CN107720692A - 一种基于柔性可变形微透镜阵列的立体制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于柔性可变形微透镜阵列的立体制造方法，首先将微观粒子置于纯水中搅拌均匀，再将光通过光纤及柔性可变形微透镜阵列施于微观粒子，在柔性可变形微透镜阵列出射端形成一光学势阱，实现对水溶液中微观粒子的操控；然后，对柔性可变形微透镜阵列施加外场作用力，改变其空间位姿和曲率半径，实现对不同平面微观粒子的操控；然后改变入射光功率，可以改变每次所能操控的水溶液中微观粒子的排布厚度，实现对立体制造中景深范围的控制；最后将水溶液中聚集的微观粒子进行固定成型，实现三维结构的制作；本发明具有工艺简单、可定时/域调节、大景深、高效率、可实现快速成型等优点。

Description

一种基于柔性可变形微透镜阵列的立体制造方法
技术领域
本发明属于光学与微纳制造技术领域，尤其涉及一种基于柔性可变形微透镜阵列的立体制造方法。
背景技术
传统的3D打印技术是采用分层制造的方法，只能进行面制造，无法实现瞬时快速立体成型，过程中的“台阶效应”也给产品的制造带来了较大的误差。同时，可供选择的3D打印材料有限，多为石膏、无机粉料、光敏树脂、塑料等材料，无法利用功能性材料打印出具有复杂结构的三维形状，使得打印出的产品在功能性与实用性方面有所欠缺，越来越无法适应科技发展对产品功能性方面的高要求。
随着可变焦透镜制造技术的发展，变焦镜头在生活中被逐渐广泛应用，比如在照相时拉近远处的景物、摄像时景物的切换，监控时细节的变化等等都离不开变焦镜头。柔性可变形微透镜阵列是变焦透镜的发展，它不仅完美地继承了变焦透镜的所有优点，还可以结合外场力的作用，对透镜形貌、焦距实现连续的、可控的改变。因其超光滑表面、良好的生物兼容性、大范围的连续变焦、可编程的实时/域操控特性，被认为是一种低成本、高效率、高分辨率的光学成像元件。柔性可变形微透镜阵列优异的可调控性能已经在现代生物、医学治疗、军事感知、航空航天等领域取得广泛应用，并展现出深远的应用前景。其可编程的定时/域操控特性更是受到国内外学者的广泛关注，发展十分迅速，是目前柔性可变形微透镜阵列研究的重点和热点。
目前市场上所能实现的立体效果只有有限的深度层次，并不能实现真正意义上的三维，将柔性可变形微透镜阵列与快速制造技术相结合，利用微透镜的成像技术及光对微观粒子的操控力便可实现可编程、大景深的快速立体成型制造。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于柔性可变形微透镜阵列的立体制造方法，具有制备工艺简单、成本低、可定时/域调节、大景深、大范围、高效率、可快速成型等优点。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于柔性可变形微透镜阵列的立体制造方法，包括以下步骤：
1)将微纳米尺度的微观粒子置于纯水中，搅拌使微观粒子均匀分布，得到含有微观粒子的水溶液；
2)将光通过光纤及柔性可变形微透镜阵列施于微观粒子，在柔性可变形微透镜阵列出射端形成一光学势阱，从而对水溶液中的微观粒子进行操控；
3)对柔性可变形微透镜阵列施加不均匀的外场作用力，改变柔性可变形微透镜阵列中每个透镜单元的曲面形貌，从而调整单个透镜单元的空间位姿和曲率半径，实现对水溶液中不同平面微观粒子的操控；
4)改变入射光的功率，相应地改变每次所能操控的水溶液中微观粒子的排布厚度，从而实现对立体制造过程中景深范围的控制；
5)将水溶液中聚集的微观粒子进行固定成型，实现三维结构的制作。
所述步骤1)中的微观粒子为PS小球、SiO2小球、PP小球或PEEK小球。
所述步骤2)中柔性可变形微透镜阵列制备方法如下：利用模板诱导自组装技术将水基丙三醇溶液完全包裹在油基硅油溶液中，形成液体透镜；利用纳米压印模板将液体透镜封装在PDMS柔性薄膜中，形成柔性可变形微透镜阵列，并在PDMS柔性薄膜里放置电极。
所述步骤3)中的外场作用力为电场、光场或热场。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明可以通过预期微观粒子的排布方式，来设计相应的柔性可变形微透镜阵列，而且工艺简单，制作方便，可以实现真正意义上的立体制造。
2)本发明从优化微结构设计和微结构排列方式等方面入手，设计和制备出了大面积、高密度、均一稳定的柔性可变形微透镜阵列，同时采用封装技术克服了液体透镜所存在的不稳定，溶剂易挥发的缺点；
3)本发明可以通过施加外场作用力实现对每个透镜单元空间位姿、曲面形貌的控制，从而实现厚度可控的立体制造；
4)本发明提出了一种全新的立体制造方法，相对于传统的3D打印技术，工艺流程大大简化，具有推广和应用价值，有望应用于快速成型、立体印刷、生物器官合成等领域。
附图说明
图1为本发明的实施过程示意图。
图2为外场作用力下柔性可变形微透镜阵列的变形图。
图3为变形后的柔性可变形微透镜阵列对微观粒子的操控示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过附图及实施例对本发明作进一步说明。
一种基于柔性可变形微透镜阵列的立体制造方法，包括以下步骤：
1)将微纳米尺度的微观粒子1置于纯水中，搅拌使其均匀分布，得到含有微观粒子的水溶液；
2)将光通过光纤2及柔性可变形微透镜阵列3施于微观粒子1，由于柔性可变形微透镜阵列3具有较高的折射率，故在其出射端可形成一光学势阱，从而对水溶液中的微观粒子1进行操控，如图1所示；
3)对柔性可变形微透镜阵列3施加不均匀的外场作用力，改变柔性可变形微透镜阵列3中每个透镜单元的曲面形貌，从而调整单个透镜单元的空间位姿和曲率半径，如图2所示；改变柔性可变形微透镜阵列3的形貌结构及焦距后，实现对水溶液中不同平面微观粒子1的操控，如图3所示；
4)改变入射光的功率，相应地改变每次所能操控的水溶液中微观粒子1的排布厚度，从而实现对立体制造过程中景深范围的控制；
5)将水溶液中聚集的微观粒子1进行固定成型，实现三维结构的制作。
所述步骤1)中的微观粒子为微纳米级别的PS小球。
所述步骤2)中柔性可变形微透镜阵列3制备方法如下：参照图2，利用模板诱导自组装技术将水基丙三醇溶液4完全包裹在油基硅油溶液5中，形成液体透镜；同时为了防止该液体透镜中的溶剂挥发，利用纳米压印模板将液体透镜封装在PDMS柔性薄膜6中，形成柔性可变形微透镜阵列3，并在PDMS柔性薄膜6里放置电极。
所述步骤3)中施加的外场作用力为电场7。
本发明的原理：
1)采用具有较高折射率的柔性可变形微透镜阵列可以突破衍射极限，形成光学势阱，从而实现对微观粒子的操控；
2)利用外场作用力可以改变柔性可变形微透镜阵列中每个透镜单元的曲率半径和空间形貌，进而影响其焦距。焦距的改变可以带来景深的改变，从而实现对立体制造过程中景深范围的控制。

