СИСТЕМА ЛАЗЕРНОЙ ПЕЧАТИ
LASER PRINTING SYSTEM

Изобретение относится к системе лазерной печати и способу лазерной печати. Лазерная печать относится к печати документов, а также 3D печати посредством лазеров для аддитивного производства, например, используемого для быстрого макетирования.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Традиционные лазерные принтеры и аппараты избирательного лазерного плавления состоят из одиночного лазера высокой мощности и сканера для сканирования лазером по освещаемой области. Для увеличения скорости обработки, желательно иметь печатающую головку с несколькими независимыми каналами, т.е. адресуемый массив лазеров, покрывающий значительную часть области. Предпочтительно, печатающая головка покрывает полную ширину области печати с одним адресуемым лазерным источником на пиксель, благодаря чему, печатающая голова должна двигаться только в одном направлении. Надежность и затраты на обслуживание таких адресуемых массивов могут представлять собой проблему.
В US 2005/0151828 A1 раскрыто устройство для ксерографической лазерной печати. Система ксерографической печати имеет сборку блока формирования изображений с лазерной печатающей штангой, включающую в себя множество микрооптических светоизлучающих массивов. Микрооптический светоизлучающий массив включает в себя множество лазеров поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором, где каждый лазер поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором фокусируется с помощью микрооптического элемента.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в обеспечении усовершенствованной системы лазерной печати и соответствующего способа лазерной печати.
Согласно первому аспекту, предусмотрена система лазерной печати для освещения объекта, движущегося относительно лазерного модуля системы лазерной печати в рабочей плоскости. Лазерный модуль содержит, по меньшей мере, два лазерных массива полупроводниковых лазеров и, по меньшей мере, один оптический элемент. Оптический элемент адаптирован для формирования изображения лазерного света, излучаемого лазерными массивами, таким образом, что лазерный свет полупроводниковых лазеров одного лазерного массива отображается в один пиксель в рабочей плоскости системы лазерной печати, и элемент площади пикселя освещается посредством, по меньшей мере, двух полупроводниковых лазеров.
В известных системах лазерной печати используются либо одиночные лазеры высокой мощности, либо массивы лазеров. В случае лазеров высокой мощности может использоваться, например, одиночный полупроводниковый лазер краевого излучения, тогда как в случае лазерных массивов предпочтительно использовать лазеры поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором (VCSEL). Массивы VCSEL легко изготавливать в процессах на основе пластины, но они обычно излучают меньшую мощность, чем полупроводниковые лазеры краевого излучения. Оптические системы этих известных систем лазерной печати проецируют или фокусируют светоизлучающий слой каждого полупроводникового лазера на рабочую плоскость.
В отличие от этого подхода, настоящее изобретение предлагает отображать, по меньшей мере, два лазерных массива в два пикселя в рабочей плоскости посредством оптического элемента. Изображение лазерных массивов не содержит резких изображений светоизлучающих слоев полупроводниковых лазеров. Свет, излучаемый посредством, по меньшей мере, двух лазеров одного из лазерных массивов, освещает каждый элемент площади пикселя таким образом, что не существует элемента площади, который освещается только посредством одного-единственного полупроводникового лазера. Предпочтительно, три, четыре или большое количество полупроводниковых лазеров одного лазерного массива одновременно освещают один элемент площади пикселя. Возможно даже, что два лазерных массива одновременно отображаются в один и тот же пиксель.
Таким образом, на рабочую плоскость можно подавать более высокую интенсивность путем использования большого количества полупроводниковых лазеров на элемент площади пикселя. Диффузное изображение большого количества полупроводниковых лазеров массивов образует пиксели в рабочей плоскости. Система лазерной печати может быть более надежной благодаря относительно низкому вкладу каждого одиночного полупроводникового лазера в освещение или подвод энергии к объекту в рабочей плоскости посредством оптической энергии. Следовательно, отказ одиночного полупроводникового лазера лазерного массива не приводит к отказу системы лазерной печати. Длина волны излучаемого лазерного света адаптирована к поглощению объекта в рабочей плоскости.
Лазерный модуль может перемещаться относительно системы лазерной печати (сканирование) и/или объект может перемещаться относительно системы лазерной печати. Объектом может быть лист бумаги, слой порошка, который можно спекать посредством системы лазерной печати, или любой другой объект, который можно обрабатывать посредством системы лазерной печати. Может быть предпочтительно, чтобы перемещался только объект. Система лазерной печати может быть приспособлена для освещения полной ширины объекта, движущегося перпендикулярно ширине объекта посредством одного, двух, трех, четырех или более лазерных модулей. Полупроводниковые лазеры могут быть полупроводниковые лазеры краевого излучения, но массивы VCSEL могут быть предпочтительны в силу более низкой стоимости.
Оптический элемент располагается таким образом, что предметная плоскость оптического элемента относительно рабочей плоскости не совпадает с плоскостью полупроводниковых лазеров благодаря чему, конусы лазерного света, излучаемого соседними полупроводниковыми лазерами, перекрываются в предметной плоскости. Плоскость полупроводниковых лазеров лазерных массивов задается посредством светоизлучающих слоев полупроводниковых лазеров. Светоизлучающие слои содержат оптический резонатор полупроводниковых лазеров, содержащий активный слой и соответствующие зеркала резонатора. Оптический элемент может представлять собой одиночную формирующую изображение линзу или более сложную формирующую изображение оптику, задающую предметную плоскость относительно рабочей плоскости. Расположение предметной плоскости относительно светоизлучающих слоев полупроводниковых лазеров лазерных массивов может приводить к диффузному перекрывающемуся изображению светоизлучающих слоев в рабочей плоскости. Распределение энергии в рабочей плоскости, таким образом, может быть более однородным по сравнению с проекцией каждого светоизлучающего слоя из полупроводниковых слоев на рабочую плоскость. Кроме того, оптический элемент может быть столь же простым, как одна проекционная линза на лазерный модуль, но могут использоваться более сложные комбинации линз для увеличения расстояния между рабочей плоскостью и лазерными модулями. Для обеспечения резкой проекции каждого светоизлучающего слоя может не требоваться никаких массивов микролинз.
