CN109968661A - 光固化型三维打印方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光固化型三维打印方法和设备。该方法包括以下步骤：获得打印对象的三维数据模型；将该三维数据模型划分为多层；对该三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域；执行第一次曝光过程以曝光裸露区域，以及内部区域的第一图案，其中用于曝光的光束图像在基准位置；以及执行第二次曝光过程以曝光裸露区域，以及内部区域的第二图案，其中用于曝光的光束图像相对于基准位置在第一方向和/或第二方向有小于该光束图像的像素点尺寸的偏移。
Description
技术领域
本发明涉及三维打印技术，尤其是涉及光固化型三维打印方法和设备。
背景技术
三维打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，三维打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成各种形状复杂的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。
目前三维打印技术的成型方式仍在不断演变，所使用的材料也多种多样。在各种成型方式中，光固化法是较为成熟的方式。光固化法是利用光固化树脂被紫外光照射后发生固化的原理，进行材料累加成型，具有成型精度高、表面光洁度好、材料利用率高等特点。
图1示出光固化型三维打印设备的基本结构。这一三维打印设备100包括用于容纳光固化树脂的物料槽110、用于使光固化树脂固化的成像系统120、以及用于连接成型工件的升降台130。图像曝光系统120位于物料槽110上方，并可照射光束图像使物料槽110液面的一层树脂被固化。每次图像曝光系统120照射光束图像致使一层树脂固化后，升降台130都会带动成型的那层树脂略微下降，并通过刮板131使固化后的工件顶面均匀铺展光固化树脂，等待下一次照射。如此循环，将会得到逐层累加成型的三维工件。
光固化型三维打印设备还存在一些问题，例如当大面积树脂一并固化时，这种应力会十分显著，从而导致固化后树脂出现翘曲、变形，再如三维工件在边缘会出现台纹(数码锯齿)，分辨率有待提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种光固化型三维打印方法和设备，可以解决现有技术的至少一部分问题。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是一种光固化型三维打印方法，包括以下步骤：获得打印对象的三维数据模型；将该三维数据模型划分为多层；对该三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域；将该内部区域分为互补的第一图案和第二图案；执行第一次曝光过程以曝光裸露区域，以及内部区域的第一图案，其中用于曝光的光束图像在基准位置；执行第二次曝光过程以曝光裸露区域，以及内部区域的第二图案，其中用于曝光的光束图像相对于基准位置在第一方向和/或第二方向有小于该光束图像的像素点尺寸的偏移。
在本发明的一实施例中，上述方法还包括赋予该裸露区域第一曝光强度，赋予该内部区域第二曝光强度，其中该第一曝光强度大于该第二曝光强度。
在本发明的一实施例中，该第二曝光强度不超过该第一曝光强度的66％。
在本发明的一实施例中，该裸露区域包括上壳、侧缘和/或底壳。
在本发明的一实施例中，该裸露区域的法向厚度为1-5像素。
在本发明的一实施例中，对该三维数据模型从底层开始的数层，统一赋予该第一曝光强度。
在本发明的一实施例中，该三维数据模型各层的第一图案和第二图案之间有位移。
在本发明的一实施例中，该位移是随机的。
在本发明的一实施例中，该第一图案和该第二图案为棋盘格中对角的方格。
在本发明的一实施例中，该第一图案为被井字形条纹隔开的方格，该第二图案为井字形条纹。
在本发明的一实施例中，该偏移为该光束图像的像素点尺寸的一半。
在本发明的一实施例中，在该第一次曝光过程和第二次曝光过程中，用于曝光的光束图像是依序提供的多个第一光束子图像之一，各第一光束子图像具有第一分辨率，且各第一光束子图像包含多个像素点和多个非像素点，各个相邻像素点之间相隔m-1个非像素点，m为大于1的正整数；其中各第一光束子图像按照对应的水平偏移次数和垂直偏移次数偏移一定距离，该水平偏移次数和垂直偏移次数分别为0-2m-1次和0-m次，或者该水平偏移次数和垂直偏移次数分别为0-m次和0-2m-1次，或者该水平偏移次数和该垂直偏移次数分别为0-2m-1次和0-2m-1次，每一次偏移的偏移量为该第一光束子图像的像素点的尺寸的1/2。
在本发明的一实施例中，该多个第一光束子图像的数量为2m2。
在本发明的一实施例中，m为2-8之间的正整数。
本发明还提出一种光固化型三维打印设备，包括：
图像源，提供用于曝光的光束图像；
偏移机构，将曝光的光束图像相对于基准位置进行小于该光束图像的像素点尺寸的偏移；
存储器，存储有计算机程序；
处理器，执行该计算机程序以实现如下步骤：获得打印对象的三维数据模型；将该三维数据模型划分为多层；对该三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域；将该内部区域分为互补的第一图案和第二图案；命令该图像源执行第一次曝光过程以曝光裸露区域，以及内部区域的第一图案，其中用于曝光的光束图像在基准位置；命令该图像源执行第二次曝光过程以曝光裸露区域，以及内部区域的第二图案，其中用于曝光的光束图像相对于基准位置在第一方向和/或第二方向有小于该光束图像的像素点尺寸的偏移。
