CN104669619A - 光固化型3d打印设备及其成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种光固化型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。
Description
技术领域
本发明涉及光固化型3D打印设备，尤其是涉及光固化型3D打印设备的成像系统。
背景技术
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(DigitalLight Procession,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(Digital Micromirror Device,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。
| 光波长(nm) | 寿命 |
| 410 | 0.4 |
| 433 | 1.0 |
| 470 | 42 |
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。
发明内容
本发明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。
本发明提供一种光固化型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。
在本发明的一实施例中，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。
在本发明的一实施例中，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。
在本发明的一实施例中，该聚焦透镜阵列覆盖在该液晶面板上。
在本发明的一实施例中，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。
在本发明的一实施例中，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。
在本发明的一实施例中，各次曝光的光束图像包含相同的图像信息。
在本发明的一实施例中，各次曝光的光束图像包含不同的图像信息。
在本发明的一实施例中，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。
在本发明的一实施例中，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。
在本发明的一实施例中，该光束的波长在430nm以下。
本发明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。
本发明的上述技术方案改变了偏振光滤光器的固有设计，在配合液晶面板使用的两个偏振光滤光器中，第一偏振光滤光器和第二偏振光滤光器都可使用偏振光分光棱镜而几乎不会有发热问题，或者第二偏振光滤光器可使用偏振片且被布置到光束更分散的投影镜头与光敏材料表面之间，在此范围内偏振片的面积将随光束的分散而扩大，从而降低单位面积上吸收的热量，缓解发热问题。另外，本发明通过设置聚焦透镜阵列，将照射到液晶面板上的光束会聚，使其尽可能多透过液晶面板的各像素的透光区域，以减小直至避免液晶面板的不透光部分的遮挡。而且通过光束会聚，使照射到光敏材料表面上的光斑亮度显著提高。在液晶面板总体光通量较小的情况下，仍能达到树脂感光阀值，并进入其感光的相对线性区段，大幅提高固化速度。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：
图1示出光固化型3D打印设备的基本结构。
图2示出本发明一实施例的光固化型3D打印设备的成像系统。
图3示出本发明另一实施例的光固化型3D打印设备的成像系统。
图4示出本发明一实施例的聚焦透镜阵列与液晶显示面板的配合关系。
图5示出图3所示成像系统单个像素的光路原理图。
图6示出液晶面板上的黑色掩模。
图7示出本发明实施例的成像系统一次曝光在光敏材料表面上所形成的图像。
图8示出本发明实施例的成像系统的未进行偏转的光线示意图。
图9示出本发明实施例的成像系统的已进行偏转的光线示意图。
图10示出本发明又一实施例的3D打印设备的成像系统。
