JP5735803B2 - レーザ走査反射計を用いる自動形状校正法 - Google Patents

Description

関連出願

本出願は、２００７年８月２３日出願の米国仮特許出願第６０／９５７，５７６号の米国特許法の下での優先権の利益を主張し、該仮特許出願は引用により本明細書に加入する。

本発明は、ソリッド・イメージング装置を校正する方法および装置に関する。

ソリッド・イメージング(solid imaging)装置は、製品開発向けの模型の高速試作のため、および、より最近には生産活動のために利用されている。ソリッド・イメージング装置は、可融性の粉末または光硬化性の液体から、典型的にはコンピュータ制御に応答する輻射への露光によって、３次元物体を生成する。３次元物体の横断層を表すデータは、物体の自動構築用プログラムのための制御パラメータを、典型的には層毎にコンピュータに与える。ソリッド・イメージングに適した化学線放射のためのレーザまたは他の光源は、構築材料の個々の薄層を連続的に照射し、その照射に応答して材料が層ごとに固体に変化し、ソリッド・イメージング生成物が生成される。例示的なステレオリソグラフィー装置は、特許文献１および２に記述されており、これら文献は引用によって本明細書に加入する。

ソリッド・イメージングは、ときに「高速の試作品作製または製造」と呼ばれ、ステレオリソグラフィー、レーザ焼結、インクジェット印刷、その他などの様々な技術を含んでいる。ソリッド・イメージングのための粉末、液体、吐出可能な相変化材料および他の材料は、ときには、構築材料と呼ばれる。ソリッド・イメージング技術が生成する３次元物体は、ときには、“構築物”、“部分”、“物体”、および、“ソリッド・イメージング生成物”と呼ばれ、これらは様々な形状および寸法として制作できる。

構築物は、“構築パッド”または“構築プラットフォーム”と呼ばれる表面上で作製され、これらは、構築物の表面を、化学線、および、構築材料を露光する“作業表面”、“構築平面”または“イメージ面”に接触させるために、上昇または下降させられる。

米国特許第４，５７５，３３０号明細書 米国特許第５，４９５，３２８号明細書

ソリッド・イメージングのために開発された様々な装置または方法にも拘わらず、プロセスを更に効率的にかつコストを低減するためには、まだ多くの欠点が克服されなければならない。これには、例えば、物体を適切に作製するように輻射源とイメージ面とを位置合わせする、複雑で時間が掛かる位置合わせステップが含まれる。

課題を解決する手段

本発明は、３次元物体を形成するソリッド・イメージング装置を校正する方法および装置、特に、平面的な表面上でそのような装置におけるレーザの走査を校正することに向けられる。校正は、３次元物体を形成するときに、レーザ・ビームを正確にかつ精度高く案内するように、局所的および全体的な形状誤差を計算するように行われる。

一態様に係る方法は、十分な数の位置測定値を得て、レーザ走査の運動を支配する所定の非線形モデルの未知のパラメータへの反復解法を提供することを含む。位置測定値は、実質的に非散乱性の面および基準マークの周期的な配列を有する、平坦で水平な校正プレートを走査するレーザによって生成され、基準マークは、非散乱性の面上またはその内部に形成され、化学線を散乱させる。レーザが校正プレート上を走査する際に、校正プレートの上部に配置された検出器が、基準マークからの散乱光を受光する。

別の態様に係る発明は、３次元物体を形成し、化学線波長を有する光ビームを生成および案内するために鏡を主要素とする光学システムを備えるソリッド・イメージングシステムを校正する方法である。ソリッド・イメージングシステムは、物体を構築するための構築プラットフォームを移動可能に支持する昇降システムを有する。その方法は、構築プラットフォーム上に校正プレートを作動的に配置するステップを含む。校正プレートは、実質的に非散乱性の背景上に形成された基準マークの周期的な配列を有し、基準マークは、化学線を散乱させるように構成されている。その方法では、基準マークの配列中の他の基準マークの第１の中心位置ないしは「理論的」中心位置を確立するために用いられる第１座標系を確立するために、相互に直交する基準マークの第１列および第２列上で光ビームを走査する第１の走査を実行し、そこから散乱光を検出する。相互に直交する第１の列および第２の列は、好ましくは中心のＸ列および中心のＹ列である。その方法では、更に、第２の走査によって走査された対応する中心位置を測定するために、第１座標系を用いて、基準マークの配列の少なくとも一部を走査する第２の走査を実行し、そこから散乱光ビームを検出する。その方法では、更に、測定された中心位置および鏡の角度位置の補間を用いて、計測された中心位置と構築プレートの（ｘ、ｙ）位置との間に校正された関係を確立する。

校正方法は、温度的な環境変数には実質的に影響を受けず、その校正プロセスは、典型的には１時間未満で完了できる。

上述した方法は、迅速であること、（走査鏡以外の）ソリッド・イメージングシステムの動作を伴わないこと、および、比較的低価格であることという校正上の基準を満たす。好ましくは、ソリッド・イメージングシステムのコンピュータ・コントローラが校正装置のために使用され、それは、基準マークからの散乱光に関連する検出信号を基準マークの既知の寸法にマッチングさせて知識パターン・マッチング探索を行なうアルゴリズムを介して、レーザ・ビームが各基準マークの中心位置を発見したときを認識する、コンピュータ読み込み可能な媒体に保存された指令（例えば、ソフトウエア）を受ける。走査中のレーザ・パワーのいかなる変化も、その後に平均化される基準マークの多数回の走査を採用する例示的な方法においては特に、殆ど影響しない。

校正が極めて正確でかつ精度が高くなるように、システム誤差にできるだけ近づけてモデル化するために、システムの未知部分の全ては、各一連の誤差がより小さく特定できるように、繰り返し発見しかつ再導入する必要がある。校正プレートの上部に配置された唯１つの検出器は、校正プレートからデータを受け取る中心位置を与え、かつ、何時間ではなく何分というオーダーで、校正プレートを完全に走査することを可能にする。この、時間短縮により、必要な回数の繰り返し計算を実行して校正装置の能力の限界にほぼ近い校正を与えるに十分な量の位置測定情報の取得を可能にする。

