CN110908108B - 一种共轴旋转多光斑混合扫描装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种共轴旋转多光斑混合扫描装置及方法，包括直线模组，直线模组的移动平台上设有刚性支架，刚性支架上设有电机和激光器组，电机输出轴与反射镜组连接，激光器组中激光器的数量与反射镜组中反射镜的数量相对应，反射镜均具有相同的正多边形截面且正多边形每边对应一个反射面，激光器发出的激光束位于反射镜的法平面内，电机带动反射镜组中反射镜共同旋转时，激光器发出的激光束经对应的反射镜各反射面偏转反射后，在直线模组上方的成像面上，形成动态光斑及光斑扫描线，直线模组可驱动刚性支架，进而带动电机、激光器组、反射镜组进行往复扫描运动，且运动方向与光斑扫描线垂直。本发明中多组激光器‑反射镜配对共用电机及扫描控制器，不仅结构紧凑、驱动简单，而且成本低、平面扫描成像效率高，可在多种类型的激光扫描三维打印机中推广应用。

Description

一种共轴旋转多光斑混合扫描装置及方法

技术领域

本发明涉及三维打印领域，尤其是一种共轴旋转多光斑混合扫描装置及方法。

背景技术

多面反射镜扫描装置作为一种高速光学组件，不仅扫描速度快，而且运转平稳、发热小，已被用于医学成像、材料加工、激光印刷制版等领域。多面反射镜扫描装置的光学扫描角与扫描速度，取决于反射面数量及电机工作转速。反射面越多则其光学扫描角越小，电机转速越高，每秒扫描次数越多。现有多面反射镜扫描装置的典型扫描速度从每秒数百线至数千线不等，扫描线动态光斑的移动速度可高达每秒1000米以上，这也意味着动态光斑在成像面单点像素的滞留时间极短，进而给多面反射镜扫描装置带来了诸多应用限制，主要包括：第一，激光器必须具备高速调光性能，以实现基于单像素串行输出的平面扫描成像；第二，激光器必须有足够光功率，以在极窄时间窗口内施加足够能量至成像面单点像素；第三，成像面光敏介质必须有足够的感光度与反应速度，以确保感光反应充分。以上因素长期制约多面反射镜扫描装置的适用范围。

近年来，随着激光加工技术的快速发展，射频、红外激光照射高分子、金属材料所产生的热效应，以及紫外激光照射光敏树脂材料所激发的光固化反应，被逐步用于多种类型的三维打印机中，包括激光选区熔融(SLM)、激光选区烧结(SLS)、立体光固化成形(SLA)等机型。激光扫描装置在三维打印机中的作用是：根据三维数字模型的切片图案，将激光能量选择性的施加到对象材料界面上，以促成被照射区域的热固结或催化固结。其中最为常见的激光扫描装置是检流计式扫描振镜，其电机动子采用低惯量空心线圈、定位速度可达普通伺服电机的数十倍；但在输出复杂图案、特别是三维打印领域应用广泛的晶格结构时，切片图案的高度离散性与大量细节特征，导致扫描路径含有高比例的矢量转弯与空程跳转，严重影响扫描成像速度。近期，有公开报道多面反射镜扫描装置用于SLA光固化三维打印的案例，但其同时也继承了现有技术的局限性，特别是三维打印对单点像素的激光能量需求，远高于传统应用场景。这直接导致三维打印机不得不降低多面反射镜扫描装置的电机工作转速，从而削弱了其相对于其它激光扫描装置的高速优势。目前在三维打印领域，针对进一步提升激光扫描装置性能的迫切需求，尚缺少一种结构简单、成像速度快、单点像素能量大，并且在输出复杂图案时不损失成像性能的激光扫描方法。

