实时监控面型的3D打印光学系统的制作方法

本实用新型涉及三维打印快速成型领域，涉及一种3D打印机，尤其涉及一种能实时监控面型的3D打印系统。

背景技术：

3D打印是所见即所得，从三维模型软件中设计的模型直接转换成三维实体。传统机械加工制造技术主要为减材制造，包括车削、铣削、镗削、钻、刨、研磨、抛光等。一般过程是加工技师根据图纸选用其中几种加工方法组合，从而进行机械加工。每一种步骤都会对材料进行去除，同时需要设计复杂夹具来辅组加工。而三维打印技术属于增材制造范畴，一般不需要进行特殊的工装夹具，偶尔仅仅只需修改模型，增加支撑部位。大大简化了制造的过程，同时也可以快速制备复杂模型。

3D打印技术主要分为SLA、DLP、FDM、SLS、DED、LOM等。目前的普通三维打印技术精度普遍在百微米级别。很多材料可以通过设计亚微米结构来改变材料的光学、机械、声学等特性。例如光子晶体、声子晶体等。传统的DLP三维打印微立体光刻技术，是用紫外LED或者汞灯照明DMD芯片，把DMD作为数字掩模，将DMD的图像经过投影物镜放大，投影出来的系统。目前市面上还没有干涉仪监控打印面型的设备推出。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种实时监控面型的3D打印光学系统，包括一干涉仪、一照明系统、一DMD系统、一耦合棱镜、一CCD系统、一中继调焦镜头以及一投影镜头，其中，所述投影镜头对准液面，液面与成型工件对应，所述耦合棱镜设置在投影镜头后侧，分别与DMD系统、CCD系统以及照明系统对应设置，所述中继调焦镜头设置在耦合棱镜后侧，所述干涉仪设置在中继调焦镜头后侧。

优选的，上述光学系统在液面打印的同时进行面型监测和照度检测。

优选的，上述干涉仪为单色干涉仪或白光干涉仪。

优选的，上述DMD系统由DMD芯片和驱动电路组成。

优选的，上述照明系统为LED或汞灯或激光。

优选的，上述耦合棱镜由一块半透半反镜和X棱镜组成。

优选的，上述投影镜头是折射式、折返射式、反射式、折衍式显微物镜或者是折射式、折返射式、反射式、折衍射式光刻镜头。

优选的，上述x棱镜是波分复用和偏振复用系统。

优选的，上述干涉仪采用液面为基准面，监测液面和工件的光程差或者是在中继调焦镜头内增加一块基准凸或凹或平面镜，作为基准面。

相比现有技术，本实用新型用干涉光检测原理，改善了现有光固化3D打印机光学系统的设计，设备成本降低，并可以实现更稳定的成型品质。

将液面作为参考面，实时检测在线打印的工件的打印面，可以达到监控波长量级的精度，通过电子细分可以进一步提高监控的精度。普通的3D打印光学系统可以根据该本实用新型原理检测的数据，进行实时反馈修改打印工艺参数，从而制备高精度工件。使用本实用新型的原理可以制备球面、非球面、自由曲面成像光学元件，也可以制备含有微结构的光子晶体，也可以制备更高精密的纳米超轻超强材料，也可以制备纳米结构的隔振消音材料等。

附图说明

图1为本实用新型提供的实时监控面型的3D打印光学系统结构示意图；

图2为本实用新型提供的实时监控面型的3D打印光学系统检测的干涉图样；

图3为本实用新型提供的实时监控面型的3D打印光学系统改进实施例示意图；

图4为一种干涉仪原理结构图；

图5为X合束棱镜示意图；

图6为X合束薄膜1、2透过率曲线图；

图7为本实用新型提供的实时监控面型的3D打印光学系统改进实施例示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本实用新型，下面结合附图及具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供的一种实时监控面型的3D打印光学系统，如图1所示，包括一干涉仪、一照明系统、一DMD系统、一耦合棱镜、一CCD系统、一中继调焦镜头以及一投影镜头，其中，投影镜头对准液面，液面与成型工件对应，耦合棱镜设置在投影镜头后侧，分别与DMD系统、CCD系统以及照明系统对应设置，中继调焦镜头设置在耦合棱镜后侧，干涉仪设置在中继调焦镜头后侧。光学系统在液面打印的同时进行面型监测和照度检测。干涉仪为单色干涉仪或白光干涉仪。DMD系统由DMD芯片和驱动电路组成。照明系统为LED或汞灯或激光。耦合棱镜由一块半透半反镜和X棱镜组成。投影镜头是折射式、折返射式、反射式、折衍式显微物镜或者是折射式、折返射式、反射式、折衍射射式光刻镜头。x棱镜是波分复用和偏振复用系统。干涉仪采用液面为基准面，监测液面和工件的光程差或者是在中继调焦镜头内增加一块基准凸或凹或平面镜，作为基准面。

