CN102300698B - 用于立体印刷设备的照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种照明系统(30)包括：多个发光二极管(34)，每个发光二极管具有至少第一发光表面(36)和第二表面(37)，所述第一和第二表面中的至少一个基本上是平的；多个电气路径(56)，所述电气路径选择性地连接到各个发光二极管，使得每个发光二极管可单独受控；和水平表面(46，52)，其中所述水平表面基本上是平坦的并与每个发光二极管的至少一个基本上平坦的表面(37，36)水平接触，由此二维阵列的发光二极管在平行于所述水平表面的平面内延伸。

Description

用于立体印刷设备的照明系统

技术领域

本发明涉及立体印刷领域，尤其涉及用于立体印刷设备的照明系统。

背景技术

立体印刷也称为3D印刷，是用于生产高精度部件的快速原型构建技术。在简单实施中，立体印刷可使用大桶的液体光固化光敏树脂和计算机控制的紫外线激光器来固化该树脂，一次一层。该构建方法基本上是循环的。针对与一块要生产的部件相对应的每一层，激光束的光斑描摹该液体树脂表面上的各个横截面图案。激光照射固化或凝固所描摹的图案，并且把该图案粘贴到下面的层上。一旦已经固化了一层，制作中的部件——其可搁置在浸入该大桶光敏树脂的升降平台上——可下降一单层的厚度使得其顶层又刚好置于树脂表面之下，从而允许建造下一层。继续这种步骤的次序直到完成该部件。

该立体印刷设备可装备有照明系统，而不用激光器，该照明系统包括二维阵列的发光二极管(LED)和用于光敏树脂选择性照明的透镜。该照明系统整体上可以可移动地方式相对于工件的位置放置，而发光二极管可刚性地相互连接并刚性连接到透镜。该透镜可用于把发光二极管的发光表面成像到光敏树脂的表面。优选地，每个发光二极管都与自己的共轭像点相关联，使得包括一定数量的发光二极管的阵列可产生刚好同样多的像点。在产生过程中，可相对于容纳光敏树脂的大桶以扫描方式移动该照明系统，而各个发光二极管可以选择性地接通或切断以根据要凝固的层的横截面图案来照明树脂表面。与激光器相比，基于发光二极管照明的照明系统相对来说不贵。此外，其可以更快的生产速度提供同样高的精度。

已发现要以经济的方式生产可靠的照明系统还存在问题。主要原因在于能够照明光敏树脂到高精度以生产工件的相当精细的零件的照明系统必须能够在明确限定的位置产生具有明确限定的尺寸的足够亮的像点。足够光亮这个要求就需要具有高数值孔径的光学系统，因为更高的数值孔径使该光学系统能从发光二极管收集更多的光。然而，高数值孔径可能伴有像点尺寸对于精确的发光二极管位置的高敏感度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可经济生产的发光二极管照明系统，其设计允许该系统与具有高数值孔径的光学系统结合使用。

为达到上述目的，本发明提供一种适用于立体印刷设备的照明系统，包括：多个发光二极管，每个发光二极管具有至少第一发光表面和第二表面，该第一和第二表面中的至少一个基本上是平的；

多个电气路径，该电气路径选择性地连接到各个发光二极管，使得每个发光二极管可单独受控；以及水平表面(levelling surface)，其中该水平表面基本上是平坦的并与每个发光二极管的至少一个基本上平坦的表面水平接触，由此二维阵列的发光二极管在平行于该水平表面的平面内延伸。

为了在z方向获得所需要的精度，该发光二极管与基本上平坦的水平表面水平接触。术语“基本上平坦”指表面不平度小于10um、优选为小于5um的表面。这种表面平整度程度可通过，比如光学抛光，获得。该水平表面，比如，可由机械载体或支撑体，或由多透镜阵列提供，下文中将会阐明。要注意的是，水平表面可由多个在相同表面延伸的分离的水平表面组成。因此，水平表面这个词没必要理解为单个的连续表面。参见例如图2和下文论述。

