CN105527696B - 一种用于3d打印机的光学引擎 - Google Patents

一种用于3d打印机的光学引擎 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于3D打印机的光学引擎，包括LED光源和成像镜头，LED光源和成像镜头之间依次设有第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜以及第六透镜，第五透镜和第六透镜之间设有第十五透镜，第一透镜呈弯月型，第一透镜的凹面朝向LED光源，第二透镜和第三透镜呈双凸型，第四透镜为透镜阵列，第五透镜和第六透镜呈双凸型。本发明减小了LED光束的角度，使投影画面更加均匀，投影画面暗场没有漏光现象，提升了打印精度，减少了光路老化隐患。

Description

一种用于3D打印机的光学引擎
技术领域
本发明涉及涉及一种3D打印机中的投影光学系统，具体的说，是涉及一种用于3D打印机的光学引擎。
背景技术
目前市场上DLP技术3D打印光学引擎方面主要存在:
1、现有技术采用两片镜片对LED准直，此方法准直的缺点是光束角度范围过大，由于LED光束无法控制到很小的角度导致透镜阵列无法设置足够多是镜片单元从而导致投影面照度不均匀，投影画面出现中间亮，四角偏暗；
2、由于DMD的基面反射导致投影画面在暗场时出现漏光现象；
3、成像镜头存在光学畸变，畸变量大于单像素，导致打印精度下降；
4、照明光路采用塑胶非球面镜片，成像镜头采用胶合玻璃镜片，由于塑胶镜片、胶合 镜片受温度的影响较大，在光路老化问题上存在隐患。
发明内容
为了克服现有的技术的不足, 本发明提供一种用于3D打印机的光学引擎。
本发明技术方案如下所述：
一种用于3D打印机的光学引擎，包括LED光源和成像镜头，其特征在于，所述LED光源和所述成像镜头之间依次设有第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜以及第六透镜，所述第五透镜和所述第六透镜之间设有第十五透镜，所述第十五透镜为反射镜，
所述第一透镜呈弯月型，所述第一透镜的凹面朝向所述LED光源，所述第二透镜和所述第三透镜呈双凸型，所述第四透镜为透镜阵列，所述第五透镜和所述第六透镜呈双凸型。
进一步的，所述第一透镜焦距为正，所述第二透镜和所述第三透镜的焦距为正，所述第五透镜和所述第六透镜的焦距为正。
进一步的，所述成像镜头包括第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜以及第十四透镜，所述第十一透镜和所述第十二透镜之间设有光阑，
所述第七透镜呈弯月型，且其凸面朝向所述成像镜头方向；所述第八透镜呈双凸型；所述第九透镜呈弯月型，且其凹面朝向所述成像镜头方向；所述第十透镜呈弯月型，且其凹面朝向所述成像镜头方向；所述第十一透镜呈双凹型；所述第十二透镜呈弯月型，其凹面朝向所述光阑方向；所述第十三透镜和所述第十四透镜均呈弯月型，所述第十三透镜和所述第十四透镜的凹面朝向所述光阑方向。
更进一步的，所述第七透镜焦距为正，所述第八透镜焦距为正，所述第九透镜焦距为正，所述第十透镜焦距为负，所述第十一透镜焦距为负，所述第十三透镜和所述第十四透镜的焦距为正。
更进一步的，所述第六透镜和所述第七透镜之间依次设有第十六透镜和第十七透镜，所述第十六透镜为偏转棱镜，所述第十七透镜为直角棱镜，所述第十六透镜和所述第十七透镜的斜边粘合连接。
更进一步的，所述第十六透镜和所述第十七透镜之间的间隔距离为0.1mm。
更进一步的，所述第十七透镜的一条直角边一侧设有数字微反射芯片，其另一直角边的一侧与所述第七透镜相隔。
更进一步的，所述成像镜头为0.45吋720p DMD，F2.8成像镜头。
更进一步的，所述第四透镜为塑胶材质，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜、所述第九透镜、所述第十透镜、所述第十一透镜、所述第十二透镜、所述第十三透镜以及所述第十四透镜为玻璃材质，且其面型为球面面型。
更进一步的，所述第十透镜和所述第十一透镜为火石玻璃，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜、所述第九透镜、所述所述第十二透镜、所述第十三透镜以及所述第十四透镜为H-ZK9B材质。
