DE69115853T2

DE69115853T2 - Optischer Flüssig/Dampf-Modulator

Info

Publication number: DE69115853T2
Application number: DE69115853T
Authority: DE
Inventors: James Lewis Hohman; Evan Dean Laganis; John Alan Lawton
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: Koninklijke DSM NV
Priority date: 1990-10-31
Filing date: 1991-10-30
Publication date: 1996-09-05
Anticipated expiration: 2011-10-31
Also published as: EP0484113B1; KR920702507A; WO1992008159A1; JPH05503371A; EP0484113A1; DE69115853D1; CA2054297A1; US5193024A; AU641558B2; AU8683691A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren und eine Vorrichtung zur Modulation von Licht unter Verwendung einer Farbstofflösung in einer Modulatorzelle, eines Lasers und einer weiteren Lichtquelle, wobei die durch einen fokussierten Laserstrahl erzeugte Energie von der Farbstofflösung absorbiert wird, dadurch eine Blase innerhalb der Lösung erzeugt wird und somit die optische Dichte dieser Zelle in dem Bereich der Blase beträchtlich reduziert wird. Insbesondere betrifft die Erfindung ein neuartiges Verfahren und eine Vorrichtung zur mit hohem Kontrastverhältnis erfolgenden Modulation von unpolarisiertem Licht bei mäßigen Schaltgeschwindigkeiten.

Hintergrund der Erfindung

Im Stand der Technik existieren zahlreiche Verfahren zur Modulation von Licht, die sämtlich je nach der betreffenden Anwendungsform Vorteile und Nachteile aufweisen. Beispielsweise kann eine mechanische Blende als hocheffektive Vorrichtung zum Modulieren von Licht verwendet werden und dabei ein nahezu unbegrenztes Kontrastverhältnis bieten, wobei jedoch die Schaltgeschwindigkeit einer mechanischen Blende größtenteils geringer als ein Kilohertz ist, wenn nicht relativ ausgefallene piezoelektrische Blenden verwendet werden, die kostenaufwendige Stromversorgungseinrichtungen und eine ziemlich komplexe Ausgestaltung erfordern. Ein Flüssigkristallmodulator kann verwendet werden, um Geschwindigkeiten im niedrigen Kilohertz-Bereich zu schalten, wobei derartige Modulatoren generell ein gutes Kontrastverhältnis aufweisen (typischerweise im Bereich von 20 oder 30:1, häufig angeblich sogar 500:1), jedoch können Flüssigkristallmodulatoren größtenteils nur polarisiertes Licht durchlassen und erleiden bei Anwendung im UV- Bereich einen photochemischen Zusammenbruch. Ein akustooptischer Modulator kann bei Verwendung mit einem Laser generell ein ausgezeichnetes Kontrastverhältnis (> 800:1) und Schaltgeschwindkeiten im Megahertz-Bereich erzielen, jedoch ist seine Durchlaßeffizienz bei hohen Modulationsgeschwindigkeiten insgesamt verhältnismäßig gering, die Ausgestaltung des Modulators ist ziemlich komplex, und für den UV-Betrieb muß das Licht polarisiert sein. Elektrooptische Modulatoren bieten bei Verwendung mit einem Laser ein gutes Kontrastverhältnis mit sehr hohen Modulationsfrequenzen, benötigen jedoch polarisiertes Licht und eine präzise Ausgestaltung, und ihre Zuverlässigkeit ist fragwürdig.
Andere Modulationseinrichtungen, die im Zusammenhang mit der hier beschriebenen Erfindung stehen, sind die Einrichtung nach Walles (Patent Nr. 4,260,225, 7. April 1981), bei denen durch Temperaturänderungen Änderungen der Löslichkeit einer polymeren Lösung in einem Lösungsmittel bewirkt und dadurch Änderungen in der optischen Dichte einer Zelle verursacht werden; die Einrichtung von Waring, Jr. (Patent Nr. 3,951,520, 20. April 1976), bei der durch Temperaturänderungen Änderungen der Verteilung zweier nicht mischbarer Phasen erzeugt und dadurch Änderungen der Streuung des Lichtes durch eine Zelle verursacht werden; die Einrichtung von Mattis (Patent Nr. 3,664, 726, 23. Mai 1972), bei der durch Erwärmen mittels einer elektromotiven Kraft der Übergang eines in einer Zelle enthaltenen Metalloxides oder Salzes aus einem durchlässigen in einen reflektierenden Zustand verursacht wird; und die Einrichtung von Herbert (Patent Nr. 4,148,563, 10. April 1979), bei der durch eine Änderung des Brechungsindex bei Auftreten einer Änderung aus der flüssigen in die dampfförmige Phase die innere Totalreflektion einer Zelle verändert wird.
In engerem Zusammenhang mit der Erfindung steht der Stand der Technik gemäß Nishimura (Japanische Anmeldungsnummern Sho 57- 102305, 57-102295, 57-102296, 57-102291 und 57-102292, sämtlich eingereicht am 16. Juni 1982), bei dem durch eine elektrische Widerstandsheizung in einem opaken Fluid eine Blase erzeugt und dadurch die Zelle in dem Bereich der Blase aus dem optisch opaken in den optisch durchlässigen Zustand verändert wird. Eine weitere Anmeldung gemäß Kawamura (Japanische Anmeldungsnummer Sho 60-51010, 14. Mai 1985) zeigt eine optische Blende, die im wesentlichen nach dem gleichen Prinzip arbeitet wie diejenige der Einrichtungen von Nishimura.
Bei jeder der in dem vorstehenden Abschnitt beschriebenen Anmeldungen wird die die Blase generierende Wärme durch ein elektrisches Element erzeugt. Bei einer durchlässigen Zelle muß dieses elektrische Element durchlässig sein, und eine vorzugsweise durchlässig ausgestaltete Multiplexerschaltung muß auf dieses Element zugreifen. Ferner weisen diese durchlässigen elektrischen Elemente und Schaltungen vorzugsweise eine gute optische Qualität auf, um eine Streuung und Verzerrung des durchgeschickten Lichtes zu beseitigen. Zudem müssen die elektrischen Elemente an diskreten Stellen positioniert werden, so daß die Erzeugung von Blasen an nicht vorbestimmten Stellen innerhalb der Zelle verhindert wird. Diese diskrete Positionierung jedes elektrischen Elementes macht es erforderlich, daß die Elemente klein und eng gepackt sind, damit das Licht, das durch die das Bild bildenden Blasen geschickt oder von diesen reflektiert wird, eine hohe Auflösung erfährt.
Gemäß einem weiteren, eng mit der Erfindung zusammenhängenden Stand der Technik nach Nishimura (Patent Nr. 4,536,061, 20. August 1985) wird eine Blase in einem opaken Fluid erzeugt, indem ein Teil eines wärmeerzeugenden Elementes, das in der Nähe einer das opake Fluid enthaltenden Zelle angeordnet ist, erwärmt wird; derartige Einrichtungen können nur reflektiertes Licht modulieren. Yuasa et al. (Patent Nr. 4,900,135, 13. Februar 1990) beschreibt die Verwendung einer Suspension feiner Polymerpartikel als Flüssigkeitsschicht zur optischen Modulation, wobei die Suspension normalerweise eine Lichtstreufähigkeit aufweist, aber in erwärmtem Zustand aufgrund der Streuung der Partikel durchlässig ist; bei mäßigen Schaltgeschwindigkeiten sind derartige Einrichtungen möglicherweise nur begrenzt verwendbar.
Generell weisen derzeit existierende optische Modulatoren bei Anwendung zur Bilderzeugung, insbesondere falls UV-Strahlung verwendet wird, unerwünschte Eigenschaften auf. Als Beispiel sei angenommen, daß ein HeCd-Laser zur Belichtung eines Photopolymers bei einem Festkörperabbildungs- oder Stereolithographievorgang verwendet werden soll. Die kommerziell verfügbaren HeCd-Laser weisen einen UV-Ausgabewert von 325 nm auf und sind ziemlich leistungsschwach, so daß die dreidimensionale Objektformierung relativ langsam erfolgt. Um den Vorgang der Objektformierung zu beschleunigen, werden UV-betriebene HeCd-Laser mittlerer Leistung verwendet. Zur Erzielung der erhöhten Leistung versehen die Hersteller die Laser jedoch normalerweise mit einem unpolarisiertem und Multimoden-Ausgang. In Verbindung mit den Lasern mittlerer Leistung sollte ein Verfahren zur gemäßigt schnellen Strahlmodulation verwendet werden, um eine gleichförmige Belichtung über die Bildebene zu gewährleisten. Nachteiligerweise arbeitet keines der existierenden Modulationssysteme gut genug für ein derartiges System, was die Laserausgabe und die erforderlichen Modulationsgeschwindigkeiten betrifft. Mechanische Blenden arbeiten zu langsam, um eine korrekte Belichtungssteuerung und eine gleichförmige Bildrandsteuerung zu ermöglichen. Flüssigkristallblenden erfordern polarisiertes Licht, und das Flüssigkristallmedium ist unter UV-Stahlung nicht stabil. Akustooptische und elektrooptische Modulatoren erfordern polarisiertes Licht, um bei dieser Wellenlänge betrieben zu werden, und der Multimoden-Ausgang des Lasers macht den akustooptischen Modulator ineffizient. Falls ein UV-Belichtungssystem gebildet werden soll, kann ein UV-Laser mit höherer Leistung, beispielsweise ein Argon-Ionenlaser, effektiv mit einem - z.B. akustooptischen - Modulator verwendet werden; dies zieht jedoch beträchtlichen zusätzlichen Aufwand nach sich. Andererseits könnte man versuchen, zum Projizieren des Bildes eine Quelle inkohärenten UV-Lichtes zu verwenden, die durch Silberhalogen-Filme maskiert ist. In dieser Weise kann innerhalb einer Schicht eine hohe Auflösung erzeugt werden, wobei jedoch aufeinanderfolgende Schichten möglicherweise nicht korrekt mit anderen Schichten in Deckung gelangen und die Filme nur unter Schwierigkeiten mit hinreichenden Geschwindigkeiten gehandhabt werden können.

Überblick über die Erfindung

Gemäß der Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, mit denen ein optischer Modulator, der mit in einer Zelle enthaltenen Farbstoffen und Lösungsmitteln betrieben wird, in die Lage versetzt wird, von einem Laserstrahl oder von einer inkohärenten Lichtquelle erzeugtes Licht einund auszuschalten. Ferner wird die Anwendungsmöglichkeiten eines derartigen optischen Modulators in Systemen zur Erzeugung zwei- oder dreidimensionaler Bilder offenbart.
Generell wird in dem Modulator gemäß der Erfindung eine flüssige Farbstofflösung verwendet, die in einem Spalt in der Zelle enthalten ist. Unter normalen Umständen macht die Farbstofflösung die Zelle für Licht bestimmter Wellenlängen im wesentlichen opak. Wenn jedoch wärmeerzeugende Strahlung an einem Punkt innerhalb der Zelle auf die Farbstofflösung fokussiert wird, wird eine Blase erzeugt. Die Blase ist für die Wellenlängen der einfallenden Strahlung, die zuvor durch die Farbstofflösung blockiert wurden, im wesentlichen durchlässig, und somit werden Wellenlängenbereiche der einfallenden Strahlung, die zuvor blockiert wurden, als Bildstrahlung durch die Blase und die Zelle hindurchgelassen. Falls die wärmeerzeugende Strahlung ausgeschaltet oder auf einen anderen Bereich der Zelle gerichtet wird, kondensiert die Blase, 50 daß die Farbstofflösung denjenigen Bereich der Zelle, in dem sich die Blase kondensiert hat, wieder in den opaken Zustand versetzen kann.
