ساخت قطعات میکرو اپتیکی با چاپ سه بعدی

لنزهای کوچک می توانند اعوجاج رنگ را برای دوربین های دیجیتال و آندوسکوپ های پزشکی اصلاح کنند.

در یک مطالعه جدید ، محققان نشان داده اند که می توان از چاپ سه بعدی برای ساخت لنزهای مینیاتوری بسیار دقیق و پیچیده با اندازه های فقط چند میکرون استفاده کرد. همچنین از میکرولنز ها می توان برای اصلاح اعوجاج رنگ در هنگام تصویربرداری ، با استفاده از دوربین های کوچک و سبک که در کاربردهای مختلف طراحی می شوند ، استفاده کرد.

مایکل اشمید ، عضو تیم تحقیقاتی از دانشگاه اشتوتگارت در آلمان ، گفت: “توانایی چاپ سه بعدی میکرو اپتیک پیچیده به این معنی است که می توان آنها را مستقیماً بر روی سطوح مختلف مانند تراشه های CCD یا CMOS مورد استفاده در دوربین های دیجیتال ساخت.” . “میکرو اپتیک ها همچنین می توانند در انتهای فیبرهای نوری چاپ شوند تا آندوسکوپ های پزشکی بسیار کوچک تصاویر با کیفیت عالی ایجاد کنند.”

در مجله Optica Society (OSA) Optics Letters ، محققان به سرپرستی هارالد گیسن به جزئیات نحوه استفاده از نوعی چاپ سه بعدی معروف به لیتوگرافی دو فوتونی برای ایجاد لنزهایی پرداختند که سطوح شکست و پراش را با هم ترکیب می کنند. آنها همچنین نشان می دهند که ترکیب مواد مختلف می تواند عملکرد نوری این لنزها را بهبود بخشد.

اشمید گفت: “چاپ سه بعدی میکرو اپتیک طی چند سال گذشته به شدت بهبود یافته و نوعی آزادی در طراحی را ارائه می دهد که در سایر روش ها در دسترس نیست.” “روش بهینه شده ما برای میکرو اپتیک پیچیده چاپ سه بعدی ، امکانات زیادی را برای ایجاد طرح های نوری جدید و ابتکاری ایجاد می کند که می تواند از بسیاری از زمینه ها و برنامه های تحقیقاتی بهره مند شود.”

لیتوگرافی دو فوتونی از یک پرتوی لیزر متمرکز برای جامد سازی ، یا پلیمریزه کردن ماده حساس به نور مایع، معروف به مقاوم در برابر نور استفاده می کند. پدیده نوری شناخته شده به عنوان جذب دو فوتونی اجازه می دهد تا مقاومت حجم میکرومتر مکعب در برابر نور ، که می تواند ساختارهای نوری پیچیده ای را در مقیاس میکرون ساخته شود ، پلیمریزه شود.

تیم تحقیقاتی طی 10 سال گذشته میکرو اپتیک ساخته شده با لیتوگرافی دو فوتونی را بررسی و بهینه سازی کرده است. اشمید گفت: “ما متوجه شدیم که خطاهای رنگی معروف به انحراف رنگی در برخی از تصاویر ایجاد شده با میکرو اپتیک ما وجود دارد ، بنابراین ما قصد داشتیم لنزهای چاپ سه بعدی را با عملکرد نوری بهبود یافته طراحی کنیم تا این خطاها را کاهش دهیم.”

انحرافات رنگی به این دلیل اتفاق می افتد که نحوه خم شدن یا شکستن نور هنگام ورود به لنز به رنگ یا طول موج نور بستگی دارد. این بدان معنی است که بدون اصلاح، نور قرمز به نقطه ای متفاوت از نور آبی متمرکز می شود، به عنوان مثال باعث می شود حاشیه یا درزهای رنگی در تصاویر ظاهر شود.

محققان نسخه های مینیاتوری لنزهایی را که به طور سنتی برای تصحیح انحرافات رنگی استفاده می شود، طراحی کردند. آنها با یک عدسی آکروماتیک شروع به کار کردند، که ترکیبی از یک جز شکست و پراش است تا اثرات انحراف رنگی را با تمرکز دو طول موج در همان صفحه کاهش دهد. محققان از ابزار لیتوگرافی دو فوتونی موجود در بازار ساخته شده توسط NanoScribe GmbH برای افزودن سطح پراش به لنز شکست صاف چاپ شده در یک مرحله استفاده کردند.

سپس آنها با طراحی یک لنز آپوکروماتیک با ترکیب لنز شکست-پراش با یک لنز دیگر ساخته شده از یک مقاومت در برابر نور متفاوت با خواص نوری متفاوت، این کار را یک قدم جلوتر بردند. بالا بردن لنز دو ماده با سطح شکست-پراش، انحرافات رنگی را حتی بیشتر کاهش می دهد، بنابراین عملکرد تصویربرداری را بهبود می بخشد. این طراحی توسط سیمون تیله از انستیتوی اپتیک فنی در اشتوتگارت انجام شد که اخیراً شرکت PrintOptics را تاسیس کرده است که به مشتریان امکان دسترسی به کل زنجیره از طراحی نمونه اولیه تا مجموعه ای از سیستم های میکرو نوری را می دهد.

آزمایش میکرو اپتیک

محققان برای نشان دادن این که لنز جدید آپوکروماتیک می تواند انحراف رنگی را کاهش دهد، محل لکه کانونی را برای سه طول موج اندازه گیری کردند و آنها را با یک لنز انکساری ساده و بدون اصلاح رنگ مقایسه کردند. در حالی که لنز مرجع بدون اصلاح رنگی نقاط کانونی جدا شده توسط بسیاری از میکرون ها را نشان می دهد، لنزهای آپوکروماتیک نقاط کانونی را نشان می دهند که در عرض 1 میکرون قرار دارند.

محققان همچنین از لنزها برای بدست آوردن تصاویر استفاده کردند. تصاویر گرفته شده با استفاده از لنز مرجع ساده درزهای رنگی شدیدی را نشان می دهد. اگرچه آکرومات چاپ سه بعدی به شدت این موارد را کاهش می دهد ، اما تنها تصاویر گرفته شده با آپوکرومات درزهای رنگ را به طور کامل از بین می برد.

اشمید گفت: “نتایج آزمایش ما نشان داد كه میكرو اپتیك چاپ شده سه بعدی می تواند بهبود یابد و از لیتوگرافی دو فوتونی می توان برای تركیب سطوح انکساری و پراش و همچنین مقاومت در برابر عکس متفاوت استفاده كرد.”

محققان اظهار داشتند که زمان ساخت در آینده سریعتر خواهد شد، که این روش را عملی تر می کند. در حال حاضر بسته به اندازه، ایجاد یک عنصر میکرو نوری ممکن است چندین ساعت طول بکشد. با کامل شدن این فناوری، محققان در حال تلاش برای ایجاد طرح های جدید لنز برای کاربردهای مختلف هستند.

منابع:

     انجمن بینایی-      13 مه 2021

Materials provided by The Optical Society. Note: Content may be edited for style and length.

Michael Schmid, Florian Sterl, Simon Thiele, Alois Herkommer, Harald Giessen. 3D printed hybrid refractive/diffractive achromat and apochromat for the visible wavelength range. Optics Letters, 2021; 46 (10): 2485 DOI: 10.1364/OL.423196