本発明のその他の特徴および利点は、以下の詳細な記述で示されており、当業者には、その一部は、その記述から直ちに明らかであり、或いは、以下に続く詳細な説明、クレームおよび添付図面を含んで記述される発明を実施することによって認識されるであろう。先に示した一般的な記述、および、以下に示す詳細な説明の双方は、本発明の例示的な実施形態を示し、特許請求される発明の性質および特性を理解するための概観または枠組みを提供することを意図している。添付図面は、本発明の更なる理解を提供することを目的として示すものであり、本明細書に組み込まれてその一部を構成する。図面は、本発明の様々な実施形態を例示し、詳細な説明と共に、本発明の原理および作用を説明する役目を果たすものである。

縦断面図で示されたステレオリソグラフィー・システムの形をとる、例示的な実施形態に係るソリッド・イメージングシステムの模式図。 角座標（θｘ、θｙ）と、その角座標と構築平面に関連するデカルト座標（ｘ，ｙ，ｚ）との関係と共に表す例示的な鏡システムを示す、図１のシステムの光学システムの一部の拡大斜視図。 本発明の校正方法を実行することを可能にする、本発明の例示的な実施形態に係る校正装置を更に含む、図１のステレオリソグラフィー・システムの模式図。 円形の基準マークの周期的な配列を有する例示的な校正プレートの拡大図（挿入図）を含む、本発明の例示的な実施形態に係る校正プレートの平面図。 校正プレート表面の拡大図（挿入図）と共に示す、図４の校正プレートの例示的な実施形態の５−５線に沿って取られた横断面図。 ０．２５インチ（約６．３５mm）毎に基準マークを有し、かつ４８×４８＝２，３０４個の基準マークを有する、１フィート（約３０ｃｍ）×１フィート(約３０ｃｍ)の校正プレートの例示的な実施形態を、表示を容易にするために校正プレートおよび基準マークを逆コントラストで示した平面図。 図７Ａは隣接する２つの円形基準マークを、図７Ｂは隣接する２つの六角形の基準マークを、図７Ｃは隣接する２つの正方形の基準マークを、それぞれ示す模式的平面図。 図５と同様な校正プレートの例示的な実施形態の模式的側面図であって、校正プレートが、基準マークを有する比較的に薄い「対象プレート」を支持する比較的に厚い支持プレートを有する例を示す図。 本発明の例示的な実施形態に係る全体的な校正方法を示すフローチャート。 図１０Ａ−１０Ｄはそれぞれ、基準マークの中心位置を決定するために、光ビームを基準マーク上でどのように二次元的にラスタ走査するかを示す、例示的な円形基準マークの拡大平面図。 図１１Ａ−１１Ｃはそれぞれ、校正プレートの走査中において基準マークを通過する通過前、通過中、および、通過後の光ビームを示す、例示的な基準マークおよび周囲の非散乱層の拡大横断面図。 ２つの校正プレートを利用して２重システム校正を実行する２重ステレオリソグラフィー・システムの模式図。

以下、添付図面を参照して本発明を詳しく説明する。図面には、本発明の全てではないが幾らかの実施形態が示されている。実際のところ、本発明は、様々な形態で具体化が可能であり、本明細書で示される態様に限定されるとみなしてはならず、むしろこれらの実施形態は、本開示が適用可能な法的要件を満たすように示されるものである。本発明は、ソリッド・イメージング装置を校正する方法および装置に向けられる。以下では、ステレオリソグラフィー・システムの形をとる例示的なソリッド・イメージング装置が例示の目的で検討され、次いで、校正基準が記述される。これら記述に続いて、ステレオリソグラフィー・システムを校正するために使用する本発明の方法およびシステムが記述される。

例示的なステレオリソグラフィー・システム
図１は、縦断面で示されるステレオリソグラフィー・システム１０の形をとるソリッド・イメージングシステムの模式図である。右手系のデカルト座標システムが参照のために提供される。システム１０は、ＵＶ硬化樹脂などで満たされて、液面で定義される指定された作業表面ないしは構築平面を提供する内部領域２１（構築チャンバと呼ばれる）を有する。本明細書で使用する用語「構築平面」とは、液体２２が存在するとすれば、構築平面２３が存在するまたは存在し得る容器２０内の位置のことをいう。

鏡を主要素とする光学システム２５は、鏡システムＭＳと、構築平面２３の面内にスポット（レーザ・スポット）２７を生成する化学線（紫外線）光ビーム２６を供給するように構成されたレーザ光源ＬＳまたは他のビーム発生器（レーザ・ダイオード、発光ダイオードなどを含むがこれには限定されない）とを有する。本明細書で使用する「化学線」は、電磁放射を吸収する材料中に光化学反応を発生する何れの電磁放射をも、また全ての電磁放射を含んでいる。そのような化学線は、輻射線を吸収するあらゆる輻射線架橋可能な材料の架橋を生じさせる輻射線を含むが、これに限定はされない。光学システム２５は、物体５０を構築するために、構築平面２３上でレーザ・スポット２７のような光ビームを移動させるように構成される。構築平面２３上でのレーザ・スポット２７の移動または「案内」は、光学システム２５内の光学要素および／または機械的要素と共に鏡システムＭＳを調節することによって遂行される。例示的な実施形態では、光学システム２５は、レーザ・スポット２７の寸法（つまり、直径ないしは幅Ｗ_ＬＳ、図１１Ａ参照）を調節して、レーザ走査の解像度および構築プロセスの解像度を調節するように構成される。

