一种用于3d打印的光学系统及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于3D打印的光学系统及其控制方法，该光学系统包括激光器、扩束系统、分束器、空间光调制器及聚焦系统，空间光调制器连接有用于生成目标调制图案的计算机，空间光调制器用于接收计算机生成的目标调制图案后生成调制图案，激光器发出的光束通过扩束系统扩束成平行光束并照射到分束器上，部分扩束后的光束通过分束器后到达空间光调制器处进行调制，调制后的光束反射回分束器后，部分调制后的光束通过聚焦系统聚焦后照射到3D打印的目标平面上。本发明以调制图案为单位进行光学调制及聚焦解调，可以逐行打印、逐段打印甚至整个平面打印，提高了打印效率，加快了打印速度，并保证了3D打印质量，可广泛应用在3D打印领域中。
【专利说明】一种用于3D打印的光学系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及3D打印领域，特别是涉及一种用于3D打印的光学系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 3D打印技术具有将数字化模型直接现实化的能力，可以改变传统的设计及制造方 法。目前3D打印在航空航天、医疗、汽车以及其它很多领域都有应用。然而，3D打印技术在 工业推广应用仍然面临很多问题，其中一个关键问题是打印速度慢。现有的3D打印设备， 包括激光选区烧结（SLS)，激光选区熔化（SLM)等，都依赖于用单束或多束激光的逐点逐层 打印，通过微机电系统控制的反射镜和透镜组合，来操纵光束焦点的移动，从而实现逐点打 印。这种打印方式速度慢，效率低，是目前3D打印技术发展的一大瓶颈。
【发明内容】
[0003] 为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种用于3D打印的光学系统，本 发明的另一目的是提供一种用于3D打印的光学系统的控制方法。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0005] -种用于3D打印的光学系统，包括激光器、扩束系统、分束器、空间光调制器及聚 焦系统，所述空间光调制器连接有用于生成目标调制图案的计算机，所述空间光调制器用 于接收计算机生成的目标调制图案后生成调制图案，所述激光器发出的光束通过扩束系统 扩束成大直径的平行光束并照射到分束器上，其中一部分扩束后的光束通过分束器后到达 空间光调制器处进行调制，调制后的光束反射回分束器后，一部分调制后的光束通过聚焦 系统聚焦后照射到3D打印的目标平面上。
[0006] 进一步，所述扩束系统包括负透镜和正透镜，所述负透镜的轴心和正透镜的轴心 共线，所述激光器发出的光束依次通过负透镜和正透镜后扩束成大直径的平行光束。
[0007] 进一步，所述空间光调制器采用反射镜式数字微镜器件，所述聚焦系统采用柱透 镜。
[0008] 进一步，所述空间光调制器采用位相式液晶空间光调制器，所述聚焦系统采用正 透镜。
[0009] -种用于3D打印的光学系统的控制方法，包括：
[0010] 步骤1、采用计算机获取3D打印的打印模型的逐个平面的面图案后，将获取的面 图案生成目标调制图案并发送到空间光调制器处；
[0011] 步骤2、将激光器发出的光束通过扩束系统扩束成大直径的平行光束并照射到分 束器上，其中一部分扩束后的光束通过分束器后到达空间光调制器处进行调制，调制后的 光束反射回分束器后，一部分调制后的光束通过聚焦系统聚焦后照射到3D打印的目标平 面上。
[0012] 进一步，所述步骤2中将激光器发出的光束通过扩束系统扩束成大直径的平行光 束，其具体为：
[0013] 将激光器发出的光束依次通过负透镜和正透镜后扩束成大直径的平行光束。
[0014] 进一步，所述空间光调制器采用反射镜式数字微镜器件，所述聚焦系统采用柱透 镜，所述步骤1，其具体为：
[0015] 采用计算机获取3D打印的打印模型的逐个平面的面图案后，将获取的面图案切 分为多个宽度相同的线段图案，并依次将获得的线段图案作为目标调制图案发送到反射镜 式数字微镜器件处。
[0016] 进一步，还包括以下步骤：
