一种光源系统及3D打印机的制作方法

一种光源系统及3d打印机
技术领域
1.本技术一般涉及3d打印技术领域，具体涉及一种光源系统及3d打印机。


背景技术：

2.3d打印是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料及细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。
3.常用的3d打印技术有光固化法。光固化法是利用光敏树脂被紫外激光照射后发生固化的原理，进行材料累加成型，具有成型精度高、表面光洁度好、材料利用率高等特点。光固化法又包括：激光扫描成像光固化技术(sla)；投影仪图像化照射成型技术(dlp)；显示屏成像紫外频谱光固化技术(lcd)。
4.目前lcd打印存在以下问题：lcd可选范围少，需要有较高的uv光透过率；打印速度慢，需要十几秒到几十秒来固化；lcd打印使用过程中老化，寿命仅由500hrs左右。


技术实现要素：

5.鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种光源系统及3d打印机，可以提高光源利用率。
6.第一方面，本技术提供了一种光源系统，包括：
7.光源模组，用于将点光源发出的发散光转化为平行光，所述光源模组包括阵列布置的多个点光源以及设置在所述点光源光路方向上的复合透镜；
8.偏光转换模组，用于将接收到的所述平行光转换为第一偏振光；
9.光控制模组，用于将接收入射的第一偏振光并基于所述第一偏振光显示预设透光图案，并以第三偏振光出射。
10.进一步地，所述偏光转换模组包括光束变换层，所述光束变换层用于将入射的平行光转换为格栅光束后出射。
11.可选地，所述光束变换层包括：
12.凸透镜阵列层，用于接收所述光源模组发出的平行光，并将所述平行光转换为汇聚光后发射；
13.凹透镜阵列层，用于接收所述汇聚光，并将所述汇聚光转换为格栅光束后发射，所述格栅光束中光线平行。
14.进一步地，所述格栅光束包括第一偏振光和第二偏振光，所述第一偏振光与所述第二偏振光具有不同的偏振方向，所述偏光转换模组包括偏振变换层，所述偏振变换层用于将入射的格栅光束转换为第一偏振光。
15.可选地，所述偏振变换层用于将所述第二偏振光转换为所述第一偏振光出射，以及用于将所述第一偏振光经过至少两次全反射后出射。
16.进一步地，所述偏振变换层包括靠近所述光束变换层的第一面和背离所述光束变
换层的第二面，其中，所述第一面上设置有对应所述格栅光束图案的遮光层；所述第二面上设置有用于将所述第二偏振光转换为第一偏振光的多个阵列设置的半波片。
17.进一步地，所述遮光层包括入光孔和遮光孔，所述入光孔形成所述格栅光束的入光通道，所述半波片的位置与所述入光孔的位置对应，相邻两半波片之间的间隔与所述遮光孔的位置对应。
18.可选地，所述半波片在所述光控制模组上的正投影与所述入光孔在所述光控制模组上正投影重合，所述间隔在所述光控制模组上的正投影与所述遮光孔在所述光控制模组上的正投影重合。
19.进一步地，所述偏振变换层包括多个固定设置的棱镜，相邻设置的两棱镜中的一个所述棱镜的上下表面设置有所述遮光孔和半波片，另一个所述棱镜的上下表面设置有所述入光孔和所述间隔。
20.可选地，所述棱镜的截面形状为平行四边形，所述棱镜在与相邻所述棱镜交界的第一边界面处设置有偏振膜，在与另一相邻所述棱镜交界的第二边界面处设置有反光膜，其中，所述第一边界面在所述光控制模组上的正投影与所述半波片在所述光控制模组上的正投影重合；所述第二边界面在所述光控制模组上的正投影与所述间隔在所述光控制模组上的正投影重合。
21.可选地，所述偏振变换层被配置为对通过所述入光孔入射的光束在所述偏振膜位置出分光传播，以形成透射的第一偏振光和反射的第二偏振光，其中：
22.分光的所述第一偏振光透过所述偏振膜后进入另一相邻棱镜中，并经过所述半波片转换为第二偏振光后出射；