1
2
1
Лазерный модуль или лазерные модули системы лазерной печати, предпочтительно, содержит три, четыре или большое количество лазерных массивов. Одиночный лазерный массив может отображаться в один пиксель в рабочей плоскости. Пиксели могут примыкать друг к другу, благодаря чему, часть излучаемой оптической мощности одного лазерного массива перекрывается с оптической мощностью, излучаемой другим лазерным массивом. Возможно даже, что два, три или более лазерных массивов могут отображаться в один и тот же пиксель в рабочей плоскости. Оптический элемент может содержать массив микрооптических элементов, которые могут отображать, например, лазерный свет двух, например, соседних массивов лазерного модуля в один пиксель в рабочей плоскости. Два или более массивов в этом случае могут отображаться в один пиксель. Альтернативно или дополнительно возможно, что лазерный свет, излучаемый разными лазерными массивами, может освещать одну и ту же часть поверхности объекта в разные моменты времени. Последнее означает, что свет первого массива может освещать заданную поверхность объекта в момент времени t, и свет второго массива может освещать заданную поверхность объекта в момент времени t, более поздний, чем t, когда объект переместился относительно лазерного(ых) модуля(ей). Кроме того, система печати может содержать лазерные модули с разными рабочими плоскостями. Последнее может осуществляться путем размещения лазерных модулей на разных высотах относительно опорной поверхности и/или путем обеспечения разных оптических элементов. Разные рабочие плоскости могут иметь преимущество для трехмерной печати. Альтернативно или дополнительно возможно, что лазерный(е) модуль(и) могут перемещаться относительно опорной поверхности, параллельной рабочим плоскостям, всегда находящимся на заданном расстоянии относительно лазерных модулей.
Лазерные массивы лазерного модуля или лазерных модулей могут располагаться в столбцах, перпендикулярных направлению движения объекта в рабочей плоскости. Столбцы могут располагаться ступенчато или каскадно относительно друг друга, таким образом, что первый лазерный массив первого столбца лазерных массивов адаптирован для освещения первой области объекта, и второй лазерный массив второго столбца лазерных массивов адаптирован для освещения второй области объекта, причем первая область примыкает ко второй области, что позволяет непрерывно освещать объект. Изображения лазерных массивов могут частично перекрываться, как рассмотрено выше.
Лазерные массивы могут быть прямоугольными, причем длинная сторона прямоугольника располагается параллельно направлению движения объекта в рабочей плоскости. Эта компоновка допускает более высокие суммарные мощности на пикселе путем обеспечения большего количества полупроводниковых лазеров на пиксель, без снижения разрешения в поперечном направлении, перпендикулярном направлению движения объекта.
Система лазерной печати может содержать два, три, четыре или большое количество лазерных модулей. Использование большого количества лазерных модулей может обеспечивать увеличенную область печати. Кроме того, можно избежать сложных оптических элементов путем использования, например, одной формирующей изображение линзы на лазерный модуль.
Лазерные модули может располагаться в столбцах, перпендикулярных направлению движения объекта в рабочей плоскости. Столбцы могут располагаться ступенчато или каскадно относительно друг друга, таким образом, что первый лазерный модуль первого столбца лазерных модулей адаптирован для освещения первой области объекта, и второй лазерный модуль второго столбца лазерных модулей адаптирован для освещения второй области объекта, причем первая область примыкает ко второй области, что позволяет непрерывно освещать объект.
Количество столбцов лазерных модулей может располагаться таким образом, что расстояние между лазерными модулями в одном столбце лазерных модулей минимизируется. Диаметр модуль и ширина изображения массивов могут определять количество столбцов, необходимое для обеспечения области, покрывающей освещение объекта посредством лазерных модулей. Чем больше диаметр модуля относительно ширины изображения компоновки массивов, тем больше может потребоваться столбцов.
Лазерные массивы каждого лазерного модуля могут располагаться в удлиненной компоновке, причем длинная сторона удлиненной компоновки располагается перпендикулярно направлению движения объекта в рабочей плоскости. Каждый лазерный модуль может содержать, например два, три или более столбцов лазерных массивов, перпендикулярных направлению движения объекта в рабочей плоскости. Количество массивов на столбец может превышать количество столбцов. Эта компоновка может обеспечивать однородное освещение объекта посредством относительно простой схемы возбуждения одиночных массивов, в особенности, если система лазерной печати содержит более одного лазерного модуля. Каждый элемент площади объекта в этом случае может освещаться только одним избранным лазерным массивом, причем соседние лазерные массивы освещают соседние пиксели. Скорость движения объекта в рабочей плоскости можно адаптировать для задания суммарной энергии на элемент площади объекта.
Система лазерной печати может содержать два, три, четыре или большое количество лазерных модулей, причем лазерные массивы каждого лазерного модуля располагаются в удлиненной компоновке для обеспечения широкого рабочего пространства (ширины печати, перпендикулярной направлению движения объекта) системы лазерной печати.
Лазерные массивы каждого лазерного модуля могут альтернативно располагаться в удлиненной компоновке, причем длинная сторона удлиненной компоновки располагается под наклоном или с поворотом относительно направления, перпендикулярного направлению движения объекта в рабочей плоскости. Заданный угол наклона или поворот удлиненной компоновки лазерных модулей вокруг их центров может обеспечивать профили интегральной интенсивности с плавными наклонами, которые также могут перекрываться с соседними пикселями, для повышения однородности распределения суммарной интенсивности, в особенности, если пиксели немного не выровнены относительно друг друга. Последнее сокращает усилия по выравниванию лазерных массивов и, таким образом, затраты на изготовление лазерных модулей и системы лазерной печати. Нарушение выравнивания может, в предельных случаях, компенсироваться посредством дополнительного калибровочного прогона системы лазерной печати, в котором скорость движения объекта относительно подвода энергии на единицу времени и элемент площади калибровочного объекта является определенной.
Альтернативно, два, три или более лазерных массивов одного и того же лазерного модуля или разных лазерных модулей могут быть выполнены с возможностью освещения одного и того же элемента площади объекта. Лазерные массивы могут быть выполнены с возможностью последовательного освещения элемента площади. Подвод энергии за единицу времени к элементу площади объекта в рабочей плоскости может увеличиваться. Это может обеспечивать более высокие скорости объекта и, таким образом, более высокую пропускную способность системы лазерной печати. Кроме того, может повышаться допуск в отношении нарушения выравнивания лазерных массивов и отказов одиночных полупроводниковых лазеров. Схемы возбуждения разных массивов можно адаптировать на основании калибровочных прогонов с вышеописанными калибровочными объектами.
