CN110370627A - 一种3d光固化的方法和3d光固化设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D光固化的方法和3D光固化设备。该方法包括：调制光源形成曝光光束；控制所述曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以形成曝光图案；其中，所述投影系统沿第二方向上的通光孔径尺寸D1大于第三方向上的通光孔径尺寸D2；所述第一方向垂直于所述第二方向，所述第一方向和所述第二方向限定的平面平行于所述光固化树脂的曝光面；所述第三方向垂直于所述光固化树脂的曝光面。本发明实施例提高了成像的分辨率，从而提高了光固化精度。

Description

一种3D光固化的方法和3D光固化设备
技术领域
本发明实施例涉及3D打印技术，尤其涉及一种3D光固化的方法和3D光固化设备。
背景技术
3D打印技术是利用金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品，实现的复杂结构件制造。
目前的3D光固化方法通过与用CT成像相反的过程进行图像投影，旋转光固化树脂，并利用光固化树脂存在临界曝光量阈值，获得需要的实体物品。具体的，根据物体的3D图像计算不同角度图像的截面形状，使用投影装置在不同角度投射对应的2D图像，投射光斑光固化树脂原材料中成像，引起固化反应，实现物体成型。
由于受制于投影装置的通光孔径和曝光光束的发散角，曝光图案的分辨率约300μm，因此光固化的精度比较低。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种3D光固化的方法，以实现高分辨率的成像，高精度的光固化。
第一方面，本发明实施例提供了一种3D光固化的方法，该方法包括：调制光源形成曝光光束；控制所述曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以形成曝光图案；其中，所述投影系统沿第二方向上的通光孔径尺寸D1大于第三方向上的通光孔径尺寸D2；所述第一方向垂直于所述第二方向，所述第一方向和所述第二方向限定的平面平行于所述光固化树脂的曝光面；所述第三方向垂直于所述光固化树脂的曝光面。
第二方面，本发明实施例还提供了一种3D光固化设备，该设备包括：光源、光调制器、投影系统、光固化树脂和控制装置；所述光调制器调制所述光源形成曝光光束照射，所述曝光光束照射至所述投影系统，并控制所述曝光光束经所述投影系统在所述光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以形成曝光图案；其中，所述投影系统沿第二方向上的通光孔径尺寸D1大于第三方向上的通光孔径尺寸D2；所述第一方向垂直于所述第二方向，所述第一方向和所述第二方向限定的平面平行于所述光固化树脂的曝光面；所述第三方向垂直于所述光固化树脂的曝光面。
本发明通过增加投影系统沿第二方向上的通光孔径增加了曝光光束的数值孔径NA，从而提高了图像的分辨率，但是第二方向上的通光孔径的增加会引起第一方向上准直距离的减小，缩小了第一方向上成像的范围，因此本发明还控制曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以使得沿第一方向的成像范围不受短的准直距离的影响，最终实现高分辨率的成像，提高了光固化精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种3D光固化方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中基模高斯光束的传播示意图；
图3是本发明实施提供的另一种3D光固化方法的流程示意图；
图4是本发明实施例中曝光图案上受到的照射光的示意图；
图5是本发明实施例提供的3D光固化设备的XZ平面结构示意图；
图6是本发明实施例提供的3D光固化设备的YZ平面结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1为本发明实施例提供的一种3D光固化方法的流程示意图，具体包括如下步骤：
步骤110，调制光源形成曝光光束；
步骤120，控制所述曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，形成曝光图案。
其中，所述投影系统沿第二方向上的通光孔径尺寸D1大于第三方向上的通光孔径尺寸D2；所述第一方向垂直于所述第二方向，所述第一方向和所述第二方向限定的平面平行于所述光固化树脂的曝光面；所述第三方向垂直于所述光固化树脂的曝光面。
