CN114506073B - 具有辅助调焦功能的面投影系统及dlp-3d光固化打印系统 - Google Patents

具有辅助调焦功能的面投影系统及dlp-3d光固化打印系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有辅助调焦功能的面投影系统及基于所述面投影系统的DLP‑3D光固化打印系统，其包括有面投影成像系统、均匀照明系统、辅助调焦系统和主光源，所述面投影成像系统设于投影工作面的上方，所述均匀照明系统用于将主光源发出的光束传输至所述面投影成像系统，所述辅助调焦系统用于调节所述面投影成像系统的聚焦机构，以令所述面投影成像系统在所述投影工作面上投射清晰图案。本发明可通过辅助调焦系统的细调得到更加清晰的调焦，能实现打印过程中调焦精度可变，进而提高打印精度以及提升自动化性能。

Description

具有辅助调焦功能的面投影系统及DLP-3D光固化打印系统
技术领域
本发明涉及3D打印系统，尤其涉及一种具有辅助调焦功能的面投影系统及基于所述面投影系统的DLP-3D光固化打印系统。
背景技术
现有技术中，紫外光固化或激光烧结正从传统的立体光固化成型(SLA)和选择性激光粉末烧结(SLS)转向DLP(数字光处理器)3D打印技术，从而形成可实现面投影的紫外光固化和面投影激光烧结打印技术。其中，DLP-3D打印具有打印速度快、打印精度高等特点，甚至可以通过拼接和滚动来实现大幅面打印，其打印速度比传统的SLA和SLS快几十倍，此外，DLP面投影的另一个应用是PCB无掩模曝光，在PCB刻蚀工艺流程中不需要制作掩膜，可以直接把PCB的Layout显示在DLP面板上，然后通过投影系统在PCB光刻胶上实现面曝光刻蚀，这将为PCB的刻蚀生产带来极大的方便和效率。
在此基础上，DLP面投影紫外光固化和近红外激光烧结3D打印技术，以及PCB无掩模曝光技术将在未来几年会得到快速发展，DLP面投影3D打印系统和PCB无掩模曝光系统需要清晰地调焦，以在3D打印工作面或PCB光刻胶面上形成清晰的图案，但是DLP-3D光固化和PCB曝光的紫外光会直接形成固化或刻蚀，DLP-3D近红外的激光也不可见，而且功率很高，所以DLP面投影应用系统如何实现清晰调焦是个技术难点。当前系统根据工作平台的高度来预设调焦位置，这种不能根据实际的3D打印设备来细调，严重影响了打印精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种可通过细调得到更加清晰的调焦，能实现打印过程中调焦精度可变，进而提高打印精度以及提升自动化性能的具有辅助调焦功能的面投影系统及DLP-3D光固化打印系统。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种具有辅助调焦功能的面投影系统，其包括有面投影成像系统、均匀照明系统、辅助调焦系统和主光源，所述面投影成像系统设于投影工作面的上方，所述均匀照明系统用于将主光源发出的光束传输至所述面投影成像系统，所述辅助调焦系统用于调节所述面投影成像系统的聚焦机构，以令所述面投影成像系统在所述投影工作面上投射清晰图案。
优选地，所述辅助调焦系统包括有用于驱动所述聚焦机构运动的调焦步进马达，所述调焦步进马达根据所述辅助调焦系统发出的信号调整所述面投影成像系统，进而在所述投影工作面上得到清晰的聚焦图案。
优选地，所述辅助调焦系统包括有激光测距模组，所述激光测距模组朝向所述投影工作面，所述激光测距模组用于测量所述面投影成像系统与所述投影工作面之间的距离。
优选地，所述辅助调焦系统包括有摄像头，所述摄像头朝向所述投影工作面，所述摄像头用于拍摄所述投影工作面上的辅助调焦图案，以供所述辅助调焦系统判断是否得到清晰聚焦图案。
