光固化型3D打印设备及其成像系统技术方案

本发明专利技术提出一种光固化型3D打印设备的成像系统，包括光源、液晶面板、偏振光分光棱镜、投影镜头、以及偏振片或第二偏振光分光棱镜。光源出射一光束。液晶面板位于该光源的出光光路上，该液晶面板包含多个像素。偏振光分光棱镜设置于该液晶面板的入光侧。投影镜头布置在该液晶面板与光敏材料表面之间，且位于该像与该光敏材料表面之间，将该光束图像投影到该光敏材料表面。当包含偏振片时，其设置于该投影镜头与该光敏材料表面之间，当包含第二偏振光分光棱镜时，其设置在该液晶面板的出光侧，该偏振片或该第二偏振光分光棱镜和该第一偏振光分光棱镜配合该液晶面板遮挡该光束的一部分，以形成一光束图像。

【技术实现步骤摘要】
光固化型3D打印设备及其成像系统
本专利技术涉及光固化型3D打印设备，尤其是涉及光固化型3D打印设备的成像系统。
技术介绍
3D打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，3D打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。目前3D打印技术的成型方式仍在不断演变，所使用的材料也多种多样。在各种成型方式中，光固化法是较为成熟的方式。光固化法是利用光敏树脂被紫外激光照射后发生固化的原理，进行材料累加成型，具有成型精度高、表面光洁度好、材料利用率高等特点。图1示出光固化型3D打印设备的基本结构。这一3D打印设备100包括用于容纳光敏树脂的物料槽110、用于使光敏树脂固化的成像系统120、以及用于连接成型工件的升降台130。成像系统120位于物料槽110上方，并可照射光束图像使物料槽110液面的一层光敏树脂被固化。每次成像系统120照射光束图像致使一层光敏树脂固化后，升降台130都会带动成型的那层光敏树脂略微下降，并通过刮板131使固化后的工件顶面均匀铺展光敏树脂，等待下一次照射。如此循环，将会得到逐层累加成型的三维工件。成像系统120普通通常使用的是激光成型技术或者数字光处理(DigitalLightProcession,DLP)投影技术。激光成型技术是使用激光扫描设备进行逐点扫描。但是由于光敏树脂的特性，激光功功率不能过大，否则会损伤树脂。因此，激光移动速度被限制在几米到十几米/秒，造成成型速度过慢。DLP投影成像技术是使用数字微镜元件(DigitalMicromirrorDevice,DMD)控制对光的反射来实现的。数字微镜元件可视为一镜面。这面镜子是由数十万乃至上百万个微镜所组成的。每一个微镜代表一个像素，图像就由这些像素所构成。每一个微镜可独立受控以决定是否反射光线到投影镜头。最终，整面镜子反射出所需的光束图像。由于DMD芯片分辨率的限制，造成DLP投影成像技术成型尺寸较小的缺点，存在瓶颈。液晶投影技术作为一种面阵图象源，理论上可以投影与DLP投影成像技术相似的光束图像，从而可用来构造光固化型3D打印设备的成像系统。液晶面板中包含了许多像素，每个像素可以单独控制偏振光的偏振方向，配合液晶面板两侧的偏振片可控制某一像素的光线是否通过，因此经过液晶面板系统的光束是图像化的。然而液晶投影技术使用在光固化型3D打印设备中有明显的不足。原因在于光敏树脂需要的固化光功率较高，且波长在430nm以下，这一波长范围的光线所含能量较高。当光线经过液晶面板入光侧的偏振片时，极化方向不同于此偏振片的光会被偏振片吸收。光线经过液晶面板出光侧的偏振片时，同样有相当部分的光被此偏转片吸收。普通偏振片直接吸收较多的能量容易因过热而损坏。而且前述波长范围对液晶面板中的液晶是有伤害的，会缩短液晶的寿命。尤其是液晶面板透光率不高，在光固化型3D打印设备中，弥补透光率不足的方式是使用更高亮度的光源。然而在光固化型3D打印设备本就需要较强的投影亮度的情况下，一味提高通过液晶面板的光线亮度，加剧了液晶寿命的缩短。下表1示出在液晶投影技术中液晶接受到足够强各种波长的光照射后的寿命比较。表1从表1可以看出，以光波长在433nm的寿命为基准1，则当波长下降到410nm时，寿命显著下降到0.4。与之形成明显对比的是，波长在470nm时，寿命显著上升到4.2。由于上述的寿命方面缺陷，目前尚未有应用液晶系统的光固化型3D打印设备出现。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种光固化型3D打印设备及其成像系统，其基于液晶系统，且能够减少光对液晶系统的损坏。本专利技术提供一种光固化型3D打印设备的成像系统，包括光源、液晶面板、第一偏振光分光棱镜、投影镜头、以及偏振片或第二偏振光分光棱镜。光源出射一光束。液晶面板位于该光源的出光光路上，该液晶面板包含多个像素。偏振光分光棱镜设置于该液晶面板的入光侧。投影镜头布置在该液晶面板与光敏材料表面之间，且位于该像与该光敏材料表面之间，将该光束图像投影到该光敏材料表面。如果包括偏振片，则偏振片设置于该投影镜头与该光敏材料表面之间，如果包括第二偏振光分光棱镜，则第二偏振光分光棱镜设置在该液晶面板的出光侧，该偏振片或该第二偏振光分光棱镜和该第一偏振光分光棱镜配合该液晶面板遮挡该光束的一部分，以形成一光束图像。在本专利技术的一实施例中，上述的成像系统还包括聚焦透镜阵列、偏转镜片和控制器。聚焦透镜阵列设置于该液晶面板的入光侧，该聚焦透镜阵列的每一聚焦透镜对应该液晶面板的每一像素，每一聚焦透镜能够会聚照射到对应像素的光束，使该光束尽可能多的透过该像素的透光区域，并在该液晶面板的出光侧成像，且像的尺寸小于对应像素的透光区域的尺寸。偏转镜片布置在该液晶面板与该投影镜头之间，该偏转镜片能够围绕垂直于该成像系统的光轴的至少一转轴偏转，以微调该光束图像投影到该光敏材料表面的位置。控制器命令该光源进行多次曝光，在每次曝光时命令该偏转镜片进行偏转，以将各次曝光的光束图像投影到该光敏材料表面的不同位置。在本专利技术的一实施例中，上述的成像系统还包括聚焦透镜阵列、微位移驱动机构和控制器。聚焦透镜阵列设置于该液晶面板的入光侧，该聚焦透镜阵列的每一聚焦透镜对应该液晶面板的每一像素，每一聚焦透镜能够会聚照射到对应像素的光束，使该光束尽可能多的透过该像素的透光区域，并在该液晶面板的出光侧成像，且像的尺寸小于对应像素的透光区域的尺寸。微位移驱动机构连接该液晶面板，能够驱动该液晶面板在相互垂直的第一方向和第二方向移动，以微调该光束图像投影到该光敏材料表面的位置。控制器命令该光源进行多次曝光，在每次曝光时命令该微位移驱动机构动作，以将各次曝光的光束图像投影到该光敏材料表面的不同位置。在本专利技术的一实施例中，该聚焦透镜阵列覆盖在该液晶面板上。在本专利技术的一实施例中，各次曝光的光束图像在该光敏材料表面所形成的各个光斑基本上互不重叠，各次曝光的光束图像所形成的光斑布满该光敏材料表面。在本专利技术的一实施例中，该像的尺寸小于、等于或略大于该液晶面板的像素尺寸的一半。在本专利技术的一实施例中，各次曝光的光束图像包含相同的图像信息。在本专利技术的一实施例中，各次曝光的光束图像包含不同的图像信息。在本专利技术的一实施例中，该像的尺寸与该液晶面板的像素尺寸之比大约为1:2、1:3或1:4，同时该光源的曝光次数为4、9或16次。在本专利技术的一实施例中，设该光源与该聚焦透镜的距离为L1，该聚焦透镜到成像面的距离是L2，该聚焦透镜的前焦距和后焦距分别为f和f’，该光源的尺寸为A，该像的尺寸为d，则满足以下条件：f’/L2+f/L1＝1；L1/L2＝A/d。在本专利技术的一实施例中，该光束的波长在430nm以下。本专利技术还提出一种光固化型3D打印设备，包含如上所述的成像系统。本专利技术的上述技术方案改变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光固化型3D打印设备的成像系统，包括：光源，出射一光束；液晶面板，位于该光源的出光光路上，该液晶面板包含多个像素；第一偏振光分光棱镜，设置于该液晶面板的入光侧；投影镜头，布置在该液晶面板与光敏材料表面之间，且位于该像与该光敏材料表面之间，将该光束图像投影到该光敏材料表面；以及偏振片或者第二偏振光分光棱镜，该偏振片设置于该投影镜头与该光敏材料表面之间，第二偏振光分光棱镜设置于该液晶面板的出光侧，该偏振片或该第二偏振光分光棱镜和该第一偏振光分光棱镜配合该液晶面板遮挡该光束的一部分，以形成一光束图像。

