学组件的一反射表面被反射以进入对应的组合器组件150。

需注意的是，本说明书中的每一种示例性实施方式皆包括该透镜单元14及该组合器15，该透镜单元14可包括一基于特定应用所需的焦距及焦区而设计的聚焦透镜，而该组合器15则用于借由将来自多个成像装置13的光束组合为单一个光束输出以加速光敏材料的固化。但是，为了清楚起见，透镜单元14及/或组合器15可从图中省略。

参阅图6，本发明中的该图样成像设备1可以使用液晶显示(lcd)技术来实现。在此情况下，该光源装置12(见图1)包括单一个光源121，且该光线分离结构122例如包括两个二向色镜1220(dichroicmirror)，以将光源121所发出的光分离为分别对应三个液晶显示面板132(也就是此情况中的成像装置13)的三个光分量，但并不以此为限。然后，所述液晶显示面板132将对应的所述光分量分别转换成表示出图像的所述光束，接着，所述光束通过该组合器15(例如一个棱镜)组合在一起。

参阅图7，本说明书中的该图样成像设备1可以使用反射掩模技术(reflectingmaskingtechnology)来实现，且其例如是示例为硅上液晶(lcos)技术的液晶。在本实施例中，该光源装置12(见图1)包括单一个光源121，且该光线分离结构122例如包括三个二向色镜1220，以将该光源121所发出的光分离为分别用于三个硅上液晶装置(也就是成像装置13)的三个光分量，但并不以此为限。每一个硅上液晶装置包括一硅上液晶面板133及一偏振分光镜134。然后，所述硅上液晶面板133将对应的所述光分量分别转换成表示出图像的所述光束，接着，所述光束通过该组合器15(例如一个棱镜)组合在一起。

参阅图8，本发明数字掩模系统的一第二实施例被示例为单一个图样成像设备1包含六组成像装置13及光源121(每一成像装置13及其所对应的其中一光源121共同组成为一组)以产生两个光束输出，该两光束输出的其中一者是由该六组成像装置13及光源121的其中三组与一组合器(图未示出)配合提供，而该两光束输出的其中另一者则是由该六组成像装置13及光源121的其中另外三组与另一组合器(图未示出)配合提供。每一个光束输出表示出一个对应该光束输出且属于一图样图像的图像部分，该图样图像的该两图像部分被投射在光敏材料上彼此相邻的两个位置，并且以彼此不重叠或稍微重叠的方式构成该图案图像。

在本发明数字掩模系统的一第三实施例中，如图9所示的，该图样成像设备1可以包含不同种类的多个成像装置13，像是一数字微镜器件(dmd)芯片131、一个液晶显示(lcd)面板132，以及一个硅上液晶(lcos)装置133+134，且所述成像装置13与一组合器15于同一组配中用于提供单一个光束输出。如此的实施例可以用于为不同种类的光、光敏材料或变化流程提供更佳的流程控制。

参阅图10a及10b，本发明数字掩模系统的一第四实施例被实施为包含多个光源121以提供多个不同波长光谱的光分量，且具有不同波长光谱的所述光分量可对光敏材料具有不同的效果。在图10a中，借由提供彼此不同的所述光源121，便可简单地实现提供不同波长光谱的所述光分量给不同的所述成像装置13。根据设计，所述光分量的提供能以不同的方式达成。举例来说，该光源装置12(见图2)的光源121可以是一具有二向色滤光器的汞灯(发出的光具有较宽的波长光谱，意味着高强度的区域或波峰在波长方面的分布/分散较为广泛)以及一激光光源的组合。其中，所述二向色滤光器用于将汞灯发出的光分离成波长为365nm和405nm的光分量，而该激光光源则提供红外线范围内的光分量。在需要更多某个特定波长光谱的能量的情况下，便可能存在一个以上的光源121如同图10b所示例地共同发出具有所述的特定波长光谱的光。在图10b中，有三个光源121是用于发出主波长为405nm的光，且所述的三个光源121与另外两个分别发出主波长为360nm及460nm的光的光源、对应的所述成像装置13及一组合器(图未示出)相配合，以产生单一个光束输出并在光敏材料上形成图样图像。