发明内容

本发明要解决上述现有技术的缺点，提供一种结构简单、成像速度快、单点像素能量大，并且在输出复杂图案时不损失成像性能的共轴旋转多光斑混合扫描装置及方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种共轴旋转多光斑混合扫描装置，包括直线模组、刚性支架、电机、反射镜组、激光器组、成像面及扫描控制器。所述直线模组与所述刚性支架连接，直线模组可驱动刚性支架平移并定位；所述刚性支架上固定有所述电机和所述激光器组，所述电机输出轴上串联连接所述反射镜组；所述反射镜组全部反射镜的正截面均为形状相同的正多边形，所述电机可带动串联连接的反射镜同步旋转，且旋转轴线与所述直线模组平移方向平行；所述激光器组的激光器数量与所述反射镜组的反射镜数量均为n个且一一配对，激光器发出的激光束，经配对反射镜的反射面偏转反射后，在成像面上生成光斑扫描线；所述激光器组发出的多条平行激光束经所述反射镜组偏转反射后，在成像面上生成n条光斑扫描线，光斑扫描线间距与刚性支架上的激光器间距相同；所述直线模组驱动刚性支架连续移动时，n条光斑扫描线亦跟随刚性支架同步移动，使得n条光斑扫描线同时在成像面上逐行扫描，直至形成覆盖成像面成像区域的平面图像；所述扫描控制器与直线模组、电机、激光器组电连接。

本发明电机内有旋转编码器，电机每旋转1圈，旋转编码器输出m个增量脉冲、1个同步脉冲，用于控制激光器组实现光斑扫描线的逐像素光功率控制，具体步骤如下；扫描控制器先对增量脉冲和同步脉冲进行解码计数：每个增量脉冲计数寄存器值加1，计数寄存器值增至m时归零重计，收到同步脉冲时则将计数寄存器置为初值；令每个反射镜有反射面p个，扫描控制器分别在计数寄存器值为{0，m/p，2m/p…(p-1)*m/p}时，产生第1至第p反射面的行同步信号，扫描控制器在1至m/p间调整计数寄存器初值，使得行同步信号与各反射面的扫描窗口重合；令每条光斑扫描线有k个像素，扫描控制器对光斑扫描线进行k等分运算，得到1号至k号像素的时钟区间表；扫描控制器在每个行同步信号周期内，实时查询系统时钟计数值在时钟区间表的区间位置，得到动态光斑在光斑扫描线中的像素编号；扫描控制器根据像素编号从第1至第n激光器的行像素数据缓冲区中，定位各激光器应投射的像素灰度值，进而将其转换为光功率控制信号并输出至各激光器。

本发明进行SLA平面扫描成像时，激光器组与反射镜组沿直线模组移动方向等间距排列；令排列最前方激光器-反射镜配对为第n组、最后方为第1组，且成像区域共有k行像素，则第i(1≤i≤n)组激光器-反射镜负责第((i-1)k/n+1)行至第ik/n行，每组激光器-反射镜的逐行扫描范围为k/n行；直线模组带动第1组激光器-反射镜从第1行向前平移、逐行扫描至第k/n行，第2组激光器-反射镜亦从第k/n+1行扫描至第2k/n行；依次类推，第n组激光器-反射镜从第(n-1)k/n+1行扫描至第k行，n组激光器-反射镜分工完成了整个SLA成像区域的平面扫描成像；直线模组移动期间，扫描控制器接收直线模组位置信号，并根据成像面像素行间距实时计算第1组激光器-反射镜的光斑扫描线行位置，进而叠加偏移值k/n得到第2组激光器-反射镜的扫描线行位置，依此类推直至第n组激光器-反射镜；扫描控制器根据第1组至第n组激光器-反射镜的扫描线行位置，将SLA平面图像对应行的像素数据，分别刷新至第1至第n激光器的行像素数据缓冲区。

