CN105773962A - 3d投影打印系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种3D投影打印系统及其方法，该系统包括：投影单元用于投射光源至对象；影像感测单元用于扫描投射至对象上的光源其产生的至少一型变影像；影像处理单元用于接收型变影像并产生立体影像，并对立体影像进行切层处理产生包含复数层平面影像的数据后传送至投影单元；以及容置室，用于容置感光成型材料，其中该投影单元按该数据依层投射每一层平面影像至该感光成型材料的对应部份以进行光固化，后使每一层平面影像对应的该光固化部份进行固化，形成每一对应的立体层，当所有立体层逐一形成，即形成对应该对象的整体外形的立体对象。

Description

3D投影打印系统及其方法

技术领域

本发明关于一种3D投影打印系统及其方法，尤指一种利用投影方式实现3D打印的3D投影打印系统及其方法。

背景技术

随着现今多媒体科技及影像技术发展，带给人们立体视觉效果的3D影像逐渐普及，除广泛应用于大型投影系统(如电影院或家用投影系统)、显示器(如电视、计算机等)、可携式电子装置(如平板计算机、手机)等影像装置外，更可于3D打印设备上打印影像，以取代传统的平面二维影像打印。

现有的3D投影打印系统往往需要搭配两台或两台以上的影像撷取装置(如相机)或投影装置(如投影机)，分别设于对象两侧并负责对象不同角度的影像撷取或进行投影，撷取的对象影像分别送入计算机进行分析切层运算达成切层轮廓的生成；但是，其缺点在于两台影像撷取装置各自撷取的影像可能无法相互配合，要将交错的影像精确还原迭合，会产生各自撷取影像的对应点无法精确配合一致的问题，导致送入计算机进行分析切层运算时使切层软件容易误判，造成3D打印出的立体对象失真于原对象。此外，已知模拟式的分析切层运算在重现或转换原对象影像时会因为读取或输出设备的不同而失真，因此各自撷取的原对象影像送入计算机进行分析切层运算时可能造成第一次失真，而输出计算机进行3D打印时可能造成第二次失真，如此3D打印出的立体对象将无法精准的呈现原对象原貌。另外，进行上述分析切层运算时若影像撷取装置的景深不一致，切层软件会耗费时间调整景深一致，亦可能使切层结果与原对象失真，同样造成3D打印出的立体对象无法和原对象相同的问题。

再者，现有的3D投影打印系统虽是号称快速成型技术(RapidPrototyping)，但不管对象的尺寸大小或是如何改进打印系统的设备，仍需花费数小时或数十小时才能成形完成。原因在于现有3D投影打印系统的喷印方式是以点和线为基础，透过点和线打印成面再建构成立体对象会在建构过程中耗费大量时间，不符效益。

更甚者，目前的3D打印机台结构较为复杂且具庞大的设备体积，以至于其制造成本昂贵、操作过程繁琐，难以推广至办公室以及家庭市场。

因此，如何发展一种可改善上述现有技术缺失的3D打印设备及方法，实为目前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于透过单一投影单元来精确重现对应被扫瞄对象的整体外观的3D立体对象，以解决现有的3D投影打印系统需要配置复数影像撷取装置或复数投影机，造成制造成本提高以及3D投影打印系统体积庞大的缺点，并避免已知3D打印设备的多个撷取影像对应点无法精确配合一致而导致切层软件容易误判、或模拟式的分析切层运算在重现或转换原对象影像时会因为读取或输出设备的不同而失真而无法精准呈现对象原貌、耗费时间调整景深一致以及打印速度慢等缺点。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种3D投影打印系统，包括：

可动平台，用以承载对象；

投影单元，用以投射光源至该对象；

影像感测单元，用以扫描感测投射至该对象上的该光源进而对应产生至少一型变影像；

影像处理单元，分别与该投影单元与该影像感测单元连接，用以根据该影像感测单元扫描感测的该至少一型变影像来产生立体影像，且用以将该立体影像进行切层处理以产生包含复数层迭置的平面影像的数据后传送至该投影单元；以及