图11示出本发明再一实施例的3D打印设备的成像系统。
图12示出本发明实施例的成像系统4次曝光在光敏材料表面上所形成的图像。
图13示出光敏树脂固化所需的能量与光照功率的关系曲线。
具体实施方式
本发明的实施例描述一种光固化型3D打印设备及其成像系统，该成像系统使用液晶面板作为面阵图像源，结合两个偏振滤光器对偏振光的过滤来提供光束图像。由于偏振滤光器容易因吸收能量密度高的紫光或紫外光而过热，造成损坏，本发明的实施例提出减少紫外光对偏振滤光器的损坏的方案。
图2示出本发明一实施例的3D打印设备的成像系统。参照图2所示，本实施例的成像系统200包括光源201、液晶面板202、第一偏振光滤光器203、第二偏振光滤光器204、投影镜头205以及控制器（图未示出）。为简明起见，不示出与本发明无关的光学器件。
光源201可出射一光束。光源201所发出的光的波长随固化成型的光敏材料而定。例如，选择UV树脂作为光敏材料时，光束可为紫光至紫外光，其波长在430nm以下，例如400-405nm。
液晶面板202位于光源201的出光光路上。液晶面板202包含有多个像素，其主要作用是偏转光源201所发出的光束的偏振方向，配合偏振光滤光器203、204可遮挡光源发出的一部分光，以形成光束图像。液晶面板202的入光侧和出光侧分别设置第一偏振光滤光器203和第二偏振光滤光器204，组成液晶系统。第一偏振光滤光器203和第二偏振光滤光器204只允许和其极化方向相同的光通过，而且二者极化方向相互垂直。在没有液晶面板202的情况下，第一偏振光滤光器203和第二偏振光滤光器204会阻断所有试图穿透的光线。但是，由于两个偏振光滤光器之间为液晶面板202。液晶面板202被分隔为许多充满液晶的液晶单元。每一液晶单元对应一个像素。光线穿出第一偏振光滤光器203后，经过液晶面板202，会被液晶分子扭转一定角度，扭转角度受加在液晶面板上的电压控制。这些光线只有和第二偏振光滤光器204极化方向相同的分量才能从第二偏振光滤光器204中穿出。因此，个别控制各液晶单元的液晶分子的排列方向，就可控制光线透过液晶系统的亮度和图像。
当用于3D打印时，液晶面板202所形成的光束图像可以只包含灰阶信息。因此，液晶面板202可不需要彩色滤色片等在用作显示面板时需要的光学元件。
与液晶面板202配合的偏振光滤光器通常选用偏振片，且靠近液晶面板202的两侧设置。偏振片在允许和其极化方向相同的光通过的同时，吸收了和其极化方向垂直的光而导致明显的发热。这些热量集中于小面积的偏振片上，非常容易将其损坏。
本实施例的特点是，第一偏振光滤光器203使用偏振光分光棱镜。偏振光分光棱镜能把入射的光线分成两束垂直的线偏光。其中P偏光完全通过，而S偏光以90度角被反射，出射方向与P光成90度角。由于光要么完全通过，要么被反射，因此偏振光分光棱镜本身吸收的光很少即发热很少。另一方面，第二偏振光滤光器206仍可以使用偏振片。但是这一偏振片被非常规地布置到投影镜头205与光敏材料表面之间，并且与直接贴近液晶面板202布置相比，具有明显更大的面积。尤其是，这一偏振片可以靠近光敏材料表面220。如图2可见，越靠近光敏材料表面220处，光束越分散。这样光束经过偏振片时，偏振片在单位面积上所吸收的能量越小，就越不容易因发热而损坏。
总而言之，本实施例使用的两个偏振光滤光器中，第一偏振光滤光器203由于使用偏振光分光棱镜而几乎不会有发热问题，而第二偏振光滤光器206由于被布置到光束更分散的投影镜头205与光敏材料表面之间且面积扩大，将降低单位面积上吸收的热量，缓解发热问题。
对液晶面板202的每一像素而言，由于液晶单元附近需要布置薄膜晶体管和布线等，并无法让光束全部通过。考虑到包含透光率在内的各种光能量损失，光源201需要达到一定的照射功率才能使光敏材料固化，或者使固化的时间在可接受的程度。如前文所述，波长在430nm下的光，达到一定功率后对液晶的损害较大。因此如何在满足使光敏材料固化的条件下，尽可能地降低光源201的照射功率成为基于液晶面板的成像系统可实施的关键。
为避免液晶面板寿命的显著缩短，本发明较佳实施例可以在可接受的较低光源功率下投影出光固化所需的光束图像。
图3示出本发明另一实施例的光固化型3D打印设备的成像系统。参照图3所示，本实施例的成像系统包括光源201、液晶面板202、第一偏振光滤光器203、第二偏振光滤光器204、投影镜头205、聚焦透镜阵列206、偏转镜片207以及控制器（图未示出）。与前一实施例相比，本实施例引入聚焦透镜阵列206并配合对聚焦程度的控制来达成以较低光源功率工作的目的。
