一种适应3D打印切片成像进行匹配发光的点阵光源及方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别是一种光固化3D打印机的LED点阵光源及方法。

背景技术

LCD 3D打印机是光固化3D打印机的一种，它是利用固化光源照射LCD显示屏，固化光会穿过LCD显示屏上的打印切片成像，将影像投射到另一侧的光敏树脂上，并对其进行一层层地固化，从而实现3D模型的打印。

目前，LCD 3D打印机的光源组件主要有两种方式构成：一种是采用一个大功率的LED外加一个聚光灯罩的方式；另一种是把多个LED按行列串并焊接在一起，形成一个LED阵列灯板的方式，这种LED阵列灯板上有正负极，实质上是一个展开了的增大了发光面积的LED灯，接通电源，灯板上所有的LED一起点亮；断开电源，便一起关闭。

上述第一种方式，因其发光投射的面积较小，主要用在如5.5寸屏这种小尺寸的3D打印机上。对于大尺寸的，大多采用后一种方式作为3D打印机的光源。

不过，以上这两种方式都存在一个问题，就是不管在LCD屏上所显示的打印切片成像的区域有多大，哪怕只有局部很小的一点点，灯光都会全部打开。而实际上，只需要在有打印切片成像的区域提供光源就可以了，这就直接造成了能源的浪费。

其次，这种光源在点亮后，会产生大量的热量。一般5.5寸屏的3D打印机需要配四、五十瓦的光源，而大尺寸的则需要近百瓦甚至上百瓦的光源。在整个打印过程中，LCD显示屏会直接经受这样的高温烘烤，对其使用寿命造成严重地影响。

离型膜是安装在光固化树脂容器底部的一种具有不粘特性的透明塑料膜，在打印时，是紧贴在LCD屏上的。高温会使这层膜软化，每打印完一层进行脱离时，软化的离型膜会被拉变形，进而造成后续所打印的模型发生变形失真，严重的会直接造成打印失败。

不但如此，高温对整个打印机的散热和耐热性都会产生影响，需配备高效的散热系统才能维持打印机的正常运行。

另外，这种光源还需要配备恒流电源进行供电，在成本上也有所增加。

综上所述，上述光源存在能耗高、温度高、成本高以及由于高温对整个3D打印机所带来的一系列不良影响等问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种适应3D打印切片成像进行匹配发光的点阵光源及方法。

本发明中，关于一种适应3D打印切片成像进行匹配发光的点阵光源，采用了下述技术方案，该技术方案包括：上位机、上位机软件、3D打印主控板、3D打印固件、控制输入插头、LED点阵控制驱动模块和LED点阵模块。

上位机通过串口与3D打印主控板相连；在3D打印主控板上经3D打印固件设置的I/O口与控制输入插头相连，电源引线也与控制输入插头相连；控制输入插头与LED点阵控制驱动模块相连；LED点阵控制驱动模块的输出端和LED点阵模块的引脚对应相连。

所述上位机中安装有本发明的上位机软件，具有3D打印切片解析和发送LED点阵控制信号的功能。

所述3D打印主控板中下载有3D打印固件，固件中含有LED点阵功能模块，其中包含：对3D打印主控板的I/O口的设定以及对LED点阵模块的控制信号进行识别、通讯的功能。

所述LED点阵控制驱动模块由点阵控制芯片和驱动电路组成，点阵控制芯片用于控制LED点阵模块上任意LED的点亮，驱动电路为LED点阵模块提供相匹配的电压和电流。

所述LED点阵模块，其尺寸与3D打印机上所采用的LCD屏的显示尺寸相同，对该尺寸进行等分区划后，形成一定行列数的区划单元，LED安装在区划单元的中间位置，并依据驱动方式的不同，进行共阴极或共阳极连接，构成本发明的LED点阵模块。