例示的な実施形態では、平面２３上でのレーザ・スポット２７の案内は、計算機制御システム３０によって制御される。例示的な実施形態では、計算機制御システム３０は、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ設計）システムなどにおけるＣＡＤデータ生成部３２によって生成されるＣＡＤデータに基づいて、そのような案内を制御する。ＣＡＤデータ生成部３２は、次いでコンピュータ化されたＣＡＤデータ変換システム３４に作動的に接続され、ＣＡＤデータ変換システムは計算機制御システム３０に作動的に接続される（またはその内部に含まれる）。ＣＡＤデータ変換システム３４は、コントローラが物体５０を形成する様式でレーザ・スポット２７を案内することができるように、ＣＡＤデータ生成部３２からのＣＡＤデータを、適当なステレオリソグラフィー用の層データ形式に変換する。

システム１０は、（プラットフォーム表面とも呼ばれる）計算機制御システム３０に作動的に接続される昇降システム４０を有する。昇降システム４０は、上面４３を有する移動可能な構築プラットフォーム４２を含んでいる。構築プラットフォーム４２は、プラットフォーム駆動部４６によって制御される、駆動ねじやピストン・ベースなどの昇降機駆動部４４に作動的に接続される。昇降機駆動部４４は、計算機制御システム３０の制御下でプラットフォーム駆動部４６によって上下に（つまりＺ方向に沿って）、構築プラットフォーム４２を選択的に移動させる。

システム１０は、計算機制御システム３０に作動的に接続されるレーザ平準化システム４８を更に有する。レーザ平準化システム４８は、水平な基準面に対する平面レベルを測定するため、その下側に配置される表面の何れからも離れて反射するレーザ・ビーム４９を生成するように構成される。

ＵＶ硬化液体２２の構築平面２３は、容器２０内の一定のレベルに維持され、液体を硬化させて固体材料に変化させるに十分な強度のレーザ・スポット２７または適切な他の形の反応性刺激が、構築平面上をプログラムされた態様で移動させられる。ＵＶ硬化液体２２が硬化して固体材料が形成され、（最初に構築平面２３の直下にあった）昇降機プラットフォーム４２は、昇降機駆動部４４の動作によってプログラムされた方法で構築平面から下方向に移動される。このようにして、最初に形成された固体材料は、構築平面２３の下側で得られ、また、新しい液体２２が、再塗装装置などの支援の存在下で、または、支援なしで構築平面に導入される。この新しい液体の一部は、次には、レーザ・スポット２７からの化学線２６によって固形物に転化され、この新しい材料が、その下の材料に付着して接続する。装置が作動するにつれ、この装置により、積層された層（積層）５２の段階的な積み上げによって３次元物体５０が生成される。
このプロセスは、全体の３次元物体５０がプラットフォーム表面４３上で構築されるまで継続される。物体５０は、その後に容器２０から取り除かれ、装置は別の物体を生成するように準備される。その後、同じ物体の他の１つが製造されるか、または、何らかの新しい物体が、計算機制御システム３０に供給されるＣＡＤデータの変更により作製される。

光学システム
図２は、例示的な鏡システムＭＳ、および、その鏡システムの角座標（θｘ、θｙ）とプラットフォーム平面４２に関連するデカルト座標（ｘ、ｙ、ｚ）との関係を示す、鏡を主要素とする光学システム２５の一部の拡大斜視図である。鏡システムＭＳは、それぞれの鏡駆動部（例えば、鏡モータまたは検流計）ＭＤＸ、ＭＤＹによって、それぞれの軸Ｘ、Ｙ周りに機械的に回転させられる第１の鏡ＭＸおよび第２の鏡ＭＹを含む。鏡モータＭＤＸ、ＭＤＹは、コンピュータ・コントローラ３０に作動的に接続され、制御される。鏡ＭＸは、プラットフォーム表面４３でＸ座標を制御し、鏡ＭＹは、プラットフォーム表面でＹ座標を制御する。レーザＬＳによって生成されたレーザ・ビーム２６は、鏡モータＭＤＸ、ＭＤＹの制御下での鏡ＭＸ、ＭＹの動作によって、点Ｐ＝Ｐ（ｘ、ｙ、ｚ）に案内され、校正プレート表面１３２の原点が、Ｙ次元鏡ＭＹの中心、その回転軸上に決められる。校正プレート表面１３２は、Ｙ次元鏡ＭＹの中心から距離Ｚだけ離れている。角度θｙは、Ｙ次元での垂直からのレーザ・ビーム２６の角度に相当し、角度θｘは、Ｘ次元での垂直からのレーザ・ビーム２６の角度に相当する。
Ｙ次元鏡ＭＹの中心（その回転軸）とＸ次元鏡ＭＹの中心（その回転軸）との間の距離（間隔）をＳとし、かつ、このシステムで平面状の表面を走査するレーザ走査の分野での周知の関係に従うと、点Ｐを照射するために垂直方向からのレーザ・ビーム２６の角度の修正値を以下のように定めることができる：
θｙ＝ＴＡＮ^−１（ｙ／Ｚ）
θｘ＝ＴＡＮ^−１（ｘ／（Ｚ^２＋Ｙ^２）^１／２＋Ｓ））
このシステムの焦点半径ＦＲ（図示せず）も、従来の方法で以下のように求めることができる：
ＦＲ＝[((Ｚ^２＋Ｙ^２) ^１／２＋Ｓ)^２＋Ｘ^２]^１／２
これらの関係から、鏡ＭＸおよびＭＹの平面状の表面によって引き起こされた幾何学的な誤差およびそれらの間隔Ｓは、プラットフォーム表面４３とＹ次元鏡ＭＹとの間の距離Ｚが与えられれば、訂正することができる。

校正基準
ソリッド・イメージング装置用の校正装置によって満たされるべき多くの基準が存在する。例えば、形成された部分の凝固した層が持つ「屋根葺き」効果を弱めるために、レーザ・ビームは、構築平面に対して９０度に近い角度範囲を定める必要がある。これは、走査鏡から構築平面までに大きな距離を持つことにより達成される。この大きな作業距離は、校正処理の妨げとなる。その理由は、鏡の搭載の不完全さ、チャンバ窓の不均一性および平坦さ欠如、鏡軸の反り、ガルボ・モータ（つまり、鏡モータ）の非平行搭載など、走査システムのいかなる幾何学的な欠陥も増幅されるからである。

