CN107660178B

CN107660178B - 光学成型设备

Info

Publication number: CN107660178B
Application number: CN201680024592.8A
Authority: CN
Inventors: 大嶋英司; 日下部富男; 大坂觉; 江部秀和; 高梨健一
Original assignee: Kang Kaichi Corp
Current assignee: Kang Kaichi Corp
Priority date: 2016-05-26
Filing date: 2016-05-26
Publication date: 2019-10-25
Anticipated expiration: 2036-05-26
Also published as: WO2017203670A1; US20210339460A1; US20180222108A1; CN107660178A

Abstract

提供了一种用于容易地实现具有足够高精度的三维成型的光学成型设备，包括：料箱，其具有由透光材料制成的底表面并容纳光固化液体材料；光源单元，其包含驱动反射镜并用激光束扫描底表面；以及提升机构，其相对料箱提升通过激光束成型的成型对象。光源单元包括以下部分以作为光学引擎：壳体；激光二极管，其布置在壳体的一侧并发射激光束；以及驱动反射镜，其通过改变垂直方向和水平方向的角度来反射来自激光二极管的反射光。

Description

光学成型设备

技术领域

本发明涉及一种光学成型设备。

背景技术

在上述技术领域中，专利文献1公开了使用连续液体界面生产(ContiunousLiquid Interface Production)的三维光学成型技术。

引用列表

专利文献

专利文献1：美国专利申请公开第2013/0292862A1号

发明内容

技术问题

在上述文献中描述的技术中，如图10所示使用大型DLP投影仪126，因此不可能以足够高的精度容易地实现三维成型。

本发明使得能够提供解决上述问题的技术。

问题的解决方案

本发明的一个方面提供了一种光学成型设备，包括：

料箱，该料箱具有由透光材料制成的底表面并容纳光固化液体材料；

光源单元，该光源单元包含驱动反射镜并用激光束扫描底表面；以及

提升机构，该提升机构相对料箱提升通过激光束成型的成型对象，

其中，该光源单元作为光学引擎包括：

壳体，

激光二极管，该激光二极管被布置在壳体的一侧并发射激光束，以及

驱动反射镜，该驱动反射镜通过改变垂直方向和水平方向的角度来反射从激光二极管所反射的光。

本发明的另一方面提供了一种光学成型设备，包括：

台座，该台座用于安装包含光学引擎的智能设备，该光学引擎用于用激光束扫描该底表面；以及

提升机构，该提升机构相对料箱提升通过激光束成型的成型对象。发明的有益效果

根据本发明，可以以足够高的精度容易地实现三维成型。

附图说明

图1是示出根据本发明的第一示例实施方式的层叠成型设备的布置的视图；

图2A是示出根据本发明的第一示例实施方式的光学引擎的布置的视图；

图2B是示出根据本发明的第一示例实施方式的光学引擎的布置的视图；

图2C是示出根据本发明的第一示例实施方式的光学引擎的布置的视图；

图3是示出根据本发明的第一示例实施方式的激光投影仪的布置的视图；

图4是示出根据本发明的第一示例实施方式的激光投影仪的布置的框图；

图5是示出根据本发明的第一示例实施方式的光学引擎的布置的视图；

图6是示出根据本发明的第一示例实施方式的光学引擎的壳体的布置的视图；

图7是示出根据本发明的第一示例实施方式的光学引擎的壳体的设计的视图；

图8是示出根据本发明的第一示例实施方式的光学引擎的壳体的设计的视图；

图9是示出根据本发明的第一示例实施方式的光学引擎的效果的视图；

图10是示出包含根据本发明的第一示例实施方式的激光投影仪的智能设备的视图；

图11是示出根据本发明的第二示例实施方式的层叠成型设备的布置的视图；以及