Das Erfahren gemäß der Erfindung und die Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 1 bzw. 17 definiert.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt allgemein die Arbeitsweise eines Flüssigkeits/Dampf-Modulators, bei dem ein aus einem Wärmestrahl- Laser ausgegebener Strahl bei Fokussierung auf eine in einer Zelle enthaltene Farbstofflösung in der Zelle eine Blase erzeugt, die aus einer Quelle inkohärenter Belichtung ausgegebene Belichtungsstrahlung durch die Zelle hindurchläßt.
Fig. 2 zeigt eine weitere Anwendungsmöglichkeit des Flüssigkeits/Dampf-Modulators, bei der die aus einem Belichtungslaser ausgegebene Belichtungsstrahlung und ein aus einer weiteren Laserquelle ausgegebener fokussierter Wärmestrahl im wesentlichen kollinear gemacht werden. Wenn in dem Modulator eine Blase gebildet worden ist, wird die Belichtungsstrahlung im wesentlichen durch die Blase hindurch fokussiert, so daß die Bildstrahlung hindurchgelassen wird.
Fig. 3 zeigt eine Anwendungsmöglichkeit des Flüssigkeits/Dampf-Modulators, bei der die im wesentlichen kollineare Belichtungsstrahlung und der fokussierte Wärmestrahl mittels eines Abstastspiegels derart ausgerichtet werden, daß sie unterschiedliche Bereiche der in einer Zelle eines Flüssigkeits/Dampf-Modulators enthaltenen Farbstofflösung abtasten.
Fig. 4 zeigt einen an einer Faseroptik montierten Flüssigkeits/Dampf-Modulator zum Modulieren der aus der Faseroptik ausgegebenen Abbildungsstrahlung.
Fig. 5 zeigt eine komplexere Version der Anwendungsmöglichkeit gemäß Fig. 3, bei der mehrere fokussierte Wärmestrahlen in einer Abstastbewegung über die Oberfläche des Modulators geführt, dabei mehrere entsprechende Blasen erzeugt und somit mehrere Bereiche geschaffen werden, über die die Belichtungsstrahlung als Bildstrahlung durch die Zelle hindurchtreten kann.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Generell arbeitet der Flüssigkeits/Dampf-Modulator nach dem Prinzip, daß die Löslichkeit eines Farbstoffs in einem Lösungsmittel sich beträchtlich ändert, wenn dieses Lösungsmittel eine Phasenveränderung von einer flüssigen zu einer dampfförmigen oder von einer dampfförmigen zu einer flussigen Phase erfährt. Durch die Veränderung der Löslichkeit des Farbstoffs in den Phasen des Lösungsmittels wird auch die optische Dichte oder die von der Farbstofflösung blockierte Lichtmenge beträchtlich verändert. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung bedeutet der Ausdruck "blockiert", daß die Lichtenergie daran gehindert wird, in ihrer ursprünglichen Form durch die Farbstofflösung hindurchzutreten oder von ihr reflektiert zu werden. Beispielsweise kann Licht einer bestimmten Wellenlänge von der Farbstofflösung absorbiert und somit blockiert werden, jedoch kann die absorbierte Lichtenergie durch eine Photolumineszenzeinrichtung in eine andere Wellenlänge umgesetzt werden, die blockiert bzw. nicht blockiert werden kann. Alternativ kann z.B. die Lichtenergie durch Wärme derart umgesetzt werden, daß sie blockiert bzw. nicht blokkiert werden kann. Die optische Dichte oder Absorption ist definiert als log&sub1;&sub0; (Intensität des auftreffenden Lichtes/Intensität des durchgelassenen Lichtes). Da bei zahlreichen Lösungsmitteln unter korrekten Bedingungen die Veränderung von der flüssigen in die dampfförmige oder von der dampfförmigen in die flüssige Phase leicht reversibel ist, ist auch die Löslichkeit der Farbstoffe in der die Phasenveränderung erfahrenden Lösung generell reversibel, und somit ist die optische Dichte der die Phasenveränderung erfahrenden Lösung reversibel. Wenn eine Dampfblase gebildet werden kann, wird generell in einer flüssigen Farbstofflösung hoher optischer Dichte die optische Dichte im Bereich der Blase im wesentlichen niedrig oder erreicht den Zustand der Durchlässigkeit. Falls die Dampfblase zu einer Flüssigkeit kondensiert und die Farbstoffe in der kondensierten Flüssigkeit aufgelöst werden, wird der Bereich, in dem zuvor die Blase existierte, optisch dicht.
Anhand Fig. 1 wird die Beschreibung des Flüssigkeits/Dampf- Modulators fortgeführt. Der Flüssigkeits/Dampf-Modulator 101 weist zwei durchlässige Platten auf. Im folgenden wird die eine Platte als belichtete Platte 103 und die andere Platte als Bildplatte 105 bezeichnet. Die Platten weisen jeweils zwei Hauptflächen auf. Die belichtete Platte 103 hat eine äußere Belichtungsfläche 103' und eine innere Belichtungsfläche 103". Die Bildplatte 105 hat eine äußere Bildfläche 105' und eine innere Bildfläche 105". Die innere Belichtungsfläche 103" liegt der inneren Bildfläche 105" gegenüber, und zwischen diesen beiden Flächen ist eine Farbstofflösung 107 angeordnet. Die beiden Platten sind voneinander getrennt befestigt, und die Farbstofflösung 107 ist mittels einer Dichtung 109 dicht zwischen den beiden Platten gehalten. Für die Zwecke der Erfindung ist die Farbstofflösung 107 typischerweise eine Flüssigkeit und wird als solche beschrieben; sie kann jedoch auch ein Gel sein. In der flüssigen Phase ist die Farbstofflösung 107 derart beschaffen, daß sie gegenüber bestimmten Wellenlängen eine hohe optische Dichte aufweist. Wenn eine von der Belichtungsstrahlung 111, die von einer zur bereichsweisen Belichtung vorgesehenen Belichtungsquelle 113 für inkohärentes Licht ausgegeben wird, durch die belichtete Platte 103 in die Farbstofflösung 107 geschickt wird, werden somit bestimmte Wellenlängen der Strahlung 111 im wesentlichen blockiert und nicht durch die Farbstofflösung 107 hindurch in die Bildplatte 105 gelassen. In dem Bereich jedoch, in dem der von dem Wärmestrahl-Laser 117 ausgegebene fokussierte Wärmestrahl 115 durch die Farbstofflösung 107 hindurchtritt, wird eine Dampfblase 119 gebildet, wodurch die optische Dichte in diesem Bereich verringert wird und die diesen Bereich belichtende Strahlung als Bildstrahlung 111' durch den Modulator hindurchgelassen wird. Zusätzlich kann der fokussierte Wärmestrahl 115 als Durchtrittsstrahl 115' durch den Modulator 101 und die Blase 119 hindurchtreten. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung ist die Bildstrahlung die Beleuchtungsstrahlung, die durch eine in der Farbstofflösung enthaltene Blase hindurchtritt und eine Wellenlänge oder einen Bereich von Wellenlängen aufweist, den die flüssige Farbstofflösung normalerweise im wesentlichen blockieren würde. Der Ausdruck "Bild" wird in erster Linie als deskriptiver Terminus für die typische Funktion der Strahlung verwendet. Die Funktion der Bildstrahlung kann jedoch z.B. auch darin bestehen, einen Photosensor in einer elektrooptischen Schaltung zu aktivieren, einen fernsehähnlichen Bildschirm zu erzeugen, etc. Auch der Ausdruck "fokussierter Wärmestrahl" wird nur als Ausdruck zur Beschreibung der Funktion des Strahls verwendet. Der fokussierte Wärmestrahl besteht in Wirklichkeit aus kohärentem Licht einer beliebigen zweckmäßigen Wellenlänge, das bei dem Flüssigkeits/Dampf-Modulator verwendet wird, um an einem Punkt in der Farbstofflösung Wärme zu erzeugen und dadurch eine Blase zu bilden. Der fokussierte Wärmestrahl oder Wärmestrahl wird oft als ein durch die Farbstofflösung hindurchtretender Strahl beschrieben. Dies bedeutet, daß der Wärmestrahl auf einen Bereich der Farbstofflösung gerichtet und eingeschaltet wird. Falls andererseits der Wärmestrahl von einem Bereich der Farbstofflösung "entfernt" wird, kann er auf einen anderen Bereich der Farbstofflösung gerichtet werden und dennoch eingeschaltet bleiben, oder der Wärmestrahl-Laser kann ausgeschaltet werden, oder der Wärmestrahl kann in irgendeiner Weise blockiert werden, oder es wird eine Kombination dieser Alternativen verwendet.
Der Flüssigkeits/Dampf-Modulator kann entweder - wie in den Figuren gezeigt - mittels Transmission oder mittels Reflektion betrieben werden. Beispielsweise könnte in Fig. 1 die Bildplatte 105 tatsächlich eine verspiegelte innere Bildfläche 105" aufweisen. Die Belichtungsstrahlung 111 könnte unter einem Winkel in den Modulator 101 eintreten und im Bereich der Blase 119 als Bildstrahlung 111' unter einem komplementären Winkel von der inneren Bildfläche 105" weg reflektiert werden. Wenn somit erwähnt wird, daß die Bildstrahlung "durch" die Zelle hindurchtritt oder von der Zelle "weg" verläuft, 50 sind derartige Formulierungen generell 50 zu interpretieren, daß sie das Hindurchtreten oder die Reflektion der mittels der Zelle modulierten Bildstrahlung bezeichnen.
Die bei Betrieb des Flüssigkeits/Dampf-Modulators 101 verwendete Farbstofflösung 107 weist ein Lösungsmittel und mindestens einen Farbstoff auf, der die aus der Belichtungsquelle 113 austretende Strahlung 111 und den aus dem Laser 117 austretenden fokussierten Wärmestrahl 115 blockiert. In vielen Fällen ist es vorzuziehen, daß die Farbstofflösung 107 zwei oder mehr Farbstoffe enthält. Die Farbstoffe erfüllen im wesentlichen zwei Funktionen. Der Farbstoff absorbiert die Strahlung des fokussierten Wärmestrahls 115 und setzt die Energie des fokussierten Wärmestrahls 115 in Wärme um, die dann das in der Lösung 107 enthaltene Lösungsmittel lokal erwärmt und die Blase 119 erzeugt. Dieser Farbstoff wird im folgenden als thermischer Farbstoff bezeichnet. Falls dieser Farbstoff oder ein anderer Farbstoff oder Farbstoffe in der Lösung 107 mindestens einen Teil der Wellenlängen der Belichtungsstrahlung 111 blockieren, wird der Farbstoff im folgenden als blockierender Farbstoff bezeichnet. Der blockierende Farbstoff ist vorzugsweise nicht effizient zum Umsetzen der Belichtungsstrahlung 111 in Wärme. Typischerweise weisen Farbstoffe, die keine effizienten Wärme-Umsetzer sind, ein hohes Quantum an Photolumineszenz-Ausbeute und eine etwas geringe Stokessche Verschiebung auf. Es ist nicht wünschenswert, daß eine irreversible photochemische Veränderung eintritt, wenn irgendeiner der Farbstoffe in der Lösung 107 die Belichtungsstrahlung 111 oder den fokussierten Wärmestrahl 115 blockiert. Bei Farbstoffen mit einem hohen Quantum an Photolumineszenz- Ausbeute wird die aus der Belichtungsstrahlung 111 absorbierte Energie in Photolumineszenz statt Wärme absorbiert. Typischerweise tritt diese Photolumineszenz bei einer Wellenlänge auf, die länger ist als die absorbierte Wellenlänge und in sämtlichen Richtungen ausgestrahlt wird, wodurch die Energie abgeleitet wird. Falls z.B. die Belichtungsstrahlung 111 zuerst von der Farbstofflösung 107 nahe der innere Belichtungsfläche 103" der Platte 103 absorbiert wird, wird ein großer Anteil der Belichtungsstrahlung 111 durch den Farbstoff in Photolumineszenz umgesetzt und mit einer verschobenen Wellenlänge in allen Richtungen ausgestrahlt. Ein großer Anteil dieser Photolumineszenz wird durch die Belichtungsplatte 103 zurück aus dem Modulator 101 heraus geleitet. Der größte Teil dieser Photolumineszenz wird durch die umgebende Farbstofflösung 107 absorbiert und erneut in Photolumineszenz umgesetzt, und zwar typischerweise mit einer größeren Wellenlänge und in sämtlichen Richtungen, wobei ein großer Anteil der Photolumineszenz- Energie durch die Platte 103 zurück aus dem Modulator 101 austritt und ein großer Anteil des Restes der Photolumineszenz-Energie von der umgebenden Farbstofflösung 107 absorbiert wird. Dieser Vorgang kann sich fortsetzen, bis schließlich ein Teil der Photolumineszenz-Energie die innere Bildfläche 105" der Platte 105 erreicht, wo sie in sämtlichen Richtungen abgestrahlt wird. Zu dem Zeitpunkt, an dem die Belichtungsstrahlung 111 durch die Farbstofflösung 107 hindurchtritt, weist sie im wesentlichen reduzierte Energie auf, ist weitgehend zerstreut, und hat typischerweise eine größere Wellenlänge. Auf diese Weise benutzt der Farbstoff zwei Photolumineszenz- Mechanismen zur Streuung der Energie der Belichtungsstrahlung 111. Ein Mechanismuns besteht in der Streuung von Energie durch Dispersion in sämtlichen Richtungen, wobei ein großer Teil der Energie durch die Belichtungsplatte 103 hindurchtritt. Der andere Mechanismus besteht in der Umsetzung der Energie der Belichtungsstrahlung 111 in eine andere Wellenlänge, die ihrerseits in sämtlichen Richtungen abgeleitet wird.