所述LED可以是LED贴片，也可以是LED灯珠。

所述控制输入插头、LED点阵控制驱动模块和LED点阵模块相互连接并焊接在点阵灯板上。

通过上述设置和连接，使得LCD屏的显示区上的每个区划单元都对应LED点阵模块上的一个LED，并可对每个LED的点亮和熄灭状态进行单独地控制，从而实现本发明的一种适应3D打印切片成像进行匹配发光的点阵光源。

本发明中，关于一种适应3D打印切片成像进行匹配发光的点阵光源的方法，该方法包括：点阵光源的设置方法和点阵光源的控制方法。

点阵光源的设置方法采用了下述技术方案，该方法包括以下步骤：

第一步、尺寸设置：将LED点阵模块的尺寸设置成与LCD屏的显示尺寸相一致。安装时，两尺寸完全对齐。

第二步、进行区划：对上述尺寸进行等分区划，形成一定行列数的区划单元。由第一步而知，LCD屏的显示尺寸与LED点阵模块的尺寸完全一致，因此，对LED点阵模块的区划，也就是对LCD屏的显示区的区划，所得到的区划单元完全一致且成一一对应关系。

进行区划所要遵循的规则：首先，区划后的单元尺寸要大于或等于LED透镜的尺寸，以确保能够顺利安装；其次，所形成的区划单元，其形状依据LED透镜的特性而定，如果透镜是圆形的，则区划单元的形状为：正方形或接近正方形；如果透镜的聚光形状是矩形(含正方形)的，区划单元的形状则设置成与之成等比例的矩形(在实际应用中，这个成等比例的矩形通常也是近似的)。这样LED发射出的光，经透镜垂直投射到LCD屏上后，所形成的光照区域能够满足覆盖其所对应的区划单元的要求；最后，单个LED的功率要满足3D打印的固化要求。

第三步、构建LED点阵模块：在每个区划单元的中心位置安装一个LED，根据驱动方式的不同，按行列对其进行共阴极或共阳极连接，构成本发明的LED点阵模块。

第四步、设置LED点阵模块与LCD屏的距离：根据上述第二步中所形成的区划单元的尺寸和选定的LED透镜的发光角度，设置LED点阵模块与LCD屏的距离，使每个LED所投射到LCD屏上的光照区域可以覆盖其所对应的区划单元。

通过以上四步，本发明的点阵光源所达到的效果是：LCD屏的显示区上的每个区划单元都对应一个LED，在每层打印的过程中，只要将LCD屏上包含固化内容(包含切片成像)的区划单元所对应的LED点亮，即可为该层打印提供充足有效的固化光源，而无需点亮整个LED点阵模块。

点阵光源的控制方法采用了下述技术方案，该方法包括以下步骤：

第一步、控制参数的设定：依据上述点阵光源的设置方法中第二步所形成的区划单元的行数和列数作为参数，对整个系统进行相应的设置，包括：上位机软件的切片解析参数、控制数组的元素个数、3D打印固件的控制参数及LED点阵控制驱动模块的连接设置等，均相互对应。

第二步、解析3D打印切片：通过上位机软件对3D打印每层的切片进行解析，将3D打印切片格式化成LED点阵模块的控制数组。实现的方式有两种：第一种是通过解析每层的切片数据成像生成，第二种是通过直接解析每层的切片数据生成。

上述第一种解析方式：解析切片数据成像。其具体方法是：遍历切片数据成像的像素值，并在每个区划单元内做搜索循环。如在某区划单元内搜索到RGB值均为：255的像素(该值的图像显示为白色，即包含固化内容)，即将该区划单元的控制数值设为：“0”，跳出循环，完成此区划单元的搜索；如在该区划单元内没有搜索到RGB值均为：255的像素，则表示该区划单元内不包含固化内容，即将该区划单元的控制数值设为：“1”，完成该区划单元的搜索设定。然后，重复此操作，对下一个区划单元进行搜索设定，直至完成对全部区划单元的设定，即生成与该切片数据成像相适应的点阵光源控制数组。

