Onderzoekers hebben een nieuwe manier ontwikkeld om antireflecterende (AR) coatings aan te brengen op 3D-geprinte multilenssystemen met een diameter van slechts 600 micron. Omdat deze coatings lichtverliezen als gevolg van reflectie helpen minimaliseren, zijn ze van cruciaal belang voor het maken van hoogwaardige 3D-geprinte systemen die uit meerdere microlenzen bestaan.

"Onze nieuwe methode komt ten goede aan elk 3D-geprint complex optisch systeem dat meerdere lenzen gebruikt", zegt onderzoeksteamleider Harald Giessen van de Universiteit van Stuttgart in Duitsland. "Het is echter vooral handig voor toepassingen zoals miniatuurvezelendoscopen, die hoogwaardige optica vereisen en worden gebruikt voor beeldvorming onder minder dan ideale lichtomstandigheden."

Grote lenzen zoals die in een camera worden gebruikt, worden gecoat voordat ze tot een apparaat worden geassembleerd. Voor 3D-geprinte lenzen van minder dan 1 millimeter breed kunnen conventionele coatingtechnieken zoals sputteren echter niet worden gebruikt. Dit komt omdat het hele lenssysteem doorgaans in één stap wordt geprint, waardoor moeilijk bereikbare holle openingen en ondersnijdingen ontstaan.

In het tijdschrift Optical Materials Express , beschrijven de onderzoekers hun nieuwe techniek voor thermische atomaire laagafzetting (ALD) bij lage temperatuur die compatibel is met 3D-geprinte polymeermaterialen. Het kan worden gebruikt om gelijktijdig alle lensoppervlakken van een complex systeem te coaten, zelfs als de structuur holle delen en ondersnijdingen heeft. De nieuwe aanpak kan ook worden gebruikt om andere dunnefilmsystemen, zoals chromatische filters, rechtstreeks in 3D-geprinte micro-optica te maken.

"We hebben ALD voor het eerst toegepast op de fabricage van antireflectiecoatings voor 3D-geprinte complexe micro-optica", zegt Simon Ristok, eerste auteur van het artikel. "Deze benadering zou kunnen worden gebruikt om nieuwe soorten extreem dunne endoscopische apparaten te maken die nieuwe manieren zouden kunnen bieden om ziekten te diagnosticeren - en misschien zelfs te behandelen. Het zou ook kunnen worden gebruikt om miniatuursensorsystemen te maken voor autonome voertuigen of hoogwaardige miniatuuroptica voor augmented/virtual reality-apparaten zoals brillen."

Van reflectie afkomen

In een optisch systeem gaat door reflectie een kleine hoeveelheid licht verloren bij elke lens-luchtinterface. Als een systeem meerdere lenzen combineert, worden antireflectiecoatings essentieel omdat deze verliezen zullen oplopen. Reflecties kunnen ook de beeldkwaliteit van een lenssysteem verminderen.

"We werken al enkele jaren aan 3D-geprinte micro-optica en streven er altijd naar om ons fabricageproces te verbeteren en te optimaliseren", aldus Giessen. "Het was een logische volgende stap om AR-coatings aan onze optische systemen toe te voegen om de beeldkwaliteit van complexe lenssystemen te verbeteren."

Hoewel ALD kan worden gebruikt om AR-coatings aan te brengen, vereist het doorgaans hoge temperaturen die de materialen zouden doen smelten die worden gebruikt om complexe micro-optische systemen in 3D te printen. 3D-geprinte lenzen zijn doorgaans stabiel tot ongeveer 200 °C, dus ontwikkelden de onderzoekers een ALD-proces dat werkt bij 150 °C.

Tijdens ALD wordt het 3D-geprinte lenzensysteem blootgesteld aan een gas dat de moleculaire bouwstenen van de antireflectiecoating bevat. De gasmoleculen kunnen vrij bewegen in de holle delen van de 3D-geprinte structuur om een ​​homogene dunne laag te vormen op alle blootgestelde lensoppervlakken. Door opeenvolgende lagen toe te voegen en het voorlopergas te variëren, kunnen dikte en materiaaleigenschappen worden aangepast om reeksen van coatings met hoge en lage brekingsindex of andere AR-coatingontwerpen te vormen.

De coatings beoordelen

De onderzoekers karakteriseerden hun ALD-coatings op 3D-geprinte monsters en ontdekten dat de coatings de breedbandreflectiviteit van vlakke substraten in zichtbare golflengten tot minder dan 1% verminderden. Ze testten ook de ALD-coatingtechniek met een 3D-geprint beeldsysteem met dubbele lens dat slechts 600 micron breed was.

"Om het systeem met dubbele lenzen te printen, hebben we een Nanoscribe Quantum X-microfabricagesysteem gebruikt dat ongekende oppervlaktegladheid mogelijk maakt voor 3D-geprinte lenzen", zegt Ristok. "We hebben aangetoond dat onze ALD-coatings de reflectiviteit aanzienlijk verminderden en, omgekeerd, de transmissie verbeterden voor dit systeem met meerdere lenzen."

De onderzoekers zijn van plan om hun ALD-aanpak te gebruiken om geavanceerde coatingontwerpen met meer lagen te maken, waardoor reflectieverliezen voor specifieke golflengten nog verder kunnen worden verminderd. Ze zeggen dat zowel 3D-printen van micro-optica als ALD-afzetting van AR-coatings zeer geschikt zijn voor snelle prototyping of productie in kleine series en dat het verminderen van de verwerkingstijd beide benaderingen geschikt zou kunnen maken voor productie op grotere schaal. Ze staan ​​ook open voor samenwerking met onderzoekers die AR-coatings willen opnemen in hun 3D-geprinte optische systemen. + Verder verkennen

Onderzoekers 3D printen complexe micro-optica met verbeterde beeldprestaties