CN101563212A - 聚合物对象光学制造工艺 - Google Patents

Abstract

高价值的大规模生产、定制复杂的三维聚合物以及聚合物衍生陶瓷的微型结构直接通过三维的计算机模型被简单的一步加工实现。基于非简并双光投影引发的光聚合反应方法，改进了传统的单光或双光加工方法的不足。具体设备包括：双同步，高峰值功率，飞秒脉冲以及皮秒激光结合的空间光调制器。应用包括高图形分辨率，快速加工制造特别是各种微机电装置，以及在微机电系统的包装领域的广泛应用。

Description

聚合物对象光学制造工艺

技术领域

这是一项有关微型光固化的发明，特别是注重于非简并的双光子方法形成的微型光固化。

背景技术

微型光固化使得源于塑料材料的微小且复杂的三维组件的制造业得以发展。

单光聚合过程是形成一定浓度的光引发剂单体，从而引发光化学反应，形成交联和固化。这个过程是大多数商用微型光固化体系的基础。

双光聚合是制造三维微米及亚微米结构的技术。一束超高速红外激光集中照射在装有光敏物质的容器内利用容量范围内的非线性吸收引发聚合过程。将激光聚集于三维空间，移动激光使其通过树脂，这样一个三维结构就制造出来了。双光微型光固化使得三维结构的制造过程成为高复杂化的精细加工。

相关学者已经阐明了试验中双光微/纳米光固化的过程，但是在双光制造过程中并没有组合投影技术，而且没有结合基于在焦平面上的交叉皮秒脉冲图像的非简并双光光聚合过程。现有的双光光固化技术，通过双光吸收过程，使散装的光敏聚合物内的单一体继续聚合，从而生成无限的，具有复杂几何形状的三维体。

然而，这些体系虽能及时的加工，但由于逐点的加工方法，使其在制造容量上受到限制。而且，这些体系还需要超精确的翻译或镜像指导来产生在微观尺度下的高分辨率。近年来，双光过程中逐步明确光敏引发剂的双光吸收截面的趋势，也暗示了目前及至将来扫描镜系统的扫描速度也将对双光光固化过程产生限制。

基于单光的微型光固化技术采用表面逐层的方法，最终限制了快速制造原型化合物以及小批量生产微型聚合物的过程。表面逐层递进的方法由于表面张力及释放层的问题也限制了加工物体的几何形状，而且需要通过支持该结构的插入算法，通过广泛的网络数字插入到三维模型中。所有这些因素都限制了制造过程的发展，降低了微聚物的总生产量。

同时，利用微型光固化技术能够生产具有复杂几何构型的原型物质，但是大规模生产还很难做到。理想的微型光固化装置可以实现通过一台简单的机器，能够制造任何复杂的几何体系，且不需要支撑结构，能够实现快速，大量生产以及大规模定制。

双光吸收可以在两种形式下发生：简并和非简并。简并过程是指光在相同波长有吸收，而非简并过程是指光吸收的波长不同。

几乎所有利用单聚焦光束对双光聚合的研究都被简并现象所限制。非简并，双光聚合，用两束不同波长的激光，增加了申请费用，需要具有更加复杂配置的光学仪器以及双激光脉冲同步。

然而，非简并的配置显示了独特的优点，它能够有效的提高总产量，且制造体系具有多功能性。非简并体系能够更好的控制反应量，因为反应量只是由适当波长处光束的叠加所决定的。

在双交叉光束简并配置中，简并双光吸收速率在双光束交叉处会增加，但是，如果输入样本之后的光束依然紧直，或者在低数值光圈，如之前所期望的光吸收依然会在光路上发生。这套装置使在光的传递路径上产生双光吸收(TPA)，并且在双光束交叉处吸收会增加，因此能够限制总辐射，使其在预计的加工量内传递。这种情况也限制了可达成的光聚合反应的速度，以及特殊尺寸的分辨。对于双光聚合，光束传递路径上的光吸收是不利的影响，这已经通过调整在高数值孔径中的焦距的方法避免。由于光束逼近焦点，发生光吸收的可能性增加，从而降低了在简并配置中设计具有较高数值孔径物镜的可能性。

