專利名稱：保持預(yù)期曝光水平的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于控制影象曝光部分的曝光的方法和設(shè)備。更具體地說，它是指利用光固化進行三維物體生產(chǎn)，尤其是指有控制地利用相當(dāng)高功率束射源如高功率激光器，以相當(dāng)高的速度和精度直接進行所述的生產(chǎn)。
束射源如激光器，對于在待成象表面上利用不同類型掃描進行影象生產(chǎn)非常有用。雖然一些類型的能量(如電子束)可以用電場或磁場進行偏轉(zhuǎn)掃描，但激光束掃描典型地是用機電裝置進行的，例如用若干組由伺服電機驅(qū)動的反光鏡，后者再由適當(dāng)?shù)挠嬎銠C器件控制。這些機電裝置運轉(zhuǎn)，比起其用電或磁控制的對應(yīng)裝置，是相當(dāng)慢的。
三維成象最近已變得非常重要。在三維成象中遇到的問題比二維成象中出現(xiàn)的問題復(fù)雜得多，這是由于它還需要精確控制曝光深度，以及由于三維模型的多層次結(jié)構(gòu)。
已經(jīng)有人提出了很多種利用光固化生產(chǎn)三維仿型的系統(tǒng)。歐洲專利申請(出版號250，121，由ScitexCorporation，Ltd于1987年6月6日提交，列入本文參考文獻)對本技術(shù)領(lǐng)域的有關(guān)文件做了很好的總結(jié)，其中包括應(yīng)歸功于Hull，Kodama和Herbert的各種方法。進一步的背景情況詳見1988年6月21日公布給Fudim的美國專利No4，752，498，它也列入本文參考文獻。
這些方法涉及通過對需要固化的面積或體積進行順序照射，分步形成三維物體的固體部分。描述了各種掩蔽技術(shù)，以及直接激光寫入法的使用，即利用激光束按照預(yù)期模式使可光固化組合物曝光，逐層建造一個三維模型。它們利用光柵掃描，但這也有很多缺點，例如，雖然要生產(chǎn)的物體只是總體積中一個非常小的部分，也需要掃描整個域，這在多數(shù)情況下大大增加要貯存的數(shù)據(jù)量，在總體上使貯存數(shù)據(jù)的處理更加困難，而且需要把基于計算機輔助設(shè)計(CAD)的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成光柵數(shù)據(jù)。
另一種掃描方法是矢量掃描，在這種情況下，只有對應(yīng)于剛性物體形狀的面積才必須掃描，要貯存的數(shù)據(jù)量較少，這些數(shù)據(jù)可以比較容易地進行處理，而且“90%以上基于計算機輔助設(shè)計的機器都產(chǎn)生和利用矢量數(shù)據(jù)”(Lasers&Optronics(激光和光電子學(xué))，1989年1月，Vol.8，No，1，第56頁)。矢量掃描，雖然有優(yōu)點，但引進了同光學(xué)部件(如反光鏡)的慣性有關(guān)的問題，這些光學(xué)部件可用作目前最方便的輻射源(如激光器)的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。由于這些系統(tǒng)在本質(zhì)上是電動機械的，因而要有一個加速期才能達到任何預(yù)期的射束速度。這種不可避免的速度非均一性導(dǎo)致曝光的可光固化組合物不可接受的厚度變化。特別是在各層中未曾有過高強度曝光水平的部分的情況下，就有必要使用高的射束速度，因而需要更長的加速時間，這又進一步導(dǎo)致曝光組合物的厚度非均一性。我們提出的、正在審議中的申請IM-0178(列入本文參考文獻)描述一種改進的方法和設(shè)備，能更有效地利用矢量掃描，避免其以前經(jīng)歷的缺點。然而，即使在這種情況下，所采用的機制也是相當(dāng)復(fù)雜和昂貴的。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種簡單、不昂貴的方法和設(shè)備，用經(jīng)改進的掃描方式、以射束形式輻射，尤其以激光束形式，在表面上直接寫入，在這種情況下，該表面上曝光的部分接受一種受控的曝光水平，可以使這種曝光水平保持基本上恒定。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種簡單、不昂貴的方法和設(shè)備，用上述經(jīng)改進的掃描方式對未曝光的可光固化組合物進行直接激光寫入，形成具有準確控制深度和分辨率的順序三維模型層。
