CN115061284A - 一种菲涅尔透镜3d打印边缘光斑矫正装置及矫正方法 - Google Patents

一种菲涅尔透镜3d打印边缘光斑矫正装置及矫正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种菲涅尔透镜3D打印边缘光斑矫正装置及矫正方法，该方法通过特殊的菲涅尔透镜将倾斜射入的圆形光束变为椭圆形光束，经过聚焦后，倾斜射入的椭圆形光束投影在水平设置的打印工作面，椭圆形光束的短边被拉伸，形成圆形光斑；因此，无论光束是垂直还是倾斜的，投影到打印工作面上均形成圆形的打印光斑，且圆形的打印光斑的尺寸大小统一，打印扫面线宽也为相同宽度，能极大的提高打印质量，整个过程无需任何软件补偿算法和任何运动控制矫正，实现方式简单。

Description

一种菲涅尔透镜3D打印边缘光斑矫正装置及矫正方法
技术领域
本发明属于3D打印机技术领域，尤其涉及一种菲涅尔透镜3D打印边缘光斑矫正装置及矫正方法。
背景技术
增材制造，即3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，通过逐层打印金属、塑料、陶瓷、砂等可粘合材料的方式来成型物体的技术，突破了传统工艺的加工限制，能够快速成型具备复杂结构的零件。根据耗材种类及送料方式的不同，3D打印装置采用的技术类型也不同，包括：光固化成型技术SLA、选区激光熔化技术SLM、选区激光烧结技术简称SLS。其中，SLS、SLM工艺都是基于层层铺粉后采用激光器等热源对粉体进行烧结或者熔覆。
在振镜扫描打印过程中，扫描光束在不同的扫描位置会出现倾斜情况，扫描坐标不同，倾斜斜率也不一样。因此在打印过程中，中间部分的打印质量会比较好，边缘位置的打印质量会下降。
针对上述问题，本申请人的在先申请提出了一种激光3D打印机边缘光斑面积补偿方法(授权公布号：CN113459678B)和一种3D打印机调焦装置(授权公布号：CN215867306U)。一种激光3D打印机边缘光斑面积补偿方法包括以下步骤：取光束垂直照射至打印平台时的光斑直径为理想扫描线宽；扫描过程中，当光束倾斜照射至打印平台时，基于光束的倾斜角度以及照射到打印平台上的光斑的扫描方向，通过光斑倾斜补偿法计算决定实际扫描线宽的两个端点，使得实际扫描线宽的两个端点的距离与理想扫描线宽相同；通过变焦系统不断地调整光斑的面积，使光斑的实际扫描线宽的两个端点的位置与前述两个端点位置一致，用不断调整的光斑完成扫描。一种3D打印机调焦装置包括依次设置于外壳内部的光源、聚焦镜组、调焦透镜组以及将扩散的光束调整为平行光束或聚焦光束的光束调整透镜组；所述的光源、聚焦镜组、调焦透镜组和光束调整透镜组的中心位于同一条直线上；所述的光源、聚焦镜组和光束调整透镜组均与外壳固定，调焦透镜组与外壳滑动连接；所述的调焦透镜组包括两个相同的第一凹透镜，第一凹透镜的两面均为凹面。
上述两专利实际上是通过软件算法和实时动态对焦对边缘光斑进行实时动态调整倍率，进而让整个打印幅面的扫描线宽保持恒定。但是这套系统无论是软件算法还控制系统均比较复杂，因此需要一套简单的方式能实现边缘光斑和中心光斑尺寸保持一样。
发明内容
本发明提供了一种菲涅尔透镜3D打印边缘光斑矫正装置及矫正方法，以解决现有边缘光斑实时动态调整的控制系统及软件算法复杂的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
本发明涉及一种菲涅尔透镜3D打印边缘光斑矫正装置，其包括菲涅尔透镜、成像镜头和打印工作面；
