CN215849653U - 一种用于光固化三维成型的光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光固化三维成型技术领域，公开了一种用于光固化三维成型的光学系统，包括由下至上依次间隔设置的光源、超构表面元件、液晶屏和容器，容器的底面为透光面，超构表面元件包括介质衬底和若干超构模块，若干超构模块分布在介质衬底上，超构模块包括若干纳米柱，光源包括发光面板和若干发光体，若干发光体分布在发光面板上，发光体与超构模块一一对应，发光体发出的是球面光波，超构表面元件可减小发散角，将球面光波调制为平面光波,实现了匀光，采用了多个发光体可使入射光均匀，且一个发光体与一个超构模块对应，并且将匀光调制细化、模块化，解决采用单一发光体因空间位置产生的中间亮度高、周围亮度低的问题，提升整体效果。

Description

一种用于光固化三维成型的光学系统

技术领域

本实用新型涉及光固化三维成型技术领域，特别是涉及一种用于光固化三维成型的光学系统。

背景技术

光固化成型是最早的3D打印成型技术，也是目前较为成熟的3D打印技术。该技术的基本原理是利用材料的累加成型，将一个立体的目标零件的形状分为若干个平面层，以一定波长的光束扫描液态光敏树脂，使每层液态光敏树脂被扫描到的部分固化成型，而未被光束照射的地方仍为液态，最终各个层面累积成所需的目标零件，材料利用率可接近100％。

目前市面上常见就有3种，主要包括SLA光固化3D打印机、DLP光固化3D打印机和LCD光固化3D打印机。SLA技术是第一代光固化主流技术，它在国内有多种翻译叫法，如立体光刻、立体印刷、光造型等等。SLA(Stereolithography，立体光刻)成型技术不仅世界上最早出现并实现商品化的一种快速成形技术，也是研究最深入、应用最广泛的快速成形技术之一。数字光处理(Digital Light Processing，缩写：DLP)是在SLA技术出现的十余年后才出现的，该技术也是业界公认的第二代光固化成型技术，距今也有20多年的发展历史了。DLP技术最早是由德州仪器开发出来的，主要是通过投影仪来逐层固化光敏聚合物液体，从而创建出3D打印对象的一种快速成型技术。LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示)光固化3D打印机是2013年才刚刚出现的，其利用LCD液晶板成像原理，利用光学投射穿过红绿蓝三原色滤镜过滤掉红外线和紫外线(红外线和紫外线对LCD片有一定的损害作用)后，再将三原色投射穿过三片液晶板上，合成投影成像。

LCD光固化3D打印机的光学系统结构简洁、成本数倍低于SLA和DLP。与DLP不同的是，液晶屏-3D打印装置利用液晶分子的偏转，来控制单个像素的明暗，以此形成动态掩模。然而，液晶屏-3D打印装置的匀光效果不良、光通量不足，由此致使精度不足、边缘轮廓不锐利、耗时增加。

中国发明专利申请CN107984753A(公开日为2018年05月04日)公开了一种光固化3D打印机，包括底座、储存液态光敏树脂的料槽、成型平台和升降机构，其中，所述料槽、升降机构分别设置在所述底座上，所述成型平台与所述升降机构连接，所述成型平台悬于所述料槽的正上方，所述底座内设有固化光源，所述固化光源为阵列紫外LED背光灯板，所述底座上设有显示部件，所述显示部件为液晶显示屏，所述阵列紫外LED背光灯板位于所述液晶显示屏的正下方，所述液晶显示屏位于所述料槽的槽底，所述料槽上设有绷紧的FEP膜。该专利虽然设置了阵列紫外LED作为光源，但是光源发出的球面光波，导致照射在料槽上的光线不均匀，使各处的固化速度不一致，影响打印效率，且会导致打印出来的产品精度不足、边缘轮廓不锐利、且耗时增加。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种匀光效果好、打印精度高的用于光固化三维成型的光学系统。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种用于光固化三维成型的光学系统，包括由下至上依次间隔设置的光源(100)、超构表面元件(200)、液晶屏(300)和容器(400)，所述容器(400)的底面可透光，所述超构表面元件(200)包括介质衬底(210)和设置在所述介质衬底(210)上的若干超构模块(220)，所述超构模块(220)包括若干纳米柱(221)，所述光源(100)包括发光面板(110)和设置在所述发光面板(110)上的若干发光体(120)，一个所述发光体(120)对应一个所述超构模块(220)。

