CN115782180A - 一种线阵激光打印图像变形矫正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线阵激光打印图像变形矫正方法，属于3D打印技术领域，该方法包括以下步骤：步骤1.以打印文件的沿着线阵激光打印方向的中轴线为X轴，以打印文件的垂直线阵激光打印方向的中轴线为Y轴，建立坐标系；步骤2.基于该坐标系，对打印文件进行变形；步骤3.通过直线短线段对变形后的打印文件进行拟合；步骤4.线阵激光基于拟合后的打印文件的方程式进行扫描打印。该方法在扫描前先对打印文件进行变形，再通过直线短线段对变形后的打印文件进行拟合，线阵激光最终基于拟合后的打印文件的方程式进行扫描打印，打印过程中无需高频响应运动的透镜去实时动态调整整个光路系统的等效焦距就能打印出不变形的图案，性能更加稳定。

Description

一种线阵激光打印图像变形矫正方法

技术领域

本发明属于3D打印领域，尤其涉及一种线阵激光打印图像变形矫正方法。

背景技术

激光3D打印是将光纤激光器的激光光束准直，经过振镜系统反射后，再聚焦成像，在工作平面进行打印。根据打印的工件的不同，可以使用不同的激光器，例如金属3D打印，激光器光源可以使1080nm的红外激光器；光固化3D打印，激光器使用的是355nm紫外激光器。激光3D打印目前所有的方案均是使用一个点光源的激光器，在打印工作面聚焦成像为一个点，打印时振镜系统反射激光束进行单束激光点的扫描，打印效率非常低下。基于上述问题，本申请人已经提出了一种线阵式激光3D打印装置及方法（授权公告号为CN113579468B），该在先申请的发明专利给出了一种使用线性阵排列的激光束多通道独立调制，进行3D打印的方案，打印效果与传统的多激光头3D打印设备相同，但内部结构比多激光头3D打印机的结构简单，成本也较低，打印效率更高。

上述方案中，光束垂直打印中心部分的图案时，光束的工作距离比较短，光束倾斜打印边缘图案时，光束的工作距离比较长。在一个光学系统中，工作距离等效于像距，光学系统的放大倍率，即像距与物距的比值也会变大。因此上述专利中设计了两个能够独立进行高频响应运动的透镜，实时动态调整整个光路系统的等效焦距，用来平衡抵消打印工作距离变化时引起的光路系统的倍率变化。

然而，两个独立高频运动的透镜，使用音圈电机带动，为了保持整个光路系统在不同工作距离下，等效倍率恒定不变，两个音圈电机必须以复杂的方式进行耦合运动。这使得控制算法变得极为复杂，调试难度也大了很多，同时音圈电机高频往复运动，两者任何一只电机产生的误差均需要另外一只电机进行实时补偿，这对整个控制系统的稳定性也产生了较大影响。

发明内容

本发明提供了一种线阵激光打印图像变形矫正方法，以解决现有线阵式激光3D打印过程中打印图案易产生变形，以及通过高频响应运动的透镜实时动态调整整个光路系统的等效焦距时造成的稳定性较差的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

本发明涉及一种线阵激光打印图像变形矫正方法，其包括以下步骤：

步骤1.以打印文件的沿着线阵激光打印方向的中轴线为X轴，以打印文件的垂直线阵激光打印方向的中轴线为Y轴，建立坐标系；

步骤2.基于该坐标系，对打印文件进行变形，变形后的打印文件的方程式为：

方程式中，H为原打印文件的打印长度，D为原打印文件的打印宽度，L为扫描打印头的垂直工作距离，n为线阵激光的打印线条数，i为第i条打印线，x为打印工作面处某个点的横坐标，Xi、Yi分别为变形后的打印文件中该点的横、纵坐标；

