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、第一偏振光滤光器、第二偏振光滤光器、聚焦透镜阵列、投影镜头以及控制器。该成像系统的特点是，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。偏转镜片布置在该液晶面板的出光侧，该偏转镜片能够围绕垂直于成像系统的光轴的至少一个转轴偏转，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。

【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光滤光器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。然而液晶面板使用在光固化型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源的波长通常在430nm以下，这一波长范围的光线对液晶面板中的液晶是有伤害的，会缩短液晶的寿命。而且液晶面板不高的透光率，会使面板寿命进一步缩短。众所周知，液晶面板在每一个像素的周围有一定面积不透光的黑色掩模区域，用来覆盖像素的控制电路(包括薄膜晶体管、布线等)。这部分掩模区域将减少LCD面板透光能力，从而影响成像系统的亮度和对比度。透光区域(即未被掩模覆盖的区域)占全部像素面积的比率称为开口率(apertureratio)。假设液晶面板的开口率为60％，意味着有高达40％的面积无法透光，这对光亮度的损失是很大的。同时，这些光线被液晶面板吸收后，将造成液晶过高的温升，造成液晶面板老化和损坏。改善上述问题的一种方式是尽可能提高开口率。这固然有助于减少光损失，但是开口率的提高在技术上有极限的，依赖于更先进的液晶面板制造工艺。因此在光固化型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。光波长(nm)寿命4100.44331.04704.2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，且可以在可接受的较低光功率下投影出光固化所需的光束图像。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、第一偏振光滤光器、第二偏振光滤光器、聚焦透镜阵列、投影镜头、偏转镜片以及控制器。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。第一偏振光滤光器设置于该液晶面板的入光侧，第二偏振光滤光器设置于该液晶面板的出光侧，该第一偏振光滤光器和该第二偏振光滤光器配合该液晶面板遮挡该光束的一部分，以形成一光束图像。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。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，使该光源通过各聚焦透镜所成的像在该光敏材料表面形成多个光斑。偏转镜片布置在该液晶面板的出光侧，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，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。在本专利技术的一实施例中，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，其中该像的尺寸小于、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打印设备的成像系统，包括光源、液晶面板、第一偏振光滤光器、第二偏振光滤光器、聚焦透镜阵列、投影镜头、微位移驱动机构以及控制器。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。第一偏振光滤光器设置于该液晶面板的入光侧。第二偏本文档来自技高网...

【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；第一偏振光滤光器，设置于该液晶面板的入光侧；第二偏振光滤光器，设置于该液晶面板的出光侧，该第一偏振光滤光器和该第二偏振光滤光器配合该液晶面板遮挡该光束的一部分，以形成一光束图像；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；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，使该光源通过各聚焦透镜所成的像在该光敏材料表面形成多个光斑；偏转镜片，布置在该液晶面板与的出光侧，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。

【技术特征摘要】
2013.12.03 CN 20131064210901.一种光固化型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；第一偏振光滤光器，设置于该液晶面板的入光侧；第二偏振光滤光器，设置于该液晶面板的出光侧，该第一偏振光滤光器和该第二偏振光滤光器配合该液晶面板遮挡该光束的一部分，以形成一光束图像；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形成该光源的像，且像的尺寸小于对应像素的透光区域的尺寸；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，使各聚焦透镜所成的光源的像在该光敏材料表面形成多个光斑；偏转镜片，布置在该液晶面板的出光侧，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，在该多次曝光的第二次至最后一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。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，该聚焦透镜阵列覆盖在该液晶面板上。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，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互不重叠。4.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，各次曝光的光束图像所形成的光斑布满该光敏材料表面。5.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，其中该像的尺寸小于、等于或大于该液晶面板的像素尺寸的一半。6.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，各次曝光的光束图像包含相同的图像信息。7.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，各次曝光的光束图像...

【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