特表 2023-548036 高速ライトバルブシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-11-15

(54)【発明の名称】高速ライトバルブシステム

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/01 20060101AFI20231108BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20231108BHJP

   B23K 26/34 20140101ALI20231108BHJP

   B23K 26/064 20140101ALI20231108BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20231108BHJP

【ＦＩ】

G02F1/01 D

B23K26/21 Z

B23K26/34

B23K26/064 Z

B33Y30/00

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023524532

(86)(22)【出願日】2021-10-28

(85)【翻訳文提出日】2023-06-15

(86)【国際出願番号】 US2021057038

(87)【国際公開番号】W WO2022094071

(87)【国際公開日】2022-05-05

(31)【優先権主張番号】63/107,310

(32)【優先日】2020-10-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】517405068

【氏名又は名称】シューラット テクノロジーズ，インク．

【氏名又は名称原語表記】ＳＥＵＲＡＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＩＮＣ．

(74)【代理人】

【識別番号】100121083

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 宏義

(74)【代理人】

【識別番号】100138391

【弁理士】

【氏名又は名称】天田 昌行

(74)【代理人】

【識別番号】100074099

【弁理士】

【氏名又は名称】大菅 義之

(72)【発明者】

【氏名】リード フランシス エル．

(72)【発明者】

【氏名】デムス ジェイムス エー．

(72)【発明者】

【氏名】バイラミアン アンドリュー ジェイ．

(72)【発明者】

【氏名】クラス スザンヌ

(72)【発明者】

【氏名】クローソン ウィリアム エイチ．

(72)【発明者】

【氏名】ガービン クレイグ

(72)【発明者】

【氏名】ムラフヴァー マシュー

【テーマコード（参考）】

2K102

4E168

【Ｆターム（参考）】

2K102AA21

2K102BA05

2K102BB01

2K102BB03

2K102BB04

2K102BC01

2K102BC04

2K102CA18

2K102DB08

2K102DC07

2K102DC08

2K102DC09

2K102DD02

2K102DD05

2K102DD06

2K102DD10

2K102EA02

2K102EA21

2K102EB02

2K102EB10

2K102EB20

4E168BA35

4E168BA81

4E168DA23

4E168DA24

4E168DA25

4E168DA26

4E168DA28

4E168EA11

(57)【要約】

積層製造システムは、高フルエンスのレーザビームを生成するための高出力レーザを含む。電子放出に応答する構造を有する２Ｄパターン化可能ライトバルブが、高出力レーザから光を受け取り、受け取られた光をパターン化するように配置される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１のフルエンスを有する第１のレーザ書き込みビームと、
前記第１のレーザ書き込みビームよりも大きい第２のフルエンスを有する第２のレーザビームと、
前記第２のレーザビームからの光を反射するために前記第１のレーザ書き込みビームによってパターン化された反射構造を有する２Ｄパターン化可能ライトバルブと
を備える、積層製造システム。

【請求項2】

前記２Ｄパターン化可能ライトバルブが、光伝導体に堆積された透明導電性酸化物をさらに含む、請求項１に記載の積層製造システム。

【請求項3】

前記２Ｄパターン化可能ライトバルブが、反射ミラーに堆積された光伝導体をさらに含む、請求項１に記載の積層製造システム。

【請求項4】

前記２Ｄパターン化可能ライトバルブが、アライメント層に堆積された反射ミラーと、線形電気光学系とをさらに備える、請求項１に記載の積層製造システム。

【請求項5】

前記２Ｄパターン化可能ライトバルブが、パターン化されていない光をビームダンプまたはスイッチヤードシステムの少なくとも１つに向ける、請求項１に記載の積層製造システム。

【請求項6】

電子書き込みビームと、
レーザビームと、
前記レーザビームからの光を反射するために前記電子書き込みビームによってパターン化された反射構造を有する２Ｄパターン化可能ライトバルブと
を備える、積層製造システム。

【請求項7】

前記２Ｄパターン化可能ライトバルブが二次放出グリッドをさらに備える、請求項６に記載の積層製造システム。

【請求項8】

前記２Ｄパターン化可能ライトバルブが、電子書き込みビームと相互作用する構造化バイア層をさらに備える、請求項６に記載の積層製造システム。

【請求項9】

前記２Ｄパターン化可能ライトバルブが、アライメント層に堆積された反射ミラーと、線形電気光学系とをさらに備える、請求項６に記載の積層製造システム。

【請求項10】

前記２Ｄパターン化可能ライトバルブが、パターン化されていない光をビームダンプまたはスイッチヤードシステムの少なくとも１つに向ける、請求項６に記載の積層製造システム。

【請求項11】

電子ビームアレイと、
レーザビームと、
前記レーザビームからの光を反射するために前記電子ビームアレイによってパターン化された反射構造を有する２Ｄパターン化可能ライトバルブと
を備える、積層製造システム。

【請求項12】

前記２Ｄパターン化可能ライトバルブが、アドレス指定可能な電子エミッタの複数の行および列をさらに備える、請求項１１に記載の積層製造システム。

【請求項13】

前記電子ビームアレイが、電子エミッタから電子を受け取るように配置された複数の電子ビームアレイドライバをさらに備える、請求項１１に記載の積層製造システム。

【請求項14】

前記２Ｄパターン化可能ライトバルブが、アライメント層に堆積された反射ミラーと、線形電気光学系とをさらに備える、請求項１１に記載の積層製造システム。

【請求項15】

前記２Ｄパターン化可能ライトバルブが、パターン化されていない光をビームダンプまたはスイッチヤードシステムの少なくとも１つに向ける、請求項１１に記載の積層製造システム。

【請求項16】

自発光ディスプレイと、
レーザビームと、
前記レーザビームからの光を反射するために前記自発光ディスプレイによってパターン化された反射構造を有する２Ｄパターン化可能ライトバルブと
を備える、積層製造システム。

【請求項17】

前記２Ｄパターン化可能ライトバルブが、前記自発光ディスプレイから前記反射構造に光を向けるように配置されたレンズレットアレイをさらに備える、請求項１６に記載の積層製造システム。

【請求項18】

前記自発光ディスプレイが、ＯＬＥＤアレイ、ＬＥＤアレイ、またはマイクロＬＥＤディスプレイのうちの少なくとも１つを含む、請求項１６に記載の積層製造システム。

【請求項19】

前記２Ｄパターン化可能ライトバルブが、アライメント層に堆積された反射ミラーと、線形電気光学系とをさらに備える、請求項１６に記載の積層製造システム。

【請求項20】

前記２Ｄパターン化可能ライトバルブが、パターン化されていない光をビームダンプまたはスイッチヤードシステムの少なくとも１つに向ける、請求項１６に記載の積層製造システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

［関連出願］
本開示は、２０２０年１０月２９日に出願された米国特許出願６３／１０７，３１０の優先権の利益を主張する非仮特許出願の一部であり、参照によりその全体が組み込まれている。

【0002】

本開示は、一般的に、高速ライトバルブシステムの動作に関する。より詳細には、高速動作に適した電子放出および新規のアーキテクチャの使用が記載される。

【背景技術】

【0003】

高フルエンスで長時間動作できる高出力レーザシステムは、パターン化された高エネルギーレーザの使用から利益を得ることができる積層製造および他の用途に有用である。残念ながら、積層製造または他の用途に必要とされる多くの既存の高出力レーザシステムは、ライトバルブの動作が比較的遅いため、フルスピードで動作することができない。

【0004】

本開示の非限定的および非網羅的な実施形態は、以下の図を参照して説明され、ここで、同一の参照番号は、特に指定されない限り、様々な図全体にわたって同一の部品を指す。

【図面の簡単な説明】

【0005】

【図1A】金属積層製造用の高速反射型ライトバルブ（ＲＬＶ）の一例を示している。

【図1B(i)】高速電子ビームアドレス指定ＲＬＶ（ＥＢＡ－ＲＬＶ）の一例を示している。

【図1B(ii)】電子ビームアレイを組み込むＥＢＡ－ＲＬＶに関する実施形態の一例を示している。

【図1B(iii)】光伝導分離層を組み込むＥＢＡ－ＲＬＶの実施形態の一例を示している。

【図1C】高速直接結合自発光ディスプレイアドレス指定ＲＬＶ（ｅ－ＲＬＶ）の一例を示している。

【図1D(i)】高速デュアル光伝導体ＬＶの一例を示している。

【図1D(ii)】フリンジフィールドスイッチングを利用する高速デュアル光伝導体ＬＶの一例を示している。

【図1E】インプレーンスイッチングを利用する高速ＬＶの一例を示している。

【図1F(i)】図１Ｆ（ｉｉ）と合わせて、高速ＬＶシステム（ＨＳＬＶユニット）１００Ｆ（ｉ）およびそのタイミング１００Ｆ（ｉｉ）に関するアーキテクチャの一例を示している。

【図1F(ii)】図１Ｆ（ｉ）と合わせて、高速ＬＶシステム（ＨＳＬＶユニット）１００Ｆ（ｉ）およびそのタイミング１００Ｆ（ｉｉ）に関するアーキテクチャの一例を示している。

【図1F(iii)】図１Ｆ（ｉ）の高速ＬＶシステムのためのマルチポイントＬＶスイッチの使用の一例を示している。

【図1G】ＨＳＬＶユニットのアレイを使用するアーキテクチャの一例を示している。

【図2】ビームダンプ、高速ライトバルブ、および熱機関をサポートする高フルエンスライトバルブベースの積層製造システムのブロック図を示している。

【図3】高フルエンス高速ライトバルブベースの積層製造システムを示している。

【図4】高フルエンス高速ライトバルブベースの積層製造システムの別の実施形態を示している。

【図5】廃エネルギーの回収およびさらなる使用のためのスイッチヤード手法を組み込んだ高フルエンス高速ライトバルブベースの積層製造の別の実施形態を示している。

【発明を実施するための形態】

【0006】

以下の説明では、その一部を形成し、開示を実施することができる具体的な例示的な実施形態を例示する方法で示されている添付図面を参照する。これらの実施形態は、当業者が本明細書に開示された概念を実践することができるように十分に詳細に説明されており、本開示の範囲から逸脱することなく、開示された様々な実施形態に修正を加えることができ、他の実施形態を利用することができることを理解すべきである。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味では取られるべきではない。

【0007】

以下の開示では、積層製造システムは、高フルエンスのレーザビームを生成するための高出力レーザを含む。電子放出に応答する構造を有する２Ｄパターン化可能ライトバルブが、高出力レーザから光を受け取り、受け取られた光をパターン化するように配置される。

【0008】

ライトバルブ（ＬＶ）技術は、ピクセル速度を切り替える能力に限界がある。本明細書で論じるいくつかの記載される実施形態では以下の通りである。

【0009】

金属積層製造システム（Ｍ－ＡＭ ＬＶ）システムでの記載されるＬＶの使用は、ＬｉＮｂＯ３、ＢＢＯ、ＫＤＰ、またはＫ＊ＤＰなど高速スイッチング時間をサポートできる材料に変更することによって、速度の大幅な向上（従来のＬＶに比べて１０００倍を超える）を可能にする。

【0010】

Ｍ－ＡＭ ＬＶシステムでの記載されるＬＶの使用は、複雑さの低減を可能にするとともに、（既存のＬＶ Ｍ－ＡＭシステムに比べて）１０～１０００倍を超えるフレーム速度の向上を可能にする。

