En las pruebas de las nuevas lentes, la lente de referencia (izquierda) muestra costuras de color debido a aberraciones cromáticas. Los lentes acromáticos impresos en 3D (centro) los redujeron drásticamente mientras que las imágenes tomadas con el apocromático (derecha) eliminaron por completo la distorsión del color. Crédito:Michael Schmid, Universidad de Stuttgart
En un nuevo estudio, Los investigadores han demostrado que la impresión 3D se puede utilizar para fabricar lentes en miniatura complejas y de alta precisión con tamaños de solo unas pocas micras. Las microlentes se pueden utilizar para corregir la distorsión del color durante la toma de imágenes, permitiendo cámaras pequeñas y livianas que pueden diseñarse para una variedad de aplicaciones.
"La capacidad de imprimir en 3D microópticas complejas significa que se pueden fabricar directamente en muchas superficies diferentes, como los chips CCD o CMOS utilizados en las cámaras digitales, "dijo Michael Schmid, miembro del equipo de investigación de la Universidad de Stuttgart en Alemania. "La microóptica también se puede imprimir en el extremo de las fibras ópticas para crear endoscopios médicos muy pequeños con una excelente calidad de imagen".
En la revista The Optical Society (OSA) Letras de óptica , Los investigadores dirigidos por Harald Giessen detallan cómo utilizaron un tipo de impresión 3D conocida como litografía de dos fotones para crear lentes que combinan superficies refractivas y difractivas. También muestran que la combinación de diferentes materiales puede mejorar el rendimiento óptico de estas lentes.
"La impresión 3D de microóptica ha mejorado drásticamente en los últimos años y ofrece una libertad de diseño que no está disponible con otros métodos, ", dijo Schmid." Nuestro enfoque optimizado para la impresión 3D de microópticas complejas abre muchas posibilidades para crear diseños ópticos nuevos e innovadores que pueden beneficiar a muchos campos de investigación y aplicaciones ".
Superando los límites de la impresión 3D
La litografía de dos fotones utiliza un rayo láser enfocado para solidificar, o polimerizar, un material líquido sensible a la luz conocido como fotorresistente. El fenómeno óptico conocido como absorción de dos fotones permite que se polimericen volúmenes micrométricos cúbicos del fotorresistente. que permite la fabricación de estructuras ópticas complejas en la escala de micrones.
El equipo de investigación ha estado investigando y optimizando microópticas hechas con litografía de dos fotones durante los últimos 10 años. "Notamos que los errores de color conocidos como aberraciones cromáticas estaban presentes en algunas de las imágenes creadas con nuestra microóptica, así que nos propusimos diseñar lentes impresos en 3D con un rendimiento óptico mejorado para reducir estos errores, "dijo Schmid.
Los investigadores utilizaron la impresión 3D para fabricar lentes en miniatura apocromáticos complejos y de gran precisión que se pueden utilizar para corregir la distorsión del color durante la toma de imágenes. Crédito:Michael Schmid, Universidad de Stuttgart
Las aberraciones cromáticas ocurren porque la forma en que se dobla la luz, o refracta, cuando entra en una lente depende del color, o longitud de onda, de la luz. Esto significa que sin corrección, la luz roja se enfocará en un punto diferente al de la luz azul, por ejemplo, haciendo que aparezcan franjas o costuras de color en las imágenes.
Los investigadores diseñaron versiones en miniatura de lentes que se utilizan tradicionalmente para corregir las aberraciones cromáticas. Comenzaron con una lente acromática, que combina un componente refractivo y difractivo para limitar los efectos de la aberración cromática al enfocar dos longitudes de onda en el mismo plano. Los investigadores utilizaron un instrumento de litografía de dos fotones disponible comercialmente fabricado por NanoScribe GmbH para agregar una superficie difractiva a una lente refractiva lisa impresa en un solo paso.
Luego llevaron esto un paso más allá al diseñar una lente apocromática combinando la lente refractiva-difractiva con otra lente hecha de un fotorresistente diferente con diferentes propiedades ópticas. Cubrir la lente de dos materiales con la superficie refractiva-difractiva reduce aún más las aberraciones cromáticas, mejorando así el rendimiento de la imagen. El diseño fue realizado por Simon Thiele del Instituto de Óptica Técnica de Stuttgart, quien recientemente creó la empresa PrintOptics, que brinda a los clientes acceso a toda la cadena de valor, desde el diseño y la creación de prototipos hasta una serie de sistemas microópticos.
Prueba de la microóptica
Para demostrar que la nueva lente apocromática podría reducir la aberración cromática, los investigadores midieron la ubicación del punto focal para tres longitudes de onda y las compararon con una lente refractiva simple sin corrección de color. Mientras que la lente de referencia sin corrección cromática mostró puntos focales separados por muchas micras, las lentes apocromáticas exhibieron puntos focales que se alinearon dentro de 1 micrón.
Los investigadores también utilizaron las lentes para adquirir imágenes. Las imágenes tomadas con la lente de referencia simple mostraron fuertes costuras de color. Aunque el acromático impreso en 3D los redujo drásticamente, solo las imágenes tomadas con el apocromático eliminaron completamente las costuras de color.
"Los resultados de nuestras pruebas mostraron que el rendimiento de la microóptica impresa en 3D se puede mejorar y que la litografía de dos fotones se puede utilizar para combinar superficies refractivas y difractivas, así como diferentes fotorresistencias. "dijo Schmid.
Los investigadores señalan que el tiempo de fabricación será más rápido en el futuro, lo que hace que este enfoque sea más práctico. Actualmente puede llevar varias horas crear un elemento microóptico, dependiendo del tamaño. A medida que la tecnología continúa madurando, los investigadores están trabajando para crear nuevos diseños de lentes para diferentes aplicaciones.