因此，这就需要一种双光投影的微型光固化方法，结合了非简并，双光方法投影微型的光固化，但是并没有受到已知方法的限制。

发明内容

整体考虑了这个领域后我们提出了这项发明，这不是那些明显的普通技术，在这个发明里所有确定的需要都将得到满足。

这项新的，非常有用的发明解决了长期存在的，但迄今没有实现的在微型光固化领域的改进提高。

新的双光投影微型光固化过程，结合了非简并双光方法投影微型光固化的创新。更特别的是，非简并双光吸收实现了单步，全数字，大量加工微型聚合物或直接通过电脑设计的模型文件大量生产几乎任何三维几何构型的聚合物衍生陶瓷结构。这种单步加工过程由于它的简便性被称作聚合物主体光学加工过程(POOF)，这个缩写也说明了这种技术能够实现对具有任何不受限制的几何构型包括具有几乎任意理想的宽高比例的三维微型聚合物结构的极快速的微细加工。

聚合物主体光学加工过程，通过基于投影技术的非简并双光引发的光聚合(TPIP)方法改进了已知的光固化过程。把空间光调制器例如德州仪器的数字光处理器的投影技术应用到双光加工过程形成一种高度并行的光固化方法。这种方法充分降低了或完全去除了对支撑结构的依赖性，使产物能够具有任意复杂的几何构型(有限范围内的可分辨特征最小尺寸)，并且提供了光学的机械装置，使得通过简单仪器，单步完成快速加工，高产量大量生产，大规模定制微型聚合物或聚合物衍生陶瓷结构成为现实。

这个过程需要配合具有高双光吸收横截面的光引发剂使用，同时与各种丙烯酸酯，乙烯基醚，环氧树脂，可生物降解水凝胶，人造橡胶或聚合物衍生陶瓷配合使用，来为微机电系统(MEMS)产生复杂的微观结构，并且为工业上广泛应用的微光机电系统(MOEMS)整合复杂的三维光学电路。聚合物主体光学加工技术将成为基于聚合物及其衍生陶瓷的微机电系统和微光机电系统技术改进的积分工具，同时改进包装制造的现有和新出现的微机电和微光机电设备。

聚合物主体光学加工技术的加工能力实现了加工的多功能性以及现有技术所不能实现的微型几何体的大规模生产。

附图说明

图1是第一台具体装置的正面图解；

图2是图1中结构的端视图解；

图3是图1结构的顶视平面图解；

图4是第二台具体装置的端视图解；

图5是第二台具体装置的正面图解；

图6是第三台具体装置的正面图解；以及

图7是第三台具体装置的顶视平面图解。

具体实施方式

这项发明通过非简并双光吸收技术提出了凝固，去凝固以及光敏材料折射指数修改的方法，从而提出了直接由计算机模型快速制造加工三维微型结构的方法。这项新方法的步骤包括：

把一种能够通过非简并双光吸收选择性实现凝固化，去凝固化或折射指数修改的物质放置到一个容器中，这个容器至少要有一个光学透明的窗口，使得容器内的物质可以无障碍的被激光照射。或者选择一个由光学透明材料制成的容器；

提供各种可控像素要素；

选择两种分别具有能引发非简并双光聚合反应的同步脉冲激光光源；

提供光学投影系统，发射飞秒激光脉冲光的影象；

发射飞秒激光脉冲到各种像素要素，使光源中设计好的影象部分通过容器的窗口，聚焦到光敏材料上；

提供一个光学系统接收皮秒脉冲激光所产生的光板，使得光板具有光学上薄且平的特性；

瞄准飞秒光模式和皮秒光带，使它们交叠的焦平面上互相垂直相交。特别是，使皮秒脉冲在薄的，平的面上和飞秒脉冲交叉，如此薄的，平的皮秒脉冲垂直横断光源使得光敏材料在光相交时被引发；

使容器和光敏物质相对于交叉的焦平面的临界角要小于容器材料和光敏材料之间的临界角；

采用速度传感器检测容器通过光交叉区域的实时速度；

提供电脑控制系统，为每一个通过可控像素要素形成的投影传输电数据，根据速度传感器所获得的数据，任何可控像素的速度更新都将被扼杀。或者，反馈能够改变速度传输，控制激光充分速率，光路长度，或者可控制的像素。微调体系也许不需要反馈。

提供一个计算机可执行的算法，以获得一系列三维计算机模型切片的数据，形成一系列二维图像文件与可控的像素元素做比较；

最后将从三维计算机模型文件中获得的二维图像结果发送到各种可控像素，使计算机模型文件的切片投影在容器内的物质上，而这种物质通过由光敏物质的光反应以及实时速度检测的反馈数据决定的在焦平面上的交叉速度来进行翻译；以及

