光制模设备的制作方法

专利名称：光制模设备的制作方法
技术领域：
本申请涉及一种光制模设备，其通过对光固化树脂(如紫外线固 化树脂等)进行光照形成一个硬化层然后堆叠多个所述硬化层制成树 脂模型。
背景技术：
近年来， 一项被称为快速模型化的技术在很多制造领域已经成为 人们的焦点。快速模型化使用从CAD设备输入的三维形状数据来产 生一个目标形状的三维模型，无需任何机器制造等。
已知的快速模型化技术的方法包括使用紫外线固化树脂的光制 模方法，熔融的沉积物制模(FDM)方法，其中一种热塑性的树脂被 挤压，然后该被挤压的热塑性的树脂被分层，选择性的激光烧结(SLS ) 方法，其中一种粉末被熔融、粘结并分层，片状物体制造(LOM)方 法，其中薄纸片被分层，喷墨方法，其中粉末和有效催化剂被排出并 被分层，等等。
已知的三维制模方法通过下面描述的流程制作预期的三维形状 模型。具体而言，第一步是利用计算机等输入并设计由三维设计系统 CAD设备生成的目标三维形状(三维形状数据)。
接下来，输入的CAD数据被转换为特定的STL格式等的三维形 状数据。该模型的方向被确定(垂直，反转，侧向等)，并且分层方
向被确定。该模型然后以大约0.1至0.2毫米的厚度在分层方向以横截 面切开，从而产生每一层的横截面数据。
根据每一层的横截面数据，通过改变材料如液体光固化树脂、粉 末树脂、金属树脂、蜡状树脂等材料的属性，从最低层开始， 一次一 层，增加层数，从而能够产生三维模型。
具体而言，以使用液体光固化树脂为例，首先，将作为第一层的
特定厚度的硬化层在沿垂直于该液体表面方向移动的移动平台上形 成。然后，该移动平台被向下移动之后，另一特定厚度的硬化层在该 第一硬化层的顶部形成。其它硬化层在分层方向上被相继形成，每个 第n硬化层被形成在第(n-l)硬化层的顶部，这样该三维模型就形成 了。
通过如上所述的三维制模方法产生三维模型的制模装置能够很 容易的制作出具有自由形状表面或复杂结构的三维形状，而用机器制 造通过切割产生的三维制模方法很难制作出的。而且，该制模装置通 过复杂的自动化程序能够制作出预期的三维形状(模型)，该程序不 会产生机器必然带来的刀具磨损、噪音、振动、切割碎片等。
为了这种有用的三维制模技术广泛应用于各个领域，例如，在以 外部尺寸测量方法制造从几毫米到几厘米并且精确度在几微米范围内 的高分辨率的树脂模型的领域，更高分辨率和更快速度的制模是令人 期待的。

发明内容
然而，已知三维制模方法和三维制模装置的精确度，由于其最初 所用于的目的，通常不超过50微米左右。如想改善精确度到例如几微 米的范围内，需要大量的制模的时间，也很难制作大区域的模型。换 句话说，制作高精确度的相对较大的模型非常困难。
举例说明，利用光固化树脂如已知的紫外线固化树脂等的制模装 置，如公开号为JP-A-5-77323的日本专利申请中披露的制模装置，包 括那些使用光束扫描方法的和那些使用全面膝光(blanket expose)方
法。
一种使用光束扫描方法的制模装置具有光束扫描光学系统，该系 统使用从光源射出光束，如激光光束等等来进行扫描。该光学系统根 据上述切割的横截面数据，通过扫描紫外线固化树脂并一次一层的绘 制预期形状，以形成每个硬化层，然后堆积这些层来执行三维制模。 注意该光束扫描方法是光栅扫描、矢量扫描以及合成光栅-矢量扫描方
法中的一种。光栅扫描，如图6A所示，通过一次在一个方向上往复 线扫绘制出了横截面的形状。矢量扫描，如图6B所示，以曲线方式 进行扫描，以减轻光滑的绘制边缘部分(边界部分)的难度，这是光 栅扫描的缺点。合成光栅-矢量扫描，如图6C所示，通过仅使用矢量 扫描来绘制边缘部分的方式来利用光栅扫描和矢量扫描的优点。
如上所述的使用光束扫描方法的制模装置通过修改诸如使用长 度和透镜系统配置等因素来将光束直径变窄，以能够进行高分辨率制 模。但是，这限制了光源的强度，并且由于该形状基本上是通过单光 束扫描而绘出的，为了照射相对较大的区域以形成大表面区域的硬化 层需要特别长的时间。另外，在已知制模装置中，光学系统配置限制 了光束的扫描范围，而这限制了大区域硬化层的形成。
使用全面曝光方法的制模装置具有空间光调制器(SLM )发射光 学系统，该系统具有一个空间光调制器，如液晶面板，DMD等等。 该光学系统根据如上所述的横切面数据，在每一层的紫外线固化树脂 上投影一个由该空间光调制器显示的图案，从而来形成每个硬化层， 然后堆积这些硬化层来执行三维制模。
使用该全面爆光方法的制模装置能够利用诸如阵列类型的光源， 因为它不通过单光束的光束扫描绘制形状。光源因此可以更强，照射 时间可以缩短。但是，因为精确度是由空间光调制器中的像素数等确 定的，因此在精确度方面存在限制。因此每个硬化层中的边缘部分不 能被清楚形成，高分辨率的制模很困难。
本发明提供了一种光制模设备，其能够高速执行高分辨率的光制 模并能制作出高强度的三维模型。
根据本发明的一个具体实施方式
，提供了一种光制模设备，其通 过对光固化树脂进行光照来顺序地形成硬化层以构造预期形状的模 型。该光制模设备包括第一光源，其为在光固化树脂上绘图而发射光 束，和扫描装置，其在光固化树脂上扫描由第一光源射出光束。该光 制模设备还包括第二光源，其发射的光每次照射该光固化树脂的固定 区域，和空间光调制器，其空间调制由第二光源射出光，以全面膝光 该光固化树脂的特定区域到所述空间调制的光。该光制模设备还包括 瀑光位置调节器，其在至少一个方向上移动，由该空间光调制器传送。 光模型的每个硬化层通过该扫描装置扫描的光束和通过空间光调制器 空间调制的并通过该膝光位置调节器移动了一个特定距离的光束来形 成，该特定距离不大于对应于该固定区域的距离。
根据如上所述的本发明的具体实施方式
，每个硬化层是通过利用 该扫描装置扫描的光束和由该空间光调制器调制的用来硬化该光固化 树脂的光来形成的，从而在短时间内形成了高分辨率的三维模型。另 外，利用曝光位置调节器来移动由该空间光调制器发射的光抑制了由 于未膝光部分的影响而造成的强度降低，从而可能形成高强度的三维 模型。


图l是表示根据本发明的一个具体实施方式
的光制模设备的概况
的斜视图2是表示根据本发明的该具体实施方式
的光制模设备的光学系 统的图3是表示第一电镜和物镜的示意图，和用于解释该物镜、该第 一电镜、和第二电镜的功能的图，这些都是根据本发明的该具体实施 方式的光制模设备的组成部分；
图4是表示当^透镜被用作该物镜时的示意图，和用于解释该物 镜的功能图，该物镜是根据本发明的该具体实施方式
的光制模设备的 元件；
图5是表示双向远心图像光学系统的实施例的示意图，和用于解 释第 一和第二中继透镜的功能图，这两个透镜都是根据本发明的该具 体实施方式的光制模设备的组成部分；
图6A是表示一种在光束扫描光学系统或类似于本发明的该具体 实施方式的光制模设备中使用的光栅扫描方法的平面图。
图6B是表示在光束扫描光学系统或类似于本发明的该具体实施 方式的光制模设备中使用的矢量扫描方法的平面图。
图6C是表示在光束扫描光学系统或类似于本发明的该具体实施 方式的光制模设备中使用的合成光束-矢量扫描方法的平面图。
图7A是用于解释在根据本发明的具体实施方式
的光制模设备的 光束扫描光学系统中通过在X轴方向往复光束扫描如何以及什么时候 硬化层被形成，其中该往复扫描方向每个硬化层交替变换大约90度；
图7B是用于解释在根据本发明的具体实施方式
的光制模设备的 光束扫描光学系统中通过在Y轴方向往复光束扫描如何以及什么时候 硬化层被形成，其中该往复扫描方向每个硬化层交替变换大约90度；
图8是被空间光调制器如透射液晶元件等发射的光照射的紫外线 固化树脂的平面图，和用于解释当利用该空间光调制器来进行该紫外 线固化树脂的全面曝光从而形成该硬化层时，将会形成硬化不足的部 分的可能性的图9是被空间光调制器如透射液晶元件等发射的光照射的紫外线 固化树脂的平面图，和用于解释形成在特定方向上的缝隙部分通过使 用作为本发明具体实施方式
的光制模设备元件的曝光部分调节器在特 定方向移动由该空间光调制器发射的光来进行光照的图10是被空间光调制器发射的光照射的紫外线固化树脂的平面 图，和用于解释形成在与图9的缝隙部分方向粗略正交的方向上的缝 隙部分通过使用膝光部分调节器在与图9的缝隙部分方向粗略正交的 方向上移动由该空间光调制器发射的光来进行光照的图11是表示作为该单个硬化层、粗略绘制部分、和精确绘制部 分形状的目标二维形状的平面图，和用于解释当作为目标的三维模型的硬化层通过本发明的具体实施方式
的光制模设备被形成时该粗略绘制和精确绘制的图；图12是表示通过该全面膝光进行的该粗略绘制和通过以矢量扫 描方法的光束扫描进行的该精确绘制的平面图，和用于解释当作为目 标的三维模型的硬化层通过本发明的具体实施方式
的光制模设备被形成时该粗略绘制和精确绘制的图；图13是表示通过该全面膝光进行的该粗略绘制和通过以合成光 栅-矢量扫描方法的光束扫描进行的该精确绘制的平面图，和用于解释 当作为目标的三维模型的硬化层通过本发明的具体实施方式
的光制模 设备被形成时该粗略绘制和精确绘制的图；图14是用于解释整个工作区域被划分为特定的单个工作区的平 面图，和用于解释本发明的具体实施方式
的光制模设备的分步-重复操 作的图；图15是图14所示的整个工作区被划分成的单个工作区中的一个 工作区W32的平面图；图16是用于解释执行本发明的具体实施方式
的光制模设备的光 学系统的数据处理和控制的数据处理和控制设备的图；图17是表示作为本发明的该具体实施方式
的光制模设备的光学 系统的另一个实施例的具有高速极化元件的光学系统的图；图18是解释本发明的具体实施方式
的光制模设备采用的制模方 法的流程图；图19是更详细的解释图18所示步骤S5硬化层的形成的流程图，具体实施方式
