一种利用显微投影制备三维微结构的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种利用显微投影制备三维微结构的装置及方法。本发明专利技术包括图案生成器、图案显示器、投影光源、准直透镜、结像透镜、显微物镜、样品基板以及Z轴运动平台。图案显示器、投影光源、准直透镜、结像透镜及显微物镜组成一个光学系统。投影光源所产生特定波长的光控制液态光固化材料以缩微图案的形式发生固化。通过Z轴运动平台控制样品基板和显微物镜之间的相对位置，并有图案生成器生成与位置对应的图案，生成特定的三维微结构。本发明专利技术将数字光处理、液晶显示器打印相结合，实现微米级精度的三维微结构光固化打印成型。本发明专利技术简单且易于实现，制备方法不需要严格的环境控制，降低了高精度三维微结构的制造成本。降低了高精度三维微结构的制造成本。降低了高精度三维微结构的制造成本。

【技术实现步骤摘要】
一种利用显微投影制备三维微结构的装置及方法


[0001]本专利技术涉及一种三维微结构制备技术，具体涉及一种利用显微投影制备三维微结构的装置及方法。本专利技术适用于微镜头及其阵列、微棱镜及其阵列等光学元件的光固化打印制备，也适用于微流道等微结构的高精度制造，同时适用于不透明液态光固化材料的微型结构制备。

技术介绍

[0002]近年来，三维微结构在航空航天、光纤通信、生物医学和光计算技术等诸多领域，都发挥这越来越重要的作用，并表现出越来越广阔的应用前景。光学微透镜阵列在微光夜视仪领域使用广泛，可以显著提高光捕捉面积，提高信噪比；光子微结构可在微米甚至亚微米尺度上对光信号进行调制，实现对光的运动进行控制；仿生微结构常用于超疏水、自清洁、流体减阻等新型材料表面功能设计。同时，三维微结构器件也常作为微机电(MEMS)系统的核心元件。
[0003]当前用于三维微结构制备的微细加工技术主要包括基于光刻技术的三维微细加工技术和传统的精密机械加工技术两大类，主要的微结构制备方法有LIGA技术、激光微加工技术、硅基微加工技术、电子束曝光技术、微细电火花加工技术、纳米压印制图技术及单点金刚石切削技术等。LIGA技术是一种基于X射线光刻技术的三维微结构加工技术，由德国Karlsruhe原子能研究中心在80年代开发出来，当时开发的主要目的是为了制造用于提炼铀同位素的微喷嘴。LIGA技术能够实现传统精密机械加工无法制造的微小金属和塑料器件，目前已成为微纳米结构的一种重要加工技术。激光微加工技术是由激光加工技术发展出来的，采用适当的激光器作为光源，能够用于制备微米量级甚至更小尺度的微纳米结构，具有高空间和高时间分辨率、无污染、非接触、低噪声以及智能控制等优点。硅基微加工技术采用光刻掩模、硅干法刻蚀及硅湿法刻蚀，通过曝光有选择地去除部分单晶硅材料。电子束曝光技术是利用电子束在涂有感光胶的晶片上直接刻写或投影样板的曝光技术，具有与LIGA技术相同的优点，还可以制备任意曲面微结构。微细电火花加工技术是利用材料和电极之间的脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来制备微结构，对制备系统的移动及定位精度、微结构制备过程的检测与控制具有较高要求，可以制备微米级的复杂三维微结构。纳米压印制图(NIL)技术由美国明尼苏达大学纳米结构实验室开发，利用物理成型方法，先用其他微纳米加工技术在模板上加工出需要的微结构，然后通过一定压力在涂覆有纳米压印胶上去压印复制出微结构。单点金刚石车削技术通过对超精密数控车床和加工环境进行精确控制，利用金刚石刀具单点车削的方式，可以直接加工出符合要求的三维微结构。近些年，出现了一些新的三维微结构制备方法。如浙江大学光电学院张冬仙团队提出两种新方法：一种是激光热塑成型三维微结构制备方法，利用激光束使热塑性材料产生热融膨胀形成凸起的微结构，在液体环境中完成微结构的制备，使微结构垂直生长；一种是利用毛细管微探针的微结构制备方法，通过毛细微探针结合局部电化学微加工技术，通过电化学沉积生成微结构。蔡司旗下的Nanoscribe公司成功研制出基于双光子聚合作用的微纳3D打印机，利用
双光子吸收的空间选择性实现高空间分辨率，可以打印小于100nm分辨率微结构。上述技术和方法为不同应用场景的三维微结构提供了制备的路线。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种利用显微投影制备三维微结构的装置及方法。一种基于显微投影利用光固化材料制备微镜头、微棱镜、微流道等三维微结构单元及其阵列的装置与方法。本专利技术利用逆向显微光路将液晶屏等图案显示器上显示的图案缩微到显微物镜的物方焦平面，并控制对液态光固化材料的图案固化。本专利技术基于光固化原理，将数字光处理(DLP)打印和液晶显示器(LCD)打印相结合，可实现微米级的三维微结构的打印成型。
