研究人员利用3D打印技术改进复杂微光学成像性能

在新的一项研究中，研究人员证明3D打印可用于制造尺寸仅为几微米的高精度复杂微型镜头。微透镜可用于校正成像过程中的色彩失真，从而使各种小型轻巧相机的应用成为可能。

德国斯图加特大学研究团队成员迈克尔·施密德（Michael Schmid）表示，能够对复杂的微光学器件进行3D打印的功能意味着它们可以直接制造在许多不同的表面上，例如数码相机中使用的CCD或CMOS芯片。微光学器件也可以打印在光纤的末端，以制造出具有卓越成像质量的超小型医用内窥镜。

在光学协会（OSA）的《光学快报》上，由哈拉德·吉森（Harald Giessen）领导的研究人员详细介绍了他们如何使用一种称为双光子光刻的3D打印技术来制造结合了折射和衍射表面的透镜。他们还表明，组合使用不同的材料可以改善这些镜片的光学性能。

在测试新镜头时，参考镜头（左）由于色差而显示出色缝。3D打印消色差透镜（中）大大减少了这些现象，而用复消色差透镜（右）拍摄的图像则完全消除了色彩失真。

施密德说，微光学的3D打印在过去几年中得到了极大的改善，并提供了其他方法无法提供的设计自由度。我们用于3D打印复杂微光学的优化方法为创建新颖和创新的光学设计打开了许多可能性，这些设计可以使许多研究领域和应用受益。

突破3D打印的极限

双光子光刻使用聚焦的激光束固化或聚合称为光致抗蚀剂的液体光敏材料。称为双光子吸收的光学现象使立方微米体积的光致抗蚀剂发生聚合，从而能够以微米级制造复杂的光学结构。

在过去的10年中，研究团队一直在研究和优化使用双光子光刻技术制成的微光学器件。施密德说，我们注意到，用我们的微光学系统产生的某些图像中存在色差，因此我们着手设计具有改善光学性能的3D打印镜头，以减少这些误差。

研究人员使用3D打印技术制造了高度精确、复杂的复消色差微型透镜，可用于校正成像过程中的色彩失真。

之所以会出现色差，是因为光进入透镜时弯曲或折射的方式取决于光的颜色或波长。这意味着，如果不进行校正，则红光将聚焦到与蓝光不同的位置，例如，导致图像中出现条纹或色缝。

研究人员设计了传统上用于校正色差的微型镜头。他们从消色差透镜开始，消色差透镜结合了折射和衍射成分，通过将两个波长聚焦在同一平面上来限制色差的影响。研究人员使用由NanoScribe GmbH制造的市售两光子光刻设备在一步之内将衍射表面添加到了印刷的光滑折射透镜上。

然后，他们又进一步设计了复消色差透镜，方法是将折射衍射透镜与另一种由具有不同光学特性的不同光刻胶制成的透镜组合在一起。使具有折射衍射表面的二材料透镜顶部更进一步降低色差，从而提高成像性能。该设计由斯图加特技术光学研究所的Simon Thiele负责，该公司最近成立了PrintOptics公司，该公司为客户提供从设计到原型制作到一系列微光学系统的整个价值链。

测试微光学

为了证明新的复消色差透镜可以减少色差，研究人员测量了三个波长的焦点位置，并将它们与没有色彩校正的简单折射透镜进行了比较。尽管没有色彩校正的参考镜片显示的焦斑相隔了许多微米，但复消色差镜片的焦斑却对准了1微米以内。

研究人员还使用这些镜头来获取图像。使用简单的参考镜拍摄的图像显示出强烈的色缝。尽管3D打印的消色差透镜大大减少了这些色差，但只有用消色差透镜拍摄的图像才能完全消除色缝。

施密德说，我们的测试结果表明，可以改善3D打印微光学器件的性能，并且可以使用双光子光刻技术来组合折射和衍射表面以及不同的光刻胶。

研究人员指出，将来制造时间将变得更快，这使得这种方法更加实用。根据尺寸的不同，创建一个微光学元件目前可能要花费几个小时。随着技术的不断成熟，研究人员正在努力为不同的应用创建新的镜头设计。

相关链接：https://phys.org/news/2021-05-3d-complex-micro-optics-imaging.html