CN1319736C - 制备微光学元件的微喷打印装置 - Google Patents

Abstract

一种制备微光学元件的微喷打印装置，在固定平台上设控制器、紫外光源系统、计算机、支架、Y向固定平台、紫外固化光纤，Y向固定平台上设Y向导轨、Y向电机、Y向转换机构，与Y向转换机构相联接的Y向移动平台设在Y向固定平台上，在Y向移动平台上设X向固定平台，X向固定平台上设X向导轨、X向电机、X向转换机构，与X向转换机构相联接的X向移动平台设在X向固定平台上，X向移动平台上设恒温固化载物台，在支架上设Z向固定平台、安装有CCD摄像头的摄像头支座，Z向固定平台上设Z向导轨、Z向电机、Z向转换机构，与Z向转换机构相联接的Z向移动平台设在Z向固定平台上，在Z向移动平台上设1～8个微喷打印喷头。

Description

制备微光学元件的微喷打印装置

技术领域

本发明属于制备微光学元件设备技术领域，具体涉及到制备微光学元件的微喷打印装置。

发明背景

折射微光学元件及其阵列的制造在集成光学、超并行光信息处理、光互连、光波导、光纤传感、光生物芯片、光电子器件、激光器(如激光二极管及其阵列、垂直腔表发射激光器)等方面的聚焦、准直、耦合、成像中起着非常重要的、不可替代的作用。作为广泛应用的高质量、高精度和低价格的微光学元件已经成为不可缺乏的光学元件。

近两年来，特别引人注意的微光学制造材料即光学品级的聚合物材料，由于它的机械性能和热学性质的可控制性使其能够简化透镜的制造过程并能产生廉价优质的光学元件。这种材料制造微光学元件的主要方法，包括激光直写法、质子深刻蚀法、模压法、空心管表面张力形成法、微喷打印法等。对于这些不同的制造方法经过分析比较，相对便宜的又能满足不同光学参数要求，如透镜矢高、口径、焦距、数值孔径以及表面光洁度等，微喷打印法更适合快速成形、批量生产和整体集成，但，目前还没有一种制作微光学元件的设备。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种设计合理、使用方便、制作实现自动控制的制备微光学元件的微喷打印装置。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在固定平台上左侧设置有控制器、右侧设置有紫外光源系统和通过电缆与控制器相连并通过控制器对整机进行控制的计算机，在固定平台上的中部设置有支架和Y向固定平台以及与紫外光源系统相连接的紫外固化光纤，Y向固定平台上设置有Y向导轨、通过导线与控制器相连的Y向电机以及与Y向电机相联的将Y向的旋转运动转换成Y向水平移动的Y向转换机构，与Y向转换机构相联接的Y向移动平台设置在Y向固定平台上，在Y向移动平台上设置有X向固定平台，X向固定平台上设置有X向导轨、通过导线与控制器相连的X向电机以及与X向电机相联的将X向旋转运动转换成X向水平移动的X向转换机构，与X向转换机构相联接的X向移动平台设置在X向固定平台上，在X向移动平台上设置有用于固化微光学元件的恒温固化载物台，在支架上设置有Z向固定平台，Z向固定平台上设置有Z向导轨、通过导线与控制器相连的Z向电机以及与Z向电机相联的将Z向旋转运动转换成Z向水平移动的Z向转换机构，与Z向转换机构相联接的Z向移动平台设置在Z向固定平台上，在Z向移动平台上设置有1～8个微喷打印喷头，在支架上设置安装有CCD摄像头的摄像头支座。

本发明的Y向转换机构包括Y向丝杆(26)以及设置在Y向丝杆(26)上的Y向轴套，Y向轴套设置在Y向移动平台上，Y向丝杆的前端设置在Y向固定平台上、后端与Y向电机相联、中部设置在Y向轴套内。本发明的微喷打印喷头为：在喷头外壳内设置有材料仓体，材料仓体上加工有进料口和喷口，在材料仓体内加工有与进料口和喷口相联通的储料仓，在材料仓体上设置有振膜，振膜上设置有压电陶瓷片。本发明的恒温固化载物台为：在加工有水孔的散热板上设置装有通过导线与控制器相连的温度传感器的导热板，散热板与导热板之间至少设置有1片通过导线与控制器相连的帕尔贴冷却器。

