本發(fā)明涉及光學(xué)器械領(lǐng)域，特別涉及一種基于三維直寫(xiě)的微透鏡陣列制造方法。

背景技術(shù)：

微透鏡和微透鏡陣列是重要的微光學(xué)元器件，微透鏡陣列是由一系列直徑在微米至毫米的陣列元按照一定的規(guī)則排列而成的。微透鏡(陣列)具有尺寸小、重量輕、易集成等優(yōu)點(diǎn)，其在光路中可以發(fā)揮會(huì)聚、發(fā)散、準(zhǔn)直、成像和傳輸作用，已廣泛應(yīng)用在光纖耦合、光子器件和集成光學(xué)元件等方面。

目前，用于制作微透鏡陣列的方法主要有離子交換法、光敏玻璃熱成形法、光刻膠熱熔法、光電反應(yīng)刻蝕法、聚焦離子束刻蝕與沉積法、化學(xué)氣相沉積法等方法。其中光敏玻璃熱成形法和光刻膠熱熔法采用熱熔工藝，通過(guò)熔融的玻璃或光刻膠液體的表面張力自然形成微透鏡，具有表面光潔度和透明性高等優(yōu)點(diǎn)。但光敏玻璃熱成形法時(shí)必須使用特殊的曝光加熱玻璃，這種玻璃具有高度的多孔性(微孔占總體積的30％)。而光刻膠熱熔法需要經(jīng)過(guò)基片預(yù)處理、涂膠、前烘、曝光、顯影、熔化、檢測(cè)、圖案轉(zhuǎn)移等多個(gè)加工過(guò)程，需要復(fù)雜的光刻、濕法腐蝕技術(shù)和設(shè)備，并且只能制備非晶態(tài)聚合物材料的微透鏡。上述方法加工微透鏡(陣列)的焦距和透光率調(diào)節(jié)手段比較復(fù)雜，特別是難于在同一透明基底上制備不同形狀和尺寸的微透鏡，因此不能作為微快門(mén)陣列、高對(duì)比度的視場(chǎng)亮度調(diào)節(jié)器以及微型內(nèi)窺系統(tǒng)使用，從而限制了微透鏡(陣列)的進(jìn)一步發(fā)展。

三維打印技術(shù)無(wú)需機(jī)械加工或模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的物體，適于可突破上述技術(shù)局限，用于快速制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的微透鏡陣列。發(fā)明專(zhuān)利(申請(qǐng)公布號(hào)cn104401002)采用層層堆疊透鏡材料的三維打印方法在曲面基底上制造曲面微透鏡陣列。發(fā)明專(zhuān)利cn106273518a和ep2469309b1采用三維打印的方法打印聚合物前驅(qū)體或液態(tài)光敏樹(shù)脂，固化后形成聚合物微透鏡?，F(xiàn)有層層堆疊的3d打印過(guò)程易于在表面形成臺(tái)階，影響光潔度，因此需要后續(xù)拋光過(guò)程形成光滑表面。另外，還會(huì)在微透鏡內(nèi)部形成層與層之間的界面層，影響透鏡的折射率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決目前加工微透鏡方法存在的可控性差、效率低、難以在同一基底上制造不同曲率和不同結(jié)構(gòu)透鏡，以及現(xiàn)有三維打印存在的透鏡表面臺(tái)階和內(nèi)部界面層問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于三維直寫(xiě)的微透鏡制造方法。

一種基于三維直寫(xiě)的微透鏡陣列制造方法，采用三維直寫(xiě)設(shè)備在垂直于透明基板表面的預(yù)設(shè)陣列位置依序直寫(xiě)形成微透鏡前體陣列，再經(jīng)熱熔工藝處理微透鏡前體陣列，依靠表面張力形成微透鏡陣列。