本实施例在打印过程中，干涉仪会实时检测打印工件的面型，图2为检测的干涉图样，通过反演计算，得出所打印物品的表面形貌，从而实时补正曝光图形的形状、灰度等。所检测面型误差在波长量级，如果是632.8nm波段的干涉仪，面型检测误差可以达到150nm左右。通过数字图像处理技术，对所探测干涉图样进行细分，可以使面型精度检测达到30nm。

实施例2

如图3所示，是一种改进型方案，照明系统经过第一个45°反射镜后投射到DMD上，返回经过X合束棱镜反射进入投影光刻系统，投射到液面。液面经过照明后，经过X合束棱镜返回进入CCD相机，用于实时监控面曝光强度分布。干涉仪投射632.8nm波段的相干光经过X棱镜、投影光刻物镜后经过液面内打印成型的面型界面，返回进入Zygo干涉仪。经过波前反演计算，还原已打印的面型。干涉仪可以是菲佐干涉仪，也可以是其他类型的干涉仪，其中使用典型的干涉仪为Zygo干涉仪，其波长为632.8nm，也可以是使用其他相干或部分相干光源的干涉仪。本实施例用Zygo干涉仪来描述。其中基准面可以为液面，被测表面为正在成型的工件表面。

如图4所示，为一种可实施的干涉仪原理图，光源经过45°反射镜透射，经过准直镜头成准直光束，经过中继镜头，调整中继镜头使光束从投影光刻镜头输出成平行光。液面可以看作是地球半径的球面，作为基准面，与被测工件表面形成液体隙，固化的工件折射率与未固化的树脂折射率材料不一样，由于液面与空气界面、树脂工件界面存在斯涅耳反射，故会形成牛顿干涉条纹，同时将其采集为数字图像。

本实施例的整个系统执行以下操作步骤：

1.照明系统开启；

2.DMD投射当前打印的图形；

3.CCD检测液面曝光量、干涉仪检测所打印的面型；

4.根据当前亮度分布、面型、目标模型，优化补正下一幅图片的形状、灰度等；

5.投射补正后的下一幅图，重复第3步。

该实施案例中，X合束棱镜将三个方向入射的光合束投影进入树脂槽。本实例为两个方向入射合束棱镜，第三个方向作为采集窗口。对X合束棱镜进行膜系设计，其中一个X合束棱镜光学薄膜特性可以如下图所示。

实施例3

如图4所示，投影光刻照明光经过第一个45°反射镜后投射到DMD上，返回进入合束棱镜。干涉仪直接进入合束棱镜。530nm照明光源经过45°反射镜后再进入合束棱镜。三路光经合束棱镜出射进入投影光刻系统后，在液面进行曝光成型。其中CCD照明光、干涉仪光沿原路返回分别进入CCD和干涉仪。

本实施例的整个打印系统操作步骤如下：

1.DMD投射当前打印图形；

2.530nm照明系统开启；

3.CCD检测面亮度分布；

4.关闭530nm照明系统，打开干涉仪；

5.干涉仪检测当前面型；

6.根据当前亮度分布、面型、目标模型，优化补正下一幅图片的形状、灰度等；

投射补正后的下一幅图，重复第1步。

相比现有技术，本实用新型简化了现有光固化3D打印机光学系统的设计，设备成本降低，并可以实现更稳定的成型品质。

将液面作为参考面，实时检测在线打印的工件的打印面，可以达到监控波长量级的精度，通过电子细分可以进一步提高监控的精度。普通的3D打印光学系统可以根据该本实用新型原理检测的数据，进行实时反馈修改打印工艺参数，从而制备高精度工件。使用本实用新型的原理可以制备球面、非球面、自由曲面成像光学元件，也可以制备含有微结构的光子晶体，也可以制备更高精密的纳米超轻超强材料，也可以制备纳米结构的隔振消音材料等。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。