CN114536749B - Lcd光固化3d打印机动态背光分布实时计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及3D打印技术领域，为LCD光固化3D打印机动态背光分布实时计算方法与光源模组，包括在LCD入光面上构建一个二维辐照度分布网格，构建LED调光块功率与子辐照度分布网格一一对应的数据库，获取待打印模型的切片图像数据，将切片图像分区，使得每一个切片图像的分区对应LED背光源阵列中的一个LED调光块，根据分区内像素的灰度信息计算LED调光块的初始功率，得到各LED调光块的实际功率，将各子辐照度网格拼接在一起，计算LED背光源阵列的总体辐照度分布情况。本发明通过实时计算LED背光源阵列中LED调光块功率变化时的LCD入光面辐照度，最终得到LED背光源的总体辐照度分布情况，可以降低3D打印机能耗、提升打印精度，实现多灰度和高均匀度打印。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及LCD光固化3D打印机动态背光分布实时计算方法与光源模组。
背景技术
LCD光固化3D打印技术是一种全新的3D打印技术，采用面曝光技术，具有成本低、打印精度高和效率高的优点。其组成结构自上而下，一般为紫外光源，二次配光用光学元件、LCD液晶屏、料槽、以及可上下移动的工作台与Z轴，其中紫外光源是影响打印质量的关键因素之一。LCD光固化打印机通过控制LCD液晶屏每个像素的曝光能量的不同来实现光敏树脂不同图层图案的打印，曝光能量既取决于像素的灰度值，也取决于物理像素入光面的紫外光辐照度。像素灰度值由待打印模型的切片数据决定，紫外光辐照度则由紫外光源决定。
现有的紫外光源一般可分为集成光源和阵列式光源，前者的结构和控制较为简单，存在着功耗大、漏光等问题，且紫外光源长时间直射LCD液晶屏，导致LCD液晶屏寿命缩短；后者可以实现更高的均匀度，同时随着独立分区控制的引入，更是能起到降低功耗、提升LCD液晶屏使用寿命的作用，但采用独立分区控制的阵列式光源中的每个光源只有全开或者全关两种状态，调节范围有限，而且光源明暗变化时，紫外光源的辐照度变化情况难以预知计算，这导致现有阵列光源技术无法有效解决多灰度打印问题和高均匀度打印问题，最终影响打印质量，需要一种LCD光固化3D打印机动态背光分布实时计算方法准确计算紫外光源的辐照度变化。
发明内容
为解决现有技术所存在的技术问题，本发明提供本发明提供的LCD光固化3D打印机动态背光分布实时计算方法和光源模组，通过实时计算LED背光源阵列中任何一个LED调光块功率动态变化时的LCD液晶屏入光面辐照度，获取待打印模型的切片图像数据，将切片图像分区使得每一个切片图像的分区对应LED背光源阵列中的一个LED调光块，根据分区内像素的灰度信息计算LED调光块的初始功率，最终得到紫外LED背光源的总体辐照度分布情况；可以降低3D打印机能耗、提升打印精度的同时，可以实现多灰度打印和高均匀度打印。
本发明的目的是提供LCD光固化3D打印机动态背光分布实时计算方法。
本发明的另一目的是提供LCD光固化3D打印机动态背光光源模组。
LCD光固化3D打印机动态背光分布实时计算方法采用以下技术方案来实现：
LCD光固化3D打印机动态背光分布实时计算方法，包括以下步骤：
S1、在LCD入光面上构建一个二维辐照度分布网格，二维辐照度分布网格与LCD入光面重合且大小相同；
S2、调节某一LED调光块的功率大小，测量该LED调光块不同功率大小时在二维辐照度分布网格内的辐照度值，根据所述辐照度值得到与该LED调光块对应的子辐照度分布网格构建LED调光块功率与子辐照度分布网格一一对应的数据库；
S3、在紫外LED背光源平面上构建二维光源坐标网格，调整二维的子辐照度分布网格与二维光源坐标网格位置，使得子辐照分布网格在LED阵列平面上的正投影与二维光源坐标网格完全重合。