本發(fā)明涉及一種用于控制影象曝光部分的曝光的方法和設(shè)備。更具體地說，它是指一種利用一束輻射使一個表面上的預(yù)定部分達到所希望的曝光水平的方法，包括下列步驟一種利用一束輻射使一個表面上的預(yù)定部分達到所希望的曝光水平的方法，包括下列步驟通過第一反光鏡和第二反光鏡組件使所述射束偏轉(zhuǎn)到所述表面，第一反光鏡有第一旋轉(zhuǎn)軸，第二反光鏡有第二旋轉(zhuǎn)軸;使所述第一反光鏡以所希望的頻率和有效振幅圍繞所述第一軸振蕩，實質(zhì)上是正弦運動，并使所述第二反光鏡圍繞所述第二軸以基本上如同對所述第一反光鏡采用的那種所述所希望的頻率和有效振幅振蕩，做基本上正弦運動，因此，兩個反光鏡的特征是有共同的頻率值和共同的振蕩值;使第一反光鏡的正弦運動和第二反光鏡的正弦運動之間保持基本上90度相位差;通過在相反方向上逐漸且同時改變該共同的有效振幅值和該共同的頻率值，使所述射束沿螺旋路線跟蹤所述表面，這樣，當(dāng)該射束照射時，就能控制這兩個值的乘積，從而在跟蹤的表面上達到所希望的曝光水平;為了使所述表面的預(yù)定部分達到所希望的曝光水平，要在預(yù)定的角度位置上關(guān)閉和打開該射束。
它也是指利用一束輻射使一個表面上的預(yù)定部分達到所希望的曝光水平的設(shè)備，包括用于提供射束的輻射源;用于使該射束偏轉(zhuǎn)到該表面的第一反光鏡和第二反光鏡組件，第一反光鏡有第一旋轉(zhuǎn)軸，第二反光鏡有第二旋轉(zhuǎn)軸;用于控制該射束的開關(guān)，該開關(guān)放置在輻射源和反光鏡組件之間;第一和第二振蕩器裝置組件，第一振蕩器裝置連接到第一反光鏡，第二振蕩器裝置連接到第二反光鏡;頻率發(fā)生器裝置，連接到第一和第二脈沖裝置，通過第一和第二脈沖裝置分別向第一和第二反光鏡各提供一種具有共同頻率和共同有效振幅的正弦運動，第一反光鏡的正弦運動和第二反光鏡的正弦運動有大約90度的相位差;計算機裝置，連接并控制頻率發(fā)生器裝置和所述開關(guān)，這樣，通過在相反方向上逐漸和同時改變共同的有效振幅值和共同的頻率值，該射束就能沿以螺旋步進為特征的螺旋路線跟蹤該表面，這樣，當(dāng)該射束照射且該開關(guān)在該表面上螺旋路線的預(yù)定位置打開和關(guān)閉時，這兩個值就保持受控狀態(tài)，從而在跟蹤的表面上產(chǎn)生所希望的恒定曝光水平。
參照以下詳細說明，結(jié)合研讀附圖，將能增進讀者對本發(fā)明優(yōu)選方案實施的理解，其中

圖1是一個示意圖，說明按照本發(fā)明的反光鏡配置和待成象的表面。
圖2說明按照本發(fā)明一個射束在待成象表面上的螺旋路線。
圖3說明一條類似圖2中所示的螺旋路線，利用射束在預(yù)先安排的位置上打開和關(guān)閉，形成一個推進器狀影象。
圖4說明當(dāng)入射角與零度的差很大時對振幅逐漸減小進行修正的方法。
圖5說明一種按照本發(fā)明操作的設(shè)備的示意方框圖。
圖6說明一種按照本發(fā)明優(yōu)選方案的設(shè)備的另一個示意方框圖。
上面已經(jīng)提到矢量掃描同光柵掃描相比所表現(xiàn)出來的優(yōu)點。然而，甚至連矢量掃描也可能有嚴重缺點。最重要的缺點之一是如下事實矢量掃描所使用的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)必須非常突然地停止或啟動。由于在激光和激光束情況下所使用的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的機械本質(zhì)，在該偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的機械部件上的反光鏡的慣性大得足以妨礙該系統(tǒng)正常地工作。因此，必須采用許多復(fù)雜的反饋機制和其它操作，這引起顯著延遲，等待反光鏡及其它機電部件達到所希望的速度值等。
本發(fā)明僅使用逐步改變反光鏡及其它機械部件的運動這一辦法，就克服突然停止和啟動這些問題。按照本發(fā)明，偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)利用兩個反光鏡，以正弦方式，以共同的頻率和共同的振幅連續(xù)振蕩，從初始值逐步改變到最終值。雖然在這兩個反光鏡的情況下頻率和振幅的值是相同的或共同的，但在這兩個反光鏡的正弦運動之間有90度相位差。
本發(fā)明的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)在圖1中做了較好的說明。它包括具有軸AA的第一反光鏡10和具有軸BB的第二反光鏡12。第一反光鏡10以一定的頻率和一定的振幅圍繞第一軸AA振蕩。第二反光鏡也以相同頻率和相同振幅圍繞它的軸BB振蕩。盡管兩個反光鏡的頻率在數(shù)值上相同，但第一反光鏡的振蕩與第二反光鏡的振蕩有90度的相位差。這意味著，當(dāng)?shù)谝环垂忡R振幅的瞬時值通過最大值或最小值時，第二反光鏡振幅的瞬時值通過零。順便說一句，振幅是指有效振幅，它將在下文加以定義和解釋。然而，這兩個反光鏡的正弦運動，雖然它們具有90度相位差這一特征，但有共同的頻率和共同的有效振幅。
