CN106363908A - 一种光固化3d打印机的光学成像系统 - Google Patents

一种光固化3d打印机的光学成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光固化3D打印机的光学成像系统，包括LED光源(1)、照明系统(2)、第一偏振片(3)、LCD芯片(4)、第二偏振片(5)、投影镜头(6)和树脂槽(7)。LED光源(1)发出的光经过照明系统(2)均匀化后经过第一偏振片(3)照射在LCD芯片(3)上，然后经过第二偏振片(5)后，再经过投影镜头(6)放大后成像到树脂槽(7)底部。通过计算机显示在LCD芯片(4)上的图像被投影镜头(6)成像到树脂槽(7)底部并将液态树脂逐层固化以进行3D打印。本发明具有精度高、结构简单、成本低廉的优点。

Description

一种光固化3D打印机的光学成像系统
技术领域
本发明涉及光固化3D打印设备，特别涉及一种光固化3D打印机的光学成像系统。
背景技术
3D打印技术的一个主要分支是光固化3D打印技术，它是利用光束照射液态光敏树脂后使其固化的原理，使材料逐点或逐层累加成型。光固化3D打印技术主要分为SLA和DLP或LCD投影技术。其中SLA称为立体光固化成型技术，它是利用激光光束逐点快速扫描照射到光敏树脂上使其固化成型。SLA技术可以对光敏树脂意外的其他材料进行成型，具有应用广泛的特点。DLP和LCD投影技术则是通过将整层图像通过投影镜头投影到光敏树脂上，并逐层叠加成型，其特点是可以一次完成整层打印，具有打印速度快、精度高的特点。
DLP投影技术是发展较早的一种光固化3D打印技术，它的核心部件是利用德州仪器生产的数字光处理芯片。由于DLP芯片是德州仪器的独家专利技术，芯片价格较贵，特别是高像素的芯片价格极其昂贵，限制了大尺寸3D打印技术的发展。此外，由于DLP芯片需要离轴照明，使得光学系统的装配调试难度增加。
LCD投影技术则是利用LCD作为图像发生器，其打印原理与DLP投影技术相似。不同的是LCD应用极其广泛，社会上不同领域应用不同像素、不同尺寸的LCD，使得可供选择的LCD种类繁多，因此相比DLP投影技术，其特点是成本较低。
中国专利201310642215中提到一种基于LCD的光固化3D打印原理，其利用投影镜头将LCD的图像缩小成像到光敏树脂上，且LCD上覆盖一层微透镜阵列以提高透光率。根据不同的缩小倍率，对单个像素进行多次连续固化，从而实现了较高的打印精度，但难以提高打印速度，与此同时增加光学和机械系统的复杂度和成本。
中国专利201510070596则是利用菲涅尔透镜将LCD上的图像以1:1的比例投影到光敏树脂上，这种方法简单易行，缺点是打印尺寸完全取决于屏幕尺寸，且无法实现较高的打印精度。
发明内容
本发明提供一种基于LCD投影技术的光固化打印光学投影系统，以克服以往专利的缺点，实现高精度和低成本，并根据投影镜头的倍率实现不同的打印精度和尺寸。
本发明采用的技术方案为：一种光固化3D打印机的光学成像系统，包括LED光源、照明系统、LCD芯片、投影镜头和树脂槽，其中：
所述的LED光源，用于对照明系统进行照明；
所述的照明系统，用于对LED光源发出的光进行均匀化，并对LCD芯片进行照明；
所述的LCD芯片，为光学成像系统的图像发生器或者空间光调制器，位于照明系统和投影镜头之间；
所述的投影镜头，将LCD芯片形成的图像投影到树脂槽上对树脂进行光固化。
更进一步的，LED光源光波长在365nm到440nm之间。
更进一步的，LCD芯片为商用投影仪的液晶面板，由像素阵列组成，单个像素大小为10～20微米，无自带光源。
更进一步的，投影镜头将LCD图像以不小于1倍的倍率成像到树脂槽上。
更进一步的，照明系统和投影镜头同轴。
更进一步的，照明系统通过反射镜照明LCD芯片，照明系统光轴与投影镜头光轴夹角在0～80°之间。
更进一步的，还包括第一偏振片和第二偏振片，第一偏振片设置在所述的LCD芯片前面，第二偏振片设置在所述的LCD芯片后面。
本发明的原理在于：一种基于LCD投影技术的光固化打印光学投影系统，包括包括光源、照明光学系统、投影仪LCD液晶面板、投影镜头和透明树脂槽。光源发出的光经过照明系统均匀化后照射在LCD上，LCD经过投影镜头放大后成像到树脂槽底部。通过计算机显示在LCD上的图像被投影镜头成像到树脂槽底部并将液态树脂逐层固化以进行3D打印。
光源发出的光经过照明系统进行均匀化。照明系统由一个聚焦透镜、准直透镜和光阑组成，其中聚焦透镜为高数值孔径的单片非球面透镜组成，这样能尽可能的提高光能的利用率，降低光学结构的复杂性和成本。
所述LCD为3D打印系统的图像发生装置，本发明采用商用投影仪的LCD芯片，其优点面积小，成本较低，且易于获取标准化的产品。LCD的每个像素内主要成分是液晶，液晶本身对紫外和近紫外光有一定的吸收，因此需要对照明LCD光束进行偏振调制，具体为在LCD两侧各放置一个线偏振器，单个液晶单元通电可实现对入射偏振光旋转90°，并可通过第二个偏振片。通过计算机控制LCD的通断电，可生成黑白分明的高对比图像。由于面积较小，可采用成本低廉的薄膜型偏振片而不会降低成像精度。
所述投影镜头可实现对LCD的放大投影成像，并投影到树脂槽下方以实现3D打印的光固化，投影镜头的放大倍率取决于所需的打印精度，通常放大2～10倍，以实现数十微米的打印精度。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明采用商用投影仪的LCD作为图像发生器，在实现高精度打印的同时还具有成本低的优点。
(2)、本发明的照明系统和投影镜头同轴，使光学系统结构简化，装调简单，从而进一步降低成本。
附图说明
图1为本发明的系统原理图；
图2为本发明的照明系统原理图；
图3为本发明的一种照明实施方式。
图中附图标记含义为：1为LED光源，2为照明系统，3为第一偏振片，4为LCD芯片，5为第二偏振片，6为投影镜头，7为树脂槽。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明的实施过程1由LED光源1、照明系统2、第一偏振片3、LCD芯片4、第二偏振片5、投影镜头6以及树脂槽7组成的系统按照光路实现。
首先，由LED光源1发出紫外光，经照明系统2实现均匀化后，入射照明LCD芯片4。所述LED光源1波长包含近紫外光到紫外光，具体波长范围包含从440nm到365nm。LED光源1可包括1种或1种以上的单色光芯片，并可根据不同的材料选择不同的一种或多种波长来进行曝光。
其中，所述照明系统2均匀化的实现方式如图2所述。照明系统2由一个聚焦透镜201、准直透镜203和光阑202组成，其中聚焦透镜201为高数值孔径的单片非球面透镜组成，这样能尽可能的提高光能的利用率，降低光学结构的复杂性和成本。具体的聚焦透镜201的数值孔径大于0.5。
其次，经过均匀化的光入射照明LCD芯片4。所述LCD芯片4为3D打印系统的图像发生装置，本发明LCD芯片4采用商用投影仪的液晶面板，包含多个像素，单个像素大小为10～20微米，无自带光源。LCD的每个像素内主要成分是液晶，液晶本身对紫外和近紫外光有一定的吸收，因此需要对照明LCD光束进行偏振调制，具体为在LCD芯片4两侧各放置一个线偏振片。第一偏振片3将LED光源1的光转化为线偏振光，并可以较高的透过率透过LCD芯片4。单个液晶单元通电可实现对入射偏振光旋转90°，并可通过第二个偏振片5。通过计算机控制LCD的通断电，可生成黑白分明的高对比图像。
然后，经过LCD芯片4空间调制后的光路携带图形信息，经过投影镜头成像于树脂漕7，最终实现3D打印光学照明。所述投影镜头6可实现对LCD芯片4的放大投影成像，并投影到树脂槽7下方以实现3D打印的光固化，投影镜头6的放大倍率取决于所需的打印精度，通常放大2～10倍，以实现数十微米的打印精度。例如对于常见的LCD像素13.68um的大小，通过投影镜头6放大3.65倍，可实现50um的打印精度。
此外，本发明的实施方式2，如图3所示，具体由LED光源1、照明系统2、第一偏振片3、LCD芯片4、第二偏振片5、投影镜头6、树脂槽7以及反射镜8组成。所述LED光源1和照明系统2光轴水平放置，反射镜8倾斜45°，反射镜8的作用是将照射光旋转90°以照明LCD芯片4。这种实施方式的优点是可缩短投影光学系统的长度，缩小3D打印机的尺寸。

