CN111381381A - 光学系统、光学系统使用方法及3d打印设备 - Google Patents

光学系统、光学系统使用方法及3d打印设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光学系统、光学系统使用方法及3D打印设备，所述光学系统包括：光源，发射光束；聚光单元，接收光束，形成会聚光束，所述会聚光束的光斑大小可变。利用本发明的光学系统，可以实现光斑的大小变化，提高3D打印效率和精度。

Description

光学系统、光学系统使用方法及3D打印设备
技术领域
本发明涉及打印设备领域，尤其涉及一种光学系统、光学系统使用方法及3D打印设备。
背景技术
基于立体光固化成型法的打印设备采用将光固化材料逐层固化累积的方式制造立体物体，由于其具有精细的分层设计和精准的打印控制过程，使得所打印出的立体物体在精度和精准度方面具有更高品质并具有广泛的应用场景。激光扫描式立体光固化是光固化成型的一种实现方式，光学系统将聚焦的光斑投射到工作面上，并依照特定的路径进行光斑扫描，实现逐层固化。光斑的尺寸作为一个重要参数，直接影响固化效率和成型精细度。
目前3D打印行业要迈向批量化生产，其中要解决重要的问题就是3D打印效率的问题。3D打印需要用光束扫描，逐层打印，而为了追求精度和产品表面质量，光源的光斑需要尽可能的调小。光斑越小，单层扫描路径就越长，扫描时间也就越长，导致打印效率低。如果只有一种光斑，那么在成型较大平面时，效率就会很低，成型速度就会很慢，制约了3D打印快速成型的速度。
如何克服现有技术中光斑大小变化范围受到限制是目前急需解决的问题。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种光学系统，实现光斑的大小变化，以保证3D打印效率和精度。
为解决上述问题，本发明提供一种光学系统，包括：光源，发射光束；聚光单元，接收光束，形成会聚光束，所述会聚光束的光斑大小可变。
本发明的一种方案，所述聚光单元包括：第一光束改变装置，用于接收所述光束，并对光束的发散角进行改变，形成第一改变光束；发散装置，用于接收所述第一改变光束，对进行发散，形成发散光束；第一会聚装置，用于接收所述发散光束，进行会聚，形成会聚光束。
可选的，所述第一光束改变装置切入到所述光束或者所述第一光束改变装置切出所述光束。
可选的，所述第一光束改变装置按照改变光束的方式分为光束发散装置一和光束聚焦装置一。
可选的，所述第一光束改变装置为负透镜组或正透镜组或正负透镜组合。
可选的，所述第一光束改变装置的入射面与所述光束的角度在0°-180°之间。
可选的，所述发散装置为负透镜组或正负透镜组合或正透镜组。
可选的，所述第一会聚装置为正透镜组或正负透镜组合。
本发明的另一种方案，所述聚光单元包括：第二光束改变装置，用于接收所述光束，并对光束的发散角进行改变，形成第二改变光束；第二会聚装置，用于接收所述第二改变光束，并进行会聚，形成出射光束；第三会聚装置，用于接收所述出射光束，进行会聚，形成会聚光束。
可选的，所述第二光束改变装置按照改变光束的方式分为光束发散装置二和光束聚焦装置二。
可选的，所述第二光束改变装置为负透镜组或正透镜组或正负透镜组合。
可选的，所述第二会聚装置为正透镜组或正负透镜组合。
可选的，所述第三会聚装置为正透镜组或正负透镜组合。
可选的，所述第二光束改变装置与所述第二会聚装置的焦距比可变。
一种光学系统的使用方法，包括：通过光源发射光束；所述光束进入聚光单元进行会聚，形成会聚光束，所述会聚光束的光斑大小可变。
一种3D打印设备，包括：光源，发射光束；聚光单元，接收光束，形成会聚光束，所述会聚光束的光斑大小可变；扫描单元，接收会聚光束，并扫描所述会聚光束的光斑。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明技术方案中，利用所述第一光束改变装置在所述光路中的切入和切出，改变进入会聚装置的光束的直径和入射角，获得了光斑变化的效果；同时利用所述第一光束改变装置切入到所述光路当中，整个光学系统的焦距改变，实现光斑的变化不再受到发散装置的移动范围限制，所形成的光斑大小可变。