投影系统射出的曝光光束可以近似看成基模高斯光束。图2示出了基模高斯光束的传播示意图，ω0是高斯光束的束腰半径，也就是曝光光束的光斑半径，θ是曝光光束的光束发散半角，即数值孔径NA对应的孔径角，ZR是瑞利长度，2ZR是准直距离。这几个参数满足下述关系：
其中，λ是曝光光束的波长；M是光束的品质因子，为常数，NA和光束发散半角θ正相关，可见，NA越小，束腰半径ω0越大，准直距离2ZR越大，分辨率越低。
因此增大投影系统的第二方向的通光孔径，即增加第二方向的数值孔径NA，束腰半径ω0减小，准直距离2ZR缩小，从而提高第二方向上图像分辨率。投影系统沿第三方向上的通光孔径尺寸小，即第三方向上的数值孔径NA小，准直距离长，因此形成的曝光图案是平行于所述第一方向和所述第二方向限定的平面，且在第三方向上厚薄均匀的薄片状的图案。
本申请实施例，通过增加投影系统沿第二方向上的通光孔径增加了曝光光束的数值孔径NA，从而提高了图像的分辨率，但是第二方向上的通光孔径的增加会引起第一方向上准直距离的减小，缩小了第一方向上成像的范围，因此本发明还控制曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以使得沿第一方向的成像范围不受短的准直距离的影响，最终实现高分辨率的成像，提高了光固化精度。
可选的，控制所述曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以形成曝光图案可以是控制所述投影系统沿所述第一方向上自动变焦，以使所述曝光光束经所述的投影系统在光固化树脂的曝光面沿所述第一方向扫描，形成曝光图案。完成第一行扫描后，调制形成另一束曝光光束，随之进行第二行扫描，以此方式扫描成像，每行的曝光光束所携带的信息不同，沿第一方向扫描形成的每一行图案不同。例如通过自动变焦控制装置控制所述投影系统内透镜之间的距离使得所述投影系统的像方焦点能够在第一方向上移动，实现所述曝光光束经过所述投影系统在光固化树脂的曝光面沿所述第一方向扫描，最终形成曝光图案。
可选的，控制所述曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以形成曝光图案还可以是控制所述投影系统沿所述第一方向移动，使所述曝光光束经所述的投影系统在光固化树脂的曝光面沿所述第一方向扫描，形成曝光图案。完成第一行扫描后，调制形成另一束曝光光束，随之进行第二行扫描，以此方式扫描成像，每行的曝光光束所携带的信息不同，沿第一方向扫描形成的每一行图案不同。例如可以通过移动装置搭载所述投影系统和/或光固化树脂沿第一方向移动，通过控制移动装置的第一方向的位移量实现所述曝光光束经过所述投影系统在光固化树脂的曝光面沿所述第一方向扫描，最终形成曝光图案。
图3为本发明实施例提供的另一种3D光固化方法的流程示意图。如图3所示，所述3D光固化方法包括：
步骤310，控制光源发出曝光光束；
步骤320，控制所述曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以形成曝光图案；
步骤330，控制所述投影系统和所述光固化树脂之间连续相对旋转N-1次，且每次相对旋转后控制所述曝光光束经所述投影系统在所述光固化树脂的曝光面沿所述第一方向扫描，形成N-1幅曝光图案。
其中，每次相对旋转的旋转轴平行于所述第三方向；每次相对旋转的旋转角度为2θ；π/θ＝N；2θ为所述曝光光束的发散角；N为正整数。
控制投影系统和光固化树脂之间相对旋转N-1次，形成N-1幅曝光图案，加上旋转之前形成的一幅曝光图案，总计形成N幅曝光图案。曝光光束的发散角为2θ，形成的曝光图案仅仅受到一个张角为2θ的光锥照射，由于旋转角度2θ和所述曝光光束的发散角2θ相同，旋转角度2θ的N倍是一个完整的圆周，因此光固化树脂的曝光面曝光N次，N幅曝光图案的叠加使得每个像素点都有360度曝光光束的照射。
图4仅以曝光图案为圆环图案为例，示出了曝光图案受到的照射光的示意图。A点为曝光图案上的一个像点，即光固化树脂的曝光面上需曝光固化的点。由于光固化树脂的曝光面曝光N次，N幅曝光图案的叠加使得A点被曝光光束360度照射。B点是非像点，即光固化树脂的曝光面上无需曝光固化的点。曝光图案上的每个像点上的光会散射覆盖到非像点，也会散射覆盖到其他像点，产生背景曝光量。若背景曝光量大于非像点处光固化树脂的临界曝光量，那么会导致非像点处光固化树脂固化，从而影响最终的光固化图形。
背景曝光量比较均匀，可以看成一个常数H背景。对整个曝光图案来说，若把每个像点上直接受到曝光光束照射的曝光量看成是图案曝光量H图案(x,z)，每个像点上的总曝光量H总(x,z)应为背景曝光量与图案曝光量的和。即：
H总(x,z)＝H图案(x,z)+H背景
