CN104853902A - 用于产生均匀的光分布的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于借助平面光调制器产生均匀化的光量分布的方法，所述平面光调制器具有多个成行和成列布置的可控的可倾斜的微镜，其中面状放射的光源的光经由光学元件被投影并且被投影的光源的曝光场在投影面之上引导，其中朝向曝光场的中间增大数量的像素不被照明，使得在时间积分上，实现在投影面上照明的全部像素的光强的均匀化。本发明也涉及一种快速成型法，其中将液态的光硬化的塑料用这种方法照明，优选地用UV光照明，其中曝光场被投影到塑料的表面上并且塑料通过在曝光场中的照明被硬化。

Description

用于产生均匀的光分布的方法
技术领域
本发明涉及一种用于借助平面光调制器产生均匀化的光量分布的方法和一种快速成型法，在该快速成型法中使用这种方法。
背景技术
在快速成型法中，除了紫外（UV）激光器之外也越来越多地使用UV-LED投影仪。对此的方法例如从EP 1 880 830 A1中和EP 1 894 705 A2中已知。在此，将UV光投影到光硬化的塑料上。在投影时，在此使用光学元件和平面光调制器。由于光学元件，出现不均匀的光分布或强度分布。曝光场的边缘区域在此与曝光场的中央的区域相比典型地具有较低的强度。所述也称作为球面图像的效果引起，光硬化的塑料不会在每个位置上获得相同的强度进而不同地并且因此不均匀地硬化。
EP 1 982 824 A2提出，通过UV投影仪的较亮的像素借助灰度分布被减小到边缘上的像素的强度水平上，使强度分布均匀化。
对此的缺点是，灰度分布仅能够通过准确地控制强度来实现。因此，本发明的任务也是提供耗费更少的方法，借助所述方法能够实现类似的效果。
发明内容
因此，本发明的任务在于，消除现有技术的缺点。尤其是，应该提供一种耗费更少的方法，其中实现曝光场的光强的令人满意的均匀化。该方法应能够尽可能成本适当地实现。
本发明的任务通过一种用于借助平面光调制器来产生均匀化的光量分布的方法来解决，所述平面光调制器具有多个成行和成列布置的可控制的可倾斜的微镜，其中平面放射的光源的光经由光学元件被投影并且被投影的光源的曝光场借助平面光调制器在投影面之上引导，其中朝向曝光场的中间增多数量的像素不被照明，使得在时间积分中，实现全部在投影面上照明的像素的均匀化。
在本发明的范围中，将要控制的最小的光源理解成像素，由所述最小的光源组成投影仪的图像。
例如，能够将Texas Instruments公司的尤其好地适合的DLP?芯片用作为平面光调制器。
根据本发明能够规定，作为平面放射的光源使用投影仪，优选使用LED投影仪，尤其优选使用UV-LED投影仪。替代地，能够使用激光器系统。
不仅投影仪、而且激光器系统优选地放射波长选择为180至600nm、优选为230至450nm的光。通常，能够将多色光源用作为投影仪，其中然而单色光源也或基本上单色的光源是尤其优选的。通过使用单色光源，能够使光强或辐射强度统一进而实现更均匀的聚合。波长在385nm附近的LED-UV投影仪或者具有波长在285nm附近的激光器的激光器系统是尤其优选的。具有分辨率大于等于1024×800、优选大于等于1920×1080像素、尤其高分辨率地具有直至100000或更多像素的投影仪是优选的。尤其优选地，使用具有相干光辐射的平面放射的光源。空间的相干也通过光源1和/或结构单元0距曝光场5的非常小的间距来实现。
作为面状的光源、装置和/或结构单元距曝光场的小的间距适合的是3mm至500mm、尤其3mm至250mm、尤其优选3mm至150mm、优选3mm至50mm。替代地，间距也能够为1mm至50mm。根据本发明，面状放射的光源、平面光调制器和光学元件、尤其透镜系统形成装置。面状放射的光源、平面光调制器和光学元件、尤其透镜系统此外作为结构单元中的装置存在。
在此能够规定，通过为了控制投影仪而安放的光罩、尤其是可编程的光罩通过下述方式来限定不被照明的像素：始终保持关断投影仪的特定的发光点。根据本发明的光罩对应于光源的关断的发光点的图形，其中曝光场中的图形作为不被照明的像素示出，尤其作为不被照明的像素的静态图形示出。
通过安放的光罩，以最简单的方式实现减小曝光场的特定的区域中的光强。借助所述光罩，因此能够实现曝光场的均匀化，尤其是曝光场的光强的均匀化，尤其优选是曝光场的光强的时间积分中的均匀化。
替代于使用所安放的光罩，也能够规定，通过微镜的涂黑或通过具有微镜占据的缺口的平面光调制器或通过发光点借助微镜转向来限定不被照明的像素。