以下，本发明的优选实施方式将结合附图进行详细的描述。注意， 在该说明书和附图中，具有基本相同功能和结构的结构元件被标以相 同的参考数字，这些结构元件的重复的解释被省略。如图1所示，根据本发明的一个实施方式的光制模设备是一个光 制模设备，其通过对光固化树脂进行光照而形成一系列硬化层，累积 这些硬化层以形成预期形状的模型。注意下面解释的具体实施方式
采 用液体紫外线固化树脂作为光固化树脂，但本发明并不限于使用液体 树脂.例如，也可以使用树脂薄片。另外，本发明并不限于使用紫外 线固化树脂。也就是说，任何材料都可以用来通过进行光照而形成硬 化层。具体的说，该光制模设备l包括储存库3，移动平台4，和光学 系统5。该储存库3包括液体紫外线固化树脂2作为该光固化树脂。 移动平台4浸入储存库3中并能在竖直Z方向移动，该方向至少正交 于作为紫外线固化树脂2表面的液体表面。该光学系统5具有光束扫 描光学系统和将在后面描述的全面膝光光学系统，该系统将紫外线固 化树脂2膝光。该光制模设备1通过重复两个操作系列而执行三维制 模。第一个操作通过利用光学系统5对紫外线固化树脂2啄光而在移 动平台4上形成紫外线固化树脂2的硬化层。第二个操作在Z方向上 向下移动移动平台4。该光制模设备1还利用将在后面描述的移动部 分6来改变移动平台4和光学系统5在水平面的相对位置。这使得形 可能成一个具有比当移动平台和光学系统5的相对位置固定时所能够 形成的硬化层区域更大表面的硬化层。也就是说，能够形成更大的模 型如图2所示，该光制模设备1包括第一光源11和用于光束扫描 光学系统10的扫描装置12。该第一光源ll是光束扫描光源，其射出 光束在紫外线固化树脂2上描绘光。该扫描装置12对紫外线固化树脂 2扫描由第一光源11射出光束。该光制模设备1还包括第二光源31 和用于全面啄光光学系统30的空间光调制器32。该第二光源31是全 面曝光光源，其发出每次照射紫外线固化树脂2的固定区域的光。该 空间光调制器32使得紫外线固化树脂2的一个特定区域接受来自第二 光源31的光的全面膝光处理。该光制模设备1还提供光束分离器41， 其作为光径合并器，合并来自扫描装置12的光束和来自空间光调制器 32的空间调制光并将该光引导至紫外线固化树脂2。除了上述的第一光源11和扫描装置12，光制模设备l还包括作 200710300485.6说明书第8/37页为光束扫描光学系统10的组成部分的准直透镜13、像变透镜14和光 束扩展器15。该准直透镜13转化第一光源ll发出光束的发散角形成 大体平行的光束。像变透镜14将准直透镜13发出的大体椭圆形的光 束转化为大体呈圆形。光束扩展器15执行光束直径调节，把来自14 的光束的光束直径转换为适合物镜42孔径的预期光束直径，该透镜将 在后面描述，数值孔径(NA)等。在当前实施方式中，分光器16和遮光器17被提供在光束扩展器 15和笫一电镜21之间，该反射镜将在后面描述。该分光器16，除了 转发从第 一光源11射出光束外，还引导由紫外线固化树脂2反射的返 回光至检测该返回光的反射光检测器18，其将在后面描述。该遮光器 17控制照射紫外线固化树脂2的光束是否通过或被阻挡。也就是说， 遮光器17控制光束扫描光学系统10设计的开-关状态。第一光源11，作为光束扫描光学系统IO使用的光束扫描光源， 在该实施例中是半导体激光器，其发出蓝色到紫外线范围内的波长相 对较短的激光。注意虽然该半导体激光器被用在当前实施方式，本发 明并不限于此，也可以使用气体激光器等。因为半导体激光器在当前 实施方式中被用于第一光源11，准直透镜13在激光发射后被用来形 成大体平行的光束，像变透镜14被用来转换椭圆性的光束为圓形光 束。注意尽管遮光器17被用于当前实施方式，使用半导体激光器用于 第一光源11使得配置该光束扫描光学系统10从而光束的开-关状态通 过直接调制该激光光束来控制成为可能。光制模设备l的扫描装置12例如包括，第一电镜21、第二电镜 22和物镜42。第一电镜21极化来自光束扩展器15的光束并在X方 向上扫描，该方向是平面上的第一方向，平行于作为紫外线固化树脂 2的表面的液体表面。该第二电镜22极化来自第一电镜21的光并在 Y方向上扫描，该方向大体正交于X方向，是平行于紫外线固化树脂 2的液体表面的平面上的第二方向。物镜42被提供在光束分离器41 和紫外线固化树脂2之间。除了聚焦来自第二电镜22的光束外，物镜 42还使得由第一和第二电镜21、 22极化的光束以恒定速度对紫外线
固化树脂2扫描。扫描装置12还包括第一中继透镜23，其位于第一电镜21和第二 电镜22之间，和第二中继透镜24，其位于第二电镜22和光束分离器 41之间。笫一和第二电镜21、 22中的每一个都具有反射器，如镜子等， 它在特定方向上是可旋转的，和调节器，其根据电信号调节该反射器 的旋转方向角度。为了在该特定方向扫描该光束，第一和第二电镜21、 22中的每一个都在特定角度反射照射到的光束，即在预期的方向上极 化该光束，这样该光束就能够在所需平面上对移动平台4(之后称为 "工作区")进行扫描。第一和第二电镜21、 22中的每一个因此作为极 化该光束的光束极化器发挥作用。注意在当前实施方式中，该光束扫 描光学系统10被配置成使得第一电镜21能够在X方向扫描光束，第 二电镜22在Y方向扫描光束，但本发明并不限于此，该光束扫描光 学系统10还可以被配置成，该扫描可以沿平行于紫外线固化树脂2 的液面的平面(即移动平台4上的所需平面)上的任意两个大体正交 的轴向进行。另外，分别极化两个特定轴向上的光束的扫描装置12 中的光束极化器不限于上述电镜，也可以是多角镜等等。物镜42使得被第一和第二电镜21、 22极化的光束以恒定速度对 紫外线固化树脂2进行扫描，其是具有至少一个透镜的透镜组。在X 方向和Y方向上分别被第一和第二电镜21、 22扫描的光束并被光束 分离器41反射的光束进入到物镜42，将其聚焦到紫外线固化树脂2 上以形成图像。该物镜42因此使得被第一和第二电镜21、 22极化的 光束以恒定扫描线速度对紫外线固化树脂2进行扫描。物镜42还使得 来自全面膝光光学系统30的空间调制光在紫外线固化树脂2上形成图 像，该系统30将在后面描述。在当前实施方式中，所谓的/e透镜被用作物镜42。如图3所示， 该/S透镜具有图像高度Y，其与入射角e成正比，这样该图像高度Y 等于焦距/和入射角6的乘积(Y=/W),换句话说，该/e透镜是一 个被设计成被扫描光的扫描速度是典型常量、并且不依赖于光入射到 透镜的位置的透镜。也就是说，例如当第一和第二电镜21、 22的旋转速度是恒定的， 该"透镜作为物镜42使得在由第一和第二电镜21、 22扫描的工作区 内(物镜42在这里形成图像)，获得恒定扫描线速度是可能的。这抑的出现。例如，当光束沿预期的相对于X和Y方向倾斜的直线扫描以 形成图像时，如果扫描线速度的X方向分量和Y方向分量中的一个或 两个变化时，扫描光束不能绘制所需直线。物镜42和上述的第一和第 二电镜21、 22可以解决这种情况下的这个问题。该物镜42和笫一和 第二电镜21、 22因此使得获得相对工作区的恒定的扫描线速度，以使 得通过精确绘制形成高分辨率模型成为可能。注意在本发明中使用的物镜42不仅限于/e透镜。本发明还可以 配置成使用具有通常聚焦功能的透镜，该透镜的旋转速度通过控制第 一和第二电镜21、 22的驱动控制部分被电调节和控制，并且该透镜聚 焦被第 一和第二电镜21 、 22极化的光束并使得它以恒定线扫描速度进 行扫描。第一光源11发射的光束由第一和第二电镜21、 22和物镜42控 制来进行扫描操作将结合图4进行描述。注意在图4中，第二电镜22， 第一和第二中继透镜23、 24和光束分离器41为了表示笫一电镜21 和物镜42的操作被省略。还要注意第二电镜22和物镜42的操作是相 同的，因此详细解释被省略。由准直透镜13平行化、并由光束扩展器15均匀化的光束照在第 一电镜21上，使得光束根据第一电镜21的角度在X方向上扫描。该 光束然后由物镜42聚焦在工作区上。当第一电镜21在X方向扫描的光束进入处于特定状态的物镜42 时，物镜42扫描X方向的工作区，使得该光束垂直照在该工作区的 紫外线固化树脂2上并远心的(telecentrically)形成图像。同样的方 式，当第二电镜22在Y方向扫描的光束进入处于特定状态的物镜42 时，该物镜42扫描Y方向的工作区，使得该光束垂直照在该工作区 的紫外线固化树脂2上并远心的形成图像。附带的，第一和第二电镜21、 22扫描方向的扫描角度和物镜42 的焦距间存在固定关系。当/e透镜被用作物镜42时，如上所述，如 果X方向和Y方向的工作区尺寸都是1厘米，即如果该工作区大约为 l厘米乘l厘米，并且如果第一和第二电镜21、 22的扫描角度都是大 约土10度时，则该焦距是大约28.65毫米。注意该工作区尺寸可以通过 改变第一和第二电镜21、22的扫描角度和物镜42的结构而进行改变。因此该工作区的大小是由第一和第二电镜21、 22的旋转速度、 物镜42的直径和配置、其它光学部件的结构和放置等来确定的。该工 作区大小还由空间光调制器32和如全面膝光光学系统30 (其将在后 面进行描述)这样的部件来确定。该工作区是当光学系统5和移动平 台4的位置关系在平行于液面的平面内(即在水平面内)不变时，硬 化层所能够形成的区域。在竖直方向Z，该工作区也是在移动平台4 上的区域或已经形成的硬化层。换句话说，该工作区是其中下一硬化 层所将被形成的区域。物镜42的放置要使得它的目标焦点位置(即其前焦点位置)适 应光束分离器41的反射/投射面41a,并且其图像焦点位置(即其后 焦点位置)适应移动平台4上的工作区中的紫外线固化树脂2。此时， 紫外线固化树脂2意味着该紫外线固化树脂2位于移动平台4上，可 以被光束扫描，并且位于硬化层所将形成的垂直位置。大多数情况下， 这意味着该表面是一个靠近液面的位置。注意该物镜42被配置成使得 目标焦点位置适应反射/投射面41a，但该适应不必很精确。物镜42 被设置使得该目标焦点位置位于反射/投射面41a的附近就足够了 ， 无需使得光束分离器41本身太大。换句话说，因为来自光束扫描光学 系统10的所有光束和来自全面啄光光学系统30的所有光束必须通过 反射/投射面41a，因此物镜42的目标焦点位置位于反射/投射面41a 的附近就足够了，而无需使得光束分离器41本身太大。第一和第二中继透镜23、 24的每一个可以使得平行入射光束作 为平行光束分别穿过第一和第二电镜21, 21所需要的扫描角离开。第
