CN108466427A - 一种光固化3d打印光学模块及光固化3d打印系统 - Google Patents

一种光固化3d打印光学模块及光固化3d打印系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光固化3D打印光学模块包括液晶屏组件和背光组件，所述背光组件包括中空的遮光罩，所述遮光罩一端设有LED光源，另一端设有集光组件，所述遮光罩内LED光源和集光组件之间设有导光组件，所述LED光源与一散热组件相连，所述集光组件和导光组件通过支撑组件固定在遮光罩内壁上，所述遮光罩的集光组件所在端与所述液晶屏组件相连，所述LED光源为m*n个LED(m、n均为大于等于1的正整数)均匀排布的LED阵列，所述集光组件为光轴与LED阵列中LED光轴一一对应的菲涅耳透镜阵列。解决了现有LCD‑3D打印光学模块及系统光打印均一性差、利用率低、能耗高、寿命短的问题。

Description

一种光固化3D打印光学模块及光固化3D打印系统
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种光固化3D打印光学模块及光固化3D打印系统。
背景技术
3D打印又称增材制造，是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印技术发展至今，已出现多种不同的制造技术。其中有代表性的有：原材料为光敏树脂的光固化成型技术(stereo lithography apparatus，SLA)、原材料为热熔型树脂的熔融沉积制造技术(fused deposition modeling，FDM)、原材料为非金属粉末的选区激光烧结技术(selective laser sitering，SLS)和原材料为金属粉末的选区激光熔化技术(selectivelaser melting，SLM)。其中光固化技术发展最早、最为成熟。从最初使用激光振镜扫描技术实现光固化成型、逐步发展出利用数字光处理(digital light processing，DLP)技术和液晶显示(liquid crystal display，LCD)新型光固化技术。液晶显示光固化技术既有DLP光固化技术的高分辨率、单层固化时间短的特点，同时由于其没有机械震动，又避免了数字微镜工作中由于镜片偏转误差造成的问题。同时液晶显示技术发展成熟，分辨率高，成本低、易于集成，是一种具有广泛应用前景和应用价值的光固化技术。
虽然LCD光固化技术有着诸多优点，但是目前市面上流通的液晶显示屏并非针对3D打印专门设计，使用起来存在光利用效率低、导致固化所用的光源功率高、发热量大，不利于集成。而且由于强紫外线会打断长链液晶分子的化学键，发生裂解，导致分子排列变差，因此紫外吸收会影响液晶器件的光稳定性和使用寿命。此外强紫外照射还会使液晶器件表现出电阻率下降，功耗增大；长时间照射会使其阈值下降、功耗增加，表现出颜色变黄，清亮点下降、屏幕变暗发黑等现象，从而降低液晶显示屏性能。因此很有必要在不牺牲的3D打印光固化性能的同时，降低液晶显示器件所消耗的紫外光能量。这也是LCD-3D打印技术走向普及要攻克的重点之一。
如图1和图2所示，一种常见的现有LCD-3D打印光学模块及系统结构，包括打印组件100，其中101是光敏树脂槽、102打印平台运动结构组件、103光固化材料即光敏树脂；液晶显示屏200，包括第一基板201、第二基板207、阵列基板多层膜202、彩色滤光片(colorfilter，CF，参见图2)基板多层膜206、第一配向层203、第二配向层205。液晶材料204被封装在第一基板201与第二基板207之间。虽然图1中未画出，但液晶屏组件200还包括用于液晶材料封装的周边封框胶以及用于控制液晶盒厚的间隙子(隔离物)、配套驱动板等。背光组件300包括散热部件301、光源302、导光部303。现有技术虽然可以实现光固化效果，但一方面采用单颗光源会使得液晶屏光照不均匀，导致光固化不均匀；另一方面受限于彩色滤光片对波长的选择性，其光固化并不理想，通常仅能在打印平台中心位置附近取得较好的效果，而且紫外光能耗较高，液晶屏容易老化减少使用寿命。
发明内容
