CN112654492A - 立体印刷设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有曝光装置(110)的立体印刷设备(100)，所述曝光装置包括：辐射元件(120)；遮蔽元件(130)，所述遮蔽元件具有基本上矩形的遮蔽区域(132)；光路(140)，所述光路位于辐射元件(120)和遮蔽区域(132)之间，所述光路具有线性部段(145)；强度均匀化装置(150)，所述强度均匀化装置具有第一反射表面、第二反射表面、第三反射表面和第四反射表面(1521、1522、1523、1524)。第一反射表面和第二反射表面(1521、1522)布置在线性部段(145)的相对侧上，并且第三反射表面和第四反射表面(1523、1524)布置在线性部段(145)的相对侧上。在强度均匀化装置(150)沿与线性部段(145)垂直相交的任一平面的横截面中，所述反射表面(1521、1522、1523、1524)遵循矩形的边界(156)。

Description

立体印刷设备
发明领域
本发明涉及立体印刷式3D打印技术，也称为立体印刷式增材制造。特别地，本发明涉及具有基于光掩膜的曝光装置的立体印刷设备。
背景技术
立体印刷技术是3D打印或增材制造技术，其中使用光辐射使合适的原材料光聚合以生产所需的目标物。原料以树脂形式进入加工过程。槽用于保持一定量的树脂，构建平台沿垂直方向移动，以使得要生产的目标物逐层增到构建平台的构建表面上。用于光聚合的光辐射可以从上方来自槽，在这种情况下，随着制造的进行，构建平台向下移动通过剩余的树脂。本说明书特别涉及立体印刷的所谓的“自下而上”的变型，其中，光聚合光辐射从下方来自槽，并且构建平台随着制造的进行向上移动远离剩余的树脂。
在立体印刷设备中，可以通过各种类型的曝光装置(例如，激光扫描装置，图像投影装置或基于光掩膜的曝光装置)来提供光辐射。通常，具有基于光掩膜的曝光布置的立体印刷设备可以提供高的构建速率和打印分辨率。
在传统的基于光掩膜的曝光装置中，辐射元件阵列被设置成紧邻矩形光掩膜，并且由辐射元件阵列发射的光辐射被透射通过光掩膜，以便在槽内产生连续的光强度图案，以用于由树脂逐层制造期望的目标物。
在这样的布置中，辐射元件阵列通常在光掩膜的整个范围内产生在空间上变化的光强度分布。为了制造没有缺陷的期望目标物，优选应使光强度分布更均匀。这可以通过例如在辐射元件阵列和光掩膜之间提供附加的强度均匀化元件来实现。这样的强度均匀化元件可以例如以呈现与由辐射元件阵列产生的光强度分布互补的在空间上变化的光透射率的滤光器的形式提供，和/或以基于散射由辐射元件阵列产生的光辐射的漫射器的形式提供。
然而，提供强度均匀化元件可能引起明显的光学损耗，降低透射通过光掩膜的光辐射的总功率，并且降低包括这样的元件的立体印刷设备的能量效率。而且，为了适当地利用这样的元件，可能有必要提供紧邻光掩膜的辐射元件阵列和/或强度均匀化元件。这可能导致与光掩膜和/或树脂加热有关的问题。
鉴于上述两种挑战，可能期望设计出一种结构方案，该结构方案将在整个矩形光掩膜范围内提供均匀的光强度分布，而不会引起主要的光损耗和/或导致光掩膜的过度加热和/或树脂。
发明内容
本发明涉及一种立体印刷设备，其具有曝光装置，该曝光装置包括：用于发射光辐射的辐射元件；遮蔽元件，所述遮蔽元件具有基本上矩形的遮蔽区域，用于通过部分遮蔽来自辐射元件的光辐射而形成曝光图案；在辐射元件与遮蔽区域之间的光路，该光路具有线性部段；和强度均匀化装置，所述强度均匀化装置具有第一反射表面、第二反射表面、第三反射表面和第四反射表面。第一反射表面和第二反射表面布置在线性部段的相对侧上，第三反射表面和第四反射表面布置在线性部段的相对侧上。反射表面构造成将来自辐射元件的相对于线性部段倾斜传播的光辐射收集到遮蔽区域上。对于每个反射表面，从线性部段垂直可测量的距离不会随着沿光路距辐射元件的距离的增加而减小。在强度均匀化装置的沿着与线性部段垂直相交的任何平面的横截面中，反射表面遵循矩形的边界。
在一个实施例中，辐射元件包括辐射源，该辐射源诸如为基本上朗伯辐射源，其辐射图案的半峰全宽(FWHM)角在110°至130°的范围内，例如约120°。
在一个实施例中，遮蔽元件包括液晶元件。
在一个实施例中，液晶元件是透射型液晶元件。
在一个实施例中，光路是基本上线性的。
在一个实施例中，光路与遮蔽区域的中心垂直相交。
在一个实施例中，第一反射表面和第二反射表面是基本平面的。
在一个实施例中，第三反射表面和第四反射表面沿着平行于线性部段并且垂直于第三反射表面和第四反射表面延伸的平面的横截面具有圆锥截面的一部分的形状，例如圆形、椭圆形、抛物线形或双曲线形。