为了在x-y平面，即二维发光二极管阵列的平面，获得足够的定位精度，或为了在x-y平面提高其定位精度，根据本发明的照明系统可使用被切成方块(diced)但未包装的发光二极管，即裸片，制造。基本思想是将普通的表面安装型发光二极管嵌入集成电路封装，该封装，当由取放型机器人处理时，被作为参考。因为集成电路封装的外部尺寸可能刚好超过封装在内部的发光二极管所期望的位置容差，这样机器人可能无法以所期望的精度来定位表面安装型发光二极管。然而，没有集成电路封装的隐约出现，取放型机器人可确定裸片的精确位置并相应地进行定位。比如，与使用单片阵列相比，把晶片切成方块可以非常有效地使用晶片材料并因此实现经济的生产工艺。去掉集成电路封装也意味着在实际的发光二极管和与发光二极管热连接的支撑体之间去除了热性绝缘挡板。发光二极管的工作温度因此可更低，这有利于其使用寿命和光输出。

根据本发明的一个方面，水平表面由包括至少第一层的基本上为刚性的支撑体提供，该第一层提供该水平表面并包括导热系数至少为150W/mK的材料。

众所周知，发光二极管显示对温度的光输出敏感性，事实上，发光二极管会因过高的温度而永久性地退化。为了提高发光二极管阵列的预期寿命以及同样重要地，光输出的均匀性，就要小心确保发光二极管不要过度和/或不均匀地加热。为达到上述目的，与发光二极管热连接的水平表面优选地可包括具有大导热系数比如大于150W/mK的材料，比如铜或铝。在一些实施例中，支撑体可包括多个层。该支撑体，比如可包括殷钢(Invar)基底，顶部配有相对薄的提供水平表面的铜层。该铜层的导热系数大于150W/mK，可与发光二极管的第二表面相接触，并允许发光二极管散热。该铜层散发热量，并把热量传递到殷钢基底，该殷钢基底具有更低的导热系数但更有利(即更低)的热膨胀系数。由于发光二极管对基底的均匀或不均匀加热，殷钢基底将限制发光二极管的相对位置的变化。通常，任何这种基底层优选地具有5·10^-6/K或更小的线性热膨胀系数(即每度温度变化在长度上的微量增加)。

可替代地或除了材料选择，基本上为刚性的支撑体可具有结构特征，该特征允许该支撑体适当地传热。该支撑体，比如可具有一个或多个冷却通道，通过该通道——在使用时——可以对冷却流体进行循环，和/或具有能够对发光二极管生成的热量进行散热的散热片。

从以下本发明一些实施例的具体说明和用于阐释本发明但并不限制本发明的附图，可更充分地理解本发明的上述和其他的特征和优点。

附图说明

图1为示例性立体印刷设备的示意性剖视图，该立体印刷设备中可使用根据本发明的照明系统；

图2至图4示意性示出了根据本发明的照明系统的某些实施例；

图5A和图5B为进一步实施例的示意性侧视图和透视图。

附图中，相同的附图标记标识相似的元件。没必要按比例画出图中元件的尺寸、形状、相对位置和角度，并且可任意放大和定位这些元件中的部分元件以提高图清晰度。进一步地，所画出的元件的特定形状不用于传递任何关于特定元件实际形状的信息，并可单独挑选出来便于在图中辨认。

元件清单

1.立体印刷设备(SLA)

2.有形物体

4.载板

6.载板的运动方向

8.照明系统的运动方向

10.贮液器

12.贮液器底板

14.光固化树脂

16.液体层

18.有形物体2的固体层

30.照明系统

32.发光二极管阵列

34.发光二极管

36.发光二极管的发光表面

38.控制器

40.多透镜阵列

42.多透镜阵列

44.透镜

46.透镜的平面

48.透镜的凸面

50.支撑体

52.支撑体表面

54.肋条

56.电气路径

58.接合线

60.冷却通道

具体实施方式

首先参见图1，图1为示例性立体印刷设备(SLA)1的剖面侧视图，根据本发明的照明系统可用于该立体印刷设备中。该SLA1可用于逐层生产有形物体2，比如制品的原型或模型。该SLA1包括载板4，贮液器10和照明系统30。