鉴于目前存在的上述不足，本发明提供一种光固化3D打印光学模块及光固化3D打印系统，能够解决现有LCD-3D打印光学模块及系统光打印均一性差、利用率低、能耗高、寿命短的问题。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一种光固化3D打印光学模块，所述光固化3D打印光学模块包括液晶屏组件和背光组件，所述背光组件包括中空的遮光罩，所述遮光罩一端设有LED光源，另一端设有集光组件，所述遮光罩内LED光源和集光组件之间设有导光组件，所述LED光源与一散热组件相连，所述集光组件和导光组件通过支撑组件固定在遮光罩内壁上，所述遮光罩的集光组件所在端与所述液晶屏组件相连，所述LED光源为m*n个LED(m、n均为大于等于1的正整数)均匀排布的LED阵列，所述集光组件为光轴与LED阵列中LED光轴一一对应的菲涅耳透镜阵列。
依照本发明的一个方面，所述液晶屏组件包括下表面的第一基板、上表面的第二基板和液晶材料，所述第一基板和第二基板之间设有阵列基板多层膜、第一配向层和第二配向层，所述液晶材料被封装在第一基板与第二基板之间，所述第一基板与所述遮光罩的集光组件所在端相连。
依照本发明的一个方面，所述液晶屏组件包括用于液晶材料封装的周边封框胶以及用于控制液晶盒厚的隔离物。
依照本发明的一个方面，所述菲涅耳透镜的光轴与其对应的LED光轴同轴。
依照本发明的一个方面，所述遮光罩内壁上设有反射涂层。
依照本发明的一个方面，所述导光组件为扩散板。
依照本发明的一个方面，所述第一基板下表面与所述集光组件下表面之间的距离d1为尽可能小，所述集光组件下表面与所述导光组件下表面之间的距离d2大于等于菲涅耳透镜的焦距，所述LED光源下表面与所述导光组件下表面之间的距离d3的大小依据LED光源阵列间距及LED光源的发光角度适当选取。
依照本发明的一个方面，所述LED光源为能使光固化材料固化的紫外光源。
一种光固化3D打印系统，所述光固化3D打印系统包括光固化3D打印光学模块和打印组件，所述光固化3D打印光学模块包括液晶屏组件和背光组件，所述背光组件包括中空的遮光罩，所述遮光罩一端设有LED光源，另一端设有集光组件，所述遮光罩内LED光源和集光组件之间设有导光组件，所述LED光源与一散热组件相连，所述集光组件和导光组件通过支撑组件固定在遮光罩内壁上，所述遮光罩的集光组件所在端与所述液晶屏组件相连，所述LED光源为m*n个LED(m、n均为大于等于1的正整数)均匀排布的LED阵列，所述集光组件为光轴与LED阵列中LED光轴一一对应的菲涅耳透镜阵列，所述液晶屏组件包括下表面的第一基板、上表面的第二基板和液晶材料，所述第一基板和第二基板之间设有阵列基板多层膜、第一配向层和第二配向层，所述液晶材料被封装在第一基板与第二基板之间，所述第一基板与所述遮光罩的集光组件所在端相连，所述打印组件包括光固化材料槽、打印平台运动结构组件和光固化材料。
依照本发明的一个方面，所述菲涅耳透镜的光轴与其对应的LED光轴同轴，所述遮光罩内壁上设有反射涂层，所述导光组件为扩散板，所述第一基板下表面与所述集光组件下表面之间的距离d1为尽可能小，所述集光组件下表面与所述导光组件下表面之间的距离d2大于等于菲涅耳透镜的焦距，所述LED光源下表面与所述导光组件下表面之间的距离d3的大小依据LED光源阵列间距及LED光源的发光角度适当选取，所述LED光源为能使光固化材料固化的紫外光源。
本发明实施的优点：本发明所述的光固化3D打印光学模块包括液晶屏组件和背光组件，所述背光组件包括中空的遮光罩，所述遮光罩一端设有LED光源，另一端设有集光组件，所述遮光罩内LED光源和集光组件之间设有导光组件，所述LED光源与一散热组件相连，所述集光组件和导光组件通过支撑组件固定在遮光罩内壁上，所述遮光罩的集光组件所在端与所述液晶屏组件相连，所述LED光源为m*n个LED(m、n均为大于等于1的正整数)均匀排布的LED阵列，所述集光组件为光轴与LED阵列中LED光轴一一对应的菲涅耳透镜阵列。通过改良现有技术背光源架构采用阵列直下式紫外LED光源系统搭配多中心菲涅耳透镜及扩散板导光组件实现了高均一性、高准直性的平衡。可搭配高分辨率黑白液晶屏做成光固化3D打印光模块引擎，对光敏树脂等光固化材料进行快速整面高精度曝光固化。降低了使用的紫外光源的光功率、减少了能耗，增强了LCD-3D打印机的可靠性并延长了LCD-3D打印机的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的现有LCD-3D打印系统的结构示意图；
