(57)【要約】  内部レーザ変調を使用したステレオリソグラフィー・システム（１０）および方法が開示されている。このシステムは、内部変調ダイオード励起周波数逓倍固体（ＤＰＦＭＳＳ）レーザ４０を備えている。レーザと走査システム（８０）との間の外部光路（ＯＰＥ）内には外部変調システム（ＥＭＳ）はない。この走査システムは、レーザパルス（７２Ｐ）を有するレーザビーム（７２）を、構築材料（２２）の表面（２３）上の焦点位置（ＦＰ）に向けて、その中に弾丸状部分（２５）を形成して、三次元物体（３２）を形成するための構築命令に基づいて構築層（３０）を画成する。
2013544201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｑスイッチおよびレーザダイオードアセンブリを有するダイオード励起周波数逓倍固体（ＤＰＦＭＳＳ）レーザを使用した、構築材料から三次元物体を形成する方法において、
前記Ｑスイッチのパルス幅変調または前記レーザダイオードアセンブリの電流変調のいずれかを使用した内部変調によって前記ＤＰＦＭＳＳレーザを制御して、前記三次元物体を構築するための構築命令に基づく、レーザビームのパワーを規定する選択されたエネルギーを有するレーザパルスを含むレーザビームを生成する工程、
外部光路内で外部変調を行わずに、前記レーザからの前記レーザビームを該外部光路に渡り走査システムに方向付ける工程、
前記走査システムを使用して、前記レーザビームを前記構築材料上の焦点位置に方向付けて、その中に弾丸状部分を形成して、前記構築命令に基づいて構築層を画成する工程、および
前記レーザビームのパワーおよび前記焦点位置の変動を補正するために該レーザビームのパワーおよび該焦点位置を調節しながら、前記構築層の形成を繰り返して、前記構築材料から前記三次元物体を形成する工程、
を有してなる方法。
【請求項２】
前記ＤＰＦＭＳＳレーザが電流変調により制御され、さらに、
固定周波数で前記Ｑスイッチを動作させる工程、
前記レーザビームのパワーの量をモニタする工程、および
前記レーザビームのパワーのモニタされた量に基づいて前記レーザダイオードアセンブリへの電流変調の量を制御する工程、
をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記レーザビームの一部分をレーザパワーメータに偏向させる工程、および
前記レーザビームのパワーを表す電気信号を生成し、該電気信号を、前記レーザビームのパワーを制御するように構成された制御装置に供給する工程、
をさらに含む、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記焦点位置をモニタする工程、および
前記走査システムを制御して、前記構築命令に基づいて前記焦点位置の変動を調節する工程、
をさらに含む、請求項２記載の方法。
【請求項５】
前記ＤＰＦＭＳＳレーザを制御する工程がパルス幅変調を利用し、
前記パルス幅変調を０％と９９．９％との間のデューティーサイクルで行う工程、および
実質的に一定の電流を前記レーザダイオードアセンブリに供給する工程、
をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】
構築材料から三次元物体を形成するためのステレオリソグラフィー・システムにおいて、
Ｑスイッチおよびレーザダイオードアセンブリを有し、レーザパルスを有するレーザビームを発生するように構成されているダイオード励起周波数逓倍固体（ＤＰＦＭＳＳ）レーザ、
前記三次元物体を構築するための、前記レーザパルスにおけるエネルギーの選択された量を規定する構築命令を有する制御装置であって、前記選択された量のエネルギーを前記レーザパルスに供給するために前記ＤＰＦＭＳＳレーザを電流変調モードで動作させるように構成されている制御装置、
外部光路に渡り前記ＤＰＦＭＳＳレーザからの前記レーザビームを受信するように配置された、外部変調システムを含まない走査システムであって、前記構築命令に基づいて構築層を画成するために、前記レーザビームを前記構築材料上の焦点位置に方向付けて、その中に弾丸状部分を形成するように構成されている走査システム、および
前記レーザビームのパワーの量を測定し、該レーザビームのパワーの量を表す電気信号を前記制御装置に供給するように構成されたレーザパワーメータであって、該制御装置は、該レーザビームのパワーにおける変動を調節するために、前記レーザダイオードアセンブリに供給される電流の量を調節するように構成されている、レーザパワーメータ、
を備えたステレオリソグラフィー・システム。
【請求項７】
前記外部光路内を移動する前記レーザビームの一部分を前記レーザパワーメータに偏向するように構成された光偏向部材をさらに備えた、請求項６記載のシステム。
【請求項８】
構築表面上の前記焦点位置を検出し、前記焦点位置を表す電気信号を前記制御装置に供給するために、前記構築表面と光学的に連通して配置されたレーザ焦点位置検出器をさらに備え、前記制御装置は、前記焦点位置の変動を調節するために前記走査システムを調節するように構成されている、請求項６記載のシステム。
【請求項９】
構築材料から三次元物体を形成するためのステレオリソグラフィー・システムにおいて、
Ｑスイッチおよびレーザダイオードアセンブリを有し、レーザパルスを有するレーザビームを発生するように構成されたダイオード励起周波数逓倍固体（ＤＰＦＭＳＳ）レーザ、
前記三次元物体を構築するための、前記レーザパルスにおけるエネルギーの選択された量を規定する構築命令を有する制御装置であって、前記選択された量のエネルギーを前記レーザパルスに供給するために前記ＤＰＦＭＳＳレーザをパルス幅変調モードで動作させるように構成されている制御装置、および
外部光路に渡り前記ＤＰＦＭＳＳレーザからの前記レーザビームを受信するように配置された、外部変調システムを含まない走査システムであって、前記構築命令に基づいて構築層を画成するために、前記レーザビームを前記構築材料上の焦点位置に方向付けて、その中に弾丸状部分を形成するように構成されている走査システム、
を備えた、ステレオリソグラフィー・システム。
【請求項１０】
前記制御装置が、前記パルス幅変調を０％と９９．９％との間のデューティーサイクルで行いながら、実質的に一定の電流を前記レーザダイオードアセンブリに供給するようにさらに構成されている、請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
構築表面上の前記焦点位置を検出し、前記焦点位置を表す電気信号を前記制御装置に供給するために、前記構築表面と光学的に連通して配置されたレーザ焦点位置検出器をさらに備え、前記制御装置は、前記焦点位置の変動を調節するために前記走査システムを調節するように構成されている、請求項９記載のシステム。
【請求項１２】
