一种3D光固化的方法和3D光固化设备技术

本发明专利技术公开了一种3D光固化的方法和3D光固化设备。该方法包括：调制光源形成曝光光束；控制所述曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以形成曝光图案；其中，所述投影系统沿第二方向上的通光孔径尺寸D1大于第三方向上的通光孔径尺寸D2；所述第一方向垂直于所述第二方向，所述第一方向和所述第二方向限定的平面平行于所述光固化树脂的曝光面；所述第三方向垂直于所述光固化树脂的曝光面。本发明专利技术实施例提高了成像的分辨率，从而提高了光固化精度。

A method of 3D light curing and 3D light curing equipment

【技术实现步骤摘要】
一种3D光固化的方法和3D光固化设备
本专利技术实施例涉及3D打印技术，尤其涉及一种3D光固化的方法和3D光固化设备。
技术介绍
3D打印技术是利用金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品，实现的复杂结构件制造。目前的3D光固化方法通过与用CT成像相反的过程进行图像投影，旋转光固化树脂，并利用光固化树脂存在临界曝光量阈值，获得需要的实体物品。具体的，根据物体的3D图像计算不同角度图像的截面形状，使用投影装置在不同角度投射对应的2D图像，投射光斑光固化树脂原材料中成像，引起固化反应，实现物体成型。由于受制于投影装置的通光孔径和曝光光束的发散角，曝光图案的分辨率约300μm，因此光固化的精度比较低。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供一种3D光固化的方法，以实现高分辨率的成像，高精度的光固化。第一方面，本专利技术实施例提供了一种3D光固化的方法，该方法包括：调制光源形成曝光光束；控制所述曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以形成曝光图案；其中，所述投影系统沿第二方向上的通光孔径尺寸D1大于第三方向上的通光孔径尺寸D2；所述第一方向垂直于所述第二方向，所述第一方向和所述第二方向限定的平面平行于所述光固化树脂的曝光面；所述第三方向垂直于所述光固化树脂的曝光面。第二方面，本专利技术实施例还提供了一种3D光固化设备，该设备包括：光源、光调制器、投影系统、光固化树脂和控制装置；所述光调制器调制所述光源形成曝光光束照射，所述曝光光束照射至所述投影系统，并控制所述曝光光束经所述投影系统在所述光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以形成曝光图案；其中，所述投影系统沿第二方向上的通光孔径尺寸D1大于第三方向上的通光孔径尺寸D2；所述第一方向垂直于所述第二方向，所述第一方向和所述第二方向限定的平面平行于所述光固化树脂的曝光面；所述第三方向垂直于所述光固化树脂的曝光面。本专利技术通过增加投影系统沿第二方向上的通光孔径增加了曝光光束的数值孔径NA，从而提高了图像的分辨率，但是第二方向上的通光孔径的增加会引起第一方向上准直距离的减小，缩小了第一方向上成像的范围，因此本专利技术还控制曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以使得沿第一方向的成像范围不受短的准直距离的影响，最终实现高分辨率的成像，提高了光固化精度。附图说明图1为本专利技术实施例提供的一种3D光固化方法的流程示意图；图2是本专利技术实施例中基模高斯光束的传播示意图；图3是本专利技术实施提供的另一种3D光固化方法的流程示意图；图4是本专利技术实施例中曝光图案上受到的照射光的示意图；图5是本专利技术实施例提供的3D光固化设备的XZ平面结构示意图；图6是本专利技术实施例提供的3D光固化设备的YZ平面结构示意图；具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术，而非对本专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本专利技术相关的部分而非全部结构。图1为本专利技术实施例提供的一种3D光固化方法的流程示意图，具体包括如下步骤：步骤110，调制光源形成曝光光束；步骤120，控制所述曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，形成曝光图案。其中，所述投影系统沿第二方向上的通光孔径尺寸D1大于第三方向上的通光孔径尺寸D2；所述第一方向垂直于所述第二方向，所述第一方向和所述第二方向限定的平面平行于所述光固化树脂的曝光面；所述第三方向垂直于所述光固化树脂的曝光面。投影系统射出的曝光光束可以近似看成基模高斯光束。图2示出了基模高斯光束的传播示意图，ω0是高斯光束的束腰半径，也就是曝光光束的光斑半径，θ是曝光光束的光束发散半角，即数值孔径NA对应的孔径角，ZR是瑞利长度，2ZR是准直距离。这几个参数满足下述关系：其中，λ是曝光光束的波长；M是光束的品质因子，为常数，NA和光束发散半角θ正相关，可见，NA越小，束腰半径ω0越大，准直距离2ZR越大，分辨率越低。因此增大投影系统的第二方向的通光孔径，即增加第二方向的数值孔径NA，束腰半径ω0减小，准直距离2ZR缩小，从而提高第二方向上图像分辨率。投影系统沿第三方向上的通光孔径尺寸小，即第三方向上的数值孔径NA小，准直距离长，因此形成的曝光图案是平行于所述第一方向和所述第二方向限定的平面，且在第三方向上厚薄均匀的薄片状的图案。本申请实施例，通过增加投影系统沿第二方向上的通光孔径增加了曝光光束的数值孔径NA，从而提高了图像的分辨率，但是第二方向上的通光孔径的增加会引起第一方向上准直距离的减小，缩小了第一方向上成像的范围，因此本专利技术还控制曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以使得沿第一方向的成像范围不受短的准直距离的影响，最终实现高分辨率的成像，提高了光固化精度。可选的，控制所述曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以形成曝光图案可以是控制所述投影系统沿所述第一方向上自动变焦，以使所述曝光光束经所述的投影系统在光固化树脂的曝光面沿所述第一方向扫描，形成曝光图案。完成第一行扫描后，调制形成另一束曝光光束，随之进行第二行扫描，以此方式扫描成像，每行的曝光光束所携带的信息不同，沿第一方向扫描形成的每一行图案不同。例如通过自动变焦控制装置控制所述投影系统内透镜之间的距离使得所述投影系统的像方焦点能够在第一方向上移动，实现所述曝光光束经过所述投影系统在光固化树脂的曝光面沿所述第一方向扫描，最终形成曝光图案。可选的，控制所述曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以形成曝光图案还可以是控制所述投影系统沿所述第一方向移动，使所述曝光光束经所述的投影系统在光固化树脂的曝光面沿所述第一方向扫描，形成曝光图案。完成第一行扫描后，调制形成另一束曝光光束，随之进行第二行扫描，以此方式扫描成像，每行的曝光光束所携带的信息不同，沿第一方向扫描形成的每一行图案不同。例如可以通过移动装置搭载所述投影系统和/或光固化树脂沿第一方向移动，通过控制移动装置的第一方向的位移量实现所述曝光光束经过所述投影系统在光固化树脂的曝光面沿所述第一方向扫描，最终形成曝光图案。图3为本专利技术实施例提供的另一种3D光固化方法的流程示意图。如图3所示，所述3D光固化方法包括：步骤310，控制光源发出曝光光束；步骤320，控制所述曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以形成曝光图案；步骤330，控制所述投影系统和所述光固化树脂之间连续相对旋转N-1次，且每次相对旋转后控制所述曝光光束经所述投影系统在所述光固化树脂的曝光面沿所述第一方向扫描，形成N-1幅曝光图案。其中，每次相对旋转的旋转轴平行于所述第三方向；每次相对旋转的旋转角度为2θ；π/θ＝N；2θ为所述曝光光束的发散角；N为正整数。控制投影系统和光固化树脂之间相对旋转N-1次，形成N-1幅曝光图案，加上旋转之前形成的一幅曝光图案，总计形成N幅曝光图案。曝光光束的发散角为2θ，形成的曝光图案仅仅受到一个张角为2θ的光锥照射，由于旋转角度2θ和所述曝光光束的发散角2θ相同，旋转角度2θ的N倍是一个完整的圆周，因此光固化树脂的曝光面曝光N次，N幅曝光图案的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D光固化的方法，其特征在于，包括：调制光源形成曝光光束；控制所述曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以形成曝光图案；其中，所述投影系统沿第二方向上的通光孔径尺寸D1大于第三方向上的通光孔径尺寸D2；所述第一方向垂直于所述第二方向，所述第一方向和所述第二方向限定的平面平行于所述光固化树脂的曝光面；所述第三方向垂直于所述光固化树脂的曝光面。

