CN106660271B - 3d打印机及其采用的镜头模组 - Google Patents

Abstract

一种镜头模组(50)以及包括其的3D打印机(100)。所述镜头模组包括沿入射光的传输方向依次共轴排列的第一透镜(L1)、第二透镜(L2)及第三透镜(L3)，所述第一透镜、第二透镜及第三透镜均为弯月形透镜，所述第一透镜包括第一曲面(S1)和第二曲面(S2)，所述第二透镜包括第三曲面(S3)和第四曲面(S4)，所述第三透镜包括第五曲面(S5)和第六曲面(S6)，所述第一至第六曲面沿入射光的传输方向依次排布，所述第一曲面至第六曲面的曲率半径依次为‑200±5％、‑100±5％、‑80±5％、‑150±5％、‑100±5％、‑70±5％，单位为毫米。该镜头模组使得3D打印机的打印效率较高，便于实施超大型工件的打印。

Description

3D打印机及其采用的镜头模组

【技术领域】

本发明涉及一种激光加工系统，尤其涉及一种3D打印机及其采用的镜头模组。

【背景技术】

目前3D打印机可以各种物件，小到首饰零件，大到打印3D房屋。常用的3D打印机在计算机控制下，按预定形状零件的轮廓为轨迹，利用紫外激光对液态光敏树脂逐点逐层进行扫描，被扫描的液态树脂层产生光聚合反应固化形成零件的一个截面层，如此重复逐层扫面直到整个零件制造完毕。3D打印机通过控制机构来控制反射镜和镜头模组运动，进而操纵光束焦点的移动以实现逐点打印。然而，这种3D打印机的打印速度慢，效率较低，很难而实现超大型零部件的打印。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种打印效率高的3D打印机及其采用的镜头模组。

一种镜头模组，包括沿入射光的传输方向依次共轴排列的第一透镜、第二透镜及第三透镜，所述第一透镜、第二透镜及第三透镜均为弯月形透镜，所述第一透镜包括第一曲面和第二曲面、所述第二透镜包括第三曲面和第四曲面、所述第三透镜包括第五曲面和第六曲面，所述第一至第六曲面沿入射光的传输方向依次排布，所述第一曲面至第六曲面的曲率半径依次为-200±5％、-100±5％、-80±5％、-150±5％、-100±5％、-70±5％，单位为毫米。

在其中一个实施例中，所述第一透镜至第三透镜的中心厚度依次为5±5％、4±5％、3±5％，单位为毫米。

在其中一个实施例中，所述第一透镜的折射率与阿贝数的比例为(1.62/56)±5％、所述第二透镜的折射率与阿贝数的比例均为(1.60/45)±5％，所述第三透镜的折射率与阿贝数的比例为(1.63/55)±5％。

在其中一个实施例中，所述镜头模组的总长度为30毫米，且所述镜头模组的外径小于或等于90毫米。

在其中一个实施例中，所述镜头模组还包括沿入射光的传输方向设置于所述第三透镜后的第四透镜，所述第四透镜为平面透镜。

在其中一个实施例中，所述第四透镜为保护玻璃，其中心厚度为5±5％毫米，所述第四透镜的折射率与阿贝数的比例为(1.51/64)±5％。

在其中一个实施例中，所述镜头模组的焦距为2200毫米，入瞳直径为30毫米，工作波长为1064～630纳米。

一种3D打印机，包括：沿入射光的传输方向依次设置的激光器、扩束镜、第一振镜、第二振镜、如上所述的镜头模组以及成型台，所述激光器、扩束镜与所述第一振镜共线设置，所述第二振镜与所述第一振镜相互平行设置，所述第二振镜与所述镜头模组及所述成型台依次共线设置。

在其中一个实施例中，所述3D打印机还包括邻近所述成型台设置的导向架以及滑动设置于所述导向架上的提拉件，所述成型台开设有收容槽，所述提拉件一端活动地设置于所述成型台的收容槽中。

由于镜头模组的三个透镜的排布及参数设计，可以使镜头模组获得超长焦距，极大地提高了3D打印机的打印效率，以便于实施超大型工件的打印。

【附图说明】

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将会变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为一实施例中的3D打印机的结构示意图；

图2为图1所示3D打印机的镜头模组示意图；

图3为图2所示镜头模组的像差图；

图4为图2所示镜头模组的调制传递函数M.T.F图；

图5是图2所示镜头模组的像散图；

图6是图2所示镜头模组的畸变图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，本说明书中光的传播方向是从附图的左边向右边传播。曲率半径的正负以曲面的球心位置与主光轴的交点为准，曲面的球心在该点以左，则曲率半径为负；反之，曲面的球心在该点以右，则曲率半径为正。另外，位于镜头左边的为物方，位于镜头右边的为像方。正透镜是指透镜的中心厚度大于比边缘厚度的透镜，负透镜是指透镜的中心厚度小于边缘厚的透镜。

