Een nieuwe methode om een ​​goedkope, hoogwaardige lens snel met behulp van een 3D-printer heeft veelbelovend potentieel om lenzen voor optische beeldvorming te maken, op maat gemaakte contactlenzen voor het corrigeren van vervormd zicht, of zelfs iPhones om te zetten in microscopen voor ziektediagnose.

Ontwikkeld door Northwestern Engineering-onderzoekers na twee jaar onderzoek, de aangepaste optische component, die 5 millimeter hoog en 5 millimeter in diameter is, kan in ongeveer vier uur 3D worden geprint.

"Tot nu toe, we vertrouwden sterk op het tijdrovende en kostbare proces van het polijsten van lenzen, " zei Cheng Sun, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en wiens lab het 3D-printproces heeft ontwikkeld. "Met 3D-printen, nu heb je de vrijheid om snel een lens te ontwerpen en aan te passen."

Het onderzoek is op 24 maart gepubliceerd in Geavanceerde materialen . Het bevat foto's gemaakt met de lens aangesloten op een Apple iPhone 6s, inclusief hoogwaardige gedetailleerde afbeeldingen van de vleugel van een zonsondergangmot en een plek op de elyta van een snuitkever.

Zoals alle 3D-printen, het maken van deze lenzen omvat het aanbrengen van laag op laag materiaal. Sun vergeleek het bouwen van de lens met het draaien van een filmprojector. "In plaats van één frame te projecteren, het ene beeld na het andere, we leggen het ene frame op het andere, ' zei Sun. 'Het is alsof je een film verticaal afspeelt.'

Maar toen onderzoekers de lens voor het eerst printten, zijn gebogen lagen, gemaakt van een foto-uithardbare hars, een zichtbare stap gemaakt.

"We realiseerden ons dat de lagen op elkaar voor oppervlakteruwheid zorgden. De laagdikte is typisch 5 micron, terwijl de golflengte van zichtbaar licht ongeveer 0,5 micron is. Hierdoor ontstaat een optisch ruw oppervlak, "zei hij. "Dat was de bottleneck. De ruwheid maakte de lens niet in staat tot heldere optica."

Dit leidde tot de eenvoudige onderzoeksvraag van de groep:kunnen we het oppervlak glad maken zonder de afdruksnelheid te vertragen? Om die uitdaging op te lossen, Sun's groep ontwikkelde een tweestapsproces van gelaagdheid en polijsten.

"Eerst, we gebruikten grijswaardenafbeeldingen om meer overgangen tussen stappen te creëren, ' zei Sun. 'Toen, we hebben het oppervlak gecoat met dezelfde foto-uithardbare hars. Dat vormt dan de meniscus die het oppervlak verder glad maakt."

Het resultaat:een transparante lens met een glad oppervlak.

"Ik moet meer dan 100 keer geprobeerd hebben om dit precies goed te krijgen, " zei Xiangfan Chen, een promovendus in werktuigbouwkunde en hoofdauteur van het onderzoek.

Dit objectief, echter, is niet de eerste hoogwaardige lens gemaakt door 3D-printen. Het in Duitsland gevestigde bedrijf Nanoscribe heeft een zeer nauwkeurige femto-seconde 3D-printer ontwikkeld met een precisie van 150 nanometer. maar het bouwt de lens puntsgewijs op in plaats van gelaagdheid, zei zon.

"Het is een tijdrovend proces. Dat is hun beperking, " voegde hij eraan toe. "We wilden iets vergelijkbaars maken, maar sneller en met betere kwaliteit."

"Als je een lens wilt maken, wil je het in twee uur of twee weken halen?' zei Chen. 'We zijn erg enthousiast over deze lens.'

Dit proces zou kunnen leiden tot een overvloed aan nieuwe apparaten met een breed scala aan toepassingen in optica en biomedische beeldvorming, zei zon.

Volgende, de groep zal experimenteren met het maken van grotere lenzen en onderzoeken hoe de 3D-geprinte lens kan worden geïntegreerd met medische apparaten, zoals een endoscoop of optische microscoop. "Deze lenzen kunnen helpen bij het opsporen van een genetische ziekte of kanker, " zei Biqin Dong, een postdoctoraal onderzoeker gericht op biomedische en werktuigbouwkunde, die ook meewerkte aan het onderzoek.

Dong voorziet ook dat deze lenzen door artsen in onderontwikkelde gebieden kunnen worden gebruikt voor diagnostische beeldvorming of door veldwetenschappers als draagbare microscopen. De lens kan ook worden omgevormd tot een aangepaste contactlens voor mensen met vervormde hoornvliezen veroorzaakt door keratoconus. "De contactlens zou het aangepaste oppervlak hebben, het afstemmen op de vorm van het hoornvlies van de patiënt, ' zei Zon.