聚焦透镜阵列206设置于液晶面板202的入光侧。聚焦透镜阵列206包含了许多微小的聚焦透镜。每一聚焦透镜对应液晶面板202的每一像素。图4示出本发明一实施例的聚焦透镜阵列与液晶面板的配合关系。在此实施例中，聚焦透镜阵列206是覆盖在液晶面板202上。举例来说，某一聚焦透镜506对应液晶面板202的某一像素502。此像素502包含不透光的黑色掩模502a和透光区域502b。聚焦透镜阵列206可以是由树脂材料压制而成。通过布置在液晶面板的入光侧聚焦透镜的聚焦作用，可以使更多的光透过液晶面板，并且提高了液晶面板的出光侧的聚焦点亮度。这种设计带来两个有利的效果：首先，光源201的照射功率没有提高，因此液晶面板免于受到更高光强的紫外光照射；其次，经过聚焦后，穿过液晶面板的聚焦点亮度得到成倍提升，该聚焦点最终成像于光敏材料，使其更容易固化。在此，聚焦点亮度取决于聚焦程度。
在本实施例中，光源201的形状、面积、发散角、到液晶面板202的距离需要被严格设计，以得到所期望的光斑亮度，后文将详细描述。
图5示出图3所示成像系统单个像素的光路原理图。参照图5所示，光源201发出光束，设其发光面的高和宽都为A，光源发散角能够配合液晶面板202需要照射的面积，光源201到聚焦透镜阵列206的距离为L1，光束照射到聚焦透镜阵列206，其中部分光线照射到某一聚焦透镜506，对应液晶面板202的某一像素502。像素尺寸为P。
聚焦透镜506会对光源201发出的光束进行汇聚，同时，在聚焦透镜506后端会产生光源201的像501a。像501a经过投影镜头205后，投影在光敏材料（图中未示出）表面上形成光斑。
设聚焦透镜506的前焦距为f，后焦距为f’(f’≈f)，光源201的像高为d，聚焦透镜506到成像面的距离为L2，按照高斯公式我们可以得到：
f/L1+f’/L2=1；
L1/L2=A/d。
在一个示例中，f=100μm，P=20μm，L1=200mm，A=20mm代入上式则：
100μm/200mm+100μm/L2=1；L2=100.05μm；
200mm/100.05μm=20mm/d；d=10μm。
通过上述计算可知，可以通过适当的设计，控制成像光斑的大小。在此，光斑越小，意味着聚焦程度越高，则聚焦后的光斑亮度越高。
与之对照的是，如果液晶面板用于投影显示，通过设计使光斑尽量大些，只要能通过黑色掩模即可，这样对比度最高，画面质量最好。然而这种设计不适用于3D打印。
事实上由于聚焦透镜506可能的制造缺陷，特别是光的衍射效应的存在，光斑尺寸会略大于实际计算，而且光斑的形状也可能成为圆形而和光源201原来的形状不一样。这就需要在实际试验中对前述参数进行调整，以确定最终的数据。
无论如何这种会聚作用具有多种潜在的技术效果。首先，经过会聚之后的光束在聚焦点的亮度更高，比如，如果尺寸减小为1/2则亮度变为原来的4倍，这对光敏材料的感光有利，后文将展开描述。其次，光束的完全透过减少了液晶面板吸收光束而产生的热量，有助于延长液晶面板寿命。再者，经过会聚之后的光束，在光敏材料表面上所形成的光斑尺寸较小，有助于提升打印的分辨率。
下面将描述如何发挥上述潜在的技术效果。
投影镜头205布置在液晶面板202与三维打印设备的光敏材料表面220之间，将液晶面板202及偏振光滤光器205、206所形成并出射的光束图像投影到光敏材料表面220。再参考图5所示，光源201在液晶面板202的每一像素502后有一像501a。投影镜头205的位置，则是位于该像501a与光敏材料表面之间，如图5所显示的那样。因此，光源201经液晶面板202后形成的多个像将清晰地投影到光敏材料表面220上。可使会聚后的像501a的尺寸与液晶像素尺寸之比为1:2，即面积之比为1:4，这会使亮度相应为原来的4倍。尽管经过投影，像501a的尺寸会扩大，但这一比例在像501a投影到光敏材料表面220上时会保持不变。下面将参考光敏材料表面的光斑来继续讨论比例的设定。
图7示出本发明实施例的成像系统一次曝光在光敏材料表面上所形成的图像。作为比较，如果光线直接通过图6示出成像系统的黑色掩模进行成像，则会得到类似于此黑色掩模的图像。比较图7和图6可知，经过聚焦透镜阵列206的会聚后，图像中光斑的尺寸缩小了，而光斑亮度则相应提高了。通过如前文所述的适当的光学设计来调整会聚的程度，以决定光斑的尺寸缩小比例。举例来说，可使会聚后的光斑尺寸（像501a投影在光敏材料表面的尺寸）与像素尺寸（液晶像素投影在光敏材料表面的尺寸）之比为1:2，即面积之比为1:4，光斑亮度则相应提高为原来的4倍。因此，总的到达光敏材料表面的能量没有减少。