[0005]为达到该目的，本专利技术采用如下技术方案予以解决：
[0006]一种利用显微投影制备三维微结构的装置，包括图案生成器、图案显示器、投影光源、准直透镜、结像透镜、显微物镜、样品基板以及Z轴运动平台，其中：
[0007]图案生成器产生特定的图案，图案以灰阶图像的形式存在；图案显示器用于显示图案生成器产生的灰阶图像；投影光源用于产生特定波长的发散光，准直透镜将发散光准直为投影光；结像透镜将所述图案显示器上显示的图案在结像透镜和显微物镜之间生成中间像；显微物镜将所述中间像缩微显示在显微物镜的物方焦平面上；样品基板用于承载所制备的三维微结构；Z轴运动平台用于改变样品基板和显微物镜之间的相对距离。
[0008]进一步的，所述图案显示器、所述投影光源、所述准直透镜、所述结像透镜及所述显微物镜组成一个光学系统；所述图案显示器位于所述结像透镜的像方焦平面位置；所述灰阶图像的灰阶值与所述图案显示器显示单元的透光率正相关，灰阶值越高，透光率越大；所述图案显示器上的图案为高灰阶值，允许所述投影光通过；所述图案的背景灰阶值为0，用于遮挡所述平行投影光；所述图案显示器上的显示图案是所制备三维微结构的当前剖面图案的放大版，放大率等于所述光学系统的整体放大率。
[0009]进一步的，所述投影光源产生的特定波长的发散光经所述准直透镜准直后，依次经过所述图案显示器、所述结像透镜和所述显微物镜，并在所述显微物镜的物方焦平面生成一个缩微图案；所述显微物镜的物方焦平面位置的液态光固化材料以所述缩微图案的形式固化成形。
[0010]进一步的，所述样品基板采用弹性优良的金属材料或金属合金制成，表面具有微结构阵列；所述微结构阵列由特征宽度小于500微米、特征高度小于100微米的微结构单元组成；优选的金属材料为锰或弹簧钢，优选的金属合金为铍铜合金。
[0011]进一步的，所述显微物镜为平场物镜，优选为光学无限远平场复消色差物镜。
[0012]一种利用显微投影制备三维微结构的方法有赖于所述的一种利用显微投影制备三维微结构的装置，包括如下步骤：
[0013]步骤1、初始化所述Z轴运动平台的位置，使所述样品基板的承载面位于所述显微物镜的像方焦平面位置；
[0014]步骤2、加注液态光固化材料，使所述样品基板的承载面浸没于液态光固化材料中；
[0015]步骤3、加载三维微结构的设计模型，确定基准方向、步进距离、运动速度、光照强度、光照时间等制备工艺参数；
[0016]步骤4、以所述基准方向作为法线，以所述三维微结构在所述基准方向上的最小投影位置为起点，以所述三维微结构在所述基准方向上的最大投影位置为终点，以所设定的步进距离为基准，等间距生成对应位置的所述三维微结构的剖切面，并获得对应的剖切面图案；
[0017]步骤5、打开所述投影光源，并将所述图案显示器整体置为灰阶值0，阻挡所述投影光源发出的光线进入结像透镜；
[0018]步骤6、以所述Z轴运动平台的当前位置为起点位置，所述图案生成器将起点位置对应的剖切面图案按照所述光学系统的整体放大率放大并转化为灰阶图像；
[0019]步骤7、所述图案生成器将当前位置对应的所述灰阶图像传输并显示在所述图案显示器上，所述投影光源以步骤3设置本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用显微投影制备三维微结构的装置，其特征在于包括图案生成器(101)、图案显示器(102)、投影光源(103)、准直透镜(104)、结像透镜(105)、显微物镜(106)、样品基板(107)以及Z轴运动平台(108)；所述图案显示器(102)、所述投影光源(103)、所述准直透镜(104)、所述结像透镜(105)及所述显微物镜(106)组成一个光学系统；所述图案生成器(101)产生特定的图案，图案以灰阶图像的形式存在；所述图案显示器(102)用于显示所述图案生成器(101)产生的灰阶图像；所述投影光源(103)用于产生特定波长的发散光，所述准直透镜(104)将发散光准直为投影光；所述结像透镜(105)将所述图案显示器(102)上显示的图案在所述结像透镜(105)和所述显微物镜(106)之间生成中间像；所述显微物镜(105)将所述中间像缩微显示在其物方焦平面上；所述样品基板(107)用于承载所制备的三维微结构；所述Z轴运动平台(108)用于改变所述样品基板(107)和所述显微物镜(105)之间的相对距离。