在一个实施例中，任一所述反射表面都包括金属，例如铝、铁和/或银。
在一个实施例中，矩形的边界具有两个沿着线性部段有交点的相互垂直的对称平面。
在一个实施例中，每个所述反射表面布置在中空主体的内边界表面上。
在一个实施例中，每个所述反射表面布置在实心主体的外边界表面上。
在一个实施例中，辐射元件包括尺寸为约25mm×25mm的正方形辐射源，其辐射图案具有约120°的半峰全宽(FWHM)角。遮蔽元件包括透射型液晶元件，其具有尺寸为约75mm×150mm的矩形遮蔽区域。光路是基本上线性的，具有约100mm的长度，并且与辐射元件的中心和遮蔽区域的中心垂直相交。反射表面在垂直于线性部段的两个平面之间连续延伸，这两个平面近似位于x＝9mm和x＝109mm处。第一反射表面和第二反射表面是基本上平面的，它们各自与线性部段形成约15°的较小补角，并且在x＝9mm处第一反射表面和第二反射表面之间的距离为约25mm。此外，第三反射表面和第四反射表面沿平行于线性部段并且垂直于第三反射表面和第四反射表面延伸的平面的横截面具有圆锥截面的一部分的形状，可以以参数形式呈现，圆锥截面的曲率R在x＝0处在6mm至9mm的范围内，优选地为约7mm，并且圆锥常数e在-1.30至-1.55的范围内，优选地为约-1.35。
应该理解的是，上述的本发明的实施例彼此可以以任意组合使用。几个实施例可以组合在一起以形成本发明的另一实施例。
附图说明
包括附图以提供对本发明的进一步理解并构成本说明书的一部分，附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起有助于解释本发明的原理。在附图中：
图1示出了立体印刷设备的选定部分，
图2示出了立体印刷设备的强度均匀化装置，
图3示出了图2的强度均匀化装置沿着图2的平面IIIa、IIIb和IIIc剖切的横截面，
图4示出了立体印刷设备的两个强度均匀化装置，以及
图5示出了立体印刷设备的强度均匀化装置。
图1至图5未按比例绘制。在整个说明书中，相似的附图标记指代相应的元件。
具体实施方式
关于在本详细描述中讨论的立体印刷设备，应注意以下内容。
立体印刷设备也可以被称为立体印刷式3D打印机或立体印刷式增材制造设备。立体印刷设备可以是用于制造牙科目标物的3D打印机。它可能是用于以真正的精确度和效率形成牙科夹板、模型、手术引导器、临时填充物和正畸模型的3D打印机。另外地或可替代地，立体印刷设备可以是用于制造除牙科目标物之外的任何立体印刷式3D可打印目标物的3D打印机。
此外，立体印刷设备可包括控制器、一个或多个读取器和/或一个或多个传感器块、数据接口、用户接口、电源块、基部部分、盖、盖机构、槽、构建平台、构建平台机构、树脂输送机构、树脂加热器部分、曝光装置、和曝光装置冷却器部分或对于立体印刷操作而言必要和/或有益的任何其他零件和/或结构。然而，前述特征中的许多特征不在本说明书的范围内，因此在本文中省略。
图1示出了立体印刷设备100的示例。示出了立体印刷设备100的仅选定部分。尽管在图1中未明确示出，图1b的实施例通常可以包括图1a的实施例在图1b中省略的任何特征和/或元件。
参照图1a，设置了用于保持在立体印刷式3D打印过程中使用的树脂的槽102。具有构建表面108的构建平台106被支撑在槽102上方，使得构建表面108面对槽102。针对用于光聚合树脂的光辐射的类型，槽102的底部被选择性制成透明的或半透明的，或者可以被选择性制成透明的或半透明的。
构建平台机构设置并构造成在处于第一极限位置和第二极限位置之间的工作运动范围内移动构建平台106。其中，第一极限位置是靠近槽102的位置，第二极限位置是远离槽102的位置。在第一极限位置中，构建表面108可以非常靠近槽102的底部或接触槽102的底部。当构建平台106处于或接近第一极限位置以使得构建表面108与槽102的底部之间的距离为在立体印刷式3D打印过程中的一层厚度的量级时，待制造的目标物的第一层将被光聚合到构建表面108上。
通常，构建平台机构可以包括机械和电气部件，其用于使构建平台在其第一极限位置和第二极限位置之间移动。构建平台机构还可包括用于确保构建平台的正确角度定位的支撑结构。在实际的实施方式中，构建平台的支撑件可以包括各种高级的技术部件，如用于确保构建表面的定向的接头和/或微调机构。然而，这些特征不在本说明书的范围内，并且因此在本文省略。
