Forskere 3D udskriver kompleks mikrooptik med forbedret billedydelse

I en ny undersøgelse, forskere har vist, at 3D -print kan bruges til at lave meget præcise og komplekse miniaturelinser med størrelser på kun et par mikron. Mikrolinserne kan bruges til at korrigere farveforvrængning under billeddannelse, muliggør små og lette kameraer, der kan designes til en række forskellige applikationer.

"Muligheden for at 3D-udskrive kompleks mikrooptik betyder, at de kan fremstilles direkte på mange forskellige overflader, såsom CCD- eller CMOS-chips, der bruges i digitale kameraer, "sagde Michael Schmid, medlem af forskergruppen fra universitetet i Stuttgart i Tyskland. "Mikrooptikken kan også udskrives på enden af ​​optiske fibre for at skabe meget små medicinske endoskoper med fremragende billedkvalitet."

I tidsskriftet The Optical Society (OSA) Optik bogstaver , forskere ledet af Harald Giessen beskriver, hvordan de brugte en type 3D-print kendt som to-foton litografi til at skabe linser, der kombinerer brydnings- og diffraktive overflader. De viser også, at kombination af forskellige materialer kan forbedre disse linsers optiske ydeevne.

"3D-udskrivning af mikrooptik er forbedret drastisk i løbet af de sidste par år og tilbyder en designfrihed, der ikke er tilgængelig fra andre metoder, "sagde Schmid." Vores optimerede tilgang til 3D-udskrivning af kompleks mikrooptik åbner mange muligheder for at skabe nye og innovative optiske designs, der kan gavne mange forskningsområder og applikationer. "

Skubber grænserne for 3D -udskrivning

To-foton litografi bruger en fokuseret laserstråle til at størkne, eller polymerisere, et flydende lysfølsomt materiale kendt som fotoresist. Det optiske fænomen kendt som to-fotonabsorption gør det muligt at polymerisere kubikmikrometer af fotoresist, som muliggør fremstilling af komplekse optiske strukturer på mikronskalaen.

Forskergruppen har undersøgt og optimeret mikrooptik fremstillet med tofoton-litografi i de sidste 10 år. "Vi bemærkede, at farvefejl kendt som kromatisk aberration var til stede i nogle af de billeder, der blev oprettet med vores mikrooptik, så vi satte os for at designe 3D -printede linser med forbedret optisk ydeevne for at reducere disse fejl, "sagde Schmid.

Kromatiske aberrationer opstår, fordi den måde, hvorpå lyset bøjer, eller bryder, når det kommer ind i en linse afhænger af farven, eller bølgelængde, af lyset. Det betyder, at uden korrektion, rødt lys vil fokusere på et andet sted end blåt lys, for eksempel, forårsager frynser eller farvesømme i billeder.

Forskerne designet miniatureversioner af linser, der traditionelt blev brugt til at korrigere for kromatiske aberrationer. De begyndte med en akromatisk linse, som kombinerer en brydnings- og diffraktiv komponent for at begrænse virkningerne af kromatisk aberration ved at bringe to bølgelængder i fokus på det samme plan. Forskerne brugte et kommercielt tilgængeligt tofoton-litografiinstrument fremstillet af NanoScribe GmbH til at tilføje en diffraktiv overflade til en trykt glat brydningslins i et trin.

De tog dette et skridt videre ved at designe en apokromatisk linse ved at kombinere brydningsdiffraktiv linse med en anden linse lavet af en anden fotoresist med forskellige optiske egenskaber. Topping af to-materialelinsen med den brydningsdiffraktive overflade reducerer kromatiske aberrationer endnu mere, forbedrer dermed billedydelsen. Designet blev udført af Simon Thiele fra Institute of Technical Optics i Stuttgart, der for nylig udspandt virksomheden PrintOptics, der giver kunderne adgang til hele værdikæden fra design over prototyper til en række mikrooptiske systemer.

Test af mikrooptikken

For at vise, at den nye apokromatiske linse kunne reducere kromatisk aberration, forskerne målte brændpunktsplaceringen i tre bølgelængder og sammenlignede dem med en simpel brydningslins uden farvekorrektion. Mens referenceobjektivet uden kromatisk korrektion viste fokuspunkter adskilt af mange mikrometer, de apokromatiske linser udviste brændpunkter, der var på linje inden for 1 mikron.

Forskerne brugte også linserne til at erhverve billeder. Billeder taget med det enkle referenceobjektiv viste stærke farvesømme. Selvom den 3D -trykte achromat reducerede disse drastisk, kun billeder taget med apochromat eliminerede farvesømmene fuldstændigt.

"Vores testresultater viste, at ydeevnen ved 3D-printet mikrooptik kan forbedres, og at tofoton-litografi kan bruges til at kombinere brydnings- og diffraktive overflader samt forskellige fotomodstande, "sagde Schmid.

Forskerne påpeger, at fremstillingstiden vil blive hurtigere i fremtiden, hvilket gør denne tilgang mere praktisk. Det kan i øjeblikket tage flere timer at oprette et mikro-optisk element, afhængig af størrelse. Efterhånden som teknologien fortsætter med at modnes, forskerne arbejder på at skabe nye objektivdesign til forskellige applikationer.