[0017] 步骤3、3D打印系统按照逐次聚焦的线段图案的顺序依次地进行打印，并在每次 打印完一个线段图案后，按照线段图案的宽度往同一个方向移动3D打印系统或光学系统。
[0018] 进一步，空间光调制器采用位相式液晶空间光调制器，所述聚焦系统采用正透镜， 所述步骤1，其具体为：
[0019] 采用计算机获取3D打印的打印模型的逐个平面的面图案后，将获取的面图案按 照以下步骤生成该面图案的纯相位全息图后作为目标调制图案并发送到位相式液晶空间 光调制器处；
[0020] 步骤11、按下式根据该面图案的初始相位分布<K(u，v)和入射到位相式液晶空间 光调制器处的入射光的振幅|U(u，V) |构成入射波函数fn(u，V):
[0021] ./"(〃, Γ) . )
[0022] 步骤12、对入射波函数fn(u，ν)进行傅立叶变换：
[0023] gn (x, y) = |Gm (x, v)| · e^n
[0024] 上式中，gn(x，y)表示入射波函数fn(u，v)的傅里叶变换；
[0025] 步骤13、用预期调制的振幅G(x，y)替换Gn(x，y)得到中间函数g/ (x, y)：
[0026] gn %x, y) = |G(x, j)| · e^n
[0027] 步骤14、对中间函数gn' (x，y)进行傅里叶逆变换：
[0028] fn'(//, v) = |C/B(?, v) · e,#,,(w'v)
[0029] 上式中，f/ (u，v)表示中间函数gn' (x，y)的傅里叶逆变换；
[0030] 步骤15、根据中间函数g/ (x，y)的傅里叶逆变换的相位和入射光的振幅 |u(u，v)|生成下一次迭代的入射波函数fn+1(u，v):
[0031] = _
[0032] 步骤16、重复执行以上步骤直至满足收敛条件后，将该时刻的中间函数g/ (x，y) 的傅里叶逆变换作为该面图案的纯相位全息图。
[0033] 本发明的有益效果是：本发明的一种用于3D打印的光学系统，包括激光器、扩束 系统、分束器、空间光调制器及聚焦系统，空间光调制器连接有用于生成目标调制图案的计 算机，空间光调制器用于接收计算机生成的目标调制图案后生成调制图案。本光学系统通 过计算机生成目标调制图案并发送到空间光调制器处生成调制图案，从而对光束进行调制 后，聚焦到3D打印的目标平面上，相比现有技术中的逐点聚焦，本光学系统以调制图案为 单位进行光学调制及聚焦解调，可以逐行打印、逐段打印甚至逐个平面打印，大大地提高了 3D打印系统的打印效率，同时还保证了 3D打印的高质量。
[0034] 本发明的另一有益效果是：本发明的一种用于3D打印的光学系统的控制方法， 采用计算机获取3D打印模型的逐个平面的面图案后，将获取的面图案生成目标调制图案 并发送到空间光调制器处；然后将激光器发出的光束通过扩束系统扩束成大直径的平行 光束并照射到分束器上，其中一部分扩束后的光束通过分束器后到达空间光调制器处进行 调制，调制后的光束反射回分束器后，一部分调制后的光束通过聚焦系统聚焦后照射到3D 打印的目标平面上。本控制方法通过将3D打印的打印模型的面图案生成目标调制图案并 发送到空间光调制器处生成调制图案，从而对光束进行调制后，聚焦到3D打印的目标平面 上，相比现有技术中的逐点聚焦的控制方法，本控制方法以调制图案为单位进行光学调制 及聚焦解调，应用在3D打印系统中，大大地提高了 3D打印系统的打印效率，而且保证了打 印精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0035] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0036] 图1是本发明的一种用于3D打印的光学系统的结构框图；
[0037] 图2是本发明的实施例三的结构框图；
[0038] 图3是本发明的实施例四中的目标调制图案的示意图；
[0039] 图4是本发明的实施例四中的调制图案及聚焦后得到的打印图案的示意图；
[0040] 图5是本发明的实施例五中对3D打印的面图案进行调制及解调的原理不意图；
[0041] 图6是现有技术中的逐点打印的扫描过程示意图；
[0042] 图7是采用本发明的控制方法逐行打印的扫描过程示意图；
