光学系统、照射控制方法及所适用的3D打印设备与流程

本申请涉及基于光固化的立体物体制造领域，尤其涉及一种光学系统、照射控制方法及所适用的3d打印设备。

背景技术：

3d打印是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属、塑料和树脂等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3d打印设备通过执行该种打印技术制造3d物体。3d打印设备由于成型精度高在模具、定制商品、医疗治具、假体等领域具有广泛应用。

目前在市面上的各种3d打印设备中，一种基于立体光固化成型法的打印设备采用将光固化材料逐层固化累积的方式制造立体物体，由于其具有更精细的分层设计和更精准的打印控制过程，使得所打印出的立体物体在精度和精准度方面具有更高品质并受到很多个性产品制造者的追宠。

其中，基于立体光固化成型法的打印设备中包含用于使光固化材料固化的光辐射源(或光辐射源阵列)，技术人员经长期监测发现，光辐射源/源阵列所投射的光辐射随着使用时长的增加会有所衰减，其衰减趋势如图1所示，这使得实际打印出的3d构件因照射不足而产生硬度不够、易断件、精度下降等问题。

技术实现要素：

本申请提供一种光学系统、照射控制方法及所适用的3d打印设备，用于解决因3d打印设备中因照射不足而产生的产品不合格等问题。

为实现上述目的及其他目的，本申请第一方面提供一种用于3d打印设备的光学系统，包括：投影装置，用于将光辐射以面投射方式照射至预设打印基准面；控制装置，用于：基于经捕捉并检测所述投影装置的光辐射强度和所对应的照射参数，补偿地控制所述投影装置，以使所述投影装置所固化的光固化层的实际特性与对应的预期特性相匹配。

在第一方面的某些实施方式中，所述投影装置包括：光源；光源驱动单元，与所述光源相连，用于驱动所述光源中各光源发出光辐射；图像投射单元，位于所述光源的出光侧，用于利用所述光源所发出的光辐射输出用于将光固化材料固化成图案式光固化层的分层图像。

在第一方面的某些实施方式中，所述控制装置与所述光源驱动单元连接；所述控制装置基于经捕捉并检测的光辐射强度及所对应的照射参数补偿调整所述光源驱动单元向光源的功率控制信号和/或供电时长。

在第一方面的某些实施方式中，所述控制装置与所述图像投射单元连接；所述控制装置基于经捕捉并检测的所述光辐射强度及所述图像投射单元对应所检测的光辐射强度的照射参数补偿调整所述图像投射单元照射分层图像的像素灰度。

在第一方面的某些实施方式中，所述光学系统还包括：包含光感应器的光检测装置，与所述控制装置连接，用于检测所述光感应器捕捉的光辐射强度；照射参数检测装置，用于配合所述光检测装置检测投影装置的照射参数。

在第一方面的某些实施方式中，所述光检测装置还包括：光路改变单元，位于所述光感应器之前的光路上，用于自所述投影装置的以面投射方式照射出的光辐射中捕捉部分光辐射并改变所捕捉的光辐射的光路；和/或移动机构，装配有相应的光感应器和/或光路改变单元并受所述控制装置控制，用于：在所述光感应器检测时将所装配的光感应器和/或光路改变单元移动至相应光路上，以及在所述光感应器检测后将所装配的光感应器和/或光路改变单元移动至相应光路之外。

在第一方面的某些实施方式中，所述投影装置为dlp光机设备、包含lcd的光机设备、或包含lcos的光机设备。

在第一方面的某些实施方式中，所述控制装置基于所述投影装置初始时的光辐射强度与照射参数之间的初始对应关系以及衰减后所检测的光辐射强度与照射参数之间的对应关系，确定补偿后的受控参数，并根据所确定受控参数控制所述投影装置。

本申请第二方面提供一种3d打印设备，包括：具有透明底面的容器，盛放光固化材料；如上述任一所述的光学系统，位于所述容器下方并面向所述底面投射光辐射，用于以面投影方式控制所投射出的光辐射将3d构件模型中的分层图像照射到位于所述底面的光固化材料上；构件平台，用于附着经照射后得到的图案固化层，以便经由所述图案固化层积累形成3d构件；z轴驱动机构，与所述构件平台连接，用于受控的调整所述构件平台与所述底面的间距以填充待固化的光固化材料；z轴控制装置，与所述z轴驱动机构相连，用于控制所述z轴驱动机构调整所述间距。

本申请第三方面提供一种3d打印设备，包括：容器，盛放光固化材料；如前述任一所述的光学系统，面向所述容器开口侧投射基于面投射的光辐射，用于以面投影式控制所投射出的基于面投射的光辐射将3d构件模型中的分层图像照射到光固化材料表面上；构件平台，用于附着经照射后得到的图案固化层，以便经由所述图案固化层积累形成3d构件；z轴驱动机构，与所述构件平台连接，用于受控的调整所述构件平台与所述表面的间距以填充待固化的光固化材料；z轴控制装置，与所述z轴驱动机构相连，用于控制所述z轴驱动机构调整所述间距。

本申请第四方面提供一种用于3d打印设备的照射控制方法，其中，所述3d打印设备包括投影装置，所述方法包括：在所述投影装置所投射的基于面投射的光辐射的光路路径上捕捉并检测光辐射强度，以及检测所述投影装置在投射所检测光辐射强度时的照射参数；基于所检测的所述光辐射强度和照射参数补偿地控制所述投影装置，以使所述投影装置所固化的光固化层的实际特性与对应的预期特性相匹配。

在第四方面的某些实施方式中，所述在投影装置所投射的基于面投射的光辐射的光路路径上捕捉光辐射强度的方式包括：改变所述基于面投射的光辐射的出射路径内光辐射的路径；在改变路径后的光路上捕捉光辐射强度。

在第四方面的某些实施方式中，所述基于所检测的所述光辐射强度和照射参数补偿地控制所述投影装置的方式包括：基于所述投影装置初始时的光辐射强度与照射参数之间的初始对应关系以及衰减后所检测的光辐射强度与照射参数之间的对应关系，确定补偿后的受控参数，并根据所确定受控参数控制所述投影装置。