本发明还提出一种计算机存储介质，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如下步骤：获得打印对象的三维数据模型；将该三维数据模型划分为多层；对该三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域；将该内部区域分为互补的第一图案和第二图案；执行第一次曝光过程以曝光裸露区域，以及内部区域的第一图案，其中用于曝光的光束图像在基准位置；执行第二次曝光过程以曝光裸露区域，以及内部区域的第二图案，其中用于曝光的光束图像相对于基准位置在第一方向和/或第二方向有小于该光束图像的像素点尺寸的偏移。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，通过分区域的曝光，可以大大降低总体发热和收缩情况，减少大面积收缩对物件变形的影响；并且在分区域曝光的同时，在边缘进行了曝光图像的微小偏移，提高了边缘的打印分辨率，减小了三维工件边缘的台纹。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：
图1示出光固化型三维打印设备的基本结构。
图2示出本发明一实施例的光固化型三维打印方法流程图。
图3A根据本发明一实施例的三维数据模型。
图3B示出根据本发明一实施例的三维数据模型分层示意图。
图4A示出根据本发明一实施例的三维数据模型区域识别示意图。
图4B示出根据本发明另一实施例的三维数据模型区域识别示意图。
图5示出根据本发明一实施例的图案区分示意图。
图6A和图6B示出根据本发明一实施例的分区曝光过程。
图7示出根据本发明另一实施例的图案区分示意图。
图8A和图8B示出根据本发明另一实施例的图案区分示意图。
图9示出图像曝光系统通常提供的光束子图像的部分像素点。
图10A示出图9所示光束子图像水平移动1个偏移单位所形成的光束图像。
图10B示出图9所示光束子图像垂直移动1个偏移单位形成的光束图像。
图10C示出图9所示光束子图像水平和垂直各移动1个偏移单位形成的光束图像。
图11示出图9所示像素光斑经过汇聚缩小后的光束子图像的部分像素点。
图12-14示出图11所示光束子图像所进行的各次偏移。
图15示出图12-14所示光束子图像组合形成的光束图像。
图16示出图11所示光束子图像水平移动1个偏移单位所形成的光束图像。
图17示出图11所示光束子图像垂直移动1个偏移单位形成的光束图像。
图18示出图11所示光束子图像垂直水平同时移动1个偏移单位形成的光束图像。
图19示出图11所示光束子图像各次偏移的位置。
图20示出本发明一实施例的3D打印设备的图像曝光系统。
图21示出本发明一实施例的聚焦透镜阵列与液晶显示面板的配合关系。
图22示出图20所示图像曝光系统单个像素的光路原理图。
图23示出液晶面板上的黑色掩模。
图24示出本发明实施例的图像曝光系统的未进行偏转的光线示意图。
图25示出本发明实施例的图像曝光系统的已进行偏转的光线示意图。
图26示出作为比较的图像曝光系统，经过原尺寸像素光斑曝光在光敏材料表面上所形成的图像。
图27示出本发明一实施例的图像曝光系统光斑2次曝光在光敏材料表面上所形成的图像。
图28示出作为比较的图像曝光系统经过1/2聚焦和4次曝光在光敏材料表面上所形成的图像。
图29示出本发明一实施例的图像曝光系统经过1/2聚焦和8次曝光在光敏材料表面上所形成的图像。
具体实施方式
本发明的实施例描述一种光固化型三维打印方法，改善光固化树脂翘曲、变形问题，提高边缘分辨率。
图1示出光固化型3D打印设备的基本结构。这一3D打印设备100包括用于容纳光固化树脂的物料槽110、用于使光固化树脂固化的图像曝光系统120、以及用于连接成型工件的升降台130。图像曝光系统120位于物料槽110上方，并可照射光束图像使物料槽110液面的一层光固化树脂被固化。每次图像曝光系统120照射光束图像致使一层光固化树脂固化后，升降台130都会带动成型的那层光固化树脂略微下降，并通过刮板131使固化后的工件顶面均匀铺展光固化树脂，等待下一次照射。如此循环，将会得到逐层累加成型的三维工件。
图像曝光系统120可以照射光束图像至光固化树脂，形成所需的曝光图案。图像曝光系统120可以使用能够形成光束图像的各种已知技术。
举例来说，在一个实施例中，图像曝光系统120可以使用数字光处理(DigitalLight Procession,DLP)投影技术。DLP投影成像技术是使用数字微镜元件(DigitalMicromirror Device,DMD)控制对光的反射来实现的。数字微镜元件可视为一镜面。这面镜子是由数十万乃至数百万个微镜所组成的。每一个微镜代表一个像素，图像就由这些像素所构成。
在另一个实施例中，图像曝光系统120还可以使用液晶(LCD)投影技术。液晶面板中包含了许多像素，每个像素可以单独控制偏振光的偏振方向，配合液晶面板两侧的偏振光滤光器可控制某一像素的光线是否通过，因此经过液晶面板系统的光束是图像化的。
光固化型3D打印设备100输入的是打印对象的三维数据模型，再将三维数据模型分解成许多二维图像，将这些图像发送给图像曝光系统120后，由后者进行投影。