23.分光的所述第二偏振光经过所述偏振膜反射后在所述棱镜中传播至第二交界面处的反射膜位置处，经过所述反射膜反射后从棱镜上表面的所述间隔位置处出射。
24.可选地，所述第一偏振光包括s偏振光和p偏振光中的一个，并且所述第二偏振光包括s偏振光和p偏振光中的另一个。
25.可选地，所述点光源为紫外光点光源或可见光点光源。
26.可选地，所述光源模组包括多个间隔设置的点光源，所述复合透镜包括与所述点光源一一对应的多个调节透镜，所述调节透镜用于将对应的点光源发出的发散光转化为平行光。
27.可选地，所述光控制模组在背离所述偏振变换层的表面设置有偏振片，所述偏振片用于将所述光控制模组透过的光转换为所述第三偏振光出射。
28.可选地，所述光控制模组为lcd液晶屏，所述光控制模组的透光率大于10％。
29.可选地，所述lcd液晶屏为黑白屏。
30.第二方面，本技术提供了一种3d打印机，包括如以上任一所述光源系统，还包括设置在所述光源系统的光路方向上的耗材容器。
31.进一步地，所述3d打印机还包括设置在所述光源系统背离所述光控制模组一侧的散热基板。
32.本技术的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
33.本技术实施例提供的光源系统，通过对光源进行调整，由点光源转换为面光源后形成格栅光束，通过对于格栅光束进行偏振调整，将平行光转换为同一偏振方向的偏振光
后入射光控制模组，实现能够达到10％以上，有利于提升固化速度，从而提高打印速率；提升光线利用率，从而降低光照功率，达到节能及延长3d打印机寿命的目的。
附图说明
34.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
35.图1为本技术的实施例提供的一种光源系统的结构示意图；
36.图2为本技术的实施例提供的一种偏振变换层的结构示意图；
37.图3为本技术的实施例提供的一种遮光层的结构示意图；
38.图4为本技术的实施例提供的一种光控制模组的像素阵列的示意图；
39.图5为本技术的实施例提供的一种光控制模组的结构示意图；
40.图6为本技术的实施例提供的一种3d打印机的结构示意图。
具体实施方式
41.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
42.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
43.在现有的lcd实现3d打印的技术中，通常在lcd显示面板上下表面分别设置有偏光片，但现有的偏振片多为吸收性的偏振片，其吸收从背光模组中发出的约一半的非偏振光，因而即使大幅提高背光源的光亮度，也将有近乎一半的光能量会被浪费掉，导致光的有效利用率不高。
44.请详见图1，本技术提供了一种光源系统，包括：
45.光源模组100，用于将点光源10发出的发散光转化为平行光，所述光源模组100包括阵列布置的多个点光源10以及设置在所述点光源10光路方向上的复合透镜20；
46.偏光转换模组200，用于将接收到的所述平行光转换为第一偏振光；
47.光控制模组300，用于将接收入射的第一偏振光并基于所述第一偏振光显示预设透光图案，并以第三偏振光出射。
48.在本技术实施例中，所述偏光转换模组200包括光束变换层，所述光束变换层用于将入射的平行光转换为格栅光束后出射。其中，所述光束变换层包括凸透镜阵列层30和凹透镜阵列层40。
49.凸透镜阵列层30，用于接收所述光源模组100发出的平行光，并将所述平行光转换为汇聚光后发射；凹透镜阵列层40，用于接收所述汇聚光，并将所述汇聚光转换为格栅光束后发射，所述格栅光束中光线平行。
50.需要说明的是，在本技术实施例中，凸透镜阵列层30和凹透镜阵列层40中的凸透镜或者凹透镜的主光轴与所述光控制模组300的表面垂直，应用于将经过光束变换层后发射的光线为平行光。从而防止光线从光源系统的边缘射出，进而避免了光线的损失，提高光的利用率。
