CN107457984A - 一种高填充率pdms微透镜阵列的制作装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高填充率PDMS微透镜阵列的制作装置及方法，将PDMS弹性体及固化剂分别注入相应微量注射泵中，并设定微量注射泵的注射速度，调整电喷印微喷头与打印基底之间的距离，设置电喷印过程中微喷射参数及三维工作台运动参数，将PDMS弹性体及固化剂按一定的混合比例注入被动微混合装置；电喷印微喷头根据设置的微喷射参数将PDMS微液滴喷射至打印基底上，形成PDMS微液滴阵列预固化；待微喷射完成后，将打印基底放置在加热炉中固化一定时间，使高填充率PDMS微透镜阵列固化成型。本发明采用被动微混合器将PDMS弹性体和固化剂进行实时有效微混合，减少了PDMS混合溶液真空脱泡过程，有效避免PDMS弹性体及固化剂完全混合后再使用时易形成预固化等现象。
Description
技术领域
本发明属于微光学制造领域，具体涉及一种高填充率PDMS微透镜阵列的制作装置及方法。
背景技术
微透镜阵列作为一种典型的微光学器件，在照明、成像、光通讯、光耦合、天文、光流体、医疗及军事等诸多领域均有重要的应用。微透镜阵列能否在各个应用领域发挥出良好的作用与其设计及制作水平密切相关，然而，目前微透镜阵列的制作技术仍然落后于其理论设计水平。其中，高填充率及高性能材料(PDMS材料等)微透镜阵列仍然难以实现低成本及简单化制作。而高填充率微透镜阵列可收集更大剂量的光线，可有效提高光学系统的信噪比；而PDMS等高性能材料制成的微透镜阵列具有更好的机械及光学等性能，如根据PDMS弹性体与固化剂的配比不同可制成具有不同柔韧度及弹性的微透镜阵列，适用于不同的应用场合。由此，高填充率及高性能材料微透镜阵列的制作一直是微透镜阵列制作技术中的热点及难点问题。
目前，根据制备原理的不同，平面微透镜阵列的制备方法总体上可归纳为表面张力效应辅助法(如微喷打印法、光刻热熔法等)、光刻辅助法(如飞秒激光直写法、飞秒激光酸刻蚀法、灰度掩模法等)及机械冷、热加工法(如超精密机械加工法、热压成型法等)等。对于高填充率微透镜阵列的制备方法，报道最多的为飞秒激光直写法，飞秒激光酸刻蚀法，接近式曝光光刻法，胶体颗粒自组装及模塑工艺结合法，以及光刻热熔技术、电镀技术及模塑技术的多步复合制备方法等。然而，飞秒激光直写法设备成本较高，微透镜材质只能为光敏树脂；飞秒激光酸刻蚀法可制得高填充率玻璃及硅材质的凹透镜阵列，需经过模塑工艺才能获得凸透镜阵列，成本较高的同时增加了工艺过程；接近式曝光光刻法、胶体颗粒自组装与模塑工艺结合法及基于光刻热熔技术的多步复合工艺制备法等方法均存在工艺过程繁琐、微透镜的尺度调控不便等问题。综上，高填充率微透镜阵列的制备相比于普通微透镜阵列的制备工艺过程较为繁琐，成本较高。
微透镜的材质一般为玻璃、聚合物、硅及半导体。一般情况下，聚合物光学器件与玻璃及半导体光学器件相比具有更大的设计自由度，机械性质和热学性质良好，此外，聚合物质量较轻、运输快捷方便。因此，聚合物微光学器件是近年来发展的热点问题。然而，近年来采用较多的聚合物材料均为紫外光固化型的光敏树脂。PDMS作为一种热固型材料，具有较好的化学惰性，且生物相容性好，透明性良好，同时具有较高的结构弹性，空间尺寸变化时其光学性能不会损失或降低，尽管弹性光学材料相比于传统光学玻璃难以用来制作具有最优光学性能的器件，但弹性光学材料可在相对较低的成本下制作新型光学器件并展现新型光学性能。现阶段，PDMS透镜的制作方法主要有点胶法、模塑法及飞秒激光加工法等。然而，点胶法制得的PDMS透镜一般尺度较大，难以实现大面积微尺度透镜的制作；模塑法制作PDMS微透镜阵列的制作需要多步翻模工艺，工艺过程较为繁琐且难以实现大面积微透镜阵列制作；飞秒激光加工法设备成本较高，且凸透镜需要经过进一步模塑工艺方可制得。综上，PDMS是一种较好的微透镜阵列制作材料，但因液态PDMS具有较大粘度等因素，使得微尺度PDMS透镜阵列的制作较为困难。
微透镜阵列的制作方法中，微喷打印法与光刻热熔法是两种较为典型及成本较低的制作方法，但是该两种方法均难以直接或一步完成高填充率PDMS微透镜阵列的制作，主要表现为传统微喷打印法难以喷射高粘度的液态PDMS及实现微透镜的高填充率排布，光刻热熔法难以实现PDMS的光刻热熔。近年来，Park和Rogers等人提出的电流体动力喷射(电喷印)技术具有材料适用性广(从绝缘聚合物到导电聚合物，从悬浊液到单壁碳纳米管溶液，从金属材料、无机功能材料到生物材料等)、可高分辨率喷印高粘度液体、成本低及结构简单等突出优势，从而使其在高粘度材料喷射打印方面具有突出潜能。