前記レーザビームのパワーの量を測定し、該レーザビームのパワーの量を表す電気信号を前記制御装置に供給するように構成されたレーザパワーメータをさらに備え、該制御装置は、該レーザビームのパワーにおける変動を調節するために、前記パルス幅変調を調節するように構成されている、請求項１１記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【優先権の主張】
【０００１】
本出願は、ここに引用する、２０１０年１１月２９日に出願された米国仮特許出願第６１／４１７７１９号の米国法典第３５編第１１９条（ｅ）の下での優先権の恩恵を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、ステレオリソグラフィー・システムに関し、特に、内部レーザ変調、特に、電流変調またはパルス幅変調のいずれかを使用したステレオリソグラフィー・システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
モデル、試作品、および限定生産の物体（「部品」）の高速作製のための技術が、現在、数多く存在する。これらの高速試作成形技術は、一般に、固体自由形状造形（ＳＦＦ）技法と呼ばれる。
【０００４】
一般にＳＦＦにおいて、三次元物体は、一般に減算式である従来の製造技法とは反対に、加算式で構築材料から製造される。例えば、最も一般的な製造技法において、材料は、機械加工操作により除去されるか、もしくはダイまたは成形型内で形成され、次いで、切削される。対照的に、加算式製造技法は、標的位置に一層ずつ構築材料の部分を徐々に加えて物体を構築する。この物体は複雑な部品であり得る。ＳＦＦ技法では、概して、物体のコンピュータグラフィック表示およびその物体を連続した層で製造するための構築材料の供給が利用される。
【０００５】
ＳＦＦ技法の１つのタイプは、ステレオリソグラフィーと呼ばれる。この技法では、一般に、レーザからの、紫外線（ＵＶ）波長帯のエネルギーの密に集束したビームが、液体の感光性樹脂の連続層に亘り走査されて、多層物体を形成するために各層の樹脂を選択的に硬化させる。ステレオリソグラフィーでは、樹脂を硬化させるために「ドット・ステッチ(dot stitching)」パターンが利用される。
【０００６】
ステレオリソグラフィーで使用される例示のレーザは、非線形結晶を使用したダイオード励起周波数逓倍（例えば、周波数三倍または周波数四倍）固体（ＤＰＦＭＳＳ）レーザである。典型的なＤＰＦＭＳＳレーザは、１つ以上の励起用レーザダイオード、３つまたは４つの非線形結晶およびＱスイッチ素子を備えている。そのようなレーザは、ステッチ式に形成されたドットの均一な重複の程度に反映される、ステレオリソグラフィー法の適切な品質を確保するために特定の安定性要件を満たさなければならない。ステレオリソグラフィー法の品質に影響するＤＰＦＭＳＳレーザのパラメータとしては、レーザビームの開き、ビームのウェスト位置、ビームの品質係数またはレーザのＭ2値、レーザパワー、パルス間の安定性、および位置決め安定性、すなちわ、レーザビームの方向を制御する能力が挙げられる。
【０００７】
歴史的に、上述したＤＰＦＭＳＳレーザのパラメータは、レーザが内部パワー変調により、すなわち、励起用レーザダイオードに供給される変調電流によりレーザ共振器(laser cavity)を電気的に変調することにより、動作される場合、制御するのが難しい。その結果、ＤＰＦＭＳＳレーザは、一定のＱスイッチ繰返し率で、実質的にフルパワーで、外部変調を使用することによって、動作されてきた。
【０００８】
特に、外部変調は、レーザの出力端と走査ミラーシステムとの間の外部光路に配置された外部変調システムを使用して行われてきた。外部変調システムという用語は、少なくとも１つの変調器を意味すると理解され、その少なくとも１つの変調器と協働して動作する追加の受動部品または能動部品を含み得る。外部変調システムの特別な例は、レーザの出力パワーおよびビームの方向性を制御するためにピンホールと協同して配列された音響光学変調器（ＡＯＭ）を有する。このＡＯＭは、典型的に、例えば、２０ＭＨｚから８０ＭＨｚの間の範囲にある、高周波数で変調される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＡＯＭは回折部品であるので、ＤＰＦＭＳＳレーザに対する空間の正確な配置は、重要であり、概して、熟練のレーザ技術者が必要な位置合せ行うことを要求し、これには数時間もかかり得る。また、ＡＯＭは、レーザビームと直線をなす最初の部品であるので、どのような埃、または微小破壊によっても、ビームの散乱が生じてしまう。このことは、ＵＶ硬化性樹脂は、この散乱光への曝露により時間がたてば固化するであろうから、ステレオリソグラフィー法の品質にとって有害であり得る。また、高ＵＶパワーを低コストに維持するためには、非線形結晶は、その経年変化のばらつきをなくすために、前後に平行移動させる必要がある。この平行移動自体が、構築プロセスに関するパラメータの安定性および信頼性に対する誘因である。さらに、ＤＰＦＭＳＳレーザを長期間に亘り最大パワーで運転すると、レーザの寿命が短くなってしまう。
【００１０】
外部変調されるＤＰＦＭＳＳレーザによる自由形状造形の実施に関連する上述した複雑さに鑑みて、外部変調システムを必要とせずに、ＤＰＦＭＳＳレーザを使用して自由形状造形を行えることが非常に好ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示の追加の特徴および利点は、以下の詳細な説明に述べられており、一部は、その説明から当業者には容易に明白であるか、または詳細な説明、特許請求の範囲、並びに添付図面を含む、ここに記載された本開示を実施することによって認識されるであろう。特許請求の範囲は、以下に述べられた詳細な説明に含められ、その一部を構成する。
【００１２】
本開示のある態様は、Ｑスイッチおよびレーザダイオードアセンブリを有するＤＰＦＭＳＳレーザを使用して、構築材料から三次元物体を形成する方法である。この方法は、Ｑスイッチのパルス幅変調またはレーザダイオードアセンブリの電流変調のいずれかを使用した内部変調によってＤＰＦＭＳＳレーザを制御して、三次元物体を構築するための構築命令に基づく選択されたエネルギーを有するレーザパルスを含むレーザビームを生成する工程を含む。この方法はさらに、外部光路内で外部変調を行わずに、レーザからのレーザビームを外部光路に渡り走査システムに方向付ける工程を含む。この方法はまた、その走査システムを使用して、レーザビームを構築材料上の焦点位置に方向付けて、その中に弾丸状部分(bullets)を形成して、構築命令に基づいて構築層を画成する工程も含む。この方法は加えて、内部変調プロセスにより生じるレーザパワーおよび焦点位置の変動を補正するためにレーザパワーおよび焦点位置を調節しながら、構築層の形成を繰り返して、構築材料から三次元物体を形成する工程を含む。