重叠脉冲同步运行两个不同的波长，它们被作为预先设置的能源，用来满足能源相结合的需求，从而在光反应材料当中实现光束相交体积内的非简并双光子吸收。

阵列可控像素中元素的排列可以包括空间光调制器，同时空间光调制器也可能包括多个镜像表面，它们或者从第一位到第二个位都相互独立成型，又或者该镜像允许定向控制该区域从每个镜像反射过来的光线。空间光调制器被数字电子所控制，并以此通过载人二进制数组日期来修复每个镜像面。如果镜面能提供空间图案投射激光脉冲的话，二进制图像阵列中每比特的日期就能决定有定向性的支轴。镜像数据的二进制排列是二维切割数据提供的，而二维切割数据又从一个三维计算机模型中通过编程提取的。在某些情况下，对于满足构造几何形状来说，从计算机模型中提取二维切割数据是一个确切的二维截面复制品，但是在其他情况中，被提取的切割数据会以这样的方式进行处理从而运用空间光调制器作为可进行数字编程的全息光栅的能力，从而把全息图像映射到图像中间。

空间光调制器的脉冲激光照明是一个飞秒脉冲激光源。

成对的光学系统和空间光调制器一起组成了激光投影机，而这个激光投影机有一个非球面镜片光束并用它来引导冷凝器，让它置前并定向于空间光调制器，微镜排列空间光调制器，以及同时集中在空间光调制器和相交光点的逐步减少的后成像镜头上。这项发明不局限于微镜排列空间光调制器，在他的范围内还有好多种类型的空间光调制器。

非球面聚光镜的重新分配飞秒激光的高斯能量分布，从而形成更多的能量，使它们贯穿于空间光调制器以及映射焦平中，映射的图像被导入一个特定的区域，该区域可以容纳与皮秒表光束的交叉点，同时也可以让中期和窗口容器/盆地穿过交叉区域。

另外，光学图像镜头可以用来扩大或减少投射的总面积，从而能相应地减少或增加分辨率。

将非球面圆镜头放在设置之间的皮秒激光光源和光交叉量或“加工平台”，就能利用一束光学系统创造一个细薄的脉冲辐射能量。非球面圆镜头可重新分配皮秒激光能量分布，其能量按高斯分布于能量板上。该薄板的脉冲能量想对应着飞秒焦距面的发射图像。

另外，一束光学系统可从衍射光学元件来设计，该元件能发出的光可以与发射光源的焦距交叉。

光敏感材料包括一个高效的双光敏性的引发剂和与之相适应的快速反应单体如丙烯酸酯，乙烯醚，环氧树脂，可生物降解水凝胶，弹性体，或聚合物衍生陶瓷。反应媒介可以为液态树脂，该树脂能凝固以使得光敏材料能够暴露于交叉光中继而生成具有微观结构的构造。反应媒介也可以为固体，同样地能使得光敏材料能够暴露于交叉光中继而生成具有微观结构的构造。反应媒介也可以是某种能改变折射率从而使得光波导的产生。

这种新颖的聚合物主体光学加工过程(POOF)过程中汲取了空间光调制器优势，如德州仪器的数字光处理器(DLP.TM.)发射技术变成两个光子产生过程。鉴于发射光需要进入具有大的空间体积的聚合物，该过程需要一个无衰退过程来进行双光引发的光聚合(TPIP)。聚合物主体的光学加工过程(POOF)还需要一个由高强的能量、飞秒级的，一定波长的脉冲激光源激发的投射系统(lamda..sub1).它的作用是投射形成二维切片的三维计算机模型。

脉冲图形经一个缩小比例大概1.1∶1的镜头或者特定波长的激光操作的缩小更多的高能纳秒级的，窄的平面图投射到比制造物体积大的感光材料。脉冲图像正交在投射图像镜头的聚焦中心。在飞秒级脉冲图像和皮秒级的窄的脉冲光源的连接处，两个不同波长的的光投射系统lamda..sub1和投射系统lamda..sub2在同步双脉冲正交会诱导非衰变的1，5-反式聚戊烯橡胶引发全部数字成像的电脑模型的二维片段的自由基的或阳离子的双光引发的光聚合(TPIP)过程。飞秒级脉冲投射图像与皮秒级脉冲光的正交是本发明的重大特征。

非衰变两光吸收因为需要两个同时的脉冲激光，机器设计的总难度就增加了。但是这样配置还有一个好处：可以调控光照射正交的形状实现产物的多样性。这就可以改变制作出的产物的形状。非衰变双光方案还可以利用双光聚合过程的低数目孔隙。这种多样性是非衰变双光吸收过程内在的，因为双光吸收只存在于脉冲正交，结合激发中的每次照射都满足两次双光引发的光聚合(TPIP)所需要的激发。

