CN106273518A - 一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置及其加工方法 - Google Patents
一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置及其加工方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106273518A CN106273518A CN201610991783.3A CN201610991783A CN106273518A CN 106273518 A CN106273518 A CN 106273518A CN 201610991783 A CN201610991783 A CN 201610991783A CN 106273518 A CN106273518 A CN 106273518A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- substrate
- face
- micro
- spherical
- nozzle
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000012545 processing Methods 0.000 title claims abstract description 79
- 238000003672 processing method Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 131
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 64
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 36
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 claims abstract description 29
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000007711 solidification Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000008023 solidification Effects 0.000 claims abstract description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 14
- 230000003075 superhydrophobic effect Effects 0.000 claims description 11
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 10
- 238000004078 waterproofing Methods 0.000 claims description 10
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 9
- YFSUTJLHUFNCNZ-UHFFFAOYSA-N perfluorooctane-1-sulfonic acid Chemical class OS(=O)(=O)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)F YFSUTJLHUFNCNZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 101000746134 Homo sapiens DNA endonuclease RBBP8 Proteins 0.000 claims description 8
- 101000969031 Homo sapiens Nuclear protein 1 Proteins 0.000 claims description 8
- 102100021133 Nuclear protein 1 Human genes 0.000 claims description 8
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 5
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 claims description 5
- 239000002994 raw material Substances 0.000 abstract description 18
- 238000007641 inkjet printing Methods 0.000 abstract description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 6
- 230000004899 motility Effects 0.000 abstract description 3
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 13
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 12
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 11
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 6
