TWI825530B - 三維列印裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種三維列印裝置的光源模組，包含發光單元、光學透鏡以及凹面鏡。光學透鏡其物側表面與像側表面至少其中一者為自由曲面。光學透鏡具有正屈折力，且發光單元設置於光學透鏡的物側。凹面鏡設置於光學透鏡的像側並作為光路轉折元件。

Description

三維列印裝置
本發明係關於一種光源模組，特別是一種三維列印裝置的光源模組。
近年來，三維列印的應用發展日趨蓬勃，除了一般入門消費級應用，也有愈多的產業開始將三維列印技術導入樣品開發、大量生產及客製化生產，因而更廣泛地應用於醫療、交通、建築、機構設計、珠寶、牙技等產業。此外，由於三維列印應用逐漸普遍，除了實驗室或工廠在使用的大型三維列印裝置之外，近年來也有開發提供給辦公室或個人工作室使用的小型三維列印裝置。
在三維列印製程中，光敏材料是否能均勻地受光很大程度地影響光固化品質，因此如何讓照射光敏材料的光束為平行光是一個重要的研究課題。目前，常用的方案是在光源和光敏材料之間的光路徑上設置一或多片透鏡，以將光源產生的錐形光束修正成平行光束。然而，對於大型三維列印裝置來說，即便透鏡能修正光線入射角度，在遠離光軸處的光線仍難以被修正成平行光。又，對於小型三維列印裝置來說，有限的內部空間難以設置足夠的透鏡數量或是難以讓透鏡和光源之間的距離適當，因而 有平行光品質不佳的問題。
鑒於上述問題，本發明提供一種光源模組，有助於解決三維列印裝置依靠透鏡難以產生高品質平行光的問題。
本發明一實施例所揭露之光源模組包含一發光單元、一光學透鏡以及一凹面鏡。光學透鏡其物側表面與像側表面至少其中一者為自由曲面。光學透鏡具有正屈折力，且發光單元設置於光學透鏡的物側。凹面鏡設置於光學透鏡的像側並作為一光路轉折元件。發光單元發出的光經過光學透鏡後被凹面鏡反射而成為平行光。
本發明一實施例所揭露之三維列印裝置包含前述的光源模組、一單色液晶圖案遮罩以及一光敏材料容置槽。單色液晶圖案遮罩對應光源模組的凹面鏡設置，且凹面鏡的鏡面朝向單色液晶圖案遮罩。光敏材料容置槽鄰近單色液晶圖案遮罩設置，且單色液晶圖案遮罩介於凹面鏡與光敏材料容置槽之間。
根據本發明揭露之三維列印裝置及其光源模組，凹面鏡作為光路轉折元件有助於三維列印裝置的小型化。對於經過光學透鏡的光束，凹面鏡的二次光路修正能確保離軸光線成為平行光，而有助於提升平行光品質。
以上關於本發明內容之說明及以下實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之原理，並提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
1:三維列印裝置
10:支撐架
110:防呆結構
20:單色液晶圖案遮罩
30:光敏材料容置槽
310:承載底部
320:開放頂部
40:光源模組
410:發光單元
411:發光二極體
412:光源電路板
413:散熱鰭片
420:光學透鏡
421:物側表面
422:像側表面
422a:近軸凸面
422b:離軸弧面
422c:凹轉凸曲率變化
430:凹面鏡
431:鏡面
圖1為根據本發明一實施例之三維列印裝置的立體示意圖。
圖2為圖1之三維列印裝置的側視示意圖。
圖3為圖2之光源模組的光學透鏡的立體示意圖。
圖4為圖3之光學透鏡的側視示意圖。
圖5為圖1之三維列印裝置的光源模組的光路示意圖。
於以下實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露的內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易理解本發明相關之目的及優點。以下實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
請參照圖1和圖2，其中圖1為根據本發明一實施例之三維列印裝置的立體示意圖。圖2為圖1之三維列印裝置的側視示意圖。在本實施例中，三維列印裝置1例如但不限於是用於3D列印機的光固化裝置，其包含支撐架10、單色液晶圖案遮罩20、光敏材料容置槽30以及光源模組40。單色液晶圖案遮罩20與光源模組40固定於支撐架10。光敏材料容置槽30承載於支撐架10上且鄰近單色液晶圖案遮罩20設置。