图2为本发明所述的现有LCD-3D打印系统的滤光片结构示意图；
图3为本发明实施例一所述的一种光固化3D打印光学模块结构示意图；
图4为本发明实施例二所述的一种光固化3D打印光学模块结构示意图；
图5为本发明实施例三所述的一种光固化3D打印光学模块结构示意图；
图6为本发明实施例四所述的一种光固化3D打印系统结构示意图；
图7为本发明实施例五所述的一种光固化3D打印系统结构示意图；
图8为本发明实施例六所述的一种光固化3D打印系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图3所示，一种光固化3D打印光学模块，所述光固化3D打印光学模块包括液晶屏组件200和背光组件300，所述背光组件300包括中空的遮光罩303，所述遮光罩303一端设有LED光源302，另一端设有集光组件305，所述遮光罩303内LED光源302和集光组件305之间设有导光组件304，所述LED光源302与一散热组件301相连，所述集光组件305和导光组件304通过支撑组件306固定在遮光罩303内壁上，所述遮光罩303的集光组件305所在端与所述液晶屏组件200相连，所述LED光源302为m*n个LED(m、n均为大于等于1的正整数)均匀排布的LED阵列，所述集光组件305为光轴与LED阵列中LED光轴一一对应的菲涅耳透镜阵列。由LED光源302LED阵列发出光固化所需要波长的光，光线发出后先经过导光组件304进行扩散融合混光，然后再经过集光组件菲涅耳透镜阵列组进行向垂直于液晶屏的轴心光取向，提升出射光的方向性。液晶屏组件，其每个像素是由TFT驱动的，且不含彩色滤光片，相对于含有彩色滤光片的液晶屏，采用不含彩色滤光片的液晶屏组件由于没有红绿蓝子像素的概念的存在，因此据此点缘由，即可以提升光利用效率。
在实际应用中，所述液晶屏组件200包括下表面的第一基板201、上表面的第二基板207和液晶材料204，所述第一基板201(含下偏光片)和第二基板207(含上偏光片)之间设有阵列基板多层膜202、第一配向层203和第二配向层205，所述液晶材料204被封装在第一基板201与第二基板207之间，所述第一基板201与所述遮光罩303的集光组件305所在端相连。所述液晶屏组件的具体实现方式从本申请人在先申请过的专利中所公开的技术可见。LCD液晶显示屏包括但不限于TFT驱动的彩色液晶显示屏和不带彩膜的黑白液晶显示屏，不限定于是哪种显示模式，目前常见的液晶屏显示模式包括但不限于TN(扭曲向列)模式、IPS(面内旋转)模式、VA(垂直配向)模式等。
在实际应用中，所述液晶屏组件包括用于液晶材料封装的周边封框胶以及用于控制液晶盒厚的隔离物，图中未画出。
在实际应用中，背光源组件中的集光组件305是与阵列直下式紫外LED光源系统搭配的多中心菲涅耳透镜，同LED光源一样呈阵列式排布，每个菲涅耳透镜的光轴与LED阵列中一颗LED的光轴，存在一一对应关系，较佳的情况是二者同轴。
在实际应用中，所述遮光罩内壁上设有反射涂层。所述遮光罩可为金属材料制成。进一步的，可为镀锌钢板材料制成。
在实际应用中，所述导光组件为扩散板。所述扩散板可以为亚克力(PMMA)、PC、CR39等有机玻璃。其具有扩散混光功能。
在实际应用中，所述第一基板201下表面与所述集光组件305下表面之间的距离d1为尽可能小，所述集光组件305下表面与所述导光组件304下表面之间的距离d2大于等于菲涅耳透镜的焦距，所述LED光源302下表面与所述导光组件304下表面之间的距离d3的大小依据LED光源阵列间距及LED光源的发光角度适当选取。
所述LED光源为直下式LED阵列背光源，发光体是紫外LED光源，包括各种封装的紫外LED，可以是顶发光LED也可以是边发光LED。优选的紫外LED光源波长为405-420nm。
实施例二
