CN107009613B - 一种基于三维直写的微透镜阵列制造方法 - Google Patents

一种基于三维直写的微透镜阵列制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三维直写的微透镜制造方法，采用三维直写设备在垂直于透明基板表面的预设阵列位置依序直写形成微透镜前体阵列，再经热熔工艺处理微透镜前体阵列，依靠表面张力形成微透镜阵列。采用本发明方法不仅可以在同一基底上制造不同曲率和不同结构透镜，而且可在任何平面、曲面、甚至柔性基底上加工微透镜阵列，大大的降低了成本，提高了成品率和性能。

Description

一种基于三维直写的微透镜阵列制造方法
技术领域
本发明涉及光学器械领域，特别涉及一种基于三维直写的微透镜阵列制造方法。
背景技术
微透镜和微透镜阵列是重要的微光学元器件，微透镜阵列是由一系列直径在微米至毫米的阵列元按照一定的规则排列而成的。微透镜(阵列)具有尺寸小、重量轻、易集成等优点，其在光路中可以发挥会聚、发散、准直、成像和传输作用，已广泛应用在光纤耦合、光子器件和集成光学元件等方面。
目前，用于制作微透镜阵列的方法主要有离子交换法、光敏玻璃热成形法、光刻胶热熔法、光电反应刻蚀法、聚焦离子束刻蚀与沉积法、化学气相沉积法等方法。其中光敏玻璃热成形法和光刻胶热熔法采用热熔工艺，通过熔融的玻璃或光刻胶液体的表面张力自然形成微透镜，具有表面光洁度和透明性高等优点。但光敏玻璃热成形法时必须使用特殊的曝光加热玻璃，这种玻璃具有高度的多孔性(微孔占总体积的30％)。而光刻胶热熔法需要经过基片预处理、涂胶、前烘、曝光、显影、熔化、检测、图案转移等多个加工过程，需要复杂的光刻、湿法腐蚀技术和设备，并且只能制备非晶态聚合物材料的微透镜。上述方法加工微透镜(阵列)的焦距和透光率调节手段比较复杂，特别是难于在同一透明基底上制备不同形状和尺寸的微透镜，因此不能作为微快门阵列、高对比度的视场亮度调节器以及微型内窥系统使用，从而限制了微透镜(阵列)的进一步发展。
三维打印技术无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体，适于可突破上述技术局限，用于快速制造结构复杂的微透镜阵列。发明专利(申请公布号CN104401002)采用层层堆叠透镜材料的三维打印方法在曲面基底上制造曲面微透镜阵列。发明专利CN106273518A和EP2469309B1采用三维打印的方法打印聚合物前驱体或液态光敏树脂，固化后形成聚合物微透镜。现有层层堆叠的3D打印过程易于在表面形成台阶，影响光洁度，因此需要后续抛光过程形成光滑表面。另外，还会在微透镜内部形成层与层之间的界面层，影响透镜的折射率。
发明内容
为解决目前加工微透镜方法存在的可控性差、效率低、难以在同一基底上制造不同曲率和不同结构透镜，以及现有三维打印存在的透镜表面台阶和内部界面层问题，本发明提供了一种基于三维直写的微透镜制造方法。
一种基于三维直写的微透镜阵列制造方法，采用三维直写设备在垂直于透明基板表面的预设阵列位置依序直写形成微透镜前体阵列，再经热熔工艺处理微透镜前体阵列，依靠表面张力形成微透镜阵列。
所述的基于三维直写的微透镜阵列制造方法，具体包括如下步骤：
(1)将用于直写的微透镜阵列材料在微型喷嘴中熔融成液态熔体；
(2)移动喷嘴至透明基板表面的预设阵列位置，通过施加压力使液态熔体与透明基板表面粘结；
(3)沿垂直于透明基板表面的方向移动喷嘴，自底向上地直写形成预定高度的微透镜前体；
(4)沿平行于透明基板表面的方向移动喷嘴，依序在预设阵列位置直写微透镜前体，形成微透镜前体阵列；
(5)通过热熔工艺使微透镜前体熔融，并在表面张力的作用下形成微透镜阵列。
