CN108437448A - 一种微纳尺寸3d打印设备的光路精密装调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微纳尺寸3D打印设备的光路精密装调方法，先粗略安装光源、DMD芯片、45°反射镜、投影物镜、液槽和CCD传感器，使光源发射的光束经过DMD芯片反射后，进入45°反射镜后垂直入射投影物镜中心，投影物镜的焦平面和液槽中的液面重合，CCD传感器位于投影物镜正上方；然后将内调焦自准直望远镜的中心对准DMD芯片的中心，利用内调焦自准直望远镜作为辅助工具反向调整光路中每个元件的位置和角度并固定，由于内调焦自准直望远镜自身的光学精度高，因此具有很高的调整精度，非常适合于调整微纳尺寸3D打印设备的光路系统，本发明可以提高光路的同心度和准直精度，并同时检验光路中的关键元器件DMD芯片的反射均匀性，以及投影物镜的性能。

Description

一种微纳尺寸3D打印设备的光路精密装调方法

技术领域

本发明属于面投影微立体光刻（DLP）3D打印技术领域，尤其是微纳尺寸3D打印设备的光路装调方法，用于微纳尺寸3D打印设备光路的精密装调。

背景技术

目前基于面投影微立体光刻（DLP）3D打印技术中，通常都采用DMD微镜片矩阵的方式来提供曝光的图像。DMD芯片集成了大量的微镜片，通过控制微镜片的偏转角度实现单像素点的开关，通过开启与关闭的时间实现灰阶。一般DMD的芯片的像素为1280*800像素，或者1920*1080像素，芯片的整体大小为0.45英寸或0.65英寸，单个像素即微镜片的大小一般为7-14μm，微镜片的大小可很大程度上影响该技术的二维打印精度。

为了提高DLP技术的打印精度，一般的趋势为进一步缩小DMD微镜片的大小，或者对DMD反射出的光束通过投影物镜进行微缩，投影物镜的缩小倍数越大，或者说横向放大率β越小，进行微缩后的像素大小越小，使最终投影的二维精度越高。

1.首先，对于DMD芯片中的微镜片的大小，目前一般最小为5-7μm，如果想进一步继续缩小，在行业内已经到达了一个瓶颈，所以通过缩小DMD芯片中的微镜片的大小来提高（DLP）3D技术的精度不是一个优选的方案。

2.其次，通过投影物镜对DMD反射的图像进行微缩的方案中，投影物镜的横向放大率越小，物镜像面单个像素的大小越小，打印精度越高，由于DMD反射的图案是一个有固定大小的面，该反射图案对于投影物镜来说是物方，物方经过投影物镜进行微缩，物方DMD反射图案必须在理论上垂直经过投影物镜的中心，投影物镜是设计效果才能达到最佳（如MTF、场曲、畸变、像面照度的均匀性）。

目前的现有技术中，对DMD图案进行微缩的光路设计一般通过机械零件的精度来装配保证，这样的装配方式对于横向放大率较大的投影方式来说，对投影物镜的精度影响较小，但是对于本发明针对的高精度微纳尺寸3D打印设备来说，投影物镜的横向放大率很小，一般是0.1-0.15，这种通过机械零件精度的装配方式已经无法满足精密装调的要求，DMD图案通过投影物镜的同心度和倾斜度会严重影响像面的MTF、场曲、畸变、照度均匀性，进而影响打印工艺的精度和一致性。

3.对于（DLP）3D技术，其光路中，光源线经过匀光，再进入DMD芯片，经过DMD芯片图案化反射后，再进入投影物镜微缩，在投影物镜像面形成缩小的图案，在图案进入投影物镜前，图案化的照度均匀性将直接影响物镜像面的图案均匀性，目前的光路设计和装调缺少对这一项的检测。

4.对于投影物镜的装调，首先是需要确认物镜本身的每个透镜的倾斜和偏心值，其次是需要保证DMD反射的图案垂直经过投影物镜中心，一般投影物镜的每个镜片的倾斜和偏心的装调和测试为投影物镜生产厂家自行测试，集成在微纳尺寸3D打印设备的光路中以后，目前的机械装配技术无法有效检测物镜每个透镜的倾斜和偏心，所以将影响DMD反射的图案是否垂直经过投影物镜中心，进而严重光路调试的精度。