上述第二种解析方式：直接解析切片数据。具体方法是：用上述点阵光源的设置方法中第二步进行区划所形成的横向和竖向的分割线，依次与切片数据中的线段做相交计算，如有相交，每次就在已有的切片数据中添加新的交点坐标值，全部完成后，生成一个相交计算后的切片数据。然后，遍历这个切片数据，凡是区划单元内包含有切片数据点坐标值的，即表示该区划单元包含固化内容，将其控制数值设为“0”，无坐标值的，即表示该区划单元不包含固化内容，将其控制数值设为“1”。对全部区划单元进行设定后，即生成与该切片数据相适应的点阵光源控制数组。

在所生成的控制数组中，设为“0”值的区划单元，所对应的LED将被点亮；设为“1”值的区划单元，所对应的LED将处于熄灭状态。

第三步、匹配点亮LED点阵模块：在点亮LCD屏进行打印的同时，生成的点阵光源控制数组通过上位机软件由上位机的串口发送到3D打印主控板，经3D打印固件的识读，通过3D打印主控板上已设定的I/O口将控制信号发送给LED点阵控制驱动模块，由LED点阵控制驱动模块按照控制信号，将LED点阵模块上与包含固化内容的区划单元相对应的LED点亮，从而实现本发明的与3D打印切片成像相适应，进行匹配发光的点阵光源。

本发明的有益效果是：

1.在每层打印的过程中，本发明的点阵光源会依据切片成像，只点亮包含固化内容区域的LED，而不是现有的点亮整个LED灯板，因此具有节约能耗，减少发热，减少高温对LCD屏的损伤、以及对整个打印机所产生的不良影响等特点。

2.在整个打印过程中，由于每层固化区域的大小、位置，并不都是相同的，因此，与之对应点亮的LED的位置，也不都是相同的，即：每层的打印，不都是由相同的LED点亮来提供光源的。这就降低了单个LED的发光频次，从而延长了整个光源的使用寿命。

3.由于省去了现有LED光源所需配备的恒流电源，因此，总体上也降低了打印机的成本。

附图说明

图1是本发明的点阵光源的工作原理示意图。

图2是本发明的点阵光源匹配点亮切片成像的示意图。

图3是本发明的点阵光源行控制驱动电路图。

图4是本发明的点阵光源列控制点亮电路图及接口电路图。

图5是本发明的LED点阵模块的引脚编号图。

图6是本发明的LED点阵模块的共阳极连接示意图。

图3、图4、图5共同组成本发明的点阵灯板的电路原理图。

在图1、图2、图3的标记中：1-上位机；2-3D打印主控板；3-点阵灯板；301-LED点阵控制驱动模块；302-LED点阵模块；3021-LED点阵模块的区划单元；3022-LED；3023-切片成像示例轮廓图；303-控制输入插头；4-LCD屏的显示区；401-LCD屏的区划单元；402-切片成像示例。

图1、图2中，LED 3022上带“×”号的，代表熄灭状态的LED 3022；不带“×”号的，代表点亮状态的LED 3022。切片成像示例轮廓图3023是：切片成像示例402在LED点阵模块302上对应位置的轮廓图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

本实施例以8.9寸LCD屏为例，其显示尺寸为：192×120mm，显示像素为：2560×1600；采用的LED透镜直径为：6mm，发光角度为：30度。

本发明提供了一种适应3D打印切片成像进行匹配发光的点阵光源，如图1所示，该点阵光源包括：上位机1、上位机软件、3D打印主控板2、3D打印固件、LED点阵控制驱动模块301、LED点阵模块302、控制输入插头303。

上位机1中安装有本发明的上位机软件，通过串口与3D打印主控板2相连。

在3D打印主控板2上，下载了含有LED点阵功能模块的3D打印固件，在3D打印固件中设定的I/O口与控制输入插头303相连，电源引线也与控制输入插头303相连。在本实施例中，如图4所示，I/O口选用3D打印主控板2上的12864接口，利用其作为信号通讯和电源提供的端口。