一和第二中继透镜23、 24的每个也可以把分别被第一和笫二电镜21， 21反射作为目标表面的光束形成为第二电镜22上和光束分离器41的 反射/投射面41a上的图像，其分别位于第一和第二中继透镜23、 24 的下游的两侧。也就是说，第一中继透镜23是具有至少一个透镜的透镜组，其 将被第一电镜21反射的光束在第二电镜22的反射面上形成图像。第 二中继透镜24是具有至少一个透镜的透镜组，其将被第二电镜22反 射的光束在光束分离器41的反射/投射面41a上形成图像。具有这些功能的第一和第二中继透镜23、 24中的每一个均被配 置成双向远心图像光学系统。注意图5示出了被称为4f光学系统的光 学系统，这是一种作为双向远心图像光学系统的典型例子。在图5所 示的该双向图像光学系统中，物体表面Po对应于第一和第二电镜21、 22中的一个，该表面设置在透镜的前焦点位置。图像表面Pi对应于 第二电镜和光束分离器41中的一个，该表面被设置在透镜的后焦点位 置。这种设置意味着当被聚焦在物体表面Po的任何位置的光束发散 并进入到该双向远心图像光学系统时，该光束在图像表面Pi的对应位 置会聚。而且，从物体表面Po的任何位置作为平行光束进入的光束 将作为平行光束照射在图像表面Pi的对应位置上。因此，在特定位置 在特定方向上进入该双向远心图像光学系统的来自物体表面的平行光 束会在对应位置在对应方向上作为照射该图《象表面的平行光束离开该 双向远心图像光学系统。第二中继透镜24引导被第二电镜22极化的光束以使得该光束通 过物镜42的目标焦点位置，即反射/投射面41a的中心。第二中继透 镜24还使得该光束以特定角度通过该目标焦点位置，这样该光束就能 在特定位置进入物镜42。也就是说，第二中继透镜24引导由第二电 镜22极化的光束以使得该光束通过物镜42的前焦点位置并以对应于 工作区内该光束的光轴被扫描的位置的角度照射在物镜42上。第一中继透镜23通过第二电镜22和第二中继透镜24引导被第 一电镜21极化的光束以使得该光束通过物镜42的目标焦点位置，即
反射/投射面41a的中心。第一中继透镜23还使得该光束以特定角度 通过该目标焦点位置，这样该光束就能在特定位置进入物镜42。也就 是说，第一中继透镜23引导由第一电镜21极化的光束以使得该光束 通过物镜42的前焦点位置并以对应于工作区内该光束的光轴被扫描 的位置的角度照射在物镜42上。换句话说，第一和第二中继透镜23、 24使得被设置在不同位置 的笫一和第二电镜21、 22在X方向和Y方向极化并扫描的光束分别 一次通过物镜42的前焦点位置。该光束由设置在不同位置的第一和第二电镜21、 22在X方向和 Y方向分别被极化和扫描。第一和第二中继透镜23、 24通过调节X 方向和Y方向上的光束通过的位置使得该光束一次通过物镜42(如 透镜等)的前焦点位置。也就是说，第一和第二中继透镜23、 24通过 使用^透镜来投射光束使得该二维调制的光束以对应于^透镜的目 标焦点被扫描的位置的角度通过。因此才使得物镜42聚焦的光束正交 于紫外线固化树脂2的液面成为可能，而无需考虑被扫描的位置。也 使得高分辨率制模成为可能，因为它避免了由于光束被倾斜聚焦而在 每个硬化层上形成倾斜面。而且，因为第一和第二中继透镜23、 24 也使得调制光束正交的入射在紫外线固化树脂2的液面上，使得返回 的反射光束光径与发出光束的光径一致并引导该反射光束至反射光检 测器18 (将在后面描述)成为可能。光束分离器41被设置在它所在位置是因为该光束光径与来自全 面啄光光学系统30 (其将在后面描述)的光径合并。相同的理由，物 镜42被设置在光束分离器41和紫外线固化树脂2之间。第一和第二 电镜21、 22也被设置在光束分离器41和第一光源ll之间。第一和第 二中继透镜23、 24避免了第一和第二电镜21、 22和光束分离器41 由于电镜反射部分的旋转而彼此物理碰撞。也就是说，第一和第二中 继透镜23、 24在第一和第二电镜21、 22和光束分离器41间的插入距 离大于第一和第二电镜21、 22和光束分离器41能够碰撞的范围。注意在当前实施方式中，光束分离器41被设置是为了形成由光
束扫描光学系统10发出光和由全面膝光光学系统30发出光的光径的 迭合。换句话说，通过合并这些光径使得光束和两个光学系统射出光 都正交于工作区，光束分离器41使得高分辨率制模成为可能，因为它 避免了从倾斜于正交方向的入射方向光照而在每个硬化层上形成倾斜 面。物镜42被设置在光束分离器41和紫外线固化树脂2之间的理由 是，如果物镜42被设置在光束分离器41前，该光束分离器41将不得 不大得多。将物镜42设置在光束分离器41和紫外线固化树脂2之间 还可以使得避免出现如由于物镜和紫外线固化树脂2间的大距离引起 扫描光束的照射位置错误的问题成为可能，光束扫描光学系统10如上所述被配置为包括准直透镜13、像变 透镜14、光束扩展器15和扫描装置12，其包括第一光源ll、第一和 第二电镜21、 22、第一和第二中继透镜23、 24，和物镜42。在光制 模设备1的光束扫描光学系统10中，准直透镜13将由第一光源11 投射的光束转换为大体平行的光束，像变透镜14对该波数进行整形， 光束扩展器15调节该光束的直径。第一和第二电镜21、 22极化该光 束以使得它在X方向和Y方向上扫描。第一和第二中继透镜23、 24 使得该光束通过物镜42的前焦点位置，光束分离器41引导该光束进 入到物镜42。然后物镜42聚焦该光束并对紫外线固化树脂2上的预 期位置扫描，照射并绘出一个精确区域以形成硬化层。在使用该通常的光束扫描方法的大多数已知的制模装置中，X方 向电镜和Y方向电镜被放置的彼此靠近，并执行二维扫描。但是，因 为上述光制模设备1合并了光束扫描光学系统10和全面膝光光学系统 30，因此光制模设备1被配置成第一中继透镜23使第一电镜21在X 方向极化的光束在第二电镜22上形成图像，第二中继透镜24使第二 电镜22在Y方向上极化的光束在物镜42的目标焦点位置上形成图像。换句话说，因为光束分离器41被设置在工作区和第一和笫二电 镜21、 22之间，为了合并光束扫描光学系统10和全面膝光光学系统 30，因此物镜42被设置在光束分离器41和工作区之间。第一和第二
中继透镜23、 24将光束在第一和第二电镜21、 22上和在工作区的特 定位置上远心地形成为高精度图像，即使当工作区和第一和第二电镜 21、 22间的距离很大。这里，该工作位置是工作区中提供的位置，即 在移动平台4上的紫外线固化树脂2中。光制模设备1因此能够利用由扫描装置12等上述器件构成的光 束扫描光学系统IO在紫外线固化树脂2上执行所需的精确绘图。光制 模设备1因此能够以更大的精度形成所需形状的硬化层并实现高分辨 率制模。注意光束扫描光学系统10根据横截面形状数据(如果必要)能 够在光栅扫描和矢量扫描间切换，也能执行合并的光栅-矢量扫描，如 图6C所示。光栅扫描，如图6A所示，通过每次都在一个方向往复线 扫描绘制横截面形状。矢量扫描，如图6B所示，以曲线的式平滑地 扫描边界部分(边缘部分)等。另外，当光束扫描光学系统IO通过光栅扫描形成硬化层的时候， 它能够通过对模型的每个硬化层改变往复扫描的方向90度，即一次一 层，来增加该模型的强度。也就是说，如果该往复光栅扫描是在X方向执行来绘制如第n 层的被绘图的部分，如图7A所示，则为了绘制第(n+l)层被绘图的 部分，该往复光栅扫描在大体正交于X方向的Y方向执行，如图7B 所示。光栅扫描的往复方向在各交替层间变化，这样为了绘制第(n+2) 层被绘图的部分，该往复光栅扫描在以大体正交于Y方向的X方向上 执行，如图7A所示。在图7A和7B中，a23部分是将对其执行矢量扫 描的所需形状的边缘部分，a24部分是由所需形状覆盖的空间，将对其 执行光栅扫描。注意光栅扫描的往复方向并不限于X方向和Y方向， 也可以是工作区的水平面内任意两个大体正交的方向。光束扫描光学 系统IO由数据处理和控制部分101控制，其将在后面描述，这样该光 栅扫描的往复扫描方向每一层改变90度，如上所述。这緩解了当光栅 扫描仅在一个方向执行时出现的如失真、易于断裂等复杂模型中的问 题，使得增加模型强度成为可能。