容置室，用于容置感光成型材料，其中该投影单元按该数据依层投射每一层该平面影像至该感光成型材料的对应部份以进行光固化，接着使每一层该平面影像对应的所述光固化部份进行固化，形成每一对应的立体层，当所有的上述立体层逐一形成，即形成对应该对象的整体外形的立体对象。

依据本发明的3D投影打印系统，更包括反射单元及显示器，用以反射该投影单元投射的该立体影像至该显示器，该显示器与该影像处理单元连接以显示该立体影像，并经由该影像处理单元对该立体影像进行编辑。

依据本发明的3D投影打印系统，该可动平台为可水平旋转的平台，旋转该可动平台使该对象由不同角度接收该投影单元投射的该光源，并对应产生该对象的复数不同角度的型变影像。

依据本发明的3D投影打印系统，更包括机壳，用于包含该可动平台、该投影单元、该影像感测单元、该影像处理单元与该容置室。

依据本发明的3D投影打印系统，更包括固化单元，连接该容置室，用以将每一层该平面影像对应的该刻部份依层进行固化。

依据本发明的3D投影打印系统，更包括升降单元，与该可动平台连接，该升降单元具马达，用以控制该可动平台的上升/下降，使该投影单元按上述数据依层投射每一层该平面影像至该感光成型材料的对应部份以进行光固化。

依据本发明的3D投影打印系统，该光源为一种结构光源，该结构光源为具有复数内建样本图像的结构光源。

依据本发明的3D投影打印系统，该感光成型材料为感光树脂。

为达上述目的，本发明提供一种3D投影打印方法，包括：

提供投影单元投射光源至对象；

提供影像感测单元扫描感测投射至该对象上的该光源来对应产生至少一型变影像；

转换该至少一型变影像为立体影像，并对该立体影像进行切层处理进而产生包含复数层迭置的平面影像的数据后传送至该投影单元；

该投影单元按该数据依层投射每一层该平面影像至感光成型材料的对应部份以进行光固化，接着固化每一层该平面影像对应的该光固化部份，形成每一对应的立体层，当所有的上述立体层逐一形成，即形成对应该对象的整体外形的立体对象。

依据本发明的3D投影打印方法，对该立体影像的切层处理步骤前还包括将该立体影像进行该立体影像的检视与编辑的程序。

根据上述，本发明的3D投影打印系统使用单一个投影单元并搭配影像感测单元，采用单一个投影单元配置的技术特征可大幅节省制造成本与缩小产品体积，并达到与现有的3D投影打印系统相同的投影功效。此外，相较于现有的3D投影打印系统更进步的是，本发明的3D投影打印系统的投影单元投射出样本图像光源于对象，由影像感测单元扫描样本图像光源的变形，并投影单元由不同面向的投射可获得复数样本图像光源的变形以更精确的描绘出对象影像细节，并藉由数字的演算模式产生对象的立体影像避免模拟式重现对象影像时产生失真，同时以投影单元将切层的平面影像投射到感光成型材料以一次打印一面的方式加快打印的速度，确实解决了现有技术中的种种缺失。

