一种光学元件的增材制造方法及光学元件技术

本申请提供的光学元件的增材制造方法，通过计算轴向梯度折射率透镜的结构参数，根据所述结构参数建立UG三维模型，采用所述成型浆料对所述UG三维模型进行光固化成型，对光固化成型后的UG三维模型进行脱脂处理，将脱脂后的坯体进行烧结处理，将烧结后的坯体清洗后得到具有变折射率的透镜，本申请提供的光学元件的增材制造方法，通过DLP光固化3D打印实现变折射率透镜加工制作，在保证加工精度的前提下，提高加工速度，具有成型速度快、特征尺寸小、具备宏微跨尺度成型能力。宏微跨尺度成型能力。宏微跨尺度成型能力。

【技术实现步骤摘要】
一种光学元件的增材制造方法及光学元件


[0001]本专利技术属于光学
，具体涉及一种光学元件的增材制造方法及光学元件。

技术介绍

[0002]变折射率光学器件如梯度折射率透镜是一类主要靠介质折射率的非均匀分布实现各种光学功能的光学器件。具有体积小、重量轻、平端面、易加工、易调整对准、易耦合组装、耦合效率高等特点，广泛应用于医疗、工业诊断、光纤通信、微透镜网格、光学仪器、弹载、星载、情报搜取、侦破等方面。
[0003]一般光学系统的设计主要建立在均匀折射率透镜基础之上,想要提高系统的成像质量,需要改变透镜的材料、改变透镜的半径或者间隔来消除各种像差。如果系统想要成像清晰，往往需要很多片透镜或是透镜组的组合，这样才能保证光学系统的成像自由度。如果设计的系统很复杂，会使用多个透镜组合，而且在像差校正方面，也要综合这多个透镜考虑，这会使得光学仪器增加重量和体积，设计成本也很高。而梯度折射率透镜可以完美解决这些问题。利用器件中介质的特定梯度折射率分布可以对光束实现分束、聚焦、准直、耦合等操控功能，利用控制折射率分布的各阶系数，也可以很好地校正球差、场曲和色差，因而在望远镜、照相机的物镜设计中采用变折射率透镜后，可以提高成象质量，又可使结构简单、体积缩小、重量减轻。梯度折射率透镜可分为轴向梯度折射率透镜、径向梯度折射率透镜和球对称梯度折射率透镜。一块层状梯度折射率分布透镜可等效于一个柱面镜，可作为一维放大率光学元件；一个轴向梯度折射率球面在校正像差方面可等效于普通透镜的非球面作用；一个弱径向梯度折射率球面也是具有非球面的类似作用；一轴向简单的平凸梯度折射率透镜就可实现锐成像；二片梯度折射率透镜系统可达到需要六片双高斯摄影镜头的同样像质。由以上的梯度折射率的这些特点可以看出,如果想要减少光学系统组件、简化加工工艺，可以在光学系统的设计中应用梯度折射率透镜。梯度折射率透镜不仅在微型光学仪器通信等方面的光学系统中具有广泛的应用前景，而且还为光学设计工程师们使光学系统向轻型化、微型化、优质化、易装配等发展路径指明了方向。当前制备方法应用较多的是离子交换法，离子交换通常在玻璃的软化点以下进行，交换过程通常数十到数百小时，能耗大、深度有限，不易制备大尺寸的梯度折射率光学元件。