如上所述扫描并照射紫外线固化树脂2的光束被紫外线固化树脂 2和硬化层之一反射。光制模设备1的光束扫描光学系统10包括反射 光检测器18，其检测该反射光束(后面称为"反射光")。该反射光检 测器18检测被紫外线固化树脂2反射、通过各个光学系统部件并被分 光器16反射的反射光。光制模设备1能够通过反射光检测器18利用 该反射光检测执行焦点修正。反射光检测器18用来检测信号以修正焦点的方法例如可以是散 光方法、三角测量方法等中的任意之一。注意当使用散光方法时，施 加散光的部件，如柱面透镜等被采用，用于焦点修正的信号通过检测 该部件产生的散光而被检测。当使用三角测量方法时，返回(返回路 径)光束被形成以使得它相对于出射光束稍有一点角度，用于焦点修 正的所述信号通过检测从出射路径光束到返回光束的距离而被检测。注意由反射光检测器18执行的焦点检测和修正可以经常执行。 也可以是至少当每个硬化层形成时(即每次当移动平台4在Z方向上 移动时)执行。也可以是在分步-重复期间，后面将描述，为每个特定 的工作区执行，即每次移动平台4在X和/或Y方向和/或垂直Z 方向移动时执行。光制模设备1也可以使用上述反射光检测器18来检测光束正在 扫描的紫外线固化树脂2上的位置是硬化部分还是未硬化部分。即反 射光检测器18利用紫外线固化树脂2的属性，其反射率在硬化时发生 变化，作为反射光监视器来监视该反射光的强度。根据作为反射光监视器的反射光检测器18,光制模设备1检测所 形成的硬化层的状态，从而以更大精确度形成硬化层并以更高分辨率 制作三维模型。例如，反射光检测器18在光束扫描光学系统10执行 绘图期间(即使当光和/或电失真发生时)也检测该反射光。光制模 设备1利用该失真的电子结构以更高精确度来形成硬化层并以高分辨 率产生三维模型。注意已经解释了聚焦检测及反射光监视这两种功能由分光器16 和反射光检测器18同时执行的情况，但还可以使用两个光束分光器和 两个光检测器的配置。为了配置全面膝光光学系统30，光制模设备1被提供了第二光源 31、空间光调制器32、极化板33、光束整合器34、反射器35和聚光 透镜36。极化板33转换第二光源31发射的光为特定极化光。光束整 合器34使得该光均匀通过该系统。反射器35引导该光从光束整合器 34到空间光调制器32。聚光透镜36聚焦由空间光调制器32空间调制 的光在物镜42的前焦点位置。在当前实施方式中，第二光源31和极化板33之间有快门37，用 来控制照射紫外线固化树脂2的光束是否通过或被阻挡，即控制全面 膝光光学系统30执行瀑光的开-关状态。光制模设备1还具有膝光位置调节器39，在紫外线固化树脂2 被曝光期间在至少一个方向移动由空间光调制器32透射的光。当紫外 线固化树脂2被啄光给空间光调制器32空间调制的光时，啄光位置调 节器调节该曝光位置，以使得该空间调制的光瀑光紫外线固化树脂2 同时仅移动不大于一个固定区域大小的特定距离。这緩解了复杂模型 中的问题，如易于断裂、强度不足、仅一个方向失真等，这些是因为 被用作空间光调制器32的液晶光学元件等的像素间的缝隙未被曝光。第二光源31，其被全面爆光光学系统30用作全面膝光光源，例 如可以是使用高输出蓝光发射二极管(LED)阵。注意该全面膝光光 源不必使用如光束扫描光源使用的相干激光光源。作为第二光源31 的LED阵发射的光被光束整合器34变得均匀。普通的光束整合器可以被用于光束整合器34。可能的类型包括飞 眼型，其中多个透镜元件形成一个阵列，以及光柱型，其由柱状透镜 棒如四角棱柱体等构成，这样它能够反射所有内部光。通过光束整合 器34的光均匀照射透射液晶元件38，其将在下面描述。用作光制模设备1的空间光调制器32的透射液晶元件38例如可 以具有透明电极和液晶层，其由两个重叠的透明基底之间封闭的液晶 构成.根据每个单个像素的驱动信号，该透射液晶元件38通过改变液
晶分子的配置以对应于它投影的图像从而改变透射的极化方向，来空间调制通过它的光。透射液晶元件38然后将所需的投射光发射到紫外 线固化树脂2上。这里，该投影图像意即投射光，它对应于全面膝光 将形成的图形。注意当前实施方式已经采用透射液晶元件38作为空间 光调制器32进行了解释，但是本发明并不限于该解释。空间光调制器 32可以釆用数字反射镜微设备、反射液晶元件(硅上液晶)等进行配 置，其中多个反射微镜排成阵列，其倾斜角随输入信号而改变。当数 字反射镜微设备被使用，每个微镜对应于一个像素，如后面所述。空间光调制器32具有多个像素，并通过一次一个像素的调制所 述光来空间调制通过它的光以形成所需投射光，从而使得全面膝光成 为可能。在当前实施方式中，透射液晶元件38中的像素数是1百万，在 每个垂直和水平方向由1000个像素组成。对应于通过聚光透镜36和 物镜42的光的一个像素的工作区空间大小是大约10um乘10um。这 意味着具有透射液晶元件38的全面曝光光学系统30能够执行特定区 域的全面曝光，对于该特定区域，需要在lcm"cm的区域内通过进 行对应于每个单个像素的每个固定区域( 10戸xlO戸 )的全面曝光而进 行全面啄光。因此作为空间光调制器32的透射液晶元件38能够执行 全面曝光的该lcmxlcm的区域即是该工作区。注意增加像素数使得 减小对应于一个像素的固定区域的大小，从而增加该全面啄光的精确 度成为可能。也可能通过改变聚光透镜36和物镜42的配置来改变该 工作区大小。而且，该透射液晶元件38也可以被配置成根据将要形成 形状的形状数据，改变它采用的像素数目并改变每一层或每个分割区 域的投影大小，后面将会描述。光制模设备1被配置成使用透射液晶元件38作为空间光调制器 32并使用极化板33来使得特定极化光照射透射液晶元件38，但光制 模设备1也可以被配置成使用另一种方法使得该特定极化光进入透射 液晶元件38。顺带的，如图8所示，即使在被空间光调制器32(即透射液晶元 件38或类似元件)全面曝光的紫外线固化树脂2中，因为封闭部分(如 接线部分等)存在于透射液晶元件38中一个像素和下一个像素的间隙 中，也可能会形成硬化不够的部分。注意在图8、 9、 10中，3 表示 紫外线固化树脂2的对应于一个像素的膝光区域，其中进行了充分硬 化，gx和gy表示紫外线固化树脂2的对应于像素间的间隙的区域，其 中可能因为没有曝光而硬化不足，其中gx和gy分别表示在X方向和 Y方向的间隙。还要注意图8、 9、 IO是示意图，为了解释的目的，像 素间的这些间隙的大小相对这些像素被放大。注意并不是必然的硬化 没有对于对应像素间的间隙的区域gx和gy执行，因为对应于相邻像素 的区域被膝光，但硬化不足的可能性存在。膝光位置调节器緩解了由于未膝光部分的影响造成的硬化不足 而在硬化层或在三维模型中强度降低等问题，如结合图8所述的。例 如，当紫外线固化树脂2正在被啄光且硬化层正在形成时，膝光位置 调节器在平行于紫外线固化树脂2的液面的平面内在X方向或Y方向 移动空间光调制器32。也就是说，通过在X方向移动空间光调制器 32，瀑光位置调节器在X方向移动由空间光调制器32射出的光。通 过在Y方向移动空间光调制器32，曝光位置调节器在大体正交于X 方向的Y方向移动由空间光调制器32射出的光。空间光调制器32射出光的方向并不仅限于在X方向和Y方向移 动，可以是工作区水平面内任何两个大体正交的方向。但是，利用该 X方向和Y方向，其作为空间光调制器32的像素被啄光的方向，可 以更容易的控制硬化层的形状，使得高分辨率制模成为可能。具体的，如图9所示，膝光位置调节器39在X方向移动空间光 调制器32射出光通过一段距离，该距离至少是对应于空间光调制器 32中的像素间的间隙的距离，并且该距离不大于对应一个像素大小的 距离。这填充了水平方向对应于像素间的间隙的空间，那里可能发生 硬化不足，如结合图8的解释。换句话说，X方向间隙部分gx被作为 相邻像素而啄光，这样紫外线固化树脂2才能充分硬化。注意，严格 的讲，该硬化是通过对相应于相邻像素的区域膝光而执行的，如上所
述，即使所述光不必须移动至少对应于像素间的间隙的距离。但是， 移动光至少对应于像素间的间隙的距离，使得在对应于该像素间的间隙的区域的水平方向间隙部分gx,更可靠的硬化紫外线固化树脂2成 为可能。另外，系统被配置成移动所述光通过一段不大于对应一个像 素大小的距离的理由是，移动所述光通过更大距离将使得膝光区域大 于全面膝光的目标形状。而且，如图10所示，曝光位置调节器在Y方向移动空间光调制 器32射出光通过一段距离，该距离至少是对应于空间光调制器32中 像素间的间隙的距离，且该距离不大于一个像素大小所对应的距离。 这填充了垂直方向对应于像素间的间隙的空间，那里可能发生硬化不 足，如结合图8的解释。换句话说，Y方向间隙部分gy被作为相邻像 素而曝光，这样紫外线固化树脂2才能充分硬化。注意，光移动的距 离与光在X方向移动的距离相同，因此这里的解释省略。注意，膝光位置调节器在平行于紫外线固化树脂2的液面的平面 内移动空间光调制器32的情况已经作了解释，但包含在光制模设备1 中的曝光位置调节器并不仅限于该实施例。曝光位置调节器还可以被 配置成包括至少一个轴，该轴在Z方向上与空间光调制器32分离， 通过空间光调制器32围绕该至少一个轴的中心旋转，以在平行于液面 的平面内在X方向、Y方向等的一个特定方向上移动它。啄光位置调 节器也可以被配置成包括光部件，该光部件不移动空间光调制器32， 而是在所述特定方向上只移动由空间光调制器32空间调制过的光。另外，当全面啄光光学系统30形成硬化层时，膝光位置调节器 移动用于曝光的光的方向对每一层可通过空间光调制器32改变约90 度，即一层一次。以这种方式形成该模型的每一层可以增加模型强度。换句话说，当硬化层由被空间光调制器32空间调制的光所形成 时，对于所形成的该模型的每一层，曝光位置调节器移动空间光调制 器32射出光的方向在X方向和Y方向间交替，Y方向大体正交于X 方向。举例说明，如果第n层的全面绘图部分的啄光当空间光调制器
