光固化型3D打印设备及其图像曝光系统的制作方法

本实用新型涉及光固化型3D打印设备，尤其是涉及光固化型3D打印设备的图像曝光系统。

背景技术：

3D打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，3D打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。

目前3D打印技术的成型方式仍在不断演变，所使用的材料也多种多样。在各种成型方式中，光固化法是较为成熟的方式。光固化法是利用光敏树脂被紫外光照射后发生固化的原理，进行材料累加成型，具有成型精度高、表面光洁度好、材料利用率高等特点。

图1示出光固化型3D打印设备的基本结构。这一3D打印设备100包括用于容纳光敏树脂的物料槽110、用于使光敏树脂固化的图像曝光系统120、以及用于连接成型工件的升降台130。图像曝光系统120位于物料槽110上方，并可照射光束图像使物料槽110液面的一层光敏树脂被固化。每次图像曝光系统120照射光束图像致使一层光敏树脂固化后，升降台130都会带动成型的那层固化的光敏树脂略微下降，并通过刮板131使固化后的工件顶面均匀铺展光敏树脂，等待下一次照射。如此循环，将会得到逐层累加成型的三维工件。

图像曝光系统120可以使用激光成型技术、数字光处理(Digital Light Procession,DLP)、硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCOS)投影技术。

激光成型技术是使用激光扫描设备进行逐点扫描。但是由于光敏树脂的特性，激光功功率不能过大，否则会损伤树脂。因此，激光移动速度被限制在几米到十几米/秒，造成成型速度过慢。

LCOS是一种基于反射模式、像素尺寸非常小的矩阵液晶显示装置。这种矩阵采用CMOS技术在硅芯片上加工制作而成。矩阵的电路在每个像素的电极和公共透明电极间提供电压，这两个电极之间被一薄层液晶分开。像素的电极也是一个反射镜(后文称为镜电极)，所有像素的电极共同构成一个反射镜面。控制图像形成的电子电路制作在硅芯片上，通过控制液晶分子的状态来改变每个像素入射极化光的极化方向。被镜电极反射的光被光学方法同入射光分开从而被投影物镜放大并成像到物体上。最终，整个反射投影出所需的光束图像。LCOS应用在3D打印中时，分辨率有限制约其发展，比如，目前的LCOS常用的最高分辨率通常为1920*1080。但是，这个分辨率在3D打印中以常用的0.1mm的精度只能产生192*108mm面积的物体，明显限制了其应用。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种光固化型3D打印设备及其图像曝光系统。

本实用新型为解决上述技术问题而采用的技术方案是提出一种3D打印设备的图像曝光系统，包括：硅基液晶面板，包括镜电极阵列、公共电极、位于所述镜电极阵列和所述公共电极之间的液晶、位于所述镜电极阵列与所述液晶之间的第一配向膜以及位于所述液晶与所述公共电极之间的第二配向膜，所述第一配向膜在对应所述镜电极阵列的每一镜电极处凸起而形成聚焦透镜，每一聚焦透镜能够会聚照射到对应镜电极的光线，从而使得所述镜电极的反射的微光斑尺寸小于所述镜电极所对应的像素尺寸，其中所述硅基液晶面板用于根据控制信号调节所述液晶的状态，从而改变每个经所述镜电极阵列反射的光线的极化方向；光源，产生一照射到所述硅基液晶面板上的光线；偏振光分光器，用于将所述光源产生的光线过滤为极化光照射所述硅基液晶面板，并从所述镜电极阵列反射的光线中过滤出预定极化方向的光线；投影镜头，设于所述偏振光分光器的出射方向，使各镜电极所反射的微光斑所组成的微光斑阵列投射到光敏材料表面；微位移驱动机构，连接所述硅基液晶面板，能够驱动所述硅基液晶面板在相互垂直的第一方向和第二方向移动，以微调所述微光斑阵列投影到所述光敏材料表面的位置；以及控制器，命令所述光源进行多次曝光，在每次曝光时命令所述微位移驱动机构进行移动，以将各次曝光的微光斑阵列投影到所述光敏材料表面的不同位置。

在本实用新型的一实施例中，各次曝光的微光斑阵列在所述光敏材料表面所形成的像互不重叠。

在本实用新型的一实施例中，各次曝光的微光斑阵列所形成的像布满所述光敏材料表面。

在本实用新型的一实施例中，各次曝光的微光斑阵列包含不同的图像信息。

在本实用新型的一实施例中，假设各聚焦透镜的焦距为f，各聚焦透镜所对应的像素尺寸为p，入射到各微镜的光线的半夹角为β，微光斑的像高为a，出射光最大半角为W，则满足：

tan(β)＝(a/2)/(f/2)；

tan(w)＝((a+p)/2)/(f/2)；

Fno＝1/(2tan(w))。

本实用新型还提出一种3D打印设备的图像曝光系统，包括：硅基液晶面板，包括镜电极阵列、公共电极、位于所述镜电极阵列与所述公共电极之间的液晶、位于所述镜电极阵列与所述液晶之间的第一配向膜以及位于所述液晶与所述公共电极之间的第二配向膜，所述镜电极阵列的每一镜电极为凹面镜，能够会聚照射到其上的光线，使得反射的微光斑尺寸小于所述镜电极所对应的像素尺寸，其中所述硅基液晶面板用于根据控制信号调节所述液晶的状态，从而改变每个经所述镜电极阵列反射的光线的极化方向；光源，产生一照射到所述硅基液晶面板上的光线；偏振光分光器，用于将所述光源产生的光线过滤为极化光照射所述硅基液晶面板，并从所述镜电极阵列反射的光线中过滤出预定极化方向的光线；投影镜头，设于所述偏振光分光器的出射方向，使各镜电极所反射的微光斑所组成的微光斑阵列投射到光敏材料表面；微位移驱动机构，连接所述硅基液晶面板，能够驱动所述硅基液晶面板在相互垂直的第一方向和第二方向移动，以微调所述微光斑阵列投影到所述光敏材料表面的位置；以及控制器，命令所述光源进行多次曝光，在每次曝光时命令所述微位移驱动机构进行移动，以将各次曝光的微光斑阵列投影到所述光敏材料表面的不同位置。

