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《机械振荡辅助3D打印推动微透镜阵列的快速制造》

  • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者： husisi
  • 发布时间：2019-11-04

  • 随着对光电子器件的小型化的日益增长的需求，微透镜阵列已经引起了广泛的关注，并成为一种广泛用于紧凑型成像，传感，光通信等领域的重要的微光学器件。通常，微透镜阵列由具有光学表面光滑度和卓越均匀性的多个微米级透镜组成，这增加了对加工精度的要求。现在，来自新加坡科技设计大学（SUTD）和位于中国深圳的南方科技大学（SUSTech）的研究人员提出了一种将振荡辅助数字光处理（DLP）3D打印与灰度UV曝光相集成的方法。研究人员称这种结合技术能偶实现“具有光学表面光滑度的超快而灵活的微透镜阵列制造”。

    SUSTech的Qi副教授评论说：“具有几何表面光滑度的小几何形状的3D打印是一个巨大的挑战。我们的方法通过计算设计的灰度图案可在单次UV曝光下实现微透镜轮廓，从而消除了传统的逐层3D打印方法中的阶梯效应。其中，投影透镜的振荡可进一步消除由于离散像素之间的间隙而形成的锯齿状表面。”

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  • 《前沿 | 单片集成微型超构透镜阵列的光机械红外探测器》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：胡思思
    • 发布时间：2024-11-01
    • 中国科学技术大学精密机械与精密仪器系赵旸教授团队研究设计了一种长波红外(Long-wavelength Infrared, LWIR）微型超构透镜阵列与光机械红外探测器的单片集成方案，并对其进行了制造和表征。该团队开发了一种MEMS(Microelectromechanical Systems)加工工艺，将微型超构透镜阵列直接制作在红外探测器衬底的背面。通过微型超构透镜阵列对红外光的聚集作用，红外探测器的等效填充因子得到了显著提高，从而获得了更灵敏的红外响应。实验测试结果表明，单片集成微型超构透镜阵列显著提升了光机械红外探测器在长波红外8~14 μm波段的响应率，实现了81.8%的性能提升。 红外探测技术在工业、汽车、消费电子等诸多领域都有着广泛的应用。然而，红外探测器在灵敏度、成本效益以及集成性等方面均无法与可见光探测器相比，这激发研究人员开始探索使用可见光探测器进行红外探测的新方法。其中，基于双材料微悬臂梁热变形的光机械非制冷红外探测器正是利用了这种新方法，通过“红外光-热-机械-可见光”能量转换实现红外测量，展现了巨大的应用潜力。然而，与大多数类型的红外探测器一样，它也面临着填充因子低的限制，即光敏区域占像素面积小导致光能利用效率低下。 微型超构透镜是一种基于亚波长结构设计的平面微透镜。与传统的曲面微透镜不同，微型超构透镜通过亚波长结构的排列组合灵活操控光波的相位、幅度、波长或偏振，从而实现光的精确聚焦和控制。这种技术使得超构透镜具有紧凑的尺寸、设计灵活性和对不同光谱的高效控制能力。同时，它们与MEMS高度兼容，广泛应用于高分辨成像、光学传感器和虚拟现实（VR）设备等领域。微型超构透镜阵列有望与红外探测器单片集成，从而大幅提升入射红外光的利用效率，增强红外探测器的响应。 创新点一：提出长波红外微型超构透镜阵列与光机械红外焦平面探测器阵列的单片集成方案。该工作中，光机械红外焦平面探测器阵列锚定在硅衬底上，而由硅制成的介质微型超构透镜直接制作在衬底背面，微型超构透镜与红外焦平面探测器像素一一对准。通过微型超构透镜阵列对红外光的聚集作用，将整个像素面积内的光聚焦与远小于像素面积的光吸收区域（Absorber），从而显著提高红外探测器的等效填充因子，获得了更灵敏的红外响应。 