基于LCD 3D打印机的阵列式LED光源控制技术

基于LCD 3D打印机的阵列式LED光源控制技术

万欣1,2 ,梁宇浩1

1：广州黑格智造信息科技有限公司，广州，510535；2：广州黑格智能科技有限公司，广州，510665

摘要

本文基于光照强度与电流之间的关系，通过对每个LED灯组的驱动电流进行精准、独立地调节，实现对单个LED，或者一个区域的LED的独立且精准的控制，再通过反馈的方式使得LED灯组的光照数据一致，提高出光一致性，提高光斑在投影面上的均匀性，提高选择性透光屏的光通量，提高选择性透光屏的透光率，延长选择性透光屏的使用寿命，改善LCD 3D打印机的打印质量。

关键词：光照强度，光均匀性，透光率，LCD 3D打印机

1 引言

随着科技的不断发展，3D打印逐渐普及并被大众所熟知，目前市面上的3D打印机技术种类很多，根据不同的增量工艺主要区别在于层叠方法和使用的材料，例如FDM、SLS、LOM以及DLP等[1-2]。

液晶显示器（Liquid crystal display，LCD）具有成本低、尺寸大、架构简单、分辨率高等优点，被广泛用于汽车工业设备、手机、电视、数字手表等显示领域，同时也被运用于3D打印技术中[3]。最早研究LCD应用于3D打印的是创客公司，其用普通电脑LCD显示器去掉背光板，加上405nm的UV LED灯珠做背光灯板，实现在LCD的光固化3D打印。由于LCD的内部零件多且结构复杂，通常需要用粘合胶进行粘合，有机胶粘合胶对UV光的耐久性较差。在LCD 3D打印机中，LCD工作时，若对应的像素点呈黑色（不透光），则对应的偏振片呈关闭状态，光源所照射的所有UV光均由该像素内部进行吸收，会加速粘合胶的老化，使得LCD失效，缩短LCD的使用寿命。此外，在LCD 3D打印机中，照射在投影面上的UV光的均匀性会影响最终打印件的整体一致性，影响3D打印效果。现有研究的LCD 3D打印机无法对光源进行精确控制。因此，如何实现对光源所投射的光斑在投影面上的光均匀性进行精准控制对LCD 3D打印机来说至关重要。

2  LCD光学结构

LCD光源是矩阵式LED阵列光源，其特性是基板上阵列排布LED光源，其发射方向是各向的，因此需经过透镜进行准直，使光线垂直照射至接收屏幕。通常在LED单元的光路设置支架以遮挡各个单元的杂散光，防止单元之间相互串光，以便提高整个接收屏幕的均匀性。但是，此方法系统光能利用率不高，同时由于各单元“拼凑”成一个整体，且各个LED之间的个体差异性大，使得整个系统的均匀性受到影响。因LED个体差异大，为了维持固定的输出光功率，需要更高光强的LED照射在屏幕上，这会缩短了屏幕的使用寿命[4]。

3 光照强度与电流关系研究

LED是电流通过半导体材料从而发光的半导体元器件，是一种P-N半导体结合的结构。由于半导体掺杂浓度的差异，即使向每个LED灯组提供的电流相同，每个LED灯组对应的光照强度仍可能存在一定的差异，可以对相应的LED灯组的驱动电流进行调节，确保多个LED灯组对应的光照强度一致，从而使在光线透过LCD后的光照强度也一致，以满足光均匀性的要求[5]。

LED发光过程包括三个部分：正向电压、复合辐射和光能传输。正向电压是外部加载LED正负两端的电压，正向电压让半导体内的电子从基态变为激发态，由于激发态中电子不稳定，经过短暂时间后，停止外部激发，它就会回到基态，电子与空穴复合，并释放出能量为hv的光子，光子通过环氧树脂传递到LED外部。

LED具有正向电流-电压特性，在低正向偏压时，发光二极管的电流是以非辐射性的复合电流为主。在高正向偏压时，发光二极管的电流则是以辐射性扩散为主。在更高的偏压时，发光二极管电流将会受到限流电阻所限制，发光二极管的总电流可以写成：