更に、一対の走査鏡に関連する角度座標を構築平面に対して理論的にマッピングすることには、レーザ走査技術の当業者に知られている固有の困難さがある。その困難さとは、レーザ・ビームが、空間の中心点ではなく、むしろ始点が未知のベクトルおよび終点が未知のベクトルの２点に起源を有するために、座標系のマッピングが非線形性を有することにある。この構成により、構築平面には直線ではなく弧が引かれ、針山歪みの形状をしたマッピング誤差が生成される。

別の基準は、データ収集中には、走査鏡による以外には、ソリッド・イメージング装置の如何なる方向への移動も如何なる軸に関する回転も存在してはならないということである。如何なる移動も、計算には織り込むことができるものの、その移動が如何にうまく検出されるかによってその精度が制限される。如何なる回転も、多少は誤差マップを歪ませ、また、そのような回転は、要求される精度で測定することが困難である。

更に、各鏡へのレーザ・ビーム入射の正確な角度および位置、双方の鏡の間の距離、並びに、第２の鏡から構築平面までの距離は未知である。多数の未知のパラメータを伴った画像の非線形性と、様々なあり得る幾何学的な欠陥との組合せにより、所望の精度を達成するためには大量のデータが必要になる。
別の基準は、校正が比較的迅速でなければならず、例えば１時間以内であることが必要であり、そのため校正用測定の進行中における温度や湿度に起因するシステムの膨張や収縮が無視されることである。関連する基準としては、如何なる校正用設備も再インストールする必要がなく、次回の校正用測定が繰り返せるように、その比較的大量の計算情報は、大きな遅れがなく、かつ、その場で処理されなければならないことである。

校正装置
上述したように、物体５０を構築するシステム１０の作動に先立って、意図した物体が忠実に複製されるように、レーザ・スポット２７が高い精度および正確さで所望の物体座標に導かれるように、システムを校正する必要がある。

図３は、図１のステレオリソグラフィー・システム１０の模式図であり、システムは、更に、本発明の校正方法を実行することを可能にする、本発明の例示的な実施形態に係る校正装置を含む。校正装置は、上面１１２および下面１１３を有する校正プレート１１０を有し、校正プレートは、その下面がプラットフォーム表面４３上に位置するように配置される。例示的な校正プレート１１０の詳細は、以下で更に詳しく述べる。

校正装置は、光ビーム２６の経路から外れるように校正プレートの上面１１２の上方（つまり、それから＋Ｚ方向）に配置される光検出器１３０を有する。例示的な実施形態では、光検出器１３０は、例えば５．８ｍｍの直径、および、１９０ｎｍから１１００ｎｍまでの広い波長検出範囲を有するＳｉ−ＰＩＮフォトダイオードを有する。ＵＶ波長（または要求される他の波長）の光を検出することができる他の種類の光検出器、例えばＧａＰ系およびＧａＡｓＰ系の光検出器も使用可能である。光検出器１３０は、より詳しく以下に記述されるように、検出された光に応じた電気的な検出信号ＳＤを生成する。例示的な実施形態では、化学線波長λ_０に中心を持つ通過帯域Δλを有する光学フィルタ１３１が、検出プロセスを実質的に化学線波長λ_０に制限するために使用される。

第１の例示的な校正プレート
図４は、第１の例示的な実施形態に係る校正プレート１１０の平面図であり、図５は、５−５線に沿って取られた図４の校正プレートの横断面図である。校正プレート１１０は、平坦な上面１３２および下面１３４を有する剛性の板状基板１３０を含む。基板１３０は、幅Ｗｐ、長さＬｐおよび厚みＴｐを有する。基板１３０の例示的な材料はアルミニウムである。例示的な実施形態では、基板１３０は、約０．５インチ（約１２．５ｍｍ）から約２インチ（約５０ｍｍ）の範囲、好ましくは約０．７５インチ（約１９ｍｍ）の、全体として一様な厚みＴｐを有するアルミニウム板である。例示的な実施形態では、更にアルミニウム基板の上面１３２は、各２０インチ（約５０ｍｍ）スパンで表面粗さＦＬ≦０．００５インチ（約０．１２７ｍｍ）を有するように形成される。例示的な実施形態では、ブランシャール研削プロセス（「回転式平面研削」とも呼ばれる）が、所望の表面粗さＦＬを達成するために使用される。例示的な実施形態では、基板１３０は、幅Ｗｐが１フィート（約３０ｃｍ）≦Ｗｐ≦３フィート（約９０ｃｍ）で規定される範囲、長さＬｐが１フィート（約３０ｃｍ）≦Ｌｐ≦４フィート（約１２０ｃｍ）で規定される範囲である。他の基板寸法（厚みを含む）も、基板のたわみを最小限に抑える必要があるなど、特定のシステム１０の要求によってのみ制限される寸法を用いつつ、使用することができる。例示的な実施形態では、基板１３０の寸法が、校正プレート１１０の寸法を規定する。

例示的な実施形態では、校正プレート１１０は、外側に伸びて校正プレート表面１１２と相対的に位置決めされる表面１１３を有するレベリング・タブ１１１を含む。レベリング・タブ１１１は、その表面１１３が、レーザ位置合わせシステム４８の真下に存在し、システム１０内で校正プレート１１０を精密にレベリングするための基準面を提供するように位置決めされる。

校正プレートの上面１３２は、実質的に光を散乱しない（つまり、実質的に非散乱性である）ように形成され、好ましくは実質的に化学線２６を吸収する。例示的な実施形態では、この目的のため、校正プレート上面１３２が、その上に形成された光吸収層１４０を含む。例示的な実施形態では、光吸収層１４０は、陽極酸化で形成され、好ましくは、光陽極酸化によって形成される。光吸収層は、他の技術、および／または、他の材料、例えば染料、塗料、プラスチック、セラミックなどによっても形成できる。