本发明所述的三维直写工艺属于三维打印技术中的一种，具有打印精度高、打印方式灵活、打印材料多种多样的特点，在诸多领域取得了广泛应用。在三维直写过程中，一般将成型材料存储在一个温度可控的料筒中，喷嘴与料筒相连并安装在一个三轴CNC定位台上，由压力控制给料的微喷嘴将材料挤/喷出至打印平台上，然后根据材料的固化方式选择不同的固化工艺将喷出的成型材料进行固化成型。只要具有合适的流变性能和一定的保形性，各种材料均可以用于此种造型方式，其打印出来的丝径范围从百纳米到毫米之间，可以空间自由成型，完成其他加工技术难以完成的加工任务。在微透镜阵列的制作中，常用的材料为透明的聚合物和玻璃材料。现有三维打印微透镜阵列采用的聚合物材料的折射率通常为1.530，尚难实现高折射率材料打印。
而在本发明中，任何如聚苯乙烯、聚碳酸酯等具有热塑性的透明有机聚合物以及如硅酸盐玻璃、钙钠玻璃等透明无机材料和均可通过所述工艺进行直写和后续加工成型，优选地，透明无机材料中的玻璃材料与聚合物材料相比具有耐高温、化学惰性以及良好的机械性能等性质。在本发明中，高透明的可热塑性材料首先在熔池中加热熔融以形成流动性好的流体。根据所采用的材料特性，可采用任何适当的加热方式，如电阻加热、电弧加热、感应加热、介电加热、激光加热、等离子体加热、电子束加热等的一种或多种复合加热方式。
进一步地，本发明所述微型喷嘴需要内表面光滑，并与液态材料不发生粘结。本发明所采用的微型喷嘴可为陶瓷喷嘴、金属喷嘴、合金喷嘴或者其复合喷嘴。喷嘴材料需要具有高温稳定性，并且与所打印的材料不发生化学反应，能够长时间使用。
进一步地，本发明所述微透镜前体可包括不同直径的棱柱、多面体、棱锥、圆柱、圆锥体、椭圆体、球体、类球体、类椭圆体及其任意组合中的一种，最终微透镜的形状由微透镜前体在熔融后自然形成。微透镜前体的直径可通过施加的压力和微型喷嘴的上升速度所决定，在施加的压力相同时，微型喷嘴的上升速度越慢，微透镜前体的直径越大。
进一步地，本发明所述的三维直写方法可在平面、曲面以及柔性及其任意组合中的一种基底上制作高透明性微透镜前体阵列。当在曲面上制作微透镜前体阵列时，首先需建立曲面基底的三维数字模型，当打印微透镜前体阵列时，保持微型喷嘴与基底的距离不变，微型喷嘴沿曲面表面移动并依序打印微透镜前体，从而实现微透镜前体阵列的加工。
进一步地，本发明所述的热熔工艺包括：将温度在微透镜前体材料转变温度以上的加热器依次扫过直写形成的微透镜前体上方，与此同时，可调整加热器的高度和温度，从而形成不同曲率的微透镜。更进一步地，可将加热体直接置于整个微透镜前体阵列的上方或是下方，或者将整个微透镜前体阵列放入加热箱中进行加热，具体的温度以及前述加热器与微透镜前体上表面的距离由最终想要得到的微透镜的具体尺寸所决定。
进一步地，本发明所述的微透镜前体熔融的状态分为微透镜前体顶端部分熔融或微透镜前体整体全部熔融，从而形成不同的微透镜及其阵列。
进一步地，针对不同微透镜的加工需求，本发明所述微透镜的曲率和尺寸可通过改变微型喷嘴大小、微透镜前体的高度、微透镜前体的形状、热熔工艺中加热器的加热温度和加热时间及其组合中的一种获得。
因此，本发明的有益效果是采用直写工艺降低了自由空间加工微透镜的工艺难度，简化了微透镜的制作过程，可以使用具有耐高温、化学惰性以及良好的机械性能等性质的玻璃材料提高透明度，解决了现有三维打印在制造微透镜时存在的透镜表面台阶和内部界面层问题；同时，采用本发明所述工艺，不仅可以在同一基底上制造不同曲率和不同结构透镜，而且可在任何平面、曲面、甚至柔性基底上加工微透镜阵列，大大的降低了成本，提高了成品率和性能。
附图说明
图1为本发明实施例中微透镜前体的三维直写设备结构示意图；
图2为本发明实施例中在平面基底上微透镜前体阵列的直写过程示意图；
图3为本发明实施例中在曲面或柔性基底上微透镜前体阵列的直写过程示意图；
图4为本发明实施例中由三维直写工艺得到的平截头体微透镜前体的示意性三维视图；
图5为本发明实施例中由三维直写工艺得到的类椭圆体微透镜前体的示意性三维视图；
图6为本发明实施例中微透镜前体阵列热处理工艺示意图；
图7为实施例1中得到的微透镜阵列的扫描电镜图；
图8为实施例2中得到的组合型微透镜阵列的扫描电镜图；
图9为实施例3中三维直写得到的微透镜前体阵列示意图；
图10为实施例3中得到的微透镜阵列的扫描电镜图。
具体实施方式
