长三角G60激光联盟导读
据悉，加拿大国家研究委员会的科研人员报道了利用模糊层析成像技术3D打印高质量微光学器件研究。研究以“Micro-optics fabrication using blurred tomography”为题发表在《Optica》上。
科研人员展示了利用断层体积增材制造（VAM）技术制造毫米级光学元件的过程。并通过打印平凸光学透镜证明了这种方法的能力，其成像性能与市售玻璃透镜相当。此外，由于 VAM 固有的自由形态设计特性，研究人员演示了双面制造双凸透镜阵列，并首次演示了使用这种打印方式在光纤上叠印透镜。这种 VAM 方法将为低成本、快速制作自由形态光学元件原型铺平道路。
图1:研究人员开发了一种新的3D打印方法，称为模糊断层扫描，可以快速生产具有商业级光学质量的微透镜。他们利用这项技术打印了一个微透镜阵列，如图所示，微透镜阵列由镊子夹住。
这种新方法可以使设计和制造各种光学器件变得更容易、更快捷。
加拿大国家研究委员会的丹尼尔-韦伯（Daniel Webber）称，他们特意在这种3D打印方法的光束中进行光学模糊，以制造精密的光学元件，这使得光学光滑表面的生产成为可能。
在研究中，他们用这种方法制造了一毫米大小的平凸光学透镜，其成像性能与商用玻璃透镜相似。他们还表明，这种方法可以在短短 30 分钟内制造出可随时使用的光学元件。
断层体积增材制造是一种相对较新的制造方法，它使用投射光在特定区域固化光敏树脂。它可以在没有任何支撑结构的情况下一次性打印出整个零件。
图2：正在打印的微透镜阵列画面。
光学元件的制造成本很高，因为正常的透镜需要严格的技术规范，而且制造过程复杂而耗时。模糊断层扫描技术可以低成本的方式制作自由形状设计。随着技术的成熟，它可以更快地制作新的光学设备的原型。
制造微型透镜
为了测试这种新方法，研究人员首先制造了一个简单的平凸透镜，并证明它具有与相同物理尺寸的商用玻璃透镜相当的成像分辨率。它还表现出微米级的形状误差，亚纳米级的表面粗糙度和接近玻璃透镜的点扩散函数。
图3:新技术使用定制的投影透镜来模糊用于固化光敏树脂的激光束。这产生了一个光学光滑的表面，从而可以打印出商业质量的镜片，如左下角图所示。
他们还利用模糊断层技术制作了一个3x3的微透镜阵列，并将其与利用传统断层3D 打印技术打印的阵列进行了比较。研究发现，由于表面粗糙度较大，用传统方法打印的阵列无法对名片成像，但用模糊断层成像技术打印的阵列却可以。此外，研究人员还演示了将球透镜叠印到光纤上，这在以前只能通过双光子聚合的增材制造技术来实现。
图4: 用模糊断层扫描创建光滑表面。
图5:玻璃透镜和3D打印透镜的图像性能比较。
图6：利用模糊断层成像技术打印微透镜阵列。
图7：在光纤上叠印球透镜。
目前，他们正致力于通过优化光图案化方法和将材料参数纳入打印过程来提高组件精度。他们还希望实现打印时间的自动化，使该系统足够强大，可用于商业用途。
韦伯称，断层3D打印是一个迅速成熟的领域，正在许多应用领域得到应用。本研究就为光学制造技术增加了一种快速、低成本的替代方法，有可能对未来技术产生影响。
论文链接：
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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