[0043] 图8是采用本发明的控制方法逐段打印的扫描过程示意图。
【具体实施方式】
[0044] 为了便于下文的描述，首先给出以下名词解释：
[0045] DMD :Digital MicroMirror Device,数字微镜器件，可以实现任意明暗图案。
[0046] 参照图1，本发明提供了一种用于3D打印的光学系统，包括激光器1、扩束系统2、 分束器3、空间光调制器4及聚焦系统5,所述空间光调制器4连接有用于生成目标调制图 案的计算机，所述空间光调制器4用于接收计算机生成的目标调制图案后生成调制图案， 所述激光器1发出的光束通过扩束系统2扩束成大直径的平行光束并照射到分束器3上， 其中一部分扩束后的光束通过分束器3后到达空间光调制器4处进行调制，调制后的光束 反射回分束器3后，一部分调制后的光束通过聚焦系统5聚焦后照射到3D打印的目标平面 6上。
[0047] 进一步作为优选的实施方式，所述扩束系统2包括负透镜21和正透镜22,所述负 透镜21的轴心和正透镜22的轴心共线，所述激光器1发出的光束依次通过负透镜21和正 透镜22后扩束成大直径的平行光束。
[0048] 进一步作为优选的实施方式，所述空间光调制器4采用反射镜式数字微镜器件， 所述聚焦系统采用柱透镜。
[0049] 进一步作为优选的实施方式，所述空间光调制器4采用位相式液晶空间光调制 器，所述聚焦系统采用正透镜。
[0050] -种用于3D打印的光学系统的控制方法，包括：
[0051] 步骤1、采用计算机获取3D打印的打印模型的逐个平面的面图案后，将获取的面 图案生成目标调制图案并发送到空间光调制器4处；
[0052] 步骤2、将激光器1发出的光束通过扩束系统2扩束成大直径的平行光束并照射到 分束器3上，其中一部分扩束后的光束通过分束器3后到达空间光调制器4处进行调制，调 制后的光束反射回分束器3后，一部分调制后的光束通过聚焦系统5聚焦后照射到3D打印 的目标平面6上。
[0053] 进一步作为优选的实施方式，所述步骤2中将激光器1发出的光束通过扩束系统 2扩束成大直径的平行光束，其具体为：
[0054] 将激光器1发出的光束依次通过负透镜21和正透镜22后扩束成大直径的平行光 束。
[0055] 进一步作为优选的实施方式，所述空间光调制器4采用反射镜式数字微镜器件， 所述聚焦系统5采用柱透镜，所述步骤1，其具体为：
[0056] 采用计算机获取3D打印的打印模型的逐个平面的面图案后，将获取的面图案切 分为多个宽度相同的线段图案，并依次将获得的线段图案作为目标调制图案发送到反射镜 式数字微镜器件处。
[0057] 进一步作为优选的实施方式，还包括以下步骤：
[0058] 步骤3、3D打印系统按照逐次聚焦的线段图案的顺序依次地进行打印，并在每次 打印完一个线段图案后，按照线段图案的宽度往同一个方向移动3D打印系统或光学系统。
[0059] 进一步作为优选的实施方式，空间光调制器4采用位相式液晶空间光调制器，所 述聚焦系统采用正透镜，所述步骤1，其具体为：
[0060] 采用计算机获取3D打印的打印模型的逐个平面的面图案后，将获取的面图案按 照以下步骤生成该面图案的纯相位全息图后作为目标调制图案并发送到位相式液晶空间 光调制器处；
[0061] 步骤11、按下式根据该面图案的初始相位分布<K(u，v)和入射到位相式液晶空间 光调制器处的入射光的振幅|U(u，V) |构成入射波函数fn(u，V):
[0062] V) = V)|. ?:''…".'.1
[0063] 步骤12、对入射波函数fn(u，v)进行傅立叶变换：
[0064] .^(v, V) ν)|·?；·Λμ^
[0065] 上式中，gn(x，y)表示入射波函数fn(u，ν)的傅里叶变换；
[0066] 步骤13、用预期调制的振幅G(x，y)替换Gn(x，y)得到中间函数g/ (x, y)：
[0067] gn '(x, j)=：|G(A：,y)|-i?Wii
[0068] 步骤14、对中间函数gn' (x，y)进行傅里叶逆变换：
[0069] fn %U, V) = ψη (M, V)| ·
[0070] 上式中，fn' (u, v)表示中间函数gn' (x, y)的傅里叶逆变换；