【技术特征摘要】
1.一种光固化型3D打印设备的成像系统，包括：光源，出射一光束；液晶面板，位于该光源的出光光路上，该液晶面板包含多个像素；第一偏振光分光棱镜，设置于该液晶面板的入光侧；投影镜头，布置在该液晶面板与光敏材料表面之间，且位于该光源的像与该光敏材料表面之间，将该光束图像投影到该光敏材料表面；以及偏振片或者第二偏振光分光棱镜，该偏振片设置于该投影镜头与该光敏材料表面之间，第二偏振光分光棱镜设置于该液晶面板的出光侧，该偏振片或该第二偏振光分光棱镜和该第一偏振光分光棱镜配合该液晶面板遮挡该光束的一部分，以形成一光束图像。2.如权利要求1所述的光固化型3D打印设备的成像系统，其特征在于，还包括：聚焦透镜阵列，设置于该液晶面板的入光侧，该聚焦透镜阵列的每一聚焦透镜对应该液晶面板的每一像素，每一聚焦透镜能够会聚照射到对应像素的光束，使该光束尽可能多的透过该像素的透光区域，并在该液晶面板的出光侧成像，且像的尺寸小于对应像素的透光区域的尺寸；偏转镜片，布置在该液晶面板与该投影镜头之间，该偏转镜片能够围绕垂直于该成像系统的光轴的至少一转轴偏转，以微调该光束图像投影到该光敏材料表面的位置；以及控制器，命令该光源进行多次曝光，在每次曝光时命令该偏转镜片进行偏转，以将各次曝光的光束图像投影到该光敏材料表面的不同位置。3.如权利要求1所述的光固化型3D打印设备的成像系统，其特征在于，还包括：聚焦透镜阵列，设置于该液晶面板的入光侧，该聚焦透镜阵列的每一聚焦透镜对应该液晶面板的每一像素，每一聚焦透镜能够会聚照射到对应像素的光束，使该光束尽可能多的透过该像素的透光区域，并在该液晶面板的出光侧成像，且像的尺寸小于对应像素的透光区域的尺寸；微位移驱动机构，连接该液晶面板，能够驱动该...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯锋，
申请(专利权)人：上海普利生机电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31