【００１３】
本開示の別の態様は、ＤＰＦＭＳＳレーザが電流変調により制御され、さらに固定周波数でＱスイッチを動作させる工程、光路をトラバースするレーザビームにおけるパワーの量をモニタする工程、およびモニタされたパワーの量に基づいてレーザダイオードアセンブリへの電流変調の量を制御する工程をさらに含む、上述した方法である。
【００１４】
本開示の別の態様は、レーザビームの一部分をレーザパワーメータに偏向させる工程をさらに含む、直ぐ上に記載した方法である。
【００１５】
本開示の別の態様は、焦点位置をモニタする工程、および走査システムを制御して、構築命令に対して焦点スポットの位置の変動を調節する工程をさらに含む、上述した方法である。
【００１６】
本開示の別の態様は、ＤＰＦＭＳＳレーザを制御する工程がパルス幅変調を利用し、パルス幅変調を０％と９９．９％との間のいずれかのデューティーサイクルで行う工程、実質的に一定の電流をレーザダイオードアセンブリに供給する工程をさらに含む、上述した方法である。
【００１７】
本開示の別の態様は、構築材料から三次元物体を形成するためのステレオリソグラフィー・システムである。このシステムは、Ｑスイッチおよびレーザダイオードアセンブリを有するＤＰＦＭＳＳレーザを備え、このレーザは、レーザパルスを有するレーザビームを発生するように構成されている。このシステムは、三次元物体を構築するための構築命令を有する制御装置を備えており、この構築命令は、レーザパルスにおけるエネルギーの選択された量を規定する。この制御装置は、選択された量のエネルギーをレーザパルスに供給するためにＤＰＦＭＳＳレーザを電流変調モードで動作させるように構成されている。このシステムは、外部光路に渡りＤＰＦＭＳＳレーザからのレーザビームを受信するように配置された、外部変調システムを含まない走査システムも有する。この走査システムは、構築命令に基づいて構築層を画成するために、レーザビームを構築材料上の焦点位置に方向付けて、その中に弾丸状部分を形成するように構成されている。このシステムは、レーザビームにおけるパワーの量を測定し、レーザビームのパワーの量を表す電気信号を制御装置に供給するように構成されたレーザパワーメータも有する。この制御装置は、レーザビームのパワーにおける変動を調節するために、レーザダイオードアセンブリに供給される電流の量を調節するように構成されている。
【００１８】
本開示の別の態様は、外部光路内を移動するレーザビームの一部分をレーザパワーメータに偏向するように構成された光偏向部材である。
【００１９】
本開示の別の態様は、構築表面上の焦点位置を検出し、焦点位置を表す電気信号を制御装置に供給するために、構築表面と光学的に連通して配置されたレーザ焦点位置検出器をさらに備えた、上述したシステムである。この制御装置は、焦点位置の変動を調節するために走査システムを調節するように構成されている。
【００２０】
本開示の別の態様は、構築材料から三次元物体を形成するためのステレオリソグラフィー・システムである。このシステムは、Ｑスイッチおよびレーザダイオードアセンブリを有し、レーザパルスを有するレーザビームを発生するように構成されたＤＰＦＭＳＳレーザを有する。このシステムは、三次元物体を構築するための構築命令を有する制御装置も有する。この構築命令は、レーザパルスにおけるエネルギーの選択された量を規定する。この制御装置は、選択された量のエネルギーをレーザパルスに供給するためにＤＰＦＭＳＳレーザをパルス幅変調モードで動作させるように構成されている。このシステムは、外部光路に渡りＤＰＦＭＳＳレーザからのレーザビームを受信するように配置された、外部変調システムを含まない走査システムも有する。この走査システムは、構築命令に基づいて構築層を画成するために、レーザビームを構築材料上の焦点位置に方向付けて、その中に弾丸状部分を形成するように構成されている。
【００２１】
本開示の別の態様は、パルス幅変調を０％と９９．９％との間のいずれかのデューティーサイクルで行いながら、実質的に一定の電流をレーザダイオードアセンブリに供給するように構成された制御装置をさらに備えた、上述したシステムである。
【００２２】
本開示の別の態様は、構築表面上の焦点位置を検出し、焦点位置を表す電気信号を、焦点位置の変動を調節するために走査システムを調節するように構成された制御装置に供給するために、構築表面と光学的に連通して配置されたレーザ焦点位置検出器をさらに備えた、上述したシステムである。
【００２３】
本開示の別の態様は、レーザビームのパワーの量を測定し、レーザビームのパワーの量を表す電気信号を、レーザビームのパワーの変動を調節するためにパルス幅変調の量を調節するように構成された制御装置に供給するように構成されたレーザパワーメータをさらに備えた、上述したシステムである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】電流変調（ＣＭ）モードまたはパルス幅変調（ＰＷＭ）モードいずれかの内部変調を使用して動作するＤＰＦＭＳＳレーザを利用する、本開示による例示のステレオリソグラフィー・システムの説明図
【図１Ｂ】外部光路内に外部変調システムを備えた従来技術のステレオリソグラフィー・システムの一部分の拡大図
【図２】レーザパルスが構築情報に基づいて選択された量のエネルギーをどのように有し、選択された量のエネルギーが、ＤＰＦＭＳＳレーザのＰＷＭまたはＣＭによりどのように規定されるかを説明する、レーザビームを構成する一連のレーザパルスの概略図
【図３】ＱスイッチのＰＷＭ制御の一例を示す、Ｑスイッチの信号対時間の上側のプロット、および上側のプロットにおけるＱスイッチのＰＷＭ制御に対応するレーザパルスにおける対応する出力パワーの下側プロット
【図４】外部変調システムを利用する従来技術のＤＰＦＭＳＳレーザ（曲線Ｃ１）およびＰＷＭを利用し、外部変調システムを利用しない、本開示のＤＰＦＭＳＳレーザに関する、出力パワー（ｍＷ）対デューティーサイクル（％）をプロットしたグラフ
【図５Ａ】弾丸状部分を形成する際のレーザパルスの重複を示す、構築材料に形成された例示の弾丸状部分の上から見た図と断面図
【図５Ｂ】図５Ａと類似の、ずれたレーザパルスにより形成されたずれた弾丸状部分の例、およびエネルギーが大きすぎるレーザパルスにより形成された大きすぎる弾丸状部分を示す上から見た図と断面図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図面に示された様々な要素は、単に具象的であり、必ずしも一定の縮尺で描かれていない。その特定の部分は誇張され、他の部分は縮小されているであろう。図面は、当業者が理解し、適切に実施できる本開示の例示の実施の形態を図示することが意図されている。
