CN105690754A - 光固化型3d打印方法、设备及其图像曝光系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光固化型3D打印方法、设备和图像曝光系统。该方法包括以下步骤：依序提供多个第一光束子图像，各第一光束子图像包含多个像素点和多个非像素点，各个相邻像素点之间相隔m-1个非像素点，m为大于1的正整数；使各第一光束子图像依次透过一偏移机构，将各第一光束子图像按照对应的水平偏移次数和垂直偏移次数偏移一定距离后投向一光固化树脂表面，其中该水平偏移次数和该垂直偏移次数为0至n-1次，n为在对应方向上的曝光次数且n＝m，每一次偏移的偏移量为该第一光束子图像的像素点的尺寸。

Description

光固化型3D打印方法、设备及其图像曝光系统

技术领域

本发明涉及光固化型3D打印方法和设备，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。光固化法是利用光固化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包括用于容纳光固化树脂的物料槽110、用于使光固化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液面的一层光固化树脂被固化。每次成像系统120照射光束图像致使一层光固化树脂固化后，升降台130都会带动成型的那层光固化树脂略微下降，并通过刮板131使固化后的工件顶面均匀铺展光固化树脂，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。

然而，光固化树脂在固化时会有一定的收缩，收缩率一般在2-8％，其产生的收缩应力对周围的光固化树脂产生作用力。当大面积光固化树脂一并固化时，这种应力会十分显著，从而导致固化后光固化树脂出现翘曲，变形。

发明内容

本发明的目的是提供一种光固化型3D打印、方法设备及其图像曝光系统，可以改善光固化树脂固化时翘曲的问题。

本发明所提出的一种光固化型3D打印方法，包括以下步骤：依序提供多个第一光束子图像，各第一光束子图像包含多个像素点和多个非像素点，各个相邻像素点之间相隔m-1个非像素点，m为大于1的正整数；使各第一光束子图像依次透过一偏移机构，将各第一光束子图像按照对应的水平偏移次数和垂直偏移次数偏移一定距离后投向一光固化树脂表面，其中该水平偏移次数和该垂直偏移次数为0至n-1次，n为在对应方向上的曝光次数且n＝m，每一次偏移的偏移量为该第一光束子图像的像素点的尺寸。

在本发明的一实施例中，依序提供多个第一光束子图像的步骤包括根据图像数据直接提供该多个第一光束子图像。

在本发明的一实施例中，依序提供多个第一光束子图像的步骤包括：经过严格设计的光源发射的光束透过一聚焦阵列进行聚焦，以分别形成该第一光束子图像，光点被聚焦到原尺寸的1/m。

在本发明的一实施例中，依序提供多个第一光束子图像的步骤包括：使用一空间光调制器接收一光束，在该空间光调制器的各个像素元件上聚焦光束且根据图像数据选择性地反射光束，从而在预定方向上提供各该第一光束子图像，其中各个像素元件将光束的光点聚焦到原尺寸的1/m。

在本发明的一实施例中，m,n分别为2-4之间的正整数。

在本发明的一实施例中，各次曝光的第一光束子图像中，优先曝光相互间像素互不相邻的多个光束子图像。

本发明还提出一种光固化型3D打印设备的图像曝光系统，包括：图像源，依序提供多个第一光束子图像，且各第一光束子图像包含多个像素点和多个非像素点，各个相邻像素点之间相隔m-1个非像素点，m为大于1的正整数；偏移机构，依次透过各第一光束子图像，并将各第一光束子图像按照对应的水平偏移次数和垂直偏移次数投向一光固化树脂表面，其中该水平偏移次数和垂直偏移次数分别0至n-1次，n为在对应方向上的曝光次数且n＝m，每一次偏移的偏移量为该第一光束图像的像素点的尺寸；控制器，命令该图像源按照预定的时序提供该多个第一光束子图像，且针对各第一光束子图像，命令该偏移机构按照对应的水平偏移值和垂直偏移值进行偏移后投影到该光固化树脂表面，组成完整的曝光图像。

在本发明的一实施例中，该图像源包括：光源，出射一光束；液晶装置，接收该光束，且根据图像数据依序提供该多个第一光束子图像。

在本发明的一实施例中，该图像源包括：光源，出射一光束；液晶装置，接收该光束；聚焦阵列，对光束进行聚焦，以分别形成该多个第一光束子图像。

在本发明的一实施例中，该图像源包括：空间光调制器，接收一光束，并根据图像数据选择性地反射光束，从而在预定方向上提供该多个第一光束子图像。

在本发明的一实施例中，该图像源包括：空间光调制器，接收一光束，并在其各个像素元件上聚焦光束且根据图像数据选择性地反射光束，从而在预定方向上提供该多个第一光束子图像，其中各个像素元件将光束的光点聚焦到原尺寸的1/m。

在本发明的一实施例中，m,n为2-4之间的正整数。

在本发明的一实施例中，该液晶装置包括：液晶面板，位于该光源的出光光路上，该液晶面板具有第一分辨率；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，以形成该第一光束子图像；该聚焦阵列设置于该液晶面板的入光侧，该聚焦阵列包含多个聚焦透镜，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其上的光束，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，且像的尺寸为像素的透光区域的尺寸的1/m。