最好是，第一軸和第二軸是彼此垂直的。這意味著，第一軸在通過第二軸的任何平面上的投影是垂直于第二軸的;而第二軸在通過第一軸的任何平面上的投影也是垂直于第一軸的。當(dāng)然，在每種情況下都有一個平面包含這兩個軸中的一個，在此，另一個軸的投影只是一個點。
還是參照圖1，射束15(1)最好是一個激光束，最初由反光鏡10在點11上偏轉(zhuǎn)，然后由反光鏡12在點13上偏轉(zhuǎn)。點11最好包含在反光鏡10且在軸AA上，而且它是靜止的。另一方面，點13包含在反光鏡12中，而且它最好只沿軸BB運動。這種配置為一給定射束直徑提供盡可能小的反光鏡尺寸，這一點極為重要，因為它對該系統(tǒng)的慣性貢獻最小。也很重要的是，由于同樣的理由，反光鏡要盡可能輕。射束15被該系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)到待成象表面17。每個反光鏡都有一個位置，使得能把射束15(2)偏轉(zhuǎn)到表面17的中心點29上。點29最好選擇在待成象面積的重心附近。
假定在某一時刻反光鏡12是靜止的，且反光鏡10正在圍繞其軸AA脈動，那么，在表面17上將產(chǎn)生該射束的軌跡23。這個軌跡23將是一條線段?，F(xiàn)在假定反光鏡10是靜止的而反光鏡12是脈動的，則在表面17上射束15(3)的軌跡將是線段25。線段23和25都通過表面17上的點29。反光鏡10的有效振幅被定義為線段23，而反光鏡12的有效振幅則被定義為線段25。按照本發(fā)明，分別為反光鏡10和反光鏡12的振幅的線段23和25基本上具有相同數(shù)值。由于各射束在直徑上可能不同或甚至沿其直徑有不同的強度分布，因此，當(dāng)談?wù)撘粋€射束產(chǎn)生的軌跡或一個入射點等時，指的是該射束的中心而不是該射束的整個橫截面。當(dāng)?shù)谝环垂忡R10和第二反光鏡12都以相同的頻率和相同的有效振幅脈動時，射束15的軌跡形成圓27，如圖1所示。為了使這種情況發(fā)生，這兩個反光鏡的正弦運動必須有基本上相同的數(shù)值且相位差為90度。當(dāng)這兩個反光鏡的共同振幅值開始從一定值向零變化或者反過來，則圖1的圓27將變成表面17上的一個螺旋或一條螺旋線30，如圖2中所示。重要的是要通過逐漸和同時，不僅改變共同的有效振幅值，而且也以其反比關(guān)系改變共同的頻率值，使該射束沿螺旋路線30跟蹤該表面，這樣，這兩個值的乘積就能得到控制，從而當(dāng)該射束照射時，就在跟蹤的表面上產(chǎn)生所希望的恒定曝光水平。“反比關(guān)系”是指，如果共同的振幅值逐漸減小，則共同的頻率值就相應(yīng)增大，反之亦然。雖然激光束強度的快速模擬變化不能以高精度達到，但該射束的開關(guān)切換是一個相當(dāng)便捷的問題。因此，在其沿螺旋路線運動期間，為了在表面31的預(yù)定部分形成影象，可以在預(yù)先安排的位置使該射束迅速開關(guān)切換，如圖3中所示。當(dāng)射束沿其螺旋路線運動時，在面積或表面部分35邊界范圍內(nèi)使該射束關(guān)閉并保持關(guān)閉，以及在面積31的邊界范圍內(nèi)使該射束打開并保持打開，就產(chǎn)生了面積或表面部分31，它在圖3的實例中是一個類似推進器的影象。雖然本發(fā)明的主要目的是要在曝光的面積上保持基本上恒定的曝光水平，但也有可能在一定范圍內(nèi)控制曝光，而且為了得到特殊結(jié)果，進一步逐漸改變共同頻率或共同有效振幅或兩者都改變，按照意愿迫使它偏離恒定值。例如，如果在部件制作之后該部件中總是存在卷曲問題，那么，在該部件不同部分之間適當(dāng)?shù)墓夤袒町惥涂梢韵@種卷曲，得到一個具有較好品質(zhì)的部件。這些偏離也可以用來可控地改變各單層在該層不同部分的厚度，雖然這是一個更加艱巨的任務(wù)。
如果始于點11、通過點13且止于點29的射束15(3)(圖1)的路線16(圖4)比該表面上待成象部分的最大尺寸長得多，那么，就不存在象散性或反射變化的問題，而且具有平面構(gòu)型的表面，例如表面17，對所有實用目的而言，同以點11和12之間的距離加上點13和29的距離為半徑的球，即同平表面17相切于點29的球的表面沒有顯著差異。在這樣一種情況下，射束15在表面17上的入射角可以被認為是定值，并基本上等于0度。由于在這種情況下認為入射角是定值，所以沒有必要做任何修正來彌補表面17是平面而不是球面這一事實，因而保持曝光恒定。