在生产过程中，有形物体2从载板4上垂下，物体2的第一构造层和间接的任何后续层粘贴在载板4上。载板4通过驱动机制(未示出)在方向6上可移动，并且每次构造一个新层，该载板4就向上移动一层的厚度。

贮液器10装有液体光固化树脂14。贮液器10的底板12对照明系统30发出的光是光学透明的，这会在后文描述。底板12也作为一种结构形状，粘合待(部分)凝固的液体层16的一边。会明显看到，一旦构造了一层并且载板4向上移动一层的厚度，最后构造的层和底板12之间的空间就填充有树脂14以形成该液体层16。

该SLA1还包括适用于选择性地照亮液体层16的预定区域的照明系统30。由于该照明，可获得有形物体2的固体层18，该固体层18具有与所应用的照明图案一致的预定形状。照明系统30包括发光二极管阵列32和包括两个多透镜阵列40，42的成像系统。在其他实施例中，该成像系统可包括不同数目的多透镜阵列，比如仅仅一个，和/或包含其他的元件，这取决于所期望的配置。

在高数值孔径处，比如，范围在0.3到0.8或者甚至高于0.8的数值孔径处，发光二极管的位置的轻微变化可能已对其共轭像点的尺寸产生扩大的效果。例如：所谈及的像点的直径可近似于100um，由此可实现50um的有效光斑分离距离。如果发光二极管置于离理想位置(在平行于光学系统的光轴的方向)10um的位置处，这种偏差可导致像点直径增加大概30um。很明显，这是一个重大的、事实上无法接受的偏差。在垂直于光学系统的光轴的方向上，发光二极管距离其理想位置的偏差可能不会被放大，而只是传递给图像。然而，当力求有效光斑分离距离为50um或者更小时，10um的偏差可能严重地损害了该系统的分辨率。

因此，使用具有高数值孔径的光学系统的愿望就转化为用于发光二极管的相对定位容差等。如所阐释的，目前所期望的用于发光二极管的定位容差在x，y和z方向上均小于10um，其中x-y平面是二维发光二极管阵列的平面，并且z方向在与其垂直的方向上延伸。使用安装在(多层)印刷电路板上的普通的表面安装型发光二极管似乎很难达到这种精确定位。该发光二极管的尺寸容差可轻易地超过上述的10um，使得取放型机器人不能以所期望的精度定位这些发光二极管，而多层印刷电路板——用于电连接到每个单独发光二极管——很难压平，尤其是压平横跨发光二极管阵列所要求的相对大的表面区域。与之相反，发光二极管的单片阵列，即包括多个发光二极管的完整晶片(剖面)，提供了在各个发光二极管的定位精度方面具有突出表现的替换物。这是因为晶体制作过程本身保证了其精度。但是，当阵列中相邻发光二极管之间所期望的分离距离增大时，肯定会浪费更为珍贵的晶片材料。在典型的分离距离大概为1毫米甚至更大时，使用单片阵列的成本就高得无法接受。

虽然发光二极管的定位精度本身是一个原则问题，但也必须满足额外的设计要求。这些要求包括每个发光二极管的单独可控性，该单独可控性要求具有连接到每个发光二极管的单独电气路径，并具有良好的热管理系统，该系统阻止由于对高温的不利敏感性造成的发光二极管的快速和/或不均匀的退化。

发光二极管阵列32包括多个发光二极管34。该发光二极管34优选地以网格状的形式安装在二维平面上，使得发光二极管构成等距的和垂直定向的行和列，每个发光二极管定义一个网格点。每个发光二极管34具有面向贮液器10的底板12的发光表面36，该表面基本上平行于发光二极管阵列32的二维平面。控制器38可用来控制，即切断和接通(以预期的光强)，阵列32内的各个发光二极管34，以生成点亮的发光二极管的随时间变化的二维图案，该图案可投射在液体树脂层16上。