單色液晶圖案遮罩20例如但不限於是單色液晶面板 (Monochrome LCD)且無次像素(Sub-pixel)。藉由控制單色液晶圖案遮罩20的光穿透區域位置及大小可以決定三維列印其中一層的圖案，並且多層圖案連續地堆疊最終形成三維列印產品。無次像素的單色液晶圖案遮罩20能提供光線較高的穿透率，因此光源模組40不需要具有很高的功率，因而三維列印裝置1不需要搭載大體積的鰭片、風扇、熱管等散熱元件，而有助於三維列印裝置1的小型化。
光敏材料容置槽30用以容納液態的光敏材料。具體來說，光敏材料容置槽30包含承載底部310及開放頂部320，其中液態的光敏材料可從開放頂部320注入光敏材料容置槽30內並最終靜置於於承載底部310上。特定波長的光束通過已有確定之列印圖案的單色液晶圖案遮罩20並入射到光敏材料容置槽30內以使液態光敏材料產生交聯固化。升降工作平台(未另繪示)連續地或間歇地接觸光敏材料，而使固化之光敏材料可以附著於升降工作平台上並連續地堆疊，進而最終能於升降工作平台上提供三維列印產品。
光源模組40包含發光單元410、光學透鏡420以及凹面鏡430。單色液晶圖案遮罩20對應光源模組40的凹面鏡430設置，且凹面鏡430的鏡面431朝向單色液晶圖案遮罩20。詳細來說，單色液晶圖案遮罩20介於凹面鏡430與光敏材料容置槽30之間，且單色液晶圖案遮罩20位於凹面鏡430上方。凹面鏡430相對於單色液晶圖案遮罩20傾斜設置。
發光單元410包含發光二極體411、光源電路板412以及散熱鰭片413。發光二極體411的數量可為一或多個，而在圖2中示例性繪示發光單元410包含單一發光二極體411。發光二極體411設置於光源電路板412的一側並與光源電路板412電性連接，且散熱鰭片413設置於光源電路板412的相對另一側。發光二極體411可發出具有適合將光敏材料固化之波長的光，例如紫外光。
光學透鏡420設置於發光單元410與凹面鏡430之間，也就是說發光單元410設置於光學透鏡420的物側。光學透鏡420具有正屈折力，其具有相對的物側表面421與像側表面422。請一併參照圖3和圖4，其中圖3為圖2之光源模組的光學透鏡的立體示意圖，且圖4為圖3之光學透鏡的側視示意圖。發光單元410鄰近物側表面421，且像側表面422朝向凹面鏡430。物側表面421與像側表面422至少其中一者於近光軸處為自由曲面，其中圖3示例性繪示物側表面421於近光軸處為平面，且像側表面422為自由曲面。在部分其他實施例中，光學透鏡物側表面於近光軸處也可以是凹面或凸面。像側表面422可包含近軸凸面422a以及兩個離軸弧面422b分別連接於近軸凸面422a的相對兩側。此外如圖4所示，近軸凸面422a與離軸弧面422b的交界處具有凹轉凸曲率變化422c。
此外，如圖3所示，支撐架10可具有防呆結構110對應光學透鏡420設置。具體來說，防呆結構110包含數個鎖孔 位於光學透鏡420周圍，其中位於光學透鏡420左側之鎖孔數量與位於光學透鏡420右側之鎖孔數量不同且位置也不同。
凹面鏡430設置於光學透鏡420的像側並作為光路轉折元件。請一併參照圖5，為圖1之三維列印裝置的光源模組的光路示意圖。發光單元410發出的光經過光學透鏡420後被凹面鏡430反射，進而成為平行光入射至單色液晶圖案遮罩20。平行光有助於讓單色液晶圖案遮罩20受光較均勻，同時還能讓單色液晶圖案遮罩20中心區和邊緣區的像差趨近一致而不會有邊緣區相差過於嚴重的問題，因此提升三維列印產品的解析度和品質。
在本實施例中，光學透鏡420的焦距可為10~20公釐(mm)，凹面鏡430的焦距可為60~100公釐。光學透鏡420的數值孔徑(NA)可為60~100公釐。凹面鏡430的鏡面431於近光軸處的曲率半徑為300~450公釐。光學透鏡像側表面422的近軸凸面422a的曲率半徑可為25~300公釐。發光單元410之發光二極體411的出光面與光學透鏡物側表面421於光軸上的空氣間距可為10~30公釐。光學透鏡像側表面422與凹面鏡430之鏡面431於光軸上的空氣間距可為150~250公釐。