在本实用新型的一实施例中，各次曝光的微光斑阵列在所述光敏材料表面所形成的像互不重叠。

在本实用新型的一实施例中，各次曝光的微光斑阵列所形成的像布满所述光敏材料表面。

在本实用新型的一实施例中，所述微光斑的尺寸小于、等于或大于所述镜电极所对应的像素尺寸的一半。

在本实用新型的一实施例中，假设各镜电极凹面镜的焦距为f，各镜电极所对应的像素尺寸为p，入射到各镜电极的光线的半夹角为β，微光斑的像高为a，出射光最大半角为W，则满足：

tan(β)＝(a/2)/f；

tan(w)＝((a+p)/2)/f；

Fno＝1/(2tan(w))。

在本实用新型的一实施例中，所述第一配向膜在所述镜电极阵列的每一镜电极凹面镜处相应性地凹陷。

本实用新型还提出一种3D打印设备的图像曝光系统，包括：硅基液晶面板，包括镜电极阵列、公共电极、位于所述镜电极阵列和所述公共电极之间的液晶、位于所述镜电极阵列与所述液晶之间的第一配向膜、位于所述液晶与所述公共电极之间的第二配向膜、以及位于所述公共电极的入射侧的聚焦透镜阵列，所述聚焦透镜阵列的每一聚焦透镜对应所述镜电极阵列的每一镜电极，每一聚焦透镜能够会聚照射到对应镜电极的光线，从而使得所述镜电极的反射的微光斑尺寸小于所述镜电极所对应的像素尺寸，其中所述硅基液晶面板用于根据控制信号调节所述液晶的状态，从而改变经所述镜电极阵列反射的光线的极化方向；光源，产生一照射到所述硅基液晶面板上的光线；偏振光分光器，用于将所述光源产生的光线过滤为极化光照射所述硅基液晶面板，并从所述镜电极阵列反射的光线中过滤出预定极化方向的光线；投影镜头，设于所述偏振光分光器的出射方向，使该所述微光斑阵列投射到光敏材料表面；微位移驱动机构，连接所述硅基液晶面板，能够驱动所述硅基液晶面板在相互垂直的第一方向和第二方向移动，以微调所述微光斑阵列投影到所述光敏材料表面的位置；以及控制器，命令所述光源进行多次曝光，在每次曝光时命令所述微位移驱动机构进行移动，以将各次曝光的微光斑阵列投影到所述光敏材料表面的不同位置。

在本实用新型的一实施例中，各次曝光的微光斑阵列在所述光敏材料表面所形成的像互不完全重叠。

在本实用新型的一实施例中，各次曝光的微光斑阵列所形成的像布满所述光敏材料表面。

在本实用新型的一实施例中，各次曝光的微光斑阵列包含不同的图像信息。

在本实用新型的一实施例中，假设各聚焦透镜的焦距为f，各聚焦透镜所对应的像素尺寸为p，聚焦透镜到对应的反射电极间的距离是d，入射到各微镜的光线的半夹角为β，微光斑的像高为a，f>d，则满足：

a＝(f²*tanβ)/(f-d)

其中选Fno1或Fno2绝对值大的为Fno。

本实用新型还提出一种3D打印设备的图像曝光系统，包括：硅基液晶面板，包括镜电极阵列、公共电极、位于所述镜电极阵列和所述公共电极之间的液晶、位于所述镜电极阵列与所述液晶之间的第一配向膜以及位于所述液晶与所述公共电极之间的第二配向膜，所述配向膜在对应所述镜电极阵列的每一镜电极处凸起而形成聚焦透镜，每一聚焦透镜能够会聚照射到对应镜电极的光线，从而使得所述镜电极的反射的微光斑尺寸小于所述镜电极所对应的像素尺寸，其中所述硅基液晶面板用于根据控制信号调节所述液晶的状态，从而改变经所述镜电极阵列反射的光线的极化方向；光源，产生一照射到所述硅基液晶面板上的光线；偏振光分光器，用于将所述光源产生的光线过滤为极化光照射所述硅基液晶面板，并从所述镜电极阵列反射的光线中过滤出预定极化方向的光线；投影镜头，设于所述偏振光分光器的出射方向，使各镜电极所反射的微光斑所组成的微光斑阵列投射到光敏材料表面；偏转镜片，布置在所述硅基液晶面板与所述光敏材料表面之间，所述偏转镜片能够围绕垂直于所述投影镜头的光轴的至少一转轴偏转，以微调所述微光斑阵列投影到所述光敏材料表面的位置；以及控制器，命令所述光源进行多次曝光，在每次曝光时命令所述偏转镜片进行移动，以将各次曝光的微光斑阵列投影到所述光敏材料表面的不同位置。