5.在（DLP）3D技术中，液态的光敏树脂被光路投影图案辐照后固化，投影物镜的焦平面和液面重合后，液面位于投影物镜的焦平面，由于液体有一定的流动性，或者容易受到环境的影响而振动，对于精度较低的（DLP）3D技术，由于投影物镜的缩小倍数较小，焦深较大，液面和物镜焦平面的倾斜度不足以影响打印工艺效果。但是对比本发明针对的微纳尺寸3D打印技术，液面和投影物镜焦平面的倾斜度，或者说是不重合度将严重影响打印的精度，所以需要一种新的光路装调方式和方法来判断液面和投影物镜焦平面的倾斜度。

综上所述，需要提出一种光路的装调方法，可以提高光路的同心度和准直精度，并同时检验光路中的关键元器件DMD芯片的反射均匀性，以及投影物镜的性能（倾斜和偏心）。

发明内容

本发明提出一种微纳尺寸3D打印设备的光路精密装调方法，该方法中引入内调焦直准直望远镜，并合理设计内调焦望远镜的安装位置和角度，并结合微纳尺寸3D打印设备的光路设计，以解决目前现有技术中，有关光路装调的以下问题：

（1）检测DMD芯片反射图案的照度均匀性，用于排查DMD芯片的反射性能以及光源的照度均匀性；

（2）结合光路设计，严格检测光路和液槽中的液面的垂直度，以判断液面和投影物镜焦平面的倾斜度，调整至10″以内；

（3）结合光路设计，检测投影物镜内部的每个透镜的倾斜和偏心，倾斜度调整至10″以内，同心度100μm以内；

（4）严格判断DMD芯片反射图案经过投影物镜的同心度和倾斜度，倾斜度调整至10″以内，同心度100μm以内。

本发明通过结合光路设计，将内调焦自准直望远镜合理安装一定的位置和角度，使上述检测步骤便于实现。

本发明是这样实现的：

一种微纳尺寸3D打印设备的光路精密装调方法，包括以下操作步骤：S1，分别粗略安装光源、DMD芯片、45°反射镜、投影物镜、液槽和CCD传感器，使光源发射的光束经过DMD芯片反射后，进入45°反射镜后垂直入射投影物镜中心，投影物镜的焦平面和液槽中的液面重合，CCD传感器位于投影物镜正上方，利用投影物镜像面反射，用于观察投影物镜像面图案；S2，将内调焦自准直望远镜的中心对准DMD芯片的中心；S 3，通过内调焦自准直望远镜反向调整DMD芯片、45°反射镜、投影物镜、液槽和CCD传感器之间的相对位置关系；S4，固定DMD芯片、45°反射镜、投影物镜、液槽和CCD传感器之间的相对位置关系。

作为发明的进一步改进，所述S2具体包括：卸下45°反射镜、投影物镜，将内调焦自准直望远镜的中心对准DMD芯片的中心，调整DMD芯片的位置，使内调焦自准直望远镜处于适合观察的角度和位置。

作为发明的进一步改进，所述S3具体包括：S3-1，通过DLP系统投影一张图片，经过DMD芯片反射后通过内调焦自准直望远镜观察被投影的图片的像，通过被投影的图片的像和原图片对比，判断经过DMD芯片反射后图片的均匀性；S3-2，在液槽中装入光敏树脂，安装45°反射镜并调整45°反射镜的俯仰，使液面和内调焦自准直望远镜发出的平行光垂直，从而使光路经过45°反射镜后垂直入射液槽中的液面，检测光路和液槽中的液面的垂直度；S3-3，安装投影物镜，通过内调焦自准直望远镜检测并调整投影物镜内部的每个透镜的倾斜度和同心度，从而检测并调整投影物镜本身的倾斜度和同心度；S3-4，将45°反射镜沿投影物镜的光轴转动180°，调整CCD传感器芯片相对于内调焦自准直望远镜的同心度和垂直度，使CCD传感器垂直地观察投影物镜焦平面的中心。

作为发明的进一步改进，反复调整DMD芯片相对于内调焦自准直望远镜的垂直度并控制在10″精度以内。

作为发明的进一步改进，所述S3-1中，所述图片的像素与所述DMD芯片的像素相同。

作为发明的进一步改进，在所述S3-2中，通过检测光路和液槽中的液面的垂直度，以判断液面和投影物镜焦平面的倾斜度，并调整至10″精度以内。

作为发明的进一步改进，在所述S3-3中，所述投影物镜内部每个透镜的倾斜度控制在10″精度以内，同心度控制在100μm精度以内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用内调焦自准直望远镜作为辅助工具，来反向调整光路中每个元件的位置和角度，由于内调焦自准直望远镜对于光束的倾斜角度，通过目镜的分划板最小可以测试到10角秒（10″），因此具有很高的调整精度，非常适合于调整微纳尺寸3D打印设备的光路系统，本发明所采用的装调方法可以提高光路的同心度和准直精度，并同时检验光路中的关键元器件DMD芯片的反射均匀性，以及投影物镜的性能（倾斜和偏心）。