Оптический элемент лазерных модулей может быть выполнен с возможностью уменьшения изображения лазерных массивов в рабочей плоскости. Уменьшение может обеспечивать меньший размер пикселя и более высокие плотности энергии. Каждый лазерный массив может дополнительно содержать массив микролинз как часть оптического элемента, причем массив микролинз может быть выполнен с возможностью снижения расхождения лазерного света, излучаемого полупроводниковыми лазерами. Уменьшение расхождения может использоваться для нахождения компромисса между перекрытием лазерного света, излучаемого полупроводниковыми лазерами в предметной плоскости, и размером одиночного пикселя. Кроме того, расстояние между лазерным массивом и рабочей плоскостью можно адаптировать посредством массива микролинз и/или можно упростить оптический элемент (формирующую изображение оптику).
Плотность лазерных массивов может изменяться в зависимости площади объекта, освещаемого посредством системы лазерной печати. Последняя может обеспечивать более высокие плотности мощности на заданных частях объекта. Альтернативно или дополнительно плотность полупроводниковых лазеров в массивах можно адаптировать таким образом, чтобы, например, можно было обеспечивать меньшую или большую интенсивность на краю пикселей. Кроме того, форму массивов можно адаптировать для повышения однородности и/или для создания заданного распределения интенсивности в рабочей плоскости. Массивы могут иметь, например, ромбическую, треугольную, круглую, эллиптическую, трапецеидальную или параллелограммическую форму.
Система лазерной печати может содержать, по меньшей мере, первый и вторые лазерные модули, расположенные рядом друг с другом. Каждый лазерный модуль содержит, по меньшей мере, два лазерных массива, причем, по меньшей мере, один из двух лазерных массивов первого или второго лазерного модуля выполнен в виде лазерного источника света с перекрытием таким образом, что, в ходе эксплуатации один и тот же элемент площади в рабочей плоскости может освещаться лазерным источником света с перекрытием и лазерным массивом лазерного модуля, расположенного рядом с лазерным модулем, содержащим лазерный источник света с перекрытием.
Лазерный источник света с перекрытием выполнен с возможностью компенсации потенциальных нарушений выравнивания лазерных модулей, которые могут приводить к непредусмотренным промежуткам освещения на объекте в рабочей плоскости. Поэтому перекрытие может быть частичным.
1
2
1
Лазерные массивы освещают каждый пиксель в рабочей плоскости. Лазерный массив, который выполнен в виде лазерного источника света с перекрытием, может быть выполнен с возможностью освещения одного и того же пикселя или части одного и того же пикселя, что и лазерный массив соседнего лазерного модуля. Это означает, что оба лазерных массива могут освещать один и тот же элемент площади в рабочей плоскости в один и тот же момент времени. Альтернативно, лазерный источник света с перекрытием может быть выполнен с возможностью освещения одного и того же элемента площади, что и лазерный массив соседнего лазерного модуля, но позже или раньше по времени. Свет лазерного источника света с перекрытием может, например, освещать один элемент площади объекта в рабочей плоскости в момент времени t, и лазерный массив соседнего лазерного модуля может освещать один и тот же элемент площади в момент времени t, более поздний, чем t, ввиду движения объекта относительно лазерных модулей. Относительное движение может быть вызвано движением объекта, движением лазерных модулей или движением объекта и лазерных модулей. Суммарная интенсивность, обеспечиваемая на заданном элементе площади движущегося объекта или движущихся лазерных модулей должна адаптироваться таким образом, чтобы на элементе площади обеспечивалась, по существу, такая же энергия, как в случае полностью выровненных лазерных модулей, которым не требуется лазерный источник света с перекрытием. Энергия, которая обеспечивается на элементе площади, должна адаптироваться таким образом, чтобы избегать дефектов в объекте. При наличии полного совпадения между освещаемыми областями может использоваться только лазерный источник света с перекрытием или лазерный массив соседнего лазерного модуля. Альтернативно, оба могут использоваться с адаптированной интенсивностью (например, интенсивностью 50%), причем адаптированную интенсивность можно адаптировать к относительной скорости объекта относительно лазерного модуля. Адаптация обеспечиваемого лазерного света может быть важна в отсутствие полного совпадения между освещаемыми элементами площади (например, только перекрытие наполовину вследствие нарушения выравнивания) во избежание обеспечения слишком большой или слишком малой энергии.
Технические меры, описанные в зависимых пунктах формулы изобретения 2-13 и соответствующем описании, можно комбинировать с вышеописанным лазерным источником света с перекрытием.
Суммарная интенсивность, которая обеспечивается на, по меньшей мере, одному заданному элементу площади в рабочей плоскости, может быть такой, чтобы, по существу, одинаковая энергия обеспечивалась для каждого, по меньшей мере, одного заданного элемента площади, как в случае выровненных лазерных модулей без лазерного источника света с перекрытием.
2
1
Кроме того, суммарная интенсивность, которая обеспечивается на, по меньшей мере, одному заданному элементу площади в рабочей плоскости, может быть такой, чтобы, по существу, одинаковая энергия обеспечивалась для каждого, по меньшей мере, одного заданного элемента площади, как в случае без сдвига по времени t-t между освещением, по меньшей мере, одного заданного элемента площади лазерным массивом и соответствующим лазерным источником света с перекрытием.
1
2
Адаптированная интенсивность лазерного массива и/или соответствующего лазерного источника света с перекрытием может быть такой, чтобы компенсировать потерю энергии заданного элемента площади в рабочей плоскости, который освещается лазерным массивом в момент времени t и лазерным источником света с перекрытием в момент времени t.
Адаптированная интенсивность лазерного массива и/или соответствующего лазерного источника света с перекрытием можно выбирать в зависимости от строительного материала, используемого в 3D печати.
