一种喷墨打印中微纳结构形貌实时监测光路系统的制作方法

本发明属于印刷电子技术领域，涉及一种喷墨打印实时监测系统，特别是一种喷墨打印中微纳结构形貌实时监测光路系统。

背景技术：

喷墨打印技术(inkjetprinting)是一种“直接写”的印刷电子技术，它在计算机的精确控制下，利用气体压力、电场力或其他形式的力将功能性油膜逐滴喷射到各类基底表面，获得特定的微纳结构或薄膜，该技术具有成本低、环境友好、效率高和直接写入等优势，近年来被广泛应用于新型电子材料领域。喷墨打印根据喷墨的方式不同，可以分为连续喷墨打印(利用电场驱动实现墨水连续喷出)和按需喷墨打印(根据设计需求工作时喷头喷出墨水)两种，在不同的电子器件制备中选择不同的方式进行操作。

喷墨打印技术的使用过程中，墨水的品质、电压的控制、移动平台的控制、及基底的材质等多种因素都可以影响打印的结果，因而过程控制和结果监测成为喷墨打印研究和应用的重点问题。在现有的研究方案中，多采取参数定量调控法，如给定墨水种类和性质、定量调控打印过程中的参数，然后通过一定的设备表征打印结果的形貌、电学等特征，从而实现打印结构和参数的一一对应，并由此优选有利于打印的各类条件。这些解决方案虽然是实时采样，但无法进行实时分析和观察，需要打印结束后对打印结果进行分析，再与打印参数进行比对，不但一定程度上降低了打印效率，而且不易发现打印过程中的缺陷进行及时的修正。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，设计提供一种喷墨打印中微纳结构形貌实时监测光路系统，通过调节光路中不同光学元器件的位置和参数，在使用喷墨打印技术制作各类微纳结构时，实时监测观察打印结果的形貌特征，对打印过程进行反馈和控制。

为了实现上述目的，本发明所述喷墨打印中微纳结构形貌实时监测光路系统的主体结构包括激光器、衰减器、第一凸透镜、第二凸透镜和ccd摄像头，各光学元件的中心位于一条直线上，且表面垂直于光束传播方向，以确保光束均匀传播；打印样品与第一凸透镜之间的距离与第一凸透镜的焦距相等，第二凸透镜与ccd摄像头之间的距离与第二凸透镜的焦距相等，第一凸透镜与第二凸透镜之间的距离为两者焦距之和，确保所得图像为清晰图像；激光器发出的光束经过衰减器调节光束能量，光束透过打印样品后依次经过第一凸透镜和第二凸透镜，光线最终汇聚于ccd摄像头，ccd摄像头与外接的电脑相连，通过电脑实时观察到打印样品上的打印结构，根据所选凸透镜的焦距不同，电脑观察到的结果为打印结构按比例缩放的图像。

本发明所述喷墨打印中微纳结构形貌实时监测光路系统与喷墨打印系统配合使用以实现实时监测功能，实时检测光路系统中打印样品的位置位于喷墨打印系统中的打印结果处，喷墨打印系统中的精密控制移动平台上放置有电极板，电极板上放置打印基底，打印样品打印在打印基底上，精密控制移动平台、电极板和打印基底均能透过可见光的，并且精密控制移动平台能根据设定的打印程序在平面内精确移动，由此制备不同形状的微纳结构。

本发明所述激光器发出的激光为任意波长可见光，光束的传播方向垂直于打印基底。

本发明所述第一凸透镜和第二凸透镜为适用于激光器发出的激光波长的光学透镜，位置根据实际需要自由调节。

本发明所述ccd摄像头采用市售的成像摄像器件，能与外接的电脑端相连以实时显示图像，其分辨率大于640×480。

本发明在喷墨打印制作微纳结构的过程中，通过与电脑端匹配的ccd摄像头获得打印结构的图像，并进行图像采集和视频录制，以观察打印结构的品质。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是将光路系统集成到喷墨打印系统中去，在不改变打印过程的系统设置的前提下，实现无损的观察；二是光路系统具有实时性，能够在电脑端通过ccd摄像头实时观察结构的形貌特征；三是对环境依赖度低，在样品移动、轻微偏移的情况下，都能获得结构清晰的表面形貌成像；四是得到的图像分辨率高，使用高清晰度摄像头时，可获得高清晰度的图像信息；其光路简单直观，元器件方便可调，原理可靠，操作便捷，易于实现，可广泛应用于各种基于喷墨打印技术的微纳结构和电子制造领域。

附图说明：

图1为本发明所述喷墨打印中微纳结构形貌实时监测光路系统的主体结构原理示意图。

图2为本发明所述喷墨打印中微纳结构形貌实时监测光路系统与喷墨打印系统配合使用的结构原理示意图，虚线框内为喷墨打印中微纳结构形貌实时监测光路系统。

图3为本发明实施例涉及的观察图像，其中(a)为打印样品结构的普通光学显微镜拍摄图片，(b)为采用本发明光路系统采集的实时观察图像，图像中喷墨打印所用的材料为纳米银颗粒墨水。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明。