基本上为平面的多透镜阵列40，42放置在发光二极管34的发光表面36和要被选择性固化的液体层16之间。每个阵列40，42包括多个透镜44，优选地每个发光二极管34具有一个透镜。这些透镜44优选地可布置成与阵列32中的发光二极管34的排列一致。该多透镜阵列40，42可为平凸型，因此具有一个限定所有透镜44的平面的平面(plano side)46，以及多个凸状的、部分球状形的剖面48，每个透镜42具有这样一个剖面。如图1所示，该多透镜阵列40，42可相反地定向。该多透镜阵列40，42可一起形成适于把点亮的发光二极管的图案以某种方法成像于液体层16上的成像系统，该方法中，每个点亮的发光二极管34在液体层16的预定区域生成单个的共轭光斑。该多透镜阵列40，42可由多种材料制成，包括玻璃，熔融石英和塑料。

照明系统30可移动地置于贮液器10的底板12的下面，使得该系统可在与贮液器10的底板12平行的方向8上移动。照明系统30的运动可由前述的控制器38来控制，该控制器38也控制发光二极管34的发光。使用时，照明系统30可沿一方向直线地移动以增强系统的有效分辨率，该方向与发光二极管阵列32的行和列的方向成一定角度进行延伸。该技术被更详细描述在本申请人的同时未决(copending)申请EP07150447.6中，该申请以参考的形式并入本文以提供关于这方面的进一步信息。

既然已经阐明照明系统30的工作环境，请注意图2至图4，更详细地示意性地示出了其中部分实施例。

图2是根据本发明的照明系统30的实施例的示意性剖视图。除了在图1中已示出的发光二极管34和多透镜阵列40，42之外，图2描述了支撑体50和电气路径56。

发光二极管34，其在图2的实施例中为裸片，通过其第二表面与支撑体50机械热接触。可为板或其他合适形状体的支撑体50可部分地由具有大导热系数，比如大于150W/mK的材料制成，比如铜或铝。良好的导热系数允许支撑体被用作吸热设备，从发光二极管34转移走多余的热量以增加发光二极管的预期寿命并防止光输出的退化，还可防止发光二极管34彼此不均匀的加热，该不均匀加热会导致阵列32上不均匀光的产生。在制造过程中，支撑体的顶面被抛光，比如光学抛光，以获得光滑的和基本上平坦的水平表面52。抛光的水平表面52的表面不平整度可小于10um，优选地小于5um。抛光处理后，可在支撑体50的上边加工出狭槽。在图2的实施例中，狭槽容纳电气路径56，而狭槽和电气路径之间的肋条54用于发光二极管34的机械支撑。该种构建方法使得该肋条54具有均在同一个平面内延伸的基本上平坦的顶面52。因此这些表面整体上被视为本文中的“水平表面”。发光二极管34的基本上平坦的第二表面37可通过粘合剂的薄层粘在水平表面52上。该粘合剂可优选为具有热传导性。如果需要，该粘合剂也可包含垫片(spacer)，比如玻璃球体或聚苯乙烯球体，以有助于在水平表面52和发光二极管34的第二表面37之间设定精确的距离。精确的分离距离不仅有助于发光二极管34的定位精确，而且精确地限定了发光二极管和水平表面52之间的粘合层的厚度。由于粘合层的厚度与该层的热阻性大致成比例，阵列中所有发光二极管34的粘合层厚度的恒定性抵消了发光二极管的不均匀加热和退化。

电气路径56可以多层印刷电路板(PCB)的形式提供。多层印刷电路板允许电气路径56具有高密度，由于发光二极管34相对紧凑的包装，这是个现实的要求。比如，每1-2mm²的水平表面52中一般就具有一个发光二极管34，而照明系统30总共可包括成千上万个单独可控的发光二极管。如上文所述，电气路径56至少部分地置于肋条54之间的狭槽内。这种配置防止路径56对发光二极管34向多透镜阵列40发射的光形成阻碍。发光二极管34到电气路径56的电连接可通过接合线(wire bond)58实现，该接合线58可把裸片发光二极管的电接触垫选择性地连接到电气路径56。