一般來說，隨著振幅變化，為了在曝光區(qū)達到恒定曝光，必須對共同頻率的變化做許多不同的修正。然而，在表面17和反光鏡之間的距離(射束15始于點11、通過點13、止于點29的路線)固定的情況下，保持曝光恒定的唯一要求是，以振幅和頻率的乘積保持基本上不變的方式，頻率與振幅同時變化。該螺旋的兩條相鄰路線之間的距離，如圖2中所示，在整個螺旋中也可以保持基本上不變。如圖2中所示，通過中心29的線32同該螺旋相交于點33和34。由點33和34定義的線段，在這種情況下是該螺旋兩個最高的部分之間的距離。為了在二維成象系統(tǒng)中形成良好的掃描影象，技術(shù)上已知的是，兩條鄰線(在這種情況下是螺旋線)之間能消除影象中波紋視覺的最佳掃描線間隔，是在這兩條線之間的距離近似等于或小于具有高斯強度分布的成象射束的1/e2直徑時發(fā)生的。對于固體成象來說，掃描線或螺旋線的布局必須更加緊密。這一點的原因是，非高斯材料厚度對曝光的響應(yīng)不會重疊得足以使該可光固化組合物具有均一的光固化深度。對于固體成象來說，掃描間隔最好等于或小于該成象高斯射束在成象平面上的全寬度半最大值或1/e0.693直徑，以便使底面波紋減少到最低限度。
在反光鏡10和12組件同表面17之間的距離(射束15始于點11、通過點13、止于點29的路線)可與該表面上待成象部分的最大尺寸相比擬的情況下，必須進行修正才能保持曝光恒定。圖4中說明需要進行第一項修正，該圖代表表面17的一個橫截面，該橫截面含有圖2的線32，和一個在點29正切于表面17的球，該球的半徑16等于該射束路線從第一反光鏡到表面17的長度。座標X1和X2代表圖2螺旋線在表面17上的點33和34。
如果人們使用角q(等于入射角u，圖4)控制共同有效振幅和該螺旋線的兩條相鄰路線之間的距離，人們就能認識到，只有當(dāng)反光鏡組件和表面17之間的距離同必須成象的部分的最大尺寸相比非常大時，角q才正比于表面17上的瞬時共同振幅。在這種距離如圖4中所示那樣相當(dāng)小的情況下，角q1和q2會正比于球36的橫截面上的對應(yīng)弧，這兩個弧分別由點29和點1及點2確定。因此，如果這條螺旋線是在球面36上形成的，它就只會同與入射角相等的角q呈良好的相關(guān)性。在位置16a對應(yīng)于該射束的角q1和在位置16b對應(yīng)于同一射束的角q2，就能確定一個角差，這恰好對應(yīng)于圖4中點1和點2之間的弧。這段弧又對應(yīng)于一段更大的距離，例如，在表面17的橫截面上點X1和X2之間的距離。角q越大，球面上的弧和平面上的線段之間的這種差就越大。為了補償這種差，每個點上的角都必須修正，使得球面上點1和2之間的距離等于實際平面上兩條相鄰螺旋路線的點之間的距離。因此，計算出一個新角，對應(yīng)于射束路線16c和點X3，使得點X1和X3之間的距離等于點1和2之間的準確距離。利用技術(shù)上眾所周知的簡單三角函數(shù)方程便可做到這一點。這種修正可以說是一種共同有效振幅修正。
必須對該射束在不同角度上從該表面向外的部分反射的差異進行第二項修正。反射光的量也取決于環(huán)境和待成象表面的折射率，可以用技術(shù)上眾所周知的關(guān)系計算，如Snell定律，F(xiàn)resnel方程等。一般來說，隨著圖4中入射角u顯著偏離零度，反射光的量增加，因而穿透該表面的有效輻射量按照上述定律和方程減少。這樣，可以做一個修正，以便減少正比于因偏離零度入射而引起的輻射減少的頻率，從而保持曝光恒定。由于在該螺旋線形成期間入射角逐漸變化，所以頻率變化也將是逐漸的，且易于用機電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)實現(xiàn)。這種修正可以說是共同頻率修正。在任何情況下，重要的是必須保持入射角(等于圖4中所示的角q)小于臨界角，大于此角時，從該表面反射掉的總輻射量就很可觀。
圖4中的距離16可以認為是大到足以在很多情況下不需要做上述修正，此時角q的正切或入射角u的正切小于0.25。如果入射角的正切大于0.25，那么，在多數(shù)情況下就需要對共同有效振幅和共同頻率進行修正。然而，入射角正切可以有很大差異，這取決于用途。
實施本發(fā)明方案的設(shè)備實例表示于圖5。這種設(shè)備包含一個輻射源50，例如一個能產(chǎn)生射束15的激光器。射束15通過一個切換開關(guān)，例如一個聲光調(diào)制器，然后用反光鏡10和12使之偏轉(zhuǎn)。反光鏡10和12通過振蕩裝置，如分別通過伺服電機67和65賦能。其它類型的振蕩裝置可以包括共振器件，其自然頻率是可以逐漸改變的，例如可以通過機械裝置或機電裝置改變。電機67和65再由頻率發(fā)生器59賦能，后者也由計算機57耦聯(lián)和控制。然后，用反光鏡10和12使射束15指向表面17。使用反饋線和控制線72、75、77和81把該設(shè)備的對應(yīng)部件耦聯(lián)起來，如圖6中所示。
