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申请/专利权人：杭州德迪智能制造有限公司

摘要：本发明涉及一种高效线扫描光固化成像装置和方法，其装置包括框架，框架上方设有液槽，液槽内设有光敏树脂，液槽底部设有柔性透明底，框架下方设有线性模组，线性模组上设有移动平台，移动平台的移动方向与柔性透明底的纵向平行，移动平台上设有支架，支架上设有激光光源、谐振式微机电反射镜以及刚性窄线宽窗口，激光光源所射出的光束正好打到谐振式微机电反射镜上，谐振式微机电反射镜的偏转轴线与柔性透明底的纵向平行，且与柔性透明底纵向中心线垂直投影重合，刚性窄线宽窗口的两侧刚性部分与柔性透明底接触并使其发生弹性变形张紧，刚性窄线宽窗口的窗口方向与柔性透明底横向一致。本发明方案经济合理、物理分辨率高、光能利用率高，易于在大幅面、高精度、高效率光固化三维成形设备中推广应用。

主权项：1.一种高效线扫描光固化成像装置，包括框架（1），其特征是：框架（1）上方设有液槽（2），液槽（2）内设有光敏树脂，液槽（2）底部设有柔性透明底（3），框架（1）下方设有线性模组（4），线性模组（4）上设有移动平台（5），移动平台（5）的移动方向与柔性透明底（3）的纵向平行，移动平台（5）上设有支架（6），支架（6）上设有激光光源（7）、谐振式微机电反射镜（8）以及刚性窄线宽窗口（9），激光光源（7）所射出的光束（11）正好打到谐振式微机电反射镜（8）上，谐振式微机电反射镜（8）的偏转轴线与柔性透明底（3）的纵向平行，且与柔性透明底（3）纵向中心线垂直投影重合，刚性窄线宽窗口（9）的两侧刚性部分与柔性透明底（3）接触并使其发生弹性变形张紧，刚性窄线宽窗口（9）的窗口方向与柔性透明底（3）横向一致；在连续前进扫描时，刚性窄线宽窗口前方区域的液槽柔性透明底发生弹性变形张紧，从而平坦化，刚性窄线宽窗口后方脱离区域的液槽柔性透明底发生弹性复位，导致线扫描固化部分与液槽柔性透明底发生剥离。

全文数据：一种高效线扫描光固化成像装置和方法技术领域本发明涉及3D打印领域，尤其是一种高效线扫描光固化成像装置和方法。背景技术光固化三维成形作为3D打印领域的主流技术，具有成形速度快，表面质量好，细节精度高的显著优势，已被广泛应用于齿科、珠宝、汽车等行业。与其它3D打印技术的逐层成形原理类似，光固化三维成形进行单层固化时，采用液晶显示器LCD、数字光处理器DLP、电磁线圈式扫描振镜等成像元件，将特定波长光源图案化成像至光敏树脂液面上，进行选择性曝光及固化。根据成像液面位置的不同，光固化又可分为上液面固化和下液面固化；前者将图案投射到光敏树脂上液面，上液面固化后下沉没入液池，液体流动形成的新液面继续进行下一层固化，该方式有无需从其它固体表面剥离固化层的优点，但上液面易受波浪扰动影响，且对液位的精度要求高；后者将图案作用到透明液池的底部液面，固化后的下液面既附着在之前已固化层、也附着在透明液池底部，要继续固化下一层，需将固化后下液面从透明液池底部剥离。与上液面方式相比，下液面光固化的成形高度不受液池深度影响，液体上表面晃动不影响固化过程，固化层的平整度高，但受剥离力的限制，其在中小型光固化三维成形设备中应用较多。另一方面，LCD采用光线透射遮蔽方式实现图案化成像，光线透过率低、典型光能利用率只有4％—7％，大量光线被截留在液晶显示器内部，带来严重发热和显示屏老化问题。