一种光固化3D打印机光源系统及3D打印机的制作方法

一种光固化3d打印机光源系统及3d打印机
技术领域
1.本实用新型涉及3d打印机领域，特别涉及一种光固化3d打印机光源系统及3d打印机。


背景技术：

2.光固化lcd 3d打印机的光学模组有两个重要的技术指标要求：均匀度，是指紫外光到接收面lcd屏幕上的最小辐照度与最大辐照度的比值。均匀度越大，lcd屏幕接收到的紫外光辐射能量偏差越小，在打印3d模型时，同等时间下，使同一平面内达到比较一致的固化效果，打印效果越好。准直度，是指紫外光线与lcd屏幕所在平面法线的夹角，准直度越小，打印的模型精度和打印效果越好。
3.现有的lcd 3d打印机的光路方案中通常采用透镜改变光的分布，透镜的采用能够使整个屏幕得到较高的均匀度，但由于整机空间尺寸约束，光源到lcd屏幕的光程h太小，准直度仍不能满足需求，使得打印效果不能满足需求。为了使准直度的数值变小，需要寻找更好的方法使经过lcd屏幕区域的整体光线都趋于平行光。


技术实现要素：

4.鉴于此，本实用新型提供一种光固化3d打印机光源系统及3d打印机。
5.具体而言，包括以下的技术方案：
6.本技术一方面提供了一种光固化3d打印机光源系统，包括
7.光源；
8.反射镜，设置在所述光源发出光线的光路上；
9.显示屏，设置在所述反射镜发出的反射光线的光路上；
10.准直透镜，所述准直透镜靠近所述显示屏一侧的表面为第一表面，所述第一表面为凸面，所述准直透镜设置在所述反射镜和显示屏之间，用于对经所述反射镜反射的光线进行准直处理。
11.可选的，所述准直透镜靠近所述显示屏的第一表面为凸面非球面。
12.可选的，所述准直透镜靠近所述反射镜一侧的表面为第二表面，所述第二表面整体向所述显示屏的方向凹陷。
13.可选的，所述第二表面包括多个弧形槽，所述多个弧形槽同轴设置，多个所述弧形槽从所述准直透镜的中轴线向所述准直透镜的边缘依次排布，各所述弧形槽均绕所述准直透镜的中轴线周向延伸。
14.可选的，所述弧形槽呈齿形，各所述弧形槽包括第一槽壁和第二槽壁；
15.所述第一槽壁自所述弧形槽的槽底向所述反射镜的方向凸起，且向靠近所述准直透镜的中轴线的方向呈弧形延伸倾斜，所述第一槽壁为凸面非球面；
16.所述第二槽壁自所述弧形槽的槽底向所述反射镜的方向延伸，且向远离所述准直透镜的中轴线的方向倾斜。
17.所述弧形槽包括环形槽，所述环形槽与所述准直透镜的中轴线之间的距离为预设距离；
18.所述环形槽的内环沿朝向所述显示屏的方向凹陷，以使所述环形槽的内环所围成的范围内形成圆形凹槽，所述圆形凹槽的槽底为圆凸面，所述圆凸面为凸面非球面。
19.可选的，各所述第一槽壁与所述准直透镜中轴线之间的夹角为α，自所述准直透镜的中心向所述准直透镜的边缘的方向，α依次递减。
20.可选的，所述光源系统还包括第一透镜，所述第一透镜设置在所述光源和所述反射镜之间的光路上；
21.所述第一透镜为凸透镜，所述第一透镜靠近所述反射镜的一侧为凸面，靠近所述光源的一侧为平面。
22.可选的，所述准直透镜的可供光源入射面积为第一面积，所述反射镜的反射光进入所述准直透镜的光源面积为第二面积，所述第一面积与所述第二面积之间的差值占所述第一面积的百分比不小于10％。
23.本技术另一方面提供了一种3d打印机，包含如上所述光固化3d打印机光源系统。本实用新型实施例提供的技术方案的有益效果至少包括：本实用新型中通过在显示屏下方增加准直透镜，使进入屏幕区域的整体光线都趋于平行光，使光路系统的准直度得到大大改善。
附图说明
24.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为直下式光源系统示意图；
26.图2为本实用新型光固化3d打印机光源系统示意图；
27.图3为本实用新型中准直透镜的俯视示意图；
28.图4为本实用新型中准直透镜的仰视示意图；
29.图5为本实用新型中准直透镜的三视图示意图。
30.图中的附图标记分别表示为：