光吸収層１４０は、光スポット２７が、校正プレート１１０上で下記に述べるような基準マーク間で走査されるときに、望まれない散乱を低減するため、相当量の化学線２６を吸収できるように形成される。この意味で、校正プレートの上面１３２は、「暗い」または「非散乱性」背景として働く。

校正プレート１１０は、更に、校正プレートの上面１３２に接して、例えば光吸収層１４０の表面または内部などに形成された基準マーク１５６の周期的な配列１５０を含む。複数の基準マーク１５６は、化学線２６を散乱することができるように形成される。例示的な実施形態では、基準マークは、前述の光陽極酸化プロセスの間に、光吸収層１４０内に形成されたハロゲン化銀を有する。図４は、円形の基準マーク１５６を有する例示的な光吸収層１４０の拡大視を示す挿入図を含む。例示的な実施形態では、基準マーク１５６は、レーザ・スポット２７とほぼ同じ寸法である。

例示的な実施形態では、基準マーク１５６は、基準マークを作成するようにコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）されるミリングを使用して、感光性の陽極酸化されたアルミニウム基板表面１３２内に形成される。さらなる実施形態では、基板表面に複数の基準マークを供給するために、代替の技術および／または材料が用いられる。基準マークは、基板の表面に接して若しくはその内部に、または、基板の表面に接続され若しくは近接して位置決めされることにより、基板の表面に関連づけられる。

例示的な実施形態では、基準マーク１５６は、中心間距離Ｄ_Ｆだけ互いに隔てられ、また、幅Ｗ_Ｆを有する。基準マーク１５６は、好ましくは、中心間間隔Ｄ_Ｆが1インチ（約２５ｍｍ）よりも大きくなく、更に好ましくは、０．５インチ（約１２．５ｍｍ）よりも大きくなく、さらには、約０．２５インチ（約６．２５ｍｍ）であることがより好ましい。基準マーク１５６は、好ましくは幅Ｗ_Ｆが０．００５インチ（約０．１２５ｍｍ）よりも大きくはなく、更に好ましくは０．００４インチ（約０．１ｍｍ）よりも大きくはなく、さらには０．００２インチ（約０．０５ｍｍ）≦Ｗ_Ｆ≦０．００４インチ（約０．１ｍｍ）で規定される範囲がより好ましい。基準マーク１５６の配置精度は、好ましくは、０．００１インチ（約０．０２５ｍｍ）以下である。

例示的な校正プレート１１０は、例えば１，０００〜２０，０００個の基準マーク１５６を含む。図６は、例えば、距離Ｄ_１＝０．２５インチ（約６．２５ｍｍ）だけ離隔した、４８×４８＝２，３０４個の基準マーク１５６を含む例示的な、1フィート（約３０ｃｍ）×1フィート（約３０ｃｍ）の校正プレートを示す。なお、図６の校正プレートは、表示を容易にするためコントラストを逆に、つまり、背景の表面１４０を白に、基準マークを黒に表示してある。

図６の校正プレート１１０の２フィート（約６０ｃｍ）×３フィート（約９０ｃｍ）のバージョンは、約１３，８２４個の標準マーク１５６を含む。しかし、校正プレートの寸法、および、基準マーク間の間隔Ｄ_Ｆに依存して、上記の範囲以外の数の基準マーク１５６も使用可能である。

例えば円形（図７Ａ）、六角形（図７Ｂ）および正方形（図７Ｃ）のような様々な形状を基準マーク１５６に使用可能である。十字形、２重箱、他の多角形状、または、曲線形状などの別の形状もまた使用可能である。一般に、基準マーク１５６は、検出された散乱光および適切なアルゴリズムを使用して、マークの中心（ｘ、ｙ）位置が得られるように、レーザ・スポット７０で走査することができる如何なる形状でもよい。

第２の例示的な校正プレート
上述した校正プレート１１０は、単一の厚い基板１３０を使用し、その基板を交換することは比較的高価であり得る。例えば、厚み０．７５インチ（１８．７５ｍｍ）を有する、２フィート（約６０ｃｍ）×３フィート（約９０ｃｍ）のアルミニウム基板１３０は、高度の平坦さを有するようにその表面１３２を研磨すれば、約２，０００ドルの費用が必要である。表面１３２がひっかき傷または損傷を受けると、校正プレート全体の交換が必要になる。

図８は、図５と同様な模式的側面図であるが、実質的に剛性の第１の支持基板１３６ないしは「支持板」としての基板１３０と、上面１３２で基板１３０によって支持され実質的に柔軟性を有する薄い第２の基板１３６ないしは「標的板」とを含む第２の例示的な実施形態の校正プレート１１０を示す。基板１３６は、光吸収層１４０および複数の基準マーク１５６が形成された上面１３８を有する。この実施形態では、基板表面１３２は陽極酸化を要しない。基板１３６は、好ましくはアルミニウムであり、比較的に薄く、例えば、約０．００１５インチ（約０．０３７５ｍｍ）から約０．００４インチ（約０．１ｍｍ）までの範囲の厚み、好ましくは約０．００２インチ（約０．０５ｍｍ）の厚みを有する。基板１３６の厚みは、下方にある基板１３０の表面１３２の粗さＦＬに合わせて選択される。例示的な実施形態では、基板１３６は、アルコールおよびそれによって得られる表面張力を利用して、基板１３０の表面１３２に付着される。

校正プレート１１０の２枚基板形態による利点は、基準マーク１５６の配列１５０を搭載する表面１３８が損傷を受けると、比較的薄い基板１３６のみを約２００ドルの費用で交換すればよいことである。

校正方法
本発明の好ましい実施形態に係る方法を、図９のフローチャート２００を参照して以下に記述する。例示的な校正方法は、製造場所での出荷以前および／または設置以後に使用できる。もし、何らかの機械的な移動、レーザの除去、または、実質的なレーザのドリフトが発生すれば、校正処理を繰り返すべきである。

