TWI534526B - ３ｄ投影列印系統及其方法 - Google Patents

Description

3D投影列印系統及其方法

本發明係關於一種3D投影列印系統及其方法，尤指一種利用投影方式達到3D列印的3D投影列印系統及其方法。

隨著現今多媒體科技及影像技術發展，帶給人們立體視覺效果之3D影像逐漸普及，除廣泛應用於大型投影系統(如電影院或家用投影系統)、顯示器(如電視、電腦等)、可攜式電子裝置(如平板電腦、手機)等影像裝置外，更可於3D列印設備上列印影像，以取代傳統的平面二維影像列印。

現有的3D投影列印系統往往需要搭配兩台或兩台以上的影像擷取裝置(如相機)或投影裝置(如投影機)，分別設於一物件兩側並負責物件不同角度的影像擷取或進行投影，擷取的物件影像分別送入電腦進行分析切層運算達成切層輪廓的生成；惟，其缺點在於兩台影像擷取裝置各自擷取的影像可能無法相互配合，要將交錯的影像精確還原疊合，會產生各自擷取影像的對應點無法精確配合一致的問題，導致送入電腦進行分析切層運算時使切層軟體容易誤判，造成3D列印出的立體物件失真於原物件。此外，習知類比式的分析切層運算在重現或轉換原物件影像時會因為讀取或輸出設備的不同而失真，因此各自擷取的原物件影像送入電腦進行分析切層運算時可能造成第一次失真，而輸出電腦進行3D列印時可能造成第二 次失真，如此3D列印出的立體物件將無法精準的呈現原物件原貌。另外，進行上述分析切層運算時若影像擷取裝置的景深不一致，切層軟體會耗費時間調整景深一致，亦可能使切層結果與原物件失真，同樣造成3D列印出的立體物件無法和原物件相同的問題。

再者，現有的3D投影列印系統雖是號稱快速成型技術(Rapid Prototyping)，但不管物件的尺寸大小或是如何改進列印系統的設備，仍需花費數小時或數十小時才能成形完成。原因在於現有3D投影列印系統的噴印方式是以點和線為基礎，透過點和線列印成面再建構成立體物件會在建構過程中耗費大量時間，不符效益。

更甚者，目前的3D列印機台結構較為複雜且具龐大的設備體積，以至於其製造成本昂貴、操作過程繁瑣，難以推廣至辦公室以及家庭市場。

因此，如何發展一種可改善上述現有技術缺失之3D列印設備及方法，實為目前迫切需要解決之問題。

本發明之主要目的，在於透過單一投影單元來精確重現一對應被掃瞄物件之整體外觀的3D立體物件，以解決現有的3D投影列印系統需要配置複數影像擷取裝置或複數投影機，造成製造成本提高以及3D投影列印系統體積龐大的缺點，並避免習知3D列印設備的多個擷取影像對應點無法精確配合一致而導致切層軟體容易誤判、或類比式的分析切層運算在重現或轉換原物件影像時會因為讀取或輸出設備的不同而失真而無法精準呈現物件原貌、耗費時間調整景深一致以及列印速度慢等缺點。

為達上述發明目的，本發明提供一種3D投影列印系統，包括：一可動平台，用以承載一物件；一投影單元，用以投射一光源至該物件；一影像感測單元，用以掃描感測投射至該物件上的該光源進而對應產生至少一型變影像；一影像處理單元，係分別與該投影單元與該影像感測單元連接，用以根據該影像感測單元掃描感測的該至少一型變影像來產生一立體影像，且用以將該立體影像進行切層處理以產生包含複數層疊置的平面影像之數據後傳送至該投影單元；以及一容置室，用於容置一感光成型材料，其中該投影單元按該數據依層投射每一層該平面影像至該感光成型材料之一對應部份以進行光固化，接著使每一層該平面影像對應的所述光固化部份進行固化，形成每一對應的立體層，當所有之上述立體層逐一形成，即形成一對應該物件之整體外形的立體物件。

依據本發明之3D投影列印系統，更包括一反射單元及一顯示器，用以反射該投影單元投射之該立體影像至該顯示器，該顯示器與該影像處理單元連接以顯示該立體影像，並經由該影像處理單元對該立體影像進行編輯。

