复杂结构的光学元件及其成型方法技术

本发明专利技术涉及一种复杂结构的光学元件及其成型方法，复杂结构的光学元件主要包括元件基体上带有凸块的一种，以及多个元件基体之间通过连接杆相连的一种。这种复杂结构光学元件以常规机械手段成型，容易造成表面精度差的问题。本发明专利技术提供一种3D打印后增加流平后固化处理阶段的成型方法，用于提高成品的表面精度。其中，3D打印控制整体的精度，后固化处理补偿打印半成品表面所存在的细小精度缺陷，从而满足高精度光学元件的生产要求。足高精度光学元件的生产要求。足高精度光学元件的生产要求。

【技术实现步骤摘要】
复杂结构的光学元件及其成型方法


[0001]本专利技术涉及3D打印
，尤其是一种复杂结构的光学元件及其成型方法。

技术介绍

[0002]复杂光学透镜作为现代光学系统的重要组成部分，在实现高级成像、调整光线传输方向、控制光学畸变等方面具有至关重要的作用。其独特的设计和材料选择可使光束在经过透镜时发生严格的折射和成像，从而实现对光线的精细控制。优秀的光学透镜不仅可显著提高图像分辨率和质量，还能支持其他应用领域，例如半导体加工、激光切割和医疗诊断等。
[0003]光学透镜的制造方法多采用机械加工，如车、磨、磨削等。这些工艺过程较为繁琐，需要昂贵的设备和专业技能，而且一旦加工出现问题则比较难修复。此外，加工透镜时还容易产生热应力、机械损伤等问题，影响到制造精度和光学性能。
[0004]3D打印技术是一种革命性技术，已经广泛应用于制造业、医疗领域以及建筑领域等方面。目前最广泛的几种增材制造方式有熔融沉积成型工艺(FDM)、立体光刻技术(SLA)、数字光处理(DLP)等技术。虽然以点和面为基本单元的方式可以实现复杂的形状，但也存在一些缺点。其中，处理复杂模型时需要消耗大量的时间和计算资源，导致打印速度慢、成本高。此外，在打印过程中需要支撑材料使其保持稳定，但支撑结构往往难以去除，会留下瑕疵。另外，由于每个层面都需要进行光照射，因此每层之间的接缝处可能会产生微小的错位，从而影响最终产品的整体坚固性。