对任何成型物体的打印对象，都可以认为是由一个裸露表面覆盖的一个内部实体构成。这里实体占据了打印对象的绝大部分空间。根据本发明的实施例，对打印对象的裸露区域和内部区域实施不同的曝光强度，具体来说，内部区域的曝光强度弱于裸露区域的曝光强度。由于内部实体占了打印工件的绝大多数体积，因此可以大大降低总体发热和收缩情况。
另外，根据本发明的实施例，将二维图像中需要曝光的部分分成互补的两个图案，分两次曝光，以减少大面积收缩对物件变形的影响。更有利的是，在对互补的两个图案分别进行曝光的时候，对曝光位置进行亚像素的偏移，可以提高打印分辨率，尤其是打印工件的边缘的分辨率。
根据本发明的实施例，对三维数据模型进行图案区分所需的预处理后，再发送给图像曝光系统120，从而让图像曝光系统120进行曝光。
图2示出本发明一实施例的光固化型三维打印方法流程图。
在步骤201，获得打印对象的三维数据模型；
在步骤202，将三维数据模型划分为多层；
在步骤203，对三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域；
在步骤204，赋予裸露区域第一曝光强度，赋予内部区域第二曝光强度，其中第一曝光强度大于第二曝光强度；
在步骤205，将内部区域分为互补的第一图案和第二图案；
在步骤206，执行第一次曝光过程以曝光裸露区域，以及内部区域的第一图案，其中用于曝光的光束图像在基准位置。
在此曝光过程中，裸露区域可以是以第一曝光强度进行曝光，内部区域的第一图案是以第二曝光强度进行曝光。
在步骤207，执行第二次曝光过程以曝光裸露区域，以及内部区域的第二图案，其中用于曝光的光束图像相对于基准位置在第一方向和/或第二方向有小于该光束图像的像素点尺寸的偏移。
在此曝光过程中，裸露区域是以第一曝光强度进行曝光，内部区域的第二图案是以第二曝光强度进行曝光。
图3A示出根据本发明一实施例的三维数据模型。参考图3A所示，三维数据模型300是一个房屋模型，具有基础401、多个柱子402和屋顶403。图3A示出根据本发明一实施例的三维数据模型分层示意图，如图3B所示，步骤202是将例如三维数据模型300分为多个层310、320、330、……、560。每个层用于在3D打印时进行一次树脂固化，生成一层光固化树脂。固化的顺序例如是从310开始，依次为320、330、直至560。每个层的二维平面可以包含几十到几百个像素，甚至几百万个像素。
图4A示出根据本发明一实施例的三维数据模型区域识别示意图。参考图4A所示，步骤203是将三维数据模型300的至少部分层，例如层490，识别出其裸露区域311和内部区域312。裸露区域，顾名思义是在成型的工件中不被覆盖的区域。裸露区域可包括上壳、侧缘和底壳。以图4A所示来说，由于层490之下仅有4个柱子402(图4A中示出2个)支撑，裸露区域311为柱子之外的底壳(图中斜线阴影)。内部区域是被覆盖的区域。例如，内部区域312底面被其支撑部分覆盖，两侧被裸露区域311覆盖，表面被其它内部区域覆盖。
层500到560的区域识别以此类推，在此不再展开。图4A中示出这些层被识别出的裸露区域，以斜线阴影表示。
较佳地，为提高裸露区域强度，裸露区域可在其法向设定一个厚度，例如为1-5像素，采用和裸露区域相同的第一曝光强度曝光，统一称为裸露区域。参考图4B所示，裸露区域321从层490贯穿到层500。
在步骤204中赋予裸露区域的第一曝光强度和赋予内部区域的第二曝光强度，可以通过设置对各层数据所转换的图像的亮度来实现，也可采用不同的曝光时间来实现，或同时采用不同亮度和时间来实现。在此，第一曝光强度大于第二曝光强度。也就是说，裸露区域的曝光强度会大于内部区域的曝光强度。较佳地，第二曝光强度不超过第一曝光强度的66％。
不过，为了维持整个打印工件的强度以及和平台130的可靠连接，对三维数据模型300从底层开始的数层，统一赋予更高的第一曝光强度。
在步骤205中，设备可以控制图像曝光系统120将内部区域分为互补的第一图案和第二图案。
对于体积较大的工件来说，大面积的曝光仍然会有收缩和发热的问题，因此在本发明的实施例中，引入了分区曝光的技术。
图5示出根据本发明一实施例的图案区分示意图。参考图5所示，本实施例的第一图案51和第二图案52为棋盘格50中对角的方格。第一图案51和第二图案52是互补的，各由互不连接的等大小方格组成。在此，方格的大小可以自行定义，方格大小在2-20像素效果较好。
图6A和图6B示出根据本发明一实施例的分区曝光过程。参考图6A和图6B所示，第一次曝光步骤先曝光第一图案51，第二次曝光步骤是再曝光第二图案52，当然顺序可以相反。不考虑层间影响的话，第一次曝光由于曝光的部分完全不相连接，因此其收缩对整体变形没有影响；第二次曝光收缩会连接已曝光部分的实体，造成变形，但总体有改善。
图7示出根据本发明另一实施例的图案区分示意图。参考图7所示，本实施例图案70中第一图案71被井字形条纹隔开的方格，第二图案72为井字形条纹。在此，井字形条纹的距离，线宽均可定义网格10-50像素，井字条纹以2-10像素为佳。
图8A和图8B示出根据本发明另一实施例的图案区分示意图。参考图8A和图8B所示，第一次曝光步骤先曝光第一图案81，第二次曝光步骤再曝光第二图案82。不考虑层间影响的话，第一次曝光方格，由于曝光的部分完全不相连接，因此其收缩对整体变形没有影响；第二次曝光收缩会连接已曝光部分的实体，造成变形，但井字形条纹相对方格很小，这一影响可以忽略。