如图4所示，一种光固化3D打印光学模块，所述光固化3D打印光学模块包括液晶屏组件200和背光组件300，所述背光组件300包括中空的遮光罩303，所述遮光罩303一端设有LED光源302，另一端设有集光组件305，所述遮光罩303内LED光源302和集光组件305之间设有导光组件304，所述LED光源302与一散热组件301相连，所述集光组件305和导光组件304通过支撑组件固定在遮光罩303内壁上，所述遮光罩303的集光组件305所在端与所述液晶屏组件200相连，所述LED光源302为2*2个LED均匀排布的LED阵列，所述集光组件305为光轴与LED阵列中LED光轴一一对应的2*2个菲涅耳透镜阵列。
所述液晶屏组件200包括下表面的第一基板201、上表面的第二基板207和液晶材料204，所述第一基板201(含下偏光片)和第二基板207(含上偏光片)之间设有阵列基板多层膜202、第一配向层203和第二配向层205，所述液晶材料204被封装在第一基板201与第二基板207之间，所述第一基板201与所述遮光罩303的集光组件305所在端相连。所述液晶屏组件的具体实现方式从本申请人在先申请过的专利中所公开的技术可见。液晶的显示模式是TN(扭曲向列)模式，液晶屏组件中并不含有彩色滤光片。液晶屏尺寸和分辨率选用10.1寸1920*1080分辨率。
所述液晶屏组件包括用于液晶材料封装的周边封框胶以及用于控制液晶盒厚的隔离物，图中未画出。
背光源组件中的集光组件305是与阵列直下式紫外LED光源系统搭配的多中心菲涅耳透镜，同LED光源一样呈阵列式排布，每个菲涅耳透镜的光轴与LED阵列中一颗LED的光轴，存在一一对应关系，较佳的情况是二者同轴。
所述遮光罩内壁上设有反射涂层。所述遮光罩可为金属材料制成。进一步的，可为镀锌钢板材料制成。
在实际应用中，所述导光组件为扩散板。所述扩散板为PMMA材质制作的扩散板。
在实际应用中，所述第一基板201下表面与所述集光组件305下表面之间的距离d1为尽可能小，所述集光组件305下表面与所述导光组件304下表面之间的距离d2大于等于菲涅耳透镜的焦距，所述LED光源302下表面与所述导光组件304下表面之间的距离d3的大小依据LED光源阵列间距及LED光源的发光角度适当选取。
所述LED光源为直下式LED阵列背光源，发光体是紫外LED光源，包括各种封装的紫外LED，可以是顶发光LED也可以是边发光LED。其中LED光源是能够使LCD-3D光固化打印机所使用的光敏树脂固化的405nm紫外光源。
其工作原理为：由光源LED阵列发出光固化所需要405nm波长的光，光线发出后先经过导光组件进行扩散融合混光，然后再经过集光组件菲涅耳透镜阵列组进行向垂直于液晶屏的轴心光取向，提升出射光的方向性。液晶屏组件200，其每个像素是由TFT驱动的，且不含彩色滤光片，相对于含有彩色滤光片的液晶屏，采用不含彩色滤光片的液晶屏组件由于没有红绿蓝子像素的概念的存在，因此据此点缘由，即可以提升光利用效率。
实施例三
如图5所示，一种光固化3D打印光学模块，所述光固化3D打印光学模块包括液晶屏组件200和背光组件300，所述背光组件300包括中空的遮光罩303，所述遮光罩303一端设有LED光源302，另一端设有集光组件305，所述遮光罩303内LED光源302和集光组件305之间设有导光组件304，所述LED光源302与一散热组件301相连，所述集光组件305和导光组件304通过支撑组件固定在遮光罩303内壁上，所述遮光罩303的集光组件305所在端与所述液晶屏组件200相连，所述LED光源302为3*2个LED均匀排布的LED阵列，所述集光组件305为光轴与LED阵列中LED光轴一一对应的3*2个菲涅耳透镜阵列。
所述液晶屏组件200包括下表面的第一基板201、上表面的第二基板207和液晶材料204，所述第一基板201(含下偏光片)和第二基板207(含上偏光片)之间设有阵列基板多层膜202、第一配向层203和第二配向层205，所述液晶材料204被封装在第一基板201与第二基板207之间，所述第一基板201与所述遮光罩303的集光组件305所在端相连。所述液晶屏组件的具体实现方式从本申请人在先申请过的专利中所公开的技术可见。液晶的显示模式是IPS(面内旋转)模式，液晶屏组件中并不含有彩色滤光片。液晶屏尺寸和分辨率选用5.7寸2560*1440分辨率。
