在新的一項(xiàng)研究中，研究人員證明3D打印可用于制造尺寸僅為幾微米的高精度復(fù)雜微型鏡頭。微透鏡可用于校正成像過程中的色彩失真，從而使各種小型輕巧相機(jī)的應(yīng)用成為可能。

德國斯圖加特大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)成員邁克爾·施密德（Michael Schmid）表示，能夠?qū)��?fù)雜的微光學(xué)器件進(jìn)行3D打印的功能意味著它們可以直接制造在許多不同的表面上，例如數(shù)碼相機(jī)中使用的CCD或CMOS芯片。微光學(xué)器件也可以打印在光纖的末端，以制造出具有卓越成像質(zhì)量的超小型醫(yī)用內(nèi)窺鏡。

在光學(xué)協(xié)會(huì)（OSA）的《光學(xué)快報(bào)》上，由哈拉德·吉森（Harald Giessen）領(lǐng)導(dǎo)的研究人員詳細(xì)介紹了他們?nèi)绾问褂靡环N稱為雙光子光刻的3D打印技術(shù)來制造結(jié)合了折射和衍射表面的透鏡。他們還表明，組合使用不同的材料可以改善這些鏡片的光學(xué)性能。

在測(cè)試新鏡頭時(shí)，參考鏡頭（左）由于色差而顯示出色縫。3D打印消色差透鏡（中）大大減少了這些現(xiàn)象，而用復(fù)消色差透鏡（右）拍攝的圖像則完全消除了色彩失真。

施密德說，微光學(xué)的3D打印在過去幾年中得到了極大的改善，并提供了其他方法無法提供的設(shè)計(jì)自由度。我們用于3D打印復(fù)雜微光學(xué)的優(yōu)化方法為創(chuàng)建新穎和創(chuàng)新的光學(xué)設(shè)計(jì)打開了許多可能性，這些設(shè)計(jì)可以使許多研究領(lǐng)域和應(yīng)用受益。

突破3D打印的極限

雙光子光刻使用聚焦的激光束固化或聚合稱為光致抗蝕劑的液體光敏材料。稱為雙光子吸收的光學(xué)現(xiàn)象使立方微米體積的光致抗蝕劑發(fā)生聚合，從而能夠以微米級(jí)制造復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)。

在過去的10年中，研究團(tuán)隊(duì)一直在研究和優(yōu)化使用雙光子光刻技術(shù)制成的微光學(xué)器件。施密德說，我們注意到，用我們的微光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的某些圖像中存在色差，因此我們著手設(shè)計(jì)具有改善光學(xué)性能的3D打印鏡頭，以減少這些誤差。

研究人員使用3D打印技術(shù)制造了高度精確、復(fù)雜的復(fù)消色差微型透鏡，可用于校正成像過程中的色彩失真。

之所以會(huì)出現(xiàn)色差，是因?yàn)楣膺M(jìn)入透鏡時(shí)彎曲或折射的方式取決于光的顏色或波長。這意味著，如果不進(jìn)行校正，則紅光將聚焦到與藍(lán)光不同的位置，例如，導(dǎo)致圖像中出現(xiàn)條紋或色縫。

研究人員設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)上用于校正色差的微型鏡頭。他們從消色差透鏡開始，消色差透鏡結(jié)合了折射和衍射成分，通過將兩個(gè)波長聚焦在同一平面上來限制色差的影響。研究人員使用由NanoScribe GmbH制造的市售兩光子光刻設(shè)備在一步之內(nèi)將衍射表面添加到了印刷的光滑折射透鏡上。

然后，他們又進(jìn)一步設(shè)計(jì)了復(fù)消色差透鏡，方法是將折射衍射透鏡與另一種由具有不同光學(xué)特性的不同光刻膠制成的透鏡組合在一起。使具有折射衍射表面的二材料透鏡頂部更進(jìn)一步降低色差，從而提高成像性能。該設(shè)計(jì)由斯圖加特技術(shù)光學(xué)研究所的Simon Thiele負(fù)責(zé)，該公司最近成立了PrintOptics公司，該公司為客戶提供從設(shè)計(jì)到原型制作到一系列微光學(xué)系統(tǒng)的整個(gè)價(jià)值鏈。

測(cè)試微光學(xué)

為了證明新的復(fù)消色差透鏡可以減少色差，研究人員測(cè)量了三個(gè)波長的焦點(diǎn)位置，并將它們與沒有色彩校正的簡(jiǎn)單折射透鏡進(jìn)行了比較。盡管沒有色彩校正的參考鏡片顯示的焦斑相隔了許多微米，但復(fù)消色差鏡片的焦斑卻對(duì)準(zhǔn)了1微米以內(nèi)。

研究人員還使用這些鏡頭來獲取圖像。使用簡(jiǎn)單的參考鏡拍攝的圖像顯示出強(qiáng)烈的色縫。盡管3D打印的消色差透鏡大大減少了這些色差，但只有用消色差透鏡拍攝的圖像才能完全消除色縫。

施密德說，我們的測(cè)試結(jié)果表明，可以改善3D打印微光學(xué)器件的性能，并且可以使用雙光子光刻技術(shù)來組合折射和衍射表面以及不同的光刻膠。

研究人員指出，將來制造時(shí)間將變得更快，這使得這種方法更加實(shí)用。根據(jù)尺寸的不同，創(chuàng)建一個(gè)微光學(xué)元件目前可能要花費(fèi)幾個(gè)小時(shí)。隨著技術(shù)的不斷成熟，研究人員正在努力為不同的應(yīng)用創(chuàng)建新的鏡頭設(shè)計(jì)。

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