【0011】

Ｍ－ＡＭシステムでの記載されるＬＶの使用は、ＬＶシステムにおいてフリンジフィールドスイッチング（ＦＦＳ）を使用することができることにより速度向上を可能にするとともに、複雑さを低減する。この低減は、フリンジフィールドスイッチングを使用したときにＬＥＯＬの厚さが減少するためであり、（既存のＬＶ Ｍ－ＡＭシステムに比べて）４～１０倍の速度向上が予想される。

【0012】

Ｍ－ＡＭ ＬＶでの記載されるＬＶの使用は、そのＬＥＯＬ層の厚さの減少による相応の速度増加を有するＬＶにおいてインプレーンスイッチングを実現することを可能にし、そのような速度増加は、フリンジフィールドの速度増加と同様（４～１０倍）であるが、ＦＦＳで必要とされる複雑さに比べて複雑さが低減される。

【0013】

Ｍ－ＡＭ ＬＶシステムでの記載されるＬＶの使用は、低速パターン化ＬＶを有する二分木で使用され得るＰＩセルの使用を可能にし、２Ｎ個のＬＶの出力を時間的にスライスしてシーケンスにし、従来のＭ－ＡＭ ＬＶシステムに比べて全体的なフレーム速度をＮ倍向上させる。

【0014】

Ｍ－ＡＭ ＬＶシステムでの記載されるＬＶの使用は、固体走査（ＳＳＳ）非パターン化ＬＶを使用して、ＳＳＳが達成することができる設定角度の数に依存する速度を有する１Ｄまたは２Ｄ低速ＬＶのアレイを選択することによって速度の向上を可能にする。そのようなシステムは、低速パターン化ＬＶのランダムアクセスシーケンスも可能にする。

【0015】

図１Ａは、金属積層製造用の速度反射型ライトバルブ（ＲＬＶ）１００Ａの一例を示している。ＲＬＶ（１１０Ａ）は、光伝導体（１３０Ａ）の上に堆積された上部透明導電性酸化物（ＴＣＯ、１２０Ａ）から構成される。高反射ミラー（１４０Ａ）が、１３０Ａの底部に堆積され、９９０～１０７０ｎｍの光に関しては９９．９％超を反射し、２６５～５００ｎｍの光に関しては７５％超を反射する。アライメントまたはインピーダンス層が、１４０Ａの内側に堆積され、線形電気光学系（ＬＥＯ、１６０Ａ）にインターフェースするために使用される。別のアライメントまたはインピーダンス層（１７０Ａ）が、１６０Ａとインターフェースするために使用され、底部ＴＣＯ（１８０Ａ）に取り付けられ、底部ＴＣＯ（１８０Ａ）は支持基板（１９０Ａ）に堆積される。

【0016】

λ２での低フルエンスのパターン化書き込みビーム（２００Ａ）は、１２０Ａを通過して１３０Ａに入り、それにより、１２０Ａ、１３０Ａ、１４０Ａ、１５０Ａ、１６０Ａ、１７０Ａから構成されて１８０Ａで終了する回路において、１３０Ａがその抵抗を低下する。この電気回路は、外部コントローラ（図示せず）によって制御される。１３０Ａでの抵抗の変化は、２００Ａでの強度パターンを反映し、１２０Ａで見られるパターン化されていない電界が、１４０Ａでのパターン化された電界になることを可能にする。このパターン化された電界は、１６０Ａにわたって印加されて、１６０Ａは、１１０Ａに入る高フルエンスレーザビーム（ＨＦＬ、２１０Ａ）で見られるように、この材料の複屈折の変化を引き起こす。高フルエンスビーム（２１０Ａ）はλ１であり、右から左に進んで、１９０Ａ、１８０Ａ、１７０Ａを通過することによって１１０Ａに入った後、１６０Ａのパターン化された複屈折と相互作用する。１６０Ａのパターン化された複屈折は、２１０Ａが１６０Ａを通過するときに、２００Ａのパターンを２１０Ａに付与する。ＨＦＬは、１６０Ａおよび１５０Ａを通過した後、１４０Ａで反射し、再び１６０Ａ、１７０Ａ、１８０Ａ、および１９０Ａを通過した後、２２０Ａの形態でのパターン化されたＨＦＬとして１１０Ａから出る。１６０Ａを通過する二重パスは、二重パスが２００Ａでのパターンを２１０Ａに付与するように１６０Ａが構造化されていることを必要とする。二重パス法で１６０Ａの最大効果が得られるので、その物理的距離を５０％未満に短縮して、標準的な透過型ＬＶの速度に比べて４倍を超えて速度を増加させることが可能である。パターン化されたＨＦＬビーム（２２０Ａ）は、ビームパターンセパレータ（２３０Ａ）を通過し、所望のパターン２４０Ａが印刷チャンバに再結像されるようにし、不要なパターン（わかりやすくするために図示せず）がビームダンプまたはスイッチヤードシステムに送られる。

【0017】

２００Ａが存在しない場合、パターン化されていないＨＦＬビーム（２５０Ａ）は、１１０Ａに入り、１９０Ａ、１８０Ａ、１７０Ａ、１６０Ａ、１５０Ａを通過し、１４０Ａで反射し、１５０Ａ、１６０Ａ、１７０Ａ、１８０Ａ、および１９０Ａを再び通過した後、パターン化されていないＨＬＦビーム２６０Ａとして１１０Ａから出る。ビーム２６０Ａは、２３０Ａに当たると、（２７０Ａとして）完全に拒否されて、ビームダンプまたはスイッチヤードシステム（図５に関して後述する）に入る。

【0018】

図１Ｂ（ｉ）は、高速電子ビームアドレス指定ＲＬＶ（ＥＢＡ－ＲＬＶ）１００Ｂ（ｉ）の一例を示している。ＥＢＡ－ＲＬＶ１００Ｂ９（ｉ）は、負電荷を収集する二次放出グリッド（１１５Ｂ（ｉ））から構成され、負電荷は、構造化バイアアレイ（１２０Ｂ（ｉ））の表面から散乱される、弾道電荷により１２０Ｂ（ｉ）から放出する、または１２０Ｂ（ｉ）の電圧の関数として引き離される。１１５Ｂ（ｉ）は、１２０Ｂ（ｉ）が、電子ビームによって定義された電荷「ピクセル」に正、中性、または負の電荷を与えることを可能にし、そのようなスクリーンのないシステムよりも良好にピクセルを定義できるようにする。バイア層（１２０Ｂ（ｉ））は、その体積全体にわたって小板状の導電性粒子が散乱された異方性マトリックス、ファンアウト中間層としてマイクロエレクトロニクスで一般的に使用されるシリコンもしくはポリマーベースの電気バイアアレイ、またはマイクロスコピックもしくはナノスコピック貫通伝導経路の同様の構成を有するフレックス層から形成されることによって構造化することができる。１２０Ｂ（ｉ）には、９９０～１０７０ｎｍの光に関して９９％超を反射する高反射ミラー（ＨＲＭ、１３０Ｂ（ｉ））が取り付けられている。１３０Ｂ（ｉ）には、線形電気光学層（１５０Ｂ（ｉ））の向きを設定するアライメントまたはインピーダンス層（１４０Ｂ（ｉ））が取り付けられている。追加のアライメント／インピーダンス層（１６０Ｂ（ｉ））は、１５０Ｂ（ｉ）の向きを定義するのに役立つ。透明導電性酸化物（ＴＣＯ、１７０Ｂ（ｉ））は、１１５Ｂ（ｉ）、１２０Ｂ（ｉ）、１３０Ｂ（ｉ）、１４０Ｂ（ｉ）、１５０Ｂ（ｉ）、および１６０Ｂ（ｉ）から構成される１１０Ｂ（ｉ）の電気回路を終端する。支持基板（１８０Ｂ（ｉ））は、１１０Ｂ（ｉ）のための安定性を提供する。

【0019】

１１０Ｂ（ｉ）でピクセルを定義する電子源は、自由電子のストリームを放出する電子銃（トンネル電子源、スピント型冷陰極エミッタ、または同様の電子ビーム発生器でもよい）によって生成される（２００Ｂ（ｉ））。偏向および集束構造は、１１５Ｂ（ｉ）の面にわたって「ｘ」（２１０Ｂ（ｉ））および「ｙ」（２２０Ｂ（ｉ））方向にビームが掃引されることを可能にし、１１５Ｂ（ｉ）と連動して、１２０Ｂ（ｉ）の荷電ピクセルおよび１５０Ｂ（ｉ）にわたる可変電圧場を定義する。２００Ｂ（ｉ）の強度を１１５Ｂ（ｉ）に付与された波形とともに変調することにより、グレースケール画像を１５０Ｂ（ｉ）に付与することができる。１９０Ｂ（ｉ）に関する電流および電圧制御は、電子ビーム電子回路モジュール（２７０Ｂ（ｉ））から制御ライン２３０Ｂ（ｉ）を介して１９０Ｂ（ｉ）に伝達される。同様に、２１０Ｂ（ｉ）および２２０Ｂ（ｉ）に関する電圧波形の制御は、２７０Ｂ（ｉ）によって制御される２６０Ｂ（ｉ）（Ｘ－Ｙ偏向ドライバ）からの制御ライン２４０Ｂ（ｉ）および２５０Ｂ（ｉ）によってそれぞれ伝達される。さらに、２７０Ｂ（ｉ）は、２８０Ｂ（ｉ）制御ラインを介して１１５Ｂ（ｉ）の電圧および電流波形を制御する。２７０Ｂ（ｉ）は、ＬＶ電子回路モジュール（２９０Ｂ（ｉ））によって制御され、ＬＶ電子回路モジュール（２９０Ｂ（ｉ））は、３００Ｂ（ｉ）制御ラインを介して１７０Ｂ（ｉ）の電圧波形も制御する。

【0020】

ライトバルブとしての１１０Ｂ（ｉ）の動作は、パターン化されていない高フルエンスビーム（３１０Ｂ（ｉ））が、１８０Ｂ（ｉ）、１７０Ｂ（ｉ）、１６０Ｂ（ｉ）、１５０Ｂ（ｉ）、１４０Ｂ（ｉ）を通過し、１３０Ｂ（ｉ）で反射した後、１４０Ｂ（ｉ）、１５０Ｂ（ｉ）、１６０Ｂ（ｉ）、１７０Ｂ（ｉ）を通って１８０Ｂ（ｉ）から出ることによって、１１０Ｂ（ｉ）に入ることを必要とする。１１５Ｂ（ｉ）および１２０Ｂ（ｉ）にわたるラスタ走査２００Ｂ（ｉ）によって蓄積される電荷画像は、１５０Ｂ（ｉ）にわたる電圧画像として転送される。この電圧画像は、１５０Ｂ（ｉ）に作用し、その光学応答を変化させる。１５０Ｂ（ｉ）の光学応答は通常、その複屈折の変化であるが、３１０Ｂ（ｉ）で見られるような相変化、スペクトル、散乱、吸収、または反射応答でもよい。電圧画像は、１５０Ｂ（ｉ）に光学応答画像を付与し、１５０Ｂ（ｉ）を通る３１０Ｂ（ｉ）の二重パスは、その画像を３１０Ｂ（ｉ）に付与し、パターン化されたＨＦＬビーム（３２０Ｂ（ｉ））に変える。３２０Ｂ（ｉ）は、１１０Ｂ（ｉ）を通過して出て、所望のパターン画像（３７０Ｂ（ｉ））を不要な画像から分割するビームパターンセパレータ（３３０Ｂ（ｉ））に当たる。所望の画像（３７０Ｂ（ｉ））は、印刷チャンバに中継され、不要な画像（図示せず）はビームダンプまたはスイッチヤードシステムのいずれかに進む。