- 238000010009 beating Methods 0.000 description 4
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 4
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 3
- 229920001730 Moisture cure polyurethane Polymers 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 2
- 241000208340 Araliaceae Species 0.000 description 1
- 235000005035 Panax pseudoginseng ssp. pseudoginseng Nutrition 0.000 description 1
- 235000003140 Panax quinquefolius Nutrition 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 235000008434 ginseng Nutrition 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29L—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
- B29L2011/00—Optical elements, e.g. lenses, prisms
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)
- Overhead Projectors And Projection Screens (AREA)
Abstract
一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置及其加工方法。本发明涉及基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置及其加工方法。本发明目的是为了解决目前加工微透镜的方法存在的可控性差、效率低、难以制造圆柱面型透镜以及喷墨打印加工方法对墨水原料的粘度要求高的问题。产品包括气压控制器、注射器针管、微喷嘴、基底、三轴线性运动平台、控制驱动器、光学显微镜、COMS相机和计算机。方法：一、材料装填及装置连接；二、基底疏水处理；三、加工；四、固化。本发明提出的基于挤压打印的微透镜加工方法具有良好的可控性及灵活性，可有效实现微透镜尺寸及形状的调节。
Description
技术领域
本发明涉及基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置及其加工方法。
背景技术
微透镜及微透镜阵列在光学通信、生物医学成像、投影光刻、激光光束整形等领域有着广泛的应用。目前，制造微透镜的方法有光刻胶回流技术、激光直写、热压成型、液滴喷墨等方法。
其中基于液滴喷墨的微透镜加工方法在球面型透镜的加工中应用较为广泛。然而，喷墨打印微透镜加工方法仍然存在许多局限性，例如：喷墨打印方法只能加工球面型微透镜，难以制造圆柱面型透镜；难以在浸润性相同的基底上实现不同直径球面型微透镜的制造；此外，喷墨打印加工方法对采用的墨水原料的粘度有着很高的要求，限制了低粘度原材料的应用。
发明内容
本发明目的是为了解决目前加工微透镜的方法存在的可控性差、效率低、难以制造圆柱面型透镜以及喷墨打印加工方法对墨水原料的粘度要求高的问题，而提供一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置及其加工方法。
本发明的一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置包括气压控制器、注射器针管、微喷嘴、基底、三轴线性运动平台、控制驱动器、光学显微镜、COMS相机和计算机；
所述注射器针管一端与气压控制器相连，所述注射器针管另一端与微喷嘴相连；
所述控制驱动器的一个通信端口与三轴线性运动平台相连，所述控制驱动器的另一个通信端口与计算机相连；
所述COMS相机设置在光学显微镜上以获得图像信息，所述COMS相机的信号输出端与计算机相连；
所述基底固定在三轴线性运动平台上。
本发明的利用一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置加工基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜的方法按以下步骤进行：
一、材料装填及装置连接：将可固化预聚物装入注射器针管中，然后将基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置连接好；
二、基底疏水处理：将基底进行超声清洗后用氮气吹干，然后在基底上均匀喷涂超疏水防水剂，再在超疏水防水剂表面均匀喷涂全氟辛烷磺酸溶液，加热烘干后，形成一层纳米级疏水薄膜，完成基底表面的疏水处理，然后将疏水处理后的基底固定在三轴线性运动平台上；
三、加工：通过控制驱动器驱动三轴线性运动平台垂直运动，使微喷嘴与基底接触，通过气压控制器调节气压至使可固化预聚物连续稳定的从微喷嘴中挤出，然后按照计算机设定的加工参数开始进行加工：当使微喷嘴与基底间断性接触时，得到球面型微透镜液滴；当使微喷嘴与基底连续性接触时，得到圆柱面型微透镜液滴；
四、固化：加工结束后，对基底上的可固化预聚物液滴进行固化，得到基于挤压打印的球面型或圆柱面型微透镜。
本发明的有益效果：