作为优选方案，所述发光体(120)的法向光线与其所对应的所述超构模块(220)的中心重合。

作为优选方案，在一个所述超构模块(220)中，所述纳米柱(221)的延迟相位应满足：

其中，r为该所述纳米柱(221)与该所述超构模块(220)的中心的距离；λ为所述发光体(120)的入射光的波长；f为该所述超构模块(220)的焦距，也是所述发光体(120)与所述超构模块(220)之间的距离；Φ(0)为该所述超构模块(220)的中心处的相位。

作为优选方案，所述发光体(120)在所述发光面板(110)上呈矩形阵列分布，所述超构模块(220)在所述介质衬底(210)上呈矩形阵列分布，一个所述超构模块(220)中的所述纳米柱(221)呈矩形阵列分布。

作为优选方案，各相邻的两个所述纳米柱(221)之间的距离相等。

作为优选方案，相邻两个所述发光体(120)之间的间隔d应满足以下关系：

其中，f为该所述超构模块模块(220)的焦距，也是所述发光体(120)与所述超构模块(220)之间的距离；n为所述发光体(120)与所述超构模块(220)之间的介质的折射率；NA为所述超构模块(220)的数值孔径。

作为优选方案，所述发光体(120)采用微米发光二极管。

作为优选方案，所述发光体(120)包括由下至上依次为基板(121)、金属层(122)、p型GaP层(123)、有源层(124)、n型GaP层(125)和钝化层(126)。

作为优选方案，所述金属层(122)为Au层。

作为优选方案，所述n型GaP层和所述钝化层之间还设有至少一个过渡结构，所述过渡结构包括上下设置的TiO₂层(128)和SiO₂层(127)。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型通过在光源的上方设置超构表面元件，超构表面元件是由亚波长人工单元组成的表面结构，能够有效且灵活地调控电磁波的振幅、相位和偏振，具有很好的匀光效果，并且本实用新型采用若干发光体以及将超构表面元件分为若干与光源的发光体一一对应的超构模块，可保证光照度，提高打印产品的精度和边缘轮廓的锐利度，提高效率。

附图说明

图1是本实用新型实施例的光固化3D打印技术的匀光照明系统的布置示意图。

图2是本实用新型实施例的超构模块与发光体的位置示意图。

图3是本实用新型实施例的发光体的剖面图。

图中，100-光源；110-发光面板；120-发光体；121-基板；122-金属层；123-p型GaP层；124-有源层；125-n型GaP层；126-钝化层；127-SiO₂层；128-TiO₂层；200-超构表面元件；210-介质衬底；220-超构模块；221-纳米柱；300-液晶屏；400-容器；500-工作台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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实用新型和简化描述，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，因此不能理解为对本实用新型的限制。

如图1所示，本实用新型优选实施例的一种光固化3D打印技术的匀光照明系统，包括由下至上依次间隔设置的光源100、超构表面元件200、液晶屏300和容器400，容器400的底面为透光面，超构表面元件200包括介质衬底210和设置在介质衬底210上的若干超构模块220，超构模块220包括若干纳米柱221，光源100包括发光面板110和设置在发光面板110上的若干发光体120，一个发光体120对应一个超构模块220。本实施例通过在光源100的上方设置超构表面元件200，超构表面元件200是由亚波长人工单元组成的表面结构，能够有效且灵活地调控电磁波的振幅、相位和偏振，具有很好的匀光效果，并且本实施例采用若干发光体120以及将超构表面元件200分为若干与光源100的发光体120一一对应的超构模块220，可保证光照度，提高打印产品的精度和边缘轮廓的锐利度，提高效率。

发光体120发出的是球面光波，超构表面元件200可减小发散角，将球面光波调制为平面光波,实现了匀光。超构表面元件200宏观上是一平板器件，而微观上，其表面由众多亚波长尺寸的微纳结构组成。一个发光体120对应着一个超构模块220，发光体120辐射的光受对应超构模块220的调控，采用了多个发光体120，可将光源100均匀分布，使入射光均匀，并且将匀光调制细化、模块化，解决采用单一发光体因空间位置产生的中间亮度高、周围亮度低的问题，提升整体效果。在本实施中，超构模块220为正方形区域，且一个超构模块220的面积不大于50μm。本实施例的超构表面元件200的形状和尺寸与发光面板110相同，且在空间布置上重合在一起。

进一步地，如图2所示，本实施例的发光体120的法向光线与其所对应的超构模块220的中心重合，方便纳米柱221的设置。在一个超构模块220中，纳米柱221的延迟相位应满足：

其中，r为该纳米柱221与该超构模块220的中心的距离；λ为发光体120的入射光的波长；f为该超构模块220的焦距，也是发光体120与超构模块220之间的距离；Φ(0)为该超构模块220的中心处的相位。超构表面元件200可通过调整纳米柱221的直径来调整该纳米柱221的相位。在本实施例中，由于发光体120的法向光线与其所对应的超构模块220的中心重合，即发光体120的的光轴与其所对应的超构模块220的中心位于同一直线，因此，Φ(0)＝0。

