CN104669622B - 光固化型3d打印设备及其成像系统 - Google Patents

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、第一偏振光滤光器和第二偏振光滤光器。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，每一像素包括透光区域和不透光区域。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，其中该液晶面板与光敏材料表面的距离足够近，且该液晶面板的尺寸与在该光敏材料表面形成的图像的尺寸基本上相等，以允许该光束图像不经过投影镜头直接投影到光敏材料表面。

Description

光固化型3D打印设备及其成像系统

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(Digital LightProcession,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。

无论是DLP投影成像技术还是液晶投影技术都会使用投影镜头，将面积较小的光束图像投影到较大的成像面上。以液晶投影技术来说，经过液晶系统后的光束，会经过投影镜头的放大，投影到成像面上。然而由于投影镜头本身存在的失真(例如桶形失真、枕形失真)，导致成像存在失真。对于投影仪来说，此类失真对用户来说影响并不明显。但对3D打印设备来说，失真将直接影响所打印产品的精度，限制了3D打印设备的应用范围。

此外，固化光源对液晶面板的损害也是需要考虑的问题。在液晶投影技术中，光源发光的波长通常在450nm以上。这一范围的光对液晶面板的损害并不显著。然而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损害的，会缩短液晶的寿命。

而且液晶面板不高的透光率使寿命缩短显著恶化。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)。同时，未被透过的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，弥补透光率不足的主要方式只能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。

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，且可以克服现有技术存在的至少部分问题。

本发明的一个方面提出一种光固化型3D打印设备的成像系统，包括光源、液晶面板、第一偏振光滤光器和第二偏振光滤光器。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，每一像素包括透光区域和不透光区域。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，其中该液晶面板与光敏材料表面的距离足够近，且该液晶面板的尺寸与在该光敏材料表面形成的图像的尺寸基本上相等，以允许该光束图像不经过投影镜头直接投影到光敏材料表面。

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，该像的尺寸小于对应像素的透光区域的尺寸，且该像位于光敏材料表面。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，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出光侧，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从对应像素穿透的光束，使该光束成像，该像的尺寸小于对应像素的透光区域的尺寸，且该像位于光敏材料表面。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，该第一偏振光滤光器为偏振光分光棱镜，该聚焦透镜阵列位于该第一偏振光滤光器和该液晶面板之间。

在本发明的一实施例中，该第一偏振光滤光器为偏振片，该聚焦透镜阵列位于该第一偏振光滤光器的入光侧。

在本发明的一实施例中，该第二偏振光滤光器为偏振片，该聚焦透镜阵列位于该第二偏振光滤光器的出光侧。

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，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。

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。

本发明还提出一种光固化型3D打印设备，包括如上所述的成像系统。

本发明的上述技术方案通过将液晶面板的尺寸与希望在光敏材料表面形成的图像的尺寸设置为基本上相等，并且液晶面板与光敏材料表面的距离足够近，使得穿透液晶面板的光束图像可以不经投影镜头而直接投影到光敏材料表面，由此省略了投影镜头，避免由于镜头畸变带来的失真。同时，本发明设置聚焦透镜阵列，将照射到液晶面板上的光束会聚，使照射到光敏材料表面上的光斑缩小、亮度提高。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，同时通过多次曝光可以成倍提高系统分辨率。

此外，光固化材料在固化时，材料会有一定量的收缩，当大面积光固化材料同时感光固化时，会产生较大的连续的内应力，使固化的物体翘曲、变形，本发明通过多次曝光来使光敏材料的不同像素点分时固化，避免了大面积光固化材料同时固化的情况发生，降低像素点固化收缩时对周围像素点拉扯的影响，从而改善了打印体翘曲、变形的程度。

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3D打印设备的成像系统。

图3示出本发明另一实施例的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移动的光线示意图。

图9示出本发明实施例的成像系统的已进行移动的光线示意图。

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示出本发明一实施例的成像系统4次曝光在光敏材料表面上所形成的图像。

图12示出光敏树脂固化所需的能量与光照功率的关系曲线。

图13示出本发明另一实施例的成像系统4次曝光在光敏材料表面上所形成的图像。

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。本发明的实施例通过重新设计投影光路，来省略导致失真的投影镜头。为避免液晶面板寿命的显著缩短，本发明的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包括光源201、菲涅尔透镜202、液晶面板203、第一偏振光滤光器204、第二偏振光滤光器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。光源201应当距离液晶面板203足够远，且相对于这一距离，光源201近似于点光源。举例来说，距离可以设置为1m，相对于这一距离，光源尺寸设计为10mm。

