3D列印為製造成像質量光學器件提供了潛力

今天，許多用戶和更大的工業企業正轉向3D列印，而不是傳統的技術，這是由於3D列印適用於包括光學器件在內的廣泛應用的巨大好處。在論文《成像高質量的3D列印厘米級透鏡》中，作者Bisrat G. Assefa，Markku Pekkarinen，Henri Paranen，Joris Biskop，Jari Turunen和Jyrki Saarinen等人探索了使用3D生產原型和少量聚合物光學元件的更有效工藝。

與3D設計和3D列印幾乎在各個層面上為用戶提供的產品相一致，聚合物光學系統要求製造具備生產緊湊、低成本且輕量化零件的能力。注塑成型是一種常見的生產方法，但這技術有著很大的限制性且耗時巨大。為此，研究人員使用Luxexcel-Printoptical技術--這是一種快速噴墨3D列印技術，可以創建與非成像相關的宏觀光學。他們研究主旨是通過具有厘米級直徑的3D列印生產的成像透鏡，並使之能夠像傳統的商用玻璃鏡頭一樣工作。

研究人員在3D列印過程中使用了三個列印頭，並解釋了每一個列印頭未對準使解析度增加三倍，在基板上沉積17μm直徑的液體聚合物液滴。紫外光用於固化每層，不需要後處理。

「技術改進一方面來自於通過更好地理解和控制複雜的流體化學而獲得的工藝改進。另一方面，我們引入了一種迭代製造技術，通過測試3D列印元件與具有相當類似光學功能的參考元件來校正表面形狀誤差。」研究人員同時還提供並進一步評估了關於輸出亞波長精度下的波前誤差的數據，並在波前誤差可接受之前進行了改進。

3D列印透鏡的表面粗糙度。（a）小面積（60μm×50μm）表面的2D圖。（b）納米級中心的橫截面表面輪廓。

他們將迭代過程的成功歸因於速度：4.1μm厚的聚合物層（面積為6×7cm2）的寫入時間僅為4秒；製造業的加速階段需要不到半個工作日；每小時可列印8個鏡片。

錯誤校正之後的分層圖像像素的示例。白色像素未列印以補償形狀誤差。補償區域的直徑約為12毫米。

在評估和比較3D列印鏡片與其商業製造的對應鏡片時，他們發現，儘管商用鏡片確實提供了「稍微優越的性能」，但這可以通過進一步改進工藝來解決。他們還解釋說，目前鏡片的3D列印受到限制，因為只有一種聚合物材料可用，即LUX-Opticlear，而且它並不適合製造消色差透鏡系統。

「然而，通過3D列印與硅成型和真空鑄造技術的結合，可以製造這樣的系統。」研究人員總結道，「在這種方法中可以使用Abbe數在30-60之間的聚合物。

「另一種選擇是使用混合折射-衍射光學系統。然而，由於列印光學工藝中的單層厚度較大（4.1μm），目前無法進行傳統模2π衍射表面的3D列印。因此，衍射表面的模具必須採用更昂貴的技術製造，例如金剛石車削或光刻。」

（a）具有25mm通光孔徑的3D列印鏡頭（F＃= 8.4）。（b）迭代前的表面輪廓誤差。（c）五次迭代後的表面偏差。

除了涉及被認為是日常生活需要的能量的其他元素之外，人類花費過多的時間來控制光和各種周圍機制。我們使用技術，從最基本到複雜地利用光線，通過3D列印，用戶、設計師、工程師和研究人員已經能夠創建光學微結構，嵌入幾何，甚至彎曲光。

美國空軍1951-1X MTF解析度的圖像具有（a）3D列印鏡頭和（b）使用12mm孔徑的商用參考鏡頭的綠色帶通濾光片。放大的圖像第6組和第7組的解析度與（c）3D列印和（d）商業鏡頭為目標。（e）和（g）中第7組的放大圖像和（f）中的橫截面強度分布圖。

來源：3D列印商情

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