CN104802400A - 光固化型3d打印设备及其图像曝光系统 - Google Patents

光固化型3d打印设备及其图像曝光系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种3D打印设备的图像曝光系统，包括：空间光调制器，具有多个微镜，用于根据控制信号调节照射到其上的光的反射方向，其中每一微镜为凹面镜，将照射到其上的光会聚成尺寸小于微镜所对应的像素尺寸的微光斑；光源，产生一照射到空间光调制器上的光束；投影镜头，对准空间光调制器的第一方向，使光源通过各微镜所成的微光斑阵列投射到光敏材料表面；微位移驱动机构，连接空间光调制器，能够驱动空间光调制器在相互垂直的第三方向和第四方向移动，以微调微光斑阵列投影到光敏材料表面的位置；以及控制器，命令光源进行多次曝光，在每次曝光时命令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光敏材料表面的不同位置。

Description

光固化型3D打印设备及其图像曝光系统
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打印设备的图像曝光系统。
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数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。DMD应用在3D打印中有很多优点，比如它可以处理400nm以下的紫外光而不用担心受到损害，但是其分辨率有限却制约其发展，比如，目前的DMD常用的最高分辨率为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。
发明内容
本发明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。
本发明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：空间光调制器，具有多个微镜，每一微镜对应一像素，用于根据控制信号调节照射到其上的光的反射方向，该反射方向包括第一方向和第二方向，其中每一微镜为凹面镜，将照射到其上的光会聚成尺寸小于该微镜所对应的像素尺寸的微光斑；光源，产生一照射到该空间光调制器上的光束；投影镜头，对准该空间光调制器的该第一方向，使该光源通过各微镜所成的微光斑阵列投射到该光敏材料表面；微位移驱动机构，连接该空间光调制器，能够驱动该空间光调制器在相互垂直的第三方向和第四方向移动，以微调该微光斑阵列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进行移动，以将各次曝光的微光斑阵列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，各次曝光的微光斑阵列在该光敏材料表面所形成的像基本上互不重叠。
在本发明的一实施例中，各次曝光的微光斑阵列所形成的像布满该光敏材料表面。
在本发明的一实施例中，该微光斑的尺寸小于、等于或略大于该微镜所对应的像素尺寸的一半。
在本发明的一实施例中，假设各微镜的焦距为f，微镜所对应的像素尺寸为p，入射到各微镜的光束的半夹角为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))。
在本发明的一实施例中，各次曝光的微光斑阵列包含不同的图像信息。
在本发明的一实施例中，该微光斑的尺寸与该微镜的像素尺寸之比大约为1:2、1:3或1:4。
在本发明的一实施例中，该光源的曝光次数为4、9或16次。
在本发明的一实施例中，该空间光调制器为数字微镜元件。
在本发明的一实施例中，该微位移驱动机构为压电陶瓷。
本发明还提出一种3D打印设备的图像曝光系统，包括：空间光调制器，具有多个微镜，每一微镜对应一像素，用于根据控制信号控制照射到其上的光的反射方向，该反射方向包括第一方向和第二方向，其中每一微镜为凹面镜，以将照射到其上的光会聚成尺寸小于该微镜所对应的像素尺寸的微光斑；光源，将产生一光束照射到该空间光调制器上的光线；投影镜头，对准该空间光调制器的该第一方向，使该光源通过各微镜所成的微光斑阵列投射到该光敏材料表面；偏转镜片，布置在该空间光调制器与该光敏材料表面之间，该偏转镜片能够围绕垂直于该投影镜头的光轴的至少一转轴偏转，以微调该微光斑阵列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进行移动，以将各次曝光的微光斑阵列投影到该光敏材料表面的不同位置。