在第四方面的某些实施方式中，所述基于所检测的强度补偿地控制所述投影装置的方式包括以下至少一种：基于经捕捉并检测的所述光辐射强度及所述投影装置中图像投射单元对应所检测光辐射强度的照射参数补偿调整所照射的分层图像的像素灰度；基于经捕捉并检测的光辐射强度及所述投影装置中光源驱动单元对应所检测光辐射强度的照射参数补偿调整所述投影装置的功率控制信号和/或供电时长。

本申请所提供的光学系统、照射控制方法及所适用的3d打印设备，能够通过检测投影装置或照射装置在使用期间的正常光辐射强度衰减来补偿控制相应投影装置的功率、照射时长、灰度占空比等，有效减少了由于设备老化而带来的固化层厚不足、断件、精度下降等产品质量问题，同时明显延长了投影装置或照射装置的使用寿命以及提高了在使用寿命内固化各固化层的稳定性。

另外，在光检测装置中装配移动机构和光路改变单元，使得光检测装置不仅可在打印之外单独检测光辐射强度，还可以在打印期间检测光辐射强度，有效提高了检测灵活性。

附图说明

图1为3d打印设备中投影装置所输出的光辐射强度随照射时长的衰减趋势示意图。

图2为本申请光学系统在一实施方式中的结构示意图。

图3为本申请光学系统在另一实施方式中的结构示意图。

图4为在3d打印设备中投影装置所输出的光辐射衰减过程中光辐射强度与供电电流(或电流系数)对应关系示意曲线。

图5为在3d打印设备中投影装置所输出的光辐射衰减过程中光辐射强度与像素灰度对应关系示意曲线。

图6为在3d打印设备中投影装置所输出的固化单位层厚的光辐射强度与时间的对应关系示意曲线。

图7为本申请光学系统在又一实施方式中的结构示意图。

图8为本申请包含图2、3或7所示光学系统的3d打印设备在一实施方式中的结构示意图。

图9为本申请包含图2、3或7所示光学系统的3d打印设备在又一实施方式中的结构示意图。

图10为本申请照射控制方法在一实施方式中的流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本申请可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本申请可实施的范畴。

请参阅图2，其为本申请用于3d打印设备的光学系统在一实施方式中的结构示意图。本申请在该实施方式中所展示的光学系统1包括：投影装置11和控制装置12。

所述投影装置11用于将光辐射以面投射方式照射至预设打印基准面，以将位于所述预设打印基准面的光固化材料固化。其中，所述打印基准面是指光固化材料被照射的起始面，在基于底曝光的打印设备中所述打印基准面为容器的透明底面，在基于上曝光的打印设备中所述打印基准面是经预先标定而确定的光固化材料的上表面。所述投影装置11将所接收的分层图像一次性地或分块地投射到所述打印基准面上，使得预定厚度的光固化材料被固化成与该分层图像一致的图案固化层。其中，所述分层图像是预先基于3d构件模型沿z轴方向(即沿高度方向)进行横截划分而得到的，其中，在每相邻横截划分所形成的横截面层上形成由3d构件模型的轮廓所勾勒的分层图像，在所述横截面层足够薄的情况下，我们认定所述横截面层上横截表面和下横截表面的轮廓线是一致的。3d打印设备将按照分层图像逐层固化光固化材料，并累积成对应模型的3d构件。

在某些实施方式中，如图3所示，所述投影装置11包含：光源112、光源驱动单元113、图像投射单元111等。

其中，所述光源112可以是一个或多个。所述光源可以是led、或激光发射器。例如，所述光源112仅包含一个led，在该led光源一侧设有反射聚光镜。又如，所述光源112包含多个led，可按照圆形、拱形排布，在该多个led一侧设有反射聚光镜。在此，各示例中的反射聚光镜将led所出射的光辐射以接近于平行光射出。

所述光源驱动单元113与所述光源112相连，用于驱动所述光源中各光源发出光辐射。在此，所述光源驱动单元113可以包含集成有电压/电流变换器的芯片或电路模块。其中，所述电压/电流变换器可以受控调节，例如，该电压/电流变换器受控改变输送给光源112的供电电压/供电电流，即可通过调节电压变换器的输出电压或输出电流来改变光源的功率控制信号，该功率控制信号用于调节光源的电压/电流，由此调整光源的输出功率。

所述图像投射单元111位于所述光源112的出光侧，所述图像投射单元111中的部分或全部可以与光源驱动单元113集成在一起，或者单独配置。所述图像投射单元111包含光控制阵列和投影镜头。

其中，所述投影镜头由多个透镜组成用以在打印基准面上聚焦所投射的分层图像。

其中，所述光控制阵列包括：机械式开关阵列或液晶式开关阵列等。所述光控制阵列可单独控制其中的每个控制点，其中的各控制点按像素阵列排列。例如，机械式开关阵列中各开关控制点按像素阵列排列。又如液晶式开关阵列中各液晶分子按像素阵列排列。

对于开关阵列来说，每个开关控制点均基于脉冲调制信号(pwm信号)的控制而开启/关闭。例如，当机械式开关控制点基于高电平开启时允许光辐射射出，当开关控制点基于低电平关闭时阻止光辐射射出。所述开关控制点所输出的像素灰度与pwm信号的占空比相关，例如，pwm信号的占空比为100％，即全高电平，则对应灰度值为255。

对于液晶式开关阵列来说，每个液晶分子均基于加载在液晶分子两端的电场变化而改变取向排布。例如，液晶分子随电场间电压增加由挡光角度转至透光角度，液晶分子随电场间电压由透光角度转至挡光角度。所述液晶分子所输出的像素灰度与电场间电压值相关，例如，施加电场的电流为0，即电场电压为0，则对应灰度值为0。

在某些示例中，所述投影装置11举例为一dlp(digitallightprocessing数字光处理)光机设备、包含lcd(liquidcrystaldisplay液晶显示器)的光机设备、或包含lcos的光机设备。