DLP采用微镜阵列反射旁路方式实现图案化成像，其光能利用率高于LCD，但DLP价格高昂，且物理分辨率低于LCD显示器，并且被反射旁路的光线也造成相当的光能浪费。电磁线圈式扫描振镜成像技术采用偏转伺服电机，通过宏观机械运动操纵反射镜，进而控制激光光束矢量化地扫描成像，其光能利用率最高，但扫描速度低、对复杂图案的成像性能低下。此外，为了降低剥离难度，现有下液面光固化技术，一般采用柔性透明膜作为下液面的固体界面，而为了将固化后的下液面平坦地贴合在已固化层上，下液面又必须承托在刚性平面上，因此现有下液面光固化设备，普遍在柔性透明膜下方再设置一块刚性平板玻璃衬底，这不仅会对下液面成像造成反射、折射、重影等光学干扰，还会进一步削弱最终作用于下液面的光线强度。目前，光固化三维成形领域还缺少一种方案经济合理、物理分辨率高、光能利用率高、复杂图案成像能力强的光固化成像技术。发明内容本发明要解决上述现有技术的缺点，提供一种方案经济合理、物理分辨率高、光能利用率高、复杂图案成像能力强的高效线扫描光固化成像装置和方法。本发明解决其技术问题采用的技术方案：一种高效线扫描光固化成像装置，包括框架，框架上方设有液槽，液槽内设有光敏树脂，液槽底部设有柔性透明底，框架下方设有线性模组，线性模组上设有移动平台，移动平台的移动方向与柔性透明底的纵向平行，移动平台上设有支架，支架上设有激光光源、谐振式微机电反射镜以及刚性窄线宽窗口，激光光源所射出的光束正好打到谐振式微机电反射镜上，谐振式微机电反射镜的偏转轴线与柔性透明底的纵向平行，且与柔性透明底纵向中心线垂直投影重合，刚性窄线宽窗口的两侧刚性部分与柔性透明底接触并使其发生弹性变形张紧，刚性窄线宽窗口的窗口方向与柔性透明底横向一致。一种高效线扫描光固化成像方法，包含激光光源、谐振式微机电反射镜、刚性窄线宽窗口、直线模组、柔性透明底液槽和扫描控制器，所述激光光源发出的激光束经谐振式微机电反射镜反射后，投射到液槽的柔性透明底横向，形成扫描线，扫描线位于刚性窄线宽窗口内；所述刚性窄线宽窗口向上挤压液槽的柔性透明底，使柔性透明底局部处于张紧平坦状态；激光光源、谐振式微机电反射镜和刚性窄线宽窗口相对位置关系固定，共同安装在直线模组移动平台上；所述扫描控制器与激光光源、谐振式微机电反射镜及直线模组电连接；单行扫描成像时，所述扫描控制器根据微机电反射镜的谐振频率，发出激励信号并通过信号线路施加至谐振式微机电反射镜的驱动机构上，使其进入谐振往复偏转状态；所述扫描控制器根据谐振式微机电反射镜的偏转角，实时计算激光光束所指向扫描线中的像素点位置，并从行像素数据缓冲区，索引输出该像素点的亮度数据，进而变换成亮度控制信号，并通过信号线路施加至所述激光光源；连续逐行扫描成像时，所述扫描控制器发出位移控制信号，并通过信号线路施加直线模组，直线模组移动平台带动激光光源、谐振式微机电反射镜和刚性窄线宽窗口，在液槽柔性透明底的纵向做往复扫描运动；运动过程中，所述直线模组输出实时位置信号至所述扫描控制器，所述扫描控制器根据直线模组实时位置，计算当前扫描线在所成像图案中的对应行号，进而从所成像图案数据中索引出对应行的像素数据，并实时刷新至行像素缓冲区；所述扫描控制器根据实时刷新的行像素缓冲区数据，控制激光光源输出相应的行像素图案；直线模组移动平台带动激光光源、谐振式微机电反射镜和刚性窄线宽窗口，连续通过液槽柔性透明底成像区域时，所成像图案通过激光光束连续逐像素、逐行投射成像至液槽柔性透明底上。