特表 2023-553542 大面積アレイ化ライトバルブ

(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】2023-12-22

(54)【発明の名称】大面積アレイ化ライトバルブ

(51)【国際特許分類】

   F21V 3/00 20150101AFI20231215BHJP

   G02B 7/00 20210101ALI20231215BHJP

   F21V 3/02 20060101ALI20231215BHJP

   F21V 3/06 20180101ALI20231215BHJP

   F21V 3/10 20180101ALI20231215BHJP

   F21V 17/00 20060101ALI20231215BHJP

   F21V 17/10 20060101ALI20231215BHJP

【ＦＩ】

F21V3/00 530

G02B7/00 F

F21V3/02 500

F21V3/06

F21V3/10

F21V17/00 155

F21V17/10 350

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023526172

(86)(22)【出願日】2021-10-28

(85)【翻訳文提出日】2023-05-19

(86)【国際出願番号】 US2021057070

(87)【国際公開番号】W WO2022094094

(87)【国際公開日】2022-05-05

(31)【優先権主張番号】63/107,260

(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】キッシンジャー ドリュー ダブリュー．

(72)【発明者】

【氏名】ギレスピー ジョセフ

【テーマコード（参考）】

2H043

3K011

【Ｆターム（参考）】

2H043AE02

3K011AA01

3K011AA04

3K011FA00

(57)【要約】

積層製造システムは、基板に取り付けられた少なくとも２つの光伝導体プレートを含む。各光伝導体プレートは、個別の線形電気層および透明導電性酸化物層を含むことができる。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板に取り付けられた少なくとも２つの光伝導体プレートと
を備える、ライトバルブ。

【請求項2】

前記基板がサファイアである、請求項１に記載のライトバルブ。

【請求項3】

前記基板に取り付けられた前記少なくとも２つの光伝導体プレートが、互いに対して横方向に配置される、請求項１に記載のライトバルブ。

【請求項4】

前記少なくとも２つの光伝導体プレートが、ガラス接着剤で前記基板に取り付けられる、請求項１に記載のライトバルブ。

【請求項5】

前記少なくとも２つの光伝導体プレートが、前記基板と熱膨張を合致される、請求項１に記載のライトバルブ。

【請求項6】

前記少なくとも２つの光伝導体プレートがそれぞれ、前記基板にそれぞれ取り付けられた二次基板に取り付けられる、請求項１に記載のライトバルブ。

【請求項7】

前記少なくとも２つの光伝導体プレートが、ケイ酸ビスマス、ゲルマニウム酸ビスマス、セレン化カドミウム、カルコゲナイドガラス、多結晶材料、またはアモルファスシリコンのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のライトバルブ。

【請求項8】

前記少なくとも２つの光伝導体プレートが、ＢＳＯ、Ｂｉ_１２ＳｉＯ_２０、Ｂｉ_６ＳｉＯ_１０、Ｂｉ_３ＳｉＯ_５、ゲルマニウム酸ビスマス、ＢＧＯ、Ｂｉ_１２ＧｅＯ_２０、Ｂｉ_６ＧｅＯ_１０、Ｂｉ_３ＧｅＯ_５、ＣｄＳｅ、Ｇｅ_２Ｓｂ_２Ｔｅ_５（ＧＳＴ）、Ｓｃ_０．２Ｓｂ_２Ｔｅ_３、ＧｅＴｅ、Ａｇ_４Ｉｎ_３Ｓｂ_６７Ｔｅ_２６、Ｇｅ_１５Ｓｂ_８５、Ｓｂ、ＣｄＴｅ、ＡＺＯ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、またはＳｉのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のライトバルブ。

【請求項9】

前記少なくとも２つの光伝導体プレートが、前記基板上にＮ×Ｍアレイを形成する、請求項１に記載のライトバルブ。

【請求項10】

前記少なくとも２つの光伝導体プレートがそれぞれ、含まれるＬＥＯおよびＴＣＯ層を有する、請求項１に記載のライトバルブ。

【請求項11】

レーザビームを形成するためのレーザ光源と、
前記光ビームの２次元パターン化をサポートするライトバルブであって、基板を含む、ライトバルブと、
前記基板に取り付けられた少なくとも２つの光伝導体プレートと
を備える、積層製造システム。

