一種用于3d打印的光學系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于3D打印的光學系統(tǒng)及其控制方法，該光學系統(tǒng)包括激光器、擴束系統(tǒng)、分束器、空間光調(diào)制器及聚焦系統(tǒng)，空間光調(diào)制器連接有用于生成目標調(diào)制圖案的計算機，空間光調(diào)制器用于接收計算機生成的目標調(diào)制圖案后生成調(diào)制圖案，激光器發(fā)出的光束通過擴束系統(tǒng)擴束成平行光束并照射到分束器上，部分擴束后的光束通過分束器后到達空間光調(diào)制器處進行調(diào)制，調(diào)制后的光束反射回分束器后，部分調(diào)制后的光束通過聚焦系統(tǒng)聚焦后照射到3D打印的目標平面上。本發(fā)明以調(diào)制圖案為單位進行光學調(diào)制及聚焦解調(diào)，可以逐行打印、逐段打印甚至整個平面打印，提高了打印效率，加快了打印速度，并保證了3D打印質(zhì)量，可廣泛應用在3D打印領(lǐng)域中。
【專利說明】一種用于3D打印的光學系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及3D打印領(lǐng)域，特別是涉及一種用于3D打印的光學系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 3D打印技術(shù)具有將數(shù)字化模型直接現(xiàn)實化的能力，可以改變傳統(tǒng)的設(shè)計及制造方 法。目前3D打印在航空航天、醫(yī)療、汽車以及其它很多領(lǐng)域都有應用。然而，3D打印技術(shù)在 工業(yè)推廣應用仍然面臨很多問題，其中一個關(guān)鍵問題是打印速度慢?，F(xiàn)有的3D打印設(shè)備， 包括激光選區(qū)燒結(jié)（SLS)，激光選區(qū)熔化（SLM)等，都依賴于用單束或多束激光的逐點逐層 打印，通過微機電系統(tǒng)控制的反射鏡和透鏡組合，來操縱光束焦點的移動，從而實現(xiàn)逐點打 印。這種打印方式速度慢，效率低，是目前3D打印技術(shù)發(fā)展的一大瓶頸。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種用于3D打印的光學系統(tǒng)，本 發(fā)明的另一目的是提供一種用于3D打印的光學系統(tǒng)的控制方法。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0005] -種用于3D打印的光學系統(tǒng)，包括激光器、擴束系統(tǒng)、分束器、空間光調(diào)制器及聚 焦系統(tǒng)，所述空間光調(diào)制器連接有用于生成目標調(diào)制圖案的計算機，所述空間光調(diào)制器用 于接收計算機生成的目標調(diào)制圖案后生成調(diào)制圖案，所述激光器發(fā)出的光束通過擴束系統(tǒng) 擴束成大直徑的平行光束并照射到分束器上，其中一部分擴束后的光束通過分束器后到達 空間光調(diào)制器處進行調(diào)制，調(diào)制后的光束反射回分束器后，一部分調(diào)制后的光束通過聚焦 系統(tǒng)聚焦后照射到3D打印的目標平面上。
[0006] 進一步，所述擴束系統(tǒng)包括負透鏡和正透鏡，所述負透鏡的軸心和正透鏡的軸心 共線，所述激光器發(fā)出的光束依次通過負透鏡和正透鏡后擴束成大直徑的平行光束。
[0007] 進一步，所述空間光調(diào)制器采用反射鏡式數(shù)字微鏡器件，所述聚焦系統(tǒng)采用柱透 鏡。
[0008] 進一步，所述空間光調(diào)制器采用位相式液晶空間光調(diào)制器，所述聚焦系統(tǒng)采用正 透鏡。
[0009] -種用于3D打印的光學系統(tǒng)的控制方法，包括：
[0010] 步驟1、采用計算機獲取3D打印的打印模型的逐個平面的面圖案后，將獲取的面 圖案生成目標調(diào)制圖案并發(fā)送到空間光調(diào)制器處；
[0011] 步驟2、將激光器發(fā)出的光束通過擴束系統(tǒng)擴束成大直徑的平行光束并照射到分 束器上，其中一部分擴束后的光束通過分束器后到達空間光調(diào)制器處進行調(diào)制，調(diào)制后的 光束反射回分束器后，一部分調(diào)制后的光束通過聚焦系統(tǒng)聚焦后照射到3D打印的目標平 面上。
[0012] 進一步，所述步驟2中將激光器發(fā)出的光束通過擴束系統(tǒng)擴束成大直徑的平行光 束，其具體為：
