加拿大研究人員開發(fā)出一種名為模糊層析成像的新型3D打印方法，可快速制造出具有商業(yè)級光學(xué)品質(zhì)的微透鏡。這種新方法可能會使設(shè)計(jì)和制造各種光學(xué)設(shè)備變得更容易、更快捷。

加拿大國家研究理事會Daniel Webber說："我們特意為這種用于制造精密光學(xué)元件的3D打印方法所使用的光束添加了光學(xué)模糊。這樣就能制造出光學(xué)上光滑的表面。"

在發(fā)表于《光學(xué)》（Optica）的一項(xiàng)研究中，這些研究人員展示了這種新方法，他們用這種方法制造了一個(gè)毫米大小的平凸透鏡，其成像性能與市面上的玻璃透鏡類似。他們還表明，這種方法能在短短 30 分鐘內(nèi)制造出可隨時(shí)使用的光學(xué)元件。

圖片:researchers-harness-bl.jpg

鑷子夾持一組微型透鏡陣列

Webber說：“由于層析 3D 打印機(jī)和所使用的材料價(jià)格低廉，我們預(yù)計(jì)這種方法對于經(jīng)濟(jì)高效地快速制作光學(xué)元件原型非常有價(jià)值。此外，層析 3D打印固有的自由形態(tài)特性可以使光學(xué)設(shè)計(jì)人員用形狀復(fù)雜的打印光學(xué)器件取代多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)器件，從而簡化設(shè)計(jì)。”

磨平邊緣

層析體積增材制造是一種相對較新的制造方法，它使用投射光在特定區(qū)域固化光敏樹脂。它允許在沒有任何支撐結(jié)構(gòu)的情況下一次性打印出整個(gè)部件。

然而，現(xiàn)有的層析成像方法無法直接打印出成像質(zhì)量的透鏡，因?yàn)樗�使用的鉛筆狀光束會產(chǎn)生條紋，導(dǎo)致部件表面出現(xiàn)細(xì)小的棱角。雖然可以使用后處理步驟來創(chuàng)建光滑的表面，但這些方法增加了時(shí)間和復(fù)雜性，從而失去了與層析成像打印相關(guān)的快速原型優(yōu)勢。

Webber博士說：“光學(xué)元件的制造成本很高，因?yàn)橐粋�(gè)正常的透鏡需要嚴(yán)格的技術(shù)指標(biāo)，而且制造過程復(fù)雜耗時(shí)。模糊層析掃描技術(shù)可用于以低成本的方式進(jìn)行自由形態(tài)設(shè)計(jì)。隨著技術(shù)的成熟，它可以更快地制作出新光學(xué)設(shè)備的原型，這對從商業(yè)制造商到車庫發(fā)明家的任何人都非常有用。”

制造微小透鏡

為了測試這種新方法，研究人員首先制作了一個(gè)簡單的平凸透鏡，結(jié)果表明，它的成像分辨率與具有相同物理尺寸的商用玻璃透鏡相當(dāng)。它還表現(xiàn)出微米級的形狀誤差、亞納米級的表面粗糙度和接近玻璃透鏡的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。

圖片:researchers-harness-bl-1.jpg

新技術(shù)使用定制的投影透鏡來模糊用于固化光敏樹脂的激光束。這樣就產(chǎn)生了光學(xué)上光滑的表面，從而可以打印出商業(yè)質(zhì)量的鏡片，如左下圖所示。

他們還利用模糊層析技術(shù)制作了一個(gè)3x3的微透鏡陣列，并將其與傳統(tǒng)層析 3D 打印技術(shù)打印的陣列進(jìn)行了比較。他們發(fā)現(xiàn)，由于表面粗糙度較大，用傳統(tǒng)方法打印的陣列無法對名片成像，但用模糊層析成像技術(shù)打印的陣列卻可以。此外，研究人員還演示了將球透鏡疊印到光纖上，這在以前只能通過一種稱為雙光子聚合的快速成型技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

目前，他們正致力于通過優(yōu)化光圖案化方法和將材料參數(shù)納入打印過程來提高組件精度。他們還希望實(shí)現(xiàn)打印時(shí)間的自動(dòng)化，使系統(tǒng)足夠強(qiáng)大，可以用于商業(yè)用途。

Webber說：“層析三維打印是一個(gè)迅速成熟的領(lǐng)域，正在許多應(yīng)用領(lǐng)域得到應(yīng)用。在這里，我們利用這種三維打印方法的內(nèi)在優(yōu)勢來制造毫米級的光學(xué)元件。這樣，我們就為光學(xué)制造技術(shù)增加了一種快速、低成本的替代方法，有可能對未來技術(shù)產(chǎn)生影響�！�

相關(guān)鏈接：https://phys.org/news/2024-05-harness-blurred-3d-high-quality.html

論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1364/OPTICA.519278