【技术特征摘要】
1.一种3D光固化的方法，其特征在于，包括：调制光源形成曝光光束；控制所述曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以形成曝光图案；其中，所述投影系统沿第二方向上的通光孔径尺寸D1大于第三方向上的通光孔径尺寸D2；所述第一方向垂直于所述第二方向，所述第一方向和所述第二方向限定的平面平行于所述光固化树脂的曝光面；所述第三方向垂直于所述光固化树脂的曝光面。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制所述曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以形成曝光图案，包括：控制所述投影系统沿所述第一方向上变焦，以使所述曝光光束经所述投影系统在所述光固化树脂的曝光面沿所述第一方向扫描，形成所述曝光图案；或者，控制所述投影系统沿所述第一方向移动，以使所述曝光光束经所述投影系统在所述光固化树脂的曝光面沿所述第一方向扫描，形成所述曝光图案。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述控制所述曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以形成曝光图案之后，还包括：控制所述投影系统和所述光固化树脂之间连续相对旋转N-1次，且每次相对旋转后控制所述曝光光束经所述投影系统在所述光固化树脂的曝光面沿所述第一方向扫描，形成N-1幅曝光图案；其中，每次相对旋转的旋转轴平行于所述第三方向；每次相对旋转的旋转角度为2θ；π/θ＝N；2θ为所述曝光光束的发散角；N为正整数。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述曝光光束沿所述第二方向延伸。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述控制所述曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以形成曝光图案之后，还包括：控制所述光固化树脂和所述投影系统沿所述第三方向发生相对移动，依次获取多幅曝光图案。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述曝光光束平行于所述第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：张骁，骆建忠，樊科，
申请(专利权)人：中国科学院广州生物医药与健康研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44