【請求項12】

前記基板がサファイアである、請求項１１に記載の積層製造システム。

【請求項13】

前記基板に取り付けられた前記少なくとも２つの光伝導体プレートが、互いに対して横方向に配置される、請求項１１に記載の積層製造システム。

【請求項14】

前記少なくとも２つの光伝導体プレートが、ガラス接着剤で前記基板に取り付けられる、請求項１１に記載の積層製造システム。

【請求項15】

前記少なくとも２つの光伝導体プレートが、前記基板と熱膨張を合致される、請求項１１に記載の積層製造システム。

【請求項16】

前記少なくとも２つの光伝導体プレートがそれぞれ、前記基板にそれぞれ取り付けられた二次基板に取り付けられる、請求項１１に記載の積層製造システム。

【請求項17】

前記少なくとも２つの光伝導体プレートが、ケイ酸ビスマス、ゲルマニウム酸ビスマス、セレン化カドミウム、カルコゲナイドガラス、多結晶材料、またはアモルファスシリコンのうちの少なくとも１つを含む、請求項１１に記載の積層製造システム。

【請求項18】

前記少なくとも２つの光伝導体プレートが、ＢＳＯ、Ｂｉ_１２ＳｉＯ_２０、Ｂｉ_６ＳｉＯ_１０、Ｂｉ_３ＳｉＯ_５、ゲルマニウム酸ビスマス、ＢＧＯ、Ｂｉ_１２ＧｅＯ_２０、Ｂｉ_６ＧｅＯ_１０、Ｂｉ_３ＧｅＯ_５、ＣｄＳｅ、Ｇｅ_２Ｓｂ_２Ｔｅ_５（ＧＳＴ）、Ｓｃ_０．２Ｓｂ_２Ｔｅ_３、ＧｅＴｅ、Ａｇ_４Ｉｎ_３Ｓｂ_６７Ｔｅ_２６、Ｇｅ_１５Ｓｂ_８５、Ｓｂ、ＣｄＴｅ、ＡＺＯ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、またはＳｉのうちの少なくとも１つを含む、請求項１１に記載の積層製造システム。

【請求項19】

前記少なくとも２つの光伝導体プレートが、前記基板上にＮ×Ｍアレイを形成する、請求項１１に記載の積層製造システム。

【請求項20】

前記少なくとも２つの光伝導体プレートがそれぞれ、含まれるＬＥＯおよびＴＣＯ層を有する、請求項１１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Ｎｏ．６３／１０７，２６０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、一般に、大面積アレイ化ライトバルブシステムに関する。より詳細には、基板に固定されたアレイ化光伝導体の使用が記載される。

【背景技術】

【0003】

高フルエンスで長期間動作することが可能なライトを備えた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その他の用途に有用である。残念ながら、多くの従来の高エネルギー／電力システムで使用されるライトバルブは、それらの光伝導体をどれだけ大きく成長させることができるかによってサイズが制限される。例えば、高品質のケイ酸ビスマスＢ_１２ＳｉＯ_２０（ＢＳＯ）結晶プレートは、より大きなプレートを得るためにより大きな結晶ブールを成長させると、不純物や欠陥により歩留まりが低下するので、典型的にはサイズが３０ｍｍ×３０ｍｍに制限される。その結果、これらのプレートから得られるライトバルブは、約３０ｍｍ×３０ｍｍの制限されたクリアアパーチャを有する。クリアアパーチャの特定の領域に関してエネルギーフルエンスが損傷閾値未満に保たれる必要があるので、このクリアアパーチャの制限は、金属積層製造の製造速度に影響を及ぼす。必要とされているのは、費用対効果の高い現在の結晶成長法を引き続き使用しながら、大面積ライトバルブを作製することによって大きなクリアアパーチャを提供することができる技法および構造である。

【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、同様の参照番号は、特に指定されない限り、様々な図全体にわたって同様の部品を指す。