本发明进行SLS/SLM平面扫描成像时，激光器组与反射镜组沿直线模组移动方向紧密排列；令排列最前方激光器-反射镜配对为第n组、最后方为第1组，则第2n/3+1组至第n组为预热区、第n/3+1组至第2n/3组为成形区、第1组至第n/3组为热处理区；令SLS/SLM平面成像区域共有k行像素，直线模组带动第n组激光器-反射镜从第1行向前扫描，直至最后方的第1组激光器-反射镜到达第k行，本次平面扫描成像完成；直线模组移动期间，预热区的激光器-反射镜先预加热粉末，而后成形区的激光器-反射镜再对粉末烧结/熔融成形，最后热处理区的激光器-反射镜再次加热处理已成形体，以提升机械性能；扫描控制器接收直线模组位置信号，并根据成像面像素行间距实时计算第n组激光器-反射镜的扫描线行位置，进而叠加偏移值-q/(n-1)得到第n-1组激光器-反射镜的扫描线行位置，依此类推直至第1组激光器-反射镜，其中q为第1组激光器与第n组激光器间距所对应行偏差值；扫描控制器根据第1组至第n组激光器-反射镜的扫描线行位置，将SLS/SLM平面图像对应行的像素数据，分别刷新至第1至第n激光器的行像素数据缓冲区，当扫描线行位置位于平面成像区域之外时，扫描控制器清空对应激光器的行像素数据缓冲区。

本发明电机输出轴串联连接截面相同的n个多面反射镜，并且每个反射镜均有唯一配对的激光器，电机同时驱动n个反射镜构成的反射镜组旋转时，每个反射镜可通过与其配对的激光器在成像面上生成1条光斑扫描线，即任意瞬间均有n个动态光斑在成像面上进行扫描成像；本发明扫描控制器基于电机内置编码器的脉冲信号，每圈生成p个反射面的行同步信号，并在每个行同步信号周期内等分光斑扫描线，得到k个像素的时钟区间表，进而通过实时查询系统时钟计数值在时钟区间表的区间位置，得到动态光斑在光斑扫描线中的像素编号；本发明的n个激光器采用相同像素编号，从各自的行像素数据缓冲区中定位应投射的像素灰度值。

本发明的共轴旋转多光斑混合扫描方法，可沿直线模组移动方向将SLA成像区域等分为多段，直线模组只需移动1段区域，激光器组与反射镜组即可完成对全部成像区域的逐行扫描成像；本发明进行SLA平面成像时，扫描成像速度与激光器组/反射镜组的元件数量成正比，所用激光器/反射镜数量越大则扫描成像速度越快；本发明进行SLS/SLM平面成像时，全部激光器-反射镜配对被划分为预热区、成形区及热处理区，直线模组前移时，SLS/SLM平面成像区域任意行位置的粉末材料，均会依次被预热区、成形区以及热处理区的光斑扫描线照射，使得第n组至第1组激光器的光功率可沿时间轴按所需预热-成形-热处理功率曲线自由设定，以匹配不同粉末材料的成形工艺要求。

本发明的共轴旋转多光斑混合扫描装置及方法，多组激光器-反射镜配对共用电机及扫描控制器，不仅结构紧凑、驱动简单，而且成本低、平面扫描成像效率高，可在多种类型的激光扫描三维打印机中推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例的总体结构示意图；