因此，为了克服现有微透镜阵列制作方法在高填充率微透镜阵列及PDMS微透镜阵列制作方面的不足和缺陷，实现高填充率PDMS微透镜阵列的低成本、高效率及简单化制作，同时满足新型光学应用对微透镜阵列性质(如对弹性的要求等)的要求，迫切需要开发一种新型的高填充率PDMS微透镜阵列制作工艺。
发明内容
为了克服现有高填充率微透镜阵列及PDMS微透镜阵列制作工艺存在的问题，本发明提供了一种低成本、简单化、高效率的高填充率PDMS微透镜阵列的制作装置及方法，不仅实现了PDMS微透镜阵列的制作，而且实现了PDMS微透镜阵列的高填充率排布和多形状排布；同时，简化了PDMS微透镜阵列的制作过程，降低了制作成本及提高了制作效率。
本发明所采用的技术方案是：
一种用于高填充率PDMS微透镜阵列制作的多材料电喷印打印机，包括多材料电喷印系统、供料系统和电喷印辅助系统；
所述多材料电喷印系统，用于将PDMS弹性体及固化剂进行混合并打印，包括被动微混合装置、电喷印微喷头和三维工作台；所述被动微混合装置中设置有用于高粘度差材料混合的被动微混合器，所述电喷印微喷头设置在被动微混合器的输出口；所述被动微混合装置和供料系统集成在一起，并安装在三维工作台的Z轴工作台上；
所述供料系统主要包括PDMS弹性体微量注射泵和PDMS固化剂微量注射泵；所述PDMS弹性体微量注射泵和PDMS固化剂微量注射泵分别通过供料管路与被动微混合器的输入口连接；
所述辅助系统包括清洗装置和正负气压回路调节装置；所述清洗装置，用于清理被动微混合器、PDMS弹性体微量注射泵及PDMS固化剂微量注射泵中残留液体，通过正负气压回路调节装置驱动清洗装置。
进一步的，还包括加热载物底板，所述加热载物底板设置在三维工作台的X-Y轴工作台上，所述加热载物底板采用铝板，所述加热载物底板的上表面设置有真空吸盘，真空吸盘连接有真空管路，所述加热载物底板连接有温度控制箱，通过温度控制箱控制加热载物底板的温度。
进一步的，还包括打印基底和高压脉冲电源，所述打印基底通过真空管路吸附固定在所述载物底板上，所述高压脉冲电源的正极与电喷印微喷头连接，所述高压脉冲电源的负极与加热载物底板连接。
一种高填充率PDMS微透镜阵列的制作装置，包括用于高填充率PDMS微透镜阵列制作的多材料电喷印打印机、显微摄像模块、高压脉冲控制模块、三维工作台控制模块和主控计算机；所述显微摄像模块设置在被动微混合装置的下部，用于采集电喷印过程中电喷印微喷头内液体图像信息和打印基底上图形的图像信息；所述高压脉冲控制模块与高压脉冲电源连接，用于控制高压脉冲电源输出的电压幅值、频率及占空比；所述三维工作台控制模块与三维工作台连接，用于控制三维工作台的运动轨迹、运动速度及微液滴间的重叠率；所述主控计算机，用于接收所述显微摄像模块传输的数据，并通过高压脉冲控制模块和三维工作台控制模块控制高压脉冲电源和三维工作台。
一种高填充率PDMS微透镜阵列的制作方法，包括以下步骤：
(1)启动多材料电喷印打印机，并清理打印基座；
(2)通过加热载物底板将打印基座加热到工作温度；
(3)将PDMS弹性体及固化剂分别注入PDMS弹性体微量注射泵和PDMS固化剂微量注射泵中，并设定PDMS弹性体微量注射泵和PDMS固化剂微量注射泵的注射速度，调整电喷印微喷头与打印基底之间的距离，设置电喷印过程中微喷射参数及三维工作台运动参数；
(4)开启PDMS弹性体微量注射泵和固化剂微量注射泵，将PDMS弹性体及固化剂按一定的混合比例注入被动微混合装置；
(5)当PDMS混合液体流至电喷印微喷头处时，启动电喷印微喷射系统，电喷印微喷头根据设置的微喷射参数将PDMS混合液体喷射至打印基底上，形成预固化的PDMS阵列；
(6)待微喷射完成后，将打印基底放置在加热炉中固化一定时间，使高填充率PDMS微透镜阵列完全固化成型；
(7)关闭PDMS弹性体微量注射泵和PDMS固化剂微量注射泵，收集剩余的PDMS弹性体及固化剂，通过清洗装置清洗被动微混合器和电喷印微喷头内的残存PDMS混合液体。
进一步的，所述步骤(2)中，通过温度控制箱控制加热载物底板的加热温度为60℃-200℃。
进一步的，所述步骤(3)中，根据一定的混合比例设定PDMS弹性体微量注射泵和固化剂微量注射泵的微注射速度，通过三维工作台控制系统调节Z轴工作台，使电喷印微喷头与打印基底之间的距离为1-3mm，并根据液体物性参数及电喷印微喷头的尺寸设置电喷印过程中微喷射参数，根据微透镜阵列的排列方式设置三维工作台的运动参数；其中，所述电喷印过程中微喷射参数包括电喷印喷头与加热载物底板之间的电压幅值、占空比和频率；所述三维工作台的运动参数包括微喷射液滴间的重叠率、工作台的运动路径及运动速度。