所述的基于三維直寫(xiě)的微透鏡陣列制造方法，具體包括如下步驟：

(1)將用于直寫(xiě)的微透鏡陣列材料在微型噴嘴中熔融成液態(tài)熔體；

(2)移動(dòng)噴嘴至透明基板表面的預(yù)設(shè)陣列位置，通過(guò)施加壓力使液態(tài)熔體與透明基板表面粘結(jié)；

(3)沿垂直于透明基板表面的方向移動(dòng)噴嘴，自底向上地直寫(xiě)形成預(yù)定高度的微透鏡前體；

(4)沿平行于透明基板表面的方向移動(dòng)噴嘴，依序在預(yù)設(shè)陣列位置直寫(xiě)微透鏡前體，形成微透鏡前體陣列；

(5)通過(guò)熱熔工藝使微透鏡前體熔融，并在表面張力的作用下形成微透鏡陣列。

本發(fā)明所述的三維直寫(xiě)工藝屬于三維打印技術(shù)中的一種，具有打印精度高、打印方式靈活、打印材料多種多樣的特點(diǎn)，在諸多領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。在三維直寫(xiě)過(guò)程中，一般將成型材料存儲(chǔ)在一個(gè)溫度可控的料筒中，噴嘴與料筒相連并安裝在一個(gè)三軸cnc定位臺(tái)上，由壓力控制給料的微噴嘴將材料擠/噴出至打印平臺(tái)上，然后根據(jù)材料的固化方式選擇不同的固化工藝將噴出的成型材料進(jìn)行固化成型。只要具有合適的流變性能和一定的保形性，各種材料均可以用于此種造型方式，其打印出來(lái)的絲徑范圍從百納米到毫米之間，可以空間自由成型，完成其他加工技術(shù)難以完成的加工任務(wù)。在微透鏡陣列的制作中，常用的材料為透明的聚合物和玻璃材料。現(xiàn)有三維打印微透鏡陣列采用的聚合物材料的折射率通常為1.530，尚難實(shí)現(xiàn)高折射率材料打印。

而在本發(fā)明中，任何如聚苯乙烯、聚碳酸酯等具有熱塑性的透明有機(jī)聚合物以及如硅酸鹽玻璃、鈣鈉玻璃等透明無(wú)機(jī)材料和均可通過(guò)所述工藝進(jìn)行直寫(xiě)和后續(xù)加工成型，優(yōu)選地，透明無(wú)機(jī)材料中的玻璃材料與聚合物材料相比具有耐高溫、化學(xué)惰性以及良好的機(jī)械性能等性質(zhì)。在本發(fā)明中，高透明的可熱塑性材料首先在熔池中加熱熔融以形成流動(dòng)性好的流體。根據(jù)所采用的材料特性，可采用任何適當(dāng)?shù)募訜岱绞?，如電阻加熱、電弧加熱、感?yīng)加熱、介電加熱、激光加熱、等離子體加熱、電子束加熱等的一種或多種復(fù)合加熱方式。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述微型噴嘴需要內(nèi)表面光滑，并與液態(tài)材料不發(fā)生粘結(jié)。本發(fā)明所采用的微型噴嘴可為陶瓷噴嘴、金屬?lài)娮?、合金噴嘴或者其?fù)合噴嘴。噴嘴材料需要具有高溫穩(wěn)定性，并且與所打印的材料不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能夠長(zhǎng)時(shí)間使用。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述微透鏡前體可包括不同直徑的棱柱、多面體、棱錐、圓柱、圓錐體、橢圓體、球體、類(lèi)球體、類(lèi)橢圓體及其任意組合中的一種，最終微透鏡的形狀由微透鏡前體在熔融后自然形成。微透鏡前體的直徑可通過(guò)施加的壓力和微型噴嘴的上升速度所決定，在施加的壓力相同時(shí)，微型噴嘴的上升速度越慢，微透鏡前體的直徑越大。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的三維直寫(xiě)方法可在平面、曲面以及柔性及其任意組合中的一種基底上制作高透明性微透鏡前體陣列。當(dāng)在曲面上制作微透鏡前體陣列時(shí)，首先需建立曲面基底的三維數(shù)字模型，當(dāng)打印微透鏡前體陣列時(shí)，保持微型噴嘴與基底的距離不變，微型噴嘴沿曲面表面移動(dòng)并依序打印微透鏡前體，從而實(shí)現(xiàn)微透鏡前體陣列的加工。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的熱熔工藝包括：將溫度在微透鏡前體材料轉(zhuǎn)變溫度以上的加熱器依次掃過(guò)直寫(xiě)形成的微透鏡前體上方，與此同時(shí)，可調(diào)整加熱器的高度和溫度，從而形成不同曲率的微透鏡。更進(jìn)一步地，可將加熱體直接置于整個(gè)微透鏡前體陣列的上方或是下方，或者將整個(gè)微透鏡前體陣列放入加熱箱中進(jìn)行加熱，具體的溫度以及前述加熱器與微透鏡前體上表面的距離由最終想要得到的微透鏡的具體尺寸所決定。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的微透鏡前體熔融的狀態(tài)分為微透鏡前體頂端部分熔融或微透鏡前體整體全部熔融，從而形成不同的微透鏡及其陣列。

