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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Konditionieren von Strahlen
in Beleuchtungssystemen und insbesondere auf Strahlenkonditioniersysteme,
welche in stereolithographischen Systemen verwendet werden.
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In
den letzten Jahren wurden Rapid Prototyping- und Manufacturing-(RP&M)-Techniken für die industrielle
Verwendung bei der schnellen Herstellung von dreidimensionalen Modellen
entwickelt. Im Allgemeinen bilden RP&M-Techniken
ein dreidimensionales Objekt Schicht für Schicht aus einem Arbeitsmaterial,
welches einen scheibchenweisen Datensatz verwendet, der Querschnitte
des zu bildenden Objekts darstellt. Typischerweise wird eine Objektdarstellung
anfänglich
durch ein Computer Aided Design (CAD) System bereitgestellt, und
die Darstellung wird übersetzt
in eine Anzahl von scheibchenweisen Datensätzen, welche anschließend übertragen
werden auf die aufeinander folgenden Schichten des Arbeitsmaterials.
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Stereolithographie,
die die momentan vorherrschende RP&M-Technik ist, kann definiert werden
als eine Technik für
die automatisierte Herstellung von dreidimensionalen Objekten aus
einem fluidähnlichen
Material unter Ausnutzung einer selektiven Aushärtung von dünnen Schichten des Materials auf
einer Arbeitsoberfläche,
um aufeinander folgenden Schichten des Objekts (das heißt Lagen)
zu bilden und aneinander zu haften. In der Stereolithographie werden
Daten, die dreidimensionale Objekte darstellen, eingegeben als oder
umgewandelt zu zweidimensionalen Schichtdaten, welche Querschnitte
des zu bildenden Objekts darstellen. Dünne Schichten aus Material
werden aufeinander folgend gebildet und selektiv transformiert (das
heißt
ausgehärtet)
zu aufeinander folgenden Lagen in Übereinstimmung mit den zweidimensionalen
Schichtdaten. Während
der Transformation werden die aufeinander folgenden Lagen verbunden
mit den zuvor geformten Lagen, um eine integrale Bildung des dreidimensionalen
Objekts zu gestatten.
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Ein
bevorzugtes Material, welches in einem stereolithographischen Apparat
(SLA) verwendet wird, ist ein flüssiges
Photopolymerharz. Typische Harze werden ausgehärtet, indem ausgewählte Wellenlängen einer
elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt werden (zum Beispiel ausgewählte Wellenlängen von
ultravioletten Strahlungen (UV) oder sichtbarem Licht). Diese Strahlung
von verschiedenen Wellenlängen
kann als „Aushärtungsstrahlung" bezeichnet werden.
Die elektromagnetische Strahlung liegt typischerweise in Form eines
Laserstrahls vor, welcher gerichtet ist auf eine Zieloberfläche des Harzes
durch zwei computergesteuerte Scannspiegel, welche die Zieloberfläche entlang
orthogonaler Richtungen scannen. Die Scanngeschwindigkeit, die Pulswiederholungsfrequenz
und die Punktgröße des Strahls
auf der Flüssigkeitsoberfläche werden
gesteuert, um eine gewünschte
Belichtung, Aushärtetiefe
und Aushärtecharakteristika
bereitzustellen.
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Eine
genauere Beschreibung der Stereolithographie und der Verfahren und
Vorrichtungen zum Ausführen
der Photolithographie sind zu finden in den folgenden Patenten:
U.S.
Patent Nr. 4,575,330 von Hull: beschreibt fundamentale Grundlagen
der Stereolithographie;
U.S. Patent Nr. 5,058,988 von Spence
et al.: beschreibt die Verwendung von Strahlprofilierungstechniken
bei der Stereolithographie;
U.S. Patent Nr. 5,059,021 von Spence
et al.: beschreibt die Verwendung von Scannsystem Drift Korrektur
Techniken zum Beibehalten der Ausrichtung von Belichtungspositionen
auf der Zieloberfläche;
U.S.
Patent Nr. 5,104,592 von Hull et al.: beschreibt die Verwendung
von verschiedenen Scanntechniken zum Reduzieren von wellenartigen
Verzerrungen in den Objekten, welche stereolithographisch gebildet werden;
U.S.
Patent Nr. 5,123,734 von Spence et al.: beschreibt eine Technik
zum Kalibrieren eines Scannsystems in einer stereolithographischen
Vorrichtung;
U.S. Patent Nr. 5,133,987 von Spence et al.: beschreibt
die Verwendung eines großen
stationären Spiegels
in dem Strahlpfad zwischen dem Scannspiegeln und einer Zieloberfläche;
U.S.
Patent Nr. 5,182,056 von Spence et al.: beschreibt die gleichzeitige
Verwendung von mehreren Wellenlängen,
um das Harz zu belichten;
U.S. Patent Nr. 5,184,307 von Hull
et al.: beschreibt die Verwendung von Schichtaufteilungstechniken zum
Umwandeln von dreidimensionalen CAD Daten in Querschnittsdaten zur
Verwendung bei der Belichtung der Zieloberfläche mit einer geeigneten Stimulation;
U.S.
Patent Nr. 5,321,622 von Snead et al.: beschreibt die Verwendung
von booleschen Operationen beim Ableiten von Querschnittsdaten aus
den dreidimensionalen Objektdaten;
U.S. Patent Nr. 5,965,079
von Gigl et al.: beschreibt verschiedene Scanntechniken zur Verwendung
in der Stereolithographie;
U.S. Patent Nr. 5,999,184 von Smalley
et al.: beschreibt die Verwendung von Aushärtetechniken, um gleichzeitig
mehrere Schichten aushärten
zu können;
U.S.
Patent Nr. 6,129,884 von Beers et al.: beschreibt die Steuerung
einer gepulsten Beleuchtungsquelle, um die gewünschten Aushärtecharakteristika
zu erreichen.
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Kommerziell
erhältliche
Photopolymere zur Verwendung in der Stereolithographie sind typischerweise
aus Acrylat, Epoxyd oder aus kombinierten chemischen Zusammensetzungen.