所述的菲涅尔透镜用于沿其直径方向缩短倾斜射入的圆形光束的直径，进而将圆形光束变为椭圆形光束；所述的菲涅尔透镜的上表面设有从内到外设置的编号依次为1～m1的第一环形锯齿，m1为大于等于2的整数，各第一环形锯齿的宽度均相等，第一环形锯齿的编号越大，其朝向菲涅尔透镜轴心的斜面的倾斜角越小；所述的菲涅尔透镜的下表面设有从内到外设置的编号依次为1～m2的第二环形锯齿，m2为大于等于m1的整数，各第二环形锯齿的宽度均相等，第二环形锯齿的宽度小于第一环形锯齿的宽度，第二环形锯齿的背向菲涅尔透镜轴心的斜面的倾斜角与编号相同的第一环形锯齿的朝向菲涅尔透镜轴心的斜面的倾斜角相同；
所述的成像镜头平行间隔设置于菲涅尔透镜的下方，成像镜头为有光焦度的成像镜头，用于对光束进行聚焦；
所述的打印工作面平行间隔设置于成像镜头的下方，对于倾斜射到打印工作面的椭圆形光束，在投影到打印工作面时，短边被拉长，形成圆形打印光斑。
优选地，相邻的两个第一环形锯齿或相邻的两个第二环形锯齿的倾斜角度满足以下公式：
Figure BDA0003753093610000021
公式中，H为菲涅尔透镜的厚度，n为菲涅尔透镜所用玻璃材料的折射率，b为光束的入射角度，D1为入射光束的直径，D2为出射光束的直径，ai为编号为i的第一环形锯齿或第二环形锯齿的倾斜角度，ai+1为编号为i+1的第一环形锯齿或第二环形锯齿的倾斜角度，1≤i＜m1。
本发明还涉及一种3D打印边缘光斑矫正方法，其包括以下步骤：
1)圆形的光束透过菲涅尔透镜：对于垂直射入的光束，透过菲涅尔透镜后，光束仍为圆形光束；对于倾斜射入的光束，透过菲涅尔透镜后，光束的直径沿着菲涅尔透镜直径的方向缩短，进而形成椭圆形光束；
2)光束进一步透过成像镜头，成像镜头对光束进行聚焦，等比例缩小光束尺寸；
3)光束投影到打印工作面上形成打印光斑：对于垂直射入的光束，其投影到打印工作面上的打印光斑为圆形光斑；对于倾斜射入的光束，在投影到打印工作面时，椭圆形光束的短边被拉长，形成圆形的打印光斑。
优选地，所述的步骤1)的具体实现方式为：
1.1)圆形光束倾斜地从编号为i至编号为j的第一环形锯齿的朝向菲涅尔透镜轴心的斜面射入，1≤i≤j≤m1，从编号为i+1的第一环形锯齿射入的部分光束的折射角大于从编号为i的第一环形锯齿射入的部分光束；
1.2)从编号为i+1的第一环形锯齿射入的光束经过折射后，部分从编号为i+1的第二环形锯齿的背向菲涅尔透镜轴心的斜面射出，部分则从编号为i的第二环形锯齿的背向菲涅尔透镜轴心的斜面射出；其中，从编号为i+1的第一环形锯齿射入且从编号为i+1的第二环形锯齿射出的部分光束的方向与进入菲涅尔透镜前光束的方向平行，射出的光束向菲涅尔透镜直径方向轴心处靠拢，且靠拢距离大于从编号为i的第一环形锯齿射入且从编号为i的第二环形锯齿射出的部分光束的靠拢距离；从编号为i+1的第一环形锯齿射入且从编号为i的第二环形锯齿射出的部分光束的方向改变，形成杂散光，杂散光射出3D打印边缘光斑矫正装置；保留在3D打印边缘光斑矫正装置中的部分光束的形状变为椭圆形。
优选地，所述的步骤3)中通过调整成像镜头与打印工作面的间距，调整投影到打印工作面上的圆形光斑的尺寸。
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1.本发明涉及的菲涅尔透镜3D打印边缘光斑矫正装置及矫正方法是通过特殊的菲涅尔透镜将倾斜射入的圆形光束变为椭圆形光束，经过聚焦后，倾斜射入的椭圆形光束投影在水平设置的打印工作面，椭圆形光束的短边被拉伸，形成圆形光斑；因此，无论光束是垂直还是倾斜的，投影到打印工作面上均形成圆形的打印光斑，且圆形的打印光斑的尺寸大小统一，打印扫面线宽也为相同宽度，能极大的提高打印质量。
2.将倾斜射入的圆形光束变为椭圆形光束，经过聚焦后，倾斜射入的椭圆形光束投影在水平设置的打印工作面，椭圆形光束的短边被拉伸，形成圆形光斑，整个过程无需任何软件补偿算法和任何运动控制矫正，实现方式简单。
