一种基于DLP技术的3D打印的投影系统

摘要

本申请公开了一种基于DLP技术的3D打印的投影系统，通过沿光轴依次设置DMD、保护玻璃盖、振镜、等效棱镜与物镜，降低了对振镜的通光孔径的要求。同时，通过对振镜的通光孔径为矩形的边界范围的各个顶点坐标进行限定，从而得到经过限定的振镜的通光孔径的最小边界范围，使得DMD在任何状态下的入射光都能够完全通过振镜，从而不破坏振镜玻璃外部的电路结构，使得振镜在实现较高的分辨率的情况下，能够维持振镜具有较为稳定且较长的工作寿命。

说明书

技术领域

本申请涉及光学投影设备技术领域，尤其涉及一种基于DLP技术的3D打印的投影系统。

背景技术

随着技术水平的成熟，投影设备被越来越多的领域所使用，例如家庭影音、广告投影、工业投影检测等。特别是小体积、高亮度、高分辨率的投影光机需求愈加强烈。

相比基于LCoS器件的3D打印系统而言，基于DLP技术的微型投影在寿命上有着巨大优势，而相比用于消费级的微型投影系统而言，用于3D打印系统的微型投影系统需要实现在较近的工作距离下成像清晰、畸变更小、光场分布更均匀以及物镜的使用寿命更长的效果。

但是，相比基于LCoS器件的3D打印系统，基于DLP技术的3D打印系统在本征分辨率上具有一定劣势，数字微反射镜DMD的物理像素为5.4um，同时，为了经济效益，数字微反射镜DMD的尺寸一般不会大于0.47inch，因此，基于DLP技术的3D打印系统的实际物理分辨率将无法达不到1080P的效果，这就需要与振镜匹配使用，实现分辨率的增加。

如图1所示，光线通过照明系统经过DMD1后，进入物镜系统，在这一光线传播过程中，需要依次经过玻璃保护盖2、等效棱镜3、振镜4以及上述光学元件中间的空气间隙，才能进入物镜5，其中，进入物镜的光路的发散半角一般为17度。

在此时的工作环境下，光路进入振镜4的同光孔径尺寸与来自DMD1的光路的发散角、DMD1本身的尺寸以及玻璃保护盖2、等效棱镜3、振镜4的参数和三者光学元件之间的空气间隙均有关联。

假设振镜4的折射率为n1，等效棱镜3为n2，保护玻璃盖为n3；振镜4的厚度为T1，振镜4与等效棱镜3的空气间隙为T2，等效棱镜3的厚度为T3，等效棱镜3与保护玻璃盖空气间隙为T4，保护玻璃盖厚度为T5，保护玻璃盖与DMD1反射镜空气间隙为T6。则根据下述公式可以得到振镜4上的同光孔径分别在水平方向的物理尺寸AP1

AP1

AP1

上述公式中，HD为DMD1在水平方向的物理尺寸，HV为DMD1在垂直方向的物理尺寸，w为光路的发散半角，空气间隔T1、T2、T3、T4、T5、T6的路径成为光线的光程，在折射率不变的情况下，光程越长，则振镜4所需要的孔径值越大。

在DMD1处于ON状态时，主光线平行于系统的主光轴，此时的振镜4同光孔径满足上述公式的数值关系。此方案的缺陷为振镜4的通光孔径要求较大，这将极大的增加系统成本。同时，在DMD1处于OFF状态，要求最终光场为暗场的时候，由于过长的光程将会导致高能的UV光在还未进入物镜5之前就在光机本体内进行多次反射，这将对振镜4的驱动器件造成较大的风险，降低其使用的寿命。

