四小時出爐，3-D列印應用於毫米尺寸鏡片

最新 04-17

光哥按：

採用這種方法可以快速製造出表面光滑度小於7nm的光學器件。使得鏡頭的製造成本大大降低，這要是應用於手機鏡頭上那應該很有「錢」境呀！

歷史上，透鏡製造涉及長時間，昂貴的拋光和研磨工藝。但是美國西北大學工程師們採用的一種新方法有可能在短時間內以幾分之一的成本創造出光學成像鏡頭（Adv.Mater。，doi：10.1002 / adma.201705683）。

研究人員使用這種方法3D列印了一個定製的非球面5毫米厚，3毫米寬的鏡頭。儘管該團隊不是第一個3D列印高質量鏡頭的人，但他們的用時卻是最短的（4四個小時）。

3D列印基於計算機輔助設計模型逐層構建物體。然而，在光學的實際應用中該技術通常無法同時滿足速度與精度的要求而採取折衷方案。

因為鏡面的光潔度和精度通常需要從接近表面開始，這就需要降低近鏡面層的的單個體積元素或體素的尺寸。這大大減緩了建立表面的過程。例如，將體素尺寸縮小10倍會使製造時間增加一千倍。因此，根據研究小組的說法，建立一個毫米級以下體素的鏡頭就需要花費數周的製造時間。

為了解決這個矛盾，西北團隊從先前開發的高度平行的3D列印過程開始，即投影微型光刻技術（PμSL）。PμSL是通過一次曝光而不是逐點光聚合模型中的每個二維層來加快製造過程。但它會導致相對粗糙的像素化表面。

為了使事情順利進行，研究團隊採用了兩種附加方法：灰階光聚合和半月板平衡後固化。「首先，我們使用灰度圖像在步驟之間創建更多的轉換，」該團隊的組長Sun Cheng副教授表示，「然後，我們用相同的光固化樹脂塗覆表面從而形成進一步平滑表面的彎月面。「

戰略性地結合灰度光聚合和彎月平衡後固化方法，使得該團隊能夠製造具有深亞波長表面平滑度（小於7nm）並獲得亞體素精度（小於5μm）的透鏡。整合這兩個過程使得研究人員能夠在不犧牲速度的情況下完全消除PμSL技術中的像素化表面粗糙度。

該團隊首次嘗試印刷光學元件，但如果沒有兩步工藝，製得的光學元的表面就會很粗糙而無法獲得清晰的光學圖片。實施兩步工藝後，研究人員最終獲得了光滑透明的鏡片。最終的原型顯示每毫米373.2線對的最大成像解析度，具有低場失真（在2毫米視野範圍內小於0.13％）。研究人員稱，這是在每小時24.54立方毫米的製造速度下完成的，而不會影響製造精度。

為了展示鏡頭的潛力，該團隊將印刷的原型鏡頭連接到手機攝像頭以確認其光學質量。研究人員透過鏡頭拍攝照片，表示他們不僅具有鏡頭支持高解析度呈像的能力，還在很寬的可見光譜範圍內的具有低失真度。

未來，該團隊希望通過優化UV固化樹脂和塗層材料來改進3D印刷鏡片，從而形成更耐用的防刮擦產品。雖然原理驗證鏡頭專註於光學鏡頭上表面，但研究小組認為可以通過編程重力的影響將該過程擴展到下表面。

據研究人員介紹，這種新方法可能導致許多新型器件的快速成型「，對自由曲面光學和生物醫學成像產生巨大影響。」

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