依據本發明之3D投影列印系統，該可動平台係為一可水平旋轉的平台，旋轉該可動平台使該物件由不同角度接收該投影單元投射之該光源，並對應產生該物件之複數不同角度的型變影像。

依據本發明之3D投影列印系統，更包括一機殼，用於包含該可動平台、該投影單元、該影像感測單元、該影像處理單元與該容置室。

依據本發明之3D投影列印系統，更包括一固化單元，連接該容置室，用以將每一層該平面影像對應的該刻部份依層進行固化。

依據本發明之3D投影列印系統，更包括一升降單元，係與該可動平台連接，該升降單元具一馬達，用以控制該可動平台的上升/下降，使該投影單元按上述數據依層投射每一層該平面影像至該感光成型材料之對應部份以進行光固化。

依據本發明之3D投影列印系統，該光源為一種結構光源，該結構光源為具有複數內建樣本圖像之結構光源。

依據本發明之3D投影列印系統，該感光成型材料為感光樹脂。

為達上述目的，本發明提供一種3D投影列印方法，包括：提供一投影單元投射一光源至一物件；提供一影像感測單元掃描感測投射至該物件上的該光源來對應產生至少一型變影像；轉換該至少一型變影像為一立體影像，並對該立體影像進行切層處理進而產生包含複數層疊置的平面影像之數據後傳送至該投影單元；該投影單元按該數據依層投射每一層該平面影像至一感光成型材料之一對應部份以進行光固化，接著固化每一層該平面影像對應的該光固化部份，形成每一對應的立體層，當所有之上述立體層逐一形成，即形成一對應該物件之整體外形的立體物件。

依據本發明之3D投影列印方法，對該立體影像之切層處理步驟前還包括一將該立體影像進行該立體影像的檢視與編輯之程序。

根據上述，本發明的3D投影列印系統使用單一個投影單元並搭配一影像感測單元，採用單一個投影單元配置的技術特徵可大幅節省製造成本與縮小產品體積，並達到與現有的3D投影列印系統相同的投影功效。此外，相較於現有的3D投影列印系統更進步的是，本發明的3D投影列印系統之投影單元投射出樣本圖像光源於物件，由影像感測單元掃描樣本圖像光源的變形，並投影單元由不同面向的投射可獲得複數樣本圖像光源的變形以更精確的描繪出物件影像細節，並藉由數位的演算模式產生物件的立體影像避免類比式重現物件影像時產生失真，同時以投影單元將切層的平面影像投射到感光成型材料以一次列印一面的方式加快列印的速度，確實解決了現有技術中的種種缺失。