【図面の簡単な説明】

【0005】

【図1A(i)】改良されたライトバルブ（ＬＶ）動作のための光伝導体複合体（ＰＣ）を示している。

【図1A(ii)】改良されたライトバルブ（ＬＶ）動作のための光伝導体複合体（ＰＣ）を示している。

【図1A(iii)】改良されたライトバルブ（ＬＶ）動作のための光伝導体複合体（ＰＣ）を示している。

【図1B(i)】大面積ＬＶ用の光伝導体複合体の実施形態を示している。

【図1B(ii)】大面積ＬＶ用の光伝導体複合体の実施形態を示している。

【図1C】並列ＬＶ製造のための個片化を示している。

【図1D】ＰＣの厚さに依存しない、アレイ化ＬＶの製造を示している。

【図1E】大面積光伝導体プレートの生成を可能にするための光伝導体ブロックのアレイ化を示している。

【図2】ビームダンプ、大面積アレイ化ライトバルブ、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】高フルエンス大面積アレイ化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】高フルエンス大面積アレイ化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む高フルエンス大面積アレイ化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ない。

【0007】

以下の開示では、ライトバルブは、剛性であり平坦な支持基板に結合された光伝導体プレートから構成される光伝導体複合体アセンブリを含む。

【0008】

光伝導体プレートは、典型的にはＢＳＯであるが、他の光伝導体から構成することもできる。

【0009】

支持基板材料（ＳＳＭ）は、典型的には、Ｃカットサファイアまたは結晶石英であり、コーティングを施すのに十分な剛性を有することができる。

【0010】

結合材料は、ケイ酸ナトリウムでよい。

【0011】

ＳＳＭには、反射防止（ＡＲ）および透明導電性酸化物（ＴＣＯ）コーティングの多くを施すことができ、それらのコーティングは、通常はＰＣ上に存在し、ＰＣを変形させやすい。コーティングプロセス中の変形がないことは、ＬＶの組み立てを容易にし、ＬＶの性能を最適化する。

【0012】

ＰＣよりも大きい支持基板を作製し、ＰＣの全アパーチャを越えてＴＣＯ層を延ばすことによって電気接続を実現することができ、それにより、高フルエンスレーザ（ＨＦＬ）の影響を受けず、ＰＣの利用可能なアパーチャを最適化して、高いＬＶレーザ損傷閾値を保つ。

【0013】

ＰＣの軟性により、複合化プロセス中にＰＣが変形されて、ＳＳＭの良好な表面形状を取ることができる。

【0014】

いくつかの実施形態では、複合化プロセスは、変形を生じずにＰＣを研磨できるようにする。

【0015】

いくつかの実施形態では、複合化プロセスは、変形を生じずにＰＣ外面にコーティングを施すことができるようにする。

【0016】

いくつかの実施形態では、複合化プロセスは、ＰＣを繰り返し修復できるようにする。

【0017】

いくつかの実施形態では、大面積ＬＶを実現可能にするために、より大きな支持基板の上にあるＰＣのアレイに複合化プロセスを適用することができる。

【0018】

いくつかの実施形態では、アレイは、平坦性およびコーティングのために後処理される。

【0019】

いくつかの実施形態では、複合化されたＰＣのアレイプロセスを使用して、並列ＰＣ複合体製造を可能にすることができ、大面積ＰＣ複合体からＰＣ複合体アセンブリが個片化される。

【0020】

いくつかの実施形態では、複合化されたＰＣのアレイプロセスを使用して、ＬＶ構築にウェーハスケール製造を適用できるようにすることができ、ＬＶ構成プロセス全体が自動化フォーマットで行われる。

【0021】

一実施形態では、一様な平坦性を実現するためにＰＣが後でまとめて研磨されず、この場合、個々の二次基板がピックアンドプレースされ、個々のＬＶセグメントが大面積ＰＣ複合体に構築される。

【0022】

いくつかの実施形態では、（ａ）でのプロセスは、セラミック電気接続が適用される、または組み合わせてフレックス回路が適用されることを可能にし、アセンブリおよびＬＶコストを削減する。

【0023】

いくつかの実施形態では、可撓性のＬＶ構造は、天文またはレーザ兵器システムで使用される可撓性の電気的バックプレーンの使用によって実現可能にされる。

【0024】

いくつかの実施形態では、可撓性のＬＶ構造は、補償（ズームレンズまたはパターン再フォーマットなど光学応答の変更）が必要とされる従来の光学システムに取って代わるものになる。

