一種光學鏡頭的設計及3D打印制備方法技術

本發明專利技術提供一種光學鏡頭的設計及3D打印制備方法，包括：預先設定光學鏡頭的成像效果目標。設計光學透鏡主光線和邊緣光線的光學路徑：根據預先設定的成像效果目標，確定光線路徑；根據光線的偏折情況，確定光學鏡頭透鏡材料的折射率變化，獲得透鏡材料折射率梯度、內嵌結構和光學鏡頭的初步外形結構；判斷是否能夠實現預先設定的光學鏡頭的成像效果目標；如果為是則確定光學鏡頭的透鏡材料和透鏡幾何參數，獲得滿足要求的光學鏡頭設計參數，如果為否則進入步驟S2，進行迭代優化。同時，本發明專利技術還提供光學鏡頭的3D打印制備方法，本發明專利技術原始創新性高，生成的光學成像元件外形簡單、皮實性好，無需裝調，成本低，易于實現系統集成化和小型化。

【技術實現步驟摘要】
一種光學鏡頭的設計及3D打印制備方法
本專利技術涉及3D打印
，特別是涉及一種光學鏡頭的設計及3D打印制備方法。
技術介紹
3D打印(又稱增材制造)企業在整個產業鏈中扮演著至關重要的角色，目前3D打印設備市場上，依然以歐美公司企業為主，而國內的3D打印公司近年來也涌現出發展迅速的企業。發展3D打印產業,可以提升我國工業領域的產品開發水平,提高工業設計能力；可以生產復雜、特殊、個性化的產品,有助于攻克技術難關；可以形成新的經濟增長點,促進就業。此外，3D打印技術對產品設計理念、細節、流程及產業模式所帶來的影響:產品結構與造型的設計不再受到傳統制造工藝束縛；獨立設計師可依靠3D打印技術將自己的創意變成真實的產品,從而催生了大量獨立設計師及設計品牌；設計的社會化趨勢將會打破以往設計組織的僵硬的結構劃分,消費者獲得了自己設計、生產產品的權力。3D打印技術伴隨快速產品成型技術發展產生,可實現三維結構的快速和自由制造,被廣泛應用于新產品開發、單件小批量制造。目前的主流3D打印技術包括選擇性激光燒結SLS、混合沉積建模FDM，立體平板印刷SLA以及分層實體制造LOM等。用以3D打印材料也較多，如陶瓷、石膏、無機粉料、鋼化玻璃、ABS塑料、聚乳酸PLA、尼龍、玻璃填充聚胺、光固化材料、銀、鈦、鋼、蠟、干膜和聚碳酸脂等，而目前打印出來的材料則以ABS熱塑料和樹脂為主。在過去幾年里，3D打印在光機電產品中得到廣泛應用，有研究也試圖將3D打印應用于光學產品領域。然而，目前在成像應用，光學玻璃材質的3D打印技術仍然是一片空白，雖然最近一兩年有報導一些實驗室和企業著力開發玻璃的3D打印技術，但這些基于高溫熔融噴咀堆積方法，距離真正成像光學3D打印在精度和面形控制上仍然還有很長的路要走。光學玻璃元件因為高精度要求，同時玻璃材料本身的高熔點、非晶態等特點，現時常用加工手段為磨削和拋光技術，效率低成本高；而采用玻璃熱模壓技術，雖可以制造部分光學零部件，但熱壓模具的材料限制、成型加工難度大成本高，這也使得模壓技術用于加工各種復雜光學零部件在一定程度上受到制約，尤其是在生成嵌入式復雜結構方面，玻璃熱模壓技術就顯得無能無力。以上這些受傳統光學理論、傳動光學制造與檢測技術限制，只能在精度和面形上追求極致，沒有包括設計與制造方法的顛覆性突破，其光學成像系統的制造幾乎走到了極端。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種光學鏡頭的設計及3D打印制備方法，以解決上述現有技術存在的問題，能夠采用新工藝，采用3D打印方法制備新工藝設計的光學鏡頭。為實現上述目的，本專利技術提供了如下方案：本專利技術提供一種光學鏡頭的設計及3D打印制備方法，內容如下：S1.預先設定光學鏡頭的成像效果目標；S2.設計光學透鏡主光線和邊緣光線的光學路徑：根據步驟S1預先設定的成像效果目標，確定光線路徑；根據光線的偏折情況，確定光學鏡頭透鏡材料的折射率變化，從而獲得透鏡材料折射率梯度、內嵌結構和光學鏡頭的初步外形結構；S3.判斷是否能夠實現步驟S1中預先設定的光學鏡頭的成像效果目標；如果為是則確定光學鏡頭的透鏡材料和透鏡幾何參數，獲得滿足要求的光學鏡頭設計參數，如果為否則進入步驟S2，進行迭代優化。同時本專利技術還公開一種光學鏡頭的3D打印制備方法，包括如下內容：高速粉末顆粒噴射頭將粉末噴涂到基材的中心區域上；熱能激光發射器發射激光到所述粉末表面，對所述粉末進行加熱熔結；聚焦離子束發射器發射離子束對加熱熔接后的粉末表面進行光學整形，聚焦離子束發射器可旋轉調整工作角度。優選地，所述基材材料為耐高溫材料，包括但不限于硅、粘土、高鋁，所述基材表面預先用表面活性劑處理；所述粉末包括但不限于玻璃粉、陶瓷粉。優選地，所述基材放置在可沿X、Y和Z軸三個方向自由運動的精密運動平臺模組表面。優選地，所述高速粉末顆粒噴射頭、所述聚焦離子束發射器和所述熱能激光發射器組裝在一起，構成3D光學打印模塊，其中，所述聚焦離子束發射器和所述熱能激光發射器置于所述高速粉末顆粒噴射頭兩側。優選地,所述熱能激光發射器可以旋轉，根據熔接工藝的要求，工作角度在0-90度之間變化；所述聚焦離子束發射器能夠旋轉。本專利技術公開了以下技術效果：本專利技術基于光學3D打印技術，研究通過縱、橫分層的3D打印原理實現具有變折射率、嵌入式微結構的光學成像元件，形成3D打印超精密光學元件及集成系統的工藝及裝備。本專利技術方法對傳統的成像系統的設計理論、制造方法以及檢測手段具有實質性進步，提出的方法具有原始創新性，最終生成的光學成像元件外形簡單、皮實性更好，并且無需裝調，成本更低，易于實現系統集成化和小型化，可廣泛應用于各種高端光學系統中。附圖說明為了更清楚地說明本專利技術實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本專利技術的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本專利技術光學鏡頭設計方法流程圖；圖2為本專利技術光學鏡頭的3D打印系統與傳統方法對比圖；圖3為本專利技術光學鏡頭的3D打印系統示意圖。其中，1為高速粉末顆粒噴射頭，2為聚焦離子束發射器，3為熱能激光發射器，4為基材，5為精密運動平臺模組。具體實施方式下面將結合本專利技術實施例中的附圖，對本專利技術實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本專利技術一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本專利技術中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本專利技術保護的范圍。為使本專利技術的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本專利技術作進一步詳細的說明。參照圖1-3,本專利技術提供首先提供一種光學鏡頭的設計方法，其流程圖如圖1所示，具體內容如下：S1.預先設定光學鏡頭的成像效果目標；S2.設計光學透鏡主光線和邊緣光線的光學路徑：根據步驟S1預先設定的成像效果目標，確定光線路徑；根據光線的偏折情況，確定光學鏡頭透鏡材料的折射率變化，從而獲得透鏡材料折射率梯度、內嵌結構和光學鏡頭的初步外形結構。S3.判斷是否能夠實現步驟S1中預先設定的光學鏡頭的成像效果目標；如果為是則確定光學鏡頭的透鏡材料和透鏡幾何參數，獲得滿足要求的光學鏡頭設計參數，如果為否則進入步驟S2，進行迭代優化。同時本專利技術還提供一種光學鏡頭的3D打印制備方法，內容如下：高速粉末顆粒噴射頭1、聚焦離子束發射器2和熱能激光發射器3組裝在一起，構成3D光學打印模塊。其中，聚焦離子束發射器2和熱能激光發射器3置于高速粉末顆粒噴射頭1的兩側。熱能激光發射器3可以旋轉，根據熔接工藝的要求，工作角度在0-90度之間變化,聚焦離子束發射器2也能夠旋轉工作。具體工作時，高速粉末顆粒噴射頭1將粉末噴涂到基材4的中心區域上，基材4置于可沿X、Y和Z軸三個方向自由運動的精密運動平臺本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種光學鏡頭的設計方法，其特征在于，包括如下內容：/nS1.預先設定光學鏡頭的成像效果目標；/nS2.設計光學透鏡主光線和邊緣光線的光學路徑：根據步驟S1預先設定的成像效果目標，確定光線路徑；根據光線的偏折情況，確定光學鏡頭透鏡材料的折射率變化，從而獲得透鏡材料折射率梯度、內嵌結構和光學鏡頭的初步外形結構；/nS3.判斷是否能夠實現步驟S1中預先設定的光學鏡頭的成像效果目標；如果為是則確定光學鏡頭的透鏡材料和透鏡幾何參數，獲得滿足要求的光學鏡頭設計參數，如果為否則進入步驟S2，進行迭代優化。/n