附图说明

图1为依据本发明较佳实施例的3D投影打印系统的结构示意图。

图2为依据图1的3D投影打印系统进行影像感测的示意图。

图3为依据图1的3D投影打印系统产生型变影像示意图。

图4为依据图1的3D投影打印系统产生型变影像时该投影单元、该影像感测单元与该对象的相对位置示意图。

图5为依据图1的3D投影打印系统进行影像显示与编辑示意图。

图6为依据图1的3D投影打印系统进行影像打印成型的示意图。

图7为依据本发明较佳实施例的3D投影打印方法的流程方块图。

具体实施方式

兹有关本发明的技术内容及详细说明，现配合图式说明如下：

请参阅图1至图2并配合图3，显示一种依据本发明较佳实施例的3D投影打印系统1，其包括：可动平台10，用以承载对象100；投影单元20，用以投射光源30至该对象100；影像感测单元40，用以扫描感测投射至该对象100上的该光源30以产生至少一型变影像A(请见图3)；影像处理单元50，该影像处理单元50可为中央处理器(CPU)，分别与该投影单元20与该影像感测单元40电性连接，用以接收该影像感测单元40扫描感测的该型变影像A，进而产生立体影像(未图标)，且该影像处理单元50用以将该立体影像进行3D切层处理以产生复数层迭置的2D平面影像(未图标)的数据，之后将该数据传送至该投影单元20；以及容置室60，用以容置感光成型材料61，其中该投影单元20按该数据依层投射每一层该平面影像至该感光成型材料61的对应部份以进行光固化，该感光成型材料61可为感光树脂等液态材料，如可为B9R-1-RED光聚合树脂、UV光固化胶(光敏树脂)、GC3D-SI(象牙白/似肤色)或其它紫外线光固化材料，供以近紫外线UV-A(320nm～400nm)的波段进行固化，但不以此为限。于本实施例中，该3D投影打印系统1更包括固化单元(未图标)，连接该容置室60，用以固化每一层该平面影像对应该感光成型材料61的所述光固化部份，来形成每一对应的立体层，当所有该立体层逐一形成，即形成对应该对象100的整体外形的立体对象(未图标)。上述固化单元可为紫外线固化灯或红外线固化灯，但不以此为限。

在本实施例中，更包括机壳1，使该可动平台10、该投影单元20、该影像感测单元40、该影像处理单元50设于该机壳1内。

在本实施例中，该投影单元20可为投影机，但不以此为限。该投影单元20所投射于该对象100的光源30为一种结构光源，该结构光源为具有复数内建样本图像31的结构光源，当该投影单元20投射出内建样本图像31的结构光源于对象100表面时，因对象100表面凹凸不平，使光源30的图像形状产生变型，而此变形光源30的图像形状即为该型变影像A，如图3所示，该型变影像A同时由该影像感测单元40进行扫描。而为了获得对象100各个面向的型变影像A，该可动平台10为可水平旋转的平台，旋转该可动平台10使该对象100由不同角度接收该投影单元20投射的该光源30，单次旋转该可动平台10的角度可于介于30度至45度，较佳为30度或45度，但不以此为限，而后对应产生该对象100的复数不同角度的型变影像A，而仍不断由该影像感测单元40进行扫描，进而取得获得对象100不同面向的型变影像A。

请参阅图2至图4，取得该对象100各面向的型变影像A后传输至该影像处理单元50，该投影单元20、该影像感测单元40与该对象100的相对位置概成三角形，该影像处理单元50由几何三角运算分别转换这些不同角度的型变影像A，使各不同角度的型变影像得到对应的一组三维坐标，该几何三角运算为数字运算方式，可以z＝x.sin(a).sin(b)/sin(a+b)为代表，X为该投影单元20与该影像感测单元40的直线距离，Z为X到该对象100的垂直距离，a为X与该投影单元20到该对象100间直线距离的夹角，b为X与该投影像感测单元40到该对象100间直线距离的夹角。将该型变影像A分为复数网栅(未图示)，相邻网栅的交会点，如各以0与1或黑格子与白格子表示，因此影像处理单元50只要察觉复数个型变影像A之间对应的网栅并未正确交会即可进行调整，交错的型变影像A可精确还原迭合，不会产生不同型变影像A的对应点无法精确配合一致的问题。并且网栅的尺寸可以由大到小调整，使型变影像A更能显示对象100的构成细节。

承上，如此重复上述动作会得到该对象100各面向所分别呈现复数组的三维坐标，该影像处理单元50结合复数组三维坐标产生该对象100的完整立体影像。

且在一实施例中，该影像感测单元40可选用景深与感光度皆佳的影像传感器，如可为照相机、摄影机等，如此型变影像A的成像会细腻而不失真，且仅用单一影像感测单元40也可避免已知技术中不同影像撷取装置景深不一致的问题。