所述控制装置12用于基于经捕捉并检测所述投影装置11的光辐射强度和对应的照射参数，补偿地控制所述投影装置11，以使所述投影装置11所固化的光固化层的实际特性与对应的预期特性相匹配。其中，所述光辐射强度主要指光辐射的能量密度。所述照射参数是指影响投影装置11输出光辐射强度的参数，例如，光源驱动单元113的供电电流、供电电压，图像投射单元中开关阵列中各控制点的pwm或液晶阵列中各控制点的电场电压、或用以提供所述电场电压的电流等。所述光固化层特性包括但不限于：固化层的层厚、硬度、轮廓精准度等。

在此，我们寄希望于通过对投影装置11的检测反馈机制来确保实际打印出的光固化层与设计者对相应固化层的要求相符，例如，实际打印的层厚与设计时横截面的层厚相符，实际打印出的光固化层的硬度与设计时所需的硬度相符，和/或实际打印出的固化层轮廓清晰、光滑等反映精准度的指标与设计时相符。通常设计时所期望的固化层特性是指在使用初期或标定后投射装置11所投射的光辐射强度照射到光固化材料上并使之相应固化后所得到的特性。

为了防止因光机老化而导致固化后的材料达不到预期特性，可在设备维护时对投影装置11的光辐射强度进行抽检。该抽检操作可由人工操作或由3d打印设备自带的检测装置执行。在某些实施方式中，技术人员在抽检光辐射强度的同时还记录射出相应光辐射强度时投影装置11的照射参数，并提供给控制装置12。例如，技术人员检测一组光源驱动单元113在不同输出功率下所对应的光辐射强度，并将每组对应的照射参数(用于调整输出功率的电流/电压)和光辐射强度输入控制装置12中保存。又如，技术人员利用投影装置11输出多种灰度的图像，并检测各灰度区域对应的光辐射强度，并将每组对应的光辐射强度和灰度(即为照射参数)保存在控制装置12中。所述控制装置12将基于所得到的光辐射强度和照射参数对拟合投影装置11当前的光辐射强度和照射参数之间的对应关系。例如，所述控制装置12基于预设的计算公式将所检测的离散化对应关系拟合成连续的对应曲线。又如，所述控制装置12以所检测的相邻照射参数为区间进行划分将离散的对应关系点连接成对应曲线，甚至可将所连接的对应曲线圆滑处理。

需要说明的是，本申请中所描述的对应曲线并非一定真实地保存在存储器中，其所反映的对应关系可由算法、对应表等形式存储在存储器中。

所述控制装置12基于所述投影装置11初始时的光辐射强度与受控参数之间的初始对应关系以及衰减后所检测的光辐射强度与受控参数之间的对应关系，确定补偿后的受控参数，并根据所确定受控参数控制所述投影装置11。其中，所述受控参数是指能够由控制装置12控制以改变所述投影装置11所输出的光辐射和/或照射时长的参数，其包括但不限于：供电电流、供电电压、供电时长、用于调整灰度的控制信号的占空比或电场电流等。

如图3中所示的投影装置11而言，所述控制装置12可基于经捕捉并检测的所述光辐射强度及所述图像投射单元对应该光辐射强度的照射参数补偿调整所述图像投射单元照射分层图像的像素灰度；所述控制装置12还可以基于经捕捉并检测的光辐射强度及所述光源驱动单元113对应该光辐射强度的照射参数补偿调整所述光源驱动单元113向光源的输出功率；和/或所述控制装置12还可以基于经捕捉并检测的光辐射强度及所述光源驱动单元113对应该光辐射强度的照射参数调整所述光源驱动单元113向光源的供电时长。

具体地，为了能够进行光辐射衰减比对，在所述控制装置12中预存有：例如出厂前标定的光辐射强度与至少一种照射参数的对应关系，或例如基于技术人员在使用初期或监测到光辐射强度降至接近理想阈值时进行标定而得到所述对应关系；并将上述对应关系作为所述投影装置11初始时所投射的光辐射强度与照射参数之间的初始对应关系。在此，该初始对应关系包括但不限于以下至少一种：如图4所示的光辐射强度与电流的初始对应关系(比如fp-i0)，及如图5所示的光辐射强度与像素灰度的初始对应关系(比如fp-g0)。所述控制装置12中还可以预存有如图6所示的光辐射强度与照射时长的对应关系，以便在需要时调整照射时长。

所述控制装置12可基于所预存储的初始对应关系和所检测的衰减后的对应关系在3d打印期间对投影装置11进行补偿控制。

在某些实施方式中，参照图5和图6，所述控制装置12可根据图5所示的初始对应关系(比如fp-g0)得到分层图像中一像素灰度(比如g0)的光辐射强度(比如p0)，再根据图6所示的对应关系确定按照所得到的光辐射强度(比如p0)照射单位层厚的时长(比如t0)，再根据预设的实际层厚与单位层厚的照射时长系数确定以实际光辐射强度(比如p0)照射实际层厚的光固化材料所需时长(比如kt0，其中k为系数)，并按照所确定的时长控制光源驱动单元113的供电时长。

在另一些实施方式中，参考图4所示，所述控制装置12可根据光辐射强度与电流(或电流系数)的初始对应关系(比如fp-i0)确定未衰减时光源驱动单元113向光源输送的电流i0所对应的光辐射强度(比如p0)，再根据所检测的光辐射强度与电流的对应关系(比如fp-i1)得到让光源在衰减后输出同样光辐射强度(比如p0)所需的电流i1，控制光源驱动单元113按照所得到的电流i1向光源供电。

在又一些实施方式中，参考图5所示，所述控制装置12可通过比对光辐射强度与像素灰度的初始对应关系fp-g0与所检测的光辐射强度与像素灰度的对应关系fp-g1中，得到分层图像中一像素灰度(比如g0)所对应的初始光辐射强度(比如p0)，再根据对应关系fp-g1确定所述初始光辐射强度(比如p0)所对应的像素灰度(比如g1)，并按照像素灰度控制图像投射单元调整相应控制点的占空比或电场电压等受控参数。