通过取消单个微镜，能够减少用于平面光调制器的成本或需要的接口的数量。在应用涂黑的情况下，能够动用市售的整面配备的平面光调制器。
借助根据本发明的方法的一个改进方案，也能够规定，不被照明的像素的数量朝向中间根据函数增加，优选线性地或根据抛物线，尤其优选地根据考虑出现的干扰的函数，优选地根据改进曝光场上的、优选要曝光的或要打印的图形的相干性的函数。
由此，曝光场的强度中的由于光学元件典型出现的偏差可以尤其好地补偿。这种函数尤其好地补偿曝光场的中间的强度增大。
在此能够规定，函数根据曝光场的通过光学元件、尤其透镜系统造成的不均匀性来确定、优选地计算。
优选地，函数根据曝光场的通过面状的光源、包括面状的光源、平面光调制器和/或光学元件的装置造成的不均匀性来确定、优选地计算。替代地，函数根据通过包括光源的结构单元造成的不均匀性来计算。
用于不被照明的像素的数量朝向照明场的中间增加的函数被确定为基准1的函数，所述基准1说明投影面（平面）上的曝光场中的光源的初始光强并且与说明投影面的均匀的、面状的光强（平面中的关于x像素平均的能量密度）的基准2相关，尤其是关于12×13至1920×1080像素。投影面也能够包括像素的更大的分别率。
所述措施也用于，补偿强度分布中的结构决定的错误的尽可能准确的补偿进而产生尽可能均匀的曝光场。
按照根据本发明的方法的一个尤其优选的实施方式也能够规定，曝光场的强度分布通过光源和平面光调制器在最大照明的情况下来测量或计算并且从中确定每行和/或每列中的不被照明的像素的数量。
借此，提供尤其好地适合的方法，利用该方法也能够以简单的方式补偿确定的光源、如投影仪类型或各个投影仪的特定的强度偏差。
根据本发明的一个优选的实施方案能够规定，面状放射的光源、优选包括面状放射的光源的装置和/或包括面状放射的光源的结构单元在投影面之上引导，以便在投影面之上引导被投影的光源的曝光场，其中能够将曝光场往复地在投影面之上引导。这能够连续地或不连续地进行。
由此，提供可尤其简单地实现的方法，以便在快速成型时实现该方法。所述方法与其他方法相比、尤其与仅将曝光场在投影面之上引导的方法相比是更不易受错误影响的。
借助根据本发明的方法的一个改进方案规定，将曝光场周期性地在投影面之上引导。通过周期性地扫过投影面，实现沿着曝光场的运动方向的更均匀的强度。
用于照明的图形单图像通过a）提取的图形单图像，即从要打印的图形中导出的作为滑动过程或在投影面之上引导包括光源的装置时的各个图形示出的图形单图像，与b）关断的发光点的图形或光罩的图形的叠加得到。用于照明的图形单图像的光强与不具有平面光调制器或光罩的照明相比是均匀化的。
根据一个尤其优选的实施变型形式，在方法中在曝光场中通过下述方式产生照明的图形单图像：a）提取的图形单图像与b）关断的发光点的图形叠加。提取的图形单图像相应于要打印的图形，所述要打印的图形分解成用于滑动过程的图形单图像（图3b）。
关断的发光点的图形（图3c）示出未照明的像素、未照明的像素的静态图形。照明的图形单图像（图3d）通过将相应的图形单图像（提取的图形单图像，图3b）与作为具有未照明的像素的静态图形示出的关断的发光点的静态图形的叠加得到。
要打印的图形通过在投影面之上引导具有照明的图形单图像的曝光场得到。
也能够规定，作为投影面使用液态的光硬化的塑料的表面。尤其是，将光硬化的牙科材料用作为光硬化的塑料。根据本发明，光硬化的塑料的发起系统和光源的波长优选地彼此协调。
在将液态的光硬化的塑料用作为投影面的情况下，该方法适合于制造三维的成型体（作为所谓的快速成型法）。
本发明所基于的任务也通过快速成型法来解决，其中将液态的光硬化的塑料借助这种方法照明，优选地借助UV光照明，其中曝光场被投影到塑料的表面上并且塑料通过在曝光场中的照明被硬化。
根据本发明的用于使曝光场的光强均匀化的方法尤其在快速成型法中起作用，因为由此能够均匀地构造所产生的塑料体。
本发明基于下述令人惊喜的认知，通过使用死的或始终黑色的像素、即不被照明的像素达到，实现UV光强的均匀化，而对此不必借助面光源调节灰度值。在此，使用一次限定的光罩，所述光罩安放在投影仪、优选UV投影仪中。成行或成列黑色限定的像素、在此为不被照明的像素的数量朝向曝光场的中间增加，以便补偿由于光学元件所致的曝光场朝向边缘的强度减弱。这是必要的，因为中间行（或列）由结构决定地（由于光学元件）被更亮地照明。
