面曝光3D打印機光強均勻性校正技術研究

榮左超,王金成,賴永輝

(上海聯泰科技股份有限公司,上海 201612)

0 引言

3D打印是一項迅速發展的新興快速制造技術,已經廣泛應用于工業[1]、醫療[2]、陶瓷[3]、微電子[4]等領域。相比其他類型的3D打印機技術,基于DLP(Digital Light Processing,數字光處理)的面曝光3D打印具有成型速度快、高表面質量、高尺寸精度的優勢[5]。由于DLP光機的技術條件限制,其投影出的光強在整個打印幅面上分布并不均勻,導致不同區域的成型尺寸和表面質量有所差異[6],為此,本文提出一種面曝光3D打印機光強均勻性校正技術,以提高打印機整幅面出光的均勻性。

1 校正原理

面曝光3D打印機依靠DLP光機的投影成像來將光固化樹脂進行固化成型,DLP出光成型原理如圖1所示。其中,投影圖像具有灰度等級(通常是8位深度),DMD(Digtial Micromirror Devices,數字微鏡器件)芯片[7]是一種電子輸入、光學輸出的微機電系統,用于接收圖像信號并在外界光照射下將圖像投影顯示,其表面有許多小型反射鏡面,每個鏡面為一個像素;光源發出的光經過光源光學器件整形后照射到DMD芯片上,DMD根據待投影的圖像每個像素的灰度等級調整各個發射鏡面的偏轉狀態和占空比,投影出具有不同光強的調制光[8],調制光經過成像光學器件整形后成像在打印機的成像面上。因此,可以通過修正待投影圖像每個像素的灰度值來實現對打印機成像面上的光強均勻性校正。

圖1 DLP出光成型原理

校正過程分為兩步:①標定過程,設計一套光強測量工裝,在打印機出廠前,利用對打印機整幅面的各個區域出光光功率進行測量,利用測量數據擬合出打印機的出光強度分布曲面,以該曲面上光功率最弱點為基準計算得到打印機投影的灰度掩膜圖像;②修正過程,實際使用中,使用該掩膜圖像對待投影圖像進行灰度值修正,得到實際投影圖像并由打印機投出,使得投影成像圖像各個區域的光強趨于一致[9]。

2 校正方案

2.1 測量工裝方案

用于進行打印機整幅面不同區域光功率的測量工裝如圖2所示。其中,定位板放在打印機的成型平臺上并被打印機固定,其上的定位孔用于提示操作人員如何實現工裝在打印機上定位,以保證后續功率檢測部件能正確檢測到測量位置的光功率;定位板上的多個透光孔使得打印機投出的光能照射到光強測量部件上;光強測量部件用于測量打印機成像面上不同位置的光功率;定位板上有多個定位銷孔,與功率檢測部件的彈簧銷(圖3)配合,使得功率檢測部件可以快捷而且準確地運動到測量位置,并提示操作人員可以執行測量操作:導軌固定在定位板上,滑塊沿著導軌帶動功率測量部件在打印成像幅面上移動;限位銷保證功率測量部件不會運動到導軌以外。

圖3 光強測量部件

光強測量部件的底面如圖3所示,其上安裝有4個光功率傳感器用于同時測量4個不同部位的光強,彈簧銷實現光強測量部件在定位板上進行定位。當彈簧銷進入定位板的定位銷孔時,光功率傳感器正好對準透光孔。為了減少后續的計算誤差,4個光功率傳感器在同一標準設備上進行校準以保證每個傳感器的測量值一致。

在實際工作中,需要將工裝固定在打印機上,如圖4所示,此時,光功率傳感器的感光面和打印機的成像面處于同一水平面上。

2.2 標定流程

對打印機執行光強均勻性標定的流程如下:

a)將工裝擺放在打印機的工作平臺上,打印機投出與測量工裝上定位孔尺寸位置相同的定位點的定位圖像,如圖5所示,圖中的4個白色原點為定位點;

