基于 Texas Instruments 的 DLP? 技術(shù)的高清數(shù)字投影儀以在全球 90% 以上的數(shù)字電影院中使用而廣為人知。然而，設計工程師越來越多地選擇 DLP 芯片用于工業(yè)應用，包括投射紫光或紫外光以在光固化樹脂中曝光高分辨率圖案的 3D 打印機。

圖 1 - LED 視頻投影儀設計（由 Texas Instruments 提供）

雖然 3D 打印技術(shù)正在迅速改變設計師制作原型和成品的方式，但其質(zhì)量和速度尚未超越傳統(tǒng)的模制或機加工零件。本文將重點介紹光學和機械工程師團隊如何為 3D 打印機開發(fā)高分辨率 DLP 投影引擎。

DLP 投影引擎

使用基于 DLP 的 3D 打印機生產(chǎn)的物體比通過選擇性地從噴嘴放置熔化塑料層（也稱為 FDM（熔融沉積建模））生產(chǎn)的物體具有更光滑的表面和更復雜的特征。與傳統(tǒng)的激光立體光刻方法類似，DLP 3D 打印機需要一種反應性樹脂，該樹脂必須通過使用某種類型的固化（在本例中為紫羅蘭或近紫外光）轉(zhuǎn)化為固體。

為實現(xiàn)高亮度和高分辨率，打印機內(nèi)的投影引擎必須能夠產(chǎn)生清晰、均勻的投影圖像，并具有足夠的能量以合理的速度硬化材料。Greenlight 與 3D 打印機 OEM 合作，根據(jù)所需的打印區(qū)域、激活波長、所需的分辨率和打印機成本目標，選擇最合適的 DLP 芯片組（也稱為 DMD 或數(shù)字微鏡設備）。

投影引擎從一個或多個高輸出 LED 陣列或大型 LED 芯片開始。LED 以矩形圖案配置，以匹配 DMD 芯片和光學系統(tǒng)的 étendue。越來越多的紫光 (405nm) 和 UVA (350nm-400nm) 現(xiàn)成 LED 封裝可供使用，或者可以設計和制造定制封裝。除了將 LED 尺寸與 DMD 相匹配外，還必須考慮 LED 封裝的機械配置、LED 的輸出和效率、LED 封裝的熱管理以及有效捕獲光的能力從發(fā)光二極管。

使用基于 DLP 的 3D 打印，光的強度與打印速度和最終產(chǎn)品的質(zhì)量直接相關(guān)。因此，工程師設計了具有低 f 值的光學系統(tǒng)，以實現(xiàn)更大的光源和更高的能量輸出，同時允許光學組件校正在選定孔徑尺寸下可能發(fā)生的像差。

具有低 f 值的系統(tǒng)在設計和制造方面可能具有挑戰(zhàn)性，因為 DMD 只能接受特定角度的光，而大孔徑投影光學器件需要先進的設計來控制像差。類似地，LED 以非常大的角度發(fā)光，需要大量的雜散光校正才能最大限度地收集光。本文中使用的投影引擎示例具有大于 1 瓦光功率的輸出。

圖 2. 在 TracePro 中建模的處于開啟和關(guān)閉狀態(tài)的 DMD 微鏡。

設計交鑰匙光學系統(tǒng)

從項目開始，這個投影引擎設計就專注于系統(tǒng)的構(gòu)建和模塊化，以便它可以用于基于 DLP 的 3D 打印機，以及投影可用于工業(yè)或工業(yè)的結(jié)構(gòu)光圖案。醫(yī)療 3D 掃描應用。

作為德州儀器 (TI) 的 DLP 設計網(wǎng)絡的一部分，Greenlight 的光學設計人員能夠訪問開發(fā)工具和最新的 DMD，以加速他們的項目。圖 2 中所示的 Greenlight Optics 投影引擎包括 Texas Instruments DLP6500，具有 2,073,600 個高反射數(shù)字開關(guān) 7.6μ 微鏡，分辨率為 1920 x 1080 方形像素。

然而，僅僅能夠使用這些芯片是不夠的。光學工程師需要了解如何將這些工具應用到他們的鏡頭和光學設計中。在當今世界，上市時間至關(guān)重要，這意味著利用光學仿真工具來確保產(chǎn)品在制造前能夠滿足性能標準。