进一步的，所述步骤(5)中，通过显微摄像模块采集电喷印微喷头处液体图像信息，并传输至主控计算机，当观察到有PDMS混合液体流至电喷印微喷头处时，启动电喷印微喷射系统，根据喷射频率，设置电喷印微喷头的微喷射模式；并并通过高压脉冲控制模块根据设置的微喷射参数控制电喷印喷头与加热载物底板之间的电压幅值、占空比和频率，三维工作台控制模块根据设置的三维工作台的运动参数控制三维工作台的运动轨迹、运动速度及微液滴间的重叠率，电喷印微喷头以设定的微喷射参数将PDMS混合溶液以一定形式逐个喷出，沉积到加热的打印基底上形成预固化的PDMS阵列。
进一步的，若电喷印微喷头的微喷射模式设置为微液滴模式，电喷印微喷头以设定的微喷射参数将PDMS混合溶液以微液滴形式逐个喷出，沉积到加热的打印基底上形成预固化的PDMS微液滴阵列；若电喷印微喷头的微喷射模式设置为锥射流模式，电喷印微喷头以设定的微喷射参数将PDMS混合溶液以锥射流形式逐个喷出，沉积到加热的打印基底上形成预固化的PDMS微液线阵列。
进一步的，所述步骤(6)中，待微喷射完成后，取下打印基底，并将打印基底放入加热炉中，以80℃加热固化1小时，完成PDMS阵列的最终完全固化，制得高填充率PDMS微透镜阵列。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)采用多材料电喷印打印机按一定比例实时连续混合PDMS弹性体及固化剂，并将混合均匀的PDMS混合溶液按需喷印到打印基座上，并将微液滴或微液线以一定的重叠率排布，实现高填充率PDMS微透镜阵列的制作；采用被动微混合器将PDMS弹性体和固化剂进行实时有效微混合，相比于传统宏观搅拌混合，避免了混合过程中气泡的产生，即减少了PDMS混合溶液真空脱泡过程，优化了制作工艺过程；且通过改变PDMS弹性体和固化剂的混合比例，更为便利地实现具有不同弹性的微透镜阵列的制备；同时，PDMS弹性体和固化剂的实时连续微混合可有效避免PDMS弹性体及固化剂完全混合后再使用时易形成预固化等现象，更适合制作高一致性及大面积微透镜阵列；
(2)采用电喷印技术喷射PDMS混合溶液，相比于传统喷墨打印技术，电喷印技术具有可喷射高粘度流体及微喷射分辨率高等特性；因PDMS混合溶液粘度较高，传统喷墨打印技术难以将其喷出，而电喷印技术可高分辨率将其喷出，从而可实现微喷射法制作高填充率PDMS微透镜阵列，简化了高填充率微透镜阵列的制作工艺过程及降低了制作成本；采用可有效连续混合PDMS弹性体及固化剂的被动微混合器作为电喷印微喷头的上端供料回路，有效解决了传统点胶制作法中采用PDMS混合溶液未点胶即易预固化及难以大面积制作PDMS微透镜阵列等问题；
(3)采用温度可调的加热载物底板和打印基座作为PDMS微透镜阵列沉积基底，由于上端采用电喷印技术，可喷印高分辨率的微液滴或微液线，沉积在加热的打印基座上的PDMS微液滴或微液线可快速预固化，通过调节加热载物底板的温度及微液滴或微液线大小即可实现上一个液滴或液线预固化之后，下一个液滴或液线方才能抵达基板，从而可通过调控微液滴间的重叠率、工作台运动轨迹及运动速度，实现多种排列方式的高填充率PDMS微透镜阵列的制作；通过改变加热载物底板的温度即可实现具有不同接触角微透镜阵列的制作，也可实现具有不同数值孔径等光学参数的微透镜阵列的制作；
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明实施例公开的用于高填充率PDMS微透镜阵列制作的多材料电喷印打印机结构示意图；
图2是本发明实施例公开的正方形排列的平凸圆形高填充率PDMS微透镜阵列结构示意图；
图3是本发明实施例公开的正方形排列的平凸圆形高填充率PDMS微透镜阵列剖视图；
图4是本发明实施例公开的六边形排列的不重叠式平凸圆形高填充率PDMS微透镜阵列结构示意图；
图5是本发明实施例公开的六边形排列的不重叠式平凸圆形高填充率PDMS微透镜阵列剖视图；
图6是本发明实施例公开的六边形排列的重叠式平凸圆形高填充率PDMS微透镜阵列结构示意图；
图7是本发明实施例公开的六边形排列的重叠式平凸圆形高填充率PDMS微透镜阵列剖视图；
图8是本发明实施例公开的平凸柱状高填充率PDMS微透镜阵列结构示意图；
图9是本发明实施例公开的圆环形平凸柱状高填充率PDMS微透镜阵列结构示意图；
图10是本发明实施例公开的圆环形平凸柱状高填充率PDMS微透镜阵列剖视图；
图11是本发明实施例公开的方环形平凸柱状高填充率PDMS微透镜阵列结构示意图；
图12是本发明实施例公开的方环形平凸柱状高填充率PDMS微透镜阵列剖视图；