步骤3.通过直线短线段对变形后的打印文件进行拟合，拟合后的打印文件的方程式为：

方程式中，

表示

计算所得数值 的整数部分；

步骤4.线阵激光基于拟合后的打印文件的方程式进行扫描打印。

优选地，所述的步骤4中，线阵激光沿着X轴方向以直线运动的方式进行扫描。

优选地，所述的步骤4中，线阵激光沿步骤2中获得的变形后的打印文件中的最外侧的激光的扫描路径的弧度进行运动，以曲线运动的方式进行扫描，线阵激光的扫描路径为：

。

优选地，所述的步骤4线阵激光进行扫描打印的过程中，不断调整线阵激光的功率，线阵激光功率的调整公式为：

公式中，P0为原始激光功率，P为调整后的激光功率，

表 示

计算所得数值的整数部分。

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.本发明涉及的线阵激光打印图像变形矫正方法在扫描前先对打印文件进行变形，再通过直线短线段对变形后的打印文件进行拟合，线阵激光最终基于拟合后的打印文件的方程式进行扫描打印，打印过程中无需高频响应运动的透镜去实时动态调整整个光路系统的等效焦距就能打印出不变形的图案，性能更加稳定。

2.本发明涉及的线阵激光打印图像变形矫正方法还可以基于变形后的打印文件中的最外侧的激光的扫描路径的弧度，将线阵激光的扫描路线修改为弧形的扫描路线，使得直线短线段对变形后的打印文件进行拟合时曲线的栅格化只会从其中一边开始，不再是以2的倍数开始栅格化，使得实际的拟合的曲线的平滑度提成了一倍，拟合误差也相应降低了一倍。

3.本发明涉及的线阵激光打印图像变形矫正方法在线阵激光进行扫描打印的过程中，不断调整线阵激光的功率，以保证打印区域内能量密度是恒定值。

附图说明

图1是线阵式激光3D打印装置的光路图；

图2是需要扫描的原始图像示意图；

图3是不调节聚焦透镜的情况下，采用现有技术实际扫描的图像示意图；

图4是本发明涉及的线阵激光打印图像变形矫正方法的流程图；

图5是步骤1建立坐标系后的文件图；

图6是步骤2变形后的打印文件的图像示意图；

图7是步骤3通过直线短线段对变形后的打印文件进行拟合的过程；

图8是实施例2改变扫描路线后等效的打印文件的图像示意图。

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，为线阵式激光3D打印装置的光路图，扫描打印头的垂直工作距离为L，打印长度为H。采用上述装置对如图2所示的原始图像进行扫描，原始图像的打印线条的参数方程式可表示为：

方程式中，D为原打印文件的打印宽度，n为线阵激光的打印线条数，i为第i条打印线，x为打印工作面处某个点的横坐标，Xi、Yi分别为打印文件中该点的横、纵坐标。

但是，由于在传统扫描过程中，随着扫描角度不同，倾斜光束的工作距离也会随着发生变化，对于多通道光路系统，系统的倍率是像距与物距的比值，随着倾斜光束的像距边长，系统倍率也会出现变化，因此，当多通达光路在扫描一组平行线时倍率的变化会让扫描的图像发生变形，实际的扫描图案如图3所示，实际打印出来的图像的打印线条的参数方程式为：

方程式中，H为原打印文件的打印长度，D为原打印文件的打印宽度，L为扫描打印头的垂直工作距离，n为线阵激光的打印线条数，i为第i条打印线，x为打印文件中某个点的横坐标，Xi、Yi分别为变形后的打印工作面处该点的横、纵坐标。

基于以上原因，本实施例采用如图4所示的一种线阵激光打印图像变形矫正方法对原始图像进行扫描打印，其包括以下步骤：

步骤1.以打印文件的沿着线阵激光打印方向的中轴线为X轴，以打印文件的垂直线阵激光打印方向的中轴线为Y轴，建立坐标系，如图5所示；

步骤2.基于该坐标系，对打印文件进行变形，变形后的打印文件的方程式为：

方程式中，H为原打印文件的打印长度，D为原打印文件的打印宽度，L为扫描打印头的垂直工作距离，n为线阵激光的打印线条数，i为第i条打印线，x为打印工作面处某个点的横坐标，Xi、Yi分别为变形后打印文件中该点的横、纵坐标；

变形后的打印文件的图像如图6所示，当按照如图6所示的变形后的图像进行打印，即可打印出如图2所示的与实际打印文件相符的图案；

步骤3.有图6可以看出，变形后的打印文件中，打印数据的线条不是直线而是曲线，在整个光路系统中，负责实现多通道打印的调制器处的各通道间距是固定的，不能随着打印位置做出相应的间距变化调整，因此，需要通过直线短线段对变形后的打印文件进行拟合，拟合后的打印文件的方程式为：

