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技术领域
本发明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。
背景技术
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。
发明内容
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明的有益效果：
本发明采用透明的、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，在本发明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为本发明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。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
本实施方式采用商业用拉针仪将毛细玻璃管从中间拉断，加工成具有一定锥度的
微量移液管，其尖端内径可达到几至十几微米，其与注射器针管连接以实现微透镜加工的
尺寸要求。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：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10
μm。其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：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。其他步骤及参数与具体实施方式一至
三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是：所述基底4材质为
透明的疏水材料。其他步骤及参数与具体实施方式三或四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同的是：所述基底4为
透明玻璃基底。其他步骤及参数与具体实施方式三至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式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4表面的疏水处理，然后将疏水处理后的基底4固定在三轴线性
运动平台5上；
三、加工：通过控制驱动器6驱动三轴线性运动平台5垂直运动，使微喷嘴3与基底4
接触，通过气压控制器1调节气压至使可固化预聚物连续稳定的从微喷嘴3中挤出，然后按
照计算机9设定的加工参数开始进行加工：当使微喷嘴3与基底4间断性接触时，得到球面型
微透镜液滴；当使微喷嘴3与基底4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4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。
本实施方式通过控制驱动器6进行控制，带动基底4进行三个方向的线性运动。可
通过计算机内的控制模块，对三轴线性运动平台5进行运动控制，使微喷嘴3与基底4之间按
照特定轨迹进行相对运动，实现微透镜加工原料在基底上的沉积。
本实施方式使用拉针仪制作出的具有微米级内径(几微米至十几微米)的玻璃微
喷嘴，并将其与注射器针管连接，以实现微透镜加工的尺寸要求。注射器针管末端与气压控
制器连接，通过气压驱动注射器针管中的可固化预聚物经由微喷嘴挤出到透明基底上。基
底固定在计算机控制的三轴运动平台上，通过控制基底与微喷嘴之间的相对运动，在基底
表面直接形成球冠形液滴或圆柱面形液滴，经过固化，完成球面型及圆柱面型微透镜的加
工。通过计算机内部的控制模块与预先设定的加工参数可实现微透镜阵列的大批量自动化
加工，制造效率较高。通过显微视觉反馈系统，可以实时监测挤压打印过程和预聚物挤出情
况，保证加工过程的顺利进行。
调整装置各个参数，使其达到要求的加工预备状态。一方面，在计算机中设定相关
加工参数，例如运行速度、接触时间、气压值等等，以实现不同尺寸、数量、阵列形状的球面
型、圆柱面型微透镜及其阵列的加工。另一方面，调整显微镜位置并进行调焦，使微喷嘴清
晰、大小合适地呈现在视觉反馈系统的显示视野中央。控制运动平台垂直方向运动，使针管
微喷嘴尖端逐步接近基底，同时通过实时显微视觉反馈系统，判断喷嘴是否与基底接触。当
喷嘴与基底接触后，逐步增加气压，同时通过视觉反馈判断加工原料(紫外固化预聚物)是
否连续均匀地被挤出。当加工原料能够稳定连续地从微喷嘴中挤出时，即达到加工要求的
预备状态。
工作原理：当达到预备状态后，运行计算机内预先设定的加工参数，系统可以自动
进行大批量的微透镜阵列的加工。在进行球面型微透镜阵列加工时，微喷嘴与基底间断性
接触，接触时，加工原料(可固化预聚物)从微喷嘴中挤出到基底上，当微喷嘴相对基底向上
抬升后，基底上留下的加工原料在表面张力的作用下形成一个球冠形的液滴，即球面型微
透镜的前身。计算机内的控制模块将控制运动平台按特定轨迹运动，使基底与微喷嘴之间
产生方波型的周期性相对运动，实现大量球面型微透镜的加工。在进行圆柱面型微透镜阵
列加工时，微喷嘴与基底连续接触，并产生相对运动，使得被挤出的加工原料在基底上沉积
形成直线型圆柱面液滴。通过程序控制运动平台按特定轨迹运动，可实现大量圆柱面型微
透镜的加工。此外，在加工的过程中，通过显微视觉反馈系统，可实时监测挤压打印过程和
预聚物挤出情况，保证加工过程的顺利稳定进行。
另外，本实施方式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。进行球面型微透镜加工时，当微喷嘴与基底接
触时间增加、施加的气压增加时，挤出的加工原料体积增大，使得球面型微透镜半径增加，
实现透镜半径的无级调控。在进行圆柱面型微透镜阵列加工时，当微喷嘴与基底相对运动
速度减小、气压增加时，沉积在基底上的加工原料的线密度增加，使得圆柱面型微透镜宽度
增加，实现透镜宽度的无级调控。此外，通过对基底表面进行不同程度的疏水处理，得到不
同的接触角，可以实现微透镜高宽比的调整，得到不同折射能力的微透镜。基底表面疏水性
越强，接触角越大，微透镜的高宽比越大。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤一中所述可固化
预聚物为透明、粘度为15000MPa·s～26000MPa·s的可固化的预聚物。其他步骤及参数与
具体实施方式六相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八不同的是：步骤一中所述可
固化预聚物为透明、粘度为15000MPa·s～26000MPa·s的紫外固化预聚物。其他步骤及参