В лазерной системе, которая не заявлена, содержащей лазерный источник света с перекрытием, лазерные источники света в качестве одиночных лазеров можно использовать вместо вышеописанных лазерных массивов. Технические меры, описанные в зависимых пунктах формулы изобретения 2-13 и соответствующем описании, можно комбинировать с лазерным источником света с перекрытием в лазерной системе, содержащей одиночные лазеры (вместо лазерных массивов), если применимо.
Один пиксель может освещаться одновременно большим количеством полупроводниковых лазеров лазерного массива, и суммарное количество полупроводниковых лазеров может быть таким, чтобы отказ менее чем заранее определенного количества полупроводниковых лазеров снижал выходную мощность лазерного массива только в пределах заранее определенного значения допуска. Это позволят избегать ненужного повышения требования к сроку службы полупроводниковых лазеров.
Лазерный модуль может быть выполнен с возможностью освещения, по меньшей мере, 2, более предпочтительно 4, 16, 32, 64 или более пикселей с использованием одиночного оптического элемента, связанного с лазерным модулем.
Оптический элемент, связанный с лазерным модулем, может иметь внешний контур, полученный из круглого или вращательно симметричным контуром, который является усеченным с двух противоположных сторон, и где противоположные стороны выровнены относительно друг друга по оси, которая, предпочтительно, ориентирована в направлении, перпендикулярном направлению движения. Благодаря этому, можно добиться компактной конструкции блока освещения, содержащего множество модулей, которые располагаются ступенчато в направлении движения.
Можно обеспечить устройство управления, которое управляет полупроводниковыми лазерами по отдельности или лазерным массивом таким образом, что полупроводниковый лазер или лазерный массив, который не используется для освещения, используется для подачи тепла на рабочую плоскость.
Полупроводниковый лазер или лазерный массив, который не используется для освещения, может работать с более низкой мощностью, чем полупроводниковый лазер или лазерный массив, который используется для освещения.
По меньшей мере, два полупроводниковых лазера одного лазерного массива или, по меньшей мере, две подгруппы полупроводниковых лазеров одного лазерного массива могут по отдельности адресоваться таким образом, что выходная мощность лазерного массива имеет возможность управления путем отключения одного или более полупроводниковых лазеров или одной или более подгрупп полупроводниковых лазеров. Это позволяет осуществлять различные функции с соответствующим лазерным массивом, например, использовать лазерный массив для нагрева без плавления или спекания строительного материала или для обеспечения необходимой интенсивности в случае лазерных источников света с перекрытием.
Множество полупроводниковых лазеров, образующее массив, может располагаться таким образом, чтобы внешний контур массива имел, по существу, многоугольную, предпочтительно, по существу, шестиугольную форму. Благодаря такой конструкции, распределение интенсивности массива, по существу, не имеет резких краев.
Согласно еще одному аспекту, предусмотрена система лазерной печати, где один или более лазерных модулей, предпочтительно, содержат защитное устройство.
Защитное устройство может быть сформировано из пластины, прозрачной для лазерного света, предпочтительно, стеклянной пластины. Защитное устройство защищает оптические элементы и источники света и предохраняет лазерные модули от паров и конденсатов.
Можно обеспечивать устройство управления температурой, которое управляет температурой защитного устройства.
Устройство управления температурой может быть выполнено с возможностью нагрева защитного устройства, чтобы, по существу, препятствовать тепловому излучению из материала в рабочей плоскости к защитному устройству.
Лазерные модули образуют блок освещения, и блок освещения может быть выполнен с возможностью перемещения по рабочей плоскости.
Один лазерный массив может включать в себя, по меньшей мере, два полупроводниковых лазера.
Полупроводниковые лазеры могут представлять собой VCSEL (лазеры поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором) и/или VECSEL (лазер поверхностного излучения с вертикальным внешним объемным резонатором).
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения предусмотрен способ лазерной печати. Способ содержит следующие этапы:
- перемещение объекта в рабочей плоскости относительно лазерного модуля;
- излучение лазерного света посредством лазерного модуля, содержащий, по меньшей мере, два лазерных массива полупроводниковых лазеров и, по меньшей мере, один оптический элемент; и
- формирование изображения лазерного света, излучаемого лазерными массивами посредством оптического элемента, таким образом, что лазерный свет полупроводниковых лазеров одного лазерного массива отображается в один пиксель в рабочей плоскости, и элемент площади пикселя освещается посредством, по меньшей мере, двух полупроводниковых лазеров, в которой оптический элемент располагается таким образом, что предметная плоскость оптического элемента относительно рабочей плоскости не совпадает с плоскостью полупроводниковых лазеров, благодаря чему конусы лазерного света, излучаемого соседними полупроводниковыми лазерами, перекрываются в предметной плоскости.
Способ может обеспечивать более однородное распределение интенсивности в рабочей плоскости.
Способ может содержать дополнительный этап перемещения лазерного(ых) модуля(ей) перпендикулярно опорной плоскости, параллельной рабочей плоскости. Движение перпендикулярно опорной плоскости позволяет разным рабочим плоскостям располагаться параллельно друг другу.
Следует понимать, что система лазерной печати по п. 1 и способ по п. 15 имеют аналогичные и/или идентичные варианты осуществления, в частности, заданные в зависимых пунктах формулы изобретения.
Следует понимать, что предпочтительный вариант осуществления изобретения также может быть любой комбинацией зависимых пунктов формулы изобретения с соответствующим независимый пунктом.
Дополнительные преимущественные варианты осуществления заданы ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты изобретения явствуют из и поясняются со ссылкой на описанные далее варианты осуществления.
Изобретение будет описано ниже, в порядке примера, на основании варианты осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.
В чертежах:
Фиг. 1 демонстрирует схему первой системы лазерной печати.
Фиг. 2 демонстрирует секцию первой системы лазерной печати.
Фиг. 3 демонстрирует схему секции второй системы лазерной печати.
Фиг. 4 демонстрирует схему компоновки лазерных массивов в лазерном модуле системы лазерной печати.
Фиг. 5 демонстрирует схему первой компоновки лазерных модулей системы лазерной печати.
Фиг. 6 демонстрирует схему второй компоновки лазерных модулей системы лазерной печати.
Фиг. 7 демонстрирует профиль интегральной интенсивности, где каждый второй пиксель отключен в компоновке лазерных модулей, показанной на фиг. 6.
