CN115166953B - 使用轴锥镜的3d打印变倍装置及变倍方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用轴锥镜的3D打印变倍装置及变倍方法，属于3D打印技术领域。当输入光束为准直光束时，本发明利用轴锥镜输出光路也为准直光束，不影响整个光路系统的焦点的特性，实现了光束直径变倍与调焦的分离。实际使用中，只需要移动附图2中所示的第二轴锥镜4这一单独的镜片，以改变与固定安装的第一轴锥镜3的间距，即可改变光束直径倍率，变倍过程非常方便。并且，由于轴锥镜组件不参与焦距调节，当打印中出现焦点漂移时，可以排除变倍镜片即轴锥镜的原因，有利于提高对出现焦点漂移现象原因的定位速度。

Description

使用轴锥镜的3D打印变倍装置及变倍方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种使用轴锥镜的3D打印变倍装置及变倍方法。

背景技术

在3D打印技术领域，如需改变光束直径的倍率且保持焦距不变，通常使用变倍镜片和焦距补偿镜片相互配合来实现。比如公开号为“CN215867306U”的名称为一种3D打印机调焦装置的已授权专利，其使用附图1中所示的第一音圈电机5驱动第一凹透镜31、第二凸透镜32同时运动以进行变焦，通过第二音圈电机6驱动第三凸透镜33运动以进行调焦，进而调节打印处的光斑直径大小，以达到提高打印精度和打印效率的目的。但实际使用中，该方案存在以下两个局限：

1、打印中焦点失焦，第一凹透镜31、第二凸透镜32中的任意一个镜片运动位置不合理都有可能是出现焦点失焦的原因，但要判断出具体是哪个镜片的问题比较困难，需要反复调节两个镜片间的距离来寻找出现焦点失焦的原因，不能快速定位问题，非常麻烦。

2、初始安装时调试光束直径变倍倍率，由于第一凹透镜31、第二凸透镜32均能够影响焦距和倍率，因此准确的倍率必须依赖于准确的焦距，但由于3D打印光路中的成像光束数值孔径很小，常规值在NA0.01左右，导致其焦点处的高斯光束瑞利距离很长，在调制夹具中很难找到其精确的焦点，焦点的偏差会导致倍率值也出现偏差，因此初始装机时，由于难以找到准确的焦点，导致初始设定光束直径变倍倍率比较困难。

综上，本领域技术人员希望找到一种光学结构，能够使得光束直径倍率变化与焦距变化分离，在对光束直径进行变倍时，只改变倍率而不影响焦距，这样，实际打印中若焦点漂移，可以更加快速、准确的定位出现焦点漂移的原因进行。

发明内容

本发明以实现光束直径变倍与调焦分离为目的，提供了一种使用轴锥镜的3D打印变倍装置及变倍方法。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种使用轴锥镜的3D打印变倍装置，包括安装在所述3D打印变倍装置外壳内的轴锥镜组件和轴锥镜间距调节装置，准直后的光束入射到所述轴锥镜组件后，通过所述轴锥镜间距调节装置调节所述轴锥镜组件中的第一轴锥镜和第二轴锥镜的间距，以实现对入射光束直径的变倍。

作为优选，所述第一轴锥镜和所述第二轴锥镜相对设置。

作为优选，所述第一轴锥镜的凸面和所述第二轴锥镜的凸面相对设置。

作为优选，所述第一轴锥镜固定安装，所述第二轴锥镜滑动安装，所述轴锥镜间距调节装置驱动所述第二轴锥镜来回运动实现对所述第一轴锥镜和所述第二轴锥镜的间距调节。

作为优选，所述轴锥镜间距调节装置为音圈电机。

作为优选，通过以下公式（1）计算对所述入射光束的直径的变倍倍率：

公式（1）中， K表示变倍倍率；

L表示所述轴锥镜组件中的所述第一轴锥镜和所述第二轴锥镜的间距；

R₁表示入射到所述第一轴锥镜的所述光束的直径；

a表示所述第一轴锥镜的锥角；

n表示所述第一轴锥镜或所述第二轴锥镜的折射率。

作为优选，所述的使用轴锥镜的3D打印变倍装置还包括用于对所述光束进行准直的准直器，所述准直器、所述第一轴锥镜、所述第二轴锥镜的中心位点处于同一直线上。

作为优选，所述的使用轴锥镜的3D打印变倍装置还包括聚焦器件，所述聚焦器件将经所述轴锥镜组件作直径变倍后出射的所述光束进行聚焦后入射到3D打印工作面上。

作为优选，所述聚焦器件为聚焦透镜，所述聚焦透镜、所述第二轴锥镜、所述第一轴锥镜的中心位点在同一直线上，所述聚焦透镜的凸面与所述第二轴锥镜的平面相对，所述聚焦透镜对其凸面入射的所述光束进行聚焦后由其平面出射给振镜反射镜，所述振镜反射镜将入射的所述光束反射到所述3D打印工作面上。

