光固化型3D打印设备及其图像曝光系统技术方案

本发明专利技术涉及一种3D打印设备的图像曝光系统，使用硅基液晶面板作为面阵图像源。所述硅基液晶面板包括镜电极阵列、公共电极、位于所述镜电极阵列和所述公共电极之间的液晶、位于所述镜电极阵列与所述液晶之间的第一配向膜以及位于所述液晶与所述公共电极之间的第二配向膜，所述第一配向膜在对应所述镜电极阵列的每一镜电极处凸起而形成聚焦透镜，每一聚焦透镜能够会聚照射到对应镜电极的光线，从而使得所述镜电极的反射的微光斑尺寸小于所述镜电极所对应的像素尺寸，其中所述硅基液晶面板用于根据控制信号调节所述液晶的状态，从而改变每个经所述镜电极阵列反射的光线的极化方向。

Photo curing 3D printing equipment and its image exposure system

【技术实现步骤摘要】
光固化型3D打印设备及其图像曝光系统
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打印设备的图像曝光系统。
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图像曝光系统120、以及用于连接成型工件的升降台130。图像曝光系统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。每次图像曝光系统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固化的光敏树脂略微下降，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。图像曝光系统120可以使用激光成型技术、数字光处理(DigitalLightProcession,DLP)、硅基液晶(LiquidCrystalonSilicon,LCOS)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。LCOS是一种基于反射模式、像素尺寸非常小的矩阵液晶显示装置。这种矩阵采用CMOS技术在硅芯片上加工制作而成。矩阵的电路在每个像素的电极和公共透明电极间提供电压，这两个电极之间被一薄层液晶分开。像素的电极也是一个反射镜(后文称为镜电极)，所有像素的电极共同构成一个反射镜面。控制图像形成的电子电路制作在硅芯片上，通过控制液晶分子的状态来改变每个像素入射极化光的极化方向。被镜电极反射的光被光学方法同入射光分开从而被投影物镜放大并成像到物体上。最终，整个反射投影出所需的光束图像。LCOS应用在3D打印中时，分辨率有限制约其发展，比如，目前的LCOS常用的最高分辨率通常为1920*1080。但是，这个分辨率在3D打印中以常用的0.1mm的精度只能产生192*108mm面积的物体，明显限制了其应用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种光固化型3D打印设备及其图像曝光系统。本专利技术为解决上述技术问题而采用的技术方案是提出一种3D打印设备的图像曝光系统，包括：硅基液晶面板，包括镜电极阵列、公共电极、位于所述镜电极阵列和所述公共电极之间的液晶、位于所述镜电极阵列与所述液晶之间的第一配向膜以及位于所述液晶与所述公共电极之间的第二配向膜，所述第一配向膜在对应所述镜电极阵列的每一镜电极处凸起而形成聚焦透镜，每一聚焦透镜能够会聚照射到对应镜电极的光线，从而使得所述镜电极的反射的微光斑尺寸小于所述镜电极所对应的像素尺寸，其中所述硅基液晶面板用于根据控制信号调节所述液晶的状态，从而改变每个经所述镜电极阵列反射的光线的极化方向；光源，产生一照射到所述硅基液晶面板上的光线；偏振光分光器，用于将所述光源产生的光线过滤为极化光照射所述硅基液晶面板，并从所述镜电极阵列反射的光线中过滤出预定极化方向的光线；投影镜头，设于所述偏振光分光器的出射方向，使各镜电极所反射的微光斑所组成的微光斑阵列投射到光敏材料表面；微位移驱动机构，连接所述硅基液晶面板，能够驱动所述硅基液晶面板在相互垂直的第一方向和第二方向移动，以微调所述微光斑阵列投影到所述光敏材料表面的位置；以及控制器，命令所述光源进行多次曝光，在每次曝光时命令所述微位移驱动机构进行移动，以将各次曝光的微光斑阵列投影到所述光敏材料表面的不同位置。在本专利技术的一实施例中，各次曝光的微光斑阵列在所述光敏材料表面所形成的像互不重叠。在本专利技术的一实施例中，各次曝光的微光斑阵列所形成的像布满所述光敏材料表面。在本专利技术的一实施例中，各次曝光的微光斑阵列包含不同的图像信息。在本专利技术的一实施例中，假设各聚焦透镜的焦距为f，各聚焦透镜所对应的像素尺寸为p，入射到各微镜的光线的半夹角为β，微光斑的像高为a，出射光最大半角为W，则满足：tan(β)＝(a/2)/(f/2)；tan(w)＝((a+p)/2)/(f/2)；Fno＝1/(2tan(w))。本专利技术还提出一种3D打印设备的图像曝光系统，包括：硅基液晶面板，包括镜电极阵列、公共电极、位于所述镜电极阵列与所述公共电极之间的液晶、位于所述镜电极阵列与所述液晶之间的第一配向膜以及位于所述液晶与所述公共电极之间的第二配向膜，所述镜电极阵列的每一镜电极为凹面镜，能够会聚照射到其上的光线，使得反射的微光斑尺寸小于所述镜电极所对应的像素尺寸，其中所述硅基液晶面板用于根据控制信号调节所述液晶的状态，从而改变每个经所述镜电极阵列反射的光线的极化方向；光源，产生一照射到所述硅基液晶面板上的光线；偏振光分光器，用于将所述光源产生的光线过滤为极化光照射所述硅基液晶面板，并从所述镜电极阵列反射的光线中过滤出预定极化方向的光线；投影镜头，设于所述偏振光分光器的出射方向，使各镜电极所反射的微光斑所组成的微光斑阵列投射到光敏材料表面；微位移驱动机构，连接所述硅基液晶面板，能够驱动所述硅基液晶面板在相互垂直的第一方向和第二方向移动，以微调所述微光斑阵列投影到所述光敏材料表面的位置；以及控制器，命令所述光源进行多次曝光，在每次曝光时命令所述微位移驱动机构进行移动，以将各次曝光的微光斑阵列投影到所述光敏材料表面的不同位置。在本专利技术的一实施例中，各次曝光的微光斑阵列在所述光敏材料表面所形成的像互不重叠。在本专利技术的一实施例中，各次曝光的微光斑阵列所形成的像布满所述光敏材料表面。在本专利技术的一实施例中，所述微光斑的尺寸小于、等于或大于所述镜电极所对应的像素尺寸的一半。在本专利技术的一实施例中，假设各镜电极凹面镜的焦距为f，各镜电极所对应的像素尺寸为p，入射到各镜电极的光线的半夹角为β，微光斑的像高为a，出射光最大半角为W，则满足：tan(β)＝(a/2)/f；tan(w)＝((a+p)/2)/f；Fno＝1/(2tan(w))。在本专利技术的一实施例中，所述第一配向膜在所述镜电极阵列的每一镜电极凹面镜处相应性地凹陷。本专利技术还提出一种3D打印设备的图像曝光系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D打印设备的图像曝光系统，包括：/n硅基液晶面板，包括镜电极阵列、公共电极、位于所述镜电极阵列和所述公共电极之间的液晶、位于所述镜电极阵列与所述液晶之间的第一配向膜以及位于所述液晶与所述公共电极之间的第二配向膜，所述第一配向膜在对应所述镜电极阵列的每一镜电极处凸起而形成聚焦透镜，每一聚焦透镜能够会聚照射到对应镜电极的光线，从而使得所述镜电极的反射的微光斑尺寸小于所述镜电极所对应的像素尺寸，其中所述硅基液晶面板用于根据控制信号调节所述液晶的状态，从而改变每个经所述镜电极阵列反射的光线的极化方向；/n光源，产生一照射到所述硅基液晶面板上的光线；/n偏振光分光器，用于将所述光源产生的光线过滤为极化光照射所述硅基液晶面板，并从所述镜电极阵列反射的光线中过滤出预定极化方向的光线；/n投影镜头，设于所述偏振光分光器的出射方向，使各镜电极所反射的微光斑所组成的微光斑阵列投射到光敏材料表面；/n微位移驱动机构，连接所述硅基液晶面板，能够驱动所述硅基液晶面板在相互垂直的第一方向和第二方向移动，以微调所述微光斑阵列投影到所述光敏材料表面的位置；以及/n控制器，命令所述光源进行多次曝光，在每次曝光时命令所述微位移驱动机构进行移动，以将各次曝光的微光斑阵列投影到所述光敏材料表面的不同位置。/n...