图2为本发明实施例的控制信号连接图；

图3为本发明实施例的SLA平面扫描成像示意图；

图4为本发明实施例的SLS/SLM平面扫描成像示意图；

图5为本发明实施例的激光器组亮度控制逻辑图；

图6是刚性支架及其上方部件结构示意图；

附图标记说明：直线模组1，刚性支架2，电机3，激光器组4，激光器一41，激光束一410，动态光斑一411，光斑扫描线一412，激光器二42，激光束二420，动态光斑二421，光斑扫描线二422，激光器三43，激光束三430，动态光斑三431，光斑扫描线三432，反射镜组5，反射镜一51，反射镜二52，反射镜三53，成像面6，成像区域61，成像段一611，成像段二612，成像段三613，扫描切入段62，扫描退出段63，扫描控制器100，解码器模块一101，解码器模块二102，行扫描控制模块103，列扫描控制模块104，行数据选择模块105，平面图像存储区106，激光控制模块107。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1、6，一种共轴旋转多光斑混合扫描装置，直线模组1的移动平台上有刚性支架2，刚性支架2上有电机3、激光器组4(本实施例中，激光器组4包含三个激光器，分别是激光器一41、激光器二42、激光器三43)，电机3输出轴与反射镜组5连接(反射镜组5包含串联连接的反射镜一51、反射镜二52、反射镜三53)，反射镜51、52、53具有相同的正多边形截面、正多边形每边对应1个反射面；电机3带动反射镜51、52、53共同旋转时；激光器一41发出的激光束一410经反射镜一51各反射面偏转反射后，在直线模组1上方的成像面6上，形成动态光斑一411及光斑扫描线一412；依次类推，激光器二42发出的激光束二420经反射镜二52偏转反射，在成像面6上生成动态光斑二421及光斑扫描线二422，激光器三43发出的激光束三430经反射镜三53偏转反射，在成像面6上生成动态光斑三431及光斑扫描线三432；直线模组1可驱动刚性支架2，进而带动电机3、激光器组4、反射镜组5进行往复扫描运动，且运动方向与光斑扫描线412、422、432垂直。

如图2，扫描控制器100与直线模组1连接，扫描控制器100与电机3连接，扫描控制器100与激光器组4连接；扫描控制器100发出电信号至直线模组1，以控制直线模组1带动电机3、激光器组4、反射镜组5平移，进而通过激光器组4与反射镜组5所生成的光斑扫描线，对成像面6进行平面扫描成像；扫描控制器100发出电信号至电机3，以控制电机3带动反射镜组5连续旋转，进而驱动激光束410、420、430偏转反射，使得动态光斑411、421、431在成像面6上生成光斑扫描线412、422、432；扫描控制器100发出电信号至激光器组4，以根据动态光斑411、421、431的像素编号以及行像素缓冲区数据，实时调节激光器41、42、43的光功率，实现光斑扫描线412、422、432的逐像素亮度控制。

如图5，扫描控制器100内有解码器模块一101、解码器模块二102、行扫描控制模块103、列扫描控制模块104、行数据选择模块105、平面图像存储区106、激光控制模块107；电机3输出旋转脉冲信号至解码器模块一101，解码器模块一101输出角位置信号至行扫描控制模块103，行扫描控制模块103输出动态光斑411、421、431的像素编号至激光控制模块107；直线模组1输出位移脉冲信号至解码器模块二102，解码器模块二102输出直线模组1的位置信号至列扫描控制模块104，列扫描控制模块104输出光斑扫描线412、422、432行位置至行数据选择模块105；平面图像存储区106输出待扫描图像数据至行数据选择模块105，行数据选择模块105输出行像素数据至激光控制模块107的行像素数据缓冲区；激光控制模块107根据动态光斑像素编号，将行数据缓冲区的像素灰度值转换为光功率控制信号，分别输出至激光器41、42、43。

一种共轴旋转多光斑混合扫描方法，如图3，SLA成像区域61沿直线模组1的移动方向三等分为成像段611、成像段612及成像段613；平面扫描成像开始时，光斑扫描线412、422、432分别位于成像段611、612、613的起始行位置；直线模组1驱动刚性支架2，进而带动电机3、激光器组4、反射镜组5向前平移时，光斑扫描线412、422、432亦分别在成像段611、612、613内前移；扫描控制器100根据光斑扫描线412、422、432行位置，实时刷新激光器41、42、43的行像素数据缓冲区，使得光斑扫描线412、422、432的亮度分布，与SLA平面图像对应行的像素灰度分布一致；光斑扫描线412、422、432分别到达成像段611、612及613的终止行时，光斑扫描线412、422、432的已扫描区域614、615、616，亦分别向前扩展至成像段611、612及613的终止行，使得已扫描区域614、615、616首尾相接覆盖整个SLA成像区域61；