31.1-光源；2-反射镜；3-显示屏；4-第一透镜；5-准直透镜；51-第一表面；52-第二表面；521-弧形槽；521a-第一槽壁；521a
′‑
圆凸面；521b-第二槽壁。
32.通过上述附图，已示出本实用新型明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本实用新型构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本实用新型的概念。
具体实施方式
33.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获
得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
34.在对本实用新型实施方式作进一步地详细描述之前，本实用新型实施例中所涉及的方位名词，如“上部”、“下部”、“侧部”，以图1中所示方位为基准，并不具有限定本实用新型保护范围的意义。
35.除非另有定义，本实用新型实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。在对实用新型实施方式作进一步地详细描述之前，对理解本实用新型实施例一些术语进行说明。
36.为使本实用新型的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。
37.实施例一
38.如图2所示，一种光固化3d打印机光源系统，包括光源1；反射镜2，设置在光源1发出光线的光路上；显示屏3，设置在反射镜2发出的反射光线的光路上；准直透镜5，准直透镜5靠近显示屏3一侧的表面为第一表面51，第一表面51为凸面，准直透镜5设置在反射镜2和显示屏3之间，用于对经反射镜2反射的光线进行准直处理。
39.进一步，光源1采用侧发光的方式，水平放置，反射镜2倾斜放置在光源1的前方，接收光源1的投射光线；显示屏3水平设置在反射镜2的上方，接收反射镜2的反射光线。可以理解的是，采用侧发光的光路方案，能够增大光源1到显示屏3的光程h，改善进入显示屏3内的光线准直度。
40.进一步，准直透镜5设置在反射镜2和显示屏3之间，可以理解的是准直透镜5的边缘与显示屏3的边缘相对设置，使得准直透镜5的平行光能够在显示屏3区域内均匀分布。
41.进一步，准直透镜5靠近显示屏3一侧的表面为第一表面51，第一表面51为凸面，与现有准直透镜相比，第一表面51设置为凸面，使得准直透镜5具有更大的折射角度，更容易将光线折射为平行光。
42.本实施例中透过设置准直透镜5增加了整个光路的光程h，增加的光程为
43.δh＝(n
2-n0)*l
44.其中，n2为准直透镜5的折射率，n0为空气的折射率，l为准直透镜5的物理距离；
45.同时经过准直透镜5的处理，进入显示屏3区域的整体光线都趋于平行光，使光路系统的准直度得到大大改善。
46.如图3至图5所示，准直透镜5靠近显示屏3的第一表面51为凸面非球面。
47.进一步，第一表面51为凸面非球面可以理解为，第一表面51的中心高，边缘低，向靠近显示屏3的方向凸起。同时第一表面51为非球面，可以理解为第一表面51的各处曲率不同，使非中心区的成像变形更小，更容易折射出平行光，使图像更清晰。可以理解的是第一表面51的各处曲率的确定需要根据反射镜2发出的反射光的强度和面积，以及显示屏3的成像需求等因素综合分析确定。
48.结合图2和图5，准直透镜5靠近反射镜2一侧的表面为第二表面52，第二表面52整体向显示屏3的方向凹陷。
49.进一步，第二表面52整体向显示屏3的方向凹陷的设置可以减薄准直透镜5的整体厚度，使准直透镜5的中心与边缘的厚度基本一致。
50.结合图2和图4，第二表面52包括多个弧形槽521，多个弧形槽521同轴设置，多个弧
形槽521从准直透镜5的中轴线向准直透镜5的边缘依次排布，各弧形槽521均绕准直透镜5的中轴线周向延伸。弧形槽521弧形槽521弧形槽521
51.进一步，弧形槽521的设置将进入准直透镜5内的反射光进行分割，分割后的光线在弧形槽521的表面产生折射，使入射光线更容易调整为平行光。