所述液晶屏组件包括用于液晶材料封装的周边封框胶以及用于控制液晶盒厚的隔离物，图中未画出。
背光源组件中的集光组件305是与阵列直下式紫外LED光源系统搭配的多中心菲涅耳透镜，同LED光源一样呈阵列式排布，每个菲涅耳透镜的光轴与LED阵列中一颗LED的光轴，存在一一对应关系，较佳的情况是二者同轴。
所述遮光罩内壁上设有反射涂层。所述遮光罩可为金属材料制成。进一步的，可为镀锌钢板材料制成。
在实际应用中，所述导光组件为扩散板。所述扩散板为以PC材质制作的扩散板。
在实际应用中，所述第一基板201下表面与所述集光组件305下表面之间的距离d1为尽可能小，所述集光组件305下表面与所述导光组件304下表面之间的距离d2大于等于菲涅耳透镜的焦距，所述LED光源302下表面与所述导光组件304下表面之间的距离d3的大小依据LED光源阵列间距及LED光源的发光角度适当选取。
所述LED光源为直下式LED阵列背光源，发光体是紫外LED光源，包括各种封装的紫外LED，可以是顶发光LED也可以是边发光LED。其中LED光源是能够使LCD-3D光固化打印机所使用的光敏树脂固化的415nm紫外光源。
其工作原理为：由光源LED阵列发出光固化所需要415nm波长的光，光线发出后先经过导光组件进行扩散融合混光，然后再经过集光组件菲涅耳透镜阵列组进行向垂直于液晶屏的轴心光取向，提升出射光的方向性。液晶屏组件，其每个像素是由TFT驱动的，且不含彩色滤光片，相对于含有彩色滤光片的液晶屏，采用不含彩色滤光片的液晶屏组件由于没有红绿蓝子像素的概念的存在，因此据此点缘由，即可以提升光利用效率。
实施例四
如图6所示，一种光固化3D打印系统，所述光固化3D打印系统包括光固化3D打印光学模块和打印组件100，所述打印组件100包括光固化材料槽101、打印平台运动结构组件102和光固化材料103，所述光固化3D打印光学模块包括液晶屏组件200和背光组件300，所述背光组件300包括中空的遮光罩303，所述遮光罩303一端设有LED光源302，另一端设有集光组件305，所述遮光罩303内LED光源302和集光组件305之间设有导光组件304，所述LED光源302与一散热组件301相连，所述集光组件305和导光组件304通过支撑组件306固定在遮光罩303内壁上，所述遮光罩303的集光组件305所在端与所述液晶屏组件200相连，所述LED光源302为m*n个LED(m、n均为大于等于1的正整数)均匀排布的LED阵列，所述集光组件305为光轴与LED阵列中LED光轴一一对应的菲涅耳透镜阵列。所述光固化材料槽101为光敏树脂槽，所述光固化材料一般为光敏树脂材料。由LED光源302LED阵列发出光固化所需要波长的光，光线发出后先经过导光组件304进行扩散融合混光，然后再经过集光组件菲涅耳透镜阵列组进行向垂直于液晶屏的轴心光取向，提升出射光的方向性。最后经液晶屏照射到待固化的光敏树脂材料上，每一层固化完成后，打印平台运动结构组件会向上抬起，光敏树脂重新添满打印平台下方，打印平台再次下降到一层的高度再次开启光源组件并打开液晶屏进行光固化，依次循环固化每一层，实现光固化3D打印。液晶屏组件，其每个像素是由TFT驱动的，且不含彩色滤光片，相对于含有彩色滤光片的液晶屏，采用不含彩色滤光片的液晶屏组件由于没有红绿蓝子像素的概念的存在，因此据此点缘由，即可以提升光利用效率。
在实际应用中，所述液晶屏组件200包括下表面的第一基板201、上表面的第二基板207和液晶材料204，所述第一基板201(含下偏光片)和第二基板207(含上偏光片)之间设有阵列基板多层膜202、第一配向层203和第二配向层205，所述液晶材料204被封装在第一基板201与第二基板207之间，所述第一基板201与所述遮光罩303的集光组件305所在端相连。所述液晶屏组件的具体实现方式从本申请人在先申请过的专利中所公开的技术可见。LCD液晶显示屏包括但不限于TFT驱动的彩色液晶显示屏和不带彩膜的黑白液晶显示屏，不限定于是哪种显示模式，目前常见的液晶屏显示模式包括但不限于TN(扭曲向列)模式、IPS(面内旋转)模式、VA(垂直配向)模式等。打印组件的尺寸与液晶显示屏的尺寸保持一致。
