CN106363909A - 一种实现大尺寸光固化3d打印的光学投影系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可实现大尺寸光固化3D打印的光学投影系统,包括第一LCD照明模块(1)、第二LCD照明模块(2)、偏振分光镜(3)、投影镜头以及树脂槽(4)。第一LCD照明模块(1)和第二LCD照明模块(2)结构完全相同,两个照明模块的光通过偏振分光镜(3)出射后偏振方向相互垂直,LCD经投影镜头(4)成像到树脂槽(5)上进行光固化3D打印。由于两个LCD在空间上相互错开,通过调节两个LCD的相对位置可实现两个LCD像面的无缝连接,从而使打印尺寸增加一倍。
Description
技术领域
本发明涉及光固化3D打印设备,特别是光固化3D打印设备中的光学成像系统。
背景技术
3D打印技术的一个主流分支是光固化3D打印技术,它是利用紫外光束照射液态光敏树脂后,使发生光聚合反应继而固化的原理,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技术也主要针对光敏树脂材料进行成型,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。
DLP和LCD投影技术的另一个共同特点是图像发生器的像素数决定了3D打印的尺寸,由于是通过投影镜头将图像发生器的图像投影到光敏树脂上,因此,3D打印的像素数与图像发生器的像素数相同,例如实现0.1mm的打印精度,一种常用的图像发生器的像素是1280x800,则打印尺寸为128mmx80mm。而高像素的DLP和LCD,尤其是DLP,价格昂贵,限制了DLP和LCD投影技术在大尺寸3D打印中的应用,或只能降低打印精度来实现较大尺寸的3D打印。
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,在保证打印精度的同时,使得打印尺寸增加一倍,实现高精度和较低成本,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:一种实现大尺寸光固化3D打印的光学投影系统,包括第一LCD照明模块,第二LCD照明模块,偏振分光镜和投影镜头,其中:
所述的第一LCD照明模块和所述的第二LCD照明模块光路结构相同,由光源、准直镜组、LCD组成,光源发出的光经过准直镜组准直和均匀化后照明LCD;
所述的偏振分光镜,位于第一LCD照明模块和第二LCD照明模块之间;
所述的投影镜头,将第一LCD照明模块和第二LCD照明模块的LCD同时成像到树脂槽上。
更进一步的,第一LCD照明模块和第二LCD照明模块的LCD均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。
更进一步的,第一LCD照明模块和第二LCD照明模块的光源均为LED光源,光波长在365nm到440nm之间。
更进一步的,第一LCD照明模块和第二LCD照明模块,光路相互垂直。
更进一步的,第一LCD照明模块和第二LCD照明模块的出射光偏振方向相互垂直,第一LCD照明模块出射的偏振光可以透过偏振分光镜,第二LCD照明模块出射的偏振光被偏振分光镜反射。
更进一步的,第二LCD通过偏振分光镜所成的镜像中,LCD像素区域边缘与第一LCD像素区域边缘重合。
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。
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,包括第一LCD照明模块、第二LCD照明模块、偏振分光镜、投影镜头和树脂槽。第一LCD照明模块和第二LCD照明模块光学结构相同,提供固化树脂所需的光照和图像,照明模块由光源、照明系统、LCD组成。光源发出的光经过照明系统进行均匀化。光源为LED,光波长在365nm到440nm之间。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。所述第一LCD照明模块和第二LCD照明模块的光轴相互垂直,并分别从偏振分光镜的两个面入射。线偏振器的放置使得第一LCD照明模块和第二LCD照明模块进入到偏振分光镜的光的偏振方向相互垂直,从而第一LCD照明模块的光可直接通过偏振分光镜,第二LCD照明模块的光则被偏振分光镜反射。第二LCD通过偏振分光镜所成的镜像平面与第一LCD所在平面重合,且第二LCD镜像的边缘与第一LCD的边缘重合,这就使得成像面积增大了一倍。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。
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)、本发明采用两个商用LCD拼接的方法使打印尺寸增加一倍,同时可实现高精度的打印,但成本显著低于相同尺寸的DLP打印方法。
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。
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,本发明的具体实施方式是由第一LCD照明模块1、第二LCD照明模块2、偏振分光镜3、投影镜头4和树脂槽5组成。第一LCD照明模块1和第二LCD照明模块2光学结构完全相同。
