一种实现大尺寸光固化3D打印的光学投影系统的制作方法

本发明涉及光固化3D打印设备，特别是光固化3D打印设备中的光学成像系统。

背景技术：

3D打印技术的一个主流分支是光固化3D打印技术，它是利用紫外光束照射液态光敏树脂后，使发生光聚合反应继而固化的原理，使材料逐点或逐层累加成型。光固化3D打印技术主要分为SLA和DLP或LCD投影技术。其中SLA称为立体光固化成型技术，它是利用激光光束逐点快速扫描照射到光敏树脂上使其固化成型。SLA技术也主要针对光敏树脂材料进行成型，具有应用广泛的特点。DLP和LCD投影技术则是通过将整层图像通过投影镜头投影到光敏树脂上，并逐层叠加成型，其特点是可以一次完成整层打印，具有打印速度快、精度高的特点。

DLP投影技术是发展较早的一种光固化3D打印技术，它的核心部件是利用德州仪器生产的数字光处理芯片。由于DLP芯片是德州仪器的独家专利技术，芯片价格较贵，特别是高像素的芯片价格极其昂贵，限制了大尺寸3D打印技术的发展。此外，由于DLP芯片需要离轴照明，使得光学系统的装配调试难度增加。

LCD投影技术则是利用LCD作为图像发生器，其打印原理与DLP投影技术相似。不同的是LCD应用极其广泛，社会上不同领域应用不同像素、不同尺寸的LCD，使得可供选择的LCD种类繁多，因此相比DLP投影技术，其特点是成本较低。

DLP和LCD投影技术的另一个共同特点是图像发生器的像素数决定了3D打印的尺寸，由于是通过投影镜头将图像发生器的图像投影到光敏树脂上，因此，3D打印的像素数与图像发生器的像素数相同，例如实现0.1mm的打印精度，一种常用的图像发生器的像素是1280x800，则打印尺寸为128mmx80mm。而高像素的DLP和LCD，尤其是DLP，价格昂贵，限制了DLP和LCD投影技术在大尺寸3D打印中的应用，或只能降低打印精度来实现较大尺寸的3D打印。

技术实现要素：

本发明提供一种基于LCD投影技术的光固化打印光学投影系统以克服以往专利的缺点，在保证打印精度的同时，使得打印尺寸增加一倍，实现高精度和较低成本，并根据投影镜头的倍率实现不同的打印精度和尺寸。

本发明采用的技术方案为：一种实现大尺寸光固化3D打印的光学投影系统，包括第一LCD照明模块，第二LCD照明模块，偏振分光镜和投影镜头，其中：

所述的第一LCD照明模块和所述的第二LCD照明模块光路结构相同，由光源、准直镜组、LCD组成，光源发出的光经过准直镜组准直和均匀化后照明LCD；

所述的偏振分光镜，位于第一LCD照明模块和第二LCD照明模块之间；

所述的投影镜头，将第一LCD照明模块和第二LCD照明模块的LCD同时成像到树脂槽上。

更进一步的，第一LCD照明模块和第二LCD照明模块的LCD均采用商用投影仪的液晶面板，包含多个像素，单个像素大小为10～20微米，无自带光源。

更进一步的，第一LCD照明模块和第二LCD照明模块的光源均为LED光源，光波长在365nm到440nm之间。

更进一步的，第一LCD照明模块和第二LCD照明模块，光路相互垂直。

更进一步的，第一LCD照明模块和第二LCD照明模块的出射光偏振方向相互垂直，第一LCD照明模块出射的偏振光可以透过偏振分光镜，第二LCD照明模块出射的偏振光被偏振分光镜反射。