51.所述格栅光束是混合光束，可以被分解为第一偏振光和第二偏振光，所述第一偏振光与所述第二偏振光具有不同的偏振方向，所述偏光转换模组200包括偏振变换层50，所述偏振变换层50用于将入射的格栅光束转换为第一偏振光。
52.示例性地，第一线偏振光和第二线偏振光具有彼此垂直的偏振方向。所述第一偏振光包括s偏振光和p偏振光中的一个，并且所述第二偏振光包括s偏振光和p偏振光中的另一个。通过彼此垂直的偏振方向可以提高偏振变换层50对于偏振光的转换效果。本领域技术人员应当清楚的是，s偏振光指的是偏振方向与传播平面垂直的偏振光，而p偏振光指的是偏振方向处于传播平面内的偏振光。在本技术实施例中以第一偏振光为s偏振光，以第二偏振光和第三偏振光为p偏振光为例进行示例性说明。
53.需要说明的是，在本技术实施例中，将面光源的平行光转换为汇聚后的平行光，该汇聚后的平行光即为格栅光束。通过格栅光束入射偏振变换层50，提高光线利用率的同时，还可以增强光束的光强，提高后续入射光控制模组300的光线强度，提高光的透过率。
54.在本技术实施例中，如图2所示，所述偏振变换层50用于将所述第二偏振光转换为所述第一偏振光出射，以及用于将所述第一偏振光经过至少两次全反射后出射。
55.具体地，所述偏振变换层50被配置为对通过所述入光孔1入射的光束在所述偏振膜位置出分光传播，以形成透射的第一偏振光和反射的第二偏振光，其中：
56.分光的所述第一偏振光透过所述偏振膜后进入另一相邻棱镜5中，并经过所述半波片3转换为第二偏振光后出射。
57.分光的所述第二偏振光经过所述偏振膜反射后在所述棱镜5中传播至第二交界面处的反射膜位置处，经过所述反射膜反射后从棱镜5上表面的所述间隔4位置处出射。
58.需要说明的是，所述格栅光束在所述偏振变换层50入光面是以混合光的形式入射，在其中的一面位置处发生了偏振光的空间分离，通过将分离后的光束进行单独偏振变换，防止混合光中不同偏振方向的光被吸收，导致光的有效率降低的问题。
59.在具体设置时，所述偏振变换层50包括靠近所述光束变换层的第一面和背离所述光束变换层的第二面，其中，所述第一面上设置有对应所述格栅光束图案的遮光层；所述第二面上设置有用于将所述第二偏振光转换为第一偏振光的多个阵列设置的半波片3。
60.其中，如图3所示，所述遮光层包括入光孔1和遮光孔2，所述入光孔1形成所述格栅光束的入光通道，所述半波片3的位置与所述入光孔1的位置对应，相邻两半波片3之间的间隔4与所述遮光孔2的位置对应。
61.所述半波片3在所述光控制模组300上的正投影与所述入光孔1在所述光控制模组300上正投影重合，所述间隔4在所述光控制模组300上的正投影与所述遮光孔2在所述光控制模组300上的正投影重合。
62.需要说明的是，在本技术实施例中，通过调整光束图案与入光孔1进行对应，使得汇聚后的平行光可以全部进入偏振变换层50中，通过调整入光孔1与半波片3进行对应，可以使得分离后的第二偏振光可以全部经过半波片3进行偏振转换成第一偏振光。通过调整遮光孔2与间隔4之间的对应，可以使得经过反射后的第一偏振光可以全部从间隔4出射，通过对应关系，提高光的利用率。
63.在实施时，所述偏振变换层50包括多个固定设置的棱镜5，相邻设置的两棱镜5中的一个所述棱镜5的上下表面设置有所述遮光孔2和半波片3，另一个所述棱镜5的上下表面
设置有所述入光孔1和所述间隔4。
64.示例性，所述棱镜5的截面形状为平行四边形，所述棱镜5在与相邻所述棱镜5交界的第一边界面处设置有偏振膜，在与另一相邻所述棱镜5交界的第二边界面处设置有反光膜，其中，所述第一边界面在所述光控制模组300上的正投影与所述半波片3在所述光控制模组300上的正投影重合；所述第二边界面在所述光控制模组300上的正投影与所述间隔4在所述光控制模组300上的正投影重合。