32空间调制的光在X方向移动时被执行，如图9所示，则第(n+l) 层全面绘图部分的啄光在空间光调制器32空间调制的光在Y方向移 动时被执行，如图IO所示。曝光位置调节器交替改变它所移动光的方 向，这样第(n+2)层的全面绘图部分在由空间光调制器32空间调制 的光在X方向移动时被膝光，如图9所示。这样全面膝光光学系统30 利用该膝光位置调节器，其被该数据处理和控制部分101控制，后面 将会描述，改变空间光调制器32射出光的方向从一个方向到另一个大 体正交的方向， 一层一次，这样一次形成一层以使得一层具有区域gy， 如图9所示，其对应于可能存在硬化不足的像素间的空间，下一层具 有区域gx，如图10所示，其也对应于可能存在硬化不足的像素间的 空间。这些层被累积，这样区域gx和gy处于大体正交的状态。每一硬 化层因而能够在每个方向上补充强度，解决了如模型易于破裂、强度 不够等问题。即，可能增加模型强度。聚光透镜36被设置在空间光调制器32和物镜42之间，与物镜 42 —起，作为投射光系统用来将空间光调制器32空间调制过的光在 紫外线固化树脂2上形成图像。聚光透镜36由一个透镜组配置，用于 当空间光调制器32空间调制过的光通过物镜42时校正失真。因此聚 光透镜36不仅作为投射光系统，而且还能最大程度的减少失真。换句 话说，聚光透镜36能够在来自全面膝光光学系统30的光通过光束扫 描光学系统10的物镜42时抑制失真出现，该失真的出现是因为光束 扫描光学系统10与全面啄光光学系统30合并的缘故,如后面所述。如上所述，全面膝光光学系统30包括第二光源31、空间光调制 器32 (如透射液晶元件38或类似的)、极化板33、光束整合器34、 反射器35、聚光透镜36和物镜42。在光制模设备l的全面啄光光学 系统30中，第二光源31发射的光束被极化板33转换为特定极化光。 光束整合器34使得该光束均匀。透射液晶元件38即空间光调制器32 空间调制该光以使得该光被投射以执行特定的膝光。聚光透镜36聚焦 该空间光调制器32空间调制的光在物镜42的前焦点位置。聚光透镜 36聚焦该光在物镜42的前焦点位置。该光通过物镜42,以照射并执
行紫外线固化树脂2的所需膝光。在该过程中，在全面膝光光学系统30中，被空间光调制器32空 间调制的光由聚光透镜36聚焦在光束分离器41上，即物镜42的前焦 点位置。所述光在那里与通过光束扫描光学系统10被扫描的光束合 并，合并后的光通过物镜42以照射并在紫外线固化树脂2上形成图像。 此时，聚光透镜36将失真减少到最低程度。而且，空间光调制器32能够增加利用作为第二光源31的LED 阵发射的光强度。因此，在空间光调制器32空间调制的光由聚光透镜 36和物镜42形成图像的范围内，硬化层可以在与光强度匹配的特定 时间形成，这使得高速的制模成为可能。另外，全面膝光光学系统30当膝光位置调节器在X方向或Y方 向上移动由空间光调制器3 2空间调制的光 一 段距离时，对紫外线固化 树脂2进行曝光，该距离至少对应于空间光调制器32中像素间的间隙 距离并且不大于对应于一个像素大小的距离。因此在X方向和Y方向 之一 (即移动的方向)上，在对应于可能存在硬化不足的像素间的空 间的区域中相应的区域gx和gy中，可能进行可靠硬化。而且，因为全 面曝光光学系统30对形成的每个硬化层在X方向和Y方向间交替改 变移动方向，从而可能緩解如模型易于破裂、强度不够等问题，从而 增强该模型强度。如上所述，为了产生所需模型，光制模设备l能够使用由空间光 调制器32等构成的全面爆光光学系统30在每一层的所需形状中的一 个区域中对紫外线固化树脂2上特定的区域执行一般绘图(即大致描 绘)。该一般绘图每次都是在一个固定区域中进行的，每个固定区域 对应于一个像素。这样在一个固定范围内的硬化层可以通过单次啄光 来形成，即在短时间内形成。所述全面绘图(blanket plotting)从而 实现高速制模。光制模设备1使用光束分离器41来合并光束扫描光学系统10扫 描的光束和全面曝光光学系统30的空间光调制器32空间调制的光的 光径。高速的高分辨率的制模是通过物镜42对移动平台4上的紫外线
固化树脂2照射来实现的。也就是说，上述光制模设备l能够同时地以及单独地发射由扫描 装置12扫描的光束和由空间光调制器32空间调制的光，从而使得更 高速度的制模成为可能。在该过程中，来自光束扫描光学系统IO的光束和来自全面啄光 光学系统30的光由光束分离器41合并，这样即使当只有所述光学系 统之一被使用时，所述光束和所述光之一也可能用来正交地照射紫外 线固化树脂2。这使得高分辨率的制模成为可能，而不会在相对于水 平方向倾斜的方向倾斜硬化层和模型。而且，根据目标三维模型的每一层的形状，光制模设备l使得高 速制模、高分辨率、精确制模都成为可能。对于其中很大一部分可以 进行全面膝光的部分，光制模设备1通过利用全面膝光光学系统30 发射由空间光调制器32空间调制的光来执行高速制模。对于那些需要 高分辨率制模的部分，如边界部分等，光制才莫设备l利用扫描装置12 来发射扫描光束。举例说明，当作为目标三维模型的每一层的形状的目标二维形状 fl位于工作区内时，如图ll所示，光制模设备1如下进行操作。光 制模设备1使用空间光调制器32空间调制过的光来进行全面啄光(全 面绘图)，从而执行合并了对应于各个像素的各个周定区域的部分(后 面也称为"全面绘图区域")大体绘图(后面也称为"全面绘图")。该 全面绘图区域是构成所需形状模型的每一层的所需形状的内部的部 分。该全面绘图形成紫外线固化树脂2的硬化层的一个大的部分aj后 面也称为"全面绘图部分")，所述紫外线固化树脂2包含至少一个对 应于单个像素的硬化部分a 。光制模设备1还利用扫描装置12扫描 的光束来执行作为每一层的所需形状的边界部分a21和该边界部分和 大体绘图的部分之间的间隔部分a22的精确绘图(下面，该边界部分 和间隔部分合起来也称为"精确绘图区域")。该精确绘图形成紫外线 固化树脂2的硬化层的精确部分32 (后面也称为"精确绘图部分")。注意，在精确绘图期间，硬化层的精确部分32可以通过使用扫描 装置等构成的光束扫描光学系统10执行对边界部分a21和间隔部分a22 的重复矢量扫描来形成，如图12所示。硬化层的精确部分32也可以 通过对边界部分a21执行矢量扫描并对间隔部分322执行光栅扫描来形 成，如图13所示。因此，光制模设备1可以在比已知光束扫描光学制模装置所能够 形成的更短时间内形成图11所示的目标二维形状硬化层。光制模设备 1也可以以比已知光束扫描光学制模装置所能够形成的更高精确度形 成该硬化层。光制模设备1还可以通过在竖直方向Z向下移动该移动 平台，以移动该工作区至用于形成下一硬化层的位置，如上所述。也 就是说，光制模设备l能够通过重复改变所形成硬化层的操作来形成 该三维模型。通过在短时间内形成该高精确度的硬化层，如上所述， 光制模设备1使得在短时间内形成高精确度模型成为可能。如图l所示，根据本发明的当前实施方式的光制模设备l提供有 移动部分6，其在平行于紫外线固化树脂2的液面的水平面内在X方 向和Y方向移动移动平台4和光学系统5之一，该光学系统5包括光 束分离器41、空间光调制器32、光束分离器41及上述类似部件。注 意在当前实施方式中，移动部分6是平行于紫外线固化树脂2的水平 面内在两个大体正交的轴向X和Y向驱动移动平台4的移动部分，但 本发明并不限于该结构，移动部分6可以是通过移动移动平台4和光 学系统5中的至少一个来改变移动平台4和光学系统5的相对位置的 任意部件。而且，这里要解释一种情况，即移动平台4也相对于储存 库3在平行于液面的平面内移动，但该平面内的移动也可以是同时移 动移动平台4和储存库3。移动部分6可以例如通过在X方向和/或Y方向移动移动平台4 来改变水平面内移动平台4和光学系统5的相对位置。移动部分6因 而可以改变光学系统5能够在移动平台4上形成硬化层的区域以及硬 化层在移动平台4上所被累积的位置。即移动部分6能够改变工作区。因此，光制模设备1通过数据处理和控制部分101的驱动和控制， 能够使用移动平台4和移动部分6改变光学系统5和移动平台4在X、 Y和Z方向的相对位置关系。注意这里解释一种情况，该相对位置关 系可以在X、 Y和Z方向被改变，但移动平台4的位置也可以在Z方 向轴旋转的方向被改变。这使得以更高速度和更高分辨率形成该模型 成为可能。光制模设备1也可以执行一种操作(后面被称为"分步-重复操 作")，其顺序地重复移动部分6改变移动平台4和光学系统5的相对 位置、以及所述光和光学系统5发射光束形成硬化层的操作。该分步-重复操作允许光制模设备1在更大范围内进行制模，从而使得以高精 确度形成更大模型成为可能。该分步-重复操作将进行详细的解释。注意在下面解释中，该模 型将光制模设备l生成为平行于紫外线固化树脂2的液面的平面尺寸 被设置为如io^xio^或更小。而且，正交于所述模型的液面的高度方 向的尺寸由移动平台4在Z方向移动范围来确定。例如，能够执行该分步-重复操作的光制模设备1在移动平台4 上形成硬化层，如图14所示。该 的区域被定义为全部工作区Wau并表示能够形成模型的每一层的最大区域。全部工作区\￥3 被分为各个工作区Wxy，其是各个被分割的例如 的度量区域。该光制模设备1为每个工作区Wxy发射光和来自光学系统5的光束。然后光制模设备1通过利用移动部分6改变移动平台4和光学系统5的相 对位置，顺序地形成所需模型的每个硬化层。具体的，在图14所示的二维形状fau位于整个工作区\￥3 的情 况下，光学系统5首先定位以面对移动平台4上工作区\￥32的位置， 如图14和15所示，并利用全面膝光光学系统30的空间光调制器32 空间调制的光在工作区\￥32执行大体绘图。这形成了覆盖工作区W32 内的硬化层的一大部分的全面绘图部分a321。而且，光束扫描光学系 统10的扫描装置12扫描的光束被用于执行精确绘图以形成精确绘图部分3322，这是工作区\￥32内的硬化层的精确部分。特定形状f32因而 在工作区W32内形成了。移动平台4和光学系统5的相对位置然后通过移动部分6来改变 以使得光学系统5被定位以面对移动平台4上的另一工作区Wxy。硬化层在工作区Wxy以与在工作区W32中相同方式形成，如前所述。该模型的每个硬化层可通过重复该分步-重复操作来形成。该模型可以如 上所述通过在Z方向移动移动平台4，然后依次地重复分步-重复操作 以累积各个硬化层而形成。这样，光制模设备l具有改变移动平台4和光学系统5的相对位 置并执行该分步-重复操作的移动部分6，可以以高分辨率和短时间内 硬化一个覆盖了相对较大范围的区域。这使得形成一个相对较大的三 维模型成为可能。注意如上所述在特定的小区域内，约lcwxk^的度量区域内，全面膝光光学系统30以约IO，的量级执行全面绘图，光束扫描光学系统 10以约l，的量级执行精确绘图。另外，被产生的约 的相对较大的模型度量通过执行该分步-重复而被产生。