尽管有上述的设计，由于光源201存在较大的入射角，在光源201后、液晶面板203前可以加一个菲涅尔透镜202，对光线准直。

液晶面板203位于光源201的出光光路上。液晶面板203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，配合偏振光滤光器可遮挡光源发出的一部分光，以形成光束图像。液晶面板203的入光侧和出光侧分别设置第一偏振光滤光器204和第二偏振光滤光器205，组成液晶系统。第一偏振光滤光器204和第二偏振光滤光器205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203的情况下，第一偏振光滤光器204和第二偏振光滤光器205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203。液晶面板203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204后，经过液晶面板203，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205极化方向相同的分量才能从第二偏振光滤光器205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。

通常在液晶系统与光敏材料表面之间设有投影镜头，该投影镜头通常用于将图像成比例放大，但同时也导致了失真。在本实施例中，将液晶面板203的尺寸与希望在光敏材料表面220形成的图像的尺寸设置为基本上相等。这样，光束穿过液晶面板203形成光束图像后，可以不经投影镜头直接投影到光敏材料表面220。经过放大的液晶面板203，其每一像素也将比通常用于投影的液晶面板的像素的尺寸明显增大。这时，光敏材料220表面的每一光斑的大小大致等于液晶面板203的像素大小。简要的说，通过光学设计可以将液晶面板203上的图像直接投影到光敏材料表面220。

同时，液晶面板203与光敏材料表面220的距离应足够近，以使液晶面板203上的图像能不失真的投影到光敏材料表面220。

设光源直径A＝10mm，液晶面板203与光源201的距离为L1＝1000mm，液晶面板203的像素尺寸P＝0.3mm，液晶面板203与光敏材料表面的距离为L2＝5mm，液晶面板203的像素在光敏材料表面上最大成像范围D可计算为：

α＝arctan(A/L1)＝0.5729；

D＝P+2*L2*tanα＝0.3+0.1＝0.4mm。

可见当光源面积足够小，距离液晶面板203足够远，且液晶面板203与光敏材料表面的距离足够近时，液晶面板203上的图像可以近乎1:1的投影到光敏材料表面上。

在本实施例中，液晶面板203可以使用常用的液晶显示面板来制作。只是当用于3D打印时，液晶面板203所形成的光束图像必须只包含灰阶信息。因此，液晶面板203不需要彩色滤色片等在用作显示面板时需要的光学元件。

在本实施例中，第一偏振光滤光器204和第二偏振光滤光器205都可以是偏振片。在图10所示的另一实施例中，第一偏振光滤光器204还可以是偏振光分光棱镜，而由于液晶面板203与光敏材料表面220的距离较近，第二偏振光滤光器205最好是仍使用较薄的偏振片。本实施例的优点是，由于省略了投影镜头，避免了投影镜头畸变带来的图像失真。因此本实施例可以提高3D打印的精度。

图3示出本发明一实施例的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、菲涅尔透镜202、液晶面板203、第一偏振光滤光器204、第二偏振光滤光器205、聚焦透镜阵列206、微位移驱动机构207以及控制器(图未示出)。为简明起见，不示出与本发明的实施例无关的光学器件。

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203位于光源201的出光光路上。液晶面板203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，配合偏振光滤光器可遮挡光源发出的一部分光，以形成光束图像。液晶面板203的入光侧和出光侧分别设置第一偏振光滤光器204和第二偏振光滤光器205，组成液晶系统。

在本实施例中，液晶面板203可以使用常用的液晶显示面板来制作。不过当用于3D打印时，液晶面板203所形成的光束图像必须只包含灰阶信息。因此，液晶面板203不需要彩色滤色片等在用作显示面板时需要的光学元件。

在本实施例中，第一偏振光滤光器204和第二偏振光滤光器205都可以是偏振片。与前一实施例相同的是，在本实施例中，将液晶面板203的尺寸与希望在光敏材料表面220形成的图像的尺寸设置为基本上相等。并且，液晶面板203与光敏材料表面220的距离应足够近，以使液晶面板203上的图像能不失真的投影到光敏材料表面220。

对液晶面板203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有损害。因此如果能降低光源201的照射功率，则可降低这种损害。

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前述目的。

聚焦透镜阵列206设置于液晶面板203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203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，先在液晶面板203的入光侧覆盖偏振片形式的第一偏振光滤光器204，聚焦透镜阵列206是覆盖在第一偏振光滤光器204上。聚焦透镜阵列206可以是由树脂材料压制而成。

本实施例还结合在图10所示的实施例中实施，此时，聚焦透镜阵列206可以直接覆盖在液晶面板203上。

通过布置在液晶面板203的入光侧的聚焦透镜的聚焦作用，可以使更多的光透过液晶面板203，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203免于受到更高光强的紫外光照射；其次，经过聚焦后，聚焦点亮度得到成倍提升，使光敏材料更容易固化。在此，聚焦点亮度取决于聚焦程度。