作为优选，所述聚焦器件为FTheta镜头，经所述轴锥镜组件作直径变倍后的所述光束通过振镜反射镜的反射入射到所述FTheta镜头，所述FTheta镜头对入射的所述光束进行聚焦后出射到所述3D打印工作面上。

本发明还提供了一种使用轴锥镜的3D打印变倍方法，使用所述的3D打印变倍装置实现，包括步骤：

S1，调节安装在所述3D打印变倍装置中的轴锥镜组件中的第一轴锥镜和第二轴锥镜间的距离，以设定光束直径变倍倍率；

S2，将准直后的光束入射到所述轴锥镜组件中，所述轴锥镜组件输出经直径变倍后的所述光束并经聚焦后出射到3D打印工作面上。

本发明具有以下有益效果：

1、输入光束为准直光束时，利用轴锥镜输出光路也为准直光束，不影响整个光路系统的焦点的特性，实现了光束直径变倍与调焦的分离。实际使用中，只需要移动图2中所示的第二轴锥镜4这一单独的镜片，以改变与固定安装的第一轴锥镜3的间距，即可改变光束直径倍率，变倍过程非常方便。

2、由于轴锥镜组件不参与焦距调节，当打印中出现焦点漂移时，可以排除轴锥镜的原因，有利于提高对出现焦点漂移现象原因的定位速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述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获得其他的附图。

图1是公开号为CN215867306U提供的一种3D打印机调焦装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的使用轴锥镜的3D打印变倍装置的结构示意图；

图3是本发明另一实施例提供的使用轴锥镜的3D打印变倍装置的结构示意图；

图4是本发明一实施例提供的使用轴锥镜的3D打印变倍方法的实现步骤图；

图5是改变第一轴锥镜和第二轴锥镜间的距离的示意图；

图6是改变第一轴锥镜和第二轴锥镜间的距离实现对光束直径的变倍的原理图；

图7是改变第一轴锥镜和第二轴锥镜间的距离实现对光束直径的变倍的计算过程图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明使用常规的透镜来解决倍率与调焦分离的问题，使得光路系统倍率的改变只需要单独移动一片镜片即可实现，不再需要额外的镜片对其进行焦距步长，大大简化了光路系统的耦合度。为了实现以上发明目的，本发明提供了以下两个实施例：

实施例一

本实施例一提供的使用轴锥镜的3D打印变倍装置，如图2所示，包括安装在3D打印变倍装置外壳内的轴锥镜组件和轴锥镜间距调节装置，光纤激光器1输出激光经准直镜2准直后入射到轴锥镜组件中，轴锥镜组件包括第一轴锥镜3和第二轴锥镜4，准直光束入射到第一轴锥镜3，由于轴锥镜不包含曲率，因此其输入光束为准直光束时，输出光路同样为准直光束，即第一轴锥镜3输出的光束同样为准直光束，第一轴锥镜3输出的准直光束入射到第二轴锥镜4，第二轴锥镜4输出的同样为准直光束，不会影响整个光路系统的焦点，实现了光束直径变倍与调焦的分离。

为了实现单独一片镜片对光束直径进行变倍，优选地，第一轴锥镜3固定安装，第二轴锥镜4通过诸如音圈电机的轴锥镜间距调节装置驱动，作高频的来回运动，通过改变与第一轴锥镜3的距离实现对光束直径的变倍。当然，也可以对第二轴锥镜4进行固定安装，而控制第一轴锥镜3作来回运动。图5中的a图是未变倍前第一轴锥镜3和第二轴锥镜4之间的距离，可以看出，输入光束与输出光束的直径是相同的，而b图中通过控制第二轴锥镜4的移动，增大了与第一轴锥镜3的间距，可以看到，输出光束的直径比输入光束更大，实现了光束直径变倍的效果。

以下对轴锥镜组件的变倍原理进行说明：

如图6所示，直径为 R₁的输入光束，经过轴锥镜组件后输出光束的直径变为 R₂，R₂与 R₁的比值即为变倍倍率，记为 K， K值的大小与第二轴锥镜4和第一轴锥镜3之间的距离 L有关，具体关系通过以下公式（1）表达：

公式（1）中的 a表示图7中所示的第一轴锥镜3的锥角。

n表示第一轴锥镜或第二轴锥镜的折射率。

根据公式（1）的表达式，可以看出，通过改变K值，即可改变光路系统的光束直径倍率。

轴锥镜与普通球面透镜一样，属于光学领域常用镜片，轴锥镜通常用于调节激光能量分布，它也是实现贝塞尔光束最常用的透镜。使用轴锥镜对光路系统进行变倍，在3D打印中改变打印工作面处的成像光斑大小，取代普通的球面透镜，这样的做法据申请人了解尚属首次。通过轴锥镜取代球面透镜，能够以单片镜片实现变倍，无需额外镜片配合，大大节省了光路系统耦合的复杂度，在3D打印技术领域具有重大的使用价值。

