一种用于3D打印的离轴拼接投影物镜系统

技术领域

本发明涉及光学镜头技术领域，特别是涉及一种用于3D打印的离轴拼接投影物镜系统。

背景技术

3D打印技术，作为一种快速成型技术，其特殊的生产制造方式实现了人们对高效、精细、个性化和定制化产品的追求。该技术发展至今，已经不仅仅为工业设计或机械制造行业提供模型样版。其应用途径涉及珠宝、食品、工业设计、建筑、工程、汽车，航空航天、医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、军事等领域。光固化3D打印技术原理为光谱中能量最高的紫外光产生的活化能，能够使不饱和聚酯树脂的C-C键断裂，产生自由基从而使树脂固化。

目前，随着3D打印得到的零部件力学稳定性、加工精度和表面粗糙度提升。逐步追求更大的打印画幅，大画幅可打印更大尺寸的零部件或同时打印多个零部件，从而实现打印效率的提升。

现有3D打印系统增大画幅只能通过增大图像生成器尺寸或者多个光机排列放置，大尺寸图像生成器良率较低且稳定性较低；多个光机排列放置方案会增大3D打印机的尺寸且多光机排列位置调节操作难度较大。同时，两个方案均会大幅增加硬件成本。因此，设计一种用于3D打印的离轴拼接投影物镜系统是十分有必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于3D打印的离轴拼接投影物镜系统，采用两片小尺寸图像生成器，光学系统模块化设计，仅离轴镜片组可竖直方向位置微调节，从而实现两投影画幅的重叠和重叠范围的大小，除离轴镜片组外，均共用同一套光学系统，合理均衡成本、体积、像质和分辨率，具有高集成度、体积小、易于制造，公差合理，成本较低且成像质量高等一系列优点，具有很高的实际应用价值。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于3D打印的离轴拼接投影物镜系统，沿光轴由物面至成像面依次包括：图像生成器组、保护玻璃、分光器件、离轴透镜组及共用镜片组；

所述图像生成器组包括第一图像生成器及第二图像生成器，所述第二图像生成器设置在所述第一图像生成器的上侧；

所述离轴透镜组包括第一离轴透镜组及第二离轴透镜组，所述第一离轴透镜组及第二离轴透镜组分别对应所述第一图像生成器及第二图像生成器设置，所述第一离轴透镜组及第二离轴透镜组均包括第一透镜GM1及第二透镜G2；

所述共用镜片组包括第三透镜GM3、第四透镜G4、第五透镜G5、第六透镜G6、第七透镜G7、第八透镜G8、第九透镜G9、第十透镜G10、第十一透镜GM11、第十二透镜G12及第十三透镜G13。

可选的，所述第一透镜GM1、第二透镜G2、第三透镜GM3、第四透镜G4、第五透镜G5、第六透镜G6、第七透镜G7、第八透镜G8、第九透镜G9、第十透镜G10、第十一透镜GM11、第十二透镜G12、第十三透镜G13、分光器件及保护玻璃均为玻璃材料；