通过根据本发明的方法实现下述效果。通过投影仪或始于投影仪的辐射的运动，在曝光时控制曝光场的全部行。由此，在驶过时产生最大的光量（UV光量）。在具有1920×1080像素的曝光场中，产生具有1080像素的最大的光量。如果控制更少的像素，那么减小功率或时间积分的光强。以所述方式，根据本发明补偿光学元件的不同的照明。
附图说明
下面根据两个示意地示出的附图阐述本发明的实施例，然而在此不限制本发明。在此其中：
图1示出用于实现根据本发明的方法的示意结构的横截面图；和
图2示出根据现有技术的完全照明的UV投影仪芯片（图2A）与根据本发明运行的UV投影仪芯片（图2B）的示意的比较。
图3a示出要打印的图形（13），其中发光点作为黑色的像素示出，
图3b示出在光源在投影面（没有光罩）之上运动期间用于产生要打印的图形（13）的由投影仪的光源（1）单独示出的图像（提取的图形单图像13a、13b、13c、13d、13e、13f），其中发光点作为黑色的像素示出。
图3c示出关断的发光点（14）的图形，所述发光点经由光罩或者通过平面光调制器产生的关断的用于补偿照明差的发光点产生，其中关断的发光点作为灰色的像素示出，
图3d示出通过平面光调制器和/或光罩产生的关断的发光点（14）的图形和提取的图形单图像13a至13f的相加或叠加，其中光罩借助作为灰色的像素的关断的发光点（14）示出并且发光点作为黑色的像素示出。关断的发光点（14，负图形）的由灰色的像素示出的图形静态地在全部图形单图像中作为叠加或相减、即持续遮暗或接通的发光点（14）的图形从要打印的图形13的图形单图像（13a至13f）上减去并且作为要照明的图形单图像（14a、14b、14c、14d、14e、14f）中的叠加示出。
具体实施方式
图1示出用于实现根据本发明的方法的结构的示意横截面图。放射紫外光（UV光）的UV-LED投影仪1放射到平面光调制器4上。UV-LED投影仪1具有1920×1080像素的分辨率，所述像素作为矩形面在UV-LED投影仪1的芯片的表面上放射。平面光调制器4包括多个可控的微镜，借助所述微镜出自UV-LED投影仪1的光被反射并且借助于透镜系统2被投影到液态的光硬化的塑料6的表面上。微镜在图1中作为平面光调制器4的表面上的不同取向的小的矩形示出。液态的塑料6布置在容器8中，所述容器向上朝向平面光调制器4或透镜系统2敞开。
在图1中仅作为简单的透镜示意地示出的透镜系统2将UV-LED投影仪1的像素的面投影到光硬化的塑料6的表面上。借助于适当的马达（未示出），UV-LED投影仪1在容器8上方移动进而用曝光场扫过光硬化的塑料6的表面，使得UV-LED投影仪1的芯片的每行都完全驶过或能够完全驶过每个要曝光的点。
光硬化的塑料6的表面上的由此形成的曝光场硬化液态的组成部分，使得形成固态的塑料体10。固态的塑料体10安放在支架12上，所述支架缓慢地向下降，使得塑料体10的上部的表面由液态的光硬化的塑料6润湿，并且能够借助于曝光场在塑料体10上产生新的固态层。对于实现的细节参考EP 1 880 830 A1或EP 1 894 705 A2。
光场的和因此产生的塑料体10的均匀性通过下述方式实现：不使用在UV-LED投影仪1的芯片的中间布置的像素，这就是说，所述像素保持黑色。为了更好地理解，在图2B中示出并且在下文中阐述这种芯片的根据本发明的应用或根据本发明的控制。
图2示出根据现有技术的完全照明的UV投影仪芯片（2A）与根据本发明运行的UV投影仪芯片（图2B）的示意的比较。示例性地示出的UV-LED芯片仅具有12×13像素，借此能够简单地说明本发明的基本原理。在真正实施时，使用具有明显更高的分别率、例如为1920×1080像素的UV-LED投影仪。
每个UV-LED芯片具有12列和13行。在根据现有技术的完全照明的UV-LED芯片中（图2A），曝光场的内部区域与外部区域相比由较高的UV强度照射。由此，在中间的列中，出现最高的强度，所述强度向外减小。由于散射作用和其他的通过光学元件出现的特性，UV-LED投影仪的各个像素不能够任意清晰地被投影。因此，每个像素也照明曝光场的实际上必须通过其相邻的像素照明的区域。由此，曝光场的通过内部的像素照射的区域与曝光场的通过外部的像素照射的区域相比具有较高的强度。
这关于列（在图2中由上向下）通过下述方式补偿：UV-LED投影仪沿着运动方向X在曝光场之上移动。UV-LED投影仪的或曝光场的运动方向X在两个图2A和2B中通过箭头表示。因此，由UV-LED芯片放射的图像沿行（在图2中从左向右，即沿着箭头X）的方向在曝光场之上移动。为了投影，能够使用Texas Instruments公司的DLP?芯片。