如上所述，本發(fā)明的重要特性之一是利用如下優(yōu)點在這些反光鏡的減小或增大正弦運動以產(chǎn)生該射束的一條螺旋路線期間，為了保持所希望的曝光，只需使機械部件的運動逐漸改變，而且它們可以容易地加以操縱。此外，當(dāng)有效振幅增大時頻率相應(yīng)減少，這一事實明顯地有助于解決慣性問題。
在操作方面，輻射源50，最好是一個激光器，產(chǎn)生一個射束15，通過切換開關(guān)50。然后，為了使該表面的選定部分成象，使射束15通過反光鏡10和12偏轉(zhuǎn)到表面17。計算機57貯存有對應(yīng)于要在表面17上形成的影象的開關(guān)位置的圖形數(shù)據(jù)，它通過線72控制開關(guān)53，并在要成象的表面上射束路線的適當(dāng)位置打開和關(guān)閉這個開關(guān)。計算機57也通過線75控制頻率發(fā)生器59，并給它命令，它再產(chǎn)生適當(dāng)信號，通過線77饋給反光鏡控制馬達65，通過線81饋給馬達67，這兩種信號之間的唯一差別是它們的相位相差約90度。計算機57命令發(fā)生器59給出在相反方向上逐漸變化的共同有效振幅和共同頻率，以便在計算機57進行并處理所有修正(如果有修正的話)之后在表面17的曝光區(qū)產(chǎn)生所希望的曝光。在最簡單的情況下，即同成象部分的最大尺寸相比，反光鏡組件和待成象表面之間的距離很長，不需要做如同前面所討論的那樣修正，只要在螺旋線形成期間振幅和頻率按反比關(guān)系發(fā)生逐漸變化時共同頻率與共同振幅的乘積保持恒定。另一方面，當(dāng)反光鏡組件和待成象表面之間的距離同成象部分的最大尺寸不相上下時，如同前述那樣對共同有效振幅和對共同頻率的進一步修正，是采用眾所周知的技術(shù)并入計算機57的數(shù)據(jù)處理計算的。唯一重要的是，有或無進一步修正的振幅和頻率的所有變化都是逐漸的，當(dāng)然，除了在起動和終止操作期間它們的初始值和最終值外，在這兩個點上必然會發(fā)生突然變化，最好是把該射束關(guān)閉。
最好的開關(guān)類型是聲光開關(guān)?？梢允褂玫钠渌_關(guān)實例有電光開關(guān)，它基于一個當(dāng)施加電壓時會改變光學(xué)極性的晶體;液晶門，例如可以用于可見光區(qū)的那一種，由MeadowlarkOpties(7460EastCountyLineRoad，Longmont，Colorado80501)制作，稱為射束門。它也基于液晶材料極化作用的變化;
壓電元件(CellS)，它可以使隔膜移動，例如一個小針孔;基于所謂PLZT(Pb0.9，La0.1，Zr0.65，Ti0.35)的開關(guān)，它依靠極化作用工作。兩塊極化板放在一起，使它們的軸互成90度，在它們中間插入一個PLZT鐵電晶體。這個PLZT晶體能使所通過的光的極性旋轉(zhuǎn)，這取決于是否有電場作用于PLZT上?，F(xiàn)假定處于關(guān)閉位置上(PLZT沒有電場)，通過第一偏振器的光原樣不變地通過PLZT，并受到第二偏振器阻擋。但當(dāng)PLZT受到電場作用時，通過第一偏振器的光被PLZT旋轉(zhuǎn)，并能通過第二偏振器。
待成象表面可以是任何表面，它的至少一種性質(zhì)(化學(xué)性質(zhì)或物理性質(zhì))在受到輻射的區(qū)域會發(fā)生變化。這些區(qū)域也可以稱為成象區(qū)。例如，基于鹵化銀或其它化合物的黑白或彩色照象表面，靜電印刷表面，磁性表面，消蝕表面或短效表面，變形表面，液晶表面，光聚合物表面，等。雖然按照嚴格的定義，“表面”這個詞是指兩種不同物質(zhì)之間或一種物質(zhì)和真空之間的界面，這個界面有無限小的厚度，但為了本發(fā)明的目的，“界面”的定義包括有限厚度的層次。因此，光刻膠涂層，或可光固化組合物層，或受輻射作用時易改變的化合物膜，都認為是屬于本發(fā)明范圍的表面。較好的輻射是光，包括紫外光(uv)，可見光和紅外光(IR)。從這三種波段的光來看，紫外光是最好的。
在本發(fā)明的一種較好的具體方案中，如上所述，為了形成一個固體物品，要在一種可光固化組合物的連續(xù)各層中使不只一個表面受到恒定曝光射束照射。最好使用液體可光固化復(fù)合物。
引進連續(xù)各層可光固化液體并使之對諸如激光這樣的輻射曝光的方法，一般是用兩種方法，或者兩者的組合。在第一種方法中，在容器內(nèi)有一個液池，不必引進額外的可光固化液體。在這樣的情況下，一個可移動臺或底板支撐該液體。起初，提升這個臺或底板，使得有一部分可光固化液體在該臺或底板上面，及一部分該液體在該容器內(nèi)該臺或底板邊沿周圍和/或在它下面。(例如，有一個臺，當(dāng)使用它時能使液體流到該臺下面。)在臺上的一部分液層曝光和光固化之后，降低該臺，使另一層可光固化液體能流到前一層上面，隨后使新加上的液層上預(yù)定的面積曝光。如果因最終三維物體的形狀而有必要時，可以使不只一個液層的厚度光固化。降低臺或底板以及曝光這一步驟繼續(xù)進行下去，直到形成所希望的三維物體。