[0013] 將激光器發(fā)出的光束依次通過負透鏡和正透鏡后擴束成大直徑的平行光束。
[0014] 進一步，所述空間光調(diào)制器采用反射鏡式數(shù)字微鏡器件，所述聚焦系統(tǒng)采用柱透 鏡，所述步驟1，其具體為：
[0015] 采用計算機獲取3D打印的打印模型的逐個平面的面圖案后，將獲取的面圖案切 分為多個寬度相同的線段圖案，并依次將獲得的線段圖案作為目標調(diào)制圖案發(fā)送到反射鏡 式數(shù)字微鏡器件處。
[0016] 進一步，還包括以下步驟：
[0017] 步驟3、3D打印系統(tǒng)按照逐次聚焦的線段圖案的順序依次地進行打印，并在每次 打印完一個線段圖案后，按照線段圖案的寬度往同一個方向移動3D打印系統(tǒng)或光學系統(tǒng)。
[0018] 進一步，空間光調(diào)制器采用位相式液晶空間光調(diào)制器，所述聚焦系統(tǒng)采用正透鏡， 所述步驟1，其具體為：
[0019] 采用計算機獲取3D打印的打印模型的逐個平面的面圖案后，將獲取的面圖案按 照以下步驟生成該面圖案的純相位全息圖后作為目標調(diào)制圖案并發(fā)送到位相式液晶空間 光調(diào)制器處；
[0020] 步驟11、按下式根據(jù)該面圖案的初始相位分布<K(u，v)和入射到位相式液晶空間 光調(diào)制器處的入射光的振幅|U(u，V) |構(gòu)成入射波函數(shù)fn(u，V):
[0021] ./"(〃, Γ) . )
[0022] 步驟12、對入射波函數(shù)fn(u，ν)進行傅立葉變換：
[0023] gn (x, y) = |Gm (x, v)| · e^n
[0024] 上式中，gn(x，y)表示入射波函數(shù)fn(u，v)的傅里葉變換；
[0025] 步驟13、用預期調(diào)制的振幅G(x，y)替換Gn(x，y)得到中間函數(shù)g/ (x, y)：
[0026] gn %x, y) = |G(x, j)| · e^n
[0027] 步驟14、對中間函數(shù)gn' (x，y)進行傅里葉逆變換：
[0028] fn'(//, v) = |C/B(?, v) · e,#,,(w'v)
[0029] 上式中，f/ (u，v)表示中間函數(shù)gn' (x，y)的傅里葉逆變換；
[0030] 步驟15、根據(jù)中間函數(shù)g/ (x，y)的傅里葉逆變換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數(shù)fn+1(u，v):
[0031] = _
[0032] 步驟16、重復執(zhí)行以上步驟直至滿足收斂條件后，將該時刻的中間函數(shù)g/ (x，y) 的傅里葉逆變換作為該面圖案的純相位全息圖。
[0033] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的一種用于3D打印的光學系統(tǒng)，包括激光器、擴束 系統(tǒng)、分束器、空間光調(diào)制器及聚焦系統(tǒng)，空間光調(diào)制器連接有用于生成目標調(diào)制圖案的計 算機，空間光調(diào)制器用于接收計算機生成的目標調(diào)制圖案后生成調(diào)制圖案。本光學系統(tǒng)通 過計算機生成目標調(diào)制圖案并發(fā)送到空間光調(diào)制器處生成調(diào)制圖案，從而對光束進行調(diào)制 后，聚焦到3D打印的目標平面上，相比現(xiàn)有技術(shù)中的逐點聚焦，本光學系統(tǒng)以調(diào)制圖案為 單位進行光學調(diào)制及聚焦解調(diào)，可以逐行打印、逐段打印甚至逐個平面打印，大大地提高了 3D打印系統(tǒng)的打印效率，同時還保證了 3D打印的高質(zhì)量。
[0034] 本發(fā)明的另一有益效果是：本發(fā)明的一種用于3D打印的光學系統(tǒng)的控制方法， 采用計算機獲取3D打印模型的逐個平面的面圖案后，將獲取的面圖案生成目標調(diào)制圖案 并發(fā)送到空間光調(diào)制器處；然后將激光器發(fā)出的光束通過擴束系統(tǒng)擴束成大直徑的平行 光束并照射到分束器上，其中一部分擴束后的光束通過分束器后到達空間光調(diào)制器處進行 調(diào)制，調(diào)制后的光束反射回分束器后，一部分調(diào)制后的光束通過聚焦系統(tǒng)聚焦后照射到3D 打印的目標平面上。