【0025】

いくつかの実施形態では、個々の高い歩留まりのＰＣブロックから大面積ＰＣを構築するために複合化アレイ法を適用することができる。

【0026】

いくつかの実施形態では、最終的な表面仕上げおよびプレート個片化の前に、より小さいブロックのアレイ化複合体によって、大面積の個片化されるプレートを形成することができる。

【0027】

大面積ライトバルブ（ＬＶ）は、サファイアなど高い損傷閾値の支持基板材料（ＳＳＭ）の上に、より小さいより安価な、高い歩留まりの光伝導体（ＰＣ）プレートをアレイとして配置することによって製造することができる。ＰＣプレートは、原子または拡散結合、エッチャント強化型溶接、ガラスフリットエポキシ結合（「フリット」とは、すべての形態のガラス粉末ベースのエポキシを含むことを意図されている）、溶解ガラス結合（ガラス接着剤とも呼ばれる）、さらには特定のポリマーベースのエポキシ結合を使用して固定することができる。

【0028】

横方向のアレイ化は、ガラス接着剤を使用してサファイアの上にＰＣが配置されることによって行うことができる。このアレイ化は、ＳＳＭの上でのＰＣのシスタリング（ｓｉｓｔｅｒｉｎｇ）または複合化と呼ばれることもある。アレイ化は、ＰＣのブールから得られるＰＣのバーを、高いプロセス歩留まりを保証するサイズにすることによって、ＳＳＭへの取付け前に行うこともできる。バーは、固定法の１つを使用してその側面で取り付けられ、次いで、大きなブールから得られたかのようにプレートにスライスされる。次いで、ＳＳＭへのシスタリング／複合化を、単一の均質なプレートであるかのように行うことができる。

【0029】

直接的な利点は、そのサイズのプレートを支持するためにブールを成長させる必要なく、大面積のＬＶを製造することができることである。同じ固定法によってＰＣプレートをＳＳＭに接触させる追加の利益により、ＰＣプレートをＳＳＭの平坦性に適合するように形成できるようになる。これは、（材料を成長させるのが難しい）ＰＣの精度よりも高い精度で制御することができる。次いで、ＳＳＭの上での横方向アレイ化ＰＣ配置は、撓まない単一のＰＣプレート要素では不可能であり得る改良された表面形状に加工することができる。そのような加工は、ＰＣ平坦性、くさび、およびパワー収差の補正を含むことができる。ＬＶを任意のサイズにすることを可能にするとともに、すべてのＬＶに固有の光学収差を制御および補正できることが、この方法でＰＣをアレイ化することの大きな追加の利益である。

【0030】

有利には、ＰＣ平坦性は、線形電気層（ＬＥＯ、通常は液晶）が良好に制御されることを可能にする。ＬＥＯ層の厚さの均一性は、印刷面での最大の解像度およびコントラスト制御をもたらすＬＶのクリアアパーチャにわたるコントラスト均一性（振幅または位相で）を決定する。

【0031】

別の実施形態は、ＳＳＭの上にＰＣの複合体を提供するが、各ＰＣに関する個々のＬＶセルが、個々の二次基板を使用して並べて配置される。これらの二次基板は、上側の導通を可能にするために、めっきされたスルーホールまたはラウンドエッジめっきを使用して、ＰＣ密度／配置を損なうことなく、セルの内部から外部へ進むように導通を提供することができる。エポキシおよび導電線は高フルエンスシステムから保護される必要があるので、２つのセラミック「ウィンドウフレーム」アレイをＬＶの両側に配置することができ、入力側は非導電性に構造化され、出力側は、保護された導通線と、柔軟な電気接続とを含み、個々のＬＶ回路の導通を保証する。

【0032】

個々のＰＣプレートをより大きなＳＳＭに複合化することの追加の利益は、構成要素をウェーハに固定し、パッケージングしてからウェーハからシステムをダイシングすることによって、並列光伝導体製造を可能にすることである。この方法は、自動化プロセスをＬＶ構築に使用できるようにし、歩留まりを向上し、サイクルおよびテスト時間を短縮する。