在本发明的一实施例中，该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，该反射方向包括该预定方向和另一方向，其中每一微镜为凹面镜，将照射到其上的光会聚成尺寸为该微镜所对应的像素尺寸的1/m的微光斑。

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，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，该偏移机构包括：偏转镜片，布置在该图像源的出光侧，该偏转镜片能够围绕垂直于该图像源的光轴的至少一转轴偏转，以微调该第一光束子图像投影到该光固化树脂表面的位置。

在本发明的一实施例中，该偏移机构包括：微位移驱动机构，连接该图像源，能够驱动该图像源在相互垂直的第一方向和第二方向移动，以微调该第一光束子图像投影到该光固化树脂表面的位置。

在本发明的一实施例中，图像曝光系统还包括投影镜头，布置在该图像源与光固化树脂表面之间，且位于该聚焦阵列的像与该光固化树脂表面之间，将该第一光束子图像投影到该光固化树脂表面。

在本发明的一实施例中，图像曝光系统还包括投影镜头，对准该空间光调制器的该预定方向，使该光源通过空间光调制器所成的微光斑阵列投射到该光固化树脂表面。

本发明还提出一种光固化型3D打印设备，包含如上所述的光固化型3D打印设备的图像曝光系统。

本发明还提出一种光固化型3D打印方法，包括以下步骤：依序提供多个第一光束子图像，各第一光束子图像包含多个像素点和多个非像素点，各个相邻像素点之间相隔m-1个非像素点，m为大于1的正整数，其中各第一光束子图像的像素点位置互补；将各第一光束子图像依次不经偏移地投影到光固化树脂表面，重叠成完整的曝光图像。

本发明还提出一种光固化型3D打印设备的图像曝光系统，包括：图像源，依序提供多个第一光束子图像，各第一光束子图像包含多个像素点和多个非像素点，各个相邻像素点之间相隔m-1个非像素点，m为大于1的正整数，其中各第一光束子图像的像素点位置互补；投影镜头，将各第一光束子图像依次不经偏移地投影到光固化树脂表面，重叠成完整的曝光图像。

本发明的上述技术方案通过多次曝光来使光固化树脂的不同像素点分时固化，可以降低面曝光系统中，光固化树脂在大面积固化时收缩产生的内应力，从而改善了打印体翘曲和变形的程度。

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示出图像曝光系统通常提供的光束图像的部分像素点。

图3-6示出光束图像所划分的4幅光束子图像。

图7示出根据本发明另一实施例的图像曝光系统提供的光束子图像的部分像素点。

图8-10示出图7所示光束子图像所进行的各次偏移。

图11示出图7-10所示光束子图像组合形成的光束图像。

图12示出本发明第一实施例的3D打印设备的图像曝光系统。

图13示出本发明第一实施例的图像曝光系统的未进行偏转的光线示意图。

图14示出本发明第一实施例的图像曝光系统的已进行偏转的光线示意图。

图15示出本发明第二实施例的3D打印设备的图像曝光系统。

图16示出本发明第三实施例的3D打印设备的图像曝光系统。

图17示出本发明第三实施例的聚焦透镜阵列与液晶显示面板的配合关系。

图18示出图16所示图像曝光系统单个像素的光路原理图。

图19示出液晶面板上的黑色掩模。

图20示出本发明第三实施例的图像曝光系统的未进行偏转的光线示意图。

图21示出本发明第三实施例的图像曝光系统的已进行偏转的光线示意图。

图22示出本发明第四实施例的3D打印设备的图像曝光系统。

图23示出本发明第五实施例的3D打印设备的图像曝光系统。

图24A-24C示出图23所示图像曝光系统的数字微镜元件的结构图。

图25示出图23所示图像曝光系统的数字微镜元件的工作原理。

图26示出图25所示数字微镜元件的单个微镜在0°偏转角时的会聚光路图。

图27示出图25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。

图28示出图25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。

图29示出本发明实施例的图像曝光系统的图像抽取示意图。

图30示出本发明第六实施例的3D打印设备的图像曝光系统。

图31示出图30所示图像曝光系统的偏转镜片未偏转的光路示意图。

图32示出图30所示图像曝光系统的偏转镜片未偏转的光路示意图。

图33示出本发明第七实施例的3D打印设备的图像曝光系统。

图34示出本发明一实施例的图像曝光系统4次曝光在光固化树脂表面上所形成的图像。

图35示出本发明另一实施例的图像曝光系统4次曝光在光固化树脂表面上所形成的图像。

具体实施方式

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包括用于容纳光固化树脂的物料槽110、用于使光固化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液面的一层光固化树脂被固化。每次图像曝光系统120照射光束图像致使一层光固化树脂固化后，升降台130都会带动成型的那层光固化树脂略微下降，并通过刮板131使固化后的工件顶面均匀铺展光固化树脂，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可以照射光束图像至光固化树脂，形成所需的曝光图案。图像曝光系统120可以使用能够形成光束图像的各种已知技术。