本控制方法通過將3D打印的打印模型的面圖案生成目標調(diào)制圖案并 發(fā)送到空間光調(diào)制器處生成調(diào)制圖案，從而對光束進行調(diào)制后，聚焦到3D打印的目標平面 上，相比現(xiàn)有技術(shù)中的逐點聚焦的控制方法，本控制方法以調(diào)制圖案為單位進行光學調(diào)制 及聚焦解調(diào)，應用在3D打印系統(tǒng)中，大大地提高了 3D打印系統(tǒng)的打印效率，而且保證了打 印精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0035] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0036] 圖1是本發(fā)明的一種用于3D打印的光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0037] 圖2是本發(fā)明的實施例三的結(jié)構(gòu)框圖；
[0038] 圖3是本發(fā)明的實施例四中的目標調(diào)制圖案的示意圖；
[0039] 圖4是本發(fā)明的實施例四中的調(diào)制圖案及聚焦后得到的打印圖案的示意圖；
[0040] 圖5是本發(fā)明的實施例五中對3D打印的面圖案進行調(diào)制及解調(diào)的原理不意圖；
[0041] 圖6是現(xiàn)有技術(shù)中的逐點打印的掃描過程示意圖；
[0042] 圖7是采用本發(fā)明的控制方法逐行打印的掃描過程示意圖；
[0043] 圖8是采用本發(fā)明的控制方法逐段打印的掃描過程示意圖。
【具體實施方式】
[0044] 為了便于下文的描述，首先給出以下名詞解釋：
[0045] DMD :Digital MicroMirror Device,數(shù)字微鏡器件，可以實現(xiàn)任意明暗圖案。
[0046] 參照圖1，本發(fā)明提供了一種用于3D打印的光學系統(tǒng)，包括激光器1、擴束系統(tǒng)2、 分束器3、空間光調(diào)制器4及聚焦系統(tǒng)5,所述空間光調(diào)制器4連接有用于生成目標調(diào)制圖 案的計算機，所述空間光調(diào)制器4用于接收計算機生成的目標調(diào)制圖案后生成調(diào)制圖案， 所述激光器1發(fā)出的光束通過擴束系統(tǒng)2擴束成大直徑的平行光束并照射到分束器3上， 其中一部分擴束后的光束通過分束器3后到達空間光調(diào)制器4處進行調(diào)制，調(diào)制后的光束 反射回分束器3后，一部分調(diào)制后的光束通過聚焦系統(tǒng)5聚焦后照射到3D打印的目標平面 6上。
[0047] 進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述擴束系統(tǒng)2包括負透鏡21和正透鏡22,所述負 透鏡21的軸心和正透鏡22的軸心共線，所述激光器1發(fā)出的光束依次通過負透鏡21和正 透鏡22后擴束成大直徑的平行光束。
[0048] 進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述空間光調(diào)制器4采用反射鏡式數(shù)字微鏡器件， 所述聚焦系統(tǒng)采用柱透鏡。
[0049] 進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述空間光調(diào)制器4采用位相式液晶空間光調(diào)制 器，所述聚焦系統(tǒng)采用正透鏡。
[0050] -種用于3D打印的光學系統(tǒng)的控制方法，包括：
[0051] 步驟1、采用計算機獲取3D打印的打印模型的逐個平面的面圖案后，將獲取的面 圖案生成目標調(diào)制圖案并發(fā)送到空間光調(diào)制器4處；
[0052] 步驟2、將激光器1發(fā)出的光束通過擴束系統(tǒng)2擴束成大直徑的平行光束并照射到 分束器3上，其中一部分擴束后的光束通過分束器3后到達空間光調(diào)制器4處進行調(diào)制，調(diào) 制后的光束反射回分束器3后，一部分調(diào)制后的光束通過聚焦系統(tǒng)5聚焦后照射到3D打印 的目標平面6上。
[0053] 進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述步驟2中將激光器1發(fā)出的光束通過擴束系統(tǒng) 2擴束成大直徑的平行光束，其具體為：
[0054] 將激光器1發(fā)出的光束依次通過負透鏡21和正透鏡22后擴束成大直徑的平行光 束。
[0055] 進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述空間光調(diào)制器4采用反射鏡式數(shù)字微鏡器件， 所述聚焦系統(tǒng)5采用柱透鏡，所述步驟1，其具體為：
