Forskere tilføjer antirefleksbelægninger til komplekse 3D-printede mikro-optiske systemer

Forskere har udviklet en ny måde at påføre antireflekterende (AR) belægninger på 3D-printede multilinsesystemer så små som 600 mikrometer i diameter. Fordi disse belægninger hjælper med at minimere lystab på grund af refleksion, er de afgørende for fremstilling af højkvalitets 3D-printede systemer bestående af flere mikrolinser.

"Vores nye metode vil gavne ethvert 3D-printet komplekst optisk system, der bruger flere linser," sagde leder af forskningsteamet Harald Giessen fra universitetet i Stuttgart i Tyskland. "Men det er især nyttigt til applikationer såsom miniaturefiberendoskoper, som kræver højkvalitetsoptik og bruges til billeddannelse under mindre end ideelle lysforhold."

Store linser som dem, der bruges i et kamera, er belagt, før de samles til en enhed. For 3D-printede linser, der er mindre end 1 millimeter brede, kan konventionelle belægningsteknikker såsom sputtering dog ikke anvendes. Dette skyldes, at hele linsesystemet typisk printes i et enkelt trin, der danner svært tilgængelige hule åbninger og underskæringer.

I tidsskriftet Optical Materials Express , beskriver forskerne deres nye lavtemperatur-termiske atomlagaflejringsteknik (ALD), der er kompatibel med 3D-printede polymermaterialer. Den kan bruges til samtidig at belægge alle linseoverflader i et komplekst system, selvom strukturen har hule dele og underskæringer. Den nye tilgang kunne også bruges til at skabe andre tyndfilmsystemer, såsom kromatiske filtre, direkte ind i 3D-printet mikrooptik.

"Vi anvendte ALD til fremstilling af antirefleksbelægninger til 3D-printet kompleks mikrooptik for første gang," sagde Simon Ristok, førsteforfatter af papiret. "Denne tilgang kunne bruges til at lave nye former for ekstremt tynde endoskopiske anordninger, der kan muliggøre nye måder at diagnosticere - og måske endda behandle - sygdom på. Den kunne også bruges til at lave miniaturesensorsystemer til autonome køretøjer eller miniatureoptik af høj kvalitet til augmented/virtual reality-enheder såsom beskyttelsesbriller."

Slip af med refleksion

I et optisk system går en lille mængde lys tabt ved hver linse-luft-grænseflade på grund af refleksion. Hvis et system kombinerer flere linser, bliver antirefleksbelægninger essentielle, fordi disse tab vil stige. Refleksioner kan også forringe billedkvaliteten af ​​et linsesystem.

"Vi har arbejdet på 3D-printet mikrooptik i flere år og stræber altid efter at forbedre og optimere vores fremstillingsproces," sagde Giessen. "Det var et logisk næste skridt at tilføje AR-belægninger til vores optiske systemer for at forbedre billedkvaliteten af ​​komplekse linsesystemer."

Selvom ALD kan bruges til at påføre AR-belægninger, kræver det typisk høje temperaturer, der ville smelte materialerne, der bruges til at 3D-printe komplekse mikro-optiske systemer. 3D-printede linser er typisk stabile op til omkring 200 °C, så forskerne udviklede en ALD-proces, der fungerer ved 150 °C.

Under ALD udsættes det 3D-printede linsesystem for en gas, der indeholder de molekylære byggesten i den antireflekterende belægning. Gasmolekylerne kan bevæge sig frit ind i de hule dele af den 3D-printede struktur for at danne et homogent tyndt lag på alle eksponerede linseoverflader. Ved at tilføje på hinanden følgende lag og variere precursorgassen kan tykkelsen og materialeegenskaberne justeres for at danne sekvenser af belægninger med højt og lavt brydningsindeks eller andre AR-belægningsdesigns.

Vurdering af belægningerne

Forskerne karakteriserede deres ALD-belægninger på 3D-printede prøver og fandt, at belægningerne reducerede bredbåndsreflektiviteten af ​​flade substrater i synlige bølgelængder til under 1 %. De testede også ALD-belægningsteknikken med et 3D-printet dobbeltlinse-billedsystem, der kun var 600 mikron bredt.

"For at printe dobbeltlinsesystemet brugte vi et Nanoscribe Quantum X mikrofabrikationssystem, der muliggør en hidtil uset overfladeglathed for 3D-printede linser," sagde Ristok. "Vi viste, at vores ALD-belægninger reducerede reflektionsevnen markant og omvendt forbedrede transmissionen for dette multilinsesystem."

Forskerne planlægger at bruge deres ALD-tilgang til at skabe avancerede belægningsdesigns med flere lag, som kan reducere refleksionstabet endnu mere for specifikke bølgelængder. De siger, at både 3D-print af mikro-optik og ALD-aflejring af AR-belægninger er velegnede til hurtig prototyping eller produktion i små serier, og at reduktion af behandlingstiden kan gøre begge tilgange velegnede til produktion i større skala. De er også åbne for at samarbejde med forskere, der gerne vil inkorporere AR-belægninger i deres 3D-printede optiske systemer. + Udforsk yderligere

Forskere 3D-printer kompleks mikrooptik med forbedret billedydelse