通过在图2B中示出的保持关断或不由平面光调制器反射到液态的光硬化的塑料的表面上的黑色的像素，朝向中间越来越强地减小根据本发明运行的UV-LED投影仪的不同列中的光强。由此实现，沿着运动方向X扫过的曝光场的中间区域获得紫外辐射强度的与外部区域（行）相同的强度。
用于根据本发明的方法的最简单的实施方案能够通过下述方式实现：为投影仪安置光罩，所述光罩限定哪些像素不接通或不使用进而保持黑色的。替代地，但是也能够使用平面光调制器，所述平面光调制器在中间的区域中具有少量的或涂黑的镜。
在图2B中，仅最靠外的两行用全部十二个像素照射，而对于更密地位于中间行上的每行，分别更少地照明或投影像素。因此，在中间行中，仅还有六个像素是激活的或仅还有六个像素被投影。在沿着运动方向X扫过曝光面时，在曝光场的照明位置上产生平均曝光强度，所述平均曝光强度直接与UV-LED投影仪的所应用的或所投影的像素的数量成比例。适合的投影仪能够具有直至100000或直至1.5百万像素的分辨率。同样地，能够使用具有1280×1024像点的XGA和Super-XGA（SXGA）视图的投影仪。
为了实现光硬化的塑料的表面或投影面上的稳定均匀化的光量分布，用恒定的速度在结构平台上引导曝光场。结构平台在此为1920×20000像素大（像素大小在此为50×50μm）。在运动期间，图像块经由曝光场连续地再现。
安放在UV投影仪中的一次限定的光罩在各行中产生死的（始终黑的）像素。在该情况下，在行中黑色限定的像素的数量朝向中间增多，因为中间行由结构决定地（由于光学元件）是更亮照明的。
效果如下：通过UV投影仪的运动，在曝光时控制曝光场的所有行。因此，在驶过时，产生具有1080的最大的UV光量。如果控制较少的像素，那么功率减小进而能够补偿光学元件的不同的照明。
图3a示出要打印的图形13，在所述图形中，发光点作为黑色的像素示出。在图3b中示出由光源单独示出的图像的序列（提取的图形单图像13a、13b、13c、13d、13e、13f）以用于在光源或装置在投影面上运动期间（没有关断的发光点的图形和/或没有光罩）产生要打印的图形13。发光点作为黑色的像素示出。在图3c中描绘关断的发光点14的图形。关断的发光点的图形通过平面光调制器和/或光罩产生。关断的发光点作为灰色的像素示出。因此，发光点能够通过平面光调制器关断或转向，以便实现对照明差的补偿。
在图3d中示出关断的发光点14的图形、尤其是通过平面光调制器和/或光罩产生的静态图形和提取的图形单图像13a至13f的叠加。关断的发光点14的图形或光罩作为灰色的像素示出。
曝光场中的被照明的像素作为黑色的像素示出并且形成要照明的图形单图像（14a、14b、14c、14d、14r、14f）。
本发明的在前面的描述、以及权利要求、附图和实施例中公开的特征能够不仅单独地、而且以每个任意的组合对于本发明以其不同的实施方式的实现是重要的。
附图标记列表：
0               包括光源（1）、如UV-LED投影仪（1）或激光器系统、光学元件、尤其透镜系统（2）、平面光调制器（4）的结构单元
1               UV-LED投影仪
2               透镜系统
3               面状的光源（1）、平面光调制器（4）和/或透镜系统/光学元件（2）的装置
4               平面光调制器
5               曝光场
6               光硬化的液态的塑料
8               容器
10             硬化的光硬化的塑料/塑料体
12             支架
13             要打印的图形
13a至13f     用于产生要打印的图形的单独示出的图像（13a、13b、13c、13d、13e、13f）
14             关断的发光点的图形/未照明的像素的图形
14a至14f    具有均匀化的光量分布的要照明的图形单图像。用于产生要打印的图形13的单独示出的图像（14a、14b、14c、14d、14e、14f），作为用于产生要打印的图形的单独示出的图像（13a、13b、13c、13d、13e、13f）在滑动时利用被关断的发光点（14）的图形的静态叠加来示出

Claims (15)