Typischerweise enthalten Harze eine Mehrzahl von Komponenten. Diese
Komponenten können
einen oder mehrere Photoinitiatoren, Monomere, Olygomere, inerte
Absorber und andere Zusätze
umfassen. Die Nützlichkeit
von Harzen für
die Stereolithographie wird teilweise bestimmt durch die Photogeschwindigkeit
des Harzes und die Fähigkeit
des Harzes, adäquate
kohesive Lagen von geeigneter Dicke zu bilden. Es ist erwünscht, dass
die Photogeschwindigkeit hoch genug ist, um eine rasche Aushärtung von
Querschnitten mit zur Verfügung
stehenden Leistungsniveaus an Aushärtestrahlung zu ermöglichen.
Des Weiteren sollte, da die Tiefe der Polymerisation in dem Harz verbunden
ist mit den Positionen, an denen Photonen absorbiert werden, die
Absorption der Photonen durch das Harz ausreichend sein, um adäquat dünne Schichten
zu bilden. Beispiele von bevorzugten Photopolymeren umfassen, sind
aber nicht begrenzt auf SL 7540, SL 7520, SL 7510, SL 5530, SL 5520,
SL 5510 und SL 5195 (hergestellt von Vantico, Inc. und verkauft
von 3D Systems, Inc. aus Valencia, Kalifornien), SOMOS 9120, 9100,
8120, 8100, 7120 und 7120 (hergestellt von DSM Somos aus New Castle, Del.).
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Photoinitiatoren
sind die Komponenten des Harzes, die die Photoempfindlichkeit des
Harzes bei einer gegebenen Wellenlänge bestimmen. Die Strahlungsabsorption
durch den Photoinitiator führt
zu chemischen Veränderungen
in dem Photoinitiator, welche eine Polymerisation der Monomere und
der Olygomere auslösen
kann. Daher ist die Strahlung von geeigneten Wellenlängen, welche
von dem Photoinitiator absorbiert werden sollen, als Aushärtestrahlung
bekannt. Die Monomere/Olygomere können bestimmte Wellenlängen von
elektromagnetischer Strahlung absorbieren. Da eine Absorption durch
die Monomere/Olygomere typischerweise keine effiziente Polymerisationsreaktion
ergibt, ist die Absorption von aushärtender Strahlung durch die Monomere/Olygomere
typischerweise unerwünscht. Daher
sind die effektivsten Wellenlängen
für die
Verwendung in der Stereolithographie diejenigen, welche stark absorbiert
werden durch den Photoinitiator (hoher Absorptionskoeffizient) und
nur schwach absorbiert werden von den Monomeren und Olygomeren (niedriger
Absorptionskoeffizient). Beispiele von bevorzugten Photoinitiatoren
umfassen, sind aber nicht begrenzt auf Triarylsulfoniumsalze, Mischungen von
Triarylsulfoniumsalzen mit Phosphatsalzen oder Antimonatsalzen;
2,2-Dimethoxy-2-Phenyl-Acetonphenon (BDK) C16H16O16; 2,4,6-Trimethyl-Benzoyl-Diphenyl-Phosphinoxid
(TPO); und 1-Hydroxycyclohexyl-Phenyl-Keton
(HCPK) C13H16O2.
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Der
anwendbare Wellenlängenbereich
ist begrenzt an seinem unteren Wellenlängenende durch die Absorptionseigenschaften
der Monomere/Olygomere und an seinem oberen Wellenlängenende
durch die Photoinitiatorabsorption. Solchermaßen kann die reaktive (d. h.
aktinisch) spektrale Empfindlichkeit eines Photopolymerharzes beschrieben
werden als das Produkt des Photoinitiatorabsorptionsspektrums und
des Monomer-/Olygomer-Transmissionsspektrums,
wie in 1 gezeigt. Es sollte festgehalten werden, dass
die Abbildung gemäß 1 für ein besonderes
Photopolymersystem gilt. Andere Systeme existieren und werden verschiedenartige
Kurven aufweisen, welche verschiedenartige optimale Beleuchtungsquellen
bereitstellen. Die 1 zeigt Kurven der Photoinitiatorabsorption 11,
der Monomer-/Olygomertransmission 13 und der reaktiven
Empfindlichkeit oder reaktiven Reaktion 15 des Harzes.
Die Absorptions- und Transmissionskoeffizienten hängen nicht
nur von der spezifischen chemischen Zusammensetzung jeder Komponente
ab, sondern auch von den Konzentrationen von jeder Komponente innerhalb
des Harzes. Die Absorption durch die Monomere/Olygomere, welche
abhängig
ist von der Strahlungswellenlänge,
beeinflusst die Aktivierung der Photopolymere, da die Monomer-/Olygomerabsorption
manchmal in Konkurrenz tritt mit der Photoinitiatorabsorption. Konsequenterweise
können
Verschiebungen in der Wellenlänge
für die
Spitzen der reaktiven Reaktion resultieren, aufgrund der Veränderungen
von entweder der Zusammensetzung oder der Konzentration. Für eine gegebene
Harzzusammensetzung kann diese Spitze von einem Fachmann schnell
bestimmt werden. Die Fachleute werden es zu würdigen wissen, dass verschiedene
Lichtquellen die Verwendung verschiedener Harzzusammensetzungen
erfordern.
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In
dem Beispiel aus 1 tritt die Spitze der reaktiven
Reaktion innerhalb eines Bereichs von ungefähr 328 nm bis 337 nm auf, und
die halbmaximale Reaktion fällt
in den Bereich von ungefähr
320 nm bis ungefähr
345 nm. Solchermaßen
wird in diesem Beispiel eine elektromagnetische Strahlung innerhalb des
Bereichs von 320 nm bis 345 nm bevorzugt, und eine elektromagnetische
Strahlung innerhalb des Bereichs von 328 nm bis 337 nm wird sogar
noch mehr bevorzugt. Der noch mehr bevorzugte Bereich umfasst die
Wellenlängen
innerhalb von 10% der Spitze der reaktiven Reaktion. Der bevorzugte
Bereich umfasst Wellenlängen
innerhalb von 50% der Spitze der reaktiven Reaktion. Für verschiedene
Harzsysteme und Reaktionskurven können verschiedene bevorzugte
Bereiche auf die gleiche Weise erstellt werden.