在第二種方法中，不需要使用一個可移動的臺或底板，而是在一次曝光步驟之后把一定量新的可光固化液體引進到一個容器中，在同時含有光固化材料和液體可光固化材料的前一個曝光層上形成一個新液層。這種液體引進方式并不重要;重要的事情是要有能力使各相繼液層光固化。
在圖6中，一個可移動臺691起初定位于液體可光固化組合物690中，離開表面696有一段短的預(yù)定距離，在表面696和臺691之間提供一個薄層698。臺691的定位是由定位裝置692提供的，后者又受到計算機裝置657按照貯存于其中的數(shù)據(jù)通過線699控制。當(dāng)該剛性物品的第一層完成時，可移動臺691就由定位裝置692通過來自計算機裝置657的命令降低一段小的預(yù)定距離。按照來自計算機657的一個類似命令，成層裝置如醫(yī)用手術(shù)刀693就刮過表面696，以使其平整。然后按照相同的步驟產(chǎn)生第二層、第三層及以后各層，直至該剛性物品完成。
不管掃描類型如何，為了收到預(yù)期效果和特性，用于固體成象目的的可光固化組合物的配方非常重要。一種用于固體成象的可光固化組合物應(yīng)當(dāng)至少含一種可光固化單體或低聚體和至少一種光引發(fā)劑。對本發(fā)明來說，單體和低聚體這兩個詞有基本上相同的含義，它們可以互換使用。
可以單獨使用或與其它單體組合使用的適用單體實例包括丙烯酸和異丁烯酸的叔丁酯，二丙烯酸和二異丁烯酸的1，5-戊二醇酯，丙烯酸和異丁烯酸的N，N-二乙氨基乙酯，二丙烯酸和二異丁烯酸的乙二醇酯，二丙烯酸和二異丁烯酸的1，4-丁二醇酯，二丙烯酸和二異丁烯酸的二甘醇酸，二丙烯酸和二異丁烯酸的1，6-己二醇酯，二丙烯酸和二異丁烯酸的1，3-丙二醇酯，二丙烯酸和二異丁烯酸的1，10-癸二醇酯，二丙烯酸和二異丁烯酸的1，4-環(huán)己烷二醇酯，二丙烯酸和二異丁烯酸的2，2-二(羥甲基)丙烷酯，二丙烯酸和二異丁烯酸的甘油酯，二丙烯酸和二異丁烯酸的三丙二醇酯，三丙烯酸和三異丁烯酸的甘油酯，三丙烯酸和三異丁烯酸的三(羥甲基)丙烷酯，三丙烯酸和三異丁烯酸的季戊四醇酯，三丙烯酸和三異丁烯酸的聚氧乙烯化三(羥甲基)丙烷酯，以及在美國專利No3，380，831中公開的類似化合物，二丙烯酸2，2-二(對羥基苯基)丙烷酯，四丙烯酸和四異丁烯酸的季戊四醇酯，二異丁烯酸2，2-二(對羥基苯基)丙烷酯，二丙烯酸三甘醇酯，二異丁烯酸聚氧乙基-2，2-二(對羥基苯基)丙烷酯，雙酚A的二(3-異丁烯酰氧基-2-羥基丙基)醚，雙酚A的二(2-異丁烯酰氧基乙基)醚，雙酚A的二(3-丙烯酰氧基-2-羥基丙基)醚，雙酚A的二(2-丙烯酰氧基乙基)醚，1，4-丁二醇的二(3-異丁烯酰氧基-2-羥基丙基)醚，二異丁烯酸三甘醇酯，三丙烯酸聚氧丙基三(羥甲基)丙烷酯，二丙烯酸和二異丁烯酸的丁二醇酯，三丙烯酸和三異丁烯酸的1，2，4-丁三醇酯，二丙烯酸和二異丁烯酸的2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇酯，二異丁烯酸1-苯基-1，2-亞乙酯，富馬酸二烯丙酯，苯乙烯，二異丁烯酸1，4-苯二酚酯，1，4-二異丙烯基苯，和1，3，5-三異丙烯基苯。也可使用分子量至少300的烯類不飽和化合物，如從2～15碳的亞烷基二醇或1～10個醚鍵的聚亞烷基醚二醇制備的二丙烯酸亞烷基酯或聚亞烷基二醇酯，以及在美國專利No2，927，022中公開的那些化合物，如具有多個可加成聚合的烯鍵尤其當(dāng)作為末端鍵存在時的那些化合物。尤其好的單體是三丙烯酸乙氧基化三(羥甲基)丙烷酯，三丙烯酸乙基化季戊四醇酯，單羥基五丙烯酸二季戊四醇酯，二異丁烯酸1，10-癸二醇酯，雙酚A低聚物的二(3-丙烯酰氧基-2-羥基丙基)醚，雙酚A低聚物的二(3-異丁烯酰氧基-2-羥基烯丙基)醚，二丙烯酸類和異丁烯酸類的尿烷酯以及它們的低聚物，丙烯酸類和異丁烯酸類的己內(nèi)酯，二丙烯酸和異丁烯酸的丙氧基化新戊二醇酯，以及它們的混合物。