【技术特征摘要】
1.一种3D打印设备的图像曝光系统，包括：
硅基液晶面板，包括镜电极阵列、公共电极、位于所述镜电极阵列和所述公共电极之间的液晶、位于所述镜电极阵列与所述液晶之间的第一配向膜以及位于所述液晶与所述公共电极之间的第二配向膜，所述第一配向膜在对应所述镜电极阵列的每一镜电极处凸起而形成聚焦透镜，每一聚焦透镜能够会聚照射到对应镜电极的光线，从而使得所述镜电极的反射的微光斑尺寸小于所述镜电极所对应的像素尺寸，其中所述硅基液晶面板用于根据控制信号调节所述液晶的状态，从而改变每个经所述镜电极阵列反射的光线的极化方向；
光源，产生一照射到所述硅基液晶面板上的光线；
偏振光分光器，用于将所述光源产生的光线过滤为极化光照射所述硅基液晶面板，并从所述镜电极阵列反射的光线中过滤出预定极化方向的光线；
投影镜头，设于所述偏振光分光器的出射方向，使各镜电极所反射的微光斑所组成的微光斑阵列投射到光敏材料表面；
微位移驱动机构，连接所述硅基液晶面板，能够驱动所述硅基液晶面板在相互垂直的第一方向和第二方向移动，以微调所述微光斑阵列投影到所述光敏材料表面的位置；以及
控制器，命令所述光源进行多次曝光，在每次曝光时命令所述微位移驱动机构进行移动，以将各次曝光的微光斑阵列投影到所述光敏材料表面的不同位置。