但是，甚至更大模型的制模可通过利用移动部分6移动移动平台4等一个更大范围来实现， 并且更高精确度的绘图可通过改变全面曝光光学系统30的空间光调 制器32中的像素数并改变光束扫描光学系统10的配置以使得它能形 成更小光点来实现。顺带的，根据本发明的该实施方式的光制模设备1还具有数据处 理和控制设备100，其具有能够存储数据库、程序等的硬盘，加载数 据的随机存取存储器，执行计算的中央处理单元(CPU)等。如图16所示，光束扫描光学系统IOO包括，数据处理和控制部 分IOI，其处理各类数据并控制各个光学部件等；输入部分102，其将 三维形状数据等输入到数据处理和控制部分101;操作部分103，其操 作数据处理和控制部分101。数据处理和控制部分101,如图16所示，通过执行第一光源11 的激光控制，通过执行对透射的控制并利用遮光器17阻挡光束，以及 通过执行对第一和第二电镜21、 22的反射器的旋转驱动的控制，执行 对光束扫描光学系统10的精确绘图控制。数据处理和控制部分101还通过执行对第二光源31的光强度等 的控制，通过执行对透射控制并利用快门37阻挡光束，以及通过执行 对曝光位置调节器39的控制以使得紫外线固化树脂2膝光，同时空间 光调制器32在X方向和/或Y方向上仅移动特定距离，以此执行对 全面曝光光学系统30的全面绘图控制。数据处理和控制部分101还控制移动部分6在X和Y方向上移 动移动平台4，使得工作区位于对应于指定分割区域的移动平台4上 的指定位置。当分割区域在指定区域中形成后，数据处理和控制部分 101在X和Y方向上移动移动平台4，使得工作区域位于对应于下一 个指定分割区域的移动平台4上的指定位置。当指定高度的硬化层的 硬化完成后，数据处理和控制部分101控制移动平台4以在Z方向上 将移动平台4向下移动一个指定量，在Z方向上改变工作区域的位置， 并改变要形成的层。通过接收反馈，如反射光检测器18检测到的焦距信号等，数据 处理和控制部分101还可以检测焦距修正和硬化层的状态，由此实现 更高分辨率的制模。根据本发明的具体实施方式
的光制模设备l包括第一光源11、扫 描装置12、第二光源31、空间光调制器32和膝光位置调节器39。第 一光源11发射在光固化树脂如紫外线固化树脂2等上绘制形状的光 束。扫描装置12使第一光源ll发射的光束在光固化树脂上扫描。第 二光源31发射光在光固化树脂上每次照射一个固定区域。空间光调制 器32对第二光源31发射的光进行空间调制，以执行光固化树脂上的 指定区域的全面曝光。曝光位置调节器39至少在一个方向上移动空间 光调制器32透射的光。光制模设备1通过硬化该光固化树脂来形成每 个硬化层，其中使用由扫描装置12扫描的光束，以及空间光调制器 32空间调制并由曝光位置调节器39仅移动指定距离的光，其中所述 指定距离是固定区域并且不大于对应于一个像素的距离，更具体地， 当每个所需的硬化层形成后，在可以被全面膝光的大部分内，使用被 空间光调制器32空间调制的光在短时间内形成硬化层。在边缘部分和 靠近边缘部分的部分(其需要高精确度)，通过扫描装置12扫描的光束 形成具有高精确度的硬化层。这样，可以高速和高精确度地形成模型的每个硬化层。并且，当空间光调制器32空间调制的光形成硬化层时， 膝光位置调节器39在指定的X方向或Y方向上将空间调制光移动指 定的距离，该距离不大于固定区域，例如，至少对应于像素间的间隔 并且不大于对应于一个像素距离的距离。这使得可以可靠地硬化存在 不充分硬化可能性的对应于像素间的间隔的部分。这样可以增加每个 硬化层的强度，通过累积硬化层，可以在短时间内形成高分辨率、高 强度的三维模型。当根据本发明的具体实施方式
的光制模设备1使用空间光调制器 32空间调制的光来形成硬化层时，咏光位置调节器39每次对一个硬 化层在X方向和Y方向上交替改变它所移动的由空间光调制器32透 射的光的方向，从而形成并累积模型的各个硬化层。这种过程緩解了 下述问题，如模型破裂的可能性，强度不够等，使得可以在短时间内 形成具有高分辨率的更强的三维模型。另外，当光束扫描光学系统10使用光栅扫描来形成硬化层时， 根据本发明的具体实施方式
的光制模设备1对于每个硬化层交替地改 变光栅扫描的往复扫描方向大概90度。这增加了由光束扫描光学系统 IO所形成的精确部分的强度，使得可以在短时间内形成具有高分辨率 的更强的三维模型。除了第一光源ll，扫描装置12、第二光源31和空间光调制器32， 根据本发明的具体实施方式
的光制模设备1还包括移动部分6，它通 过在与液面平行的平面内移动光学系统5和移动平台4之一来改变移 动平台4和光学系统5的相对位置。这使得可以高速和高精确度地形 成硬化层，该硬化层比扫描装置12的性能和空间光调制器32所决定 的工作区要大。这样，通过累积各个硬化层，可以在短时间内形成较 大的具有高分辨率的三维模型。也即，执行了所谓的分步-重复操作。 分步-重复操作重复两个操作序列。 一个操作使用扫描装置12所扫描 的光束和空间光调制器32空间调制的光在各个工作区内形成所需二 维形状的分割部分。另一个操作使用移动部分6来改变移动平台4和 光学系统5间的相对位置。这使得可以高速和高精确度地形成大于扫 描装置12的性能和空间光调制器32所决定的工作区的硬化层。这样， 通过累积各个硬化层，可以在短时间内形成较大的具有高分辨率的三 维模型。注意，使用本发明的光学制模装置并不限于这个实施例。例如， 可以提供高速极化元件，它高速极化通过光束扫描光学系统的光束。 接下来，将解释在光束扫描光学系统中包括该高速极化元件的光制模设备，如图n所示。注意下面的解释中，与光制模设备i共同的 部分采用相同的参考数字，并且详细的解释被省略。根据本发明的该实施方式的光制模设备51，如图17所示，包括 第一光源11，用于光束扫描光束扫描光学系统53，还包括扫描装置 52，其使得第一光源11发射的光束扫描紫外线固化树脂2。全面膝光 光学系统30包括第二光源31 、空间光调制器32和膝光位置调节器39。 合并光束的光束分离器41也被提供。除了第一光源11和扫描装置52，光制模设备51的光束扫描光学 系统53包括准直透镜13、像变透镜14、和光束扩展器15。而且，引 导返回光至反射光检测器18的分光器16以及遮光器17也被提供在光 束扩展器15和第一电镜21之间。在分光器16和遮光器17之间，扫 描装置52还包括第一和第二电镜21、 22，第一和第二中继透镜23、 24和物镜42。另外，高速极化通过它的入射光束的高速极化元件54 作为扫描装置52的一部分提供在分光器16和遮光器17之间。声光偏向器、电光偏向器、或类似器件都可以被用作该高速极化 元件54。声光偏向器利用声光效应来改变通过它的光束极化方向。电 光偏向器利用电光效应来改变通过它的光束的极化方向。高速极化元 件54比第 一和笫二电镜21 、22更适合用于扫描间隔部分a22的所谓填 充(fill-in )扫描操作等，如图13所示。高速极化元件54从而使得高 速精确绘图成为可能。具有高速极化元件54的扫描装置52使用第一和笫二电镜21、22 来执行图13所示的边界部分a21的矢量扫描，并使用高速极化元件54
来执行图13所示的间隔部分a22的光栅扫描，从而形成硬化层的精确 部分。在该过程中，高速极化元件54能够以比第一和第二电镜21、 22 更高的速度扫描紫外线固化树脂2,从而能够增加光束扫描光学系统 53的绘图速度，该系统比全面膝光光学系统30花费更多的时间。高 速极化元件54因而可能缩短光制模设备51的制模时间。注意光束扫描光学系统53，通过改变每个硬化层往复扫描方向约 90度，即一次一层，以上面解释的光束扫描光学系统10的同样方式 形成该模型的每个硬化层。从而光束扫描光学系统53能够增加该模型 的强度.也就是说，当高速极化元件54执行光栅扫描时，数据处理和控 制部分101控制该过程以使得该往复光栅扫描方向每层改变约90度。 这緩解了在复杂模型中当光栅扫描在一个方向执行时发生的如失真、 易于破裂等问题，从而使得增加模型强度成为可能。光束扫描光学系统53因此被配置为包括第一光源11、准直透镜 13、像变透镜14、光束扩展器15和扫描装置52，其包括第一和第二 电镜21、 22、第一和第二中继透镜23、 24、物镜42和高速极化元件 54。光制模设备51的光束扫描光学系统53在紫外线固化树脂2的所 需位置上聚焦光束并对其进行扫描，在使用第一和第二电镜21、 22 在X方向和Y方向扫描的极化(以与光束扫描光学系统10相同方式)， 和使用高速极化元件54在X方向和Y方向高速扫描的极化之间切换。 光束扫描光学系统53因而照射并绘制 一个精确区域以形成硬化层。根据本发明的光制模设备51与上述光制模设备1相同，包括第 一光源ll、扫描装置52、第二光源31、空间光调制器32和膝光位置 调节器39。光制模设备51通过硬化该光固化树脂，利用扫描装置52 扫描的光束和被空间光调制器32空间调制并被瀑光位置调节器39移 动了不大于对应于一个像素的固定区域的特定距离的光而形成每个硬 化层.因此光制模设备51能够高速、高精确度的形成模型的每个硬化 层。特别的，当每个所需的硬化层形成时，在能够被全面膝光的大部 分中，硬化层在短时间内利用空间光调制器32空间调制的光而形成。 在需要高精确度的边界部分和靠近边界部分的部分，硬化层由扫描装 置52扫描的光高精确度地形成。因此该模型的每个硬化层可以高速、 高精确度地形成。另外，当硬化层由空间光调制器32空间调制的光形 成时，啄光位置调节器39在特定X方向或Y方向移动该空间调制的 光一段不大于一个固定区域的特定距离，该距离例如至少是对应于《象 素间的空间并不大于对应于一个像素的距离。这使得可靠地硬化可能 存在硬化不足的对应于像素间的空间的部分成为可能。硬化层的强度 因而能够被增强。高精确度、高强度的三维模型因而能够在短时间内 通过累积该硬化层而形成。