举例来说，在一个实施例中，图像曝光系统120可以使用数字光处理(DigitalLightProcession,DLP)投影技术。DLP投影成像技术是使用数字微镜元件(DigitalMicromirrorDevice,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。

在另一个实施例中，图像曝光系统120还可以使用液晶(LCD)投影技术。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投影技术、LCD投影技术或者其它类似的技术，

图2示出图像曝光系统通常提供的原始光束图像的部分像素点。这一光束图像可通过DLP投影技术、LCD投影或者其它技术实施。参考图2所示，原始光束图像20包括多个像素点22。尽管图2中以相同的阴影部分表示各像素点22，但是可以理解，每个像素点22可以包含“亮”或“暗”的信息。在像素点为“亮”时，在该像素点位置存在微光斑。这一光束图像具有第一分辨率。假设图2中的部分像素点占据了1平方英寸，则这一部分光束图像的总有效像素为25个，水平和垂直分辨率均为5dpi(DotsPerInch)。

需要指出的是，受制于具体器件特性，各个像素点22的排列可能不是完全紧密的。也就是说，相邻像素点22之间可能会有空隙。

如果使用图2所示的原始光束图像进行曝光，那么在连续为“亮”的像素区域，光固化材料会被同时固化，大面积的光固化材料同时被固化，材料收缩产生的大量内应力，可能导致光固化光固化树脂的翘曲。因此，本发明的实施例提供改进的光束图像。

图3示出根据本发明一实施例的图像曝光系统提供的光束子图像的部分像素点。参考图3所示，提供的光束子图像30a中，每4个排列成正方形的点中仅有一个点32(左上方)是像素点，其余3个点均是非像素点。对于像素点来说，其可为“亮”或“暗”的状态，因此可能对该点对应区域的光固化树脂进行曝光固化；对于非像素点来说，其永远处于同一状态，例如为“暗”的状态，因此不会对该点对应区域的光固化树脂进行曝光固化。也就是说，使用光束子图像30a进行曝光时，仅有一些相互间隔的像素点会进行曝光固化。

光束子图像30a只携带了整个光束图像的1/4信息。因此可以提供4个光束子图像，其像素点位于不同的位置，从而组合成整个光束图像。

一种方法是，提供图像信息不同、像素点均分布在不同位置的4个光束子图像。图4-6分别示出与图3像素点位置不同的其它3个光束图像图像30b-30d，其像素点分别位于右上方、左下方和右下方。分别在不同时间使用4个光束子图像对光固化树脂进行曝光，在最终图像上等效于用图2的光束图像进行曝光，但是在固化效果上不同于图2所示光束图像。具体来说，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连续内应力。

另一种方法是，提供图像信息不同、但是像素点均分布在左上方的4个光束子图像，对其余3个光束子图像进行偏移，得到像素点位置不同的3个光束子图像。图4-6也可视为将图3所示像素点分布在左上方的各光束子图像所进行的各次偏移得到的各光束子图像30b-30d。经过偏移，其像素点分别位于右上方、左下方和右下方。分别在不同时间使用4个光束子图像对光固化树脂进行曝光，在最终图像上等效于用图2的光束图像进行曝光，但是在固化效果上不同于图2所示光束图像。具体来说，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连续内应力。

在具体实施时，可以根据图像数据直接得到4个光束子图像，例如使用4个经过分割的图像文件得到4个光束子图像。例如图3-6所示的4个子图像。或者得到图3所示样式的4个子图像，然后再进行偏移得到各光束子图像30b-30d。

在本发明的实施例中，也可以用9个、16个或者更多个光束子图像来进行分时固化。

此外，可以结合像素点的缩小来得到4个、9个、16个或更多个光束子图像。具体地说，首先可以通过光学方法，缩小像素点尺寸，缩小程度可依需求而定。通常来说，像素点尺寸缩小为原来的1/m，m为大于1的正整数。举例来说m＝2。在此，假设像素点尺寸是指像素点在水平方向上的长度。当然，也可以假设像素点尺寸是指像素点在垂直方向上的长度。图7示出经过缩小后的光束子图像的部分像素点。参考图7所示，光束子图像40a上，每一像素点42的尺寸被缩小为原来的1/2，面积缩小为原来的1/4。由于像素点尺寸的缩小，此时光束子图像40既包含了各像素点42，也在相邻像素点42之间留下了空白的非像素点44。这些无像素点不携带“亮”或“暗”的信息。像素点经过缩小后，光束子图像40a中的像素点尺寸为原来像素的1/2，因此有潜力提供更高的分辨率。

像素被缩小后，光束子图像40a只携带了整个光束图像的1/4。因此可以提供4个原始光束子图像20，经过类似的光学处理，分别得到类似图7的光束子图像40a后，再组合成整个光束图像。

为了组合不同的光束子图像，将不同的光束子图像进行偏移。图8-10示出经过不同偏移后所得到的光束子图像40b、40c、40d。组合偏移到不同位置的光束子图像40a、40b、40c、40d，即可得到如图11所示的光束图像40。假设图11中的部分像素点占据了1平方英寸，则这一光束子图像30的总有效像素为100个，水平和垂直分辨率均为10dpi。因此前述聚焦和偏移的组合可让图像的总有效像素提升为原来的m²＝4倍，分辨率提升为原来的m＝2倍。