图1a所示的位置为可以是第二极限位置，或者至少比第一极限位置更接近第二极限位置。可以说立体印刷设备100的工作区域存在于槽102和构建平台106的第二极限位置之间，因为要制造的目标物将出现在该区域内。在制造该目标物期间，构建平台106不需要向上移动到或甚至接近第二极限位置；第二极限位置对于使更易于从构建平台106拆卸完整的制造好的目标物可能是最有用的。
图1a的立体印刷设备100包括：曝光装置110，该曝光装置包括适合于发射光辐射的辐射元件120。光辐射优选适合于在立体印刷式3D打印过程中引起树脂的选择性光聚合。可以基于用于立体印刷式3D打印过程的树脂的类型来选择光辐射的波长光谱和强度。
“辐射元件”可以指这样的元件，该元件可以形成完整的、可操作的光辐射源。可替代地，辐射元件可以用作还包括其他元件、单元和/或结构的完整的辐射组件中的一个元件。
辐射元件可以包括任何类型的辐射源，例如白炽或其他热辐射源、发光辐射源和/或电弧或气体放电灯。在优选的实施方式中，辐射元件包括发光二极管(LED)源。所述LED源可以包括一个LED元件或多个LED元件，例如，LED元件的阵列。
所述辐射源可以是基本上朗伯式的，即，辐射源可以遵守朗伯余弦定律。另外地或可替代地，辐射源可以具有与朗伯辐射源的案类似的辐射图案，该辐射图案的半峰全宽(FWHM)角在110°至130°的范围内，例如约120°。在优选的实施例中，辐射元件包括具有LED元件阵列的LED源，其具有约120°的FWHM角。
在图1a的实施例中，曝光装置110还包括遮蔽元件130，该遮蔽元件具有基本上矩形的遮蔽区域132，用于通过部分地遮蔽来自辐射元件120的光辐射而形成曝光图案。
“遮蔽区域”可以指遮蔽元件的表面的一部分，其构造成接收由辐射元件发射的光辐射和/或被由辐射元件发射的光辐射照射。另外地或可替代地，“遮蔽区域”可以指遮蔽元件的表面的一部分，使得遮蔽元件具有对于用于由辐射元件发射并入射到遮蔽元件的表面的所述一部分上的光辐射而言在空间上和/或时间上可变的透射和/或反射性质。
基于要由辐射元件发射并入射到遮蔽元件上的光辐射的空间强度分布，遮蔽区域可以是部分或全部限定的。例如，遮蔽区域可以被限定为遮蔽元件的至少一个表面的各部分，其中，由辐射元件发射的光辐射的强度构造成是由辐射元件发射到遮蔽元件的表面上的最大强度的至少50％。
“基本上矩形的遮蔽区域”可以指在至少一个平面上具有基本上矩形形状的遮蔽区域的投影。基本上矩形的遮蔽区域可以优选的是基本上平面的。在本说明书中，术语“基本上矩形”被广义使用，包括例如具有圆角或斜角的矩形。
“通过部分遮蔽而形成曝光图案”可以指构造遮蔽元件以使得由辐射元件发射的光辐射可以传播到遮蔽区域上，并且一部分光辐射可以从遮蔽区域进一步传播到工作区域中。
遮蔽元件可以包括片、板或膜，其对于由辐射元件发射的光辐射而言具有在空间上变化的透射率和/或反射率，从而形成遮蔽区域的至少一部分。片、板或膜可包括：对由辐射元件发射的光辐射而言透明或半透明的基底材料，例如玻璃、石英、塑料和/或蓝宝石；以及在基底材料上的遮蔽材料，例如金属和/或墨水，用于部分遮蔽由辐射元件发射的光辐射。
在图1a的实施例中，遮蔽元件130包括基本上矩形的透射型液晶元件，其外表面用作遮蔽区域132。在其他实施例中，遮蔽元件可包括相似遮蔽元件或其他类型的遮蔽元件，例如，反射型液晶元件或数字微镜设备。在包括液晶元件的实施例中，可以使用本领域中已知的任何合适的液晶装置技术。
透射型液晶元件可包括例如：第一偏振滤光器，其用于使由辐射元件发射并沿第一方向入射到遮蔽区域上的光辐射偏振；第一基底，其对于由辐射元件发射的光辐射而言是透明的；布置在第一基底上的多个第一透明电极，其成形至少部分地限定可在工作区域中产生的曝光图案；扭曲的向列液晶层；多个第二透明电极，其成形至少部分地限定可在工作区域中产生的曝光图案；第二基底对于由辐射元件发射的光辐射而言是透明的，其中多个第二透明电极可以布置在第二基底上；第二偏振滤光器，其偏振轴线垂直于第一方向。
在图1的实施例中，曝光装置110还包括在辐射元件120和遮蔽区域132之间的光路140。
如本领域中通常已知的，“光路”可以指光辐射在传播通过光学介质或系统时所采用的路径。因此，“位于辐射元件与遮蔽区域之间的光路”可以指曝光装置的各部分布置成使得来自辐射元件的至少一些光辐射可以入射到遮蔽区域上。通常，曝光装置可包括在辐射元件和遮蔽区域之间的多个光路。曝光装置还可包括在多个辐射元件中的任一个与多个遮蔽区域中的任一个之间的多个光路。
