In een nieuwe studie, onderzoekers hebben aangetoond dat 3D-printen kan worden gebruikt om zeer nauwkeurige en complexe miniatuurlenzen te maken met afmetingen van slechts enkele microns. De microlenzen kunnen worden gebruikt om kleurvervorming tijdens beeldvorming te corrigeren, waardoor kleine en lichtgewicht camera's kunnen worden ontworpen voor een verscheidenheid aan toepassingen.

"De mogelijkheid om complexe micro-optica in 3D te printen, betekent dat ze direct op veel verschillende oppervlakken kunnen worden gefabriceerd, zoals de CCD- of CMOS-chips die in digitale camera's worden gebruikt, " zei Michael Schmid, een lid van het onderzoeksteam van de Universiteit van Stuttgart in Duitsland. "De micro-optiek kan ook op het uiteinde van optische vezels worden geprint om zeer kleine medische endoscopen te maken met een uitstekende beeldkwaliteit."

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Letters , onderzoekers onder leiding van Harald Giessen beschrijven hoe ze een type 3D-printing gebruikten dat bekend staat als twee-fotonlithografie om lenzen te maken die refractieve en diffractieve oppervlakken combineren. Ze laten ook zien dat het combineren van verschillende materialen de optische prestaties van deze lenzen kan verbeteren.

"3D-printen van micro-optica is de afgelopen jaren drastisch verbeterd en biedt een ontwerpvrijheid die bij andere methoden niet mogelijk is, "zei Schmid. "Onze geoptimaliseerde aanpak voor het 3D-printen van complexe micro-optica opent veel mogelijkheden voor het creëren van nieuwe en innovatieve optische ontwerpen die veel onderzoeksgebieden en toepassingen ten goede kunnen komen."

De grenzen van 3D-printen verleggen

Twee-fotonenlithografie gebruikt een gefocusseerde laserstraal om te stollen, of polymeriseren, een vloeibaar lichtgevoelig materiaal dat bekend staat als fotoresist. Het optische fenomeen dat bekend staat als twee-fotonabsorptie maakt het mogelijk om kubieke micrometervolumes van de fotoresist te polymeriseren, waarmee de fabricage van complexe optische structuren op micronschaal mogelijk is.

Het onderzoeksteam heeft de afgelopen 10 jaar micro-optica onderzocht en geoptimaliseerd die zijn gemaakt met twee-fotonenlithografie. "We merkten dat kleurfouten, ook wel chromatische aberraties genoemd, aanwezig waren in sommige van de afbeeldingen die met onze micro-optica zijn gemaakt, daarom wilden we 3D-geprinte lenzen ontwerpen met verbeterde optische prestaties om deze fouten te verminderen, ' zei Schmid.

Chromatische aberraties treden op omdat de manier waarop licht buigt, of brekingen, wanneer het een lens binnenkomt, hangt af van de kleur, of golflengte, van het licht. Dit betekent dat zonder correctie, rood licht zal op een andere plek scherpstellen dan blauw licht, bijvoorbeeld, waardoor er franjes of kleurnaden in afbeeldingen verschijnen.

De onderzoekers ontwierpen miniatuurversies van lenzen die traditioneel werden gebruikt om chromatische aberraties te corrigeren. Ze begonnen met een achromatische lens, die een refractieve en diffractieve component combineert om de effecten van chromatische aberratie te beperken door twee golflengten in hetzelfde vlak scherp te stellen. De onderzoekers gebruikten een commercieel verkrijgbaar twee-foton lithografie-instrument gemaakt door NanoScribe GmbH om in één stap een diffractief oppervlak toe te voegen aan een geprinte gladde refractieve lens.

Vervolgens gingen ze nog een stap verder door een apochromatische lens te ontwerpen door de refractief-diffractieve lens te combineren met een andere lens gemaakt van een andere fotoresist met andere optische eigenschappen. Door de lens van twee materialen te bedekken met het brekings-diffractieve oppervlak, worden chromatische aberraties nog meer verminderd, waardoor de beeldprestaties worden verbeterd. Het ontwerp werd uitgevoerd door Simon Thiele van het Instituut voor Technische Optica in Stuttgart, die onlangs het bedrijf PrintOptics heeft voortgebracht, dat klanten toegang geeft tot de hele waardeketen, van ontwerp over prototyping tot een reeks micro-optische systemen.

De micro-optiek testen

Om aan te tonen dat de nieuwe apochromatische lens chromatische aberratie kan verminderen, de onderzoekers maten de locatie van het brandpunt voor drie golflengten en vergeleken ze met een eenvoudige refractieve lens zonder kleurcorrectie. Terwijl de referentielens zonder chromatische correctie brandpunten vertoonde die door vele microns gescheiden waren, de apochromatische lenzen vertoonden brandpunten die binnen 1 micron waren uitgelijnd.

De onderzoekers gebruikten de lenzen ook om beelden te verkrijgen. Foto's gemaakt met de eenvoudige referentielens vertoonden sterke kleurnaden. Hoewel de 3D-geprinte achromat deze drastisch verminderde, alleen afbeeldingen die met de apochromat zijn gemaakt, elimineerden de kleurnaden volledig.

"Onze testresultaten toonden aan dat de prestaties van 3D-geprinte micro-optica kunnen worden verbeterd en dat twee-fotonlithografie kan worden gebruikt om refractieve en diffractieve oppervlakken te combineren, evenals verschillende fotoresists, ' zei Schmid.

De onderzoekers wijzen erop dat de fabricagetijd in de toekomst sneller zal worden, wat deze aanpak praktischer maakt. Het kan momenteel enkele uren duren om één micro-optisch element te maken, afhankelijk van de maat. Naarmate de technologie zich verder ontwikkelt, de onderzoekers werken aan nieuwe lensontwerpen voor verschillende toepassingen.