可在本發(fā)明中單獨使用或組合使用的光引發(fā)劑實例詳見美國專利No2，760，863，包括鄰位酮醇類，如苯偶姻，新戊偶姻;偶姻醚類如苯偶姻甲醚和乙醚，苯偶酰二甲基縮酮;α-烴基取代的芳族偶姻，包括α-甲基苯偶姻，α-烯丙基苯偶姻，α-苯基苯偶姻，1-羥基環(huán)己基酚酮，二乙氧基苯基乙酰苯，2-甲基-1-〔4-(甲硫基)苯基〕-2-嗎啉基丙酮-1。在美國專利No2，850，445，2，875，047，3，097，096，3，074，974，3，097，097和3，145，104中公開的可光還原染料和還原劑，以及吩嗪、嗪和醌類染料，米酮，二苯甲酮，丙烯酰氧基二苯甲酮，2，4，5-三苯基咪唑基二聚體連同授氫體，包括白色染料及其混合物，如美國專利No3，427，161，3，479，185和3，549，367中所描述的，均可用作引發(fā)劑。也可同光引發(fā)劑和光抑制劑一起使用的是美國專利No4，162，162中公開的敏化劑。按可光固化組合物總重量計，光引發(fā)劑系統(tǒng)的用量為0.05～10%(重量)。不發(fā)生熱引發(fā)但在或低于185℃受光照射時能產(chǎn)生自由基的其它適用光引發(fā)系統(tǒng)包括取代的或未取代的、屬于在一個共軛碳環(huán)的環(huán)系統(tǒng)中有兩個環(huán)內(nèi)碳原子的化合物的多核醌，如9，10-蒽醌，2-甲基蒽醌，2-乙基蒽醌，2-叔丁基蒽醌，八甲基蒽醌，1，4-萘醌，9，10-菲醌，苯并(a)蒽-7，12-二酮，2，3-并四苯-5，12-二酮，2-甲基-1，4-萘醌，1，4-二甲基蒽醌，2，3-二甲基蒽醌，2-苯基蒽醌，2，3-二苯基蒽醌，惹烯醌，7，8，9，10-四氫并四苯-5，12-二酮，和1，2，3，4-四氫苯并(a)蒽-7，12-二酮;還有α-氨基芳族酮，鹵代化合物，如三氯甲基取代的環(huán)己二烯酮和三嗪或氯代的乙酰苯衍生物，在叔胺存在下的噻噸酮，和titanocenes。
雖然較好的光固化機理是自由基聚合，但其它光固化機理也適用于本發(fā)明范疇。此類其它機理包括但不限于陽離子聚合，陰離子聚合、縮合聚合、加成聚合等。
在可光固化組合物中也可以存在其它成分，如顏料，染料，擴鏈劑，熱抑制劑，層間和一般界面的粘合促進劑，如有機硅烷偶合劑，分散劑，表面活性劑，增塑劑，涂布助劑如聚氧乙烯等，只要該可光固化組合物能保留其基本性質(zhì)即可。
雖然本發(fā)明是按照其較好的實施例描述的，但它并不受此限制，且應(yīng)當(dāng)理解為是按照所附權(quán)利要求的范圍定義的。
權(quán)利要求
1.用一束輻射使一個表面的預(yù)定部分達到預(yù)期曝光水平的方法，包括下列步驟通過第一反光鏡和第二反光鏡組件使所述射束偏轉(zhuǎn)到所述表面，第一反光鏡有第一旋轉(zhuǎn)軸，第二反光鏡有第二旋轉(zhuǎn)軸；使第一反光鏡以預(yù)期頻率和有效振幅按基本上正弦運動圍繞所述第一軸振蕩，使第二反光鏡按基本上正弦運動以基本上同第一反光鏡采用的一樣的預(yù)期頻率和有效振幅圍繞第二軸振蕩，這樣，這兩個反光鏡是以共同頻率值和共同有效振幅值為特征的；保持第一反光鏡正弦運動和第二反光鏡正弦運動之間大約90度相位差；通過按反比關(guān)系逐漸且同時改變共同有效振幅值和共同頻率值，用所述射束以螺旋路線跟蹤所述表面，從而對這兩個值的乘積加以控制，因而當(dāng)該射束照射時能在所跟蹤的表面上產(chǎn)生預(yù)期曝光水平；和在預(yù)定角度位置使該射束關(guān)閉和打開，目的是使該表面上位于預(yù)先安排位置范圍內(nèi)的所述預(yù)定部分達到預(yù)期曝光水平。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述預(yù)期曝光是一個恒定曝光水平。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述第一軸垂直于所述第二軸。
4.權(quán)利要求1的方法，其中為了保持基本上恒定曝光，使共同頻率值和共同有效振幅值的乘積保持恒定。
5.權(quán)利要求4的方法，其中為了保持基本上恒定曝光，疊加一個附加的共同有效振幅修正步驟。
6.權(quán)利要求5的方法，其中為了保持基本上恒定曝光，疊加一個共同頻率修正步驟。
7.權(quán)利要求1的方法，其中該射束是激光束。
8.權(quán)利要求1的方法，其中該表面含有一種照象成分。
9.權(quán)利要求1的方法，其中該表面含有一種液晶成分。
10.權(quán)利要求1的方法，其中該表面含有一種靜電復(fù)印成分。
11.權(quán)利要求1的方法，其中該表面含有一種磁性成分。
12.權(quán)利要求1的方法，其中該表面含有一種短效成分。
13.權(quán)利要求1的方法，其中該表面含有一種變形成分。
14.權(quán)利要求1的方法，其中該表面含有一種光聚合物成分。
15.權(quán)利要求1的方法，其中該表面是一種可光固化組合物，且為了從該可光固化組合物的連續(xù)各層制作一個完整的三維物品，還包括下列步驟(a)形成一層該可光固化組合物;(b)通過射束曝光，使該層可光固化組合物的至少一部分發(fā)生光固化;(c)在前面對該射束曝光的那一層上，引進一層新的可光固化組合物;(d)通過射束曝光，使該新層的至少一部分發(fā)生光固化;和(e)重復(fù)步驟(c)和(d)，直至制成一個預(yù)期的整體三維物品。