所述第一透镜GM1、第三透镜GM3及第十一透镜GM11均为非球面镜片，所述第七透镜G7的物面侧表面设置有光阑。

可选的，所述第一透镜GM1至第十三透镜G13的长度L与第一透镜GM1物面侧表面至成像面的长度BFL之比为8＜|L/BFL|＜10。

可选的，所述共用镜片组的焦距f与离轴透镜组的焦距f

可选的，所述第六透镜G6的焦距f

可选的，所述第九透镜G9与第十透镜G10、第十一透镜GM11、第十二透镜G12、第十三透镜G13的弯曲方向相反，第九透镜G9的焦距f

可选的，所述第十二透镜G12与所述第十三透镜G13的光焦度相反，所述第十二透镜G12的焦距f

可选的，所述第四透镜G4的折射率n

所述第五透镜G5的折射率n

所述第四透镜G4及第五透镜G5组成胶合镜片，折射率按高低排列，阿贝常数按低高排列。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的用于3D打印的离轴拼接投影物镜系统，沿光轴由物面至成像面依次包括：图像生成器组、保护玻璃、分光器件、离轴透镜组及共用镜片组；所述图像生成器组包括第一图像生成器及第二图像生成器，所述第二图像生成器设置在所述第一图像生成器的上侧；所述离轴透镜组包括第一离轴透镜组及第二离轴透镜组，所述第一离轴透镜组及第二离轴透镜组分别对应所述第一图像生成器及第二图像生成器设置，所述第一离轴透镜组及第二离轴透镜组均包括第一透镜GM1及第二透镜G2；所述共用镜片组包括第三透镜GM3、第四透镜G4、第五透镜G5、第六透镜G6、第七透镜G7、第八透镜G8、第九透镜G9、第十透镜G10、第十一透镜GM11、第十二透镜G12及第十三透镜G13；采用两片小尺寸图像生成器，光学系统模块化设计，仅离轴镜片组可竖直方向位置微调节，从而实现两投影画幅的重叠和重叠范围的大小，除离轴镜片组外，均共用同一套光学系统，合理均衡成本、体积、像质和分辨率，具有高集成度、体积小、易于制造，公差合理，成本较低且成像质量高等一系列优点，具有很高的实际应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例用于3D打印的离轴拼接投影物镜系统结构示意图；

图2为离轴拼接投影物镜系统MTF示意图；

图3为离轴拼接投影物镜系统点列示意图；

图4为离轴拼接投影物镜系统光路示意图。

附图标记：1、第一离轴透镜组；2、第二离轴透镜组；3、分光器件；4、保护玻璃；5、第一图像生成器；6、第二图像生成器。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种用于3D打印的离轴拼接投影物镜系统，采用两片小尺寸图像生成器，光学系统模块化设计，仅离轴镜片组可竖直方向位置微调节，从而实现两投影画幅的重叠和重叠范围的大小，除离轴镜片组外，均共用同一套光学系统，合理均衡成本、体积、像质和分辨率，具有高集成度、体积小、易于制造，公差合理，成本较低且成像质量高等一系列优点，具有很高的实际应用价值。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明实施例提供的用于3D打印的离轴拼接投影物镜系统，沿光轴由物面至成像面依次包括：图像生成器组、保护玻璃4、分光器件3、离轴透镜组及共用镜片组；

所述图像生成器组包括第一图像生成器5及第二图像生成器6，所述第二图像生成器6设置在所述第一图像生成器5的上侧；

所述离轴透镜组包括第一离轴透镜组1及第二离轴透镜组2，所述第一离轴透镜组1及第二离轴透镜组2分别对应所述第一图像生成器5及第二图像生成器6设置，所述第一离轴透镜组1及第二离轴透镜组2均包括第一透镜GM1及第二透镜G2；

所述共用镜片组包括第三透镜GM3、第四透镜G4、第五透镜G5、第六透镜G6、第七透镜G7、第八透镜G8、第九透镜G9、第十透镜G10、第十一透镜GM11、第十二透镜G12及第十三透镜G13。

所述第一透镜GM1、第二透镜G2、第三透镜GM3、第四透镜G4、第五透镜G5、第六透镜G6、第七透镜G7、第八透镜G8、第九透镜G9、第十透镜G10、第十一透镜GM11、第十二透镜G12、第十三透镜G13、分光器件3及保护玻璃4均为玻璃材料；

所述第一透镜GM1、第三透镜GM3及第十一透镜GM11均为非球面镜片，所述第七透镜G7的物面侧表面设置有光阑。

所述第一透镜GM1至第十三透镜G13的长度L与第一透镜GM1物面侧表面至成像面的长度BFL之比为8＜|L/BFL|＜10，实现控制光学镜片及其空气间隙总和长度与后工作距离的合理分配，有效压缩光学系统总长，实现光学系统小型化。