请参阅图5所示，本发明的3D投影打印系统更包括反射单元70及显示器80，于本实施例中，该反射单元70可为反射镜，将反射单元70调到对应角度后，使其反射该投影单元20投射的该立体影像至该显示器80，该显示器80与该影像处理单元50连接，供使用者透过该显示器80的显示以检视该立体影像，并经由该影像处理单元50对该立体影像进行编辑。在结束反射后，能使该反射单元70回归原位。

完成后再利用切层软件(未图标)将该立体影像进行切层处理以产生复数层迭置的2D平面影像(未图标)的对应数据，此为一般3D切层技术，于此不再赘述，而后将切层完成的复数层迭置的平面影像的数据传送至该投影单元20。

请续参阅图6所示，本发明的3D投影打印系统更包括升降单元90，与该可动平台10连接，该升降单元90具马达91，用以控制该可动平台10的上升/下降。利用该可动平台10的上升/下降，使该投影单元20按上述数据依层投射每一层该平面影像至该感光成型材料61的对应部份以进行光固化；于本实施例中，是利用逐步降低该升降单元90的下降距离，由对象100的最顶部平面影像依层朝向对象100的最底部平面影像投射至该感光成型材料61的每一对应部份以进行光固化，且每次光固化完对应部份后即对该对应部份进行固化以形成每一立体层，再对下一层的另一平面影像投射至该感光成型材料61的下一层对应部份，并再固化以形成下一立体层，一直到所有复数平面影像都处理完以形成所有立体层之后，即得到立体对象，完成此3D立体影像打印工作。于其它实施例中，可以采用相反的打印方向，即由对象100的最底部平面影像依层朝向对象100的最顶部平面影像投射依层进行光固化。

此外，本发明提供一种3D投影打印方法，包括以下步骤：

S01：提供投影单元投射光源至对象；

S02：提供影像感测单元扫描感测投射至该对象上的该光源以对应产生至少一型变影像；

S03：转换该至少一型变影像为立体影像，将该立体影像进行切层处理以产生包含复数层迭置的平面影像的数据，之后传送该数据至该投影单元；于其它实施例中，在对该立体影像进行切层处理的步骤前还包括提供使用者对该立体影像的检视与编辑的程序；

S04：该投影单元按该数据依层投射每一层该平面影像至感光成型材料的对应部份以进行光固化，接着使每一层该平面影像对应的上述光固化部份进行固化，进而形成每一对应的立体层，当所有的上述立体层逐一形成，即形成对应该对象的整体外形的立体对象。

由于上述方法主要皆共享同一个投影单元，将上述步骤分为三个模式进行。模式一为投射扫描，利用该光源照射该对象，该光源为具有内建样本图像的结构光源，因对象表面凹凸不平而会使光源产生至少一型变影像并取得之，将该型变影像透过几何三角运算可得到对象对应的三维坐标，接着再旋转该对象的各个角度并重复上述投射及运算，结合复数组的该三维坐标即可获得一个完整的立体影像。

模式二为立体影像检视与编辑，将所取得的立体影像透过投影单元投射到显示器上，让使用者可以进行立体影像的检视与编辑，后再利用切片软件的功能将立体影像切层处理为包含复数层迭置的平面影像的数据。

模式三为打印程序，将复数层迭置的平面影像的数据投射至该感光成型材料，每投射完一层的平面影像至该感光成型材料后需等待一段时间并以紫外线或红外线固化，再重复另一层平面影像的投射与固化，每一迭置的平面影像都处理完之后即可得到对应该对象整体外形的立体对象。

