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3D印刷的微透镜在小型图像中正确颜色扭曲

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华盛顿特区,2021年5月24日——来自斯图加特大学的研究人员使用一种叫做双光子光刻的3d打印过程来制造高度精确的透镜,这种透镜只有几微米大小,可以减少色差。该微型透镜可用于小型摄像机和内窥镜,以纠正成像过程中的颜色畸变。

双光子光刻利用聚焦的激光束聚合一种液体光敏材料,即光刻胶。双光子吸收使得光刻胶可以在微米体积内聚合,从而可以在微米尺度上制造复杂的光学结构。斯图加特队一直在研究微观光学过去10年来用双光子光刻制成。
研究人员使用3D打印技术制造了高精度和复杂的复色微型透镜,可以用于纠正成像过程中的颜色失真。斯图加特大学迈克尔施密德的礼貌。
研究人员使用3D打印技术来制造高精度和复杂的产品高度消色透镜IC微型镜头可用于在成像期间纠正颜色失真。斯图加特大学迈克尔施密德的礼貌。

“我们注意到,在我们的一些图像中存在称为色差的颜色误差微光学因此,我们开始设计具有更好光学性能的3d打印透镜,以减少这些误差,”研究人员Michael Schmid说。

光线进入透镜后折射的方式取决于其波长。例如,如果不进行校正,红光就会被折射到与蓝光不同的点上,从而导致图像中出现条纹或色缝(即色差)。

研究人员设计了传统上用于校正这些色差的微型版本。它们开始使用消色差透镜,其将折射率和衍射部件结合以限制色差通过使两个波长聚焦在同一平面上来限制色差的影响。它们使用了通过NanoScribe GmbH制造的市售的二光子光刻仪器,在一步中将衍射表面添加到印刷的光滑折射镜片中。

研究人员通过将折射-衍射透镜与另一种由具有不同光学特性的不同光刻胶制成的透镜相结合,设计了一种复消色透镜。在双材料透镜上加上折射-衍射表面进一步降低了色差,从而提高了成像性能。
在新镜片的测试中,参考透镜(左)显示由于色差引起的彩色接缝。3D印刷的ACHROMAT镜片(中间)在用APOCHROMAT(右)拍摄的图像完全消除颜色失真时,这些镜头大幅度降低。斯图加特大学迈克尔施密德的礼貌。
在新镜片的测试中,参考透镜(左)显示由于色差引起的彩色接缝。3D印刷的ACHROMAT镜片(中间)在用APOCHROMAT(右)拍摄的图像完全消除颜色失真时,这些镜头大幅度降低。斯图加特大学迈克尔施密德的礼貌。

为了证明这种新的复消色差透镜可以减少色差,研究人员测量了三个波长的焦斑位置,并将其与没有颜色校正的简单折光透镜进行了比较。参考透镜未进行色差校正时,焦点间距为微米,而复色差透镜的焦点对齐范围在1 μm以内。

研究人员还使用消色差透镜获取图像。使用简单的参考镜头拍摄的图像显示出强烈的颜色接缝。虽然3d打印消色剂大大减少了这些,但只有用消色剂拍摄的图像才能完全消除色缝。

“我们的测试结果表明,3D印刷微光学的性能可以改善,并且双光子光刻可用于将折射率和衍射表面以及不同的光致抗蚀剂组合,”Schmid说。

随着技术的发展,研究人员相信制造时间将变得更快,使他们印刷复色差微透镜的方法更加实用。目前,根据尺寸的不同,制造一个微光学元件需要几个小时。随着3d打印技术的不断成熟,研究人员正在为不同的应用创造新的镜头设计。

施密德说:“在过去几年中,微光学的3D印刷已经在过去几年中提高了无论如何都提供了无用的设计自由,”施密德说。“我们的3D-Printing Complex Micro-OPTICS的优化方法为创建新的和创新的光学设计提供了许多可能有利于许多研究领域和应用程序的可能性。”

3D打印的微透镜可用于各种应用中。“3D打印复杂微光学的能力意味着它们可以直接制造在许多不同的表面上,例如数码相机中使用的CCD或CMOS芯片,”Schmid说。“微光学也可以印在光纤的末端,以产生具有优异的成像质量的非常小的医学内窥镜。”

这项工作由斯图加特大学物理研究所(第四研究所)主任哈拉尔德·吉森教授领导。这项研究发表在光学字母www.doi.org/10.1364/00.423196)是光学学会(OSA)的出版物。

photonics.com.
5月2021年
术语表
微光学
微小(直径小于2mm)透镜,光束隔离器和其他光学部件,例如,在内窥镜或显微镜中或聚焦来自半导体激光器和光纤的光。
高度消色透镜
又称作为摄影镜片。通过使用特殊眼镜,次要光谱已经减少了次要光谱的镜头,或者三种颜色被带到共同的重点。它通常由不同种类玻璃的三个组成部分组成。
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