激光打印技術

三維激光打印方法與系統(tǒng)專利目的

《三維激光打印方法與系統(tǒng)》的發(fā)明目的是提供一種三維激光打印方法與系統(tǒng)，以簡單的結構和方法，實現(xiàn)基于光柵空頻和角度連續(xù)調制的三維激光打印。

三維激光打印方法與系統(tǒng)技術方案

一種三維激光打印方法，采用四參量連續(xù)調制激光打印輸出方法制備由按位置坐標排列的衍射像素構成的三維圖像，所述衍射像素內填充有特定空頻和取向角的像素光柵，所述四參量包括像素光柵的位置坐標（x，y），像素光柵的空頻Λ和取向角θ，所述四參量通過對三維信息的連續(xù)調制實現(xiàn)三維圖像的激光打印輸出，其特征在于：所述像素光柵的調制方法基于4F成像系統(tǒng)與衍射光柵實現(xiàn)，所述4F成像系統(tǒng)包括第一傅立葉變換透鏡或透鏡組與第二傅立葉變換透鏡或透鏡組，所述衍射光柵置于第一傅立葉變換透鏡或透鏡組與第二傅立葉變換透鏡或透鏡組之間，通過改變所述衍射光柵與第一傅立葉變換透鏡或透鏡組之間的距離，實現(xiàn)光柵空頻的連續(xù)調制，通過旋轉所述衍射光柵，實現(xiàn)光柵取向角的連續(xù)調制，通過4F系統(tǒng)的光軸與記錄平面的相對移動實現(xiàn)所述位置坐標的連續(xù)調制，所述打印方法通過在不同位置坐標處打印輸出經連續(xù)調制的光柵像素點陣實現(xiàn)三維激光打印。

上述技術方案中，所輸出的三維圖像中像素光柵的空頻和取向由衍射像素所在的平面坐標和觀察窗口的位置坐標確定的衍射光線方向、照明光線的入射方向以及衍射光線的波長根據(jù)衍射光柵方程共同確定，所述衍射光線的波長由所述衍射像素對應點的圖像信息的顏色確定。

采用上述技術方案，可以獲得一種光柵空頻和取向連續(xù)可變的四參量（x，y，Λ，θ）三維彩色圖像。所述三維彩色圖像信息記錄在（x，y）平面內，由與坐標位置對應的系列衍射像素構成，所述衍射像素由一組具有特定空頻Λ和取向θ的像素光柵填充而成。衍射像素發(fā)出的衍射光線進入距離平面（x，y）一定距離處的平面（x’，y’）中所設定的觀察窗口的指定位置坐標處。所述像素光柵的空頻和取向由光柵像素所在的平面坐標（x，y）與觀察窗口中光線入射位置坐標（x’，y’）確定的衍射光線方向、照明光線的入射方向以及衍射光線的波長根據(jù)光柵方程共同確定，所述照明光線方向根據(jù)使用條件設定，所述衍射光線的波長由所述衍射像素點對應的圖像信息的顏色確定。

上述方案中，所述觀察窗口優(yōu)選為平行于觀察者雙眼連線方向的狹縫型窗口，所述狹縫型窗口包含若干觀察區(qū)域，所述每一觀察區(qū)域對應三維圖像的一個觀察視角，三維彩色圖像信息記錄平面上不同觀察視角的衍射像素的衍射光線分別入射不同的觀察區(qū)域。

一種三維激光打印系統(tǒng)，包括光源、光學成像子系統(tǒng)、機電結構子系統(tǒng)、運動控制子系統(tǒng)、記錄介質，光源發(fā)出的光線入射光學成像子系統(tǒng)形成特定空頻和取向的光柵條紋信息，記錄在記錄介質上，所述光學成像子系統(tǒng)至少包含一組由4F成像透鏡和衍射光柵構成的空頻和角度連續(xù)調制光路，所述4F成像系統(tǒng)包括第一傅立葉變換透鏡或透鏡組與第二傅立葉變換透鏡或透鏡組，所述衍射光柵置于第一傅立葉變換透鏡或透鏡組與第二傅立葉變換透鏡或透鏡組之間，所述機電結構子系統(tǒng)包括衍射光柵平動機構、衍射光柵轉動機構、二維精密平移機構，所述運動控制子系統(tǒng)協(xié)調控制衍射光柵的平動和轉動，二維精密平臺的平動和光源快門，在相應位置坐標處打印輸出經連續(xù)調制的衍射像素點陣，實現(xiàn)三維圖像的打印輸出。

上述技術方案中，所述光源為相干光源，選自連續(xù)激光光源或脈沖激光光源。所述脈沖光源包括并不局限于納秒脈沖激光光源、皮秒脈沖激光光源、飛秒脈沖激光光源等。

上述方案中，所述光源輸出的光束通過光學成像子系統(tǒng)后可以對光敏材料曝光形成光柵條紋，也可以直接在基底材料上燒蝕出光柵條紋，還可以直接在基底材料上引發(fā)光致變色或者位相結構變化，形成對應的光柵條紋。

所述光學成像子系統(tǒng)還包括視場光闌、可變光闌、微縮物鏡、自動聚焦光路、實時觀測光路。

所述視場光闌、可變光闌可以是空間光調制器，也可以是機械可變光闌，光闌的形狀和大小可由運動控制系統(tǒng)實時調節(jié)，用于控制進入系統(tǒng)的光束直徑。所述視場光闌優(yōu)選位于第二傅立葉變換透鏡后的光軸上。

所述微縮物鏡可對4F成像系統(tǒng)后的視場光闌面上的信息進行微縮成像，提高像素光柵的空頻。

所述自動聚焦光路保證光學成像子系統(tǒng)的成像面聚焦在基底材料附近。

所述實時檢測光路對基底材料表面進行成像檢測。

所述機電結構還包括自動聚焦控制機構、光源快門控制機構。

所述運動控制子系統(tǒng)優(yōu)選由計算機和控制程序進行協(xié)調控制。

三維激光打印方法與系統(tǒng)改善效果

1．《三維激光打印方法與系統(tǒng)》通過設置4F成像系統(tǒng)，將衍射光柵置于第一傅立葉變換透鏡或透鏡組與第二傅立葉變換透鏡或透鏡組之間，實現(xiàn)了光柵空頻的連續(xù)可調，基于光柵空頻和取向連續(xù)可變的四參量的微納結構來編碼形成三維彩色圖像，其三維圖像立體感和真實感更強、顏色表現(xiàn)更準確豐富。

2．該發(fā)明提出的基于光柵空頻和取向連續(xù)可變的四參量（x，y，Λ，θ）的微納結構實現(xiàn)三維彩色圖像的方法更加有效。

3．該發(fā)明的提出的三維激光打印系統(tǒng)能夠真正實現(xiàn)四參量（x，y，Λ，θ）的三維彩色圖像輸出，系統(tǒng)的打印調制精度高，系統(tǒng)結構簡單，打印成像效果好。