2.如权利要求1所述的3D打印设备的图像曝光系统，其特征在于，各次曝光的微光斑阵列在所述光敏材料表面所形成的像互不重叠。


3.如权利要求1所述的3D打印设备的图像曝光系统，其特征在于，各次曝光的微光斑阵列所形成的像布满所述光敏材料表面。


4.如权利要求1所述的3D打印设备的图像曝光系统，其特征在于，各次曝光的微光斑阵列包含不同的图像信息。


5.如权利要求1所述的3D打印设备的图像曝光系统，其特征在于，假设各聚焦透镜的焦距为f，各聚焦透镜所对应的像素尺寸为p，入射到各微镜的光线的半夹角为β，微光斑的像高为a，出射光最大半角为W，则满足：
tan(β)＝(a/2)/(f/2)；
tan(w)＝((a+p)/2)/(f/2)；
Fno＝1/(2tan(w))。


6.如权利要求1所述的3D打印设备的图像曝光系统，其特征在于，所述微光斑的尺寸与所述镜电极所对应的像素面积之比近似为1:4、1:9或1:16。


7.如权利要求6所述的3D打印设备的图像曝光系统，其特征在于，所述光源的曝光次数为4、9或16次。


8.一种3D打印设备的图像曝光系统，包括：
硅基液晶面板，包括镜电极阵列、公共电极、位于所述镜电极阵列与所述公共电极之间的液晶、位于所述镜电极阵列与所述液晶之间的第一配向膜以及位于所述液晶与所述公共电极之间的第二配向膜，所述镜电极阵列的每一镜电极为凹面镜，能够会聚照射到其上的光线，使得反射的微光斑尺寸小于所述镜电极所对应的像素尺寸，其中所述硅基液晶面板用于根据控制信号调节所述液晶的状态，从而改变每个经所述镜电极阵列反射的光线的极化方向；
光源，产生一照射到所述硅基液晶面板上的光线；
偏振光分光器，用于将所述光源产生的光线过滤为极化光照射所述硅基液晶面板，并从所述镜电极阵列反射的光线中过滤出预定极化方向的光线；
投影镜头，设于所述偏振光分光器的出射方向，使各镜电极所反射的微光斑所组成的微光斑阵列投射到光敏材料表面；
微位移驱动机构，连接所述硅基液晶面板，能够驱动所述硅基液晶面板在相互垂直的第一方向和第二方向移动，以微调所述微光斑阵列投影到所述光敏材料表面的位置；以及
控制器，命令所述光源进行多次曝光，在每次曝光时命令所述微位移驱动机构进行移动，以将各次曝光的微光斑阵列投影到所述光敏材料表面的不同位置。


9.如权利要求8所述的3D打印设备的图像曝光系统，其特征在于，各次曝光的微光斑阵列在所述光敏材料表面所形成的像互不重叠。


10.如权利要求8所述的3D打印设备的图像曝光系统，其特征在于，各次曝光的微光斑阵列所形成的像布满所述光敏材料表面。


11.如权利要求8所述的3D打印设备的图像曝光系统，其特征在于，所述微光斑的尺寸小于、等于或大于所述镜电极所对应的像素尺寸的一半。


12.如权利要求8所述的3D打印设备的图像曝光系统，其特征在于，假设各镜电极凹面镜的焦距为f，各镜电极所对应的像素尺寸为p，入射到各镜电极的光线的半夹角为β，微光斑的像高为a，出射光最大半角为W，则满足：
tan(β)＝(a/2)/f；
tan(w)＝((a+p)/2)/f；
Fno＝1/(2tan(w))。


13.如权利要求8所述的3D打印设备的图像曝光系统，其特征在于，各次曝光的微光斑阵列包含不同的图像信息。


14.如权利要求8所述的3D打印设备的图像曝光系统，其特征在于，所述微光斑的尺寸与该镜电极所对应的像素面积之比为1:4、1:9或1:16。


15.如权利要求14所述的3D打印设备的图像曝光系统，其特征在于，所述光源的曝光次数为4、9或16次。


16.如权利要求8所述的3D打印设备的图像曝光系统，其特征在于，所述第一配向膜在所述镜电极阵列的每一镜电极凹面镜处相应性地凹陷。


17.一种3D打印设备的图像曝光系统，包括：
硅基液晶面板，包括镜电极阵列、公共电极、位于所述镜电极阵列和所述公共电极之间的液晶、位于所述镜电极阵列与所述液晶之间的第一配向膜、位于所述液晶与所述公共电极之间的第二配向膜、以及位于所述公共电极的入射侧的聚焦透镜阵列，所述聚焦透镜阵列的每一聚焦透镜对应所述镜电极阵列的每一镜电极，每一聚焦透镜能够会聚照射到对应镜电极的光线，从而使得所述镜电极的反射的微光斑尺寸小于所述镜电极所对应的像素尺寸，其中所述硅基液晶面板用于根据控制信号调节所述液晶的状态，从而改变经所述镜电极阵列反射的光线的极化方向；
光源，产生一照射到所述硅基液晶面板上的光线；
偏振光分光器，用于将所述光源产...

【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