【0021】

パターン化されていないＨＬＦビーム（３４０Ｂ（ｉ））が１００Ｂ（ｉ）に入り、電子ビームシステムによって提供される画像がない状況では、この光は影響を受けず、１１０Ｂ（ｉ）によってパターン化されず、パターン化されないまま出て（３５０Ｂ（ｉ））、３３０Ｂ（ｉ）に当たると逸らされて３６０Ｂ（ｉ）になり、そのままビームダンプまたはスイッチヤードシステムのいずれかに送信される。ＥＢＡ－ＲＬＶシステムのフレームレートは、毎秒Ｅ６フレームを超えることがあり、走査型電子ビームエレクトロニクスの性能よりも１５０Ｂ（ｉ）のスイッチ時間によって制限される可能性が高い。

【0022】

図１Ｂ（ｉｉ）は、電子ビームアレイを組み込むＥＢＡ－ＲＬＶ１００Ｂ（ｉｉ）の実施形態の一例を示している。ライトバルブ１１０Ｂ（ｉｉ）は、アクティブマトリックス配置で個別にアドレス指定可能なフィールドエミッタ（１２５Ｂ（ｉｉ））の行と列を含む２Ｄアドレス指定可能な電子エミッタ（１２０Ｂ（ｉｉ））によってアクティブ化される。１つのそのようなエミッタ（１２５Ｂ（ｉｉ））のアクティブ化により、電子放出（１２７Ｂ（ｉｉ））が１１０Ｂ（ｉｉ）に局所的に蓄積されることが可能となり、荷電ピクセル（１３０Ｂ（ｉｉ））が生成され、１１０Ｂ（ｉｉ）内部のＬＥＯ層の変性に影響が及ぼされる。１２０Ｂ（ｉｉ）の行と列のアドレス指定は、電子ビームアレイドライバ（１６０Ｂ（ｉｉ））によって制御され、制御ライン１４０Ｂ（ｉｉ）（列制御ライン）と１５０Ｂ（ｉｉ）（行制御ライン）によって１２０Ｂ（ｉｉ）に伝達される。ＬＶ電子回路は、制御ライン１８０Ｂ（ｉｉ）を介して、１１０Ｂ（ｉｉ）内でＴＣＯに付与される電圧波形を含む１６０Ｂ（ｉｉ）を制御する。図１Ｂに示すように、入射するパターン化されていないＨＦＬ（１９０Ｂ（ｉｉ））は１１０Ｂ（ｉｉ）に入り、電子ビームピクセルがアクティブ化されている場合には常に、パターン化されたＨＦＬ（２００Ｂ（ｉｉ））として出る。２００Ｂ（ｉｉ）は、ビームパターンセパレータ（２１０Ｂ（ｉｉ））によって、印刷チャンバに結像される所望のパターン化されたＨＦＬビーム（２２０Ｂ（ｉｉ））と、ビームダンプまたはスイッチヤードシステムに進む不要なパターンとに分割される。パターン化されていないＨＦＬビーム（２３０Ｂ（ｉｉ））が１１０Ｂ（ｉｉ）に入り、アクティブ化されている電子ビームピクセルがない場合、パターン化されていないＨＦＬビーム（２４０Ｂ（ｉｉ））として１１０Ｂ（ｉｉ）から出て、２１０Ｂ（ｉｉ）によって完全に拒否され、２５０Ｂ（ｉｉ）としてビームダンプまたはスイッチヤードシステムのいずれかに向けられる。２Ｄアドレス指定可能なＥＢＡ－ＲＬＶのフレームレートは、典型的には１秒あたりＥ２フレームでのアレイドライバによって制限される。

【0023】

図１Ｂ（ｉｉｉ）は、ＥＢＡ－ＲＬＶ１００Ｂ（ｉｉｉ）に関する実施形態の一例を示し、ゲートアノードと先端入口との間に光伝導分離層を組み込み、カソード放出アレイのベースを書き込みビームに対して透明にする。これは、１１０Ｂ（ｉｉｉ）に示されるように、ＥＢＡ－ＲＬＶを、光学的にアドレス指定されたＥＢＡ－ＲＬＶに効果的に変換する。ＥＢＡ－ＲＬＶ（１１０Ｂ（ｉｉｉ））構成要素は、図１Ｂに示されている。この実施形態では、走査電子ビームは、アノードを先端支持構造から分離する光伝導体（１２０Ｂ（ｉｉｉ））を含む光学的にアドレス指定される冷陰極エミッタアレイ（１１３Ｂ（ｉｉｉ））によって置き換えられる。この実施形態では、λ２でのパターン化された書き込みビーム（１１５Ｂ（ｉｉｉ））が、１１３Ｂ（ｉｉｉ）を通過し、光伝導体１２５Ｂ（ｉｉｉ）をアクティブ化して、１２５Ｂ（ｉｉｉ）の直下の先端が電子ストリーム（１２７Ｂ（ｉｉｉ））を放出できるようにし、電子ストリーム（１２７Ｂ（ｉｉｉ））は、１１５Ｂ（ｉｉｉ）でのパターンを反映するパターン化された荷電領域（１３０Ｂ（ｉｉｉ））を１１０Ｂ（ｉｉｉ）内に生成する。荷電パターンは、１１０Ｂ（ｉｉｉ）の外側からの電圧を１１０Ｂ（ｉｉｉ）内のＬＥＯ層にわたって転送する。制御ライン１４０Ｂ（ｉｉｉ）、１５０Ｂ（ｉｉｉ）、および１５３Ｂ（ｉｉｉ）は、それぞれ１１０Ｂ（ｉｉｉ）内の冷陰極アレイ、光伝導体アノード層、および二次放出グリッドに付与される電圧波形を制御する。電子ビームアレイ電子回路（１５５Ｂ（ｉｉｉ））は、１４０Ｂ（ｉｉｉ）、１５０Ｂ（ｉｉｉ）、および１５３Ｂ（ｉｉｉ）での波形を制御し、ＬＶ電子回路（１５７Ｂ（ｉｉｉ））とともに動作し、ＬＶ電子回路（１５７Ｂ（ｉｉｉ））は、制御ライン１６０Ｂ（ｉｉｉ）を介して１１０Ｂ（ｉｉｉ）内のＴＣＯに送達される波形も制御する。

【0024】

最初にパターン化されていないＨＦＬビーム（１７０Ｂ（ｉｉｉ））を１１０Ｂ（ｉｉｉ）に入れ、１２６Ｂ（ｉｉｉ）、１２７Ｂ（ｉｉｉ）、および１３０Ｂ（ｉｉｉ）を介して１１５Ｂ（ｉｉｉ）によってアクティブ化されているＬＥＯと相互作用させることによって、ＨＦＬビームに望ましいパターンが付与される。ＬＥＯは、１１５Ｂ（ｉｉｉ）に固有のパターンと同じパターンを１７０Ｂ（ｉｉｉ）に付与し、１７０Ｂ（ｉｉｉ）は、１１０Ｂ（ｉｉｉ）のＨＲＭで反射すると、パターン化されたＨＦＬビーム（１８０Ｂ（ｉｉｉ））として１１０Ｂ（ｉｉｉ）から出る。パターン化されたＨＦＬビーム（１８０Ｂ（ｉｉｉ））はパターンセパレータ（１９０Ｂ（ｉｉｉ））に当たり、所望のビーム（２００Ｂ（ｉｉｉ））は印刷チャンバに中継され、不要なパターンはビームダンプまたはスイッチヤードシステムのいずれかに進む。前の場合と同様に、パターン化されていないＨＦＬビーム（２１０Ｂ（ｉｉｉ））が、アクティブ化されていない領域で１１０Ｂ（ｉｉｉ）に入り、ビームは１１０Ｂ（ｉｉｉ）内のＨＲＭで反射し、依然としてパターン化されていないまま２２０Ｂ（ｉｉｉ）としてＥＢＡ－ＲＬＶから出て、１９０Ｂ（ｉｉｉ）によって完全に拒否されて２３０Ｂ（ｉｉｉ）になり、ビームダンプまたはスイッチヤードシステムのいずれかに入る。１００Ｂ（ｉｉｉ）の利点は、フレームレートが、１１５Ｂ（ｉｉｉ）およびＬＥＯ材料を切り替えることができる速度に依存することであり、ＬＥＯ材料としてのＬｉＮｂＯ３、および１１５Ｂ（ｉｉｉ）に関するソースとしての高速ＤＬＰシステムに関する場合、１００Ｂ（ｉｉｉ）は、ＤＬＰシステムに固有の５０～１００ＫＨｚのフレームレート限度に制限される。

【0025】

図１Ｃは、高速直接結合自発光ディスプレイアドレス指定ＲＬＶ（ｅ－ＲＬＶ）１００Ｃの一例を示している。ＲＬＶ（１１０Ｃ）は、λ２で動作する自発光ディスプレイ（１３０Ｃ）に直接結合される。１３０Ｃと１１０Ｃとの間の光結合は、レンズレットアレイ（１２０Ｃ）、アパーチャアレイ、または同様の近接集束（１１０Ｃ内の薄い光伝導体層への１３０Ｃの表面の直接の突き合わせ結合）のいずれかによって行われる。自発光ディスプレイは、ＯＬＥＤ、ＬＥＤのアレイ（ディスプレイとしてドライブされる）、ｍｉｃｒｏＬＥＤディスプレイ、またはλ２（２６５ｎｍから５００ｎｍ帯域）で放出することができる任意の様々な面発光ディスプレイでよい。パターン化されたビーム（１４０Ｃ）を１３０Ｃ内で生成するピクセルのセットによって放出される光により、１２０Ｃによって直接接触または結合された光伝導体要素が、１１０Ｃの外側での電圧を１１０Ｃの内側のＬＥＯ層にわたって転送し、上述したようにＬＥＯの光学特性への変化を課す。自発光ディスプレイは、制御ライン１５０Ｃを介して高速ディスプレイドライブ（１６０Ｃ）によって制御され、１１０Ｃは、前述したようにＬＶ電子回路（１７０Ｃ）によって制御される。パターン化されていないＨＦＬビーム（１８９Ｃ）は１１０Ｃに入り、１４０Ｃによってアドレス指定される１５０Ｃによって影響を及ぼされる領域でＬＥＯ層を通過する。１４０Ｃによって付与された画像は、ＬＥＯ層に対する１５０Ｃの作用によって１８０Ｃに転送され、１８０Ｃが１１０Ｃ内部のＨＲＭ層で反射し、ＬＥＯ層および中間層を通過し、パターン化されたＨＦＬビーム１９０Ｃとして出る。１９０Ｃでの所望のパターン（２００Ｃ）は、ビームパターンセパレータ（１９０Ｃ）の作用によって分離され、次いで印刷チャンバに結像される。不要なパターン（図示せず）は、１９５Ｃで反射し、ビームダンプまたはスイッチヤードシステムに結像される。１３０Ｃから放出されるパターンまたは光がない場合、パターン化されていないＨＦＬビーム２１０Ｃは、１１０Ｃを通って進み、１３０Ｃからのアクティブ化がないので、ＬＥＯの作用によってパターン化されて出ることはない；ビームは、パターン化されていないＨＦＬビーム（２２０Ｃ）として１３０Ｃから出て、１９５Ｃによって完全に拒否され、ビームダンプまたはスイッチヤードシステムのいずれかに廃光として結像される（２３０Ｃ）。１００Ｃによって達成可能なフレームレートは、１１０Ｃ内のＬＥＯ層と、１３０Ｃのスイッチング速度とに依存し、どちらも典型的には１秒あたり１０００フレームを超える。