曝光装置可以包括反射式光学部件，例如平面镜和/或分束器；反射镜和/或分束器；折射式光学元件，例如棱镜和/或透镜；衍射式光学元件，例如漫射器、光栅和/或菲涅耳透镜；和/或沿光路的光纤部件。在一些实施例中，即使要从立体印刷设备去除所述部件，也可能存在光路。在一些实施例中，去除所述部件可能会破坏光路。在这种情况下，所述部件对于曝光装置的操作而言可能是重要的。在一些实施例中，曝光装置可以沿着光路不包括任何所述组件。
在图1的实施例中，光路140从辐射元件120的中心延伸到遮蔽区域132的中心。在其他实施例中，光路可以从辐射元件的任一点延伸到遮蔽区域上的任一点。
在图1a的实施例中，光路140在辐射元件120和遮蔽区域132之间线性地延伸。在图1b中部分地示出的立体印刷设备中使用另一种构造。在该实施例中，通过反射元件改变入射在其上的光的方向而使光路140成为非线性的。在其他实施例中，光路可以是非线性的或线性的。在此，术语“线性”可以指目标物布置在直线或接近直线或线段中或者沿直线或近直线或线段延伸。
在图1的实施例中，光路140包括线性部段145。
光路的“线性部段”可以指在辐射元件和遮蔽区域之间的光路的一部分。如果光路是非线性的，它仍然可以包括基本上线性的部分。然后，线性部段可以部分地或完全地包括所述线性部分。如果光路是线性的，则术语“线性部段”可以指整个光路或整个光路的一部分。
在图1a的实施例中，光路140与辐射元件120的表面和遮蔽区域132的表面垂直相交。在其他实施例中，光路可以与辐射元件的表面垂直或倾斜地相交。另外地或可替代地，在一些实施例中，光路可以与遮蔽区域垂直或倾斜地相交。
图1的立体印刷设备还包括强度均匀化装置150，该强度均匀化装置150可以依据以下参考图2至图5讨论的强度均匀化装置中的任一者。
在图2和图3的实施例中，曝光装置110包括强度均匀化装置150，该强度均匀化装置具有布置在光路140的线性部段145的相对侧上的第一反射表面1521和第二反射表面1522以及布置在线性部段145的相对侧上的第三反射表面1523和第四反射表面1524。
在此，“表面”可以指概述平面的有限部分，其可以具有非零的、可能取决于位置的曲率，并且优选可以是光滑的。另外，一个表面可以被连接，即不可分割成两个不相交的子表面，或者优选地通过路径连接。一些表面可以简单地被连接。
“反射表面”可以指构造成能够镜面反射将由辐射元件发射并入射到该表面上的光辐射的至少一部分(优选主要部分)。例如，反射表面可以构造成镜面反射以相关波长范围和某一角度入射到反射表面上的光功率的至少50％，优选至少70％，例如至少90％。反射表面可以以漫射方式额外地反射由辐射元件发射并入射到所述表面上的一些光辐射。
由于所述表面的材料成分包括反射材料，例如金属(诸如铝、银或铁)或因全内反射，反射表面可以反射由辐射元件发射并入射到所述表面上的光辐射。
反射表面通常可以包括金属，例如铝、铁和/或银。反射表面可以通过机加工和/或弯曲反射或折射材料来至少部分地制造。至少一个(优选每个)反射表面可以通过蒸发或喷镀例如金属(诸如铝或银)的反射材料来至少部分地制造。反射表面可以对应于由有机和/或无机涂层涂覆的金属的外表面，以防止或减慢金属的腐蚀和/或磨损。
布置在“光路的线性部段的相对侧”上的两个反射表面可以指与在线性部段上延伸的平面相交的两个反射表面中的任一个。
在图2和图3的实施例中，反射表面1521、1522、1523、1524构造成将来自辐射元件的相对于光路140的线性部段145倾斜传播的光辐射收集到遮蔽区域上。
将来自辐射元件的相对于光路的线性部段倾斜传播的光辐射收集到遮盖区域上可以在整个遮盖区域上提供均匀的光强度分布，而不会引起主要的光学损耗和/或导致过度地加热遮蔽元件和/或树脂。提供这样的均匀光强度分布可以通过将光辐射优先收集遮蔽区域的外周部分来实现。另外地或可替代地，提供强度均匀化装置可以使得能够在距辐射元件一距离处布置遮蔽区域而不会引起过多的光学损耗。
反射表面可以与另一个反射表面邻接。例如，在图2和图3的实施例中，第一反射表面1521与第四反射表面1524邻接，并且第四反射表面1524与第一反射表面1521和第二反射表面1522两者都邻接。
此外，反射表面可以与其他反射表面分隔开。例如，图2和图3的实施例的第三反射表面1523可以与第一、第二和第四反射表面1521、1522、1524的每一个分隔开，不与任一所述反射表面共享共同的边界。
反射表面可以包括通孔。在图2和图3的实施例中，第二反射表面1522、第三反射表面1523和第四反射表面1524包括通孔。在一些实施例中，反射表面可以不具有通孔。例如，图2和图3的实施例的第一反射表面1521可以没有通孔。