请参阅图1，一实施例中的3D打印机100包括：沿入射光的传输方向依次设置的激光器10、扩束镜20、第一振镜30、第二振镜40、镜头模组50以及成型台55。3D打印机100还包括邻近成型台55设置的导向架60以及滑动设置于导向架60上的提拉件70。激光器10、扩束镜20与第一振镜30共线设置，第二振镜40与第一振镜30相互平行设置。第二振镜40与镜头模组50及成型台55依次共线设置，且成型台55位于镜头模组50的上方。在本实施方式中，成型台55开设有收容槽551，其内收容有用于成型工件的液体凝固剂。提拉件70一端活动地设置于成型台55的收容槽551中。第一振镜30为X振镜、第二振镜40为Y振镜。

请参阅图2，镜头模组50的总长度为30毫米，最大外径为90毫米。镜头模组50包括沿入射光的传输方向依次共轴排列的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3及第四透镜L4。其中，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3均为弯月型透镜，第四透镜L4为平面透镜。第一透镜L1包括第一曲面S1和第二曲面S2，第二透镜L2包括第三曲面S3和第四曲面S4，第三透镜L3包括第五曲面S5和第六曲面S6，第四透镜L4包括第七曲面S7和第八曲面S8，每个透镜的两个曲面分别作为光入射面和光出射面，第一曲面S1至第八曲面S8沿入射光的传输方向依次排布。第一曲面S1、第二曲面S2、第三曲面S3、第四曲面S4、第五曲面S5及第六曲面S6的弯曲方向相同，沿入射光方向(即朝像方)凸出。第七曲面S7与第八曲面S8均为平面。在本实施方式中，第四透镜L4为保护玻璃。可以理解，第四透镜L4可以省略。

第一透镜L1的折射率与阿贝数的比例为1.62/56。第一透镜L1的第一曲面S1向像方凸出，曲率半径为-200毫米。第二曲面S2向像方凸出，曲率半径为-100毫米，第一透镜L1的中心厚度d1(即透镜在光轴上的厚度)为5毫米。第一透镜L1的上述各参数均存在5％的公差范围，即允许各参数在±5％范围内变化。

第二透镜L2的折射率与阿贝数的比例为1.60/45。第二透镜L2的第三曲面S3向像方凸出，曲率半径为-80毫米，第四曲面S4向像方凸出，曲率半径为-150毫米。第二透镜L2的中心厚度d2为4毫米。第二透镜L2的上述各参数均存在5％的公差范围。

第三透镜L3的折射率与阿贝数的比例为1.63/55。第三透镜L3的第五曲面S5向像方凸出，曲率半径为-100毫米，第六曲面S6向像方凸出，曲率半径为-70毫米。第三透镜L3的中心厚度d3为5毫米。第三透镜L3的上述各参数均存在5％的公差范围。

第四透镜L4的折射率与阿贝数的比例为1.51/64。第四透镜L4的第七曲面S7与第八曲面S8的曲率半径均为∞。第四透镜L4的中心厚度d4为3毫米。第四透镜L4的上述各参数均存在5％的公差范围。

通过上述设计后，镜头模组50的光学参数为：焦距为2200毫米，入瞳直径为30毫米，视场为50度，工作波长为1064～630纳米。镜头模组50使得3D打印机100所能加工的工件尺寸得到了极大的得到提高。当工件为圆柱体时，工件的体积V＝Φ*L(L为加工零件的长度)，其中直径Φ的最大值可达2米；当工件的截面为方形时，工件的体积V＝S*L，其中面积S的最大值可达1.4*1.4平方米。镜头模组50的实验测试效果如图3～6所示。

图3为镜头模组50的几何像差图，其中DBJ表示视角，单位为度；IMA表示像面的成像直径，单位为毫米。图3中示出了400毫米的标尺长度。根据图3所示的弥散斑可以看出镜头模组50的聚焦光斑的弥散范围较小，达到了理想的分辨率，全部视场的几何弥散圆都不大于0.04毫米。

图4为镜头模组50的调制传递函数(modulation transfer function，M.T.F)图，其中横坐标表示分辨率，单位为线对/毫米；TS表示视场，单位为度。当M.T.F为0.3时，还有7线对，相当于其分辨率约为0.07毫米，已达到了理想值。