控制光源的照度，使背景曝光量低于光固化树脂的临界曝光量，图案曝光量则高于临界曝光量，那么曝光图案的像点位置就能进行固化，因为背景光曝光量不足以让光固化树脂固化，因此非像点处的光固化树脂保持液态。
可选的，所述曝光光束沿所述第二方向延伸，所述曝光图案为一个薄片状图案。所述曝光光束例如可以是经线阵的空间光调制器调制形成的光束。在控制所述曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以形成曝光图案之后，还包括：
控制所述光固化树脂和所述投影系统沿所述第三方向发生相对移动，依次获取多幅曝光图案。
其中，所述光固化树脂和所述投影系统沿所述第三方向发生相对移动，可以是所述光固化树脂沿所述第三方向移动或者所述投影系统沿所述第三方向移动，还可以是光固化树脂和所述投影系统都沿所述第三方向移动。依次获得多幅曝光图案，叠加后即是三维的固化图像，从而获得三维的固化物体。需要说明的是，本发明实施例可以是每次所述光固化树脂和所述投影系统沿所述第三方向发生相对移动之前，控制所述曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描曝光一幅曝光图案，还可以是每次所述光固化树脂和所述投影系统沿所述第三方向发生相对移动之前，控制所述曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描曝光N幅曝光图案，即按照如图3所示方法进行曝光。
可选的，所述曝光光束平行于所述第二方向和所述第三方向限定的平面，N次曝光后形成的曝光图案即是三维的固化图像，直接获得三维的固化物体。所述曝光光束例如可以是经二维的空间光调制器调制形成的光束等，所述曝光光束经投影系统后同时产生多层互不干扰的薄片状曝光图案，同时进行多层光固化，一次性产生3D的光固化图案。
本发明实施例还提供的一种3D光固化设备，可执行本发明任意实施例所提供的3D光固化方法，具备执行方法相应的功能和有益效果。
本实施例提供的3D光固化设备，以第一方向为Z方向，第二方向为X方向、第三方向为Y方向为例示出了一种3D光固化设备的平面结构示意图，如图5、图6所示，包括：
光源510，投影系统520，光固化树脂530，控制装置540(图中未表示出)。
光源510发出曝光光束照射至所述投影系统520，在XZ平面的X方向，形成一维的线状的像，控制该投影系统520在光固化树脂530的曝光面沿Z方向扫描成像，以形成XZ方向的二维曝光图案；
所述投影系统520沿X方向上的通光孔径尺寸D1大于Y方向上的通光孔径尺寸D2，因此X方向的曝光光束的数值孔径NA比较大，准直距离比较短，而X方向图像的分辨率也比较高。而Y方向则相反，成像光束的NA比较小，准直距离比较长，可以看成该在一段较长的范围内可以保持同样Z轴宽度。经过上述的扫描成像后，可以获得一个薄片状的图像即曝光图案，该图像在XZ方向有所需的图案信息，在Z方向保持一定的宽度。而通过提高X方向的NA，可以获得XZ方向的高分辨率图像。
可选的，3D光固化设备还包括自动变焦控制装置，自动变焦控制装置分别与投影系统520以及控制装置540连接；控制装置540通过自动变焦控制装置控制投影系统520沿Z方向上变焦，以使曝光光束经投影系统520在光固化树脂530的曝光面沿Z方向扫描，形成曝光图案。
可选的，3D光固化设备还包括移动装置，移动装置分别与投影系统520以及控制装置540连接，控制装置540通过移动装置控制投影系统520沿Z方向移动，以使曝光光束经投影系统520在光固化树脂530的曝光面沿Z方向扫描，形成曝光图案。
可选的，3D光固化设备还包括旋转装置，旋转装置与控制装置连接；旋转装置还与投影系统520和/或光固化树脂530连接；控制装置通过旋转装置控制投影系统520和光固化树脂530之间连续相对旋转N-1次；且每次相对旋转后控制曝光光束经投影系统520在光固化树脂530的曝光面沿所述Z方向扫描，形成N-1幅曝光图案；其中，每次相对旋转的旋转轴平行于Y方向；每次相对旋转的旋转角度为2θ；π/θ＝N；N为正整数；2θ为曝光光束的发散角。
可选的3D光固化设备的光源510是线光源，光源510沿X方向延伸，曝光图案为二维图案，所述3D光固化设备还包括第二移动装置，通过第二移动装置控制光固化树脂530和投影系统520沿Y方向发生相对移动，可以是光固化树脂530沿Y方向移动或者投影系统520沿Y方向移动，还可以是光固化树脂530和投影系统520都沿Y移动。依次获得多幅曝光图案，叠加后即是三维的固化图像，从而获得三维的固化物体。
可选的，3D光固化设备的光源510是面光源，面光源510平行于XY平面，面光源经投影系统后同时产生多层互不干扰的薄片状曝光图案，同时进行多层光固化，一次性产生3D的光固化图案。