其中，1、三维工作台，2、温度控制箱，3、加热载物底板，4、打印基底，5、PDMS弹性体微量注射泵，6、清洗装置，7、PDMS固化剂微量注射泵，8、被动微混合装置，9、电喷印微喷头，10、高压脉冲电源，11、正方形排列的平凸圆形高填充率PDMS微透镜阵列，12、六边形排列的不重叠式平凸圆形高填充率PDMS微透镜阵列，13、六边形排列的重叠式平凸圆形高填充率PDMS微透镜阵列，14、平凸柱状高填充率PDMS微透镜阵列；15、圆环形平凸柱状高填充率PDMS微透镜阵列，16、方环形平凸柱状高填充率PDMS微透镜阵列。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所述，现有微透镜阵列制作技术难以实现高填充率PDMS微透镜阵列的低成本、简单化及高效率制作，现有制作方法或存在制作过程繁琐、或存在制作成本较高及效率较低等不足；为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种高填充率PDMS微透镜阵列的制作装置及方法。
本申请的一种典型实施方式，如图1所示，提供了一种用于高填充率PDMS微透镜阵列制作的多材料电喷印打印机，在电喷印打印机的基础上，构建了一种适于PDMS材料微打印的可双路液体实时连续混合的多材料电喷印打印机，该多材料电喷印打印机包括多材料电喷印系统、供料系统和电喷印辅助系统。
所述多材料电喷印系统包括用于将PDMS弹性体及固化剂进行混合的被动微混合装置8、用于喷射微液滴的电喷印微喷头9和和三维工作台1，所述被动微混合装置8内设置有用于将高粘度差材料进行有效混合的被动微混合器，该被动微混合器为两路输入和单路输出，所述电喷印微喷头9设置在被动微混合器的输出口，该电喷印微喷头9为导电微喷头或作导电处理的微喷头，电喷印微喷头9的内径可选取的范围为0.5-500μm。
所述供料系统包括用于向被动微混合器输送PDMS弹性体的PDMS弹性体微量注射泵5和用于向被动微混合器输送PDMS固化剂的PDMS固化剂微量注射泵7，所述PDMS弹性体微量注射泵8和PDMS固化剂微量注射泵7分别通过供料管路与被动微混合器8的输入口连接；PDMS弹性体微量注射泵8和PDMS固化剂微量注射泵7为单通道微量注射泵。
所述三维工作台1为三维精密位移台，所述被动微混合装置和供料系统集成在一起，并安装在三维工作台的Z轴工作台上，被动微混合装置可在Z轴方向上运动；该三维工作台采用LNR50SE电动位移台，垂直负荷为66磅，水平荷载为22磅，工作行程为50毫米，双向重复定位精度为0.3微米。
所述辅助系统包括用于清理被动微混合器、PDMS弹性体微量注射泵及PDMS固化剂微量注射泵中残留物的清洗装置6和正负气压回路调节装置，清洗装置6内设有可有效清洗PDMS混合液体的乙醇，且其气压压强工作范围是：0-1bar，通过正负气压回路调节装置驱动清洗装置。清洗装置和正负气压回路调节装置的具体结构为现有技术，本申请不再赘述。
本实施例提出的用于高填充率PDMS微透镜阵列制作的多材料电喷印打印机，采用电喷印技术喷射PDMS混合溶液，相比于传统喷墨打印技术，电喷印技术具有可喷射高粘度流体及微喷射分辨率高等特性；因PDMS混合溶液粘度较高，传统喷墨打印技术难以将其喷出，而电喷印技术可高分辨率将其喷出，从而可实现微喷射法制作高填充率PDMS微透镜阵列，简化了高填充率微透镜阵列的制作工艺过程及降低了制作成本；采用被动微混合器将PDMS弹性体和固化剂进行实时有效微混合，相比于传统宏观搅拌混合，避免了混合过程中气泡的产生，即减少了PDMS混合溶液真空脱泡过程，优化了制作工艺过程；同时，PDMS弹性体和固化剂的实时连续微混合可有效避免PDMS弹性体及固化剂完全混合后再使用时易形成预固化等现象，更适合制作高一致性及大面积微透镜阵列；采用可有效连续混合PDMS弹性体及固化剂的被动微混合器，作为电喷印微喷头的上端供料回路，可有效解决传统点胶制作法中采用PDMS混合溶液未点胶即易预固化及难以大面积制作PDMS微透镜阵列等问题。
本申请的又一实施例中，如图1所示，还包括加热载物底板、打印基底和高压脉冲电源。
所述加热载物底板3设置在三维工作台1的X-Y轴工作台上，所述加热载物底板3采用以管状电热元件为发热体的铸铝加热器，并将其压铸到铝外壳内形成加热载物底板，且电热元件与铝外壳间是绝缘接触；所述加热载物底板3采用6061铝板，加工尺寸为10cm×10cm×2.5cm，并采用机加工方法保证上表面平整度，且上表面设置有真空吸盘，真空吸盘连接有真空管路，通过真空负压实现对打印基底4吸附固定；所述加热载物底板连接有温度控制箱，通过温度控制箱控制加热载物底板的温度；所述加热载物底板的加热温差范围可控制在1度以内，加热温度范围为0-400℃，通过改变打印基座工作温度可实现微透镜数值孔径等光学参数的有效控制。
打印基底4通过真空管路吸附固定在所述加热载物底板3上，所述真空管路负压压强工作范围是<-0.2bar。所述打印基底4可选用玻璃基底及固化的PDMS等柔性基底。