方程式中，

表示

计算所得数值 的整数部分；通过直线短线段对变形后的打印文件进行拟合的过程如图7所示，图7展示了 最外侧一条扫描线，即左图中的实线线条，通过短线段拟合的过程；

步骤4.线阵激光基于拟合后的打印文件的方程式进行扫描打印，本实施例中，线阵激光沿着X轴方向以直线运动的方式进行扫描；

由于图像变形，直线拟合完毕后，在扫描区域X方向边缘处通道数减少，因此需要调整激光能量，补偿打印区域内保持激光能量密度是恒定值，因此线阵激光进行扫描打印的过程中，不断调整激光器的总功率，线阵激光功率的调整公式为：

公式中，P0为原始激光功率，P为调整后的激光功率，

表示

计算所得数值的整数部分。

实施例2

实施例1中，由于步骤3中，当曲线分割为多个短线段拟合时，上下弯曲的线条是对称分布的，因此使用短线段拟合时，上下需要同时拟合，也就是栅格是2的倍数。短线段拟合曲线等效于曲线的栅格化，每次栅格化为2的倍数，例如总打印通道为256，可栅格化的最大数字为128，降低了栅格化的总数量，使得栅格化的结果不够平滑。基于上述原因，本实施例对实施例1作进一步优化。

本实施例将实施例1步骤4中线阵激光沿着X轴方向以直线运动的方式进行扫描改为曲线运动，具体的是：线阵激光沿步骤2中获得的变形后的打印文件中的最外侧的激光的扫描路径的弧度进行运动，以曲线运动的方式进行扫描，线阵激光的扫描路径为：

。

当扫描过程中线阵激光的扫描路径以上述路径进行扫描时，步骤2中获得的变形后的打印文件的图案数据参数方程可等效为如下参数方程可：

；

则通过直线短线段对变形后的打印文件进行拟合的方程式可等效为：

；

改变扫描路线后等效的打印文件的图像示意图如图8所示，其短线段拟合曲线的栅格化，只会从图中所示的最上面的线条开始，不再是上下最边缘线条同时开始，以2的倍数开始栅格化，平滑度较前面的方式提高了一倍，拟合误差也相应降低一倍。

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 (4)

1.一种线阵激光打印图像变形矫正方法，其特征在于：其包括以下步骤：

步骤1.以打印文件的沿着线阵激光打印方向的中轴线为X轴，以打印文件的垂直线阵激光打印方向的中轴线为Y轴，建立坐标系；

步骤2.基于该坐标系，对打印文件进行变形，变形后的打印文件的方程式为：

方程式中，H为原打印文件的打印长度，D为原打印文件的打印宽度，L为扫描打印头的垂直工作距离，n为线阵激光的打印线条数，i为第i条打印线，x为打印工作面处某个点的横坐标，Xi、Yi分别为变形后的打印文件中该点的横、纵坐标；

步骤3.通过直线短线段对变形后的打印文件进行拟合，拟合后的打印文件的方程式为：

方程式中，

表示

计算所得数值的整数部分；

步骤4.线阵激光基于拟合后的打印文件的方程式进行扫描打印。

2.根据权利要求1所述的线阵激光打印图像变形矫正方法，其特征在于：所述的步骤4中，线阵激光沿着X轴方向以直线运动的方式进行扫描。

3.根据权利要求1所述的线阵激光打印图像变形矫正方法，其特征在于：所述的步骤4中，线阵激光沿步骤2中获得的变形后的打印文件中的最外侧的激光的扫描路径的弧度进行运动，以曲线运动的方式进行扫描，线阵激光的扫描路径为：

。

4.根据权利要求1所述的线阵激光打印图像变形矫正方法，其特征在于：所述的步骤4线阵激光进行扫描打印的过程中，不断调整线阵激光的功率，线阵激光功率的调整公式为：

公式中，P0为原始激光功率，P为调整后的激光功率，

表示

计算所得数值的整数部分。

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