【００２６】
以下の米国特許を全体で引用する：米国特許第５３３９３２３号、同第５８４０２３９号、同第６００１２９７号、同第６１４１３６９号、同第６１７２９９６号、同第６２１５０９５号、同第６５９０９１１号、同第６９３１０３５号、同第７１３０３２１号、および同第７２９２３８７号の各明細書。
【００２７】
以下の非特許文献を全体で引用する：
“Fundamental Processes,” Rapid Prototyping & Manufacturing: Fundamentals of Stereolithography, Ed: P.F. Jacobs. pp. 79-110, Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Mich., 1992、および
“Photopolymer Photospeed and Laser Scanning Velocity,” Advances in the Imaging System, Stereolithography and other RP&M Technologies, P. F. Jacobs, pp 54-56, 110-112, Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Mich., 1996。
【００２８】
ステレオリソグラフィー
ステレオリソグラフィーは現在、高速試作成形および製造（ＲＰ＆Ｍ）の主要な方法である。ステレオリソグラフィーは、三次元物体の連続層（すなわち、薄層）を固化し接着するために、作業表面での流体状構築材料の層の選択的な曝露を使用した、その材料からの三次元物体の自動製造のための技法として定義されるであろう。ステレオリソグラフィーにおいて、三次元物体を表すデータが、その物体の断面を表す二次元層データとして入力されるか、または二次元層データに変換される。図１Ａに示されるように、構築材料２２の多層（薄層）３０（すなわち、層３０−１、３０−２、・・・３０−ｉ）が、二次元層データにしたがって、連続的に形成され、連続層に選択的に変換されて（すなわち、硬化されて）、三次元物体３２を形成する。一例において、所定の構築層３０は、約０．００４インチ（０．１ミリメートル）の厚さを有する。
【００２９】
固体レーザの開発の進歩のために、ステレオリソグラフィー技術は、最近、非効率的な気体レーザの使用から背を向け始め、周波数逓倍型固体レーザに取りかかり始めた。１０４９ｎｍ〜１０６４ｎｍのＮｄ：ＮＹＡＧレーザ、ＮＤ：ＹＶＯ4レーザ、およびＮｄ：ＹＬＦレーザの周波数三倍化により、３５５ｎｍ（ＹＡＧおよびＹＶＯ4）、３５１ｎｍ（ＹＬＦ）、および４３９ｎｍ（ＹＬＦ）の波長が生じる。これらの波長は全て、ステレオリソグラフィーにおいて現行の樹脂配合物に使用するのに適している。１３４２ｎｍのＮｄ／ＹＶＯ4レーザの周波数四倍化により、同様にステレオリソグラフィーに適した波長（３３５ｎｍ）が生じる。
【００３０】
固体レーザについての詳細は、米国特許第５８４０２３５号明細書に見つかる。この時点までステレオリソグラフィーに適用される場合、これらのレーザは、上述され、米国特許第６２１５０９５号明細書に詳しく記載されているように、一定の繰返し励起モードで、外部変調システムにより動作する。
【００３１】
ステレオリソグラフィー・システム
図１Ａは、本開示によるレーザ４０を備えたレーザ装置１００を含むステレオリソグラフィー・システム（「システム」）１０の例示の構成の説明図である。例示のレーザ４０としては、以下に限られないが、カリフォルニア州サンタクララ所在のNewport Corporationから入手できるＥＸＰＬＯＲＥＲ（登録商標）レーザが挙げられる。３５５ｎｍのＵＶ波長を達成するために、この特定のレーザ装置から発生された基本周波数線１０６４ｎｍが三倍化される。
【００３２】
システム１０は、上述した三次元物体３２を構築するために上述した層（薄層）３０がそれから形成される構築材料２２（例えば、感光性樹脂）を収容する槽２０を含む。昇降機および構築台などの、移動式支持装置３６が、構築材料２２の構築表面２３の下に、形成される各層３０のための支持表面を提供する。
【００３３】
システム１０は、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）９２、現場でプログラム可能なゲートアレイ（ＦＰＧＡ）９４、メモリユニット（ＭＵ）９６およびパルス生成回路（ＰＧＣ）９８（電源５６内に配置されていてもよく、以下に導入され、検討されている）を含む制御装置９０も備えている。ＭＵ９６は、構築物体３２のための構築命令（例えば、ＣＡＤ／ＣＡＭファイル）を記憶するように構成されている。制御装置９０は、ＭＵ９６内に記憶された構築命令に基づいてシステム１０の動作を制御するように構成されている。代わりの実施の形態において、構築命令は、制御装置９０に動作可能に連結された（例えば、イーサネット（登録商標）ケーブルを通じて）外部ユニット（例えば、リモートＣＡＤ／ＣＡＭシステム）内にある。構築命令は、構築材料２２の各レーザパルス曝露についての要求されるレーザビームのパワー（例えば、パルスエネルギー）および方向についての情報を伝達するベクトルを含む。一例において、ＰＧＣ９８は、走査システム８０のエンコーダ８２からのミラー位置の読取値に基づいて、レーザ装置１００にレーザパルス７２Ｐを放出させるように構成されている。
【００３４】
システム１０は、ＤＰＦＭＳＳレーザ４０も備えている。例示のＤＰＦＭＳＳレーザ４０としては、Ｎｄ：オルトバナジウム酸塩レーザおよびＮｄ：Ｙａｇレーザが挙げられる。ＤＰＦＭＳＳレーザ４０は、内部４３を有する筐体４２を備えている。ヒートシンク４４が、筐体４２と熱的に連通するように配置されており、中の温度を制御するために内部４３から熱を除去するように構成されている。一例において、ヒートシンク４４は、筐体内部４３の中の温度を±０．１℃の範囲内に制御するように構成されている。レーザ４０は出力端４８を有する。
【００３５】
ＤＰＦＭＳＳレーザは、例えば、８０８ｎｍの波長λPの励起光を発するレーザダイオード５４（そのようなレーザダイオードの１つが示されている）を含むレーザダイオードアセンブリ５０を含む。レーザダイオードアセンブリ５０は、電気信号Ｓ５０を通じて電力（すなわち、電流ｉ50）をレーザダイオードアセンブリ５０に供給する電源５６に電気接続されている。電源５６は、制御装置９０に電気接続されており、それによって、制御信号Ｓ５６を通じて制御される。一例において、ＰＧＣ９８は制御信号Ｓ５６を規定し、この信号は、電源５６がレーザダイオードアセンブリ５０に供給する電流ｉ50の量を決定する。
【００３６】