图3显示了照明系统30的第二可选实施例。在该实施例中，使用了具有高导热系数的陶瓷支撑体50。为进一步促进散热，支撑体50可另外装配一个或多个通道60，冷却流体通过该通道循环。与图2实施例相反，图3所示的陶瓷支撑体50具有单个的连续的水平表面52。该水平表面52已被抛光以获得所期望的表面光滑度程度。在制造过程中，狭槽没有在支撑体50上加工来容纳电气路径56。相反地，通过，比如丝网印刷术，由可应用于水平表面52的厚膜层来提供电气路径56。如图3所示的示意性描述的多个层可交替地由导电和不导电层组成。接合线58可用于把裸片发光二极管34的电接触垫选择性地连接到各个导电层。如图2的实施例中，发光二极管34可通过，优选为导热粘合剂，粘在水平表面52上，该粘合剂包括垫片或其他。

在图2和图3的实施例中，支撑体50提供对发光二极管34的机械支撑和热冷却。电气路径56负责供电。这种情况与更传统的设置不同，在更传统的设置中，表面安装型发光二极管简单地放置于印刷电路板上，该印刷电路板执行所有三个功能。这种设置无法给予发光二极管精确的定位，尤其因为多层印刷电路板通常具有无法被接受的大z容差。

图4示出了一个实施例，其中发光二极管34仍然置于多层印刷电路板上，该印刷电路板本身被置于支撑体50的上表面上。然而，发光二极管34的精确z对准不通过印刷电路板实现，而是通过把发光二极管34粘贴在多透镜阵列40的平面46上实现，该平面46用作水平表面。为了允许这种配置，所使用的发光二极管34优选地为所谓的(裸片)倒装芯片(flip-chip)。倒装芯片的发光表面36没有电接触垫，因此基本上平坦。在一个实施例中，倒装芯片发光二极管34的发光表面36可使用光透明粘合剂而粘结到多透镜阵列40的基本上平坦的平面46上，以获得合适的z对准。在制造过程中，发光二极管34可首先粘结到多透镜阵列40的平面46上，然后——在设置任何的粘合剂并固定发光二极管34的相对位置后——连接到印刷电路板的电气路径56上，比如，使用超声焊接或各向异性导电粘合剂。在可选的实施例中，发光二极管可不粘合在多透镜阵列上。比如，发光二极管可以首先连接在印刷电路板的电气路径56上，借此，在发光二极管34的第二表面37和印刷电路板的顶面之间可提供有柔性粘合剂。随后，多透镜阵列40可放置在合适的位置，使其平面46轻轻地压在发光二极管34的发光表面36上以使它们在z方向上对准。当所有发光二极管34正确地排成直线时，该柔性粘合剂可被固化以永久固定发光二极管的相对方位。第一实施例的优点在于发光二极管34以高定位精度固定在多透镜阵列40上，因此，不需要分开对准发光二极管34和多透镜阵列40，并且在一方面为多透镜阵列与另一方面为支撑体和/或印刷电路板之间的热膨胀系数的差不再造成发光二极管相对于多透镜阵列的不对准。

图5A和图5B分别显示了具有容纳了印刷电路板56的狭槽55的进一步实施例的示意性侧视图和透视图，借此，狭槽55之间的肋条54提供对发光二极管34的机械支撑。根据本发明所示，在表面52上可提供有多个发光二极管34；该多个发光二极管由安装在狭槽55内的印刷电路板56上的电子线路进行群组控制。由于发光二极管并不是每个都放置在尺寸适合发光二极管间距的窄肋条上，这就提供了热效益，这可能另外限制了向冷却通道60的热传导。

印刷电路板上的电气路径结构56可以垂直布局的形式进行堆叠，即，印刷电路板在平行于水平表面52的平面内延伸。这就优化了间隔距离，该间隔距离在随后的发光二极管34之间可保持最小。

以这种方式，通过使用狭槽55来扩大印刷电路板的平面区域，仅仅一层或两层印刷电路板结构足以把所有的电气路径从发光二极管提供到集成电路57。

另外，通过把驱动电路57安装在狭槽55内，可缩短驱动集成电路57和发光二极管之间的距离。此外，在优选实施例中，所示出的印刷电路板结构56在水平表面56的平面的内延伸，并且具有开口59以容纳直接置于水平表面上的发光二极管34。