归纳而言，根据本发明一实施例的3D打印方法，其在成像时依序提供多个第一光束子图像(例如前述的光束子图像30a)，且各第一光束子图像包含像素点和非像素点，各个相邻像素点之间相隔m-1个非像素点，m为大于1的正整数。然后使各第一光束子图像依次透过一偏移机构，将各第一光束子图像按照对应的水平偏移次数和垂直偏移次数偏移一定距离后投向一光固化光固化树脂表面，其中该水平偏移次数和垂直偏移次数为0至(n-1)次，n为对应方向上的曝光次数且n＝m，每一次偏移的偏移量为该第一光束图像的像素点的尺寸。这里，m,n可为2-4之间。

这里的第一光束子图像既可以是直接根据图像数据得到的光束子图像，也可以是在图像数据的基础上进行光学缩小处理得到的光束子图像。

根据本发明另一实施例的3D打印方法，可以依序提供多个第一光束子图像，各第一光束子图像包含多个像素点和多个非像素点，各非像素点和各像素点尺寸相同，各个相邻像素点之间相隔m-1个非像素点，m为大于1的正整数，其中各第一光束子图像的像素点位置互补。这样，可以直接将各第一光束子图像依次不经偏移地投影到光固化树脂表面，重叠成完整的曝光图像。

下文将继续描述该方法的细节，并提出可实施该方法的3D打印设备。

本发明的一些实施例描述一种光固化型3D打印设备及其图像曝光系统，该图像曝光系统使用液晶面板作为面阵图像源。

第一实施例

图12示出本发明第一实施例的3D打印设备的图像曝光系统。参照图12所示，本实施例的图像曝光系统200包括光源201、液晶面板202、偏转镜片203、第一偏振光滤光器204、第二偏振光滤光器205、投影镜头206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可出射一光束。光源301所发出的光的波长随固化成型的光固化光固化树脂而定。例如，选择UV树脂作为光固化光固化树脂时，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，配合偏振光滤光器可遮挡光源发出的一部分光，以形成光束图像。为了根据图像数据得到如图3所示的光束子图像，可以配置液晶面板202，使其只有1/4的像素处于工作状态，其余像素闲置。

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202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204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。

在本发明的实施例中，第一偏振光滤光器204可以是偏振片或者偏振光分光棱镜。第二偏振光滤光器205也可以是偏振片或者偏振光分光棱镜。

投影镜头206布置在液晶面板202与三维打印设备的光固化树脂表面220之间，将液晶面板202及偏振光滤光器204、205所形成并出射的光束图像投影到光固化树脂表面220。

在本实施例中，在液晶面板202的出光侧，例如液晶面板202与投影镜头206之间(或者投影镜头206之后)布置有偏转镜片203。偏转镜片203能够围绕至少一转轴偏转，以微调光束图像投影到光固化树脂表面220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203，这时没有折射现象发生，光线a直接经过偏转镜片(如图13)；如果偏转镜片203围绕一转轴倾斜一个角度，光线从空气进入偏转镜片203将会产生折射，光线从偏转镜片203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14)。举例来说，偏转透镜的这一转轴是图14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303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，使各次曝光的光束图像叠加，令光斑布满光固化树脂表面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203进行偏转以将各次曝光的光束图像投影到该光固化树脂表面的不同位置。在第1次曝光时，形成了如图3所示的光束子图像30a；在第2次曝光时，由于偏转镜片203绕着x轴偏转，使光束图像略微沿图中的水平方向移动，形成如图4所示的光束子图像30b；在第3次曝光时，偏转镜片203绕着在x轴复位，y轴偏转，使光束图像略微沿图中的垂直方向移动，形成如图5所示的光束子图像30c；在第4次曝光时，由于偏转镜片203绕着x轴偏转，使光束图像略微沿图中的水平方向移动，形成如图6所示的光束子图像30d。这些投影图像按照图3-6所示的示例方式依次进行曝光，形成如图2所示的完整的光束图像。

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203配合进行x、y两个方向的偏转。

第二实施例

图15示出本发明第一实施例的3D打印设备的图像曝光系统。参照图15所示，本实施例的图像曝光系统200包括光源201、液晶面板202、第一偏振光滤光器204、第二偏振光滤光器205、投影镜头206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。本实施例与前一实施例不同之处在于，省略了偏转镜片203。液晶面板202可以直接依据图像数据获得图3-6所示的不同光束子图像30a-30d，并利用这些光束子图像30a-30d不经偏移地投影到光固化树脂表面220。

第三实施例

图16示出本发明第三实施例的3D打印设备的图像曝光系统。参照图16所示，本实施例的图像曝光系统200b包括光源201、液晶面板202、偏转镜片203、第一偏振光滤光器204、第二偏振光滤光器205、投影镜头206、聚焦透镜阵列207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可出射一光束。光源201所发出的光的波长随固化成型的光固化树脂而定。例如，选择UV树脂作为光固化树脂时，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。液晶系统的工作原理参考第一实施例的描述。