图1 集成微型超构透镜显著提高红外探测器的像素利用区域 图2 单片集成微型超构透镜的红外探测器 创新点二：利用不同尺寸亚波长单元结构对光的相位进行调控，模拟出微型超构透镜的相位轮廓，即可实现对光的聚焦调控。仿真计算结果表明，当吸收板尺寸为26 μm × 26 μm时（像素尺寸为60 μm，填充因子为19%），超过80%的入射辐射可以被吸收板所接收，极大地提升了光能利用效率。 图3 面向长波红外应用的微型超构透镜阵列设计与仿真计算：（a）单个微型超构透镜的结构示意图；（b,c）微型超构透镜阵列在x-z平面(x=0)以及x-y平面(z=300 μm焦点处)的光场分布 创新点三：探索了单片集成微型超构透镜阵列的光机械红外探测器的全套微纳加工工艺，并成功制备所提出的集成式探测器。为超构光学与MEMS器件的集成提供了设计与制备基础，而MEMS与超构透镜的集成将推动新一代光学器件的发展，提升其在各类应用中的表现。与未集成微型超构透镜的探测器像素相比，集成了集成微型超构透镜的像素响应率提高81.8%。 图4 单片集成微型超构透镜的红外探测器阵列制造与表征：（a）微纳加工工艺；（b,c）正面光机械红外探测器阵列；（d,e）背面微型超构透镜阵列 图5 集成与未集成微型超构透镜的红外探测器像素的响应 提出长波红外微型超构透镜阵列与光机械红外焦平面探测器阵列的单片集成方案，光机械红外焦平面探测器阵列锚定在硅衬底上，而由硅制成的介质微型超构透镜直接制作在衬底背面，微型超构透镜与红外焦平面探测器像素一一对准。通过微型超构透镜阵列对红外光的聚集作用，提高红外探测器的等效填充因子。探索了单片集成微型超构透镜阵列的光机械红外探测器的全套微纳加工工艺，并成功制备所提出的集成式探测器。与未集成微型超构透镜的探测器像素相比，集成了集成微型超构透镜的像素响应率提高81.8%。未来可通过逆设计进一步提高微型超构透镜的聚焦效率；也可利用超构透镜对波长和偏振的灵活控制，在此研究基础上，实现紧凑式第三代多色/偏振红外探测器，极大地拓展其应用场景。
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  • 《3D打印重塑“快速原型” 或将彻底改变制造业格局》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2020-09-22
    • 随着最近行业和技术的进步，创新者们正在利用增材制造（AM）实现库存成本的大幅削减。企业在如何看待制造愿景的重构方面，发生了巨大的变化。增材制造在帮助全球的原始设备制造商（OEM）迎合世界各地不同行业和市场需求的同时，已将其范围扩展到快速原型制作之外，并且系统集成商也在致力于帮助工程、自动化和系统的集成。这种转变归因于增材制造具有制造复杂设计零件的卓越能力，降低制造材料损失的成本，减少因兼容性受限而进行的装配以及对机械和配件的需求。 快速原型向3D打印的发展以及相关创新正在扩展工业模式，其范围已超出人们的想象。如今，汽车、航空航天、建筑、消费产品、医疗保健、食品和制造业等工业领域，对增材制造及其应用的需求越来越大。 令人难以置信的是，自1981年日本的Hideo Kodama博士首次发表他的功能性快速原型系统报告并申请了专利以来，“快速原型”已经存在了35多年了。 从那时起，快速原型制作已成为第四次工业革命（工业4.0）中最大的技术颠覆者之一。 根据市场咨询公司Frost & Sullivan的一份研究报告显示，增材制造从2015年到2025年的复合年增长率（CAGR）有望达到15％。报告和数据预测，增材制造的市场价值将从2018年的80亿美元增长到2026年的230亿美元以上。一家总部位于美国加州估值25亿美元的初创企业，创建了世界上第一款通过订阅模式部署的增材制造硬件，以帮助用户更加轻松地将3D打印解决方案应用到数字化制造中。 降低更多成本 原型设计并不是一种新出现的技术观念，它最初的愿景是最大程度地减少制造生态系统和供应链成本。随着新技术对业务转型的干扰，制造业的未来依赖于更多元化的原型应用专家网络。