进一步，所述聚光单元中的所述第二光束改变装置与所述第二会装置的焦距比可变，通过焦距比变化调整所述光束进入到第三会聚装置的光束的直径和入射角，从而获得大小可变的光斑。
进一步，由于所述光学系统可以实现光斑的大小可变，3D打印设备可以根据成型平面的大小，调节适合的光斑，从而提高了3D打印的成型速度。
附图说明
图1至图4是本发明光学系统一种方案中各实施例的各步骤对应的结构及光斑形成示意图；
图5至图8是本发明光学系统另一种方案中各实施例的各步骤对应的结构及光斑形成示意图；
图9是一种具体的3D打印设备结构示意图。
具体实施方式
目前改变光斑的方法通常是采用两组透镜，其中一组是发散透镜、一组是聚焦透镜，所述发散透镜在光路方向上移动，所述聚焦透镜在光路方向上固定。
首先，调节好所述发散透镜和所述聚焦透镜的位置，使其在扫描幅面上的光斑聚焦。将此时所述发散透镜的移动初始位置记为v0。
然后，将所述发散透镜的移动初始位置移动到v1。通过变所述发散透镜的移动初始位置v0到初始位置v1实现的移动实现光斑大小可变，扫描时，所述发散透镜以初始位置v1前后移动。
目前改变光束倍率通常采用的方法是加入倍率可调的光束扩束器，但是成本比价昂贵。
发明人发现，所述扫描幅面越大，所述发散透镜以初始位置前后移动距离就要越大，所述发散透镜从初始位置v0到初始位置v1所需的距离就越大。但是市面上所述发散透镜的移动范围有限，不能有效地实现光斑的大小发生变化。
发明人发现，虽然还可以将所述发散透镜的行程做成很长来实现光斑的大小可变，但是这就造成耗费较大。
发明人发现，改变光束直径的方法中，使用的透镜数量较多，同时结构比较复杂，导致实际的操作过程繁琐，如果利用光束扩束器实现变倍率扩束，成本太高。
发明人研究发现，通过在光路中增加一个光束改变装置，改变了原来的光束路径，整个光学系统的焦长变化，聚焦点就可以在所述扫描幅面的后方不断移动，在所述扫描幅面上形成一个没有聚焦、大小可变的光斑。
发明人还研究发现，改变所述光束改变装置和所述会聚装置的焦距比，就可以实现光束的变倍扩束，从而形成大小可变的光斑，这种实现光斑大小变化的结构简单，生产成本低。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细地说明。
图1至图4是本发明光学系统的一种方案各实施例的各步骤对应的结构及光斑形成示意图。
第一实施例
首先参考图1，光学系统包括：光源100、第一光束改变装置200、发散装置300、第一会聚装置400、运动装置500以及扫描幅面600。
所述光源100发射光束101，所述光束101依次穿过第一光束改变装置200、发散装置300、第一会聚装置400到达扫描幅面600。
本实施例中，所述运动装置500分别与第一光束改变装置200、发散装置300以及第一会聚装置400连接，用于控制所述第一光束改变装置200、发散装置300以及第一会聚装置400在所述光路中的运动。
参考图2，通过图1中运动装置500将所述第一光束改变装置200切出所述光束。
本实施例中，所述发散装置300采用双凹透镜。其他实施例中，所述发散装置300可以还可以采用凸凹透镜或者平凹透镜或者正负透镜组合或正透镜组。
本实施例中，所述第一会聚装置400为双凸透镜。其他实施例中，所述第一会聚装置400还可以为平凸透镜或者凹凸透镜或者正负透镜组合。
继续参考图2，所述第一光束改变装置200切出所述光束时，所述光束101经过所述发散装置300的发散作用形成发散光束301；所述第一会聚装置400接受到所述发散光束301，并对所述发散光束301进行会聚，形成会聚光束401；所述会聚光束401在所述扫描幅面600上形成一个聚焦的光斑O1。
此时光斑大小的变化可以通过所述发散装置300在所述光束中移动或者所述第一会聚装置400在所述光束中移动，从而实现光斑大小可变。
参考图3，通过图1中运动装置500将所述第一光束改变装置200切入到所述光束中。
