一种实现大尺寸光固化3D打印的光学投影系统技术方案

本发明专利技术提供一种可实现大尺寸光固化3D打印的光学投影系统，包括第一LCD照明模块(1)、第二LCD照明模块(2)、偏振分光镜(3)、投影镜头以及树脂槽(4)。第一LCD照明模块(1)和第二LCD照明模块(2)结构完全相同，两个照明模块的光通过偏振分光镜(3)出射后偏振方向相互垂直，LCD经投影镜头(4)成像到树脂槽(5)上进行光固化3D打印。由于两个LCD在空间上相互错开，通过调节两个LCD的相对位置可实现两个LCD像面的无缝连接，从而使打印尺寸增加一倍。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光固化3D打印设备，特别是光固化3D打印设备中的光学成像系统。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于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。本专利技术采用的技术方案为：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。本专利技术的原理在于：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，本专利技术采用商用投影仪的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。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)、本专利技术采用商用投影仪的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)、本专利技术采用两个商用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为本专利技术的系统原理图；图2为本专利技术的照明系统原理图。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专利技术。如图1所示，本专利技术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，本专利技术采用商用投影仪的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1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现大尺寸光固化3D打印的光学投影系统，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一种实现大尺寸光固化3D打印的光学投影系统，其特征在于：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。2.如权利要求1所述的光固化3D打印的光学投影系统，其特征在于：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。3.如权利要求1所述的光固化3D打印的光学投影系统，其特征在于：第一LCD照...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈旺富，周绍林，马旭刚，
申请(专利权)人：深圳市鹏安视科技有限公司，华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44