图12是示出根据本发明的第三示例实施方式的光学引擎的布置的视图。

具体实施方式

现在将参照附图详细描述本发明的示例实施方式。应当注意，除非另有特别说明，在这些示例实施方式中阐述的部件的相对布置、数值表达式和数值不限制本发明的范围。

【第一示例实施方式】

将参照图1描述根据本发明的第一示例实施方式的层叠成型设备100。层叠成型设备100是提升式连续液体界面生产成型设备。

如图1所示，层叠成型设备100包括料箱101、光源单元102和提升机构103。

料箱101是至少具有由透光材料制成的底表面111并容纳光固化液体材料的料箱。

光源单元102是包含超小型激光投影仪的智能设备，并且从下方用激光束121扫描料箱101的底表面111。

提升机构103根据层叠间距相对料箱101上升并提升由激光束121所成型的成型对象。

重复如下操作：通过从料箱的下表面发射激光束121进行固化；将成型台提升一层；以及在成型台下方固化第二层的截面形状，从而顺序地层叠各层，并进行成型。

(光学引擎的布置)

将参照图2A、图2B和图2C描述包含在光源单元102中的光学引擎200。图2A和图2B是分别示出当从不同角度观察时的光学引擎200的内部布置的透视图。图2C是示出光学引擎200中的光路径的视图。

光学引擎200包括例如红色光、红外光和紫外光三种颜色的激光二极管(半导体激光器)201至203，以及用于聚焦来自激光二极管201至203的光束以获得一个光束的棱镜反射镜204。

例如，激光二极管201发射紫外光，激光二极管202也发射紫外光，以及激光二极管203发射红外光。这些激光二极管被布置成使得具有最短波长的激光二极管离MEMS最远，以便补偿由波长差导致的反射角等中的小误差。

激光二极管201至203被布置在壳体210的一侧以面对壳体210的内部。棱镜反射镜204将来自激光二极管201和202的两个激光束朝向激光二极管203反射一次。然后，棱镜反射镜204再次将两个被反射的光束朝向壳体210的内部反射以叠加在激光二极管203的光轴上。光学引擎200包括在棱镜反射镜204与激光二极管201至203之间的准直透镜205，从而将激光束的焦距调节至无穷大。

在激光二极管201至203的附接表面的相对侧的壳体210的端部设置有朝向底表面倾斜的倾斜反射镜206。倾斜反射镜206朝向壳体210的底表面反射从棱镜反射镜204进入的激光束。此外，底反射镜207被向上附接在棱镜反射镜204和倾斜反射镜206之间的壳体210的底表面上。二维MEMS反射镜209和盖玻璃212被设置成夹着底反射镜207。底反射镜207向上朝向二维MEMS反射镜209反射从倾斜反射镜206进入的激光束。确定图像投影仰角和尺寸的棱镜208被设置在盖玻璃212上与二维MEMS反射镜209相邻的位置。

另一方面，另一底反射镜213被设置在底反射镜207和盖玻璃212之间。光传感器215被包括在棱镜反射镜204和棱镜208之间。为了校准MEMS反射镜209的位置，光传感器215向外部MEMS控制器通知光束从MEMS反射镜209经由底反射镜213进入的定时。

此外，倾斜反射镜206是半反射镜。激光功率传感器216被设置在倾斜反射镜206的后面，即在壳体210的壁部和倾斜反射镜206之间的间隙中，以检测激光功率并通知其外部激光扫描显示控制器。

利用由MEMS反射镜209反射并通过棱镜208和盖玻璃212的扫描光束，在底表面111上形成投影图像。

如图2C所示，来自激光二极管201至203的三个光束经由准直透镜205进入棱镜反射镜204，并被聚焦以获得一个光束。

从棱镜反射镜204出射的光束被倾斜反射镜206朝向底反射镜207反射。底反射镜207向上反射从倾斜镜206进入的光，并且被反射的光经由棱镜208进入二维MEMS反射镜209的中心部分。二维MEMS反射镜209是基于外部输入控制信号驱动的驱动反射镜，并通过改变水平方向(X方向)和垂直方向(Y方向)的角度来摆动以反射光束。