[0056] 采用計算機獲取3D打印的打印模型的逐個平面的面圖案后，將獲取的面圖案切 分為多個寬度相同的線段圖案，并依次將獲得的線段圖案作為目標調(diào)制圖案發(fā)送到反射鏡 式數(shù)字微鏡器件處。
[0057] 進一步作為優(yōu)選的實施方式，還包括以下步驟：
[0058] 步驟3、3D打印系統(tǒng)按照逐次聚焦的線段圖案的順序依次地進行打印，并在每次 打印完一個線段圖案后，按照線段圖案的寬度往同一個方向移動3D打印系統(tǒng)或光學系統(tǒng)。
[0059] 進一步作為優(yōu)選的實施方式，空間光調(diào)制器4采用位相式液晶空間光調(diào)制器，所 述聚焦系統(tǒng)采用正透鏡，所述步驟1，其具體為：
[0060] 采用計算機獲取3D打印的打印模型的逐個平面的面圖案后，將獲取的面圖案按 照以下步驟生成該面圖案的純相位全息圖后作為目標調(diào)制圖案并發(fā)送到位相式液晶空間 光調(diào)制器處；
[0061] 步驟11、按下式根據(jù)該面圖案的初始相位分布<K(u，v)和入射到位相式液晶空間 光調(diào)制器處的入射光的振幅|U(u，V) |構(gòu)成入射波函數(shù)fn(u，V):
[0062] V) = V)|. ?:''…".'.1
[0063] 步驟12、對入射波函數(shù)fn(u，v)進行傅立葉變換：
[0064] .^(v, V) ν)|·?；·Λμ^
[0065] 上式中，gn(x，y)表示入射波函數(shù)fn(u，ν)的傅里葉變換；
[0066] 步驟13、用預期調(diào)制的振幅G(x，y)替換Gn(x，y)得到中間函數(shù)g/ (x, y)：
[0067] gn '(x, j)=：|G(A：,y)|-i?Wii
[0068] 步驟14、對中間函數(shù)gn' (x，y)進行傅里葉逆變換：
[0069] fn %U, V) = ψη (M, V)| ·
[0070] 上式中，fn' (u, v)表示中間函數(shù)gn' (x, y)的傅里葉逆變換；
[0071] 步驟15、根據(jù)中間函數(shù)gn' (x，y)的傅里葉逆變換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數(shù)fn+1(u，v):
[0072] .! ("，v) = 1' ' ' · *
[0073] 步驟16、重復執(zhí)行以上步驟直至滿足收斂條件后，將該時刻的中間函數(shù)g/ (x，y) 的傅里葉逆變換作為該面圖案的純相位全息圖。
[0074] 下面結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步說明。
[0075] 實施例一
[0076] 參照圖1，一種用于3D打印的光學系統(tǒng)，包括激光器1、擴束系統(tǒng)2、分束器3、空 間光調(diào)制器4及聚焦系統(tǒng)5,空間光調(diào)制器4連接有用于生成目標調(diào)制圖案的計算機，空間 光調(diào)制器4用于接收計算機生成的目標調(diào)制圖案后生成調(diào)制圖案以及對照射到空間光調(diào) 制器4的光束進行調(diào)制，激光器1發(fā)出的光束通過擴束系統(tǒng)2擴束成大直徑的平行光束并 照射到分束器3上，其中一部分擴束后的光束通過分束器3后到達空間光調(diào)制器4處進行 調(diào)制，調(diào)制后的光束反射回分束器3后，一部分調(diào)制后的光束通過聚焦系統(tǒng)5聚焦后照射到 3D打印的目標平面6上。
[0077] 本實施例中，擴束系統(tǒng)2包括負透鏡21和正透鏡22,負透鏡21的軸心和正透鏡 22的軸心共線，激光器1發(fā)出的光束依次通過負透鏡21和正透鏡22后擴束成大直徑的平 行光束。負透鏡21的軸心和正透鏡22的軸心共線，實際上指負透鏡21的軸心和正透鏡22 的光軸共線。需要注意的是，激光器1、負透鏡21、正透鏡22、分束器3及空間光調(diào)制器4的 中心都是共線的，這樣本光學系統(tǒng)才能更高效地工作。光束照射到分束器3時，一半透射過 去，另一半反射，本光學系統(tǒng)的光束第一次照射到分束器3時，利用的是從分束器3透射過 去的光束，當經(jīng)過空間光調(diào)制器4調(diào)制后反射回來的光束回到分束器3時，利用的是從分束 器3反射的光束。
[0078] 空間光調(diào)制器4采用反射鏡式數(shù)字微鏡器件，聚焦系統(tǒng)采用柱透鏡。本實施例采 用反射鏡式數(shù)字微鏡器件進行一維或二維調(diào)制，然后通過柱透鏡將調(diào)制后的光束聚焦成線 段后照射到3D打印的目標平面6上。