設計工程師使用多種軟件工具對他們的設計進行建模和仿真。對于照明和光學工程，Lambda Research Corporation 的 TracePro 用于模擬整個系統(tǒng)——從 LED 陣列到 DMD，再到投影鏡頭。通過對從光源到投影平面的光進行精確建模，光學設計師遵循迭代過程來創(chuàng)建同時實現(xiàn)高效率和高均勻性的設計。這對于工業(yè) 3D 打印尤為重要，因為樹脂中的各層必須以相同的速率固化，并且層厚變化很小。識別可能導致缺乏一致性的問題在軟件模擬中比試錯原型更容易解決。

負責將 LED 陣列集成到系統(tǒng)中的光學工程師必須考慮該光源帶來的挑戰(zhàn)，例如公差、雜散光、光學材料選擇、制造設計以及光機械對準和測試。這是通過對一系列工作參數(shù)的光學系統(tǒng)性能進行建模來完成的，以確保系統(tǒng)能夠按要求運行。

使用蒙特卡洛分析和其他技術(shù)，在光學設計階段考慮制造公差和環(huán)境條件，以確保設計可制造并且設計將在真實條件下執(zhí)行。雜散光模擬有助于提高對比度，并為機械工程師提供完成光機設計的關(guān)鍵信息。

光學設計師使用 TracePro 對完整的光機械系統(tǒng)進行建模。設計師為所有組件添加光學屬性，然后使用 TracePro 的 RepTile 表面屬性對數(shù)千個微鏡進行建模。TracePro 中的 Reptile 算法不會創(chuàng)建實際的 CAD 幾何體，它會在光線與 DMD 所基于的基礎表面相交時動態(tài)創(chuàng)建 DMD 表面，從而無需創(chuàng)建大量 CAD 文件，從而顯著縮短分析時間。然后將表面屬性添加到反射鏡表面和反射鏡陣列下方的表面，以創(chuàng)建更逼真的 DMD 表示。為了正確設置 DMD“開”和“關(guān)”狀態(tài)，TracePro 包含一個 DMD 紋理生成器，它可以加載 BMP 和 JPG 文件并正確設置鏡像狀態(tài)以生成加載的圖像。

圖 3. 顯示 TracePro 徽標設置的 DMD 紋理生成器。

此時，設計人員使用適當?shù)募y理 DMD 對整個系統(tǒng)進行光線追蹤。現(xiàn)在，使用程序的“視覺光線排序”、“路徑排序表”和輻照度圖功能來查找系統(tǒng)中重影和雜散光的來源是一件簡單的事情。通過特定的“開/關(guān)”紋理設置，設計師可以使用這些功能在任何表面或區(qū)域上以視覺和定量方式查看設計中固有的重影或雜散光問題。

“視覺光線分類”功能允許設計人員根據(jù)吸收、鏡面反射和散射標準以及系統(tǒng)中每個光源的通量百分比對光線進行視覺分類?！奥窂脚判虮怼惫δ軇?chuàng)建了一個包含不同路徑的電子表格，每組光線可以采用這些路徑到達模型樹中的選定表面。每條路徑都根據(jù)相交的表面數(shù)量、貢獻的功率以及逐個表面采用的路徑進行細分。該路徑排序表可以與系統(tǒng)模型查看器結(jié)合使用，以直觀地顯示每條選定路徑的光線和為該路徑貢獻的功率，所有這些都同時顯示在屏幕上。這種類型的分析可以讓設計人員深入了解如何正確放置擋板和光學邊緣形狀，以最大程度地減少雜散光并將重影減少到可接受的水平。

原型設計和商業(yè)化

在軟件的幫助下完成初始光學和機械設計后，在投產(chǎn)前對投影引擎進行原型制作仍然是關(guān)鍵步驟。利用其內(nèi)部玻璃和塑料光學制造、安裝加工、組裝和對準以及測試能力，Greenlight 能夠快速構(gòu)建和測試原型投影引擎。工程團隊分析原型制作的結(jié)果，并使用原型設計中使用的相同軟件工具創(chuàng)建迭代生產(chǎn)光學和機械設計。

本文由 Greenlight Optics（俄亥俄州拉夫蘭）執(zhí)行合伙人 Michael O'Keefe 和 Lambda Research（馬薩諸塞州利特爾頓）銷售和營銷副總裁 Michael Gauvin 撰寫。（TracePro? 軟件國內(nèi)代理:上海復瞻智能科技有限公司。訪問 https://www.fulllightcn.com）