長三角G60雷射聯盟導讀
據悉，加拿大國家研究委員會的科研人員報道了利用模糊層析成像技術3D列印高品質微光學器件研究。研究以“Micro-optics fabrication using blurred tomography”為題發表在《Optica》上。
科研人員展示了利用斷層體積增材制造（VAM）技術制造毫米級光學元件的過程。并通過列印平凸光學透鏡證明了這種方法的能力，其成像性能與市售玻璃透鏡相當。此外，由于 VAM 固有的自由形态設計特性，研究人員示範了雙面制造雙凸透鏡陣列，并首次示範了使用這種列印方式在光纖上疊印透鏡。這種 VAM 方法将為低成本、快速制作自由形态光學元件原型鋪平道路。
圖1:研究人員開發了一種新的3D列印方法，稱為模糊斷層掃描，可以快速生産具有商業級光學品質的微透鏡。他們利用這項技術列印了一個微透鏡陣列，如圖所示，微透鏡陣列由鑷子夾住。
這種新方法可以使設計和制造各種光學器件變得更容易、更快捷。
加拿大國家研究委員會的丹尼爾-韋伯（Daniel Webber）稱，他們特意在這種3D列印方法的光束中進行光學模糊，以制造精密的光學元件，這使得光學光滑表面的生産成為可能。
在研究中，他們用這種方法制造了一毫米大小的平凸光學透鏡，其成像性能與商用玻璃透鏡相似。他們還表明，這種方法可以在短短 30 分鐘内制造出可随時使用的光學元件。
斷層體積增材制造是一種相對較新的制造方法，它使用投射光在特定區域固化光敏樹脂。它可以在沒有任何支撐結構的情況下一次性列印出整個零件。
圖2：正在列印的微透鏡陣列畫面。
光學元件的制造成本很高，因為正常的透鏡需要嚴格的技術規範，而且制造過程複雜而耗時。模糊斷層掃描技術可以低成本的方式制作自由形狀設計。随着技術的成熟，它可以更快地制作新的光學裝置的原型。
制造微型透鏡
為了測試這種新方法，研究人員首先制造了一個簡單的平凸透鏡，并證明它具有與相同實體尺寸的商用玻璃透鏡相當的成像分辨率。它還表現出微米級的形狀誤差，亞納米級的表面粗糙度和接近玻璃透鏡的點擴散函數。
圖3:新技術使用定制的投影透鏡來模糊用于固化光敏樹脂的雷射束。這産生了一個光學光滑的表面，進而可以列印出商業品質的鏡片，如左下角圖所示。
他們還利用模糊斷層技術制作了一個3x3的微透鏡陣列，并将其與利用傳統斷層3D 列印技術列印的陣列進行了比較。研究發現，由于表面粗糙度較大，用傳統方法列印的陣列無法對名片成像，但用模糊斷層成像技術列印的陣列卻可以。此外，研究人員還示範了将球透鏡疊印到光纖上，這在以前隻能通過雙光子聚合的增材制造技術來實作。
圖4: 用模糊斷層掃描建立光滑表面。
圖5:玻璃透鏡和3D列印透鏡的圖像性能比較。
圖6：利用模糊斷層成像技術列印微透鏡陣列。
圖7：在光纖上疊印球透鏡。
目前，他們正緻力于通過優化光圖案化方法和将材料參數納入列印過程來提高元件精度。他們還希望實作列印時間的自動化，使該系統足夠強大，可用于商業用途。
韋伯稱，斷層3D列印是一個迅速成熟的領域，正在許多應用領域得到應用。本研究就為光學制造技術增加了一種快速、低成本的替代方法，有可能對未來技術産生影響。
論文連結：
Daniel Webber et al, Micro-optics fabrication using blurred tomography, Optica (2024). DOI: 10.1364/OPTICA.519278
https://doi.org/10.1364/OPTICA.519278
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