In un nuovo studio, i ricercatori hanno dimostrato che la stampa 3D può essere utilizzata per realizzare obiettivi in ​​miniatura altamente precisi e complessi con dimensioni di pochi micron. Le microlenti possono essere utilizzate per correggere la distorsione del colore durante l'imaging, consentendo telecamere piccole e leggere che possono essere progettate per una varietà di applicazioni.

"La capacità di stampare in 3D micro-ottiche complesse significa che possono essere fabbricate direttamente su molte superfici diverse come i chip CCD o CMOS utilizzati nelle fotocamere digitali, " ha detto Michael Schmid, un membro del gruppo di ricerca dell'Università di Stoccarda in Germania. "Le micro-ottiche possono anche essere stampate sull'estremità delle fibre ottiche per creare endoscopi medici molto piccoli con un'eccellente qualità di imaging".

Nella rivista The Optical Society (OSA) Lettere di ottica , i ricercatori guidati da Harald Giessen spiegano in dettaglio come hanno utilizzato un tipo di stampa 3D noto come litografia a due fotoni per creare lenti che combinano superfici rifrattive e diffrattive. Mostrano anche che la combinazione di materiali diversi può migliorare le prestazioni ottiche di questi obiettivi.

"La stampa 3D di micro-ottica è migliorata drasticamente negli ultimi anni e offre una libertà di progettazione non disponibile con altri metodi, " ha affermato Schmid. "Il nostro approccio ottimizzato per la stampa 3D di micro-ottiche complesse apre molte possibilità per la creazione di progetti ottici nuovi e innovativi che possono avvantaggiare molti campi di ricerca e applicazioni".

Superare i limiti della stampa 3D

La litografia a due fotoni utilizza un raggio laser focalizzato per solidificare, o polimerizzare, un materiale liquido sensibile alla luce noto come fotoresist. Il fenomeno ottico noto come assorbimento a due fotoni consente di polimerizzare volumi di micrometri cubici del fotoresist, che consente la fabbricazione di strutture ottiche complesse su scala micron.

Il team di ricerca ha studiato e ottimizzato la microottica realizzata con la litografia a due fotoni negli ultimi 10 anni. "Abbiamo notato che in alcune delle immagini create con le nostre micro ottiche erano presenti errori di colore noti come aberrazioni cromatiche, quindi abbiamo deciso di progettare obiettivi stampati in 3D con prestazioni ottiche migliorate per ridurre questi errori, " disse Schmid.

Le aberrazioni cromatiche si verificano perché il modo in cui la luce si piega, o rifrange, quando entra in una lente dipende dal colore, o lunghezza d'onda, della luce. Ciò significa che senza correzione, la luce rossa si concentrerà su un punto diverso dalla luce blu, Per esempio, causando la comparsa di frange o cuciture colorate nelle immagini.

I ricercatori hanno progettato versioni in miniatura di lenti tradizionalmente utilizzate per correggere le aberrazioni cromatiche. Hanno iniziato con una lente acromatica, che combina una componente rifrangente e diffrattiva per limitare gli effetti dell'aberrazione cromatica mettendo a fuoco due lunghezze d'onda sullo stesso piano. I ricercatori hanno utilizzato uno strumento per litografia a due fotoni disponibile in commercio realizzato da NanoScribe GmbH per aggiungere una superficie diffrattiva a una lente rifrangente liscia stampata in un unico passaggio.

Hanno poi fatto un ulteriore passo avanti progettando una lente apocromatica combinando la lente rifrattiva-diffrattiva con un'altra lente realizzata con un fotoresist diverso con proprietà ottiche diverse. Il completamento della lente bimateriale con la superficie rifrangente-diffrattiva riduce ulteriormente le aberrazioni cromatiche, migliorando così le prestazioni di imaging. Il progetto è stato eseguito da Simon Thiele dell'Istituto di ottica tecnica di Stoccarda, che ha recentemente creato la società PrintOptics, che offre ai clienti l'accesso all'intera catena del valore, dalla progettazione alla prototipazione fino a una serie di sistemi micro-ottici.

Testare la micro-ottica

Per dimostrare che la nuova lente apocromatica potrebbe ridurre l'aberrazione cromatica, i ricercatori hanno misurato la posizione del punto focale per tre lunghezze d'onda e le hanno confrontate con una semplice lente rifrangente senza correzione del colore. Mentre la lente di riferimento senza correzione cromatica mostrava punti focali separati da molti micron, le lenti apocromatiche mostravano punti focali allineati entro 1 micron.

I ricercatori hanno anche utilizzato le lenti per acquisire immagini. Le immagini scattate utilizzando la semplice lente di riferimento hanno mostrato forti cuciture di colore. Sebbene l'acromatico stampato in 3D li abbia ridotti drasticamente, solo le immagini scattate con l'apocromatico hanno eliminato completamente le cuciture di colore.

“I risultati dei nostri test hanno mostrato che le prestazioni della microottica stampata in 3D possono essere migliorate e che la litografia a due fotoni può essere utilizzata per combinare superfici rifrattive e diffrattive, nonché diversi fotoresist, " disse Schmid.

I ricercatori sottolineano che il tempo di fabbricazione diventerà più veloce in futuro, che rende questo approccio più pratico. Attualmente possono essere necessarie diverse ore per creare un elemento micro-ottico, a seconda delle dimensioni. Mentre la tecnologia continua a maturare, i ricercatori stanno lavorando per creare nuovi modelli di lenti per diverse applicazioni.