【0026】

図１Ｄ（ｉ）は、高速デュアル光伝導体ＬＶ（ＤＰＣＬＶ）１００Ｄ（ｉ）の一例を示している。ＤＰＣＬＶは、上部透明導電性酸化物（ＴＣＯ、１２０Ｄ（ｉ））、上部光伝導体層（ＰＣ、１３０Ｄ（ｉ））、上部インピーダンス／アライメント層（ＩＭＬ、１５０Ｄ（ｉ））、上部線形電気光学層（ＴＬＥＯＬ、１６０Ｄ（ｉ））、中間層グループ（１７０Ｄ（ｉ）、より詳細に３４０Ｄ（ｉ）で示されている）、底部ＬＥＯＬ（Ｂ－ＬＥＯＬ、１８０Ｄ（ｉ））、底部ＩＭＬ（１９０Ｄ（ｉ））、底部ＰＣ層（２１０Ｄ（ｉ））、および底部ＴＣＯ（２２０Ｄ（ｉ））を含む。

【0027】

ＤＰＣＬＶシステム（１１０Ｄ（ｉ））は、１１０Ｄ（ｉ）に右から（２３０Ｄ（ｉ））および左から（２４０Ｄ（ｉ））入る、どちらもλ２での２つの逆伝搬するパターン化された書き込みビームの二重アクションによって機能する。１１０Ｄ（ｉ）に右から入るパターン化された書き込みビーム（２３０Ｄ（ｉ））は、１３０Ｄ（ｉ）をアクティブ化して、パターン化された電圧画像を１３０Ｄ（ｉ）内で生成し、電圧画像は、このパターン化された電圧変化（２７０Ｄ（ｉ））に対するＴ－ＬＥＯＬによる応答によって１６０Ｄ（ｉ）に転送される。同様に、１１０Ｄ（ｉ）に左から入るパターン化された書き込みビーム（２４０Ｄ（ｉ））は、２６０Ｄ（ｉ）および２８０Ｄ（ｉ）を介してＢ－ＬＥＯＬへの同じ転送を行う。λ１でのパターン化されていないＨＦ１ビーム（３００Ｄ（ｉ））が１１０Ｄ（ｉ）に入り、通過して、２７０Ｄ（ｉ）および２６０Ｄ（ｉ）のパターン応答と相互作用し、これら２つのＬＥＯＬとの相互作用によって、パターン化されたＨＦＬビーム３１０Ｄ（ｉ）として１１０Ｄ（ｉ）から出る。同様に、２３０Ｄ（ｉ）および２４０Ｄ（ｉ）によってパターン化されていない１１０Ｄ（ｉ）の領域では、パターン化されていないＨＦＬビーム（３２０Ｄ（ｉ））は、ＬＥＯＬによって影響を受けることなく１１０Ｄ（ｉ）を通過して、３３０Ｄ（ｉ）になる。これは、依然としてパターン化されていないＨＦＬビームである。パターン化された３１０Ｄ（ｉ）は、ビームパターンセパレータ（図示せず）を通過した後、印刷床に結像され、所望の画像が床に進み、不要なパターンおよび３３０Ｄ（ｉ）は拒否され、図５に関して論じるようなビームダンプまたはスイッチヤードシステムに結像される。

【0028】

１１０Ｄ（ｉ）内の中間層グループ（１７０Ｄ（ｉ））は、３４０Ｄ（ｉ）として詳細に示されている。この構造は、１６０Ｄ（ｉ）および１８０Ｄ（ｉ）に関する中間支持体として機能し、中間上部ＩＭＬ（３５０Ｄ（ｉ））、中間上部ＴＣＯ（２６０Ｄ（ｉ））、中間支持層（３７０Ｄ（ｉ））、中間底部ＴＣＯ層（３８０Ｄ（ｉ））、および中間底部ＩＭＬ（３９０Ｄ（ｉ））から構成される。

【0029】

標準的な透過型ＬＶの半分以下へのＬＥＯＬでの減少により、スイッチング速度を、標準的な高速透過型ＬＶのスイッチング速度に比べて４倍超に増加することができる。

【0030】

図１Ｄ（ｉｉ）は、フリンジフィールドスイッチングを利用する高速デュアル光伝導体ＬＶ１００Ｄ（ｉｉ）の一例を示している。フリンジフィールドスイッチングＬＥＯＬシステムは、材料の光学特性（特にその複屈折）が電界勾配によってアクティブ化される、様々なタイプの線形電気光学材料を使用する。これらの勾配は、２つの隣接するアクティブ化された領域間のフリンジフィールドによるものである。フリンジフィールドは、典型的には、局所フィールド強度がより高く、ＬＯＥＬに対してより大きな効果を有する。その結果、ＬＥＯＬの厚さを劇的に減少させることができ、通常動作のＬＶに比べて、厚さ減少の２乗として、フレームレートの相応の増加を伴う。この実施形態では、フリンジフィールドは、図１Ｄで導入されるデュアル光伝導体の概念を使用することによって生成される。フリンジフィールドＤＰＣＬＶの一例が１１０Ｄ（ｉｉ）に示されており、上部ＴＣＯ（１２０Ｄ（ｉｉ））、上部光伝導体（１３０Ｄ（ｉｉ））、上部ＩＭＬ（１４０Ｄ（ｉｉ））、ＬＥＯＬ（１５０Ｄ（ｉｉ））、底部ＩＭＬ（１６０Ｄ（ｉｉ））、底部光伝導体（１７０Ｄ（ｉｉ））、および底部ＴＣＯ（１７５Ｄ（ｉｉ））から構成されている。

【0031】

（λ２での）パターン化された書き込みビーム１８０Ｄ（ｉｉ）が左から１１０Ｄ（ｉｉ）に入り、１３０Ｄ（ｉｉ）内で電圧パターン（２００Ｄ（ｉｉ））を付与する。第２のパターン化された書き込みビーム（同じ画像を搬送する、１９０Ｄ（ｉｉ））が右から入り、１８０Ｄ（ｉｉ）との共線および逆伝搬からわずかにずらされて１１０Ｄ～Ｉに入り、１７０Ｄ（ｉｉ）内で電圧パターン（２１０Ｄ（ｉｉ））を付与する。２つの電圧パターン（２００Ｄ（ｉｉ）と２１０Ｄ（ｉｉ））の間のオフセットによって生成される１５０Ｄ（ｉｉ）内のフリンジフィールドは、１５０Ｄ（ｉｉ）内でＬＥＯを作動させ、２５０Ｄ（ｉｉ）として示される１５０Ｄ～Ｉでのパターン光学応答を生成する（１３０Ｄ（ｉｉ）および１７０Ｄ（ｉｉ）での電圧フリンジフィールドの詳細は、わかりやすくするために省かれている）。パターン化されていないＨＦＬビーム（２４０Ｄ（ｉｉ））が１１０Ｄ（ｉｉ）に入り、２５０Ｄ（ｉｉ）での光学応答パターンが２４０Ｄ（ｉｉ）に付与され、それにより、１１０Ｄ（ｉｉ）から出ると、ＨＦＬビームは、１８０Ｄ（ｉｉ）と１９０Ｄ（ｉｉ）の両方に含まれる同じ空間画像でパターン化される（２６０Ｄ（ｉｉ））。２６０Ｄ（ｉｉ）での所望のパターンは印刷チャンバに結像され、その不要なパターンは、図５に関して論じるようなビームダンプまたはスイッチヤードシステムに結像される。

【0032】

２つの書き込みビーム（１８０Ｄ（ｉｉ）および１９０Ｄ（ｉｉ））は、同じ画像を搬送する必要はなく、各チャネルに提示される画像に関係なくフリンジフィールドが設定される；２４０Ｄ（ｉｉ）での応答は上述したようなものであるが、２６０Ｄ（ｉｉ）に付与される最終的なパターンは、１８０Ｄ（ｉｉ）と１９０Ｄ（ｉｉ）に含まれる２つの画像の畳み込みとなる。さらに、２００Ｄ（ｉｉ）と２１０Ｄ（ｉｉ）によって生成されたフリンジフィールドに対する１５０Ｄ（ｉｉ）の応答は、両方のフィールドが同じ時間間隔で存在することに依存する。１８０Ｄ（ｉｉ）と１９０Ｄ（ｉｉ）の時間的な重畳は、追加の速度向上を提供し、１５０Ｄ（ｉｉ）および２つの光伝導体（１３０Ｄ（ｉｉ）と１７０Ｄ（ｉｉ））の緩和時間に依存し、高速ＬＶを提供する。

【0033】

１つの書き込みビームがある場合、または両方の書き込みビーム（１８０Ｄ（ｉｉ）と１９０Ｄ（ｉｉ））がなく、パターン化されていないＨＦＬビーム（２７０Ｄ（ｉｉ））が１１０Ｄ～Ｉに入る場合、パターン光学応答は１５０Ｄ（ｉｉ）に含まれず、２７０Ｄ（ｉｉ）は、パターン化されていないＨＦＬビーム（２８０Ｄ（ｉｉ））として１１０Ｄ（ｉｉ）から出て、これは、図５に関して論じるようなビームダンプまたはスイッチヤードシステムに結像される。

【0034】

図１Ｅは、インプレーンスイッチングを利用する高速ＬＶ１００Ｅの一例を示している。ＬＶ１１０Ｅは、上部ＴＣＯ（１２０Ｅ）、光伝導体（１３０Ｅ）、上部ＩＭＬ（１４０Ｅ）、ＬＥＯ層（１５０Ｅ）、底部ＩＭＬ（１６０Ｅ）、および支持基板（１７０Ｅ）から構成される。１５０Ｅは、フリンジフィールドに反応する材料から構成され、典型的には垂直配向（ＶＡ）されている電気制御複屈折液晶（ＥＣＢ－ＬＣ）である。インプレーンＬＣシステムは非常に薄くすることができ、しかしこの条件により、このデバイスクラスでのＬＣが非常に大きな複屈折を有し、実用に十分なコントラスト比を実現する必要がある。ＬＣベースのＬＶのフレーム速度は、公称ＬＶと比べて厚さ低減の２乗となるので、フレーム速度は、公称よりも１～２桁大きくなり得る。

【0035】

１１０Ｅのアクティブ化は、２つのパターン化された書き込みビーム（１８０Ｅと１９０Ｅ）から始まり、どちらもλ２で動作し、左から１１０Ｅに入り、１３０Ｅに進み、１３０Ｅ内に２つの電圧パターン（２００Ｅと２１０Ｅ）を生成する。２００Ｅと２１０Ｅとのフィールド干渉パターンは、１４０Ｅの直後に１５０Ｅに入って２つのパターン間のインプレーンフリンジフィールドを生成し、これは２２０Ｅによって表される。インプレーンフリンジフィールドは、干渉フィールド２２０Ｅに従って１５０Ｅ（２３０Ｅ）内のＬＥＯ材料を変性し、１８０Ｅと１９０Ｅに含まれる画像を反映する光学応答を２３０Ｅ内で課す。