附图说明
图1是本发明涉及的菲涅尔透镜3D打印边缘光斑矫正装置的结构示意图；
图2是菲涅尔透镜的立体图；
图3是菲涅尔透镜的径向剖视图；
图4是相邻第一环形锯齿或相邻第二环形锯齿的倾斜角度关系图；
图5是光束从两个相邻第一环形锯齿射入后变形的原理图；
图6是杂散光射出打印边缘光斑矫正装置的原理图；
图7是光束从三个相邻第一环形锯齿射入后变形的原理图；
图8是光束从多个相邻第一环形锯齿射入后变形的原理图；
图9是光束从多个相邻第一环形锯齿射入后光斑形状等效为椭圆光斑的图；
图10是垂直、倾斜射入菲涅尔透镜时，透过菲涅尔透镜后的光束形状图；
图11是光束透过成像镜头聚焦前后的光束形状示意图；
图12是光束投影到打印工作面后的打印光斑形状图；
图13是成像镜头和打印工作面不同间距下光斑尺寸大小对比图。
附图说明：1-菲涅尔透镜，11-第一环形锯齿，12-第二环形锯齿，2-成像镜头，3-打印工作面。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合实施例对本发明作详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
参照附图1所示，本发明涉及一种菲涅尔透镜3D打印边缘光斑矫正装置，其包括菲涅尔透镜1、成像镜头2和打印工作面3。
参照附图2和3所示，所述的菲涅尔透镜1用于沿其直径方向缩短倾斜射入的圆形光束的直径，进而将圆形光束变为椭圆形光束；所述的菲涅尔透镜1的上表面设有从内到外设置的编号依次为1～m1的第一环形锯齿11，m1为大于等于2的整数，各第一环形锯齿11的宽度均相等，第一环形锯齿11的编号越大，其朝向菲涅尔透镜轴心的斜面的倾斜角越小；所述的菲涅尔透镜1的下表面设有从内到外设置的编号依次为1～m2的第二环形锯齿12，m2为大于等于m1的整数，各第二环形锯齿12的宽度均相等，第二环形锯齿12的宽度小于第一环形锯齿11的宽度，第二环形锯齿12的背向菲涅尔透镜1轴心的斜面的倾斜角与编号相同的第一环形锯齿11的朝向菲涅尔透镜轴心的斜面的倾斜角相同；参照图4所示，相邻的两个第一环形锯齿或相邻的两个第二环形锯齿的倾斜角度满足以下公式：
Figure BDA0003753093610000051
公式中，H为菲涅尔透镜的厚度，n为菲涅尔透镜所用玻璃材料的折射率，b为光束的入射角度，D1为入射光束的直径，D2为出射光束的直径，ai为编号为i的第一环形锯齿或第二环形锯齿的倾斜角度，ai+1为编号为i+1的第一环形锯齿或第二环形锯齿的倾斜角度，1≤i＜m1。
参照附图1所示，所述的成像镜头2平行间隔设置于菲涅尔透镜1的下方，成像镜头2为有光焦度的成像镜头，用于对光束进行聚焦；所述的打印工作面3平行间隔设置于成像镜头2的下方，对于倾斜射到打印工作面的椭圆形光束，在投影到打印工作面3时，短边被拉长，进而形成圆形打印光斑。
实施例2
本发明还涉及一种3D打印边缘光斑矫正方法，其包括以下步骤：
1)圆形的光束透过菲涅尔透镜：根据公式(1)，当垂直光束需要保持圆形光斑不发生变化，即式中的D1＝D2，垂直入射的角度b为0，则需要ai＝ai+1，即最里面若干第一环状锯齿11和第二环状锯齿12的倾斜角需要保持角度不变，且倾斜角保持不变的第一环状锯齿11和第二环状锯齿12的个数由入射的光束的直径D1决定。对于中心的初始角度的选择，考虑到随着随着距离中心越远，角度逐渐开始变小，为了保证边缘的锯齿角度也能大于0，中心角度必须大于某个角度，如图10所述，令振镜扫描轴与菲涅尔透镜的距离为L，光束在菲涅尔透镜表面处光束与中心的最大距离为r，则镜片中心的锯齿角度a0应该满足如下条件：