所述高压脉冲电源10的正极与电喷印微喷头9连接，高压脉冲电源10的负极与加热载物底板3连接。所述高压脉冲电源10输出脉冲电压0-4KV连续可调，输出脉冲频率10Hz-1000Hz，输出波形为方形。所述高压脉冲电源10的具体结构采用现有技术，本申请不再赘述。
本实施例提出的用于高填充率PDMS微透镜阵列制作的多材料电喷印打印机，采用加热载物底板和打印基底作为PDMS微透镜阵列沉积基底，由于上端采用电喷印技术，可喷印高分辨率的微液滴，沉积在微加热的打印基底上的PDMS微液滴可快速预固化，通过温度控制箱调节加热载物底板的加热温度，并调节电喷印微喷头喷射的微液滴或锥射流大小即可实现上一个液滴或液线预固化之后，下一个液滴或液线方才能抵达基板，从而可通过调控微液滴间的重叠率、工作台运动轨迹及运动速度，实现多种排列方式的高填充率PDMS微透镜阵列的制作，并且通过改变加热载物底板的温度可实现具有不同接触角微透镜阵列的制作，即可实现具有不同数值孔径等光学参数的微透镜阵列的制作。
相比于其他PDMS透镜阵列制作装置，本申请不仅可以实现微尺度PDMS透镜阵列的制作，同时采用温度可调的加热载物底板作为微透镜阵列沉积基底，可实现高填充率PDMS微透镜阵列的制作；通过调节加热载物底板温度的不同，可实现微透镜接触角在一定范围内的控制。另外，相比于其他方法，本方法可更为简便地实现具有不同排列方式的高填充率PDMS微透镜阵列的制作。
本申请的另一典型实施例中，提出了一种高填充率PDMS微透镜阵列的制作装置，包括多材料电喷印打印机、显微摄像模块、高压脉冲控制模块、三维工作台控制模块和主控计算机；所述主控计算机分别与显微摄像模块、高压脉冲控制模块、三维工作台控制模块连接。
所述显微摄像模块设置在被动微混合装置的下部，用于采集电喷印过程中电喷印微喷头内液体图像信息和打印基底的图形图像信息，所述显微摄像模块包括微型摄像机和无线通信模块，所述微型摄像机通过无线通信模块与主控计算机连接。在PDMS弹性体及固化剂注入被动微混合装置后，通过显微摄像模块采集电喷印微喷头内是否有PDMS混合液体信息，在喷印过程中，通过显微摄像模块采集喷印过程图形的对准信息。
所述高压脉冲控制模块与高压脉冲电源连接，用于控制高压脉冲电源输出的驱动电压幅值、频率、占空比等参数；所述高压脉冲控制模块通过总线与主控计算机连接，所述高压脉冲控制模块包括高压电源模块和脉冲信号发生器，其具体结构采用现有技术，本申请不再赘述。
所述三维工作台控制模块与三维工作台连接，用于控制三维工作台的运动轨迹、运动速度及微喷射液滴间的重叠率；该三维工作台控制模块包括与三个总线连接的控制回路，所述控制回路包括依次数据连接的主控制器、DA转换器、伺服驱动器、交流伺服电机和减速器，所述减速器的输出端与三维工作台的方位轴连接，主控制器通过总线与主控计算机连接。
所述主控计算机，用于接收所述显微摄像模块传输的数据，并通过高压脉冲控制系统和三维工作台控制系统控制高压脉冲电源和三维工作台。主控计算机通过显微摄像模块检测到电喷印微喷头处有PDMS混合液体图像信息时，通过高压脉冲控制模块根据设定的控制电喷印喷头与加热载物底板之间的电压，三维工作台控制模块根据微透镜阵列的排列方式控制三维工作台的运动轨迹、运动速度及微喷射液滴间的重叠率。
本实施例提供的高填充率PDMS微透镜阵列的制作装置，采用多材料电喷印打印机按一定比例实时连续混合PDMS弹性体及固化剂，并将混合均匀的PDMS溶液按需喷印到加热的打印基底上，并将微液滴或微液线以一定的重叠率排布，实现高填充率PDMS微透镜阵列的制作，可有效解决传统点胶制作法中采用PDMS混合溶液未点胶即易预固化及难以大面积制作PDMS微透镜阵列等问题；实现高精度的多种排列方式的高填充率PDMS微透镜阵列的制作。
本申请的另一典型实施方式，提供了一种平凸圆形的高填充率PDMS微透镜阵列的制作方法，该方法包括以下步骤：
(1)启动多材料电喷印打印机，并清理打印基座；保证整体打印质量；
(2)通过温度控制箱控制加热载物底板的加热温度，将打印基座加热到工作温度(60℃-200℃)；保证PDMS微液滴到达打印基座后快速形成预固化，且通过改变打印基座工作温度可实现微透镜阵列数值孔径等光学参数的有效控制；
(3)将PDMS弹性体及固化剂分别注入PDMS弹性体微量注射泵和PDMS固化剂微量注射泵中，根据一定的混合比例设定PDMS弹性体微量注射泵和固化剂微量注射泵的微注射速度，通过三维工作台控制系统调节Z轴工作台，使电喷印微喷头与打印基底之间的距离为1-3mm，并根据液体物性参数及电喷印微喷头的尺寸设置电喷印过程中微喷射参数，根据微透镜阵列的排列方式设置三维工作台的运动参数；其中，所述电喷印过程中微喷射参数包括电喷印喷头与加热载物底板之间的电压幅值、占空比、频率，所述三维工作台的运动参数包括微喷射液滴间的重叠率、工作台的运动路径及运动速度；