光制模设备51还能够实现如前面所述的通 过每一层交替改变膝光位置调节器39的移动方向、通过执行分步-重 复操作等，由光制模设备l实现的相同作用。另外，因为根据本发明的该实施方式的光制模设备51除了具有 第一和第二电镜21、 22外，还具有高速极化元件54，因此它能够缩 短光束扫描光学系统53形成硬化层的时间。例如，在扫描装置52进 行精确绘图的部分中，矢量扫描被执行的部分(如边界部分等)中， 扫描装置52利用第一和第二电镜21、 22执行扫描以极化该光束。在 光栅扫描被执行的部分(如间隔部分以及靠近边界部分的部分)中，扫 描装置52利用高速极化元件54执行扫描以高速极化该光束。从而该 模型的每个硬化层可以以高精确度和更高速度来形成。注意光制模设备l、 51被配置成使得移动平台4的上表面、或已 经累积的各硬化层中最上面一层的上表面位于紫外线固化树脂2的液 面的下方一段对应于一个硬化层厚度的距离。这例如通过在储存库3 内在Z方向移动移动平台4并确保将被硬化的紫外线固化树脂2位于 工作区内来完成。但是，根据本发明的光制模设备l、 51不仅限于该 配置。例如，可以提供一个透明板，与移动平台4的上表面或最上面 硬化层的上表面分离 一段对应于一个硬化层厚度的距离。该透明板将 发挥液面阻挡的作用，限制紫外线固化树脂2的液面。在该透明板和 移动平台4之间的间隔，或该透明板和最上面硬化层的上表面之间的 间隔，将作为工作区发挥作用，将被硬化的紫外线固化树脂2将位于 该间隔。根据本发明的光制模设备l、 51还提供多个旋转体(如滚筒 等)到紫外线固化树脂2所被施加以及保持的表面上。这些旋转体将 被所谓的再涂料器等使用，以特定厚度为移动平台4或最上面硬化层 的上表面提供稳定的紫外线固化树脂2,从而为工作区供应紫外线固 化树脂2。接下来解释光制模设备1使用的光制模方法。注意除了由光束扫 描光学系统53使用高速极化元件54进行绘图外，结合图17解释的光 制模设备51使用的光制模方法与光制模设备1使用的方法相同，因此 详细的解释被省略。根据输入部分输入的三维形状，根据本发明的实施方式的光制模 设备1使用的光制模方法对作为液体光固化树脂的紫外线固化树脂2 进行光照，顺序地形成硬化层，从而形成所需形状的模型。如图18所示的光制模方法包括步骤S1、步骤S2、步骤S3、步 骤S4和步骤S5。步骤Sl从输入部分102输入三维形状数据。步骤 S2根据该输入的三维模型数据产生每一层的二维形状。根据产生的二 维形状数据，步骤S3在平行于液面的平面内，为分割每一层的多个分 割区域的每一个产生分割区域形状数据。根据所产生的分割区域形状 数据，步骤S4产生第一数据和第二数据。第一数据用于通过全面啄光 光学系统30的全面啄光形成特定区域。第二数据用于通过光束扫描光 学系统10的精确绘图形成剩余区域。步骤S5通过使用全面膝光光学 系统30根据该第 一数据执行全面膝光和使用光束扫描光学系统10根 据第二数据执行精确绘图顺序地形成硬化层，这样每个分割区域Wxy 就形成了。在步骤S1，三维模型形状数据是CAD数据或类似的用于所需形 状的目标三维模型的数据，由输入部分102输入至光束扫描光学系统 100的数据处理和控制部分101。在步骤S2，该输入的三维形状数据被转换为如STL格式等的三 维形状数据。该三维形状数据然后在Z方向(即分层方向)被切割为
多个横截面，以为每层产生二维形状数据。注意在这个过程中，该方法可以被执行为使得操作部分103能够选择三维模型被放置的位置和 方向、分层方向以及分层方向的厚度。在步骤S3，根据所产生的二维形状数据，所产生的二维形状数据被分割为对应于如上所述的每个特定的 lcm x lew 工作区Wxy的分割区域，产生该分割区域形状数据，该数据是每个工作区Wxy的二维形状 数据fXy。在步骤S4，根据为每个工作区Wxy所产生的分割区域形状数据， 第一数据和第二数据被产生。第一数据用于形成全面膝光的特定区域(即通过使用空间光调制器32每次执行紫外线固化树脂2上一个固定区域的全面膝光，从而形成硬化层的特定区域的全面膝光部分)。第二部分用于通过光束扫描光学系统10的精确绘图形成剩余区域(即通 过使用光制模设备1对紫外线固化树脂2进行光束扫描，从而形成作为该硬化层的剩余区域的精确绘图部分)。注意在步骤S3和S4中，如上所述，在分割的区域形状数据根据 二维形状数据被产生后，基于该分割的区域形状数据，第一数据和第 二数据被产生，但该光制模方法并不限于这种实施例。该光制模方法 还可以是在第一数据和笫二数据在基于二维形状数'据被产生之后，产 生该分割的区域形状数据。第一数据通过全面曝光光学系统30的全面 曝光形成作为特定区域的全面膝光部分。第二数据通过光束扫描光学 系统10的精确绘图形成构成该剩余区域的精确绘图部分。步骤S5，如图19所示，包括步骤S5-1，步骤S5-2，步骤S5-3， 步骤S5-4和步骤S5-5。对于每个工作区Wxy,步骤S5-l利用空间光 调制器32空间调制过的光，根据第一数据执行紫外线固化树脂2上特 定区域的全面膝光。步骤S5-l还利用扫描装置12扫描的光束才艮据第 二数据扫描紫外线固化树脂2。因此步骤S5-1形成该硬化层的分割部 分。步骤S5-2利用移动部分6改变移动平台4和光学系统5的相对位 置，从而改变工作区W『步骤S5-3确认该层上的分割区域的形成已 经完成。如果已经完成，步骤S5-4通过在Z方向向下移动移动平台4 的位置改变将被形成的层。步骤S5-5确认所有硬化层的累积已经完 成。在步骤S5-l，第一光源11发射将在紫外线固化树脂2上执行绘 图的光束，扫描装置12扫描该第一光源ll发射的光束。第二光源31 发射将每次照射紫外线固化树脂2的一个固定区域的光，空间光调制 器32被膝光位置调节器39在X方向或Y方向移动，其空间调制由第 二光源31发射的光。扫描装置12在紫外线固化树脂2上扫描所述扫 描光束。所述空间光调制器32空间调制的、并被膝光位置调节器39 仅移动所述特定距离的光被用来执行紫外线固化树脂2上的该特定区 域的全面啄光，该特定距离即是该固定区域并且不大于对应于一个像 素的距离。从而紫外线固化树脂2在每个分割区域被硬化，该模型的 每一硬化层的分割区域被形成。注意在当前实施方式中，当光被空间 光调制器32空间调制时，空间光调制器32在特定方向被移动，但本 发明并不限于这种实施例。紫外线固化树脂2上的特定区域的全面曝 光也可以通过使用空间光调制器3 2来空间调制第二光源31发射的光， 然后利用由光元件等构成的曝光调节器在X方向或Y方向移动被空间 光调制器32空间调制的光来执行。被空间光调制器32空间调制的光 通过由光元件等构成的曝光位置调节器仅被移动特定距离，所述距离 即所述特定区域并且不大于对应于一个像素的距离。所述光然后可以 被用来执行全面啄光。在步骤S5-2，移动部分6在X方向和/或Y方向移动移动平台 4，从而设定该工作区Wxy在一个依照分割区域形状数据的位置。在步骤S5-3，光制模设备1检查硬化层中所有分割区域的形成是 否已经完成。如果所有分割区域的形成还没有完成，则过程返回到步 骤S5-l并重复步骤S5-l和S5-2。如果所有分割区域的形成已经完成， 则过程前进到步骤S5-4。在步骤S5-4,移动平台4在Z方向被向下移动以使得工作区Wxy 被移动到形成下一硬化层的位置，从而改变将要形成的层。在步骤S5-5，光制模设备1检查该三维模型的所有硬化层的累积
是否已经完成。如果所有硬化层的累积还没有完成，则返回到步骤S5-1 并重复步骤S5-l至S5-4。因此在步骤S5,如上对步骤S5-l到S5-3的解释，全面膝光光学 系统30根据第一数据，执行特定高度的层的每个工作区W,y的全面膝 光，以及光束扫描光学系统10根据第二数据，执行精确绘图，形成硬 化层的分隔区域。根据二维形状数据，通过顺序地改变工作层，层内 的所有分隔区域都被形成。当一个硬化层被产生时，竖直Z方向的高 度改变，过程依次重复以形成三维模型。注意在上述光制模方法中，当移动部分6未被提供或将被制模的 三维模型的平面方向的大小太小以至于被包含在特定工作区中时，步 骤S3可以被省略。这样的情况下，步骤S2产生的二维形状数据被作 为步骤S4和5中的分割区域形状数据，步骤S5-2和S5-3不被执行。因此，根据本发明的该实施方式的光制模设备l使用的该制模方 法中，第一光源ll发射将在紫外线固化树脂2上执行绘图的光束，扫 描装置12扫描第一光源11发射的该光束。第二光源31发射光，其将 每次照射紫外线固化树脂2的固定区域，以及被曝光位置调节器39 在X方向或Y方向移动的空间光调制器32，其空间调制第二光源31 发射的光。扫描装置12在紫外线固化树脂2上扫描所述扫描光束。空 间光调制器32空间调制的、并被啄光位置调节器39移动了仅特定距 离的光被用来执行紫外线固化树脂2上特定区域的全面膝光，其中特 定距离即是所述固定区域并且不大于一个像素对应的距离。这样，当 每个所需的硬化层被形成时，在能够被全面啄光的大部分，硬化层在 短时间内通过利用空间光调制器32空间调制的光而形成。在需要高精 确度的边界部分以及靠近边界部分的部分，硬化层被扫描装置12扫描 的光束以高精确度形成。这样该模型的每个硬化层能够高速高精确度 的形成。而且，当硬化层由空间光调制器32空间调制的光形成时，膝 光位置调节器39在特定方向移动该空间光调制器32。因此膝光位置 调节器39在特定X方向或Y方向移动该空间调制的光所述特定距离， 该距离不大于该固定的区域，例如至少是对应于像素间的空间的距离，