【0033】

図１Ａ（ｉ～ｉｉｉ）は、改良されたライトバルブ（ＬＶ）動作のための光伝導体複合体（ＰＣ）１００Ａを示している。複合化（１１０Ａ）は、内側に反射防止および透明導電性酸化物コーティング（それぞれ１３０Ａ、ＡＲ、およびＴＣＯ）を含むＳＳＭ（１２０Ａ）から始まる。ＳＳＭは、その表面の９５％にわたって平坦（６３２ｎｍで、＜λ／１０）にすることができるものであり、対合されるＰＣよりもはるかに高い剛性を有する。この剛性は、性質上強い材料（すなわちモース硬度＞９）を使用すること、またはより厚い基板を使用すること、またはそれらの両方の組み合わせによって実現することができる。ＳＳＭは、予想される動作の波長帯域にわたって、無視できる吸収を有するべきである。例示的な伝送帯域は、積層製造用の現在のダイオードおよびパルスレーザ源に適合する９９０ｎｍ～１０７０ｎｍである。また、ＳＳＭは、好ましくは、選択されるＰＣと熱膨張を合致されるべきである。これは、固定プロセス自体、研磨プロセス、コーティングプロセス、ＬＶ製造中のアライメント層およびＬＥＯ層の硬化、ならびに動作中のＬＶの高電力要件を含む、製造プロセス中に必要とされる多くの熱プロセスにおいて重要である。支持基板のための優れた候補となる材料には、Ｃカットサファイア、７９７９石英ガラス、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ダイヤモンド、フッ化カルシウム、結晶石英、ＺｎＳｅ、または同様のタイプの材料が含まれる。光伝導体（ＰＣ）は、１４０Ａと１３０Ａとの間で１３０Ａに取り付けられ（矢印１５０Ａ）、この取付けは、原子または拡散結合、エッチャント強化型溶接、ガラスフリットエポキシ結合（「フリット」とは、ガラス粉末ベースのエポキシのすべての形態を含むことを意図されている）、溶解ガラス結合（ガラス接着剤とも呼ばれる）、ポリマーベースのエポキシ結合、または、無視できる吸収と高い強度の結合とを生成するとともに必要なレーザフルエンスに耐えることができる同様の固定法を含むことができる。図１Ａ（ｉｉ）は、ＰＣ複合体アセンブリの一部を形成する、得られた構造（１６０Ａ）を示す。図１Ａ（ｉｉｉ）で見られるように、次いでこのアセンブリ（１６０Ａ）を使用して、組み立てられた複合体ＬＶ（２３０Ａ）を形成するための標準的なＬＶ構築プロセス（２２０Ａ）において、線形電気光学およびスペーシングアセンブリ（１９０Ａ）ならびにＴＣＯおよびＡＲコーティング層を含む二次基板（２００Ａ）とともに１６０Ａを含むＬＶアセンブリ（１７０Ａ）を構築することができる。

【0034】

複合化ＰＣを使用することによって得られるいくつかの利益がある。大抵の場合、ＰＣ材料として多数の材料を挙げることができ、例えば、ケイ酸ビスマス（ＢＳＯ、またはＢｉ_１２ＳｉＯ_２０、Ｂｉ_６ＳｉＯ_１０、Ｂｉ_３ＳｉＯ_５、および同様の化合物）、ゲルマニウム酸ビスマス（ＢＧＯ、またはＢｉ_１２ＧｅＯ_２０、Ｂｉ_６ＧｅＯ_１０、Ｂｉ_３ＧｅＯ_５、および同様の化合物）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、および同様のタイプの結晶である。光伝導体層は、Ｇｅ_２Ｓｂ_２Ｔｅ_５（ＧＳＴ）、Ｓｃ_０．２Ｓｂ_２Ｔｅ_３、ＧｅＴｅ、Ａｇ_４Ｉｎ_３Ｓｂ_６７Ｔｅ_２６、Ｇｅ_１５Ｓｂ_８５、またはＳｂなどのカルコゲナイドガラスから構成することもできる。さらに、ＣｄＴｅ、ＡＺＯ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、または非晶質Ｓｉなどの多結晶材料で構成することもできる。