本发明还提出一种光固化型3D打印设备，包括如上所述的图像曝光系统。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，通过将数字微镜元件的微镜设置为凹面镜，结合多次曝光配合数字微镜元件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，可成倍提高成像的分辨率，从而提高打印的精度。
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打印设备的图像曝光系统。
图3A-3C示出图2所示图像曝光系统的数字微镜元件的结构图。
图4示出图像曝光系统的数字微镜元件的工作原理。
图5示出DMD元件直接投影的图像。
图6示出图3所示的数字微镜元件中的单个微镜在0°偏转角时的会聚光路图。
图7示出图3所示的数字微镜元件中的单个微镜在+12°偏转角时的会聚光路图。
图8示出图3所示的数字微镜元件中的单个微镜在-12°偏转角时的会聚光路图。
图9示出本发明实施例的图像曝光系统一次曝光在光敏材料表面上所形成的图像。
图10示出本发明一实施例的图像曝光系统4次曝光在光敏材料表面上所形成的图像。
图11示出本发明实施例的图像曝光系统的图像抽取示意图。
图12示出本发明另一实施例的3D打印设备的图像曝光系统。
图13示出图12所示图像曝光系统的偏转镜片未偏转的光路示意图。
图14示出图12所示图像曝光系统的偏转镜片进行了偏转的光路示意图。
图15示出本发明另一实施例的图像曝光系统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3D打印设备及其图像曝光系统，该图像曝光系统使用数字微镜元件作为面阵图像源。
图2示出本发明一实施例的3D打印设备的图像曝光系统。参照图2所示，本实施例的图像曝光系统200包括光源201、带通滤色片202、积分棒203、中继光学元件204、反射镜205、数字微镜元件206、TIR(Total Internal Reflection,全内反射)棱镜207、投影镜头208以及控制器(图未示出)。为简明起见，不示出与本发明无关的器件。
光源201用来产生需要照射到数字微镜元件206上的光束。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360-405nm。
在此实施例中，在光源201和数字微镜元件206之间设置了多个光学器件。如图2所示，在光源201中，UHP灯泡发射出的光线通过反光碗汇聚成一个光点。这一光点通过带通滤色片202滤除固化光敏材料不需要的光线，再通过积分棒203将光束均匀化，再由反射镜205与透镜组(如果需要的话)配合照射到TIR棱镜207上，TIR棱镜207将光线反射到数字微镜元件206上，最后光线经数字微镜元件206反射后，经过TIR棱镜207和投影镜头208照射到光敏材料表面上。
数字微镜元件206在本发明中用作空间光调制器。图3A示出图2所示图像曝光系统的数字微镜元件的结构图，图3B示出图3A的单个像素结构图，图3C示出图3B的侧视图。参考图3A-3C所示，数字微镜元件可被简单描述成为一个半导体光开关，数十到数百万个像素聚集在CMOS硅基片上。一个像素310包括一个微镜311，每一微镜301的尺寸例如为十几微米。为便于调节方向与角度，微镜311由一支撑柱312安装在轭形件313上并被其举起，支撑柱312从微镜中心向下伸出，沿其扭转轴到达轭形件313中心，使微镜311的质量中心在轭形件313上保持平衡。轭形件313由一对扭铰件314沿其中心轴作轴向支撑，扭铰件314另一端伸至一个支撑柱头315并安装在其上，支撑柱头315则是在相应的支撑柱316顶端形成。一对抬起的微镜寻址电极317和318由对应的寻址支撑柱319和320支撑。寻址支撑柱319和320、支撑柱316支撑着寻址电极317和318、扭铰件314，轭形件313离开并处于偏置/复位总线321和一对基板层寻址电极片322和323之上。
数字微镜元件的微镜的转动受控于来自SRAM的数字驱动信号。当数字信号被写入SRAM时，SRAM向数字微镜元件输出寻址电压。寻址电压施加在两寻址电极片322和323之一，并经相联的电极支撑柱319和320加到相应的举起的微镜寻址电极317和318之一。同时，偏置电压加到偏置/复位总线321上，并经支撑柱316、支撑柱头315和扭铰件314加到轭形件313上，以及经支撑件312加到微镜301上。
通过寻址一个电极317或318，就在举起的对应寻址电极322或323上产生寻址电压，在两处产生静电吸引力，如30和32所示，或34和36所示。有选择地将寻址电压加到两寻址电极317和318之一，可决定一旦电压加到偏置总线321以及轭形件313和微镜301上时微镜301和轭形件313朝哪个方向转动。