本发明采用透明的、具有一定粘度的可固化预聚物作为加工原料，基于挤压打印原理，通过气压驱动可固化预聚物经过微喷嘴稳定连续地挤出到透明基底表面，在基底表面形成球冠形液滴或圆柱面形液滴，基底表面的预聚物液滴经过固化，直接在基底表面制造出球面型及圆柱面型平-凸微型折射透镜。微喷嘴内径在几至十几微米范围内，可实现几微米至几百微米级的微透镜及微透镜阵列的加工。通过切换微喷嘴与基底表面的接触模式(间断接触模式及连续接触模式)，可分别实现球面型及圆柱面型微透镜及其阵列的灵活加工。可通过调节气压、微喷嘴与基底接触时间、微喷嘴与基底相对运动等参数，对微透镜的特征尺寸(球面型微透镜半径及圆柱形微透镜宽度)进行无级调控。
常见的基于喷墨打印原理的加工方法是将孤立液滴分散地喷射到基底上，从而形成微透镜液滴，但该方法只能用于球面型微透镜的制造，并且无法实现同一基底上球面型透镜半径的无级调整。不同于喷墨打印的加工方法，在本发明提出的基于挤压打印的加工方法中，可固化预聚物被稳定连续地挤出到基底上，通过控制各种加工参数，可以实现微透镜特征尺寸的无级调整。此外，微喷嘴与基底之间具有两种接触模式，可以分别实现两种微透镜的加工。当微喷嘴与基底之间采用间断接触模式时，可以实现球面型微透镜及其阵列的加工，并可通过调节气压、微喷嘴与基底接触时间，改变每个接触点上预聚物液滴的体积，从而无级的调控球面型微透镜半径大小；当微喷嘴与基底之间采用连续接触模式时，可以实现圆柱面型微透镜及其阵列的加工，可通过调节气压、微喷嘴与基底相对运动速度，改变线性预聚物液滴的线密度，从而无级的调控圆柱面型微透镜的宽度。
附图说明
图1为本发明的基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置的结构示意图；
图2为试验二得到的球面型微透镜阵列的结构示意图；其中10为可固化预聚物，↓代表气压方向，↑代表微喷嘴3相对于基底4的运动方向；
图3为试验三得到的圆柱面型微透镜阵列的结构示意图；其中10为可固化预聚物，↓代表气压方向，→代表微喷嘴3相对于基底4的运动方向。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置包括气压控制器1、注射器针管2、微喷嘴3、基底4、三轴线性运动平台5、控制驱动器6、光学显微镜7、COMS相机8和计算机9；
所述注射器针管2一端与气压控制器1相连，所述注射器针管2另一端与微喷嘴3相连；
所述控制驱动器6的一个通信端口与三轴线性运动平台5相连，所述控制驱动器6的另一个通信端口与计算机9相连；
所述COMS相机8设置在光学显微镜7上以获得图像信息，所述COMS相机8的信号输出端与计算机9相连；
所述基底4固定在三轴线性运动平台5上。
本实施方式的气压控制器1可提供0-600kPa的气压，可驱动针管中的紫外固化预聚物经由喷嘴连续均匀挤出，改变气压大小，可调节流出速率。
通过视觉反馈实时监测加工过程和可固化预聚物的挤出情况，保证加工过程的顺利进行。
本实施方式采用透明的、具有一定粘度的可固化预聚物作为加工原料，基于挤压打印原理，通过气压驱动可固化预聚物经过微喷嘴稳定连续地挤出到透明基底表面，在基底表面形成球冠形液滴或圆柱面形液滴，基底表面的预聚物液滴经过固化，直接在基底表面制造出球面型及圆柱面型平-凸微型折射透镜。微喷嘴内径在几至十几微米范围内，可实现几微米至几百微米级的微透镜及微透镜阵列的加工。通过切换微喷嘴与基底表面的接触模式(间断接触模式及连续接触模式)，可分别实现球面型及圆柱面型微透镜及其阵列的灵活加工。可通过调节气压、微喷嘴与基底接触时间、微喷嘴与基底相对运动等参数，对微透镜的特征尺寸(球面型微透镜半径及圆柱形微透镜宽度)进行无级调控。
常见的基于喷墨打印原理的加工方法是将孤立液滴分散地喷射到基底上，从而形成微透镜液滴，但该方法只能用于球面型微透镜的制造，并且无法实现同一基底上球面型透镜半径的无级调整。不同于喷墨打印的加工方法，在本实施方式提出的基于挤压打印的加工方法中，可固化预聚物被稳定连续地挤出到基底上，通过控制各种加工参数，可以实现微透镜特征尺寸的无级调整。此外，微喷嘴与基底之间具有两种接触模式，可以分别实现两种微透镜的加工。当微喷嘴与基底之间采用间断接触模式时，可以实现球面型微透镜及其阵列的加工，并可通过调节气压、微喷嘴与基底接触时间，改变每个接触点上预聚物液滴的体积，从而无级的调控球面型微透镜半径大小；当微喷嘴与基底之间采用连续接触模式时，可以实现圆柱面型微透镜及其阵列的加工，可通过调节气压、微喷嘴与基底相对运动速度，改变线性预聚物液滴的线密度，从而无级的调控圆柱面型微透镜的宽度。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述微喷嘴3通过用拉针仪将直径为1mm的毛细玻璃管从中间拉断制备而成；且所述微喷嘴3喷嘴口内径为5μm～20μm。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
本实施方式采用商业用拉针仪将毛细玻璃管从中间拉断，加工成具有一定锥度的微量移液管，其尖端内径可达到几至十几微米，其与注射器针管连接以实现微透镜加工的尺寸要求。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述微喷嘴3通过用拉针仪将直径为1mm的毛细玻璃管从中间拉断制备而成；且所述微喷嘴3喷嘴口内径为10μm。其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述微喷嘴(3)与注射器针管(2)之间采用粘接的方式进行连接。其他步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是：所述基底4材质为透明的疏水材料。其他步骤及参数与具体实施方式三或四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同的是：所述基底4为透明玻璃基底。其他步骤及参数与具体实施方式三至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式的利用一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置加工基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜的方法按以下步骤进行：