【0035】

これらの材料の共通の属性は、それらが脆弱であり、軟性であり、ＬＥＯ層を構築することができる平坦な基準面を保証するのに必要とされる剛性を有さないことである。典型的なＰＣ（ＢＳＯ）をはるかに剛性の高い基板にシスタリングまたは複合化することによって、より剛性の高い基板への結合によりＳＳＭの表面形状にＰＣを「追従」させるので、典型的なＰＣの剛性の欠如が利点となる。さらに、支持基板を使用して、製造後に部品が内部応力により変形するリスクを伴わずに、露出されたＰＣ表面を平坦に研磨できるようにすることができる。

【0036】

典型的には、ＬＶでの自立型ＰＣは、いくつかのタイプのＡＲおよびＴＣＯコーティングを必要とし、それらすべてがＰＣの表面にひずみを加えてＰＣの変形をもたらす。これらの高ひずみコーティングを塗布した後、コーティング前の平坦なＰＣが劇的に変形される、または「ポテトチップ（ｐｏｔａｔｏ ｃｈｉｐｐｅｄ）」されることが一般に観察される。平坦なＰＣは、それが対合されるＬＥＯ層が均一な厚さを有することを保証するために必要とされる。なぜなら、このＬＶ属性は、ＬＶの最高のコントラスト均一性、最良のダイナミックレンジ、および最速のフレーム速度を保証するからである。この複合体の場合には、ＰＣを支持基板に複合化する前にほぼすべての高ひずみコーティングを支持基板に塗布することができ、ＰＣが歪む可能性をなくし、ここで、ＰＣ変形のリスクなく内側コーティングを塗布することができる高い剛性のＰＣを有するという追加の利益が得られる。

【0037】

ＰＣ上にあるのではなく支持基板がＴＣＯ層を有することのさらなる利点は、支持基板をＰＣの範囲よりも大きくすることができ、したがって、任意の接続点が、ＰＣの全アパーチャの十分に外側に位置することができることである。これにより、さらに大きい利用可能なアパーチャをビームパターン化に利用できるようになる。既存のＬＶアセンブリでは、損傷を受けやすい電気接続および接着剤結合が、デバイスの利用可能なアパーチャを大幅に減少させるレーザ損傷を誘発する可能性があるＨＦＬのフラックスから保護されることを保証するように留意しなければならない。

【0038】

複合化方法のさらなる利点は、ＬＶ動作中に損傷を受けた場合のＰＣの再使用の可能性である。ＰＣに対する中程度のレーザ損傷があったとしても、その部分を薄くする後続のプロセスによってほぼ無傷のレベルに修復することができるが、このプロセスは、最初の製造プロセスが無傷のＰＣプレートに対して有するのと同じリスクをすべて含む。複合化方法は、ＳＳＭで支持されている部分の修復を可能にし、それにより、損傷されたＰＣを再び使用できるようにすることによって、このリスクをなくす。最初のＰＣのサイズが１．１ｍｍの厚さから開始された場合、この修復プロセスは、ＰＣが使用不能点まで消費されるまでに、１０回を超える修復サイクルを可能にする。

【0039】

図１Ｂ（ｉ～ｉｉ）は、大面積ＬＶ用の光伝導体複合体（ＰＣ）１００Ｂの実施形態を示している。複合化されたＰＣのアレイは、複合化される複数のＰＣを受け入れるのに必要な領域を提供する適切なサイズの支持基板（１１０Ｂ）を含む。図１Ｂ（ｉ）に関して示される例では、２×２アレイまたは４つのＰＣプレート（１つのそのようなプレートの例が１３０Ｂである）が１１０Ｂに取り付けられている。基板１１０Ｂは、ＰＣをピックアンドプレースする前にコーティングすることができ（１２０Ｂ）、各／すべてのＰＣプレート上で複合化プロセスを実施することができる。どの１つのＰＣプレートに関する仕様も同じ（典型的には、３０×３０ｍｍ×厚さ１．１ｍｍ）であり得るが、それらの研磨および加工のばらつきにより、通常は、すべてのプレートがそれらの許容限度を超える。限度は、より高い歩留まり（コーティング前に、＞７５％）を得られるように選択された。複合化プロセスと結合されたピックアンドプレースプロセスが、図１Ｂ（ｉｉ）に関して示されており、１４０Ｂに示される２×２の例の側面図が得られる。ＰＣの厚さのばらつきの例は、誇張された側面図で示されている。複合化プロセスおよび構造の利益は、支持基板をバッキングプレートとして使用することができ、その上に配置されたＰＣのアンサンブルを、研磨プロセス（１５０Ｂ）中に１つの部品として加工できるようにすることである。研磨プロセス（１５０Ｂ）において、アレイ内のＰＣの集団にわたる高さのばらつきが除去され、集団全体が、同一平面上の表面（１５５Ｂに示される）を有し、同一平面上の複合化されたＰＣのアレイ（１６０Ｂ）を形成する。ＬＶの生成は、１６０Ｂ（１７０Ｂとして示されている）から始まり、ＬＥＯアセンブリ（１８０Ｂ。エッジエポキシ、スペーサから構成され、典型的には液晶を含む）と組み合わされ、構築プロセス２１０Ｂによって、ＴＣＯおよびＡＲ層（１９０Ｂ）を含む第２の支持基板（２００Ｂ）に取り付けられ、構築プロセス２１０Ｂは、これを大面積の複合化ＬＶ（２２０Ｂ）にする。