本实施例引入聚焦透镜阵列207并配合对聚焦程度的控制来提高分辨率。

聚焦透镜阵列207设置于液晶面板202的入光侧。聚焦透镜阵列207包含了许多微小的聚焦透镜。每一聚焦透镜对应液晶面板的每一像素。图17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207是覆盖在液晶面板202上。举例来说，某一聚焦透镜302对应液晶面板202的某一像素304。此像素304包含不透光的黑色掩模304a和透光区域304b。聚焦透镜阵列207可以是由树脂材料和玻璃组合而成。

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，以得到所期望的聚焦程度，后文将详细描述。

图18示出图16所示图像曝光系统单个像素的光路原理图。参照图18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207的距离为L1，光束照射到聚焦透镜阵列207，其中部分光线照射到某一聚焦透镜302，对应液晶面板202的某一像素304。像素304的尺寸为P。

聚焦透镜302会对光源201发出的光束进行汇聚，同时，在聚焦透镜302后端会产生光源201的像301a。像301a经过投影镜头206后，投影在光固化树脂(图中未示出)表面上形成光斑。

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302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，分辨率提高程度越高。

事实上由于聚焦透镜302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，这需要在实际试验中对前述参数进行调整，以确定最终数据。

投影镜头206布置在液晶面板202与三维打印设备的光固化树脂表面220之间，将液晶面板202及偏振光滤光器204、205所形成并出射的光束图像投影到光固化树脂表面220。再参考图18所示，光源201在液晶面板202的每一像素后有一像301a。投影镜头206的位置，则是位于该像与光固化树脂表面220之间，如图16所显示的那样。因此，光源201经液晶面板202后形成的多个微光斑将清晰地投影到光固化树脂表面220上。可使会聚后的像301a的尺寸与液晶像素尺寸之比为1:2，即面积之比为1:4。尽管经过投影，像301a的尺寸会扩大，但这一比例在像301a投影到光固化树脂表面上时会保持不变。下面将参考光固化树脂表面的光斑来继续讨论比例的设定。

图7示出可视为本实施例的图像曝光系统一次曝光在光固化树脂表面上所形成的图像。作为比较，如果光线直接通过图19示出的图像曝光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(接近如图2所示，但是像素间距较大)。比较图2和图7可知，经过聚焦透镜阵列207的会聚后，图像中光斑的尺寸缩小了。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301a投影在光固化树脂表面的尺寸)与像素尺寸(液晶像素投影在光固化树脂表面的尺寸)之比为1:2，即面积之比为1:4。

可以理解，考虑到前述聚焦透镜302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。本实施例的图像曝光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液晶面板的像素尺寸之比约为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，光固化树脂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，使光斑布满整个光固化树脂表面。

在本实施例中，在液晶面板202的出光侧，例如液晶面板202与投影镜头206之间(或者投影镜头206之后)布置有偏转镜片203。偏转镜片203能够围绕至少一转轴偏转，以微调光束图像投影到光固化树脂表面220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203，这时没有折射现象发生，光线a直接经过偏转镜片(如图20)；如果偏转镜片203围绕一转轴倾斜一个角度，光线从空气进入偏转镜片203将会产生折射，光线从偏转镜片203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21)。举例来说，偏转透镜的这一转轴是图21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203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，使各次曝光的光束图像叠加，令光斑布满光固化树脂表面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203进行偏转以将各次曝光的光束图像投影到该光固化树脂表面的不同位置。在第1次曝光时，形成了如图7所示的光束子图像40a；在第2次曝光时，由于偏转镜片203绕着x轴偏转，使光束图像略微沿图中的水平方向移动，形成如图8所示的光束子图像40b；在第3次曝光时，偏转镜片203绕着在x轴复位，y轴偏转，使光束图像略微沿图中的垂直方向移动，形成如图9所示的光束子图像40c；在第4次曝光时，由于偏转镜片203绕着x轴偏转，使光束图像略微沿图中的水平方向移动，形成如图10所示的光束子图像40d。这些投影图像按照图7-10所示的示例方式依次进行曝光，形成图11所示的完整的光束图像。

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203配合进行x、y两个方向的偏转。

第四实施例

在本发明的第四实施例的图像曝光系统200c中，如图22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203。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固化树脂表面220的位置。在此，x、y方向在同一平面，且这一平面垂直于图像曝光系统的光轴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的光束图像在光固化树脂表面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。

本发明的一些实施例描述一种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。

第五实施例

图23示出本发明第五实施例的3D打印设备的图像曝光系统。参照图23所示，本实施例的图像曝光系统400包括光源401、带通滤色片402、积分棒403、中继光学元件404、反射镜405、数字微镜元件406、TIR(TotalInternalReflection,全内反射)棱镜407、投影镜头408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401用来产生需要照射到数字微镜元件406上的光束。光源401所发出的光的波长随固化成型的光固化树脂而定。例如，选择UV树脂作为光固化树脂时，光束可为紫光至紫外光，其波长在430nm以下，例如360-305nm。