需要说明的是，所述控制装置12的上述实施方式仅为示例性的描述，而非本申请示例的全部。事实上，所述控制装置12可结合上述多个实施方式对投影装置11进行控制，例如，控制装置12先利用光辐射强度-灰度对分层图像的灰度进行控制，当灰度无法继续调整时，再通过调节光源的供电电流或供电时长来实现将相应分层图像固化成3d构件的对应横截固化层，并使得所固化的固化层的特性与预期相匹配。

需要说明的是，本申请图中所示的各对应曲线均仅表示变化趋势，其中所反映的如斜率、数值关系仅为示意性描述并不为工程实现提供实验数据。例如，图1中所示p-t曲线示意性描述了光辐射强度越弱相应照射时长越长且二者非线性对应关系。图4中所述p-i曲线示意性描述了光辐射强度随电流增加而增加且二者非线性对应关系，以及投射装置衰减前后相同电流所输出的光辐射强度变化关系。图5中所述的p-g曲线示意性描述了光辐射强度随像素灰度增加而增加且二者呈接近线性的对应关系，以及投射装置衰减前后相同像素灰度所输出的光辐射强度变化关系。图6中所示p-t曲线示意性描述了固化单位层厚时光辐射强度越弱相应照射时长越长且二者非线性对应关系。

在某些实施方式中，衰减后的光辐射强度及所对应的照射参数的抽样检测可分别由光学系统中内置的光检测装置和照射参数检测装置来执行。

其中，所述照射参数检测装置(未予图示)包括：分布在投影装置11各受控端、或投影装置11受控执行电路上的采集单元，所述采集单元与控制装置12连接，用于配合所述光检测装置检测相应照射参数。例如，所述采集单元包括：设置在光源驱动单元113与光源的连接电路上的电压采样电阻、与该电压采样电阻相连的放大器、模数转换器等。又如，所述采集单元包含被执行的监听软件，以监听控制装置12输出至光源驱动单元113和图像投射单元的控制指令。

请参阅图7、8，所述光检测装置包含光感应器，用以基于所述光感应器所捕捉的光辐射强度检测所述投影装置11所输出的光辐射强度。

在一种更为具体示例中，所述光检测装置在3d打印设备未打印3d构件期间进行光辐射的强度检测。其中，所述光感应器131位于所述基于面投射的光辐射的光路内，用于感应所接收范围内的光感应信号。在此，所述光感应器131可内置于投影装置11的光源附近(如放置于开关阵列处、或设置在光源至开关阵列之间的光路上)、悬设在投影装置11与打印基准面之间(如图8中所示)、贴于投影装置11的出射面上(未予图示)、或位于打印基准面处(如图7中所示)。为了不影响3d打印设备使用投影装置11期间光感应器131对光辐射的阻挡，所述光感应器131举例设置于投影装置11所投射区域的边角处或其他打印时基本不使用的位置。所述光感应器131可仅为一个或多个，其中，所述光感应器131并非检测投影装置11中每个像素位置的光辐射强度，而是以抽检方式捕捉一个或多个检测位置的光辐射强度。其中，该检测位置可覆盖一个或多个像素。光检测装置根据所述光感应器所接收的光辐射强度占投影装置所照射的光辐射强度的比例，确定投影装置所射出的光辐射强度并提供给控制装置。当检测到多个投影装置的光辐射强度时，所述控制装置12可进行均衡筛选以防止所抽检的光辐射强度包含异常数据。例如，控制装置12接收到多个检测的光辐射强度，对其进行均值处理并以所得到的光辐射强度均值作为所依据的光辐射强度。

所述光感应器131包含光电感应器、放大器、模数转换器和滤波模块甚至如mcu处理器等构建的硬件电路以将光感应信号转换成数字信号，并根据所述数字信号确定对应的光辐射强度。

在另一更具体示例中，如图7所示，所述光检测装置13还包括：位于所述光感应器131之前的光路上的光路改变单元132，其用于自所述投影装置11的以面投射方式投射出的光辐射中捕捉部分光辐射并改变所捕捉并光辐射的光路。

具体地，所述光路改变单元132包括漫射镜、反射镜、棱镜等，以及支撑镜体的支撑结构。所述光路改变单元132可固定在投影装置11的投影区域内，以将所抽检的一部分光辐射转射至光感应器131所在位置。在此光感应器131可位于投影区域之外，有效减少其对投影装置11在投射分层图像时的干扰。

进一步地，为了防止光检测装置13在任何情况下对光辐射的阻碍或不必要减弱(如分光)，所述光检测装置13还包括：移动机构133(可参阅图9)。所述移动机构133可单独装配光感应器131或光路改变单元132。在一种具体示例中，所述光检测装置13包括移动机构及装配在该移动机构上的光感应器131。在此，该移动机构可包括伸缩结构及固设在所述伸缩结构活动端的基座，其中，所述伸缩结构固定在所述投影装置11投射区域之外且在伸展状态时其活动端可位于所述投射区域内，对应的安装在所述基座上的光感应器131将捕捉投射区域内的光辐射，其中所述伸缩结构举例包含限位槽和嵌在所述限位槽中的活动杆，所述基座固设在活动杆的活动端。该移动机构还可以包括轨道、设置在轨道上的制动结构以及位于所述制动结构上的基座，其中，所述轨道位于投影装置11的投射区域之外，且所述基座具有延伸臂，所述光感应器131位于延伸臂上，当制动结构带动基座移动至投射区域附近时，所述光感应器131可伸入该投射区域内采集光感应信号。当所述光学系统未处于打印状态时，可由技术人操控/定时自动启动投影装置11和光检测装置13使得投影装置11以面投影方式发出光辐射并由光检测装置13抽检至少一处光辐射强度。

