一种基于挤压打印的球面型或圆柱面型微透镜加工装置及其加工方法制造方法及图纸

一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置及其加工方法。本发明专利技术涉及基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置及其加工方法。本发明专利技术目的是为了解决目前加工微透镜的方法存在的可控性差、效率低、难以制造圆柱面型透镜以及喷墨打印加工方法对墨水原料的粘度要求高的问题。产品包括气压控制器、注射器针管、微喷嘴、基底、三轴线性运动平台、控制驱动器、光学显微镜、COMS相机和计算机。方法：一、材料装填及装置连接；二、基底疏水处理；三、加工；四、固化。本发明专利技术提出的基于挤压打印的微透镜加工方法具有良好的可控性及灵活性，可有效实现微透镜尺寸及形状的调节。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置及其加工方法。
技术介绍
微透镜及微透镜阵列在光学通信、生物医学成像、投影光刻、激光光束整形等领域有着广泛的应用。目前，制造微透镜的方法有光刻胶回流技术、激光直写、热压成型、液滴喷墨等方法。其中基于液滴喷墨的微透镜加工方法在球面型透镜的加工中应用较为广泛。然而，喷墨打印微透镜加工方法仍然存在许多局限性，例如：喷墨打印方法只能加工球面型微透镜，难以制造圆柱面型透镜；难以在浸润性相同的基底上实现不同直径球面型微透镜的制造；此外，喷墨打印加工方法对采用的墨水原料的粘度有着很高的要求，限制了低粘度原材料的应用。
技术实现思路
本专利技术目的是为了解决目前加工微透镜的方法存在的可控性差、效率低、难以制造圆柱面型透镜以及喷墨打印加工方法对墨水原料的粘度要求高的问题，而提供一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置及其加工方法。本专利技术的一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置包括气压控制器、注射器针管、微喷嘴、基底、三轴线性运动平台、控制驱动器、光学显微镜、COMS相机和计算机；所述注射器针管一端与气压控制器相连，所述注射器针管另一端与微喷嘴相连；所述控制驱动器的一个通信端口与三轴线性运动平台相连，所述控制驱动器的另一个通信端口与计算机相连；所述COMS相机设置在光学显微镜上以获得图像信息，所述COMS相机的信号输出端与计算机相连；所述基底固定在三轴线性运动平台上。本专利技术的利用一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置加工基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜的方法按以下步骤进行：一、材料装填及装置连接：将可固化预聚物装入注射器针管中，然后将基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置连接好；二、基底疏水处理：将基底进行超声清洗后用氮气吹干，然后在基底上均匀喷涂超疏水防水剂，再在超疏水防水剂表面均匀喷涂全氟辛烷磺酸溶液，加热烘干后，形成一层纳米级疏水薄膜，完成基底表面的疏水处理，然后将疏水处理后的基底固定在三轴线性运动平台上；三、加工：通过控制驱动器驱动三轴线性运动平台垂直运动，使微喷嘴与基底接触，通过气压控制器调节气压至使可固化预聚物连续稳定的从微喷嘴中挤出，然后按照计算机设定的加工参数开始进行加工：当使微喷嘴与基底间断性接触时，得到球面型微透镜液滴；当使微喷嘴与基底连续性接触时，得到圆柱面型微透镜液滴；四、固化：加工结束后，对基底上的可固化预聚物液滴进行固化，得到基于挤压打印的球面型或圆柱面型微透镜。本专利技术的有益效果：本专利技术采用透明的、具有一定粘度的可固化预聚物作为加工原料，基于挤压打印原理，通过气压驱动可固化预聚物经过微喷嘴稳定连续地挤出到透明基底表面，在基底表面形成球冠形液滴或圆柱面形液滴，基底表面的预聚物液滴经过固化，直接在基底表面制造出球面型及圆柱面型平-凸微型折射透镜。微喷嘴内径在几至十几微米范围内，可实现几微米至几百微米级的微透镜及微透镜阵列的加工。通过切换微喷嘴与基底表面的接触模式(间断接触模式及连续接触模式)，可分别实现球面型及圆柱面型微透镜及其阵列的灵活加工。可通过调节气压、微喷嘴与基底接触时间、微喷嘴与基底相对运动等参数，对微透镜的特征尺寸(球面型微透镜半径及圆柱形微透镜宽度)进行无级调控。常见的基于喷墨打印原理的加工方法是将孤立液滴分散地喷射到基底上，从而形成微透镜液滴，但该方法只能用于球面型微透镜的制造，并且无法实现同一基底上球面型透镜半径的无级调整。不同于喷墨打印的加工方法，在本专利技术提出的基于挤压打印的加工方法中，可固化预聚物被稳定连续地挤出到基底上，通过控制各种加工参数，可以实现微透镜特征尺寸的无级调整。此外，微喷嘴与基底之间具有两种接触模式，可以分别实现两种微透镜的加工。当微喷嘴与基底之间采用间断接触模式时，可以实现球面型微透镜及其阵列的加工，并可通过调节气压、微喷嘴与基底接触时间，改变每个接触点上预聚物液滴的体积，从而无级的调控球面型微透镜半径大小；当微喷嘴与基底之间采用连续接触模式时，可以实现圆柱面型微透镜及其阵列的加工，可通过调节气压、微喷嘴与基底相对运动速度，改变线性预聚物液滴的线密度，从而无级的调控圆柱面型微透镜的宽度。附图说明图1为本专利技术的基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置的结构示意图；图2为试验二得到的球面型微透镜阵列的结构示意图；其中10为可固化预聚物，↓代表气压方向，↑代表微喷嘴3相对于基底4的运动方向；图3为试验三得到的圆柱面型微透镜阵列的结构示意图；其中10为可固化预聚物，↓代表气压方向，→代表微喷嘴3相对于基底4的运动方向。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置包括气压控制器1、注射器针管2、微喷嘴3、基底4、三轴线性运动平台5、控制驱动器6、光学显微镜7、COMS相机8和计算机9；所述注射器针管2一端与气压控制器1相连，所述注射器针管2另一端与微喷嘴3相连；所述控制驱动器6的一个通信端口与三轴线性运动平台5相连，所述控制驱动器6的另一个通信端口与计算机9相连；所述COMS相机8设置在光学显微镜7上以获得图像信息，所述COMS相机8的信号输出端与计算机9相连；所述基底4固定在三轴线性运动平台5上。本实施方式的气压控制器1可提供0-600kPa的气压，可驱动针管中的紫外固化预聚物经由喷嘴连续均匀挤出，改变气压大小，可调节流出速率。通过视觉反馈实时监测加工过程和可固化预聚物的挤出情况，保证加工过程的顺利进行。本实施方式采用透明的、具有一定粘度的可固化预聚物作为加工原料，基于挤压打印原理，通过气压驱动可固化预聚物经过微喷嘴稳定连续地挤出到透明基底表面，在基底表面形成球冠形液滴或圆柱面形液滴，基底表面的预聚物液滴经过固化，直接在基底表面制造出球面型及圆柱面型平-凸微型折射透镜。微喷嘴内径在几至十几微米范围内，可实现几微米至几百微米级的微透镜及微透镜阵列的加工。通过切换微喷嘴与基底表面的接触模式(间断接触模式及连续接触模式)，可分别实现球面型及圆柱面型微透镜及其阵列的灵活加工。可通过调节气压、微喷嘴与基底接触时间、微喷嘴与基底相对运动等参数，对微透镜的特征尺寸(球面型微透镜半径及圆柱形微透镜宽度)进行无级调控。常见的基于喷墨打印原理的加工方法是将孤立液滴分散地喷射到基底上，从而形成微透镜液滴，但该方法只能用于球面型微透镜的制造，并且无法实现同一基底上球面型透镜半径的无级调整。不同于喷墨打印的加工方法，在本实施方式提出的基于挤压打印的加工方法中，可固化预聚物被稳定连续地挤出到基底上，通过控制各种加工参数，可以实现微透镜特征尺寸的无级调整。此外，微喷嘴与基底之间具有两种接触模式，可以分别实现两种微透镜的加工。当微喷嘴与基底之间采用间断接触模式时，可以实现球面型微透镜及其阵列的加工，并可通过调节气压、微喷嘴与基底接触时间，改变每个接触点上预聚物液滴的体积，从而无级的调控球面型微透镜半径大小；当微喷嘴与基底之间采用连续接触模式时，可以实现圆柱面型微透镜及其阵列的加工，可通过调节气压、微喷嘴与基底相对运动速度，改变线性预聚物液滴的线密度，从而无级的调控圆柱面型微透镜的宽度。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述微喷嘴3通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置，其特征在于一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置包括气压控制器(1)、注射器针管(2)、微喷嘴(3)、基底(4)、三轴线性运动平台(5)、控制驱动器(6)、光学显微镜(7)、COMS相机(8)和计算机(9)；所述注射器针管(2)一端与气压控制器(1)相连，所述注射器针管(2)另一端与微喷嘴(3)相连；所述控制驱动器(6)的一个通信端口与三轴线性运动平台(5)相连，所述控制驱动器(6)的另一个通信端口与计算机(9)相连；所述COMS相机(8)设置在光学显微镜(7)上以获得图像信息，所述COMS相机(8)的信号输出端与计算机(9)相连；所述基底(4)固定在三轴线性运动平台(5)上。