本实施例中，所述第一光束改变装置200对所述光束进行聚焦，所述第一光束改变装置200采用光束聚焦装置一201。
本实施例中，所述光束聚焦装置一201采用双凸透镜。其他实施例中，所述光束聚焦装置一201还可以采用平凸透镜或者凹凸透镜或者正负透镜组合。
本实施例中，所述光束聚焦装置一201接受所述光束101，并进行第一次聚焦，形成第一次聚焦光束211；所述发散装置300，接收所述第一次聚焦光束211，进行发散，形成发散光束311；第一会聚装置400，接收所述发散光束311，进行会聚，形成会聚光束411。
其他实施例中，所述光束聚焦装置一201可以接收所述发散装置300发射的发散光束，进行聚焦，形成第一聚焦光束，并将第一聚焦光束发射至第一会聚装置400。
另外，所述光束聚焦装置一201可以接收所述第一会聚装置400发射的会聚光束，进行聚焦，形成第一聚焦光束，并将第一聚焦光束发射至扫描幅面600。
继续参考图3，当所述光束聚焦装置一201切入到所述光束中时，所述光学系统的焦长变短，所以经过第一会聚装置400会聚之后，在所述扫描幅面600的前方形成焦点，在所述扫描幅面600上形成一个未聚焦的光斑O2。该过程的光斑形成如图中虚线所示。
本实施例中，所述光束聚焦装置一201的入射面与所述光束101之间的夹角为90°。其他实施例中，所述第一发散装置200的入射面与所述光束101之间的夹角大于0°，小于180°。
本实施例中，当所述光束聚焦装置一201切入到所述光束中时，所述发散装置300和所述第一会聚装置400在所述光路方向上保持静止。
其他实施例中，当所述光束聚焦装置一201切入到所述光束中时，所述发散装置300和所述第一会聚装置400可以在所述光路方向上进行移动。
本实施例中，所述光束聚焦装置一201距离所述发散装置300的远近不同，在所述扫描幅面600上的未聚焦的光斑大小也不同。
本实施例中，当所述光束聚焦装置一201切入到所述光束中时，由于所述光束聚焦装置一201的移动不再受到初始位置的限制，所以所述光束聚焦装置一201可以根据需要光斑的大小进行移动，从而在所述扫描幅面600上能够有效地实现光斑的变化。
本实施例中，当所述光束聚焦装置一201切入到所述光束中时，替代了原先改变所述发散装置初始位置的方式来实现光斑大小的变化，在不改变原先发散装置初始位置，就可以实现光斑大小的变化，结构简单。
本实施例中，形成光斑所需要的光束聚焦装置一201、发散装置300以及第一会聚装置400的数量各一个。
其他实施例中，所述光束聚焦装置一201、发散装置300以及第一会聚装置400的数量可以根据实际需要形成光斑的大小进行设定。
采用上述光学系统进行光斑大小变化的方法，所述光束聚焦装置一201切入到所述光束中，所述光源100发射光束101；所述光束101经过所述光束聚焦装置一201，受到第一次聚焦作用后，形成第一聚焦光束211；第一聚焦光束211经过所述发散装置300，受到发散作用，形成发散光束311；所述发散光束311，在第一会聚装置400的会聚作用下形成会聚光束411，所述会聚光束411的光斑大小可变。
第二实施例
第二实施例相对于第一实施例的区别仅仅在于，所述第一光束改变装置200采用光束发散装置一202。
本实施例中，所述光束发散装置一202采用平凹透镜。其他实施例中，所述光束发散装置一202可以还可以采用凸凹透镜或者双凹透镜或者正负透镜组合。
参考图4，通过图1中的所述运动装置500将所述光束发散装置一202切入到所述光束中。
本实施例中，所述光束发散装置一202接受所述光束101，并进行发散，形成发散光束222；所述发散装置300，接收所述发散光束222，再进行发散，形成发散光束322；第一会聚装置400，接收所述发散光束322，进行会聚，形成会聚光束422。
继续参考图4，所述光束发散装置一202切入到所述光束中后，所述光学系统的焦长变长，所以经过第一会聚装置400会聚之后，在所述扫描幅面600的后方形成焦点，在所述扫描幅面600上形成一个未聚焦的光斑O3。该过程的光斑形成如图中虚线所示。