[0071] 步骤15、根据中间函数gn' (x，y)的傅里叶逆变换的相位和入射光的振幅 |U(u，v)|生成下一次迭代的入射波函数fn+1(u，v):
[0072] .! ("，v) = 1' ' ' · *
[0073] 步骤16、重复执行以上步骤直至满足收敛条件后，将该时刻的中间函数g/ (x，y) 的傅里叶逆变换作为该面图案的纯相位全息图。
[0074] 下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0075] 实施例一
[0076] 参照图1，一种用于3D打印的光学系统，包括激光器1、扩束系统2、分束器3、空 间光调制器4及聚焦系统5,空间光调制器4连接有用于生成目标调制图案的计算机，空间 光调制器4用于接收计算机生成的目标调制图案后生成调制图案以及对照射到空间光调 制器4的光束进行调制，激光器1发出的光束通过扩束系统2扩束成大直径的平行光束并 照射到分束器3上，其中一部分扩束后的光束通过分束器3后到达空间光调制器4处进行 调制，调制后的光束反射回分束器3后，一部分调制后的光束通过聚焦系统5聚焦后照射到 3D打印的目标平面6上。
[0077] 本实施例中，扩束系统2包括负透镜21和正透镜22,负透镜21的轴心和正透镜 22的轴心共线，激光器1发出的光束依次通过负透镜21和正透镜22后扩束成大直径的平 行光束。负透镜21的轴心和正透镜22的轴心共线，实际上指负透镜21的轴心和正透镜22 的光轴共线。需要注意的是，激光器1、负透镜21、正透镜22、分束器3及空间光调制器4的 中心都是共线的，这样本光学系统才能更高效地工作。光束照射到分束器3时，一半透射过 去，另一半反射，本光学系统的光束第一次照射到分束器3时，利用的是从分束器3透射过 去的光束，当经过空间光调制器4调制后反射回来的光束回到分束器3时，利用的是从分束 器3反射的光束。
[0078] 空间光调制器4采用反射镜式数字微镜器件，聚焦系统采用柱透镜。本实施例采 用反射镜式数字微镜器件进行一维或二维调制，然后通过柱透镜将调制后的光束聚焦成线 段后照射到3D打印的目标平面6上。
[0079] -般来说，3D打印的目标平面6是设在3D打印系统的工作台上的，可以在三维方 向上移动，因此，采用本光学系统聚焦到目标平面6后，3D打印系统进行3D打印，同时可以 控制工作台进行移动，从而更新目标平面6并进入下一次的调制、聚焦及打印。或者，每次 打印完毕后，移动本光学系统，从而聚焦到新的目标平面6上。
[0080] 实施例二
[0081] 参照图1，一种用于3D打印的光学系统，包括激光器1、扩束系统2、分束器3、空间 光调制器4及聚焦系统5,空间光调制器4连接有用于生成目标调制图案的计算机，空间光 调制器4用于接收计算机生成的目标调制图案后生成调制图案以及对照射到空间光调制 器4的光束进行调制，激光器1发出的光束通过扩束系统2扩束成大直径的平行光束并照 射到分束器3上，其中一部分扩束后的光束通过分束器3后到达空间光调制器4处进行调 制，调制后的光束反射回分束器3后，一部分调制后的光束通过聚焦系统5聚焦后照射到3D 打印的目标平面6上。
[0082] 本实施例中，扩束系统2包括负透镜21和正透镜22,负透镜21的轴心和正透镜 22的轴心共线，激光器1发出的光束依次通过负透镜21和正透镜22后扩束成大直径的平 行光束。激光器1、负透镜21、正透镜22、分束器3及空间光调制器4的中心都是共线的，这 样本光学系统才能更高效地工作。光束照射到分束器3时，一半透射过去，另一半反射，本 光学系统的光束第一次照射到分束器3时，利用的是从分束器3透射过去的光束，当经过空 间光调制器4调制后反射回来的光束回到分束器3时，利用的是从分束器3反射的光束。
[0083] 实施例一与实施例二的光学系统结构基本相同，不同之处在于：空间光调制器4 采用位相式液晶空间光调制器，聚焦系统采用正透镜。本实施例采用位相式液晶空间光调 制器进行位相调制，然后通过正透镜将调制后的光束进行聚焦，从而重建成3D打印的平面 图案并照射到3D打印的目标平面6上。