本实用新型还提出一种3D打印设备的图像曝光系统，包括：硅基液晶面板，包括镜电极阵列、公共电极、位于所述镜电极阵列与所述公共电极之间的液晶、位于所述镜电极阵列与所述液晶之间的第一配向膜以及位于所述液晶与所述公共电极之间的第二配向膜，所述镜电极阵列的每一镜电极为凹面镜，能够会聚照射到其上的光线，使得反射的微光斑尺寸小于所述镜电极所对应的像素尺寸，其中所述硅基液晶面板用于根据控制信号调节所述液晶的状态，从而改变经所述镜电极阵列反射的光线的极化方向；光源，产生一照射到所述硅基液晶面板上的光线；偏振光分光器，用于将所述光源产生的光线过滤为极化光照射所述硅基液晶面板，并从所述镜电极阵列反射的光线中过滤出预定极化方向的光线；投影镜头，设于所述偏振光分光器的出射方向，使各镜电极所反射的微光斑所组成的微光斑阵列投射到光敏材料表面；偏转镜片，布置在所述硅基液晶面板与所述光敏材料表面之间，所述偏转镜片能够围绕垂直于所述投影镜头的光轴的至少一转轴偏转，以微调所述微光斑阵列投影到所述光敏材料表面的位置；以及控制器，命令所述光源进行多次曝光，在每次曝光时命令所述偏转镜片进行移动，以将各次曝光的微光斑阵列投影到所述光敏材料表面的不同位置。

本实用新型还提出一种3D打印设备的图像曝光系统，包括：硅基液晶面板，包括镜电极阵列、公共电极、位于所述镜电极阵列和所述公共电极之间的液晶、位于所述镜电极阵列与所述液晶之间的第一配向膜、位于所述液晶与所述公共电极之间的第二配向膜以及位于所述公共电极的入射侧的聚焦透镜阵列，所述聚焦透镜阵列的每一聚焦透镜对应所述镜电极阵列的每一镜电极，每一聚焦透镜能够会聚照射到对应镜电极的光线，从而使得所述镜电极的反射的微光斑尺寸小于所述镜电极所对应的像素尺寸，其中所述硅基液晶面板用于根据控制信号调节所述液晶的状态，从而改变经所述镜电极阵列反射的光线的极化方向；光源，产生一照射到所述硅基液晶面板上的光线；偏振光分光器，用于将所述光源产生的光线过滤为极化光照射所述硅基液晶面板，并从所述镜电极阵列反射的光线中过滤出预定极化方向的光线；投影镜头，设于所述偏振光分光器的出射方向，使该所述微光斑阵列投射到光敏材料表面；偏转镜片，布置在所述硅基液晶面板与所述光敏材料表面之间，所述偏转镜片能够围绕垂直于所述投影镜头的光轴的至少一转轴偏转，以微调所述微光斑阵列投影到所述光敏材料表面的位置；以及控制器，命令所述光源进行多次曝光，在每次曝光时命令所述微位移驱动机构进行移动，以将各次曝光的微光斑阵列投影到所述光敏材料表面的不同位置。

本实用新型还提出一种光固化型3D打印设备，包括如上所述的图像曝光系统。

本实用新型由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，通过在硅基液晶面板中设置凹透镜面或聚焦透镜阵列，结合多次曝光配合硅基液晶的微位移可将光敏材料表面填满曝光光斑，再针对各次曝光使用不同成像信息，可成倍提高成像的分辨率，从而提高打印的精度。

此外，光固化材料在固化时，材料会有一定量的收缩，当大面积光固化材料同时感光固化时，会产生较大的连续的内应力，使固化的物体翘曲、变形，本实用新型通过多次曝光来使光敏材料的不同像素点分时固化，避免了大面积光固化材料同时固化的情况发生，降低像素点固化收缩时对周围像素点拉扯的影响，从而改善了打印体翘曲、变形的程度。

附图说明

为让本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细说明，其中：

图1示出光固化型3D打印设备的基本结构。

图2示出本实用新型一实施例的3D打印设备的图像曝光系统。

图3A示出图2所示图像曝光系统的硅基液晶面板的一实施例的结构图。

图3B是图3A所示硅基液晶面板的一个像素示意图。

图3C示出图3A的硅基液晶面板的光路图。

图4A示出图2所示图像曝光系统的硅基液晶面板的另一实施例的结构图。

图4B是图4A所示硅基液晶面板的一个像素示意图。

图4C是图4A所示硅基液晶面板的凹面镜结构示意图。

图4D示出图4A的硅基液晶面板的光路图。

图5A示出图2所示图像曝光系统的硅基液晶面板的又一实施例的结构图。

图5B示出图5A的硅基液晶面板的光路图。

图6示出硅基液晶面板未经聚光时直接投影的图像。

图7示出本实用新型实施例的图像曝光系统一次曝光在光敏材料表面上所形成的图像。

图8示出本实用新型实施例的图像曝光系统4次曝光在光敏材料表面上所形成的图像。

图9示出本实用新型实施例的图像曝光系统的图像抽取示意图。

图10示出本实用新型另一实施例的3D打印设备的图像曝光系统。

图11示出图10所示图像曝光系统的偏转镜片未偏转的光路示意图。

图12示出图10所示图像曝光系统的偏转镜片进行了偏转的光路示意图。

图13示出本实用新型另一实施例的图像曝光系统4次曝光在光敏材料表面上所形成的图像。

图14示出光敏树脂固化所需的能量与光照功率的关系曲线。

具体实施方式

本实用新型的实施例描述一种3D打印设备及其图像曝光系统，该图像曝光系统使用硅基液晶面板作为面阵图像源。

图2示出本实用新型一实施例的3D打印设备的图像曝光系统。参照图2所示，本实施例的图像曝光系统200包括光源201、偏振光分光棱镜202、硅基液晶(LCOS)面板203、微位移机构204、投影镜头205以及控制器(图未示出)。为简明起见，不示出与本实用新型无关的器件。