可以理解，考虑到前述聚焦透镜502制造的缺陷和光的衍射效应等因素，当所设计光斑尺寸与像素尺寸之比为1:2时，实际的光斑尺寸与像素尺寸之比会略大于1:2。本实施例的成像系统允许适当的误差，即前述尺寸之比约为1:2。
此外，可使会聚后的光斑尺寸与像素尺寸之比约为1:3或1:4。这里取整数倍的原因是考虑到后续偏转时，需要在各个光斑的空白部分插入新的光斑。
如图7所示，光敏材料表面上一次曝光的图像中，光斑之间留有空白。为此，通过多次曝光来填补这些空白，使光斑布满整个光敏材料表面。
在本实施例中，在液晶面板202与投影镜头205之间布置有偏转镜片207。偏转镜片207能够围绕至少一转轴偏转，以微调光束图像投影到光敏材料表面220的位置。前述的转轴均垂直于成像系统的光轴z，在偏转镜片207和液晶面板202平行（和光轴z垂直）时，光线垂直照射在偏转镜片207，这时没有折射现象发生，光线a直接经过偏转镜片(如图8)；如果偏转镜片207围绕一转轴倾斜一个角度，光线从空气进入偏转镜片207将会产生折射，光线从偏转镜片207进入空气时再次发生折射，两个折射的折射角度相同，方向相反，折射后的光线b将按原有方向前进，但是发生微小的位移(如图9)。举例来说，偏转透镜的这一转轴是图8所示的转轴x。另外，这一转轴可以是位于包含转轴x且垂直于光轴z的平面内，且垂直于转轴x的转轴y（图未示出）。在本发明的实施例中，偏转镜片207可以既能够绕转轴x偏转，也能绕转轴y偏转。
上述的偏转可以结合多次曝光，可以使各次曝光的光束图像叠加，令光斑布满光敏材料表面220。具体地说，可以令光源201进行多次曝光，在每次曝光时，命令偏转镜片207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。图12示出本发明实施例的成像系统4次曝光在光敏材料表面上所形成的图像。参照图12所示，在第一次曝光时，形成了投影图像A；在第二次曝光时，由于偏转镜片207绕着x轴偏转，使光束图像略微沿图中的水平方向移动，投影到两列光斑之间的空白中，形成投影图像B；在第三次曝光时，偏转镜片207绕着y轴偏转，使光束图像略微沿图中的垂直方向移动，投影到两行光斑之间的空白中，形成投影图像C；同理，形成投影图像D。投影图像D已布满了光敏材料表面220。
在实际实施时，可以使用成像系统200的控制器，命令光源201进行多次曝光，同时在每次曝光时命令该偏转镜片207配合进行x、y两个方向的偏转。
在本发明的另一实施例中，如图10所示，液晶面板202连接有微位移驱动机构208以代替偏转镜片207。微位移驱动机构208能够驱动液晶面板在x方向和y方向移动，以微调光束图像投影到光敏材料表面220的位置。在此，x、y方向在同一平面，且这一平面垂直于成像系统的光轴z。在微位移驱动机构208没有驱动液晶面板位移时，液晶面板202的光束图像在光敏材料表面220的第一位置；当微位移驱动机构208驱动液晶面板202在一方向（x或y方向）微位移时，液晶面板202的整个光束图像将随着液晶面板202发生微小的位移。
微位移驱动机构208可以是压电陶瓷。
需要指出的是，各次曝光的光束图像的叠加虽然布满该光敏材料表面，但是各次曝光的光束图像在光敏材料表面220的位置可以基本上互不重叠。这是通过控制像素尺寸与光斑的尺寸之比为整数，且偏转的步距刚好为光斑尺寸来实现的。这种基本上互不重叠的设置可以避免重叠区域所接收的光照高于平均水平，造成固化的不均匀。可以理解，考虑光衍射效应等因素，略微的重叠有助于弥补光斑非矩形边缘部分的缺失。因此并不要求光斑之间完全不重叠。此外，光束图像的叠加虽然布满该光敏材料表面，但是可以理解，光束图像中并非每个位置都是亮点，而是可能有暗点。
在本发明的一实施例中，各次曝光的光束图像可以包含相同的图像信息。以图12为例，投影图像D中，虚框内的四个光斑包含相同的图像信息。这一实施例的优势在于提高每次曝光时，到达光敏材料表面光斑的亮度。
上述的例子是在控制光斑尺寸为像素尺寸的1/2时，进行4次曝光。可以理解，控制光斑为像素尺寸的1/3时进行9次曝光，控制光斑为像素尺寸的1/4时进行16次曝光，以次类推。