图4示出图像曝光系统的数字微镜元件的工作原理。简而言之，数字微镜元件的工作原理就是借助各微镜反射需要的光到投影镜头，同时通过光吸收器吸收不需要的光来实现影像的投影，而其光照方向则是借助静电作用，通过控制微镜的角度来实现的。
通过对每一个微镜下的存储单元以二进制平面信号进行寻址，数字微镜元件上的每个微镜以静电方式倾斜为开或关状态。决定每个微镜倾斜在哪个方向上为多长时间的技术被称为脉冲宽度调制(PWM)。微镜可以在一秒内开关1000多次。控制微镜开和关的状态数目的比例，即可达到控制图像中该点亮度(灰度)的目的。
来自投影灯的光线，通过聚光透镜以及滤色片后，照射到微镜上。如图4所示，以数字微镜元件对准投影镜头208的方向作为0°位置。该入射光线被以24°直接照射在数字微镜元件上。当数字微镜元件的某一微镜在“开”的位置即+12°时，入射光经过其反射，进入设置在0°位置上的投影镜头208，在光敏材料表面上形成一个投影图像；当镜片在“关”的位置即-12°时，入射光经过其反射，进入设置在48°位置上的光吸收器210，而不会照射到光敏材料表面。
此外，微镜还有“平”的位置，此时入射光经过其反射，以24°的角度出射。
在本发明的实施例中，数字微镜元件的各个微镜被设计为凹面镜，配合下述经过严格设计的照明系统，可将照射到其上的光会聚成尺寸小于该微镜尺寸的微光斑。图6示出图3所示数字微镜元件的单个微镜的会聚光路图。图7示出图3所示数字微镜元件的单个微镜在+12°偏转角时的会聚光路图。参考图6和图7所示，具有一定角度的平行光束射入某一具有凹面镜特性的微镜501。假设该凹面的微镜501的焦距f为60μm，微镜所对应的像素尺寸p为14μm，该光束的半夹角β为3.5°，则微镜所反射形成的微光斑的像高a为：
tan(β)＝(a/2)/f；a＝2*f*tanβ＝7.3μm；
即在微镜前出现一个尺寸为7.3μm的像，其尺寸为像素尺寸的约1/2。
设W为出射光最大半角，则有：
tan(w)＝((a+p)/2)/f＝((7.3+14)/2)/60＝0.1775，W＝10.065°；
光圈数值Fno的计算如下：
Fno＝1/(2tan(w))＝2.8。
即光路系统中，24°入射的光线被+12°偏转的微镜反射为0°的出射光，该光线进入位于0°的投影镜头，该镜头只需使用2.8光圈值即可使全部光线通过。同时该镜头的焦平面不再位于数字微镜元件的微镜上，而位于数字微镜元件前面的微光斑阵列上，这样比原来微镜面积小得多的微光斑组成的阵列被投影到光敏材料表面上，最终在光敏材料表面成像，形成曝光光斑。
会聚的另一好处是，经过会聚后，虽然微光斑面积缩小，但微光斑亮度得到同比例提升，这样该微光斑最终成像于光敏材料表面时，固化面积缩小，固化时间同比例缩短，通过多次曝光后，微光斑将填满全部树脂面，这时本发明在提高投影分辨率的同时，固化所需要的总曝光时间和直接曝光基本保持不变。
图8示出图3所示数字微镜元件的单个微镜在-12°偏转角时的会聚光路图。可见，这时的光线被偏转至48°，被位于此位置的光吸收器210吸收。这时光束角被限制在48°±10.065°，即最小光束角在48-10.065°≈38°，远大于投影镜头可以接受的±10.065°，而不会进入光路。
事实上由于聚焦透镜402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，这需要在实际试验中对前述参数进行调整，以确定最终数据。
图9示出本发明实施例的图像曝光系统一次曝光在光敏材料表面上所形成的图像。作为比较，如果光线直接通过微镜进行成像，由于微镜间的间隙很小，得到图像会几乎占据全部投影面积(见图5)。比较图5和图9可知，经过呈凹面镜的微镜的会聚后，图像中微光斑的尺寸缩小了。通过精确设计照明系统和凹面镜的形状，可控制成像光斑的大小。举例来说，可使成像光斑尺寸与像素尺寸(微镜的尺寸)之比为1:2，即面积之比为1:4。
此外，可使成像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微位移时，需要在各个微光斑的空白部分插入新的微光斑。
如图9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。
如图2所示，数字微镜元件206连接有微位移驱动机构209。微位移驱动机构209能够驱动数字微镜元件206在x方向和y方向移动，以微调微光斑阵列投影到光敏材料表面的位置。在此，x、y方向在同一平面，且这一平面垂直于图像曝光系统的光轴z。在微位移驱动机构没有驱动数字微镜元件206位移时，数字微镜元件206的微光斑阵列在光敏材料表面的第一位置成像；当微位移驱动机构209驱动数字微镜元件206在一方向(x或y方向)微位移时，数字微镜元件206的整个微光斑阵列将随着数字微镜元件206发生微小的位移，从而在光敏材料表面的第一位置以外的位置成像。