一、材料装填及装置连接：将可固化预聚物装入注射器针管2中，然后将基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置连接好；
二、基底疏水处理：将基底4进行超声清洗后用氮气吹干，然后在基底4上均匀喷涂超疏水防水剂，再在超疏水防水剂表面均匀喷涂全氟辛烷磺酸溶液，加热烘干后，形成一层纳米级疏水薄膜，完成基底4表面的疏水处理，然后将疏水处理后的基底4固定在三轴线性运动平台5上；
三、加工：通过控制驱动器6驱动三轴线性运动平台5垂直运动，使微喷嘴3与基底4接触，通过气压控制器1调节气压至使可固化预聚物连续稳定的从微喷嘴3中挤出，然后按照计算机9设定的加工参数开始进行加工：当使微喷嘴3与基底4间断性接触时，得到球面型微透镜液滴；当使微喷嘴3与基底4连续性接触时，得到圆柱面型微透镜液滴；
四、固化：加工结束后，对基底4上的可固化预聚物液滴进行固化，得到基于挤压打印的球面型或圆柱面型微透镜。
本实施方式通过控制驱动器6进行控制，带动基底4进行三个方向的线性运动。可通过计算机内的控制模块，对三轴线性运动平台5进行运动控制，使微喷嘴3与基底4之间按照特定轨迹进行相对运动，实现微透镜加工原料在基底上的沉积。
本实施方式使用拉针仪制作出的具有微米级内径(几微米至十几微米)的玻璃微喷嘴，并将其与注射器针管连接，以实现微透镜加工的尺寸要求。注射器针管末端与气压控制器连接，通过气压驱动注射器针管中的可固化预聚物经由微喷嘴挤出到透明基底上。基底固定在计算机控制的三轴运动平台上，通过控制基底与微喷嘴之间的相对运动，在基底表面直接形成球冠形液滴或圆柱面形液滴，经过固化，完成球面型及圆柱面型微透镜的加工。通过计算机内部的控制模块与预先设定的加工参数可实现微透镜阵列的大批量自动化加工，制造效率较高。通过显微视觉反馈系统，可以实时监测挤压打印过程和预聚物挤出情况，保证加工过程的顺利进行。
调整装置各个参数，使其达到要求的加工预备状态。一方面，在计算机中设定相关加工参数，例如运行速度、接触时间、气压值等等，以实现不同尺寸、数量、阵列形状的球面型、圆柱面型微透镜及其阵列的加工。另一方面，调整显微镜位置并进行调焦，使微喷嘴清晰、大小合适地呈现在视觉反馈系统的显示视野中央。控制运动平台垂直方向运动，使针管微喷嘴尖端逐步接近基底，同时通过实时显微视觉反馈系统，判断喷嘴是否与基底接触。当喷嘴与基底接触后，逐步增加气压，同时通过视觉反馈判断加工原料(紫外固化预聚物)是否连续均匀地被挤出。当加工原料能够稳定连续地从微喷嘴中挤出时，即达到加工要求的预备状态。
工作原理：当达到预备状态后，运行计算机内预先设定的加工参数，系统可以自动进行大批量的微透镜阵列的加工。在进行球面型微透镜阵列加工时，微喷嘴与基底间断性接触，接触时，加工原料(可固化预聚物)从微喷嘴中挤出到基底上，当微喷嘴相对基底向上抬升后，基底上留下的加工原料在表面张力的作用下形成一个球冠形的液滴，即球面型微透镜的前身。计算机内的控制模块将控制运动平台按特定轨迹运动，使基底与微喷嘴之间产生方波型的周期性相对运动，实现大量球面型微透镜的加工。在进行圆柱面型微透镜阵列加工时，微喷嘴与基底连续接触，并产生相对运动，使得被挤出的加工原料在基底上沉积形成直线型圆柱面液滴。通过程序控制运动平台按特定轨迹运动，可实现大量圆柱面型微透镜的加工。此外，在加工的过程中，通过显微视觉反馈系统，可实时监测挤压打印过程和预聚物挤出情况，保证加工过程的顺利稳定进行。
另外，本实施方式提出的基于挤压打印的微透镜加工方法具有良好的可控性及灵活性，可有效实现微透镜尺寸及形状的调节。进行球面型微透镜加工时，当微喷嘴与基底接触时间增加、施加的气压增加时，挤出的加工原料体积增大，使得球面型微透镜半径增加，实现透镜半径的无级调控。在进行圆柱面型微透镜阵列加工时，当微喷嘴与基底相对运动速度减小、气压增加时，沉积在基底上的加工原料的线密度增加，使得圆柱面型微透镜宽度增加，实现透镜宽度的无级调控。此外，通过对基底表面进行不同程度的疏水处理，得到不同的接触角，可以实现微透镜高宽比的调整，得到不同折射能力的微透镜。基底表面疏水性越强，接触角越大，微透镜的高宽比越大。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤一中所述可固化预聚物为透明、粘度为15000MPa·s～26000MPa·s的可固化的预聚物。其他步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八不同的是：步骤一中所述可固化预聚物为透明、粘度为15000MPa·s～26000MPa·s的紫外固化预聚物。其他步骤及参数与具体实施方式七或八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七至九之一不同的是：步骤一中所述紫外固化预聚物为UV胶。其他步骤及参数与具体实施方式七至九之一相同。