光源201用来产生需要照射到LCOS面板203上的光束。光源201所发出的光的波长随固化成型的光敏材料而定。例如，选择UV树脂作为光敏材料时，光束可为紫光至紫外光，其波长在430nm以下，例如355-410nm。

在此实施例中，在光源201和LCOS面板203之间设置了偏振光分光棱镜202。光源201发出的光照射到偏振光分光棱镜202上，偏振光分光棱镜202将光线中S极化光反射到LCOS面板203上，P极化光直接透过偏振光分光棱镜，最后光线经LCOS面板203反射后，其中没有被改变极化方向的光线被反射回光源，其中被改变极化方向的光线透过偏振光分光棱镜202和投影镜头205照射到光敏材料表面220上。在此，偏振光分光棱镜202能把入射的光线分成两束垂直的线偏光。其中P偏光完全通过，而S偏光以90度角被反射，出射方向与P光成90度角。S偏光作为入射光被入射到LCOS面板203。进入LCOS面板203的S偏光会被部分液晶分子扭转一定角度，扭转角度受加在液晶面板上的电压控制。这些光线会被LCOS面板203反射回偏振光分光棱镜202。反射光中的P偏光直接从偏振光分光棱镜202的出光侧穿出，S偏光会被偏振光分光棱镜202反射回光源。因此，个别控制各液晶单元的液晶分子的排列方向，就可控制LCOS面板203反射光线的亮度和图像。尽管在此使用偏振光分光棱镜，但可以理解，本实用新型的实施例也可以使用反射式偏振片等其他偏振光分光器。

LCOS面板203在本实用新型中用作空间光调制器。图3A示出图2所示图像曝光系统的LCOS面板一个实施例的结构图，图3c示出图3A的LCOS面板的光路图。参考图3A、3B所示，LCOS面板203可包括电路基板301、镜电极阵列302、第一配向膜303、公共电极304、液晶305、第二配向膜306以及透光板307。电路基板301上可设置CMOS电路，其包括多个CMOS开关，用于根据控制信号控制LCOS面板203的运作。镜电极阵列302包含许多镜电极E，每个镜电极E对应LCOS面板203的一个像素。第一配向膜303覆盖在镜电极阵列302，其是具有直条状沟槽的薄膜，作用是引导液晶分子的排列方向。第二配向膜306覆盖在公共电极304上且与第一配向膜303相对，其是具有直条状沟槽的薄膜，作用是引导液晶分子的排列方向。公共电极304与镜电极阵列302相对设置，二者间隔一定距离。公共电极304是透明电极，其材料例如是ITO(氧化铟锡)。液晶305位于镜电极阵列302和公共电极304之间，沿着第一配向膜303和第二配向膜306的沟槽方向排列。当在镜电极阵列302和公共电极304施加电压时，二者之间液晶305中的分子会扭转一定角度，从而改变穿过其中的光的极化方向。镜电极阵列302中的各个镜电极E可被施加不同的电压，从而使得各个镜电极E之上的液晶分子的扭转角度不同。镜电极E本身还是一个镜面，能够反射穿透液晶305的光线，使之原路返回。因此，硅基液晶面板203可根据控制信号调节液晶305的状态，从而改变经各个镜电极E反射的微光斑M光线的极化方向。各个镜电极E所反射的微光斑组成一个图像可调的微光斑阵列。在本实施例中，存在第一配向膜303下的聚焦透镜303a，从而能够会聚照射到镜电极E上的光束，使得反射的微光斑尺寸s小于镜电极E所对应的像素尺寸。在一些实施例中，镜电极E所对应的像素尺寸可以为镜电极E本身的尺寸。

在本实用新型的实施例中，第一配向膜303在对应镜电极阵列的每一镜电极E处凸起而形成聚焦透镜。参考图3B所示，第一配向膜303在镜电极E处凸起，形成聚焦透镜303a。此时，第一配向膜303上用于控制液晶排列方向的沟槽303b会分布在凸起处。需要指出的是，凸起可以沿着凹槽303a的方向呈条状，以方便制作。需要指出的是，沟槽303b相对于镜电极E的尺寸比例仅仅是示意，不代表在实际产品中中比例。

上述的聚焦透镜，配合下述经过严格设计的照明系统，可将照射到其上的光会聚成尺寸小于镜电极尺寸的微光斑。参考图3C所示，具有一定夹角的一系列平行光束经过聚焦透镜303a射入某一镜电极E。假设该聚焦透镜303a的焦距f为120μm，镜电极E所对应的像素尺寸p为14μm，该平行光束的最大半夹角β为3.5°，则镜电极所反射形成的微光斑的像高a为：

tan(β)＝(a/2)/(f/2)；a＝2*(f/2)*tanβ＝7.3μm；

即在镜电极E前出现一个尺寸为7.3μm的像，其尺寸为像素尺寸的约1/2。

设W为出射光最大半角，则有：

tan(w)＝((a+p)/2)/f＝((7.3+14)/2)/60＝0.1775，W＝10.065°；

光圈数值Fno的计算如下：

Fno＝1/(2tan(w))＝2.8。(未考虑液晶等的折射率影响)

即光路系统中，投影镜头205只需使用2.8光圈值即可使全部光线通过。同时该镜头的焦平面不再位于LCOS面板203的镜电极上，而位于LCOS面板前面的微光斑阵列上，这样比原来镜电极面积小得多的微光斑组成的阵列被投影到光敏材料表面上，最终在光敏材料表面成像，形成曝光光斑。

会聚的另一好处是，经过会聚后，虽然微光斑面积缩小，但微光斑亮度得到同比例提升，这样该微光斑最终成像于光敏材料表面时，固化面积缩小，固化时间同比例缩短。通过多次曝光后，微光斑将填满全部树脂面，这使本实用新型在提高投影分辨率的同时，固化所需要的总曝光时间和直接曝光基本保持不变。

