一种微纳尺寸3D打印设备的光路精密装调方法技术

本发明专利技术公开了一种微纳尺寸3D打印设备的光路精密装调方法，先粗略安装光源、DMD芯片、45°反射镜、投影物镜、液槽和CCD传感器，使光源发射的光束经过DMD芯片反射后，进入45°反射镜后垂直入射投影物镜中心，投影物镜的焦平面和液槽中的液面重合，CCD传感器位于投影物镜正上方；然后将内调焦自准直望远镜的中心对准DMD芯片的中心，利用内调焦自准直望远镜作为辅助工具反向调整光路中每个元件的位置和角度并固定，由于内调焦自准直望远镜自身的光学精度高，因此具有很高的调整精度，非常适合于调整微纳尺寸3D打印设备的光路系统，本发明专利技术可以提高光路的同心度和准直精度，并同时检验光路中的关键元器件DMD芯片的反射均匀性，以及投影物镜的性能。

A precise alignment method for micro nano size 3D printing equipment

The invention discloses a method for precise alignment of light path of micro-nano-size 3D printing equipment. First, light source, DMD chip, 45 degree mirror, projection objective lens, liquid tank and CCD sensor are roughly installed, so that the light beam emitted by the light source is reflected by the DMD chip, then enters the center of the projection objective lens after being reflected by the DMD chip, and is vertically incident to the projection objective lens center, and the focal plane of the projection objective lens is projected. The CCD sensor is located directly above the projection objective when the surface coincides with the liquid level in the liquid tank; then the center of the internal focusing self-collimating telescope is aligned with the center of the DMD chip, and the position and angle of each component in the optical path are reversely adjusted and fixed by using the internal focusing self-collimating telescope as an auxiliary tool, because the internal focusing self-collimating telescope is self-collimating. The invention can improve the concentricity and collimation precision of the optical path, and simultaneously check the reflection uniformity of the key component DMD chip in the optical path, as well as the performance of the projection objective lens.