65.需要说明的是，在本技术实施例中棱镜的形状为平行四边形仅为示例性说明，在其他的一些实施例中还可以通过其他形状的棱镜形状进行组合，最终形成平行四边形的形状。本技术实施例中对于棱镜的形状不作具体限制，对于不同的光束图案，可以采用不同的棱镜形状。
66.可以理解的是，本技术实施例中的偏振变换层50在需要包含满足相应要求的分光界面51、反光界面52和半波片3的基础上可以通过任意的光学元件或其组合来实现，本技术对此不做限制。本技术实施例中在分光界面51选择的是可以允许单一方向偏振光通过的反射型偏振膜，当混合光经过此分光界面51时，第二偏振光通过，第一偏振光发生反射。在其他的一些实施例中，还可以通过设置具有不同折射率的材料对于不同的偏振光进行分光。本技术对此不进行限制。
67.偏振膜利用布儒斯特角入射时界面的偏振效应。当光束总是以布儒斯特角入射到两种材料界面时，则不论薄膜层数有多少，其水平方向振动的反射光总为零，而垂直分量振动的光则随薄膜层数的增加而增加，只要层数足够多，就可以实现透过光束基本是平行方向振动的光，而反射光束基本上是垂直方向振动的光，从而达到偏振分光的目的。
68.在设置分光界面51时，可以调整分光界面51与平行光之间的夹角为45
°
，可以控制在分光时，第一偏振光和第二偏振光之间的夹角垂直，提高光的有效利用率。
69.当经过反射的第一偏振光经过同样为45
°
设置的反光界面52时，可以将经过反射的第一偏振光以平行于格栅光束的光线方向进行出射。通过调整反射界面与平行光之间的夹角为45
°
，可以控制在发光时，控制光线以平行光的方式进行出射，进一步提高光的有效利用率。
70.另外需要说明的是，在本技术的另一个实施例中，在形成遮光孔2的位置处，在背离所述棱镜的一侧还可以形成反射涂层，将除了格栅光束以外的其他入射到反射涂层位置处的光反射回去，在应用时，可以通过在光源模组100中同样设置反射层101，将光线可以进一步利用。
71.在应用时，在点光源10设置在散热基板上，同样将光源模组100的反射层101设置在散热基板设置点光源10的一面上。通过反射层还可以对于点光源10发射的光进行混合均匀，还可以扩大光源面积。
72.其中，所述点光源10为发射405nm紫外光的点光源10或发射400
‑
600nm可见光的点光源10。
73.在应用时，所述光源模组100包括多个间隔4设置的点光源10，所述复合透镜20包括与所述点光源10一一对应的多个调节透镜，所述调节透镜用于将对应的点光源10发出的发散光转化为平行光。
74.值得注意的是，在本技术实施例中，通过设置复合透镜20中每一个调节透镜和点
光源10的位置对应，也就是调节透镜的阵列方式与点光源10的阵列设置方式是相同的，例如具有相同的行间距和列间距。通过这样可以使得每个点光源10发出的光可以进行均匀布光，还可以通过每个点光源10发出的光均可以得到汇聚变为平行光出射。
75.但本技术实施例中对于光束变换层中凹透镜阵列层40和凸透镜阵列层30中与点光源10的对应方式并不进行具体的限制，通过凸透镜和凹透镜阵列方式，可以调整形成的格栅光束图案，在应用时，由于光束变换层中接收到的光线已通过光源模组100转换为面光源的平行光，因此，凸透镜和凹透镜的阵列关系与点光源10并不存在对称关系。
76.在一些实施例中，通过调整凹透镜和凸透镜的阵列方式，可以调整格栅光束的形状，还可以通过调整凹透镜和凸透镜的阵列密度，调节格栅光束的强度。视不同的光源发出的波长或者应用场景的不同，可以进行不同的设置。本技术对此不进行限制。
77.在一些其他实施例中，格栅光束的图案还可以与光控制模组300的显示面板中像素单元进行对应，可以使得每一个格栅光束的图案的光经过偏振转换后均可以进入到像素单元中进行光的进一步控制，以实现显示图案的生成，提高显示面板中光的透过率。