因此，目前的振镜在实现较高的分辨率的情况下，难以维持振镜具有较为稳定且较长的工作寿命。

发明内容

本申请提供了一种基于DLP技术的3D打印的投影系统，用于解决振镜在实现较高的分辨率的情况下，难以维持振镜具有较为稳定且较长的工作寿命的技术问题。

有鉴于此，本发明提供了一种基于DLP技术的3D打印的投影系统，包括沿光轴依次设置的DMD、保护玻璃盖、振镜、等效棱镜与物镜；所述振镜的通光孔径的边界范围限定为：

以所述DMD处于NO态时的反射面的中心位置点为原点O，所述反射面所在平面为OXY平面，过原点O垂直于所述OXY平面的轴为Z轴建立O-XYZ三维坐标系；

在O-XYZ三维坐标系中，假设所述DMD的出射光场处于NO态时的边界范围为矩形A1B1C1D1，所述矩形A1B1C1D1的顶点及其坐标值分别为：A1(x

顶点A3、B3、C3和D3的坐标值分别满足以下关系式：

A3：L

B3：L

C3：L

D3：L

上式中，L

同时，顶点A2的横坐标x

优选地，所述振镜的通光孔径在所述DMD处于ON态时的水平方向上的物理尺寸AP2

AP2

AP2

式中，n1表示所述等效棱镜的折射率，n2表示所述振镜的折射率，n3表示保护玻璃盖的折射率，T1表示所述振镜与所述等效棱镜之间的空气间隙，T2表示所述振镜的厚度，T3表示所述等效棱镜与所述保护玻璃盖之间的空气间隙，T4表示所述保护玻璃盖的厚度，T5表示所述保护玻璃盖与所述DMD的空气间隙，HD表示所述DMD在水平方向的物理尺寸，HV表示所述DMD在竖直方向的物理尺寸，w为所述振镜的发散半角。

优选地，所述DMD的出射光场处于OFF态时的水平方向上的物理尺寸AP2

AP2

2)]+HD/cos(θ)；

AP2

2)]+HV/cos(θ)；

式中，θ为DMD上的入射光与Z轴的夹角。

优选地，所述DMD的出射光场由ON态转换为OFF态后的光场中心位置在水平方向的偏移距离AP2

AP2

AP2

式中，α为OFF态法向量在XOY面上投影的矢量角度。

优选地，所述振镜的玻璃材料为H-K9L/B270。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明提供了一种基于DLP技术的3D打印的投影系统，通过沿光轴依次设置DMD、保护玻璃盖、振镜、等效棱镜与物镜，降低了对振镜的通光孔径的要求。同时，通过对振镜的通光孔径为矩形的边界范围的各个顶点坐标进行限定，从而得到经过限定的振镜的通光孔径的最小边界范围，使得DMD在任何状态下的入射光都能够完全通过振镜，从而不破坏振镜玻璃外部的电路结构，使得振镜在实现较高的分辨率的情况下，能够维持振镜具有较为稳定且较长的工作寿命。

附图说明

图1为现有技术中的投影系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种基于DLP技术的3D打印的投影系统的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的DMD处于ON态时得振镜得出射光场示意图；

图4为本申请实施例提供的DMD处于OFF态时得振镜得出射光场示意图；

图5为本申请实施例提供的O-XYZ三维坐标系的示意图；

图6为本申请实施例提供的经过限定的振镜的通光孔径的边界范围的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为了方便理解，请参阅图2，本发明提供的一种基于DLP技术的3D打印的投影系统，包括沿光轴依次设置的DMD1、保护玻璃盖2、振镜4、等效棱镜3与物镜5；

可以理解的是，由于本实施例中的光学元件的摆放位置，入射光线会先通过DMD1后，依次入射保护玻璃盖2、振镜4、等效棱镜3至物镜5，由于振镜4相对于等效棱镜3与DMD1的距离较近，因此，与图1中的投影系统相比，对于振镜4的通光孔径的要求较低。

相比较图1而言，本实施例所得到的振镜4的通光孔径的面积要小的多，这将有助于投影系统在保证成像效果的同时，在成本上也有所降低。

但是，本实施例所得的通光孔径仅考虑了在DMD1处于ON态，而在光源为UV波段的高能工作环境下，此通光孔径将会导致UV光将在DMD1处于非ON态时，由于光路发生偏转，会对光机内部结构进行直接照射，这会对振镜4驱动部分造成较大的破坏，将直接影响系统的工作寿命。

因此，在本实施例的投影系统结构摆放的基础上，对经过限定的振镜4的通光孔径的边界范围进行了限定，具体限定如下：

如图3所示，当DMD处于ON态时，振镜的光场可视为分别沿着DMD的水平和竖直两个方向进行一定范围的扩张，当振镜的通光孔径≥ON态的光场时，投影系统可以正常工作，否则，投影系统的光通量将被衰减。