为进一步阐明本发明的目的、技术方案和优点，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出了一种通过三维直写的方式获得微透镜阵列的方法。三维直写技术所采用装备主要由三维XYZ位移平台和固定于三维XYZ位移平台上的打印喷头组成。图1所示的是本实施例采用的三维直写系统，主要由控制系统、高精度三维XYZ位移平台、带有微型喷嘴(11)的熔池(13)以及加热系统(12)组成，高透明性微透镜阵列材料(21)通过进料系统进入熔池，并在加热系统(12)的热作用下熔融成液态熔体。该液态熔体通过进料系统的压力控制，从喷嘴(11)挤出。三维XYZ位移平台采用程序控制下高精度压电位移台驱动，通过移动微型喷嘴(11)至透明基底(41)使液态熔体到达预设位置并与透明基板结合，然后移动微型喷嘴(11)自底向上的直写，连续挤出形成微透镜前体(31)。
当基底为平面基底时，采用图1所示的三维直写系统制造微透镜阵列的三维直写过程如图2所示。将高透明性微透镜阵列材料(21)通过进料系统进入熔池(13)并熔融成液态熔体。该液态熔体通过进料系统的压力控制，从喷嘴(11)挤出。移动微型喷嘴(11)尽量接近透明基底(41)的微透镜加工位置，液态熔体接触并与透明基板(41)结合然后如图2a箭头所示方向移动微型喷嘴(11)，在进料端压力的作用下自底向上的直写，形成圆锥状微透镜前驱体(31)。如此依序在预定点位直写，形成微透镜前体阵列，如图2b所示。
当基底为柔性基底或曲面基底时，采用图1所示的三维直写系统制造曲面微透镜前体阵列的三维直写过程如图3所示。首先，将微透镜阵列材料(21)在带有微型喷嘴(11)的熔池中熔融成液态，通过高精度压电位移台移动微型喷嘴至微透镜加工位置，并旋转微型喷嘴至垂直于曲面基底(41)表面(即微型喷嘴的中心线与曲面法线方向一致)；然后，给熔池施加压力并移动微型喷嘴(11)进行自底向上的直写，形成微透镜前体(31)，其中微透镜前体的直径可由微型喷嘴的大小以及上升速度所决定，在喷嘴固定时，随着其上升速度的增加，柱状微透镜前体(31)的直径就会随之减小。
在一些情况下，微透镜前体(31)可以三维直线主体，例如多面体，棱锥，或此类主体的一部分及其组合，如平截头体。例如，图4给出了由三维直线组成的单一微透镜前体(32)的示意性三维视图。微透镜前体(32)放置于基底41上，该微透镜前体可由多边型喷嘴直写获得。
在一些情况下，微透镜前体(31)可为三维曲线主体，例如球体、圆锥体、椭圆体、类球体或截头圆锥体的一部分。例如，图5给出了由类椭圆体的一部分组成的单一微透镜前体(32)的示意性三维视图，该微透镜前体(32)放置于基底41上，所述类椭圆体微透镜前体可由非圆形喷嘴直写获得。
图6所示的是对微透镜前驱体进行热处理过程。如图6a所示，热处理方式包括将温度在微透镜材料的熔融转变温度以上的加热体(51)依次扫过三维直写形成的微透镜前体(31)上方，通过改变加热体与透明基板的距离、加热体的温度以及扫描速度，使微透镜前体(31)全部熔融，熔融的液体在表面张力的作用下自然形成曲率和形状不同的微透镜及阵列。如果微透镜阵列的所需微透镜(31)具有同样的曲率或外形，可以将大于或接近于阵列尺寸的加热体(52)直接置于整个微透镜前体阵列的上方(图6b)，或者将大于或接近于阵列尺寸的加热体(53)置于微透镜前体阵列下方(图6c)，或者将其放入恒温箱(54)中(图6d)进行整体加热，使微透镜前体熔融后依靠自身表面张力收缩为球冠状的微透镜阵列。具体的加热温度、加热时长以及加热体与微透镜前体上表面的距离由最终想要得到的微透镜的具体尺寸所决定。
实施例1
选取钠钙玻璃材料作为微透镜阵列材料，选取平面透明基板，采用图2所示的三维直写方法获得微透镜前体阵列，在三维直写过程中，当玻璃熔体与透明基板表面粘结后，通过LabView程序设置微型喷嘴的初始上升速度为50nm/s，随后速度缓慢增加，使其形成一个独立的圆锥状的微透镜前体，然后设置水平移动速度为100nm/s，将微型喷嘴移至预设阵列位置继续依照以上速度直写微透镜前体，得到圆锥状钠钙玻璃微透镜前体阵列，然后采用图6a所示的热熔工艺对圆锥状钠钙玻璃微透镜前体阵列进行热处理，设定加热头温度为625℃，设置加热头与钠钙玻璃微透镜前体上表面的距离为300nm，以10nm/s的速度移过微透镜前体阵列，得到球冠状的钠钙玻璃微透镜阵列，图7所示的是球冠状钠钙玻璃微透镜阵列的扫描电镜照片，该圆锥状钠钙玻璃微透镜前体在热处理过程中全部熔融。