在步骤206和207中，设备可以控制图像曝光系统120进行第一次和第二次曝光过程。
在前文的各实施例中，三维数据模型各层的第一图案和第二图案之间有位移。这一位移可以是随机的。
图9示出图像曝光系统通常提供的原始光束子图像的部分像素点。这一光束子图像可通过DLP投影技术、LCD投影或者其它技术实施。参考图9所示，原始光束子图像90包括多个微光斑92，每个微光斑92可看作一个像素点。尽管图9中以相同的阴影部分表示各微光斑92，但是可以理解，每个微光斑92可以包含“亮”或“暗”的信息。这一光束子图像具有第一分辨率。假设图9中的部分像素点占据了1平方英寸，则这一部分光束子图像的总有效像素为25个，水平和垂直分辨率均为5dpi(Dots Per Inch)。
需要指出的是，受制于具体器件特性，各个微光斑92的排列可能不是完全紧密的。也就是说，相邻微光斑92之间可能会有空隙。
在步骤206执行第一次曝光过程时，用于曝光的光束图像在如图9所示的基准位置。
在步骤207执行第二次曝光过程时，用于曝光的光束图像相对于基准位置有偏移。
在此，对不同光束子图像进行偏移时，每一偏移单位(即最小的偏移值)是小于第一光束子图像的像素点92的尺寸。偏移单位可以设置成固定值，例如为第一光束子图像的像素点92的尺寸的1/2。
与图9的处于基准位置的光束子图像相比，图10A示出光束子图像在水平方向移动的偏移值为1个偏移单位，且偏移单位为原始像素点尺寸a的1/2的情形，图10B示出光束子图像在垂直方向移动的偏移值为1个偏移单位，且偏移单位为原始像素点尺寸a的1/2的情形，图10C示出图9所示光束子图像水平和垂直各移动1个偏移单位，且偏移单位为原始像素点尺寸a的1/2的情形。参考图10A-10C所示，通过更为精细的移动，可以让所形成的曝光图案90x，90y，90xy的分辨率，尤其是在图案边缘的分辨率进一步提升。例如如果像素点P1处于图案边缘时，可以仅占据像素区域(图中虚框)的一部分而非全部，从而提升这一位置的分辨率。值得一提的是，当像素点P1向右移动a/2时，会进入虚框右侧的像素区域，而与该区域原本的像素点重叠。不过在各次曝光的重叠区域，由于对应的光固化树脂已经固化，因此重叠不会产生不良影响。另外，图10C所示的偏移，可以等效为沿着对角(45°)方向进行一次偏移，偏移量为个偏移单位。
为了进一步提高原始光束子图像的分辨率，本发明的实施例还可以对该原始光束子图像预先做处理。
首先，可以通过光学方法，缩小像素光斑尺寸，缩小程度可依需求而定。通常来说，微光斑尺寸缩小为原来的1/m，m为大于1的正整数。举例来说m＝2。在此，假设微光斑尺寸是指光斑在水平方向上的长度。当然，也可以假设微光斑尺寸是指光斑在垂直方向上的长度。图11示出经过缩小光斑后的光束子图像的部分像素点。参考图11所示，光束子图像90a上，每一微光斑92a的尺寸被缩小为原来的1/2，面积缩小为原来的1/4。由于微光斑尺寸的缩小，此时光束子图像90a既包含了由各微光斑92a构成的像素点，也在相邻微光斑92a之间留下了空白的非像素点。这些无像素点不携带“亮”或“暗”的信息。像素光斑经过缩小后，光束子图像90a中的像素点尺寸为原来像素的1/2，因此有潜力提供更高的分辨率。
像素被缩小后，光束子图像90a只携带了整个光束图像面积的1/4。因此可以提供4个原始光束子图像90，经过类似的光学处理，分别得到类似图12的光束子图像90a后，再组合成整个光束图像。为了组合不同的光束子图像，将不同的光束子图像进行偏移。图12-14示出经过不同偏移后所得到的光束子图像90b、90c、90d。组合偏移到不同位置的光束子图像90a、90b、90c、90d，即可得到如图15所示的光束图像900，这一光束图像900是处于基准位置。假设图11中的部分像素点占据了1平方英寸，则这一光束子图像90的总有效像素为100个，水平和垂直分辨率均为10dpi。因此前述聚焦和偏移的组合可让图像的总有效像素提升为原来的m2＝4倍，分辨率提升为原来的m＝2倍。
进一步，为了提高边缘的分辨率，对不同光束子图像进行偏移时，每一偏移单位(即最小的偏移值)不是等于各光束子图像90a-90d的像素点的尺寸，而是小于第一光束子图像90a的像素点的尺寸。偏移单位可以设置成固定值，例如为第一光束子图像的像素点92的尺寸的1/2。
图16示出光束子图像在水平方向移动的偏移值为1个偏移单位，且偏移单位为原始像素点尺寸a的1/4的情形。图17示出光束子图像在垂直方向移动的偏移值为1个偏移单位，且偏移单位为原始像素点尺寸a的1/4的情形。图18示出光束子图像在水平和垂直方向移动的偏移值分别为1个偏移单位，且偏移单位为原始像素点尺寸a的1/4的情形。参考图16-18所示，通过更为精细的移动，可以让所形成的曝光图案的分辨率，尤其是在图案边缘的分辨率进一步提升。例如如果像素点P1处于图案边缘时，可以仅占据缩小后像素区域(图中虚框)的一部分而非全部，从而提升这一位置的分辨率。值得一提的是，当像素点P1向右移动a/4时，会进入虚框右侧的像素区域(进入a/4)，而与该区域原本的像素点重叠。不过在各次曝光的重叠区域，由于对应的光固化树脂已经固化，因此重叠不会产生不良影响。另外，图18所示的偏移，可以等效为沿着对角(45°)方向进行一次偏移，偏移量为个偏移单位。
