CN111638599A - 一种光学镜头的设计及3d打印制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学镜头的设计及3D打印制备方法，包括：预先设定光学镜头的成像效果目标。设计光学透镜主光线和边缘光线的光学路径：根据预先设定的成像效果目标，确定光线路径；根据光线的偏折情况，确定光学镜头透镜材料的折射率变化，获得透镜材料折射率梯度、内嵌结构和光学镜头的初步外形结构；判断是否能够实现预先设定的光学镜头的成像效果目标；如果为是则确定光学镜头的透镜材料和透镜几何参数，获得满足要求的光学镜头设计参数，如果为否则进入步骤S2，进行迭代优化。同时，本发明还提供光学镜头的3D打印制备方法，本发明原始创新性高，生成的光学成像元件外形简单、皮实性好，无需装调，成本低，易于实现系统集成化和小型化。

Description

一种光学镜头的设计及3D打印制备方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种光学镜头的设计及3D打印制备方法。
背景技术
3D打印(又称增材制造)企业在整个产业链中扮演着至关重要的角色，目前3D打印设备市场上，依然以欧美公司企业为主，而国内的3D打印公司近年来也涌现出发展迅速的企业。发展3D打印产业,可以提升我国工业领域的产品开发水平,提高工业设计能力；可以生产复杂、特殊、个性化的产品,有助于攻克技术难关；可以形成新的经济增长点,促进就业。此外，3D打印技术对产品设计理念、细节、流程及产业模式所带来的影响:产品结构与造型的设计不再受到传统制造工艺束缚；独立设计师可依靠3D打印技术将自己的创意变成真实的产品,从而催生了大量独立设计师及设计品牌；设计的社会化趋势将会打破以往设计组织的僵硬的结构划分,消费者获得了自己设计、生产产品的权力。
3D打印技术伴随快速产品成型技术发展产生,可实现三维结构的快速和自由制造,被广泛应用于新产品开发、单件小批量制造。目前的主流3D打印技术包括选择性激光烧结SLS、混合沉积建模FDM，立体平板印刷SLA以及分层实体制造LOM等。用以3D打印材料也较多，如陶瓷、石膏、无机粉料、钢化玻璃、ABS塑料、聚乳酸PLA、尼龙、玻璃填充聚胺、光固化材料、银、钛、钢、蜡、干膜和聚碳酸脂等，而目前打印出来的材料则以ABS热塑料和树脂为主。
在过去几年里，3D打印在光机电产品中得到广泛应用，有研究也试图将3D打印应用于光学产品领域。然而，目前在成像应用，光学玻璃材质的3D打印技术仍然是一片空白，虽然最近一两年有报导一些实验室和企业着力开发玻璃的3D打印技术，但这些基于高温熔融喷咀堆积方法，距离真正成像光学3D打印在精度和面形控制上仍然还有很长的路要走。
光学玻璃元件因为高精度要求，同时玻璃材料本身的高熔点、非晶态等特点，现时常用加工手段为磨削和抛光技术，效率低成本高；而采用玻璃热模压技术，虽可以制造部分光学零部件，但热压模具的材料限制、成型加工难度大成本高，这也使得模压技术用于加工各种复杂光学零部件在一定程度上受到制约，尤其是在生成嵌入式复杂结构方面，玻璃热模压技术就显得无能无力。以上这些受传统光学理论、传动光学制造与检测技术限制，只能在精度和面形上追求极致，没有包括设计与制造方法的颠覆性突破，其光学成像系统的制造几乎走到了极端。
发明内容
本发明的目的是提供一种光学镜头的设计及3D打印制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够采用新工艺，采用3D打印方法制备新工艺设计的光学镜头。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种光学镜头的设计及3D打印制备方法，内容如下：
S1.预先设定光学镜头的成像效果目标；
S2.设计光学透镜主光线和边缘光线的光学路径：根据步骤S1预先设定的成像效果目标，确定光线路径；根据光线的偏折情况，确定光学镜头透镜材料的折射率变化，从而获得透镜材料折射率梯度、内嵌结构和光学镜头的初步外形结构；
S3.判断是否能够实现步骤S1中预先设定的光学镜头的成像效果目标；如果为是则确定光学镜头的透镜材料和透镜几何参数，获得满足要求的光学镜头设计参数，如果为否则进入步骤S2，进行迭代优化。
同时本发明还公开一种光学镜头的3D打印制备方法，包括如下内容：高速粉末颗粒喷射头将粉末喷涂到基材的中心区域上；热能激光发射器发射激光到所述粉末表面，对所述粉末进行加热熔结；聚焦离子束发射器发射离子束对加热熔接后的粉末表面进行光学整形，聚焦离子束发射器可旋转调整工作角度。
优选地，所述基材材料为耐高温材料，包括但不限于硅、粘土、高铝，所述基材表面预先用表面活性剂处理；所述粉末包括但不限于玻璃粉、陶瓷粉。
优选地，所述基材放置在可沿X、Y和Z轴三个方向自由运动的精密运动平台模组表面。
优选地，所述高速粉末颗粒喷射头、所述聚焦离子束发射器和所述热能激光发射器组装在一起，构成3D光学打印模块，其中，所述聚焦离子束发射器和所述热能激光发射器置于所述高速粉末颗粒喷射头两侧。
优选地,所述热能激光发射器可以旋转，根据熔接工艺的要求，工作角度在0-90度之间变化；所述聚焦离子束发射器能够旋转。
本发明公开了以下技术效果：本发明基于光学3D打印技术，研究通过纵、横分层的3D打印原理实现具有变折射率、嵌入式微结构的光学成像元件，形成3D打印超精密光学元件及集成系统的工艺及装备。本发明方法对传统的成像系统的设计理论、制造方法以及检测手段具有实质性进步，提出的方法具有原始创新性，最终生成的光学成像元件外形简单、皮实性更好，并且无需装调，成本更低，易于实现系统集成化和小型化，可广泛应用于各种高端光学系统中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明光学镜头设计方法流程图；
图2为本发明光学镜头的3D打印系统与传统方法对比图；
图3为本发明光学镜头的3D打印系统示意图。
其中，1为高速粉末颗粒喷射头，2为聚焦离子束发射器，3为热能激光发射器，4为基材，5为精密运动平台模组。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-3,本发明提供首先提供一种光学镜头的设计方法，其流程图如图1所示，具体内容如下：
S1.预先设定光学镜头的成像效果目标；
S2.设计光学透镜主光线和边缘光线的光学路径：根据步骤S1预先设定的成像效果目标，确定光线路径；根据光线的偏折情况，确定光学镜头透镜材料的折射率变化，从而获得透镜材料折射率梯度、内嵌结构和光学镜头的初步外形结构。
S3.判断是否能够实现步骤S1中预先设定的光学镜头的成像效果目标；如果为是则确定光学镜头的透镜材料和透镜几何参数，获得满足要求的光学镜头设计参数，如果为否则进入步骤S2，进行迭代优化。
同时本发明还提供一种光学镜头的3D打印制备方法，内容如下：
高速粉末颗粒喷射头1、聚焦离子束发射器2和热能激光发射器3组装在一起，构成3D光学打印模块。其中，聚焦离子束发射器2和热能激光发射器3置于高速粉末颗粒喷射头1的两侧。热能激光发射器3可以旋转，根据熔接工艺的要求，工作角度在0-90度之间变化,聚焦离子束发射器2也能够旋转工作。
具体工作时，高速粉末颗粒喷射头1将粉末喷涂到基材4的中心区域上，基材4置于可沿X、Y和Z轴三个方向自由运动的精密运动平台模组5的表面。热能激光发射器3发射纳秒激光到粉末表面，对粉末进行加热熔结。同时，聚焦离子束发射器2发射离子束对加热熔接后的粉末表面进行光学整形，聚焦离子束发射器2工作时可旋转调整角度以获得最佳光整效果。
根据打印工艺设计，精密运动平台模组5可采用层析方式，例如沿X方向完成一条打印，在Y向移动一个步长，形成光栅式的一层打印后，再沿Z向移动一定距离，完成下一层打印；如此循环，即可形成整体打印。
其中，基材为耐高温材料(如硅、粘土、高铝等)，工作时预先用表面活性剂处理基材4的表面，使基材4的表面具有一定的附着力。粉末可为玻璃粉、陶瓷粉等材料。
整个系统工作时，处于真空环境，或置于惰性气体氛围中，防止系统工作时，粉末发生氧化反应，进而对最终产产品质量产生负面影响。
本发明基于光学3D打印技术，研究通过纵、横分层的3D打印原理实现具有变折射率、嵌入式微结构的光学成像元件，形成3D打印超精密光学元件及集成系统的工艺及装备。本发明方法对传统的成像系统的设计理论、制造方法以及检测手段具有实质性进步，提出的方法具有原始创新性，最终生成的光学成像元件外形简单、皮实性更好，并且无需装调，成本更低，易于实现系统集成化和小型化，可广泛应用于各种高端光学系统中。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明保护范围。