其他实施例中，所述光束发散装置一202可以接收所述发散装置300发射的发散光束，再进行发散，形成发散光束，并将发散光束发射至第一会聚装置400。
另外，所述光束发散装置一202可以接收所述第一会聚装置400发射的会发散光束，进行发散，形成发散光束，并将发散光束发射至扫描幅面600。
图5至图8是本发明光学系统的另一种方案实施例中各步骤对应的结构及光斑形成示意图。
第三实施例
光学系统包括：提供光源100、第二光束改变装置700、第二会聚装置800、第三会聚装置900。
本实施例中，第二光束改变装置700为光束聚焦装置二701。
本实施例中，参考图5，提供光源100、光束聚焦装置二701、第二会聚装置800、第三会聚装置900。
本实施例中，所述光束聚焦装置二701采用双凸透镜。其他实施例中，所述光束聚焦装置二701还可以采用平凸透镜或者凹凸透镜或者正负透镜组合。
本实施例中，所述第二会聚装置800为双凸透镜。其他实施例中，所述第二会聚装置800还可以为平凸透镜或者凹凸透镜或者正负透镜组合。
本实施例中，所述第三会聚装置900为双凸透镜。其他实施例中，所述第三会聚装置900还可以为平凸透镜或者凹凸透镜或者正负透镜组合。
本实施例中，所述光束聚焦装置二701与所述第二会聚装置800的焦距比可变。
如图5所示，所述光源100发射所述光束101，所述光束聚焦装置二701接收所述光束101，并进行聚焦后，再次发散形成光束711；所述第二会聚装置800接收所述光束711，并进行会聚，形成出射光束811；所述第三会聚装置900接收所述出射光束811进行会聚，形成会聚光束911，在所述扫描幅面600上形成光斑O4。
参考图6，改变所述光束聚焦装置二701的焦长，变成光束聚焦装置二701'，此时所述光束聚焦装置二701与所述第二会聚装置800的焦距比发生变化。
本实施例中，所述光束聚焦装置二701'接收所述光束101，并进行聚焦后，再次发散形成光束712；所述第二会聚装置800接收所述光束712，并进行会聚，形成出射光束812；所述第三会聚装置900接收所述出射光束812进行会聚，形成会聚光束912。
继续参考图6，上述技术方案由于所述光束聚焦装置二701与所述第二会聚装置800的焦距比改变，所述光束聚焦装置二701变成光束聚焦装置二701'，所述光束101的会聚倍率发生变化，经过所述第三会聚装置900会聚之后，所述会聚光束由911变成912，所述会聚光束的光斑发生变化，在所述扫描幅面600上形成光斑O5，该过程的光斑形成如图中虚线所示。
本实施例中，利用所述光束聚焦装置二701与所述第二会聚装置800的焦距比改变，形成了两种及两种以上倍率的会聚光束，进而实现两种及两种以上倍率的光斑大小，结构简单，使用更加方便，成本低。
采用上述光学系统进行光斑大小变化的方法，所述光源100发射光束101，所述光束101经过所述光束聚焦装置二701后；形成光束711，所述光束711经过所述第二会聚装置800后，形成出射光束811；所述出射光束811经过所述第三会聚装置900后，形成会聚光束911；改变所述光束聚焦装置二701与所述第二会聚装置800的焦距比，所述会聚光束911倍率发生变化，从而所述会聚光束911的光斑大小可变。
第四实施例
第四实施例相对于第三实施例的区别仅仅在于，所述第二光束改变装置700为光束发散装置二702。
本实施例中，所述光束发散装置二702采用平凹透镜。其他实施例中，所述光束发散装置二702可以还可以采用凸凹透镜或者双凹透镜或者正负透镜组合。
如图7所示，所述光源100发射所述光束101，所述光束发散装置二702接收所述光束101，并进行发散，形成发散光束721；所述第二会聚装置800接收所述发散光束721，并进行会聚，形成出射光束821；所述第三会聚装置900接收所述出射光束821进行会聚，形成会聚光束921，在所述扫描幅面600上形成光斑O6。
参考图8，改变所述光束发散装置二702的焦长，变成光束发散装置二702'，此时所述光束发散装置二702与所述第二会聚装置800的焦距比发生变化。