在实际应用中，所述液晶屏组件包括用于液晶材料封装的周边封框胶以及用于控制液晶盒厚的隔离物，图中未画出。
在实际应用中，背光源组件中的集光组件305是与阵列直下式紫外LED光源系统搭配的多中心菲涅耳透镜，同LED光源一样呈阵列式排布，每个菲涅耳透镜的光轴与LED阵列中一颗LED的光轴，存在一一对应关系，较佳的情况是二者同轴。
在实际应用中，所述遮光罩内壁上设有反射涂层。所述遮光罩可为金属材料制成。进一步的，可为镀锌钢板材料制成。
在实际应用中，所述导光组件为扩散板。所述扩散板可以为亚克力(PMMA)、PC、CR39等有机玻璃。其具有扩散混光功能。
在实际应用中，所述第一基板201下表面与所述集光组件305下表面之间的距离d1为尽可能小，所述集光组件305下表面与所述导光组件304下表面之间的距离d2大于等于菲涅耳透镜的焦距，所述LED光源302下表面与所述导光组件304下表面之间的距离d3的大小依据LED光源阵列间距及LED光源的发光角度适当选取。
所述LED光源为直下式LED阵列背光源，发光体是紫外LED光源，包括各种封装的紫外LED，可以是顶发光LED也可以是边发光LED。优选的紫外LED光源波长为405-420nm。
实施例五
如图7所示，一种光固化3D打印系统，所述光固化3D打印系统包括光固化3D打印光学模块和打印组件100，所述打印组件100包括光固化材料槽101、打印平台运动结构组件102和光固化材料103，所述光固化3D打印光学模块包括液晶屏组件200和背光组件300，所述背光组件300包括中空的遮光罩303，所述遮光罩303一端设有LED光源302，另一端设有集光组件305，所述遮光罩303内LED光源302和集光组件305之间设有导光组件304，所述LED光源302与一散热组件301相连，所述集光组件305和导光组件304通过支撑组件固定在遮光罩303内壁上，所述遮光罩303的集光组件305所在端与所述液晶屏组件200相连，所述LED光源302为2*2个LED均匀排布的LED阵列，所述集光组件305为光轴与LED阵列中LED光轴一一对应的2*2个菲涅耳透镜阵列。所述光固化材料槽101为光敏树脂槽，所述光固化材料一般为光敏树脂材料。
在实际应用中，所述液晶屏组件200包括下表面的第一基板201、上表面的第二基板207和液晶材料204，所述第一基板201(含下偏光片)和第二基板207(含上偏光片)之间设有阵列基板多层膜202、第一配向层203和第二配向层205，所述液晶材料204被封装在第一基板201与第二基板207之间，所述第一基板201与所述遮光罩303的集光组件305所在端相连。所述液晶屏组件的具体实现方式从本申请人在先申请过的专利中所公开的技术可见。液晶的显示模式是TN(扭曲向列)模式，液晶屏组件中并不含有彩色滤光片。液晶屏尺寸和分辨率选用10.1寸1920*1080分辨率。打印组件的尺寸、打印平台的尺寸与该液晶屏尺寸配套。
在实际应用中，所述液晶屏组件包括用于液晶材料封装的周边封框胶以及用于控制液晶盒厚的隔离物，图中未画出。
在实际应用中，背光源组件中的集光组件305是与阵列直下式紫外LED光源系统搭配的多中心菲涅耳透镜，同LED光源一样呈阵列式排布，每个菲涅耳透镜的光轴与LED阵列中一颗LED的光轴，存在一一对应关系，较佳的情况是二者同轴。
在实际应用中，所述遮光罩内壁上设有反射涂层。所述遮光罩可为金属材料制成。进一步的，可为镀锌钢板材料制成。
在实际应用中，所述导光组件为扩散板。所述扩散板为PMMA材质制作的扩散板。
在实际应用中，所述第一基板201下表面与所述集光组件305下表面之间的距离d1为尽可能小，所述集光组件305下表面与所述导光组件304下表面之间的距离d2大于等于菲涅耳透镜的焦距，所述LED光源302下表面与所述导光组件304下表面之间的距离d3的大小依据LED光源阵列间距及LED光源的发光角度适当选取。
所述LED光源为直下式LED阵列背光源，发光体是紫外LED光源，包括各种封装的紫外LED，可以是顶发光LED也可以是边发光LED。其中LED光源是能够使LCD-3D光固化打印机所使用的光敏树脂固化的405nm紫外光源。