レーザダイオードアセンブリ５０は、レーザ４０内のレーザ発振器６０に光結合されている。レーザ発振器６０は、レーザ波長λLを有するレーザ光６２を発する。レーザダイオードアセンブリ５０からの励起光５２は、レーザ発振器６０内の利得媒質（図示せず）を励起し、その利得媒質内に反転分布を生じさせ、それによって、レーザ４０の光学利得の供給源を提供する。
【００３７】
内部光路に沿って、レーザ発振器６０の共振器内にＱスイッチ６４がある。Ｑスイッチ６４は、パルス幅変調ドライバ（ＰＷＭＤ）６６に電気接続され、これは転じて、制御装置９０に電気接続され、制御信号Ｓ６６により制御される。Ｑスイッチ６４は、ＰＷＭＤ６６からの制御信号Ｓ６６を通じて制御される。一例において、Ｑスイッチ６４は、パルス幅変調（ＰＷＭ）モードで動作させられ、レーザ共振器にレーザ装置１００を繰り返しパルスレーザとして動作させる。電流変調（ＣＭ）が用いられる、以下に検討する別の例において、Ｑスイッチ６４は固定周波数で動作される。
【００３８】
ＤＰＦＭＳＳレーザ４０は、レーザ発振器６０の下流に、レーザ光６２を受信し、波長λFの周波数逓倍レーザビーム７２を形成するために、この光を周波数逓倍するように構成された非線形媒質（ＮＬＭ）システム７０も含む。図２を参照すると、光７２は、そのエネルギーが電流変調プロセスまたはパルス幅変調プロセスのいずれかにより規定されるレーザパルス７２Ｐから構成されている。
【００３９】
一例において、ＮＬＭシステム７０は多数の非線形結晶を含む。例示の非線形結晶としては、Ｎｄ：ＹＶＯ4結晶、すなわち、ネオジムドープトバナジウム酸イットリウムが挙げられる。８０８ｎｍの波長を有する光により励起されたＮｄ：ＹＶＯ4結晶は、１０６４ｎｍの主要線および１３４２ｎｍの二次線を含む、様々な波長を生成し、増幅する。１つの実施の形態において、その結晶により生成された波長の全ては、１３４２ｎｍで放出された放射線を除いて、抑制される。次いで、この光は、周波数四倍化されて、ＵＶ波長λF＝３５５ｎｍを有するレーザ光７２を形成する。
【００４０】
１つの実施の形態において、ＮＬＭシステム７０は、研磨され、６７１ｎｍと１３４２ｎｍでＡＲ被覆された面平行表面を有し、十分な変換効率および適切な位相整合を提供するように構成されたホウ酸リチウム結晶（ＬＢＯ）を含む。他のタイプの適切な第２高調波結晶をＮＬＭシステム７０に使用してもよく、その例としては、ＫＴＰ、ＬｉＩＯ3およびＤＣＤＡ、ＢＢＯ、Ｉ型ＣＬＢＯおよびＩ型ＬＢＯが挙げられる。
【００４１】
周波数逓倍プロセスのためのＮＬＭシステム７０に関する最適な構成を確立するための様々な方法が、ここに引用する文献V. G. Dmtriev, G. G. Gurzadyan, D. N. Nikogosyan, Handbook of Nonlinear Optical Crystals (1991)に記載されている。一例において、位相整合誤差は、ＮＬＭシステム７０を通って前方に進む位相の問題および共振器から反射して戻る逆位相を含む、位相整合問題に対処するカスタム光学成分および構成を使用することによって減少させることができる。そのような成分および構成としては、カスタム切断された結晶刃物角、コンピュータにより最適化された誘電ミラーコーティング、およびレーザ共振器長さの圧電変換器の制御が挙げられる。
【００４２】
レーザビーム７２は、ＮＬＭシステム７０を出て、出力端４８でレーザ４０を出て、その際に、レーザビームは外部光路ＯＰＥを渡り走査システム８０まで進む。走査システム８０は、上述した層（薄層）３０を形成するために、槽２０内の構築材料２２の表面２３（すなわち、構築表面または加工品表面）にレーザビーム７２を方向付けるように構成されている。制御装置９０は、その中の構築命令、例えば、ＣＡＤファイル、ＳＴＬファイルまたは類似のファイルに基づいて、走査システム８０の動作を制御する。走査システム８０は、例えば、対応するモータ（図示せず）により駆動される走査ミラー（図示せず）を含んでもよい。走査システム８０は、ミラーの位置データを制御装置９０に中継するミラーエンコーダ（「エンコーダ」）８２を備えている。
【００４３】
システム１０は、システム全体としての動作を容易にするために、レーザダイオードアセンブリ５０と走査システム８０との間の光路に動作可能に配置されてもよい、ダイクロイックフィルタ、ミラー、レンズなどの、図示されていない他の受動的光学成分を数多く含んでもよい。図１Ａは、光偏向素子２０２が、以下に記載する理由のために、外部光路ＯＰＥ内にある一例を示している。
【００４４】
図１Ｂは、外部光路ＯＰＥ内に配置された外部変調システムＥＭＳを示す従来技術のステレオリソグラフィー・システムの一部分の拡大図である。図１Ａのシステム１０は、外部光路ＯＰＥにそのような外部変調システムＥＭＳを含まず、特に、ＡＯＭ（または他の能動的光学素子）、ＡＯＭマウント（６度の移動の自由度を要求する）、またはビームアライメントを容易にするためにＡＯＭと協同して配置されたピンホール開口を含まない。その上、システム１０は、相当なＲＦノイズを発生させるＡＯＭドライバを含まない。
【００４５】
システム１０は、媒質、すなわち、非線形結晶の早まった経年変化を防ぐために、ＮＬＭシステム７０に、その中の非線形媒質を走査させる必要がない。システム１０は、パワー変調のために光７２をピンホールに通さなければならないことに関連する吸収と散乱のためのパワー損失も有さない。
【００４６】
レーザ装置１００は、レーザ装置１００の内部変調を用いることによって、図１Ｂの外部変調システムＥＭＳの必要性をなくす。特に、レーザ装置１００は、電気信号Ｓ５０を通じてのレーザダイオードアセンブリ５０への電流変調（ＣＭ）または信号Ｓ６４を通じてのＱスイッチ６４へのパルス幅変調（ＰＷＭ）いずれかを用いる。それゆえ、レーザパルス７２Ｐを通じて物体３２を構築するときに、指定量のレーザパワーを制御し、そのレーザパワーを構築材料２２に送達するために、外部変調ではなく、レーザ装置１００の内部変調が使用される。
【００４７】
パルス幅変調（ＰＷＭ）
ＤＰＦＭＳＳレーザ５０においてＰＷＭを実施するために、レーザダイオードアセンブリ５０には、電源５６から信号Ｓ５０を通じて連続電流Ｉ50が供給され、Ｑスイッチ６４は、ＭＵ９６に記憶された構築情報に基づいて変調される。
【００４８】
Ｑスイッチ６４のＰＷＭにより、レーザ発振器６０の共振器内の利得媒質が、長期間に亘りエネルギーを蓄積し、次いで、非常に短時間でそのエネルギーを放出することができる。このエネルギー統合は、Ｑスイッチが閉じられた場合、飽和限界に到達するまで、無期限に続くであろう。
【００４９】