在图2和图3的实施例中，对于反射表面1521、1522、1523、1524中的每一个，从线性部段145垂直地可测量的距离154不会随着沿着光路140距辐射元件的距离的增加而减小。另外，在强度均匀化装置150沿着与线性部段145垂直相交的任何平面的横截面中，反射表面1521、1522、1523、1524遵循矩形的边界156。
在一个实施例中，对于每个反射表面，从光路的线性部段垂直可测量的距离随着沿着光路距辐射元件的距离的增加而增加。
在一个优选的实施例中，可以定义与线性部段垂直相交的第一方向，并且在强度均匀化装置沿与线性部段垂直相交的任一平面的横截面中，强度均匀化装置的反射表面遵循矩形的边界，其边缘平行于第一方向延伸。
在一个优选实施例中，在强度均匀化装置沿与线性部段垂直相交的任一平面的横截面中，强度均匀化装置的反射表面遵循矩形的边界，矩形的边界具有两个沿线性线段相交的相互垂直的对称性平面。例如，这可以使得能够将基本上沿着线性部段传播的光辐射引导到遮蔽区域上的预定点，而不会由于不必要的反射而引起不适当的光损耗。在辐射元件的最大辐射强度与光路一致和/或光路与遮盖区域的中心相交的情况下，这可能是特别有益的。
在沿着与线性部段垂直相交的任一平面的强度均匀化装置的横截面中，强度均匀化装置的反射表面“遵循矩形的边界”可以指形成边界的至少一部分并且基本上不延伸离开矩形的边界的横截面；例如，不延伸离开矩形的边界的距离长于矩形边缘的长度的十分之一，优选是百分之一。
在沿着与线性部段垂直相交的任一平面的强度均匀化装置的横截面中，强度均匀化装置的反射表面遵循矩形的边界可以减少由辐射元件发射绕过基本上矩形的遮蔽区域不会引起过多光学损耗的光辐射量。
“从线性部段垂直可测量的距离”可以指最短的线性路径的长度，该长度最短的线性路径在沿光路的一点处垂直拦截线性部段并从线性部段延伸到反射表面。由于在沿着与线性部段垂直相交的任一平面的强度均匀化装置的横截面中强度均匀化装置的反射表面遵循矩形的边界，从线性部段到任一所述反射表面的距离可以总是垂直于所述反射表面测量。
当在沿着光路和特定反射表面的点处不存在与线性部段垂直相交的线性路径时，可以将该距离定义为在所述反射表面的所述点处不可测量。例如，图3c示出了图2的强度均匀化装置150沿图2的平面IIIc剖切的横截面。在该横截面中，可从线性部段145到第一、第二和第四反射表面1521、1522、1524垂直测量三个距离154。相反，从线性部段145到第三反射表面1523的距离由于在第三反射表面1523中存在通孔而在线性部段145和平面IIIc的相交点处是不可测量的。
距离“不会随着沿着光路距辐射元件的距离的增加而减小”，是指该距离是不可测量的、恒定的，或者在线性部段上任意两个点之间的每个点处是增加的，和/或该距离沿者光路距辐射元件的距离是非递减的、并且可能至少是部分不连续的和/或不确定的。
对于强度均匀化装置的每个反射表面，从线性部段垂直可测量的距离不会随着沿着光路距辐射元件的距离的增加而减小可以使得由辐射元件发射的能够相对于线性部段倾斜传播的光辐射收集到遮蔽元件上，以均匀化来自辐射元件的光辐射在遮蔽元件上的强度分布。
图4示出了立体印刷设备的两个不同的强度均匀化装置150。在图4a的强度均匀化装置150中，每个反射表面1521、1522、1523、1524布置在中空主体的内边界表面上。反射表面1521、1522、1523、1524限定了穿过中空主体延伸的腔。通常，至少一个(优选每个)反射表面可以布置在中空主体的内边界表面上。在中空主体的内边界表面上布置反射表面可以使得能够提供具有低质量、高透明度和/或低导热率的强度均匀化装置。
另一方面，在图4b的强度均匀化装置150中，每个反射表面1521、1522、1523、1524布置在实心主体的外边界表面上。在一些实施例中，至少一个反射表面可以布置在实心主体的外边界表面上。在这样的实施例中，实心主体通常可以包括任何数量的孔、通孔和/或腔。在实心主体的外边界表面上布置反射表面可以使得能够提供机械上坚固的强度均匀化装置。
曝光装置可以至少部分地通过注塑成型来制造。例如，曝光装置可以包括注塑成型的中空主体或实心主体，其中反射表面分别布置在中空主体的内边界表面上或实心主体的外部界表面上。
图5示出了立体印刷设备的曝光装置110的两个示意性截面图。在图5a中，辐射元件120被描绘为靠近强度均匀化装置150。然而，在图5b中，为清楚起见，省略了辐射元件120。
在图5中，具有x轴和y轴的二维笛卡尔坐标系使其原点固定在线性部段145的沿光路140朝向辐射元件120的延伸部上。x轴沿着线性部段145指向。y轴沿一平面延伸并朝向第三反射表面1523，该平面沿线性部段145延伸并与第三反射表面1523或第四反射表面1524垂直相交。