上述的位移可以结合多次曝光，使各次曝光的光斑图像叠加，令光斑布满光敏材料表面。具体地说，可以令光源201进行多次曝光，在每次曝光时，命令数字微镜元件206进行位移以将各次曝光的微光斑阵列投影到该光敏材料表面的不同位置。图10示出本发明实施例的图像曝光系统4次曝光在光敏材料表面上所形成的图像。参照图10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209沿着x方向移动1/2像素大小的距离，使微光斑阵列略微沿图中的水平方向移动，投影到两列微光斑之间的空白中，形成投影图像B；在第三次曝光时，微位移驱动机构209沿着y方向移动，使微光斑阵列略微沿图中的垂直方向移动1/2像素大小的距离，投影到两行微光斑之间的空白中，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。
微位移驱动机构209可以是压电陶瓷。在实际实施时，可以使用图像曝光系统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微位移驱动机构209配合进行x、y两个方向的移动。
投影镜头208布置在数字微镜元件206与三维打印设备的光敏材料表面之间，将数字微镜元件206反射的微光斑阵列投影到光敏材料表面。
需要指出的是，各次曝光的微光斑阵列的叠加虽然布满该光敏材料表面，但是各次曝光的微光斑阵列在光敏材料表面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，且位移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分辨率的下降。可以理解，考虑光衍射效应等因素，略微的重叠有助于弥补微光斑非矩形边缘部分的缺失。因此并不要求微光斑之间完全不重叠。此外，微光斑阵列的叠加虽然布满该光敏材料表面，但是可以理解，微光斑阵列中并非每个位置都是亮点，而是可能有暗点。
在本发明的实施例中，各次曝光的微光斑阵列包含不同的图像信息。以图10为例，投影图案D中，虚框内的四个微光斑D1包含互不相同的图像信息。这就意味着，投影图案的分辨率相应变为原来的4倍。因此3D打印的精度得到显著提高。这些不同的图像信息可以是来自可以组成一幅完整图像的4个不同的图像文件，也可以是从同一图像文件的一幅图像经处理后抽取而成的4个子图像。以图11所示实例来说，图像中包含4*4＝16个像素A1-A4,B1-B4,C1-C4,以及D1-D4，有阴影的像素表示需要曝光，无阴影的像素表示无需曝光。在此，可以从图像中分别抽取出像素组{A1,A3,C1,C3}，{A2,A4,C2,C4}，{B1,B3,D1,D3{，以及{B2,B4,D2,D4}，作为4个子图像分别给4次曝光使用。相比之下，传统的打印设备所使用的图像，其每一像素的大小至少为如图11所示的4个像素，如{A1,A2,B1,B2}，因此其分辨率明显更低。
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15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。
上述的例子是在控制微光斑尺寸为像素尺寸的1/2时，进行4次曝光。可以理解，控制微光斑为像素尺寸的1/3时可以进行9次曝光，控制微光斑为像素尺寸的1/4时可以进行16次曝光，以此类推。
图12示出本发明另一实施例的3D打印设备的图像曝光系统。在本实施例中，用偏转镜片211来代替前述的微位移驱动机构209。偏转镜片211可布置在数字微镜元件到光敏树脂光路中的任意位置，一般布置在靠近投影镜头的位置。偏转镜片211能够围绕至少一转轴偏转，以微调光束投影到光敏材料表面的位置。前述的转轴均垂直于图像曝光系统的光轴z，在偏转镜片211和数字微镜元件206平行(和光轴z垂直)时，光线垂直照射在偏转镜片211(如图13所示)，这时没有折射现象发生，光线直接经过偏转镜片211；如果偏转镜片211围绕一转轴倾斜一个角度，光线从空气进入偏转镜片211将会产生折射，光线从偏转镜片211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，折射后的光线将按原有方向前进，但是发生微小的位移(如图14所示)。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。在本发明的实施例中，偏转镜片211可以既能够绕转轴x偏转，也能绕转轴y偏转。