为了更好的优化微观立体成型过程得到大分子量产品，投射的图像要直接到桶里或玻璃管中，角度要小于透明的桶或玻璃管壁和光敏高分子材料的临界角度。在制作的时候有五个因素对于聚合物主体光学加工过程(POOF)的设计有重要影响：a)静态光焦平面，b)光路中实际静态的光学配件，c)一个可以快速转换的轴，d)能够形成湍流的感光橡胶做的容器，e)41000000立体像素制作的经高水准空间光电子投射调节器如非常高水准的Texas仪器的电子微观设备(DMD)。

从光学，机械的和软件设计的前景来看，满足这五个重要的设计约束条件制造微观立体形状就是优化高速、高分子量微观产品。满足这些限制条件也证明了聚合物主体光学加工过程(POOF)技术的新意-数控、非衰变双光子、投射、微观立体成型得到任意形状的高分子量的三维产物。

基本的聚合物主体光学加工过程(POOF)系统包括密封的透明的桶装有适合浓度一个双光子光引发的单体，满足聚合物主体光学加工过程(POOF)过程的两道同时的激光的单光子光学透明规则。

桶装在一个低振动的转动系统，可以通过制造物的盘以一个恒定的速度转动桶，这个盘就是投射图像和光正交的地方。DLP.TM。投射系统以转动系统和光敏材料的聚合速度所决定的速度持续的投射一系列飞秒级高能十字片段状的CAD模型图像。皮秒级脉冲窄光同时正交投射在卖场图像在聚焦中心。因为光到达光敏材料的孔隙数目，光的波长，脉冲激光形成的激发，以及照射都不能单独诱导直接的双光引发的光聚合(TPIP)。一定体积液体进去，进行“聚合物主体光学加工过程(POOF)”，三维部分就可以制造出来。每个制作物片段的厚度由非衰变双光引发的光聚合(TPIP)薄板的空间厚度与飞秒级光照射在物理正交图形的暂时长度的动力学来测定，也可以测量光聚合过程中的光的散射和反应过程聚合物链的淬灭系数。

在每次最好的材料中进一步经验摸索交叉照射图像，需要测量飞秒级脉冲能量和皮秒级脉冲能量的范围并找到二者的平衡，以实现非衰变双光引发的光聚合(TPIP)而不会在制作过程导致受热损伤并保持体系的最高产量。

POOF的激光系统和光学系统是根据双光引发的光聚合(TPIP)只在激光照射的交叉处发生的原则选择的。将光敏材料单独暴露在照射皮秒级脉冲图像波长投射系统lamda..sub 1或是皮秒级光板波长投射系统lamda..sub2都不会直接引发双光引发的光聚合(TPIP)。只有当投射系统lamda..sub1的照射与投射系统lamda..sub2交叉照射时才能形成适合的能量引发直接双光引发的光聚合(TPIP)。

皮秒级脉冲板厚度和校准要低于导致激发损伤损坏光敏材料的激发限制。理论最佳光传输系统是最佳化学和硬件配置促进大量制造聚合物为基础的微观结构过程与空前三维多样性的结合，特定大小分辨率和高的产量。几个为大量产物构想的双光引发的光聚合(TPIP)照射聚合物主体光学加工过程(POOF)设计描述了快速定型或快速制造聚合物或聚合物引导的陶瓷微观结构的内部设计和微观特征的高分辨快速定型建立微观结构。

为了全面优化制造系统，使用了一个添加的光学硬件，通过结合一个磁铁形成一个薄的，盘状的，磁场与脉冲光交叉区域。众所周知光敏聚合物位于一个适中的磁场可以提高光聚合过程的光的效率。但是，在立体定型和双光引发的光聚合(TPIP)构型这一领域与薄磁场在聚焦区域结合的技术以前还没有出现过。增加过程的总光效率导致较低的脉冲能量需求实现双光引发的光聚合(TPIP)或增大过程的产物总量。

图1-3描绘了典型的组装，通过用一个整体10的方法表示。运送系统12通过制造区域携带容器14。如上所述，至少容器14是光学透明的。描述的运送装置包括链带16连接的滑轮18a，18b，纵向空间相互远离，各自通过振动有支脚20a，20b的分离机件19a，19b支撑。光板玻璃轨迹22为容器14提供指引路径，自身通过机件21a，21b支持支脚23a，23b制造区域。

当然，机器设计的艺术包括数量众多的等量结构，沿着预先测定的路径运送容器的所有的等量结构都在本专利范围。

飞秒级脉冲激光表示为24，皮秒级脉冲激光表示为26。空间光调节(SLM)照射系统与飞秒级脉冲激光24的结合用28表示，飞秒级脉冲激光投射用30表示。

飞秒级脉冲激光图像通过空间光调节(SLM)体系28的部分用32表示。这些图像被归类到图像光源。

皮秒级脉冲激光的平板用34表示，它被皮秒级激光26照射由形成表示为35的光学板形成。

同步激光脉冲的交叉点，例如，图像32和平滑薄片34结合的地方标记为36.相交点36就是制造区域。

薄磁铁38被放置在一个斜面上并且与制造区36相交。

在图4和5中进行图解说明的结构和图1至图3中的不同。图1至图3中没有这部分给出的磁铁38。在所有的其它方面，跟参考数字指出的结构是一样的，在图1至图5中完全相同。