在图5的实施例中，反射表面1521、1522、1523、1524连续地延伸，并且在垂直于x轴的两个平面之间没有通孔，这两个平面位于x＝h0和x＝h0+h。在其他实施例中，不同的反射表面可以在不同的表面之间延伸和/或可以通过通孔而不连续地延伸。
在图5的实施例中，第一反射表面1521和第二反射表面1522是大致平面的。在其他实施例中，第一反射表面和第二反射表面可以是基本上平面的或非平面的。
第一反射表面和第二反射表面是基本上平面的，尤其是如果光路垂直拦截遮蔽区域的中心，例如，可以使得由辐射元件发射的光辐射在遮蔽元件的遮蔽区域上的线性强度分布沿着平行于遮蔽区域的某个边缘的线性路径均匀化。另外地或可替代地，其可以有助于提供具有改善的机械稳定性的强度均匀化装置。
另外，在图5的实施例中，沿着平行于线性部段145并且垂直于第一反射表面1521、第二反射表面1522的平面测量，平面的第一反射表面1521和第二反射表面1522中的每一个与线性部分145形成较小的补角α。
反射表面可以与线性部段形成较小的补角α，该补角的范围为从0°至低于90°，优选为从5°至30°，例如为从10°至20°。在一些实施例中，较小的补角α对于第一反射表面和第二反射表面而言可以具有相似或相同的值。在其他实施例中，较小的补角对于第一反射表面和第二反射表面而言可以具有不同的值。
在图5的实施例中，第三反射表面1523和第四反射表面1524的沿着平行于线性部段145并且垂直于第三反射表面1523和第四反射表面1524延伸的平面的横截面具有圆锥截面的一部分的形状，例如，圆形、椭圆形、抛物线形或双曲线形。在其他实施例中，第三反射表面和第四反射表面可以具有相似或任何其他合适的形状。
第三反射表面和第四反射表面沿着平行于线性部段并垂直于第三反射表面和第四反射表面的平面的横截面具有圆锥截面的一部分的形状，例如圆形、椭圆形、抛物线形或双曲线形，例如，特别是如果光路垂直拦截遮盖区域的中心，可以使由辐射元件发射的光辐射在遮蔽元件的遮蔽区域上的线性强度分布沿着垂直于遮蔽区域的某个边缘的线性路径均匀化。
图5的实施例的第三反射表面和第四反射表面1523、1524的形状可以以参数形式表示为
Figure BDA0002953896520000141
其中x＝h0…h0+h，R是圆锥截面在原点处的曲率半径，e是圆锥常数，也称为Schwarzschild常数。另外，平行于y轴测量的，在x＝h0和x＝h0+h处，在第三反射表面1523和第四反射表面1524之间的距离分别被指定为a和L。
图5a示出了图5的曝光装置110沿着平行于x轴延伸并在原点与y轴垂直相交的平面的横截面。在x＝h0和x＝h0+h时，沿着平行于x轴和y轴的方向，第一反射表面1521和第二反射表面1522之间的距离分别是a和W。
在图5的实施例中，反射表面1521、1522、1523、1524沿着在x＝h0处与x轴垂直相交的平面的横截面为正方形。在其他实施例中，所述横截面可以具有正方形或任何其他矩形形状。另外，反射表面1521、1522、1523、1524沿着在x＝h0+h处与x轴垂直相交的平面的横截面是非正方形的。在其他实施例中，所述横截面可以具有正方形或任何其他矩形形状。
通过提供具有平面的第一反射表面和第二反射表面以及具有部分圆锥截面的形状的第三反射表面和第四反射表面的强度均匀化装置，特别是如果光路垂直拦截遮蔽区域的中心时，可以同时使由辐射元件发射的光辐射在遮蔽元件的遮蔽区域上的线性强度分布沿着平行于且垂直于遮蔽区域的某个边缘的线性路径均匀化。如果所有反射表面都具有部分圆锥截面的形状，则也可以实现相同的效果。这样的同时均匀化沿两个垂直方向的线性强度分布是可以实现的，与反射表面沿在x＝h0和x＝h0+h处与x轴垂直相交的平面的横截面是否具有相似或不相似的形状无关。
在一个可以基本上根据图5和/或图1a的实施例的示例性实施例中，曝光装置110包括：作为辐射源的辐射元件120，其具有10×10的LED阵列，具有约25mm×25mm的阵列尺寸，用于以405nm至410nm的波长范围、以30W-35W的光输出功率和以为约120°的FWHM角而发射光辐射；作为遮蔽元件130的透射型液晶元件，具有尺寸为约75mm×150mm的矩形遮蔽区域132；光路140和线性部段145分别具有约100mm和约100mm的长度，光路140与辐射元件120的中心和遮蔽区域132的中心垂直相交；强度均匀化装置150，其具有布置在线性部段145的相对侧上的第一反射表面1521和第二反射表面1522，以及布置在线性部段145的相对侧上的第三反射表面1523和第四反射表面1524。
反射表面1521、1522、1523、1524构造成将来自辐射元件120的相对于线性部段145倾斜传播的光辐射收集到遮蔽区域132上。对于每个反射表面1521、1522、1523、1524，从线性部段145垂直地可测量的距离不会随着沿着光路140距辐射元件120的距离的增加而减小。
在强度均匀化装置150沿与线性部段145垂直相交的任何平面的横截面中，反射表面1521、1522、1523、1524遵循矩形的边界，矩形的边界具有两个沿着线性线段145相交的相互垂直的对称平面。
强度均匀化装置150包括注塑成型的中空主体，并且每个反射表面1521、1522、1523、1524布置在中空主体的内边界表面上。另外，每个反射表面1521、1522、1523、1524是通过将铝层喷镀到所述中空主体上而制成的。
在其他实施例中，立体印刷设备可以包括与示例性实施例的曝光布置110基本相似的曝光布置，不同之处在于，其包括每个反射表面布置在实心主体的外边界表面上的强度均匀化装置。在这种情况下，如果需要的话，可以调整强度均匀化装置的尺寸和/或形状，以顾及到实心主体的折射率对强度均匀化装置的性能的任何影响。
在示例性实施例的曝光装置110中，反射表面1521、1522、1523、1524在垂直于线性部段145的两个平面之间连续延伸，这两个平面位于x＝9mm和x＝109mm。第一反射表面1521和第二反射表面1522基本是平面的，并且第一反射表面1521和第二反射表面1522中的每一个与线性部段145形成为约15°的较小的补角。
另外，第三反射表面1523和第四反射表面1524的沿着平行于线性部段145并垂直于第三反射表面1523和第四反射表面1524延伸的平面的横截面具有圆锥截面的一部分的形状，可以以参数形式呈现，圆锥截面在原点处的曲率半径R在6mm至9mm的范围内，优选为约7mm，圆锥常数e在-1.30至-1.55的范围内，优选为约-1.35。
在示例性实施例中，在x＝9mm和x＝109mm处，第三反射表面1523和第四反射表面1524之间的距离分别为约25mm和150mm。另外，在x＝9mm和x＝109mm处，第一反射表面1521和第二反射表面1522之间的距离分别为约25mm和76mm。具体地，在x＝9mm处，反射表面1521、1522、1523、1524沿着与x轴垂直相交的平面的横截面是正方形，在x＝109mm处，反射表面1521、1522、1523、1524沿着与x轴垂直相交的平面的横截面是非正方形。
利用以上实施例的曝光装置110，由LED阵列发射并入射到透射型液晶元件上的光辐射的强度分布均匀是可以实现的。更具体地，相对于平均强度的±3％的强度变化是可以实现的。另外，由于由强度均匀化装置产生的均匀强度分布是矩形，并且具有与透射型液晶元件的尺寸相对应的尺寸，所以可以减少曝光装置内的杂散光的量，并且可以改善立体印刷设备的能量效率。
对于本领域技术人员显而易见的是，随着技术的进步，可以以各种方式来实现本发明的基本思想。因此，本发明及其实施例因此不限于上述示例，而是它们可以在权利要求的范围内变化。
附图标记
100 立体印刷设备
102 槽
104 树脂
106 构建平台
108 构建表面
110 曝光装置
120 辐射元件
130 遮蔽元件
132 遮蔽区域
134 主要边缘
136 线性强度分布
140 光路
145 线性部段
150 强度均匀化装置
152 反射表面
154 距离
156 边界

Claims (13)

1.一种具有曝光装置(110)的立体印刷设备(100)，所述曝光装置包括：
-辐射元件(120)，所述辐射元件用于发射光辐射，
-遮蔽元件(130)，所述遮蔽元件具有基本上矩形的遮蔽区域(132)，用于通过部分地遮蔽来自所述辐射元件(120)的光辐射而形成曝光图案，
-光路(140)，所述光路位于辐射元件(120)和遮蔽区域(132)之间，所述光路(140)具有线性部段(145)，和
-强度均匀化装置(150)，所述强度均匀化装置具有第一反射表面、第二反射表面、第三反射表面和第四反射表面(1521、1522、1523、1524)；
其中，第一反射表面和第二反射表面(1521、1522)布置在线性部段(145)的相对侧上，第三反射表面和第四反射表面(1523、1524)布置在线性部段(145)的相对侧上；
其中，所述反射表面(1521、1522、1523、1524)构造成将来自辐射元件(120)的相对于线性部段(145)倾斜传播的光辐射收集到遮蔽区域(132)上；
其中，对于每个所述反射表面(1521、1522、1523、1524)，从相对于线性部段(145)可垂直测量的距离(154)不会随沿着光路(140)距辐射元件(120)的距离的增加而减小；并且
其中，在强度均匀化装置(150)沿与线性部段(145)垂直相交的任一平面的横截面中，反射表面(1521、1522、1523、1524)遵循矩形的边界(156)。
2.根据权利要求1所述的立体印刷设备(100)，其中，所述辐射元件(120)包括辐射源，所述辐射源诸如为基本上朗伯辐射源，所述辐射源的辐射图案具有范围从110°到130°的半峰全宽(FWHM)角，所述半峰全宽角例如为约120°。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的立体印刷设备(100)，其中，所述遮蔽元件(130)包括液晶元件。
4.根据权利要求3所述的立体印刷设备(100)，其中，所述液晶元件是透射型液晶元件。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的立体印刷设备(100)，其中，所述光路(140)是基本上线性的。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的立体印刷设备(100)，其中，所述光路(140)与所述遮蔽区域(132)的中心垂直相交。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的立体印刷设备(100)，其中，所述第一反射表面和第二反射表面(1521、1522)是基本平面的。
8.根据前述权利要求中任一项所述的立体印刷设备(100)，其中，所述第三反射表面和第四反射表面(1523、1524)沿着平行于所述线性部段(145)并且垂直于所述第三反射表面和第四反射表面(1523、1524)延伸的平面的横截面具有圆锥截面的一部分的形状，所述形状例如为圆形、椭圆形、抛物线形或双曲线形。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的立体印刷设备(100)，其中，所述反射表面(1521、1522、1523、1524)中的任何一个包括金属，例如铝、铁和/或银。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的立体印刷设备(100)，其中，矩形的边界(156)具有两个沿着线性部段(145)相交的相互垂直的对称平面。
11.根据前述权利要求中任一项所述的立体印刷设备(100)，其中，每个所述反射表面(1521、1522、1523、1524)布置在中空主体的内边界表面上。
12.根据权利要求1至10中的任一项所述的立体印刷设备(100)，其中，每个所述反射表面(1521、1522、1523、1524)布置在实心主体的外边界表面上。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的立体印刷设备(100)，其中，
辐射元件(120)包括尺寸为约25mm×25mm的正方形辐射源，正方形辐射源的辐射图案的半峰全宽(FWHM)角为约120°；
遮蔽元件(130)包括透射型液晶元件，具有尺寸为约75mm×150mm的矩形遮蔽区域(132)；
所述光路(140)是基本上线性的，具有约100mm的长度，并且与所述辐射元件(120)的中心和所述遮蔽区域(132)的中心垂直相交，
所述反射表面(1521、1522、1523、1524)在垂直于线性部段(145)的两个平面之间连续延伸，所述两个平面近似位于x＝9mm和x＝109mm处；
第一反射表面和第二反射表面(1521、1522)是基本上平面的，它们各自与线性部段(145)形成约15°的较小补角α，在x＝9mm处，第一反射表面和第二反射表面(1521、1522)之间的距离为约25毫米；并且
第三反射表面和第四反射表面(1523、1524)的沿着平行于线性部段(145)并垂直于第三反射表面和第四反射表面(1523、1524)延伸的平面的横截面的形状为能够以参数形式呈现的圆锥截面的一部分，所述圆锥截面在x＝0处的曲率半径R在从6mm至9mm的范围内，优选为约7mm，圆锥常数e在从-1.30至-1.55的范围内，优选为约-1.35。
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