[0079] -般來說，3D打印的目標平面6是設(shè)在3D打印系統(tǒng)的工作臺上的，可以在三維方 向上移動，因此，采用本光學系統(tǒng)聚焦到目標平面6后，3D打印系統(tǒng)進行3D打印，同時可以 控制工作臺進行移動，從而更新目標平面6并進入下一次的調(diào)制、聚焦及打印。或者，每次 打印完畢后，移動本光學系統(tǒng)，從而聚焦到新的目標平面6上。
[0080] 實施例二
[0081] 參照圖1，一種用于3D打印的光學系統(tǒng)，包括激光器1、擴束系統(tǒng)2、分束器3、空間 光調(diào)制器4及聚焦系統(tǒng)5,空間光調(diào)制器4連接有用于生成目標調(diào)制圖案的計算機，空間光 調(diào)制器4用于接收計算機生成的目標調(diào)制圖案后生成調(diào)制圖案以及對照射到空間光調(diào)制 器4的光束進行調(diào)制，激光器1發(fā)出的光束通過擴束系統(tǒng)2擴束成大直徑的平行光束并照 射到分束器3上，其中一部分擴束后的光束通過分束器3后到達空間光調(diào)制器4處進行調(diào) 制，調(diào)制后的光束反射回分束器3后，一部分調(diào)制后的光束通過聚焦系統(tǒng)5聚焦后照射到3D 打印的目標平面6上。
[0082] 本實施例中，擴束系統(tǒng)2包括負透鏡21和正透鏡22,負透鏡21的軸心和正透鏡 22的軸心共線，激光器1發(fā)出的光束依次通過負透鏡21和正透鏡22后擴束成大直徑的平 行光束。激光器1、負透鏡21、正透鏡22、分束器3及空間光調(diào)制器4的中心都是共線的，這 樣本光學系統(tǒng)才能更高效地工作。光束照射到分束器3時，一半透射過去，另一半反射，本 光學系統(tǒng)的光束第一次照射到分束器3時，利用的是從分束器3透射過去的光束，當經(jīng)過空 間光調(diào)制器4調(diào)制后反射回來的光束回到分束器3時，利用的是從分束器3反射的光束。
[0083] 實施例一與實施例二的光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本相同，不同之處在于：空間光調(diào)制器4 采用位相式液晶空間光調(diào)制器，聚焦系統(tǒng)采用正透鏡。本實施例采用位相式液晶空間光調(diào) 制器進行位相調(diào)制，然后通過正透鏡將調(diào)制后的光束進行聚焦，從而重建成3D打印的平面 圖案并照射到3D打印的目標平面6上。
[0084] 與實施例一類似，3D打印的目標平面6是設(shè)在3D打印系統(tǒng)的工作臺上的，可以在 三維方向上移動，因此，采用本光學系統(tǒng)聚焦到目標平面6后，3D打印系統(tǒng)進行3D打印，同 時可以控制工作臺進行移動，從而更新目標平面6并進入下一次的調(diào)制、聚焦及打印?；?者，每次打印完畢后，移動本光學系統(tǒng)，從而聚焦到新的目標平面6上。
[0085] 實施例三
[0086] 參照圖2,一種用于3D打印的光學系統(tǒng)，包括激光器1、擴束系統(tǒng)2、空間光調(diào)制器 4及聚焦系統(tǒng)5,空間光調(diào)制器4連接有用于生成目標調(diào)制圖案的計算機，空間光調(diào)制器4 用于接收計算機生成的目標調(diào)制圖案后生成調(diào)制圖案以及對照射到空間光調(diào)制器4的光 束進行調(diào)制，激光器1發(fā)出的光束通過擴束系統(tǒng)2擴束成大直徑的平行光束并照射到空間 光調(diào)制器4處進行調(diào)制，調(diào)制后的光束通過聚焦系統(tǒng)5聚焦后照射到3D打印的目標平面6 上。
[0087] 本實施例中，擴束系統(tǒng)2包括負透鏡21和正透鏡22,負透鏡21的軸心和正透鏡 22的軸心共線，激光器1發(fā)出的光束依次通過負透鏡21和正透鏡22后擴束成大直徑的平 行光束。
[0088] 本實施例是圖1的光學結(jié)構(gòu)的一種簡化，不采用分束器3,直接將擴束后的光束進 行調(diào)制并聚焦到目標平面6上?？臻g光調(diào)制器4和聚焦系統(tǒng)5的組合有兩種：一、空間光調(diào) 制器4采用透射式DMD，聚焦系統(tǒng)5采用柱透鏡；二、空間光調(diào)制器4采用位相式液晶空間 光調(diào)制器，聚焦系統(tǒng)采用正透鏡。其工作原理與前面實施例類似。
[0089] 實施例四
[0090] 本實施例是實施例一的一種用于3D打印的光學系統(tǒng)的控制方法，包括：