2.根据权利要求1所述的一种利用显微投影制备三维微结构的装置，其特征在于所述图案显示器(102)位于所述结像透镜(105)的像方焦平面位置；所述灰阶图像的灰阶值与所述图案显示器(102)显示单元的透光率正相关，灰阶值越高，透光率越大；所述图案显示器(102)上的图案为高灰阶值，允许所述投影光通过；所述图案的背景灰阶值为0，用于遮挡所述平行投影光；所述图案显示器(102)上的图案是所制备三维微结构的当前剖面图案的放大版，放大率等于所述光学系统的整体放大率。3.根据权利要求2所述的一种利用显微投影制备三维微结构的装置，其特征在于所述投影光源(103)产生的特定波长的发散光经所述准直透镜(104)准直后，依次经过所述图案显示器(102)、所述结像透镜(105)和所述显微物镜(106)，并在所述显微物镜(106)的物方焦平面生成一个缩微图案；所述显微物镜(106)的物方焦平面位置的液态光固化材料(109)以所述缩微图案的形式固化成形。4.根据权利要求2所述的一种利用显微投影制备三维微结构的装置，其特征在于所述样品基板(107)通过转接装置(110)和Z轴运动平台(108)相连，通过Z轴运动平台(108)的Z向移动带动样品基板(107)远离或靠近显微物镜(106)；显微物镜(106)和结像透镜(105)、图案显示器(102)之间的相对距离固定不变。5.根据权利要求2所述的一种利用显微投影制备三维微结构的装置，其特征在于所述显微物镜(106)通过转接装置(110)和Z轴运动平台(108)相连；样品基板(107)固定不动，通过Z轴运动平台(108)的Z向移动带动显微物镜(106)远离或靠近样品基板(107)；当Z轴运动平台(108)移动时，显微物镜(106)和结像透镜(105)之间的相对距离会发生改变；所述光学系统的整体放大率会因当Z轴运动平台(108)的移动而改变。6.根据权利要求2所述的一种利用显微投影制备三维微结构的装置，其特征在于所述将图案显示器(102)、投影光源(103)、准直透镜(104)、结像透镜(105)、显微物镜(106)装配成一个整体，相互之间的位置不变，并通过转接装置(110)和Z轴运动平台(108)相连；样品基板(107)固定不动，通过Z轴运动平台(108)的Z向移动带动所述光学系统远离或靠近样品基板(107)；所述光学系统的整体放大率是一个固定值。7.根据权利要求4或5或6所述的一种利用显微投影制备三维微结构的装置，其特征在于所述样品基板采用弹性优良的金属材料或金属合金制成，表面具有微结构阵列；所述微结构阵列由特征宽度小于500微米、特征高度小于100微米的微结构单元组成。
8.一种利用显微投影制备三维微结构的方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、初始化所述Z轴运动平台的位置，使所述样品基板的承载面位于所述显微物镜的像方焦平面位置；步骤2、加注液态光固化材料，使所述样品基板的承载面浸没于液态光固化材料中；步骤3、加载三维微结构的设计模型，确定基准方向、步进距离、运动速度、光照强度、光照时间等制备工艺参数；步骤4、以所述基准方向作为法线，以所述三维微结构在所述基准方向上的最小投影位置为起点，以所述三维微结构在所述基准方向上的最大投影位置为终点，以所设定的步进距离为基准，等间距生成对应位置的所述三维微结构的剖切面，并获得对应的剖切面图案；步骤5、打开所述投影光源，并将所述图案显示器整体置为灰阶值0，阻挡所述投影光源发出的光线进入结像透镜；步骤6、以所述Z轴运动平台的当前位置为起点位置，所述图案生成器将起点位置对应的剖切面图案按照所述光学系统的整体放大率放大并转化为灰阶图像；步骤7、所述图案生成器将当前位置对应的所述灰阶图像传输并显示在所述图案显示器上，所述投影光源以步骤3设置的光照强度发出特定波长的光，并将对应的所述灰阶图像显示在所述显微物镜的像方焦平面位置，所述灰阶图像的显示时长为步骤3设定的光照时间；步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙安玉，曲凯歌，钟皓泽，虞兵，居冰峰，朱吴乐，陈远流，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：