假设n1表示等效棱镜的折射率，n2表示振镜的折射率，n3表示保护玻璃盖的折射率，T1表示振镜与等效棱镜之间的空气间隙，T2表示振镜的厚度，T3表示等效棱镜与保护玻璃盖之间的空气间隙，T4表示保护玻璃盖的厚度，T5表示保护玻璃盖与DMD的空气间隙，HD表示DMD在水平方向的物理尺寸，HV表示DMD在竖直方向的物理尺寸，w为振镜的发散半角，则振镜的通光孔径在DMD处于ON态时的水平方向上的物理尺寸AP2

AP2

AP2

需要说明的是，在一般示例中，振镜的发散半角w取值为17°。

由于DMD处于OFF态时，根据DMD的工作原理，将导致其光场发生偏移，偏移后的光场如图4所示。

如图5所示，以DMD处于NO态时的反射面的中心位置点为原点O，反射面所在平面为OXY平面，过原点O垂直于OXY平面的轴为Z轴建立O-XYZ三维坐标系；由于DMD在偏转过程中，ON态、OFF态和平态的偏转角为17度，入射光与Z轴方向夹角设为θ，一般θ取值为34度，DMD在ON态状态下，在ZOX面上，入射光与Z轴夹角为17度，因此，在斯涅耳定律作用下，ON态出射光沿Z轴且垂直于DMD面方向射出，DMD的OFF态法向量是一个二维角，OFF态法向量在XOY面上投影的矢量角度设为α，一般α取值为45度，而OFF态法向量与Z轴的空间夹角为17度，入射光经过DMD被反射至OFF态，此时的DMD反射的光场沿OFF态出射光方向出射，而OFF态出射光矢量与Z轴夹角为34度，则DMD的出射光场处于OFF态时的水平方向上的物理尺寸AP2

AP2

2)]+HD/cos(θ)；

AP2

2)]+HV/cos(θ)；

式中，θ为DMD上的入射光与Z轴的夹角。

如图6所示，由于DMD处于OFF态时，其出射光场的中心位置与ON态相比，会发生偏移，将DMD处于NO态时的反射面的中心位置点为原，则DMD的出射光场由ON态转换为OFF态后的光场中心位置在水平方向的偏移距离AP2

AP2

AP2

式中，α为OFF态法向量在XOY面上投影的矢量角度。

为了投影系统能够正常进行投影工作以及防止出射光射至振镜的外围电路上，需要使得出射光都落在振镜的玻璃上，则振镜的通光孔径的边界范围需要包含DMD的出射光场处于NO态时的边界范围和DMD的出射光场处于OFF态时的边界范围，同时，为了降低成本，需要限定得到振镜的通光孔径的最小边界范围。具体的限定情况如下：

如图6所示，在O-XYZ三维坐标系中，DMD自身的边界范围为矩形A0B0C0D0，假设DMD的出射光场处于NO态时的边界范围为矩形A1B1C1D1，矩形A1B1C1D1的顶点及其坐标值分别为：A1(x

顶点A3、B3、C3和D3的坐标值分别满足以下关系式：

A3：L

B3：L

C3：L

D3：L

上式中，L

同时，顶点A2的横坐标x

进一步地，振镜的玻璃材料为H-K9L/B270。

在DMD为0.3inch的平台时，若要使得在DMD处于任何状态下，UV光可以通过振镜的通光孔径，从而不破坏振镜结构，提高振镜的使用寿命。表一至表4为在振镜厚度分别为2mm、1.5mm、1mm、0.7mm下，空气间隙T3与振镜的通光孔径的数值关系的部分实施示例。

表一振镜厚度为2mm，空气间隙T3与振镜的通光孔径的数值关系

表2振镜厚度为1.5mm，空气间隙T3与振镜的通光孔径的数值关系

表3振镜厚度为1mm，空气间隙T3与振镜的通光孔径的数值关系

表4振镜厚度为0.7mm，空气间隙T3与振镜的通光孔径的数值关系

上述实施示例中的振镜长边的长度和短边的长度构成了经过限定的振镜的最小通光孔径，其可以使入射光完全通过振镜玻璃，且不破坏振镜电路结构，使得投影系统在实现高分辨率的情况下，能够维持振镜具有较为稳定且较长的工作寿命。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。