接下来说明曝光亮度有利于光敏材料的感光的原理。光敏材料接受一定量的光照射后，在一定时间内会固化，这一时间称为固化时间。光照射的功率，即光敏材料在单位时间内接收到的光照能量，会显著影响固化时间。理论上一定面积树脂的固化需要的能量可以表达为：
W=P*t，P为照射到树脂上的光功率，t为曝光时间。
即，可以通过提高光照功率减少曝光时间或较小光照功率增加曝光时间来达到同样的能量以达到同样的固化效果，这称为“互易律”。但是在光敏树脂中存在互易律失真的情形。
图13示出光敏树脂固化所需的能量与光照功率的关系曲线。如图13所示，x轴表示光照功率，y轴表示固化需要的能量W。曲线表示在不同光照功率下，一定面积的光敏材料的固化需要的能量。当光照功率P0以下时，需要能量W为无穷大，由于t=W/P，即需要无穷大时间。曲线内包含了线性段（图中接近水平的部分）和非线性段（图中斜线部分）。在线性段，随着光照功率加大，所需固化时间和光照功率成反比，固化需要的能量基本不变；在非线性段，随着光照功率减小，所需固化时间非线性快速增加，固化需要的能量非线性增大。
总结来说，光敏树脂具有以下特性：
1.光照射的功率必须达到一定的下限P0，才可能发生固化，低于这一功率无论如何延长曝光时间，也不能固化，这一光功率称为阀值功率。
2.只有在线性段，才能基本符合上述“互易律”。
3.在接近P0的区域，光功率的微小减低都需要大量增加曝光时间才能使树脂固化到同样程度。
由于光敏树脂需要的光照的波长在430nm以下，这一波长的光线过强对液晶面板中的液晶是有伤害的。因此使用液晶面板的3D打印设备，其光照强度会选择较低，例如设定在略大于P0的位置，以延长液晶面板的寿命。然而这也意味着，需要大量增加曝光时间才能使光敏树脂固化，这大大降低了感光速度。
本发明的实施例通过缩小光斑，成倍增加光斑的光照强度，从而使成像系统摆脱需要大量增加曝光时间才能使树脂固化的非线性段，进入相对线性段，从而大大减小了光敏材料的固化时间，提高了感光速度，同时，减少了固化需要的总能量W（这也是通过液晶面板的光能），延长了液晶面板的寿命。在本发明的另一实施例中，各次曝光的光束图像包含不同的图像信息。以图12为例，投影图像D中，虚框内的四个光斑包含互不相同的图像信息。这就意味着，图像的分辨率相应提高到原来的4倍。因此3D打印的精度得到显著提高。
图11示出本发明再一实施例的3D打印设备的成像系统。与图2和图3所示实施例不同的是，此实施例的第一偏振光滤光器203和第二偏振光滤光器204都使用偏振光分光棱镜。第一偏振光滤光器203设置在液晶面板202的入光侧。第二偏振光滤光器204设置在液晶面板202的出光侧，例如液晶面板202与投影镜头205之间。当然，第二偏振光滤光器204也可以设置在投影镜头205之后，这时第二偏振光滤光器204需要有更大的面积。偏振光分光棱镜能把入射的光线分成两束垂直的线偏光。其中P光（振动方向与偏振光分光棱镜的入射面平行的线偏振光）完全通过，而S光（振动方向与偏振光分光棱镜的入射面垂直的线偏振光）以45度角被反射，出射方向与P光成90度角。由于光要么完全通过，要么被反射，因此偏振光分光棱镜本身吸收的光很少即发热很少。对于液晶面板202入光侧的第一偏振光滤光器203来说，入射光中的P光完全通过，而S光被反射。其中P光经过液晶面板202时，部分P光被扭曲为S光，而部分P光未被扭曲。对于液晶面板202出光侧的第二偏振光滤光器204来说，由于其入射面垂直于第一偏振光滤光器203的入射面，因此第一偏振光滤光器203的出射P光对其而言为S光，会被反射，部分扭曲后的S光直接通过。
此实施例需要配合投影镜头205的合理设计来实施。
本发明的实施例改变了偏振光滤光器的固有设计，在配合液晶面板使用的两个偏振光滤光器中，第一偏振光滤光器和第一偏振光滤光器都可使用偏振光分光棱镜而几乎不会有发热问题，或者第二偏振光滤光器使用偏振片但被布置到光束更分散的投影镜头与光敏材料表面之间且面积扩大，将降低单位面积上吸收的热量，缓解发热问题。
本发明的实施例还通过设置聚焦透镜阵列，将照射到液晶面板上的光束会聚，使其能透过液晶面板的各像素的透光区域，尽可能穿过液晶面板，以减小直至避免液晶面板的不透光部分的遮挡。而且通过光束会聚，使照射到光敏材料表面上的光斑面积缩小，光斑亮度显著提高，在液晶面板总体光通量较小的情况下，仍能达到树脂感光阀值，提高感光速度。再者，通过多次曝光配合微位移可将光敏材料表面填满曝光光斑，再针对各次曝光使用不同成像信息，可提高成像的分辨率，从而提高打印的精度。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。