ステップ２０１では、校正プレートの表面１１２が実質的に構築平面２３と共平面になるように、校正プレート１１０を、システム１０の構築チャンバ２１内に挿入する。上述のように、例示的な実施形態では、校正プレート１１０は、システム１０内で校正プレートを正確に水平にするために使用されるレベリング・タブ１１１を含む。レベリング・タブ１１１、または、校正プレート１１０の他の機構が、ソリッド・イメージングシステムに対して校正プレートを位置合わせまたは方向合わせのために使用される。

ステップ２０２で、光ビーム２６は基準マーク１５６に向けて案内され、基準マークの検査プロファイルが実行される。これは、特定の基準マーク１５６のＸ方向およびＹ方向の２次元の（２Ｄ）ラスタ走査を含む。

図１０Ａ−１０Ｄは、基準マークの「最適場所」ないしは「中心位置」１５６Ｃを決定するために、プロファイリング・プロセス中に、光ビーム２６が基準マーク上でＸ方向およびＹ方向にどのようにラスタ走査されるかを示す、例示的な基準マークの拡大平面図である。破線で示す矢印１７０は、光スポット２７の走査方向を示す。

選択された基準マーク１５６の２Ｄラスタ走査からのデータは、次いで基準マークの中心位置１５６Ｃ、並びに、校正プレート１１０全体を走査するための適切なコントラストおよび黒レベルを推論するために使用される。例示的な実施形態では、中心位置１５６Ｃは、重心アルゴリズムおよびガウスの近似アルゴリズムなどの２つの異なるアルゴリズムを使用して決定される。双方のアルゴリズムは、極めて小さな誤差マージンの範囲内（例えば、０．００１インチ（約０．０２５ｍｍ）未満）に中心位置１５６Ｃが決定するように一致しなくてはならず、さもなければその基準マークのラスタ走査が繰り返される。中心位置１５６Ｃを決定するための他のアルゴリズムまたは取組みを、単独でまたは組合せで使用してもよい。レーザ・パワーは、コントラストを最大にするために、各ラスタ走査または「プロファイリング」について、計算機制御システム３０によって閉ループで自動的に調節される。例示的な実施形態では、幾らかの基準マーク１５６は、冗長測定のために「プロファイリング」が複数回実行される。

図１１Ａ−図１１Ｃは、校正プレート１１０を走査する際に、基準マーク上を通過する前、通過中および通過後の光ビーム２６を示す、例示的な基準マーク１５６および光吸収層１４０の拡大横断面図である。図１１Ｂでは、光スポット２７は、実質的に基準マーク１５６に重なって散乱光２６Ｓを形成し、その散乱光が検出器１３０（図３）によって検出される。基準マーク１５６の間では、光ビーム２６は光スポット２７が基準マーク１５６間を通過する際に光吸収層１４０によって概ね吸収され、従って検出器１３０に向かって散乱される光は原則として存在しない。

図９のフローチャート２００を再び参照すると、ステップ２０３では、校正プレート１１０の中央行および中央列で、つまり、Ｘ方向の中央行（ｘ、０）で、次いでＹ方向の中央列（０，ｙ）で、１つの行および１つの列の第１の（または、初期の）ビーム走査を実行することによって、Ｘ軸およびＹ軸が識別される。なお、一般に、第１ビーム走査は、基準マーク１５６の直交する任意の２つの行／列（「直交列」）に沿って行うことができる。しかし、本発明の例示的な実施形態では、校正プレート１１０の中央にデカルト座標系の原点を決めるために、中央の行および中央の列を選択することが好ましい。

上記手順では、比較的に広い領域を第１走査または初期走査するには、比較的に大きなレーザ・スポット・サイズを使用することが好ましい。例示的な実施形態では、レーザ・スポット２７の幅Ｗ_ＬＳは、探索されるべき基準マーク１５６の幅Ｗ_Ｆの約４倍であり、従って基準マークの幅Ｗ_Ｆが０．０３インチ（約０．７５ｍｍ）であれば、レーザ・スポット・サイズＷ_ＬＳは約０．１２インチ（約３ｍｍ）である。この比較的広い第１走査は、１つの行および１つの列、好ましくは中央の行および中央の列の各基準マークについて行われる。比較的に幅の広いレーザ・スポット２７は、第１走査によって基準マーク１５６が探索されることを確実にする。中央の行および中央の列の基準マーク１５６の全ての位置が定まると、校正プレート１１０の残りの基準マーク１５６の理論的な位置が、計算によって決定される。

この初期走査により、回転、ずれ、鏡の距離、第２の鏡から平面への距離、原点における入射角および出射角を含む理論的なモデル・パラメータの殆ど全てを解くための重要な情報が得られる。これら理論的なモデル・パラメータは、上記した式を用いる既知の回帰分析技術を採用し、中央の行及び中央の列について収集したデータに基づいて、全ての基準マークについて求められる。回帰分析の反復は、ＲＭＳ誤差が０．００５インチ（約０．１２５ｍｍ）未満になるまで継続される。この理論モデルは、後述するように、第２走査における残りの基準マーク１５６の迅速な走査を可能にする。残りの基準マークは、例えば、第１走査について中央の行および中央の列について行われたとして記述されたような、比較的に大きな（例えば、Ｗ_ＬＳがほぼ０．１２インチ（約３ｍｍ）の）レーザ・スポット２７によって基準マークを走査するよりは、より狭い例えばＷ_ＬＳ＝０．０４０インチ（約０．１ｍｍ）のレーザ・スポット２７を用いる第２走査において走査される。

鏡ＭＸおよびＭＹを、小さな角度増分ｄθｘ、ｄθｙで動かして、デカルト座標の対応する小さな増分ｄＹおよびｄＸでレーザ・ビームを案内することで、鏡の角度移動と移動した距離との関係を確立し、初期座標系の理論的な原点を設定することができる。