Die unter Photolumineszenz erfolgende Wellenlängenverschiebung wird als Stokesscher Verlust oder Stokessche Verschiebung bezeichnet. In den meisten Fällen tritt als Ergebnis der Wellenlängenverschiebung ein Energieverlust auf. Dieser Energieverlust tritt normalerweise in Form molekularer Vibrationsenergie auf - oft als Phononen-Energie bezeichnet - und kann unerwünschte Wärme in der Farbstofflösung erzeugen. Bei der Praktizierung der Erfindung in ihrer allgemeinen Form ist vorzugsweise die Stokessche Verschiebung ziemlich gering, um die erzeugte Wärme zu reduzieren. Besonders bevorzugt wird jedoch eine derart geringe Stokessche Verschiebung, daß die Photolumineszenz der Farbstofflösung 107 bei einer Wellenlänge auftritt, die von dem Farbstoff nicht absorbiert wird und somit frei durch den Modulator hindurchtreten kann. In dem besonders bevorzugten Fall sollte die Wellenlängenverschiebung derart beschaffen sein, daß jedes beliebige Objekt, das durch den Modulator hindurch abgebildet wird, im wesentlichen unbeeinträchtigt durch die die verschobene Wellenlänge aufweisende Photolumineszenzstrahlung bleibt.
Die vorstehend im Zusammenhang mit der Farbstofflösung 107 und dem Modulator 101 aufgeführte Lehre wird im folgenden anhand eines Beispiels erläutert. Als Anwendungsbeispiel wurde das folgende Experiment ausgeführt. Die Belichtungsquelle 113 war eine Quecksilberlampe mit einer Belichtungsstrahlung 111, bei der der Peak der Wellenlängenenergie im wesentlichen bei 365 nm lag. Andere Wellenlängen gehen von dieser Wellenlänge aus, jedoch ist es hauptsächlich die Wellenlänge von 365 nm, die die Photoformierung von Cromalin(Wz) C4/CP (DuPont, Wilmington, DE) bewirkt. In dem vorliegenden Fall bestand der Modulator 101 aus zwei Quartzglasplatten von 15 cm x 15 cm x 0,16 cm (6" x 6" x 1/16"), einer Belichtungsplatte 103 und einer Abbildungsplatte 105. Diese beiden Platten wurden durch ein Glasversieglelungsflußmittel 109 derart miteinander abgedichtet, daß ein Spalt von ungefähr 0,04 mm (1,5 mil) zwischen der inneren Belichtungsfläche 103" und der inneren Bildfläche 105" gebildet wurde. Eine Farbstofflösung 107 wurde wie folgt gemischt:
POPOP (p-Bis{2-(5-phenyloxazolyl)}benzol) wurde bis fast zum Sattigungszustand einem Methylenchlorid beigegeben und durch Ultraschall für ungefähr eine Minute gemischt. Anschließend wurde der Lösung SQS-IR-Farbstoff hinzugefügt. Vorstufen- und Synthese-Patente, die die Art der Formulierung von SQS beschreiben, sind z.B. diejenigen von Kawamura (US-Patent 4,283,475) und Gravesteijn (US-Patent 4,508,811). Schließlich wurde der unter der Bezeichnung Cyasorb-24(Wz) (Cyanamid, Wayne, NJ) vertriebene UV-Farbstoff (2,2'-Dihydroxy-4-methoxybenzophenyl) der Lösung 107 beigegeben, die dann in den durch die Platten des Modulators 101 gebildeten Spalt eingeführt wurde. Das SQS und das Cyasorb-24(Wz) wurden der Farbstofflösung 107 beigegeben, bis der Modulator in einem Bereich von ungefähr 250 nm bis 390 nm eine optische Dichte von über 3,2 erreichte. Zwischen ungefähr 400 nm und 670 nm betrug die optische Dichte des Modulators 101 weniger als 0,7. Von ungefähr 700 nm bis 830 nm lag die optische Dichte des Modulators 101 über 3,5. Zum Testen der optischen Dichte wurde zunächst der Modulator 101 ohne die Farbstofflösung 107 in einem Sicht-Spektrophotometer des Typs Varian DM-S 100S plaziert, und es wurde eine Basismeßreihe erstellt. Anschließend wurde der Modulator 101 mit der Farbstofflösung 107 in dem Spektrophotometer plaziert, um die optische Dichte über den Wellenlängen von 190 nm bis 900 nm zu erhalten.
POPOP (in Methanol) weist bei 365 nm einen hohen molekularen Extinktionskoeffizienten von ungefähr 48000 und eine Peak-Photolumineszenz-Emission um 418 nm auf. Der Stokesscher Verlust oder die Stokessche Verschiebung beträgt ungefähr 2600 cm&supmin;¹, und das Quantum der Photolumineszenz- Ausbeute beträgt ungefähr 0,93. Die Beigabe von erfolgt hauptsächlich, um die optische Dichte zu erhöhen, und um den Modulator 101 im UV-Bereich photochemisch zu stabilisieren. Der Modulator 101 mit der Farbstofflösung 107 wies einen grünlich-braunen Farbton auf, der in erster Linie durch den IR-Farbstoff erzeugt wurde.
Der zum Erzeugen des fokussierten Wärmestrahls 115 verwendete Laser 117 war ein Diodenlaser vom Typ Liconix Diolite 30 mW (Liconix, Santa Clara, CA), dessen Wellenlängen um 780 nm herum lagen. Die Punktgröße am Fokus des Strahls 115 betrug ungefähr 127 µm, war jedoch aufgrund der während des Experiments vorgenommenen Anpassungen möglicherweise größer oder kleiner.
Das Cromalin(Wz) wurde zunächst mittels eines zur positiven Cromalin(Wz)-Laminierung ausgebildeten Cromalin(Wz)-Laminators (Dupont, Wilmington, DE) auf ein unter der Bezeichnung Masterproof(WZ) (DuPont, Wilmington, DE) vertriebenes Proof-Material laminiert. Das Mylar(Wz)-Abdeckblatt wurde während der Belichtung in Position belassen, um eine Sauerstoff-Inhibition bei der Photoformierung der Cromalin(Wz)-Monomere zu verhindern. Cromalin(Wz) photoformiert, wenn es Wellenlängen um 365 nm ausgesetzt wird, ist jedoch nicht sehr empfindlich gegenüber Wellenlängen über 390 nm.
Durch den Modulator 101 mit der Farbstofflösung 107 wurde die einen UV-Peak von 365 nm aufweisende Belichtungsstrahlung 111 im wesentlichen blockiert. Die POPOP- und Cyasorb-24(Wz)-Farbstoffe absorbierten diese UV-Strahlung und erzeugten eine Photolumineszenz, deren Wellenlänge ungefähr bei 418 nm lag. Diese Photolumineszenz wurde von dem Modulator nur teilweise blockiert, und ein gewisser Anteil der Photolumineszenz wurde durch die Bildplatte 105 durchgelassen und konnte auf das Cromalin(Wz) auftreffen. Ferner hat diese Wellenlänge der Photolumineszenz nur eine geringe Auswirkung auf die Photoformierung von Cromalin(Wz) C4/CP. Nach einer Belichtung von ungefähr 999 Sekunden zeigte das durch den Modulator 101 maskierte Cromalin(Wz) Anzeichen von Photoformierung. Bei Verwendung dieser Lichtquelle 113 beträgt die normale Belichtungszeit zur Photoformierung von Cromalin(Wz) 10 Sekunden, und eine Belichtung von einer Sekunde erzeugt eine größere Photoformierung, als sie bei einer 999 Sekunden dauernden Belichtung durch den Modulator 101 erreicht wird. Ferner wies die Belichtungsstrahlung 111 Wellenlängen im gesamten Bereich des sichtbaren Lichtes auf. Falls der Modulator 101 die gesamte Energie im sichtbaren Bereich blockiert hätte, hätte dieser dazu tendiert, sich zu erhitzen. Da jedoch der Modulator 101 in Wellenlängenbereichen von 400 nm bis 670 nm in gewissem Ausmaß durchlässig ist, wird ein großer Anteil dieser sichtbaren Lichtenergie durch den Modulator 101 hindurchgelassen, ohne daß in der Farbstofflosung 107 schädliche Temperatursteigerungen verursacht werden.
Anschließend wurde der Laser 117 auf die Farbstofflösung 107 in dem Modulator 101 fokussiert. In dem Bereich, in dem der fokussierte Wärmestrahl 115 die Farbstofflösung 107 schnitt, bildete sich eine Dampfblase 119, und die Abbildungsstrahlung 111' trat durch den Modulator hindurch und photoformierte das Cromalin(Wz). Der fokussierte Wärmestrahl 115 wurde langsam translatorisch auf verschiedene Bereiche des Modulators bewegt, wodurch photoformierte Linien auf dem Cromalin(Wz) erzeugt wurden. Später wurde das Mylar(Wz)-Abdeckblatt von dem Cromalin(Wz) abgenommen, und Magenta-Toner wurde über die Cromalin(Wz)- Oberfläche verteilt, die die Außenkontur des Modulators 101 und die mit dem fokussierten Wärmestrahl 115 und der Abbildungsstrahlung 111' durch den Flüssigkeits/Dampf-Modulator 101 gezogenen Punkte und Linien aufwiesen. Ein separater Test zeigte, daß die Wellenlänge der Strahlung des fokussierten Wärmestrahls 115 das Cromalin(Wz) nicht photoformierte.
Die Löslichkeit der Farbstoffe in der Lösung 107 ist ein wichtiger Aspekt. Generell werden die Farbstoffe, falls man ihnen eine stabile Löslichkeit in dem Lösungsmittel bei oder nahe Raumtemperatur verleihen kann, leicht in den wärmeren kondensierten Dampf, in dem zuvor die Blase 119 existierte, zurückdiffundiert, und dieser Bereich nimmt wieder seine vorherige optische Dichte an.