【技术实现步骤摘要】
一种微纳尺寸3D打印设备的光路精密装调方法
本专利技术属于面投影微立体光刻（DLP）3D打印
，尤其是微纳尺寸3D打印设备的光路装调方法，用于微纳尺寸3D打印设备光路的精密装调。
技术介绍
目前基于面投影微立体光刻（DLP）3D打印技术中，通常都采用DMD微镜片矩阵的方式来提供曝光的图像。DMD芯片集成了大量的微镜片，通过控制微镜片的偏转角度实现单像素点的开关，通过开启与关闭的时间实现灰阶。一般DMD的芯片的像素为1280*800像素，或者1920*1080像素，芯片的整体大小为0.45英寸或0.65英寸，单个像素即微镜片的大小一般为7-14μm，微镜片的大小可很大程度上影响该技术的二维打印精度。为了提高DLP技术的打印精度，一般的趋势为进一步缩小DMD微镜片的大小，或者对DMD反射出的光束通过投影物镜进行微缩，投影物镜的缩小倍数越大，或者说横向放大率β越小，进行微缩后的像素大小越小，使最终投影的二维精度越高。1.首先，对于DMD芯片中的微镜片的大小，目前一般最小为5-7μm，如果想进一步继续缩小，在行业内已经到达了一个瓶颈，所以通过缩小DMD芯片中的微镜片的大小来提高（DLP）3D技术的精度不是一个优选的方案。2.其次，通过投影物镜对DMD反射的图像进行微缩的方案中，投影物镜的横向放大率越小，物镜像面单个像素的大小越小，打印精度越高，由于DMD反射的图案是一个有固定大小的面，该反射图案对于投影物镜来说是物方，物方经过投影物镜进行微缩，物方DMD反射图案必须在理论上垂直经过投影物镜的中心，投影物镜是设计效果才能达到最佳（如MTF、场曲、畸变、像面照度的均匀性）。目前的现有技术中，对DMD图案进行微缩的光路设计一般通过机械零件的精度来装配保证，这样的装配方式对于横向放大率较大的投影方式来说，对投影物镜的精度影响较小，但是对于本专利技术针对的高精度微纳尺寸3D打印设备来说，投影物镜的横向放大率很小，一般是0.1-0.15，这种通过机械零件精度的装配方式已经无法满足精密装调的要求，DMD图案通过投影物镜的同心度和倾斜度会严重影响像面的MTF、场曲、畸变、照度均匀性，进而影响打印工艺的精度和一致性。3.对于（DLP）3D技术，其光路中，光源线经过匀光，再进入DMD芯片，经过DMD芯片图案化反射后，再进入投影物镜微缩，在投影物镜像面形成缩小的图案，在图案进入投影物镜前，图案化的照度均匀性将直接影响物镜像面的图案均匀性，目前的光路设计和装调缺少对这一项的检测。4.对于投影物镜的装调，首先是需要确认物镜本身的每个透镜的倾斜和偏心值，其次是需要保证DMD反射的图案垂直经过投影物镜中心，一般投影物镜的每个镜片的倾斜和偏心的装调和测试为投影物镜生产厂家自行测试，集成在微纳尺寸3D打印设备的光路中以后，目前的机械装配技术无法有效检测物镜每个透镜的倾斜和偏心，所以将影响DMD反射的图案是否垂直经过投影物镜中心，进而严重光路调试的精度。5.在（DLP）3D技术中，液态的光敏树脂被光路投影图案辐照后固化，投影物镜的焦平面和液面重合后，液面位于投影物镜的焦平面，由于液体有一定的流动性，或者容易受到环境的影响而振动，对于精度较低的（DLP）3D技术，由于投影物镜的缩小倍数较小，焦深较大，液面和物镜焦平面的倾斜度不足以影响打印工艺效果。但是对比本专利技术针对的微纳尺寸3D打印技术，液面和投影物镜焦平面的倾斜度，或者说是不重合度将严重影响打印的精度，所以需要一种新的光路装调方式和方法来判断液面和投影物镜焦平面的倾斜度。综上所述，需要提出一种光路的装调方法，可以提高光路的同心度和准直精度，并同时检验光路中的关键元器件DMD芯片的反射均匀性，以及投影物镜的性能（倾斜和偏心）。
技术实现思路
本专利技术提出一种微纳尺寸3D打印设备的光路精密装调方法，该方法中引入内调焦直准直望远镜，并合理设计内调焦望远镜的安装位置和角度，并结合微纳尺寸3D打印设备的光路设计，以解决目前现有技术中，有关光路装调的以下问题：（1）检测DMD芯片反射图案的照度均匀性，用于排查DMD芯片的反射性能以及光源的照度均匀性；（2）结合光路设计，严格检测光路和液槽中的液面的垂直度，以判断液面和投影物镜焦平面的倾斜度，调整至10″以内；（3）结合光路设计，检测投影物镜内部的每个透镜的倾斜和偏心，倾斜度调整至10″以内，同心度100μm以内；（4）严格判断DMD芯片反射图案经过投影物镜的同心度和倾斜度，倾斜度调整至10″以内，同心度100μm以内。本专利技术通过结合光路设计，将内调焦自准直望远镜合理安装一定的位置和角度，使上述检测步骤便于实现。本专利技术是这样实现的：一种微纳尺寸3D打印设备的光路精密装调方法，包括以下操作步骤：S1，分别粗略安装光源、DMD芯片、45°反射镜、投影物镜、液槽和CCD传感器，使光源发射的光束经过DMD芯片反射后，进入45°反射镜后垂直入射投影物镜中心，投影物镜的焦平面和液槽中的液面重合，CCD传感器位于投影物镜正上方，利用投影物镜像面反射，用于观察投影物镜像面图案；S2，将内调焦自准直望远镜的中心对准DMD芯片的中心；S3，通过内调焦自准直望远镜反向调整DMD芯片、45°反射镜、投影物镜、液槽和CCD传感器之间的相对位置关系；S4，固定DMD芯片、45°反射镜、投影物镜、液槽和CCD传感器之间的相对位置关系。作为专利技术的进一步改进，所述S2具体包括：卸下45°反射镜、投影物镜，将内调焦自准直望远镜的中心对准DMD芯片的中心，调整DMD芯片的位置，使内调焦自准直望远镜处于适合观察的角度和位置。作为专利技术的进一步改进，所述S3具体包括：S3-1，通过DLP系统投影一张图片，经过DMD芯片反射后通过内调焦自准直望远镜观察被投影的图片的像，通过被投影的图片的像和原图片对比，判断经过DMD芯片反射后图片的均匀性；S3-2，在液槽中装入光敏树脂，安装45°反射镜并调整45°反射镜的俯仰，使液面和内调焦自准直望远镜发出的平行光垂直，从而使光路经过45°反射镜后垂直入射液槽中的液面，检测光路和液槽中的液面的垂直度；S3-3，安装投影物镜，通过内调焦自准直望远镜检测并调整投影物镜内部的每个透镜的倾斜度和同心度，从而检测并调整投影物镜本身的倾斜度和同心度；S3-4，将45°反射镜沿投影物镜的光轴转动180°，调整CCD传感器芯片相对于内调焦自准直望远镜的同心度和垂直度，使CCD传感器垂直地观察投影物镜焦平面的中心。作为专利技术的进一步改进，反复调整DMD芯片相对于内调焦自准直望远镜的垂直度并控制在10″精度以内。作为专利技术的进一步改进，所述S3-1中，所述图片的像素与所述DMD芯片的像素相同。作为专利技术的进一步改进，在所述S3-2中，通过检测光路和液槽中的液面的垂直度，以判断液面和投影物镜焦平面的倾斜度，并调整至10″精度以内。作为专利技术的进一步改进，在所述S3-3中，所述投影物镜内部每个透镜的倾斜度控制在10″精度以内，同心度控制在100μm精度以内。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：利用内调焦自准直望远镜作为辅助工具，来反向调整光路中每个元件的位置和角度，由于内调焦自准直望远镜对于光束的倾斜角度，通过目镜的分划板最小可以测试到10角秒（10″），因此具有很高的调整精度，非常适合于调整本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微纳尺寸3D打印设备的光路精密装调方法，其特征在于，包括以下操作步骤：S1，分别粗略安装光源、DMD芯片、45°反射镜、投影物镜、液槽和CCD传感器，使光源发射的光束经过DMD芯片反射后，进入45°反射镜后垂直入射投影物镜中心，投影物镜的焦平面和液槽中的液面重合，CCD传感器位于投影物镜正上方，利用投影物镜像面反射，用于观察投影物镜像面图案；S2，将内调焦自准直望远镜的中心对准DMD芯片的中心；S 3，通过内调焦自准直望远镜反向调整DMD芯片、45°反射镜、投影物镜、液槽和CCD传感器之间的相对位置关系；S4，固定DMD芯片、45°反射镜、投影物镜、液槽和CCD传感器之间的相对位置关系。