[0091] 步驟1、采用計算機獲取3D打印的打印模型的逐個平面的面圖案后，將獲取的面 圖案切分為多個寬度相同的線段圖案，并依次將獲得的線段圖案作為目標調(diào)制圖案發(fā)送到 反射鏡式數(shù)字微鏡器件處。
[0092] 步驟2、將激光器1發(fā)出的光束依次通過負透鏡21和正透鏡22后擴束成大直徑的 平行光束并照射到分束器3上，其中一部分擴束后的光束通過分束器3后到達反射鏡式數(shù) 字微鏡器件處進行調(diào)制，調(diào)制后的光束反射回分束器3后，一部分調(diào)制后的光束通過柱透 鏡聚焦后照射到3D打印的目標平面6上；
[0093] 如圖3所示，反射鏡式數(shù)字微鏡器件接收到的目標調(diào)制圖案為圖3中所切分得到 的如圖3下部分所示的線段圖案，因此反射鏡式數(shù)字微鏡器件生成的調(diào)制圖案為與目標調(diào) 制圖案相對應的條紋，如圖4中所示。在光束照射到反射鏡式數(shù)字微鏡器件時，反射鏡式數(shù) 字微鏡器件在光束上加載與目標調(diào)制圖案對應的條紋即對光束進行調(diào)制，調(diào)制后的光束反 射回分束器3并且一部分調(diào)制后的光束經(jīng)分束器3反射后通過柱透鏡一維聚焦成與目標調(diào) 制圖案一樣的打印圖案后照射到3D打印的目標平面6上，圖4中直觀地描述了調(diào)制圖案通 過柱透鏡聚焦后得到打印圖案的過程。
[0094] 步驟3、3D打印系統(tǒng)按照逐次聚焦的線段圖案的順序依次地進行打印，并在每次 打印完一個線段圖案后，按照線段圖案的寬度往同一個方向移動3D打印系統(tǒng)或光學系統(tǒng)。 這里，移動3D打印系統(tǒng)或光學系統(tǒng)的距離是目標調(diào)制圖案的寬度，因為本實施例的目標調(diào) 制圖案為線段圖案，所以移動的距離為線段圖案的寬度。另外，這里提到的移動3D打印系 統(tǒng)，一般情況下移動3D打印系統(tǒng)的工作平臺即可。
[0095] 本實施例將3D打印的打印模型的逐個平面的面圖案切分為多個寬度相同的線段 圖案后，以線段圖案為單位，采用反射鏡式數(shù)字微鏡器件對光束進行調(diào)制后聚焦到3D打印 的目標平面上，從而輔助3D打印系統(tǒng)逐個線段地進行打印。本實施例中，逐個線段地進行 打印可以采用逐行打印，也可以采用逐段打印，圖6是現(xiàn)有技術(shù)中的逐點打印的掃描過程 示意圖，圖7是采用本實施例的控制方法逐行打印的掃描過程示意圖，圖8是采用本實施例 的控制方法逐段打印的掃描過程示意圖，由圖6-圖8可看出，相比現(xiàn)有技術(shù)中的逐點打印， 本發(fā)明的控制方法大大地提高了 3D打印的打印效率。另外，這里的線段圖案的寬度越小越 好，該寬度越小，則3D打印的分辨率越高，打印效果越好，可以保證3D打印產(chǎn)品的質(zhì)量。
[0096] 實施例五
[0097] 本實施例是實施例二的一種用于3D打印的光學系統(tǒng)的控制方法，包括：
[0098] 步驟1、采用計算機獲取3D打印的打印模型的逐個平面的面圖案后，將獲取的面 圖案按照以下步驟生成該面圖案的純相位全息圖后作為目標調(diào)制圖案并發(fā)送到位相式液 晶空間光調(diào)制器處；
[0099] 步驟11、按下式根據(jù)該面圖案的初始相位分布<K(u，v)和入射到位相式液晶空間 光調(diào)制器處的入射光的振幅|U(u，V) |構(gòu)成入射波函數(shù)fn(u，V):
[0100] fn (n, v) = \υ (μ, v)| e4〇(u'v}
[0101] 步驟12、對入射波函數(shù)fn(u，v)進行傅立葉變換：
[0102] ^(.^0-) = 10,(^0-)1-^
[0103] 上式中，gn(x，y)表示入射波函數(shù)fn(u，V)的傅里葉變換；
[0104] 步驟13、用預期調(diào)制的振幅G(x，y)替換Gn(x，y)得到中間函數(shù)g n' (X，y):
[0105] *(x，>〇 = |G(x，y)|·e'
[0106] 步驟14、對中間函數(shù)gn' (X，y)進行傅里葉逆變換：
[0107] /" *(M, V) = |C/"(?i, V)| ·
[0108] 上式中，f/ (u，v)表示中間函數(shù)gn' (x，y)的傅里葉逆變換；
[0109] 步驟15、根據(jù)中間函數(shù)g/ (X，y)的傅里葉逆變換的相位^?(?4和入射光的振 幅|U(u，ν) |生成下一次迭代的入射波函數(shù)fn+1(u，ν):
[0110] = |?；(//,ν)|·--?φπ?Η·ν? _ ，