【0036】

ＨＦＬビーム（２４０Ｅ）が左から１１０Ｅに入り、上述したように２つの同様に生成された干渉間のインプレーンスイッチングによって引き起こされる１５０Ｅのパターン化されたセクション（２５０Ｅとして示される）と相互作用する。１５０Ｅへの２５０Ｅの提供の詳細は、わかりやすくするために省かれている。１５０Ｅ（２５０Ｅ）でのパターン光学応答は、そのパターンを２４０Ｅに付与し、２４０Ｅは、パターン化されたＨＦＬビーム（２６０Ｅ）として出て、このパターン化の所望の部分は印刷チャンバに進み、不要な部分はビームダンプまたはスイッチヤードシステムに進む。一方または両方の書き込みビームが存在しない場合、パターン化されていないＨＦＬビーム（２７０Ｅ）は、パターン化されていない１５０Ｅボリュームと相互作用し、依然としてパターン化されていないまま２８０Ｅとして１１０Ｅから出て、図５に関して論じるようなビームダンプまたはスイッチヤードシステムのいずれかに結像される。

【0037】

図１Ｆ（ｉ）および図１Ｆ（ｉｉ）は、両図を合わせて、高速ＬＶシステム（ＨＳＬＶユニット）１００Ｆ（ｉ）およびそのタイミング１００Ｆ（ｉｉ）に関するアーキテクチャの一例を示している。この概略レイアウトには、高速エリアＬＶ（別名、ＰＩセル）スイッチおよび低速パターン化ＬＶがあり、このアーキテクチャを実現するためのサポート光学系もあり、それらはわかりやすくするために省かれている。パターン化されていないＨＦＬビーム（１１０Ｆ（ｉ））は、１００Ｆ（ｉ）に入り、ＰＩセル１２０Ｆ（ｉ）によって、２つの取り得る経路／チャネルの一方、すなわち１３０Ｆ（ｉ）または２４０Ｆ（ｉ）のいずれかに切り替えられる。１２０Ｆ（ｉ）が、入射する１１０Ｆ（ｉ）を１３０Ｆ（ｉ）チャネルに切り替えたと仮定すると、パターン化されていないＨＦ（ｉ）Ｌビームは、パターン化されていないＰＩセル（１４０Ｆ（ｉ））の第２層に入り、この第２層は、１３０Ｆ（ｉ）を２つの経路／チャネルの一方、すなわち１５０Ｆ（ｉ）または１６０Ｆ（ｉ）のいずれかに入れることができる。１４０Ｆ（ｉ）がアクティブになり、１３０Ｆ（ｉ）でのパターン化されていないＨＦＬビームが１５０Ｆ（ｉ）チャネルに切り替えられると仮定する。パターン化されていないＨＦＬビーム１５０Ｆ（ｉ）は、パターン化ＬＶ１７０Ｆ（ｉ）に入り、タイムスロットｔ１中にパターン化される。パターン化されたＨＦ（ｉ）Ｌビームは、１７０Ｆ（ｉ）から出て、経路１９０Ｆ（ｉ）に沿って進み、そこで、非パターン化第３層ＰＩセル（２１０Ｆ（ｉ））によって２２０Ｆ（ｉ）に切り替えられる。パターン化されたＨＦＬビームは、２２０Ｆ（ｉ）に沿って、第４層の非パターン化ＰＩセル（２３０Ｆ（ｉ））に進み、ＰＩセル（２３０Ｆ（ｉ））は、様々な信号をチャネル３４０Ｆ（ｉ）に統合し、そこでタイムスロットｔ１で印刷チャンバに結像される。

【0038】

同様に、パターン化されていないＨＦＬを、１１０Ｆ（ｉ）から１２０Ｆ（ｉ）を通って１３０Ｆ（ｉ）に入り、１４０Ｆ（ｉ）を通って１６０Ｆ（ｉ）に入るように導く経路は、パターン化されていないＨＦＬビームが、時間ｔ２でパターン化ＬＶ１８０Ｆ（ｉ）によってパターン化されるようにする。１８０Ｆ（ｉ）の出力は、２００Ｆ（ｉ）に沿って２１０Ｆ（ｉ）に進み、２１０Ｆ（ｉ）は、パターン化されたＨＦＬビーム２００Ｆ（ｉ）を２２０Ｆ（ｉ）に進め、それにより、ここでも、２３０Ｆ（ｉ）がその画像をタイムスロットｔ２内に３４０Ｆ（ｉ）に統合して、印刷チャンバに送信できるようにする。

【0039】

同様に、初期のパターン化されていないＨＦＬビームは、経路２４０Ｆ（ｉ）および２６０Ｆ（ｉ）に沿って、ＰＩセル２５０Ｆ（ｉ）を介して（時間ｔ３で）パターン化ＬＶ２８０Ｆ（ｉ）に送信することができる。２８０Ｆ（ｉ）からのパターン化されたＨＦＬ結果は、３００Ｆ（ｉ）に沿って進み、経路３００Ｆ（ｉ）および３３０Ｆ（ｉ）に沿ってＰＩセル３２０Ｆ（ｉ）および２３０Ｆ（ｉ）を介して（タイムスロットｔ３で）３４０Ｆ（ｉ）に統合される。同様に、パターン化されていないＨＦＬビームは、ＰＩセル２５０Ｆ（ｉ）を介して２４０Ｆ（ｉ）および２７０Ｆ（ｉ）を進むことによって、タイムスロットｔ４でパターン化ＬＶ２９０Ｆ（ｉ）によってパターン化することができる。タイムスロットｔ４での２９０Ｆ（ｉ）（３１０Ｆ（ｉ））から３４０Ｆ（ｉ）へのパターン化されたＨＦＬ出力の統合は、パス３１０Ｆ（ｉ）および３３０Ｆ（ｉ）を進み、３２０Ｆ（ｉ）を通過し、最後に２３０Ｆ（ｉ）を通過することによって達成される。それぞれタイムスロットｔ１、ｔ２、ｔ３、およびｔ４で１７０Ｆ（ｉ）、１８０Ｆ（ｉ）、２８０Ｆ（ｉ）、および２９０Ｆ（ｉ）によって付与されたパターンから生じたパターン化されたＨＦＬビームのシーケンスが２３０Ｆ（ｉ）から出て、したがって、ただ１つのパターン化ＬＶが使用された場合に実現することができるフレームレートに比べて４倍の向上を生み出す。

【0040】

タイミングシーケンスは３５０Ｆ（ｉ）に示されており、３６０Ｆ（ｉ）は、１２０Ｆ（ｉ）（ＰＩセルの第１層）のタイミングシーケンスである。ＰＩセルの第２層（１４０Ｆ（ｉ）および２５０Ｆ（ｉ））は、それぞれ３７０Ｆ（ｉ）および４２０Ｆ（ｉ）に示されるタイミング図を有する。低速パターン化ＬＶ（１７０Ｆ（ｉ）、１８０Ｆ（ｉ）、２８０Ｆ（ｉ）、および２９０Ｆ（ｉ））は、それぞれ４００Ｆ（ｉ）、４１０Ｆ（ｉ）、４３０Ｆ（ｉ）、および４４０Ｆ（ｉ）のタイミング図を有する。ＰＩセルの第３層（２１０Ｆ（ｉ）および３２０Ｆ（ｉ））は、それぞれ３８０Ｆ（ｉ）および４５０Ｆ（ｉ）に示されるタイミング図を有する。ＰＩセルの第４層（２３０Ｆ（ｉ））は、３９０Ｆ（ｉ）に示されるタイミング図を有する。高速ＬＶシステム（チャネル３４０Ｆ（ｉ））の出力のタイミング図は、４６０Ｆ（ｉ）に示されている。個々のパターン化ＬＶのフレームレート（４８０Ｆ（ｉ））（４００Ｆ（ｉ）のタイミングの周りに点線のボックスとして示される）をＬＶシステムに関するフレームレート（点線のボックス４９０Ｆ（ｉ））と比較すると、ＬＶシステムが、第２層アップ／ダウンシステムに関して４倍速いフレームレートを有することがわかる。このアーキテクチャは、単一のＬＶシステムに比べて２Ｎの速度向上を可能にし、ここで、Ｎは、システム内のパターン化ＬＶの前／後のＰＩセルの層数である。このアーキテクチャは、ＰＩセルが低速パターン化ＬＶのスイッチング速度の４倍を超えることを必要とする。１００Ｆ（ｉ）に示される構成は、高速バイナリスイッチＬＶシステムのユニットである。

【0041】

図１Ｆ（ｉｉｉ）は、図１Ｆ（ｉ）の高速ＬＶシステムのためのマルチポイントＬＶスイッチ１００Ｆ（ｉｉ）の使用の一例を示している。単一の高速マルチポイント非パターン化ＬＶスイッチは、低速パターン化ＬＶの１Ｄまたは２Ｄアレイに入力する／そこから出力する入力ゲートと出力ゲートとの両方に使用される。パターン化されていないＨＦＬビーム（１１０Ｆ（ｉ））が、マルチポイント走査／スターリングＬＶ（１２０Ｆ（ｉ））に入り、１６０Ｆ（ｉ）として示される低速パターン化ＬＶのアレイの任意の１つに走査される。１６０Ｆ～Ｉの各側にプリズムアレイがあり、プリズムアレイは、角度の付いたパターン化されていないＨＦＬ（１３０Ｆ（ｉ））を受け、１６０Ｆ（ｉ）でそれを直進させて、任意の１つのパターン化ＬＶの空間解像度を最適化する。各パターン化ＬＶは１２０Ｆ～Ｉに対して正確な位置にあるので、１５０Ｆ（ｉ）は、プリズム構成要素の静的アレイでよい。ＨＦＬは、タイムスロットｔｉで１６０Ｆ（ｉ）内の任意の１つのパターン化ＬＶによってパターン化された後、別のプリズムアレイ（１７０Ｆ（ｉ））を通過する。第２のプリズムアレイ（１７０Ｆ（ｉ））は、パターン化されたＨＦＬビーム（１８０Ｆ（ｉ））を、第２の非パターン化高速マルチポイントＬＶに偏向し、このマルチポイントＬＶは、１８０Ｆ（ｉ）を１００Ｆ（ｉ）の出力チャネルにリダイレクトして、印刷チャンバに結像されるパターン化されたパルスのトレインの一部を形成するように設定される。１３０Ｆ（ｉ）および１８０Ｆ（ｉ）は、（それぞれ）パターンＬＶアレイに入るおよび出る最初のチャネルを表し、このアレイに入るおよび出る最後のチャネルは、（それぞれ）１４０Ｆ（ｉ）および１９０Ｆ（ｉ）によって表される。

【0042】

この構成でチャネル選択が行われるいくつかの異なる方法があり、最初のチャネル（１３０Ｆ（ｉ）／１８０Ｆ（ｉ））から最後のチャネル（１４０Ｆ（ｉ）／１９０Ｆ（ｉ））まで順次に行われる、または１３０Ｆ（ｉ）／１８０Ｆ（ｉ）で始まらない、もしくは１４０Ｆ（ｉ）／１９０Ｆ（ｉ）で終わらないなどの変形形態がある。標準的な（単一の）ＬＶシステムのフレーム速度に比べたこの方法のフレーム速度の向上は、１２０Ｆ（ｉ）／２００Ｆ（ｉ）が行うことができる一意であり制御可能な指向方向の数（Ｍｘ）に等しい。さらに、この方法は、１２０Ｆ（ｉ）／２００Ｆ（ｉ）が、１６０Ｆ（ｉ）での低速パターン化ＬＶの任意の１つのＭ倍高速であることを必要とし、ここで、Ｍは、１２０Ｆ（ｉ）／２００Ｆ（ｉ）が達成することができる一意のアドレス指定可能な方向の数に等しい。１００Ｆ（ｉ）の構成は、高速マルチポイントスイッチＬＶシステムのユニットである。