进一步的，所述LED光源为402nmLED光源。
根据上述方案的本发明，其有益效果在于：
1、本发明采用了三片镜片对LED准直，准直效果好，光束的角度范围更小，减小了LED光束的角度，增加了透镜阵列的数目，从而增大了透镜阵列的均匀光能力，使投影画面更加均匀。
2、镜头光阑的水平方向尺寸减小,有效的遮挡DMD基面反射的杂光，使投影画面暗场再没有了漏光现象。
3、降低成像镜头的畸变，畸变量小于0.05%，提升打印精度。
4、采用全玻璃镜片，降低温度对光路的影响，减少光路老化隐患。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明应用实例打印投影效果图。
在图中，1、第一透镜；2、第二透镜；3、第三透镜；4、第四透镜；5、第五透镜；6、第六透镜；7、第七透镜；8、第八透镜；9、第九透镜；10、第十透镜；11、第十一透镜；12、第十二透镜；13、第十三透镜；14、第十四透镜；15、第十五透镜；16、第十六棱镜；17、第十七透镜；18、数字微反射芯片；19、光阑。
具体实施方式
下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述：
如图1所示，一种用于3D打印机的光学引擎，包括LED光源（图中未示出，下同）和成像镜头，LED光源为402nmLED光源，成像镜头为0.45吋720p DMD，F2.8成像镜头。
LED光源和成像镜头之间依次设有第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5以及第六透镜6，第五透镜5和第六透镜6之间设有第十五透镜15。
成像镜头包括第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9、第十透镜10、第十一透镜11、第十二透镜12、第十三透镜13以及第十四透镜14。第六透镜6和第七透镜7之间依次设有第十六透镜16和第十七透镜17，第十一透镜11和第十二透镜12之间设有光阑19。
在各个透镜中：
第一透镜1呈弯月型，第一透镜1的凹面朝向LED光源，且其焦距为正。
第二透镜2和第三透镜3呈双凸型，且第二透镜2和第三透镜3的焦距为正。
第四透镜4为透镜阵列。
第五透镜5和第六透镜6呈双凸型，且第五透镜5和第六透镜6的焦距为正。
第七透镜7呈弯月型，其焦距为正，且其凸面朝向成像镜头方向。
第八透镜8呈双凸型，且其焦距为正。
第九透镜9呈弯月型，其焦距为正，且其凹面朝向成像镜头方向。
第十透镜10呈弯月型，其焦距为负，且其凹面朝向成像镜头方向。
第十一透镜11呈双凹型，其焦距为负。
第十二透镜12呈弯月型，其凹面朝向光阑方向。
第十三透镜13和第十四透镜14均呈弯月型，第十三透镜13和第十四透镜14的凹面朝向光阑方向，且两者焦距为正。
第十五透镜15为反射镜，反射镜与光轴夹角45°＜α＜60°。
第十六透镜16为偏转棱镜，第十七透镜17为直角棱镜，第十六透镜16和第十七透镜17的斜边粘合连接，且棱镜之间的间隔距离为0.1mm。
第十七透镜17的一条直角边一侧设有数字微反射芯片18，其另一直角边的一侧与第七透镜17相隔。
第四透镜4为塑胶材质，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9、第十透镜10、第十一透镜11、第十二透镜12、第十三透镜13以及第十四透镜14为玻璃材质，且其面型为球面面型。除第四透镜4为塑胶材质外，其它透镜均为玻璃材质，这样设置的有益效果是可以保证系统在温度较高的情况下长时间工作。
第十透镜10和第十一透镜11为火石玻璃，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9、第十二透镜12、第十三透镜13以及第十四透镜14为H-ZK9B材质。
本发明的原理为：
本发明中，采用第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3的镜片控制LED光源出光角度，准直出角度较小的平行光束；第四透镜4的镜片为透镜阵列，其作用是对光束的光斑积分，使后续的光束到达DMD表面光强均匀；第五透镜5、第六透镜6的镜片为场镜，起到改变光束角度的作用；第十五透镜15的镜片为反射镜通过改变光束方向起到减小整体体积的作用；第十七透镜17为棱镜，其第十六透镜16与组成RTIR，通过RTIR可以实现将光束偏转至DMD表面并将DMD反射的光束通过全反射到镜头。另外，第七透镜7-第十四透镜14的镜片及光阑19为成像镜头。