实施例2
选取钠钙玻璃材料作为微透镜阵列材料，选取平面透明基板，采用图2所示的三维直写方法获得微透镜前体阵列，在三维直写过程中，当玻璃熔体与透明基板表面粘结后，通过LabView程序设置微型喷嘴的初始上升速度为50nm/s，随后速度缓慢增加，使其形成一个独立的圆锥状的微透镜前体，然后设置水平移动速度为100nm/s，将微型喷嘴移至预设阵列位置继续依照以上速度直写微透镜前体，得到圆锥状钠钙玻璃微透镜前体阵列，然后采用图6a所示的热熔工艺对圆锥状钠钙玻璃微透镜前体阵列进行热处理，设定加热头温度为625℃，设置加热头与钠钙玻璃微透镜前体上表面的距离为600nm，以10nm/s的速度移过微透镜前体阵列，得到如图8所示的钠钙玻璃复合微透镜阵列，该圆锥状钠钙玻璃微透镜前体在热处理过程中顶端部分熔融。
实施例1与实施2表明能够通过加热的方式使微透镜前体部分或全部融融来控制其形状。
实施例3
选取硅酸盐玻璃材料作为微透镜阵列材料，选取曲面基底采用图3所示的三维直写方法获得微透镜前体阵列，在三维直写过程中，微型喷嘴的直径为400nm，先通过高精度压电位移台移动微型喷嘴至微透镜加工位置，并旋转微型喷嘴至垂直于曲面基底表面，设置微型喷嘴的上升移动速度为50nm/s，得到柱状硅酸盐玻璃微透镜前体阵列，如图9所示；然后，采用图6d所示的热熔工艺，将柱状硅酸盐玻璃微透镜前体阵列置于600℃恒温箱中使透镜材料熔融，依靠表面张力在曲面基底表面形成如图10所示的球冠状硅酸盐玻璃微透镜阵列。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于三维直写的微透镜阵列制造方法，其特征在于，采用三维直写设备将熔融态微透镜阵列材料在垂直于透明基板表面的预设阵列位置依序直写形成微透镜前体阵列，再经热熔工艺处理微透镜前体阵列，依靠表面张力形成微透镜阵列；
所述的微透镜阵列材料为聚苯乙烯、聚碳酸酯、硅酸盐玻璃或钙钠玻璃；
所述的热熔工艺包括：
利用加热器依次扫描微透镜前体的上方，对微透镜前体阵列进行热处理；或，
将加热体置于整个微透镜前体阵列的上方或下方，对微透镜前体阵列进行热处理；或，
将整个微透镜前体阵列置于加热箱中，对微透镜前体阵列进行热处理；
所述的热熔工艺的加热方式包括：电阻加热、电弧加热、感应加热、激光加热以及电子束加热；
所述的微透镜前体熔融的状态分为微透镜前体顶端部分熔融或微透镜前体整体全部熔融。
2.如权利要求1所述的基于三维直写的微透镜阵列制造方法，其特征在于，微透镜阵列制造方法具体包括：
（1）将用于直写的微透镜阵列材料在微型喷嘴中熔融成液态熔体；
（2）移动喷嘴至透明基板表面的预设阵列位置，通过施加压力使液态熔体与透明基板表面粘结；
（3）沿垂直于透明基板表面的方向移动喷嘴，自底向上地直写形成预定高度的微透镜前体；
（4）沿平行于透明基板表面的方向移动喷嘴，依序在预设阵列位置直写微透镜前体，形成微透镜前体阵列；
（5）通过热熔工艺使微透镜前体熔融，并在表面张力的作用下形成微透镜阵列。
3.如权利要求1或2所述的基于三维直写的微透镜阵列制造方法，其特征在于，所述的透明基板表面为平面、曲面。
4.如权利要求1或2所述的基于三维直写的微透镜阵列制造方法，其特征在于，所述的透明基板表面为柔性。
5.如权利要求1或2所述的基于三维直写的微透镜阵列制造方法，其特征在于，所述的微透镜前体为多面体、圆柱、圆锥体、椭圆体、球体、类球体、类椭圆体及其任意组合中的一种。
6.如权利要求5所述的基于三维直写的微透镜阵列制造方法，其特征在于，所述的多面体为棱柱或棱锥。
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