图5为图1所示实施例中的镜头模组50的像散图。图5中的纵坐标+Y表示视场的大小，横坐标单位为毫米。图6为图1所示实施例中的镜头模组50的畸变图。图6中的纵坐标+Y表示视场的大小，横坐标单位为百分比。从图5～6中可看出，镜头模组50的色差已在焦深范围之内，因此系统可以用1064纳米为工作波长，630纳米(可见光)为监控系统的光学波长。当然，也可以用630纳米作为工作系统和监控系统的波长，其像差都非常理想。

请再次参阅图1，3D打印机100工作时，激光束从激光器10中发出，经由扩束镜20抵达第一振镜30，第一振镜30将激光束反射至第二振镜40，第二振镜40将激光束反射至镜头模组50。激光束经由镜头模组50消除色差后抵达成型台55，使收容槽551内的液体凝固剂感光固化，从而于提拉件70上形成预设形状的固化层。在此过程中，提拉件70持续向上提拉所述固化层，激光束使得液体凝固剂持续不断地于所述固化层上形成另一层固化层，从而最终完成工件的打印。打印形成的工件包含多个所述固化层。

由于镜头模组50的第一至第四透镜的排布及参数设计，可以使镜头模组50获得超长焦距，从而提高了3D打印机100的打印效率，以便于实施超大型工件的打印。同时，镜头模组50也实现了消色差的效果，且镜头模组50仅采用了四块透镜，极大地简化了光学材料的品种。

另外，由于3D打印机100采用了第一振镜30与第二振镜40使得激光束可沿X轴及Y轴扫描以实现激光束的偏转，因而激光束可以按预设的轨迹运动，也极大地提高了打印速度。3D打印机100不但可以打印出各种复杂的外形，也可以打印内部具有复杂结构的工件。

可以理解，当成型台55中的液体凝固剂替换成固体时，3D打印机100的激光器10、扩束镜20、第一振镜30、第二振镜40、镜头模组50可以设置于成型台55的上方，使得激光束的传输方向为大致从上向下。可以理解，成型台55也可以为其他形状的结构。当3D打印机100为其他类型打印机时，导向架60以及提拉件70也可以省略。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种镜头模组，其特征在于：包括沿入射光的传输方向依次共轴排列的第一透镜、第二透镜及第三透镜，所述第一透镜、第二透镜及第三透镜均为弯月形透镜，所述第一透镜包括第一曲面和第二曲面、所述第二透镜包括第三曲面和第四曲面、所述第三透镜包括第五曲面和第六曲面，所述第一至第六曲面沿入射光的传输方向依次排布，所述第一曲面至第六曲面的曲率半径依次为-200±5％、-100±5％、-80±5％、-150±5％、-100±5％、-70±5％，单位为毫米；所述第一透镜至第三透镜的中心厚度依次为5±5％、4±5％、5±5％，单位为毫米；所述第一透镜的折射率与阿贝数的比例为(1.62/56)±5％、所述第二透镜的折射率与阿贝数的比例均为(1.60/45)±5％，所述第三透镜的折射率与阿贝数的比例为(1.63/55)±5％。

2.根据权利要求1所述的镜头模组，其特征在于，所述镜头模组的总长度为30毫米，且所述镜头模组的外径小于或等于90毫米。

3.根据权利要求1所述的镜头模组，其特征在于，所述镜头模组还包括沿入射光的传输方向设置于所述第三透镜后的第四透镜，所述第四透镜为平面透镜。

4.根据权利要求3所述的镜头模组，其特征在于，所述第四透镜为保护玻璃，其中心厚度为5±5％毫米，所述第四透镜的折射率与阿贝数的比例为(1.51/64)±5％。

5.根据权利要求1所述的镜头模组，其特征在于，所述镜头模组的焦距为2200毫米，入瞳直径为30毫米，工作波长为1064～630纳米。

6.一种3D打印机，其特征在于，包括：沿入射光的传输方向依次设置的激光器、扩束镜、第一振镜、第二振镜、如权利要求1所述的镜头模组以及成型台，所述激光器、扩束镜与所述第一振镜共线设置，所述第二振镜与所述第一振镜相互平行设置，所述第二振镜与所述镜头模组及所述成型台依次共线设置。

7.根据权利要求6所述的3D打印机，其特征在于，所述3D打印机还包括邻近所述成型台设置的导向架以及滑动设置于所述导向架上的提拉件，所述成型台开设有收容槽，所述提拉件一端活动地设置于所述成型台的收容槽中。