78.在具体应用时，可以通过布置入光孔1为带状阵列分布，例如按照像素列的阵列方向，其阵列间距可以对应像素列的阵列间距。在其他一些实施例中，还可以按照像素行的阵列方向。本技术对此不进行限制。
79.在本技术实施例中，所述光控制模组300在背离所述偏振变换层50的表面设置有偏振片302，所述偏振片302用于将所述光控制模组300透过的光转换为所述第三偏振光出射。
80.需要说明的是，在本技术实施例中，第三偏振光与第二偏振光的偏振方向相同。通过上表面的偏振片还可以防止环境光入射到lcd液晶屏中，影响显示效果。
81.在本技术实施例中，所述光控制模组300为lcd液晶屏，所述光控制模组300的透光率大于10％。在本技术实施例中，lcd液晶屏具有像素单元形成的像素阵列，如图4所示，形成多个阵列排布的像素行和像素列。通过形成的格栅光束经过偏振光转换后，转换为同一方向的偏振光，通过像素点阵后可以对光束进行有效利用。
82.在具体应用时，所述lcd液晶屏为黑白屏。利用lcd液晶屏成像原理，在微型计算机及显示屏驱动电路的驱动下，由计算机程序提供图像信号。在液晶屏幕上出现选择性的黑白区域，白色为透光区域，黑色为遮光区域。
83.常黑的lcd液晶屏在不通电的情况下光线不能透过，即在光源照射下为黑色，不透光，机器故障或停机时，树脂不会固化，在固化的过程中，不会出现残渣，海带丝现象。
84.如图5所示，lcd液晶屏的原理为：液晶处于两片导电玻璃基板301之间，在上下玻璃基板301的两个电极作用下，引起液晶分子扭曲变形，改变lcd像素点阵的透光度，其中，lcd液晶屏仅作为透光窗口，本身并不发光。
85.本技术还提供了如图6所示，一种3d打印机，包括如以上任一所述光源系统，还包括设置在所述光源系统的光路方向上的耗材容器400，所述耗材容器中盛放有光固化液态树脂。其中，所述3d打印机还包括设置在所述光源系统背离所述光控制模组300一侧的散热基板500。通过散热基板可以对于光源模组100进行有效的散热，提高使用寿命。
86.在本技术实施例中，3d打印技术采用的是uv光固化的原理。uv光固化是指固化材料中的光引发剂(或光敏剂)在紫外线的照射下吸收紫外光后产生活性自由基或阳离子，引
发单体聚合、交联和接枝化学反应，使粘合剂在数秒钟内由液态转化为固态。
87.使用时，在光源(例如紫外光源)的照射下，液晶屏幕的图像透明区域对紫外光阻隔减小，紫外光可以透过；在没有图像显示的区域，紫外光线被阻挡。透过液晶屏的紫外光线构成紫外光图像区域。
88.在液晶屏幕的表面安放光固化液态树脂槽，槽底为透明薄膜，紫外光线经过透明薄膜照射到液态光固化树脂，使被紫外光照射的树脂产生固化反映，被照射到的液态树脂成为固态。液晶屏幕不透光的部分遮挡了紫外光线。被遮挡部分的液态光固化树脂没有被紫外光线照射到，没有被照射到的部分树脂仍然保持液态。经过固化的树脂就是3d打印机制造的产品成型部分。
89.通过本技术实施例中提供的3d打印机，通过光源模组100将uvled点光源10转换为准直的面光源，经过偏光转换模组200中的光束变换层将面光源的光转换为格栅光束，再通过偏振变换层50将自然光分解的p偏振光和s偏振光进行分离与转换为同一偏振光，最后通过光控制模组300的调制后照射到树脂物料槽中，进行uv固化，实现3d打印功能。
90.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
91.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
92.除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中出现的诸如“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。
93.本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。