[发明专利]利用激光扫描反射计的自动几何校准

说明书

技术领域

本发明涉及校准固态成像装置的方法和设备。

背景技术

固态成像装置已被用于产品开发用模型的快速成型，最近被用于 制造作业。固态成像装置一般通过响应计算机控制，暴露于辐照之下， 用可熔粉末或可光致固化的液体产生三维物体。表示三维物体的剖面 层的数据一般逐层地向计算机提供用于自动构建所述物体的程序的 控制参数。激光器或者适合于固态成像的其它光化性辐照源顺序照射 各个薄层的构造材料，响应于此，材料逐层地变成固态，从而产生固 态成像产品。在美国专利No.4575330和5495328中描述了例证的立 体光刻设备，所述专利在此引为参考。

固态成像有时被称为“快速成型和制造”，包括诸如立体光刻法， 激光烧结、喷墨印刷之类的各种技术。用于固态成像的粉末、液体、 可喷射的相变材料和其它材料有时被称为“构造材料”。固态成像技术 产生的三维物体有时被称为“构型”，“零件”，“物体”和“固态成像产 品”，可以各种各样的形状和尺寸形成所述三维物体。

通常在称为“构造台”或“构造平台”的表面上制备构型，所述表面 可被升高或降低，以使构型的表面与光化性辐照和构造材料被曝光的 “工作面”或“构造平面”或“像面”接触。

尽管为固态成像开发了各种设备和方法，不过为了使工艺更高效 和降低成本，尚待解决许多缺点。例如，这包括改进使辐照源与像面 对准，以致恰当地形成物体的复杂且繁杂的对准步骤。

发明内容

本发明目的在于校准形成三维物体的固态成像装置，尤其是校准 这种装置中的激光在平坦表面上的扫描的方法和设备。按照考虑局部 和全局几何误差的方式进行校准，以致当形成三维物体时，激光束被 精准地导引。

所述方法的一个方面涉及获得足够数目的位置测量结果，以提供 控制激光器扫描运动特性的预定非线性模型的未知参数的迭代解。通 过激光扫描平坦和水平的校准板，产生位置测量结果，所述校准板具 有基本上不散射的表面和基准标记的周期阵列，所述基准标记的周期 阵列形成于非散射表面之中或之上，并且散射光化性光。当激光扫描 校准板时，布置在校准板上方的检测器接收来自基准标记的散射光。

本发明的另一方面是一种校准固态成像系统的方法，所述固态成 像系统形成三维物体，具有基于镜的光学系统，该光学系统产生和操 纵具有光化性波长的光束。固态成像系统具有可活动地支承构建物体 的构造平台的升降机系统。所述方法包括把校准板布置在构造平台之 上。校准板具有形成于基本不散射的背景上的基准标记的周期阵列， 其中基准标记被配置成散射光化性光。所述方法还包括对正交的第一 行和第二行基准标记进行激光光束的第一次扫描，检测来自所述第一 行和第二行基准标记的散射光，以便建立用于确定基准标记阵列中的 其它基准标记的第一或“理论”中心位置的第一坐标系。正交的第一行 和第二行最好是中心的X行和Y行。所述方法还包括使用第一坐标 系对至少一部分的基准标记阵列进行激光光束的第二次扫描，并检测 来自其的散射光，以便测量第二次扫描的基准标记的对应中心位置。 所述方法还包括利用测量的中心位置和镜的角位置的插值来确定镜 角位置与(x，y)构造平面位置之间的校准关系。

该校准方法基本上不受热环境变量影响，一般能够在一小时内完 成校准过程。

上述方法满足快速，不存在固态成像系统的任何移动(除扫描镜 之外)，和成本较低的校准标准。固态成像系统的计算机控制器最好用 来做校准设备，并被提供保存在计算机可读介质上的指令(例如，软 件)，所述指令借助匹配与散射自基准标记的光相关的检测器信号与标 记的已知尺寸，并进行智能模式匹配搜索的算法，来识别何时激光束 已找到每个基准标记的中心。扫描期间激光功率的任何变化都影响极 小，尤其是在采用随后被一起平均化的基准标记的多次扫描的例证方 法中更是如此。

为了尽可能接近地模拟系统，以致校准高度精准，必须迭代地得 到和再导入所有的系统未知数，以致能够识别每组较小的误差。置于 校准板上方的单一检测器提供从校准板接收数据的中心位置，并允许 在数分钟而不是数小时内完整地扫描校准板。这种时间节省允许校准 设备获得足量的位置测量信息，以致能够进行必要次数的迭代计算， 从而提供逼近校准设备的能力极限的校准。