在另一未图示的实施例中，聚焦透镜阵列206还设置于液晶面板203的出光侧。聚焦透镜阵列206的每一聚焦透镜能够会聚从对应像素穿透的光束，使该光束成像，该像的尺寸小于对应像素的透光区域的尺寸。在此另一实施例中，先在液晶面板203上的出光侧覆盖作为第二偏振光滤光器205的偏振片，再在其上覆盖聚焦透镜阵列206。

在本实施例中，光源201的形状、面积、发散角、到液晶面板203的距离需要被严格设计，以得到所期望的光斑大小和亮度，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203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203的某一像素503。像素503的尺寸为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后端会在光敏材料表面220上产生光源201的像，这一像即为一光斑。

设聚焦透镜的前焦距为f，后焦距为f’(f’≈f)，光源201的像高为d，聚焦透镜402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≈f’＝5mm，P＝0.3mm，L1＝550mm，A＝15mm代入上式则：

5mm/550mm+5mm/L2＝1；L2＝5.046mm；

550mm/5.046mm＝15mm/d；d＝0.138mm。

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。

在本实施例中，由于聚焦透镜阵列206的聚焦作用，对光源201与液晶面板203的尺寸的距离，以及光源201的发光面积要求可以适当降低。例如在相同条件下，如果在前一实施例中，前述距离可以设置为1m，光源尺寸设计为10mm，则在本实施例中，前述距离可以设置为0.55m，光源尺寸可以设计为15mm。然而可以理解，这些参数取决于具体的实施环境，在此主要用于比较二者的差别，而不作为本发明实施例的限制。

事实上由于聚焦透镜506可能的制造缺陷等问题，光斑尺寸会和实际计算不完全一致，而且会出现的光斑的形状也可能成为圆形，而和光源201一样的形状不一样，这需要实际试验中对前述参数进行调整，以确定最终数据。

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则光斑亮度将增加到原来的4倍，这对光敏材料的感光有利，后文将展开描述。其次，光束的尽可能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。

再参考图5所示，光源201在液晶面板203的每一像素后有一像501a。因此，光源201经液晶面板203的所有像素后，将形成许多像，这些像落在光敏材料表面220上形成许多光斑。

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，则由于光源不是点光源，在光敏材料表面上得到大于此像素的光斑图像，严重时光斑还会重叠。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与像素尺寸之比为1:2，即面积之比为1:4，光斑亮度则相应提高到原来的4倍。因此，总的到达光敏材料上表面的能量没有减少。

可以理解，考虑到前述聚焦透镜阵列206制造的缺陷等因素，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位移时，需要在各个光斑之间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，液晶面板203设置有微位移驱动机构207。微位移驱动机构207能够驱动液晶面板203在x方向和y方向移动，以微调光束图像投影到光敏材料成像面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207没有驱动液晶面板位移时，液晶面板203的光束图像在光敏材料表面220的第一位置(如图8)；当微位移驱动机构207驱动液晶面板203在一方向(x或y方向)微位移时，液晶面板203的整个光束图像将随着液晶面板203发生微小的位移(如图9)。

上述的位移可以结合多次曝光，可以使各次曝光的光束图像叠加，令光斑均匀布满光敏材料表面220。具体地说，可以令光源201进行多次曝光，在每次曝光时，命令微位移驱动机构207进行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。图11示出本发明实施例的成像系统4次曝光在表面上所形成的图像。参照图11所示，在第一次曝光时，形成了投影图像A；在第二次曝光时，由于微位移驱动机构207驱动液晶面板203略微沿图中的水平方向移动，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，微位移驱动机构207驱动液晶面板203略微沿图中的垂直方向移动略微移动，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微位移驱动机构207配合进行x、y两个方向的移动。

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，且移动的距离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，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11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。

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11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，图像的分辨率相应为原来的4倍。因此3D打印的精度得到显著提高。