圖5 定位圖像圖6 標定圖像

b)不停地調整工裝在打印機工作平臺上的擺放位置,直到打印機投影的定位圖像的定位與工裝的定位孔重合,將工裝固定在打印機上;

c)打印機投影出具有多個標定點的標定圖像,如圖6所示,在圖像寬度方向上,標定點的數量與測量工裝上的定位銷孔數量相同,在圖像高度方向上,標定點的數量與測量工裝上的光功率傳感器數量相同,圖中的24個白點為標定點;

d)移動光強測量組件,直到其彈簧銷進入定位板的定位銷孔,讀取并記錄當前所有標定點下光功率傳感器的數值;

e)重復步驟d),直到圖6中所有的標定點都測量完畢;

f)根據所有的標定點在投影圖像坐標系中的坐標及測量得到光功率值,使用多項式曲面進行擬合[8],經過實際的實驗嘗試測試發現,X項最高次數為4、Y項最高次數為3得到的擬合曲面效果較佳,其表達式如式(1)所示。式中,x、y為圖像的像素坐標,a0～a13為擬合出的曲面系數,power(x,y)為擬合出的光功率值:

power(x,y)=a0+a1x+a2y+a3x2+a4xy+a5y2+a6x3+a7x2y+a8xy2+a9y3+a10x4+a11x3y+a12x2y2+a13xy3

(1)

g)取實際測量的最小功率minPower為基準,建立一幅和打印機幅面相同的8位灰度掩膜圖像,通過式(2)計算該圖像中各像素點的灰度值gray(x,y),式中,power(x,y)通過式(1)計算得到;

gray(x,y)=255·minPower/power(x,y)

(2)

h)保存步驟g)的圖像,作為標定結果,用于后續的光強均勻性校正。

2.3 校正流程

在打印機投影圖像時,使用標定得到的灰度掩膜圖像對原始圖像中的每個像素執行式(3)的計算,得到校正圖像。式(3)中,x、y為圖像像素坐標,org(x,y)為原始圖像像素點灰度值,gray(x,y)為灰度掩膜圖像像素點的灰度值,dst(x,y)為校正圖像像素點的灰度值。打印機將校正圖像投影出,在打印機的成像面上便得到光強比較均勻的投影成像圖像。

dst(x,y)=org(x,y)·gray(x,y)/225

(3)

3 實驗驗證

研制出的光強測量工裝如圖7所示,該工裝具有4個光功率傳感器,一共測量打印機成像面上24個點的光功率。

圖7 研制出的測量工裝

使用該工裝對一臺分辨率為1920×1080,成型幅面為144mm×81mm的打印機進行光功率測量,打印機投影的標定點為直徑20像素的圓。得到24個標定點的光功率數據后使用式(1)進行曲面擬合,結果如圖8所示。圖中最大光功率為179.098 μW,最小光功率為145.582 μW,光強均勻性為145.582/179.098=81.3%。

圖8 原始光功率分布

使用式(1)-式(3)計算得到掩膜圖像,如圖9所示。與圖8對比可以發現,打印機光功率較大的區域(X、Y坐標均較大的區域)對應的掩膜圖像的灰度值較低。

圖9 掩膜圖像

使用圖9的掩膜圖像對打印機的標定圖像進行光強均勻性校正得到校正圖像,將該校正圖像投影,使用光強測量工裝重新測量各個標定點的光功率,并再次使用式(1)進行曲面擬合,結果如圖10所示。圖中最大光功率為151.368 μW,最小光功率為140.713 μW,光強均勻性為140.713/151.368=93.0%。

圖10 校正后的光功率分布

4 結束語

本文針對面曝光3D打印機投影幅面各個區域光強分布不均的問題,提出一個均勻性校正方法,并開發出一套方便使用的光強測量工裝,以解決由于光強不均而導致的打印質量問題。對一臺3D打印機進行均勻性校正實驗驗證,將該打印機的光強均勻性(最小值/最大值)由原始的81.3%提升到校正后的93.0%。本文中的光功率采樣點為24個,多項式擬合光功率曲面的X項最高次數為4,Y項最高次數為3,如果打印機自身的光強分布比較復雜,可以增加采樣點及多項式擬合光功率曲面的X項、Y項的最高次數,以進一步提高打印機的出光均勻性。