如图3、图4、图5所示，控制输入插头303与LED点阵控制驱动模块301相连，LED点阵控制驱动模块301的输出端和LED点阵模块302的引脚对应相连，其连接方式为：当实际控制的LED点阵行数小于芯片级联后的管脚数量时，采用将芯片级联后的首尾管脚进行均衡空置的方式进行连接。

在本实施例中，2个74HC138芯片有16个输出管脚，可控制驱动16行LED，而实际需要控制的LED点阵模块302只有10行LED，这样有6个管脚会被空置。在连接时，将这6个空置管脚，在芯片级联后的首尾管脚进行均衡空置，即：将第一个74HC138芯片的前3个输出端(H1～H3)和第二个74HC138芯片的最后3个输出端(H14～H16)进行空置，选用管脚的输出端(H4～H13)与LED点阵模块302相连；如果需要控制的LED行数是奇数，均衡空置是相对的，比如：需要控制的LED行数是11行，可将第一个74HC138芯片的前2个输出端(H1～H2)和第二个74HC138芯片的最后3个输出端(H14～H16)进行空置，选用管脚的输出端(H3～H13)与LED点阵模块302相连。采用这种方式进行连接，既使得控制代码连贯、简洁，又使得各芯片之间做功相对均衡。

控制输入插头303、LED点阵控制驱动模块301和LED点阵模块302相互连接并焊接在点阵灯板3上。

如图2、图5、图6所示，本实施例的LED点阵模块302由10行16列的LED3022构成，并采用共阳极的方式进行连接。

如图3所示，LED点阵控制驱动模块301由点阵控制芯片和驱动电路组成。点阵控制芯片用于控制LED点阵模块302上任意LED 3022的点亮，驱动电路由三级管(Q4～Q13)和电阻组成，为LED点阵模块302提供相匹配的电压和电流。

通过上述设置和连接，使得LCD屏的显示区4上的每个区划单元401都对应LED点阵模块302上的一个LED 3022，并可对每个LED 3022的点亮和熄灭状态进行单独地控制，从而实现本发明的一种适应3D打印切片成像进行匹配发光的点阵光源。

本发明中，关于一种适应3D打印切片成像进行匹配发光的点阵光源的方法，该方法包括：点阵光源的设置方法和点阵光源的控制方法。

点阵光源的设置方法采用了下述技术方案，该方法包括以下步骤：

第一步、尺寸设置：将LED点阵模块302的尺寸设置成与LCD屏的显示区4的尺寸相一致。

本实施例所采用的是8.9寸LCD屏，其显示尺寸为：192×120mm。因此，将LED点阵模块302的尺寸设置为：192×120mm。安装时，两尺寸完全对齐。

第二步、进行区划：对上述尺寸进行等分区划，形成一定行列数的区划单元3021。

综合LCD屏的显示尺寸、LED透镜的直径及LED的功率等因素，本实施例将上述尺寸区划为：10行16列，这样得到160个区划单元3021，每个区划单元3021的形状为正方形，其尺寸为：12×12mm，此结果符合前面所述的设置规则。

对于有些尺寸的LCD屏，区划后所得到的单元尺寸是一个接近正方形的矩形，这也是符合设计要求的。如10寸LCD屏的显示尺寸为：196.6×147.5mm，将其区划为：12行16列，得到的单元尺寸是：12.2875×12.2917mm，便是一个接近正方形的矩形。

如图2所示，因为LCD屏的显示尺寸与LED点阵模块302的尺寸完全一致，因此，对LED点阵模块302的区划，也就是对LCD屏的显示区4的区划，所得到的区划单元完全一致且成一一对应关系。

第三步、构建LED点阵模块302：在每个区划单元3021的中心位置安装一个LED3022，根据本实施例的驱动方式，按行列对其进行共阳极连接，如图2、图5、图6所示，构成本发明的LED点阵模块302。