【技術特征摘要】
1.一種光學鏡頭的設計方法，其特征在于，包括如下內容：
S1.預先設定光學鏡頭的成像效果目標；
S2.設計光學透鏡主光線和邊緣光線的光學路徑：根據步驟S1預先設定的成像效果目標，確定光線路徑；根據光線的偏折情況，確定光學鏡頭透鏡材料的折射率變化，從而獲得透鏡材料折射率梯度、內嵌結構和光學鏡頭的初步外形結構；
S3.判斷是否能夠實現步驟S1中預先設定的光學鏡頭的成像效果目標；如果為是則確定光學鏡頭的透鏡材料和透鏡幾何參數，獲得滿足要求的光學鏡頭設計參數，如果為否則進入步驟S2，進行迭代優化。


2.一種光學鏡頭的3D打印制備方法，其特征在于，包括如下內容：高速粉末顆粒噴射頭將粉末噴涂到基材的中心區域上；熱能激光發射器發射激光到所述粉末表面，對所述粉末進行加熱熔結；聚焦離子束發射器發射離子束對加熱熔接后的粉末表面進行光學整形，所述聚焦離子束發射器可旋轉調整工作角度。

【專利技術屬性】
技術研發人員：孔令豹，徐敏，
申請(專利權)人：孔令豹，
類型：發明
國別省市：上海;31