研究人员利用改进成像性能的打印透镜3D打印出复杂的显微光学系统

在新镜片的测试中，参考镜片(左图)由于色差显示出颜色接缝。3D打印的消色差镜头(中间)大大减少了这些，而用消色差镜头(右边)拍摄的图像完全消除了颜色失真。资料来源:斯图加特大学迈克尔·施密德

在一项新的研究中，研究人员显示，3D打印可以用于制造只有几微米大小的高度精确和复杂的微型镜头。微透镜可用于纠正成像期间的颜色失真，使小型和轻型相机可以设计为各种应用。

德国斯图加特大学的研究小组成员迈克尔·施密德说:“3D打印复杂的光学器件意味着它们可以直接被制作到许多不同的表面上，比如用于数码相机的CCD或CMOS芯片。“这种显微光学装置还可以打印在光纤的末端，以制造成像质量优良的非常小的医用内窥镜。”

在光学学会(OSA)杂志《光学快报》上，由哈拉尔德·吉森领导的研究人员详细介绍了他们如何使用一种被称为双光子光刻的3D打印技术来制造结合折射和衍射表面的透镜。他们还表明，结合不同的材料可以改善这些透镜的光学性能。

Schmid说:“微纳光学的3D打印技术在过去几年里有了巨大的进步，提供了其他方法无法提供的设计自由。”“我们对3D打印复杂显微光学的优化方法为创造新的创新光学设计打开了许多可能性，这可以造福于许多研究领域和应用。”

推动3D打印的极限

双光子光刻技术利用聚焦的激光束来固化或聚合一种被称为光刻胶的液体光敏材料。被称为双光子吸收的光学现象允许立方微米体积的光刻胶被聚合，这使得在微米尺度上制造复杂的光学结构成为可能。

在过去的10年里，该研究小组一直在研究和优化双光子光刻的显微光学。施密德说:“我们注意到，在我们的微纳光学制造的一些图像中存在颜色误差，即色差，所以我们开始设计具有改进光学性能的3D打印透镜，以减少这些误差。” 

研究人员使用3D打印技术制造了高精度和复杂的复色微型透镜，可以用于纠正成像过程中的颜色失真。资料来源:斯图加特大学迈克尔·施密德

色差的产生是因为当光线进入透镜时，光线弯曲或折射的程度取决于光线的颜色或波长。这意味着，如果不进行校正，红光会聚焦到与蓝光不同的点上，例如，导致图像出现条纹或色缝。

研究人员设计了传统上用于校正色差的微型透镜。他们首先使用一种消色差透镜，它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。研究人员使用了NanoScribe GmbH公司生产的商用双光子光刻仪，在打印的光滑折射透镜上一步添加了衍射表面。

然后，他们又进一步设计了一种复消色透镜，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相结合。采用折衍表面的双材料透镜更能降低色差，从而提高成像性能。该设计是由来自斯图加特技术光学研究所的西蒙·蒂勒完成的，他最近成立了PrintOptics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斑位置，并将它们与没有颜色校正的简单折光透镜进行比较。而没有色差校正的参考透镜显示焦点被许多微米分开，消色差透镜显示焦点在1微米内对齐。

研究人员还使用镜头获取图像。使用简单的参考镜头拍摄的图像显示出强烈的颜色接缝。虽然3D打印消色差大大减少了这些，但只有用消色差拍摄的图像才能完全消除色缝。

Schmid说:“我们的测试结果表明，3D打印微光学的性能可以得到改善，双光子光刻可以用于组合折射和衍射表面以及不同的光阻。”