在另一种具体示例中，所述光检测装置13包含移动机构及装配在该移动机构上的光路改变单元132，对应的光感应器131固设于光路改变单元132的出射光路上。在此，该移动机构可包括伸缩结构及固设在所述伸缩结构活动端的基座，所述伸缩结构固定在所述投影装置11投射区域之外且在伸展状态时其活动端可位于所述投射区域内，其中安装在所述基座上的光路改变单元132将捕捉投射区域内的光辐射并改变其光路使其投射到光感应器131上，其中所述伸缩结构举例包含限位槽和嵌在所述限位槽中的活动杆，所述基座固设在活动杆的活动端。该移动机构还可以包括轨道、设置在轨道上的制动结构以及位于所述制动结构上的基座，其中，所述轨道位于投影装置11的投射区域之外，且所述基座具有延伸臂，所述光路改变单元132位于延伸臂上，当制动结构带动基座移动至投射区域附近时，所述光路改变单元132可伸入该投射区域内并改变一部分光辐射的光路使其投射到光感应器131上。当所述光学系统未处于打印状态时，可由技术人操控/定时自动启动投影装置11和光检测装置13使得投影装置11以面投影方式发出光辐射并由光检测装置13抽检至少一处光辐射强度。

在又一具体示例中，所述光检测装置13包含移动机构133(可参阅图9)及装配在该移动机构133上的光路改变单元132和光感应器131。在此，所述光感应器131和光路改变单元132之间的间距在检测期间是确定变的。其中，所述移动机构可包括伸缩结构、和固设在所述伸缩结构上的两个基座，其中安装光路改变单元132的基座固定在伸缩结构的活动侧，而安装有光感应器131的基座固定在伸缩结构的固定侧，具体地，所述伸缩结构固定在所述投影装置11投射区域之外且在伸展状态时其活动端可位于所述投射区域内，其中安装在所述基座上的光路改变单元132将捕捉投射区域内的光辐射并改变其光路使其投射到光感应器131上，其中所述伸缩结构举例包含限位槽和嵌在所述限位槽中的活动杆，两个基座分别位于限位槽和活动杆上，在检测期间，光感应器131和光路改变单元132之间的距离是预先确定的。需要说明的是，光路改变单元132和光感应器131可均通过基座固定在活动杆上以固定二者之间的距离。该移动机构还可以包括轨道、设置在轨道上的制动结构以及位于所述制动结构上的基座，其中，所述轨道位于投影装置11的投射区域之外，且所述基座具有延伸臂，所述光路改变单元132位于延伸臂上，当制动结构带动基座移动至投射区域附近时，所述光路改变单元132可伸入该投射区域内并改变一部分光辐射的光路使其投射到光感应器131上，其中，所述光感应器131可位于基座本体上或也位于所述延伸臂上。当所述光学系统未处于打印状态时，可由技术人操控/定时自动启动投影装置11和光检测装置13使得投影装置11以面投影方式发出光辐射并由光检测装置13抽检至少一处光辐射强度。

需要说明的是，上述具体示例仅为举例而非对本申请的限制，本领域技术人员基于示例进行组合和简单改进而得到的光检测装置13也属于本申请的示例。例如，将延伸臂设置为伸缩结构以减少光检测装置13在未检测期间所占用的空间等。

还需要说明的是，上述光检测装置13可整体设置于投影装置11内部，例如设置在光源和开关阵列之间、或设置在开关阵列与图像照射单元之间的光路附近，以便提高光学系统集成度以及减少外界环境光对检测结果的干扰。

基于对图2所示的光学系统的描述，本申请还提供一种带有所述光学系统的3d打印设备。请参阅图8，该图8示例性的展示了3d打印设备的结构。所示3d打印设备包括：所述光学系统、容器14、构件平台15、z轴驱动机构17及z轴控制装置16。

其中，所述光学系统已在前述详细描述，在此不再赘述。

所述容器14具有透明底面，用于盛放光固化材料。所述光固化材料包括任何易于光固化的液态材料、金属材料或聚酯材料等，其举例包括：光固化树脂液，或掺杂了陶瓷粉末、颜色添加剂等混合材料的树脂液等。所述容器14可以是整体透明或仅容器透明。在所述容器面表面铺设有便于剥离的透明柔性膜。

所述光学系统位于所述容器14下方并面向所述底面投射光辐射，用于以面投影方式控制所投射出的光辐射将3d构件模型中的分层图像照射到位于所述底面的光固化材料上。其中，所述容器面即为打印基准面。

在此，所述3d构件模型可仅包含待成型的产品模型，还可以包含为完整打印产品而在产品模型上设置的支撑结构。其中，所述支撑结构可为柱状、网状、片状等。所述分层图像是预先基于3d构件模型沿z轴方向(即沿高度方向)进行横截划分而得到的，其中，在每相邻横截划分所形成的横截面层上形成由3d构件模型的轮廓所勾勒的分层图像。在所述横截面层足够薄的情况下，我们认定所述横截面层上横截表面和下横截表面的轮廓线是一致的；或者在前处理期间预先标定以上横截表面或下横截表面的轮廓线所勾勒的分层图像作为光学系统所要投射的分层图像。

在此，以一种具体示例为例来描述所述光学系统在图7所示的3d打印设备中的结构及工作过程：所述光学系统中的投影装置11位于容器面正下方并根据其中图像投射单元中投影镜头的聚焦位置确定其与该容器底面的距离。所述光学系统中的控制装置12通过数据接口与投影装置11连接，光检测装置13装配在3d打印设备的支撑框架上且位于投影装置11与底面之间的位置。当光学系统未处于打印状态时，可启动光检测装置13照射参数检测装置和投影装置11来捕捉光辐射强度及对应的照射参数，并在光学系统处于打印状态期间基于所捕捉的光辐射强度和照射参数补偿地反馈给投影装置11。由此使得所述光学系统补偿了因投影装置11内耗增加、光源老化等原因而导致所固化的固化层无法达到预设特性的缺陷。

所述构件平台15用于附着经照射后得到的图案固化层，以便经由所述图案固化层积累形成3d构件。具体地，所述构件平台15举例为构件板。所述构件平台15通常以位于容器14内的预设打印基准面为起始位置，逐层累积在所述打印基准面上固化的各固化层，以得到相应的3d打印构件。