优选地，所述辅助调焦系统包括有调焦辅助光源，所述均匀照明系统内设有二向色板，所述调焦辅助光源和所述主光源分设于所述二向色板的两个入光侧，所述二向色板用于将所述调焦辅助光源和所述主光源发出的光束择一地传输至所述面投影成像系统；其中，所述调焦辅助光源仅在进行辅助调焦时打开，在系统工作状态下仅点亮所述主光源。
优选地，所述均匀照明系统内设有匀光器件，所述匀光器件设于所述二向色板的出光侧。
优选地，所述主光源发出的光束为峰值波长小于430nm的短波长紫外光或者峰值波长为700nm～1100nm之间的近红外波长激光；其中，小于430nm的短波长光用于紫外光固化，700nm～1100nm波长的光用于红外烧结。
优选地，所述调焦辅助光源发出的光束为峰值波长大于480nm的可见光；其中，所述调焦辅助光源不对投影工作台上的材料有感应，所述均匀照明系统和所述面投影成像系统对所述调焦辅助光源的光谱有一定的透过率。
一种DLP-3D光固化打印系统，其包括有DLP面投影系统，所述DLP面投影系统包括有面投影成像系统、均匀照明系统、辅助调焦系统和主光源，所述面投影成像系统设于投影工作面的上方，所述均匀照明系统用于将主光源发出的光束传输至所述面投影成像系统，所述辅助调焦系统用于调节所述面投影成像系统的聚焦机构，以令所述面投影成像系统在所述投影工作面上投射清晰图案；所述辅助调焦系统包括有调焦步进马达、激光测距模组、摄像头和调焦辅助光源，其中：所述调焦步进马达用于驱使所述聚焦机构运动；所述激光测距模组用于测量所述面投影成像系统与所述投影工作面之间的距离；所述摄像头用于拍摄所述投影工作面上的聚焦图案；所述均匀照明系统内设有二向色板，所述调焦辅助光源和所述主光源分设于所述二向色板的两个入光侧，所述二向色板用于将所述调焦辅助光源和所述主光源发出的光束择一地传输至所述面投影成像系统。
优选地，包括有精密升降移动机构，所述DLP面投影系统安装于所述精密升降移动机构的升降运动端，所述DLP-3D光固化打印系统的主控制器预设有与不同图像幅面分别对应的聚焦高度位置数据，当所述DLP面投影系统投射图像的幅面发生变化时，所述DLP-3D光固化打印系统的主控制器调用与当前图像幅面相对应的聚焦高度位置数据，并根据所述聚焦高度位置数据控制所述精密升降移动机构升降运动至相应位置，以令所述面投影系统投射的图像自动聚焦于所述投影工作面上；其中，所述摄像头用于拍摄所述投影工作面上的辅助调焦图案，以供所述辅助调焦系统判断是否得到清晰聚焦图案，并通过所述调焦步进马达微调所述面投影成像系统。
本发明公开的具有辅助调焦功能的面投影系统中，所述主光源、均匀照明系统和面投影成像系统构成一个面投影系统的基本结构，用于在3D打印或PCB曝光的所述投影工作面上形成面型结构图像，在此基础上，本发明设置有一个辅助调焦系统，利用所述辅助调焦系统调整聚焦机构进而实现清晰成像，由此解决了面投影系统在调试过程中无法实现清晰调焦的问题，进而满足应用需求。
附图说明
图1为本发明面投影系统的组成框图；
图2为面投影成像系统和均匀照明系统的结构示意图；
图3为本发明面投影系统的结构示意图；
图4为DLP-3D光固化打印系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
本发明公开了一种具有辅助调焦功能的面投影系统，结合图1至图3所示，其包括有面投影成像系统1、均匀照明系统2、辅助调焦系统3和主光源5，所述面投影成像系统1设于投影工作面4的上方，所述均匀照明系统2用于将主光源5发出的光束传输至所述面投影成像系统1，所述辅助调焦系统3用于调节所述面投影成像系统1的聚焦机构，以令所述面投影成像系统1在所述投影工作面4上投射清晰图案。