進(jìn)一步地，針對(duì)不同微透鏡的加工需求，本發(fā)明所述微透鏡的曲率和尺寸可通過(guò)改變微型噴嘴大小、微透鏡前體的高度、微透鏡前體的形狀、熱熔工藝中加熱器的加熱溫度和加熱時(shí)間及其組合中的一種獲得。

因此，本發(fā)明的有益效果是采用直寫(xiě)工藝降低了自由空間加工微透鏡的工藝難度，簡(jiǎn)化了微透鏡的制作過(guò)程，可以使用具有耐高溫、化學(xué)惰性以及良好的機(jī)械性能等性質(zhì)的玻璃材料提高透明度，解決了現(xiàn)有三維打印在制造微透鏡時(shí)存在的透鏡表面臺(tái)階和內(nèi)部界面層問(wèn)題；同時(shí)，采用本發(fā)明所述工藝，不僅可以在同一基底上制造不同曲率和不同結(jié)構(gòu)透鏡，而且可在任何平面、曲面、甚至柔性基底上加工微透鏡陣列，大大的降低了成本，提高了成品率和性能。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中微透鏡前體的三維直寫(xiě)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中在平面基底上微透鏡前體陣列的直寫(xiě)過(guò)程示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中在曲面或柔性基底上微透鏡前體陣列的直寫(xiě)過(guò)程示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中由三維直寫(xiě)工藝得到的平截頭體微透鏡前體的示意性三維視圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中由三維直寫(xiě)工藝得到的類(lèi)橢圓體微透鏡前體的示意性三維視圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例中微透鏡前體陣列熱處理工藝示意圖；

圖7為實(shí)施例1中得到的微透鏡陣列的掃描電鏡圖；

圖8為實(shí)施例2中得到的組合型微透鏡陣列的掃描電鏡圖；

圖9為實(shí)施例3中三維直寫(xiě)得到的微透鏡前體陣列示意圖；

圖10為實(shí)施例3中得到的微透鏡陣列的掃描電鏡圖。

具體實(shí)施方式

為進(jìn)一步闡明本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明提出了一種通過(guò)三維直寫(xiě)的方式獲得微透鏡陣列的方法。三維直寫(xiě)技術(shù)所采用裝備主要由三維xyz位移平臺(tái)和固定于三維xyz位移平臺(tái)上的打印噴頭組成。圖1所示的是本實(shí)施例采用的三維直寫(xiě)系統(tǒng)，主要由控制系統(tǒng)、高精度三維xyz位移平臺(tái)、帶有微型噴嘴(11)的熔池(13)以及加熱系統(tǒng)(12)組成，高透明性微透鏡陣列材料(21)通過(guò)進(jìn)料系統(tǒng)進(jìn)入熔池，并在加熱系統(tǒng)(12)的熱作用下熔融成液態(tài)熔體。該液態(tài)熔體通過(guò)進(jìn)料系統(tǒng)的壓力控制，從噴嘴(11)擠出。三維xyz位移平臺(tái)采用程序控制下高精度壓電位移臺(tái)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)移動(dòng)微型噴嘴(11)至透明基底(41)使液態(tài)熔體到達(dá)預(yù)設(shè)位置并與透明基板結(jié)合，然后移動(dòng)微型噴嘴(11)自底向上的直寫(xiě)，連續(xù)擠出形成微透鏡前體(31)。

