基于数字微镜投影光固化快速成形光学系统设计

摘要

快速成形技术作为一种减少新产品开发成本，缩短新产品开发周期的成形工艺近年来得到了广泛的研究。为了顺应快速成形系统桌面化、办公室化的这一新发展趋势，本课题组开发了一种效率高，尺寸小的基于数字微镜投影式光固化快速成形系统。
　　 本文的主要内容是利用数字微镜作为光调制器形成零件二维轮廓光学图形，引入其在投影显示系统中的应用原理，设计出基于数字微镜的投影式光固化快速成形光学系统，实现投影式曝光使树脂按零件二维轮廓形状固化，形成三维实体零件。本文首先对数字微镜的工作原理及其表面工作光束进行分析，提出满足本系统工作要求的光学系统的设计方案，具体设计内容包括：聚光系统和投影物镜系统。设计椭球-积分棒-透镜组作为聚光系统，设计聚光系统时，综合考虑数字微镜的工作原理实现条件，设备经济性以及整个系统桌面化、办公室化的研发目标。该聚光系统的细节设计包括光源、聚焦方式、光斑整形、匀光设计以及各光学元件的外形尺寸等。在投影物镜设计过程中，本文首先分析影响曝光质量的像差因素主要为球差、畸变、场曲。选用简单、易于安装的投影物镜作为初始结构，利用光学软件ZEMAX对物镜进行优化设计，优化目标为达到系统工作要求并尽量减少上述像差，减小因光学系统而产生的零件变形。经设计优化本论文最终完成了整个光学系统的设计并确定了各光学元件的尺寸。最后样机试制的零件几何外形尺寸良好，表明光学系统的设计基本达到了设备工作要求，为今后的进一步改进工作打下了基础。