上述系统中，所述主光源5、均匀照明系统2和面投影成像系统1构成一个面投影系统的基本结构，用于在3D打印或PCB曝光的所述投影工作面4上形成面型结构图像，在此基础上，本发明设置有一个辅助调焦系统3，利用所述辅助调焦系统3调整聚焦机构进而实现清晰成像，由此解决了面投影系统在调试过程中无法实现清晰调焦的问题，进而满足应用需求。
请参见图2，关于具体的调焦方式，在本实施例中，所述辅助调焦系统3包括有用于驱动所述聚焦机构运动的调焦步进马达30。此外，所述辅助调焦系统3还包括有激光测距模组31，所述激光测距模组31朝向所述投影工作面4，所述激光测距模组31用于测量所述面投影成像系统1与所述投影工作面4之间的距离。
上述结构中，所述辅助调焦系统3包括有用于驱动所述聚焦机构运动的调焦步进马达30，所述调焦步进马达30根据所述辅助调焦系统3发出的信号调整所述面投影成像系统1，进而在所述投影工作面4上得到清晰的聚焦图案。具体地，所述调焦步进马达30安装在所述面投影成像系统上，所述激光测距模组31可以测量面投影系统与所述投影工作面4之间的距离，再结合对所述调焦步进马达30的运动控制来校准聚焦位置。
作为一种优选方式，请参见图3，所述辅助调焦系统3包括有摄像头32，所述摄像头32朝向所述投影工作面4，所述摄像头32用于拍摄所述投影工作面4上的辅助调焦图案，以供所述辅助调焦系统3判断是否得到清晰聚焦图案。具体的调焦过程中，还通过摄像头获得工作面上的调焦图案，再通过步进马达来实现自动调焦。
进一步地，所述辅助调焦系统3包括有调焦辅助光源33，所述均匀照明系统2内设有二向色板34，所述调焦辅助光源33和所述主光源5分设于所述二向色板34的两个入光侧，所述二向色板34用于将所述调焦辅助光源33和所述主光源5发出的光束择一地传输至所述面投影成像系统1；其中，所述调焦辅助光源33仅在进行辅助调焦时打开，在系统工作状态下仅点亮所述主光源5。所述均匀照明系统2内设有匀光器件20，所述匀光器件20设于所述二向色板34的出光侧。
关于所述主光源5和所述调焦辅助光源33的光束类型，本实施例中，所述主光源5发出的光束为峰值波长小于430nm的短波长紫外光或者峰值波长为700nm～1100nm之间的近红外波长激光，其中，小于430nm的短波长光用于紫外光固化，700nm～1100nm波长的光用于红外烧结。
进一步地，所述调焦辅助光源33发出的光束为峰值波长大于480nm的可见光。其中，所述调焦辅助光源33不对投影工作台上的材料有感应，所述均匀照明系统2和所述面投影成像系统1对所述调焦辅助光源33的光谱有一定的透过率。
上述系统的工作原理为：辅助调焦系统由一个集成到照明系统的辅助光源和聚焦调整机构组成，其中辅助光源通过均匀照明系统来照明DLP面板，然后通过面投影成像系统在工作面上形成调焦图案，辅助光源的光谱一般为可见光，且不会引起树脂材料的固化或光刻胶的刻蚀。聚焦机构可以集成到面投影成像系统或面投影系统的上下移动机构上。其中用于面投影系统的主波长一般是短波长紫外光源，峰值波长小于430nm,或者是近红外波长激光，峰值波长从700nm到1100nm。而调焦辅助光源一般是可见光波段，峰值波长大于480nm。主光源的光束与调焦辅助光源的光束将被二向色板器件组合成同轴光束，经匀光器件后进入面投影成像系统。面投影系统在调焦时，只点亮调焦辅助光源，经匀光后照明DLP面板，DLP显示的调焦图案将投射到工作面上，可以通过手动调整面投影成像系统，或安装在上下移动机构上的面投影系统，来实现面投影系统的清晰调焦。
基于上述面投影系统，本实施例还提出了一种DLP-3D光固化打印系统，请参见图4，其包括有DLP面投影系统，所述DLP面投影系统包括有面投影成像系统1、均匀照明系统2、辅助调焦系统3和主光源5，所述面投影成像系统1设于投影工作面4的上方，所述均匀照明系统2用于将主光源5发出的光束传输至所述面投影成像系统1，所述辅助调焦系统3用于调节所述面投影成像系统1的聚焦机构，以令所述面投影成像系统1在所述投影工作面4上投射清晰图案；