當(dāng)基底為平面基底時(shí)，采用圖1所示的三維直寫(xiě)系統(tǒng)制造微透鏡陣列的三維直寫(xiě)過(guò)程如圖2所示。將高透明性微透鏡陣列材料(21)通過(guò)進(jìn)料系統(tǒng)進(jìn)入熔池(13)并熔融成液態(tài)熔體。該液態(tài)熔體通過(guò)進(jìn)料系統(tǒng)的壓力控制，從噴嘴(11)擠出。移動(dòng)微型噴嘴(11)盡量接近透明基底(41)的微透鏡加工位置，液態(tài)熔體接觸并與透明基板(41)結(jié)合然后如圖2a箭頭所示方向移動(dòng)微型噴嘴(11)，在進(jìn)料端壓力的作用下自底向上的直寫(xiě)，形成圓錐狀微透鏡前驅(qū)體(31)。如此依序在預(yù)定點(diǎn)位直寫(xiě)，形成微透鏡前體陣列，如圖2b所示。

當(dāng)基底為柔性基底或曲面基底時(shí)，采用圖1所示的三維直寫(xiě)系統(tǒng)制造曲面微透鏡前體陣列的三維直寫(xiě)過(guò)程如圖3所示。首先，將微透鏡陣列材料(21)在帶有微型噴嘴(11)的熔池中熔融成液態(tài)，通過(guò)高精度壓電位移臺(tái)移動(dòng)微型噴嘴至微透鏡加工位置，并旋轉(zhuǎn)微型噴嘴至垂直于曲面基底(41)表面(即微型噴嘴的中心線(xiàn)與曲面法線(xiàn)方向一致)；然后，給熔池施加壓力并移動(dòng)微型噴嘴(11)進(jìn)行自底向上的直寫(xiě)，形成微透鏡前體(31)，其中微透鏡前體的直徑可由微型噴嘴的大小以及上升速度所決定，在噴嘴固定時(shí)，隨著其上升速度的增加，柱狀微透鏡前體(31)的直徑就會(huì)隨之減小。

在一些情況下，微透鏡前體(31)可以三維直線(xiàn)主體，例如多面體，棱錐，或此類(lèi)主體的一部分及其組合，如平截頭體。例如，圖4給出了由三維直線(xiàn)組成的單一微透鏡前體(32)的示意性三維視圖。微透鏡前體(32)放置于基底41上，該微透鏡前體可由多邊型噴嘴直寫(xiě)獲得。

在一些情況下，微透鏡前體(31)可為三維曲線(xiàn)主體，例如球體、圓錐體、橢圓體、類(lèi)球體或截頭圓錐體的一部分。例如，圖5給出了由類(lèi)橢圓體的一部分組成的單一微透鏡前體(32)的示意性三維視圖，該微透鏡前體(32)放置于基底41上，所述類(lèi)橢圓體微透鏡前體可由非圓形噴嘴直寫(xiě)獲得。

圖6所示的是對(duì)微透鏡前驅(qū)體進(jìn)行熱處理過(guò)程。如圖6a所示，熱處理方式包括將溫度在微透鏡材料的熔融轉(zhuǎn)變溫度以上的加熱體(51)依次掃過(guò)三維直寫(xiě)形成的微透鏡前體(31)上方，通過(guò)改變加熱體與透明基板的距離、加熱體的溫度以及掃描速度，使微透鏡前體(31)全部熔融，熔融的液體在表面張力的作用下自然形成曲率和形狀不同的微透鏡及陣列。如果微透鏡陣列的所需微透鏡(31)具有同樣的曲率或外形，可以將大于或接近于陣列尺寸的加熱體(52)直接置于整個(gè)微透鏡前體陣列的上方(圖6b)，或者將大于或接近于陣列尺寸的加熱體(53)置于微透鏡前體陣列下方(圖6c)，或者將其放入恒溫箱(54)中(圖6d)進(jìn)行整體加熱，使微透鏡前體熔融后依靠自身表面張力收縮為球冠狀的微透鏡陣列。具體的加熱溫度、加熱時(shí)長(zhǎng)以及加熱體與微透鏡前體上表面的距離由最終想要得到的微透鏡的具體尺寸所決定。