事实上由于聚焦透镜可能的制造缺陷，特别是光的衍射效应的存在，光斑尺寸会略大于实际计算，而且光斑的形状也可能成为圆形，这需要在实际试验中对前述参数进行调整，以确定最终数据。

图4A示出图2所示图像曝光系统的LCOS面板另一个实施例的结构图，图4D示出图4A的LCOS面板的光路图。参考图4A、4B所示，LCOS面板203可包括电路基板401、镜电极阵列402、第一配向膜403、公共电极404、液晶405、第二配向膜406以及透光板407。电路基板301上可设置CMOS电路，其包括多个CMOS开关，用于根据控制信号控制LCOS面板203的运作。镜电极阵列402包含许多镜电极E，每个镜电极E对应LCOS面板203的一个像素。第一配向膜403覆盖在镜电极阵列402上，其是具有直条状沟槽的薄膜，作用是引导液晶分子的排列方向。第二配向膜406覆盖在公共电极404上且与第一配向膜403相对，其是具有直条状沟槽的薄膜，作用是引导液晶分子的排列方向。公共电极404与镜电极阵列402相对设置，二者间隔一定距离。公共电极404是透明电极，其材料例如是ITO(氧化铟锡)。液晶405位于镜电极阵列402和公共电极404之间。当在镜电极阵列402和公共电极404施加电压时，二者之间液晶405中的分子会扭转一定角度，从而改变穿过其中的光的极化方向。镜电极阵列402中的各个镜电极E可被施加不同的电压，从而使得各个镜电极E之上的液晶分子的扭转角度不同。镜电极E本身还是一个镜面，能够反射穿透液晶405的光线，使之原路返回。因此，硅基液晶面板203可根据控制信号调节液晶405的状态，从而改变经各个镜电极E反射的微光斑M光线的极化方向。各个镜电极E所反射的微光斑组成一个图像可调的微光斑阵列。如图4B所示，在本实施例中，镜电极阵列402的每一镜电极E的反射面被设置为凹面镜，从而能够会聚照射到镜电极E上的光束，使得反射的微光斑尺寸s小于镜电极E所对应的像素尺寸。在一些实施例中，镜电极E所对应的像素尺寸可以为镜电极E本身的尺寸。

继续参考图4B所示，第一配向膜403在各镜电极阵列的每一镜电极E的凹面镜处相应性地凹陷。相比之下，第二配向膜406除了沟槽之外，整体上是平整的。此时，第一配向膜403上用于控制液晶排列方向的沟槽403a会分布在凹陷处。需要指出的是，沟槽403a相对于镜电极E的尺寸比例仅仅是示意，不代表在实际产品中中比例。

在一实施例中，可通过MEMS(微机电系统)逐层加工，加离子抛光的方式形成具有凹面镜的镜电极E。如图4C所示，在镜电极E逐层制作具有凹陷的金属层，从而构成凹面镜。

在本实用新型的实施例中，LCOS面板的各个镜电极被设计为凹面镜，配合下述经过严格设计的照明系统，可将照射到其上的光会聚成尺寸小于镜电极尺寸的微光斑。参考图4D所示，具有一定夹角的一系列平行光束射入某一具有凹面镜特性的镜电极E。假设该凹面的镜电极E的焦距f为60μm，镜电极E所对应的像素尺寸p为14μm，该平行光束的最大半夹角β为3.5°，则镜电极所反射形成的微光斑的像高a为：

tan(β)＝(a/2)/f；a＝2*f*tanβ＝7.3μm；

即在镜电极E前出现一个尺寸为7.3μm的像，其尺寸为像素尺寸的约1/2。

设W为出射光最大半角，则有：

tan(w)＝((a+p)/2)/f＝((7.3+14)/2)/60＝0.1775，W＝10.065°；

光圈数值Fno的计算如下：

Fno＝1/(2tan(w))＝2.8。

即光路系统中，投影镜头205只需使用2.8光圈值即可使全部光线通过。同时该镜头的焦平面不再位于LCOS面板203的镜电极上，而位于LCOS面板前面的微光斑阵列上，这样比原来镜电极面积小得多的微光斑组成的阵列被投影到光敏材料表面上，最终在光敏材料表面成像，形成曝光光斑。

会聚的另一好处是，经过会聚后，虽然微光斑面积缩小，但微光斑亮度得到同比例提升，这样该微光斑最终成像于光敏材料表面时，固化面积缩小，固化时间同比例缩短，通过多次曝光后，微光斑将填满全部树脂面，这时本实用新型在提高投影分辨率的同时，固化所需要的总曝光时间和直接曝光基本保持不变。

事实上由于镜电极可能的制造缺陷，特别是光的衍射效应的存在，光斑尺寸会略大于实际计算，而且光斑的形状也可能成为圆形，这需要在实际试验中对前述参数进行调整，以确定最终数据。

