Forskare har utvecklat ett nytt sätt att applicera antireflekterande (AR) beläggningar på 3D-utskrivna multilinssystem så små som 600 mikron i diameter. Eftersom dessa beläggningar hjälper till att minimera ljusförluster på grund av reflektion, är de avgörande för att göra högkvalitativa 3D-utskrivna system som består av flera mikrolinser.

"Vår nya metod kommer att gynna alla 3D-utskrivna komplexa optiska system som använder flera linser", säger forskargruppsledare Harald Giessen från universitetet i Stuttgart i Tyskland. "Den är dock särskilt användbar för applikationer som miniatyrfiberendoskop, som kräver högkvalitativ optik och används för avbildning under mindre än idealiska ljusförhållanden."

Stora linser som de som används i en kamera beläggs innan de sätts ihop till en enhet. Men för 3D-utskrivna linser som är mindre än 1 millimeter breda kan konventionella beläggningstekniker som sputtering inte användas. Detta beror på att hela linssystemet vanligtvis skrivs ut i ett enda steg som bildar svåråtkomliga ihåliga öppningar och underskärningar.

I tidskriften Optical Materials Express , beskriver forskarna sin nya lågtemperatursteknik för termisk atomskiktsavsättning (ALD) som är kompatibel med 3D-tryckta polymermaterial. Den kan användas för att samtidigt belägga alla linsytor i ett komplext system även om strukturen har ihåliga delar och underskärningar. Det nya tillvägagångssättet skulle också kunna användas för att skapa andra tunnfilmssystem, såsom kromatiska filter, direkt i 3D-utskriven mikrooptik.

"Vi tillämpade ALD på tillverkningen av antireflektionsbeläggningar för 3D-utskriven komplex mikrooptik för första gången", säger Simon Ristok, första författare till tidningen. "Det här tillvägagångssättet skulle kunna användas för att göra nya typer av extremt tunna endoskopiska enheter som kan möjliggöra nya sätt att diagnostisera - och kanske till och med behandla - sjukdomar. Det kan också användas för att göra miniatyrsensorsystem för autonoma fordon eller högkvalitativ miniatyroptik för enheter med förstärkt/virtuell verklighet som glasögon."

Att bli av med reflektion

I ett optiskt system förloras en liten mängd ljus vid varje lins-luft-gränssnitt på grund av reflektion. Om ett system kombinerar flera linser blir antireflektionsbeläggningar viktiga eftersom dessa förluster kommer att öka. Reflektioner kan också minska bildkvaliteten hos ett linssystem.

"Vi har arbetat med 3D-printad mikrooptik i flera år och strävar alltid efter att förbättra och optimera vår tillverkningsprocess", säger Giessen. "Det var ett logiskt nästa steg att lägga till AR-beläggningar till våra optiska system för att förbättra bildkvaliteten hos komplexa linssystem."

Även om ALD kan användas för att applicera AR-beläggningar, kräver det vanligtvis höga temperaturer som skulle smälta materialen som används för att 3D-skriva ut komplexa mikrooptiska system. 3D-printade linser är vanligtvis stabila upp till cirka 200 °C, så forskarna utvecklade en ALD-process som fungerar vid 150 °C.

Under ALD utsätts det 3D-printade linssystemet för en gas som innehåller de molekylära byggstenarna i den antireflekterande beläggningen. Gasmolekylerna kan röra sig fritt in i de ihåliga delarna av den 3D-printade strukturen för att bilda ett homogent tunt skikt på alla exponerade linsytor. Genom att lägga till på varandra följande lager och variera prekursorgasen kan tjocklek och materialegenskaper justeras för att bilda sekvenser av beläggningar med högt och lågt brytningsindex eller andra AR-beläggningsdesigner.

Utvärdering av beläggningarna

Forskarna karakteriserade sina ALD-beläggningar på 3D-utskrivna prover och fann att beläggningarna minskade bredbandsreflektiviteten hos plana substrat i synliga våglängder till under 1 %. De testade också ALD-beläggningstekniken med ett 3D-utskrivet dubbellinsbildsystem som var bara 600 mikron brett.

"För att skriva ut dubbellinssystemet använde vi ett Nanoscribe Quantum X mikrotillverkningssystem som möjliggör oöverträffad ytjämnhet för 3D-utskrivna linser", säger Ristok. "Vi visade att våra ALD-beläggningar avsevärt minskade reflektionsförmågan och, tvärtom, förbättrade transmissionen för detta flerlinssystem."

Forskarna planerar att använda sin ALD-metod för att skapa avancerade beläggningsdesigner med fler lager, vilket kan minska reflektionsförlusterna ytterligare för specifika våglängder. De säger att både 3D-utskrift av mikrooptik och ALD-avsättning av AR-beläggningar är väl lämpade för snabb prototypframställning eller produktion i små serier och att en minskning av bearbetningstiden skulle kunna göra båda tillvägagångssätten lämpliga för produktion i större skala. De är också öppna för att samarbeta med forskare som vill införliva AR-beläggningar i sina 3D-printade optiska system. + Utforska vidare

Forskare 3D-printar komplex mikrooptik med förbättrad bildprestanda