图11示出了本发明数字掩模系统的一第五实施例，其包含四个图样成像设备1，每一个图样成像设备1具有一壳体10、一安装至该壳体10的组合器15，以及安装至该壳体10并设置于该壳体10内的三组光源121及成像装置13。对于每一个图样成像设备1，所述三组成像装置13及光源121与对应的组合器15相配合以提供彼此完全重叠的多个图像，且彼此重叠的所述图像被作为整个图样图像的四个图像部分的其中一者，且所述光源121可以是发出具有相同波长光谱的光以获得单一个光源121的三倍强度的光，或者根据应用上的需求而分别发出波长光谱彼此不同的光。

参阅图12，在本发明数字掩模系统的一第六实施例中，图样成像设备1的多个成像装置13在其位置方面是被精确地设置为彼此相差一特定的偏移量，以导致每一成像装置13所提供的图像相对于其他成像装置13所提供的图像之间也存在偏移，而使得形成于光敏材料上的至少一些图像在其边缘以外的部分彼此重叠，从而使得图案图像的像素密度更高。在图12中，该图样成像设备1被实施为包含四个成像装置13，且该四个成像装置13各自以四个像素提供相同的图像。成像装置13(2)的设置方式会使得成像装置13(2)所提供的图像的位置，相对于成像装置13(1)提供的图像的位置，是向右偏移半个像素(长宽通常彼此相同)。成像装置13(3)的设置方式，会使得成像装置13(3)所提供的图像的位置，相对于成像装置13(2)提供的图像的位置，是向下偏移半个像素。成像装置13(4)的设置方式，会使得成像装置13(4)所提供的图像的位置，相对于成像装置13(3)提供的图像的位置，是向左偏移半个像素。如此一来，便可获得具有较高像素密度(例如图12中的二十五个像素)的一个结果图样图像，而导致三维打印对象在x-y方向上的边缘更加平滑。进一步地，图像的位移还可以增强基于像素混合的灰度控制，从而在数字掩模系统应用于三维打印时，使得最后打印完成的三维打印对象在z方向上的表面更加光滑。值得注意的是，所述成像装置13可以在六个自由度(sixdegreesoffreedom)中的任一者中彼此相对地设置，以便获得所需的图像偏移，但本发明并不以说明书中所述的示例性实施方式为限。在图13中，所述成像装置13相对于彼此旋转以获得具有更平滑的边缘的三维打印物件。第六实施例的概念可以与其他实施例的概念结合，例如将第四实施例中多个波长光谱的概念引入，以达成各种应用的需求，然而，为了简洁起见，在此不详述其细节。

该图样成像设备1也可以应用在对光敏材料的单一层进行图样化。如图14所示，光敏材料可例如是形成在一基板(例如一硅芯片)上的光阻剂层。该图样成像设备1包括与组合器15和透镜单元14相配合的多个成像装置13，以将单一个光束输出投射到光敏材料上，从而在光敏材料上形成所需的图样。光束输出所表示出的图像具有图样化区域及无图样区域，光敏材料对应于图样化区域的部分(例如有被光束输出照射到的部分)可被固化，而光敏材料对应于无图样区域的部分(例如未被光束输出照射到的部分)则维持原样，从而完成无掩模曝光。在经过后续的显影及蚀刻处理后，基板上便会形成所需的图样。

综上所述，根据本说明书中所述的数字掩模系统包含了被组配于其中的多个成像装置13，以达成更高的光强度，并且使每一图样图像(以及结果图样图像)具有更高的分辨率及/或更高的像素密度。由于所述成像装置13在制造的过程中被牢固地设置在图样成像设备1的壳体10内，因此可以实现各装置(例如成像装置13及光源装置12等)的高精度组装(例如具有纳米等级的公差)，并且使图像定位(例如图像的重叠及移位等)的精度更高。另外，由于成像装置13本身的尺寸较小，且所述成像装置13在图样成像设备1内彼此邻近，因此能将不同成像装置13提供的图像之间的失真最小化。

在上面的描述中，基于解释的目的，已阐述了许多具体细节以助于透彻理解所有实施例。然而，对于本领域的技术人员显而易见的是，可以在没有这些特定细节的一些情况下实践一或多个其他实施例。应当理解的是，在本说明书中，以顺序编号表示的各个实施例意味着在实现上可以包括特定的特点、结构或特征。应当进一步理解的是，在本说明书中，有时将各种特征组合在单一个实施例、附图或描述中，是为了便于对本发明进行说明以助于理解本发明的各个方面。

以上所述仅为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，凡是依本发明权利要求及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。