图5A示出图2所示图像曝光系统的LCOS面板另一个实施例的结构图，图5B示出图5A的LCOS面板的光路图(以镜电极反射界面展开为直射光路图)。参考图5A、5B所示，LCOS面板203可包括电路基板501、镜电极阵列502、第一配向膜503、公共电极504、液晶505、第二配向膜506以及透光板507。电路基板501上可设置CMOS电路，其包括多个CMOS开关，用于根据控制信号控制LCOS面板203的运作。镜电极阵列502包含许多镜电极E，每个镜电极E对应LCOS面板203的一个像素。第一配向膜503覆盖在镜电极阵列502上，其是具有直条状沟槽的薄膜，作用是引导液晶分子的排列方向。第二配向膜506覆盖在公共电极504上且与第一配向膜503相对，其是具有直条状沟槽的薄膜，作用是引导液晶分子的排列方向。公共电极504与镜电极阵列502相对设置，二者间隔一定距离。公共电极504是透明电极，其材料例如是ITO(氧化铟锡)。液晶505位于镜电极阵列502和公共电极504之间。当在镜电极阵列502和公共电极504施加电压时，二者之间液晶505中的分子会扭转一定角度，从而改变穿过其中的光的极化方向。镜电极阵列502中的各个镜电极E可被施加不同的电压，从而使得各个镜电极E之上的液晶分子的扭转角度不同。镜电极E本身还是一个镜面，能够反射穿透液晶505的光线，使之原路返回。在此，镜电极E的反射面可以是平面。因此，硅基液晶面板203可根据控制信号调节液晶505的状态，从而改变经各个镜电极E反射的微光斑M光线的极化方向。各个镜电极E所反射的微光斑组成一个图案可调的微光斑阵列。在本实施例中，在公共电极504的入射侧设置聚焦透镜阵列506，聚焦透镜阵列506的每一聚焦透镜506a对应镜电极阵列402的每一镜电极E，每一聚焦透镜506a能够会聚照射到对应镜电极E的光束，从而使得镜电极E的反射的微光斑M的尺寸s小于镜电极E所对应的像素尺寸p。在一些实施例中，镜电极E所对应的像素尺寸可以为镜电极E本身的尺寸。

与前文的实施例不同的是，本实施例中第一配向膜403和第二配向膜406除了沟槽之外，整体上是平整的，不需要被构造为具有聚焦作用。

在本实用新型的实施例中，LCOS面板的聚焦透镜阵列506的聚焦效应，配合下述经过严格设计的照明系统，可将照射到其上的光会聚成尺寸小于镜电极尺寸的微光斑。参考图5B所示(以镜电极反射界面展开为直射光路图)，具有一定角度的平行光束穿过某一聚焦透镜506a后，入射到镜电极E后会反射，再次穿过聚焦透镜506a后出射，因此在图5B中存在两个透镜，分别称为第1透镜(图中左侧)和第2透镜(图中右侧)。

假设透镜506a的焦距为f，直径为2p，p为镜电极所对应的1/2像素尺寸，透镜506a到镜电极E的距离为d，入射光角度为β，

M为经过第1透镜的微光斑像，像高为h1。

h1＝f·tanβ

考虑光线P1→P2→P3→P4，P2/P3分别为光线与两个透镜的交点，ki为每一段相对于水平面的斜率，yi为Pi对应的高度(交点高度)，在此i＝1,2,3,4。因此有：

k1＝tanβ

y2＝-p

以下是几种特殊的情况：

(1)d>f显然光锥会聚后又发送，且到第2透镜位置口径会大于2p，相邻的像素相互干扰，该可能性不存在(无实用价值)

(2)2d＝f

此时有y3＝2d·tanβ

镜头Fno1的计算：

Fno1＝1/2k3

M经过第2透镜成像，像高设有h2。对于第2透镜而言，物距l＝f-2d(如上图的情形，l<0)。

根据高斯成像公式：

计算放大率α：

光斑直径：

再追迹一条光线Q1→Q2→Q3→Q4，k’i为每一段的斜率，y’i为Qi对应的高度(交点高度)，i＝1,2,3,4。

k′1＝tanβ

y′2＝b

镜头Fno1为：

Fno1＝1/2k’3

该处Fno2和上面P1→P4计算得出的Fno1比较，应取绝对值较小值作为后面投影镜头的Fno。

根据上述计算的结果，假设聚焦透镜506a的焦距f为100μm，聚焦透镜506a所对应的像素尺寸2p为14μm，该光束的半夹角β为2.5°，聚焦透镜到反射电极间的距离是d为40μm，其中f必须大于d，则聚焦透镜506a所反射形成的微光斑的像高a为：

a＝(f²*tanβ)/(f-d)＝7.28μm

即在镜电极E前出现一个尺寸为7.28μm的像，其尺寸为像素尺寸的约1/2光圈数值Fno的计算如下：

选Fno1为系统Fno。

会聚的另一好处是，经过会聚后，虽然微光斑面积缩小，但微光斑亮度得到同比例提升，这样该微光斑最终成像于光敏材料表面时，固化面积缩小，固化时间同比例缩短，通过多次曝光后，微光斑将填满全部树脂面，这时本实用新型在提高投影分辨率的同时，固化所需要的总曝光时间和直接曝光基本保持不变。

事实上由于聚焦透镜506a可能的制造缺陷，特别是光的衍射效应的存在，光斑尺寸会略大于实际计算，而且光斑的形状也可能成为圆形，这需要在实际试验中对前述参数进行调整，以确定最终数据。

图6示出本实用新型实施例的图像曝光系统一次曝光在光敏材料表面上所形成的图像。作为比较，如果光线直接通过镜电极(反射面为平面)进行成像，由于镜电极间的间隙很小，得到图像会几乎占据全部投影面积(见图6)。比较图6和图7可知，经过呈凹面镜的镜电极或者聚焦透镜的会聚后，图像中微光斑的尺寸缩小了。通过精确设计照明系统和镜电极(或者聚焦透镜)的形状，可控制成像光斑的大小。举例来说，可使成像光斑尺寸与像素尺寸(例如镜电极的尺寸)之比为1:2，即面积之比为1:4。