所述z轴驱动机构17与所述构件平台15连接，用于受控的调整所述构件平台15与所述底面的间距以填充待固化的光固化材料。具体地，所述z轴驱动机构17包括驱动单元和竖直移动单元，所述驱动单元用于驱动所述竖直移动单元，以便所述竖直移动单元带动构件平台15升降移动。例如，所述驱动单元为驱动电机。所述驱动单元受又一控制指令控制。其中，该控制指令包括：用于表示构件平台15上升、下降或停止的方向性指令，甚至还可以包含转速/转速加速度、或扭矩/扭力等参数。如此有利于精确控制竖直移动单元的上升的距离，以实现z轴的精准调节。在此，所述竖直移动单元举例包括一端固定在所述构件平台15上的固定杆、与固定杆的另一端固定的咬合式移动组件，其中，所述咬合式移动组件受驱动单元驱动以带动固定杆竖直移动，所述咬合式移动组件举例为由齿状结构咬合的限位移动组件，如齿条等。又如，所述竖直移动单元包括：丝杆和旋接所述丝杆的定位移动结构，其中所述丝杆的两端旋接于驱动单元，所述定位移动结构的外延端固定连接到构件平台15上，该定位移动结构可包含滚珠和夹持件的螺母形结构。

当所述z轴驱动机构17带动构件平台15下降时，通常是为了将所述构件平台15或附着在构件平台15上的图案化固化层下降到相距容器面一固化层层高的间距，以便照射填充在所述间距内的光固化材料。当所述z轴驱动机构17带动构件平台15上升时，通常是为了将图案固化层自容器面分离。

所述z轴控制装置16与所述z轴驱动机构17相连，用于控制所述z轴驱动机构17调整所述间距。在此，所述z轴控制装置16可与光学系统中的控制装置12共用cpu、存储单元、内存、内部系统总线等，也可单独配置。所述光学系统中的控制装置12依据预设的打印顺序逐个的将分层图像发送给投影装置11，由所述投影装置11将所述图像照射到容器14的透明底部，所照射的能量将容器部的光固化材料固化成对应的图案固化层。所述z轴控制装置16在照射间隙向所述z轴驱动机构17发出控制指令，例如，向z轴驱动机构17发送上升方向和转速的控制指令，所述z轴驱动机构17基于所接收的控制指令将构件平台15上升至相距容器面的预设高度，再由所述z轴控制装置16向z轴驱动机构17发送包含下降方向和转速的控制指令，使得所述z轴驱动机构17带动构件平台15向容器部移动。在整个上升和下降期间，所述z轴控制装置16通过监测所述z轴驱动机构17的运动来确定构件平台15相对于容器部的间距，并在所述构件平台15达到对应间距时，输出包含停止的控制指令。

经由z轴控制装置16和光学系统中控制装置12的时序配合，在投影装置11和z轴驱动机构17的协同工作下，3d构件模型被逐层的累积成3d构件。

图9还提供了本申请提供的另一种3d打印设备的结构示意图。所述3d打印设备包括：如图2所示光学系统、容器24、构件平台25、z轴驱动机构27及z轴控制装置26。与图8所提供的3d打印设备不同的是，该3d打印设备中的光学系统位于容器24开口侧。对于所述光学系统来说，其打印基准面是基于投影装置11聚焦位置而设定的位于容器24内部并相距容器底面一高度的平面处。通常，若所述容器24内盛放液态的光固化材料，则将光固化材料的水平面灌入到打印基准面位置。若所述容器24内盛放粉末状光固化材料，则构件平台25上所铺设的光固化材料表面与打印基准面持平。

在此，以一种具体示例为例来描述所述光学系统在图9所示的3d打印设备中的结构及工作过程：所述光学系统中的投影装置11位于容器24开口正上方并面向开口照射，其中，所述投影装置11与容器内光固化树脂表面(即打印基准面)的距离可以是通过标定确定的或为预设固定值。所述光学系统中的控制装置12通过数据接口与投影装置11连接，光检测装置13装配在3d打印设备的支撑框架上且位于投影装置11与光固化树脂面之间的位置。当光学系统未处于打印状态时，可启动光检测装置13、照射参数检测装置和投影装置11来捕捉光辐射强度和对应的照射参数，并在光学系统处于打印状态期间基于所捕捉的光辐射强度和对应的照射参数补偿地反馈给投影装置11。由此使得所述光学系统补偿了因投影装置11内耗增加、光源老化等原因而导致所固化的固化层无法达到预设特性的缺陷。

图10还示出了本申请中照射控制方法的一种实施例的流程图。所述照射控制方法主要由光学系统中的控制装置来执行并由光检测装置辅助提供光辐射强度的检测工作。其中，所述光学系统包含以面投影方式控制的投影装置。所述投影装置包括：如前述详细描述的光源、光源驱动单元、和图像投射单元。所述照射控制方法包括步骤s110、s120。

在步骤s110中，在投影装置所投射的基于面投射的光辐射的出射路径上捕捉并检测光辐射强度，以及检测所述投影装置在投射所检测光辐射强度时的照射参数。

具体地，所述光辐射强度是通过抽检而得到的。例如，技术人员在3d打印机未打印3d构件期间利用手持式光强度检测器捕捉投影装置在打印基准面上以面投射方式照射的光辐射中的一部分光辐射强度，同时记录的还有对应的照射参数。其中，所述光辐射强度主要指光辐射的能量密度。所述照射参数是指影响投影装置输出光辐射强度的参数，例如，光源驱动单元的供电电流、供电电压，图像投射单元中开关阵列中各控制点的pwm或液晶阵列中各控制点的电场电压、或用以提供所述电场电压的电流等。