不多于对应于 一个像素的距离。这使得可靠的硬化对应于像素间的空 间的部分成为可能。每一硬化层的强度从而被增强。因此，高精确度、 高强度的三维模型可以在短时间内通过累积这些硬化层而形成。根据本发明的实施方式的光制模设备1采用的光制模方法是根据从输入部分102输入的三维形状数据，通过照射紫外线固化树脂2从 而依次形成各个硬化层，以形成所需形状的模型的光制模方法。该方 法包括步骤S1、 S2、 S4和步骤S5。步骤S1从输入部分102输入三维 形状数据。步骤S2根据所输入的三维形状数据产生每一层的二维形状 数据。根据所产生的二维形状数据，步骤S4生成第一数据和第二数据。 第一数据用于通过利用空间光调制器32每次全面曝光紫外线固化树 脂2的一个固定区域而形成硬化层的特定区域。第二数据用于通过利 用扫描装置12对紫外线固化树脂2扫描光束而形成该硬化层的剩余区 域。步骤S5根据第一数据，全面瀑光紫外线固化树脂2的特定区域给 曝光位置调节器39所移动的空间光调制器32所空间调制的光，并根 据第二数据，利用扫描装置12对紫外线固化树脂2进行光束扫描，从 而顺序地形成硬化层。该模型的每个硬化层从而以高速和高精确度形 成，顺序地累积这些硬化层使得在短时间内形成高分辨率高强度的三 维模型成为可能。另夕卜，根据本发明的该实施方式的光制模设备l所使用的光制模 方法根据从输入部分102输入的三维形状数据，通过用光照射紫外线 固化树脂2形成硬化层。该方法从而在浸入在紫外线固化树脂2中的 移动平台4上形成所需形状的模型，该平台在至少正交于紫外线固化 树脂2的液面的方向上移动。该光制模方法包括步骤S1、 S2、 S3、 S4 和步骤S5。步骤S1从输入部分102输入三维形状数据。步骤S2根据 所输入的三维形状数据产生每一层的二维形状数据。根据所产生的二 维形状数据，步骤S3为平行于液面的平面内分割每一层的多个分割区 域的每一个产生分割区域形状数据。根据分割区域形状数据，步骤S4 生成第一数据和第二数据。第一数据用于通过利用空间光调制器32 每次全面膝光紫外线固化树脂2的一个固定区域而形成硬化层的特定
分割区域。第二数据用于通过利用扫描装置12对紫外线固化树脂2 扫描光束而形成该硬化层的剩余分割区域。步骤S5根据第一数据，全 面膝光紫外线固化树脂2的特定区域给膝光位置调节器39所移动的空 间光调制器32所空间调制的光，并根据第二数据，利用扫描装置12 对紫外线固化树脂2进行光束扫描，从而形成每个分割区域。步骤S5 还通过空间光调制器32和扫描装置12至平行于液面的平面内的移动 平台4上的位置关系来改变工作区，从而形成并顺序地累积硬化层。 该模型的每个硬化层的每个分割区域从而以高速和高精确度形成，使 得高速高精确度的形成模型成为可能。而且，顺序地累积这些硬化层 从而使得在短时间内形成相对较大高精确度高强度的三维模型成为可 能。本领域技术人员应该理解，在所附权利要求或其等价物的范围 内，可以根据设计需要和其它因素对本发明进行各种修改、合并、分 段合并以及改变。
权利要求
1、一种光制模设备，其通过用光照射光固化树脂而顺序地形成多个硬化层来形成所需形状的模型，所述光制模设备包括第一光源，其发射用于在光固化树脂上绘图的光束；扫描装置，其在光固化树脂上扫描由第一光源射出的光束；第二光源，其发射光，所述光每次照射所述光固化树脂的一个固定区域；空间光调制器，其空间调制由第二光源发出的光以使所述光固化树脂的一个特定区域全面曝光于所述空间调制的光；以及曝光位置调节器，其在至少一个方向上移动由所述空间光调制器射出的光；其中通过扫描装置所扫描的光束以及通过空间光调制器所空间调制的并通过所述曝光位置调节器仅移动了一个特定距离的光来形成所述模型的每个硬化层，所述特定距离不大于对应于所述固定区域的距离。
2、 如权利要求1所述的光制模设备，其中所述曝光位置调节器还可在大体正交于所述至少一个方向的方 向上移动由所述空间光调制器射出的光，并且当硬化层由所述空间光调制器调制的光形成时，所述曝光位置调 节器通过为每个硬化层在所述至少一个方向和一个大体正交于所述至 少 一个方向的方向间交替改变移动所述空间光调制器射出的光的方 向，来形成所述模型的每个硬化层。
3、 如权利要求1或2所述的光制模设备，其中所述光固化树脂的硬化层的全面绘图部分通过利用被所述空间 光调制器空间调制的光对每一层的所需形状的内侧部分执行大体绘图 而形成，以产生所需形状的模型，所述光固化树脂的硬化层的精确绘图部分通过利用被扫描装置 扫描的光束对每一层的所需形状的边界部分和位于所述边界部分和所 述全面绘图部分之间的间隔部分执行精确绘图而形成。
4、 如权利要求3所述的光制模设备，其中所述扫描装置通过执行矢量扫描沿所述边界部分的形状来绘制 所述边界部分并通过在一个特定方向往复扫描来执行光栅扫描以绘制 所述间隔部分，从而形成所述硬化层的精确绘图部分，当通过执行光栅扫描形成硬化层时，所述扫描装置通过为每个硬 化层交替所述往复扫描方向约90度而形成所述模型的每个硬化层。
5、 如权利要求1或2所述的光制模设备，其中 所述空间光调制器具有多个像素并一次对一个像素调制所述光，以及啄光位置调节器在至少 一个像素排列的方向上使由所述空间光 调制器射出的光移动 一个距离，所述距离至少是对应于所述空间光调 制器的像素间的空间的距离并且不大于对应于一个像素的距离。
6、 如权利要求1所述的光制模设备，其中所述曝光位置调节器在平行于所述光固化树脂表面的平面内移 动所述空间光调制器。
7、 如权利要求1所述的光制模设备，其中 所述模型的每个硬化层通过如下之一而形成同时发射所述扫描装置扫描的光束和空间光调制器空间调制的光，或者发射所述扫描装 置扫描的光束和空间光调制器空间调制的光中至少之一。
8、 如权利要求1所述的光制模设备，还包括光径合并器，其合并由所述扫描装置扫描的光束和由所述空间光 调制器空间调制的光并将所述合并的光引导到所述光固化树脂上。
9、 如权利要求l所述的光制模设备， 其中所述扫描装置包括第一电镜，极化入射光束并在平行于所述光固化树脂表面的平面 内的第一方向上扫描由第一光源射出的光束，第二电镜，极化来自第一电镜的光束并在所述平面内大体正交于 第一方向的第二方向上扫描所述光束， 物镜，聚焦来自所述第二电镜的光束。
10、 如权利要求9所述的光制模设备，其中 所述物镜是^透镜，其满足如下关系，即图像高度等于焦距和入射角的乘积，以及所述物镜，除了聚焦来自所述第二电镜的光束外，还在所述光固 化树脂上以恒定速度扫描被第一和第二电镜极化的光束。
11、 如权利要求9所述的光制模设备，还包括光径合并器，合并被所述扫描装置扫描的光束和被空间光调制器 空间调制的光并将所述合并的光引导到光固化树脂上， 其中所述物镜被设置在所述光径合并器和所述光固化树脂之间， 所述扫描装置包括第一中继透镜，位于第一电镜和第二电镜之间，和 第二中继透镜，位于第二电镜和所述光径合并器之间， 所述第二中继透镜引导被第二电镜极化的光束以使它通过所述 物镜的前焦点位置，以及第一中继透镜引导被第一电镜极化的光束以使它经由第二电镜 和第二中继透镜通过所述物镜的前焦点位置。
12、 如权利要求9所述的光制模设备，还包括 光径合并器，合并被所述扫描装置扫描的光束和被空间光调制器空间调制的光并且将所述合并的光引导到光固化树脂上，以及聚光透镜，提供在所述空间光调制器和光径合并器之间，与所述 物镜一起，将所述空间光调制器空间调制的光在所述光固化树脂上形 成图像。
13、 如权利要求12所述的光制模设备，其中所述聚光透镜平衡当来自所述空间光调制器的光通过所述 物镜时的失真。
14、 如权利要求1所述的光制模设备，还包括移动平台，承栽所述硬化层并在至少一个正交于所述光固化树脂 表面的方向上被移动；光学系统，包括至少所述第一光源、所述扫描装置、所述第二光 源和所述空间光调制器；以及移动部分，通过在平行于所述光固化树脂表面的平面上移动所述 移动平台和所述光学系统之一，来改变所述移动平台和所述光学系统 的相对位置，其中所述硬化层通过以所述光束和所述光照射特定区域而在所述特 定区域中形成，并且所需形状的所述模型的每个硬化层是通过利用所述移动部分顺 序地改变所述移动平台和所述光学系统的相对位置来形成的。
15、 如权利要求14所述的光制模设备，还包括处理部分，其根据输入的三维形状数据为每一层产生二维形状数 据，并为平行于所述光固化树脂表面的平面内分割每一层的多个分割 区域的每一个产生分割区域形状数据，其中所述硬化层根据所述分割区域形状数据利用所述光束和所述光 照射所述分割区域而在每个分割区域内形成，所需形状的模型的每一硬化层是通过利用所述移动部分顺序地 改变所述移动平台和所述光学系统的相对位置而形成。
16、 如权利要求l所述的光制模设备，其中所述光固化树脂是液 体紫外线固化树脂。
17、 一种光制模方法，所述方法通过以光照射光固化树脂而顺序 地形成多个硬化层以形成所需形状的模型，所述光制模方法包括以下 步骤从第一光源发射用于在所述光固化树脂上绘图的光束；在所述光固化树脂上扫描来自所述第一光源的所述光束；从第二光源发射照射所述光固化树脂的一个固定区域的光；空间调制来自所述第二光源的光，以使所述光固化树脂的一个特定区域全面啄光于所述空间调制的光；以及在至少 一 个方向上使所述空间调制的光仅移动 一 个特定距离；以及通过所述扫描的光束和所述移动的光而形成所述模型的每个硬化层。
全文摘要
一种光制模设备，用于通过对光固化树脂进行光照而顺序地形成硬化层的方式形成所需形状的模型。所述装置包括第一光源，其为在光固化树脂上绘图而发射光束，扫描装置，其在所述树脂上扫描由第一光源射出光束，第二光源，其发射每次照射所述树脂的一个固定区域的光，空间光调制器，其空间调制由第二光源射出光并全面曝光所述树脂的特定区域，和曝光位置调节器，其在至少一个方向上移动由所述空间光调制器射出的光。来自所述扫描装置的光束和来自所述空间调制器的光形成每个硬化层。
文档编号B29C67/00GK101209583SQ20071030048
公开日2008年7月2日 申请日期2007年12月28日 优先权日2006年12月28日
发明者山本真伸, 木原信宏 申请人:索尼株式会社