本实施方式的可固化的预聚物固化后折射率为1.51。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式七至十之一不同的是：步骤二中所述全氟辛烷磺酸溶液的质量分数为0～6％。其他步骤及参数与具体实施方式七至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式七至十一之一不同的是：步骤二中所述纳米级疏水薄膜为厚度为100nm～300nm。其他步骤及参数与具体实施方式七至十一之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式七至十二之一不同的是：步骤二中所述纳米级疏水薄膜为厚度为200nm。其他步骤及参数与具体实施方式七至十二之一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式七至十三之一不同的是：步骤三中加工球面型微透镜时，使微喷嘴3与基底4间断性接触，并通过控制三轴线性运动平台5运动使基底4与微喷嘴3之间产生方波型周期性相对运动，可得到球面型微透镜液滴阵列；其中所述接触时间为0.1s～3.0s，气压为100kPa～400kPa。其他步骤及参数与具体实施方式七至十三之一相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式七至十四之一不同的是：步骤三中加工圆柱面型微透镜时，使微喷嘴3与基底4连续性接触，并通过控制三轴线性运动平台5运动使基底4与微喷嘴3之间产生周期性相对运动，可得到圆柱面型微透镜液滴阵列；其中所述相对运动速度为1.0mm/s～5.0mm/s，气压为100kPa～500kPa。其他步骤及参数与具体实施方式七至十四之一相同。
用以下实验来验证本发明的效果
试验一、本试验的一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置包括气压控制器1、注射器针管2、微喷嘴3、基底4、三轴线性运动平台5、控制驱动器6、光学显微镜7、COMS相机8和计算机9；
所述注射器针管2一端与气压控制器1相连，所述注射器针管2另一端与微喷嘴3相连；
所述控制驱动器6的一个通信端口与三轴线性运动平台5相连，所述控制驱动器6的另一个通信端口与计算机9相连；
所述COMS相机8设置在光学显微镜7上以获得图像信息，所述COMS相机8的信号输出端与计算机9相连；
所述基底4固定在三轴线性运动平台5上。
所述微喷嘴3通过用拉针仪将直径为1mm的毛细玻璃管从中间拉断制备而成；且所述微喷嘴3喷嘴口内径为10μm。
所述微喷嘴3与注射器针管2之间采用粘接的方式进行连接。
所述基底4为透明玻璃基底。
本试验的气压控制器1可提供0-600kPa的气压，可驱动针管中的紫外固化预聚物经由喷嘴连续均匀挤出，改变气压大小，可调节流出速率。
通过视觉反馈实时监测加工过程和可固化预聚物的挤出情况，保证加工过程的顺利进行。
试验二、利用试验一所述的一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置加工基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜的方法按以下步骤进行：
一、材料装填及装置连接：将可固化预聚物装入注射器针管2中，然后将基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置连接好；
二、基底疏水处理：将基底4进行超声清洗后用氮气吹干，然后在基底4上均匀喷涂超疏水防水剂，再在超疏水防水剂表面均匀喷涂全氟辛烷磺酸溶液，加热烘干后，形成一层纳米级疏水薄膜，完成基底4表面的疏水处理，然后将疏水处理后的基底4固定在三轴线性运动平台5上；
三、加工：通过控制驱动器6驱动三轴线性运动平台5垂直运动，使微喷嘴3与基底4接触，通过气压控制器1调节气压至使可固化预聚物连续稳定的从微喷嘴3中挤出，然后按照计算机9设定的加工参数开始进行加工：使微喷嘴3与基底4间断性接触，得到球面型微透镜液滴；
四、固化：加工结束后，对基底4上的可固化预聚物液滴进行固化，得到基于挤压打印的球面型微透镜。
步骤一中所述可固化预聚物为Loctite352型UV胶。
步骤二中所述超疏水防水剂层的厚度为100nm。
步骤二中所述全氟辛烷磺酸溶液的质量分数为4％。
步骤二中所述纳米级疏水薄膜为厚度为200nm。
步骤三中加工球面型微透镜时，使微喷嘴3与基底4间断性接触，并通过控制三轴线性运动平台5运动使基底4与微喷嘴3之间产生方波型周期性相对运动，可得到球面型微透镜液滴阵列；其中所述接触时间为1s，气压为300kPa。
步骤四中固化采用紫外线照射进行固化，剂量为2000毫瓦/平方厘米，时间为2s。
本实验得到的球面型微透镜阵列中球面型微透镜的半径为15μm。
工作原理：当达到预备状态后，运行计算机内预先设定的加工参数，系统可以自动进行大批量的微透镜阵列的加工。在进行球面型微透镜阵列加工时，微喷嘴与基底间断性接触，接触时，加工原料(可固化预聚物)从微喷嘴中挤出到基底上，当微喷嘴相对基底向上抬升后，基底上留下的加工原料在表面张力的作用下形成一个球冠形的液滴，即球面型微透镜的前身。计算机内的控制模块将控制运动平台按特定轨迹运动，使基底与微喷嘴之间产生方波型的周期性相对运动，实现大量球面型微透镜的加工。
本试验提出的基于挤压打印的微透镜加工方法具有良好的可控性及灵活性，可有效实现微透镜尺寸及形状的调节。进行球面型微透镜加工时，当微喷嘴与基底接触时间增加、施加的气压增加时，挤出的加工原料体积增大，使得球面型微透镜半径增加，实现透镜半径的无级调控。
试验三、利用试验一所述的一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置加工基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜的方法按以下步骤进行：