本发明的储料仓为一弯曲管道。

本发明的Y向转换机构也可以为齿轮和与齿轮相啮合的齿条，齿轮通过联接件与Y向电机相联接，齿条与Y向移动平台联接。

本发明的X向固定平台和Z向固定平台与Y向固定平台相同，X向移动平台和Z向移动平台与Y向移动平台相同。本发明的X向轨道和Y向轨道以及Z向轨道为两根导管。

本发明的X向转换机构和Z向转换机构与Y向转换机构相同。

本发明采用了微喷打印头，微喷打印头的压电陶瓷片承受控制器所施加的电压，产生收缩变形，由振膜挤压材料仓中的聚合物液体材料滴下到基片上，在计算机的指令下，点滴下的聚合物液体材料到基板上制成所设计的微光学元件。它还采用了恒温固化载物台或紫外光照射，加速了未成形微光学元件的固化速度。所有操作系统由计算机控制，所制作的微光学元件精度高。本发明具有设计合理、使用方便、自动化程度高等优点，可用于制作微光学元件。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是图1的左视图。

图3是图1的俯视图

图4是图1中微喷打印头10的结构示意图。

图5是图1中恒温固化载物台20的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1、2、3中，本实施例的制备微光学元件的微喷打印装置是由支架1、摄像头支座2、CCD摄像头3、Z向固定平台4、Z向导轨5、Z向丝杆6、Z向电机7、Z向轴套8、Z向移动平台9、微喷打印喷头10、计算机11、紫外光源系统12、紫外固化光纤13、X向固定平台14、X向导轨15、X向丝杆16、X向轴套17、X向移动平台18、Y向固定平台19、恒温固化载物台20、X向电机21、控制器22、固定平台23、Y向导轨24、Y向电机25、Y向丝杆26、Y向轴套27、Y向移动平台28联接构成。

在固定平台23上左侧固定安装有控制器22、右侧放置有计算机11和紫外光源系统12，计算机11通过电缆与控制器22相连，通过控制器22对整机进行控制。在固定平台23上的中部用螺纹紧固联接件固定联接有支架1、Y向固定平台19，Y向固定平台19上前后两侧固定安装有两根Y向导轨24，本实施例的Y向导轨24为不锈钢管。两根Y向导轨24之间固定安装有Y向丝杆26，Y向固定平台19的后侧面用螺纹紧固联接件固定联接有Y向电机25，Y向电机25由计算机11通过控制器22进行控制，Y向移动平台28套装在Y向导轨24外放置于Y向固定平台19上，在Y向移动平台28的中部安装有Y向轴套27，Y向丝杆26的中部套装在Y向移动平台28中部的Y向轴套27内，Y向丝杆26和Y向轴套27为本实施例的Y向转换机构。当Y向电机25旋转时，带动Y向丝杆26转动，经Y向轴套27将Y向丝杆26的转动转换成Y向移动平台28沿Y向导轨24前后移动。

在Y向移动平台28上用螺纹紧固联接件固定连接有X向固定平台14，X向固定平台14上的两侧固定安装有两根X向导轨15，X向导轨15为不锈钢管，两根X向导轨15之间固定安装有X向丝杆16，X向固定平台14的后侧面用螺纹紧固联接件固定联接有X向电机21，X向电机21由计算机11通过控制器22进行控制，X向移动平台18套装在X向导轨15外放置于在X向固定平台14上，在X向移动平台18的中部安装有X向轴套17，X向丝杆16的中部套装在X向移动平台18中部的X向轴套17内，X向丝杆16和X向轴套17为本实施例的X向转换机构。当X向电机21旋转时，带动X向丝杆16转动，经X向轴套17将X向丝杆16的转动转换成X向移动平台18沿X向导轨15前后移动。在X向移动平台18的上表面用螺纹紧固联接件固定联接有恒温固化载物台20，恒温固化载物台20用于固化微光学元件，制作微光学元件时，将玻璃基片放置在恒温固化载物台20上。