[0111] 步驟16、重復執(zhí)行以上步驟直至滿足收斂條件后，將該時刻的中間函數(shù)g/ (x，y) 的傅里葉逆變換作為該面圖案的純相位全息圖。
[0112] 收斂條件可以設(shè)定為迭代計算的次數(shù)，或者根據(jù)某閾值或信噪比的值來判斷等， 這里不進行詳細描述。
[0113] 步驟2、將激光器1發(fā)出的光束通過擴束系統(tǒng)2擴束成大直徑的平行光束并照射到 分束器3上，其中一部分擴束后的光束通過分束器3后到達位相式液晶空間光調(diào)制器處進 行調(diào)制，調(diào)制后的光束反射回分束器3后，一部分調(diào)制后的光束通過聚焦系統(tǒng)5聚焦后照射 到3D打印的目標平面6上。
[0114] 圖5是本實施例中對3D打印的面圖案進行調(diào)制及解調(diào)的原理不意圖，計算機將獲 取的如圖5中左側(cè)所示的面圖案生成圖5中間所示的純相位全息圖后，發(fā)送到位相式液晶 空間光調(diào)制器處，位相式液晶空間光調(diào)制器接收到目標調(diào)制圖案后，生成與該純相位全息 圖一樣的調(diào)制圖案，從而對照射到其上的光束進行調(diào)制，調(diào)制后的光束反射回分束器3并 且一部分調(diào)制后的光束經(jīng)分束器3反射后通過柱透鏡聚焦成圖5右側(cè)所示的與目標調(diào)制圖 案一樣的打印圖案后照射到3D打印的目標平面6上。
[0115] 本實施例中采用位相式液晶空間光調(diào)制器進行相位調(diào)制，可以將光束的能量損失 降到最低。
[0116] 本實施例將3D打印的打印模型的逐個平面的面圖案生成該面圖案的純相位全息 圖后作為目標調(diào)制圖案，以面圖案為單位，采用位相式液晶空間光調(diào)制器對光束進行調(diào)制 后聚焦到3D打印的目標平面上，從而輔助3D打印系統(tǒng)逐個平面地進行打印，比現(xiàn)有技術(shù)中 的逐點打印大大地提高了打印效率，而且采用本控制方法，可按照平面為單位進行打印，可 以有效地控制打印的精度，極大地提高了 3D打印的效率及質(zhì)量。
[0117] 對于圖2中所示的光學系統(tǒng)的控制方法，與實施例四或?qū)嵤├孱愃?，區(qū)別只在 于該光學系統(tǒng)直接將擴束后的光束進行調(diào)制并直接將調(diào)制后的光束進行聚焦。
[0118] 以上是對本發(fā)明的較佳實施進行了具體說明，但本發(fā)明創(chuàng)造并不限于實施例，熟 悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可做出種種的等同變形或替換，這些 等同的變型或替換均包含在本申請權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于3D打印的光學系統(tǒng)，其特征在于，包括激光器（1)、擴束系統(tǒng)（2)、分束器 (3)、空間光調(diào)制器（4)及聚焦系統(tǒng)（5)，所述空間光調(diào)制器（4)連接有用于生成目標調(diào)制 圖案的計算機，所述空間光調(diào)制器（4)用于接收計算機生成的目標調(diào)制圖案后生成調(diào)制圖 案，所述激光器（1)發(fā)出的光束通過擴束系統(tǒng)（2)擴束成大直徑的平行光束并照射到分束 器（3)上，其中一部分擴束后的光束通過分束器（3)后到達空間光調(diào)制器（4)處進行調(diào)制， 調(diào)制后的光束反射回分束器（3)后，一部分調(diào)制后的光束通過聚焦系統(tǒng)（5)聚焦后照射到 3D打印的目標平面（6)上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于3D打印的光學系統(tǒng)，其特征在于，所述擴束系統(tǒng) (2)包括負透鏡（21)和正透鏡（22)，所述負透鏡（21)的軸心和正透鏡（22)的軸心共線， 所述激光器（1)發(fā)出的光束依次通過負透鏡（21)和正透鏡（22)后擴束成大直徑的平行光 束。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于3D打印的光學系統(tǒng)，其特征在于，所述空間光調(diào)制 器（4)采用反射鏡式數(shù)字微鏡器件，所述聚焦系統(tǒng)采用柱透鏡。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于3D打印的光學系統(tǒng)，其特征在于，所述空間光調(diào)制 器（4)采用位相式液晶空間光調(diào)制器，所述聚焦系統(tǒng)采用正透鏡。