如图2所示，本发明投影光路的投影画面亮度均匀性更好，画面无明显暗角，画面中心亮度与四周无明显差异，克服了市场主流投影光路投影画面四周亮度偏暗的缺点。另外，本发明中投影光路的杂光消除更彻底，暗场画面均匀且无杂光光斑，对比市场现有的暗场杂光严重的现象，且由于暗场改善，对比度也得到很好的提升。成像镜头的畸变控制在0.05%内，畸变量小于单个DMD像素，打印精度提升。光路除透镜阵列外其余镜片全采用玻璃材质，取代了传统光路的塑胶镜片和胶合镜片，去除了塑胶镜片及胶合镜片在光路中给光路带来的老化隐患，提升了光路对于温度变化的稳定性。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
上面结合附图对本发明专利进行了示例性的描述，显然本发明专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于3D打印机的光学引擎，包括LED光源和成像镜头，其特征在于，所述LED光源和所述成像镜头之间依次设有第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜以及第六透镜，所述第五透镜和所述第六透镜之间设有第十五透镜，所述第十五透镜为反射镜，
所述第一透镜呈弯月型，所述第一透镜的凹面朝向所述LED光源，所述第二透镜和所述第三透镜呈双凸型，所述第四透镜为透镜阵列，所述第五透镜和所述第六透镜呈双凸型；
所述成像镜头包括第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜以及第十四透镜，所述第十一透镜和所述第十二透镜之间设有光阑，
所述第七透镜呈弯月型，且其凸面朝向所述成像镜头方向；所述第八透镜呈双凸型；所述第九透镜呈弯月型，且其凹面朝向所述成像镜头方向；所述第十透镜呈弯月型，且其凹面朝向所述成像镜头方向；所述第十一透镜呈双凹型；所述第十二透镜呈弯月型，其凹面朝向所述光阑方向；所述第十三透镜和所述第十四透镜均呈弯月型，所述第十三透镜和所述第十四透镜的凹面朝向所述光阑方向。
2.根据权利要求1所述的用于3D打印机的光学引擎，其特征在于，所述第一透镜焦距为正，所述第二透镜和所述第三透镜的焦距为正，所述第五透镜和所述第六透镜的焦距为正。
3.根据权利要求1所述的用于3D打印机的光学引擎，其特征在于，所述第七透镜焦距为正，所述第八透镜焦距为正，所述第九透镜焦距为正，所述第十透镜焦距为负，所述第十一透镜焦距为负，所述第十三透镜和所述第十四透镜的焦距为正。
4.根据权利要求1所述的用于3D打印机的光学引擎，其特征在于，所述第六透镜和所述第七透镜之间依次设有第十六透镜和第十七透镜，所述第十六透镜为偏转棱镜，所述第十七透镜为直角棱镜。
5.根据权利要求4所述的用于3D打印机的光学引擎，其特征在于，所述第十七透镜的一条直角边一侧设有数字微反射芯片，其另一直角边的一侧与所述第七透镜相隔。
6.根据权利要求1所述的用于3D打印机的光学引擎，其特征在于，所述成像镜头为0.45吋720p DMD，F2.8成像镜头。
7.根据权利要求1所述的用于3D打印机的光学引擎，其特征在于，所述第四透镜为塑胶材质，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜、所述第九透镜、所述第十透镜、所述第十一透镜、所述第十二透镜、所述第十三透镜以及所述第十四透镜为玻璃材质，且其面型为球面面型。
8.根据权利要求7所述的用于3D打印机的光学引擎，其特征在于，所述第十透镜和所述第十一透镜为火石玻璃，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜、所述第九透镜、所述所述第十二透镜、所述第十三透镜以及所述第十四透镜为H-ZK9B材质。
9.根据权利要求1所述的用于3D打印机的光学引擎，其特征在于，所述LED光源为402nmLED光源。
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