光學透鏡420提供第一次光路設計。詳細來說，藉由光學透鏡420將發光單元410之發光二極體411發出的光線匯聚成光束，爾後光束入射至凹面鏡430的鏡面431。
對於現有的大型三維列印裝置(例如單色液晶圖案 遮罩的尺寸遠大於光學透鏡的有效光學區域)來說，為了讓光束範圍能完整覆蓋單色液晶圖案遮罩，在光學透鏡離軸處的光路修正不能讓光線太過劇烈地匯聚，導致離軸光線經過光學透鏡後可能仍然無法成為平行光。又，對於現有的小型三維列印裝置(例如可攜式/可拆式三維列印裝置或桌上型三維列印裝置)，由於體積限制，光學透鏡與發光單元之間的間距過短(例如僅有數公分)，若要匯聚光線則需採用具強屈折力的透鏡，然而強屈折力透鏡對於離軸光線的修正效果並不理想。因此，在上述情況中，若僅用單枚透鏡、透鏡組或透鏡陣列難以滿足需求。
復參照圖2，根據本發明一實施例揭露之三維列印裝置1中的光源模組40包含有凹面鏡430提供第二次光路設計。凹面鏡430作為光路轉折元件有助於三維列印裝置1的小型化。此外，對於經過光學透鏡420的光束，凹面鏡430的二次光路修正能確保離軸光線成為平行光，因而入射至單色液晶圖案遮罩20的光束中的非平行光線數量顯著減少，而有助於提升平行光品質。
綜上所述，根據本發明揭露之三維列印裝置及其光源模組，凹面鏡作為光路轉折元件有助於三維列印裝置的小型化。對於經過光學透鏡的光束，凹面鏡的二次光路修正能確保離軸光線成為平行光，而有助於提升平行光品質。
本發明之實施例揭露雖如上所述，然並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，舉凡依本發明申請範圍所述之形狀、構造、特徵及精神當可做些 許之變更，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
20:單色液晶圖案遮罩
30:光敏材料容置槽
310:承載底部
320:開放頂部
40:光源模組
410:發光單元
411:發光二極體
412:光源電路板
413:散熱鰭片
420:光學透鏡
421:物側表面
422:像側表面
430:凹面鏡
431:鏡面

Claims (9)

  1. 一種三維列印裝置，包含：一光源模組，包含：一發光單元；一光學透鏡，具有正屈折力，其物側表面與像側表面至少其中一者為自由曲面，且該發光單元設置於該光學透鏡的物側；以及一凹面鏡，設置於該光學透鏡的像側並作為一光路轉折元件，該發光單元發出的光經過該光學透鏡後被該凹面鏡反射而成為平行光；一單色液晶圖案遮罩，對應該光源模組的該凹面鏡設置，該凹面鏡的一鏡面朝向該單色液晶圖案遮罩，且該凹面鏡相對於該單色液晶圖案遮罩傾斜設置；以及一光敏材料容置槽，鄰近該單色液晶圖案遮罩設置，且該單色液晶圖案遮罩介於該凹面鏡與該光敏材料容置槽之間；其中，該光學透鏡像側表面與該凹面鏡的該鏡面於光軸上的空氣間距為150~250公釐(mm)，且該凹面鏡的焦距為60~100公釐。
  2. 如請求項1所述之三維列印裝置，其中該光學透鏡的焦距為10~20公釐。
  3. 如請求項1所述之三維列印裝置，其中該光學透鏡的數值孔徑(NA)為60~100公釐。
  4. 如請求項1所述之三維列印裝置，其中該凹面鏡的一鏡面於近光軸處的曲率半徑為300~450公釐。
  5. 如請求項1所述之三維列印裝置，其中該光學透鏡像側表面為自由曲面。
  6. 如請求項5所述之三維列印裝置，其中該光學透鏡像側表面於近光軸處具有一凸面。
  7. 如請求項1所述之三維列印裝置，其中該發光單元的一出光面與該光學透鏡物側表面於光軸上的空氣間距為10~30公釐。
  8. 如請求項1所述之三維列印裝置，更包含一支撐架，其中該單色液晶圖案遮罩及該光源模組固定於該支撐架，且該單色液晶圖案遮罩位於該凹面鏡上方。
  9. 如請求項1所述之三維列印裝置，更包含一防呆結構對應該光源模組的該光學透鏡設置。
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