(激光微型投影仪的整体布置)

图3是示出包括光学引擎200的激光投影仪300的布置的视图。图4是示出激光投影仪300的功能布置的框图。除了参照图2A和图2B描述的部件之外，光学引擎200还包括激光二极管(图3和图4中的LD)驱动器311和功率管理电路312。

除了光学引擎200之外，激光投影仪300还包括MEMS控制器301和激光扫描显示控制器302。

如果从外部输入数字视频信号，则激光扫描显示控制器302提取像素数目和尺寸，并将像素数目和尺寸发送至MEMS控制器301。此外，激光扫描显示控制器302将数字视频信号分解为各自颜色的像素数据，并将像素数据发送至激光二极管驱动器311。

功率管理电路(PMC)312进行控制，使得激光二极管驱动器311在初始过渡时段(例如上升时段或下降时段)期间不会错误地操作。特别地，在过渡时段期间，输出电压可能低于所需电压。激光二极管驱动器311可能由于低电压和/或电压的波动而错误地操作。为了避免这个问题，功能电路块可以在过渡时段期间设置为复位状态。

激光功率传感器216检测通过倾斜反射镜206所发送的每种颜色的激光的功率，并且将功率数据馈送至激光扫描显示控制器302，从而控制相应颜色的激光二极管201至203的照度。

图4是示出包括光学引擎200的光源单元102的功能布置的框图。输入至激光扫描显示控制器302的数字视频信号在那里被调制，并被发送至激光二极管驱动器311。激光二极管驱动器311通过驱动每种颜色的LED来控制所投射的激光的照度和照射定时。同时激光扫描显示控制器302驱动MEMS控制器301，以在最佳条件下使MEMS反射镜209相对于两个轴摆动。功率管理电路312控制激光二极管驱动器311以使激光二极管201至203在适当的定时以适当的电压发射光束。经由准直透镜205和光学系统204及206由二维MEMS反射镜209所反射的激光束作为成型激光束被投射在底表面111上。

上述MEMS扫描方法提供比DLP中的光利用效率高得多的光利用效率。因此，与DLP的成型相同的成型可以用低得多的功率的激光。也就是说，可以在实现高精度的同时降低成本和功耗并减小尺寸。此外，可以使激光束变窄(φ0.8mm→φ0.02mm)，从而提高成型精度。

此外，可以通过改变光学引擎的照射距离来改变成型区域。还可以在不改变光学引擎的照射距离的情况下，通过软件改变成型区域。因此，可以在保持提升速度恒定的同时改变成型区域。

可以通过改变光学引擎的组装的激光二极管的数量来增加激光二极管的总功率。例如，60mW的输出可以使用三个输出为20mW的激光二极管来实现。通过组装多个激光二极管作为具有相同波长的光源，可以实现高输出光学引擎。

通过组装发射相同波长和不同光束直径的激光的多个激光二极管，可以在任意位置选择锐利/柔性成型。

通过提供发射不同波长的激光的多个激光二极管，可以选择对于固化树脂来说最佳的波长。

可以安装对应于红外光和紫外光的波长的两种激光器，然后在用红外激光器检测位置的同时用紫外光在预定位置进行自动生成。红外激光器用作引导光。

可以针对每个照射点改变照射功率。这可以增加具有截面形状的边缘部的功率，或者降低功率以防止在倾斜成型等中的穿透。可以实现根据形状的功率控制。

可以通过改变光斑直径来改变成型表面步骤。

(用于缩减尺寸的设计)

图5是示出为了实现缩减尺寸而在光学系统的布置方面的设计的视图。与根据该示例实施方式的技术前提的布置501相比，根据该示例实施方式的布置502包括以下三个用于实现微小型化并提高可靠性和生产效率的设计。