【0040】

この方法の利益は、ここでライトバルブを任意の大きさにすることができ、ＰＣの成長能力に依存するのではなく、高い歩留まりのＰＣプレートを形成する能力にのみ依存することである。単一の複合化ＬＶについて上述したすべての利益は、アレイバージョンでも使用することができる。

【0041】

図１Ｃは、並列ＬＶ製造１００Ｃに関する個片化を示す。アレイ化ＰＣ複合体１１０Ｃは、支持基板上への多くのＰＣの大面積ピックアンドプレースを可能にして、すべてのＰＣが支持基板に複合化された後にアレイをダイシングすることを可能にする。この例が１２０Ｃに示されており、１２０Ｃは、大きな支持基板上の複合化されたＰＣの大きなアレイを示し、３つの取り得る関心領域、すなわち、単一の複合化されたＰＣ（１２０Ｃ）、２×２アレイ（１４０Ｃ）、および３×３アレイ（１５０Ｃ）が、この大きなキャリアからダイシングおよび個片化される。これらのアレイは、１１０Ｃからダイシングされ、異なるサイズのＬＶに個別に組み立てられ、１６０Ｃ、１７０Ｃ、および１８０Ｃがそれぞれ１３０Ｃ、１４０Ｃ、および１５０Ｃに関連付けられる。この手法の利点は、並列製造能力により、複合化されたＰＣ、したがってＬＶを製造する全体的なコストを削減できることである。図１Ｂ（ｉｉ）に関して論じたアレイ研磨を、ダイシングの前にアレイ全体に対して実施して、アレイ全体にわたる平面類似性、ならびにパネルごとのばらつきおよびその個片化結果のばらつきの減少を提供することができる。

【0042】

図１Ｄは、ＰＣの厚さに依存しない、アレイ化ＬＶ１００Ｄの製造を示している。ＰＣプレートが、大面積支持基板上にピックアンドプレースされて、複合化されたＰＣのアレイを形成する（１１０Ｄ）。ＴＣＯ層への電気接続は、１２０Ｄとして示される複合化されたＰＣがない領域へのＴＣＯの拡張部として示される。得られたＬＶ積層体（１３０Ｄ）の側面図は、この実施形態が、非導電性セラミック保護スクリーン（１４０Ｄは側面図であり、２００Ｄは平面図である）、非平面状の複合化されたＰＣのアレイ、個々のＰＣ内面にある個々の堆積されたＬＥＯアセンブリ（１６０Ｄ）、二次支持基板の各離散アレイにあるＡＲ／ＴＣＯ層（１７０Ｄ）、二次セラミック保護スクリーン（１９０Ｄ。２００はその平面図である）に取り付けられた柔軟な導電性接続取付け層（１８０Ｄ）を含むことを示す。各ＰＣプレートは、個別のＬＥＯおよび支持基板を含むので、スペーシングと導電経路を画定するエポキシを高フルエンスレーザ（ＨＦＬ）から保護する必要があり、したがって保護スクリーン（１４０Ｄおよび１９０Ｄ）がＬＶアセンブリを挟む必要がある。内側（１６０Ｄの次）にＴＣＯを含む第２の基板は、ＬＥＯ層の外部との電気接続を可能にする導電経路を有することができる。これは、二次基板（２２０Ｄ）上のＴＣＯ層を、いくつかの可能な方法のうちの１つを用いて調整することによって行うことができ、それらの方法のうちの２つが示されている。内面（１６０Ｄと接触する表面）は、ＡＲ／ＴＣＯ層２３０Ｄでコーティングされる。２２０Ｄの１つまたは複数の角部（ここでは１つが描かれている）は、電気接続が可能な内面から外面への接続経路（２４０Ｄ）である。エッジラップ蒸着（２５０Ｄ）を使用することができ、ボンドライントレースが、表面から縁部まで、部品の側面を上って、その部品の外側に配置された電気パッドまで延び、一方、もう１つの方法は、めっきスルーホール（２６０Ｄ）であり、事前に開けられた穴２２０Ｄがめっきされて、上側の電気接続を可能にする。