其工作原理为：由LED光源LED阵列发出光固化所需要的405nm波长的光，光线发出后先经过导光组件进行扩散融合混光，然后再经过集光组件菲涅耳透镜阵列组进行向垂直于液晶屏的轴心光取向，提升出射光的方向性。最后经液晶屏照射到待固化的光敏树脂材料上，每一层固化完成后，打印平台运动结构组件会向上抬起，光敏树脂重新添满打印平台下方，打印平台再次下降到一层的高度再次开启光源组件并打开液晶屏进行光固化，依次循环固化每一层，实现光固化3D打印。液晶屏组件，其每个像素是由TFT驱动的，且不含彩色滤光片，相对于含有彩色滤光片的液晶屏，采用不含彩色滤光片的液晶屏组件由于没有红绿蓝子像素的概念的存在，因此据此点缘由，即可以提升光利用效率。
实施例六
如图8所示，一种光固化3D打印系统，所述光固化3D打印系统包括光固化3D打印光学模块和打印组件100，所述打印组件100包括光固化材料槽101、打印平台运动结构组件102和光固化材料103，所述光固化3D打印光学模块包括液晶屏组件200和背光组件300，所述背光组件300包括中空的遮光罩303，所述遮光罩303一端设有LED光源302，另一端设有集光组件305，所述遮光罩303内LED光源302和集光组件305之间设有导光组件304，所述LED光源302与一散热组件301相连，所述集光组件305和导光组件304通过支撑组件固定在遮光罩303内壁上，所述遮光罩303的集光组件305所在端与所述液晶屏组件200相连，所述LED光源302为3*2个LED均匀排布的LED阵列，所述集光组件305为光轴与LED阵列中LED光轴一一对应的3*2个菲涅耳透镜阵列。所述光固化材料槽101为光敏树脂槽，所述光固化材料一般为光敏树脂材料。
在实际应用中，所述液晶屏组件200包括下表面的第一基板201、上表面的第二基板207和液晶材料204，所述第一基板201(含下偏光片)和第二基板207(含上偏光片)之间设有阵列基板多层膜202、第一配向层203和第二配向层205，所述液晶材料204被封装在第一基板201与第二基板207之间，所述第一基板201与所述遮光罩303的集光组件305所在端相连。所述液晶屏组件的具体实现方式从本申请人在先申请过的专利中所公开的技术可见。液晶的显示模式是IPS(面内旋转)模式，液晶屏组件中并不含有彩色滤光片。液晶屏尺寸和分辨率选用5.7寸2560*1440分辨率。打印组件的尺寸、打印平台的尺寸与该液晶屏尺寸配套。
在实际应用中，所述液晶屏组件包括用于液晶材料封装的周边封框胶以及用于控制液晶盒厚的隔离物，图中未画出。
在实际应用中，背光源组件中的集光组件305是与阵列直下式紫外LED光源系统搭配的多中心菲涅耳透镜，同LED光源一样呈阵列式排布，每个菲涅耳透镜的光轴与LED阵列中一颗LED的光轴，存在一一对应关系，较佳的情况是二者同轴。
在实际应用中，所述遮光罩内壁上设有反射涂层。所述遮光罩可为金属材料制成。进一步的，可为镀锌钢板材料制成。
在实际应用中，所述导光组件为扩散板。所述扩散板为PC材质制作的扩散板。
在实际应用中，所述第一基板201下表面与所述集光组件305下表面之间的距离d1为尽可能小，所述集光组件305下表面与所述导光组件304下表面之间的距离d2大于等于菲涅耳透镜的焦距，所述LED光源302下表面与所述导光组件304下表面之间的距离d3的大小依据LED光源阵列间距及LED光源的发光角度适当选取。
所述LED光源为直下式LED阵列背光源，发光体是紫外LED光源，包括各种封装的紫外LED，可以是顶发光LED也可以是边发光LED。其中LED光源是能够使LCD-3D光固化打印机所使用的光敏树脂固化的415nm紫外光源。
其工作原理为：由LED光源LED阵列发出光固化所需要的415nm波长的光，光线发出后先经过导光组件进行扩散融合混光，然后再经过集光组件菲涅耳透镜阵列组进行向垂直于液晶屏的轴心光取向，提升出射光的方向性。最后经液晶屏照射到待固化的光敏树脂材料上，每一层固化完成后，打印平台运动结构组件会向上抬起，光敏树脂重新添满打印平台下方，打印平台再次下降到一层的高度再次开启光源组件并打开液晶屏进行光固化，依次循环固化每一层，实现光固化3D打印。液晶屏组件，其每个像素是由TFT驱动的，且不含彩色滤光片，相对于含有彩色滤光片的液晶屏，采用不含彩色滤光片的液晶屏组件由于没有红绿蓝子像素的概念的存在，因此据此点缘由，即可以提升光利用效率。