在支架1上用螺纹紧固联接件固定联接有Z向固定平台4，Z向固定平台4上的两侧固定安装有两根Z向导轨5，Z向导轨5为不锈钢管，两根Z向导轨5之间固定安装有Z向丝杆6，Z向固定平台4的上端面用螺纹紧固联接件固定联接有Z向电机7，Z向电机7由计算机11通过控制器22进行控制，Z向移动平台9套装在Z向导轨5外放置于Z向固定平台4上，在Z向移动平台9的中部安装有Z向轴套8，Z向丝杆6的中部套装在Z向移动平台9中部的Z向轴套8内，Z向丝杆6和Z向轴套8为本实施例的Z向转换机构。当Z向电机7旋转时，带动Z向丝杆6转动，经Z向轴套8将Z向丝杆6的转动转换成Z向移动平台9沿Z向导轨5前后移动。在Z向移动平台9上安装有微喷打印喷头10，本实施例在Z向移动平台9上安装有4个微喷打印喷头10，4个微喷打印喷头10可喷出不同材料、不同色彩的制作微光学元件的聚合物液体材料。微喷打印喷头10与恒温固化载物台20的X向相对距离可由计算机11通过控制器22驱动X向电机21旋转实现恒温固化载物台20沿X向移动，微喷打印喷头10与恒温固化载物台20的Y向相对距离可由计算机11通过控制器22驱动Y向电机25旋转实现恒温固化载物台20沿X向移动，微喷打印喷头10与恒温固化载物台20的Z向相对距离可由计算机11通过控制器22驱动Y向电机7旋转实现微喷打印喷头10沿Z向移动。在固定平台23上还安装有紫外固化光纤13，紫外固化光纤13与紫外光源系统12连接，由紫外光源系统12发出的紫外光经紫外固化光纤13传导照射到未成形的微光学元件使其加速固化。采用紫外光固化或恒温固化应按照所制备的光学元件以及材料确定。

在支架1上用螺纹紧固联接件固定联接有两个摄像头支座2，摄像头支座2上用螺纹紧固联接件固定联接有CCD摄像头3，两个CCD摄像头正好位于Z向移动平台9的两侧，CCD摄像头3为市场上购买的商品，CCD摄像头3用于监控及图像处理来实现喷印前的基板对位、喷印过程的观测以及喷印后尺寸测量，从而保证微光学元件制造过程的自动调整。

在图4中，本实施例的微喷打印喷头10由压电陶瓷片10-1、振膜10-2、材料仓体10-3、喷头外壳10-4联接构成。在喷头外壳10-4内用胶粘接有材料仓体10-3，材料仓体10-3的上表面加工有进料口a、下表面加工有喷口c，在材料仓体10-3的中部加工有储料仓b，储料仓b与进料口a和喷口c相联通，制作微光学元件的聚合物液体材料从进料口a进入储料仓b储存起来备用。在材料仓体10-3的上侧面用胶粘接有振膜10-2，振膜10-2上用胶粘接有压电陶瓷片10-1。当压电陶瓷片10-1承受控制器22所施加的电压，产生收缩变形，由振膜10-2挤压材料仓b中的聚合物液体材料，在喷口c处的聚合物液体材料因承受内外压力差而加速运动，形成速度渐增的突出液面。加于压电陶瓷片10-1两端的电压经一定时间后降低，导致聚合物液体材料压力下降，喷口c处聚合物液体材料液滴因惯性克服表面张力而与聚合物液体材料分离滴下到基片上，在计算机11的指令下，由控制器22控制压电陶瓷片10-1的电压变化，喷口c按需点滴下聚合物液体材料到基板上形成所设计的微光学元件。

在图5中，本实施例的恒温固化载物台20是由导热板20-1、温度传感器20-2、帕尔贴冷却器20-3、散热板20-4联接构成。在散热板20-4上加工有水孔d，在散热板20-4上表面用螺纹紧固联接件固定联接有由导热板20-1，导热板20-1用于传导热量，在导热板20-1上安装有温度传感器20-2，温度传感器20-2通过导线与控制器22相连，在散热板20-4与导热板20-1之间用螺纹紧固联接件固定联接有4片帕尔贴冷却器20-3，帕尔贴冷却器20-3为市场上购买的商品，帕尔贴冷却器20-3通过导线与控制器22相连。帕尔贴冷却器20-3一面发热、一面制冷，帕尔贴冷却器20-3的导热板20-1紧贴在发热面上、散热板20-4紧贴在制冷面上。恒温固化载物台20为制作微光学元件提供恒温，恒温固化载物台20由计算机11通过控制器22控制。

实施例2

在本实施例中，在Z向移动平台9上安装有1个微喷打印喷头10，微喷打印喷头10的结构与实施例1相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例3