Фиг. 8 демонстрирует профиль интегральной интенсивности с произвольной картиной включенных/отключенных пикселей в компоновке лазерных модулей, показанной на фиг. 6.
Фиг. 9 демонстрирует схему этапов способа для способа лазерной печати.
Фиг. 10 демонстрирует схему третьей компоновки лазерных модулей системы лазерной печати.
Фиг. 11 демонстрирует схему первой компоновки лазерных модулей и соответственно соответствующих областей печати в рабочей плоскости.
Фиг. 12 демонстрирует схему варианта осуществления оптического элемента связанный с лазерным модулем.
Фиг. 13 демонстрирует схему альтернативной компоновки лазерных источников света в массиве лазерных источников света.
Фиг. 14 демонстрирует схему компоновки лазерных источников света в массиве и соответствующего профиля интегральной интенсивности массива.
Фиг. 15 демонстрирует компоновку лазерных массивов согласно фиг. 14 в лазерном модуле, изображенном на фиг. 4 с картиной включенных/отключенных пикселей и соответствующего профиля интегральной интенсивности.
Фиг. 16 демонстрирует схему компоновки лазерных источников света в массиве, аналогичном на фиг. 13, и соответствующего профиля интегральной интенсивности массива.
Фиг. 17 демонстрирует компоновку лазерных массивов согласно фиг. 16 в лазерном модуле, изображенном на фиг. 4 с картиной включенных/отключенных пикселей и соответствующего профиля интегральной интенсивности.
На протяжении чертежей, сходные числа относятся к сходным объектам. Объекты на чертежах не обязательно изображены в масштабе.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Различные варианты осуществления изобретения будет описано ниже со ссылкой на чертежи.
Фиг. 1 демонстрирует схему первой системы 100 лазерной печати. Система 100 лазерной печати содержит два лазерных массива 110 с полупроводниковыми лазерами 115 и оптическим элементом 170. Полупроводниковые лазеры 115 являются VCSEL, которые обеспечены на полупроводниковом кристалле. В этом случае все VCSEL 115 одного массива 110 обеспечены на одном кристалле. Оптическим элементом 170 является формирующая изображение линза с фокусным расстоянием f. Массивы 110 имеют ширину D, перпендикулярную плоскости чертежей, которая диффузно отображается в рабочей плоскости 180 посредством формирующей изображение линзы. Ширина d диффузного изображения каждого массива 110 с шириной D в рабочей плоскости 180 задает ширину пикселя в рабочей плоскости 180. Ширина пикселей d меньше ширины D соответствующего массива. Таким образом, изображения массивов уменьшаются. Расстояние b между рабочей плоскостью 180 и формирующей изображение линзой или оптическим элементом 170 больше фокусного расстояния f формирующей изображение линзы. Оптический элемент 170 или формирующая изображение линза задает, совместно с рабочей плоскостью 180, предметную плоскость 150 на расстоянии g, превышающем фокусное расстояние формирующей изображение линзы. Светоизлучающие поверхности VCSEL 115 располагаются не в предметной плоскости, а за предметной плоскостью на таком расстоянии, что резкой проекции светоизлучающих поверхностей VCSEL 115 не обеспечивается. Расстояние a между светоизлучающими слоями VCSEL 115 и предметной плоскостью выбирается таким образом, чтобы лазерный свет, по меньшей мере, двух VCSEL 115 одного лазерного массива 110 одновременно освещал элемент площади пикселя. Фиг. 2 более подробно демонстрирует расположение угла расхождения лазерного света, излучаемого одним VCSEL 115 относительно предметной плоскости 150. Угол расхождения VCSEL 115 определяется углом α как показано на фиг. 2, и задает конус лазерного света, излучаемого одиночным VCSEL 115. VCSEL 115 в лазерном массиве 110 имеют расстояние p относительно друг друга (шаг). Соотношение между шагом p и расстоянием a должно удовлетворять условию:
.
Лазерный свет, излучаемый VCSEL 115 лазерного массива 110, перекрывается в предметной плоскости 150 таким образом, что каждая область такого же размера, как лазерный массив 110 в предметной плоскости 150 освещается посредством, по меньшей мере, двух VCSEL 115. Следовательно, каждый элемент площади пикселя, заданный размером пикселя d, также освещается через формирующую изображение линзу посредством, по меньшей мере, двух VCSEL 115 соответствующего лазерного массива 110. VCSEL каждого лазерного массива возбуждаются параллельно и, таким образом, одновременно излучают лазерный свет. Размер пикселя определяется выражением
где увеличение M определяется выражением
Изображение лазерного массива 110 в рабочей плоскости 180 является диффузным для повышения однородности подвода энергии к объекту в рабочей плоскости 180 и повышения устойчивости к отказам одиночного VCSEL.
Суммарное расстояние между лазерными массивами 110 лазерного модуля и рабочей плоскостью 180 может увеличиваться посредством массива 175 микролинз, который можно комбинировать с лазерным массивом 110, как показано на фиг. 3. Массив 175 микролинз может располагаться между лазерным массивом 110 и предметной плоскостью 150 для уменьшения угла α расхождения каждого VCSEL 115. Расстояние a и, таким образом, суммарное расстояние до рабочей плоскости 150 должно увеличиваться, чтобы удовлетворять условию , если шаг VCSEL 115 остается неизменным.
В усовершенствовании, условие, рассмотренное со ссылкой на фиг. 2, может достигаться с учетом активного диаметра v VCSEL 115 в случае VCSEL 115 с круглой апертурой. Активный диаметр v соответствует диаметру светоизлучающей области активного слоя. Соотношение между активным диаметром v, шагом p и расстоянием a в этом усовершенствованном варианте осуществления должно удовлетворять условию:
Фиг. 4 демонстрирует схему компоновки лазерных массивов 110 в лазерном модуле системы 100 лазерной печати. Лазер или массивы 110 VCSEL являются не квадратными, но прямоугольными, причем длинная сторона прямоугольника располагается в направлении движения объекта (см. фиг. 5). Это допускает более высокие суммарные мощности на пикселе, без снижения разрешения в поперечном направлении. Массивы 110 VCSEL дополнительно располагаются в двух столбцах, которые немного сдвинуты относительно друг друга (каскадная или ступенчатая компоновка). Это допускает заданное перекрытие относительно освещения элементов площади объекта, если объект движется перпендикулярный направлению столбцов VCSEL.