上式中I为LED的电流，Id及Ir分别为扩散电流及复合电流所引起的饱和电流。

从上式能够看出，复合电流与流过LED的电流密切相关，可以通过控制LED的电流来控制复合电流，从而控制光子数量，达到控制LED亮度的目的。

UV LED恒流电源控制UV LED电流，通过恒流电源驱动，流经UV LED串的电流恒定。通过上述公式得知，在电流恒定的情况下，UV LED的复合电流确定， 则UV LED的发出光子确定，因此光强为恒定值[6]。

LED精确电流控制驱动方案是针对UV LED个体差异，通过准确的LED光强检测方法对每个单体或者每个区域的LED进行光强检测，再通过精确的电源控制器对每一个UV LED进行电流调整，使每个UV LED或者区域内的LED发光强度相同。在光源为普通LED光源时，电流调节机构一端通过通信接口与控制机构连接，进而与各个LED分别连接，可以在控制机构的控制下通过电流调节机构对每一个LED的驱动电流进行独立、精准的调节。而在光源为COB光源时，电流调节机构的数量可与COB芯片的数量相同，且分别与多个COB芯片一一对应连接以对每一个COB芯片进行独立的驱动电流调节，即可根据不同的COB芯片的实际情况对每个COB芯片的恒流电流进行独立和精准的控制。

UV LED恒流电源搭配LED精确电流控制驱动，可以使LCD 3D打印机在整个LCD屏幕内的光强以及光均匀性得到精确控制，而不需要对LCD进行掩膜或者可以大幅减少掩膜带来的不利效果，从而达到整个打印区域内的光均匀性。

4 LCD 3D打印机光均匀性调节结果讨论

通过上述光照强度与电流的关系分别对普通LED光源和COB光源进行试验。普通LED光源可以包括多个普通的LED，且多个LED光源之间可以串联也可以并联。而对于COB光源，多个LED光源之间则互相独立连接。

图1电流调节光照强度均匀性：（a）调节电流前；（b）调节电流后

研究发现，如图1所示，在电流恒定的情况下，调节电流前的光强最大值为96.6W/m2              ，最小值为72W/m2，极差是24.6W/m2，光均匀性仅为75%。通过调节对应电流值后，光强最大值为77.7W/m2，最小值为71.5W/m2，极差是6.2W/m2，光均匀性提高到了92%。

5 结论

本文通过结合电源控制、UV LED的发光特性和光学反馈，形成多环路闭环调整，包括UV LED整体电流闭环控制、UV LED单独电流闭环控制以及光学反馈和UV LED光强闭环控制。通过调节电流与光强的关系，可以实现光均匀性达到92%以上，从而解决LCD 3D打印机表面光均匀性低的问题，从而提高LCD整体使用寿命，属于行业首创，具有一定的应用价值。

参考文献：

[1]李振，张云波，张鑫鑫，等.光敏树脂和光固化3D打印技术的发展及应用[J].《理化检验：物理分册》，2016，10（52）：686-689.

[2]陈小文．快速成型光固化树脂体系的研究[D]．广州：华南理工大学，2011

[3]郭 举，申琼鑫，江宗钊，等，Mini-LED背光区域调光单元的光学特性研究[J].《液晶与显示》，2021,7（36）：939-946.

[4]伍 园，周昱军，胡 亮，等，基于菲涅尔透镜的高效率投影照明光路设计[J].《光电子技术》，2022.2（42）：133-137.

[5]郑玉琼,评价白光LED空间分布均匀性的指标研究[J].《电子世界：探索与观察》2017，15（31）：27-28.

[6]何艳艳，刘筱一，王英，等，用于生发治疗的大功率LED阵列的光均匀性设计[J].《光学与光电技术》，2019.1（17）：81-89.

作者简介：万欣（1989—）工程师，黑格技术总监，主要从事光固化3D打印装备研究，wanxin3000@126.com