系统的具体照明实施方式,以第一LCD照明模块1为例,包括LED光源101、聚光镜102、光阑103、准直透镜104、第一偏振片105、LCD液晶片106以及第二偏振片107,如图2所示。
首先,LED光源101经过聚光镜102、光阑103、准直透镜104组成的照明模块后,入射照明又第一偏振片105、LCD液晶片106以及第二偏振片107组成的空间调制模块,完成了LCD照明模块部分。其中,所述LED光源101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101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。所述聚焦透镜102为高数值孔径的单片非球面透镜,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102的数值孔径大于0.5。所述LCD液晶片106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,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106两侧各放置一个线偏振片。偏振片105将LED光源101的光转化为线偏振光,并能以较高的透过率透过LCD芯片106。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107。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LCD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。
其次,如图1所示,另一个照明2模块以同样的过程,实现LCD空间光调制,继而形成包含图像信息的出射结构光经偏振分光镜3到达物镜4像面;与之同时,第一照明模块1发出的结构以同样的方式经偏振分光镜3到达物镜4像面,两部分图形并列形成更大的图形区域,便于后续大面积3D打印成像。其中,所述第一LCD照明模块1的出射光可直接透过偏振分光镜3,而第二LCD照明模块2的偏振态与第一LCD照明模块1的垂直,使得第二LCD照明模块2的光被偏振分光镜3反射。第一LCD照明模块1和第二LCD照明模块2在空间上相互错开,具体布置为:第二LCD照明模块2通过偏振分光镜3所成镜像的LCD与第一LCD照明模块的LCD在同一平面并错开一定的距离,使得两个LCD的边缘重合,从而实现LCD的拼接,增大打印尺寸,实现两倍于单片LCD的打印尺寸。
最后,所述投影镜头4可实现对第一LCD照明模块1和第二LCD照明模块2所拼接形成的LCD图像进一步放大投影成像,使拼接后的图形放大后投影到树脂槽5底面,以实现大面积3D打印光固化。其中,投影镜头4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像素约13μm的大小,通过投影镜头4放大3.85倍,可实现约50μm的打印精度。
此外,该方案可增加更多的LCD照明模块,其光路结构与第一LCD照明模块1的相同,增加的LCD照明模块与第一LCD照明模块1距离一个LCD大小,以此类推,可实现多倍于单片LCD的打印尺寸。
Claims (7)
1.一种实现大尺寸光固化3D打印的光学投影系统,其特征在于:包括第一LCD照明模块,第二LCD照明模块,偏振分光镜和投影镜头,其中:
所述的第一LCD照明模块和所述的第二LCD照明模块光路结构相同,由光源、准直镜组、LCD组成,光源发出的光经过准直镜组准直和均匀化后照明LCD;
所述的偏振分光镜,位于第一LCD照明模块和第二LCD照明模块之间;
所述的投影镜头,将第一LCD照明模块和第二LCD照明模块的LCD同时成像到树脂槽上。
2.如权利要求1所述的光固化3D打印的光学投影系统,其特征在于:第一LCD照明模块和第二LCD照明模块的LCD均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。
3.如权利要求1所述的光固化3D打印的光学投影系统,其特征在于:第一LCD照明模块和第二LCD照明模块的光源均为LED光源,光波长在365nm到440nm之间。
4.如权利要求1所述的光固化3D打印的光学投影系统,其特征在于:第一LCD照明模块和第二LCD照明模块,光路相互垂直。
5.如权利要求1所述的光固化3D打印的光学投影系统,其特征在于:第一LCD照明模块和第二LCD照明模块的出射光偏振方向相互垂直,第一LCD照明模块出射的偏振光可以透过偏振分光镜,第二LCD照明模块出射的偏振光被偏振分光镜反射。
6.如权利要求1所述的光固化3D打印的光学投影系统,其特征在于:第二LCD通过偏振分光镜所成的镜像中,LCD像素区域边缘与第一LCD像素区域边缘重合。
7.如权利要求1所述的光固化3D打印的光学投影系统,其特征在于:投影镜头将LCD图像以不小于1倍的倍率成像到树脂槽上。
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