在此实施例中，在光源401和数字微镜元件406之间设置了多个光学器件。如图22所示，在光源401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402滤除固化光固化树脂不需要的光线，再通过积分棒403将光束均匀化，再由反射镜405与透镜组(如果需要的话)配合照射到TIR棱镜407上，TIR棱镜407将光线反射到数字微镜元件406上，最后光线经数字微镜元件406反射后，经过TIR棱镜407和投影镜头408照射到光固化树脂表面上。

数字微镜元件406在本发明中用作空间光调制器。图24A示出图23所示图像曝光系统的数字微镜元件的结构图，图24B示出图24A的单个像素结构图，图24C示出图24B的侧视图。参考图24A-24C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510包括一个微镜511，每一微镜511的尺寸例如为十几微米。为便于调节方向与角度，微镜511由一支撑柱512安装在轭形件513上并被其举起，支撑柱512从微镜中心向下伸出，沿其扭转轴到达轭形件513中心，使微镜511的质量中心在轭形件513上保持平衡。轭形件513由一对扭铰件514沿其中心轴作轴向支撑，扭铰件514另一端伸至一个支撑柱头515并安装在其上，支撑柱头515则是在相应的支撑柱516顶端形成。一对抬起的微镜寻址电极517和518由对应的寻址支撑柱519和520支撑。寻址支撑柱519和520、支撑柱516支撑着寻址电极517和518、扭铰件514，轭形件513离开并处于偏置/复位总线521和一对基板层寻址电极片522和523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522和523之一，并经相联的电极支撑柱519和520加到相应的举起的微镜寻址电极517和518之一。同时，偏置电压加到偏置/复位总线521上，并经支撑柱516、支撑柱头515和扭铰件514加到轭形件513上，以及经支撑件512加到微镜311上。

通过寻址一个电极517或518，就在举起的对应寻址电极522或523上产生寻址电压，在两处产生静电吸引力，如50和52所示，或54和56所示。有选择地将寻址电压加到两寻址电极517和518之一，可决定一旦电压加到偏置总线521以及轭形件513和微镜511上时微镜511和轭形件513朝哪个方向转动。

图25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25所示，以数字微镜元件对准投影镜头408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408，在光固化树脂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，而不会照射到光固化树脂表面。

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，不过这一位置在工作时不会出现。在本实施例的一种实现中，数字微镜元件的各个微镜被设计为平面镜，因此照射到其上的光经过反射后射出，微光斑尺寸与该微镜尺寸相同而没有经过会聚。图3所示光束子图像可视为本实施例的图像曝光系统设计为不使用光束会聚时一次曝光在光固化光固化树脂表面上所形成的图像。为了让数字微镜元件能够依据图像数据得到图3所示光束子图像，可以让数字微镜元件的3/4部分的微镜永久性或暂时性地处于闲置状态，而只保留1/4部分的微镜进行工作。

在本实施例的另一种实现中，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，除了可根据图像数据选择性反射光束外，还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26示出图24A所示数字微镜元件的单个微镜的会聚光路图。图27示出图24A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26和图27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固化光固化树脂表面上，最终在光固化光固化树脂表面成像，形成曝光光斑。

图28示出图24A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。

图7所示光束子图像可视为本实施例的图像曝光系统设计为使用光束会聚时一次曝光在光固化光固化树脂表面上所形成的图像。作为比较，如果光线通过平面的微镜进行成像，得到图像会几乎占据全部投影面积(如图2所示)。比较图2和图7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，需要在各个微光斑之间的空白部分插入新的微光斑。

如图3所示，光固化光固化树脂表面上一次曝光的图像中，光斑之间留有空白。为此，通过如图4-6所示多次位移并曝光来填补这些空白，使光斑布满整个光固化光固化树脂表面。

类似的，如图7所示，光固化光固化树脂表面上一次曝光的图像中，光斑之间留有空白。为此，通过如图8-10所示多次位移并曝光来填补这些空白，使光斑布满整个光固化光固化树脂表面。

如图23所示，数字微镜元件406连接有微位移驱动机构409。微位移驱动机构409能够驱动数字微镜元件406在x方向和y方向移动，以微调微光斑阵列投影到光固化树脂表面的位置。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406位移时，数字微镜元件406的微光斑阵列在光固化树脂表面的第一位置成像；当微位移驱动机构409驱动数字微镜元件406在一方向(x或y方向)微位移时，数字微镜元件406的整个微光斑阵列将随着数字微镜元件406发生微小的位移，从而在光固化树脂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，令光斑布满光固化树脂表面。具体地说，可以令光源401进行多次曝光，在每次曝光时，命令数字微镜元件406进行位移以将各次曝光的微光斑阵列投影到该光固化树脂表面的不同位置。可使微光斑阵列沿图中的水平和垂直方向移动，形成如图3-6或7-10所示的各光束子图像。各个光束子图像组合，形成图2或11所示的完整的光束图像。

在本实施例中，微位移驱动机构409可以是压电陶瓷。在实际实施时，可以使用图像曝光系统400的控制器，命令光源401进行多次曝光，同时在每次曝光时命令微位移驱动机构409配合进行x、y两个方向的移动。