【0043】

図１Ｇは、ＨＳＬＶユニット１００Ｇのアレイを使用するアーキテクチャの一例を示している。バイナリ高速アーキテクチャ（１１０Ｇ）に関する概略が使用されて示されているが、マルチポイント実施形態を使用することもできることに留意されたい。バイナリスイッチＬＶシステムは、非パターン化高速エリアＬＶスイッチ（１２０Ｇによって例示される）および低速パターン化ＬＶ（１３０Ｇによって例示される）を含む。１１０Ｇの３Ｄ表現が１４０Ｇで表され、１５０Ｇおよび１６０Ｇがそれぞれ１２０Ｇおよび１３０Ｇに相当する。１４０Ｇの端面図が１７０Ｇに示され、１８０Ｇおよび１９０Ｇがそれぞれ１２０Ｇおよび１３０Ｇに相当する。高速ＬＶシステムのこの単位セルを配列することができ（２００Ｇ）、２１０Ｇが１つのそのような単位を表す。１７０Ｇを配列して２００Ｇにすることにより、高速ＬＶシステムの概念が空間に拡張されて、高速エリア印刷エンジン、図５に関して論じるようなスイッチヤードに関する代替アーキテクチャ、または固体走査システムを実現することができる。

【0044】

上述した相変化ライトバルブシステムと組み合わせて、様々な波長の広範なレーザを使用することができる。いくつかの実施形態では、使用可能なレーザのタイプには、ガスレーザ、化学レーザ、色素レーザ、金属蒸気レーザ、固体レーザ（例えばファイバ）、半導体（例えばダイオード）レーザ、自由電子レーザ、ガスダイナミックレーザ、「ニッケル様」サマリウムレーザ、ラマンレーザ、または核ポンプレーザが含まれるが、これらに限定されない。

【0045】

ガスレーザには、ヘリウム－ネオンレーザ、アルゴンレーザ、クリプトンレーザ、キセノンイオンレーザ、窒素レーザ、二酸化炭素レーザ、一酸化炭素レーザ、またはエキシマレーザなどのレーザを含めることができる。

【0046】

化学レーザには、フッ化水素レーザ、フッ化重水素レーザ、ＣＯＩＬ（化学酸素－ヨウ素レーザ）、またはＡｇｉｌ（全気相ヨウ素レーザ）などのレーザを含めることができる。

【0047】

金属蒸気レーザは、ヘリウム－カドミウム（ＨｅＣｄ）金属－蒸気レーザ、ヘリウム－水銀（ＨｅＨｇ）金属－蒸気レーザ、ヘリウム－セレン（ＨｅＳｅ）金属－蒸気レーザ、ヘリウム－銀（ＨｅＡｇ）金属－蒸気レーザ、ストロンチウム蒸気レーザ、ネオン－銅（ＮｅＣｕ）金属－蒸気レーザ、銅蒸気レーザ、金蒸気レーザ、またはマンガン（Ｍｎ／ＭｎＣｌ_２）蒸気レーザなどのレーザを含み得る。ルビジウムなどのアルカリ金属蒸気レーザも使用できる。固体レーザには、ルビーレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ＮｄＣｒＹＡＧレーザ、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、ネオジウムＹＬＦ（Ｎｄ：ＹＬＦ）固体レーザ、ネオジウムドープイットリウムオルトバナデート（Ｎｄ：ＹＶＯ_４）レーザ、ネオジウムドープオキソホウ酸イットリウムカルシウムＮｄ：ＹＣａ_４Ｏ（ＢＯ_３）^３または単にＮｄ：ＹＣＯＢ、ネオジウムガラス（Ｎｄ：ガラス）レーザ、チタンサファイア（Ｔｉ：サファイア）レーザ、ツリウムＹＡＧ（Ｔｍ：ＹＡＧ）レーザ、イッテルビウムＹＡＧ（Ｙｂ：ＹＡＧ）レーザ、イッテルビウム：２Ｏ_３（ガラスまたはセラミック）レーザ、イッテルビウムドープガラスレーザ（ロッド、プレート／チップ、およびファイバ）、ホルミウムＹＡＧ（Ｈｏ：ＹＡＧ）レーザ、クロムＺｎＳｅ（Ｃｒ：ＺｎＳｅ）レーザ、セリウムドープリチウムストロンチウム（またはカルシウム）フッ化アルミニウム（Ｃｅ：ＬｉＳＡＦ、Ｃｅ：ＬｉＣＡＦ）、プロメチウム１４７ドープリン酸塩ガラス（１４７Ｐｍ^＋３：ガラス）固体レーザ、クロミウムドープクリソベリル（アレキサンドライト）レーザ、エルビウムドープおよびエルビウムイッテルビウム共ドープガラスレーザ、三価ウランドープフッ化カルシウム（Ｕ：ＣａＦ_２）固体レーザ、二価サマリウムドープフッ化カルシウム（Ｓｍ：ＣａＦ_２）レーザ、またはＦセンターレーザなどのレーザを含み得る。

【0048】

半導体レーザには、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＯ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、鉛塩、垂直共振器形面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、量子カスケードレーザ、ハイブリッドシリコンレーザ、またはこれらの組み合わせなどのレーザ媒質タイプを含めることができる。

【0049】

図２は、積層製造システム２００における、本明細書に開示されるような高速ライトバルブの使用を示している。レーザ源２０２は、レーザ前置増幅器および／または増幅器２０４を介してレーザビームを高速ライトバルブ２０６に向ける。パターン化後、光を印刷床２１０に向けることができる。いくつかの実施形態では、レーザ源２０２、レーザ前置増幅器および／または増幅器２０４、または高速ライトバルブ２０６からの熱またはレーザエネルギーは、熱伝達、熱機関、冷却システム、およびビームダンプ２０８に能動的または受動的に転送することができる。ライトバルブベースの積層製造システム２００の全体的な動作は、レーザ出力およびタイミングを変更することができる１つまたは複数のコントローラ２２０によって制御することができる。

【0050】

いくつかの実施形態では、様々な前置増幅器または増幅器２０４を任意選択で使用してレーザ信号に高利得を提供し、それとともに、光変調器およびアイソレータをシステム全体に分散させて、光損傷を低減または回避し、信号コントラストを向上させ、システム２００のより低いエネルギー部分に対する損傷を防ぐことができる。光変調器およびアイソレータには、ポッケルス（Ｐｏｃｋｅｌｓ）セル、ファラデー回転子、ファラデーアイソレータ、音響光学反射器、またはボリュームブラッグ格子を含めることができるが、これらに限定されない。前置増幅器または増幅器２０４は、ダイオード励起増幅器またはフラッシュランプ励起増幅器でよく、シングルパスおよび／またはマルチパスまたはキャビティタイプのアーキテクチャで構成することができる。理解されるように、本明細書における前置増幅器という用語は、（より大きい）レーザ増幅器に比べて熱的に制限されない（すなわちより小さい）増幅器を表すために使用される。増幅器は、典型的には、レーザシステム２００での最終ユニットになるように配置され、限定はされないが熱破壊や過度の熱レンズ効果などの熱損傷を受けやすい最初のモジュールになる。

【0051】

レーザ前置増幅器は、エネルギー効率に過度に関係しないシステムで使用可能なシングルパス前置増幅器を含むことができる。よりエネルギー効率の高いシステムの場合、次の段階に進む前に各前置増幅器２０４から多くのエネルギーを抽出するようにマルチパス前置増幅器を構成することができる。特定のシステムに必要とされる前置増幅器２０４の数は、システム要件、および各増幅器モジュールで利用可能な蓄積エネルギー／利得によって定義される。マルチパス前置増幅は、角度多重化または偏光スイッチング（例えば、波長板またはファラデー回転子を使用する）によって達成することができる。

【0052】

代わりに、前置増幅器は、回生増幅器タイプ構成を備えるキャビティ構造を含むことができる。そのようなキャビティ構造は、典型的な機械的考慮事項（キャビティの長さ）により最大パルス長を制限する可能性があるが、いくつかの実施形態では、「ホワイトセル」キャビティを使用することができる。「ホワイトセル」は、各パスに小さな角度ずれが追加されるマルチパスキャビティアーキテクチャである。入口および出口経路を提供することによって、そのようなキャビティは、入口と出口との間に非常に多数のパスを有するように設計することができ、増幅器の大きな利得と効率的な使用を可能にする。ホワイトセルの一例は、ビームがわずかにオフ軸で注入され、ミラーが傾いている共焦点キャビティであり、多くのパスの後に反射がミラーにリングパターンを作成する。注入およびミラー角度を調整することによって、パスの数を変更することができる。

【0053】

増幅器は、システムエネルギー要件を満たすのに十分な蓄積エネルギーを提供するためにも使用され、それとともに、ダイオードであるか励起されるフラッシュランプであるかにかかわらず、システムに必要とされる繰り返し率での動作を可能にするのに十分な熱管理をサポートする。動作中に生成される熱エネルギーとレーザエネルギーとの両方を、熱伝達、熱機関、冷却システム、およびビームダンプ２０８に向けることができる。

【0054】

増幅器は、シングルパスおよび／またはマルチパスまたはキャビティタイプのアーキテクチャで構成することができる。増幅器は、エネルギー効率に過度に関係しないシステムで使用可能なシングルパス増幅器を含むことができる。よりエネルギー効率の高いシステムの場合、次の段階に進む前に各増幅器から多くのエネルギーを抽出するようにマルチパス増幅器を構成することができる。特定のシステムに必要とされる増幅器の数は、システム要件、および各増幅器モジュールで利用可能な蓄積エネルギー／利得によって定義される。マルチパス前置増幅は、角度多重化、偏光スイッチング（波長板、ファラデー回転子）によって達成することができる。代わりに、増幅器は、回生増幅器タイプ構成を備えるキャビティ構造を含むことができる。前置増幅器に関して論じたように、出力増幅のために増幅器を使用することができる。

【0055】

いくつかの実施形態では、システム２００の動作中に生成される熱エネルギーとレーザエネルギーとを、熱伝達、熱機関、冷却システム、およびビームダンプ２０８に向けることができる。代わりに、またはそれに加えて、いくつかの実施形態では、ビームダンプ２０８は、他の産業プロセスに有用な熱を提供するための熱伝達システムの一部でよい。さらに他の実施形態では、熱を使用して、機械的、熱電気的、または電気的な力を生成するのに適した熱機関にエネルギー供給することができる。いくつかの実施形態では、廃熱を使用して、接続された構成要素の温度を上昇させることができる。理解されるように、このアーキテクチャでは、適切な熱管理および光分離を伴ってより多くの前置増幅器および増幅器を追加することによって、レーザ光束およびエネルギーをスケーリングすることができる。冷却システムの熱除去特性の調整が可能であり、性能を調整するためにポンプ速度の増加または冷却効率の変更が使用される。