在本实施例中，纳米柱221的高度为H，通过改变纳米柱221的直径D实现延迟相位。纳米柱221的高度应能足够、完整地延迟2π的相位。在本实施例中，高度为H约等于发光体120的入射光的波长λ，优选H＝λ±5。纳米柱221的高度为H，以纳米柱221的直径D为变量，上述延迟相位关系作为函数，超构模块220中心的纳米柱221的直径D最大，延迟的相位Φ将随着纳米柱221的直径D减小而递减。

可选地，发光体120在发光面板210上呈矩形阵列分布，超构模块220在介质衬底210上呈矩形阵列分布，一个超构模块220中的纳米柱221呈矩形阵列分布，使整个超构表面元件200的所有纳米柱221呈矩形阵列分布，避免相邻的两个超构模块220之间间隙过大导致光照强度不均匀，使光照整体均匀。在本实施例中，超构表面元件200的相邻的两个纳米柱221之间的距离相等，方便制作。

进一步地，相邻两个发光体120之间的间隔d应满足以下关系：

其中，f为该超构模块220的焦距，也是发光体120与超构模块220之间的距离；n为发光体120与超构模块220之间的介质的折射率，照明装置100与超构表面器件200是间隔设置的，因此，照明装置100与超构表面器件200之间存在介质，本实施例的介质为空气，应当指出的是，照明装置100与超构表面器件200也可填充其他介质；NA为超构模块220的数值孔径。光学系统的数值孔径NA是一个无量纲的数，用以衡量该系统能够收集的光的角度范围。由多个纳米柱组成的超构模块220可以比作是一个光学镜头。数值孔径NA＝n·sinα；其中，n为发光体120与超构模块220之间的介质的折射率；α为孔径半角，是超构模块220光轴上的物体点与该超构模块220的孔径所形成的角度。数值孔径体现了超构模块220与发光体120之间的耦合效率。本实施例的数值孔径取0.6～0.85。发光体120的间隔大小可调整其密度，本实施例的发光体120的间隔根据超构模块220的数值孔径调整，超构模块220的数值孔径大，则超构模块220的集光性能提高，发光体120的间隔增大、密度降低，系统的光通量总体下降；超构模块220的数值孔径小，则超构模块220的集光性能降低，发光体120的间隔减小、密度增大，系统的光通量总体上升；因此，通过数值孔径限制相邻两个发光体120之间的距离，可使经过了超构表面器件200的光均匀射出。

在本实施例中，发光体120采用微米发光二极管，微米发光二极管是以自发光的微米量级的LED为发光像素单元，集成度高、像素间距小，可以有更紧凑的排布和封装，能提供更均匀的入射光，有利于得到均匀的光照度，明显降低匀光的难度，进一步提高匀光效果。本实施例的发光体120采用紫外光微米发光二极管。紫外光微米发光二极管波长为405～420nm。

进一步地，如图3所示，发光体120包括由下至上依次为基板121、金属层122、p型GaP层123、有源层124、n型GaP层125和钝化层126。外量子效率是反映发光二极管的重要的参数之一，而影响外量子效率的主要因素包括光提取效率，然而由于有源层的自吸收、基板吸收、电极吸收和出光表面损耗等因素，光提取效率较低，限制了光通量的提高，从而影响了光固化的光亮度，影响打印精度、边缘轮廓的锐利度和效率。本实施例设置金属层122，可使来自有源层124的光向正面方向反射，提高光提取效率，进而提高发光强度。本实施例的金属层122为Au层，反射率高；有源层124采用多量子阱结构。另外，n型GaP层和钝化层之间还设有至少一个过渡结构，过渡结构包括上下设置的TiO₂层128和SiO₂层127，TiO₂层128可消除有源层14与钝化层126之间的界面处的反射，从而提高发光体的光提取效率。本实施例的钝化层126采用SiO₂层。

液晶屏是液晶显示器，本实施例的液晶屏300包括两片平行的玻璃基板以及玻璃基板当中放置液晶盒，下基板玻璃上设置薄膜晶体管，通过薄膜晶体管上的信号与电压改变来控制液晶分子的转动方向，从而达到控制每个像素点偏振光出射与否而达到显示目的。液晶屏300作为空间光调制器件，是形成动态掩模的核心器件，通过电压控制，可独立控制每一液晶像素单元的偏转。发光体120发出光波，经超构表面元件200调控的均匀聚合光能被液晶屏300有选择地通过，形成二维动态掩模并投射于容器400的底面，诱发光固化。