本发明的微机电反射镜采用微机电MEMS制作工艺，反射镜、扭转梁及驱动机构均采用晶圆光刻一体化制作，其反射镜尺寸小典型值3mm*2.5mm，转动惯量小、固有振荡频率稳定，工作在简谐振荡模式下，振幅及频率稳定度高，谐振频率可达500至2800Hz以上，每秒扫描1000-5000行以上，本发明的扫描控制器，通过对每个谐振周期往和返运动所对应的半个周期时间进行分割，实现扫描线上的像素划分，通过对激光光源亮度的调节控制实现逐像素输出，因此扫描线物理分辨率仅与激光光斑大小以及时间分割粒度有关，易实现高分辨率和自定义分辨率扫描，在200兆主频下，采用500Hz谐振式微机电反射镜时，可实现100000像素以上的行分辨率，远超其它显示技术。本发明直线模组的移动平台带动激光光源、谐振式微机电反射镜和刚性窄线宽窗口，实现逐行扫描成像，其列方向成像分辨率仅与激光光斑大小，以及直线模组位置分辨率有关，扫描范围仅与直线模组运动行程有关，延长直线模组运动行程，即可拓展逐行扫描的行数及纵向长度，易实现超长范围扫描成像，而无需多个成像装置的机械拼接。本发明的刚性窄线宽窗口与激光光源、谐振式微机电反射镜同步运动，仅将液槽柔性透明底正被激光光束扫描的局部区域张紧，不仅可保证固化层的平整度，而且可取消刚性平板玻璃衬底，进而可消除平板玻璃导致到成像干扰及光衰，从而提升扫描精度和光固化效率。本发明的刚性窄线宽窗口，在连续前进扫描时，其窗口前方区域的液槽柔性透明底发生弹性变形张紧，从而平坦化，平坦化区域的下液面与上一固化层间保持单层厚度，可确保窗口内线扫描区域的新固化层与上一固化层可靠结合；其窗口后方脱离区域的液槽柔性透明底发生弹性复位，导致线扫描固化部分与液槽柔性透明底发生剥离，剥离方式为线形，剥离方向与直线模组运动方向一致。本发明的高效线扫描光固化成像方法，其下液面平坦化、线扫描固化以及线形剥离过程，均发生在刚性窄线宽窗口所对应液槽柔性透明底的局部区域，液槽柔性透明底在局部线扫描光固化过程，所承受的压迫力和树脂固化收缩应力，以及剥离过程的拉伸应力，均小于整面光固化和整面剥离方式；因此，液槽柔性透明底的使用寿命亦长于整面光固化和整面剥离方式。本发明的激光光源，其发出的激光光束经过谐振式微机电反射镜反射后，直接成像到液槽柔性透明底上，无其它中间环节，光源能量利用率高；本发明的激光光源在成像的暗部区域处于关闭状态，激光光源工作在开关脉冲方式，能耗低、使用寿命长。本发明的高效线扫描光固化成像装置和方法，方案经济合理、物理分辨率高、光能利用率高，易于在大幅面、高精度、高效率光固化三维成形设备中推广应用。附图说明图1为本发明实施例的总体结构示意图；图2为本发明实施例的单行线扫描光路示意图；图3为本发明实施例的逐行线扫描示意图；图4为本发明实施例的控制信号连接图；附图标记说明：框架1，液槽2，柔性透明底3，线性模组4，移动平台5，支架6，激光光源7，谐振式微机电反射镜8，刚性窄线宽窗口9，扫描控制器10，光束11，法平面12，反射光束13，激光光斑14，单行线扫描像素图15，前方区域16，重合局部17，固化层18，后方区域19，光固化成形体20。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步说明：实施例：如图1，一种高效线扫描光固化成像装置，包括框架1，框架1上方设有液槽2，液槽2内设有光敏树脂，液槽2底部设有柔性透明底3，框架1下方设有线性模组4，线性模组4上设有移动平台5，移动平台5的移动方向与柔性透明底3的纵向平行，移动平台5上设有支架6，支架6上设有激光光源7、谐振式微机电反射镜8以及刚性窄线宽窗口9，激光光源7所射出的光束11正好打到谐振式微机电反射镜8上，谐振式微机电反射镜8的偏转轴线与柔性透明底3的纵向平行，且与柔性透明底3纵向中心线垂直投影重合，刚性窄线宽窗口9的两侧刚性部分与柔性透明底3接触并使其发生弹性变形张紧，刚性窄线宽窗口9的窗口方向与柔性透明底3横向一致。