或者，由装配在光学系统中的光检测装置和照射参数检测装置来获取的光辐射强度及其照射参数。例如，在未打印期间，控制投影装置以面投射方式投射光辐射，自所投射的区域内抽检一个或多个光辐射强度。当检测出多个光辐射强度时，所得到的各光辐射强度可由控制装置进行均衡筛选以防止所抽检的光辐射强度包含异常数据。例如，控制装置接收到多个检测的光辐射强度，对其进行均值处理并以所得到的光辐射强度均值作为所依据的光辐射强度。

在某些实施方式中，步骤s110具体包括：步骤s111和s112(均未于图示)。

在步骤s111中，改变所述基于面投射的光辐射的出射路径内光辐射的路径。

具体地，在光检测装置中还包含位于所述光感应器之前的光路上的光路改变单元，其用于自所述投影装置的以面投射方式投射出的光辐射中捕捉部分光辐射并改变所捕捉并光辐射的光路。所述光路改变单元包括漫射镜、反射镜、棱镜等，以及支撑镜体的支撑结构。所述光路改变单元可固定在投影装置的投影区域内，以将所抽检的一部分光辐射转射至光感应器所在位置。在此光感应器可位于投影区域之外，有效减少其对投影装置在投射分层图像时的干扰。

在步骤s112中，在改变路径后的光路上捕捉光辐射强度。具体地，将光感应器装配在光路改变单元的出射光路侧，以捕捉所接收的光辐射强度。

进一步地，为了防止光检测装置在任何情况下对光辐射的阻碍或不必要减弱(如分光)，所述光检测装置还包括：移动机构。所述移动机构可单独装配光感应器或光路改变单元。在一种具体示例中，所述光检测装置包括移动机构及装配在该移动机构上的光感应器。在此，该移动机构可包括伸缩结构及固设在所述伸缩结构活动端的基座，其中，所述伸缩结构固定在所述投影装置投射区域之外且在伸展状态时其活动端可位于所述投射区域内，对应的安装在所述基座上的光感应器将捕捉投射区域内的光辐射，其中所述伸缩结构举例包含限位槽和嵌在所述限位槽中的活动杆，所述基座固设在活动杆的活动端。该移动机构还可以包括轨道、设置在轨道上的制动结构以及位于所述制动结构上的基座，其中，所述轨道位于投影装置的投射区域之外，且所述基座具有延伸臂，所述光感应器位于延伸臂上，当制动结构带动基座移动至投射区域附近时，所述光感应器可伸入该投射区域内采集光感应信号。当所述光学系统未处于打印状态时，可由技术人操控/定时自动启动投影装置和光检测装置使得投影装置以面投影方式发出光辐射并由光检测装置抽检至少一处光辐射强度。

在另一种具体示例中，所述光检测装置包含移动机构及装配在该移动机构上的光路改变单元，对应的光感应器固设于光路改变单元的出射光路上。在此，该移动机构可包括伸缩结构及固设在所述伸缩结构活动端的基座，所述伸缩结构固定在所述投影装置投射区域之外且在伸展状态时其活动端可位于所述投射区域内，其中安装在所述基座上的光路改变单元将捕捉投射区域内的光辐射并改变其光路使其投射到光感应器上，其中所述伸缩结构举例包含限位槽和嵌在所述限位槽中的活动杆，所述基座固设在活动杆的活动端。该移动机构还可以包括轨道、设置在轨道上的制动结构以及位于所述制动结构上的基座，其中，所述轨道位于投影装置的投射区域之外，且所述基座具有延伸臂，所述光路改变单元位于延伸臂上，当制动结构带动基座移动至投射区域附近时，所述光路改变单元可伸入该投射区域内并改变一部分光辐射的光路使其投射到光感应器上。当所述光学系统未处于打印状态时，可由技术人操控/定时自动启动投影装置和光检测装置使得投影装置以面投影方式发出光辐射并由光检测装置抽检至少一处光辐射强度。

在又一具体示例中，所述光检测装置包含移动机构及装配在该移动机构上的光路改变单元和光感应器。在此，所述光感应器和光路改变单元之间的间距在检测期间是确定变的。其中，所述移动机构可包括伸缩结构、和固设在所述伸缩结构上的两个基座，其中安装光路改变单元的基座固定在伸缩结构的活动侧，而安装有光感应器的基座固定在伸缩结构的固定侧，具体地，所述伸缩结构固定在所述投影装置投射区域之外且在伸展状态时其活动端可位于所述投射区域内，其中安装在所述基座上的光路改变单元将捕捉投射区域内的光辐射并改变其光路使其投射到光感应器上，其中所述伸缩结构举例包含限位槽和嵌在所述限位槽中的活动杆，两个基座分别位于限位槽和活动杆上，在检测期间，光感应器和光路改变单元之间的距离是预先确定的。需要说明的是，光路改变单元和光感应器可均通过基座固定在活动杆上以固定二者之间的距离。该移动机构还可以包括轨道、设置在轨道上的制动结构以及位于所述制动结构上的基座，其中，所述轨道位于投影装置的投射区域之外，且所述基座具有延伸臂，所述光路改变单元位于延伸臂上，当制动结构带动基座移动至投射区域附近时，所述光路改变单元可伸入该投射区域内并改变一部分光辐射的光路使其投射到光感应器上，其中，所述光感应器可位于基座本体上或也位于所述延伸臂上。当所述光学系统未处于打印状态时，可由技术人操控/定时自动启动投影装置和光检测装置使得投影装置以面投影方式发出光辐射并由光检测装置抽检至少一处光辐射强度。

需要说明的是，上述具体示例仅为举例而非对本申请的限制，本领域技术人员基于示例进行组合和简单改进而得到的光检测装置也属于本申请的示例。例如，将延伸臂设置为伸缩结构以减少光检测装置在未检测期间所占用的空间等。

在步骤s120中，基于所检测的所述光辐射强度和照射参数补偿地控制所述投影装置，以使所述投影装置所固化的光固化层的实际特性与对应的预期特性相匹配。其中，所述光固化层特性包括但不限于：固化层的层厚、硬度、轮廓精准度等。