附图说明

图1是一种内调焦自准直望远镜的原理图。

图2是本发明提供的一种微纳尺寸3D打印设备的光路精密装调方法的安装图。

图3是图2的俯视图。

图4是图3的左视图。

图5-图8是一种微纳尺寸3D打印设备的光路精密装调方法的操作步骤示意图。

附图说明：1-光源，2-聚光镜，3-反射棱镜，4-球面反射镜，5-调焦物镜组，6-物镜，7-反射面，8-平面反射镜，9-转像物镜，10-目镜分划板，11-目镜，12- DMD芯片，13-45°反射镜，14-投影物镜，15-液槽，16-CCD传感器，17-基准台，18-通孔，19-内调焦自准直望远镜，20-UV光源。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本发明进一步说明。

本实施例所采用的内调焦自准直望远镜的光学系统如图1所示，由光源1发出的光束，经过聚光镜2及反射棱镜3均匀地照明球面反射镜4，在球面反射镜4上镀以铝全反射膜，并于其上刻上一个十字形膜层，形成一个暗视场中亮的十字丝。当调焦物镜组5被调节在无穷远位置时，十字丝恰好位于物镜系统（由调焦物镜组5、物镜6组成）的组合焦面上。因而，由十字丝射出的光束通过物镜系统后以平行光射出，从反射面7（或欲测物）反射回来又通过物镜系统将十字丝的像成在球面反射镜的镀铝面上。通过平面反射镜8及转像物镜9，在目镜11的目镜分划板10上，可以观察到十字丝及其自准像的重合程度，并可从测微目镜的鼓轮上读出其不重合程度。调焦物镜组5可借助于调焦长螺母进牵引，使不同距离的目标均成像于球面反射镜上。

本发明实施的一个关于微纳尺寸（DLP）3D打印设备的光路精密装调的具体案例，具体光学参数如下：405nm波段的UV光机，分辨率为1280*800像素，DMD芯片大小为对角线长度是0.45英寸，单个微镜大小为7.65*7.65μm，加上横向放大率β=0.132的投影物镜，投影物镜焦平面单个像素尺寸为1μｍ*1μｍ。

光路调试的具体步骤如下：

步骤1

按照图2-4所示的装配图，分别粗略安装波长405nm的UV光源20（此处的光源是指设备本身的光源）、DMD芯片12、45°反射镜13、投影物镜14、液槽15和CCD传感器16。安装要求：使UV光源20发射的光束经过DMD芯片12反射后，进入45°反射镜13后垂直入射投影物镜14中心，投影物镜14的焦平面和液槽15中的液面重合，CCD传感器16位于投影物镜14正上方，利用投影物镜14像面反射，用于观察投影物镜14像面图案。

进一步的，可以设置一个如图2-8所示的基准台17，所述基准台17中部设有通孔18，UV光源20和DMD芯片12均安装在基准台17平面上，45°反射镜13设在通孔18上方，投影物镜14、液槽15设在基准台17下方，CCD传感器16设在基准台17上方，并且所述CCD传感器16、45°反射镜13、投影物镜14和液槽15从上到下排列。在这里，基准台17可以辅助安装，并起到了基准的作用。

此步骤调整的目的是，初步完成各基本元件的装配关系，即完成了基础的光路设计，方便后续采用内调焦自准直望远镜作为辅助工具进行反向调整。

步骤2

如图5所示，卸下45°反射镜13、投影物镜14，将内调焦自准直望远镜19的中心对准DMD芯片12的中心。

为了使内调焦自准直望远镜19处于合适的角度和位置，具体的操作是：1.调整调焦物镜组5的前后，利用内调焦自准直望远镜19的目镜分划板10读取DMD芯片12的成像，整体调整内调焦自准直望远镜19的左右和高低，使DMD芯片12处于目镜分划板10的中心。

2.之后移动调焦物镜组5使内调焦自准直望远镜19像方处于无穷远，此时内调焦自准直望远镜19出射的光束近似为平行光，调整内调焦自准直望远镜19的左右倾斜角度和上下俯仰角度，使DMD芯片12的反射十字和目镜分划板10原有十字重合。

3.反复调整DMD芯片12相对于内调焦自准直望远镜19的同轴度和垂直度，最终使内调焦自准直望远镜19处于合适的角度和位置，同事满足以下两个条件：a、内调焦自准直望远镜19像方处于无穷远时，DMD芯片12反射十字和目镜分划板10原有十字重合；b、调整调焦物镜组5，当内调焦自准直望远镜19的目镜分划板10可以清晰观察到DMD芯片12时，DMD芯片12成的像位于目镜分划板10中心。目镜分划板10中心有十字标靶，DMD芯片12为矩形，可以通过目镜11的鼓轮移动来判断中心位置。由于目镜11的鼓轮移动的单位值是10″，所以可以将垂直度调整到10″的精度。

