基于 Texas Instruments 的 DLP® 技术的高清数字投影仪以在全球 90% 以上的数字电影院中使用而广为人知。然而，设计工程师越来越多地选择 DLP 芯片用于工业应用，包括投射紫光或紫外光以在光固化树脂中曝光高分辨率图案的 3D 打印机。

图 1 - LED 视频投影仪设计（由 Texas Instruments 提供）

虽然 3D 打印技术正在迅速改变设计师制作原型和成品的方式，但其质量和速度尚未超越传统的模制或机加工零件。本文将重点介绍光学和机械工程师团队如何为 3D 打印机开发高分辨率 DLP 投影引擎。

DLP 投影引擎

使用基于 DLP 的 3D 打印机生产的物体比通过选择性地从喷嘴放置熔化塑料层（也称为 FDM（熔融沉积建模））生产的物体具有更光滑的表面和更复杂的特征。与传统的激光立体光刻方法类似，DLP 3D 打印机需要一种反应性树脂，该树脂必须通过使用某种类型的固化（在本例中为紫罗兰或近紫外光）转化为固体。

为实现高亮度和高分辨率，打印机内的投影引擎必须能够产生清晰、均匀的投影图像，并具有足够的能量以合理的速度硬化材料。Greenlight 与 3D 打印机 OEM 合作，根据所需的打印区域、激活波长、所需的分辨率和打印机成本目标，选择最合适的 DLP 芯片组（也称为 DMD 或数字微镜设备）。

投影引擎从一个或多个高输出 LED 阵列或大型 LED 芯片开始。LED 以矩形图案配置，以匹配 DMD 芯片和光学系统的 étendue。越来越多的紫光 (405nm) 和 UVA (350nm-400nm) 现成 LED 封装可供使用，或者可以设计和制造定制封装。除了将 LED 尺寸与 DMD 相匹配外，还必须考虑 LED 封装的机械配置、LED 的输出和效率、LED 封装的热管理以及有效捕获光的能力从发光二极管。

使用基于 DLP 的 3D 打印，光的强度与打印速度和最终产品的质量直接相关。因此，工程师设计了具有低 f 值的光学系统，以实现更大的光源和更高的能量输出，同时允许光学组件校正在选定孔径尺寸下可能发生的像差。

具有低 f 值的系统在设计和制造方面可能具有挑战性，因为 DMD 只能接受特定角度的光，而大孔径投影光学器件需要先进的设计来控制像差。类似地，LED 以非常大的角度发光，需要大量的杂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 瓦光功率的输出。

图 2. 在 TracePro 中建模的处于开启和关闭状态的 DMD 微镜。

设计交钥匙光学系统

从项目开始，这个投影引擎设计就专注于系统的构建和模块化，以便它可以用于基于 DLP 的 3D 打印机，以及投影可用于工业或工业的结构光图案。医疗 3D 扫描应用。

作为德州仪器 (TI) 的 DLP 设计网络的一部分，Greenlight 的光学设计人员能够访问开发工具和最新的 DMD，以加速他们的项目。图 2 中所示的 Greenlight Optics 投影引擎包括 Texas Instruments DLP6500，具有 2,073,600 个高反射数字开关 7.6μ 微镜，分辨率为 1920 x 1080 方形像素。

然而，仅仅能够使用这些芯片是不够的。光学工程师需要了解如何将这些工具应用到他们的镜头和光学设计中。在当今世界，上市时间至关重要，这意味着利用光学仿真工具来确保产品在制造前能够满足性能标准。

设计工程师使用多种软件工具对他们的设计进行建模和仿真。对于照明和光学工程，Lambda Research Corporation 的 TracePro 用于模拟整个系统——从 LED 阵列到 DMD，再到投影镜头。通过对从光源到投影平面的光进行精确建模，光学设计师遵循迭代过程来创建同时实现高效率和高均匀性的设计。这对于工业 3D 打印尤为重要，因为树脂中的各层必须以相同的速率固化，并且层厚变化很小。识别可能导致缺乏一致性的问题在软件模拟中比试错原型更容易解决。

负责将 LED 阵列集成到系统中的光学工程师必须考虑该光源带来的挑战，例如公差、杂散光、光学材料选择、制造设计以及光机械对准和测试。这是通过对一系列工作参数的光学系统性能进行建模来完成的，以确保系统能够按要求运行。

使用蒙特卡洛分析和其他技术，在光学设计阶段考虑制造公差和环境条件，以确保设计可制造并且设计将在真实条件下执行。杂散光模拟有助于提高对比度，并为机械工程师提供完成光机设计的关键信息。

光学设计师使用 TracePro 对完整的光机械系统进行建模。设计师为所有组件添加光学属性，然后使用 TracePro 的 RepTile 表面属性对数千个微镜进行建模。TracePro 中的 Reptile 算法不会创建实际的 CAD 几何体，它会在光线与 DMD 所基于的基础表面相交时动态创建 DMD 表面，从而无需创建大量 CAD 文件，从而显着缩短分析时间。然后将表面属性添加到反射镜表面和反射镜阵列下方的表面，以创建更逼真的 DMD 表示。为了正确设置 DMD“开”和“关”状态，TracePro 包含一个 DMD 纹理生成器，它可以加载 BMP 和 JPG 文件并正确设置镜像状态以生成加载的图像。

图 3. 显示 TracePro 徽标设置的 DMD 纹理生成器。

此时，设计人员使用适当的纹理 DMD 对整个系统进行光线追踪。现在，使用程序的“视觉光线排序”、“路径排序表”和辐照度图功能来查找系统中重影和杂散光的来源是一件简单的事情。通过特定的“开/关”纹理设置，设计师可以使用这些功能在任何表面或区域上以视觉和定量方式查看设计中固有的重影或杂散光问题。

“视觉光线分类”功能允许设计人员根据吸收、镜面反射和散射标准以及系统中每个光源的通量百分比对光线进行视觉分类。“路径排序表”功能创建了一个包含不同路径的电子表格，每组光线可以采用这些路径到达模型树中的选定表面。每条路径都根据相交的表面数量、贡献的功率以及逐个表面采用的路径进行细分。该路径排序表可以与系统模型查看器结合使用，以直观地显示每条选定路径的光线和为该路径贡献的功率，所有这些都同时显示在屏幕上。这种类型的分析可以让设计人员深入了解如何正确放置挡板和光学边缘形状，以最大程度地减少杂散光并将重影减少到可接受的水平。

原型设计和商业化

在软件的帮助下完成初始光学和机械设计后，在投产前对投影引擎进行原型制作仍然是关键步骤。利用其内部玻璃和塑料光学制造、安装加工、组装和对准以及测试能力，Greenlight 能够快速构建和测试原型投影引擎。工程团队分析原型制作的结果，并使用原型设计中使用的相同软件工具创建迭代生产光学和机械设计。

本文由 Greenlight Optics（俄亥俄州拉夫兰）执行合伙人 Michael O'Keefe 和 Lambda Research（马萨诸塞州利特尔顿）销售和营销副总裁 Michael Gauvin 撰写。（TracePro® 软件国内代理:上海复瞻智能科技有限公司。访问 https://www.fulllightcn.com）