一种共轴旋转多光斑混合扫描方法，如图4，参照直线模组1的移动方向，SLS/SLM成像区域61后侧为扫描切入段62、前侧为扫描退出段63；平面扫描成像开始时，光斑扫描线432位于成像区域61起始行位置，光斑扫描线422、412位于扫描切入段62；直线模组1向前平移时，光斑扫描线412、422、432亦前移，光斑扫描线412到达成像区域61终止行时，光斑扫描线422、432进入扫描退出段63，SLS/SLM平面扫描成像完成；直线模组移动过程中，扫描控制器100根据光斑扫描线412、422、432行位置，实时刷新激光器41、42、43的行像素数据缓冲区，使得光斑扫描线412、422、432的亮度分布与SLS/SLM平面图像对应行的像素灰度分布一致，光斑扫描线412、422、432处于扫描切入段62、扫描退出段63时，扫描控制器清空相应激光器的行像素数据缓冲区；平面扫描成像完成后，成像区域61任意行位置均已被光斑扫描线412、422、432顺序扫描。

本发明激光器组与反射镜组所包含元件数量，除本实施例中的3个之外亦可采用更多元件，相应的扫描性能亦更高；本发明反射镜组除本实施例中的3个反射镜串联连接之外，亦可采用单个长棱柱形反射镜，相应的长棱柱反射面长度应覆盖激光器组全部激光束的分布区域；本发明的共轴旋转多光斑混合扫描方法，还可用于多层垂直拼接三维打印，即每条光斑扫描线负责1层平面扫描成像，多层错位、同步成像。

本发明共轴旋转的多个反射镜与激光器一一配对，构成多个并行工作的激光扫描单元，与同时部署多个传统多面反射镜扫描装置相比，不仅结构更紧凑，而且控制更简单、同步性更好、扫描模式更灵活，可工作在多扫描线空间拼接、多扫描线时域拼接等混合扫描方式下，以更广泛的满足三维打印机对激光扫描装置的成像要求。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种共轴旋转多光斑混合扫描装置，包括直线模组(1)，其特征是：直线模组(1)的移动平台上设有刚性支架(2)，刚性支架(2)上设有电机(3)和激光器组(4)，电机(3)输出轴与反射镜组(5)连接，激光器组(4)中激光器的数量与反射镜组(5)中反射镜的数量相对应，反射镜均具有相同的正多边形截面且正多边形每边对应一个反射面，激光器发出的激光束位于反射镜的法平面内，电机(3)带动反射镜组(5)中反射镜共同旋转时，激光器发出的激光束经对应的反射镜各反射面偏转反射后，在直线模组(1)上方的成像面(6)上，形成动态光斑及光斑扫描线，直线模组(1)可驱动刚性支架(2)，进而带动电机(3)、激光器组(4)、反射镜组(5)进行往复扫描运动，且运动方向与光斑扫描线垂直；扫描控制器(100)分别与直线模组(1)、电机(3)、激光器组(4)连接，扫描控制器(100)内设有解码器模块一(101)、解码器模块二(102)、行扫描控制模块(103)、列扫描控制模块(104)、行数据选择模块(105)、平面图像存储区(106)、激光控制模块(107)，电机(3)输出旋转脉冲信号至解码器模块一(101)，解码器模块一(101)输出角位置信号至行扫描控制模块(103)，行扫描控制模块(103)输出动态光斑的像素编号至激光控制模块(107)，直线模组(1)输出位移脉冲信号至解码器模块二(102)，解码器模块二(102)输出直线模组(1)的位置信号至列扫描控制模块(104)，列扫描控制模块(104)输出光斑扫描线行位置至行数据选择模块(105)，平面图像存储区(106)输出待扫描图像数据至行数据选择模块(105)，行数据选择模块(105)输出行像素数据至激光控制模块(107)的行像素数据缓冲区，激光控制模块(107)根据动态光斑像素编号，将行数据缓冲区的像素灰度值转换为光功率控制信号，分别输出至各个激光器；电机内有旋转编码器，电机每旋转1圈，旋转编码器输出m个增量脉冲、1个同步脉冲，用于控制激光器组实现光斑扫描线的逐像素光功率控制，具体步骤如下：扫描控制器先对增量脉冲和同步脉冲进行解码计数，每个增量脉冲计数寄存器值加1，计数寄存器值增至m时归零重计，收到同步脉冲时则将计数寄存器置为初值，令每个反射镜有反射面p个，扫描控制器分别在计数寄存器值为{0，m/p，2m/p…(p-1)*m/p}时，产生第1至第p反射面的行同步信号，扫描控制器在1至m/p间调整计数寄存器初值，使得行同步信号与各反射面的扫描窗口重合，令每条光斑扫描线有k个像素，扫描控制器对光斑扫描线进行k等分运算，得到1号至k号像素的时钟区间表，扫描控制器在每个行同步信号周期内，实时查询系统时钟计数值在时钟区间表的区间位置，得到动态光斑在光斑扫描线中的像素编号，扫描控制器根据像素编号从第1至第n激光器的行像素数据缓冲区中，定位各激光器应投射的像素灰度值，进而将其转换为光功率控制信号并输出至各激光器。