此步骤调整的目的是，使内调焦自准直望远镜19和上述的各基本光学元件处于合适的角度和位置，可以利用内调焦望远镜19来反向调整光路中每个元件的位置和角度，由于内调焦自准直望远镜19对于光束的倾斜角度，通过目镜分划板10最小可以测试到10角秒（10″），因此具有很高的调整精度，非常适合于调整微纳尺寸3D打印设备的光路系统。

步骤3

步骤3-1

通过DLP系统投影一张图片，经过DMD芯片12反射后通过内调焦自准直望远镜19观察被投影的图片的像，通过被投影的图片的像和原图片对比，判断经过DMD芯片12反射后图片的均匀性。

进一步的，投影的图片的像素优选为与所述DMD芯片的像素相同，才能更好地反映出经过整个DMD芯片的微镜片反射后图片的均匀性。具体的操作如下：给DLP系统上电，投影一张DMD芯片12全幅面的图片，例如DMD芯片12为1280*800像素，则投影一张1280*800像素的图片，此时观察目镜分划板10上被投影的图片的像，通过被投影的图片的像和原图片对比，用于判断经过DMD芯片12反射后，整幅投影图片的均匀性，用于判断光束的均匀性和整个DMD芯片12的微镜片的反射率是否一致。

采用本步骤的技术方案，通过内调焦自准直望远镜19的辅助作用，检测DMD芯片12反射图案的照度均匀性，用于排查DMD芯片12的反射性能以及光源的照度均匀性。

步骤3-2

如图6所示，在液槽15中装入光敏树脂，安装45°反射镜13并调整45°反射镜13的俯仰，使液面和内调焦自准直望远镜19发出的平行光垂直（使液面的反射十字出现在目镜分划板10上，并且和原有十字重合，同样将液面和内调焦自准直望远镜19发出的平行光的垂直度调整至10″范围内。）从而使光路经过45°反射镜13后垂直入射液槽15中的液面，检测光路和液槽15中的液面的垂直度。

此步骤调整的目的是，通过内调焦自准直望远镜19自身的光学精度，可以严格检测光路和液槽15中的液面（即光敏树脂液面）的垂直度，以判断液面和投影物镜14焦平面的倾斜度，调整至10″以内。

步骤3-3

如图7所示，安装投影物镜14，通过内调焦自准直望远镜19检测并调整投影物镜14内部的每个透镜的倾斜度和同心度，从而检测并调整投影物镜14本身的倾斜度和同心度。

具体的操作是：1.安装投影物镜14，调整调焦物镜组5的前后，观察投影物镜14的每个透镜的反射十字，用于判断投影物镜14的每个透镜的倾斜和偏心的大小，通过反射十字和原有十字的距离可以测量每个透镜的倾斜和偏心，同时投影物镜14内部的孔径光阑将会在调焦物镜组5调整到某一个位置后，清晰地成像于目镜分划板10上，此时可以微调投影物镜14的前后和左右，使孔径光阑中心和目镜分划板10原十字重合。

2.之后再次判断每个透镜的反射十字和原有十字的偏差，并微调投影物镜14的俯仰，使投影物镜14的每个透镜投影的反射十字和原有十字的偏差调整到最小。

3.通过反复调整孔径光阑的同心度和各透镜的反射十字，最终达到以下目标：a、孔径光阑的中心和目镜分划板10原十字重合，偏移范围调整至100μm以内；b、投影物镜14每个透镜的反射十字均调整至最小，通过每个透镜的反射十字和原有十字的偏差，可以判断投影物镜14本身的倾斜和偏心是否符合设计要求。

此步骤调整的目的是，结合光路设计，检测投影物镜14内部的每个透镜的倾斜和偏心，倾斜度调整至10″以内，同心度100μm以内；严格判断DMD芯片12反射图案经过投影物镜14的同心度和倾斜度，倾斜度调整至10″以内，同心度100μm以内。

步骤3-4

如图8所示，将45°反射镜13沿投影物镜14的光轴转动180°，调整CCD传感器16芯片相对于内调焦自准直望远镜19的同心度和垂直度，使CCD传感器16垂直地观察投影物镜14焦平面的中心。

