I ricercatori aggiungono rivestimenti antiriflesso a complessi sistemi micro-ottici stampati in 3D
Nuova tecnica di rivestimento a bassa temperatura pronta per abilitare sistemi di microlenti stampati in 3D di alta qualità per applicazioni dagli endoscopi alla realtà virtuale
WASHINGTON — I ricercatori hanno sviluppato un nuovo modo per applicare rivestimenti antiriflesso (AR) a sistemi multi-lente stampati in 3D con un diametro di appena 600 micron. Poiché questi rivestimenti aiutano a ridurre al minimo le perdite di luce dovute alla riflessione, sono fondamentali per realizzare sistemi stampati in 3D di alta qualità costituiti da più microlenti.
“Il nostro nuovo metodo andrà a beneficio di qualsiasi sistema ottico complesso stampato in 3D che utilizza più obiettivi”, ha affermato il leader del team di ricerca Harald Giessen dell’Università di Stoccarda in Germania. “Tuttavia, è particolarmente utile per applicazioni come gli endoscopi in fibra miniaturizzata, che richiedono un’ottica di alta qualità e vengono utilizzati per l’imaging in condizioni di illuminazione non ideali”.
Gli obiettivi di grandi dimensioni come quelli utilizzati in una fotocamera vengono rivestiti prima di essere assemblati in un dispositivo. Tuttavia, per obiettivi stampati in 3D di larghezza inferiore a 1 millimetro, non è possibile utilizzare tecniche di rivestimento convenzionali come lo sputtering. Questo perché l’intero sistema di lenti viene in genere stampato in un unico passaggio che forma aperture cave e sottosquadri difficili da raggiungere.
Nella rivista Optical Materials Express , i ricercatori descrivono la loro nuova tecnica di deposizione di strati atomici termici (ALD) a bassa temperatura compatibile con i materiali polimerici stampati in 3D. Può essere utilizzato per rivestire contemporaneamente tutte le superfici delle lenti di un sistema complesso anche se la struttura presenta parti cave e sottosquadri. Il nuovo approccio potrebbe essere utilizzato anche per creare altri sistemi a film sottile, come filtri cromatici, direttamente in micro-ottiche stampate in 3D.
“Per la prima volta abbiamo applicato l’ALD alla fabbricazione di rivestimenti antiriflesso per micro-ottiche complesse stampate in 3D”, ha affermato Simon Ristok, primo autore dell’articolo. “Questo approccio potrebbe essere utilizzato per realizzare nuovi tipi di dispositivi endoscopici estremamente sottili che potrebbero consentire nuovi modi di diagnosticare – e forse anche curare – le malattie. Potrebbe anche essere utilizzato per realizzare sistemi di sensori in miniatura per veicoli autonomi o ottiche in miniatura di alta qualità per dispositivi di realtà aumentata/virtuale come gli occhiali.
Sbarazzarsi della riflessione
In un sistema ottico, una piccola quantità di luce viene persa su ciascuna interfaccia obiettivo-aria a causa della riflessione. Se un sistema combina più lenti, i rivestimenti antiriflesso diventano essenziali perché queste perdite si sommano. I riflessi possono anche ridurre la qualità dell’immagine di un sistema di obiettivi.
“Lavoriamo su micro-ottica stampata in 3D da diversi anni e ci sforziamo sempre di migliorare e ottimizzare il nostro processo di fabbricazione”, ha affermato Giessen. “È stato un logico passo successivo aggiungere rivestimenti AR ai nostri sistemi ottici per migliorare la qualità dell’immagine di sistemi di lenti complessi”.
Sebbene l’ALD possa essere utilizzato per applicare rivestimenti AR, in genere richiede temperature elevate che scioglierebbero i materiali utilizzati per la stampa 3D di complessi sistemi micro-ottici. Le lenti stampate in 3D sono in genere stabili fino a circa 200 °C, quindi i ricercatori hanno sviluppato un processo ALD che funziona a 150 °C.
Durante l’ALD, il sistema di lenti stampate in 3D è esposto a un gas che contiene i mattoni molecolari del rivestimento antiriflesso. Le molecole di gas possono muoversi liberamente nelle parti cave della struttura stampata in 3D per formare uno strato sottile omogeneo su tutte le superfici delle lenti esposte. Aggiungendo strati successivi e variando il gas precursore, lo spessore e le proprietà del materiale possono essere regolati per formare sequenze di rivestimenti con indice di rifrazione alto e basso o altri design di rivestimento AR.
Valutazione dei rivestimenti
I ricercatori hanno caratterizzato i loro rivestimenti ALD su campioni stampati in 3D e hanno scoperto che i rivestimenti diminuivano la riflettività della banda larga dei substrati piatti nelle lunghezze d’onda visibili al di sotto dell’1%. Hanno anche testato la tecnica di rivestimento ALD con un sistema di imaging a doppia lente stampato in 3D che era largo solo 600 micron.
“Per stampare il sistema a doppia lente, abbiamo utilizzato un sistema di microfabbricazione Nanoscribe Quantum X che consente una levigatezza della superficie senza precedenti per le lenti stampate in 3D”, ha affermato Ristok. “Abbiamo dimostrato che i nostri rivestimenti ALD riducono significativamente la riflettività e, al contrario, migliorano la trasmissione per questo sistema multi-lente”.
I ricercatori intendono utilizzare il loro approccio ALD per creare progetti di rivestimento avanzati con più strati, che possono ridurre ulteriormente le perdite di riflessione per lunghezze d’onda specifiche. Dicono che sia la stampa 3D di micro-ottica che la deposizione ALD di rivestimenti AR sono adatti per la prototipazione rapida o la produzione di piccole serie e che la riduzione dei tempi di elaborazione potrebbe rendere entrambi gli approcci adatti per la produzione su larga scala. Sono inoltre aperti a collaborare con i ricercatori che vorrebbero incorporare i rivestimenti AR nei loro sistemi ottici stampati in 3D.
Documento : S. Ristok, P. Flad, H. Giessen, “Deposizione di strati atomici di rivestimenti antiriflesso conformi su complessi sistemi micro-ottici stampati in 3D”, Opt. Mater. Espresso Vol. 12, Numero 5, pp. 2063-2071 (2022).
DOI: https://doi.org/10.1364/OME.454475
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IMMAGINE: I RICERCATORI HANNO SVILUPPATO UN NUOVO MODO PER APPLICARE RIVESTIMENTI ANTIRIFLESSO A SISTEMI MULTI-LENTE STAMPATI IN 3D COME L’OBIETTIVO DOPPIETTO ILLUSTRATO QUI, CHE HA UN DIAMETRO DI SOLI 600 MICRON. QUESTI RIVESTIMENTI AIUTANO A RIDURRE AL MINIMO LE PERDITE DI LUCE DOVUTE ALLA RIFLESSIONE, CHE È FONDAMENTALE PER REALIZZARE SISTEMI STAMPATI IN 3D DI ALTA QUALITÀ COSTITUITI DA PIÙ MICROLENTI.
CREDITO: SIMON RISTOK, UNIVERSITÀ DI STOCCARDA