S4、获取待打印模型的切片图像数据，将切片图像分区，使得每一个切片图像的分区对应LED背光源阵列中的一个LED调光块；
S5、根据分区内像素的灰度信息计算LED调光块的初始功率，将该初始功率与步骤S2中所述的数据库比对，选取与初始功率最接近的功率，得到各LED调光块的实际功率；
S6、按照步骤S3中的各子辐照度分布网格与二维光源坐标网格的相对位置，每个子辐照度分布网格对应一个LED调光块，然后将各子辐照度网格拼接在一起；各子辐照度网格重合的部分，其内的值直接相加，各子辐照度网格未重合的部分，其内的值保持不变，得到LED背光源阵列的总体辐照度分布情况；
S7、输入新一帧切片图像时，跳到步骤S4，并按顺序执行步骤S4-S7。
优选地，所述步骤S2中的LED调光块为紫外LED阵列光源中的一个LED调光块，通过紫外辐照度测量仪器测量LED调光块在二维辐照度分布网格内的辐照度值。
优选地，所述步骤S2具体包括：分别测量LED调光块的功率为0W、0.5W、1W、2W、3W时在二维辐照度分布网格内的辐照度值。
优选地，所述步骤S3构建的二维光源坐标网格的网格间距与步骤S1中的二维辐照度分布网格的网格间距相同，将每一个LED调光块的子辐照度分布网格中心与二维光源坐标网格该LED调光块所在的小方格对应。
具体的，所述步骤S5中的LED调光块的初始功率计算公式为：
其中，Gxy表示一个图像分区内(x,y)处像素点的灰度值，G为像素点可显示的最大灰度值，k为比例常数。
LCD光固化3D打印机动态背光光源模组采用以下技术方案来实现：
LCD光固化3D打印机动态背光光源模组，包括LCD液晶屏、遮光罩、紫外LED阵列光源和PCB板，其特征在于，LED阵列光源固定在PCB板上，紫外LED阵列光源和PCB板电连接，紫外LED阵列光源包括多个LED调光块，每个LED调光块上方设有透镜，各个LED调光块与PCB板电连接。
优选地，所述遮光罩环形包围LED阵列光源，遮光罩包括多个梯形侧壁，遮光罩的侧壁与LED阵列光源平面形成一夹角，所述夹角和单个透镜的发光角度一致。
优选地，所述光源模组还设置有扩散片，扩散片固定于遮光罩上，位于透镜和LCD液晶屏之间。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明提供的LCD光固化3D打印机动态背光分布实时计算方法，通过实时计算LED背光源阵列中任何一个LED调光块功率动态变化时的LCD液晶屏入光面辐照度，获取待打印模型的切片图像数据，将切片图像分区使得每一个切片图像的分区对应LED背光源阵列中的一个LED调光块，根据分区内像素的灰度信息计算LED调光块的初始功率，最终得到紫外LED背光源的总体辐照度分布情况；可以降低3D打印机能耗、提升打印精度的同时，可以实现多灰度打印和高均匀度打印。
2、本发明提供的LCD光固化3D打印机动态背光光源模组包括多个LED调光块，每个LED调光块上方设有透镜，紫外LED阵列光源中每个LED都是单独可控，经透镜调光后，紫外LED阵列光源中单个LED调光块发光角度小且照度均匀，可以实现紫外LED阵列光源与LCD液晶屏图像分区的一一映射关系。
3、本发明提供的LCD光固化3D打印机动态背光光源模组光源模组还设置有扩散片，扩散片固定于遮光罩上，位于透镜和LCD液晶屏之间，扩散片将原本收束的光线进行一度程度的扩散，可以改善光源模组发光均匀性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明的实施例1中一种背光分布实时计算方法的流程图；
图2为本发明的实施例1中LCD光固化3D打印机背光源和LCD相对位置示意图；
图3为本发明的实施例1中相邻两个LED调光块的子辐照度分布矩阵示意图；
图4本发明的实施例1中相邻两个LED调光块的子辐照度分布矩阵的合并结果示意图；