第四步、设置LED点阵模块302与LCD屏的距离：根据第二步中所形成区划单元3021的尺寸和选定的LED透镜的发光角度，设置LED点阵模块302与LCD屏的距离，使每个LED3022所投射到LCD屏上的光照区域可以覆盖其所对应的区划单元401。

本实施例中，区划单元3021为边长12mm的正方形，可计算出其对角线的长度为：16.97mm，以圆形透镜为例，这个值即为LED 3022投射在LCD屏上可以覆盖区划单元401的光照最小直径值。

本实施例所采用的LED透镜的角度为：30度，计算可得，透镜的焦点与LCD屏的距离为：31.67mm时，投射的光照直径为：16.97mm，即在此距离下，所投射的光照区域可以覆盖边长为12mm的正方形。在实际应用中，应将这个距离值设的稍大一些，本实施例将此安装距离设为32mm。

通过以上四步，本发明的点阵光源所达到的效果是：LCD屏的显示区4上的每个区划单元401都对应一个LED 3022，在每层打印的过程中，只要将LCD屏上包含固化内容(包含切片成像)的区划单元401所对应的LED 3022点亮，即可为该层打印提供充足有效的固化光源，而无需点亮整个LED点阵模块。如图1、图2所示，包含切片成像示例402的区划单元401，所对应的是点亮状态的LED3022(不带“×”号的)，而不包含切片成像示例402的区划单元401，所对应的是熄灭状态的LED 3022(带“×”号的)。

在图2中，为了更清楚的说明点亮效果，将切片成像示例轮廓图3023复制到了LED点阵模块302的对应位置。从图中可以清楚地看出：凡是包含切片成像示例轮廓图3023的区划单元3021，其中的LED 3022是点亮状态的，不包含的，则是熄灭状态的。

点阵光源的控制方法采用了下述技术方案，该方法包括以下步骤：

第一步、控制参数的设定：依据上述点阵光源的设置方法中第二步所形成的区划单元的行数10和列数16作为参数，对整个系统进行相应的设置，包括：上位机软件的切片解析参数、控制数组的元素个数、3D打印固件的控制参数及LED点阵控制驱动模块301的连接设置等，均相互对应。

第二步、解析3D打印切片：通过上位机软件对3D打印每层的切片进行解析，将3D打印切片格式化成LED点阵模块302的控制数组。实现的方式有两种：第一种是通过解析每层的切片数据成像生成，第二种是通过直接解析每层的切片数据生成。

上述第一种解析方式：解析切片数据成像。其具体方法是：遍历切片数据成像的像素值，并在每个区划单元内做搜索循环：

8.9寸LCD屏的显示像素为：2560×1600，即每个切片数据成像的像素数为：2560×1600。对其进行区划后，生成10行16列的区划单元401，每个区划单元401的像素数为：160×160。将切片数据成像的左上角设为原点0，向右为：x方向，向下为：y方向。所要搜索的各区划单元，其像素范围的通用公式为：(C-1)×160+1≤x≤C×160，(R-1)×160+1≤y≤R×160。那么，第一行第一列的区划单元即：R1C1的像素范围为：(1-1)×160+1≤x≤1×160，(1-1)×160+1≤y≤1×160，即：1≤x≤160，1≤y≤160。同样可计算出其他区划单元的像素范围。例如：

第一行第二列的区划单元R1C2的像素范围为：161≤x≤320，1≤y≤160。

第二行第1列的区划单元R2C1的像素范围为：1≤x≤160，161≤y≤320。

最后一个区划单元R10C16的像素范围为：2401≤x≤2560，1441≤y≤1600。

如在某区划单元内搜索到RGB值均为：255的像素(该值的图像显示为白色，即包含固化内容)，即将该区划单元的控制数值设为：“0”，跳出循环，完成此区划单元的搜索，如在该区划单元内没有搜索到RGB值均为：255的像素，则表示该区划单元内不包含固化内容，即将该区划单元的控制数值设为：“1”，完成该区划单元的搜索设定。然后，重复此操作，对下一个区划单元进行搜索设定，直至完成对全部区划单元的设定，即生成与该切片数据成像相适应的点阵光源控制数组。