此外，通过实验发现，这种通过多次曝光来使光敏材料的不同像素点分时固化的方法还有其它优点。具体地说，光固化材料在固化时，材料会有一定量的收缩，当大面积光固化材料同时感光固化时，会产生较大的连续的内应力，使固化的物体翘曲、变形。本发明上述实施例的方法，通过让不同像素点在不同时间固化，可以降低像素点固化收缩时对周围像素点拉扯的影响，从而改善了固化的物体翘曲、变形的程度。参考图10所示，先对光敏材料上间隔排列的多个像素点进行曝光固化形成投影图像A，各个像素点固化收缩时拉扯的周围区域都还是液态的光敏材料，液态材料的易变性抵消了拉扯的影响避免了内应力的累计；接着，进行第二次曝光固化形成投影图像B，这次固化的像素(偶数列)在上、下两个方向周围都还是液态的光敏材料，因此这两个方向的液态材料的易变性抵消了拉扯的影响；然后进行第三次曝光固化形成投影图像C，这次固化的像素(偶数行)在左侧方向周围还是液态的光敏材料，因此这个方向的液态材料的易变性抵消了拉扯的影响；最后进行第四次曝光固化形成投影图像D，只有这次固化的像素周围均是固态的光敏材料。但这时只有1/4的材料被固化，而且聚焦后像素点的特性是中间比周围更亮，这样在固化发生时像素中间会比边缘更快固化，中间固化时的内应力还可被周围未固化树脂吸收一部分，等完全固化时积聚的内应力已十分小了。更重要的是，因同一时刻只有相互隔开的像素点在进行固化，而相邻的像素不会同时进行固化，避免了各个像素点同时固化时的互相拉扯。

在较佳实施例中，参考图13所示，在进行第一次曝光固化形成投影图像A后，接着进行第二次曝光固化形成投影图像B。投影图像B中进行固化的像素点与投影图像A中固化的像素点位于对角而互不相邻，因而这次固化的像素在周围四个方向都还是液态的光敏材料，液态材料的易变性抵消了拉扯的影响。然后进行第三次曝光固化形成投影图像C和第四次曝光固化形成投影图像D的方式和图10所示实施例相同，在此不再展开。

同理，在进行9次曝光或16次曝光时，也可以优先让相互间像素点互不相邻的几个投影图像先进行曝光，以最大程度地减少相互拉扯的影响。

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。理论上一定面积的光敏材料的固化需要的能量可以表达为：

W＝P*t。

P为照射到光敏材料上的光功率，t为曝光时间。

也就是说，可以通过提高光功率减少曝光时间或较小光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12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12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。当光照功率在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，随着光功率加大，所需固化时间和光功率成反比，固化需要的能量基本不变；在非线性段，随着光功率减小，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，从而减少了固化需要的能量W(这也是通过液晶面板的光能)，延长了液晶面板的寿命。

本发明的上述实施例通过将液晶面板的尺寸与希望在光敏材料表面形成的图像的尺寸设置为基本上相等，并且液晶面板与光敏材料表面的距离足够近，使得穿透液晶面板的光束图像可以不经放大地投影到光敏材料表面，由此省略了投影镜头，避免由于镜头畸变带来的失真。

进一步，本发明的上述实施例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驱动机构的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。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (20)

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，每一像素包括透光区域和不透光区域；

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，其中该液晶面板与光敏材料表面的距离足够近，且该液晶面板的尺寸与在该光敏材料表面形成的图像的尺寸相等，以允许该光束图像不经过投影镜头直接投影到光敏材料表面；

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，该像的尺寸小于对应像素的透光区域的尺寸，且该像位于光敏材料表面；

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。

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，该第一偏振光滤光器为偏振光分光棱镜，该聚焦透镜阵列位于该第一偏振光滤光器和该液晶面板之间。

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，该第一偏振光滤光器为偏振片，该聚焦透镜阵列位于该第一偏振光滤光器的入光侧。

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在该光敏材料表面所形成的各个光斑互不重叠，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。

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包含不同的图像信息。

8.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中，优先曝光相互间像素互不相邻的多个光束图像。

9.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，该像的尺寸与该液晶面板的像素尺寸之比为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1、5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。

11.一种光固化型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，每一像素包括透光区域和不透光区域；

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，其中该液晶面板与光敏材料表面的距离足够近，且该液晶面板的尺寸与在该光敏材料表面形成的图像的尺寸相等，以允许该光束图像不经过投影镜头直接投影到光敏材料表面；

聚焦透镜阵列，设置于该液晶面板的出光侧，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从对应像素穿透的光束，使该光束成像，该像的尺寸小于对应像素的透光区域的尺寸，且该像位于光敏材料表面；

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。

12.如权利要求11所述的光固化型3D打印设备的成像系统，其特征在于，该第二偏振光滤光器为偏振片，该聚焦透镜阵列位于该第二偏振光滤光器的出光侧。

13.如权利要求11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，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。

14.如权利要求11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。

15.如权利要求11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。

16.如权利要求11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。

17.如权利要求11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中，优先曝光相互间像素互不相邻的多个光束图像。

18.如权利要求11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为1:2、1:3或1:4，同时该光源的曝光次数为4、9或16次。

19.如权利要求11、14或18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。

20.一种光固化型3D打印设备，包括如权利要求1-19任一项所述的成像系统。