一种高效线扫描光固化成像方法，如图2，激光光源7发出的光束11，位于从谐振式微机电反射镜8扭转轴线引出的法平面12内，经谐振式微机电反射镜8反射后形成的反射光束13，射入刚性窄线宽窗口9内，并在柔性透明底3上形成激光光斑14，谐振式微机电反射镜8进行连续简谐振荡运动时，激光光源7根据谐振式微机电反射镜8的偏转角、以及行像素数据缓冲区数据，实时调节光束11亮度，激光光斑14沿柔性透明底3的横向往复扫描，在刚性窄线宽窗口9内的柔性透明底3局部，形成单行线扫描像素图15；如图3，线性模组4通过移动平台5，带动位于支架6上的激光光源7、谐振式微机电反射镜8以及刚性窄线宽窗口9，沿柔性透明底3的纵向做扫描运动，刚性窄线宽窗口9前方的柔性透明底3上的前方区域16，持续进入刚性窄线宽窗口9区域，与刚性窄线宽窗口9重合部分的柔性透明底3的重合局部17，进入张紧平坦化状态，其表层的光敏树脂不断被单行线扫描像素图15曝光固化，曝光生成的固化层18，在行进到柔性透明底3的后方区域19时，受到后方区域19的弹性复位作用，与柔性透明底3的后方区域19剥离并附着在之前光固化成形体20的下表面；纵向扫描运动连续进行时，柔性透明底3的局部沿纵向方向不断重复弹性张紧平坦化、线扫描光固化、弹性复位剥离的过程。如图4，扫描控制器10与线性模组4连接，扫描控制器10与激光光源7连接，扫描控制器10与谐振式微机电反射镜8连接。扫描控制器10发出电激励信号至谐振式微机电反射镜8的驱动机构，以驱动其做简谐振荡运动；扫描控制器10根据谐振式微机电反射镜8的实时偏转角、以及行像素数据缓冲区数据，发出亮度调节信号至激光光源7，以实现逐像素亮度控制并得到线扫描像素图案；扫描控制器10根据逐行扫描速度，发出位移信号至线性模组4，以实现纵向连续逐行扫描运动；扫描控制器10根据线性模组4反馈的纵向位置信号，计算当前线扫描的行号，并将成像图案对应行的像素数据刷新至行像素数据缓冲区。本发明采用谐振式微机电反射镜，利用其在简谐振荡状态下稳定的振幅及频率，实现单行线扫描，通过对单行线扫描往和返运动所对应半个周期时间的分割，实现扫描线的像素分割，通过对光斑位于扫描线各像素瞬间的亮度进行实时调节，实现单行扫描线的像素图案成像；本发明单行扫描线的像素分辨率，仅取决于激光光斑尺寸以及时间分割粒度，缩小激光光斑尺寸、缩短时间分割粒度即可提升像素分辨率。本发明采用直线模组带动谐振式微机电反射镜线扫描单元，利用逐行线扫描实现光固化平面成像，行间分辨率仅取决于激光光斑尺寸以及直线模组位移分辨率，缩小激光光斑尺寸、提升直线模组位移分辨率即可提升光固化平面成像的行间分辨率；并且延长直线模组行程，即可获得更长的光固化平面成像尺寸。本发明采用与谐振式微机电反射镜线扫描单元同步移动的刚性窄线宽窗口，实现对液槽柔性透明底被线扫描局部的张紧与平坦化，并利用刚性窄线宽窗口移开后，液槽柔性透明底的弹性复位，实现线扫描光固化层的线形剥离；本发明柔性透明底的工作应力小，使用寿命长，更适用于大幅面光固化应用。本发明刚性窄线宽窗口与液槽柔性透明底相对移动时，即可采用本实施例所示的滑动摩擦方式，亦可采用滚动摩擦方式。本发明采用谐振式微机电反射镜的简谐振荡运动、直线模组的逐行扫描运动、以及与两个运动实时同步的激光光斑亮度控制，实现光固化二维扫描成像，扫描运动模式固定且与图案复杂程度无关，成像效率高。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

