基于DLP和Micro-LED面曝光光固化3D打印技术的空间光场测试及评价研究

作     者：杨佳晨 

作者单位：佛山科学技术学院 

学位级别：硕士

导师姓名：范冰丰

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：光固化3D打印 DLP被动式曝光 Micro-LED主动式曝光 空间光场能量均匀性 

摘      要：随着3D打印产业的发展,面曝光光固化3D打印技术因其打印速度、成型精度等方面的优势引起了学术界和产业界极大关注。而在实际使用过程中,面曝光光固化3D打印光机系统空间光场的精准测量和准确评价影响到打印精度和打印质量,其中3D打印光机系统的空间光场受到光学、机械等多参数的影响,测量和评价较为复杂,且缺少测量方法、测试规范和测试标准,严重制约了3D打印技术的快速发展,现有3D打印产业仍采用传统投影显示的投影机评价标准来评估。本文针对光固化3D打印投影光机装置评价方法缺失的问题,以基于DLP被动式曝光和Micro-LED主动式曝光为研究对象,通过理论探索、实验分析和数值仿真等手段,深入研究了光固化3D打印技术的空间光场测试及评价方法。同时搭建了基于Micro-LED和DLP的微纳3D打印设备,并在实践中验证了其打印工艺的精度和可行性。本文主要工作如下: （1）设计并搭建了DLP紫外光机的空间光场辐射照度分布三维测量平台,该平台采用了0.05μm运动精度的伺服电机运动系统和0.001m W/cm2精度的紫外辐射照度计,以确保实验数据的准确性。实验重点关注了图像灰度、投影距离和聚焦清晰度对DLP紫外光机光场辐射照度的影响。通过测量145至255灰度图像对应的辐射照度、不同投影距离时的空间光场辐射照度和不同聚焦清晰度下的辐射照度,发现图像灰度、投影距离、聚焦清晰度与辐射照度具有线性变化关系,这些线性关系为后续对DLP紫外光机空间光场能量分布均匀性的测算和优化提供了重要的数据支持。 （2）研究了DLP空间光场的测试及评价方法,并提出优化策略有效提升了DLP紫外光机空间光场能量分布均匀性。首先,针对聚焦清晰度对辐射照度的影响,引入Sobel图像清晰度评价函数,在不同投影距离下量化了投影图像的聚焦清晰度。通过这一方法,成功实现了曝光面正焦位置的精确检测。接着,对比了传统投影显示的投影机评价标准中的9点均匀性算法,发现其存在着计算误差,特别是由于数据样本较少导致的问题。为了更精确地表述曝光面的能量均匀性,本文增加了数据采集数量,并提出了新的计算公式。通过实验验证了当采样点数大于200点时,均匀性计算结果趋于稳定。最后,研究了图像灰度和辐射照度的映射关系,通过多项式拟合的方法建立了两者之间的函数关系。通过调整图像灰度,实现了对曝光面各区域辐射照度的控制,使得曝光面的能量均匀性优化至98.73%。 （3）针对Micro-LED主动曝光式投影系统的空间光场能量分布情况和评价方法进行了研究。首先讨论了Micro-LED主动曝光式相比于被动式曝光所具有的优劣,并构建了Micro-LED投影系统的结构。其次,利用高精度的CMOS光电传感器采集了Micro-LED投影系统曝光面上的精细成像,并运用图像处理技术对曝光图像灰度分布进行了分析。由于Micro-LED像素之间微小间隙导致投影像素产生暗区,使其曝光面能量分布并不均匀。通过实验测量发现投影像素间暗区的能量占像素中心能量强度的75%。针对这一问题,本文采用了CODE V和Light Tools光学设计仿真软件对Micro-LED主动曝光式投影系统进行了建模仿真。通过缩小投影像素之间的间距和改变像素排列方式,成功将暗区能量占比由61.41%提高至73.37%。这一优化方法有效地提升了Micro-LED投影曝光面的能量均匀性。 （4）设计并开发了基于Micro-LED主动式曝光和基于DLP被动式曝光的光固化3D打印设备并验证其打印精度。该设备采用了高精度的运动控制器和机械振动隔离器,以提升系统的运动精度和抗干扰能力。通过使用10nm精度的位移传感器对设备的Z轴重复定位精度进行了测量,结果显示所设计的光固化3D打印设备的运动精度误差小于200nm。同时,设计了光固化3D打印实验,对比了Micro-LED主动式曝光和DLP被动式曝光在复杂结构成型能力和成型精度方面的差异。本文实现了20μm线宽的DLP打印成型和60μm线宽的Micro-LED打印成型,并对两种技术的优劣势进行了分析。