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Bis
vor kurzem verwendeten herkömmliche Stereolithographiesysteme
Helium-Cadmium-(HeCd)-Laser,
welche eine Strahlung von 325 nm aussenden oder Argon-Ionen-Laser,
welche eine Strahlung von hauptsächlich
351 nm aussenden. Helium-Cadmium-Laser weisen eine Wellenlänge, eine Eingangsleistung
und eine Ausgabe auf, welche geeignet sind und akzeptabel sind für die Stereolithographie.
Die Ausgangsleistung von HeCd-Lasern ist unerwünschter Weise beschränkt und
ungeeignet zum Aufbau von großen
Objekten, oder wenn schnellere Aufbaugeschwindigkeiten erforderlich
sind. Daher erfüllen
HeCd-Laser, obwohl nützlich
in der Stereolithographie, nicht alle Anforderungen, die die Stereolithographie
stellt.
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Argon-Ionen-Laser
weisen Ausgangsleistungsniveaus und Ausgangsmoden auf, welche geeignet
sind für
ein schnelleres Teilebauen und/oder größere Stereolithographieteile.
Andererseits ist die Eingangsleistung übermäßig und erfordert eine Wasserkühlung.
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Gegenwärtige diodengepumpte
Festkörperlaser
(DPSS) weisen sowohl Eingangs- als
auch Ausgangsleistungen auf, welche für die Stereolithographie geeignet
sind. Diese Festkörperlaser
werden gepulst, wo die vorigen Gaslaser (zum Beispiel HeCd und Ar+)
einen Laserstrahl mit kontinuierlichen Wellen (CW) bereitstellen.
Um diese Festkörperlaser
effektiv zu nutzen, ist eine ausreichend hohe Pulswiederholungsrate
nötig,
um sicherzustellen, dass kontinuierlich ausgehärtete Linien des Photopolymers
gebildet werden.
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Neuere
kommerzielle Stereolithographiesysteme verwenden gepulste Festkörperlaser,
um das Material selektiv auszuhärten.
Die Frequenz dieser kommerziellen Systeme verdreifacht die 1064
nm fundamentale Infrarotstrahlung von Nd:YVO4-gepulsten
Festkörperlasern,
um ein ultraviolettes Ausgangslicht zu erzeugen. Die Frequenzverdreifachung erzeugt
eine Ausgangswellenlänge
von 355 nm. Harze, welche geeignet sind, um mit 355 nm Lichtquellen verwendet
zu werden, sind bekannt und kommerziell erhältlich.
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Ein
optisches System zur Verwendung in einem stereolithografischen System,
wobei das optische System aufweist:
eine Punktgrößen-Steuerungsoptik
zum Empfangen eines Lichtstrahls, Anpassen eines seitlichen Ausmaßes des
Lichtstrahls und Ausgeben des Lichtstrahls, wobei der Lichtstrahl
ein erstes Ausmaß aufweist
in einer ersten seitlichen Richtung und ein zweites Ausmaß in einer
zweiten seitlichen Richtung rechtwinklig zu der ersten seitlichen
Richtung, wobei die Punktgrößen-Steuerungsoptik
gekoppelt ist mit einem Punktgrößen-Betätiger und
reagiert auf elektrische Signale, um eine Elliptizität in der
Punktgröße des Strahls
einzustellen bzw. anzupassen, wobei eine Bewegung des Punktgrößen-Betätigers das
erste seitliche Ausmaß des
Lichtstrahls mehr verändert
als das zweite seitliche Ausmaß;
und
eine Fokussteuerungsoptik, welche den Lichtstrahl empfängt von
der Punktgrößen-Steuerungsoptik, eine
Position eines Fokus des Lichtstrahls ändert und den Lichtstrahl ausgibt,
wobei die Fokussteuerungsoptik gekoppelt ist mit einem Fokusbetätiger, welcher reagiert
auf elektrische Signale, wobei die Fokussteuerungsoptik den Lichtstrahl
von der punktgroßen Steuerungsoptik
empfängt,
eine Position eines Fokus des Lichtstrahls verändert, und den Lichtstrahl ausgibt,
wobei der Lichtstrahl eine erste Fokusposition für eine erste seitliche Komponente
des Lichtstrahls aufweist und eine zweite Fokusposition für eine zweite
seitliche Komponente des Lichtstrahls, wobei die erste seitliche
Komponente im Wesentlichen rechtwinklig zu der zweiten seitlichen
Komponente ist, wobei die Fokussteuerungsoptik die erste Fokusposition
in einem größeren Ausmaß anpasst als
die zweite Fokusposition in Reaktion auf die elektrischen Signale,
die an dem Fokusbetätiger
bereitgestellt werden.
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Die
Erfindung kann besser verstanden werden unter Einbeziehung eines
Beispiels aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen:
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1 veranschaulicht
einige der optischen Eigenschaften eines exemplarischen Satzes von
stereolithographischen Materialien;
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2 veranschaulicht
einen elliptischen Strahlquerschnitt und 3 veranschaulicht
einen kreisrunden Strahlquerschnitt;
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4 veranschaulicht
astigmatische Strahlfokussierungscharakteristika von bestimmten
Festkörperlasersystemen;
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5 veranschaulicht
schematisch Aspekte von Stereolithographiegeräten in Übereinstimmung mit den Aspekten
der vorliegenden Erfindung;
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6 veranschaulicht
detaillierte Aspekte der Strahlkonditionierungsoptik innerhalb des
stereolithographischen Geräts
aus 5; und
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7 zeigt
eine weitere schematische Ansicht der Strahlkonditionierungsoptik.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung stellen ein Beleuchtungssystem dar, welches
geeignet ist für
die Verwendung in der Stereolithographie. Bevorzugte Implementierungen dieses
Beleuchtungssystems stellen einen Lichtstrahl mit höherer Qualität bereit
zum Bestrahlen des Materials, welches in der Stereolithographie
verwendet wird. Zudem kann das Beleuchtungssystem leichter innerhalb
des Stereolithographiegeräts
eingerichtet werden und ermöglicht
eine leichtere Einstellung, um die Charakteristika des Beleuchtungssystems
innerhalb des Stereolithographiegeräts zu optimieren.