本实施例中，所述光束发散装置二702'接收所述光束101，并进行发散，形成发散光束722；所述第二会聚装置800接收所述发散光束722，并进行会聚，形成出射光束822；所述第三会聚装置900接收所述出射光束822进行会聚，形成会聚光束922。
继续参考图8，上述技术方案由于所述光束发散装置二702'与所述第二会聚装置800的焦距比相对于所述光束发散装置二702与所述第二会聚装置800的焦距比发生变化，此时光束101的会聚倍率发生变化，经过所述第三会聚装置900会聚之后，所述会聚光束由921变成922，所述会聚光束的光斑发生变化，在所述扫描幅面600上形成光斑O7，该过程的光斑形成如图中虚线所示。
本实施例中，所述第二光束改变装置700与所述第二会聚装置800的焦距比变化是通过改变所述第二光束改变装置700的焦长实现的。
其他实施例中，实现所述第二光束改变装置700与所述第二会聚装置800的焦距比可变，可以改变所述第二会聚装置800的焦长或者是所述第二光束改变装置700与所述第二会聚装置800的焦长同时改变。
参考图9，提供一种具体的3D打印设备结构示意图。
本实施例中，提供一种3D打印设备，该3D打印设备利用第一实施例与第二实施例的光学系统从而实现光斑大小可变，提高3D打印效率和质量。
本实施例中，所述3D打印设备包括：光源，发射光束；聚光单元，接收光束，形成会聚光束，所述会聚光束的光斑大小可变；扫描单元，接收会聚光束，并扫描所述会聚光束的光斑。
本实施例中，所述3D打印设备包括：所述光学系统22、盛放光固化材料的容器24、构建板25、Z轴移动机构23和处理系统21。
本实施例中，所述处理系统21用于控制所述光源100发射光束101，并将所述光束101形成的光斑投射到固化平面上。
本实施例中，所述光学系统22采用第一实施例和第二实施例中提供的光学系统。
本实施例中，所述盛放光固化材料的容器24中盛放可光固化的材料，其中，所述盛放光固化材料的容器24中的材料填充到目标固化平面。其中，所述材料包括但不限于：树脂、金属粉末、尼龙、或多种材料的混合等。
本实施例中，所述构建板25位于所述盛放光固化材料的容器24内，用于承载所述材料经光固化后形成的分层构建物体。
本实施例中，所述Z轴移动机构23与所述构建板25相连，用于控制所述构建板25在所述盛放光固化材料的容器24内沿Z轴移动。
本实施例中，所述光束101经过所述光学系统22的作用后形成光斑，所述处理系统21将所述光束101形成的光斑投射到固化平面上，所述光固化材料发生固化，所述构建板25承载所述材料经光固化后形成的分层构建物体，所述Z轴移动机构23带着所述构建板25在所述述盛放光固化材料的容器24内沿Z轴移动。
采用上述所述3D打印设备进行光斑大小变化的方法，所述第一光束改变装置200切入到所述光束，此时所述光学系统22中的所述聚光单元包括第一光束改变装置200、发散装置300以及第一会聚装置400时，以所述第一光束改变装置200为光束聚焦装置一201为例，此时进行光斑大小变化的方法，包括：所述光源100发射光束101；所述光束101经过所述光束聚焦装置一201，受到第一次聚焦作用后，形成第一聚焦光束211；第一聚焦光束211经过所述发散装置300，受到发散作用，形成发散光束311；所述发散光束311，在第一会聚装置400的会聚作用下形成会聚光束411，所述会聚光束411的光斑大小可变。
采用上述所述3D打印设备进行光斑大小变化的方法，所述第一光束改变装置200切出所述光束，此时所述光学系统22中的所述聚光单元包括发散装置300以及第一会聚装置400，进行光斑大小变化的方法，包括：所述光束101经过所述发散装置300的发散作用形成发散光束301；所述第一会聚装置400接受到所述发散光束301，并对所述发散光束301进行会聚，形成会聚光束401，所述会聚光束401的光斑大小可变。