【0056】

図３は、本開示で記載されるような高速ライトバルブを収容することができる積層製造システム３００を示している。図３で見られるように、レーザ源および増幅器３１２は、共振ベースのライトバルブおよびレーザ増幅器、ならびに前述したような他の構成要素を含むことができる。図３に示すように、積層製造システム３００は、レーザパターン化システム３１０の一部として１次元または２次元の指向性エネルギーを提供できるレーザを使用する。いくつかの実施形態では、１次元パターン化は、直線状または曲線状のストリップ、ラスタ状の線、スパイラル状の線、またはその他の任意の適切な形式で指示することができる。２次元パターン化には、分離されたタイルや重複したタイル、またはレーザの強度が変化する画像を含めることができる。非正方形の境界を有する２次元画像パターンを使用することができ、重複または相互貫通画像を使用することができ、２つ以上のエネルギーパターン化システムによって画像を提供することができる。レーザパターン化システム３１０は、レーザ源と増幅器３１２を使用して、１つまたは複数の連続または断続的なエネルギービームをビーム成形光学系３１４に向ける。成形後、必要に応じて、ビームは、透過型ライトバルブまたは反射型ライトバルブを含むレーザパターン化ユニット３１６によってパターン化され、一般的に、一部のエネルギーは拒絶エネルギー処理ユニット３１８に向けられる。拒絶エネルギー処理ユニットは、ライトバルブのアクティブな冷却によって提供される熱を利用することができる。

【0057】

パターン化されたエネルギーは、床３４６の近くに焦点を合わせた２次元画像３２２としての一実施形態において、画像リレー３２０によって物品処理ユニット３４０に向けて中継される。床３４６（任意選択の壁３４８を有する）は、材料ディスペンサ３４２によって分注される材料３４４（例えば金属粉末）を含むチャンバを形成することができる。画像リレー３２０によって指示されるパターン化されたエネルギーは、溶融、融合、焼結、結合、結晶構造の変化、応力パターンへの影響、またはその他の方法で、化学的または物理的に、分注された材料３４４を変更して、所望の特性を有する構造を形成することができる。制御プロセッサ３５０は、様々なセンサ、アクチュエータ、加熱または冷却システム、モニタ、およびコントローラに接続して、レーザ源と増幅器３１２、ビーム成形光学系３１４、レーザパターン化ユニット３１６、および画像リレー３２０、およびシステム３００の他の構成要素の動作を調整することができる。理解されるように、接続は有線または無線で、連続または断続的に行うことができ、フィードバック（例えば、感知された温度に応じて熱加熱を調整することができる）の機能を備えている。

【0058】

いくつかの実施形態では、ビーム成形光学系３１４は、レーザ源および増幅器３１２から受信した１つまたは複数のレーザビームをレーザパターン化ユニット３１６に向けて、結合、集束、発散、反射、屈折、均質化、強度の調整、周波数の調整、またはその他の方法で成形および指向させるために、非常に多様な撮像光学系を含むことができる。一実施形態では、それぞれが異なる光波長を有する複数の光ビームを、波長選択ミラー（例えば二色性）または回折要素を使用して組み合わせることができる。他の実施形態では、多面鏡、マイクロレンズ、および屈折または回折光学要素を使用して、複数のビームを均質化または組み合わせることができる。

【0059】

レーザパターン化ユニット３１６は、静的または動的エネルギーパターン化要素を含むことができる。例えば、レーザビームは固定または可動要素を有するマスクによって遮断することができる。画像パターン化の柔軟性と容易さを高めるために、ピクセルアドレス指定可能なマスキング、画像生成、または伝送を使用できる。いくつかの実施形態では、レーザパターン化ユニットは、単独で、または他のパターン化機構と組み合わせて、パターン化を提供するアドレス指定可能なライトバルブを含む。ライトバルブは、透過型、反射型、または透過型と反射型の要素を組み合わせて使用するものとできる。パターンは、電気的または光学的アドレス指定を使用して動的に変更できる。一実施形態では、光学的にアドレス指定された透過型ライトバルブは、バルブを通過する光の偏光を回転させるように作用し、光学的にアドレス指定されたピクセルは、光投影源によって定義されるパターンを形成する。別の実施形態では、光学的にアドレス指定された反射型ライトバルブが、読み出しビームの偏光を変更するための書き込みビームを含む。特定の実施形態では、光学的にアドレス指定されていないライトバルブを使用することができる。これらには、電気的にアドレス指定可能なピクセル要素、可動ミラーまたはマイクロミラーシステム、ピエゾまたはマイクロ作動光学系、固定マスクまたは可動マスク、またはシールド、または高強度の光のパターン化を提供できるその他の従来のシステムが含まれ得るが、これらに限定されない。

【0060】

拒絶エネルギー処理ユニット３１８は、パターン化されず画像リレー３２０を通過しないエネルギーを分散、リダイレクト、または利用するために使用される。一実施形態では、拒絶エネルギー処理ユニット３１８は、レーザ源、ライトバルブ、および増幅器３１２と、レーザパターン化ユニット３１６との両方から熱を除去する受動または能動の冷却要素を含むことができる。他の実施形態では、拒絶エネルギー処理ユニットは、レーザパターンの定義に使用されないビームエネルギーを吸収して熱に変換するための「ビームダンプ」を含むことができる。さらに他の実施形態では、ビーム成形光学系３１４を使用して、拒絶レーザビームエネルギーを再利用することができる。代わりに、またはそれに加えて、拒絶ビームエネルギーを加熱またはさらなるパターン化のために物品処理ユニット３４０に向けることができる。特定の実施形態では、拒絶ビームエネルギーを追加のエネルギーパターン化システムまたは物品処理ユニットに向けることができる。

【0061】

一実施形態では、「スイッチヤード」スタイルの光学系を使用することができる。スイッチヤードシステムは、印刷されるパターンによる不要な光の拒絶によって生じる、積層製造システムで無駄になる光を減らすのに適している。スイッチヤードには、複雑なパターンの生成（この場合、構造化ビームまたは非構造化ビームに空間パターンが付与される平面）から一連のスイッチポイントを介した送達への複雑なパターンのリダイレクトが含まれる。各スイッチポイントは、必要に応じて入射ビームの空間プロファイルを変更できる。スイッチヤード光学系は、例えば、限定されず、光にマスクを適用するレーザベースの積層製造技術に利用することができる。有利なことに、本開示に従った様々な実施形態において、捨てられたエネルギーは、均質化された形態で、あるいは、高い電力効率または高いスループット率を維持するために使用されるパターン化された光として再利用され得る。さらに、捨てられたエネルギーを再利用および再使用して強度を高め、より難しい材料を印刷することができる。

【0062】

画像リレー３２０は、レーザパターン化ユニット３１６から直接またはスイッチヤードを介してパターン化された画像（１次元または２次元）を受信し、それを物品処理ユニット３４０にガイドすることができる。ビーム成形光学系３１４と同様の方法で、画像リレー３２０は、結合、集束、発散、反射、屈折、強度の調整、周波数の調整、またはその他の方法でパターン化された光を成形して指向させるための光学系を含むことができる。パターン化された光は、実質的な物理的移動を必要としない可動ミラー、プリズム、回折光学要素、または固体光学系を使用して指向させることができる。複数のレンズアセンブリのうちの１つは、倍率比を有する入射光を提供するように構成でき、レンズアセンブリは光学レンズの第１セットと光学レンズの第２セットの両方を備え、光学レンズの第２セットはレンズアセンブリから交換可能である。補償ガントリに取り付けられた１つまたは複数のミラーセットと構築プラットフォームガントリに取り付けられた最終的なミラーの回転を使用して、先行ミラーからの入射光を所望の場所に向けることができる。補償ガントリと構築プラットフォームガントリの並進運動はまた、物品処理ユニット３４０の先行ミラーからの入射光の距離が実質的に画像距離と同等であることを保証することができる。事実上、これにより、システムの高可用性を確保しながら、異なる材料の構築領域の場所全体で光ビームの送達サイズと強度を迅速に変更することができる。

【0063】

物品処理ユニット３４０は、壁付きチャンバ３４８および床３４４（総体として構築チャンバを画定する）と、材料を分散するための材料ディスペンサ３４２とを含むことができる。材料ディスペンサ３４２は、分散、除去、混合、材料のタイプや粒径のグラデーションや変化の付与、または材料の層厚の調整が可能である。この材料には、金属、セラミック、ガラス、高分子粉末、固体から液体への熱的に誘起された相変化と再び戻ることができる他の可溶材料、またはそれらの組み合わせが含まれ得る。この材料にはさらに、可溶材料と不溶材料の複合材料が含まれ、いずれかまたは両方の成分を撮像リレーシステムによって選択的にターゲットにして、溶融可能な成分を溶融させる一方で、不溶材料に沿って残すか、または気化／破壊／燃焼またはその他の破壊プロセスを行わせることができる。特定の実施形態では、スラリー、スプレー、コーティング、ワイヤー、ストリップ、または材料シートを使用することができる。不要な材料は、送風機、真空システム、掃引、振動、震え、傾斜、または床３４６の反転を使用して、使い捨てまたは再利用のために除去することができる。

【0064】

物品処理ユニット３４０は、材料を扱う構成要素に加えて、３Ｄ構造を保持して支持するための構成要素、チャンバを加熱または冷却するための機構、補助または支持光学系、ならびに材料または環境条件を監視または調整するためのセンサおよび制御機構を含むことができる。物品処理ユニットは、全体または部分的に、真空または不活性ガス大気を支持して、不要な化学的相互作用を減らし、火災または爆発（特に反応性金属）のリスクを軽減することができる。いくつかの実施形態では、様々な純粋または他の大気の混合物が使用され得、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ、ＣＯ_２、Ｎ_２、Ｏ_２、ＳＦ_６、ＣＨ_４、ＣＯ、Ｎ_２Ｏ、Ｃ_２Ｈ_２、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_３Ｈ_６、Ｃ_３Ｈ_８、ｉ－Ｃ_４Ｈ_１０、Ｃ_４Ｈ_１０、１－Ｃ_４Ｈ_８、ｃｉｃ－２、Ｃ_４Ｈ_７、１，３－Ｃ_４Ｈ_６、１，２－Ｃ_４Ｈ_６、Ｃ_５Ｈ_１２、ｎ－Ｃ_５Ｈ_１２、ｉ－Ｃ_５Ｈ_１２、ｎ－Ｃ_６Ｈ_１４、Ｃ_２Ｈ_３Ｃｌ、Ｃ_７Ｈ_１６、Ｃ_８Ｈ_１８、Ｃ_１０Ｈ_２２、Ｃ_１１Ｈ_２４、Ｃ_１２Ｈ_２６、Ｃ_１３Ｈ_２８、Ｃ_１４Ｈ_３０、Ｃ_１５Ｈ_３２、Ｃ_１６Ｈ_３４、Ｃ_６Ｈ_６、Ｃ_６Ｈ_５－ＣＨ_３、Ｃ_８Ｈ_１０、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ、ＣＨ_３ＯＨ、ｉＣ_４Ｈ_８を含むものを含む。いくつかの実施形態では、冷媒または大きな不活性分子（六フッ化硫黄を含むがこれに限定されない）を使用することができる。選択されたパーセンテージの不活性／非反応性ガスとともに、体積（または数密度）で少なくとも約１％のＨｅを有するエンクロージャ大気組成を使用することができる。

【0065】

特定の実施形態では、それぞれが粉末床を保持するための構築プラットフォームを有する複数の物品処理ユニットまたは構築チャンバを、１つまたは複数の入射エネルギービームを受け取って構築チャンバに向けるように配置された複数の光学機械アセンブリと組み合わせて使用することができる。複数のチャンバにより、１つまたは複数の構築チャンバ内での１つまたは複数の印刷ジョブを同時に印刷できる。他の実施形態では、着脱可能なチャンバ側壁は、構築チャンバからの印刷された物体の取外しを簡略化することができ、粉末材料の迅速な交換を可能にする。チャンバには、調整可能なプロセス温度制御機能を装備することもできる。さらに他の実施形態では、構築チャンバは、レーザ光学系の近くに配置可能な着脱可能なプリンタカートリッジとして構成することができる。いくつかの実施形態では、着脱可能なプリンタカートリッジは、粉体を含む、または粉体供給源への取外し可能な接続を支持することができる。物品の製造後、着脱可能なプリンタカートリッジを取り外して、新しいプリンタカートリッジに交換することができる。