Фиг. 5 демонстрирует схему первой компоновки лазерных модулей системы 100 лазерной печати. Лазерные модули содержат ступенчатые или каскадные компоновки лазерных массивов 110, как показано на фиг. 4 и оптический элемент 170. Оптический элемент 170 формирует изображение всех лазерных массивов 110 соответствующих лазерных модулей в рабочей плоскости 180 системы 100 лазерной печати. Оптический элемент 170 задает суммарный размер Y лазерного модуля, где ширина компоновки лазерных массивов 110 соответствующего лазерного модуля задает ширину y печати одного лазерного модуля. Лазерные модули располагаются в столбцах, параллельных друг другу, причем каждый столбец сдвинут таким образом, что непрерывная область может освещаться в рабочей плоскости 180, если объект движется в направлении 250 относительно лазерных модулей. Область печати, таким образом, может адаптироваться к размеру объекта в рабочей плоскости независимо от размера Y и ширины y печати одиночного лазерного модуля. Количество столбцов, необходимое для непрерывного освещения объекта, движущегося в рабочей плоскости 180, зависит от размера Y и ширины y печати лазерных модулей. Лазерные модули в одном столбце разделены, по меньшей мере, расстоянием Y, таким образом, что, требуется, по меньшей мере, N=Y/y столбцов. Каскадные оптические элементы 170 могут быть изготовлены как единое целое, например, путем формовки стекла. Альтернативно, массив линз может быть собран из отдельных линз путем активного или пассивного выравнивания.
Фиг. 6 демонстрирует схему второй компоновки лазерных модулей системы лазерной печати. Компоновка весьма аналогична компоновке, рассмотренной со ссылкой на фиг. 5. Лазерные массивы 110 лазерных модулей наклонены (повернуты вокруг их центра) относительно направления, перпендикулярного направлению 250 движения объекта относительно лазерных модулей. Это допускает профили интегральной интенсивности с плавными наклонами, как показано на фиг. 7 и 8, которые также могут перекрываться с соседними пикселями, для повышения однородности распределения суммарной интенсивности, в особенности, если пиксели немного не выровнены относительно друг друга.
Фиг. 7 демонстрирует профиль интегральной интенсивности в направлении 610, перпендикулярном направлению 250 движения объекта относительно лазерных модулей, где каждый второй пиксель отключен, в компоновке лазерных модулей, показанной на фиг. 6. Профиль пикселей является почти треугольным, с большими наклонами, которые перекрываются с соседними пикселями. Фиг. 8 демонстрирует профиль интегральной интенсивности с произвольной картиной включенного/отключенного пикселя в компоновке лазерных модулей, показанной на фиг. 6. Числа ʺ1ʺ и ʺ0ʺ указывают, какие из соседних лазерных массивов 110 включены или отключены. Профиль интегральной интенсивности демонстрирует перекрытие двух или более соседних пикселей в рабочей плоскости 180.
Фиг. 9 демонстрирует схему этапов способа для способа лазерной печати. Показанная последовательность этапов не обязательно предусматривает одну и ту же последовательность в ходе выполнения способа. Этапы способа могут выполняться в другом порядке или параллельно. На этапе 910 объект, например, лист бумаги, перемещается в рабочей плоскости системы лазерной печати относительно лазерного модуля. На этапе 920 лазерный свет излучается посредством лазерного модуля, содержащего, по меньшей мере, два лазерных массива полупроводниковых лазеров и, по меньшей мере, один оптический элемент. На этапе 930 изображение лазерного света, излучаемого лазерными массивами, формируется таким образом, что лазерный свет полупроводниковых лазеров одного лазерного массива отображается в один пиксель в рабочей плоскости, и элемент площади пикселя освещается посредством, по меньшей мере, двух полупроводниковых лазеров. Объект может перемещаться, и одновременно лазерный свет лазерных массивов может излучаться и отображается в рабочей плоскости.
При использовании индивидуально адресуемых лазеров или лазерных массивов, максимальную скорость при печати, в особенности, процессе 3D печати можно получить, когда вдоль линии все отдельные пиксели могут записываться одновременно, т.е. отдельным лазером или лазерным массивом для каждого пикселя. Типичные значения ширины линии в системе или устройстве лазерной печати составляют порядка 30 см или более. С другой стороны, размер или ширина печати лазерного модуля индивидуально адресуемых лазеров или лазерных массивов ограничены несколькими см. Эти лазерные модули обычно соответствуют одному микроканальному охладителю, на котором располагаются лазерные модули.
Поэтому необходимо использовать несколько лазерных модулей и соответствующие микроканальные охладители и укладывать их вместе в полный модуль лазерной печати или печатающую головку. Допуски на выравнивание между соседними микроканальными охладителями с лазерными модулями может приводить к промежутку в рабочей плоскости 180, куда может не обеспечиваться или недостаточно обеспечивается лазерный свет. В худшем случае такой промежуток приводит к дефектам относительно обработки объекта в виде отпечатанных листов худшего качества или в частях, вырабатываемых посредством 3D принтера/аппарата быстрого макетирования.
Ввиду типичного размера лазерного источника 116 света 100 мкм и того факта, что несколько допусков на выравнивание суммируется друг с другом, проблема промежутка является серьезной.
Даже с небольшими допусками на каждом отдельном этапе сборки системы лазерной печати, полная цепочка допусков может приводить к значительным отклонениям 30 мкм или быть выгодно не только обеспечивать перекрывающиеся распределения интенсивности, но и использовать дополнительные лазерные источники 116 света на краю каждого лазерного модуля. Упомянутые лазерные источники 116 света являются так называемые лазерные источники 117 света с перекрытием, которые располагаются таким образом, что свет этих лазерных источников 117 света с перекрытием перекрывается со светом лазерных источников 116 света соседнего лазерного модуля. Это означает, что шаг между соседними лазерными модулями, по меньшей мере, на ширину одного лазерного источника 116 света (например, 100 мкм) меньше суммарной ширины печати лазерного модуля.