所述共用镜片组的焦距f与离轴透镜组的焦距f

所述第六透镜G6的焦距f

所述第九透镜G9与第十透镜G10、第十一透镜GM11、第十二透镜G12、第十三透镜G13的弯曲方向相反，第九透镜G9的焦距f

所述第十二透镜G12与所述第十三透镜G13的光焦度相反，所述第十二透镜G12的焦距f

所述第四透镜G4的折射率n

所述第五透镜G5的折射率n

所述第四透镜G4及第五透镜G5组成胶合镜片，折射率按高低排列，阿贝常数按低高排列，此光学属性镜片序列组合，可高效减小系统二级光谱。

离轴拼接投影物镜系统适配最大图像生成器尺寸为0.31inch，两个尺寸不大于0.31inch的图像生成器实现重叠范围可调的拼接方案，第一图像生成器和第一离轴镜片组与第二图像生成器和第二离轴镜片组沿系统光轴镜像对称放置，画幅重叠范围可通过两个离轴镜片组分别沿竖直方向偏移实现调节。

离轴拼接投影物镜系统参数如表1所示；

表1离轴拼接投影物镜系统具体参数表

非球面透镜GM2及GM14各阶系数如表2所示；

表2非球面透镜GM2GM14各阶系数

MTF(英语名称：Modulation Transfer Function)指标是目前镜头最精确和科学的评价标准。纵坐标为对比度，越接近1，代表镜头成像越好。横坐标代表分辨率，单位每毫米线对数。本申请实施例采用的投影画幅像素大小为125μm，对应的设计分辨率为4线对每毫米。投影镜头一般至少要求各个视场的MTF数值在设计分辨率达到0.3以上，如图2所示，本申请实施例光学变焦焦段内的MTF值都在0.6以上，具备极优秀的成像质量。

由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。点列图是在现代光学设计中最常用的评价方法之一。本申请实施例采用的投影画幅像素大小为125μm，可见个视场均方根弥散斑半径大小均远小于125μm，其中，本申请实施例的点列图如图3所示。

第一图像生成器和第二图像生成器发出光线分别经第一离轴镜片组和第二离轴镜片组发生光线偏折，后经过共用镜片组在接受面成像，由于两图像生成器尺寸相同，两离轴镜片组相同且位置沿系统中心光轴镜像对称放置，经共用镜片系统后成画幅尺寸相同但画幅位置竖直方向偏移的像，从而获得两个画幅部分重叠的像，画幅重叠量D有离轴镜片组竖直方向偏移量决定，示意图如图4所示。

由实施案例可见镜头低、中、高频的MTF(调制传递函数)均有非常好的程度，可分析出其具备较高的解像效果；

离轴拼接投影物镜系统适配最大图像生成器尺寸为0.31inch，两个尺寸不大于0.31inch的图像生成器实现重叠范围可调的拼接方案；

在实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

CRA＜2°

式中，CRA表示所述光学镜头在成像面的主光线入射角，能够很好的匹配成像芯片，实现良好的投影效果。

本发明提供的用于3D打印的离轴拼接投影物镜系统，沿光轴由物面至成像面依次包括：图像生成器组、保护玻璃、分光器件、离轴透镜组及共用镜片组；所述图像生成器组包括第一图像生成器及第二图像生成器，所述第二图像生成器设置在所述第一图像生成器的上侧；所述离轴透镜组包括第一离轴透镜组及第二离轴透镜组，所述第一离轴透镜组及第二离轴透镜组分别对应所述第一图像生成器及第二图像生成器设置，所述第一离轴透镜组及第二离轴透镜组均包括第一透镜GM1及第二透镜G2；所述共用镜片组包括第三透镜GM3、第四透镜G4、第五透镜G5、第六透镜G6、第七透镜G7、第八透镜G8、第九透镜G9、第十透镜G10、第十一透镜GM11、第十二透镜G12及第十三透镜G13；采用两片小尺寸图像生成器，光学系统模块化设计，仅离轴镜片组可竖直方向位置微调节，从而实现两投影画幅的重叠和重叠范围的大小，除离轴镜片组外，均共用同一套光学系统，合理均衡成本、体积、像质和分辨率，具有高集成度、体积小、易于制造，公差合理，成本较低且成像质量高等一系列优点，具有很高的实际应用价值。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。