本发明实施的优点：本发明所述的光固化3D打印光学模块包括液晶屏组件和背光组件，所述背光组件包括中空的遮光罩，所述遮光罩一端设有LED光源，另一端设有集光组件，所述遮光罩内LED光源和集光组件之间设有导光组件，所述LED光源与一散热组件相连，所述集光组件和导光组件通过支撑组件固定在遮光罩内壁上，所述遮光罩的集光组件所在端与所述液晶屏组件相连，所述LED光源为m*n个LED(m、n均为大于等于1的正整数)均匀排布的LED阵列，所述集光组件为光轴与LED阵列中LED光轴一一对应的菲涅耳透镜阵列。通过改良现有技术背光源架构采用阵列直下式紫外LED光源系统搭配多中心菲涅耳透镜及扩散板导光组件实现了高均一性、高准直性的平衡。可搭配高分辨率黑白液晶屏做成光固化3D打印光模块引擎，对光敏树脂等光固化材料进行快速整面高精度曝光固化。降低了使用的紫外光源的光功率、减少了能耗，增强了LCD-3D打印机的可靠性并延长了LCD-3D打印机的使用寿命。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光固化3D打印光学模块，其特征在于，所述光固化3D打印光学模块包括液晶屏组件和背光组件，所述背光组件包括中空的遮光罩，所述遮光罩一端设有LED光源，另一端设有集光组件，所述遮光罩内LED光源和集光组件之间设有导光组件，所述LED光源与一散热组件相连，所述集光组件和导光组件通过支撑组件固定在遮光罩内壁上，所述遮光罩的集光组件所在端与所述液晶屏组件相连，所述LED光源为m*n个LED(m、n均为大于等于1的正整数)均匀排布的LED阵列，所述集光组件为光轴与LED阵列中LED光轴一一对应的菲涅耳透镜阵列。
2.根据权利要求1所述的光固化3D打印光学模块，其特征在于，所述液晶屏组件包括下表面的第一基板、上表面的第二基板和液晶材料，所述第一基板和第二基板之间设有阵列基板多层膜、第一配向层和第二配向层，所述液晶材料被封装在第一基板与第二基板之间，所述第一基板与所述遮光罩的集光组件所在端相连。
3.根据权利要求2所述的光固化3D打印光学模块，其特征在于，所述液晶屏组件包括用于液晶材料封装的周边封框胶以及用于控制液晶盒厚的隔离物。
4.根据权利要求1所述的光固化3D打印光学模块，其特征在于，所述菲涅耳透镜的光轴与其对应的LED光轴同轴。
5.根据权利要求1所述的光固化3D打印光学模块，其特征在于，所述遮光罩内壁上设有反射涂层。
6.根据权利要求1所述的光固化3D打印光学模块，其特征在于，所述导光组件为扩散板。
7.根据权利要求2至6之一所述的光固化3D打印光学模块，其特征在于，所述第一基板下表面与所述集光组件下表面之间的距离d1为尽可能小，所述集光组件下表面与所述导光组件下表面之间的距离d2大于等于菲涅耳透镜的焦距，所述LED光源下表面与所述导光组件下表面之间的距离d3的大小依据LED光源阵列间距及LED光源的发光角度适当选取。
8.根据权利要求7所述的光固化3D打印光学模块，其特征在于，所述LED光源为能使光固化材料固化的紫外光源。
9.一种光固化3D打印系统，其特征在于，所述光固化3D打印系统包括权利要求1所述的光固化3D打印光学模块和打印组件，所述液晶屏组件包括下表面的第一基板、上表面的第二基板和液晶材料，所述第一基板和第二基板之间设有阵列基板多层膜、第一配向层和第二配向层，所述液晶材料被封装在第一基板与第二基板之间，所述第一基板与所述遮光罩的集光组件所在端相连，所述打印组件包括光固化材料槽、打印平台运动结构组件和光固化材料。
10.根据权利要求9所述的光固化3D打印系统，其特征在于，所述菲涅耳透镜的光轴与其对应的LED光轴同轴，所述遮光罩内壁上设有反射涂层，所述导光组件为扩散板，所述第一基板下表面与所述集光组件下表面之间的距离d1为尽可能小，所述集光组件下表面与所述导光组件下表面之间的距离d2大于等于菲涅耳透镜的焦距，所述LED光源下表面与所述导光组件下表面之间的距离d3的大小依据LED光源阵列间距及LED光源的发光角度适当选取，所述LED光源为能使光固化材料固化的紫外光源。
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