16.利用一束輻射使一個表面的預(yù)定部分達到預(yù)期曝光水平的設(shè)備，包括一個輻射源，用于提供一個射束;第一反光鏡和第二反光鏡組件，用于使射束偏轉(zhuǎn)到所述表面，第一反光鏡有第一旋轉(zhuǎn)軸，而第二反光鏡有第二旋轉(zhuǎn)軸;一個開關(guān)，用于控制所述射束，該開關(guān)配置在輻射源和反光鏡組件之間;第一和第二振蕩器裝置組件，第一振蕩器裝置連接到第一反光鏡，而第二振蕩器裝置連接到第二反光鏡;頻率發(fā)生器裝置，連接到第一和第二振蕩器裝置，用于分別通過第一和第二振蕩器裝置為第一和第二反光鏡各提供一種具有共同頻率和共同有效振幅的正弦運動，第一反光鏡的正弦運動和第二反光鏡的正弦運動有基本上90度的相位差;和計算機裝置，連接到并控制該頻率發(fā)生器裝置和所述開關(guān)，從而使該射束沿一條以一個螺旋步為特征的螺旋路線跟蹤該表面，通過在相反方向上逐漸且同時改變共同有效振幅值和共同頻率值，使這兩個值的乘積保持受控狀態(tài)，從而當(dāng)該射束打開且該開關(guān)在該表面上螺旋路線的預(yù)定位置打開和關(guān)閉時，在所跟蹤的表面上產(chǎn)生預(yù)期恒定曝光水平。
17.權(quán)利要求16的設(shè)備，其中所述曝光是一個恒定曝光水平。
18.權(quán)利要求16的設(shè)備，其中第一軸垂直于第二軸。
19.權(quán)利要求16的設(shè)備，其中為保持曝光基本上恒定，由該計算機裝置使共同頻率和共同有效振幅的乘積保持基本上恒定。
20.權(quán)利要求19的設(shè)備，其中為保持曝光基本上恒定，該計算機裝置疊加一個附加的共同有效振幅修正。
21.權(quán)利要求19的設(shè)備，其中該計算機裝置疊加一個附加的共同頻率修正，用以使曝光保持基本上恒定。
22.權(quán)利要求19的設(shè)備，其中該計算機裝置同時疊加一個附加的共同有效振幅修正和一個共同頻率修正，用以使曝光保持基本上恒定。
23.權(quán)利要求16的設(shè)備，其中該束輻射是一個激光束。
24.用于從一種可固化組合物的連續(xù)各層準確制作一個整體三維剛性物品的設(shè)備，包括一個輻射源，用于提供一個射束;第一反光鏡和第二反光鏡組件，用于使該射束偏轉(zhuǎn)到各層可光固化組合物，第一反光鏡有第一軸，而第二反光鏡有第二軸;一個開關(guān)，用于使該射束打開和關(guān)閉，所述開關(guān)配置于該輻射源和反光鏡組件之間;第一和第二振蕩器裝置組件，第一振蕩器裝置連接到第一反光鏡，第二振蕩器裝置連接到第二反光鏡;頻率發(fā)生器裝置，連接到第一和第二振蕩器裝置，用于分別通過第一和第二振蕩器裝置為第一和第二反光鏡各提供一種具有共同頻率和共同有效振幅的正弦運動，第一反光鏡的正弦運動和第二反光鏡的正弦運動有基本上90度的相位差;計算機裝置，連接到并控制該頻率發(fā)生器裝置和開關(guān)，這樣，就能通過在相反方向上逐漸且同時改變共同有效振幅和共同頻率值，使該射束沿螺旋路線跟蹤各層，使得這兩個值的乘積保持受控狀態(tài)，從而當(dāng)該射束打開且該開關(guān)在該表面上螺旋路線的預(yù)定位置打開和關(guān)閉時，能在所跟蹤的表面上產(chǎn)生預(yù)期曝光水平;和定位裝置，受所述計算機裝置控制，安置各層可光固化組合物，使得在每一層至少部分受到該射束照射之后能彼此重疊，直至該整體三維剛性物品形成。
25.權(quán)利要求23的設(shè)備，其中預(yù)期曝光水平是一個恒定曝光水平。
26.權(quán)利要求23的設(shè)備，其中第一軸垂直于第二軸。
27.權(quán)利要求23的設(shè)備，其中共同頻率和共同有效振幅的乘積由計算機裝置保持基本上恒定，使曝光維持基本上恒定。
28.權(quán)利要求26的設(shè)備，其中該計算機裝置疊加一個附加的共同有效振幅修正，使曝光保持基本上恒定。
29.權(quán)利要求26的設(shè)備，其中該計算機裝置疊加一個附加的共同頻率修正，用于使曝光保持基本上恒定。
30.權(quán)利要求26的設(shè)備，其中該計算機裝置同時疊加一個附加的共同有效振幅修正和一個共同頻率修正，用于維持曝光基本上恒定。
31.權(quán)利要求23的設(shè)備，其中該束輻射是一個激光束。
全文摘要
一個用于使一個表面選擇性曝光的射束，借助于兩個圍繞相互垂直的軸振動的振蕩反光鏡，沿一條螺旋路線移動。通過保持振蕩頻率和旋轉(zhuǎn)振蕩反光鏡偏轉(zhuǎn)的恒定乘積，使曝光水平能達到基本上恒定。
文檔編號G02B26/10GK1047927SQ9010399
公開日1990年12月19日 申請日期1990年5月31日 優(yōu)先權(quán)日1989年5月31日
發(fā)明者尤斯塔西奧斯·瓦西里歐 申請人:納幕爾杜邦公司