ステップ２０３で成功すると、回転値、倍率値およびオフセット値が計算され、それが、第１座標系を形成するため、または、鏡の角座標（θｘ、θｙ）を校正プレートのＸ−Ｙ座標にマッピングする「理論モデル」を作成するために利用される。この理論モデルは、他の（つまり、走査されなかった）基準マーク１５６の「理論的な」位置（ｘ_Ｔ，ｙ_Ｔ）を予測するために使用される。校正の前ではシステム１０は全体として不完全であるので、基準マークの理論的な（中心）位置（ｘ_Ｔ，ｙ_Ｔ）と、測定された実際の（中心）位置（ｘ_Ａ、ｙ_Ａ）との間には大きな差が存在するであろう。

ステップ２０４では、校正プレート１１０の少なくとも重要な部分の、好ましくは全ての基準マーク１５６が、第２（または測定用）光ビーム走査で測定され、走査された基準マーク１５６の実際の中心位置（Ｘ_Ａ，ｙ_Ａ）が決定される。この第２走査では、基準マーク１５６を探索するために理論的な位置（ｘ_Ｔ，ｙ_Ｔ）を使用する。例示的な実施形態では、この全走査プロセスは、約１０，０００個の基準マークについて約２０分を要する。これは、比較されるべき実際の中心位置と理論的な中心位置とを比較し、その間の誤差：
（δｘ、δｙ）＝（ｘ_Ａ―ｘ_Ｔ，ｙ_Ａ―ｙ_Ｔ）
を計算することを可能にする。これは、次にはシステム１０の欠陥で導入された理論モデルにおける局地的および全体的な誤差の識別を可能にする。
従って、ステップ２０４では、第２走査で測定された実際の中心位置（ｘ_Ａ、ｙ_Ａ）が幾何学的なテーブルに与えられる。本発明のある実施形態では、幾何学的なテーブルは、Ｘ軸に沿うデカルト座標ｘの０．２５インチ（約６．２５ｍｍ）増分毎の走査鏡の角座標θｘと、Ｙ軸に沿うデカルト座標ｙの０．２５インチ（約６．２５ｍｍ）増分毎の走査鏡の角座標θｙとを含む。
ステップ２０５では、ステップ２０４で確立された幾何学的なテーブルを使用し、校正プレートの全ての座標(ｘ、ｙ)に対して、（例えば、５次の多項式を使用し）全ての走査鏡の角座標(θｘ、θｙ)を補間する。この補間は、全ての走査領域を規定する式から生成され、従って、最も近接する基準マークのみを使用しかつ簡単な平均アルゴリズムを使用して生成される局地的偏差のような「タイル張り誤差」の影響を受けることがない。これら「補間された座標」は、物体５０を生成する際に、レーザ・ビーム２６を案内するために計算機制御システム３０によって次に使用される校正された座標（ｘ_Ｃ、ｙ_Ｃ）を構成する。本発明の例示的な実施形態では、収集したデータを滑らかにするために位数が４、次数が２の多項式の補間を行う。この滑らかにされたデータから、正確な（つまり、校正された）θχおよびθｙを得るために、従来の双直線補間が、幾何学的なテーブル中の４つの最も接近する周囲のデータ・ポイント上で行なわれる。

校正プレートの誤差の計算
校正プレートの表面１１２が、校正プロセスに誤差を導入し得ることがある。如何なる平坦性誤差または回転誤差（例えば、全体的および局所的な平坦さの変化または回転）も、走査されたデータに位置誤差を生じさせる。懸架された表面の理論的な平坦さは、放物線特性に従うと知られており、モデル化が可能である。しかし、測定しない限り、如何なるずれが生じるかは知られておらず、また、温度と湿度により変化し得る。

従って、例示的な実施形態では、校正方法はオプションのステップ２０６を含み、そのステップでは、校正プレート１１０が（例えば、４５°または９０°）回転され、中央のＸ列および中央のＹ列の第１ビーム走査が繰り返される。校正プレート１１２が完全に水平でない場合、または、平坦性欠陥が存在する場合、または、基準マーク１５６の周期的な配列１５０が回転誤差を有する場合には、これらの不一致も同様に回転されるであろう。基準マーク１５６の１つのＸ列および１つのＹ列が、平坦性誤差および／または回転誤差またはオフセットを決定するために走査されると、これらの誤差は（「理論的な」）座標系で計算できる。同様の技術では、任意の平坦性誤差を測定し補償するために、校正プレートの表面１１２を下降または上昇させている。

焦点マップ
ソリッド・イメージングシステム１０は、しばしば比較的大きな構築平面２３を含むので、鏡を主要素とする光学システム２５は、レーザ・ビーム２６が構築平面上を移動する際には、このレーザ・ビームの焦点を動的に合わせなければならない。焦点距離のメカニズムは以前から知られているものの、如何なる可動部もそれ自身のオフセットおよび回転誤差を有し、このため意図した位置とは異なる位置に焦点が合わされたビーム・スポットを移動させる。従って、ステップ２０７では、ステップ２０５からの補間された座標情報を用い、与えられた（ｘ、ｙ）座標に対してレーザ・ビーム２６に適切な焦点を提供する焦点マップが生成される。

校正の検証
オプションのステップ２０８では、視覚的な検証プロセスが実行される。走査鏡は、選択した基準マーク１５６を照射するベクトルを作成するため幾何学的なテーブルを使用し、基準マーク１５６は、照射されると前述の散乱光２６Ｓのため光って見える。選択された基準マーク１５６は、システムのユーザが校正の視覚的検証を実行することを可能にする選択されたパターン内で照射される。

別のオプションのステップ２０９では、視覚的な校正検証以上の検証が要求または保証されており、例えば黒いＭＹＬＡＲ(登録商標)フィルム（図示せず）、他のポリエステルの膜、または、他の材料の膜が供給され、それが、選択された校正パターン（つまり、基準マーク照射パターン）となるように、校正された座標を使用して案内されたレーザ・ビーム２６を使用してエッチングされる。感光性材料上に形成された校正パターンは、次いでシステム１０の校正を確認する従来の測定方法を使用して検査される。