52.结合图2和图5所示，弧形槽521呈齿形，各弧形槽521包括第一槽壁521a和第二槽壁521b；第一槽壁521a自弧形槽的槽底向反射镜2的方向凸起，且向靠近准直透镜5的中轴线的方向呈弧形延伸倾斜，第一槽壁521a为凸面非球面；第二槽壁521b自弧形槽的槽底向反射镜2的方向延伸，且向远离准直透镜5的中轴线的方向倾斜。
53.进一步，可以理解的是第一槽壁521a向反射镜2的方向凸起，且第一槽壁521a呈弧形延伸倾斜的各处曲率不同，使得成像变形小，成像更好。具体第一槽壁521a各处的曲率变化情况需要根据反射镜2发出的反射光的强度和面积，以及显示屏3的成像需求等因素综合分析确定。第一槽壁521a为凸面非球面使得第一槽壁521a成为一个个独立的凸镜，各第一槽壁521a与第一表面51相配合，组成一个独立的小双凸透镜。双凸透镜一方面可以比平凸透镜有更大的折射角度，更容易把入射光调整为平行光，另一方面可以把反射镜2的反射光进行分割，并对分割后的光束进行逐步准直，最终把光线调整成平行光。
54.结合图2和图5，弧形槽521包括环形槽，环形槽与准直透镜5的中轴线之间的距离为预设距离；环形槽的内环沿朝向显示屏3的方向凹陷，以使环形槽的内环所围成的范围内形成圆形凹槽，圆形凹槽的槽底为圆凸面521a
′
，圆凸面521a
′
为凸面非球面。
55.弧形槽521进一步，圆凸面521a
′
为凸面非球面可以理解为，圆凸面521a
′
向反射镜2的方向凸起，且圆凸面521a
′
的表面为非球面，圆凸面521a
′
的表面各处的曲率不同，具体第一槽壁521a各处的曲率变化情况需要根据反射镜2发出的反射光的强度和面积，以及显示屏3的成像需求等因素综合分析确定。
56.进一步，如图2所示，第二表面52与第一表面51之间的距离从准直透镜5的中轴线向准直透镜5的边缘的方向变化不大，基本趋于一致，使得准直透镜5的整体厚度均匀。在一些实施例中，为了保证准直透镜5的整体厚度均匀，如图3所示，第一槽壁521a和靠近中轴线一侧相邻弧形槽521的第二槽壁521b的交线与第一表面51之间沿准直透镜5中轴线延伸方向的距离为第一距离为h1，圆凸面521a
′
的与第一表面51沿准直透镜5中轴线延伸方向的距离为第二距离为h2，第一距离h1与第二距离h2之间的差值占第一距离h1的百分比不大于20％，可以理解的是，第一距离h1与第二距离h2之间的差值取绝对值。
57.进一步，第二槽壁521b向远离准直透镜5的中轴线的方向倾斜，一方面避免了经相邻第二槽壁521b折射后的光线重复进入其他的第二槽壁521b，另一方面也更利于弧形槽521的生产成型。
58.结合图2和图5所示，各第一槽壁521a与准直透镜5中轴线之间的夹角为α，自准直透镜5的中心向准直透镜5的边缘的方向，α依次递减。
59.进一步，可以理解的是越靠近准直透镜5中轴线的第一槽壁521a与准直透镜5中轴线的夹角越大，使得越靠近准直透镜5中轴线的第一槽壁521a的弧形延伸长度越大，进而可以减小第二表面52到第一表面51之间的距离，减薄准直透镜5的厚度。
60.如图2所示，光源系统还包括第一透镜4，第一透镜4设置在光源1和反射镜2之间的光路上；第一透镜4为凸透镜，第一透镜4靠近反射镜2的一侧为凸面，靠近光源1的一侧为平
面。
61.进一步，第一透镜4设置在光源1和反射镜2之间的水平光路上，位于光源1的正前方，用于对光源1发射出的光线进行均匀扩散处理。第一透镜4改变光的分布，能使整个屏幕能得到较高的均匀度。
62.如图2所示，准直透镜5的可供光源入射面积为第一面积，反射镜2的反射光进入准直透镜5的光源面积为第二面积，第一面积与第二面积之间的差值占第一面积的百分比不小于10％。
63.进一步，如图2所示，第一面积为s1，第二面积为s2，第一面积s1比第二面积大至少10％，能够保证反射镜2的反射光线完全入射准直透镜5，避免出现图像缺失的现象。