技术实现思路

[0005]本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的复杂结构的光学元件及其成型方法，针对特殊形状的光学元件，利用3D打印成型，以及打印后表面生成的树脂膜，借助树脂膜的流动性补偿元件表面的细小缺陷。
[0006]本专利技术所采用的技术方案如下：
[0007]一种复杂结构的光学元件的成型方法，包括如下步骤：
[0008]进行目标原料的材料测试，以获取其粘度、透明度以及折射率等属性参数；
[0009]将功能性结构参数输入Zemax进行优化设计，并导出相应的Solidworks三维模型；
[0010]利用滤波反投影算法将上述三维数字模型转化为特定角度的二维图集，并投射在动态旋转的树脂容器中，在目标空间进行能量积累；当能量大于凝固阈值时，所需目标样品在高粘度浆料中成型，
[0011]对光固化成型后的三维模型进行后处理，处理步骤依次为：在弧面上涂覆未固化的树脂，根据光学元件的形状调整光学元件的相对位置，元件表面未固化树脂流平后，再固化得到光学元件成品。
[0012]作为上述技术方案的进一步改进：
[0013]所述光学元件材料组成包括：
[0014]双酚A甘油酯二丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、樟脑醌和4
‑
二甲氨基苯甲酸乙酯。
[0015]光学元件组分混合物的粘度大于3000cp。
[0016]三维数字模型经过滤波反投影算法处理后，得到在特定角度的投影序列。
[0017]投影的角度间隔设置为0.8
°‑
1.2
°
。
[0018]投影过程中目标空间剂量S表示为：
[0019]S＝(M1+M2+
…
+M360)*N
[0020]式中，
[0021]M1，M2
…
M360分别为不同角度的投影能量，
[0022]N代表容器旋转的圈数，N为整数。
[0023]一种利用上述方法成型的带有凸出结构的光学元件，包括元件基体，元件基体上成型有凸出基体表面的凸块，凸块的表面与元件基体表面之间的切线夹角大于90
°
。
[0024]一种带有凸出结构的光学元件的成型方法，固化过程具体为：
[0025]将打印得到的半成品放于载玻片上，
[0026]将半成品以其中一个凸块中心为基准，多角度倾斜摆放半成品，使该凸块与元件基体之间的交界线处的树脂流平填充，树脂在交界线处形成表面弧形内凹的树脂附着层；每个倾斜角度分别静置五分钟，待多余树脂在重力作用下流出，
[0027]树脂多角度流平补偿半成品外层薄膜厚度，待流平完成后，将半成品放入后固化箱，在405nm光照、60℃条件下进行十分钟后固化处理，即得到亚纳米级表面粗糙度光学元件成品。
[0028]一种利用上述方法成型的带有连接结构的光学元件，包括至少两个元件基体，相邻元件基体之间成型有连接杆。
[0029]一种带有连接结构光学元件的成型方法，固化过程具体为：
[0030]将打印得到的半成品放于载玻片上，
[0031]将半成品以连接杆的轴心为基准，多角度倾斜摆放半成品，使连接杆端部与相邻元件基体之间的交界线处的树脂流平填充，树脂在交界线处形成表面弧形内凹的树脂附着层；每个角度分别静置五分钟，待多余树脂在重力作用下流出，
[0032]树脂多角度流平补偿半成品外层薄膜厚度，待流平完成后，将半成品放入后固化箱，在405nm光照、60℃条件下进行十分钟后固化处理，即得到亚纳米级表面粗糙度光学元件成品。
[0033]作为上述技术方案的进一步改进：
[0034]半成品放入后固化箱中时，凸块或连接杆与元件基体之间的交界线处于水平面内，或趋于水平面内。
[0035]本专利技术的有益效果如下：
[0036]1.本专利技术采用体积光固化3D打印技术作为加工手段，通过传统的超精密加工难以实现任意复杂结构的光学元件制造，本专利技术采用的体积3D打印技术避免了传统成型工艺的自由度低、加工成本高等问题。不必采用超精密加工机床或者超精密模具，即可直接进行复杂曲面透镜或者透镜组的一体化打印。
[0037]2.本专利技术采用的体积3D打印技术无需使用模具、夹具，甚至打印过程无需辅助支
撑，避免了后期去处支撑会破坏样品表面质量等问题，因此具有工艺简单，样品表面损伤小等特点。
[0038]3.本专利技术采用的3D打印技术可同时打印目标区域的所有点，无需像基于点或者面为基本单元的层层堆叠打印，体积3D打印可实现超高速打印，厘米级的样品可在一分钟之内完成。
[0039]4.本专利技术采用的3D打印技术避免了传统3D打印层层堆叠所产生的阶梯效应，再结合后处理工艺，能实现亚纳米级粗糙度的超光滑表面。
附图说明
[0040]图1为本专利技术的整体设计思路流程框图。
[0041]图2为本专利技术所用光敏材料流变图。
[0042]图3为本专利技术所用光引发剂吸收光谱图。
[0043]图4为本专利技术所用混合浆料折射率。
[0044]图5为本专利技术所用Zemax光学模拟示意图。
[0045]图6为本专利技术所用的一个特定角度投影示意图。
[0046]图7为本专利技术打印得到的一种元件结构图。
[0047]图8为打印光学元件表面质量图。
[0048]图9为本专利技术打印得到的一种复杂元件结构示意图。
[0049]图10为本专利技术打印得到的另一种复杂元件结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复杂结构的光学元件的成型方法，其特征在于，包括如下步骤：进行目标原料的材料测试，以获取其粘度、透明度以及折射率等属性参数；将功能性结构参数输入Zemax进行优化设计，并导出相应的Solidworks三维模型；利用滤波反投影算法将上述三维数字模型转化为特定角度的二维图集，并投射在动态旋转的树脂容器中，在目标空间进行能量积累；当能量大于凝固阈值时，所需目标样品在高粘度浆料中成型，对光固化成型后的三维模型进行后处理，处理步骤依次为：在弧面上涂覆未固化的树脂，根据光学元件的形状调整光学元件的相对位置，元件表面未固化树脂流平后，再固化得到光学元件成品。2.如权利要求1所述的复杂结构的光学元件的成型方法，其特征在于：所述光学元件材料组成包括：双酚A甘油酯二丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、樟脑醌和4
‑
二甲氨基苯甲酸乙酯。3.如权利要求2所述的复杂结构的光学元件的成型方法，其特征在于：光学元件组分混合物的粘度大于3000cp。4.如权利要求1所述的复杂结构的光学元件的成型方法，其特征在于：三维数字模型经过滤波反投影算法处理后，得到在特定角度的投影序列。投影的角度间隔设置为0.8
°‑
1.2
°
。5.如权利要求1所述的复杂结构的光学元件的成型方法，其特征在于：投影过程中目标空间剂量S表示为：S＝(M1+M2+
…
+M360)*N式中，M1,M2
…
M360分别为不同角度的投影能量，N代表容器旋转的圈数，N为整数。6.一种利用权利要求1所述的方法成型的带有凸出结构的光学元件，其特征在于，包括元件基体(1)，元件基体(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭帅，刘禹，罗璇，朱玺霖，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：