采用上述所述3D打印设备进行光斑大小变化的方法，当光学系统22中的所述聚光单元包括第二光束改变装置700、第二会聚装置800以及第三会聚装置900时，以第二光束改变装置700为光束聚焦装置二701为例，此时进行光斑大小变化的方法，包括：所述光束聚焦装置二701与所述第二会聚装置800的焦距比可变，所述光源100发射光束101，所述光束101经过所述光束聚焦装置二701后；形成光束711，所述光束711经过所述第二会聚装置800后，形成出射光束811；所述出射光束811经过所述第三会聚装置900后，形成会聚光束911；改变所述光束聚焦装置二701的焦长，所述光束聚焦装置二701与所述第二会聚装置800的焦距比发生变化，所述会聚光束911倍率发生变化，从而所述会聚光束911的光斑大小可变。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (16)

1.一种光学系统，其特征在于，包括：
光源，发射光束；
聚光单元，接收光束，形成会聚光束，所述会聚光束的光斑大小可变。
2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，聚光单元包括：
第一光束改变装置，用于接收所述光束，并对光束的发散角进行改变，形成第一改变光束；
发散装置，用于接收所述第一改变光束，对进行发散，形成发散光束；
第一会聚装置，用于接收所述发散光束，进行会聚，形成会聚光束。
3.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述第一光束改变装置切入到所述光束或者所述第一光束改变装置切出所述光束。
4.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述第一光束改变装置按照改变光束的方式分为光束发散装置一和光束聚焦装置一。
5.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述第一光束改变装置为负透镜组或正透镜组或正负透镜组合。
6.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述第一光束改变装置的入射面与所述光束的角度在0°-180°之间。
7.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述发散装置为负透镜组或正负透镜组合或正透镜组。
8.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述第一会聚装置为正透镜组或正负透镜组合。
9.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述聚光单元包括：
第二光束改变装置，用于接收所述光束，并对光束的发散角进行改变，形成第二改变光束；
第二会聚装置，用于接收所述第二改变光束，并进行会聚，形成出射光束；
第三会聚装置，用于接收所述出射光束，进行会聚，形成会聚光束。
10.如权利要求9所述的光学系统，其特征在于，所述第二光束改变装置按照改变光束的方式分为光束发散装置二和光束聚焦装置二。
11.如权利要求9所述的光学系统，其特征在于，所述第二光束改变装置为负透镜组或正透镜组或正负透镜组合。
12.如权利要求9所述的光学系统，其特征在于，所述第二会聚装置为正透镜组或正负透镜组合。
13.如权利要求9所述的光学系统，其特征在于，所述第三会聚装置为正透镜组或正负透镜组合。
14.如权利要求9所述的光学系统，其特征在于，所述第二光束改变装置与所述第二会聚装置的焦距比可变。
15.一种权利要求1～14任一项的光学系统的使用方法，其特征在于，包括：
通过光源发射光束；
所述光束进入聚光单元进行会聚，形成会聚光束，所述会聚光束的光斑大小可变。
16.一种3D打印设备，包括：
光源，发射光束；
聚光单元，接收光束，形成会聚光束，所述会聚光束的光斑大小可变；
扫描单元，接收会聚光束，并扫描所述会聚光束的光斑。
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