1‧‧‧機殼

10‧‧‧可動平台

20‧‧‧投影單元

30‧‧‧光源

31‧‧‧內建樣本圖像

40‧‧‧影像感測單元

50‧‧‧影像處理單元

60‧‧‧容置室

61‧‧‧感光成型材料

70‧‧‧反射單元

80‧‧‧顯示器

90‧‧‧升降單元

91‧‧‧馬達

100‧‧‧物件

A‧‧‧型變影像

X‧‧‧直線距離

Z‧‧‧垂直距離

a,b‧‧‧夾角

第1圖為依據本發明較佳實施例之3D投影列印系統之結構示意圖。

第2圖為依據第1圖之3D投影列印系統進行影像感測之示意圖。

第3圖為依據第1圖之3D投影列印系統產生型變影像示意圖。

第4圖為依據第1圖之3D投影列印系統產生型變影像時該投影單元、該 影像感測單元與該物件之相對位置示意圖。

第5圖為依據第1圖之3D投影列印系統進行影像顯示與編輯示意圖。

第6圖為依據第1圖之3D投影列印系統進行影像列印成型之示意圖。

第7圖為依據本發明較佳實施例之3D投影列印方法之流程方塊圖。

茲有關本發明之技術內容及詳細說明，現配合圖式說明如下：請參閱第1圖至第2圖並配合第3圖，係顯示一種依據本發明較佳實施例之3D投影列印系統1，其包括：一可動平台10，用以承載一物件100；一投影單元20，用以投射一光源30至該物件100；一影像感測單元40，用以掃描感測投射至該物件100上的該光源30以產生至少一型變影像A(請見第3圖)；一影像處理單元50，該影像處理單元50可為一中央處理器(CPU)，係分別與該投影單元20與該影像感測單元40電性連接，用以接收該影像感測單元40掃描感測的該型變影像A，進而產生一立體影像(未圖示)，且該影像處理單元50用以將該立體影像進行3D切層處理以產生複數層疊置的2D平面影像(未圖示)之數據，之後將該數據傳送至該投影單元20；以及一容置室60，用以容置一感光成型材料61，其中該投影單元20按該數據依層投射每一層該平面影像至該感光成型材料61之一對應部份以進行光固化，該感光成型材料61可為感光樹脂等液態材料，如可為B9R-1-RED光聚合樹脂、UV光固化膠(光敏樹脂)、GC3D-SI(象牙白/似膚色)或其他紫外線光固化材料，供以近紫外線UV-A(320nm~400nm)的波段進行固化，但不以此為限。於本實施例中，該3D投影列印系統1更包括一固化單元(未圖示)，係連接該容置室60，用以固化每一層該平面影像對應該感光成型材料61的所述光固化部份，來形成每一對應的立體層，當所有該立體層逐一形成，即形成一對應該物件100之整體外形的立體物件(未圖示)。上述固化單元可為一紫外線固化燈或一紅外線固化燈，但不以此為限。

在本實施例中，更包括一機殼1，使該可動平台10、該投影單元20、該影像感測單元40、該影像處理單元50與設於該機殼1內。

在本實施例中，該投影單元20可為一投影機，但不以此為限。該投影單元20所投射於該物件100之光源30為一種結構光源，該結構光源為具有複數內建樣本圖像31之結構光源，當該投影單元20投射出內建樣本圖像31之結構光源於物件100表面時，因物件100表面凹凸不平，使光源30的圖像形狀產生變型，而此變形光源30的圖像形狀即為該型變影像A，如第3圖所示，該型變影像A同時由該影像感測單元40進行掃描。而為了獲得物件100各個面向的型變影像A，該可動平台10係為一可水平旋轉的平台，旋轉該可動平台10使該物件100由不同角度接收該投影單元20投射之該光源30，單次旋轉該可動平台10的角度可於介於30度至45度，較佳為30度或45度，但不以此為限，而後對應產生該物件100之複數不同角度的型變影像A，而仍不斷由該影像感測單元40進行掃描，進而取得獲得物件100不同面向的型變影像A。

請參閱第2圖至第4圖，取得該物件100各面向的型變影像A後傳輸至該影像處理單元50，該投影單元20、該影像感測單元40與該物件100之相對位置概成一三角形，該影像處理單元50由一幾何三角運算分別轉換該等不同角度的型變影像A，使各不同角度的型變影像得到對應的一組三維座標，該幾何三角運算為一數位運算方式，可以z=x.sin(a).sin(b)/sin(a+b)為代表，X為該投影單元20與該影像感測單元40的直線距離，Z為X到該物件100的垂直距離，a為X與該投影單元20到該物件100間直線距離的夾角，b為X與該投影像感測單元40到該物件100間直線距離的夾角。將該型變影像 A分為複數網柵(未圖示)，相鄰網柵的交會點，如各以0與1或黑格子與白格子表示，因此影像處理單元50只要察覺複數個型變影像A之間對應的網柵並未正確交會即可進行調整，交錯的型變影像A可精確還原疊合，不會產生不同型變影像A的對應點無法精確配合一致的問題。並且網柵的尺寸可以由大到小調整，使型變影像A更能顯示物件100的構成細節。

承上，如此重複上述動作會得到該物件100各面向所分別呈現複數組的三維座標，該影像處理單元50結合複數組三維座標產生該物件100的完整立體影像。

且在一實施例中，該影像感測單元40可選用景深與感光度皆佳的影像感測器，如可為一照相機、一攝影機等，如此型變影像A的成像會細膩而不失真，且僅用單一影像感測單元40也可避免習知技術中不同影像擷取裝置景深不一致的問題。