这些开口被制作成基本上大于发光二极管的尺寸，使得相对于发光二极管的印刷电路板位置上的容差高。印刷电路板56是弯曲型印刷电路板并折叠起来，使得至少具有集成电路57的部分安装在狭槽55内，以及使得具有用于发光二极管的孔的部分平放在基底50上。

虽然本发明的所示实施例已经参考附图予以描述，但是要理解的是本发明不限于这些实施例。在不背离权利要求所限定的本发明的范围和精神的条件下，本领域的技术人员可作出各种变更或修改。此外，要注意的是，上面所描述的照明系统的应用不限于立体印刷领域，比如，还可应用于印刷产业的其他领域。

Claims (15)

1.一种照明系统（30），其特征在于，包括：

多个发光二极管（34），每个该发光二极管具有至少第一发光表面（36）和第二表面（37），该第一和第二表面中的至少一个基本上是平的；

多个电气路径（56），该电气路径选择性地连接到各个该发光二极管，使得每个该发光二极管可单独受控；和

水平表面（46,52），

其中该水平表面基本上是平坦的并与每个该发光二极管的至少一个基本上平坦的表面（37,36）水平接触，由此二维阵列的该发光二极管在平行于该水平表面的平面内延伸，

所述水平表面（52）由基本上刚性的支撑体（50）提供，并且

所述支撑体（50）的表面具有由中间肋条（54）限定的狭槽，所述电气路径（56）至少部分地嵌入该狭槽中，而所述发光二极管（34）放置在提供水平表面（52）的中间肋条（54）上，以与所述支撑体（50）机械热接触。

2.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述水平表面（46,52）的表面平整度至少为10um。

3.根据权利要求1或2所述的照明系统，其特征在于，所述发光二极管（34）是裸片。

4.根据权利要求1或2所述的照明系统，其特征在于，每个所述发光二极管（34）的至少一个基本上平坦的表面通过粘合剂连接到所述水平表面（46,52）。

5.根据权利要求4所述的照明系统，其特征在于，所述粘合剂包括垫片，该垫片包括玻璃球体或聚苯乙烯球体。

6.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述支撑体（50）包括至少第一层，该层提供所述水平表面（52）并包括导热系数至少为150W/mK的材料。

7.根据权利要求6所述的照明系统，其特征在于，所述支撑体（50）包括第二层，该层包括线性热膨胀系数为5·10^-6/K或更小的材料。

8.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述发光二极管（34）和所述电气路径（56）均被置于所述水平表面上，使得所述电气路径至少部分地在所述发光二极管之间延伸，借此，通过厚膜技术提供所述电气路径。

9.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述电气路径（56）以印刷电路板的形式提供。

10.根据权利要求1或2所述的照明系统，其特征在于，所述发光二极管（34）为倒装芯片类型，具有基本上平坦的发光表面（36）并在各自的第二表面（37）具有电连接，并且其中多透镜阵列（40）的平面（46）提供所述水平表面（46），使得所述发光二极管的发光表面（36）与该多透镜阵列的该平面水平接触。

11.根据权利要求10所述的照明系统，其特征在于，所述电气路径（56）至少部分地以印刷电路板（50）的形式提供，所述发光二极管（34）在第二表面（37）上连接到所述电气路径（56）。

12.根据权利要求10所述的照明系统，其特征在于，所述多透镜阵列（40）的透镜（44）被布置为与所述发光二极管（34）的排列一致，使得每个发光二极管的发光表面（36）与所述多透镜阵列（40）的一个透镜（44）基本关联。

13.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述水平表面（46,52）的表面平整度为至少5um。

14.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述发光二极管（34）和所述电气路径（56）均被置于所述水平表面上，使得所述电气路径至少部分地在所述发光二极管之间延伸，借此，通过丝网印刷提供所述电气路径。

15.一种立体印刷装置（1），其特征在于，包括根据前述任一项权利要求所述的照明系统（30）。

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