Figure BDA0003753093610000052
因此，垂直射入的光束透过菲涅尔透镜后，光束仍为圆形光束；
对于倾斜射入的光束，透过菲涅尔透镜后，光束的直径沿着菲涅尔透镜直径的方向缩短，进而形成椭圆形光束，具体实现方式为：
1.1)圆形光束倾斜地从编号为i至编号为j的第一环形锯齿的朝向菲涅尔透镜轴心的斜面射入，1≤i≤j≤m1，由于编号为i的第一环形锯齿朝向菲涅尔透镜轴心的斜面的倾斜角度大于编号为i+1的第一环形锯齿朝向菲涅尔透镜轴心的斜面的倾斜角度，故从编号为i+1的第一环形锯齿射入的部分光束的折射角大于从编号为i的第一环形锯齿射入的部分光束；
1.2)从编号为i+1的第一环形锯齿射入的光束经过折射后，部分从编号为i+1的第二环形锯齿的背向菲涅尔透镜轴心的斜面射出，部分则从编号为i的第二环形锯齿的背向菲涅尔透镜轴心的斜面射出；其中，由于编号相同的第一环形锯齿和第二环形锯齿的斜面的倾斜角相同，从编号为i+1的第一环形锯齿射入且从编号为i+1的第二环形锯齿射出的部分光束的方向与进入菲涅尔透镜前光束的方向平行，射出的光束向菲涅尔透镜直径方向轴心处靠拢，且靠拢距离大于从编号为i的第一环形锯齿射入且从编号为i的第二环形锯齿射出的部分光束的靠拢距离；由于编号为i+1的第一环形锯齿的斜面的倾斜角与编号为i的第二环形锯齿的斜面的倾斜角不同，从编号为i+1的第一环形锯齿射入且从编号为i的第二环形锯齿射出的部分光束的方向改变，形成杂散光，杂散光射出3D打印边缘光斑矫正装置；保留在3D打印边缘光斑矫正装置中的部分光束的形状变为椭圆形。
参照附图5所示，当光束从两个相邻的第一环形锯齿11射入时，光束可分为光束I和光束II，由于外侧第一环形锯齿11的锯齿角度小于内侧第一环形锯齿11的锯齿角度，因此，光束I和光束II经过折射后，光束II向内侧倾斜的角度比光束I向内侧倾斜的角度大，即光束II向光束I靠近；由于第二环形锯齿12的长度小于第一环形锯齿11的长度，且上下编号对应的第一环形锯齿11和第二环形锯齿12的倾斜角相同，当光束从菲涅尔透镜1射出时，经过内侧第一环形锯齿11折射后再经过内侧第二环形锯齿12射出的光束以及经过外侧第一环形锯齿11折射后再经过外侧第二环形锯齿12射出的光束会重新变得平行，重叠的部分光束因出射的下表面倾角与上表面不相同，因此射出的方向与入射光方向也不相同，最终变为杂散光与主光束以固定夹角的方式分离，并不再与主光束在同一个地方聚焦成像，如图6所示。
当光束从相邻的三个第一环形锯齿11射入和从相邻的多个第一环形锯齿11射入时，光束在射入菲涅尔透镜1前、位于菲涅尔透镜1内、射出菲涅尔透镜1的形状分别如图7和图8所示，因此，当第一环形锯齿11和第二环形锯齿12足够密集时，从菲涅尔透镜1射出的光束无限接近于一个椭圆形，如图9所示。
综上所述，光束透过菲涅尔透镜1后光束的形状如图10所示，当光束垂直射入时，光束透过菲涅尔透镜1后仍为圆形；当光束倾斜射入时，光束透过菲涅尔透镜1后为椭圆形。
2)光束进一步透过成像镜头，成像镜头对光束进行聚焦，透过成像镜头后可等比例缩小光束尺寸，参照图11所示；
3)光束投影到打印工作面上形成打印光斑：对于垂直射入的光束，其投影到打印工作面上的打印光斑为圆形光斑；对于倾斜射入的光束，在投影到打印工作面时，椭圆形光束的短边被拉长，形成圆形的打印光斑，如图12所示；通过调整成像镜头与打印工作面的间距，调整投影到打印工作面上的圆形光斑的尺寸，如图13所述。
以上结合实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (5)

1.一种菲涅尔透镜3D打印边缘光斑矫正装置，其特征在于：其包括菲涅尔透镜、成像镜头和打印工作面；