Claims (4)

1.一种基于柔性可变形微透镜阵列的立体制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将微纳米尺度的微观粒子置于纯水中，搅拌使微观粒子均匀分布，得到含有微观粒子的水溶液；
2)将光通过光纤及柔性可变形微透镜阵列施于微观粒子，在柔性可变形微透镜阵列出射端形成一光学势阱，从而对水溶液中的微观粒子进行操控；
3)对柔性可变形微透镜阵列施加不均匀的外场作用力，改变柔性可变形微透镜阵列中每个透镜单元的曲面形貌，从而调整单个透镜单元的空间位姿和曲率半径，实现对水溶液中不同平面微观粒子的操控；
4)改变入射光的功率，相应地改变每次所能操控的水溶液中微观粒子的排布厚度，从而实现对立体制造过程中景深范围的控制；
5)将水溶液中聚集的微观粒子进行固定成型，实现三维结构的制作。
2.根据权利要求1所述的一种基于柔性可变形微透镜阵列的立体制造方法，其特征在于：所述步骤1)中的微观粒子为PS小球、SiO2小球、PP小球或PEEK小球。
3.根据权利要求1所述的一种基于柔性可变形微透镜阵列的立体制造方法，其特征在于，所述步骤2)中柔性可变形微透镜阵列制备方法如下：利用模板诱导自组装技术将水基丙三醇溶液完全包裹在油基硅油溶液中，形成液体透镜；利用纳米压印模板将液体透镜封装在PDMS柔性薄膜中，形成柔性可变形微透镜阵列，并在PDMS柔性薄膜里放置电极。
4.根据权利要求1所述的一种基于柔性可变形微透镜阵列的立体制造方法，其特征在于：所述步骤3)中的外场作用力为电场、光场或热场。
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