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[求助] 3D打印为制造成像质量光学器件提供了潜力

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2022-7-4
发表于 2019-5-6 09:08:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
今,许多用户和更大的工业企业正转向3D打印,而不是传统的技术,因为它具有适用于各种应用(包括光学)的巨大优势。在“成像质量3D打印厘米级透镜”中,作者们探索了通过3D打印生产原型和小体积聚合物光学器件的更有效工艺。

与3D设计和3D打印几乎在每一个层面上都必须为用户提供的产品相一致,聚合物光学需要制造成本低廉的产品,以及生产紧凑、重量轻的部件的能力。注塑成型是一种常见的生产方法,但也有局限性和耗时性。在这里,研究人员正在使用LuxExcel打印光学技术,一种快速喷墨3D打印的形式来创建与非成像相关的宏观光学。他们的研究中心是一种成像透镜,通过厘米级直径的3D打印制作,并且能够像传统的商业玻璃透镜一样工作。

在3D打印过程中使用了三个打印头,作者解释说,每个打印头的分辨率是原来的三倍,在基板上沉积17微米直径的液体聚合物液滴。每层采用紫外光固化,不需要后处理。

研究人员说,“这里报告的改进一方面是通过更好地理解和控制复杂的流体化学而获得工艺改进的结果。另一方面,我们引入了一种迭代制造技术,通过用具有相当相似光学功能的参考元件测试3D打印元件来纠正表面形状误差。”同时也解释了进一步的评估,还提供了有关亚波长精度的输出波前误差的数据,并进行了改进,直到波前误差可接受为止。

1.jpg
3D打印透镜的表面粗糙度。(a)小区域(60μm×50μm)上的表面的2D图。(b)中心处的纳米级横截面表面轮廓。

他们将迭代过程的成功归因于速度:
  • 一个4.1微米厚的聚合物层(面积为6×7平方厘米)的写入时间仅为4秒。
  • 制造业的加速阶段需要不到半个工作日。
  • 每小时可以打印8个透镜。

2.jpg
错误校正之后的切片层图像像素的示例。白色像素未打印以补偿形状误差。补偿区域的直径约为12毫米。

在评估和比较3D打印透镜与其商业制造的对应物时,他们发现,尽管商用透镜确实提供了“某种程度上优越的性能”,但这可以通过进一步改进工艺来解决。他们还解释说,由于目前只有一种聚合物材料(LUX-Opticlear)可用,透镜的3D打印目前受到一定限制,而且不适合制造消色差透镜系统。
“然而,通过3D打印技术与硅成型技术和真空铸造技术相结合,可以制造这样的系统。”研究人员总结道,“在这种方法中可以使用阿贝数为30-60之间的聚合物。
“另一种选择是使用混合折射衍射光学系统。然而,由于Printoptical工艺中的单层厚度较大(4.1μm),目前无法进行传统模2π衍射表面的3D打印。因此,衍射表面的模具必须采用更昂贵的技术制造,例如金刚石车削或光刻。”

3.jpg
(a)具有25毫米净孔径的3D打印透镜(F#= 8.4)。(b)迭代前的表面轮廓误差。(c)五次迭代后的表面偏差。

除了其他被认为是日常生活所需的能量元素外,人类花费大量的时间来控制光和各种周围机制。我们使用技术,从最基本到复杂到利用光线,通过3D打印,用户、设计师、工程师和研究人员已经能够为光学创造微观结构,嵌入几何结构,甚至弯曲光。

4.jpg

美国空军1951-1X MTF分辨率的图像具有(a)3D打印透镜和(b)商用参考透镜,孔径为12 毫米,使用绿色带通滤光器。使用(c)3D打印和(d)商用透镜放大分辨率目标的第6组和第7组图像。(e)和(g)中第7组的放大图像,以及(f)和(t)中的横截面强度分布图。


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