所述辅助调焦系统3包括有调焦步进马达30、激光测距模组31、摄像头32和调焦辅助光源33，其中：
所述调焦步进马达30用于驱使所述聚焦机构运动；
所述激光测距模组31用于测量所述面投影成像系统1与所述投影工作面4之间的距离；
所述摄像头32用于拍摄所述投影工作面4上的聚焦图案；
所述均匀照明系统2内设有二向色板34，所述调焦辅助光源33和所述主光源5分设于所述二向色板34的两个入光侧，所述二向色板34用于将所述调焦辅助光源33和所述主光源5发出的光束择一地传输至所述面投影成像系统1。
进一步地，该DLP-3D光固化打印系统还包括有精密升降移动机构7，所述DLP面投影系统安装于所述精密升降移动机构7的升降运动端，所述DLP-3D光固化打印系统的主控制器预设有与不同图像幅面分别对应的聚焦高度位置数据，当所述DLP面投影系统投射图像的幅面发生变化时，所述DLP-3D光固化打印系统的主控制器调用与当前图像幅面相对应的聚焦高度位置数据，并根据所述聚焦高度位置数据控制所述精密升降移动机构7升降运动至相应位置，以令所述面投影系统投射的图像自动聚焦于所述投影工作面4上。其中，所述摄像头32用于拍摄所述投影工作面4上的辅助调焦图案，以供所述辅助调焦系统3判断是否得到清晰聚焦图案，并通过所述调焦步进马达30微调所述面投影成像系统1。
上述DLP-3D光固化打印系统中，所述均匀照明系统和面投影成像系统构成了一个DLP面投影系统，所述DLP面投影系统安装在所述精密升降移动机构7上，通过所述精密升降移动机构7驱使所述面投影系统上下移动，可针对不同的打印幅面大小来自动调整打印精度。具体地，自动辅助调焦系统由调焦辅助光源、摄像头和安装在所述面投影成像系统上的调焦步进马达组成，调焦辅助光源集成到所述均匀照明系统里，由二向色镜与3D打印用的主光源合成到一个同轴光束，照明DLP面板后在工作面形成调焦图案，摄像头获取工作面上的调焦图案后，驱动步进马达来实现清晰聚焦。在可调精度面投影3D光固化打印时，通过移动精密移动机构，自动调到不同精度的打印幅面，然后通过自动辅助调焦系统实现清晰聚焦。具体地，所述调焦辅助光源与3D打印用的主光源，由一个二向色板合成到一个同轴光束，然后通过匀光器件，均匀照明DLP面板。3D打印的主光源波长一般在300～430nm,而调焦辅助光源的波长在480nm以上，并且光功率密度比较低，不会引起树脂材料的固化。
基于上述系统结构和工作原理可见，本发明公开的具有辅助调焦功能的面投影系统及DLP-3D光固化打印系统，其相比现有技术而言的有益效果在于，本发明通过增设调焦辅助系统，可以针对每台3D打印系统进行细调焦，进而得到更清晰的调焦，使得系统打印精度更高，而且本发明采用的调焦辅助光源波长可不同于3D打印的主波长光源，在调焦过程中不会造成树胶的固化。此外本发明在3D打印过程中的实现了调焦精度可变，在调整到不同的打印幅面时，可根据预设高度位置数据实现自动调焦，并借助辅助调焦系统而得到更清晰的聚焦图案，进而提升打印精度。
以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (2)

1.一种具有辅助调焦功能的面投影系统，其特征在于，包括有面投影成像系统(1)、均匀照明系统(2)、辅助调焦系统(3)和主光源(5)，所述面投影成像系统(1)设于投影工作面(4)的上方，所述均匀照明系统(2)用于将主光源(5)发出的光束传输至所述面投影成像系统(1)，所述辅助调焦系统(3)用于调节所述面投影成像系统(1)的聚焦机构，以令所述面投影成像系统(1)在所述投影工作面(4)上投射清晰图案；