综上所述，本发明主要利用单一投影单元搭配影像感测单元来依序完成3D立体影像扫描、影像显示和3D立体影像打印等功能，达到降低整体设备制作成本并缩小产品体积的优点。

另外，本发明的3D投影打印系统由影像感测单元扫描样本图像光源的投射至对象上的型变，重复使投影单元由不同面向将光源投射向该对象可获得该对象各面向对应的复数样本图像光源的型变，以更精确的描绘出对象影像各部细节，改善已知3D打印设备使用两台或以上的相机撷取影像，导致两台相机各自所撷取影像对应点无法精确配合，造成后续切层软件误判及3D打印成品失真的问题。

再者，本发明藉由数字的演算模式计算对象的三维坐标，因此可以准确地得到对象上各点的三维坐标及相对位置，避免已知模拟式的重现对象影像时因为读取或输出设备的不同而失真，更导致3D打印成品与原对象差别过大。

且本发明同时以投影单元将切层的平面影像投射到感光成型材料以一次打印一面的面成型方式，相较于已知打印系统的喷印方式是以点和线为基础，本发明面成型的方式确加快打印的速度。

Claims (10)

1.一种3D投影打印系统，其特征在于，包括：

可动平台，用以承载对象；

投影单元，用以投射光源至该对象；

影像感测单元，用以扫描感测投射至该对象上的该光源进而产生至少一型变影像；

影像处理单元，分别与该投影单元与该影像感测单元连接，用以根据该影像感测单元扫描感测的该至少一型变影像产生立体影像，且该影像处理单元用以将该立体影像进行切层处理以产生包含复数层迭置的平面影像的数据并传送至该投影单元；以及

容置室，用以容置感光成型材料，其中该投影单元按该数据依层投射每一层该平面影像至该感光成型材料的对应部份以进行光固化，接着使每一层该平面影像对应的该光固化部份进行固化，形成每一对应的立体层，当所有的这些立体层逐一形成，即形成对应该对象的整体外形的立体对象。

2.如权利要求1所述的3D投影打印系统，其特征在于，更包括反射单元及显示器，该反射单元用以反射该投影单元投射的该立体影像至该显示器，该显示器与该影像处理单元连接以显示该立体影像，并经由该影像处理单元对该立体影像进行编辑。

3.如权利要求1所述的3D投影打印系统，其特征在于，该可动平台为可水平旋转的平台，旋转该可动平台使该对象由不同角度接收该投影单元投射的该光源，并对应产生该对象的复数不同角度的型变影像。

4.如权利要求1所述的3D投影打印系统，其特征在于，更包括机壳，用于包含该可动平台、该投影单元、该影像感测单元、该影像处理单元与该容置室。

5.如权利要求1所述的3D投影打印系统，其特征在于，更包括固化单元，连接该容置室，用以将每一层该平面影像对应的该光固化部份依层进行固化。

6.如权利要求1所述的3D投影打印系统，其特征在于，更包括升降单元，与该可动平台连接，该升降单元具马达，用以控制该可动平台的上升/下降，使该投影单元按上述数据依层投射每一层该平面影像至该感光成型材料的对应部份以进行光固化。

7.如权利要求1所述的3D投影打印系统，其特征在于，该光源为一种结构光源，该结构光源为具有复数内建样本图像的结构光源。

8.如权利要求1所述的3D投影打印系统，其特征在于，该感光成型材料为感光树脂。

9.一种3D投影打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供投影单元投射光源至对象；

提供影像感测单元扫描感测投射至该对象上的该光源进而产生至少一型变影像；

转换该至少一型变影像为立体影像，且将该立体影像进行切层处理以产生包含复数层迭置的平面影像的数据后传送至该投影单元；

该投影单元按该数据依层投射每一层该平面影像至感光成型材料的对应部份以进行光固化，接着使每一层该平面影像对应的上述光固化部份进行固化，形成每一对应的立体层，当所有的上述立体层逐一形成，即形成对应该对象的整体外形的立体对象。

10.如权利要求1所述的3D投影打印方法，其特征在于，在对该立体影像进行切层处理的步骤前还包括提供该立体影像的检视与编辑的程序。