(4)开启PDMS弹性体微量注射泵和固化剂微量注射泵，将PDMS弹性体及固化剂按一定的混合比例注入被动微混合装置；利用被动微混合装置的特殊流道结构使PDMS弹性体和固化剂完全有效混合，同时可避免传统宏观搅拌混合PDMS溶液易产生气泡的问题，省去了真空脱泡制作工艺过程；
(5)通过显微摄像模块采集电喷印微喷头处液体图像信息，并传输至主控计算机，当观察到有PDMS混合液体流至电喷印微喷头处时，启动电喷印微喷射系统，将电喷印微喷头的微喷射模式设置为微液滴模式，并通过高压脉冲控制模块根据设置的微喷射参数控制电喷印喷头与加热载物底板之间的电压幅值、占空比和频率，三维工作台控制模块根据设置的三维工作台的运动参数控制三维工作台的运动轨迹、运动速度及微液滴间的重叠率，电喷印微喷头以设定的重叠率将PDMS微液滴以微滴形式逐个喷出，沉积到加热的打印基底上形成预固化的平凸圆形的PDMS微液滴阵列；
(6)待微喷射完成后，取下打印基底，并将打印基底放入加热炉中，以80℃加热固化1小时，完成PDMS微液滴阵列的最终完全固化，制得多种排列方式的的平凸圆形的PDMS微透镜阵列，如图2-7所示。其中，图2、图3所示为正方形排列的平凸圆形高填充率PDMS微透镜阵列，该正方形排列的平凸圆形高填充率PDMS微透镜阵列的填充率为78.5％，重叠率为0；图4、5所示为六边形排列的非重叠式平凸圆形高填充率PDMS微透镜阵列，该六边形排列的非重叠式平凸圆形高填充率PDMS微透镜阵列的填充率为90％，重叠率为0；如图6、7所示为六边形排列的重叠式平凸圆形高填充率PDMS微透镜阵列，该六边形排列的重叠式平凸圆形高填充率PDMS微透镜阵列的填充率为100％，重叠率为13.4％；
(7)关闭PDMS弹性体微量注射泵和PDMS固化剂微量注射泵，收集剩余的PDMS弹性体及固化剂，通过清洗装置清洗被动微混合器和电喷印微喷头内的残存PDMS混合液体，备下次打印时能够正确运行其功能。
本实施例公开的平凸圆形高填充率PDMS微透镜阵列的制作方法，采用多材料电喷印打印机按一定比例实时连续混合PDMS弹性体及固化剂，并将混合均匀的PDMS溶液以微滴形式按需喷印到加热基底上，并将微液滴以一定的重叠率排布，实现平凸圆形高填充率PDMS微透镜阵列的制作，可有效解决传统点胶制作法中采用PDMS混合溶液未点胶即易预固化及难以大面积制作PDMS微透镜阵列等问题；采用温度可调的加热板作为PDMS微透镜阵列沉积基底，由于上端采用电喷印技术，可喷印高分辨率的微小液滴，沉积在微加热板上的PDMS微小液滴可快速预固化，通过调节加热板温度及微液滴大小即可实现上一个液滴预固化之后，下一个液滴方才能抵达基板，从而可调控微液滴间的重叠率，实现平凸圆形高填充率PDMS微透镜阵列的制作；并且，通过改变加热基板的温度亦可实现具有不同接触角微透镜阵列的制作，即可实现具有不同数值孔径等光学参数的微透镜阵列的制作，在本实施例中，通过控制打印基底加热温度为60℃-200℃，可实现接触角约为30°-140°的平凸圆形PDMS微透镜阵列的制作；同时，利用电喷印微喷射图案化的特点，可采用以上原理制得高精度的多种排列方式的平凸圆形高填充率PDMS微透镜及其阵列。
本实施例中，PDMS弹性体及固化剂的混合比例可根据实际需要进行设定，该混合比例可以为15:1、10:1、5:1或其他。
本申请的另一典型实施方式，提供了一种平凸柱状高填充率PDMS微透镜阵列的制作方法，该方法包括以下步骤：
(1)启动多材料电喷印打印机，并清理打印基座；保证整体的打印质量；
(2)通过温度控制箱控制加热载物底板的加热温度，将打印基座加热到工作温度(60℃-200℃)；保证PDMS微液线到达打印底板后快速形成预固化，且通过改变打印底板工作温度可实现微透镜阵列数值孔径等光学参数的有效控制；
(3)将PDMS弹性体及固化剂分别注入PDMS弹性体微量注射泵和PDMS固化剂微量注射泵中，根据一定的混合比例设定PDMS弹性体微量注射泵和固化剂微量注射泵的微注射速度，通过三维工作台控制系统调节Z轴工作台，使电喷印微喷头与打印基底之间的距离为1-3mm，并根据液体物性参数及电喷印微喷头的尺寸设置电喷印过程中微喷射参数，根据微透镜阵列的排列方式设置三维工作台的运动参数；其中，所述电喷印过程中微喷射参数包括电喷印喷头与加热载物底板之间的电压幅值、占空比、频率，所述三维工作台的运动参数包括微喷射液滴间的重叠率、工作台的运动路径及运动速度；
(4)开启PDMS弹性体微量注射泵和固化剂微量注射泵，将PDMS弹性体及固化剂按一定的混合比例注入被动微混合装置；利用被动微混合装置的特殊流道结构使PDMS弹性体和固化剂完全有效混合，同时可避免传统宏观搅拌混合PDMS溶液易产生气泡的问题，省去了真空脱泡制作工艺过程；