上述第二种解析方式：直接解析切片数据。具体方法是：用上述点阵光源的设置方法中第二步进行区划所形成的9条横线和15条竖线，依次与切片数据中的线段做相交计算，如有相交，就在已有的切片数据中添加新的交点坐标值，最终生成一个相交计算后的切片数据。然后，遍历这个切片数据，并在每个区划单元内做搜索循环：

8.9寸LCD屏的显示尺寸为：192×120mm。对其进行区划后，生成10行16列的区划单元401，每个区划单元401的尺寸为：12×12mm。同样将LCD屏的显示区4的左上角设为原点0，向右为：x方向，向下为：y方向。所要搜索的各区划单元，其尺寸范围的通用公式为：(C-1)×12＜x≤C×12，(R-1)×12＜y≤R×12。那么，第一行第一列的区划单元即：R1C1的尺寸范围为：(1-1)×12＜x≤1×12，(1-1)×12＜y≤1×12，即：0＜x≤12，0＜y≤12。同样可计算出其他区划单元的尺寸范围。例如：

第1行第2列的区划单元R1C2的尺寸范围为：12＜x≤24，0＜y≤12。

第2行第1列的区划单元R2C1的尺寸范围为：0＜x≤12，12＜y≤24。

最后一个区划单元R10C16的尺寸范围为：180＜x≤192，108＜y≤120。

通过上述的通用公式和示例可以看出，在搜索坐标值时，没有包含0值，在实际的设定中，需要加入进一步地判断，在此只说明其解析原理，不再赘述。

凡是区划单元内包含有切片数据点坐标值的，即表示该区划单元包含固化内容，将其控制数值设为“0”，无坐标值的，即表示该区划单元内不包含固化内容，将其控制数值设为“1”。对全部区划单元进行设定后，即生成与该切片数据相适应的点阵光源控制数组。

在所生成的控制数组中，设为“0”值的区划单元，所对应的LED将被点亮；设为“1”值的区划单元，所对应的LED将处于熄灭状态。

第三步、匹配点亮LED点阵模块302：在点亮LCD屏进行打印的同时，生成的点阵光源控制数组通过上位机软件由上位机1的串口发送到3D打印主控板2，经3D打印固件的识读，通过3D打印主控板2上的12864接口将控制信号发送给LED点阵控制驱动模块301。

LED点阵控制驱动模块301首先进行行选择，如图3所示，本实施例由2个74HC138芯片级联成4-16译码器来完成，可控制驱动16行LED，本实施例选用级联后的中间10个管脚来选通LED点阵模块302的行(H4～H13)，并利用三级管(Q4～Q13)来调整电压和电流。被选通行上的LED 3022，阳极接通。

然后进行列的点亮控制，如图4所示，LED控制驱动模块301列的输出由两个74HC595级联而成，通过SPI信号把串行数据转换为并行数据。当某列输出信号为高电平时，即控制数值为“1”时，则该列LED 3022的阴极为高电平，定位选通行与该列交叉位置的LED3022不亮。相反，当某列输出信号为低电平时，即控制数值为“0”时，则该列LED 3022的阴极为低电平，定位选通行与该列交叉位置的LED 3022被点亮。

选通一行后，74HC595输出该行数据。总共10行依次循环，使本实施例LED点阵模块302上的LED 3022按照解析3D打印切片所生成的控制数组进行点亮，从而实现本发明的与3D打印切片成像相适应，进行匹配发光的点阵光源。

本实施例以8.9寸LCD屏为例，对本发明做了具体地说明，对于不同尺寸LCD屏的3D打印机，LED控制驱动模块301的芯片数量可以根据实际需要进行增加或减少。所采用的控制芯片也不局限于实施例中所述，行、列的控制芯片可均采用74HC595进行，也可采用其他类似功能芯片完成。