請參閱第5圖所示，本發明的3D投影列印系統更包括一反射單元70及一顯示器80，於本實施例中，該反射單元70可為一反射鏡，將反射單元70調到對應角度後，使其反射該投影單元20投射之該立體影像至該顯示器80，該顯示器80與該影像處理單元50連接，供一使用者透過該顯示器80之顯示以檢視該立體影像，並經由該影像處理單元50對該立體影像進行編輯。在結束反射後，能使該反射單元70回歸原位。

完成後再利用一切層軟體(未圖示)將該立體影像進行切層處理以產生複數層疊置的2D平面影像(未圖示)之對應數據，此為一般3D切層技術，於此不再贅述，而後將切層完成的複數層疊置的平面影像之數據傳送至該投影單元20。

請續參閱第6圖所示，本發明的3D投影列印系統更包括一升降單元90，係與該可動平台10連接，該升降單元90具一馬達91，用以控制該可動平台10的上升/下降。利用該可動平台10的上升/下降，使該投影單元20按上述數據依層投射每一層該平面影像至該感光成型材料61之對應部份以進行光固化；於本實施例中，是利用逐步降低該升降單元90之下降距離，由物件100之最頂部平面影像依層朝向物件100之最底部平面影像投射至該感光成型材料61之每一對應部份以進行光固化，且每次光固化完一對應部份後即對該對應部份進行固化以形成每一立體層，再對下一層的另一平面影像投射至該感光成型材料61之下一層對應部份，並再固化以形成下一立體層，一直到所有複數平面影像都處理完以形成所有立體層之後，即得到一立體物件，完成此3D立體影像列印工作。於其他實施例中，可以採用相反的列印方向，即由物件100的最底部平面影像依層朝向物件100的最頂部平面影像投射依層進行光固化。

此外，本發明提供一種3D投影列印方法，包括以下步驟：S01：提供一投影單元投射一光源至一物件；S02：提供一影像感測單元掃描感測投射至該物件上的該光源以對應產生至少一型變影像；S03：轉換該至少一型變影像為一立體影像，將該立體影像進行切層處理以產生包含複數層疊置的平面影像之數據，之後傳送該數據至該投影單元；於其他實施例中，在對該立體影像進行切層處理之步驟前還包括一提供使用者對該立體影像的檢視與編輯之程序；S04：該投影單元按該數據依層投射每一層該平面影像至一 感光成型材料之一對應部份以進行光固化，接著使每一層該平面影像對應的上述光固化部份進行固化，進而形成每一對應的立體層，當所有的上述立體層逐一形成，即形成一對應該物件之整體外形的立體物件。

由於上述方法主要皆共用同一個投影單元，將上述步驟分為三個模式進行。模式一為投射掃描，利用該光源照射該物件，該光源為具有內建樣本圖像的結構光源，因物件表面凹凸不平而會使光源產生至少一型變影像並取得之，將該型變影像透過一幾何三角運算可得到物件對應的三維座標，接著再旋轉該物件的各個角度並重複上述投射及運算，結合複數組的該三維座標即可獲得一個完整的立體影像。

模式二為立體影像檢視與編輯，將所取得的立體影像透過投影單元投射到一顯示器上，讓使用者可以進行立體影像的檢視與編輯，後再利用切片軟體的功能將立體影像切層處理為包含複數層疊置的平面影像之數據。

模式三為列印程序，將複數層疊置的平面影像之數據投射至該感光成型材料，每投射完一層的平面影像至該感光成型材料後需等待一段時間並以紫外線或紅外線固化，再重複另一層平面影像的投射與固化，每一疊置的平面影像都處理完之後即可得到對應該物件整體外形的立體物件。

綜上所述，本發明主要利用單一投影單元搭配一影像感測單元來依序完成3D立體影像掃描、影像顯示和3D立體影像列印等功能，達到降低整體設備製作成本並縮小產品體積的優點。

另外，本發明的3D投影列印系統由影像感測單元掃描樣本 圖像光源的投射至物件上的型變，重複使投影單元由不同面向將光源投射向該物件可獲得該物件各面向對應的複數樣本圖像光源的型變，以更精確的描繪出物件影像各部細節，改善習知3D列印設備使用兩台或以上的相機擷取影像，導致兩台相機各自所擷取影像對應點無法精確配合，造成後續切層軟體誤判及3D列印成品失真的問題。