数与具体实施方式七或八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七至九之一不同的是：步骤一中所
述紫外固化预聚物为UV胶。其他步骤及参数与具体实施方式七至九之一相同。
本实施方式的可固化的预聚物固化后折射率为1.51。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式七至十之一不同的是：步骤二中
所述全氟辛烷磺酸溶液的质量分数为0～6％。其他步骤及参数与具体实施方式七至十之一
相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式七至十一之一不同的是：步骤二
中所述纳米级疏水薄膜为厚度为100nm～300nm。其他步骤及参数与具体实施方式七至十一
之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式七至十二之一不同的是：步骤二
中所述纳米级疏水薄膜为厚度为200nm。其他步骤及参数与具体实施方式七至十二之一相
同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式七至十三之一不同的是：步骤三
中加工球面型微透镜时，使微喷嘴3与基底4间断性接触，并通过控制三轴线性运动平台5运
动使基底4与微喷嘴3之间产生方波型周期性相对运动，可得到球面型微透镜液滴阵列；其
中所述接触时间为0.1s～3.0s，气压为100kPa～400kPa。其他步骤及参数与具体实施方式
七至十三之一相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式七至十四之一不同的是：步骤三
中加工圆柱面型微透镜时，使微喷嘴3与基底4连续性接触，并通过控制三轴线性运动平台5
运动使基底4与微喷嘴3之间产生周期性相对运动，可得到圆柱面型微透镜液滴阵列；其中
所述相对运动速度为1.0mm/s～5.0mm/s，气压为100kPa～500kPa。其他步骤及参数与具体
实施方式七至十四之一相同。
用以下实验来验证本发明的效果
试验一、本试验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。
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10μm。
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。
所述基底4为透明玻璃基底。
本试验的气压控制器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。
试验二、利用试验一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4表面的疏水处理，然后将疏水处理后的基底4固定在三轴线性
运动平台5上；
三、加工：通过控制驱动器6驱动三轴线性运动平台5垂直运动，使微喷嘴3与基底4
接触，通过气压控制器1调节气压至使可固化预聚物连续稳定的从微喷嘴3中挤出，然后按
照计算机9设定的加工参数开始进行加工：使微喷嘴3与基底4间断性接触，得到球面型微透
镜液滴；
四、固化：加工结束后，对基底4上的可固化预聚物液滴进行固化，得到基于挤压打
印的球面型微透镜。
步骤一中所述可固化预聚物为Loctite352型UV胶。
步骤二中所述超疏水防水剂层的厚度为100nm。
步骤二中所述全氟辛烷磺酸溶液的质量分数为4％。
步骤二中所述纳米级疏水薄膜为厚度为200nm。
步骤三中加工球面型微透镜时，使微喷嘴3与基底4间断性接触，并通过控制三轴
线性运动平台5运动使基底4与微喷嘴3之间产生方波型周期性相对运动，可得到球面型微
透镜液滴阵列；其中所述接触时间为1s，气压为300kPa。
步骤四中固化采用紫外线照射进行固化，剂量为2000毫瓦/平方厘米，时间为2s。
本实验得到的球面型微透镜阵列中球面型微透镜的半径为15μm。
工作原理：当达到预备状态后，运行计算机内预先设定的加工参数，系统可以自动
进行大批量的微透镜阵列的加工。在进行球面型微透镜阵列加工时，微喷嘴与基底间断性
接触，接触时，加工原料(可固化预聚物)从微喷嘴中挤出到基底上，当微喷嘴相对基底向上
抬升后，基底上留下的加工原料在表面张力的作用下形成一个球冠形的液滴，即球面型微
透镜的前身。计算机内的控制模块将控制运动平台按特定轨迹运动，使基底与微喷嘴之间
产生方波型的周期性相对运动，实现大量球面型微透镜的加工。
本试验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。进行球面型微透镜加工时，当微喷嘴与基底接触时间增
加、施加的气压增加时，挤出的加工原料体积增大，使得球面型微透镜半径增加，实现透镜
半径的无级调控。
试验三、利用试验一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4表面的疏水处理，然后将疏水处理后的基底4固定在三轴线性
运动平台5上；
三、加工：通过控制驱动器6驱动三轴线性运动平台5垂直运动，使微喷嘴3与基底4
接触，通过气压控制器1调节气压至使可固化预聚物连续稳定的从微喷嘴3中挤出，然后按
照计算机9设定的加工参数开始进行加工：使微喷嘴3与基底4连续性接触，得到圆柱面型微
透镜液滴；
四、固化：加工结束后，对基底4上的可固化预聚物液滴进行固化，得到基于挤压打
印的圆柱面型微透镜。
步骤一中所述可固化预聚物为Loctite352型UV胶。
步骤二中所述超疏水防水剂层的厚度为100nm。
步骤二中所述全氟辛烷磺酸溶液的质量分数为4％。
步骤二中所述纳米级疏水薄膜为厚度为200nm。
步骤三中加工圆柱面型微透镜时，使微喷嘴3与基底4连续性接触，并通过控制三
轴线性运动平台5运动使基底4与微喷嘴3之间产生周期性相对运动，可得到圆柱面型微透
镜液滴阵列；其中所述相对运动速度为1.6mm/s，气压为400kPa。
步骤四中固化采用紫外线照射进行固化，剂量为2000毫瓦/平方厘米，时间为3s。
本实验得到的圆柱面型微透镜阵列中圆柱面型微透镜的宽度为45μm。
工作原理：当达到预备状态后，运行计算机内预先设定的加工参数，系统可以自动
进行大批量的微透镜阵列的加工。在进行圆柱面型微透镜阵列加工时，微喷嘴与基底连续
接触，并产生相对运动，使得被挤出的加工原料在基底上沉积形成直线型圆柱面液滴。通过
程序控制运动平台按特定轨迹运动，可实现大量圆柱面型微透镜的加工。此外，在加工的过
程中，通过显微视觉反馈系统，可实时监测挤压打印过程和预聚物挤出情况，保证加工过程
的顺利稳定进行。
本试验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。在进行圆柱面型微透镜阵列加工时，当微喷嘴与基底相
对运动速度减小、气压增加时，沉积在基底上的加工原料的线密度增加，使得圆柱面型微透
镜宽度增加，实现透镜宽度的无级调控。