２重走査システム
上記で記述した誤差のすべてに対応した後では、構築平面の寸法を大きくするために、そのシステムに隣接する別の走査システムを加えることが可能である。図１２は、作動的に並んで配置された２室の構築チャンバを含み、２つの校正プレート１１０が上述した方法で校正を実行するために使用される一対のステレオリソグラフィー・システム３００の模式図である。この２重のステレオリソグラフィー・システム３３０は、単一のビーム発生器（図示せず）または個別のビーム発生器によって生成された光ビームを移動させるように、鏡を主要素とする個別の光学システム２５を制御する計算機制御システム３０を有することができる。ある実施形態では、それぞれの構築チャンバのために、各一連のデータ・ポイントを使用して校正することができる。しかし、他の実施形態では、その各一連のデータ・ポイントは、単一（組合せ）の構築チャンバのために、校正データを組み合わせた単一の校正データ・セットを形成するように使用してもよい。
本明細書で記述された発明の多くの修正や他の実施形態であって、明細書および添付図面で提供された教示の利点を有する修正や実施形態が、本発明が属する技術の当業者に気付かれるであろう。したがって、本発明が、記述された特定の実施形態やその修正に限定されるものではないこと、および、修正や他の実施形態が、添付のクレームの範囲に含まれることを意図していることが理解されるであろう。本発明は、修正や変更が添付の特許請求の範囲を逸脱しない限りは、その修正や変更を包含するように意図している。本明細書では、特定の用語が採用されたものの、それらは一般的または説明的な意味でのみ使用しており、限定を意図したものではない。

１０：ソリッド・イメージングシステム
２０：容器
２１：構築チャンバ
２３：構築平面
２５：光学システム
２６：光ビーム
２６Ｓ：散乱光
２７：レーザ・スポット
３０：計算機制御システム
３２：ＣＡＤデータ生成部
３４：ＣＡＤデータ変換システム
４６：プラットフォーム駆動部
１１０：校正プレート

Claims (13)

1. 化学線波長を有する光ビームを使用するソリッド・イメージングシステムを校正するための校正プレートであって：
   前記光ビームを実質的に散乱しないように構成され光吸収層を含む第１表面を有する剛性の第１基板；および
   前記第１表面に関連して配設され、前記光ビームを散乱するように構成された複数の基準マーク
   を備えることを特徴とする校正プレート。
2. 前記基準マークが前記光吸収層の内部にまたは接して形成されることを特徴とする請求項１に記載の校正プレート。
3. 前記第１表面が陽極酸化されていることを特徴とする請求項１に記載の校正プレート。
4. 前記基準マークがハロゲン化銀を含むことを特徴とする請求項３に記載の校正プレート。
5. 前記第１基板が、アルミニウムから形成され、かつ、厚みが約０．５インチ（約１２．５ｍｍ）から約２インチ（約５０ｍｍ）の範囲であり、前記第１表面の表面粗さが、各２０インチ（５０ｃｍ）スパンで測定されたときに０．００５インチ（約０．１２５ｍｍ）以下であることを特徴とする請求項４に記載の校正プレート。
6. 前記基準マークが、円形ドット、方形ドット、および、六角形ドットの何れか１つであり、ドットの直径が約０．０３０インチ（約０．７５ｍｍ）であり、中心間距離が約０．２５インチ（約６．２５ｍｍ）であることを特徴とする請求項１に記載の校正プレート。
7. 前記第１基板が約０．５インチ（約１２．５ｍｍ）と約２インチ（約５０ｍｍ）の間の範囲の厚みを有し、前記第１表面の表面粗さが各２０インチ（約５０ｃｍ）スパンで０．００５インチ（約０．１２５ｍｍ）以下であり、
   更に、第２表面を有し、前記第１表面上に配置され、前記第１表面の表面粗さに実質的に適合するような厚みを有する第２基板を備えており、
   前記第２表面が実質的に非散乱性であり、前記基準マークが該実質的に非散乱性の第２表面上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の校正プレート。
8. 化学線波長を有する光ビームを案内するように角度位置の調整が可能である鏡を主要素として含む光学システムと、対応する構築平面を有する構築プラットフォームを移動可能に支持する昇降システムとを備え、３次元物体を形成するソリッド・イメージング装置を校正する方法であって：
   （ａ）実質的に非散乱性の背景に形成され化学線を実質的に散乱するように構成された基準マークを有する校正プレートを構築プラットフォーム上に作動的に配置するステップ；
   （ｂ）前記基準マークの相互に直交する第１列および第２列上で第１光ビーム走査を実行し、前記基準マークからの散乱光を検出して第１座標系を確立するステップ；
   （ｃ）前記第１座標系を用い、前記基準マークの配列の少なくとも一部の上で第２の光ビーム走査を実行し、前記基準マークからの散乱光を検出し、前記基準マークの対応する中心位置を測定するステップ；および
   （ｄ）前記測定された中心位置および前記鏡の角度位置を補間して、前記鏡の角度位置と前記構築平面上の（ｘ、ｙ）位置との校正された関係を確立するステップ
   を有することを特徴とする方法。
9. 前記測定された基準マークの中心位置が、直交方向に基準マークをラスタ走査することによって決定されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記走査された基準マークの対応する中心位置の測定が、走査された基準マークからの検出された散乱光に、放物線による第１近似および重心近似の少なくとも１つを適用することを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
11. 前記第１座標系の確立が、回転、倍率、および、オフセットの少なくとも１つの測定値を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
12. 前記第１座標系を確立するステップが、
    前記第１光ビーム走査における走査された基準マークの理論的な中心位置を計算するステップ；および
    補間を用い、前記第１光ビーム走査で走査されなかった基準マークの理論中心を計算するステップ
    を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
13. 前記校正プレートを回転させ、相互に直交する第１および第２の列の前記基準マークへの第１光ビーム走査を繰り返し、前記基準マークからの散乱光を検出して、第３座標系を確立するステップ；および
    第１座標系と第３座標系とを比較し、それらの間に１つ以上の校正プレート誤差を示す差異が存在するか否かを判定するステップ
    を更に有することを特徴とする請求項８に記載の方法。

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