德國科學家3D打印微型透鏡系統(tǒng)
提到光學透鏡你可能會在日常生活中舉出不少例子，如手機的攝像頭、單反相機的鏡頭還有學校實驗室中的顯微鏡。在這些光學透鏡中，即使是體積較小的手機攝像頭也是用肉眼可以輕松看到的。很顯然，這些光學透鏡只能安裝在體積更大的設備中使用，而無法安裝在微型的儀器中使用。如此說來人們?nèi)绻枰圃煲粋�像鹽粒一樣大小的監(jiān)控鏡頭是不是無法實現(xiàn)了呢？
德國斯圖加特大學的科學家在微型光學透鏡的制造領域取得了進展，該成果已發(fā)表在 Nature Photonics雜志上。他們使用納米級的3D打印技術制造的微型透鏡僅相當于人類頭發(fā)直徑的2倍。有了這樣的微型透鏡，像鹽粒一樣大小的微型鏡頭、微型醫(yī)學成像系統(tǒng)、帶成像系統(tǒng)的微型無人機等設備的出現(xiàn)將成為可能。本期，將與網(wǎng)友一起了解一下這項科研成果。
突破限制,走入微觀世界
目前的透鏡系統(tǒng)受到了尺寸、形狀和制造技術的限制。具有非球面形狀的多透鏡元件要求具有高光學性能，并能夠糾正圖像在廣角和大市場時形成的偏差。德國斯圖加特大學的科學家，提出了一個光學透鏡制造的新概念，克服了上述困難，并打開了納米級3D打印技術在微觀納米復雜透鏡設計領域中的全新應用。
在研究過程中，科學家進行了將多層透鏡直接打印到針形設備上的完整過程，包括透鏡的設計、使用雙光子激光直寫技術進行制造，以及進行100μm大小的多層透鏡應用測試、通過多次調(diào)整傳遞函數(shù)和偏差的定量測量驗證其性能和功能。
圖 1：插入到針形設備的中空針內(nèi)的光纖物鏡（由三層透鏡組成的透鏡組）的彩色掃描電鏡圖像。
圖片來源：Nature.com
圖片中藍色的復合物鏡是被直接打印到紅色的光纖中的，由成像應用的五個折射表面組成。
圖2： 單層、雙層、三層打印透鏡系統(tǒng)的對比。
圖片來源：Nature.com
每個打印對象高度約為115μm， 通過3D 飛秒激光直寫技術直接打印在170-μm 厚的玻璃基板上。
圖3：使用美國空軍1951分辨率測試圖對性能進行測量
圖片來源：Nature.com
圖4：縱向（軸向）色差的測量。
圖片來源：Nature.com
圖5：直接制造在CMOS 圖像傳感器上的雙透鏡系統(tǒng)的規(guī)則排列
圖片來源：Nature.com
圖6：直接制造在成像纖維的三層透鏡系統(tǒng)。
圖片來源：Nature.com
斯圖加特大學科學家的研究為微型內(nèi)窺鏡、細胞生物纖維成像系統(tǒng)、新一代成像系統(tǒng)、光纖光鑷系統(tǒng)、集成量子發(fā)射器和探測器、帶自主視覺的微型無人機等微型光學儀器的制造鋪平了道路。目前，這項科研成果的相關論文已發(fā)表在 Nature Photonics 雜志中，題目為：Two-photon direct laser writing of ultracompact multi-lens objectives。
斯圖加特大學科學家在研究中使用的雙光子激光直寫技術是一種納米級的3D打印技術。據(jù)3D科學谷了解，NanoScribe 公司的Photonic Professional GT 3D打印機正是使用了該技術。這種基于選擇性固化液體物質(zhì)的3D打印技術是雙光子聚合技術，通過實用“飛秒脈沖激光”選擇性逐層固化感光性樹脂，打印機分辨率達到0.0001毫米。該技術的應用范圍包括，光子學、微流道、生命科學 、納米與微米工藝，以及斯圖加特大學科學家在研究中所涉及的微光學器件制造領域。
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