再者，本發明藉由數位的演算模式計算物件的三維座標，因此可以準確地得到物件上各點的三維座標及相對位置，避免習知類比式的重現物件影像時因為讀取或輸出設備的不同而失真，更導致3D列印成品與原物件差別過大。

且本發明同時以投影單元將切層的平面影像投射到感光成型材料以一次列印一面的面成型方式，相較於習知列印系統的噴印方式是以點和線為基礎，本發明面成型的方式確加快列印的速度。

1‧‧‧機殼

10‧‧‧可動平台

20‧‧‧投影單元

40‧‧‧影像感測單元

50‧‧‧影像處理單元

60‧‧‧容置室

61‧‧‧感光成型材料

70‧‧‧反射單元

80‧‧‧顯示器

90‧‧‧升降單元

91‧‧‧馬達

100‧‧‧物件

Claims (9)

1. 一種3D投影列印系統，包括：一可動平台，用以承載一物件；一投影單元，用以投射一光源至該物件；一影像感測單元，用以掃描感測投射至該物件上的該光源進而產生至少一型變影像；一影像處理單元，係分別與該投影單元與該影像感測單元連接，用以根據該影像感測單元掃描感測的該至少一型變影像產生一立體影像，且該影像處理單元用以將該立體影像進行切層處理以產生包含複數層疊置的平面影像之數據並傳送至該投影單元；一容置室，用以容置一感光成型材料，其中該投影單元按該數據依層投射每一層該平面影像至該感光成型材料之一對應部份以進行光固化，接著使每一層該平面影像對應的該光固化部份進行固化，形成每一對應的立體層，當所有的該等立體層逐一形成，即形成一對應該物件之整體外形的立體物件；以及一反射單元及一顯示器，該反射單元用以反射該投影單元投射之該立體影像至該顯示器，該顯示器與該影像處理單元連接以顯示該立體影像，並經由該影像處理單元對該立體影像進行編輯。
2. 如申請專利範圍第1項所述之3D投影列印系統，其中，該可動平台係為一可水平旋轉的平台，旋轉該可動平台使該物件由不同角度接收該投影單元投射之該光源，並對應產生該物件之複數不同角度的型變影像。
3. 如申請專利範圍第1項所述之3D投影列印系統，更包括一機殼，用於包 含該可動平台、該投影單元、該影像感測單元、該影像處理單元與該容置室。
4. 如申請專利範圍第1項所述之3D投影列印系統，更包括一固化單元，連接該容置室，用以將每一層該平面影像對應的該光固化部份依層進行固化。
5. 如申請專利範圍第1項所述之3D投影列印系統，其中，更包括一升降單元，係與該可動平台連接，該升降單元具一馬達，用以控制該可動平台的上升/下降，使該投影單元按上述數據依層投射每一層該平面影像至該感光成型材料之對應部份以進行光固化。
6. 如申請專利範圍第1項所述之3D投影列印系統，其中，該光源為一種結構光源，該結構光源為具有複數內建樣本圖像之結構光源。
7. 如申請專利範圍第1項所述之3D投影列印系統，其中，該感光成型材料為感光樹脂。
8. 一種3D投影列印方法，包括以下步驟：提供一投影單元投射一光源至一物件；提供一影像感測單元掃描感測投射至該物件上的該光源進而產生至少一型變影像；轉換該至少一型變影像為一立體影像，且將該立體影像進行切層處理以產生包含複數層疊置的平面影像之數據後傳送至該投影單元；該投影單元按該數據依層投射每一層該平面影像至一感光成型材料之一對應部份以進行光固化，接著使每一層該平面影像對應的上述光固化部份進行固化，形成每一對應的立體層，當所有之上述立體層逐一形 成，即形成一對應該物件之整體外形的立體物件。
9. 如申請專利範圍第8項所述之3D投影列印方法，其中，在對該立體影像進行切層處理之步驟前還包括一提供該立體影像的檢視與編輯之程序。