图5为本发明的实施例2中紫外光源模组侧视图；
图6为本发明的实施例2中紫外光源模组剖视图；
图7为本发明的实施例3中紫外光源模组侧视图；
图8为本发明的实施例3紫外光源模组剖视图；
图9为本发明的实施例4带有扩散片的光源模组侧视图；
图中标号为：101-LCD液晶屏，102-遮光罩，103-透镜，104-紫外LED阵列光源，104-1-LED调光块，104-1-1-LED芯片，105-PCB板，201-LCD液晶屏，202-遮光罩，203-透镜，204-紫外LED阵列光源，204-1-LED调光块，205-PCB板，301-LCD液晶屏，302-遮光罩，303-透镜，304-LED紫外阵列光源，304-1-LED调光块，305-PCB板，306-扩散片。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例，对本发明技术方案做进一步详细描述，显然所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，本发明的实施方式并不限于此。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1
如图1所示，本发明所述的一种LCD光固化3D打印机动态背光分布实时计算方法包括以下步骤：
S1、在LCD入光面上构建一个二维辐照度分布网格，二维辐照度分布网格与LCD入光面重合且大小相同。
LCD光固化3D打印机包括LCD液晶屏和紫外LED阵列光源，LCD液晶屏入光面上构建的二维辐照度分布网格是虚拟的，并不是物理存在的，二维辐照度分布网格用于确定后续步骤中紫外辐照度探测仪器的测量点。LCD液晶屏入光面是指LCD液晶屏被紫外背光源直接照射的一面，相应地，LCD液晶屏的另一面称为出光面。
S2、调节某一LED调光块的功率大小，测量该LED调光块不同功率大小时在二维辐照度分布网格内的辐照度值，根据所述辐照度值得到与该LED调光块对应的子辐照度分布网格构建LED调光块功率与子辐照度分布网格一一对应的数据库。
优选地，所述LED调光块为任意选取紫外LED阵列光源中的一个LED调光块，通过紫外辐照度测量仪器测量LED调光块在二维辐照度分布网格内的辐照度值。其中，紫外LED阵列光源由多个可独立控制的LED调光块组成，每个网格内的辐照度值可以多次测量取平均值，也可以只测量中心位置处的辐照度。
所述LED调光块功率分成k级，每一级的功率值是一确定值，由所述LED允许最大功率决定，其中k不小于2且为整数。优选的，LED调光块的最大允许功率为3W，可以分别测量调光块的功率为0W、0.5W、1W、2W、3W时的辐照度分布情况。将LED调光块的LED功率与子辐照度分布矩阵一一对应，一个LED调光块功率为0.5W时，对应一个子辐照度分布网格；该LED调光块功率为1W时对应另一个子辐照度分布网格，数据库记录了LED调光块在取值范围内取任意值时对应的子辐照度分布网格。
二维的子辐照度分布网格反映了紫外LED背光源阵列中一个LED调光块的辐照度分布情况，相应地，总辐照度分布矩阵反映了紫外LED背光源阵列中所有LED调光块总的辐照度分布情况。
S3、在紫外LED背光源平面上构建二维光源坐标网格，调整二维的子辐照度分布网格与二维光源坐标网格位置，使得子辐照分布网格在LED阵列平面上的正投影与二维光源坐标网格完全重合。
具体地，构建的二维光源坐标网格的网格间距与步骤S1中的二维辐照度分布网格的网格间距相同，将每一个LED调光块的子辐照度分布网格中心与二维光源坐标网格该LED调光块所在的小方格对应，使得子辐照分布网格线在LED阵列平面上的正投影与二维光源坐标网格线完全重合。
优选地，二维光源坐标网格中小方格的中心与所有LED调光块的中心对应重合，二维光源坐标网格记录了紫外LED背光源阵列中各LED调光块的位置和坐标信息。