【技术特征摘要】
1.一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置，其特征在于一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置包括气压控制器(1)、注射器针管(2)、微喷嘴(3)、基底(4)、三轴线性运动平台(5)、控制驱动器(6)、光学显微镜(7)、COMS相机(8)和计算机(9)；所述注射器针管(2)一端与气压控制器(1)相连，所述注射器针管(2)另一端与微喷嘴(3)相连；所述控制驱动器(6)的一个通信端口与三轴线性运动平台(5)相连，所述控制驱动器(6)的另一个通信端口与计算机(9)相连；所述COMS相机(8)设置在光学显微镜(7)上以获得图像信息，所述COMS相机(8)的信号输出端与计算机(9)相连；所述基底(4)固定在三轴线性运动平台(5)上。2.根据权利要求1所述的一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置，其特征在于所述微喷嘴(3)通过用拉针仪将直径为1mm的毛细玻璃管从中间拉断制备而成；且所述微喷嘴(3)喷嘴口内径为5μm～20μm。3.根据权利要求1所述的一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置，其特征在于所述微喷嘴(3)与注射器针管(2)之间采用粘接的方式进行连接。4.根据权利要求1所述的一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置，其特征在于所述基底(4)材质为透明的疏水材料。5.根据权利要求1所述的一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置，其特征在于所述基底(4)为透明玻璃基底。6.利用权利要求1所述的一种基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置加工基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：一、材料装填及装置连接：将可固化预聚物装入注射器针管(2)中，然后将基于挤压打印的球面型及圆柱面型微透镜加工装置连接好；二、基底疏水处理：将基底(4)进行超声清洗后用氮气吹干，然后在基底(4)上均匀喷涂超疏水防水剂，再在超疏水防水剂表面均匀...

【专利技术属性】
技术研发人员：荣伟彬，邢济尧，孙定，王乐锋，孙立宁，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23