所述的菲涅尔透镜用于沿其直径方向缩短倾斜射入的圆形光束的直径，进而将圆形光束变为椭圆形光束；所述的菲涅尔透镜的上表面设有从内到外设置的编号依次为1～m1的第一环形锯齿，m1为大于等于2的整数，各第一环形锯齿的宽度均相等，第一环形锯齿的编号越大，其朝向菲涅尔透镜轴心的斜面的倾斜角越小；所述的菲涅尔透镜的下表面设有从内到外设置的编号依次为1～m2的第二环形锯齿，m2为大于等于m1的整数，各第二环形锯齿的宽度均相等，第二环形锯齿的宽度小于第一环形锯齿的宽度，第二环形锯齿的背向菲涅尔透镜轴心的斜面的倾斜角与编号相同的第一环形锯齿的朝向菲涅尔透镜轴心的斜面的倾斜角相同；所述的成像镜头平行间隔设置于菲涅尔透镜的下方，成像镜头为有光焦度的成像镜头，用于对光束进行聚焦；
所述的打印工作面平行间隔设置于成像镜头的下方，对于倾斜射到打印工作面的椭圆形光束，在投影到打印工作面时，短边被拉长，形成圆形打印光斑。
2.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜3D打印边缘光斑矫正装置，其特征在于：相邻的两个第一环形锯齿或相邻的两个第二环形锯齿的倾斜角度满足以下公式：
Figure FDA0003753093600000011
公式中，H为菲涅尔透镜的厚度，n为菲涅尔透镜所用玻璃材料的折射率，b为光束的入射角度，D1为入射光束的直径，D2为出射光束的直径，ai为编号为i的第一环形锯齿或第二环形锯齿的倾斜角度，ai+1为编号为i+1的第一环形锯齿或第二环形锯齿的倾斜角度，1≤i＜m1。
3.一种基于权利要求1或2所述的菲涅尔透镜3D打印边缘光斑矫正装置的3D打印边缘光斑矫正方法，其特征在于：其包括以下步骤：
1)圆形的光束透过菲涅尔透镜：对于垂直射入的光束，透过菲涅尔透镜后，光束仍为圆形光束；对于倾斜射入的光束，透过菲涅尔透镜后，光束的直径沿着菲涅尔透镜直径的方向缩短，进而形成椭圆形光束；
2)光束进一步透过成像镜头，成像镜头对光束进行聚焦，等比例缩小光束尺寸；
3)光束投影到打印工作面上形成打印光斑：对于垂直射入的光束，其投影到打印工作面上的打印光斑为圆形光斑；对于倾斜射入的光束，在投影到打印工作面时，椭圆形光束的短边被拉长，形成圆形的打印光斑。
4.根据权利要求3所述的3D打印边缘光斑矫正方法，其特征在于：所述的步骤1)的具体实现方式为：
1.1)圆形光束倾斜地从编号为i至编号为j的第一环形锯齿的朝向菲涅尔透镜轴心的斜面射入，1≤i≤j≤m1，从编号为i+1的第一环形锯齿射入的部分光束的折射角大于从编号为i的第一环形锯齿射入的部分光束；
1.2)从编号为i+1的第一环形锯齿射入的光束经过折射后，部分从编号为i+1的第二环形锯齿的背向菲涅尔透镜轴心的斜面射出，部分则从编号为i的第二环形锯齿的背向菲涅尔透镜轴心的斜面射出；其中，从编号为i+1的第一环形锯齿射入且从编号为i+1的第二环形锯齿射出的部分光束的方向与进入菲涅尔透镜前光束的方向平行，射出的光束向菲涅尔透镜直径方向轴心处靠拢，且靠拢距离大于从编号为i的第一环形锯齿射入且从编号为i的第二环形锯齿射出的部分光束的靠拢距离；从编号为i+1的第一环形锯齿射入且从编号为i的第二环形锯齿射出的部分光束的方向改变，形成杂散光，杂散光射出3D打印边缘光斑矫正装置；保留在3D打印边缘光斑矫正装置中的部分光束的形状变为椭圆形。
5.根据权利要求3所述的3D打印边缘光斑矫正方法，其特征在于：所述的步骤3)中通过调整成像镜头与打印工作面的间距，调整投影到打印工作面上的圆形光斑的尺寸。
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