在此，我们寄希望于通过对投影装置的检测反馈机制来确保实际打印出的光固化层与设计者对相应固化层的要求相符，例如，实际打印的层厚与设计时横截面的层厚相符，实际打印出的光固化层的硬度与设计时所需的硬度相符，和/或实际打印出的固化层轮廓清晰、光滑等反映精准度的指标与设计时相符。通常设计时所期望的固化层特性是指在使用初期或标定后投射装置11所投射的光辐射强度照射到光固化材料上并使之相应固化后所得到的特性。

为了防止因光机老化而导致固化后的材料达不到预期特性，可在设备维护时对投影装置11的光辐射强度进行抽检。该抽检操作可由人工操作或由3d打印设备自带的检测装置执行。在某些实施方式中，技术人员在抽检光辐射强度的同时还记录射出相应光辐射强度时投影装置的照射参数，并提供给控制装置。例如，技术人员检测一组光源驱动单元在不同输出功率下所对应的光辐射强度，并将每组对应的照射参数(用于调整输出功率的电流/电压)和光辐射强度输入控制装置中保存。又如，技术人员利用投影装置输出多种灰度的图像，并检测各灰度区域对应的光辐射强度，并将每组对应的光辐射强度和灰度(即为照射参数)保存在控制装置中。所述控制装置将基于所得到的光辐射强度和照射参数对拟合投影装置当前的光辐射强度和照射参数之间的对应关系。例如，所述控制装置基于预设的计算公式将所检测的离散化对应关系拟合成连续的对应曲线。又如，所述控制装置以所检测的相邻照射参数为区间进行划分将离散的对应关系点连接成对应曲线，甚至可将所连接的对应曲线圆滑处理。

需要说明的是，本申请中所描述的对应曲线并非一定真实地保存在存储器中，其所反映的对应关系可由算法、对应表等形式存储在存储器中。

所述控制装置基于所述投影装置初始时的光辐射强度与受控参数之间的初始对应关系以及衰减后所检测的光辐射强度与受控参数之间的对应关系，确定补偿后的受控参数，并根据所确定受控参数控制所述投影装置。其中，所述受控参数是指能够由控制装置控制以改变所述投影装置所输出的光辐射和/或照射时长的参数，其包括但不限于：供电电流、供电电压、供电时长、用于调整灰度的控制信号的占空比或电场电流等。

如图2中所示的投影装置而言，所述控制装置可基于经捕捉并检测的所述光辐射强度及所述图像投射单元对应该光辐射强度的照射参数补偿调整所述图像投射单元照射分层图像的像素灰度；所述控制装置还可以基于经捕捉并检测的光辐射强度及所述光源驱动单元对应该光辐射强度的照射参数补偿调整所述光源驱动单元向光源的输出功率；和/或所述控制装置还可以基于经捕捉并检测的光辐射强度及所述光源驱动单元对应该光辐射强度的照射参数调整所述光源驱动单元向光源的供电时长。

具体地，为了能够进行光辐射衰减比对，在所述控制装置中预存有：例如出厂前标定的光辐射强度与至少一种照射参数的对应关系，或例如基于技术人员在使用初期或监测到光辐射强度降至接近理想阈值时进行标定而得到所述对应关系；并将上述对应关系作为所述投影装置初始时所投射的光辐射强度与照射参数之间的初始对应关系。在此，该初始对应关系包括但不限于以下至少一种：如图4所示的光辐射强度与电流的初始对应关系，及如图5所示的光辐射强度与像素灰度的初始对应关系。所述控制装置中还可以预存有如图6所示的光辐射强度与照射时长的对应关系，以便在需要时调整照射时长。

所述控制装置可基于所预存储的初始对应关系和所检测的衰减后的对应关系在3d打印期间对投影装置进行补偿控制。

在某些实施方式中，参照图5和图6，所述控制装置可根据图5所示的初始对应关系得到分层图像中一像素灰度(比如g0)的光辐射强度(比如p0)，再根据图1所示的初始对应关系确定按照所得到的光辐射强度(比如p0)照射单位层厚的时长(比如t0)，再根据预设的实际层厚与单位层厚的照射时长系数确定以实际光辐射强度(比如p0)照射实际层厚的光固化材料所需时长(比如kt0，其中k为系数)，并按照所确定的时长控制光源驱动单元的供电时长。

在另一些实施方式中，参考图4所示，所述控制装置可根据光辐射强度与电流(或电流系数)的初始对应关系(比如fp-i0)确定未衰减时光源驱动单元向光源输送的电流i0所对应的光辐射强度(比如p0)，再根据所检测的光辐射强度与电流的对应关系(比如fp-i1)得到让光源在衰减后输出同样光辐射强度(比如p0)所需的电流i1，控制光源驱动单元按照所得到的电流i1向光源供电。

在又一些实施方式中，参考图5所示，所述控制装置可通过比对光辐射强度与像素灰度的初始对应关系fp-g0与所检测的光辐射强度与像素灰度的对应关系fp-g1中，得到分层图像中一像素灰度(比如g0)所对应的初始光辐射强度(比如p0)，再根据对应关系fp-g1确定所述初始光辐射强度(比如p0)所对应的像素灰度(比如g1)，并按照像素灰度控制图像投射单元调整相应控制点的占空比或电场电压等受控参数。

需要说明的是，所述控制装置的上述实施方式仅为示例性的描述，而非本申请示例的全部。事实上，所述控制装置可结合上述多个实施方式对投影装置进行控制，例如，控制装置先利用光辐射强度-灰度对分层图像的灰度进行控制，当灰度无法继续调整时，再通过调节光源的供电电流或供电时长来实现将相应分层图像固化成3d构件的对应横截固化层，并使得所固化的固化层的特性与预期相匹配。

需要说明的是，上述各示例仅为举例并非对本申请的限制，本领域技术人员在上述各示例的提示下的工程实现及示例组合均应被视为本申请的具体示例。例如，控制装置同时补偿地控制图像投射单元和光源驱动单元。

本申请虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本申请，任何本领域技术人员在不脱离本申请的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本申请技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本申请技术方案的保护范围。