具体是操作是将45°反射镜13沿投影物镜14光轴转动180度，此时，调整调焦组5的前后，可将CCD传感器16芯片的图像清晰地呈现在内调焦自准直望远镜19的目镜分划板10上，调整CCD传感器16整体的左右和前后，使CCD传感器16芯片的中心和目镜分划板10原有十字重合。同时在内调焦自准直望远镜19的物方处于无穷远时，CCD传感器16芯片的反射十字会出现在目镜分划板10上，微调CCD传感器16的整体俯仰，使CCD传感器16芯片的反射十字和原有十字重合。

此步骤调整的目的是为了使CCD传感器16垂直地观察投影物镜14焦平面的中心。反复调整CCD传感器16芯片相对于内调焦自准直望远镜19的同心度和垂直度，使垂直度到达10″范围内，同心度调整到100μm以内。

步骤4

通过以上所有步骤的精密装调，确认每一步调整无误后，该光路系统的精度可以满足微纳尺寸3D打印系统精度的要求，之后固定DMD芯片12、45°反射镜13、投影物镜14、液槽15和CCD传感器16之间的相对位置关系，调整完成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微纳尺寸3D打印设备的光路精密装调方法，其特征在于，包括以下操作步骤：

S1，分别粗略安装光源、DMD芯片、45°反射镜、投影物镜、液槽和CCD传感器，使光源发射的光束经过DMD芯片反射后，进入45°反射镜后垂直入射投影物镜中心，投影物镜的焦平面和液槽中的液面重合，CCD传感器位于投影物镜正上方，利用投影物镜像面反射，用于观察投影物镜像面图案；

S2，将内调焦自准直望远镜的中心对准DMD芯片的中心；

S 3，通过内调焦自准直望远镜反向调整DMD芯片、45°反射镜、投影物镜、液槽和CCD传感器之间的相对位置关系；

S4，固定DMD芯片、45°反射镜、投影物镜、液槽和CCD传感器之间的相对位置关系。

2.根据权利要求1所述的微纳尺寸3D打印设备的光路精密装调方法，其特征在于，所述S1中，还包括一个基准台，所述基准台中部设有通孔，所述光源和DMD芯片均安装在所述基准台平面上，所述45°反射镜设在所述通孔上方，所述投影物镜、液槽设在所述基准台下方，所述CCD传感器设在所述基准台上方，并且所述CCD传感器、45°反射镜、投影物镜和液槽从上到下排列。

3.根据权利要求1所述的微纳尺寸3D打印设备的光路精密装调方法，其特征在于，所述S2具体包括：卸下45°反射镜、投影物镜，将内调焦自准直望远镜的中心对准DMD芯片的中心，调整DMD芯片的位置，使内调焦自准直望远镜处于适合观察的角度和位置。

4.根据权利要求1所述的微纳尺寸3D打印设备的光路精密装调方法，其特征在于，所述S3具体包括：

S3-1，通过DLP系统投影一张图片，经过DMD芯片反射后通过内调焦自准直望远镜观察被投影的图片的像，通过被投影的图片的像和原图片对比，判断经过DMD芯片反射后图片的均匀性；

S3-2，在液槽中装入光敏树脂，安装45°反射镜并调整45°反射镜的俯仰，使液面和内调焦自准直望远镜发出的平行光垂直，从而使光路经过45°反射镜后垂直入射液槽中的液面，检测光路和液槽中的液面的垂直度；

S3-3，安装投影物镜，通过内调焦自准直望远镜检测并调整投影物镜内部的每个透镜的倾斜度和同心度，从而检测并调整投影物镜本身的倾斜度和同心度；

S3-4，将45°反射镜沿投影物镜的光轴转动180°，调整CCD传感器芯片相对于内调焦自准直望远镜的同心度和垂直度，使CCD传感器垂直地观察投影物镜焦平面的中心。

5.根据权利要求3所述的微纳尺寸3D打印设备的光路精密装调方法，其特征在于，反复调整DMD芯片相对于内调焦自准直望远镜的垂直度并控制在10″精度以内。

6.根据权利要求4所述的微纳尺寸3D打印设备的光路精密装调方法，其特征在于，所述S3-1中，所述图片的像素与所述DMD芯片的像素相同。

7.根据权利要求4所述的微纳尺寸3D打印设备的光路精密装调方法，其特征在于，在所述S3-2中，通过检测光路和液槽中的液面的垂直度，以判断液面和投影物镜焦平面的倾斜度，并调整至10″精度以内。

8.根据权利要求4所述的微纳尺寸3D打印设备的光路精密装调方法，其特征在于，在所述S3-3中，所述投影物镜内部每个透镜的倾斜度控制在10″精度以内，同心度控制在100μm精度以内。