一、材料装填及装置连接：将可固化预聚物装入注射器针管2中，然后将基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置连接好；
二、基底疏水处理：将基底4进行超声清洗后用氮气吹干，然后在基底4上均匀喷涂超疏水防水剂，再在超疏水防水剂表面均匀喷涂全氟辛烷磺酸溶液，加热烘干后，形成一层纳米级疏水薄膜，完成基底4表面的疏水处理，然后将疏水处理后的基底4固定在三轴线性运动平台5上；
三、加工：通过控制驱动器6驱动三轴线性运动平台5垂直运动，使微喷嘴3与基底4接触，通过气压控制器1调节气压至使可固化预聚物连续稳定的从微喷嘴3中挤出，然后按照计算机9设定的加工参数开始进行加工：使微喷嘴3与基底4连续性接触，得到圆柱面型微透镜液滴；
四、固化：加工结束后，对基底4上的可固化预聚物液滴进行固化，得到基于挤压打印的圆柱面型微透镜。
步骤一中所述可固化预聚物为Loctite352型UV胶。
步骤二中所述超疏水防水剂层的厚度为100nm。
步骤二中所述全氟辛烷磺酸溶液的质量分数为4％。
步骤二中所述纳米级疏水薄膜为厚度为200nm。
步骤三中加工圆柱面型微透镜时，使微喷嘴3与基底4连续性接触，并通过控制三轴线性运动平台5运动使基底4与微喷嘴3之间产生周期性相对运动，可得到圆柱面型微透镜液滴阵列；其中所述相对运动速度为1.6mm/s，气压为400kPa。
步骤四中固化采用紫外线照射进行固化，剂量为2000毫瓦/平方厘米，时间为3s。
本实验得到的圆柱面型微透镜阵列中圆柱面型微透镜的宽度为45μm。
工作原理：当达到预备状态后，运行计算机内预先设定的加工参数，系统可以自动进行大批量的微透镜阵列的加工。在进行圆柱面型微透镜阵列加工时，微喷嘴与基底连续接触，并产生相对运动，使得被挤出的加工原料在基底上沉积形成直线型圆柱面液滴。通过程序控制运动平台按特定轨迹运动，可实现大量圆柱面型微透镜的加工。此外，在加工的过程中，通过显微视觉反馈系统，可实时监测挤压打印过程和预聚物挤出情况，保证加工过程的顺利稳定进行。
本试验提出的基于挤压打印的微透镜加工方法具有良好的可控性及灵活性，可有效实现微透镜尺寸及形状的调节。在进行圆柱面型微透镜阵列加工时，当微喷嘴与基底相对运动速度减小、气压增加时，沉积在基底上的加工原料的线密度增加，使得圆柱面型微透镜宽度增加，实现透镜宽度的无级调控。
Claims (10)
1.一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置，其特征在于一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置包括气压控制器(1)、注射器针管(2)、微喷嘴(3)、基底(4)、三轴线性运动平台(5)、控制驱动器(6)、光学显微镜(7)、COMS相机(8)和计算机(9)；
所述注射器针管(2)一端与气压控制器(1)相连，所述注射器针管(2)另一端与微喷嘴(3)相连；
所述控制驱动器(6)的一个通信端口与三轴线性运动平台(5)相连，所述控制驱动器(6)的另一个通信端口与计算机(9)相连；
所述COMS相机(8)设置在光学显微镜(7)上以获得图像信息，所述COMS相机(8)的信号输出端与计算机(9)相连；
所述基底(4)固定在三轴线性运动平台(5)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置，其特征在于所述微喷嘴(3)通过用拉针仪将直径为1mm的毛细玻璃管从中间拉断制备而成；且所述微喷嘴(3)喷嘴口内径为5μm～20μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置，其特征在于所述微喷嘴(3)与注射器针管(2)之间采用粘接的方式进行连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置，其特征在于所述基底(4)材质为透明的疏水材料。
5.根据权利要求1所述的一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置，其特征在于所述基底(4)为透明玻璃基底。
6.利用权利要求1所述的一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置加工基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、材料装填及装置连接：将可固化预聚物装入注射器针管(2)中，然后将基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置连接好；
二、基底疏水处理：将基底(4)进行超声清洗后用氮气吹干，然后在基底(4)上均匀喷涂超疏水防水剂，再在超疏水防水剂表面均匀喷涂全氟辛烷磺酸溶液，加热烘干后，形成一层纳米级疏水薄膜，完成基底(4)表面的疏水处理，然后将疏水处理后的基底(4)固定在三轴线性运动平台(5)上；
三、加工：通过控制驱动器(6)驱动三轴线性运动平台(5)垂直运动，使微喷嘴(3)与基底(4)接触，通过气压控制器(1)调节气压至使可固化预聚物连续稳定的从微喷嘴(3)中挤出，然后按照计算机(9)设定的加工参数开始进行加工：当使微喷嘴(3)与基底(4)间断性接触时，得到球面型微透镜液滴；当使微喷嘴(3)与基底(4)连续性接触时，得到圆柱面型微透镜液滴；
四、固化：加工结束后，对基底(4)上的可固化预聚物液滴进行固化，得到基于挤压打印的球面型或圆柱面型微透镜。
7.根据权利要求6所述的一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工方法，其特征在于步骤一中所述可固化预聚物为透明、粘度为15000MPa·s～26000MPa·s的可固化的预聚物。