2.根据权利要求1所述的共轴旋转多光斑混合扫描装置，其特征是：反射镜组(5)可采用单个长反射镜替换，相应的长反射镜上反射面长度应覆盖激光器组(4)全部激光束的分布区域。

3.一种采用权利要求1所述装置的共轴旋转多光斑混合扫描方法，其特征是：根据反射镜的数量n，成像区域(61)沿直线模组(1)的移动方向n等分为n个成像段；平面扫描成像开始时，光斑扫描线分别位于各个成像段的起始行位置；直线模组(1)驱动刚性支架(2)，进而带动电机(3)、激光器组(4)、反射镜组(5)向前平移时，光斑扫描线亦分别在对应的成像段内前移；光斑扫描线分别到达各个成像段的终止行时，光斑扫描线的已扫描区域，亦分别向前扩展至各个成像段的终止行，使得各个已扫描区域首尾相接覆盖整个成像区域(61)。

4.根据权利要求3所述的共轴旋转多光斑混合扫描方法，其特征是：扫描控制器(100)根据光斑扫描线的行位置，实时刷新激光器的行像素数据缓冲区，使得光斑扫描线的亮度分布，与平面图像对应行的像素灰度分布一致。

5.一种采用权利要求1所述装置的共轴旋转多光斑混合扫描方法，其特征是：参照直线模组(1)的移动方向，成像区域(61)后侧为扫描切入段(62)、前侧为扫描退出段(63)；平面扫描成像开始时，最前端的光斑扫描线位于成像区域(61)起始行位置，其余光斑扫描线位于扫描切入段(62)；直线模组(1)驱动刚性支架(2)，进而带动电机(3)、激光器组(4)、反射镜组(5)向前平移时，光斑扫描线亦前移，最后端的光斑扫描线到达成像区域(61)终止行时，其余光斑扫描线进入扫描退出段(63)，平面扫描成像完成；平面扫描成像完成后，成像区域(61)任意行位置均已被各个光斑扫描线顺序扫描。

6.根据权利要求5所述的共轴旋转多光斑混合扫描方法，其特征是：直线模组移动过程中，扫描控制器(100)根据光斑扫描线行位置，实时刷新激光器的行像素数据缓冲区，使得光斑扫描线的亮度分布与平面图像对应行的像素灰度分布一致，光斑扫描线处于扫描切入段(62)、扫描退出段(63)时，扫描控制器(100)清空相应激光器的行像素数据缓冲区。

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