技术实现思路

[0004]鉴于此，有必要提供一种成型速度快、特征尺寸小、具备宏微跨尺度成型能力的光学元件的增材制造方法。
[0005]为解决上述问题，本专利技术采用下述技术方案：
[0006]一种光学元件的增材制造方法，包括下述步骤：
[0007]计算轴向梯度折射率透镜的结构参数，所述结构参数包括梯度折射率透镜半径及厚度参数；
[0008]根据所述结构参数建立UG三维模型；
[0009]制备成型浆料；
[0010]采用所述成型浆料对所述UG三维模型进行光固化成型；
[0011]对光固化成型后的UG三维模型进行脱脂处理；
[0012]将脱脂后的坯体进行烧结处理；
[0013]将烧结后的坯体清洗后得到具有变折射率的透镜。
[0014]在其中一些实施例中，在计算轴向梯度折射率透镜的结构参数的步骤中，具体包括下述步骤：
[0015]轴向梯度折射率材料的折射率分布可表示为：
[0016]n＝n(Z)＝N
00
+N
01
Z+N
02
Z2+...
[0017]式中N
00
，N
01
和N
02
分别为常数项、线性项和二次项系数，
[0018]空气中轴向梯度折射率薄透镜的光焦度公式为：
[0019]Φ＝(n0‑
1)c1‑
(n
T
‑
1)c2[0020]式中，n0是光轴上的折射率(等于N
00
)，n
T
为沿光轴方向最大折射率，c1和c2为折射率透镜各面的曲率；
[0021]根据所述轴向梯度折射率材料的折射率分布及所述空气中轴向梯度折射率薄透镜的光焦度得到所述梯度折射率透镜半径及厚度参数。
[0022]在其中一些实施例中，在制备成型浆料的步骤中，具体包括下述步骤：
[0023]将甲基丙烯酸羟乙醋、聚乙二醇二丙烯酸酯、二乙二醇二苯甲酸酯混合并超声搅拌后得到均匀树脂预混液；
[0024]将蓝宝石加入到所述树脂预混液中，同时加入光吸收体和稳定剂进行高速混合得到第一浆料；
[0025]将AlON加入到所述树脂预混液中，同时加入光吸收体和稳定剂进行高速混合得到第二浆料；
[0026]将尖晶石加入到所述树脂预混液中，同时加入光吸收体和稳定剂进行高速混合得到第三浆料；
[0027]将聚酰亚胺加入到所述树脂预混液中，同时加入光吸收体和稳定剂进行高速混合得到第四浆料；
[0028]在所述第一浆料、所述第二浆料、所述第三浆料及所述第四浆料中加入光引发剂，混合均匀后得到所述成型浆料。
[0029]在其中一些实施例中，所述光吸收体为苏丹红G，所述稳定剂为对羟基苯甲醚，所述光引发剂为Irgacure819。
[0030]在其中一些实施例中，在采用所述成型浆料对所述UG三维模型进行固化成型的步骤中，具体包括下述步骤：
[0031]根据光聚合增材制造的经验公式计算所述第一浆料、所述第二浆料、所述第三浆料及所述第四浆料的曝光时间；
[0032]根据所述曝光时间，采用所述第一浆料对所述UG三维模型进行光固化，固化完成后对所述UG三维模型进行清洗干燥处理，以除去所述UG三维模型上残留的所述第一浆料；
[0033]重复上述步骤，分别采用所述第二浆料、所述第三浆料及所述第四浆料对所述UG
三维模型进行光固化。
[0034]在其中一些实施例中，在对光固化成型后的UG三维模型进行脱脂处理的步骤中，具体包括下述步骤：
[0035]对光固化成型后的UG三维模型采用2～3℃/mm的升温速度从室温升到100～110度，再以上升温速度为0.5～0.8℃/min升温至160～170℃，并在160～170℃保温5h，让部分有机物气化排出，之后以2℃/mm的升温速度升温至1000℃，并在1000℃保温2h，完成脱脂处理。
[0036]在其中一些实施例中，在将脱脂后的坯体进行烧结处理的步骤中，具体包括下述步骤：
[0037]将坯体放入通满氮气的密闭容器中，选用3～4℃/min的升温速率升温至1050～1100℃，再选用1～1.5℃/min的升温速率升温至1250～1300℃，并在1250～1300℃下保温3h并随炉冷却。
[0038]在其中一些实施例中，在整个烧结过程，在＜1mbar的气压下进行。
[0039]另外，本专利技术还提供了一种光学元件，由所述的光学元件的增材制造方法制备得到。
[0040]相较于现有技术，本申请提供的光学元件的增材制造方法，通过计算轴向梯度折射率透镜的结构参数，根据所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光学元件的增材制造方法，其特征在于，包括下述步骤：计算轴向梯度折射率透镜的结构参数，所述结构参数包括梯度折射率透镜半径及厚度参数；根据所述结构参数建立UG三维模型；制备成型浆料；采用所述成型浆料对所述UG三维模型进行光固化成型；对光固化成型后的UG三维模型进行脱脂处理；将脱脂后的坯体进行烧结处理；将烧结后的坯体清洗后得到具有变折射率的透镜。2.根据权利要求1所述的光学元件的增材制造方法，其特征在于，在计算轴向梯度折射率透镜的结构参数的步骤中，具体包括下述步骤：轴向梯度折射率材料的折射率分布可表示为：n＝n(Z)＝N
00
+N
01
Z+N
02
Z2+...式中N
00
，N
01
和N
02
分别为常数项、线性项和二次项系数，空气中轴向梯度折射率薄透镜的光焦度公式为：Φ＝(n0‑
1)c1‑
(n
T
‑
1)c2式中，n0是光轴上的折射率(等于N
00
)，n
T
为沿光轴方向最大折射率，c1和c2为折射率透镜各面的曲率；根据所述轴向梯度折射率材料的折射率分布及所述空气中轴向梯度折射率薄透镜的光焦度得到所述梯度折射率透镜半径及厚度参数。3.根据权利要求1所述的光学元件的增材制造方法，其特征在于，在制备成型浆料的步骤中，具体包括下述步骤：将甲基丙烯酸羟乙醋、聚乙二醇二丙烯酸酯、二乙二醇二苯甲酸酯混合并超声搅拌后得到均匀树脂预混液；将蓝宝石加入到所述树脂预混液中，同时加入光吸收体和稳定剂进行高速混合得到第一浆料；将AlON加入到所述树脂预混液中，同时加入光吸收体和稳定剂进行高速混合得到第二浆料；将尖晶石加入到所述树脂预混液中，同时加入光吸收体和稳定剂进行高速混合得到第三浆料；将聚酰亚胺加入到所述树脂预混液中，同时加入光吸收体...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏鸿达，邓伟杰，胡海翔，陶小平，王若秋，徐萌萌，张志宇，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：