所述辅助调焦系统(3)包括有用于驱动所述聚焦机构运动的调焦步进马达(30)，所述调焦步进马达(30)根据所述辅助调焦系统(3)发出的信号调整所述面投影成像系统(1)，进而在所述投影工作面(4)上得到清晰的聚焦图案；
所述辅助调焦系统(3)包括有激光测距模组(31)，所述激光测距模组(31)朝向所述投影工作面(4)，所述激光测距模组(31)用于测量所述面投影成像系统(1)与所述投影工作面(4)之间的距离；
所述辅助调焦系统(3)包括有摄像头(32)，所述摄像头(32)朝向所述投影工作面(4)，所述摄像头(32)用于拍摄所述投影工作面(4)上的辅助调焦图案，以供所述辅助调焦系统(3)判断是否得到清晰聚焦图案；
所述辅助调焦系统(3)包括有调焦辅助光源(33)，所述均匀照明系统(2)内设有二向色板(34)，所述调焦辅助光源(33)和所述主光源(5)分设于所述二向色板(34)的两个入光侧，所述二向色板(34)用于将所述调焦辅助光源(33)和所述主光源(5)发出的光束择一地传输至所述面投影成像系统(1)；其中，所述调焦辅助光源(33)仅在进行辅助调焦时打开，在系统工作状态下仅点亮所述主光源(5)；
所述均匀照明系统(2)内设有匀光器件(20)，所述匀光器件(20)设于所述二向色板(34)的出光侧；
所述主光源(5)发出的光束为峰值波长小于430nm的短波长紫外光或者峰值波长为700nm～1100nm之间的近红外波长激光；其中，小于430nm的短波长光用于紫外光固化，700nm～1100nm波长的光用于红外烧结；
所述调焦辅助光源(33)发出的光束为峰值波长大于480nm的可见光；其中，所述调焦辅助光源(33)不对投影工作台上的材料有感应，所述均匀照明系统(2)和所述面投影成像系统(1)对所述调焦辅助光源(33)的光谱有一定的透过率。
2.一种DLP-3D光固化打印系统，其特征在于，包括有DLP面投影系统，所述DLP面投影系统包括有面投影成像系统(1)、均匀照明系统(2)、辅助调焦系统(3)和主光源(5)，所述面投影成像系统(1)设于投影工作面(4)的上方，所述均匀照明系统(2)用于将主光源(5)发出的光束传输至所述面投影成像系统(1)，所述辅助调焦系统(3)用于调节所述面投影成像系统(1)的聚焦机构，以令所述面投影成像系统(1)在所述投影工作面(4)上投射清晰图案；
所述辅助调焦系统(3)包括有调焦步进马达(30)、激光测距模组(31)、摄像头(32)和调焦辅助光源(33)，其中：
所述调焦步进马达(30)用于驱使所述聚焦机构运动；
所述激光测距模组(31)用于测量所述面投影成像系统(1)与所述投影工作面(4)之间的距离；
所述摄像头(32)用于拍摄所述投影工作面(4)上的聚焦图案；
所述均匀照明系统(2)内设有二向色板(34)，所述调焦辅助光源(33)和所述主光源(5)分设于所述二向色板(34)的两个入光侧，所述二向色板(34)用于将所述调焦辅助光源(33)和所述主光源(5)发出的光束择一地传输至所述面投影成像系统(1)；
包括有精密升降移动机构(7)，所述DLP面投影系统安装于所述精密升降移动机构(7)的升降运动端，所述DLP-3D光固化打印系统的主控制器预设有与不同图像幅面分别对应的聚焦高度位置数据，当所述DLP面投影系统投射图像的幅面发生变化时，所述DLP-3D光固化打印系统的主控制器调用与当前图像幅面相对应的聚焦高度位置数据，并根据所述聚焦高度位置数据控制所述精密升降移动机构(7)升降运动至相应位置，以令所述面投影系统投射的图像自动聚焦于所述投影工作面(4)上，其中，所述摄像头(32)用于拍摄所述投影工作面(4)上的辅助调焦图案，以供所述辅助调焦系统(3)判断是否得到清晰聚焦图案，并通过所述调焦步进马达(30)微调所述面投影成像系统(1)。
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