S4、获取待打印模型的切片图像数据，将切片图像分区，使得每一个切片图像的分区对应LED背光源阵列中的一个LED调光块。
本实施例中，紫外LED背光源中调光块个数为5*5个，则需将图像分为5*5个分区，每个分区对应一个LED调光块。
S5、根据分区内像素的灰度信息计算LED调光块的初始功率，将该初始功率与步骤S3中所述的数据库比对，选取与初始功率最接近的功率，得到各LED调光块的实际功率。
本实施例中，LED调光块的初始功率可以统一选取每一分区内若干位置处的灰度值来计算，也可以选择每一分区内所有像素点的灰度值来计算初始功率。其中，LED调光块的初始功率计算公式可以如下所示：
其中，Gxy表示一个图像分区内(x,y)处像素点的灰度值，G为像素点可显示的最大灰度值，k为比例常数。
S6、按照步骤S3中的各子辐照度分布网格与二维光源坐标网格的相对位置，每个子辐照度分布网格对应一个LED调光块，然后将各子辐照度网格拼接在一起；各子辐照度网格重合的部分，其内的值直接相加，各子辐照度网格未重合的部分，其内的值保持不变，得到LED背光源阵列的总体辐照度分布情况。
如图2所示，图2为本发明的实施例中LCD光固化3D打印机背光源和LCD液晶屏相对位置示意图，B1和B2表示两个LED调光块，两者在同一平面上；B1和B2的正上方为LCD液晶屏。
如图3所示，为本相邻两个LED调光块的子辐照度分布矩阵示意图，图3中左边的子辐照度分布矩阵为LED调光块B1子辐照度分布网格，图3中右边的子辐照度分布矩阵为LED调光块B2子辐照度分布网格，LED调光块B1子辐照度分布网格和LED调光块B2的子辐照度分布网格均为5*5的网格，在紫外LED背光源平面上，LED调光块B1和LED调光块B2的y坐标相同，且x坐标相差2个网格，拼接时，将子辐照度分布网格中心分别置于对应的LED调光块的正上方，此时B1和B2对应的子辐照度分布网格有两列重合，阴影部分表示两个分布矩阵重合的点，另外三列不重合。重合的部分直接相加，不重合的部分保持不变，即可得到B1和B2的总的辐照度分布。
如图4所示，相邻两个LED调光块的子辐照度分布矩阵的合并结果示意图，由图3可知，两个5*5网格有两列重合(重合的部分用阴影表示你)，将图3中的网格合并后得到一个5*8的网格。上述为两个LED调光块子辐照度分布网格的拼接方法，多个LED调光块的拼接方式与之类似。
S7、输入新一帧切片图像时，跳到步骤S4，并按顺序执行步骤S4-S7。
输入新一帧切片图像时，需要重新计算LED调光块的总体辐照度分布，因为输入新图像时，紫外LED阵列光源中的LED调光块功率发生变化，因此LCD液晶屏入光面出总辐照度分布发生变化，需要按照步骤S4-S7重新计算总体辐照度分布。
实施例二
如图5所述，LCD光固化3D打印机动态背光光源模组，其背光分布实时计算方法与实施例一中的步骤相同，包括LCD液晶屏101、遮光罩102、LED阵列光源104和PCB板105，LED阵列光源104固定在PCB板105上，LED阵列光源104和PCB板105电连接，紫外LED阵列光源104包括多个LED调光块104-1，每个LED调光块104-1上方设有透镜103，各个LED调光块与PCB板电连接。
每个LED调光块104-1上方的透镜103可以对出光进行收束，使得每个LED调光块104-1的出光可以直接照射到LCD液晶屏101入光面上，保证了出光的均匀性。
优选地，紫外LED阵列光源104由5*5个LED调光块104-1组成，各个LED调光块规格相同。
如图6所示，每一个LED调光块由多个LED芯片组成，优选地，每一个LED调光块又由4个LED芯片104-1-1组成，同一调光块中各LED芯片的规格可以相同也可以不同，但各芯片的功率占LED调光块总功率的比值是预设固定值，其和为100％，比如四个芯片的功率占比可以分别设置为20％，20％，30％，30％。紫外LED阵列光源减少了对LED光源规格的限制，同时不同规格LED的自由组合也可使背光源紫外LED阵列提供不同波长的紫外光，可以实现不同材料的光固化。