另外，本实施例的光固化3D打印技术的匀光照明系统还设置了工作台500，工作台500可位于容器400的上方且可上下移动，工作台500的工作面与光源100的形状、尺寸相同。工作台500的工作面为与容器400相对的底面。使工作台500的工作面均可受到光照，有利于打印装置的结构紧凑。

本实用新型的工作过程为：将液态打印材料倒入容器400中，设置好打印模型后，打印工作开始。工作台500向下移动，并伸入容器400中并浸入液态打印材料中，直至工作台500的工作面与容器400的底面贴合，当完成打印模型的识别后，工作台500会上升一定的高度，此高度等于单层的厚度。待周围的液态材料填充完毕，开始曝光。发光体120发出的光波经过超构表面元件200照射在液晶屏300上，液晶屏300根据打印模型调节电压控制聚合光的透过，液态打印受到光照而固化，完成该层的打印。当打印模型的第一层曝光完成，此层会固化于工作台500的工作面上。系统会控制附着材料的工作台500垂直上升单层的厚度，待周围的液态材料渗入、补充上一层固化材料的空间。接着，系统控制液晶屏300形成下一层的图案；如此循环曝光，直至完成最后一层。

综上，本实用新型实施例提供一种光固化3D打印技术的匀光照明系统，其通过在光源100的上方设置超构表面元件200，超构表面元件200是由亚波长人工单元组成的表面结构，能够有效且灵活地调控电磁波的振幅、相位和偏振，具有很好的匀光效果，并且本实施例采用若干发光体120以及将超构表面元件200分为若干与光源100的发光体120一一对应的超构模块220，可保证光照度，提高打印产品的精度和边缘轮廓的锐利度，提高效率。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于光固化三维成型的光学系统，其特征在于，包括由下至上依次间隔设置的光源(100)、超构表面元件(200)、液晶屏(300)和容器(400)，所述容器(400)的底面可透光，所述超构表面元件(200)包括介质衬底(210)和设置在所述介质衬底(210)上的若干超构模块(220)，所述超构模块(220)包括若干纳米柱(221)，所述光源(100)包括发光面板(110)和设置在所述发光面板(110)上的若干发光体(120)，一个所述发光体(120)对应一个所述超构模块(220)。

2.根据权利要求1所述的用于光固化三维成型的光学系统，其特征在于，所述发光体(120)发出的法向光线与其所对应的所述超构模块(220)的中心重合。

3.根据权利要求1所述的用于光固化三维成型的光学系统，其特征在于，在一个所述超构模块(220)中，所述纳米柱(221)的延迟相位应满足：

其中，r为该所述纳米柱(221)与该所述超构模块(220)的中心的距离；λ为所述发光体(120)的入射光的波长；f为该所述超构模块(220)的焦距，也是所述发光体(120)与所述超构模块(220)之间的距离；Φ(0)为该所述超构模块(220)的中心处的相位。

4.根据权利要求1所述的用于光固化三维成型的光学系统，其特征在于，所述发光体(120)在所述发光面板(110)上呈矩形阵列分布，所述超构模块(220)在所述介质衬底(210)上呈矩形阵列分布，一个所述超构模块(220)中的所述纳米柱(221)呈矩形阵列分布。

5.根据权利要求1所述的用于光固化三维成型的光学系统，其特征在于，各相邻的两个所述纳米柱(221)之间的距离相等。

6.根据权利要求1所述的用于光固化三维成型的光学系统，其特征在于，相邻两个所述发光体(120)之间的间隔d应满足以下关系：

其中，f为该所述超构模块(220)的焦距，也是所述发光体(120)与所述超构模块(220)之间的距离；n为所述发光体(120)与所述超构模块(220)之间的介质的折射率；NA为所述超构模块(220)的数值孔径。

7.根据权利要求1所述的用于光固化三维成型的光学系统，其特征在于，所述发光体(120)采用微米发光二极管。

8.根据权利要求7所述的用于光固化三维成型的光学系统，其特征在于，所述发光体(120)包括由下至上依次为基板(121)、金属层(122)、p型GaP层(123)、有源层(124)、n型GaP层(125)和钝化层(126)。

9.根据权利要求8所述的用于光固化三维成型的光学系统，其特征在于，所述金属层(122)为Au层。

10.根据权利要求8所述的用于光固化三维成型的光学系统，其特征在于，所述n型GaP层和所述钝化层之间还设有至少一个过渡结构，所述过渡结构包括上下设置的TiO₂层(128)和SiO₂层(127)。

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