(1)代替彼此间隔开的三个激光二极管511至513，激光二极管201至203被布置成彼此靠近。

(2)代替分别地为激光二极管511至513配备的反射镜514至516，布置一个棱镜反射镜204。

(3)省略被设置成与投射的视频成角度(仰角)并抑制杂散光的影响的棱镜517，并提供已经从材料上进行重新设计以应对杂散光的棱镜208。

此外，在该示例实施方式中，与根据技术前提的布置501相比，MEMS反射镜209本身较小。

如果对于棱镜208完全采用用作技术前提的高折射率玻璃材料，没有解决杂散光的问题。因此，使用低折射率玻璃材料。然后，通过改变棱镜208的角度来应对杂散光而不影响投影图像。

(提高可靠性和生产率的设计)

在根据本示例实施方式的技术前提的布置501中，针对目标调节激光二极管513。此时的调节内容包括反射镜516的位置(两个轴向)、MEMS反射镜519的位置(两个轴向)和准直透镜(未示出)(五个轴向)。在光束尺寸落入调节范围内并且来自MEMS反射镜519的铰链的反射光不会出现在投影图像上的同时通过确认在预定位置处形成预定尺寸的激光束光斑来执行调节，从而在适当的位置附接并固定准直透镜、反射镜516和MEMS反射镜519。

相对于另一种颜色的光束，在中央激光二极管的调节和附接完成之后，通过对准距MEMS镜519预定距离的位置来调节准直透镜(五个轴向位置)。

在调节中央二极管时，执行同时执行七个轴的调节的操作，这需要熟练工程师来进行调节操作并花费较长时间进行调节。精确的光轴调节通过技术人员使用人机系统来执行。然而，近年来，由于劳动力成本上升、熟练工人不足等原因，低成本的大规模生产变得非常困难。此外，由于准直透镜粘附在空间中，所以总是存在下述风险：由于由环境温度变化引起的粘合剂收缩导致调节后的光束位置偏移，因此生产效率和可靠性低。特别是难以将该布置安装在环境条件严格的板载设备等上。

在该示例实施方式中，如图6所示，使用作为通过压铸制造的壳体的壳体210，除了准直透镜和激光二极管之外的光学部件抵靠壳体210的对准单元并预先被粘附。更具体地，棱镜反射镜204被引入对准单元601的角部并被布置。MEMS反射镜209被布置成抵靠对准表面602和对准表面603。另外，倾斜反射镜206被布置成抵靠对准表面604和对准表面605。然后，底反射镜207被粘附至对准表面606。棱镜208被附接以抵靠对准表面607和对准表面608。

这可以减少从根据技术前提的布置501的三部分至两部分(准直透镜205和激光二极管201至203)的调节点。壳体210是未切割和未加工的壳体，因此其精度和生产效率非常高，这适合于批量生产。应当注意，可以使用用树脂等的模具所获得的模制部件作为壳体210。

此外，在壳体210中的布置每个准直透镜(实际上是每个准直器保持件)的位置处，为每个准直器保持件配备两个倾斜模制的用于对准的倾斜表面609。

(准直器保持件固定方法)

图7是用于说明准直器保持件固定方法的视图，并且是沿图6的A-A线截取的截面图。

在技术前提中，激光二极管被压配合在壳体中，在其上粘附和固定有准直透镜的准直器保持件通过在壳体上方的空间上的调节被光学地布置在适当位置，并且将UV粘合剂倒入壳体和准直器保持件之间的部分并通过UV照射固化。

由于在通过UV照射进行固定时粘合剂的体积收缩，所以存在准直器保持件的位置变化的问题。当用UV照射光进行照射时通过计算UV光的照射量和方向来进行照射的同时监视光束变更方向，从而将准直器保持件固定在预定位置。此外，在投影仪中，需要调节绿色准直器保持件的位置然后将蓝色和红色光束位置与绿色光束位置相匹配，因此调节操作非常困难。即使粘附成功，在诸如热试验的QA测试中，粘合剂的应力弛豫，从而造成光束位置改变的问题。