同样地，上述的偏转可以结合多次曝光，使各次曝光的光束图像叠加，令光斑布满光敏材料表面。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211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。
在实际实施时，可以使用图像曝光系统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211配合进行x、y两个方向的偏转。
本发明的上述实施例通过将数字微镜元件的微镜设置为凹面镜，结合多次曝光配合数字微镜元件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。另外，由于通过多次曝光来使光敏材料的不同像素点分时固化，可以降低像素点固化时对周围像素点拉扯的影响，从而改善了打印体翘曲的程度。
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 (13)

1.一种3D打印设备的图像曝光系统，包括：
空间光调制器，具有多个微镜，每一微镜对应一像素，用于根据控制信号调节照射到其上的光的反射方向，该反射方向包括第一方向和第二方向，其中每一微镜为凹面镜，将照射到其上的光会聚成尺寸小于该微镜所对应的像素尺寸的微光斑；
光源，产生一照射到该空间光调制器上的光束；
投影镜头，对准该空间光调制器的该第一方向，使该光源通过各微镜所成的微光斑阵列投射到该光敏材料表面；
微位移驱动机构，连接该空间光调制器，能够驱动该空间光调制器在相互垂直的第三方向和第四方向移动，以微调该微光斑阵列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进行移动，以将各次曝光的微光斑阵列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该光敏材料表面所形成的像基本上互不重叠。
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该光敏材料表面。
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，该微光斑的尺寸小于、等于或略大于该微镜所对应的像素尺寸的一半。
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，假设各微镜的焦距为f，微镜所对应的像素尺寸为p，入射到各微镜的光束的半夹角为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))。
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，各次曝光的微光斑阵列包含不同的图像信息。
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中，优先曝光相互间像素互不相邻的多个光束图像。
8.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，该微光斑的尺寸与该微镜的像素尺寸之比大约为1:2、1:3或1:4。
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，同时该光源的曝光次数为4、9或16次。
10.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，该空间光调制器为数字微镜元件。
11.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，该微位移驱动机构为压电陶瓷。
12.一种3D打印设备的图像曝光系统，包括：
空间光调制器，具有多个微镜，每一微镜对应一像素，用于根据控制信号控制照射到其上的光的反射方向，该反射方向包括第一方向和第二方向，其中每一微镜为凹面镜，以将照射到其上的光会聚成尺寸小于该微镜所对应的像素尺寸的微光斑；
光源，将产生一光束照射到该空间光调制器上的光线；
投影镜头，对准该空间光调制器的该第一方向，使该光源通过各微镜所成的微光斑阵列投射到该光敏材料表面；
偏转镜片，布置在该空间光调制器与该光敏材料表面之间，该偏转镜片能够围绕垂直于该投影镜头的光轴的至少一转轴偏转，以微调该微光斑阵列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进行移动，以将各次曝光的微光斑阵列投影到该光敏材料表面的不同位置。
13.一种光固化型3D打印设备，包括如权利要求1-12任一项所述的图像曝光系统。
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