(5)通过显微摄像模块采集电喷印微喷头处液体图像信息，并传输至主控计算机，当观察到有PDMS混合液体流至电喷印微喷头处时，启动电喷印微喷射系统，并将电喷印微喷头的喷射模式设置为锥射流模式，并通过高压脉冲控制模块根据设置的微喷射参数控制电喷印喷头与加热载物底板之间的电压幅值、占空比和频率，三维工作台控制模块根据设置的三维工作台的运动参数控制三维工作台的运动轨迹、运动速度及微液滴间的重叠率，电喷印微喷头根据设定的微喷射参数将PDMS混合溶液以锥射流形式逐个喷出，沉积到加热的打印基底上形成预固化的平凸柱状的PDMS微液滴阵列；
(6)待微喷射完成后，取下打印基底，并将打印基底放入加热炉中，以80℃加热固化1小时，完成PDMS微液滴阵列的最终完全固化，制得多种排列方式的平凸柱状高填充率PDMS微透镜阵列，如图8-12所示。其中，图8所示为平凸柱状高填充率PDMS微透镜阵列，该平凸柱状高填充率PDMS微透镜阵列的填充率为100％，重叠率为0；如图9、10所示为圆环形平凸柱状高填充率PDMS微透镜阵列，该圆环形平凸柱状高填充率PDMS微透镜阵列填充率为100％，重叠率为0；如图11、12所示为方环形平凸柱状高填充率PDMS微透镜阵列，该方环形平凸柱状高填充率PDMS微透镜阵列的填充率为100％，重叠率为0；
(7)关闭PDMS弹性体微量注射泵和PDMS固化剂微量注射泵，收集剩余的PDMS弹性体及固化剂，通过清洗装置清洗被动微混合器和电喷印微喷头内的残存PDMS混合液体。
本实施例公开的平凸柱状高填充率PDMS微透镜阵列的制作方法，采用多材料电喷印打印机按一定比例实时连续混合PDMS弹性体及固化剂，并将混合均匀的PDMS溶液以锥射流形式按需喷印到加热基底上，实现平凸柱状高填充率PDMS微透镜阵列的制作，可有效解决传统点胶制作法中采用PDMS混合溶液未点胶即易预固化及难以大面积制作PDMS微透镜阵列等问题；采用温度可调的加热板作为PDMS微透镜阵列沉积基底，由于上端采用电喷印技术，可喷印高分辨率的微小液线，沉积在微加热板上的PDMS微小液线可快速预固化，通过调节加热板温度及微液线大小即可实现上一条微液线预固化之后，下一条微液线方才能抵达基板，实现平凸柱状高填充率PDMS微透镜阵列的制作；并且，通过改变加热基板的温度亦可实现具有不同接触角微透镜阵列的制作，即可实现具有不同数值孔径等光学参数的微透镜阵列的制作，在本实施例中，通过控制打印基底加热温度为60℃-200℃，可实现接触角约为30°-140°的平凸柱状高填充率PDMS微透镜阵列的制作；同时，利用电喷印微喷射图案化的特点，可采用以上原理制得高精度的多种排列方式的平凸柱状高填充率PDMS微透镜及其阵列。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种用于高填充率PDMS微透镜阵列制作的多材料电喷印打印机，其特征是，包括多材料电喷印系统、供料系统和电喷印辅助系统；
所述多材料电喷印系统，用于将PDMS弹性体及固化剂进行混合并打印，包括被动微混合装置、电喷印微喷头和三维工作台；所述被动微混合装置中设置有用于高粘度差材料混合的被动微混合器，所述电喷印微喷头设置在被动微混合器的输出口；所述被动微混合装置和供料系统集成在一起，并安装在三维工作台的Z轴工作台上；
所述供料系统主要包括PDMS弹性体微量注射泵和PDMS固化剂微量注射泵；所述PDMS弹性体微量注射泵和PDMS固化剂微量注射泵分别通过供料管路与被动微混合器的输入口连接；
所述辅助系统包括清洗装置和正负气压回路调节装置；所述清洗装置，用于清理被动微混合器、PDMS弹性体微量注射泵及PDMS固化剂微量注射泵中残留液体，通过正负气压回路调节装置驱动清洗装置。
2.根据权利要求1所述的用于高填充率PDMS微透镜阵列制作的多材料电喷印打印机，其特征是，还包括加热载物底板，所述加热载物底板设置在三维工作台的X-Y轴工作台上，所述加热载物底板采用铝板，所述加热载物底板的上表面设置有真空吸盘，真空吸盘连接有真空管路，所述加热载物底板连接有温度控制箱，通过温度控制箱控制加热载物底板的温度。
3.根据权利要求1所述的用于高填充率PDMS微透镜阵列制作的多材料电喷印打印机，其特征是，还包括打印基底和高压脉冲电源，所述打印基底通过真空管路吸附固定在所述载物底板上，所述高压脉冲电源的正极与电喷印微喷头连接，所述高压脉冲电源的负极与加热载物底板连接。