一例において、Ｎｄ：オルトバナジウム酸塩の非線形結晶は、約５０マイクロ秒で飽和に到達できる。一例において、ＰＷＭ繰返し率は約６７ｋＨｚであり、これは約１５マイクロ秒である。Ｎｄ：オルトバナジウム酸塩またはＮｄ：Ｙａｇなどの様々な非線形結晶は、消費エネルギーはナノ秒台の非常に短いパルス長を有するので、Ｑスイッチが開かれると、極めて高い瞬時のエネルギー消散を有する。このことは、飽和強度には決して到達しないことを意味する。その結果、Ｑスイッチのデューティーサイクル、すなわち、Ｑスイッチ６４が閉位置にある（レーザエネルギーの蓄積）ときの時間と比べた、Ｑスイッチ６４が開位置にある（レーザエネルギーの放出）ときの時間を制御することによって、レーザビーム７２における各レーザパルス７２Ｐのエネルギーの量を制御するために、ＰＷＭを使用することができる。特定のレーザパルス７２Ｐに関するエネルギーの量は、図１Ｂの従来技術の構成に示されるような外部変調システムによるのではなく、ＭＵ９６に記憶された構築情報およびレーザ４０の内部変調により規定される。
【００５０】
図２は、レーザビーム７２における一連の例示のレーザパルス７２Ｐ（７２Ｐ−１、７２Ｐ−２、７２Ｐ−３、・・・７２Ｐ−ｊ）の説明図である。各レーザパルス７２Ｐは、公称で、同じパルス幅Ｗ（すなわち、同じＱスイッチ開放時間）を有するが、異なる高さのパルスにより示されるように、異なる強度を有する。一例において、各パルス７２Ｐにおけるエネルギーの量は、Ｑスイッチ６４がどれだけ長く閉じたままでいるかにより規定されるのに対し、Ｑスイッチが開いている時間の量は、各パルスについて同じである（それゆえ、各パルスに実質的に同じパルス幅Ｗが提供される）。実際に、パルス幅Ｗは、Ｑスイッチのタイミングからではなく、ＮＬＭシステム７０における非線形効果のために、無作為に、例えば、５ｎｓと２ｎｓの間で、変動し得る。一例において、パルス間の時間間隔ＴＰは、マイクロ秒台、例えば、公称１５マイクロ秒であり得る。
【００５１】
図３は、ＱスイッチのＰＷＭ制御の一例を示す、Ｑスイッチの信号Ｓ６４対時間の上側のプロットを含む。図３は、上側のプロットにおけるＱスイッチのＰＷＭ制御に対応する、レーザパルス７２Ｐにおける対応する出力パワーの下側のプロットも含む。パルス７２Ｐの振幅は、所定のパルスにおけるエネルギーの量を表す。パルス７２Ｐは、Ｑスイッチが開いている（０）時間の量および閉じている（１）時間の量と比べて非常に狭い。何故ならば、パルスは、典型的に５から２０ｎｓ幅であるのに対し、Ｑスイッチの開いている時間と閉じている時間はマイクロ秒で測定されるからである。
【００５２】
Ｑスイッチ６４のＰＷＭの実施は、温度などの他のレーザ装置の動作パラメータが実質的に一定に維持できるので、レーザ装置１００により放出されるレーザビーム７２における平均パワーを制御する上での有利な手法である。これにより、ＰＷＭプロセスにより意図的に与えられる量以外の量だけレーザパルス間で変動する発光プロセスの機会が減少する。
【００５３】
レーザ発振器６０の「充電(charge-up)」効果はレーザ発振器の利得媒質中の指数反転分布の結果であるので、ＰＷＭデューティーサイクルの関数としてのレーザ装置１００の平均の出力パワーも指数関数的に増大する。その結果、パワーが利得媒質のために増加するので、周波数二倍化、周波数三倍化、および／または周波数四倍化結晶は、変換プロセスの非線形性のために、非線形変換効率を同様に達成する。
【００５４】
図４は、ＤＰＦＭＳＳレーザ４０を出るレーザビーム７２のパワー（ｍＷ）対Ｑスイッチのデューティーサイクル（％）をプロットしたグラフである。曲線Ｃ１は、上述したＡＯＭピンホール構成を有する外部変調システムを利用した従来技術のＤＰＦＭＳＳレーザに関する。曲線Ｃ２は、外部変調システムを含まない、内部パワー変調を使用して動作する本開示のＤＰＦＭＳＳに関する。参照記号ＩＦ１ＡおよびＩＦ１Ｂは、曲線Ｃ１上の２つの変曲点を表すのに対し、ＩＦ２は、曲線Ｃ２上のたった１つの変曲点を表す。曲線Ｃ２は、５０％のデューティーサイクルまで実質的に０の出力パワーのままであるのに対し、曲線Ｃ１は、約１６％のデューティーサイクルまでしか０の出力パワーを維持していない。
【００５５】
それゆえ、ＵＶパワーを０ｍＷに減少させるために、ＰＷＭプロセスは、０％と５０％の間のデューティーサイクルで行うことができる。ＤＰＦＭＳＳ周波数三倍／四倍レーザ４０は２０ほど多いの共振器モードを有するであろうから、位置決め安定性にとって、ＰＷＭプロセスを比較的高いデューティーサイクル、例えば、５０％で動作させることが有益である。このことは、レーザをアイドリング状態に維持するように働き、これにより、レーザビーム７２の品質に悪影響を及ぼし得る望ましくないモードが優勢となる競争の可能性が減少する。実際に、デューティーサイクルは０％から９９．９％までに及び得る。
【００５６】
引き続き図４を参照すると、ＰＷＭプロセスには変曲点ＩＦ２が１つしかないので、レーザの性能が低下したときのレーザ校正の複雑さが減少する。レーザ校正は、デューティーサイクル百分率を担う電圧と出力レーザパワーとの間の関係に関する線形回帰分析により解かれる、一次または二次多項式などの曲線の当嵌め技法によって行われる。その後、解かれた多項式が反転され、よって、ＤＳＰが、必要な任意のパワーを直ちに提供できる。必要な校正変換は、ＤＳＰ９２の一部として１２ビットＤ／Ａ変換器を用いることによって達成できる。複数の変曲点が生じた場合、ＤＳＰは、レーザの光学成分が低下したときに、不正確なレーザパワーを要求するかもしれない。しばしば、変曲点は、解かれた係数と線形に比例しない領域を表し、よって、新たな係数を見つけられるように新たなデータを収集する必要がある。たいてい、適切なレーザパワーの精度を確保するために、０．９９８超のＲ2値（曲線の当嵌めの適性の尺度）が要求される。
【００５７】
Ｑスイッチ６４のＰＷＭの例示の実施の形態において、ＰＷＭ信号Ｓ６６において体現されるＰＷＭコマンドはＭＵ９６内にバッファリングされ、ＭＵ９６は、一例において、高速ＤＳＰメモリを備えている。エンコーダ８２は、走査システム８０内の走査ミラーを駆動するモータ（図示せず）の位置についてのフィードバックを供給するので、ある時点でモータがどこにあるかを予測することができる。これには、場合によっては、ＰＷＭプロセスを構築プロセスと同調させたままにするために、時間の進んだまたは時間の遡ったＰＷＭパワーのキューをシャッフルする必要がある。
【００５８】
電流変調
ＣＭは、ステレオリソグラフィー・システムの所有コストを減少させるために都合よい。何故ならば、レーザダイオードアセンブリ５０は、低レーザパワーが要求されたときに低電流で動作でき、それゆえ、励起用レーザダイオード５２の寿命を増加させられるからである。ＡＯＭ／ピンホール構成を用いた従来のステレオリソグラフィー・システムにおいて、レーザダイオードアセンブリ５０は高電流で動作され、これにより、レーザ４０に、特にレーザダイオード５４に多大な磨耗と裂け傷が生じてしまう。
【００５９】