64.进一步，准直透镜5的长度为l，准直透镜5上单位长度内弧形槽521的数量为n时，准直透镜5上的弧形槽521的总数量不小于nl，可以理解的是单位长度内弧形槽521的数量n越多越好，弧形槽521的数量越多，进入准直透镜5中的光线被分割的越细，越容易折射出平行光。但受到加工工艺和设备的影响，1mm单位长度内最多设置两个凹槽。
65.本实施例另一方面提供了一种3d打印机，包含如上的光固化3d打印机光源系统。
66.3d打印机采用如上的光源系统使进入显示屏的整体光线都趋于平行光，使光路系统的准直度得到大大改善，使3d打印机的成像更清晰。
67.本实施例中光源1可以为cob光源、集成式光源、点光源、面光源中的任意一种。准直透镜5采用pmma、pc等塑料材料，同样适用于高硼硅玻璃、石英玻璃、h-k9、h-k51等玻璃。
68.实施例二
69.图2是本实施例的光源系统示意图，图3至图5为本实施例中准直透镜5的结构示意图。如图2至图5所示，本实施例提供了一种光固化3d打印机光源系统，包括光源1；反射镜2，设置在光源1发出光线的光路上；显示屏3，设置在反射镜2发出的反射光线的光路上；准直透镜5，准直透镜5靠近显示屏3一侧的表面为第一表面51，第一表面51为凸面，准直透镜5设置在反射镜2和显示屏3之间，用于对经反射镜2反射的光线进行准直处理。
70.其中，第一表面51为凸面非球面。
71.其中，准直透镜5靠近反射镜2一侧的表面为第二表面52，第二表面52整体向显示屏3的方向凹陷。
72.其中，第二表面52包括多个弧形槽521，多个弧形槽521同轴设置，多个弧形槽521从准直透镜5的中轴线向准直透镜5的边缘依次排布，各弧形槽521均绕准直透镜5的中轴线周向延伸。
73.其中，弧形槽521呈齿形，各弧形槽521包括第一槽壁521a和第二槽壁521b；第一槽壁521a自弧形槽的槽底向反射镜2的方向凸起，且向靠近准直透镜5的中轴线的方向呈弧形延伸倾斜，第一槽壁521a为凸面非球面；第二槽壁521b自弧形槽的槽底向反射镜2的方向延伸，且向远离准直透镜5的中轴线的方向倾斜。
74.其中，弧形槽521包括环形槽，环形槽与准直透镜5的中轴线之间的距离为预设距离；环形槽的内环沿朝向显示屏3的方向凹陷，以使环形槽的内环所围成的范围内形成圆形凹槽，圆形凹槽的槽底为圆凸面521a
′
，圆凸面521a
′
为凸面非球面。
75.其中，各第一槽壁521a与准直透镜5中轴线之间的夹角为α，自准直透镜5的中心向准直透镜5的边缘的方向，α依次递减。
76.其中，光源系统还包括第一透镜4，第一透镜4设置在光源1和反射镜2之间的光路上；第一透镜4为凸透镜，第一透镜4靠近反射镜2的一侧为凸面，靠近光源1的一侧为平面。
77.其中，准直透镜5的可供光源入射面积为第一面积，反射镜2的反射光进入准直透镜5的光源面积为第二面积，第一面积与第二面积之间的差值占第一面积的百分比不小于10％。
78.本实施例还提供了一种3d打印机，包含如上光固化3d打印机光源系统。
79.本实施例中提供的光固化3d打印机光源系统通过在显示屏3的下方增加准直透镜5，使进入屏幕区域的整体光线都趋于平行光，使光路系统的准直度得到大大改善，提高了显示屏3的成像质量。
80.在本实用新型中，术语“第一”和“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
81.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的本实用新型后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本实用新型旨在涵盖本实用新型的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本实用新型未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的。
82.以上仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。