Forscher fügen komplexen 3D-gedruckten mikrooptischen Systemen Antireflexbeschichtungen hinzu

Forscher haben eine neue Methode entwickelt, um Antireflexbeschichtungen (AR) auf 3D-gedruckte Mehrlinsensysteme mit einem Durchmesser von nur 600 Mikrometer aufzubringen. Da diese Beschichtungen dazu beitragen, Lichtverluste durch Reflexion zu minimieren, sind sie entscheidend für die Herstellung hochwertiger 3D-gedruckter Systeme, die aus mehreren Mikrolinsen bestehen.

„Unsere neue Methode wird jedem 3D-gedruckten komplexen optischen System zugutekommen, das mehrere Linsen verwendet“, sagte Forschungsteamleiter Harald Giessen von der Universität Stuttgart in Deutschland. „Es ist jedoch besonders nützlich für Anwendungen wie Miniatur-Faserendoskope, die eine hochwertige Optik erfordern und für die Bildgebung unter nicht idealen Lichtverhältnissen verwendet werden.“

Große Linsen, wie sie in einer Kamera verwendet werden, werden beschichtet, bevor sie in ein Gerät eingebaut werden. Für 3D-gedruckte Linsen mit einer Breite von weniger als 1 Millimeter können herkömmliche Beschichtungstechniken wie Sputtern jedoch nicht verwendet werden. Denn typischerweise wird das gesamte Linsensystem in einem einzigen Schritt gedruckt, der schwer zugängliche Hohlöffnungen und Hinterschneidungen bildet.

Im Tagebuch Express für optische Materialienbeschreiben die Forscher ihre neue Technik der thermischen Atomlagenabscheidung (ALD) bei niedriger Temperatur, die mit 3D-gedruckten Polymermaterialien kompatibel ist. Es kann verwendet werden, um alle Linsenoberflächen eines komplexen Systems gleichzeitig zu beschichten, selbst wenn die Struktur Hohlteile und Hinterschneidungen aufweist. Der neue Ansatz könnte auch verwendet werden, um andere Dünnschichtsysteme wie chromatische Filter direkt in 3D-gedruckte Mikrooptiken zu integrieren.

„Wir haben ALD zum ersten Mal auf die Herstellung von Antireflexionsbeschichtungen für 3D-gedruckte komplexe Mikrooptiken angewendet“, sagte Simon Ristok, Erstautor der Veröffentlichung. „Dieser Ansatz könnte verwendet werden, um neuartige extrem dünne endoskopische Geräte herzustellen, die neue Wege zur Diagnose – und vielleicht sogar Behandlung – von Krankheiten ermöglichen könnten. Es könnte auch verwendet werden, um Miniatursensorsysteme für autonome Fahrzeuge oder hochwertige Miniaturoptiken herzustellen Augmented-/Virtual-Reality-Geräte wie Brillen.“

Reflexion loswerden

In einem optischen System geht aufgrund von Reflexion an jeder Linse-Luft-Grenzfläche eine kleine Lichtmenge verloren. Wenn ein System mehrere Linsen kombiniert, werden Antireflexbeschichtungen unerlässlich, da sich diese Verluste summieren. Reflexionen können auch die Abbildungsqualität eines Linsensystems verringern.

„Wir arbeiten seit mehreren Jahren an 3D-gedruckten Mikrooptiken und sind stets bestrebt, unseren Herstellungsprozess zu verbessern und zu optimieren“, sagte Giessen. „Es war ein logischer nächster Schritt, unsere optischen Systeme mit AR-Beschichtungen zu versehen, um die Abbildungsqualität komplexer Linsensysteme zu verbessern.“

Obwohl ALD zum Auftragen von AR-Beschichtungen verwendet werden kann, sind in der Regel hohe Temperaturen erforderlich, die die Materialien schmelzen würden, die zum 3D-Druck komplexer mikrooptischer Systeme verwendet werden. 3D-gedruckte Linsen sind typischerweise bis etwa 200 °C stabil, daher entwickelten die Forscher einen ALD-Prozess, der bei 150 °C funktioniert.

Während der ALD wird das 3D-gedruckte Linsensystem einem Gas ausgesetzt, das die molekularen Bausteine ​​der Antireflexbeschichtung enthält. Die Gasmoleküle können sich frei in die hohlen Teile der 3D-gedruckten Struktur bewegen, um eine homogene dünne Schicht auf allen freiliegenden Linsenoberflächen zu bilden. Durch Hinzufügen aufeinanderfolgender Schichten und Variieren des Vorläufergases können Dicke und Materialeigenschaften angepasst werden, um Sequenzen von Beschichtungen mit hohem und niedrigem Brechungsindex oder andere AR-Beschichtungsdesigns zu bilden.

Beurteilung der Beschichtungen

Die Forscher charakterisierten ihre ALD-Beschichtungen auf 3D-gedruckten Proben und stellten fest, dass die Beschichtungen das Breitbandreflexionsvermögen von flachen Substraten bei sichtbaren Wellenlängen auf unter 1 % verringerten. Sie testeten auch die ALD-Beschichtungstechnik mit einem 3D-gedruckten Doppellinsen-Bildgebungssystem, das nur 600 Mikrometer breit war.

„Zum Drucken des Doppellinsensystems haben wir ein Nanoscribe Quantum X-Mikrofabrikationssystem verwendet, das eine beispiellose Oberflächenglätte für 3D-gedruckte Linsen ermöglicht“, sagte Ristok. „Wir haben gezeigt, dass unsere ALD-Beschichtungen das Reflexionsvermögen deutlich reduziert und umgekehrt die Transmission für dieses Mehrlinsensystem verbessert haben.“

Die Forscher planen, ihren ALD-Ansatz zu verwenden, um fortschrittliche Beschichtungsdesigns mit mehr Schichten zu erstellen, die die Reflexionsverluste für bestimmte Wellenlängen noch weiter verringern können. Sie sagen, dass sowohl der 3D-Druck von Mikrooptiken als auch die ALD-Abscheidung von AR-Beschichtungen gut für Rapid Prototyping oder Kleinserienproduktion geeignet sind und dass eine Reduzierung der Verarbeitungszeit beide Ansätze für die Produktion in größerem Maßstab geeignet machen könnte. Sie sind auch offen für die Zusammenarbeit mit Forschern, die AR-Beschichtungen in ihre 3D-gedruckten optischen Systeme integrieren möchten.