Claims (6)

1.一种光学镜头的设计方法，其特征在于，包括如下内容：
S1.预先设定光学镜头的成像效果目标；
S2.设计光学透镜主光线和边缘光线的光学路径：根据步骤S1预先设定的成像效果目标，确定光线路径；根据光线的偏折情况，确定光学镜头透镜材料的折射率变化，从而获得透镜材料折射率梯度、内嵌结构和光学镜头的初步外形结构；
S3.判断是否能够实现步骤S1中预先设定的光学镜头的成像效果目标；如果为是则确定光学镜头的透镜材料和透镜几何参数，获得满足要求的光学镜头设计参数，如果为否则进入步骤S2，进行迭代优化。
2.一种光学镜头的3D打印制备方法，其特征在于，包括如下内容：高速粉末颗粒喷射头将粉末喷涂到基材的中心区域上；热能激光发射器发射激光到所述粉末表面，对所述粉末进行加热熔结；聚焦离子束发射器发射离子束对加热熔接后的粉末表面进行光学整形，所述聚焦离子束发射器可旋转调整工作角度。
3.根据权利要求2所述的光学镜头的3D打印制备方法，其特征在于，所述基材材料为耐高温材料，包括但不限于硅、粘土、高铝；所述基材表面预先用表面活性剂处理；所述粉末包括但不限于玻璃粉、陶瓷粉。
4.根据权利要求2所述的光学镜头的3D打印制备方法，其特征在于，所述基材放置在可沿X、Y和Z轴三个方向自由运动的精密运动平台模组表面。
5.根据权利要求1所述的光学镜头的设计及3D打印制备方法，其特征在于，所述高速粉末颗粒喷射头、所述聚焦离子束发射器和所述热能激光发射器组装在一起，构成3D光学打印模块，其中，所述聚焦离子束发射器和所述热能激光发射器置于所述高速粉末颗粒喷射头两侧。
6.根据权利要求5所述的光学镜头的3D打印制备方法，其特征在于,所述热能激光发射器可以旋转，根据熔接工艺的要求，工作角度在0-90度之间变化；所述聚焦离子束发射器能够旋转。
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