【技术特征摘要】
1.一种微纳尺寸3D打印设备的光路精密装调方法，其特征在于，包括以下操作步骤：S1，分别粗略安装光源、DMD芯片、45°反射镜、投影物镜、液槽和CCD传感器，使光源发射的光束经过DMD芯片反射后，进入45°反射镜后垂直入射投影物镜中心，投影物镜的焦平面和液槽中的液面重合，CCD传感器位于投影物镜正上方，利用投影物镜像面反射，用于观察投影物镜像面图案；S2，将内调焦自准直望远镜的中心对准DMD芯片的中心；S3，通过内调焦自准直望远镜反向调整DMD芯片、45°反射镜、投影物镜、液槽和CCD传感器之间的相对位置关系；S4，固定DMD芯片、45°反射镜、投影物镜、液槽和CCD传感器之间的相对位置关系。2.根据权利要求1所述的微纳尺寸3D打印设备的光路精密装调方法，其特征在于，所述S1中，还包括一个基准台，所述基准台中部设有通孔，所述光源和DMD芯片均安装在所述基准台平面上，所述45°反射镜设在所述通孔上方，所述投影物镜、液槽设在所述基准台下方，所述CCD传感器设在所述基准台上方，并且所述CCD传感器、45°反射镜、投影物镜和液槽从上到下排列。3.根据权利要求1所述的微纳尺寸3D打印设备的光路精密装调方法，其特征在于，所述S2具体包括：卸下45°反射镜、投影物镜，将内调焦自准直望远镜的中心对准DMD芯片的中心，调整DMD芯片的位置，使内调焦自准直望远镜处于适合观察的角度和位置。4.根据权利要求1所述的微纳尺寸3D打印设备的光路精密装调方法，其特征在于，所述S3具体包括：S3-1，通过DLP系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：王焱华，冯玉林，赵卓，方绚莱，贺晓宁，
申请(专利权)人：深圳摩方新材科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44