图19示出图11所示光束子图像各次偏移的位置。参考图19所示，在由图19的四个像素(虚框所示)组成的区域内，可以进行16-18的其中一个所示的偏移并曝光。以图18所示的偏移方式为例，偏移次序可以是如图11那样从未偏移的第1个位置逐次偏移，到水平方向进行2次偏移的第2个位置，到水平方向进行2次偏移、垂直方向进行2次偏移的第3个位置，到垂直方向进行2次偏移的第4个位置，，到垂直方向进行1次偏移、水平方向进行1次位移的第5个位置，到垂直方向进行1次偏移、水平方向进行3次位移的第6个位置，到垂直方向进行3次偏移、水平方向进行3次位移的第7个位置，最后到垂直方向进行3次偏移、水平方向进行1次位移的第8个位置。也就是说，在4个像素内进行了8次曝光，其中1-4次曝光为基准位置的曝光，5-8次的曝光是相对基准位移在水平和垂直方向均偏移1个单位的曝光。当然可以理解，偏移及曝光的次序是可以变化的。另外，1-8次曝光的光束子图像是不同的，可以根据希望曝光的图像确定。
归纳而言，根据本发明一实施例的3D打印方法，其在成像时依序提供多个第一光束子图像(例如前述的光束子图像90)，各第一光束子图像具有第一分辨率，且各第一光束子图像包含像素点和非像素点，各个相邻像素点之间相隔m-1个非像素点，m为大于1的正整数。然后使各第一光束子图像依次透过一偏移机构，将各第一光束子图像按照对应的水平偏移次数和垂直偏移次数偏移一定距离后投向一光敏材料表面，其中水平偏移次数和垂直偏移次数分别为0-2m-1次和0-m次，或者水平偏移次数和垂直偏移次数分别为0-m次和0-2m-1次，或者水平偏移次数和垂直偏移次数分别为0-2m-1次和0-2m-1次，每次偏移的偏移量为该第一光束子图像的像素点的尺寸的1/2。通过这一系列曝光及偏移，可以完成基准位置的曝光和偏移位置的曝光。
下文将继续描述该方法的细节，并提出可实施该方法的3D打印设备。
本发明的一实施例描述一种光固化型3D打印设备及其图像曝光系统，该图像曝光系统使用液晶面板作为面阵图像源。
图20示出本发明一实施例的3D打印设备的图像曝光系统。参照图20所示，本实施例的图像曝光系统400包括光源401、聚焦透镜阵列402、偏转镜片403、液晶面板404、第一偏振光滤光器405、第二偏振光滤光器406、投影镜头407以及控制器(图未示出)。为简明起见，不示出与本发明无关的器件。
光源401可出射一光束。光源401所发出的光的波长随固化成型的光敏材料而定。例如，选择UV树脂作为光敏材料时，光束可为紫光至紫外光，其波长在430nm以下，例如400-405nm。
液晶面板404位于光源401的出光光路上。液晶面板404包含有多个像素，其主要作用是偏转光源401所发出的光束的偏振方向，配合偏振光滤光器可遮挡光源发出的一部分光，以形成光束图像。液晶面板404的入光侧和出光侧分别设置第一偏振光滤光器405和第二偏振光滤光器406，组成液晶系统。第一偏振光滤光器405和第二偏振光滤光器406只允许和其极化方向相同的光通过，而且二者极化方向相互垂直。在没有液晶面板404的情况下，第一偏振光滤光器405和第二偏振光滤光器406会阻断所有试图穿透的光线。但是，由于两个偏振光滤光器之间为液晶面板404。液晶面板404被分隔为许多充满液晶的像素单元。。光线穿出第一偏振光滤光器405后，经过液晶面板404，会被液晶分子扭转一定角度，扭转角度受加在液晶面板上的电压控制。这些光线只有和第二偏振光滤光器406极化方向相同的分量才能从第二偏振光滤光器406中穿出。因此，个别控制各像素单元的液晶分子的排列方向，就可控制光线透过液晶系统的亮度和图像。
当用于3D打印时，液晶面板404所形成的光束图像可以只包含灰阶信息。因此，液晶面板404可不需要彩色滤色片等在用作显示面板时需要的光学元件。
在本发明的实施例中，第一偏振光滤光器405可以是偏振片或者偏振光分光棱镜。第二偏振光滤光器406也可以是偏振片或者偏振光分光棱镜。
对液晶面板404的每一像素而言，由于液晶单元附近需要布置薄膜晶体管和布线等，并无法让光束全部通过。考虑到包含透光率在内的各种光能量损失，光源401需要达到一定的照射功率才能使光敏材料固化，或者使固化的时间在可接受的程度。如前文所述，波长在430nm以下的光，达到一定功率后对液晶的损害较大。因此如何在满足使光敏材料固化的条件下，尽可能地降低光源401的照射功率成为基于液晶面板的图像曝光系统可实施的关键。
本实施例引入聚焦透镜阵列402并配合对聚焦程度的控制来达成前述目的。
聚焦透镜阵列402设置于液晶面板404的入光侧。聚焦透镜阵列402包含了许多微小的聚焦透镜。每一聚焦透镜对应液晶面板404的每一像素。图21示出本发明一实施例的聚焦透镜阵列与液晶面板的配合关系。在此实施例中，聚焦透镜阵列402是覆盖在液晶面板404上。举例来说，某一聚焦透镜402对应液晶面板404的某一像素404。此像素404包含不透光的黑色掩模504a和透光区域504b。聚焦透镜阵列402可以是由树脂材料压制而成。
在本实施例中，光源401的形状、面积、发散角、到液晶面板404的距离需要被严格设计，以得到所期望的聚焦程度，后文将详细描述。
图22示出图20所示图像曝光系统单个像素的光路原理图。参照图22所示，光源401发出光束，设其发光面的高和宽都为A，光源发散角能够配合液晶面板404需要照射的面积，光源401到聚焦透镜阵列402的距离为L1，光束照射到聚焦透镜阵列402，其中部分光线照射到某一聚焦透镜402，对应液晶面板404的某一像素504。像素504的尺寸为P。