Claims (12)
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；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。
4.如权利要求2或3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。
5.如权利要求2或3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基本上互不重叠，且各次曝光的光束图像所形成的光斑布满该光敏材料表面。
6.如权利要求2或3所述的光固化型3D打印设备的成像系统，其特征在于，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。
7.如权利要求2或3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。
8.如权利要求2或3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不同的图像信息。
9.如权利要求2或3所述的光固化型3D打印设备的成像系统，其特征在于，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。
10.如权利要求2、3、6或9所述的光固化型3D打印设备的成像系统，其特征在于，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。
11.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，该光束的波长在430nm以下。
12.一种光固化型3D打印设备，包含如权利要求1-11任一项所述的成像系统。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SHANGHAI PULISHENG INFORMATION TECHNOLOGY CO., LTD Effective date: 20150617 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20150617 Address after: 201612, room 38, building 258, 201 Xin brick road, Shanghai, Songjiang District Applicant after: PRISMLAB CHINA Ltd. Applicant after: PRISMLAB INFORMATION TECHNOLOGY Ltd. Address before: 201100 Shanghai Minhang District Xin Zhu Road, Lane 828 No. 10 Applicant before: PRISMLAB CHINA LTD. |
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| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 201615 Room 402, Building 11, No. 1158, Jiuting Central Road, Jiuting Town, Songjiang District, Shanghai Patentee after: Shanghai Pulisheng 3D Technology Co.,Ltd. Patentee after: PRISMLAB INFORMATION TECHNOLOGY Ltd. Address before: Room 201, Building 38, No. 258 Xinzhuan Road, Songjiang District, Shanghai, 2016 Patentee before: PRISMLAB CHINA Ltd. Patentee before: PRISMLAB INFORMATION TECHNOLOGY Ltd. |