電源５６を通じてレーザダイオードアセンブリ５０内のレーザダイオード５４に供給されるエネルギーは、順方向バイアス構成で提供される。一例において、レーザダイオードアセンブリ５０は、温度信号、光学パワーフィードバック信号、またはその両方を供給する外部リード線（図示せず）を含む。ほとんどのレーザダイオードアセンブリ５０は、比較的低い電圧で動作するのに高電流を必要とする。一例において、レーザダイオードアセンブリ５０内でレーザダイオード５４を適切に動作させるために、たった２ボルトでは６アンペアまたは２５アンペアさえ使用できる。
【００６０】
レーザダイオード５４の低い内部抵抗および高電流のために、レーザダイオード５４の陽極に入れられる電流ｉ50は、高度に調節されなければならない。熱暴走およびスペクトル・シフトのために、レーザダイオード５４は実質的に一定に保持されなければならない。同じ印加電圧が、消費されるべき大きい電流に対応するように温度が上昇するために、レーザダイオードの内部抵抗が減少するときに、熱暴走が生じる。これにより、転じて、レーザダイオードの温度が上昇し、これにより、再び、内部抵抗が減少し、以下同様である。レーザダイオード５４の温度が増減するときに、スペクトル・シフトが生じる。たいてい、レーザダイオード５４からの励起光５２の公称出力励起波長は、適切な温度調節なしで、数ナノメートルだけ受動的に移動し得る。
【００６１】
ステレオリソグラフィーのための適切なレーザの安定性を達成するために、中のレーザダイオード５４が実質的に固定された温度で維持されるようにレーザダイオードアセンブリ５０の温度を注意深く調節する必要がある。一例において、レーザダイオードアセンブリ５０の温度は、０．０５℃以内に維持されなければならず、これには、外部のヒートシンク４４を０．１℃以内に調節する必要がある。しかしながら、外部のヒートシンク４４は、応答時間が速くなく、それゆえ、比較的長期間、例えば、１０分間で生じる温度変動を管理することしかできない。
【００６２】
三次元物体３２の構築プロセス中、各薄層３０は、一般に、形成するのに５秒間から２分間かかり得る。その後、次の薄層を形成する前に、実質的に休止間隔（概して、３０秒間）がある。構築プロセスにおけるこの変動により、レーザ装置１００の温度に可変性がもたらされる。この温度の可変性により、ＮＬＭシステム７０を構成する非線形結晶の屈折率の非線形変化のために、レーザビーム７２の方向、並びにレーザ４０の最大出力パワーにおいて、シフトが生じる。
【００６３】
動作のＣＭモードとＰＷＭモードの両方に関して比較的短期間（例えば、分刻み）に渡りレーザの安定性を確実にするために、システム１０に、レーザビーム７２のパワーの量を測定するように構成されたレーザパワーメータ２００が設けられる。一例において、このことは、レーザビーム７２の小さな部分７２’をレーザパワーメータ２００に偏向するために、上述した光偏向素子２０２を外部光路ＯＰＥ内に配置することによって行われる。
【００６４】
レーザパワーメータ２００は、制御装置９０に電気接続されており、この制御装置に、レーザビーム７２の実測パワーを表す電気信号Ｓ２００を提供する。一例において、レーザパワーメータ２００は、多数のレーザパルス（例えば、約１０5パルス）を集積して、平均パワー測定値を提供し、またレーザパワーメータを熱的に安定化させる。一例において、レーザパワーメータ２００はｍＷ／ｃｍ2でパワーを測定する。
【００６５】
その上、システム１０は、これも制御装置９０に電気接続されたレーザ焦点位置検出器２２０を含む。レーザ焦点位置検出器２２０は、構築表面２３と光学的に連通しており、その構築表面上のレーザビーム７２の焦点位置ＦＰを検出する。レーザ焦点位置検出器２２０は、制御装置９０に、構築表面２３上のレーザビーム７２の焦点位置ＦＰを表す電気信号Ｓ２２０を提供する。
【００６６】
制御装置９０は、電気信号Ｓ２００およびＳ２２０を受信し、これらの信号を処理して、レーザビーム７２の方向における任意のシフト（構築命令に基づいて要求された焦点位置からの焦点位置ＦＰの変化により示されるような）、およびレーザビーム７２の出力パワーの任意の変化（レーザパワーメータ２００からの実測出力パワーによる示されるような）を補正するように構成されている。ＰＷＭモードについて、制御装置９０は、構築情報により要求されるレーザビームのパワー（または特に、レーザパルスのエネルギー）の量と比べて、レーザビームのパワーの変動を調節するようにＰＷＭを調節するように構成されている。
【００６７】
一例において、レーザ装置１００の電流変調を行うために、ＤＳＰ９２内にある１２ビットＤ／Ａ変換器９３は、走査システム８０内のエンコーダ８２および位置決め制御システムからの走査モータフィードバックと同調されている、ＭＵ９６の上述した高速メモリ・バッファにより命令される。Ｄ／Ａ変換器９３は、パルス発生回路９８の入力に直接接続されている。このパルス発生回路９８は、例示の実施の形態において、電源５６からレーザダイオードアセンブリ５０に供給される電流の量を調節するように構成されている。
【００６８】
ＣＭプロセス中、Ｑスイッチ６４は、一定のデューティーサイクルで動作され、レーザパルス７２Ｐのエネルギーの量を変えるためには使用されない。例示のＱスイッチ繰返し率は、３０キロヘルツと１２０キロヘルツの間の範囲にあり、例示の繰返し率は６７キロヘルツである。その繰返し率が約１２０ｋＨｚよりも実質的に速いべきである場合、レーザ共振器は、その充電サイクルを完了する前に、エネルギーが使い果たされる。繰返し率が２０ｋＨｚよりも実質的に遅い場合、薄層３０を形成する弾丸状部分の形成の間の遅延時間が過度に長くなるであろうし、三次元物体３２における微細部を形成する能力が損なわれ得る。
【００６９】
改善された弾丸状部分の形成
上述したように、本開示の態様は、安定なレーザビーム７２を生成するためにＣＭまたはＰＷＭによりＤＰＦＭＳＳレーザ４０を内部変調する工程を含み、次いで、この安定なレーザビーム７２は、構築材料２２の層３０から三次元物体３２を形成するため使用される。
【００７０】
図５Ａは、レーザパルス７２Ｐにより構築材料２２に形成された弾丸状部分２５の上から見た図と断面図の両方を示す説明図である。上述したように、ステレオリソグラフィーを実施する際に、レーザビーム７２により、焦点スポットＦＰで（図１Ａ参照）構築材料２２の表面２３（すなわち、標的表面または作業表面）に描かれる。レーザビーム７２はレーザパルス７２Ｐにより構成されるので、構築材料２２の連続線の硬化には、構築材料２２が、連続的に固化された領域、すなわち、上述した弾丸状部分２５の間の接着を確実にするのに十分に重複する連続レーザパルス７２Ｐに曝露される必要がある。間隔ＳＢの例示の寸法が、隣接する弾丸状部分２５の間に示されている。
【００７１】