此外，可使成像光斑尺寸与像素尺寸之比约为1:3或1:4。这里取整数倍的原因是考虑到后续微位移时，需要在各个微光斑的空白部分插入新的微光斑。

如图7所示，光敏材料表面上一次曝光的图像中，光斑之间留有空白。为此，通过多次曝光来填补这些空白，使光斑布满整个光敏材料表面。

如图2所示，LCOS面板203连接有微位移驱动机构204。微位移驱动机构204能够驱动LCOS面板203在x方向和y方向移动，以微调微光斑阵列投影到光敏材料表面的位置。在此，x、y方向在同一平面，且这一平面垂直于图像曝光系统的光轴z。在微位移驱动机构没有驱动LCOS面板203位移时，LCOS面板203的微光斑阵列在光敏材料表面的第一位置成像；当微位移驱动机构204驱动LCOS面板203在一方向(x或y方向)微位移时，LCOS面板203的整个微光斑阵列将随着LCOS面板203发生微小的位移，从而在光敏材料表面220的第一位置以外的位置成像。

上述的位移可以结合多次曝光，使各次曝光的光斑图像叠加，令光斑布满光敏材料表面。具体地说，可以令光源201进行多次曝光，在每次曝光时，命令LCOS面板203进行位移以将各次曝光的微光斑阵列投影到该光敏材料表面的不同位置。图8示出本实用新型实施例的图像曝光系统4次曝光在光敏材料表面上所形成的图像。参照图8所示，在第一次曝光时，形成了投影图像A；在第二次曝光时，由于微位移驱动机构204沿着x方向移动1/2像素大小的距离，使微光斑阵列略微沿图中的水平方向移动，投影到两列微光斑之间的空白中，形成投影图像B；在第三次曝光时，微位移驱动机构204沿着y方向移动，使微光斑阵列略微沿图中的垂直方向移动1/2像素大小的距离，投影到两行微光斑之间的空白中，形成投影图像C；同理，形成投影图像D。投影图像D已布满了光敏材料表面。

微位移驱动机构204可以是压电陶瓷。在实际实施时，可以使用图像曝光系统200的控制器，命令光源201进行多次曝光，同时在每次曝光时命令微位移驱动机构204配合进行x、y两个方向的移动。

投影镜头205布置在LCOS面板203与三维打印设备的光敏材料表面220之间，将LCOS面板203反射的微光斑阵列投影到光敏材料表面。

需要指出的是，各次曝光的微光斑阵列的叠加虽然布满光敏材料表面220，但是各次曝光的微光斑阵列在光敏材料表面的位置可以基本上互不重叠。这是通过控制像素尺寸与光斑的尺寸之比为整数，且位移的步距刚好为光斑尺寸来实现的。这种基本上互不重叠的设置可以避免分辨率的下降。可以理解，考虑光衍射效应等因素，略微的重叠有助于弥补微光斑非矩形边缘部分的缺失。因此并不要求微光斑之间完全不重叠。此外，微光斑阵列的叠加虽然布满该光敏材料表面，但是可以理解，通过图像控制微光斑阵列中并非每个位置都是亮点，而是可能有暗点。

在本实用新型的实施例中，各次曝光的微光斑阵列包含不同的图像信息。以图8为例，投影图案D中，虚框内的四个微光斑D1包含互不相同的图像信息。这就意味着，投影图案的分辨率相应变为原来的4倍。因此3D打印的精度得到显著提高。这些不同的图像信息可以是来自可以组成一幅完整图像的4个不同的图像文件，也可以是从同一图像文件的一幅图像经处理后抽取而成的4个子图像。以图9所示实例来说，图像中包含4*4＝16个像素A1-A4,B1-B4,C1-C4,以及D1-D4，有阴影的像素表示需要曝光，无阴影的像素表示无需曝光。在此，可以从图像中分别抽取出像素组{A1,A3,C1,C3}，{A2,A4,C2,C4}，{B1,B3,D1,D3}，以及{B2,B4,D2,D4}，作为4个子图像分别给4次曝光使用。相比之下，传统的打印设备所使用的图像，其每一像素的大小至少为如图9所示的4个像素，如{A1,A2,B1,B2}，因此其分辨率明显更低。

此外，通过实验发现，这种通过多次曝光来使光敏材料的不同像素点分时固化的方法还有其它优点。具体地说，光固化材料在固化时，材料会有一定量的收缩，当大面积光固化材料同时感光固化时，会产生较大的连续的内应力，使固化的物体翘曲、变形。本实用新型上述实施例的方法，通过让不同像素点在不同时间固化，可以降低像素点固化收缩时对周围像素点拉扯的影响，从而改善了固化的物体翘曲、变形的程度。参考图8所示，先对光敏材料上间隔排列的多个像素点进行曝光固化形成投影图像A，各个像素点固化收缩时拉扯的周围区域都还是液态的光敏材料，液态材料的易变性抵消了拉扯的影响避免了内应力的累计；接着，进行第二次曝光固化形成投影图像B，这次固化的像素(偶数列)在上、下两个方向周围都还是液态的光敏材料，因此这两个方向的液态材料的易变性抵消了拉扯的影响；然后进行第三次曝光固化形成投影图像C，这次固化的像素(偶数行)在左侧方向周围还是液态的光敏材料，因此这个方向的液态材料的易变性抵消了拉扯的影响；最后进行第四次曝光固化形成投影图像D，只有这次固化的像素周围均是固态的光敏材料。但这时只有1/4的材料被固化，而且聚焦后像素点的特性是能量是按高斯曲线分布的，中间比周围更亮，这样在固化发生时像素中间会比边缘更快固化，中间固化时的内应力还可被周围未固化树脂吸收一部分，等完全固化时积聚的内应力已十分小了。更重要的是，因同一时刻只有相互隔开的像素点在进行固化，而相邻的像素不会同时进行固化，避免了各个像素点同时固化时的互相拉扯。