聚焦透镜402会对光源401发出的光束进行汇聚，同时，在聚焦透镜402后端会产生光源401的像501a。像501a经过投影镜头407后，投影在光敏材料(图中未示出)表面上形成光斑。
设聚焦透镜的前焦距为f，后焦距为f’(f’≈f)，光源401的像高为d，聚焦透镜402到成像面的距离为L2，按照高斯公式我们可以得到：
f/L1+f’/L2＝1；
L1/L2＝A/d。
在一个示例中，f＝100μm，P＝20μm，L1＝200mm，A＝20mm代入上式则：
100μm/200mm+100μm/L2＝1；L2＝100.05μm；
200mm/100.05μm＝20mm/d；d＝10μm。
通过上述计算可知，可以通过适当的设计，控制成像光斑的大小。在此，光斑越小，意味着聚焦程度越高，分辨率提高程度越高。
事实上由于聚焦透镜402可能的制造缺陷，特别是光的衍射效应的存在，光斑尺寸会略大于实际计算，而且光斑的形状也可能成为圆形，而和光源401原来的形状不一样，这需要在实际试验中对前述参数进行调整，以确定最终数据。
另外，在实际设计中可以用远心光路系统，通过控制光线的入射角的方式来控制光斑大小，对这一光学设计不再重复讨论。
投影镜头407布置在液晶面板404与三维打印设备的光敏材料表面420之间，将液晶面板404及偏振光滤光器405、406所形成并出射的光束图像投影到光敏材料表面420。再参考图22所示，光源401在液晶面板404的每一像素后有一像501a。投影镜头407的位置，则是位于该像与光敏材料表面之间，如图22所显示的那样。因此，光源401经液晶面板404后形成的多个微光斑将清晰地投影到光敏材料表面420上。可使会聚后的像501a的尺寸与液晶像素尺寸之比为1:2，即面积之比为1:4。尽管经过投影，像501a的尺寸会扩大，但这一比例在像501a投影到光敏材料表面上时会保持不变。下面将参考光敏材料表面的光斑来继续讨论比例的设定。
图12示出可视为本实施例的图像曝光系统一次曝光在光敏材料表面上所形成的图像。作为比较，如果光线直接通过图23示出的图像曝光系统的黑色掩模进行成像，则会得到类似于此黑色掩模的图像(接近如图9所示，但是像素间距较大)。比较图12和图9可知，经过聚焦透镜阵列402的会聚后，图像中光斑的尺寸缩小了。通过如前文所述的适当的光学设计来调整会聚的程度，以决定光斑的尺寸缩小比例。举例来说，可使会聚后的光斑尺寸(像501a投影在光敏材料表面的尺寸)与像素尺寸(液晶像素投影在光敏材料表面的尺寸)之比为1:2，即面积之比为1:4。
可以理解，考虑到前述聚焦透镜402制造的缺陷和光的衍射效应等因素，当所设计光斑尺寸与像素尺寸之比为1:2时，实际的光斑尺寸与像素尺寸之比会略大于1:2。本实施例的图像曝光系统允许适当的误差，即前述尺寸之比约为1:2。
此外，可使会聚后的光斑尺寸与像素尺寸之比约为1:3或1:4。这里取整数倍的原因是考虑到后续偏转时，需要在各个光斑的空白部分插入新的光斑。
如图12所示，光敏材料表面上一次曝光的图像中，光斑之间留有空白。为此，通过多次曝光来填补这些空白，使光斑布满整个光敏材料表面。
在本实施例中，在液晶面板404的出光侧，例如液晶面板404与投影镜头407之间(或者投影镜头407之后)布置有偏转镜片403。偏转镜片403能够围绕至少一转轴偏转，以微调光束图像投影到光敏材料表面420的位置。前述的转轴均垂直于图像曝光系统的光轴z，在偏转镜片和液晶面板404平行(和光轴z垂直)时，光线垂直照射在偏转镜片403，这时没有折射现象发生，光线a直接经过偏转镜片(如图24)；如果偏转镜片403围绕一转轴倾斜一个角度，光线从空气进入偏转镜片403将会产生折射，光线从偏转镜片403进入空气时再次发生折射，两个折射的折射角度相同，方向相反，折射后的光线b将按原有方向前进，但是发生微小的位移(如图25)。举例来说，偏转透镜的这一转轴是图16所示的转轴x。另外，这一转轴可以是位于包含转轴x且垂直于光轴z的平面内，且垂直于转轴x的转轴y(图未示出)。在本发明的实施例中，偏转镜片403可以既能够绕转轴x偏转，也能绕转轴y偏转。
上述的偏转可以结合多次曝光，使各次曝光的光束图像叠加，令光斑布满光敏材料表面420。具体地说，可以令光源401进行多次曝光，在每次曝光时，命令偏转镜片403进行偏转以将各次曝光的光束图像投影到该光敏材料表面的不同位置。以图9-10C来说，在第1次曝光时，形成了如图9所示的光束子图像90；在第2次曝光时，由于偏转镜片403绕着x轴偏转，使光束图像略微沿图中的水平方向移动，形成如图10A所示的光束子图像90x；作为替代，在第2次曝光时，由于偏转镜片403绕着y轴偏转，使光束图像略微沿图中的水平方向移动，形成如图10B所示的光束子图像90y；作为替代，在第2次曝光时，由于偏转镜片403先后绕着x轴和y轴偏转，使光束图像略微沿图中的水平和垂直方向移动，形成如图10C所示的光束子图像90xy。以图11-19来说，在第1次曝光时，形成了如图11所示的光束子图像90a；在第2次曝光时，由于偏转镜片403绕着x轴偏转，使光束图像略微沿图中的水平方向移动，形成如图12所示的光束子图像90b；在第3次曝光时，由于偏转镜片403绕着y轴偏转，使光束图像沿图中的垂直方向移动，形成如图13所示的光束子图像90c；在第4次曝光时，由于偏转镜片403绕着x轴偏转，使光束图像沿图中的水平方向移动，形成如图14所示的光束子图像90d；在第5次曝光时，由于偏转镜片403先后绕着x轴和y轴偏转，使光束图像沿图中的水平和垂直方向移动，形成如图18所示的光束子图像90g；第6-8次曝光的位置可参考图19得出。这些投影图像按照图19所示的示例方式依次进行曝光，形成完整的光束图像。