[0084] 与实施例一类似，3D打印的目标平面6是设在3D打印系统的工作台上的，可以在 三维方向上移动，因此，采用本光学系统聚焦到目标平面6后，3D打印系统进行3D打印，同 时可以控制工作台进行移动，从而更新目标平面6并进入下一次的调制、聚焦及打印。或 者，每次打印完毕后，移动本光学系统，从而聚焦到新的目标平面6上。
[0085] 实施例三
[0086] 参照图2,一种用于3D打印的光学系统，包括激光器1、扩束系统2、空间光调制器 4及聚焦系统5,空间光调制器4连接有用于生成目标调制图案的计算机，空间光调制器4 用于接收计算机生成的目标调制图案后生成调制图案以及对照射到空间光调制器4的光 束进行调制，激光器1发出的光束通过扩束系统2扩束成大直径的平行光束并照射到空间 光调制器4处进行调制，调制后的光束通过聚焦系统5聚焦后照射到3D打印的目标平面6 上。
[0087] 本实施例中，扩束系统2包括负透镜21和正透镜22,负透镜21的轴心和正透镜 22的轴心共线，激光器1发出的光束依次通过负透镜21和正透镜22后扩束成大直径的平 行光束。
[0088] 本实施例是图1的光学结构的一种简化，不采用分束器3,直接将扩束后的光束进 行调制并聚焦到目标平面6上。空间光调制器4和聚焦系统5的组合有两种：一、空间光调 制器4采用透射式DMD，聚焦系统5采用柱透镜；二、空间光调制器4采用位相式液晶空间 光调制器，聚焦系统采用正透镜。其工作原理与前面实施例类似。
[0089] 实施例四
[0090] 本实施例是实施例一的一种用于3D打印的光学系统的控制方法，包括：
[0091] 步骤1、采用计算机获取3D打印的打印模型的逐个平面的面图案后，将获取的面 图案切分为多个宽度相同的线段图案，并依次将获得的线段图案作为目标调制图案发送到 反射镜式数字微镜器件处。
[0092] 步骤2、将激光器1发出的光束依次通过负透镜21和正透镜22后扩束成大直径的 平行光束并照射到分束器3上，其中一部分扩束后的光束通过分束器3后到达反射镜式数 字微镜器件处进行调制，调制后的光束反射回分束器3后，一部分调制后的光束通过柱透 镜聚焦后照射到3D打印的目标平面6上；
[0093] 如图3所示，反射镜式数字微镜器件接收到的目标调制图案为图3中所切分得到 的如图3下部分所示的线段图案，因此反射镜式数字微镜器件生成的调制图案为与目标调 制图案相对应的条纹，如图4中所示。在光束照射到反射镜式数字微镜器件时，反射镜式数 字微镜器件在光束上加载与目标调制图案对应的条纹即对光束进行调制，调制后的光束反 射回分束器3并且一部分调制后的光束经分束器3反射后通过柱透镜一维聚焦成与目标调 制图案一样的打印图案后照射到3D打印的目标平面6上，图4中直观地描述了调制图案通 过柱透镜聚焦后得到打印图案的过程。
[0094] 步骤3、3D打印系统按照逐次聚焦的线段图案的顺序依次地进行打印，并在每次 打印完一个线段图案后，按照线段图案的宽度往同一个方向移动3D打印系统或光学系统。 这里，移动3D打印系统或光学系统的距离是目标调制图案的宽度，因为本实施例的目标调 制图案为线段图案，所以移动的距离为线段图案的宽度。另外，这里提到的移动3D打印系 统，一般情况下移动3D打印系统的工作平台即可。
[0095] 本实施例将3D打印的打印模型的逐个平面的面图案切分为多个宽度相同的线段 图案后，以线段图案为单位，采用反射镜式数字微镜器件对光束进行调制后聚焦到3D打印 的目标平面上，从而辅助3D打印系统逐个线段地进行打印。本实施例中，逐个线段地进行 打印可以采用逐行打印，也可以采用逐段打印，图6是现有技术中的逐点打印的扫描过程 示意图，图7是采用本实施例的控制方法逐行打印的扫描过程示意图，图8是采用本实施例 的控制方法逐段打印的扫描过程示意图，由图6-图8可看出，相比现有技术中的逐点打印， 本发明的控制方法大大地提高了 3D打印的打印效率。另外，这里的线段图案的宽度越小越 好，该宽度越小，则3D打印的分辨率越高，打印效果越好，可以保证3D打印产品的质量。
[0096] 实施例五
[0097] 本实施例是实施例二的一种用于3D打印的光学系统的控制方法，包括：
[0098] 步骤1、采用计算机获取3D打印的打印模型的逐个平面的面图案后，将获取的面 图案按照以下步骤生成该面图案的纯相位全息图后作为目标调制图案并发送到位相式液 晶空间光调制器处；