在较佳实施例中，参考图13所示，在进行第一次曝光固化形成投影图像A后，接着进行第二次曝光固化形成投影图像B。投影图像B中进行固化的像素点与投影图像A中固化的像素点位于对角而互不相邻，因而这次固化的像素在周围四个方向都还是液态的光敏材料，液态材料的易变性抵消了拉扯的影响。然后进行第三次曝光固化形成投影图像C和第四次曝光固化形成投影图像D的方式和图10所示实施例相同，在此不再展开。

同理，在进行9次曝光或16次曝光时，也可以优先让相互间像素点互不相邻的几个投影图像先进行曝光，以最大程度地减少相互拉扯的影响。

上述的例子是在控制微光斑尺寸为像素尺寸的1/2时，进行4次曝光。可以理解，控制微光斑为像素尺寸的1/3时可以进行9次曝光，控制微光斑为像素尺寸的1/4时可以进行16次曝光，以此类推。

图10示出本实用新型另一实施例的3D打印设备的图像曝光系统。在本实施例的图像曝光系统200’中，用偏转镜片206来代替前述的微位移驱动机构204。偏转镜片206可布置在LCOS面板203到光敏树脂220的光路中的任意位置，一般布置在靠近投影镜头205的位置。偏转镜片206能够围绕至少一转轴偏转，以微调光束投影到光敏材料表面的位置。前述的转轴均垂直于图像曝光系统的光轴z，在偏转镜片206和LCOS面板203平行(和光轴z垂直)时，光线垂直照射在偏转镜片206(如图11所示)，这时没有折射现象发生，光线直接经过偏转镜片206；如果偏转镜片206围绕一转轴倾斜一个角度，光线从空气进入偏转镜片206将会产生折射，光线从偏转镜片206进入空气时再次发生折射，两个折射的折射角度相同，方向相反，折射后的光线将按原有方向前进，但是发生微小的位移(如图12所示)。另外，这一转轴可以是位于包含转轴x且垂直于光轴z的平面内，且垂直于转轴x的转轴y。在本实用新型的实施例中，偏转镜片206可以既能够绕转轴x偏转，也能绕转轴y偏转。偏转镜片206的数量可以是一个，也可以是2个或更多个。

同样地，上述的偏转可以结合多次曝光，使各次曝光的光束图像叠加，令光斑布满光敏材料表面。具体地说，可以令光源201进行多次曝光，在每次曝光时，命令偏转镜片206进行偏转以将各次曝光的光束图像投影到该光敏材料表面的不同位置。

在实际实施时，可以使用图像曝光系统200’的控制器，命令光源201进行多次曝光，同时在每次曝光时命令该偏转镜片206配合进行x、y两个方向的偏转。

接下来说明曝光亮度有利于光敏材料的感光的原理。光敏材料接受一定量的光照射后，在一定时间内会固化，这一时间称为固化时间。光照射的功率，即光敏材料在单位时间内接收到的光照能量，会显著影响固化时间。理论上一定面积的光敏材料的固化需要的能量可以表达为：

W＝P*t，P为照射到树脂上的光功率，t为曝光时间。

即，可以通过提高光功率减少曝光时间或较小光功率增加曝光时间来达到同样的能量以达到同样的固化效果，这称为“互易律”。但是在光敏树脂中存在互易律失真的情形。

图14示出光敏树脂固化所需的能量与光照功率的关系曲线。如图14所示，x轴表示光照功率，y轴表示固化需要的能量W。曲线表示在不同光照功率下，一定面积的光敏材料的固化需要的能量。当光照功率在P0以下时，需要能量W为无穷大，由于t＝W/P，即需要无穷大时间。曲线包含了线性段(图中接近45°的部分)和非线性段(图中接近垂直的部分)。在线性段，随着光照功率加大，所需固化时间和光照功率成反比，固化需要的能量基本不变，此时基本符合上述“互易律”；在非线性段，随着光照功率减小，所需固化时间非线性快速增加，固化需要的能量非线性增大。其中在接近P0的区域，光照功率的微小减低都需要大量增加曝光时间才能使树脂固化到同样程度。由于光敏树脂需要的光照的波长在430nm以下，这一波长的光线过强对液晶面板是有伤害的。本实用新型中液晶成像光斑缩小到原来的例如1/4后，亮度为原来4倍，使曝光进入相对线性段，从而大大减小了光敏材料的固化时间，提高了曝光速度。同时，减少了固化需要的总能量W(这也是通过液晶面板的光能)，延长了液晶面板的寿命。

在一些实施例中，图像曝光系统200和200’的控制器可以包括一个或多个硬件处理器，诸如微控制器、微处理器、精简指令集计算机(RISC)、专用集成电路(ASIC)、应用特定指令集成处理器(ASIP)、中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、物理处理单元(PPU)、微控制器单元、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、高级RISC机(ARM)、可编程逻辑器件(PLD)、能够执行一个或多个功能的任何电路或处理器等中的一种或多种的组合。举例来说，控制器包括一个处理器，其载入并执行存储器的计算机指令以实现本实用新型实施例的控制步骤。

本实用新型的上述实施例通过将LCOS面板的镜电极设置为凹面镜或者增加聚光透镜来实现聚焦，结合多次曝光配合LCOS面板的微位移可将光敏材料表面填满曝光光斑，再针对各次曝光使用不同成像信息，可提高成像的分辨率，从而提高打印的精度。

虽然本实用新型已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型，在没有脱离本实用新型精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本实用新型的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。