Die Farbstoffe sollten derart gewählt sein, daß nur eine geringe oder keine irreversible photochemische Veränderung erfolgt, wenn sie bei Betrieb den verschiedenen Strahlungen ausgesetzt werden. Absorbierende Schutz-Farbstoffe, wie z.B. der Cyasorb-24(Wz)-UV-Farbstoff in dem obigen Beispiel, können der Lösung 107 als Absorbierungslichtstabilisierer hinzugefügt werden, um dazu beizutragen, eine mögliche photochemische Verschlechterung des SQS-IR-Farbstoffs zu reduzieren und somit die Betriebslebensdauer der Farbstofflösung 107 in dem Modulator 101 zu verlängern und deren Empfindlichkeit zu stabilisieren.
Ein weiterer, im Zusammenhang mit dem Farbstoff zu beachtender Aspekt besteht in dessen Eigen-Wärmekapazität. Typischerweise üben Farbstoffe, die sich in einer Lösung befinden, keinen größeren Einfluß auf die Wärmekapazität der Farbstofflösung 107. In einer Dispersion befindliche Farbstoffe jedoch, wie z.B. Tusche (die in einem weiten Bereich von Wellenlängen der Belichtungsstrahlung 111 und des fokussierten Wärmestrahls 115 als Farbstofflösung 107 für den Modulator 101 geeignet wäre und die aus einer Dispersion fein zerteilten Kohlenstoffs in einer Reihe von Lösungsmitteln besteht), können eine beträchtliche Wärmekapazität aufweisen. Diese höhere Wärmekapazität erfordert normalerweise eine merklich höhere Bestrahlungsstärke (Watt/cm²) des fokussierten Wärmestrahls 115, um eine Dampfblase 119 in der Farbstofflösung 107 zu bilden, und die von den Partikeln in der Dispersion absorbierte Wärme kann die Kondensation der Dampfblase 119 verlangsamen, sobald der fokussierten Wärmestrahl 115 diesen Bereich nicht mehr bestrahlt.
Das in der Farbstofflösung 107 befindliche Lösungsmittel beeinflußt die Wellenlängenblockierfähigkeit des Modulators 101, da bei Farbstoffen die Photolumineszenz-Absorption und die Emission von Strahlung typischerweise verschoben werden, wenn verschiedenartige Lösungsmittel verwendet werden. Beispielsweise liegt bei dem Farbstoff BPSB (Bis{isopropylstyryl}benzol) - der ein weiterer, zur Verwendung als UV-Blockierungsfarbstoff in einem Flüssigkeits/Dampf-Modulator 101 geeigneter Farbstoff ist und eine Quantum-Ausbeute von 0,94 und bei 365 nm einen molekularen Extinktionskoeffizienten von über 36000 aufweist - die Peak-Absorption bei ungefähr 357 nm und die Peak-Emission bei 415 nm, wenn er sich in Cyclohexan-Lösungsmittel befindet, während, wenn er sich in einer Benzol-Lösung befindet, seine Peak-Emission bei 362 nm und seine Peak-Emission bei 420 nm liegt. Absorption und Emission von Wellenlängen wird auch durch andere Farbstoffe in der Farbstofflösung 107 und sogar durch die Wellenlänge der Belichtungsstrahlung 111 beeinflußt. Der Modulator 101 sollte für jede Farbstofflösung 107 in einem Spektrophotometer getestet werden, um seine realen Blockiereigenschaften zu bestimmen. Die Photolumineszenz-Eigenschaften des Modulators 101 können in einer Spektrophotometer-Anordnung für Photolumineszenz-Auswertungen studiert werden.
Es existieren zahlreiche Farbstoffe mit einem hohen molekularen Extinktionskoeffizienten, einem hohen Quantum an Photolumineszenz-Ausbeute und einer adäquaten Stokesschen Verschiebung, die mit verschiedenen Lösungsmittel-Systemen kompatibel sind. In dieser Hinsicht sind auch Phosphatverbindungen verwendbar. Es folgt eine teilweise Auflistung geeigneter Kombinationen von Farbstoffen und Lösungsmitteln mit Angabe der Absorptions- und Emissions-Wellenlängen und der Extinktionskoeffizienten: Lichtstrahlung (nm) Farbstoff Lösungsmittel Extinktionskoeffizient bei Lichtstrahlung Peak-Absorption (nm) Emission Acridin BBO (2,5-Dibiphenylyloxazol) Dimethyl POPOP (1,4-Bis-2-(4-methyl-5-phenyloxazolyl)-Benzol Perylen Diphenylstilben 1,6-Diphenylhexatrien BBOT (2,5-Bis{5-tert-butylbenzoxazolyl (2)}thiophen) PPO(2,5-Diphenyloxazol) Ethanol Benzol Cyclohexan
Obwohl der Großteil der vorstehend aufgeführten Farbstoffe für die Verwendung in einem zum Schalten von UV-Bildstrahlung 111' konzipierten Flüssigkeits/Dampf-Modulator 101 geeignet wäre, ermöglicht die Verwendung bestimmter Farbstoffe, wie z.B. Perylen, ein Schalten sichtbarer Bildstrahlung 111'. Obwohl die oben aufgeführten Farbstoffe in erster Linie aromatisch sind, können auch andere Farbstoffe verwendet werden, z.B. verschiedenen Kumarin-, Stilben-, Fluoreszein- und Rhodamin- Farbstoffe.
Für den Flüssigkeits/Dampf-Modulator können beispielsweise die folgenden thermischen Farbstoffe verwendet werden:
Beispielsweise wurde einer der Squarylium-Farbstoffe SQS, die typischerweise die nützliche Eigenschaft besitzen, im sichtbaren Bereich gering absorbierend zu sein und nahe dem IR-Bereich einen sehr hohen Extinktionskoeffizienten aufzuweisen, sehr erfolgreich in einem Flüssigkeits/Dampf-Modulator verwendet und wird somit bevorzugt:
R1, R2, R3 und R4 bilden jeweils unabhängig voneinander eine Alkyl-Gruppe aus einem bis acht Kohlenstoffatomen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Farbstoff ein SQS, bei dem R1, R2, R3 und R4 jeweils t-Butyl sind. SQS ist in den gewöhnlichen nichtreaktiven organischen Lösungsmitteln, z.B. Alkoholen, Keton, Acetonnitril, chlorierten Kohlenwasserstoffen, etwa Dichlormethan, und Kohlenwasserstoffen, wie etwa Toluol, leicht löslich. Das Absorptionsmaximum, 814 nm (gemessen in Dichlormethan), fällt mit der Emissions- Wellenlänge leicht verfügbarer Infrarot-Diodenlaser zusammen (750-870 nm).
Alternativ können z.B. Croconium-Farbstoffe in einem Flüssigkeits/Dampf-Modulator verwendet werden.
Ferner weisen die Azo-Farbstoffe, z.B. AZ4 und AZ9, eine gute Löslichkeit in Methylenchiond, eine Peak-Absorption von 750 nm (AZ4) und 778 nm (AZ9) und Extinktionskoeffizienten von ungefähr 83000 auf.
Ferner sind einige der Azamethin-Farbstoffe verwendbar, beispielsweise die folgenden:
AM4 weist eine gute Löslichkeit in Methylenchlorid, einen Absorptions-Peak von 770 nm und einen Extinktionskoeffizienten von 31200 auf.
Auch AM7 weist eine gute Löslichkeit in Methylenchlorid auf und hat einen Absorptions-Peak von 794 nm und einen Extinktionskoeffizienten von 39800.
Alternativ können z.B. cyanide (Kodak, Rochester, NY) verwendet werden. Beispielsweise ist 3,3'-Diethylthiadicarbocyanin-iodid (DTDC), das eine Peak-Absorption bei 653 nm aufweist und in Ethanol löslich ist, ein zweckmäßiger thermischer Farbstoff in einem Flüssigkeits/Dampf-Modulator, der durch einen HeNe-Laser mit einer Ausgangsleistung von 633 nm geschaltet ist. Ferner kann beispielsweise 1,1',3,3,3',3'-Hexamethyl-4,4',5,5'-dibenzo-2,2'-indotricarbocyanin-perchlorat, das eine Peak-Absorption bei 782 nm aufweist und in saurem Ethanol löslich ist, als thermischer Farbstoff verwendet werden, wenn es mit einem mit etwa 780 nm betriebenen Diodenlaser umgesetzt wird.
Alternativ können z.B. Pyrillium-Farbstoffe in Dioden-Lasern oder YAG-Lasern, die bei etwa 1060 nm betrieben werden, verwendet werden. Derartige Farbstoffe und ihre Strukturen sind aufgeführt in den Patenten 4,948,776 und 4,948,777 von Evans et al. Beispielsweise hat Kodak Dye 26 (Kodak, Rochester, NY) eine Peak-Absorption bei 1080 nm und ist löslich in 1,2-Dichlorethan.
Alternativ können z.B. Phthalocyanin-Farbstoffe mit ihren verschiedenen Metall-Substitutionen verwendet werden, die typischerweise in Pyridin und 1-Chlornaphthalin löslich sind.
Ferner können z.B. die Cyanin- und Merocyanin-Farbstoffe, die in den Patenten 4,950,639 und 4,950,640 von Evans und DeBoer beschrieben sind und für mit thermischen Farbstoffen erfolgende Übertragungsvorgänge benutzt werden, in dem Flüssigkeits/Dampf-Modulator verwendet werden.
Weitere Beispiele für Farbstoffe, die gut in Flüssigkeits/Dampf-Modulatoren verwendbar sind, sind die Oxyindolizin-Farbstoffe, die in dem Patent 4,948,778 von DeBoer und dem Patent 4,952,552 von Chapman und DeBoer beschrieben sind und für mit thermischen Farbstoffen erfolgende Vorgänge benutzt werden.
In dem Flüssigkeits/Dampf-Modulator 101 ist die Formations- oder Kondensationsgeschwindigkeit für die Dampfblase 119 und die innerhalb des Punktes des fokussierten Wärmestrahls 115 benötigte Energie in hohem Maß abhängig von den Lösungsmittelflüssigkeits/Dampfphasen-Übergangseigenschaften. Wenn der durch den fokussierten Wärmestrahl 115 erzeugte Brennpunkt in die Farbstofflösung 107 eintritt, absorbiert ein thermischer Farbstoff die Strahlung und setzt die Lichtenergie in Wärme um. Je nach den thermodynamischen Temperatur-Druck-Verhältnissen relativ zu der Farbstofflösung 107 existiert das Lösungsmittel entweder als Dampf oder als Flüssigkeit. Es ist wichtig, daß - aus einem vereinfachten Blickwinkel betrachtet - zu Anfang, wenn die Farbstofflösung 107 von dem fokussierten Wärmestrahl 115 erwärmt wird, ein theoretisches Zylindervolumen (definiert durch den ungefähren Durchmesser 1/e^2 des Brennpunktes und den Spalt-Abstand zwischen der inneren Belichtungsfläche 103" und der innere Bildfläche 105" der Platten des Modulators 101) der Farbstofflösung 107 auf eine Temperatur erwärmt wird, die dieses Volumen bei dem in der Zelle herrschenden Nenndruck auf die Temperatur seines gesättigten Flussigzustandes bringt. Bis zu diesem Punkt ist - unter der Annahme, daß das Volumen keine thermischen Verluste erfährt - die Erwärmung der Farbstofflösung 107 in den gesättigten Flüssigzustand primär eine Funktion der Wärmekapazität der Farbstofflösung 107, der Absorption und der Effizienz der aufgrund des Farbstoffs erfolgenden Umsetzung des fokussierten Wärmestrahls 115 von Licht in Wärme, und der gesamten Energie in dem fokussierten Wärmestrahl 115. Zur Bildung der Blase 119 aus diesem zylindrischen Volumen gesättigter Flüssigkeit ist es lediglich erforderlich, daß ein äquivalentes Volumen von Dampf erzeugt wird. Dies bedeutet, daß es nicht nötig und mit Sicherheit noch nicht einmal wünschenswert ist, das gesamte zylindrische Volumen der Farbstofflösung 107 in den Dampfzustand zu erwärmen. Die Energie, die zur Umsetzung dieses Dampfvolumens aus dem gesättigten Flüssigzustand erforderlich ist, wird primär als Funktion der Verdampfungswärme der Farbstofflösung 107 berechnet. Beispielsweise wurde errechnet, daß die Erzeugung eines einen Durchmesser von 0,01 mm (0,41 mil) und eine Höhe von 0,013 mm (0,5 mil) aufweisenden zylindrischen Volumens von Methylenchlorid-Dampfmittels eines 2 mW- Lasers 117 - falls das Vorhandensein des Farbstoffs keine Verluste und thermodynamischen Abnormitäten verursacht - ungefähr 18,5 µs benötigt.