投影镜头408布置在数字微镜元件406与三维打印设备的光固化树脂表面之间，将数字微镜元件406反射的微光斑阵列投影到光固化树脂表面。

第六实施例

图30示出本发明第六实施例的3D打印设备的图像曝光系统。在本实施例的图像曝光系统400’中，用偏转镜片411来代替前述的微位移驱动机构409。偏转镜片411可布置在数字微镜元件到光固化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411能够围绕至少一转轴偏转，以微调光束投影到光固化树脂表面的位置。前述的转轴均垂直于图像曝光系统的光轴z，在偏转镜片411和数字微镜元件406平行(和光轴z垂直)时，光线垂直照射在偏转镜片411(如图31所示)，这时没有折射现象发生，光线直接经过偏转镜片411；如果偏转镜片411围绕一转轴倾斜一个角度(如图32所示)，光线从空气进入偏转镜片411将会产生折射，光线从偏转镜片411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。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411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，令光斑布满光固化树脂表面。具体地说，可以令光源401进行多次曝光，在每次曝光时，命令偏转镜片411进行偏转以将各次曝光的光束图像投影到该光固化树脂表面的不同位置。

在实际实施时，可以使用图像曝光系统400’的控制器，命令光源401进行多次曝光，同时在每次曝光时命令该偏转镜片411配合进行x、y两个方向的偏转。

需要指出的是，微光斑阵列的叠加虽然布满该光固化树脂表面，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，各次曝光的光束子图像40a-40d或者40a-40d包含不同的图像信息。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29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。

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。

第七实施例

图33示出本发明第七实施例的3D打印设备的图像曝光系统。参照图33所示，本实施例的图像曝光系统400包括光源401、带通滤色片402、积分棒403、中继光学元件404、反射镜405、数字微镜元件406、TIR(TotalInternalReflection,全内反射)棱镜407、投影镜头408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。与第五实施例不同的是，本实施例不同包括微位移机构409。

在本实施例中，数字微镜元件的各个微镜被设计为平面镜，因此照射到其上的光经过反射后射出，微光斑尺寸与该微镜尺寸相同而没有经过会聚。图3所示光束子图像可视为本实施例的图像曝光系统设计为不使用光束会聚时一次曝光在光固化光固化树脂表面上所形成的图像。为了让数字微镜元件能够依据图像数据分别得到图3-6所示光束子图像，可以让数字微镜元件每次只有1/4部分的微镜进行工作，4个部分的微镜轮流工作。

在本发明的各实施例中，各次曝光的光束图像可以包含相同的图像信息。以图34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，到达光固化树脂表面光斑的亮度。

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34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，图像的分辨率相应变为原来的4倍。因此3D打印的精度得到显著提高。

无论各次曝光的光束图像是否包含不同的图像信息，这种通过多次曝光来使光固化树脂的不同像素点分时固化的方法有其共同优点。具体地说，光固化材料固化时会产生微小的体积收缩，因此，在光固化树脂的一个区域固化时，其内部的每一个小区域都会对其其周围的光固化树脂产生拉扯(内应力)。当大面积光固化树脂一并固化时，这种现象会十分显著。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，可以降低各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和变形的程度。参考图31所示，先对光固化树脂上间隔排列的多个像素点进行曝光固化形成投影图像A，各个像素点固化时拉扯的周围区域都还是液态的光固化树脂，液态材料的易变性抵消了拉扯的影响；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固化树脂，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固化树脂，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固化树脂。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35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固化树脂，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。

本发明的上述实施例通过多次曝光来使光固化树脂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和变形的程度。

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。例如在本发明的各实施例中，所示的光路还可以用远心光路实现。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 (23)

1.一种光固化型3D打印方法，包括以下步骤：

依序提供多个第一光束子图像，各第一光束子图像包含多个像素点和多个非像素点，各个相邻像素点之间相隔m-1个非像素点，m为大于1的正整数；

使各第一光束子图像依次透过一偏移机构，将各第一光束子图像按照对应的水平偏移次数和垂直偏移次数偏移一定距离后投向一光固化树脂表面，其中该水平偏移次数和该垂直偏移次数为0至n-1次，n为在对应方向上的曝光次数且n＝m，每一次偏移的偏移量为该第一光束子图像的像素点的尺寸。

2.如权利要求1所述的光固化型3D打印方法，其特征在于，依序提供多个第一光束子图像的步骤包括根据图像数据直接提供该多个第一光束子图像。

3.如权利要求1所述的光固化型3D打印方法，其特征在于，依序提供多个第一光束子图像的步骤包括：

经过严格设计的光源发射的光束透过一聚焦阵列进行聚焦，以分别形成该第一光束子图像，光点被聚焦到原尺寸的1/m。

4.如权利要求1所述的光固化型3D打印方法，其特征在于，依序提供多个第一光束子图像的步骤包括：

使用一空间光调制器接收一光束，在该空间光调制器的各个像素元件上聚焦光束且根据图像数据选择性地反射光束，从而在预定方向上提供各该第一光束子图像，其中各个像素元件将光束的光点聚焦到原尺寸的1/m。