4.一种高填充率PDMS微透镜阵列的制作装置，其特征是，包括如权利要求1-3中任一项所述的用于高填充率PDMS微透镜阵列制作的多材料电喷印打印机、显微摄像模块、高压脉冲控制模块、三维工作台控制模块和主控计算机；所述显微摄像模块设置在被动微混合装置的下部，用于采集电喷印过程中电喷印微喷头内液体图像信息和打印基底上图形的图像信息；所述高压脉冲控制模块与高压脉冲电源连接，用于控制高压脉冲电源输出的电压幅值、频率及占空比；所述三维工作台控制模块与三维工作台连接，用于控制三维工作台的运动轨迹、运动速度及微液滴间的重叠率；所述主控计算机，用于接收所述显微摄像模块传输的数据，并通过高压脉冲控制模块和三维工作台控制模块控制高压脉冲电源和三维工作台。
5.一种高填充率PDMS微透镜阵列的制作方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)启动多材料电喷印打印机，并清理打印基座；
(2)通过加热载物底板将打印基座加热到工作温度；
(3)将PDMS弹性体及固化剂分别注入PDMS弹性体微量注射泵和PDMS固化剂微量注射泵中，并设定PDMS弹性体微量注射泵和PDMS固化剂微量注射泵的注射速度，调整电喷印微喷头与打印基底之间的距离，设置电喷印过程中微喷射参数及三维工作台运动参数；
(4)开启PDMS弹性体微量注射泵和固化剂微量注射泵，将PDMS弹性体及固化剂按一定的混合比例注入被动微混合装置；
(5)当PDMS混合液体流至电喷印微喷头处时，启动电喷印微喷射系统，电喷印微喷头根据设置的微喷射参数将PDMS混合液体喷射至打印基底上，形成预固化的PDMS阵列；
(6)待微喷射完成后，将打印基底放置在加热炉中固化一定时间，使高填充率PDMS微透镜阵列完全固化成型；
(7)关闭PDMS弹性体微量注射泵和PDMS固化剂微量注射泵，收集剩余的PDMS弹性体及固化剂，通过清洗装置清洗被动微混合器和电喷印微喷头内的残存PDMS混合液体。
6.根据权利要求5所述的一种高填充率PDMS微透镜阵列的制作方法，其特征是，所述步骤(2)中，通过温度控制箱控制加热载物底板的加热温度为60℃-200℃。
7.根据权利要求5所述的一种高填充率PDMS微透镜阵列的制作方法，其特征是，所述步骤(3)中，根据一定的混合比例设定PDMS弹性体微量注射泵和固化剂微量注射泵的微注射速度，通过三维工作台控制系统调节Z轴工作台，使电喷印微喷头与打印基底之间的距离为1-3mm，并根据液体物性参数及电喷印微喷头的尺寸设置电喷印过程中微喷射参数，根据微透镜阵列的排列方式设置三维工作台的运动参数；其中，所述电喷印过程中微喷射参数包括电喷印喷头与加热载物底板之间的电压幅值、占空比和频率；所述三维工作台的运动参数包括微喷射液滴间的重叠率、工作台的运动路径及运动速度。
8.根据权利要求5所述的一种高填充率PDMS微透镜阵列的制作方法，其特征是，所述步骤(5)中，通过显微摄像模块采集电喷印微喷头处液体图像信息，并传输至主控计算机，当观察到有PDMS混合液体流至电喷印微喷头处时，启动电喷印微喷射系统，根据喷射频率，设置电喷印微喷头的微喷射模式；并通过高压脉冲控制模块根据设置的微喷射参数控制电喷印喷头与加热载物底板之间的电压幅值、占空比和频率，三维工作台控制模块根据设置的三维工作台的运动参数控制三维工作台的运动轨迹、运动速度及微液滴间的重叠率，电喷印微喷头以设定的微喷射参数将PDMS混合溶液以一定形式逐个喷出，沉积到加热的打印基底上形成预固化的PDMS阵列。
9.根据权利要求8所述的一种高填充率PDMS微透镜阵列的制作方法，其特征是，若电喷印微喷头的微喷射模式设置为微液滴模式，电喷印微喷头以设定的微喷射参数将PDMS混合溶液以微液滴形式逐个喷出，沉积到加热的打印基底上形成预固化的PDMS微液滴阵列；若电喷印微喷头的微喷射模式设置为锥射流模式，电喷印微喷头以设定的微喷射参数将PDMS混合溶液以锥射流形式逐个喷出，沉积到加热的打印基底上形成预固化的PDMS微液线阵列。
10.根据权利要求5所述的一种高填充率PDMS微透镜阵列的制作方法，其特征是，所述步骤(6)中，待微喷射完成后，取下打印基底，并将打印基底放入加热炉中，以80℃加热固化1小时，完成PDMS阵列的最终完全固化，制得高填充率PDMS微透镜阵列。
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| CN201710729979.XA CN107457984B (zh) | 2017-08-23 | 2017-08-23 | 一种高填充率pdms微透镜阵列的制作装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN201710729979.XA CN107457984B (zh) | 2017-08-23 | 2017-08-23 | 一种高填充率pdms微透镜阵列的制作装置及方法 |
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