[0099] 步骤11、按下式根据该面图案的初始相位分布<K(u，v)和入射到位相式液晶空间 光调制器处的入射光的振幅|U(u，V) |构成入射波函数fn(u，V):
[0100] fn (n, v) = \υ (μ, v)| e4〇(u'v}
[0101] 步骤12、对入射波函数fn(u，v)进行傅立叶变换：
[0102] ^(.^0-) = 10,(^0-)1-^
[0103] 上式中，gn(x，y)表示入射波函数fn(u，V)的傅里叶变换；
[0104] 步骤13、用预期调制的振幅G(x，y)替换Gn(x，y)得到中间函数g n' (X，y):
[0105] *(x，>〇 = |G(x，y)|·e'
[0106] 步骤14、对中间函数gn' (X，y)进行傅里叶逆变换：
[0107] /" *(M, V) = |C/"(?i, V)| ·
[0108] 上式中，f/ (u，v)表示中间函数gn' (x，y)的傅里叶逆变换；
[0109] 步骤15、根据中间函数g/ (X，y)的傅里叶逆变换的相位^?(?4和入射光的振 幅|U(u，ν) |生成下一次迭代的入射波函数fn+1(u，ν):
[0110] = |?；(//,ν)|·--?φπ?Η·ν? _ ，
[0111] 步骤16、重复执行以上步骤直至满足收敛条件后，将该时刻的中间函数g/ (x，y) 的傅里叶逆变换作为该面图案的纯相位全息图。
[0112] 收敛条件可以设定为迭代计算的次数，或者根据某阈值或信噪比的值来判断等， 这里不进行详细描述。
[0113] 步骤2、将激光器1发出的光束通过扩束系统2扩束成大直径的平行光束并照射到 分束器3上，其中一部分扩束后的光束通过分束器3后到达位相式液晶空间光调制器处进 行调制，调制后的光束反射回分束器3后，一部分调制后的光束通过聚焦系统5聚焦后照射 到3D打印的目标平面6上。
[0114] 图5是本实施例中对3D打印的面图案进行调制及解调的原理不意图，计算机将获 取的如图5中左侧所示的面图案生成图5中间所示的纯相位全息图后，发送到位相式液晶 空间光调制器处，位相式液晶空间光调制器接收到目标调制图案后，生成与该纯相位全息 图一样的调制图案，从而对照射到其上的光束进行调制，调制后的光束反射回分束器3并 且一部分调制后的光束经分束器3反射后通过柱透镜聚焦成图5右侧所示的与目标调制图 案一样的打印图案后照射到3D打印的目标平面6上。
[0115] 本实施例中采用位相式液晶空间光调制器进行相位调制，可以将光束的能量损失 降到最低。
[0116] 本实施例将3D打印的打印模型的逐个平面的面图案生成该面图案的纯相位全息 图后作为目标调制图案，以面图案为单位，采用位相式液晶空间光调制器对光束进行调制 后聚焦到3D打印的目标平面上，从而辅助3D打印系统逐个平面地进行打印，比现有技术中 的逐点打印大大地提高了打印效率，而且采用本控制方法，可按照平面为单位进行打印，可 以有效地控制打印的精度，极大地提高了 3D打印的效率及质量。
[0117] 对于图2中所示的光学系统的控制方法，与实施例四或实施例五类似，区别只在 于该光学系统直接将扩束后的光束进行调制并直接将调制后的光束进行聚焦。
[0118] 以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟 悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些 等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
【权利要求】
1. 一种用于3D打印的光学系统，其特征在于，包括激光器（1)、扩束系统（2)、分束器 (3)、空间光调制器（4)及聚焦系统（5)，所述空间光调制器（4)连接有用于生成目标调制 图案的计算机，所述空间光调制器（4)用于接收计算机生成的目标调制图案后生成调制图 案，所述激光器（1)发出的光束通过扩束系统（2)扩束成大直径的平行光束并照射到分束 器（3)上，其中一部分扩束后的光束通过分束器（3)后到达空间光调制器（4)处进行调制， 调制后的光束反射回分束器（3)后，一部分调制后的光束通过聚焦系统（5)聚焦后照射到 3D打印的目标平面（6)上。