在实际实施时，可以使用图像曝光系统300的控制器，命令光源401进行多次曝光，同时在每次曝光时命令该偏转镜片403配合进行x、y两个方向的偏转。
另外，在本发明的其他实施例中，还可使用压电陶瓷微位移器移动LCD面板代替上述的偏转镜片，实现使光束图像进行微位移的功能。
在本发明的实施例中，控制器可包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序。处理器执行这些计算机程序以实现如图2所示的方法，以及上文描述的其他细节。
需要指出的是，光束图像的叠加虽然布满该光敏材料表面，但是可以理解，光束图像中并非每个位置都是亮点，而是可能有暗点。
在本实施例中，各次曝光的光束图像是包含不同的图像信息。这就意味着，图像的分辨率至少变为原来的4倍，且在边缘部分精细程度得到增强。因此3D打印的精度得到显著提高。
图26示出作为比较的图像曝光系统经过1次曝光在光敏材料表面上所形成的图像。参考图26所示，按照已知的图像曝光系统，要形成图示的不规则多边形，只能以图中的5个像素的区域近似，分辨率较低，锯齿明显，比如在区域A有1个凸出部分无法表达。
图27示出本发明一实施例的图像曝光系统光斑2次曝光在光敏材料表面上所形成的图像。参考图27所示，经过2次曝光后，其阴影区域覆盖了区域A的突起，更好表达了图形，该方向分辨率提高一倍。
图28示出作为比较的图像曝光系统经过1/2聚焦和4次曝光在光敏材料表面上所形成的图像。参考图28所示，经过聚焦和4次曝光后，分辨率提升为原来的4倍，其阴影区域与不规则多边形已较为接近。不过在一些面积不到缩小后像素的边缘区域，仍然存在误差。
事实上，由于内部区域分为第一图案和第二图案两次曝光；而在裸露区域，对应内部区域第一图案和第二图案两次曝光的时间里，裸露区域都会曝光，以增加裸露区域强度，因此会进行8次曝光，当不采用本发明设计时，这8次曝光是在4次曝光同样位置重复曝光。图29示出本发明一实施例的图像曝光系统经过1/2聚焦和8次不同位置曝光在光敏材料表面上所形成的图像。比较图28和图29所示，本实施例的图像曝光系统经过聚焦和2个过程的4次重复曝光后，基础分辨率提升仅为原来的4倍，但是经历了类似图19的8次曝光，在虚框所示的边缘区域291、292、293和294，可以通过移动1/4个原像素P的尺寸来使阴影区域更接近不规则多边形。因此本发明实施例的方式与图28所示的1/2聚焦和2个过程的4次重复曝光方案相比，进一步提高了边缘分辨率，减小的台纹的尺寸。当然，与图28所示的1/2聚焦和4次曝光方案相比，本发明的实施例在物体边缘的一些区域大了1/4个像素P1的尺寸。在某些情况下，这是有益的，例如在图28中多边形的不足部分，在图29中被多出的1/4个像素P1的尺寸补上。由于这种边缘增大的效应，本发明的实施例可以通过计算，使得仅在1/2聚焦和4次曝光后的图像与理想图像之间的空白达到1/2个像素P1的尺寸时，设置光束子图像在这一位置的像素点为“亮”。
上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。
同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
本申请的方法和系统的一些方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。处理器可以是一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理器件(DAPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器或者其组合。此外，本申请的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。例如，计算机可读介质可包括，但不限于，磁性存储设备(例如，硬盘、软盘、磁带……)、光盘(例如，压缩盘(CD)、数字多功能盘(DVD)……)、智能卡以及闪存设备(例如，卡、棒、键驱动器……)。
计算机可读信号介质可能包含一个内含有计算机程序编码的传播数据信号，例如在基带上或作为载波的一部分。该传播信号可能有多种表现形式，包括电磁形式、光形式等等、或合适的组合形式。计算机可读信号介质可以是除计算机可读存储介质之外的任何计算机可读介质，该介质可以通过连接至一个指令执行系统、装置或设备以实现通讯、传播或传输供使用的程序。位于计算机可读信号介质上的程序编码可以通过任何合适的介质进行传播，包括无线电、电缆、光纤电缆、射频信号、或类似介质、或任何上述介质的组合。
此外，除非权利要求中明确说明，本申请所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本申请流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的发明实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本申请实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的系统。