實(shí)施例1

選取鈉鈣玻璃材料作為微透鏡陣列材料，選取平面透明基板，采用圖2所示的三維直寫(xiě)方法獲得微透鏡前體陣列，在三維直寫(xiě)過(guò)程中，當(dāng)玻璃熔體與透明基板表面粘結(jié)后，通過(guò)labview程序設(shè)置微型噴嘴的初始上升速度為50nm/s，隨后速度緩慢增加，使其形成一個(gè)獨(dú)立的圓錐狀的微透鏡前體，然后設(shè)置水平移動(dòng)速度為100nm/s，將微型噴嘴移至預(yù)設(shè)陣列位置繼續(xù)依照以上速度直寫(xiě)微透鏡前體，得到圓錐狀鈉鈣玻璃微透鏡前體陣列，然后采用圖6a所示的熱熔工藝對(duì)圓錐狀鈉鈣玻璃微透鏡前體陣列進(jìn)行熱處理，設(shè)定加熱頭溫度為625℃，設(shè)置加熱頭與鈉鈣玻璃微透鏡前體上表面的距離為300nm，以10nm/s的速度移過(guò)微透鏡前體陣列，得到球冠狀的鈉鈣玻璃微透鏡陣列，圖7所示的是球冠狀鈉鈣玻璃微透鏡陣列的掃描電鏡照片，該圓錐狀鈉鈣玻璃微透鏡前體在熱處理過(guò)程中全部熔融。

實(shí)施例2

選取鈉鈣玻璃材料作為微透鏡陣列材料，選取平面透明基板，采用圖2所示的三維直寫(xiě)方法獲得微透鏡前體陣列，在三維直寫(xiě)過(guò)程中，當(dāng)玻璃熔體與透明基板表面粘結(jié)后，通過(guò)labview程序設(shè)置微型噴嘴的初始上升速度為50nm/s，隨后速度緩慢增加，使其形成一個(gè)獨(dú)立的圓錐狀的微透鏡前體，然后設(shè)置水平移動(dòng)速度為100nm/s，將微型噴嘴移至預(yù)設(shè)陣列位置繼續(xù)依照以上速度直寫(xiě)微透鏡前體，得到圓錐狀鈉鈣玻璃微透鏡前體陣列，然后采用圖6a所示的熱熔工藝對(duì)圓錐狀鈉鈣玻璃微透鏡前體陣列進(jìn)行熱處理，設(shè)定加熱頭溫度為625℃，設(shè)置加熱頭與鈉鈣玻璃微透鏡前體上表面的距離為600nm，以10nm/s的速度移過(guò)微透鏡前體陣列，得到如圖8所示的鈉鈣玻璃復(fù)合微透鏡陣列，該圓錐狀鈉鈣玻璃微透鏡前體在熱處理過(guò)程中頂端部分熔融。

實(shí)施例1與實(shí)施2表明能夠通過(guò)加熱的方式使微透鏡前體部分或全部融融來(lái)控制其形狀。

實(shí)施例3

選取硅酸鹽玻璃材料作為微透鏡陣列材料，選取曲面基底采用圖3所示的三維直寫(xiě)方法獲得微透鏡前體陣列，在三維直寫(xiě)過(guò)程中，微型噴嘴的直徑為400nm，先通過(guò)高精度壓電位移臺(tái)移動(dòng)微型噴嘴至微透鏡加工位置，并旋轉(zhuǎn)微型噴嘴至垂直于曲面基底表面，設(shè)置微型噴嘴的上升移動(dòng)速度為50nm/s，得到柱狀硅酸鹽玻璃微透鏡前體陣列，如圖9所示；然后，采用圖6d所示的熱熔工藝，將柱狀硅酸鹽玻璃微透鏡前體陣列置于600℃恒溫箱中使透鏡材料熔融，依靠表面張力在曲面基底表面形成如圖10所示的球冠狀硅酸鹽玻璃微透鏡陣列。

以上所述的具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的最優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補(bǔ)充和等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。