【0066】

別の実施形態では、１つまたは複数の物品処理ユニットまたは構築チャンバは、固定された高さに維持される構築チャンバを有することができ、一方、光学系は垂直に移動できる。レンズアセンブリの最終光学系と粉末床ａの上面との間の距離は、構築プラットフォームを固定された高さに保ったまま、最終光学系を粉末層の厚さに相当する距離だけ上方にインデックスすることによって、本質的に一定に管理することができる。有利には、構築プラットフォームを垂直方向に移動させる場合と比較して、構築プラットフォームの絶えず変化する質量の正確なミクロンスケールの移動が必要ないため、大きくて重い対象物をより簡単に製造できる。通常、約０．１～０．２立方メートル（すなわち、１００～２００リットルを超えるか、５００～１，０００ｋｇより重い）を超える体積の金属粉末を対象とする構築チャンバは、構築プラットフォームを固定された高さに保つことで最もメリットがある。

【0067】

一実施形態では、粉末床の層の一部を選択的に融解または融合して、粉末床の層の融合部分から１つまたは複数の一時的な壁を形成し、構築プラットフォーム上の粉末床の層の別の部分を含むことができる。選択された実施形態では、改善された熱管理を可能にするために、１つまたは複数の第１壁に流体通路を形成することができる。

【0068】

いくつかの実施形態では、積層製造システムは、ホッパ内で粉末床を構築プラットフォームから実質的に分離するために、傾斜する、反転する、および震えることができる粉末床を支持する構築プラットフォームを有する物品処理ユニットまたは構築チャンバを含むことができる。粉末床を形成する粉末状の材料は、後の印刷ジョブで再使用するためにホッパに回収され得る。粉末の回収プロセスは自動化され、粉末の排出と除去を支援するためにバキュームやガスジェットシステムも使用され得る。

【0069】

いくつかの実施形態では、積層製造システムは、利用可能な構築チャンバよりも長い部品を容易に扱うように構成することができる。連続した（長い）部品を、第１ゾーンから第２ゾーンへと縦方向に順次進めることができる。第１ゾーンでは、選択した粒状材料の顆粒を結合できる。第２ゾーンでは、粒状材料の未結合の顆粒を除去することができる。連続部品の第１部分は、第２ゾーンから第３ゾーンに進むことができ、一方、連続部品の最後の部分は第１ゾーン内で形成され、第１部分は、第１部分が第１ゾーンと第２ゾーン内で占めていた横方向および横断方向の同じ位置に維持される。実際には、粒状材料および／または部品の除去のために停止する必要なく、部品コンベア上の異なる場所またはゾーンで、積層製造とクリーンアップ（例えば、未使用または未結合の粒状材料の分離および／または再生）を並行して（すなわち同時に）実行することができる。

【0070】

別の実施形態では、エンクロージャの内部とエンクロージャの外部との間のガス状物質の交換を制限するエンクロージャを使用することによって、積層製造能力を向上させることができる。エアロックは、内部と外部の間のインターフェースを提供し；動力床融合を支持するものを含む、複数の積層製造チャンバを内部に有する。ガス管理システムは、内部のガス状酸素を制限酸素濃度以下に維持し、システムで使用できる粉末のタイプや処理の柔軟性を高める。

【0071】

別の製造実施形態では、物品処理ユニットまたは構築チャンバをエンクロージャ内に収容し、構築チャンバが２，０００キログラム以上の重量を有する部品を作製できるようにすることで、能力を向上させることができる。ガス管理システムは、大気レベル未満の濃度でエンクロージャ内のガス状酸素を維持することができる。いくつかの実施形態では、エアロックは、エンクロージャ内のガス環境とエンクロージャ外のガス環境の間の緩衝、およびエンクロージャとエアロックの両方の外部の場所に動作するため、車輪付き車両は、エンクロージャ内からエアロックを介して部品を搬送することができる。

【0072】

他の製造の実施形態は、粉末床からリアルタイムで粉末サンプルを収集することを含む。インゲスターシステムは、粉末サンプルのインプロセス収集と特性評価に使用される。収集は定期的に実施することができ、特性評価の結果、粉末床融合プロセスの調整が行われる。インゲスターシステムは、必要に応じて、監査、プロセス調整、またはプリンタパラメータの変更やライセンスされた粉末材料の適切な使用の確認などのアクションの１つまたは複数に使用できる。

【0073】

クレーン、リフティングガントリ、ロボットアームなどのマニピュレータ装置を使用することで、または同様に人が動かすことが困難または不可能な部品の操作を可能にする、積層製造プロセスのさらなる改善が可能であると説明されている。マニピュレータ装置は、部品上に永続的または一時的に積層製造された様々な操作点を把握し、部品の再配置や操作を可能にすることができる。

【0074】

制御プロセッサ３５０は、レーザ、レーザ増幅器、光学系、熱制御、構築チャンバ、およびマニピュレータ装置を含む、本明細書に記載されている積層製造システム３００の任意の構成要素を制御するために接続することができる。制御プロセッサ３５０は、様々なセンサ、アクチュエータ、加熱または冷却システム、モニタ、およびコントローラに接続して、動作を調整することができる。制御や監視に使用される情報を提供するために、イメージャ、光強度モニタ、熱センサ、圧力センサ、またはガスセンサなどの幅広いセンサを使用できる。制御プロセッサは、単一の中央コントローラとすることも、または代わりに、１つまたは複数の独立した制御システムを含めることもできる。コントローラプロセッサ３５０には、製造指示の入力を可能にするインターフェースが設けられている。幅広いセンサを使用することで、品質、製造スループット、およびエネルギー効率を向上させる様々なフィードバック制御機構が可能になる。

【0075】

積層または除去製造に適した高速ライトバルブの使用を支持する製造システムの動作の一実施形態を図４に示す。この実施形態では、フローチャート４００は、記述された光学構成要素および機械構成要素によって支持される製造プロセスの一実施形態を示している。ステップ４０２では、床、チャンバ、またはその他の適切な支持に材料を配置する。材料は、除去製造技術を使用したレーザ切断用の金属板、または溶融、融合、焼結、結晶構造を変化させるための誘導、応力パターンの影響を受ける、またはその他の方法で化学的または物理的に積層製造技術によって変更して所望の特性を有する構造を形成することができる粉末であり得る。

【0076】

ステップ４０４では、パターン化されていないレーザエネルギーが、固体または半導体レーザを含むがこれに限定されない、１つまたは複数のエネルギー放射体によって放出され、その後、１つまたは複数のレーザ増幅器によって増幅される。ステップ４０６では、パターン化されていないレーザエネルギーを成形し、修正する（例えば、強度変調または集束）。ステップ４０８では、高速ライトバルブによって、このパターン化されていないレーザエネルギーをパターン化し、パターンの一部を形成していないエネルギーはステップ４１０で処理される（これには、廃熱への変換、パターン化されたエネルギーまたはパターン化されていないエネルギーとしての再利用、またはステップ４０４でレーザ増幅器を冷却することによって発生する熱の廃棄を可能にする、図２および図３に関して開示されたビームダンプの使用が含まれ得る）。ステップ４１２では、ここで１次元または２次元の画像を形成するパターン化されたエネルギーが材料に向けて中継される。ステップ４１４では、画像が材料に適用され、３Ｄ構造の一部が除去処理されるか、または積層的に構築される。積層製造では、画像（または異なる画像と後続の画像）が材料の最上層の必要なすべての領域に適用されるまで、これらの手順を繰り返すことができる（ループ４１６）。材料の最上層へのエネルギーの適用が終了したら、新しい層を適用して（ループ４１８）、引き続き３Ｄ構造を構築できる。これらのプロセスループは、残った余分な材料を除去または再利用できる場合、３Ｄ構造が完成するまで継続される。

【0077】

図５は、パターン化された２次元エネルギーの再使用を可能にする高速ライトバルブおよびスイッチヤードシステムを含む積層製造システムの一実施形態である。積層製造システム５２０は、１つまたは複数の連続または断続的なレーザビームをビーム成形光学系５１４に向けるレーザおよび増幅器源５１２を備えたエネルギーパターン化システムを有する。余剰の熱は、図２、図３、および図４に関して開示されたアクティブライトバルブ冷却システムを含むことができる拒絶エネルギー処理ユニット５２２に伝達することができる。成形後、ビームは、共鳴ベースの材料に基づくエネルギーパターン化ユニット５３０によって２次元的にパターン化され、一般に、一部のエネルギーが拒絶エネルギー処理ユニット５２２に向けられる。パターン化されたエネルギーは、複数の画像リレー５３２の１つによって、１つまたは複数の物品処理ユニット５３４Ａ、５３４Ｂ、５３４Ｃ、または５３４Ｄに向けて、典型的には可動のまたは固定された高さの床の近くに焦点を合わされた２次元画像として中継される。床は、粉末ホッパまたは同様の材料ディスペンサを含むカートリッジ内にあり得る。画像リレー５３２によって指示されるパターン化されたレーザビームは、溶融、融合、焼結、結合、結晶構造の変化、応力パターンへの影響、またはその他の方法で、化学的または物理的に、分注された材料を変更して、所望の特性を有する構造を形成することができる。

【0078】

この実施形態では、拒絶エネルギー処理ユニットは、拒絶されたパターン化されたエネルギーの再使用を可能にするために複数の構成要素を有する。レーザ増幅器およびレーザ源５１２からの冷却流体は、発電機５２４、加熱／冷却熱管理システム５２５、またはエネルギーダンプ５２６のうちの１つまたは複数に向けることができる。さらに、リレー５２８Ａ、５２８Ｂ、および５２８Ｃは、エネルギーを発電機５２４、加熱／冷却熱管理システム５２５、またはエネルギーダンプ５２６にそれぞれ転送することができる。任意選択で、リレー５２８Ｃは、さらなる処理のために、パターン化されたエネルギーを画像リレー５３２に向けることができる。他の実施形態では、パターン化されたエネルギーを、リレー５２８Ｃによってリレー５２８Ｂおよび５２８Ａに向け、レーザおよび増幅器源５１２によって提供されるレーザビームに挿入することができる。画像リレー５３２を使用して、パターン化された画像の再使用も可能である。画像は、１つまたは複数の物品処理ユニット５３４Ａ～Ｄに配信するために、リダイレクト、反転、ミラーリング、サブパターン化、または他の方法で変換することができる。有利には、パターン化された光の再使用は、積層製造プロセスのエネルギー効率を改良し、いくつかの場合には床に向けられるエネルギー強度を向上させる、または製造時間を短縮することができる。

【0079】

本発明の多くの修正および他の実施形態は、上記の説明および関連する図面に示された教示の利益を有する当業者の頭に浮かぶであろう。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、修正および実施形態は、添付の特許請求の範囲に含まれることを意図していると理解される。また、本発明の他の実施形態は、本明細書で特に開示されていない要素／ステップがない場合にも実施できることが理解される。

【図1A】

【図1B(i)】

【図1B(ii)】

【図1B(iii)】

【図1C】

【図1D(i)】

【図1D(ii)】

【図1E】

【図1F(i)】

【図1F(ii)】

【図1F(iii)】

【図1G】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【国際調査報告】