权利要求：1.一种高效线扫描光固化成像装置，包括框架1，其特征是：框架1上方设有液槽2，液槽2内设有光敏树脂，液槽2底部设有柔性透明底3，框架1下方设有线性模组4，线性模组4上设有移动平台5，移动平台5的移动方向与柔性透明底3的纵向平行，移动平台5上设有支架6，支架6上设有激光光源7、谐振式微机电反射镜8以及刚性窄线宽窗口9，激光光源7所射出的光束11正好打到谐振式微机电反射镜8上，谐振式微机电反射镜8的偏转轴线与柔性透明底3的纵向平行，且与柔性透明底3纵向中心线垂直投影重合，刚性窄线宽窗口9的两侧刚性部分与柔性透明底3接触并使其发生弹性变形张紧，刚性窄线宽窗口9的窗口方向与柔性透明底3横向一致。2.根据权利要求1所述的高效线扫描光固化成像装置，其特征是：线性模组4、激光光源7、谐振式微机电反射镜8分别与扫描控制器10相连接。3.根据权利要求1所述的高效线扫描光固化成像装置，其特征是：所述柔性透明底3与刚性窄线宽窗口9重合并在其两侧刚性部分之间形成平坦化区域，平坦化区域上方设有光固化成形体20，平坦化区域的下液面与光固化成形体20底部之间保持单层厚度。4.一种使用权利要求1所述装置的高效线扫描光固化成像方法，其特征是：1激光光源7发出的光束11，位于从谐振式微机电反射镜8扭转轴线引出的法平面12内，经谐振式微机电反射镜8反射后形成的反射光束13，射入刚性窄线宽窗口9内，并在柔性透明底3上形成激光光斑14，谐振式微机电反射镜8进行连续简谐振荡运动时，激光光源7根据谐振式微机电反射镜8的偏转角、以及行像素数据缓冲区数据，实时调节光束11亮度，激光光斑14沿柔性透明底3的横向往复扫描，在刚性窄线宽窗口9内的柔性透明底3局部，形成单行线扫描像素图15；2线性模组4通过移动平台5，带动位于支架6上的激光光源7、谐振式微机电反射镜8以及刚性窄线宽窗口9，沿柔性透明底3的纵向做扫描运动，刚性窄线宽窗口9前方的柔性透明底3上的前方区域16，持续进入刚性窄线宽窗口9区域，与刚性窄线宽窗口9重合部分的柔性透明底3的重合局部17，进入张紧平坦化状态，其表层的光敏树脂不断被单行线扫描像素图15曝光固化，曝光生成的固化层18，在行进到柔性透明底3的后方区域19时，受到后方区域19的弹性复位作用，与柔性透明底3的后方区域19剥离并附着在之前光固化成形体20的下表面；3纵向扫描运动连续进行时，柔性透明底3的局部沿纵向方向不断重复弹性张紧平坦化、线扫描光固化、弹性复位剥离的过程。5.根据权利要求4所述的高效线扫描光固化成像方法，其特征是：扫描控制器10发出电激励信号至谐振式微机电反射镜8的驱动机构，以驱动其做简谐振荡运动；扫描控制器10根据谐振式微机电反射镜8的实时偏转角、以及行像素数据缓冲区数据，发出亮度调节信号至激光光源7，以实现逐像素亮度控制并得到线扫描像素图案；扫描控制器10根据逐行扫描速度，发出位移信号至线性模组4，以实现纵向连续逐行扫描运动；扫描控制器10根据线性模组4反馈的纵向位置信号，计算当前线扫描的行号，并将成像图案对应行的像素数据刷新至行像素数据缓冲区。

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