在该示例实施方式中，准直透镜205(准直器保持件)抵靠壳体210中形成的倾斜表面609，从而适当地进行对准。在这种状态下，粘合剂701从壳体210的下表面上形成的入口702注入，并保持预定时间，从而可以将准直透镜205牢固地固定在目标位置。代替在空间中所谓的粘附，以部件彼此直接接触的状态固定部件。因此，不会发生由粘合剂的收缩引起的各部件的位置变化，并且稳定性和可靠性显著提高。

关于调节，如图8所示，使用激光二极管201至203(沿X轴和Y轴的两个轴向位置)和准直透镜205(沿Z轴的一个轴向位置)，因此可以将根据技术前提下的布置501的轴数从9个减少至3个，从而提高生产效率。也就是说，由于可使用精确调节被集成至能够由无技能的操作者进行的自动操作的生产系统，因而批量生产非常容易。

此外，通过上述结构，结果是，解决了在图9的左侧所示的示例901中“由于高/低温度下的热冲击引起的光束被分割的问题”，并且将光斑调节至预定的尺寸和位置，如在图9的右侧所示的示例902中，从而可以显著地改善光束位置的变化。

上面已经描述了激光投影仪300。由于激光投影仪300被设置成具有非常小的厚度，如上所述，其可以在图10所示的超薄智能设备1000中实现。

【第二示例实施方式】

接下来将参照图11描述根据本发明的第二示例实施方式的层叠成型设备，图11是用于说明根据该示例实施方式的层叠成型设备的布置的视图。根据该示例实施方式的层叠成型设备与第一示例实施方式中的不同之处在于不包括光源单元。其余部件和操作与第一示例实施方式中的相同。因此，相同的附图标记表示相同的部件和操作，并且将省略其详细描述。

通过使用包含激光投影仪的智能设备1000，如图10所示，可以生产和销售仅包括用于智能设备的代替光源的台座1101的层叠成型设备1100，如图11所示。如果用户可以通过仅将他或她的智能设备插入台座1101来布置3D打印机，则可以提高层叠成型设备1100的生产效率。因此，可以以低成本提供3D打印机。

【第三示例实施方式】

接下来将参照图12描述根据本发明第三示例实施方式的层叠成型设备，图12是用于说明根据本示例实施方式的光学引擎的布置的视图。根据该示例实施方式的光学引擎与第一示例实施方式中光学引擎的不同之处在于，光学引擎既不包括光传感器215也不包括底反射镜213并且具有其余部件的不同布置。其余部件和操作与第一示例实施方式中的相同。因此，相同的附图标记表示相同的部件和操作，并且将省略其详细描述。通过布置各部件，如图12所示，可以在保持图像质量的同时进一步使设备缩减尺寸。

【其他实施方式】

虽然已经参照本发明的示例实施方式具体示出和描述了本发明，但是本发明不限于这些示例实施方式。本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims

1.一种光学成型设备，包括：

料箱，所述料箱具有由透光材料制成的底表面并容纳光固化液体材料；

光源单元，所述光源单元用激光束扫描所述底表面；以及

提升机构，所述提升机构相对料箱提升通过激光束成型的成型对象，

其中，所述光源单元包括以下部分以作为光学引擎：

壳体，

至少第一激光二极管和第二激光二极管，其布置在所述壳体的一侧并分别发射激光束，

棱镜反射镜，所述棱镜反射镜反射来自所述第一激光二极管的激光束，并且还根据所述第二激光二极管的光轴反射所述激光束，

倾斜反射镜，所述倾斜反射镜朝向所述壳体的底表面反射从所述棱镜反射镜接收的激光束，

底反射镜，所述底反射镜设置在所述壳体的底表面上，以向上反射来自所述倾斜镜的反射光，以及

驱动反射镜，所述驱动反射镜通过改变垂直方向和水平方向的角度来反射从所述底反射镜接收的反射光。