进一步的，紫外LED阵列光源104与LCD液晶屏101之间的遮光罩102的侧视图呈倒梯形，遮光罩在上部和底部分别设有第一开孔和第二开孔，第一开孔大于第二开孔，第二开孔大小刚好把紫外LED阵列光源包围，遮光罩102环形包围LED阵列光源，可以减少漏光，减少对环境和人体的危害。
进一步的，遮光罩内表面设有涂有黑色吸光涂层，用于减弱漫反射、镜面反射光对总照度分布实时计算的影响。紫外LED阵列光源发光的光线会被上部的开口孔限制在一定范围内，被遮光罩反射的光线向下传播而不会向上传播，可以减弱漫反射、镜面反射光对总照度分布实时计算的影响。
实施例三
如图7、8所示，LCD光固化3D打印机动态背光光源模组，其背光分布实时计算方法与实施例一中的步骤相同，包括LCD液晶屏201、遮光罩202、紫外LED阵列光源204和PCB板205，LCD液晶屏201、紫外LED阵列光源204和PCB板205电连接，紫外LED阵列光源204固定在PCB板205上，紫外LED阵列光源204包括多个LED调光块204-1，每个LED调光块204-1上方设有透镜203，各个LED调光块电连接。
每个LED调光块204-1上方的透镜203可以对出光进行收束，使得每个LED调光块104-1的出光可以直接照射到LCD液晶屏101入光面上，保证了出光的均匀性。
优选地，紫外LED阵列光源204由5*5个紫外LED调光块204-1组成，各个LED调光块规格相同。
进一步的，紫外LED阵列光源204与LCD液晶屏201之间的遮光罩202的侧视图呈倒梯形，遮光罩环形包围LED阵列光源，遮光罩202包括多个梯形侧壁，遮光罩的侧壁与LED阵列光源平面形成一夹角，所述夹角和单个透镜的发光角度一致，使得光线沿着遮光片形成的斜面传播而几乎不在遮光片上发生反射、散射等现象，减少杂散光对LCD液晶屏入光面出实际背光辐照度矩阵的计算。
实施例四
如图9所示，LCD光固化3D打印机动态背光光源模组，其背光分布实时计算方法与实施例一中的步骤相同，包括LCD液晶屏301、遮光罩302、紫外LED阵列光源304、PCB板305和扩散片306，LCD液晶屏301、遮光罩302、紫外LED阵列光源304和PCB板305电连接，LED阵列光源304固定在PCB板305上，紫外LED阵列光源304包括多个LED调光块304-1，每个LED调光块304-1上方设有透镜303，各个LED调光块电连接。
本实施例与实施例三的不同之处在于：紫外LED阵列光源模组还设置有扩散片306，扩散片306固定于遮光罩302上，位于透镜303和LCD液晶屏301之间，扩散片306用于将原本收束的光线进行一度程度的扩散，以改善均匀性。
综上所述，紫外LED阵列光源中每个LED都是单独可控，即可以只改变任意一个LED的工作状态而不影响其他的LED的工作状态。经透镜等光学元件调光后，紫外LED阵列光源中单个LED调光块发光角度小且照度均匀，可以实现紫外LED阵列光源与LCD液晶屏图像分区的一一映射关系。同时LCD液晶屏光固化3D打印机动态背光分布实时计算的基础在于LED发出的紫外光直接照射在LCD液晶屏入光面上，LED发出的紫外光经遮光片等反射、散射后间接入射到LCD液晶屏入光面上，会对实时计算的准确度产生干扰。该紫外LED阵列光源模组在提供高均匀度、小角度发光的同时，可以提升实时计算的准确度。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.LCD光固化3D打印机动态背光分布实时计算方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、在LCD入光面上构建一个二维辐照度分布网格，二维辐照度分布网格与LCD入光面重合且大小相同；