8.根据权利要求6所述的一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工方法，其特征在于步骤二中所述全氟辛烷磺酸溶液的质量分数为0～6％。
9.根据权利要求6所述的一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工方法，其特征在于步骤三中加工球面型微透镜时，使微喷嘴(3)与基底(4)间断性接触，并通过控制三轴线性运动平台(5)运动使基底(4)与微喷嘴(3)之间产生方波型周期性相对运动，可得到球面型微透镜液滴阵列；其中所述接触时间为0.1s～3.0s，气压为100kPa～400kPa。
10.根据权利要求6所述的一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工方法，其特征在于步骤三中加工圆柱面型微透镜时，使微喷嘴(3)与基底(4)连续性接触，并通过控制三轴线性运动平台(5)运动使基底(4)与微喷嘴(3)之间产生周期性相对运动，可得到圆柱面型微透镜液滴阵列；其中所述相对运动速度为1.0mm/s～5.0mm/s，气压为100kPa～500kPa。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610991783.3A CN106273518B (zh) | 2016-11-10 | 2016-11-10 | 一种基于挤压打印的球面型或圆柱面型微透镜加工装置及其加工方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610991783.3A CN106273518B (zh) | 2016-11-10 | 2016-11-10 | 一种基于挤压打印的球面型或圆柱面型微透镜加工装置及其加工方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106273518A true CN106273518A (zh) | 2017-01-04 |
| CN106273518B CN106273518B (zh) | 2019-02-05 |
Family
ID=57720875
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610991783.3A Expired - Fee Related CN106273518B (zh) | 2016-11-10 | 2016-11-10 | 一种基于挤压打印的球面型或圆柱面型微透镜加工装置及其加工方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106273518B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107009613A (zh) * | 2017-04-01 | 2017-08-04 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种基于三维直写的微透镜阵列制造方法 |
| CN110076997A (zh) * | 2019-05-10 | 2019-08-02 | 黄春燕 | 三维增材打印机的气压调节式墨压控制装置 |
| CN113514908A (zh) * | 2021-06-11 | 2021-10-19 | 北京理工大学 | 上转换微透镜及其制备方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103852816A (zh) * | 2014-03-28 | 2014-06-11 | 南京理工大学 | 一种高数值孔径曲面微透镜阵列制备方法 |
-
2016
- 2016-11-10 CN CN201610991783.3A patent/CN106273518B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103852816A (zh) * | 2014-03-28 | 2014-06-11 | 南京理工大学 | 一种高数值孔径曲面微透镜阵列制备方法 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107009613A (zh) * | 2017-04-01 | 2017-08-04 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种基于三维直写的微透镜阵列制造方法 |
| CN110076997A (zh) * | 2019-05-10 | 2019-08-02 | 黄春燕 | 三维增材打印机的气压调节式墨压控制装置 |
| CN113514908A (zh) * | 2021-06-11 | 2021-10-19 | 北京理工大学 | 上转换微透镜及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106273518B (zh) | 2019-02-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Vespini et al. | Forward electrohydrodynamic inkjet printing of optical microlenses on microfluidic devices | |
| Zhou et al. | Fabrication of large-scale microlens arrays based on screen printing for integral imaging 3D display | |