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Die
Verwendung von Festkörperlasern
in stereolithografischen Systemen stellt größere Beleuchtungsniveaus bereit
und sollte, zumindest theoretisch, Systeme bereitstellen, welche
leichter einzurichten und zu unterhalten sind. Diese Möglichkeit wurde
nicht gänzlich
erreicht. Manche der Schwierigkeiten von stereolithographischen
Systemen, welche Festkörperlaser
verwenden, werden überwunden durch
die Verwendung von robusteren, effizienteren und langlebigeren Lasersystemen,
wie jenes, welches in dem US-Patent Nr. 6,157,663 von Wu, et al. beschrieben
wird. Das Wu-Patent beschreibt eine Lichtquelle, welche einen Nd:YVO4-Festkörperlaser mit
dreifacher Frequenz umfasst, und wird hiermit unter Bezugnahme als
eine bevorzugte Komponente eines Beleuchtungssystems in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung aufgenommen. Obwohl das Lasersystem,
welches das Wu-Patent offenbart, gut optimiert ist, benötigt die
Strahlenausgabe von diesem Laser eine Strahlkonditionierung, um
für die Stereolithographie
eingesetzt zu werden. Die folgenden zwei Patente beschreiben Aspekte
der Implementierung von Festkörperlasern
in stereolithographischen Geräten,
wobei bestimmte Aspekte der Strahlkonditionierung mit umfasst sind:
Das
US-Patent Nr. 6,129,884 von Beers, et al.: beschreibt die Steuerung
einer gepulsten Beleuchtungsquelle, um gewünschte Aushärtecharakteristika zu erreichen.
Das
US-Patent Nr. 6,172,996 von Partenen, et al.: beschreibt die Verwendung
eines Festkörperlasers mit
multiplizierter Frequenz als eine Lichtquelle für die Stereolithographie.
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Ein
Teil der Strahlkonditionierung, welche bei dem Laser des Wu-Patents
ausgeführt
werden soll, ist konventionell und bezieht sich auf die Tatsache, dass
die Größe des Strahls,
welcher von einem Laser erzeugt wird, im Allgemeinen eingestellt
werden muss für
eine Verwendung in einem stereolithographischen System. Das Einstellen
der Punktgröße eines
Laserstrahls wird in dem US-Patent Nr. 6,129,884 von Beers, et al.
beschrieben. Das Beers-Patent beschreibt ein System, in welchem
die Punktgröße eines
Laserstrahls geändert
wird durch Verändern
der Fokusposition des Strahls. Während diese
Strategie die Punktgröße eines
Strahls verändert,
ist sie unerwünscht,
da die Fokusebene des Strahls entfernt wird von der Zieloberfläche, sodass die
Strahlpunktgröße sich
beträchtlich
verändert,
sogar für
kleine Änderungen
in der Beabstandung zwischen dem Strahl und der Zieloberfläche. Es
ist schwierig, ein Material in diesem Zustand verlässlich zu
bestrahlen. Bevorzugte Aspekte der vorliegenden Erfindung ändern die
Punktgröße, während sie
den Fokus des Strahls nahe bei der Zieloberfläche beibehalten.
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Ein
zweiter Typ von Strahlkonditionierung für die Stereolithographie verändert die
Fokusposition der Ausgabe des Beleuchtungssystems, welche auf der
Oberfläche
des stereolithografischen Materials bereitgestellt wird. Ein Fokussierungsmodul
wird beschrieben in dem Beers-Patent, aber, wie bereits oben diskutiert,
wird dieses Modul verwendet zum Verändern der Punktgröße und stellt
keine unabhängige,
automatische Steuerung der Fokusposition bereit. Konventionelle
Beleuchtungssysteme stellen eine manuelle Fokuseinstellung bereit,
welche während
des Aufbaus des Beleuchtungssystems fixiert ist. Diese Formen von
Strahlkonditionierung können adäquat sein,
sie sind aber nicht völlig
optimal für
die Festkörperlaser
mit dreifacher Frequenz gemäß dem Wu-Patent.
Beispielsweise werden die meisten Beleuchtungssysteme wie diejenigen,
welche in dem Beers-Patent beschrieben werden, eingestellt im Hinblick
auf den Fokus, wobei das Gehäuse
des Systems von dem System abgenommen ist. Wenn das Gehäuse um die
Lichtquelle und deren zugehörige Optik
platziert wird, verändern
sich die thermische Umgebung für
die Optik und die Charakteristika der Optik in einem unerwünschten
Ausmaß.
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Die
Lichtstrahlausgabe des frequenzverdreifachten Nd:YVO4-Lasers
des Wu-Patents ist
im Allgemeinen asymmetrisch, und zwar dergestalt, dass der Strahl
elliptisch im Querschnitt ist und astigmatisch dergestalt, dass
die Achsen des Laserstrahls bei unterschiedlichen Distanzen fokussieren.
Die Asymmetrie wird schematisch in 2 veranschaulicht,
die das 1/e2-Niveau der Intensität für einen Querschnitt
einer Ausgabe des frequenzverdreifachten Festkörperlasers zeigt, wobei die
Querschnittsebene rechtwinklig zu dem Ausbreitungspfad des Lasers
ist. In vielen Fällen
kann der Grad der Elliptizität des
Ausgangsstrahls des Lasers gesteuert werden, aber die Ausgabe von
typischen Festkörperlasersystemen
ist im Allgemeinen elliptisch. Für
die meisten stereolithografischen Systeme wird es bevorzugt, dass
ein Beleuchtungssystem als Ausgabe einen Strahl bereitstellt, welcher
einen idealeren Querschnitt aufweist als den kreisrunden Querschnittsabschnitt,
welcher in 3 veranschaulicht ist. Dies macht
es im Allgemeinen erforderlich, dass eine zusätzliche Strahlkonditionierung
für den
Laser des Wu-Patents vorgenommen werden muss.
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Der
Astigmatismus wird in 4 veranschaulicht, welcher schematisch
den Ausgangsstrahl 20 eines Festkörperlasersystems zeigt, welches durch
eine ideale Linse 22 fokussiert wird. 4 illustriert
das Fokussierungsverhalten des Strahls entlang rechtwinkliger x-
und y-Ebenen innerhalb des Strahls des Lasers, wobei die x- und
y-Achsenstrahlprofile gedreht werden, um sie überlappend auf der Figur zu
zeigen. Das Fokussierungsverhalten des Strahls entlang einer x-Achsenebene wird
angezeigt durch die durchgezogene Linie 24, wobei eine
Fokuspositions- oder Strahlentaille bei fx vorhanden
ist. Das Fokussierungsverhalten des Strahls entlang einer y-Achsenebene
wird angezeigt durch die gestrichelte Linie 26, wobei eine
Fokusposition oder Strahlentaille bei fy vorhanden
ist. Wie dargestellt, fokussiert der Strahl nicht einheitlich bei
einer einzigen Ebene. Dieser Astigmatismus vermindert unerwünschter
Weise die Qualität
des Strahls bei einer Fokusposition. Die asymmetrischen und astigmatischen
Unzulänglichkeiten
des Strahls, welcher oben diskutiert wurde, vermindern die Qualität des Strahls,
welcher für
die Stereolithographie verwendet wird und er wird daher vorzugsweise
angepasst durch Strahlkonditionierung in bevorzugten Implementierungen
eines Beleuchtungssystems.
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Eine
bevorzugte Implementierung eines Beleuchtungssystems umfasst eine
Optik zum Einstellen der Punktgröße eines
Lichtstrahls und zur Einstellung des Fokus des Lichtstrahls. Vorzugsweise
stellt die Optik die Gesamtpunktgröße des Strahls ein, und stellt
im Wesentlichen unabhängig
die Punktgröße des Strahls
entlang einer Achse über
den Strahl ein. Vorzugsweise stellt die Optik die Gesamtfokusposition
des Strahls ein, und, ebenfalls im Wesentlichen unabhängig, die
Fokusposition des Strahls über
eine Achse des Strahls. Unter dieser bevorzugten Konfiguration stellt
das Beleuchtungssystem nicht nur die Größe des Lichtstrahls ein, sondern
kann auch eine bestimmte Asymmetrie und einen Astigmatismus von dem
Lichtstrahl entfernen.
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Der
Ausdruck „im
Wesentlichen unabhängig" bezieht sich auf
die Tatsache, dass viele optische Elemente keine vollständig unabhängigen Einstellungen
entlang rechtwinkliger Achsen über
den Strahlpunkt gestatten. Beispielsweise kann eine kreisförmige Linse
gekippt werden, um die optische Leistung in einem größtmöglichen
Ausmaß entlang
einer Ebene durch eine x-Achse zu beeinflussen. Solch ein Kippen
verändert
unweigerlich die optische Leistung der Linse entlang einer Ebene
durch die y-Achse, allerdings in einem kleineren Ausmaß. Praktischerweise stellen
bevorzugte Strahlkonditionierungssysteme eine Einstellung entlang
einer Achse bereit, welche rechtwinklig ist zu dem Ausbreitungspfad,
um die Elliptizität
oder den Astigmatismus des Strahls zu verändern und eine andere Einstellung
um die Gesamtpunktgröße oder
Gesamtfokusposition zu verändern. Weil
eine Einstellung entlang einer Achse im Allgemeinen eine andere
Achse des Strahls verändert,
ist es typischerweise notwendig, Iterationen der Punktgröße und Fokuspositionseinstellungen
auszuführen, um
eine gewünschte
Fokusposition und Punktgröße zu erreichen,
zumindest beim anfänglichen
Einrichten.
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Eine
Implementierung des Beleuchtungssystems kann einen Satz von Optiken
umfassen zum Einstellen der Punktgröße des Strahls, welcher produziert
wird durch das Beleuchtungssystem, und einen zweiten Satz von Optiken
zum Einstellen einer Fokusposition dieses Strahls. Die Punktgrößeneinstelloptik
kann eine Linse umfassen, welche auf einem Drehpunkt befestigt ist,
welcher gesteuert wird durch einen Aktuator bzw. Betätiger, um
die Linse um ihre Drehachse zu bewegen, und um dabei die optischen
Charakteristika der Linse zu verändern,
welche der Strahl erfährt,
der durch die Linse entlang seines vorbestimmten optischen Pfads
verläuft.
Diese Punktgrößeneinstelllinse
kann auch befestigt werden auf einer Verschiebebühne, welche gesteuert wird
durch einen Aktuator, um die Linse entlang eines Ausbreitungspfads
des Lichtstrahls zu bewegen. Die Verschiebebühne ist typischerweise eine
lineare Verschiebebühne,
welche parallel ausgerichtet ist mit dem lokalen Ausbreitungspfad
des Strahls und kann verwendet werden, um die Gesamtgröße des Punkts des
Stahls einzustellen, wie sie gemessen wird entlang der rechtwinkligen
Achse in einer Ebene, welche rechtwinklig ist zu dem lokalen Ausbreitungspfad. Praktischerweise
befindet sich die Punktgröße des Strahls,
welche signifikant ist für
die Leistung des Beleuchtungssystems, bei oder nahe der fokalen
Ebene der Ausgabe des Beleuchtungssystems. Dann bezieht sich die
Diskussion bezüglich
des Vergrößerns oder
Verkleinerns eines Punkts auf die Größe des Punkts nahe der fokalen
Ebene des Beleuchtungssystems. Die Fachleute werden erkennen, dass
das Vergrößern eines
Strahlpunkts in vielen Fällen
erreicht werden kann durch Verringern der Punktgröße an einem
anderen Teil des Beleuchtungssystems, was natürlich abhängig ist von der bestimmten
Konfiguration des optischen Systems.
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Die
Fokuseinstellungsoptik kann auf ähnliche
Weise eine Linse enthalten, welche auf einem Drehpunkt befestigt
ist, welcher gesteuert wird durch einen Aktuator, um die Linse um
die Drehachse zu bewegen, und dabei die Fokussierungscharakteristika
der Linse zu ändern,
welche von dem Strahl erfahren werden, der durch die Linse entlang
seines vorbestimmten optischen Pfads verläuft. Eine gekippte Linse, die
eine Linse ist, die gekippt wurde von einer Ebene, die rechtwinklig
zu dem Ausbreitungspfad eines Strahls ist, weist asymmetrische Fokussierungsqualitäten auf.
Diese Fokuseinstelllinse kann auch befestigt werden auf einer Verschiebebühne, welche gesteuert
wird durch einen Aktuator, um die Linse entlang eines Ausbreitungspfads
des Lichtstrahls zu bewegen. Die Verschiebebühne ist typischerweise eine
lineare Verschiebebühne,
welche parallel ausgerichtet ist zu der lokalen Ausbreitung des
Strahls, und die, wenn sie bewegt wird, die Gesamtfokusposition
des Strahls einstellt.
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Bevorzugte
Implementierungen des Beleuchtungssystems stellen zwei Freiheitsgrade
für die
Punktgrößeneinstelloptik
und zwei Freiheitsgrade für
die Fokuseinstelloptik bereit. Dies kann erreicht werden mit einer
einzigen, einfachen Linse für
die Punktgrößeneinstellung
und einer einzigen, einfachen Linse zur Fokussteuerungseinstellung,
wobei jede dieser Linsen bewegt werden kann auf eine gesteuerte
Weise in zwei zumindest teilweise unabhängigen Richtungen. Vorliegend
bestehen die unabhängigen
Richtungen aus einer linearen Translation und Rotation. Andere Kombinationen
von optischen Elementen und Bewegungen von diesen Linsen können die
gleichen Ergebnisse erreichen. Das gewünschte Einstellniveau wird
erreicht für
das veranschaulichte System unter Verwendung von zwei Linsen. Solch ein
System ist wünschenswert
wegen seiner Einfachheit und seiner Kompaktheit. Andererseits können vier
Linsen, jede mit einem einzelnen Freiheitsgrad, leicht erreichen,
was mit zwei Linsen erreicht werden kann, die zwei Freiheitsgrade
aufweisen.
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Weil
die Drehung von Linsen typischerweise nur die effektive fokale Länge der
Linse verringert, hängt
die Wahl zwischen einer vertikalen oder horizontalen Drehachse für jede der
Linsen ab von den speziellen Eigenschaften des Strahls und muss
bestimmt werden, beispielsweise unter Verwendung von geeigneten
optischen Ray-Tracing-Programmen, wie PARAXIA. Vorzugsweise ist
das Strahlkonditionierungssystem für das Beleuchtungssystem so ausgestattet,
dass es zuerst den Strahl analysiert, welcher von der Lichtquelle
erzeugt wird, wie beispielsweise einen Festkörperlaser und durch Verfolgen
des Strahlzugs, um zu verstehen, wo und wie die optische Leistung
von verschiedenen optischen Elementen eingestellt werden muss.
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Der
Begriff „Strahl", welcher hier verwendet wird,
ist allgemein auszulegen. Der Begriff „Punktgröße" bezieht sich im Allgemeinen auf eine
Dimension, welche seitlich über
den Querschnitt eines Strahls gemessen wird, im Wesentlichen in
einer Ebene, welche rechtwinklig ist zu der Ausbreitungsrichtung
des Strahls. Die hier beschriebenen Strahlen haben Gausssche Intensitätsverteilungen
im Querschnitt, und somit ist der Begriff „Punktgröße" im Allgemeinen definiert durch das
Grenzwertniveau innerhalb dieser Verteilung. Andere Strahlformen
sind bekannt und möglich.
In manchen Fällen
kann der Grenzwert definiert werden als das 1/e2-Niveau
auf der Verteilung, obwohl andere Konventionen anwendbar sind. Zusätzlich werden
die Fachleute würdigen,
dass die Punktgrößeneinstelloptik
und die Fokuseinstelloptik nicht, für sich selbst genommen, bestimmend
sind für die
Punktgröße oder
die Fokusposition. Typische Systeme umfassen zusätzliche optische Elemente, und
jedes dieser Elemente kann die letztendliche Punktgöße und Fokusposition
des Strahls beeinflussen.
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Ein
Vorteil von besonders bevorzugten Implementierungen des Beleuchtungssystems
ist, dass die Punktgrößeneinstellungen
und die Fokuseinstellungen aus der Ferne vorgenommen werden unter Verwendung
von elektrischen Signalen. Daher können die endgültigen Einstellungen
für das
Beleuchtungssystem mit dem Laser, der Strahlpositionierungsoptik
und anderen optischen Systemen innerhalb der thermischen Umgebung
gemacht werden, in der das System arbeiten soll. Beispielweise liegen der
Laser und die Strahlkonditionierungsoptik innerhalb eines einzigen
Gehäuses.
Da der Laser eine signifikante Wärmequelle
ist, und der Strahlfokus eine beträchtliche Distanz von dem Ausgang
des Beleuchtungssystems entfernt ist (in der Größenordnung von 700 mm in manchen
berücksichtigten
Systemen), ist es wichtig, eine konstante thermische Umgebung zu
errichten. Einstellungen an der Strahlkonditionierungsoptik werden
vorgenommen bei geschlossenem Gehäuse des Beleuchtungssystems. Dies
verbessert signifikant die Vorhersagbarkeit und Verlässlichkeit
des Intensitätsprofils
und des Fokus des Strahls. Darüber
hinaus können
sowohl die Punktgöße als auch
der Fokus des Strahls während des
Betriebs verändert
werden, um verschiedene Separationen zwischen dem Beleuchtungssystemausgang
und der Oberfläche
des stereolithografischen Materials zu ermöglichen.
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Bevorzugte
Implementierungen des Strahlkonditionierungssystems ermöglichen
ebenfalls Veränderungen
in dem Beleuchtungssystem. Es können leichte
Verschiebungen bei den Charakteristika der optischen Elemente auftreten,
und die optischen Elemente können
mit der Zeit nachlassen. Solche Veränderungen und Verschlechterungen
können
erkannt werden mit einem Strahlprofilierer innerhalb des Beleuchtungssystems
oder vorhergesagt werden aus der Erfahrung, und das Beleuchtungssystem kann
eingestellt werden, um diese Verschiebungen oder Verschlechterungen
zu korrigieren.
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Die 5 zeigt
schematisch ein Stereolithographiegerät. Das Licht wird anfangs erzeugt
durch ein Festkörperlasersystem 30,
wie dasjenige, welches in dem US-Patent
Nr. 6,157,663 von Wu, et al. beschrieben wird. Insbesondere umfasst
das Festkörperlasersystem 30 einen
diodengepumpten Laser, welcher ein Nd:YVO4-Gainmedium mit einem Q-Schalter
innerhalb des Hohlraums des Lasers verwendet, um eine gepulste Ausgabe
von dem Festkörperlaser
bereitzustellen. Das Festkörperlasersystem 30 umfasst
auch einen Frequenzverdopplungskristall und einen Frequenzverdreifachungskristall,
um einen Ausgabestrahl 32 mit verdreifachter Frequenz von dem
Festkörperlasersystem 30 bereitzustellen.
Die Intensität
des Ausgabestrahls des Festkörperlasersystems
wird vorzugsweise eingestellt auf ein gewünschtes Niveau durch einen
akusto-optischen Modulator (AOM) in dem optischen Pfad des Lasers
zwischen dem Festkörperlaser
und dem Verdopplungskristall. Der Strahl 32, welcher ausgegeben
wird von dem Lasersystem 30, wird der Strahlkonditionierungsoptik 34 bereitgestellt.
Sowohl das Lasersystem 30 als auch die Strahlkonditionierungsoptik 34 werden
innerhalb eines Gehäuses 36 bereitgestellt. Das
Gehäuse
ist in erster Linie ein Sicherheits- und Sauberkeitsmerkmal und hat deshalb
undurchsichtige Wände,
um das Laserlicht einzuschließen,
wobei es einen Ausgangsanschluss hat, um den Ausgangsstrahl 38 zu
anderen Teilen des Stereolithographiegeräts zu leiten.
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Die
Strahlkonditionierungsoptik 34 stellt die Punktgröße und Fokusposition
des Strahls ein, und führt
vorzugsweise andere Strahlkonditionierungsfunktionen aus, inklusive
des Reduzierens der Asymmetrie und des Astigmatismus in dem Strahl.
Die Strahlkonditionierungsoptik wird im Nachstehenden detaillierter
beschrieben. Nach der Strahlkonditionierung wird der Lichtstrahl 38 aus
dem Gehäuse 36 hinausgeleitet
zu der Strahllenkungs- und Scannoptik 40. Die Strahllenkungs-
und Scannoptik 40 umfasst zwei computergesteuerte Scannspiegel
zum Bewegen des Ausgangsstrahls 42 auf eine gesteuerte Weise
in einer x-y-Ebene auf dem Material des Stereolithographiesystems.
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Das
Stereolithographiematerial 44 wird in einer Wanne 46 bereitgehalten,
und die Strahlscannoptik 40 bewegt den Strahl 42 über die
Oberfläche des
Stereolithographiematerials 44. Im Allgemeinen wird ein
in dem System gebildetes Objekt auf einer Plattform gehalten, welche
eingetaucht wird in das Stereolithographiematerial innerhalb der
Wanne 46. Aufeinanderfolgende Schichten werden auf der Oberfläche des
Mediums gebildet, und das Objekt wird weiter in die Wanne eingetaucht
durch eine Hebebühne,
welcher sich bewegt durch Steuerung eines Computers. Der Betrieb
der Wanne und die Bewegung der Hebebühne werden in verschiedenen der
oben genannten Patente beschrieben und veranschaulicht.
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Das
Stereolithographiegerät
stellt auch einen Strahlprofilierer 48 bereit, wie beispielsweise denjenigen,
welcher in dem US-Patent Nr. 5,058,988 von Spence, et al. beschrieben
ist, welcher den Strahl 50, welcher von der Wanne 46 wegpositioniert ist,
empfängt
und charakterisiert. Dieser Strahlprofilierer 48 arbeitet
unter der Steuerung von und in Kooperation mit dem Computer 52.
Die anderen Elemente des Beleuchtungssystems, inklusive des Lasersystems 30,
der Strahlkonditionierungsoptik 34 und der Strahllenkungsoptik 40 sind
auch gekoppelt mit und werden gesteuert durch den Steuerungscomputer 52.
Dies gestattet es dem Strahlprofilierer 48 in Kooperation
mit der Strahlkonditionierungsoptik 34 verwendet zu werden,
um die Strahlform, den Fokus und die Größe für die Stereolithographie zu
optimieren. Der Optimierungsprozess kann vereinfacht werden durch
den Steuerungscomputer 52 oder kann voll automatisiert
werden durch den Computer 52. Auf diese Weise kann das
Beleuchtungssystem selektiv eine oder zwei verschiedene Punktgrößen produzieren,
und stellt die Punktform und die Fokusposition. automatisch ein,
um den Strahl. für
die Stereolithographie zu optimieren.
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Die 6 zeigt
ein Detail der Strahlkonditionierungsoptik. Eine erste Linse, welche
in einem Linsengehäuse 56 befestigt
ist, empfängt
den Lichtstrahl 54 innerhalb der Strahlkonditionierungsoptik. Das
Linsengehäuse 56 hält die Linse
in einem Drehpunkt 58, welcher gesteuert wird durch einen
Aktuator 60, welcher die Linse dreht. Der Aktuator 60 umfasst
vorzugsweise einen Schrittmotor, welcher unter der Steuerung des
Computers 52 betrieben wird, um die Linse präzise wegzudrehen
von der Normalen zu dem Ausbreitungspfad des Lichtstrahls. Das Drehen der
Linse weg von dieser Normalen verändert die Fokussierungseigenschaften
der Linse, um die Linse zu veranlassen, die Elliptizität des Strahls
einzustellen. Diese elliptischen Qualitäten erlauben es der Linse, die
Eingangsstrahlform zu ändern
in eine mehr kreisförmige
Strahlform, wie sie durch den Strahlprofilierer bestimmt wird. Die
Anordnung der Punktgrößeneinstelloptik
mit dem drehenden Gehäuse
wird befestigt auf einer linearen Verschiebebühne 62, welche ebenfalls
betrieben wird durch einen Schrittmotor unter Computersteuerung.
Eine Bewegung der Bühne 62 bewegt
die punktgroße
Steuerungslinse linear bzgl. des Ausbreitungspfads und verändert dabei
die Vergrößerung des
Strahlpunkts durch das optische Gesamtsystem der Strahlkonditionierungsoptik.
In dem Strahl 64, welcher von der Punktgrößeneinstelloptik ausgegeben
wird, wurden vorzugsweise einige oder alle seiner Strahlformasymmetrien
entfernt.
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Die
Fokuseinstelloptik umfasst auf ähnliche Weise
eine zweite Linse, welche befestigt ist in einem Gehäuse 66 auf
einem Drehpunkt 68, welcher gesteuert wird von einem Aktuator 70.
Der Aktuator 70 umfasst einen Schrittmotor, welcher betrieben
wird unter der Steuerung des Computers 52, um die Linse präzise um
die Drehachse zu drehen, und um dadurch die Fokussierungscharakteristika
der Linse zu ändern,
die der Strahl erfährt,
welcher durch die Linse entlang seines Ausbreitungspfads verläuft. Die gekippte
Linse, das heißt
eine Linse, welche gekippt wurde von einer Ebene, die rechtwinklig
ist zu dem Ausbreitungspfad eines Strahls, hat asymmetrische Fokussierungsqualitäten, welche
den Astigmatismus des Strahls verändern. Diese Fokuseinstelllinse
wird. befestigt auf einer linearen Verschiebebühne 72, welche gesteuert
wird durch einen Aktuator, um die Linse entlang eines Ausbreitungspfads
des Lichtstrahls zu bewegen. Die Verschiebebühne wird parallel zu der lokalen
Ausbreitung des Strahls ausgerichtet und stellt die gesamte Fokusposition
des Strahls 74, welcher von diesem Teil der Strahlkonditionierungsoptik ausgegeben
wurde, ein, wenn sie bewegt wird. Dem Strahl 74, welcher
von der Fokuseinstelloptik ausgegeben wird, wurden vorzugsweise
einige oder alle seiner Fokus-Astigmatismen entfernt.
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Die 7 zeigt
mehr schematisch eine weitere Anordnung der Strahlkonditionierungsoptik,
inklusive der drehbaren Punktgrößeneinstelllinse 76 und
der drehbaren Fokuseinstelllinse 78. Diese korrespondieren
jeweils mit den Linsen, welche innerhalb der Gehäuse 56 und 66 von 6 befestigt sind.
In der dargestellten und gegenwärtig
bevorzugten Implementierung ist die Punktgrößeneinstelllinse 76 eine
Sammellinse, und die Fokuseinstelllinse 78 eine Zerstreuungslinse.
Wie dargestellt, können
diese Linsen gekippt werden durch einen einstellbaren Betrag von
der Normalen zu dem Strahlpfad, um die gewünschten Einstellungen des Strahls
zu bewirken. Wie oben diskutiert, kann jede der Linsen 76 und 78 linear
entlang des Ausbreitungspfads des Strahls bewegt werden. In verschiedenen
optischen Systemen kann die Funktion dieser Linsen eventuell erreicht werden
durch verschiedene Typen von Linsen, und zumindest einige der Funktionen
von diesen Linsen können
durch einen Spiegel oder durch einen Spiegel in Kombination mit
einem Spiegel bereitgestellt werden. Andere geeignete Elemente für die Punktgrößeneinstelloptik
und Fokuspositionierungsoptik umfassen Prismen und zylindrische
Linsen. Beispielsweise können
die hier diskutierten Einstellungen erreicht werden unter Verwendung
von vier zylindrischen Linsen, welche unterschiedlich ausgerichtet sind
und linear auf Verschiebebühnen
bewegt werden.
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In
der in 7 gezeigten Darstellung eines Strahlpositionierungssystems,
ist eine zusätzliche Fokussierlinse 80 bereitgestellt.
Alle dargestellten Linsen wirken zusammen, um den Strahl auf der
Zielbrennebene des Beleuchtungssystems zu dimensionieren. Die Fokussierlinse 80 ist,
in diesem veranschaulichten Beispiel, das letzte Fokussierelement der
Strahlkonditionierungsoptik. Die Fokussierlinse 80 wirkt
zusammen mit den anderen Linse 76 und 78, um die
Fokusposition des Strahls auf der Zielbrennebene des Beleuchtungssystems
zu positionieren. Die präzise
Auswahl der Linsen, der Linsencharakteristika, der Beabstandung
und anderer optischer Eigenschaften des dargestellten Systems werden
zu einem großen
Teil abhängen
von deren spezifischen Implementierungen. Die Fachleute können optische Systeme
wie dieses auswählen
und einrichten, und es gibt kommerziell erhältliche Computerprogramme, welche
die Einrichtungs- und Auslegungsprozesse weiter erleichtern können.
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In
der spezifischen Darstellung eines Strahlkonditionierungssystems
kann die erste Linse 76 eine Brennweite von ungefähr 100 mm
aufweisen und ungefähr
100 mm weg von dem Verdreifacher des bevorzugten Festkörperlasersystems
positioniert sein. Deshalb ist die erste Linse 76 so positioniert, dass
sie etwas ähnlich
einer parallel richtenden Linse funktioniert, aber in erster Linie
dient sie dazu, die Punktgröße des Strahls
bei der zweiten Linse 78 festzulegen. Die zweite Linse 78 ist
ungefähr
300 mm von der ersten Linse 76 beabstandet. Wie schematisch
dargestellt, ist die zweite Linse 78 eine Zerstreuungslinse
und kann eine Brennweite von –25
mm aufweisen und 75 mm von einer dritten Sammellinse 80 beabstandet
sein, welche eine Brennweite von 100 mm aufweist. Die zweite Linse 78 und
die dritte Linse 80 bilden einen Strahlerweiterer mit konstanter
Expansion (Expander). Licht, welches die Fokussierlinse 80 verlässt, wird
langsam fokussiert bei einer Distanz von ungefähr 700 mm von der Fokussierlinse 80.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung im Detail lediglich unter Bezugnahme auf
die gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben wurde, werden die Fachleute zu würdigen wissen, dass verschiedene
Modifikationen ausgeführt
werden können,
ohne von der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise, während die
obige Diskussion geführt
wurde im Hinblick auf Strahlkonditionierung für ein Festkörperlasersystem, sind Aspekte
des beschriebenen Strahlkonditionierungssystems anwendbar auf Gaslaserquellen.
Als solches ist die vorliegende Erfindung nicht beschränkt durch
die speziell beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen. Der Rahmen der
vorliegenden Erfindung sollte eher anhand der folgenden Ansprüche bestimmt
werden.