很多种微光学组件和系统可以用喷墨打印制造或改进。光学组件往往被制造用于光耦合、准直、增强和通信领域的无线分布、计量、成像以及天文学。最为广泛生产的是光学透镜，一种折射光学的元件，可覆盖7in硅片的大范围阵列微透镜已经被发掘。由于喷墨液滴的质量很小，透镜的形状主要由表面张力决定，导致透镜的形状近乎完美的球形盖。除了微透镜，喷墨打印业用于生产光学波导。
通常，透镜是由光刻决定的且是由抗回流技术成型。另外，像光刻、电铸和注塑（LIGA）技术，干涉光刻技术，软光刻技术，纳米压印光刻技术，直接离子法和激光直写技术等方法也都已经用于光学微透镜制造[32]。喷墨打印具有一些以上方法没有的优点，即非接触式、数据驱动、简单、设施成本低且可被广泛应用于多种材料和基板。另外，作为一种添加过程，喷墨打印能使微透镜易于集成于现存设备或系统。
应用喷墨打印的微透镜制造被许多文章描述[12，33-39]，这里有一些评论文章概述了微透镜制造结果[40，41]。大多数所述的工作涉及这些引用。典型的喷墨打印微透镜呈现了直径为50～3000μm的凸球冠形状（见图20.4和图20.5）。Hayes和Chen报道称，液滴直径和打印精度（透镜中心）可以被精确控制到±1μm[40]。
图20.4 单滴的SU-8微透镜[33]
a）基于硅 b）基于SAM涂硅
微透镜性能由被打印材料的光学性能和透镜最终形状决定。用于制造喷墨打印的透镜的理想墨水必须呈现适合的黏度范围以及打印过程的稳定性、高光学透明度、低收缩以及化学和热过程的持续性。历来所用材料都是热、光固化聚合物。喷墨打印微透镜集成到现有的MEMS最有前途的材料是传统的材料，如SU-8[23]和改性的聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）[36]。为了提升打印过程的稳定性，新型墨水正在被开发和测试，例如混合环氧树脂[42]和水性聚氨酯[34]。此外，有机-无机溶胶-凝胶已落实，确保高传输镜头和镜头形状灵活性[35]。最终微透镜的形状可以通过调整墨水黏度、打印油滴数量和液滴与基板的接触角来控制。改变基板表面可以改变接触角。一些具体例子包括了表面形态改性和PMMA薄膜与1，4二氯苯（p-DCB）溶剂组成基板的润湿性的改良[36]、沉积聚四氟乙烯薄膜降低表面能[34]以及通过SAM的基板功能化，即氟化硅烷化学，目的是为了实现表面疏水性[33]。微透镜的尺寸也可通过改变基板温度来调整[37]。
图20.5 喷墨打印混合聚合物微透镜在高倍放大的SAM处理的玻璃上的陈列。 微透镜的直径和高度分别大约为53μm和18μm[40](www.xing528.com)
非球面微透镜通过建模体现液滴产生方形或矩形形状的方式得到展示。通过改变液滴数量、打印速率以及液滴间距的方式展示了椭圆或圆柱形微透镜[38]。有一种逆向的方法被用来生产出凹透镜，即沉积溶剂在一个可溶的多聚基板[12]。
为稳定喷墨打印，溶剂中必须添加特殊比例的墨，以提供适当的打印黏度。溶剂随后从打印液滴中蒸发，最终导致收缩和透镜的形状和大小的变化。然而，打印附加液滴能抵消这个体积的缺失。由于分层多滴的液滴能产生内部应力，引起分层增加透镜表面的粗糙度[34]，所以试验操作时要小心。
微透镜性能可以用很多方法量化。Mach-Zehnder干涉可以测量透镜焦距、均匀度以及透镜畸变。三维扫描激光分析仪可以用来测量焦距和焦斑直径。另外，焦距和焦距比数可以从曲率和折射率的半径中计算出来。3D形状和喷墨型微透镜的表面粗糙度可用原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）、数字全系显微镜或光学轮廓仪探测。
喷墨打印式的微透镜往往适用于亚微米波长，呈现出低焦距比数、透镜孔径的直径与透镜长度比（0.6～1.4），并提供f/10～f/1的透镜速率[43]。大部分的这些研究实现了球面透镜的剖面和低表面粗糙度（＜1nm）。光学性能，如传输性能，可以通过应用抗反射涂层来提高[44]。微透镜制造中的紫外固化聚合物的一个关注点是对可见光谱波长的吸收。然而，Tien等人[45]所做的一项研究论证该效应是微不足道的。
MEMS中的微透镜用于光耦合器件和光束整形器件，从而接收或探查光敏器件。打印在多模光纤尖端的微透镜利用发光二极管（LED）接收6次信号来提升对准灵敏度[43]。单模纤维需要更精确的对准。当微透镜被多个喷墨液滴打印时，可能可以通过改变打印材料来产生轴向折射梯度，并通过消除球面像差减少焦斑尺寸[43]。
微透镜阵列在MEMS中的应用包括了打印于LED、光学纤维束和发光激光器上的微光学器件。微透镜阵列被喷墨打印在覆盖7in面积的光导平面（LGP）上，作为液晶显示器的背光单元。这些阵列将离开光导平面的光耦合，并提升了观察面的均匀度[45]。喷墨打印微透镜曾用于提升垂直腔面发射激光器（VC-SEL）中的耦合效应，且不引起光学丢失[46]。图20.6展现了用于VCSEL耦合的微透镜，印制于砷化镓上的SU8柱。化学功能化的喷墨打印式微透镜在MEMS化学传感器上成功实现。Carter等人[47]展示了一个光学pH值传感器，荧光素掺杂环氧树脂微透镜被喷墨打印在经抛光后的500μm的光导尖端。作者展示了重复的信号、高灵敏度以及低响应时间。
图20.6 a）晶圆级的微光学器件阵列；b）切分成4×1的VCSEL阵列[47]
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