Die vorstehende Berechnung der Blasenformierungsgeschwindigkeit unterliegt einer Vereinfachung, da in Wirklichkeit der von dem Laser 117 ausgegebene fokussierte Wärmestrahl 115 typischerweise, wenn auch nicht notwendigerweise, ein Gaußsches Profil aufweist. Dies bedeutet, daß die Bestrahlungsstärke des Brennpunktes in der Mitte des Punktes am höchsten ist und von der Punktmitte weg nach Gaußscher Art abfällt. Da die von dem fokussierte Wärmestrahl 115 erzeugte Bestrahlungsstärke in der Mitte des Brennpunktes am höchsten ist, wird an dieser Mitte das größte Ausmaß an Wärme erzeugt. Somit wird die Mitte oder die Achse des oben erwähnten theoretischen Zylinders zuerst erwärmt und zuerst in eine Dampfblase 119 umgesetzt, wodurch die umgebende Farbstofflösung 107 radial über die Grenzen des Zylinders nach außen gedrückt werden. Sobald die Farbstofflösung 107 über einen bestimmten von dem Mittelpunkt des Brennpunktes des fokussierten Wärmestrahls 115 hinausgelangt, absorbiert sie nicht mehr so viel Energie wie zuvor und wird somit nicht mehr wesentlich erwärmt. Da der Dampf keinen löslichen Farbstoff enthält, ist er für die Energie des fokussierte Wärmestrahls 115 durchlässig und tendiert nicht dazu, weiter zu expandieren. Essentiell wächst die Blase 119 theoretisch auf ein gleichgewichtiges zylindrisches Volumen an, in welchem, falls es zu kollabieren beginnt, die Farbstofflösung 107 mehr Energie aus dem fokussierten Wärmestrahl 115 absorbiert, mehr Dampf erzeugt und dem Kollaps entgegenwirkt. Falls die Blase 119 zu groß wird, wird weniger Energie aus dem fokussierten Wärmestrahl 115 absorbiert, so daß eine stärkere Kondensierung des Dampfes zugelassen wird und somit die Blase 119 kollabiert.
Der fokussierte Wärmestrahl 115 erzeugt eine Antriebsenergie zur Bildung der Blase 115. Die Kondensierung der Blase 115 zurück in den flüssigen Zustand erfolgt jedoch in einem Flüssigkeits/Dampf-Modulator 101 weniger kräftig. Die Änderung der Kondensationsphase ist abhängig von der Ableitung der Verdunstungswärme zurück in die umliegende Farbstofflösung 107 und in die belichtete Platte 103 und die Bildplatte 105. Diese Wärmeableitung wird dadurch verlangsamt, daß Wärmeaustauschvorgänge in einem Dampf langsam erfolgen und die in einem Flüssigkeits/Dampf-Modulator 101 verwendeten Plattenmaterialien typischerweise gut isolieren.
Ein erster Lösungsansatz zur Beseitigung der langsameren Kondensation des Dampfes besteht darin, in der Zelle oder dem Modulator ein Lösungsmittel mit einem höheren Siedepunkt zu verwenden. Wenn z.B. Methanol, dessen Siedepunkt bei 65º liegt, statt des einen Siedepunkt von 40ºC aufweisenden Methylenchlorids verwendet wird, erfolgt eine schnellere Blasenkondensation, da die Wärmeaustauschraten bei den höheren Temperaturen verglichen mit der umgebenden Farbstofflösung 107 und der Zelle 101 schneller sind.
Fig. 2 zeigt einen Flüssigkeits/Dampf-Modulator, bei dem die in Fig. 1 gezeigte Belichtungsquelle 113 durch einen Belichtungslaser 214 ersetzt ist. Ferner wird der Wärmestrahl-Laser 217 mit dem fokussierten Wärmestrahl 215 von einem dichroitischen Spiegel 221 derart reflektiert, daß der reflektierte fokussierte Wärmestrahl 215" im wesentlichen kollinear mit dem von dem Belichtungslaser 214 ausgegebenen fokussierten Belichtungsstrahl 212 gemacht wird. Der dichroitischen Spiegel 221 ist derart ausgebildet, daß er den fokussierten Belichtungsstrahl 212 im wesentlichen ohne Reflektion oder Richtungsänderung ausgibt. Wenn der fokussierte Belichtungsstrahl 212 den Flüssigkeits/Dampf-Modulator 201 durchläuft, wird der fokussierte Belichtungsstrahl 212 auf einen kleineren Punkt fokussiert als der reflektierte fokussierte Wärmestrahl 215". Wenn die Farbstofflösung 207 präsent ist, wird der fokussierte Belichtungsstrahl 212 blockiert. An der Schnittstelle zwischen der Farbstofflösung 207 und den beiden Strahlen tritt der fokussierte Belichtungsstrahl 212 im wesentlichen durch die Mitte des reflektierten fokussierten Wärmestrahis 215" hindurch. Jedes Mal, wenn der reflektierte fokussierte Wärmestrahl 215" eingeschaltet wird, bildet sich eine Blase 219 in der Farbstofflösung 207. Wenn eine Blase 219 existiert, durchläuft der fokussierte Belichtungsstrahl 212 den Modulator 201 als Bildstrahl 212', und der reflektierte fokussierte Wärmestrahl 215" durchläuft den Modulator 201 als Durchtritts-Wärmestrahl 115'. Der Flüssigkeits/Dampf-Modulator 201 weist zwei durchlässige Platten auf. Im folgenden wird die eine Platte als belichtete Platte 203 und die andere Platte als Bildplatte 205 bezeichnet. Die Platten weisen jeweils zwei Hauptflächen auf. Die belichtete Platte 203 hat eine äußere Belichtungsfläche 203' und eine innere Belichtungsfläche 203". Die Bildplatte 205 hat eine äußere Bildfläche 205' und eine innere Bildfläche 205". Die innere Belichtungsfläche 203" liegt der inneren Bildfläche 205" gegenüber, und zwischen diesen beiden Flächen ist eine Farbstofflösung 207 angeordnet. Die beiden Platten sind voneinander getrennt befestigt, und die Farbstofflösung 207 ist mittels einer Dichtung 209 dicht zwischen den beiden Platten gehalten.
Es wurde eine Reihe von Tests unter Verwendung der den Modulator 201, den Wärmestrahl-Laser 217, den dichroitischen Spiegel 221 und den Belichtungslaser 214 aufweisenden Anordnung gemäß Fig. 2 durchgeführt. Bei den Tests bestand der Modulator 201 aus zwei 1,6 mm (1/16") dicken Platten mit den Abmessungen eines Mikroskop-Objektträgers, die im wesentlichen um 1 mil voneinander beabstandet waren und zwecks Bildung einer Zelle durch ein Glasversieglelungsflußmittel miteinander abgedichtet waren. An der Zelle wurden kleine Glasröhrchen befestigt, um das Einfüllen der Farbstofflösung 207 zu ermöglichen. Sobald sich die Farbstofflösung 207 in der Zelle befand, wurde die Zelle auf Trockeneis plaziert, und die Röhrchen wurden erwärmt und abgeklemmt, so daß ein abgedichteter Modulator 201 erzeugt wurde. In einem Fall wies die Farbstofflösung 207 einen SQS- Farbstoff und einen gesättigten PPO-Farbstoff in Methylenchlorid auf. Der Belichtungslaser 214 war ein HeCd-Laser mit der Modellbezeichnung 4240B von Liconix (Sunnydale, CA) mit einer Ausgangsleistung von 6 mW bei einer Wellenlänge von 325 nm. Der Wärmestrahl-Laser 217 wurde unter der Bezeichung Liconix Diolite vertrieben und hatte bei ungefähr 780 nm eine Ausgnagsleistung von 30 mW. Der dichroitische Spiegel 221 war ein Spiegel mit des Typs SWP(45º) 325T/780R (CVI Laser Corporation, Albuquerque, NM). Der die Methylenchlorid-Farbstofflösung 207 enthaltende Modulator 201 konnte den Bildstrahl 212' mittels des reflektierten fokussierten Wärmestrahls 215" nur bis 13 Hz modulieren. Wenn bei einem weiteren Test der gleichen Anordnung das Methylenchlorid in der Farbstofflösung 207 durch Methanol ersetzt wurde, betrug die gemessene Modulationsgeschwindigkeit bei Verwendung einer Photodiode und eines Oszilloskops ungefähr 2000 Hz. Möglicherweise sind 2000 Hz nicht der Grenzwert für den mit der Methanol-Farbstofflösung 207 versehenen Modulator 201, da die mit Bank-Hardware durchgeführte Ausrichtung und Fokussierung der Strahlen Beschränkungen verursachte.
Zum Modifizieren der in dem Flüssigkeits/Dampf-Modulator erfolgenden Phasenveränderungen vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand und vom dampfförmigen in den flüssigen Zustand können zahlreiche Arten von Lösungsmitteln und Lösungsmittelmischungen, Additive wie z.B. Polymere, Öle, Wasser etc., Koch/Kondensationskristalle, oberflächenaktive Stoffe usw. verwendet werden.
Verteilte Luft in der Farbstofflösung kann zu der Entstehung von Blasen beitragen, die nicht kondensieren. Ferner kann das Vorhandensein von Sauerstoff in der Farbstofflösung die Photolumineszenz-Ausbeute der Farbstoffe reduzieren. Vorzugsweise werden zuerst die Zellen mit der Farbstofflösung gefüllt, die Zellen und die Farbstofflösung anschließend z.B. in flüssigem CF&sub4; (Freon(Wz) 14; Siedepunkt -128ºC) gefroren, und dann die Zelle einem Unterdruck ausgesetzt, um die nicht gefrorenen Gase zu entfernen. Nachdem die Farbstofflösung mehrere Gefrier-Unterdruck- und Auftau-Zyklen durchlaufen hat, ist eine beträchtliche Menge der Gase entfernt. Schließlich wird während einer der Gefrierzyklen das zur Zuführung der Zell-Farbstofflösung verwendete Röhrchen abgeklemmt. Quartzglas ist ein gutes Material für die Herstellung von Modulatorzellen, da es durch Glasfluß versiegelt werden kann, den bei Gefrieren eines Bereiches und dem gleichzeitigen, durch Flammen erfolgenden Abklemmen eines Röhrchens in einem nahegelegenen Bereich entstehenden Extremtemperaturen generell widerstehen kann, und gegenüber der Farbstofflösung im wesentlichen inert und undurchlässig ist.