5.如权利要求1所述的光固化型3D打印方法，其特征在于，m,n分别为2-4之间的正整数。

6.如权利要求1所述的光固化型3D打印方法，其特征在于，各次曝光的第一光束子图像中，优先曝光相互间像素互不相邻的多个光束子图像。

7.一种光固化型3D打印设备的图像曝光系统，包括：

图像源，依序提供多个第一光束子图像，且各第一光束子图像包含多个像素点和多个非像素点，各个相邻像素点之间相隔m-1个非像素点，m为大于1的正整数；

偏移机构，依次透过各第一光束子图像，并将各第一光束子图像按照对应的水平偏移次数和垂直偏移次数投向一光固化树脂表面，其中该水平偏移次数和垂直偏移次数分别0至n-1次，n为在对应方向上的曝光次数且n＝m，每一次偏移的偏移量为该第一光束图像的像素点的尺寸；

控制器，命令该图像源按照预定的时序提供该多个第一光束子图像，且针对各第一光束子图像，命令该偏移机构按照对应的水平偏移值和垂直偏移值进行偏移后投影到该光固化树脂表面，组成完整的曝光图像。

8.如权利要求7所述的光固化型3D打印设备的图像曝光系统，其特征在于，该图像源包括：

光源，出射一光束；

液晶装置，接收该光束，且根据图像数据依序提供该多个第一光束子图像。

9.如权利要求7所述的光固化型3D打印设备的图像曝光系统，其特征在于，该图像源包括：

光源，出射一光束；

液晶装置，接收该光束；

聚焦阵列，对光束进行聚焦，以分别形成该多个第一光束子图像。

10.如权利要求7所述的光固化型3D打印设备的图像曝光系统，其特征在于，该图像源包括：

空间光调制器，接收一光束，并根据图像数据选择性地反射光束，从而在预定方向上提供该多个第一光束子图像。

11.如权利要求7所述的光固化型3D打印设备的图像曝光系统，其特征在于，该图像源包括：

空间光调制器，接收一光束，并在其各个像素元件上聚焦光束且根据图像数据选择性地反射光束，从而在预定方向上提供该多个第一光束子图像，其中各个像素元件将光束的光点聚焦到原尺寸的1/m。

12.如权利要求7所述的光固化型3D打印设备的图像曝光系统，其特征在于，m,n为2-4之间的正整数。

13.如权利要求9所述的光固化型3D打印设备的图像曝光系统，其特征在于，该液晶装置包括：

液晶面板，位于该光源的出光光路上，该液晶面板具有第一分辨率；

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，以形成该第一光束子图像；

该聚焦阵列设置于该液晶面板的入光侧，该聚焦阵列包含多个聚焦透镜，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其上的光束，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，且像的尺寸为像素的透光区域的尺寸的1/m。

14.如权利要求11所述的光固化型3D打印设备的图像曝光系统，其特征在于，该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，该反射方向包括该预定方向和另一方向，其中每一微镜为凹面镜，将照射到其上的光会聚成尺寸为该微镜所对应的像素尺寸的1/m的微光斑。

15.如权利要求13所述的光固化型3D打印设备的图像曝光系统，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。

16.如权利要求14所述的光固化型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))。

17.如权利要求7所述的光固化型3D打印设备的图像曝光系统，其特征在于，该偏移机构包括：

偏转镜片，布置在该图像源的出光侧，该偏转镜片能够围绕垂直于该图像源的光轴的至少一转轴偏转，以微调该第一光束子图像投影到该光固化树脂表面的位置。

18.如权利要求7所述的光固化型3D打印设备的图像曝光系统，其特征在于，该偏移机构包括：

微位移驱动机构，连接该图像源，能够驱动该图像源在相互垂直的第一方向和第二方向移动，以微调该第一光束子图像投影到该光固化树脂表面的位置。

19.如权利要求7所述的光固化型3D打印设备的图像曝光系统，其特征在于，还包括投影镜头，布置在该图像源与光固化树脂表面之间，且位于该聚焦阵列的像与该光固化树脂表面之间，将该第一光束子图像投影到该光固化树脂表面。

20.如权利要求10或11所述的光固化型3D打印设备的图像曝光系统，其特征在于，还包括投影镜头，对准该空间光调制器的该预定方向，使该光源通过空间光调制器所成的微光斑阵列投射到该光固化树脂表面。

21.一种光固化型3D打印设备，包含如权利要求7-20任一项所述的光固化型3D打印设备的图像曝光系统。

22.一种光固化型3D打印方法，包括以下步骤：

依序提供多个第一光束子图像，各第一光束子图像包含多个像素点和多个非像素点，各个相邻像素点之间相隔m-1个非像素点，m为大于1的正整数，其中各第一光束子图像的像素点位置互补；

将各第一光束子图像依次不经偏移地投影到光固化树脂表面，重叠成完整的曝光图像。

23.一种光固化型3D打印设备的图像曝光系统，包括：

图像源，依序提供多个第一光束子图像，各第一光束子图像包含多个像素点和多个非像素点，各个相邻像素点之间相隔m-1个非像素点，m为大于1的正整数，其中各第一光束子图像的像素点位置互补；

投影镜头，将各第一光束子图像依次不经偏移地投影到光固化树脂表面，重叠成完整的曝光图像。