请继续参照图2，作为优选，本实施例一中，使用轴锥镜的3D打印变倍装置还包括用于对光束进行准直的准直器2，准直器2、第一轴锥镜3、第二轴锥镜4的中心位点处于同一直线上。更优选地，还包括聚焦器件，聚焦器件将经轴锥镜组件作直径变倍后出射的光束进行聚焦后入射到3D打印工作面上。聚焦器件优选为聚焦透镜5，聚焦透镜5、第二轴锥镜4、第一轴锥镜3的中心位点在同一直线上，聚焦透镜5的凸面与4第二轴锥镜的平面相对，聚焦透镜5对其凸面入射的光束进行聚焦后由其平面出射给振镜反射镜6，振镜反射镜6将入射的光束反射到3D打印工作面上。

实施例二

实施例二与实施例一的区别在于使用了不同的聚焦器件。实施例二中，如图3所示，聚焦器件为FTheta镜头7，经轴锥镜组件作直径变倍后的光束通过振镜反射镜的反射入射到FTheta镜头7，FTheta镜头7对入射的光束进行聚焦后出射到3D打印工作面上。

本发明还提供了一种使用轴锥镜的3D打印变倍方法，使用上述的3D打印变倍装置实现，如图4所示，该3D打印变倍方法包括步骤：

S1，调节安装在3D打印变倍装置中的轴锥镜组件中的第一轴锥镜和第二轴锥镜间的距离，以设定光束直径变倍倍率；

S2，将准直后的光束入射到轴锥镜组件中，轴锥镜组件出射经直径变倍后的光束并经聚焦后出射到3D打印工作面上。

需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。但是，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。另外，本申请说明书和权利要求书所使用的一些术语并不是限制，仅仅是为了便于描述。

Claims (9)

1.一种使用轴锥镜的3D打印变倍装置，其特征在于，包括安装在所述3D打印变倍装置外壳内的轴锥镜组件和轴锥镜间距调节装置，准直后的高斯光束入射到所述轴锥镜组件后，通过所述轴锥镜间距调节装置调节所述轴锥镜组件中的第一轴锥镜和第二轴锥镜的间距，输出光束的直径比输入光束更大，以实现对入射光束直径的变倍；

通过以下公式（1）计算对所述入射光束的直径的变倍倍率：

公式（1）中，

表示变倍倍率；

表示所述轴锥镜组件中的所述第一轴锥镜和所述第二轴锥镜的间距；

表示入射到所述第一轴锥镜的所述光束的直径；

表示所述第一轴锥镜的锥角；

表示所述第一轴锥镜或所述第二轴锥镜的折射率。

2.根据权利要求1所述的使用轴锥镜的3D打印变倍装置，其特征在于，所述第一轴锥镜的凸面和所述第二轴锥镜的凸面相对设置。

3.根据权利要求1所述的使用轴锥镜的3D打印变倍装置，其特征在于，所述第一轴锥镜固定安装，所述第二轴锥镜滑动安装，所述轴锥镜间距调节装置驱动所述第二轴锥镜来回运动实现对所述第一轴锥镜和所述第二轴锥镜的间距调节。

4.根据权利要求1或3所述的使用轴锥镜的3D打印变倍装置，其特征在于，所述轴锥镜间距调节装置为音圈电机。

5.根据权利要求1所述的使用轴锥镜的3D打印变倍装置，其特征在于，还包括用于对所述光束进行准直的准直器，所述准直器、所述第一轴锥镜、所述第二轴锥镜的中心位点处于同一直线上。

6.根据权利要求1或5所述的使用轴锥镜的3D打印变倍装置，其特征在于，还包括聚焦器件，所述聚焦器件将经所述轴锥镜组件作直径变倍后出射的所述光束进行聚焦后入射到3D打印工作面上。

7.根据权利要求6所述的使用轴锥镜的3D打印变倍装置，其特征在于，所述聚焦器件为聚焦透镜，所述聚焦透镜、所述第二轴锥镜、所述第一轴锥镜的中心位点在同一直线上，所述聚焦透镜的凸面与所述第二轴锥镜的平面相对，所述聚焦透镜对其凸面入射的所述光束进行聚焦后由其平面出射给振镜反射镜，所述振镜反射镜将入射的所述光束反射到所述3D打印工作面上。

8.根据权利要求6所述的使用轴锥镜的3D打印变倍装置，其特征在于，所述聚焦器件为FTheta镜头，经所述轴锥镜组件作直径变倍后的所述光束通过振镜反射镜的反射入射到所述FTheta镜头，所述FTheta镜头对入射的所述光束进行聚焦后出射到所述3D打印工作面上。

9.一种使用轴锥镜的3D打印变倍方法，使用如权利要求1-8任意一项所述的3D打印变倍装置实现，其特征在于，包括步骤：

S1，调节安装在所述3D打印变倍装置中的轴锥镜组件中的第一轴锥镜和第二轴锥镜间的距离，以设定光束直径变倍倍率；

S2，将准直后的光束入射到所述轴锥镜组件中，所述轴锥镜组件输出经直径变倍后的所述光束并经聚焦后出射到3D打印工作面上。

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