本申请的第一方向、第二方向、第三方向不仅仅是本实施例提供的方向，这三个方向满足两两互相垂直，且三个方向不共面的要求即可。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种3D光固化的方法，其特征在于，包括：
调制光源形成曝光光束；
控制所述曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以形成曝光图案；
其中，所述投影系统沿第二方向上的通光孔径尺寸D1大于第三方向上的通光孔径尺寸D2；所述第一方向垂直于所述第二方向，所述第一方向和所述第二方向限定的平面平行于所述光固化树脂的曝光面；所述第三方向垂直于所述光固化树脂的曝光面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制所述曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以形成曝光图案，包括：
控制所述投影系统沿所述第一方向上变焦，以使所述曝光光束经所述投影系统在所述光固化树脂的曝光面沿所述第一方向扫描，形成所述曝光图案；
或者，
控制所述投影系统沿所述第一方向移动，以使所述曝光光束经所述投影系统在所述光固化树脂的曝光面沿所述第一方向扫描，形成所述曝光图案。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述控制所述曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以形成曝光图案之后，还包括：
控制所述投影系统和所述光固化树脂之间连续相对旋转N-1次，且每次相对旋转后控制所述曝光光束经所述投影系统在所述光固化树脂的曝光面沿所述第一方向扫描，形成N-1幅曝光图案；
其中，每次相对旋转的旋转轴平行于所述第三方向；每次相对旋转的旋转角度为2θ；π/θ＝N；2θ为所述曝光光束的发散角；N为正整数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述曝光光束沿所述第二方向延伸。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述控制所述曝光光束经投影系统在光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以形成曝光图案之后，还包括：
控制所述光固化树脂和所述投影系统沿所述第三方向发生相对移动，依次获取多幅曝光图案。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述曝光光束平行于所述第二方向和所述第三方向限定的平面。
7.一种3D光固化设备，其特征在于，包括：
光源、光调制器、投影系统、光固化树脂和控制装置；
所述光调制器调制所述光源形成曝光光束，所述曝光光束照射至所述投影系统，并控制所述曝光光束经所述投影系统在所述光固化树脂的曝光面沿第一方向扫描，以形成曝光图案；
其中，所述投影系统沿第二方向上的通光孔径尺寸D1大于第三方向上的通光孔径尺寸D2；所述第一方向垂直于所述第二方向，所述第一方向和所述第二方向限定的平面平行于所述光固化树脂的曝光面；所述第三方向垂直于所述光固化树脂的曝光面。
8.根据权利要求7所述的3D光固化设备，其特征在于，还包括：
自动变焦控制装置，
所述自动变焦控制装置分别与所述投影系统以及控制装置连接；所述控制装置通过所述自动变焦控制装置控制所述投影系统沿所述第一方向上变焦，以使所述曝光光束经所述投影系统在所述光固化树脂的曝光面沿所述第一方向扫描，形成所述曝光图案。
9.根据权利要求7所述的3D光固化设备，其特征在于，还包括：
移动装置，
所述移动装置分别与所述投影系统以及所述控制装置连接，所述控制装置通过所述移动装置控制所述投影系统沿第一方向移动，以使所述曝光光束经所述投影系统在所述光固化树脂的曝光面沿所述第一方向扫描，形成所述曝光图案。
10.根据权利要求7所述的3D光固化设备，其特征在于，还包括：
旋转装置，所述旋转装置与所述控制装置连接；所述旋转装置还与所述投影系统和/或所述光固化树脂连接；
所述控制装置通过所述旋转装置控制所述投影系统和所述光固化树脂之间连续相对旋转N-1次；且每次相对旋转后控制所述曝光光束经所述投影系统在所述光固化树脂的曝光面沿所述第一方向扫描，形成N-1幅曝光图案；
其中，每次相对旋转的旋转轴平行于所述第三方向；每次相对旋转的旋转角度为2θ；π/θ＝N；N为正整数；2θ为所述曝光光束的发散角。
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