更进一步的，第二LCD通过偏振分光镜所成的镜像中，LCD像素区域边缘与第一LCD像素区域边缘重合。

更进一步的，投影镜头将LCD图像以不小于1倍的倍率成像到树脂槽上。

本发明的原理在于：一种基于LCD投影技术的光固化打印光学投影系统，包括第一LCD照明模块、第二LCD照明模块、偏振分光镜、投影镜头和树脂槽。第一LCD照明模块和第二LCD照明模块光学结构相同，提供固化树脂所需的光照和图像，照明模块由光源、照明系统、LCD组成。光源发出的光经过照明系统进行均匀化。光源为LED，光波长在365nm到440nm之间。照明系统由一个聚焦透镜、准直透镜和光阑组成，其中聚焦透镜为高数值孔径的单片非球面透镜组成，这样能尽可能的提高光能的利用率，降低光学结构的复杂性和成本。所述LCD为3D打印系统的图像发生装置，本发明采用商用投影仪的LCD芯片，其优点面积小，成本较低，且易于获取标准化的产品。LCD的每个像素内主要成分是液晶，液晶本身对紫外和近紫外光有一定的吸收，因此需要对照明LCD光束进行偏振调制，具体为在LCD两侧各放置一个线偏振器，单个液晶单元通电可实现对入射偏振光旋转90°，并可通过第二个偏振片。通过计算机控制LCD的通断电，可生成黑白分明的高对比图像。由于面积较小，可采用成本低廉的薄膜型偏振片而不会降低成像精度。所述第一LCD照明模块和第二LCD照明模块的光轴相互垂直，并分别从偏振分光镜的两个面入射。线偏振器的放置使得第一LCD照明模块和第二LCD照明模块进入到偏振分光镜的光的偏振方向相互垂直，从而第一LCD照明模块的光可直接通过偏振分光镜，第二LCD照明模块的光则被偏振分光镜反射。第二LCD通过偏振分光镜所成的镜像平面与第一LCD所在平面重合，且第二LCD镜像的边缘与第一LCD的边缘重合，这就使得成像面积增大了一倍。所述投影镜头可实现对LCD的放大投影成像，并投影到树脂槽下方以实现3D打印的光固化，投影镜头的放大倍率取决于所需的打印精度，通常放大2～10倍。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明采用商用投影仪的LCD作为图像发生器，在实现高精度打印的同时还具有成本低的优点。

(2)、本发明采用两个商用LCD拼接的方法使打印尺寸增加一倍，同时可实现高精度的打印，但成本显著低于相同尺寸的DLP打印方法。

附图说明

图1为本发明的系统原理图；

图2为本发明的照明系统原理图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明的具体实施方式是由第一LCD照明模块1、第二LCD照明模块2、偏振分光镜3、投影镜头4和树脂槽5组成。第一LCD照明模块1和第二LCD照明模块2光学结构完全相同。

系统的具体照明实施方式，以第一LCD照明模块1为例，包括LED光源101、聚光镜102、光阑103、准直透镜104、第一偏振片105、LCD液晶片106以及第二偏振片107，如图2所示。

首先，LED光源101经过聚光镜102、光阑103、准直透镜104组成的照明模块后，入射照明又第一偏振片105、LCD液晶片106以及第二偏振片107组成的空间调制模块，完成了LCD照明模块部分。其中，所述LED光源101波长包含近紫外光到紫外光，具体波长范围包含从440nm到365nm。LED光源101可包括1种或1种以上的单色光芯片，并可根据不同的材料选择不同的一种或多种波长来进行曝光。所述聚焦透镜102为高数值孔径的单片非球面透镜，这样能尽可能的提高光能的利用率，降低光学结构的复杂性和成本，具体的聚焦透镜102的数值孔径大于0.5。所述LCD液晶片106为3D打印系统的图像发生装置，本发明采用商用投影仪的LCD芯片，包含多个像素，单个像素大小为10～20微米，无自带光源。LCD的每个像素内主要成分是液晶，液晶本身对紫外和近紫外光有一定的吸收，因此需要对照明LCD光束进行偏振调制，具体为在LCD芯片106两侧各放置一个线偏振片。偏振片105将LED光源101的光转化为线偏振光，并能以较高的透过率透过LCD芯片106。单个液晶单元通电可实现对入射偏振光旋转90°，并可通过第二个偏振片107。通过计算机控制LCD的通断电，可生成黑白分明的高对比图像。由于LCD面积较小，可采用成本低廉的薄膜型偏振片而不会降低成像精度。

其次，如图1所示，另一个照明2模块以同样的过程，实现LCD空间光调制，继而形成包含图像信息的出射结构光经偏振分光镜3到达物镜4像面；与之同时，第一照明模块1发出的结构以同样的方式经偏振分光镜3到达物镜4像面，两部分图形并列形成更大的图形区域，便于后续大面积3D打印成像。其中，所述第一LCD照明模块1的出射光可直接透过偏振分光镜3，而第二LCD照明模块2的偏振态与第一LCD照明模块1的垂直，使得第二LCD照明模块2的光被偏振分光镜3反射。第一LCD照明模块1和第二LCD照明模块2在空间上相互错开，具体布置为：第二LCD照明模块2通过偏振分光镜3所成镜像的LCD与第一LCD照明模块的LCD在同一平面并错开一定的距离，使得两个LCD的边缘重合，从而实现LCD的拼接，增大打印尺寸，实现两倍于单片LCD的打印尺寸。

最后，所述投影镜头4可实现对第一LCD照明模块1和第二LCD照明模块2所拼接形成的LCD图像进一步放大投影成像，使拼接后的图形放大后投影到树脂槽5底面，以实现大面积3D打印光固化。其中，投影镜头4的放大倍率取决于所需的打印精度，通常放大2～10倍，以实现数十微米的打印精度。例如对于常见的LCD像素约13μm的大小，通过投影镜头4放大3.85倍，可实现约50μm的打印精度。

此外，该方案可增加更多的LCD照明模块，其光路结构与第一LCD照明模块1的相同，增加的LCD照明模块与第一LCD照明模块1距离一个LCD大小，以此类推，可实现多倍于单片LCD的打印尺寸。