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光学物理学

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微小的3D打印镜头可以穿过注射器针头

01 Jul 2016
穿线针:光纤尖端上的小透镜

德国斯图加特大学的研究人员已经开发出一种新的方法,可将3D打印的微型,高质量复合透镜直接打印到图像传感器或光纤上。该技术可用于制造各种应用的微型镜头,包括用于医学成像的内窥镜和用于微型无人机的相机。

现有的制造亚毫米级镜片的方法包括注塑或金刚石研磨。但是,这两种技术在其能够制造的镜片的尺寸和形状上都受到限制。传统技术也不能组合多个透镜元件。这些限制共同导致很难创建具有非球面透镜形状的多镜头系统,这是高性能应用程序所必需的。

激光书写

现在, 蒂莫·吉西布尔(Timo Gissibl)和同事 已经设计出一种新的透镜制造技术,称为双光子直接激光写入。它使用脉冲红色飞秒激光– with 780 nm波长和短于100的脉冲 fs –聚焦到浸没在液体光刻胶中的表面上。在焦点处同时吸收两个激光光子会暴露光致抗蚀剂,从而导致聚合物交联并固化,从而在表面上形成透明元素。

通过扫描激光,多镜头光学系统–由支撑壳中的单个透镜组成–可以根据先前设计的计算机模型快速生产任何形状,配置和尺寸的产品。曝光过程完成后,可以用溶剂将未曝光的光刻胶洗掉,而将光学元件留在后面。

这是光学技术的巨大飞跃,它允许以比以前小一个数量级的尺寸进行精确可靠的制造。
Timo Gissibl,斯图加特大学

“对于光学器件而言,这是一个巨大的飞跃,它允许以比以前小一个数量级的尺寸进行精确可靠的制造,”Gissibl说,他解释说虽然微透镜系统只有125个 μm wide –仅仅比头发的宽度大– and 200 μ长期以来,它们的光学性能类似于传统的显微镜物镜或复合摄影镜头。

研究人员创建了各种演示镜头,展示了该技术的一些潜在应用。在一个示例中,该团队制造了一系列具有四个折射接口的透镜系统,将它们直接打印到数码相机中使用的5百万像素CMOS图像传感器上。

该技术还可以用于制造非常薄的内窥镜,适合插入最小的身体开口,甚至是机械内部。该团队为此创建了一个原型光学系统,该系统涉及将三个透镜印刷到一根光纤的末端,该透镜是如此之细以至于可以穿过典型的注射器针头。研究人员能够证明物体3 可以在光纤的另一端观察到距透镜1 mm的距离,即1.7 m long.

蜜蜂大小的机器人

其他可能的应用包括用于手机的环绕摄像机,用于自动驾驶汽车和机器人的紧凑型图像传感器,甚至是用于蜜蜂大小的机器人无人机的微型摄像机。

“我们相信,光学3D打印将开启光学制造的全新时代,”Gissibl说,他强调了光学印刷过程的快速性,可以在不到一天的时间内将其从绘图板转换为计算机模型,最后转换为成品的印刷透镜。“就像几年前在机械工程领域进行计算机辅助设计和计算机集成制造一样,我们将发挥潜力,” he adds.

“超快激光3D光刻技术再次证明自己是实现智能梦想的独特工具,” says Mangirdas Malinauskas,来自立陶宛维尔纽斯大学的物理学家,未参与此项研究。他赞扬扩大应用规模以生产出优质镜片的工作,他补充说:“现在[研究]显然将引起科学团体和工业制造商的关注。”

该技术在 自然光子学.

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