同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。
Claims (16)
1.一种光固化型三维打印方法，包括以下步骤：
获得打印对象的三维数据模型；
将该三维数据模型划分为多层；
对该三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域；
将该内部区域分为互补的第一图案和第二图案；
执行第一次曝光过程以曝光裸露区域，以及内部区域的第一图案，其中用于曝光的光束图像在基准位置；
执行第二次曝光过程以曝光裸露区域，以及内部区域的第二图案，其中用于曝光的光束图像相对于基准位置在第一方向和/或第二方向有小于该光束图像的像素点尺寸的偏移。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括赋予该裸露区域第一曝光强度，赋予该内部区域第二曝光强度，其中该第一曝光强度大于该第二曝光强度。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该第二曝光强度不超过该第一曝光强度的66％。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该裸露区域包括上壳、侧缘和/或底壳。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该裸露区域的法向厚度为1-5像素。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，对该三维数据模型从底层开始的数层，统一赋予该第一曝光强度。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该三维数据模型各层的第一图案和第二图案之间有位移。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该位移是随机的。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该第一图案和该第二图案为棋盘格中对角的方格。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该第一图案为被井字形条纹隔开的方格，该第二图案为井字形条纹。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该偏移为该光束图像的像素点尺寸的一半。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在该第一次曝光过程和第二次曝光过程中，用于曝光的光束图像是依序提供的多个第一光束子图像之一，各第一光束子图像具有第一分辨率，且各第一光束子图像包含多个像素点和多个非像素点，各个相邻像素点之间相隔m-1个非像素点，m为大于1的正整数；
其中各第一光束子图像按照对应的水平偏移次数和垂直偏移次数偏移一定距离，该水平偏移次数和垂直偏移次数分别为0-2m-1次和0-m次，或者该水平偏移次数和垂直偏移次数分别为0-m次和0-2m-1次，或者该水平偏移次数和该垂直偏移次数分别为0-2m-1次和0-2m-1次，每一次偏移的偏移量为该第一光束子图像的像素点的尺寸的1/2。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，该多个第一光束子图像的数量为2m2。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，m为2-8之间的正整数。
15.一种光固化型三维打印设备，包括：
图像源，提供用于曝光的光束图像；
偏移机构，将曝光的光束图像相对于基准位置进行小于该光束图像的像素点尺寸的偏移；
存储器，存储有计算机程序；
处理器，执行该计算机程序以实现如下步骤：
获得打印对象的三维数据模型；
将该三维数据模型划分为多层；
对该三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域；
将该内部区域分为互补的第一图案和第二图案；
命令该图像源执行第一次曝光过程以曝光裸露区域，以及内部区域的第一图案，其中用于曝光的光束图像在基准位置；
命令该图像源执行第二次曝光过程以曝光裸露区域，以及内部区域的第二图案，其中用于曝光的光束图像相对于基准位置在第一方向和/或第二方向有小于该光束图像的像素点尺寸的偏移。
16.一种计算机存储介质，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如下步骤：
获得打印对象的三维数据模型；
将该三维数据模型划分为多层；
对该三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域；
将该内部区域分为互补的第一图案和第二图案；
执行第一次曝光过程以曝光裸露区域，以及内部区域的第一图案，其中用于曝光的光束图像在基准位置；
执行第二次曝光过程以曝光裸露区域，以及内部区域的第二图案，其中用于曝光的光束图像相对于基准位置在第一方向和/或第二方向有小于该光束图像的像素点尺寸的偏移。
Priority Applications (1)
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