实施例：

本实施例所述喷墨打印中微纳结构形貌实时监测光路系统的主体结构如图1所示，包括激光器1、衰减器2、第一凸透镜l1、第二凸透镜l2和ccd摄像头3，各光学元件的中心位于一条直线上，且表面垂直于光束传播方向，以确保光束均匀传播；打印样品与第一凸透镜l1之间的距离与第一凸透镜l1的焦距f1相等，第二凸透镜l2与ccd摄像头3之间的距离与第二凸透镜l2的焦距f2相等，第一凸透镜l1与第二凸透镜l2之间的距离为两者焦距之和，确保所得图像为清晰图像；激光器1发出的光束经过衰减器3调节光束能量，光束透过打印样品后依次经过第一凸透镜l1和第二凸透镜l2，光线最终汇聚于ccd摄像头3，ccd摄像头3与外接的电脑相连，通过电脑实时观察到打印样品上的打印结构7，根据所选凸透镜的焦距不同，电脑观察到的结果为打印结构按比例缩放的图像。

本实施例所述喷墨打印中微纳结构形貌实时监测光路系统与喷墨打印系统配合使用以实现实时监测功能，实时检测光路系统中打印样品的位置位于喷墨打印系统中的打印结果7处，喷墨打印系统中的精密控制移动平台4上放置有电极板5，电极板5上放置打印基底6，打印样品打印在打印基底6上，精密控制移动平台4、电极板5和打印基底6均能透过可见光的，并且精密控制移动平台4能根据设定的打印程序在平面内精确移动，由此制备不同形状的微纳结构。

本实施例发明所述激光器1发出的激光为任意波长可见光，光束的传播方向垂直于打印基底6。

本实施例所述第一凸透镜l1和第二凸透镜l2为适用于激光器1发出的激光波长的光学透镜，位置根据实际需要自由调节。

本实施例所述ccd摄像头3采用市售的成像摄像器件，能与外接的电脑端相连以实时显示图像，其分辨率大于640×480。

本实施例将光路系统与喷墨打印系统进行耦合，即让图1中打印样品的位置恰好位于图2中喷墨打印的打印结果处，由此激光光束能够穿过打印样品上的打印结构，并通过第一凸透镜l1和第二凸透镜l2成像于ccd表面，根据光学透镜成像原理，喷墨打印的结构位于第一凸透镜l1的前焦距，与第一凸透镜l1相距f1，则打印结构所成虚像经过第二凸透镜l2恰好在ccd摄像头表面成像，所成图像的放大倍率为f2/f1，第一凸透镜l1、第二凸透镜l2和摄像头都置于可微调的平台上，能够沿着光束传播的方向往返微调节光学元件位置，由此确保获得清晰图像。

本实施例中喷墨打印系统中的精密控制移动平台可以在平面内移动，从而实现不同形状结构的打印，光束的传播方向要垂直于打印基底6的表面，从而确保平台在面内运动时都处在第一凸透镜l1的前焦面位置，恰好在ccd摄像头中获得清晰的图像。

本实施例中的打印基底6一般为平面状透光材料，如果采用柔性材料也可使用该系统进行观察，在检测过程中，根据柔性基底的起伏和观察的样品位置，实时调节各透镜位置，满足上述位置对应关系，亦可获得清晰的表面形貌图像。

本实施例中所观察的图像如图3所示，其中(a)为打印样品在普通光学显微镜下观察到的结果；(b)为采用本发明实时监测到的结果，由于采用了不同焦距的第一凸透镜l1和第二凸透镜l2，因而两张图像的放大倍率具有一定的差别。

本实施例可以通过调节衰减器来调节激光的光强，从而调节最终收集图像的亮暗对比度；也可以根据打印结构的尺寸选择不同的摄像头分辨率，获得不同显示大小的图像。由于所得图像为清晰度较高的电子照片，后期也可以采用其他的软件对该图像进行各类处理，以更好的观察和表征检测结果。

本实施例选择光学途径来监测喷墨打印结果，具有以下几个原因：一是所用光路元器件少，易于调整并与现有喷墨打印系统结合，容易实现光路的调节和打印结果的实时监测；二是所有光路对环境的依赖度小，对于平台在面内的移动、打印结构小的起伏都不会影响ccd摄像头中的成像，均可获得清晰的图像；三是所用光路器件价格较低，对激光光源、光学透镜、ccd摄像头均无特殊要求，均为普通的光学元件；四是光路系统可以与电脑端相连，不需要额外的数据导出和传输，打印过程中便可实时通过软件观察到样品的结构形貌，真正意义上实现实时监测。