S2、调节某一LED调光块的功率大小，测量该LED调光块不同功率大小时在二维辐照度分布网格内的辐照度值，根据所述辐照度值得到与该LED调光块对应的子辐照度分布网格构建LED调光块功率与子辐照度分布网格一一对应的数据库；
S3、在紫外LED背光源平面上构建二维光源坐标网格，调整二维的子辐照度分布网格与二维光源坐标网格位置，使得子辐照分布网格在LED阵列平面上的正投影与二维光源坐标网格完全重合；
S4、获取待打印模型的切片图像数据，将切片图像分区，使得每一个切片图像的分区对应LED背光源阵列中的一个LED调光块；
S5、根据分区内像素的灰度信息计算LED调光块的初始功率，将该初始功率与步骤S2中所述的数据库比对，选取与初始功率最接近的功率，得到各LED调光块的实际功率；
S6、按照步骤S3中的各子辐照度分布网格与二维光源坐标网格的相对位置，每个子辐照度分布网格对应一个LED调光块，然后将各子辐照度网格拼接在一起；各子辐照度网格重合的部分，其内的值直接相加，各子辐照度网格未重合的部分，其内的值保持不变，得到LED背光源阵列的总体辐照度分布情况；
S7、输入新一帧切片图像时，跳到步骤S4，并按顺序执行步骤S4-S7。
2.根据权利要求1所述LCD光固化3D打印机动态背光分布实时计算方法，其特征在于，所述步骤S2中的LED调光块为紫外LED阵列光源中的一个LED调光块，通过紫外辐照度测量仪器测量LED调光块在二维辐照度分布网格内的辐照度值。
3.根据权利要求2所述LCD光固化3D打印机动态背光分布实时计算方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：分别测量LED调光块的功率为0W、0.5W、1W、2W、3W时在二维辐照度分布网格内的辐照度值。
4.根据权利要求1所述LCD光固化3D打印机动态背光分布实时计算方法，其特征在于，所述步骤S3构建的二维光源坐标网格的网格间距与步骤S1中的二维辐照度分布网格的网格间距相同，将每一个LED调光块的子辐照度分布网格中心与二维光源坐标网格该LED调光块所在的小方格对应。
5.根据权利要求1所述LCD光固化3D打印机动态背光分布实时计算方法，其特征在于，所述步骤S5中的LED调光块的初始功率计算公式为：
其中，Gxy表示一个图像分区内(x,y)处像素点的灰度值，G为像素点可显示的最大灰度值，k为比例常数。
6.LCD光固化3D打印机动态背光光源模组，用于实现权利要求1所述的LCD光固化3D打印机动态背光分布实时计算方法，包括LCD液晶屏、遮光罩、紫外LED阵列光源和PCB板，其特征在于，紫外LED阵列光源固定在PCB板上，紫外LED阵列光源和PCB板电连接，紫外LED阵列光源包括多个LED调光块，每个LED调光块上方设有透镜，各个LED调光块与PCB板电连接；
紫外LED阵列光源与LCD液晶屏之间的遮光罩的侧视图呈倒梯形，遮光罩在上部和底部分别设有第一开孔和第二开孔，第一开孔大于第二开孔，第二开孔把紫外LED阵列光源包围；
所述遮光罩环形包围紫外LED阵列光源，遮光罩包括多个梯形侧壁，遮光罩的侧壁与LED阵列光源平面形成一夹角，所述夹角和单个透镜的发光角度一致。
7.根据权利要求6所述的LCD光固化3D打印机动态背光光源模组，其特征在于，所述的LED调光块由多个LED芯片组成，各LED芯片的规格不同，各芯片的功率占LED调光块总功率的比值是预设固定值。
8.根据权利要求6所述的LCD光固化3D打印机动态背光光源模组，其特征在于，所述光源模组还设置有扩散片，扩散片固定于遮光罩上，位于透镜和LCD液晶屏之间。
9.根据权利要求6-8任意一项权利要求所述的LCD光固化3D打印机动态背光光源模组，其特征在于，所述遮光罩内表面上设有涂有黑色吸光涂层。
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