5. 權(quán)利要求1所述的一種用于3D打印的光學系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括： 步驟1、采用計算機獲取3D打印的打印模型的逐個平面的面圖案后，將獲取的面圖案 生成目標調(diào)制圖案并發(fā)送到空間光調(diào)制器（4)處； 步驟2、將激光器（1)發(fā)出的光束通過擴束系統(tǒng)（2)擴束成大直徑的平行光束并照射到 分束器（3)上，其中一部分擴束后的光束通過分束器（3)后到達空間光調(diào)制器（4)處進行 調(diào)制，調(diào)制后的光束反射回分束器（3)后，一部分調(diào)制后的光束通過聚焦系統(tǒng)（5)聚焦后照 射到3D打印的目標平面（6)上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于3D打印的光學系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述 步驟2中將激光器（1)發(fā)出的光束通過擴束系統(tǒng)（2)擴束成大直徑的平行光束，其具體為： 將激光器（1)發(fā)出的光束依次通過負透鏡（21)和正透鏡（22)后擴束成大直徑的平行 光束。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于3D打印的光學系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述 空間光調(diào)制器（4)采用反射鏡式數(shù)字微鏡器件，所述聚焦系統(tǒng)（5)采用柱透鏡，所述步驟1， 其具體為： 采用計算機獲取3D打印的打印模型的逐個平面的面圖案后，將獲取的面圖案切分為 多個寬度相同的線段圖案，并依次將獲得的線段圖案作為目標調(diào)制圖案發(fā)送到反射鏡式數(shù) 字微鏡器件處。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種用于3D打印的光學系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，還包 括以下步驟： 步驟3、3D打印系統(tǒng)按照逐次聚焦的線段圖案的順序依次地進行打印，并在每次打印 完一個線段圖案后，按照線段圖案的寬度往同一個方向移動3D打印系統(tǒng)或光學系統(tǒng)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于3D打印的光學系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，空間 光調(diào)制器（4)采用位相式液晶空間光調(diào)制器，所述聚焦系統(tǒng)采用正透鏡，所述步驟1，其具 體為： 采用計算機獲取3D打印的打印模型的逐個平面的面圖案后，將獲取的面圖案按照以 下步驟生成該面圖案的純相位全息圖后作為目標調(diào)制圖案并發(fā)送到位相式液晶空間光調(diào) 制器處； 步驟11、按下式根據(jù)該面圖案的初始相位分布ΦοΟι,ν)和入射到位相式液晶空間光調(diào) 制器處的入射光的振幅|U(u，ν) |構(gòu)成入射波函數(shù)fn(u，ν): fn (n, v) = \U (?, v)| · e4o(u'v} 步驟12、對入射波函數(shù)fn(u，v)進行傅立葉變換： 上式中，gn(x，y)表示入射波函數(shù)fn(u，ν)的傅里葉變換； 步驟13、用預期調(diào)制的振幅G(x，y)替換Gn(x，y)得到中間函數(shù)gj (x, y)： '(x, y) = |G(x、v)|.￡^ 步驟14、對中間函數(shù)g/ (x，y)進行傅里葉逆變換： /η，(《,ν) = |?4(Μ,ν)「￡?#"(Μ·ν) 上式中，fn' (U，ν)表示中間函數(shù)gn' (X，y)的傅里葉逆變換； 步驟15、根據(jù)中間函數(shù)gn' (X，y)的傅里葉逆變換的相位^^·11和入射光的振幅 |U(u，v)|生成下一次迭代的入射波函數(shù)fn+1(u，v): /η+ι(ιι,ν) = \υ(^ν)\·β^ν\ * 步驟16、重復執(zhí)行以上步驟直至滿足收斂條件后，將該時刻的中間函數(shù)g/ (X，y)的 傅里葉逆變換作為該面圖案的純相位全息圖。
【文檔編號】B29C67/00GK104118120SQ201410328198
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】鄭渚, 艾澈熙, 任云鵬, 杜如虛 申請人:廣州中國科學院先進技術(shù)研究所