Fig. 3 zeigt einen Flüssigkeits/Dampf-Modulator, bei dem die Belichtungsquelle 313 entweder ein Belichtungslaser oder eine Quelle im wesentlichen fokussierten, inkohärenten Lichtes ist. Der Laser 317 mit dem fokussierten Wärmestrahl 315 wird von einem dichroitischen Spiegel 321 derart reflektiert, daß der reflektierte fokussierte Wärmestrahl 315" im wesentlichen kollinear mit dem von der Belichtungsquelle 313 ausgegebenen fokussierten Belichtungsstrahl 311 gemacht wird. Der dichroitischen Spiegel 321 ist derart ausgebildet, daß er den fokussierten Belichtungsstrahl 311 im wesentlichen ohne Reflektion oder Richtungsänderung ausgibt. Sowohl der reflektierte fokussierte Wärmestrahl 315" als auch der fokussierte Belichtungsstrahl 311 werden von einem Spiegel (oder einer - aus Gründen der Übersicht nicht gezeigten - Gruppe von Spiegeln) 323 reflektiert, der sich um eine Achse (oder eine Gruppe von Achsen) 325 dreht und die Strahlen tastend über die Oberfläche des Modulators 301 bewegt. Wenn der fokussierten Belichtungsstrahl 311 von dem Spiegel 323 reflektiert wird, wird er zu einem Abtast-Belichtungsstrahl 311", und wenn der reflektierte fokussierte Wärmestrahl 315" von dem Spiegel 323 reflektiert wird, wird er zu einem fokussierte Abtast-Wärmestrahl 315'''. Beim Auftreffen auf den Flüssigkeits/Dampf-Modulator 301 wird der Abtast-Belichtungsstrahl 311" in dem vorliegenden Beispiel auf einen größeren Punkt fokussiert als der fokussierte Abtast-Wärmestrahl 315'''. An der Schnittstelle zwischen der Farbstofflösung 307 und den beiden Strahlen tritt der fokussierte Abtast-Wärmestrahl 315''' im wesentlichen durch die Mitte des Abtast-Belichtungsstrahl 311" hindurch. Jedes Mal, wenn der fokussierte Abtast-Wärmestrahl 315''' eingeschaltet wird, bildet sich eine Blase 319 in der Farbstofflösung 307. Wenn eine Blase 319 existiert, durchläuft im wesentlichen mittlere Bereich des Abtast-Belichtungsstrahls 311" den Modulator 301 als Bildstrahl 311', und der fokussierte Abtast- Wärmestrahl 315''' durchläuft den Modulator 201 als Durchtritts-Wärmestrahl 315'. Wenn keine Blase 319 existiert, wird der Abtast-Belichtungsstrahl 311" blockiert und somit der Bildstrahl 311' ausgeschaltet. Der Flüssigkeits/Dampf-Modulator 301 weist zwei durchlässige Platten auf. Im folgenden wird die eine Platte als belichtete Platte 303 und die andere Platte als Bildplatte 305 bezeichnet. Die Platten weisen jeweils zwei Hauptflächen auf. Die belichtete Platte 303 hat eine äußere Belichtungsfläche 303' und eine innere Belichtungsfläche 303". Die Bildplatte 305 hat eine äußere Bildfläche 305' und eine innere Bildfläche 305". Die innere Belichtungsfläche 303" liegt der inneren Bildfläche 305" gegenüber, und zwischen diesen beiden Flächen ist eine Farbstofflösung 207 angeordnet. Die beiden Platten sind voneinander getrennt befestigt, und die Farbstofflösung 307 ist mittels einer Dichtung 309 dicht zwischen den beiden Platten gehalten.
Mit der generellen Anordnung gemäß Fig. 3 wurde ein Experiment durchgeführt, bei dem die Belichtungsquelle 313 ein Lampengehäuse mit der Modellbezeichnung AL 4215 von Photochemical Research Associates (London, Canada) und eine Hochdruck-Quecksilber-Bogenlampe mit einer Leistung von 75 Watt aufwies. Mittels dieses Lampengehäuses wurde der fokussierte Belichtungsstrahl 311 derart fokussiert, daß der Abtast-Belichtungsstrahl 311" beim Durchlaufen des Modulators einen Durchmesser von ungefähr einem Inch aufwies. Bei den durchgeführten Experimenten wurde ein Filter des Typs Corning 7-51 (Corning, NY) verwendet, um den größten Teil des Lichtes mit Ausnahme von UV-Licht, das bei ungefähr 365 nm zentriert war, herauszufiltern. Dieses Filter wurde in den Belichtungsstrahl plaziert, um an der Oberfläche des Modulators 301 das Ausmaß überschüssiger Lichtenergie in dem Abtast-Belichtungsstrahl 311" zu reduzieren und die Fokussierung des UV-Anteils der Energie zu unterstützen. Das Filter ist jedoch nicht erforderlich. Wenn der dichroitische Spiegel 321 in dem Weg des Belichtungsstrahls 311 plaziert ist, bietet er den Vorteil, daß, während er die UV-Strahlung und den sichtbaren Anteil der Strahlung des Belichtungsstrahls 311 im wesentlichen durchläßt, er die Infrarotstrahlung, die im wesentlichen durch den SQS-Farbstoff in der Farbstofflösung 307 des Modulators 301 absorbiert würde, reflektiert. Somit verhindert der dichroitische Spiegel die Bildung großer Dampfblasen 319 in der Lösung 307. Der fokussierte Wärmestrahl 315, der in diesem Fall von einem Laser 317 des Typs Liconix Diolite 800 mit einer Ausgangsleistung von 40 mW bei 830 nm ausgegeben wurde, wurde von dem dichroitischen Spiegel 321 im wesentlichen reflektiert und wurde im wesentlichen kollinear mit dem fokussierten Belichtungsstrahl 311. Anschließend wurden beide Strahlen von zwei Abtastspiegeln 323 reflektiert, die von General Scanning Inc. (Watertown, MA) hergestellt, in einem Abtastkopf des Typs XY3037Y XY montiert und durch zwei Antriebseinheiten des Typs DX2002 angetrieben waren. Eine von einem HP-Computer erzeugte Datei wurde zur Erzeugung von Vektorbilddaten verwendet.
Die Zelle des Modulators 301 bestand aus zwei Quartzglasplatten von 15 cm x 15 cm x 0,16 cm (6" x 6" x 1/16"), die durch einen Spalt von ungefähr 0,025 mm (1 mil) getrennt und durch Glasfluß versiegelt waren. Die Farbstofflösung 307 bestand aus ungefähr 10% Brookfield Viscosity Standard Fluid L-3, in Methylenchlorid gesättigtem POPOP-Farbstoff, und SQS- und Cyasorb-24-Farbstoffen, die hinzugefügt wurden, um durch den Modulator 301 hindurch eine endgültige optische Dichte von OD (optische Dichte) > 3,5 von ungefähr 200-400 nm, OD < 0,8 von ungefähr 400-700 nm, und OD 4 von ungefähr 700-850 nm zu bewirken. Bei Verwendung dieser Anordnung wurden Linien in Cromalin(Wz) gezogen. Es bestand eine Tendenz zur Entstehung und zum Verbleib von Blasen 319 am Ende der Vektoren, selbst wenn die Strahlen diesen Bereich des Modulators 301 nicht mehr abtasteten. Dies ist primär deshalb der Fall, weil der Vektor- Scanner von General Scanning nicht die zusätzliche Belichtung kompensiert, die am Anfang und am Ende von Vektoren auftritt, wenn die Spiegel ihre Drehung starten und stoppen.
Die Fokustiefe des fokussierten Abtast-Wärmestrahls 315''' ist ein wichtiger Parameter. Typischerweise lag die Größe des fokussierten Abtast-Wärmestrahls an der Schnittstelle mit der Farbstofflösung im Bereich von 50-60 µm. Bei Plazierung eines Abtastspiegels nahe dem Modulator ändert sich der Abtastradius oder der Abstand zwischen dem Abtastspiegel und der Schnittstelle mit der Farbstofflösung dramatisch, wenn verschiedene Bereiche des Modulators abgetastet werden. Dies verursacht ferner wesentliche Veränderungen der Größe des fokussierten Abtast-Wärmestrahls in den verschiedenen Bereichen des Modulators. Ein Ansteigen der Punkt-Größe bedeutet, daß mit der Energie des fokussierten Abtast-Wärmestrahls mehr Farbstofflösung erwärmt werden muß. Effektiv sollte zum optimalen Betrieb die Größe des fokussierten Abtast-Wärmestrahls unter 127 µm (Durchmesser 1/e^2) und vorzugsweise unter 60 µm (Durchmesser 1/e^2) liegen. Ferner sollte beim Abtasten der Farbstofflösung der Abtastradius um nicht mehr als ± eine Rayleigh-Fokallänge betragen.
Es existieren mehrere Arten des Steuerns der Punkt-Größe des fokussierten Abtast-Wärmestrahls beim Abtasten eines Modulators. Von General Scanning wird eine Linear-Translatorvorrichtung vertrieben, die den Strahl-Fokus als Funktion des Abtastradius verändert. Es können F/θ-Abtastlinsen verwendet werden, um die Punkt-Größe des fokussierten Abtast-Wärmestrahis als Funktion des Abtastwinkels zu korrigieren. Der gesamte Modulator braucht nicht unbedingt flach ausgebildet zu sein. Tatsächlich kann der Flüssigkeits/Dampf-Modulator jede behe bige Form oder Größe aufweisen, die für den Benutzer zweckmäßig ist. Beispielsweise können der Modulator und der Farbstofflösungs-Spalt im wesentlichen die Form eines Sphären- Abschnittes aufweisen, so daß der fokussierte Abtast-Wärmestrahl stets auf die Farbstofflösung fokussiert ist. Die Belichtungsplatte kann als Linse ausgebildet sein, die den fokussierten Abtast-Wärmestrahl als Funktion des Abtastradius und des von dem Modulator abgetasteten Bereiches abtastet. Der Modulator könnte sogar die Form eines Thermometers aufweisen, wobei in der linienweise in einer linearen Zelle enthaltenen Farbstofflösung Blasen erzeugt und kondensiert werden.