2. 根据权利要求1所述的一种用于3D打印的光学系统，其特征在于，所述扩束系统 (2)包括负透镜（21)和正透镜（22)，所述负透镜（21)的轴心和正透镜（22)的轴心共线， 所述激光器（1)发出的光束依次通过负透镜（21)和正透镜（22)后扩束成大直径的平行光 束。
3. 根据权利要求1所述的一种用于3D打印的光学系统，其特征在于，所述空间光调制 器（4)采用反射镜式数字微镜器件，所述聚焦系统采用柱透镜。
4. 根据权利要求1所述的一种用于3D打印的光学系统，其特征在于，所述空间光调制 器（4)采用位相式液晶空间光调制器，所述聚焦系统采用正透镜。
5. 权利要求1所述的一种用于3D打印的光学系统的控制方法，其特征在于，包括： 步骤1、采用计算机获取3D打印的打印模型的逐个平面的面图案后，将获取的面图案 生成目标调制图案并发送到空间光调制器（4)处； 步骤2、将激光器（1)发出的光束通过扩束系统（2)扩束成大直径的平行光束并照射到 分束器（3)上，其中一部分扩束后的光束通过分束器（3)后到达空间光调制器（4)处进行 调制，调制后的光束反射回分束器（3)后，一部分调制后的光束通过聚焦系统（5)聚焦后照 射到3D打印的目标平面（6)上。
6. 根据权利要求5所述的一种用于3D打印的光学系统的控制方法，其特征在于，所述 步骤2中将激光器（1)发出的光束通过扩束系统（2)扩束成大直径的平行光束，其具体为： 将激光器（1)发出的光束依次通过负透镜（21)和正透镜（22)后扩束成大直径的平行 光束。
7. 根据权利要求5所述的一种用于3D打印的光学系统的控制方法，其特征在于，所述 空间光调制器（4)采用反射镜式数字微镜器件，所述聚焦系统（5)采用柱透镜，所述步骤1， 其具体为： 采用计算机获取3D打印的打印模型的逐个平面的面图案后，将获取的面图案切分为 多个宽度相同的线段图案，并依次将获得的线段图案作为目标调制图案发送到反射镜式数 字微镜器件处。
8. 根据权利要求7所述的一种用于3D打印的光学系统的控制方法，其特征在于，还包 括以下步骤： 步骤3、3D打印系统按照逐次聚焦的线段图案的顺序依次地进行打印，并在每次打印 完一个线段图案后，按照线段图案的宽度往同一个方向移动3D打印系统或光学系统。
9. 根据权利要求5所述的一种用于3D打印的光学系统的控制方法，其特征在于，空间 光调制器（4)采用位相式液晶空间光调制器，所述聚焦系统采用正透镜，所述步骤1，其具 体为： 采用计算机获取3D打印的打印模型的逐个平面的面图案后，将获取的面图案按照以 下步骤生成该面图案的纯相位全息图后作为目标调制图案并发送到位相式液晶空间光调 制器处； 步骤11、按下式根据该面图案的初始相位分布ΦοΟι,ν)和入射到位相式液晶空间光调 制器处的入射光的振幅|U(u，ν) |构成入射波函数fn(u，ν): fn (n, v) = \U (?, v)| · e4o(u'v} 步骤12、对入射波函数fn(u，v)进行傅立叶变换： 上式中，gn(x，y)表示入射波函数fn(u，ν)的傅里叶变换； 步骤13、用预期调制的振幅G(x，y)替换Gn(x，y)得到中间函数gj (x, y)： '(x, y) = |G(x、v)|.￡^ 步骤14、对中间函数g/ (x，y)进行傅里叶逆变换： /η，(《,ν) = |?4(Μ,ν)「￡?#"(Μ·ν) 上式中，fn' (U，ν)表示中间函数gn' (X，y)的傅里叶逆变换； 步骤15、根据中间函数gn' (X，y)的傅里叶逆变换的相位^^·11和入射光的振幅 |U(u，v)|生成下一次迭代的入射波函数fn+1(u，v): /η+ι(ιι,ν) = \υ(^ν)\·β^ν\ * 步骤16、重复执行以上步骤直至满足收敛条件后，将该时刻的中间函数g/ (X，y)的 傅里叶逆变换作为该面图案的纯相位全息图。
【文档编号】B29C67/00GK104118120SQ201410328198
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月10日 优先权日:2014年7月10日
【发明者】郑渚, 艾澈熙, 任云鹏, 杜如虚 申请人:广州中国科学院先进技术研究所