レーザパルス７２Ｐのパルス持続時間は概して非常に短い（例えば、５ｎｓから２０ｎｓ）ので、パルス持続時間中のレーザビーム７２の移動は、無視できると考えられる。隣接する弾丸状部分２５の間の間隔ＳＢは「ステップサイズ(step size)」と呼ばれる。ステップサイズＳＢは、パルス繰返し率に対するレーザビーム７２の速度の比と等しい。各レーザパルス７２Ｐは、幅とそれに関連するエネルギーを有するので、構築材料２２と相互作用する場合、エネルギーの特定の付与パターンが生じる。
【００７２】
レーザパルス７２Ｐから付与されたエネルギーが、構築材料２２に関連する臨界曝露エネルギーＥCを超えると、構築材料の固化が生じる。レーザビーム７２の１つのパルス７２Ｐにより、固化材料の対応する弾丸状部分２５が形成され、この弾丸状部分は、部分的に重合しているが、まだゲル化されてない構築材料の領域２７により取り囲まれており、この領域は、臨界未満の曝露領域である。２つのレーザパルス７２Ｐが、個々の臨界未満の曝露領域が重複するように互いに十分に近接して生じる場合、弾丸状部分の間の領域が、２つのパルスから臨界曝露エネルギーＥCを超える十分なエネルギーを受けると、そうしなければ独立している弾丸状部分の間に接着が生じ得る。
【００７３】
概して、ステップサイズＳＢは、１つのパルスからの硬化幅以下である。しかしながら、臨界未満の曝露の重複領域２７のために、接着はいくぶん広い間隔でさえ生じるであろうから、ある場合には、より大きいステップサイズを使用することも可能である。ステップサイズが、１つのレーザパルス７２Ｐからの硬化の幅の半分（すなわち、個々の弾丸状部分２５の半分の幅）であることが好ましい。それゆえ、レーザビーム７２の最大走査速度は、レーザビーム７２のパルス繰返し率および有効幅（すなわち、１つのレーザパルス７２Ｐに関連する硬化の幅）により決定される。
【００７４】
図５Ｂは、図５Ａと類似しており、１つのレーザパルス７２Ｐがずれており、それによって、ずれた弾丸状部分２５Ｄを形成している例を示しており、また１つのレーザパルスが大きすぎるエネルギーを有し、異常に大きい弾丸状部分２５Ｌを生じている例も示している。
【００７５】
硬化深さ（および弾丸状部分の形成）は、レーザのパワー、Ｍ2値、ビームの開き、およびビームのウェスト位置の影響を受ける。レーザスポットの半幅は、ビームの開きの影響をより受けるが、他のパラメータもほぼ同じほど重要である。パワーは、レーザの温度および内部アライメントの影響を受ける。
【００７６】
ＤＰＦＭＳＳレーザ４０の内部変調により、ビームの制御問題のほとんどとは言わないが多くが緩和されるので、弾丸状部分２５の簡略化形成が、それゆえ、三次元物体３２の簡略化形成が可能になる。また、レーザパワーメータ２００およびレーザ焦点位置検出器２２０を使用することにより、レーザビームのパワーの適量が維持されること、および焦点位置がさまよわないことが確実になる。
【００７７】
システム１０を使用した三次元物体３２を形成する例示の方法は、以下の各工程を含む：
（１）  例えば、ＳＴＬファイルフォーマットまたはＣＡＤファイルフォーマットの、三次元物体３２を表す物体データ（構築情報）を制御装置９０内で受信する；
（２）  この物体データを断面データに変換し、構築情報としてＭＵ９６内に記憶する；
（３）  物体の所定の断面について、その断面データを、従うべき走査経路を示すデータに変換する；
（４）  走査経路データの１つのコピーを、任意のシステム校正データおよびドリフト補正データを含む、走査システム位置決めデータに変換する；
（５）  断面データ、走査システム位置決めデータ、および構築スタイルデータの組合せから、断面に関するレーザパルス焦点位置ＦＰを規定する；
（６）  走査経路データにより規定される経路に沿ってレーザビーム７２を移動させ、実際のビーム位置を焦点位置と比較する；
（７）  上述したようなＣＭプロセスまたはＰＷＭプロセスいずれかに基づく内部変調を使用して、各レーザパルスのエネルギーの量を規定しながら、焦点位置に遭遇したときに、レーザパルス７２Ｐを発生させる；
（８）  三次元物体３２が完成するまで、形成すべき次の（隣接する）薄層（構築層）について、工程（２）〜（７）を繰り返す。
【００７８】
利点
弾丸状部分およびＳＦＦに対する内部変調手法には、図１Ｂに示されるような外部変調システムＥＭＳを利用した従来の手法に勝る利点が数多くある。
【００７９】
第１の利点は、外部変調システムの必要がなく、外部変調システムに関連するアライメント問題と校正問題を管理する必要がないという点で、システム１０のより簡単な設計が可能になることである。第２の利点は、ＡＯＭおよびピンホール構成により生じる光散乱が避けられ、よって、微細な物体を支持できる構築材料２２に使用した場合、よりはっきりした特徴構造を有する物体３２を形成することができる。
【００８０】
第３の特徴は、ＤＰＦＭＳＳレーザ４０には、高強度励起光５２がもはや必要ないことである。全体的な変換効率がより大きいので、レーザダイオード５４からのずっと少ないＩＲ励起エネルギーで、同じＵＶエネルギーが生じる。これにより、ａ）レーザダイオードアセンブリ５０を冷却するための冷却装置、ｂ）ＮＬ結晶の寿命を増加させるための結晶の平行移動、ｃ）ＡＯＭ、ｄ）ＡＯＭ  ＲＦドライバ、ｅ）ＡＯＭブロッキング・ピンホール、ｆ）定期的なＡＯＭアライメントの必要性、ｇ）短縮されたレーザの寿命、ｈ）走査モータフィードバックラインにおいてＲＦノイズを生じるＡＯＭドライバ、ｉ）熱変形により生じるＡＯＭレーザの位置決め誤差、およびｊ）パワー曲線の変形の除去を含む、レーザ装置１００の安定性および所有コストに関連する他の利点がもたらされる。
【符号の説明】
【００８１】
１０    ステレオリソグラフィー・システム
２０    槽
２２    構築材料
３０    構築層
３２    三次元物体、構築物体
４０    レーザ
４４    ヒートシンク
５０    レーザダイオードアセンブリ
５２    励起光
５４    レーザダイオード
６０    レーザ発振器
６４    Ｑスイッチ
７０    非線形媒質（ＮＬＭ）システム
８０    走査システム
９０    制御装置
９２    デジタルシグナルプロセッサ、ＤＳＰ
９４    現場でプログラム可能なゲートアレイ、ＦＰＧＡ
９６    メモリユニット、ＭＵ
９８    パルス生成回路、ＰＧＣ
【図１Ａ】
2013544201.tif 000003
【図１Ｂ】
2013544201.tif 000004
【図２】
2013544201.tif 000005
【図３】
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【図４】
2013544201.tif 000007
【図５Ａ】
2013544201.tif 000008
【図５Ｂ】
2013544201.tif 000009
【国際調査報告】
2013544201.tif 000010
2013544201.tif 000011