【0043】

この実施形態の利益は、研磨プロセス中に複合化されたＰＣ部品を破壊する、亀裂生成する、または損傷するリスクを結果的に伴う、ＰＣ表面を平坦化するための図１Ｂ（ｉｉ）に示される研磨ステップを必要としないことである。さらに、この方法は、自動製造機器を使用してＬＶアセンブリ全体の並列化を可能にし、大面積ＬＶを形成する製造コストを劇的に削減する。上側の導通接点が集められ、１８０Ｄ層でのエッジ接点に導かれ、１４０Ｄおよび１９０ＤによってＨＦＬから保護される。さらに、１８０Ｄは、ピングリッドアレイまたは他の柔軟な電気接続を含むフレックス回路でよく、構築の複雑さを軽減し、システムコストを削減する。可撓性の電気接続の利点は、ＬＶアレイが組み立てられた後に支持基板の個片化を行うことができることであり、アレイ化ＬＶを、ＬＶのアレイセットの湾曲を必要とする用途に使用できるようにし、その一例は、天体望遠鏡またはレーザグレード兵器システムでの補償光学用であり、主要な補償光学システムに取って代わるものとなる。副次的な利点は、ＬＶが位相および／または振幅応答機能を備えることができるので、大面積ＬＶアレイ化アセンブリが、ズームレンズやビーム再フォーマットなどの補償を必要とする光学要素／システムに取って代わることである。

【0044】

図１Ｅは、大面積光伝導体プレートの生成を可能にするための光伝導体ブロックのアレイ化を示している。高い歩留まりのＰＣブロック１１０Ｅおよび１２０Ｅが、ＰＣブールから獲得および成形され、（１２５Ｅおよび１３０Ｅによって示され、１×２のＰＣブロック１４０Ｅを形成する）プロセスによって互いに複合化される。このプロセスは、１つまたは複数の１×２ブロックを使用して１４５Ｃおよび１５０Ｅで繰り返されて、ＰＣブロックのＮ×Ｍアレイ（４×２アレイが１５０Ｅに示されている）を形成する。１５０Ｅは、１６０Ｃにより、ソーイングプロセスによってプレートに加工され、１７０Ｅによって個片化されて、大面積ＰＣプレート８０Ｅを形成する。有利には、これにより、大きな直径のブールを成長させる必要なく、大面積ＰＣプレートを作製できるようになる。

【0045】

上述した位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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

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大面積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大面積ライトバルブ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、または大面積ライトバルブ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。

【0051】

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改良し、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。

【0052】

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。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

図３は、本開示で述べるような大面積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、大面積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、レーザ源および増幅器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、光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。

【0058】

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、レーザ源および増幅器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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

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位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、振盪、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。

【0065】

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。

【0066】

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。

【0067】

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。

【0068】

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。

【0069】

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、反転、および振盪す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。

【0070】

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。

【0071】

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。

【0072】

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。

【0073】

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。

【0074】

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。

【0075】

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。

【0076】

積層または除去製造に適した大面積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。

【0077】

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、大面積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。

【0078】

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大面積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、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。

【0079】

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改良する、または製造時間を短縮することができる。

【0080】

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え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(i)】

【図1A(ii)】

【図1A(iii)】

【図1B(i)】

【図1B(ii)】

【図1C】

【図1D】

【図1E】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【国際調査報告】