Ein ähnliches Experiment wurde mit einem Flüssigkeits/Dampf- Modulator 301 durchgeführt, der die gleiche Bauart wie diejenige des vorstehend beschriebenen Modulators aufwies, jedoch mit der Ausnahme, daß die Farbstofflösung 307 aus einem Mix von 75 zu 25 Volumenanteilen von Methylenchlorid bzw. Methanol mit SQS, Cyasorb-24 und POPOP-Farbstoff bestand, so daß ein Modulator 301 gebildet mit einer optischen Dichte gebildet wurde, die derjenigen des in dem obigen ersten Experiment verwendeten Modulators entsprach. In diesem Fall jedoch war die Belichtungsquelle 313 ein Argon-Ionen-Laser 306 des Typs Coherent (Pab Alto, CA), der für den Betrieb im UV-Bereich vorgesehen war und dessen Ausgangsleistung sich über Wellenlängen im Bereich von 333,6 nm bis 363,8 mm erstreckte. Die Punkt-Größe des Abtast-Belichtungsstrahls 311" betrug ungefähr 3,2 mm (1/8") im Durchmesser, und die Leistung am Modulator 301 betrug ungefähr 6 mW. Der den fokussierten Wärmestrahl 315 erzeugende Wärmestrahl-Laser 317 war ein ungefähr bei 800 nm arbeitender 100 mW-Diodenlaser mit der Modellbezeichnung Sanyo (Sanyo, Japan). Eine Diodenlasertreiber des Typs 06 DLD 001 von Melles Griot (Irvine, CA) wurde mit einem Dioden-Universalkabel von Melles Griot verwendet, das in der elektrischen "A"-Konfiguration mit dem Wärmestrahl-Laser 317 verbunden war. Die Abtastbewegung der Strahlen erfolgte mittels eines von Greyhawk Systems (Milpitas, CA) vertriebenen "Squat-Plot"- Scanners mit X-Y-Abtastspiegeln 323, der mit einem zur Lieferung von HPGL-Vektordaten verwendeten Computer von Dell Systems verbunden war. Bei dem Greyhawk-Vektorscannersystem werden an den Achsen 325 seiner Abtastspiegel 323 Kodierer verwendet, um elektrische Impulssignale zu erzeugen und dadurch den Betrag der Drehung der Achsen 325 und somit die Strecke anzugeben, um die sich die von den Spiegeln 323 reflektierten Strahlen in der Bildebene bewegt haben. Diese Signale werden zur Erzeugung von 5V - TTL-Impulsen digital verarbeitet, wobei der vorhandene Bildraum und der gewünschte Belichtungsbetrag in Betracht gezogen werden. Diese Impulse werden verwendet, um den Melles Griot-Lasertreiber zu schalten und somit den Wärmestrahl-Laser 317 in Form im wesentlichen kollinearer Strahlen, die tastend über die Bildebene bewegt werden, zu modulieren. Effektiv wurde der Wärmestrahl-Laser 317 entsprechend einer diskreten Strecke, um die sich der Strahl in der Bildebene bewegt hat, digital moduliert. Da es für die Modulation des Lasers erforderlich war, daß der Laser für einen bestimmten Zeitrahmen pro Impuls eingeschaltet war, ergab sich eine beträchtlich gleichförmigere Belichtung pro Bewegungsstrecke des fokussierten Abtast-Wärmestrahls 315''' in der Bildebene. In diesem Fall war die Bildebene die Farbstofflösung 307. Aufgrund der durch den Greyhawk-Scanner und den Wärmestrahl-Laser 317 ermöglichten Modulationskapazität kann die Zeit, die der fokussierte Abtast-Wärmestrahl 315''' zum Erzeugen der Blase 319 benötigt, leicht gesteuert werden, wobei auch die Möglichkeit besteht, die Größe der gebildeten Blase 319 und die den Modulator 301 in irgendeinem Bereich durchlaufende Energiemenge des Bildstrahls 311' genauer zu steuern.
Bei dem obigen Experiment wurde eine zur Festkörperabbildung geeignete photoformierbare Zusammensetzung belichtet, um photoformierte Schichten zu bilden. Die Vorbereitung der Proben erfolgte mit einer photoformierbaren Formulierung gemäß Beispiel 2 in US-Patent Nr. 5,002,854 von Dupont, betitelt "Solid Imaging Method Using Compositions containing Core-Shell Polymers".
Es kann z.B. ein System zur Festkörperabbildung ausgebildet werden, bei dem die äußere Bildfläche 305' des Modulators 301 mit einer Ablösebeschichtung wie etwa Teflon AF(Wz) (Dupont, Wilmington, DE) beschichtet ist. Teflon AF(Wz)-Beschichtungen sind durch den folgenden Vorgang auf Quartzplatten aufgetragen worden. Die zu beschichtende Glasoberfläche wird gereinigt. Eine Mischung aus Methylenchlorid und 10% Elvacite(Wz) 2044 (Du- Pont, Wilmington, DE) wird bei ungefähr 2500 U/min. für ungefähr 1 Sekunde schleuderbeschichtet und zum Trocken belassen. Teflon AF 8% FPX/FC-40 wird mit 1000 U/min. für ungefähr 1 Sekunde schleuderbeschichtet und in einem Ofen ungefähr 15 Minuten bei 180ºC erwärmt. Es können auch andere Polymere als Elvacite(Wz) verwendet werden, um eine netzbare Verbindungsfläche für das Teflon AF(Wz) zu bilden. Als nächstes wird der Modulator 301 in einem Rahmen plaziert, der an der mit Teflon AF(Wz) beschichteten Seite des Modulators 301 eine Mulde bildet. Bei dieser Ausgestaltung des Festkörperabbildüngssystems, ist der Modulator 301 mit der mit Teflon AF(Wz) beschichteten Seite nach oben gerichtet, und das Abtasten des im wesentlichen kollinearen Abtast-Belichtungsstrahls 311" und des fokussierten Abtast-Wärmestrahls 315''' wird von unten her durchgeführt. Die photoformierbare Zusammensetzung wird von der Oberseite des Modulators 301 her in die Mulde gegossen, und das dreidimensionale Objekt wird erzeugt, indem eine Plattform bewegt wird und Schichten im wesentlichen in der Weise produziert werden, Japan, veröffentlicht am 10. November 1981) beschrieben und in Fig. 6 (dieser Veröffentlichung) gezeigt ist, und dies in Verbindung mit Belichtungen durchgeführt wird, die mit einem in Fig. 3 dieser Offenbarung gezeigten System durch den Modulator 301 hindurch erfolgen.
Als Festkörperabbildungssystem können auch andere Typen von Belichtungssystemen verwendet werden. Die Belichtung kann z.B. eine Flächenbelichtung gemäß Fig. 1, die Belichtung eines Bereiches um den fokussierten Wärmestrahl gemäß Fig. 3, eine eng fokussierte Belichtung gemäß Fig. 2 oder die Belichtung eines linearen Bereiches sein, die noch anhand Fig. 5 erläutert wird. Auf dem Gebiet sind ferner zahlreiche Arten von Belichtungsquellen für inkohärentes Lichtes bekannt, z.B. Quecksilberbogen-, Hochdrucknatrium-, Xenon-Belichtungsquellen etc., die jeweils einen Bereich von Ausgangs-Wellenlängen und bei jeder bestimmten Wellenlänge eine bestimmte Intensität aufweisen. Die meisten Belichtungsquellen weisen Ausgangs- Wellenlängen in vielen Bereichen im UV-, im sichtbaren und im IR-Spektrum auf. Belichtungslaser jedoch, wie z.B. der HeCd- UV-Laser, dessen Ausgangs-Wellenlänge ungefähr 325 nm beträgt, können Ausgangs-Wellenlängen aufweisen, die sehr nahe an einer einzigen bestimmten Wellenlänge liegen.
Es können auch andere Typen von Beschichtungsverfahren für die photoformierbare Zusammensetzung verwendet werden. Beipielsweise kann der Modulator außer Kontakt mit der Zusammensetzung plaziert und dabei die Belichtung und die Laserabtastung von oben her durchgeführt werden, und es können mit Rakel durchgeführte Beschichtungsverfahren verwendet werden, um die verschiedenen Schichten zu erzeugen, die zum Erzeugen des dreidimensionalen Objektes erforderlich sind. Alternativ kann z.B. ein Film unter dem Modulator ausgestreckt werden, wobei sich die andere Seite des Films in Kontakt mit der Zusammensetzung befindet. Sobald die Belichtung durchgeführt worden ist, kann der Modulator translatorisch wegbewegt und der Film von der photoformierten Fläche abgeschält werden. Dann kann der Modulator translatorisch zurück in seine Position oberhalb der zuvor gebildeten Schicht bewegt werden, wobei eine neue Schicht einer photoformierbare Zusammensetzung zwischen dem Film und der vorherigen Schicht gebildet wird, und es kann eine neue Belichtung erfolgen.
Der Flüssigkeits/Dampf-Modulator kann groß oder klein ausgebildet sein. Fig. 4 zeigt z.B. einen Modulator 401, der an dem Ende der Faseroptik 425 befestigt ist. Obwohl der in Fig. 4 gezeigte Modulator mit einer Belichtungsplatte 403 und einer Bildplatte 405 besteht, die durch eine Dichtung 409 zusammengehalten und versiegelt sind, kann der Modulator 401 auch durch Einkapselung der Farbstofflösung 407 in einer durchsichtigen Glas- oder Polymerhülse ausgebildet sein. In diesem Fall ist die Faseroptik 425 derart beschaffen, daß der reflektierte Wärmestrahl 415" in den Kern n1 der Faseroptik 425 eintritt, wobei der Kern einen ersten Brechungsindex aufweist. Wenn der reflektierte Wärmestrahl 415" durch den Kern n1 hindurchtritt, reflektiert er die Ummantelung n2, die einen zweiten Brechungsindex aufweist. In dieser Weise gelenkt, tritt der reflektierte Wärmestrahl 415" schließlich in dem Modulator 401 ein, erzeugt in der Farbstofflösung 407 eine Blase 419 und durchläuft den Modulator als Durchtritts-Wärmestrahl 415'. Der Wärmestrahl-Laser 417 gibt den Wärmestrahl 415 aus, der von einem dichroitischen Spiegel 421 reflektiert und zu dem reflektierten Wärmestrahl 415" wird. Die Belichtungsquelle 413 gibt Belichtungsstrahlung 411 aus, die im wesentlichen durch den dichroitischen Spiegel 421 hindurchgelassen wird, in den Kern n1 der Faseroptik 425 eintritt und durch ihn hindurchgeführt wird, wobei sie von der Ummantelung n2 weg reflektiert wird, bis sie den Modulator 401 belichtet. Wenn der reflektierte Wärmestrahl 415" nicht vorhanden ist und somit keine Blase 419 existiert, wird die Belichtungsstrahlung 411 durch die Farbstofflösung 407 im wesentlichen blockiert. Wenn jedoch der reflektierte Wärmestrahl 415" vorhanden ist und somit eine Blase 419 existiert, wird die Belichtungsstrahlung 411 als Bildstrahlung 411' durch den Modulator 401 hindurchgelassen. Der dichroitische Spiegel 421 ist nicht erforderlich, falls sowohl die Belichtungsstrahlung 411 als auch der Wärmestrahl 415 durch den Eintrittswinkel der Faseroptik 425 in diese eingeführt werden können.
Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Flüssigkeits/Dampf-Modulators 501, bei der die Bauteile des Modulators 501 selbst den anhand Fign. 1-3 beschriebenen Bauteilen gleichen. Eine Belichtungsplatte 503 und eine Bildplatte 505 sind einander zugewandt, wobei die innere Belichtungsfläche 503" und die innere Bildfläche 505" einen Spalt bilden, der die Farbstofflösung 507 enthält. Die Belichtungsplatte 503 weist ferner eine äußere Belichtungsfläche 503' auf. Die Bildplatte 505 weist eine äußere Bildfläche 505' auf. Beide Platten sind voneinander getrennt gehalten, und der Spalt zwischen ihnen ist mit einer Dichtung 509 versiegelt. In Fig. 5 ist die Belichtungsquelle 513 eine lineare Röhrenbelichtungslampe. Die Belichtungsquelle 513 kann ein Lampensystem der Fusion Systems Corporation (Rockville, MD) des Typs F450 sein, bei dem eine 10D-Birne verwendet wird, die zur Erzeugung einer relativ hohen UV-Ausgangsstrahlung in der Lage ist. Zwischen der Belichtungsquelle 513 und dem Modulator 501 ist ein dichroitische Spiegel 521 angeordnet, der - falls erforderlich - dazu verwendet wird, Wellenlängen unerwünschter Strahlung 510 wegzureflektieren. Um die Belichtungsquelle 513 herum ist ein Reflektor 529 angeordnet, der die Belichtungsstrahlung 511 reflektiert und im wesentlichen linear auf den Modulator 501 fokussiert. Eine Gruppe von Lasern 517 ist in einer drehenden Abtastlinse 527 plaziert, die an einer Achse 533 gelagert ist und durch einen Motor-Kodierer 531 gedreht wird. Wenn die drehende Abtastlinse 527 sich dreht, werden die fokussierten Wärmestrahlen 515 zurück und längs einer Linie abgetastet, die zu der Achse 533 parallel ist, wobei die fokussierten Wärmestrahlen 515 zu den fokussierten Abtast-Wärmestrahlen 515" werden. Beispielsweise sind in Fig. 5 sechs Laser 517 gezeigt, die jeweils einen fokussierten Wärmestrahl 515 aufweisen. Es sei angenommen, daß die Laser 517 jeweils um einen Inch voneinander beabstandet sind. Ferner sei angenommen, daß die drehende Abtastlinse 527 derart ausgebildet ist, daß bei jeder Drehung der drehenden Abtastlinse 527 jeder fokussierte Wärmestrahl 515 an dem Brennpunkt über einen Abstand von einem Inch parallel zu der Achse 533 vor- und zurückbewegt wird. Bei dieser Konfiguration befindet sich mit Ausnahme der beiden End-Wärmestrahl-Laser 517 der Ausgangspunkt einer Bewegung des Brennpunktes eines fokussierten Abtast-Wärmestrahls 515" am Ausgangspunkt der Bewegung des Brennpunktes des benachbarten fokussierten Abtast-Wärmestrahls 515". Auf diese Weise kann jeder Teil einer sechs Inch langen Linie parallel zu der Achse 533 durch einen der Wärmestrahl-Laser 517 abgetastet werden. Dies minimiert die Kosten für den Wärmestrahl-Laser 517 und beseitigt Schwierigkeiten beim Erzielen eines klein bemessenen Brennpunktes bei der erforderlichen Fokustiefe, wie bereits beschrieben wurde. Wie durch einen Pfeil gezeigt, bewegt die Abtastkopf-Translationseinrichtung 535 die Abtastkopfvorrichtung (die aus der Belichtungsquelle 513, dem Reflektor 529, dem dichroitischen Spiegel 521, der drehenden Abtastlinse 527, den Lasern 517, der Achse 533 und dem Motor 531 besteht) über die Oberfläche des Modulators 501 und parallel zu dieser. Die Kopplung der Abtastkopf-Translationseinrichtung 535 mit der Drehung des Motor-Kodierers 531 der drehenden Abtastlinse 527 und der Modulation der Laser 517 macht es möglich, daß ein fokussierter Punkt mindestens eines fokussierten Abtast-Wärmestrahls 515" potentiell jeden Punkt in der Farbstofflösung 507 des Modulators 501 erreicht. Mit diesem Abtastsytem können Bilder im wesentlichen dadurch erzeugt werden, daß parallele Banken von Raster-Abtastungen ausgetastet werden. An jedem Bereich innerhalb der Farbstofflösung 507, der von einem Abtast- Wärmestrahls 515" geschnitten wird, wird eine Blase 519 gebildet, die den Durchtritts-Wärmestrahl 515' durch den Modulator 501 hindurchtreten läßt. Teile der Belichtungsstrahlung 511, die normalerweise durch die Farbstofflösung 507 blockiert sind, verlaufen als Bildstrahlung 511' durch die Blasen 519. Die gezeigte drehende Abtastlinse 527 kann durch eine hin- und herbewegte Gruppe von Graukeilen ersetzt werden.
Das bei der Praktizierung der Erfindung verwendete Material für die Modulatorplatte war typischerweise Quartzglas. Dieses wurde aus mehreren Gründen bevorzugt. Erstens ist Quartzglas optisch klar und durchlässig für UV-Strahlung. Zudem widersteht Quartzglas markanten Temperaturunterschieden, ohne zu zerbrechen, und kann somit durch Glasfluß versiegelt werden, durch Gefrieren entgast werden, und punktformigen Wärmeguellen ausgesetzt werden, ohne zu brechen. Ferner weist das Quartzglas eine geringe Durchlässigkeit gegenüber dem Lösungsmittel auf und ist gegenüber den in Farbstofflösungen verwendeten Materialien chemisch inert. Ein weiterer Grund liegt in der natürlichen Flachheit der Quartzplatte.
Eine Klebversiegelung der Platten ist geeignet zur Bildung einer temporären Modulatorzelle. Jedoch ist eine Klebversiegelung mit z.B. Epoxid nicht vorzuziehen, da Epoxid dazu tendiert, die Quartzplatte während des Aushärtens und während des durch Lösungsmittel verursachten Anschwellens des Epoxids brechen zu lassen. Der Modulatorzellen-Spalt wurde normalerweise mittels 0,025 mm (1 mil) dicker Abstandsscheiben erzeugt. Ein weiteres Verfahren zur Bildung des Zell-Spaltes bei Glasflußversieglung der Ränder besteht darin, daß zerkleinertes Magnesiumoxid, dessen Schmelzpunkt über demjenigen von Quartzglas liegt, zwischen den beiden den Spalt bildenden Platten plaziert wird. Anschließend werden die Platten um die Ränder herum durch Glasfluß versiegelt. Üblicherweise wird die Zelle in einem Ofen plaziert, um nach dem Versiegeln Spannungen in den Platten abzubauen. Eine saure Lösung sollte das Magnesiumoxid auflösen und somit die Zelle für das Einfüllen der Farbstoffe vorbereiten. Die Testzellen waren mit zwei Kugelgelenken versehen, die durch Schmelzfluß an diesen befestigt und zum Füllen der Zellen mit Farbstofflösungen sowie zum Entleeren der Farbstofflösungen aus den Zellen verwendet wurden.
Der am meisten bevorzugte Wärmestrahl-Laser zur Erzeugung des fokussierten Wärmestrahls in der oben beschriebenen Weise ist ein Einzelstreifen-Diodenlaser, der bei ungefähr 800 nm betrieben wird. Diese Laser sind aufgrund ihrer Effizienz, der Leichtigkeit der Modulation, ihrer Kompaktheit und relativ hohen Leistung bei tolerablen Kosten am ehesten vorzuziehen. Derartige Laser, die von einer Minimal-Leistung von 10 mW bis zu einer Höchst-Leistung 100 mW arbeiten können, sind erwiesenermaßen geeignet zum Erzeugen einer Blase, obwohl auch Laser mit niedrigerer oder höherer Leistung verwendet werden können. Es können auch Wärmestrahl-Diodenlaser mit anderen Wellenlängen verwendet werden, jedoch sind die meisten thermischen Farbstoffe und die höhere Leistung aufweisenden Diodenlaser im Bereich von 800 nm angesiedelt. Andere Laser, z.B. ein HeNe- Laser, sind in Verbindung mit entsprechenden Farbstoffen und Modulationseinrichtungen verwendbar. Die Intensität des fokussierten Wärmestrahl kann entweder digital oder analog moduliert werden. Eine analoge Intensitätsmodulierung des fokussierten Wärmestrahls bietet Vorteile bei der Steuerung der Blasengröße und ermöglicht eine räumliche Modulation der Bildstrahlung.

Claims

1. Verfahren zum Modulieren von Strahlung oder ausgewählten Wellenlängen (111,212,311",411,511) davon unter Verwendung einer Zelle als Modulator (101,201,301,401, 501), wobei die Zelle (103,105,109;203,205,209;303,305,309;403,405, 409;503,505,509> ein für die Strahlung opakes Fluid (107,207,307,407,507) enthält und ein Teil des Fluids derart erwärmt wird, daß innerhalb der Zelle eine Blase (119,219,319,419,519) von niedriger optischer Dichte gebildet wird, die den Durchtritt der Strahlung durch die Blase erlaubt, dadurch gekennzeichnet, daß (i) das opake Fluid dadurch erwärmt wird, daß es wärmeerzeugende Strahlung (115,215", 315"',415",515") absorbiert und Energie aus der wärmeerzeugenden Strahlung in Wärme umsetzt, die ausreicht, um einen Bereich des Fluids zu verdampfen und dadurch eine Blase zu erzeugen, und (ii) die Blase dadurch erzeugt wird, daß die wärmeerzeugende Strahlung einen Bereich des opaken Fluids schneidet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zu modulierende Strahlung von einer inkohärenten Lichtquelle (113,313, 413,513) ausgegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die zu modulierende Strahlung UV-Strahlung aufweist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die wärmeerzeugende Strahlung ein auf das opake Fluid fokussierter Wärmestrahl ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Wärmestrahl von einem Diodenlaser (117,217,317,417,517) ausgegeben wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei dem die zu modulierende Strahlung im wesentlichen kollinear mit dem Wärmestrahl verläuft.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die zu modulierende kollineare Strahlung und der Wärmestrahl von mindestens einem Abtastspiegel (323) reflektiert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die zu modulierende Strahlung und der Wärmestrahl über eine Faseroptik (425) in den Modulator eintreten.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die zu modulierende Strahlung von einer linear ausgebildeten Quelle (513,529) ausgegeben wird und mehrere von einer drehenden Abtastlinse (527) abgetasteten Wärmestrahlen verwendet werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das opake Fluid eine Farbstofflösung aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das opake Fluid eine Lösung mindestens eines blockierenden Farbstoffs, der die zu modulierende Strahlung im wesentlichen blockiert, und mindestens einen thermischen Farbstoff aufweist, der die wärmeerzeugende Strahlung absorbiert und in Wärme umsetzt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der blockierende Farbstoff die absorbierte, zu modulierende Strahlung mittels eines oder mehrerer Photolumineszenz-Mechanismen ausgibt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die absorbierte, zu modulierende Strahlung mit einer größeren Wellenlänge ausgegeben wird, die nicht im wesentlichen von der Farbstofflösung blockiert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der blockierende Farbstoff p-Bis[2-(5-phenyloxazolyl)]benzol ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem der thermische Farbstoff ein Squarylium-Farbstoff mit der Formel

ist, wobei R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; und R&sub4;, die gleich oder unterschiedlich sein können, jeweils aus C&sub1;&submin;&sub8;-Alkyl-Gruppen gewählt sind.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; und R&sub4; jeweils ein t-Butyl repräsentieren.

17. Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Quelle (113,213,313,413,513) zu modulierender Strahlung (111,212,311",411,511), einem Modulator (101, 201,301,401,501) mit einer Zelle (103,105,109;203,205, 209;303,305,309;403,405,409;503,505,509), die ein für die zu modulierende Strahlung oder ausgewählte Wellenlängen derselben opakes Fluid (107,207,307,407,507) enthält, und einer Quelle (117,217,317,417,517) wärmeerzeugender Strahlung, um innerhalb der Zelle eine Blase (119,219,319,419, 519) von niedriger optischer Dichte zu bilden, die die zu modulierende Strahlung oder die gewählten Wellenlängen derselben durchläßt, dadurch gekennzeichnet, daß das opake Fluid imstande ist, die wärmeerzeugende Strahlung (115,215",315"', 415",515") zu absorbieren und Energie aus der wärmeerzeugenden Strahlung in ausreichende Wärme umzusetzen, um einen Bereich des Fluids zu verdampfen und dadurch die Blase zu erzeugen, und daß die Quelle wärmeerzeugender Strahlung und die Zelle derart ausgebildet sind, daß die wärmeerzeugende Strahlung einen Bereich des opaken Fluids durchlaufen kann.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, ferner mit einer dichroitischen Spiegeleinrichtung (221,321,421), die imstande ist, die zu modulierende Strahlung und die wärmeerzeugende Strahlung im wesentlichen kollinear zu machen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, ferner mit einem oder mehreren Abtastspiegeln (323), die imstande sind, die im wesentlichen kollineare, zu modulierende Strahlung und die wärmeerzeugende Strahlung abzutasten.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18, ferner mit einer Optikfaser (425), die imstande ist, dem Modulator die im wesentlichen kollineare, zu modulierende Strahlung und die wärmeerzeugende Strahlung zuzuführen.

21. Vorrichtung nach Anspruch 17, mit mehreren Quellen wärmeerzeugender Strahlung, die mittels einer drehenden Abtastlinse (527) verschiedene Bereiche des opaken Fluids abtasten können.