Claims (7)

1.一种光固化3D打印机的光学成像系统，其特征在于：包括LED光源(1)、照明系统(2)、LCD芯片(4)、投影镜头(6)和树脂槽(7)，其中：
所述的LED光源(1)，用于对照明系统(2)进行照明；
所述的照明系统(2)，用于对LED光源(1)发出的光进行均匀化，并对LCD芯片(4)进行照明；
所述的LCD芯片(4)，为光学成像系统的图像发生器或者空间光调制器，位于照明系统(2)和投影镜头(6)之间；
所述的投影镜头(6)，将LCD芯片(4)形成的图像投影到树脂槽(7)上对树脂进行光固化。
2.如权利要求1所述的光固化3D打印机的光学成像系统，其特征在于：LED光源(1)光波长在365nm到440nm之间。
3.如权利要求1所述的光固化3D打印机的光学成像系统，其特征在于：LCD芯片(4)为商用投影仪的液晶面板，由像素阵列组成，单个像素大小为10～20微米，无自带光源。
4.如权利要求1所述的光固化3D打印机的光学成像系统，其特征在于：投影镜头(6)将LCD图像以不小于1倍的倍率成像到树脂槽(7)上。
5.如权利要求1所述的光固化3D打印机的光学成像系统，其特征在于：照明系统(2)和投影镜头(6)同轴。
6.如权利要求1所述的光固化3D打印机的光学成像系统，其特征在于：照明系统(2)通过反射镜照明LCD芯片(4)，照明系统(2)光轴与投影镜头(6)光轴夹角在0～80°之间。
7.如权利要求1所述的光固化3D打印机的光学成像系统，其特征在于：还包括第一偏振片(3)和第二偏振片(5)，第一偏振片(3)设置在所述的LCD芯片(4)前面，第二偏振片(5)设置在所述的LCD芯片(4)后面。
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