1.用于借助平面光调制器（4）产生均匀化的光量分布的方法，所述平面光调制器具有多个成行和成列布置的能控制的能倾斜的微镜，在所述方法中面状放射的光源（1）的光经由光学元件（2）被投影，并且将被投影的光源（1）的曝光场在投影面之上引导，其中朝向所述曝光场的中间增多数量的像素不被照明，使得在时间积分中，实现在所述投影面上照明的所有像素的光强的均匀化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
将投影仪（1）、优选LED投影仪（1）、尤其优选UV-LED投影仪（1）用作为面状放射的光源（1）。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
通过为控制所述投影仪（1）安放的光罩通过以下方式来限定不被照明的像素，即始终关断所述投影仪（1）的特定的发光点。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，
通过为控制所述投影仪（1）安放的能编程的光罩通过以下方式来限定不被照明的像素，即始终关断所述投影仪（1）的特定的发光点（见图3）。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，
通过涂黑微镜，通过具有微镜占据的缺口的平面光调制器（4）或者通过发光点借助微镜转向，限定不被照明的像素。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，
不被照明的像素的数量朝向中间、尤其朝向所述照明场的中间根据函数增加、尤其线性地或根据抛物线增加。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
根据所述曝光场的通过所述光学元件（2）、尤其是透镜系统（2）造成的不均匀性来确定、优选计算所述函数。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，
所述面状放射的光源（1）、所述平面光调制器（4）和所述光学元件（2）形成装置（3）和/或所述面状放射的光源（1）、所述平面光调制器（4）和所述光学元件（2）、尤其透镜系统作为结构单元（0）中的装置（3）存在。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，
根据所述曝光场的通过所述面状的光源（1）、包括所述面状的光源（1）、所述平面光调制器（4）和/或所述光学元件（2）的装置造成的不均匀性确定、优选计算所述函数。
10.根据权利要求8至9中任一项所述的方法，其特征在于，
所述曝光场的强度分布通过所述光源（1）和所述平面光调制器（4）、所述装置（3）的光源或所述结构单元（0）的光源在最大照明时测量或计算，并且从中确定每行和/或每列中的不被照明的像素的数量。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，
将所述曝光场周期性地在所述投影面之上引导，其中优选地，将液态的光硬化的塑料（10）的表面用作为投影面。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其特征在于，
将包括所述面状放射的光源（1）的装置（3）、包括所述面状放射的光源（1）的结构单元（0）或所述面状放射的光源（1）在所述投影面之上引导，以便将投影的光源（1）的曝光场在所述投影面之上引导。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，
投影仪（1）或激光器系统、尤其是具有波长在180nm至400nm之间的辐射的投影仪（1）或激光器系统用作为面状放射的光源，优选地，使用辐射在385nm附近的LED投影仪，或者使用具有波长在220nm至440nm之间的辐射的激光器系统。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，
通过将a）提取的图形单图像（图3b）与b）关断的发光点的图形（图3c）叠加在所述曝光场中产生被照明的图形单图像（图3d）。
15.快速成型法，其中将液态的光硬化的塑料（10）借助根据上述权利要求1至13中任一项所述的方法来照射，优选地借助UV光来照射，其中所述曝光场被投影到所述塑料（10）的表面上，并且所述塑料（10）通过在所述曝光场中的照明被硬化。
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