在图6和图7表示的第三部分中，大多数功能部件和一般参考数字指明的前两部分相同。但是，装有光敏材料的不是一个相对较小的容器14而是一个大木桶40。垂直升降平台42被设置在大木桶内，并运用适当的方法提升平台42增大相对于制造区域36的垂直高度，这作为独创性的方法被完成。从外面看，木桶42被一个双轴平移体系支撑着，这个双轴平移体系包含位于木桶42底部并相互垂直的坚固臂44、46。木桶42沿着X轴的平移由臂44控制，Y轴方向由臂46控制，Z轴方向由垂直升降平台42控制。Z轴垂直于FIG.7中的纸平面。按照这种方法，当木桶40在计算机的控制下沿轴平移时光敏材料也被移到通过制造区36。可以看出能够有效地完成上文所列优点(这些优点可以很容易地从上面的描述中获得)，因为在发明的范围内上面得结构中会产生一定的变化，所以试图对以上描述的或相关图画显示的所有物体给出直观的说明并且没有限制意义。

可以理解权利要求试图涵盖这里所描述的发明的所有一般的和特殊的结构，并且对发明范围的所有陈述(属于语言范畴)落入其间。现在对这个发明的描述已经结束了。

Claims (11)

1.一种通过计算机模型直接构造三维微结构的方法，包括以下几个步骤：提供一个至少一部分光学透明的容器；在容器内放置一个光敏材料，这样可以使激光透过所述光敏材料；用非简并双光子吸收来修饰所述光敏材料。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述修饰步骤包括了按照所述格局使所述光敏材料进行凝固的格局修改。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述修饰步骤包括了按照所述格局使光敏材料进行熔化的格局修改。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述修饰步骤也包括了按照所述格局使光敏材料产生折射率的格局修改。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包含了以下方面：提供一系列可控像素要素；在这些像素要素直接导入飞秒激光脉冲，这样的话所述像素要素就会产生一个脉冲图案光源，该光源具有可选择性诱导非简并双光子聚合的波长；提供一个具有可选择性诱导非简并双光子聚合波长的脉冲图案光源；提供一个第一光学反射系统来反射所述脉冲图案光源产生的光；提供一个具有可选择性诱导非简并双光子聚合波长的脉冲激光；提供一个第二光学反射系统来反射所述脉冲激光；同步所述脉冲图案光源与所述脉冲激光；脉冲图案光源的目的是穿过所述容器的光学透明部分进入光敏材料并在所述光敏材料上聚集形成第一个光源的平滑薄片；导入飞秒脉冲激光，并将所述飞秒激光脉冲聚集在与来自像素要素的脉冲图案光源薄片相交的激光薄片上，相交产生了一个制造区域，这个区域都有光线重叠相交薄片的各自的焦点平面，这些激光薄片与垂直于反射源的脉冲图案光源薄片相交，于是光敏材料的预选区域在所述制造区被修正；穿过装有所述光敏材料容器的相交焦点平面的夹角小于容器材料和光敏材料的临界角；被预选的两种不同波长的能量控制的同步重叠脉冲满足必要的能量需求相结合来完成所述光敏材料制造区域上的非简并双光子吸收。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还进一步包含了：用一个反馈速度检测传感器检测容器通过制造区域的实时速度。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包含了以下方面：从可控像素要素发送电子数据给每一个投影的图像；提供一个计算机控制系统根据从所述速度检测传感器获得的反馈数据调节可控像素阵列的刷新率。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包含了：提供一个计算机控制系统根据从所述速度检测传感器获得的反馈数据改变传送速度。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包含了：提供一个计算机控制系统根据从所述速度检测传感器获得的反馈数据控制激光重复率、光的路径长度和可控像素阵列。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包含了：提供一个计算机可执行程序来提取一系列三维计算机模型数据并转化为一系列与可控像素要素兼容的二维图像文件。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包含了：按顺序把从三维计算机模型文件中提取的二维图像序列传送到允许计算机模型文件投影进入光敏材料的可控像素阵列，因为光敏材料通过制造区域进行转化的速度由光敏材料的光敏修正时间和实时反馈数据速度决定。

Images