Если максимальный допуск механического/оптического выравнивания соседних лазерных модулей меньше ширины одного лазерного источника 116 света, достаточно иметь - посредством конструкции - перекрытие одного лазерного источника 116 света во избежание промежутков в рабочей плоскости, куда не может обеспечиваться лазерный свет. Как бы то ни было, альтернативно существует возможность обеспечения более чем одного лазерного источника 117 света с перекрытием, если максимальный допуск механического/оптического выравнивания соседних лазерных модулей больше ширины одного лазерного источника 116 света. В этом случае существует возможность использовать лазерные источники 117 света с перекрытием в соответствии с шириной промежутка между соседними лазерными модулями. В этом случае система лазерной печати можно калибровать таким образом, что лазерные источники 117 света с перекрытием заполняют непредусмотренный промежуток между лазерными модулями. В зависимости от промежутков и ширины одного лазерного источника 116 света, возможно, что один, два, три или даже больше лазерных источников 117 света с перекрытием используются для обеспечения непрерывного освещения рабочей плоскости.
Фиг. 10 демонстрирует вариант осуществления такой компоновки с лазерными источниками 117 света с перекрытием, которые являются лазерным источником 116 света, которые располагаются в компоновке с перекрытием соседних лазерных модулей, которые являются лазерными подмодулями 120, для компенсации потенциального нарушения выравнивания лазерных подмодулей 120 относительно друг друга. Лазерные источники 117 света с перекрытием указаны картиной линий.
Ширина печати соседних лазерных подмодулей 120 перекрываются полным лазерным источником 116 света или более явным лазерным источником 117 света с перекрытием. Лазерный источник 116 света, в отличие от предыдущих вариантов осуществления, может быть только одиночным лазером или, в соответствии с предыдущими вариантами осуществления, лазерным массивом, например, лазерными массивами 110. Одиночные лазеры могут содержать оптические элементы наподобие микролинз. В случае лазерных массивов могут содержаться массивы микролинз. Компоновка лазерных подмодулей 120 аналогична компоновке, показанной на фиг. 5. Лазерные модули, показанные на фиг. 5, располагаются таким образом, что каждый лазерный массив 110 освещает избранный пиксель или элемент площади в рабочей плоскости 180. Лазерные подмодули 120, как показано на фиг. 10, располагаются таким образом, что в случае отсутствия ошибок выравнивания в ходе сборки, лазерные источники 117 света с перекрытием адаптируются таким образом, что они могут освещать тот же элемент площади в рабочей плоскости 180, что и лазерный источник 116 света соседнего лазерного подмодуля 120.
1
2
1
2
n
1
2
n
Фиг. 11 демонстрирует компоновку лазерных модулей, аналогичную показанной на фиг. 5, с тем отличием, что показано больше двух столбцов и уменьшенное изображение, создаваемое лазерными модулями с оптическими элементами в рабочей плоскости 180. Как схематически изображено на фиг. 11, компоновка лазерных модулей включает в себя множество лазерных модулей 200, расположенных в столбцах, перпендикулярных направлению 250 движения. Аналогично фиг. 5 и 6, столбцы лазерных модулей располагаются ступенчато относительно друг друга, таким образом, что первый лазерный модуль 200 первого столбца c1 лазерных модулей адаптирован для освещения первой области y1 в рабочей плоскости 180. Второй модуль 200 второго столбца c2 лазерных модулей адаптирован для освещения второй области y2 в рабочей плоскости 180, причем первая область y1 примыкает ко второй области y2, что позволяет непрерывно освещать объект. Благодаря этому, освещаемые области y1, y2 в рабочей плоскости 180 образуют непрерывную область в направлении, перпендикулярном направлению движения. Как дополнительно изображено на фиг. 11, лазерные модули, которые располагаются ступенчато в направлении 250 движения, образуют каскады. Первый каскад k1 образован первыми лазерными модулями 200, 200, 200 столбцов. Второй каскад k2 образован вторыми лазерными модулями 201, 201, 201 столбцов и т.д. Количество каскадов таково, что сумма отдельных значений ширины y печати в направлении, перпендикулярном направлению 250 движения покрывает всю освещаемую область в рабочей плоскости.
1
2
n
1
Предпочтительно, лазерные массивы 110 модулей 200 располагаются, как изображено на фиг. 4. В дополнительном предпочтительном варианте осуществления, оптический элемент 175, связанный с такой компоновкой лазерных массивов 110, имеет контур, полученный из круглого или вращательно симметричным контуром, который усечен к противоположным сторонам, и где противоположные стороны 1 оптического элемента 175 выровнены относительно друг друга по оси, которая, предпочтительно, ориентирована в направлении, перпендикулярном направлению 250 движения. Точнее говоря, в случае компоновки лазерных массивов, показанной на фиг. 4, оптический элемент 175 имеет контур видоизмененного прямоугольника с двумя противоположными дугообразными короткими сторонами s, которые соединяют параллельные длинные стороны l. При этом учитывается, что круглый оптический элемент не будет полностью освещаться прямоугольной компоновкой лазерных массивов, как изображено на фиг. 4. Поэтому, участки круглого оптического элемента, которые не полностью освещены, можно исключить. Форма оптического элемента 175 позволяет уменьшить размер модуля в направлении 250 движения. В результате, можно уменьшить размер компоновки лазерных модулей в направлении 250 движения. Это имеет преимущество в том, что линия, ориентированная в направлении движения, может освещаться в течение меньшего времени, что повышает производительность всей системы 3D-печати. Также, соседние пиксели на границе между одним модулем 200 и соседним модулем 200 одного каскада k1 и/или одним модулем 200 одного каскада k1 и соседним модулем 201 соседнего каскада k2 может освещаться с уменьшенным сдвигом по времени. Это также повышает качество трехмерного изделия.
Компоновка VCSEL в лазерном массиве 110 задает профиль интенсивности. Если компоновка является, по существу, прямоугольной, т.е. VCSEL располагаются в массиве в строках и столбцах, профиль 600 интегральной интенсивности массива является, по существу, прямоугольным, т.е. профиль интегральной интенсивности имеет так называемый профиль "с плоской вершиной", как изображено на фиг. 14. В модуле согласно фиг. 4, где несколько массивов 110 включено, и несколько массивов отключено, интегральная интенсивность модуля в направлении 610, перпендикулярном направлению 250 движения выглядит, как показано на фиг. 15, т.е. имеет резкие края.