| US20110042859A1 (en) | Three-dimensional printing | |
| CN103895345B (zh) | 一种多功能电流体喷墨打印系统及方法 | |
| KR101193918B1 (ko) | 나노-스케일 제조공정을 위한 유체 배분방법과 필요에 따른액적 배분방법 | |
| CN106273518A (zh) | 一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置及其加工方法 | |
| WO2011079288A2 (en) | Inkjet printhead module with adjustable alignment | |
| Zhang et al. | 3D printing of a PDMS cylindrical microlens array with 100% fill-factor | |
| KR100615934B1 (ko) | 마이크로 렌즈의 제조 방법 및 마이크로 렌즈, 광학 장치,광전송 장치, 레이저 프린터용 헤드, 레이저 프린터 | |
| TW201144088A (en) | Pattern transfer method and apparatus | |
| US20180283856A1 (en) | Liquid droplet measurement method and liquid droplet measurement device, and method and apparatus for manufacturing device | |
| KR20050024200A (ko) | 마이크로 렌즈의 제조 방법, 마이크로 렌즈, 광학막,프로젝션용 스크린 및 프로젝터 시스템 | |
| CN109655945B (zh) | 一种复眼微透镜阵列及其制备方法 | |
| US10682842B2 (en) | Method for producing gelatin structure, and gelatin structure production system | |
| Hu et al. | Fabrication of large-area cylindrical microlens array based on electric-field-driven jet printing | |
| CN106541574A (zh) | 一种基于机器人化点胶机打印装置及打印方法 | |
| KR20160041871A (ko) | 레이저를 이용한 소재의 건조 소결장치 및 방법 | |
| Cox et al. | Fabrication of micro-optics by microjet printing | |
| US20130065968A1 (en) | Gel production apparatus and gel production method | |
| Jo et al. | Liquid bridge stereolithography: a proof of concept | |
| TW200426020A (en) | Production method of micro lens and micro lens, optical device and optical transmission system, laser printer head, and laser printer | |
| WO2013094710A1 (ja) | 光学部材の製造方法 | |
| CN113733751B (zh) | 一种电流体喷印微结构形貌调控方法、系统及装置 | |
| CN117092729A (zh) | 一种新型光流体可变焦微透镜阵列制作方法 | |
| CN220500305U (zh) | 多功能柔性电子印刷设备 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Rong Haoran Inventor after: Xing Jiyao Inventor before: Rong Weibin Inventor before: Xing Jiyao Inventor before: Sun Ding Inventor before: Wang Lefeng Inventor before: Sun Lining |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20170908 Address after: 150001, room 1, unit 901, building A, 1 Xinjie street, Harbin, Heilongjiang, China Applicant after: Rong Haoran Applicant after: Xing Jiyao Address before: 150001 Harbin, Nangang, West District, large straight street, No. 92 Applicant before: Harbin Institute of Technology |
|
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20190205 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |