一种可加速打印毫米级成像透镜的新方法

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一种利用3D打印机快速制造低成本、高质量镜头的新方法，有可能用于实现光学成像透镜、矫正扭曲的视力的定制隐形眼镜，甚至可以将iPhone变成显微镜用于疾病诊断。

经过两年的研究，由西北工程研究人员开发的定制光学元件，其高度为5毫米，直径为5毫米，可以在大约四小时内实现3D打印的完成。

该研究小组所使用这种新方法使用3D打印，可实现高品质的定制镜头快速、低成本的打印。图片来源：西北大学

“到现在为止，我们制造透镜时在很大程度上都仍然依赖于耗时和昂贵的抛光镜片的过程，”机械工程副教授Cheng Sun说，他的实验室开发了3D打印过程。随着3D打印，现在你可以很快地自由设计和定制一个镜头。

这项研究于近日在《先进材料（Advanced Materials）》杂志上发表。它包括了把镜头连接到苹果iPhone 6S手机后的拍摄图像，包括一个日落蛾的翅膀优质详细的图像和一个象鼻虫的翅鞘结构。

像所有3D打印一样，创建这些透镜需要放置一层又一层的材料。太阳把镜头比作放映电影放映机。“不是投影时的一帧图像，而是一个接一个的图像，我们一层一层的把图像堆叠起来，”Sun说。“这就像是在垂直的方式播放电影。”

但是，当研究人员第一次打印镜头时，它在某一层发生弯曲，材料是由光固化树脂制成，形成了一个可见的层数。

“我们意识到，叠加在彼此之上的材料层创造了表面粗糙度。该层的厚度通常为5微米，而可见光的波长约为0.5微米。这创造了一个光学粗糙的表面，”他说。“这是一种瓶颈。这种粗糙度让镜片不能呈现出清晰的光学图像。”

这就有了小组简单的指导性研究问题：我们能使表面变得更光滑而不降低印刷速度吗？为了解决这一挑战，Sun的团队开发了一个两步的分层和抛光过程。

“首先，我们使用灰度图像在每层之间创建更多的转换，”Sun说。“然后，我们用同样的光固化树脂涂覆表面，进而形成半月板，形成进一步平滑表面。”

研究结果是，我们实现了表面光滑的透明透镜。

“我们一定已经尝试了100多次才能把它做好，” Xiangfan Chen博士说，他是机械工程的博士生，也是这项研究的主要作者。

然而，这种透镜并不是由3D打印产生的第一个高质量的透镜。德国的一家公司Nanoscribe就曾研制了一种高精度飞秒3D打印机实现了150纳米的精度，但它制作镜头时是逐点制作的，而不一层一层实现的，Sun说。

“是一个耗时的过程。这就是他们的局限性，”他补充说。“我们想做一些新的尝试，但目的在于速度更快，质量更好的制作。”

“如果你想做一个镜头，你想在两个星期还是两个小时内完成？”Chen说。“我们对这个新型镜头非常兴奋。”

Sun说，这一过程可能导致大量新设备的出现，并在光学和生物医学成像领域有着广泛的应用前景。

下一步，该小组将试验制造更大的透镜，以及研究如何将3D打印透镜与医疗设备集成，例如实现内窥镜或光学显微镜。这些镜头可以帮助检测某些遗传病或癌症，” Biqin Dong说，他是一名生物医学和机械工程专业的博士后研究员，他也曾在这项研究工作中。

Dong还设想，这些镜头可以用于欠发达地区的医生进行诊断成像或野外科学家作为便携式显微镜。镜头也可以做成一个定制的角膜接触显微镜，可以用于检查那些由角膜圆锥角膜引起的角膜扭曲的病人。“隐形眼镜将具有定制的表面特征，与病人角膜的形状相匹配，”Sun说。