Может быть желательно иметь профиль интегральной интенсивности без резких краев. Этого можно добиться посредством компоновки согласно фиг. 13, в которой VCSEL в одном массиве 110 располагаются в строках и столбцах, и в которой внешний контур массива является, по существу, многоугольным, в частности, по существу, шестиугольным. Отдельные VCSEL располагаются в точках сетки, которые располагаются ступенчато от одного столбца к следующему столбцу, причем столбцы ориентированы перпендикулярно направлению 250 движения. Предпочтительно, внешний контур массива имеет шестиугольную форму с двумя противоположными параллельными сторонами p, проходящими перпендикулярно направлению 250 движения.
Как изображено на фиг. 16, профиль 600 интегральной интенсивности лазерного массива, по существу, шестиугольной формы, как показано на фиг. 13, имеет закругленные края и аналогичен гауссову распределению интенсивности. Для лазерного модуля с включаемыми/отключаемыми массивами, профиль 600 интегральной интенсивности в направлении 610 содержит закругленные переходы, как изображено на фиг. 17. Поэтому отклонения от среднего значения интенсивности меньше.
Благодаря компоновка лазерных модулей, один пиксель в рабочей области одновременно освещается большим количеством полупроводниковых лазеров лазерного массива 110. Суммарное количество полупроводниковых лазеров можно выбирать таким образом, чтобы отказ менее заранее определенного количества полупроводниковых лазеров снижает выходную мощность лазерного массива 110 только в пределах заранее определенного значения допуска. В результате, требования к сроку службы отдельных VCSEL оказываются не слишком высокими.
Отдельные VCSEL лазерного массива можно группировать в подгруппы в отношении их адресуемости сигналами управления. Подгруппа может включать в себя, по меньшей мере, два VCSEL. По меньшей мере, две подгруппы VCSEL одной лазерного массива может по отдельности адресоваться таким образом, что выходная мощность лазерного массива 110 имеет возможность управления путем отключения одного или более подгруппы VCSEL. Также можно обеспечить вариант осуществления, где по отдельности адресуются полупроводниковые лазеры одной лазерного массива, благодаря чему выходной мощностью лазерного массива можно управлять, включая/отключая отдельные полупроводниковые лазеры.
В дополнительном варианте осуществления, полупроводниковыми лазерами или лазерными массивами компоновки лазерных модулей можно дополнительно управлять, благодаря чему, полупроводниковый лазер или лазерный массив, который не используется для освещения, можно в необязательном порядке использовать для подачи тепла к материалу в рабочей плоскости 180. С этой целью, предусмотрено устройство управления, которое управляет полупроводниковыми лазерами или лазерными массивами по отдельности. Этот нагрев можно использовать помимо вышеописанного отдельного нагревательного устройства или как исключительную нагревательную систему, которая предварительно нагревает объект до рабочей температуры.
1
2
n
1
Компоновка лазерных модулей может включать в себя источники 117 света с перекрытием, как объяснено со ссылкой на фиг. 10. Источники 117 света с перекрытием предпочтительно обеспечивать на границе между одним модулем одного столбца и соседним модулем соседнего столбца, например, модулем 200 столбца c1 и модулем 200 столбца c2 на фиг. 13 и/или между одним модулем в одном каскаде и соседним модулем в соседнем каскаде, например, модулем 200 в каскаде k1 и модулем 201 в каскаде k2 на фиг. 11. Источник 117 света с перекрытием выравнивает потерю энергии, обусловленную сдвигом по времени соседних пикселей перпендикулярно направлению 250 движения вследствие ступенчатой компоновки модуля и/или вследствие каскадной компоновки модулей.
Источниками 117 света с перекрытием можно управлять таким образом, чтобы можно было компенсировать потери энергии вследствие сдвига по времени и/или потерь энергии или избытков энергии вследствие нарушения выравнивания VCSEL или массивов. Поэтому суммарную энергию, направляемую на рабочую область источниками 117 света с перекрытием, можно регулировать до энергии, необходимой для освещения в случае нулевого сдвига по времени и/или полностью выровненных VCSEL или массивов. Энергию, обеспечиваемую перекрывающимися VCSEL или массивами, можно выбирать в зависимости от типа строительного материала. Фактором влияния может быть теплопроводность объекта.
В дополнительной модификации, полупроводниковые лазеры блока освещения реализованы посредством VECSEL (лазера поверхностного излучения с вертикальным внешним объемным резонатором).
Хотя изобретение проиллюстрировано и подробно описано в чертежах и вышеприведенном описании, такие иллюстрацию и описание следует рассматривать как иллюстративные или примерные, но не ограничительные.
На основе настоящего изобретения, специалисты в данной области техники могут вывести другие модификации. Такие модификации могут предусматривать другие признаки, которые уже известны в технике, и могут использоваться вместо или помимо описанных здесь признаков.
Специалисты в данной области техники могут вносить изменения в раскрытые вариантов осуществления на основании чертежей, раскрытия и нижеследующей формулы изобретения. В формуле изобретения, слово "содержащий" не исключает наличия других элементов или этапов, и их упоминание в единственном числе не исключает наличия множества таких элементов или этапов. Лишь тот факт, что определенные меры упомянуты во взаимно различных зависимых пунктах, не говорит о том, что нельзя выгодно использовать комбинацию этих мер.
Никакие ссылочные позиции в нижеследующей формуле изобретения не следует рассматривать в порядке ограничения ее объема.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
100 система лазерной печати
110 лазерный массив
115 полупроводниковый лазер
116 лазерный источник света
117 лазерный источник света с перекрытием 120 лазерный подмодуль
150 предметная плоскость
170 оптический элемент
175 массив микролинз
180 рабочая плоскость
1
2
n
200, 200, 200, 200
1
2
n
201, 201, 201 лазерные модули
250 направление движения
600 интегральная интенсивность
610 направление, перпендикулярное направлению движения
750 защитное устройство
800 блок управления
910 этап способа объекта
920 этап способа излучения лазерного света
930 этап способа формирования изображения лазерного света.