在本实施例中，在Z向移动平台9上安装有8个微喷打印喷头10，微喷打印喷头10的结构与实施例1相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例4

在本实施例中，Y向转换机构也可以为齿轮和与齿轮相啮合的齿条，齿轮用联接件与Y向电机25的输出轴相联接，齿条与Y向移动平台28联接。X向转换机构和Z向转换机构的结构与Y向转换机构的结构相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例5

在本实施例中，恒温固化载物台20的散热板20-4与导热板20-1之间用螺纹紧固联接件固定联接有1片帕尔贴冷却器20-3。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

Claims (6)

1、一种制备微光学元件的微喷打印装置，其特征在于：在固定平台(23)上左侧设置有控制器(22)、右侧设置有紫外光源系统(12)和通过电缆与控制器(22)相连并通过控制器(22)对整机进行控制的计算机(11)，在固定平台(23)上的中部设置有支架(1)和Y向固定平台(19)以及与紫外光源系统(12)相连接的紫外固化光纤(13)，Y向固定平台(19)上设置有Y向导轨(24)、通过导线与控制器(22)相连的Y向电机(25)以及与Y向电机(25)相联的将Y向的旋转运动转换成Y向水平移动的Y向转换机构，与Y向转换机构相联接的Y向移动平台(28)设置在Y向固定平台(19)上，在Y向移动平台(28)上设置有X向固定平台(14)，X向固定平台(14)上设置有X向导轨(15)、通过导线与控制器(22)相连的X向电机(21)以及与X向电机(21)相联的将X向旋转运动转换成X向水平移动的X向转换机构，与X向转换机构相联接的X向移动平台(18)设置在X向固定平台(14)上，在X向移动平台(18)上设置有用于固化微光学元件的恒温固化载物台(20)，在支架(1)上设置有Z向固定平台(4)，Z向固定平台(4)上设置有Z向导轨(5)、通过导线与控制器(22)相连的Z向电机(7)以及与Z向电机(7)相联的将Z向旋转运动转换成Z向水平移动的Z向转换机构，与Z向转换机构相联接的Z向移动平台(9)设置在Z向固定平台(4)上，在Z向移动平台(9)上设置有1～8个微喷打印喷头(10)，在支架(1)上设置安装有CCD摄像头(3)的摄像头支座(2)。

2、按照权利要求1所述的制备微光学元件的微喷打印装置，其特征在于：所说的Y向转换机构包括Y向丝杆(26)以及设置在Y向丝杆(26)上的Y向轴套(27)，Y向轴套(27)设置在Y向移动平台(28)上，Y向丝杆(26)的前端设置在Y向固定平台(19)上、后端与Y向电机(25)相联、中部设置在Y向轴套(27)内；所说的微喷打印喷头(10)为：在喷头外壳(10-4)内设置有材料仓体(10-3)，材料仓体(10-3)上加工有进料口(a)和喷口(c)，在材料仓体(10-3)内加工有与进料口(a)和喷口(c)相联通的储料仓(b)，在材料仓体(10-3)上设置有振膜(10-2)，振膜(10-2)上设置有压电陶瓷片(10-1)；所说的恒温固化载物台(20)为：在加工有水孔(d)的散热板(20-4)上设置装有通过导线与控制器(22)相连的温度传感器(20-2)的导热板(20-1)，散热板(20-4)与导热板(20-1)之间至少设置有1片通过导线与控制器(22)相连的帕尔贴冷却器(20-3)。

3、按照权利要求2所述的制备微光学元件的微喷打印装置，其特征在于：所说的储料仓(b)为一弯曲管道。

4、按照权利要求1所述的制备微光学元件的微喷打印装置，其特征在于：所说的Y向转换机构也可以为齿轮和与齿轮相啮合的齿条，齿轮通过联接件与Y向电机(25)相联接，齿条与Y向移动平台(28)联接。

5、按照权利要求1所述的制备微光学元件的微喷打印装置，其特征在于：所说的X向固定平台(14)和Z向固定平台(4)与Y向固定平台(19)相同，X向移动平台(18)和Z向移动平台(9)与Y向移动平台(28)相同；所说的X向轨道和Y向轨道以及Z向轨道为两根导管。

6、按照权利要求1所述的制备微光学元件的微喷打印装置，其特征在于：所说的X向转换机构和Z向转换机构与Y向转换机构相同。

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