这样做的目的是节省更多时间和资源，并减少误差和缺陷。这一愿景促使全球企业专注于增材制造的概念。 美国运动服装巨头耐克的未来愿景是将设计卖给客户，然后客户可以自行在家3D打印鞋子。耐克及其一些竞争对手，对鞋类领域增材制造的投资增加了一倍，这是面向未来的举措，可以通过消除人工成本，加快产品上市速度来提高产量。鞋的性能将由于使用了更轻、更透气的材料和更少的摩擦阻力而得到提高。唯一的缺点是取决于执行的准确性，这可能会增加成本，重点是精心的设计。 向增材制造的转变 尽管多年以来，快速原型制作已成为主流的方法，但它依赖于传统的制造工具和程序、生产准备情况以及供应商支持。因此，这是一个耗时且昂贵的过程。相比之下，增材制造则更侧重于原材料的采购和生产制造的设计方面。3D打印机完成设计的物理过程以创建原型，这样的自动化过程可以缩短周转时间。 系统集成商也推动了这些自动化过程。对于敏捷的增材制造流程，自动化执行需要集成命令。系统集成商调节增材制造的各个组件，并自动执行原型从设计到交付的过程。 加速发展的增材制造 在全球工业化的各个阶段，制造业一直是进步的动力。一般来说，产品的生命周期包括导入、成长、成熟和衰退4个阶段。像大多数产品一样，增材制造在“导入”阶段也受到生产障碍、专利限制以及机器成本高昂的困扰。这导致行业初期的利润低、市场渗透率低、成本高和质量低。 增材制造市场目前处于“成长”阶段，已获得各行业用户的好评。在开箱即用的思维方式时代，增材制造企业正在寻求降低成本，同时为用户提供性能卓越的解决方案。 尽管传统的制造方法，需要经过一段时间才能被替换，但是这个趋势已经势不可挡。增材制造是出于加快设计可视化的需要而诞生的。由于原型制作花费很长时间，业界寻求一种可以减少原型开发时间的方法，同时将更多的时间投入到复杂的设计上。设计思维和可视化方面的技术创新，减少了对供应商和支持生态系统的依赖。由于投入到设计和组件试验中的时间多了，精巧度增加了，周转时间也减少了。 增材制造的另一个值得注意的方面，是它主要用于开发复杂的设备组件。例如，在航空航天领域，增材制造被用于开发燃料喷嘴之类的组件。这些是关键部件，但没有大规模生产。在增材制造的帮助下，设计这些前沿的复杂组件变得更轻松，不但简化了设计，还减轻了这些零件的重量。所有这些都可以提高性能效率并减少库存。航空航天领域的一些领先企业，通过使用增材制造技术使库存成本降低了95％以上。 增材制造的关键领域包括3D打印、快速成型和直接数字制造（DDM）。这些概念在包容性和协作性思想中蓬勃发展。对于航空航天和汽车行业来说，增材制造主要是为了优化设计效率和减少生产时间，而医疗设备行业却从增材制造的定制功能中受益匪浅。 根据Frost＆Sullivan 2016年的报告，到2025年，汽车、航空航天和医疗设备行业，将占据3D打印市场的51％。从地理范围看，在2015-2025年期间，亚太地区（APAC）增材制造市场的复合年增长率为18.4％。中国将占亚太地区市场的70％。 工程应用的新范式 2017年，迈凯轮车队与专门从事3D打印的Stratasys公司合作，为MCL32生产可用于比赛的零件，以参加2017年国际汽联一级方程式世界锦标赛。合作背后的想法是“轻量化”或拓扑优化，Stratasys公司通过这种方式为赛车队成功生产出轻巧但耐用的零件。 在另一个案例中，全球医疗设备制造Stryker公司坚定地致力于其3D打印和制造医疗产品的承诺。一个价值929万美元的即时（JIT）植入物项目可实现为癌症患者生产定制的骨植入物。 得益于增材制造技术的发展，制造已可以完成具有复杂几何形状和极少浪费的独特工艺。将精力和专业知识集中在此类智能机器上进行工程设计，将进一步改变制造业。增材制造成功地为各领域生产了各种原型设备，未来，其规则或将彻底改变制造业格局。 增材制造的独特优势消除了供应链中的许多中间步骤。越来越多地采用增材制造，将进一步改变其应用领域和行业的发展。
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