首页
关于我们
晶圆库存
新闻中心
联系我们
本文向大家分享一篇关于双光子3d打印的实际案例,设计,制造和测试,就像我们前面提到的那样,双光子打印在微米外径尺度的制造具有无可比拟的优势,同时由于其能够一次打印多个透镜,因此其可以省去微小透镜高精度定位组装的麻烦。下面就看下利用双光子打印的2透镜和3透镜成像系统。
当然,另外一方面,由于是3d打印,不同于传统的微纳加工光学透镜的方式的限制,其可以制造非常复杂的曲面,球面,非球面,自由曲面,大na曲面等。
正如曾经某个单位曾经问的那样,什么是微米尺度复杂光学曲面的最好的加工方式,比对了很多,小编觉得双光子3d打印具有巨大的优势。
划重点(双光子3D打印代工)
在光纤端面亦或其他基底材料上通过双光子3D打印的方式一直是科研工作者研究的关注点,但是由于高精度双光子3D打印的设备极其昂贵,技术也较为前沿,许多科研工作者乏于寻找可靠的,高效率的加工提供商。
小编也很有幸,曾经见到国内有团队已经实战在光纤端面做各种结构,并且得到了客户满意的效果。
因此如果您有需求,可以联系小编为您推荐成熟的双光子3D打印企业,加速您的创新。
如果你也爱好 半导体,光学,光纤,硅光集成等技术及应用,可以添加小编,一起畅聊技术,市场和应用。
看原文请联系小编免费领取
摘要
我们通过灰度光刻技术演示了3D打印的非球面单透态和双透镜微光学元件,并表征和评估了其出色的形状精度和光学性能。典型的双光子聚合 (2PP) 3D 打印工艺会在结构中产生光学表面不希望的步骤。我们利用双光子灰度光刻 (2GL) 来制造无级透镜。为了展示 2GL 工艺,比较了球面和非球面单透镜的聚焦能力。通过迭代设计过程,非球面透镜的表面偏差最小化,并且无法通过共聚焦显微镜测量任何不同的步骤。我们设计、打印和优化直径为 300 μm 的空气间隔双合透镜。优化后,双合体顶部透镜的残余形状偏差小于100 nm,底部透镜的残余形状偏差小于20 nm。我们用 USAF 1951 分辨率测试表检查光学性能,发现分辨率为 645 lp/mm。
从 1990 年代开始 [ 1–5] 2PP 3D 打印成为一种主要的微纳加工方法,因为对更高分辨率 [ 6– 11] 、精度 [ 12, 13] 和最终尺寸 [ 14-16] 的竞争巩固了其在研究中的地位。鉴于高灵活性和分辨率,2PP 3D打印技术服务于许多领域,例如光子晶体 [ 17–19] 、超材料 [ 20–25]、波导 [ 26]、生物细胞支架 [ 27–29]、微针和流体 [ 30, 31]、内窥镜 [ 32, 33] 和量子技术的集成 [ 34–37]。具有工业应用的一个大型研究领域是微光学领域[ 38–41]。在这里,自由曲面光学元件 [ 42– 45]、堆叠镜头 [ 46, 47] 以及镜头阵列 [ 48– 51] 为以前无法达到的尺寸范围内的高分辨率相机提供了机会。3D打印是一种高度通用的制造方法,通常没有设计限制。这对于3D打印光学元件[41,52]尤为重要和有用,因为在透镜设计中可以改变更多的参数,从而允许简单的非球面透镜或复杂的多自由曲面光学元件,如[42-47]和本出版物所述。所有结构都在一个步骤中打印,无需对齐。设计过程从材料参数开始,特别是折射率和色散[53,54]。在尺寸方面,我们选择所有光学元件的外径为300
3D打印镜头是使用市售的Nanoscribe Quantum X(Nanoscribe GmbH Karlsruhe,德国)微纳加工系统制造的。印刷工艺基于双光子吸收,用于聚合液体和透明光刻胶(Nanoscribe IP-S)。780
在这项工作中,使用、组合和解释两种不同的印刷方法,如下所述。典型的2PP 3D打印工艺如图1(a)所示。首先将 3D 模型切割成水平切片,然后将每个切片剖面线剖面线切成平行剖线。然后,将恒定大小的体素沿剖切中的剖面线移动,直到完成,然后向上移动到下一个剖面。这种方法可以创建任意的 3D 结构,但透镜表面表现出与切片距离大小相当的小垂直步长。减小切片距离会减小步长,但代价是打印时间会延长。第二种方法,即双光子灰度光刻(2GL),当使用与2PP印刷技术相同的切片和影线参数时,通过调制打印过程中的激光功率,提供更好的形状精度。无阶梯表面的制造是激光的功率调制对应于体素的尺寸调制[图1(b)]。利用体素尺寸的这种变化,使聚合体积与设计结构更好地匹配,无需共聚焦显微镜测量任何步骤。由于体素对表面的调制和尺寸适应,与2PP 3D打印相比,我们可以使用2GL使用更大的切片距离,并且仍然达到所需的形状保真度。[ 51 ] 给出了两种制造微光学元件的技术之间的直接比较。在撰写本文时,Nanoscribe Quantum X 的 2GL 仅允许创建 2.5D 形状,不包括悬垂部分。因此,2GL工艺不需要3D模型。相反,灰度图像用作地形图,其中灰度值表示打印区域的厚度。两种打印方法的组合应用于非球面双合体的制造。详情在下面的相应部分中给出。
图 1.(a) 双光子聚合 (2PP) 3D 打印工艺和 (b) 双光子灰度光刻 (2GL) 2.5D 打印工艺中典型体素位置示意图。球面 (c) 和非球面 (d) 聚焦透镜的光学设计。两款镜片的直径均为 300,厚度约为 73,
激光扫描速度为200
在本节中,我们将简要概述最基本的 3D 打印光学聚焦组件,即单透镜。直径为 300
通过焦平面上的强度拟合高斯函数来比较焦距 217
图1(g)和(h)给出了印刷非球面透镜与设计的比较。这里的“iter 0”和“iter 1”分别是指原始设计的印刷和第一次迭代设计的印刷。当打印结构偏离所需形状超过500时,我们创造了一个适应的设计
由于切片距离为1
聚焦光学系统只需要很少的光学活性表面,例如,如上所述的非球面单透镜。光学成像需要更复杂的设计,包括更具光学活性的表面。在本节中,我们将描述和解释设计,分析形状,并检查包含两个非球面透镜的空气间隔双合透镜的光学性能。
使用ZEMAX OpticsStudio软件创建的空气间隔双合透镜的光学活性表面的设计如图2(a)示。来自离透镜系统无限远的物体的平行光线通过 170
图2.空气间隔双峰的光学设计。(a) 通过透镜系统的光束路径,不同颜色的光线表示不同的视场角(0° 至 30°,步长为 10°)。(b) 和 (c) 分别是非球面底部和顶部透镜的灰度图像。
图3.3D印刷的空气间隔双峰。(a) 顶部透镜的支撑结构设计以及底部透镜下方设计的基本结构的侧视图。(b) 空气间隔双峰的扫描电子显微镜图像,该双峰被打印出四分之一的切口,以更好地说明内部结构。顶部镜头和底部镜头的支撑结构的放大图如下图所示。(c) 五个空气间隔的双峰的光学图像。(d) 和 (e):底部透镜 (d) 和顶部透镜 (e) 的零次、第一次和第二次迭代设计偏差,请注意 x 轴的不同缩放。
为了说明空气间隔双合体的透镜表面的形状,我们打印了结构的 3/4 版本,以便对内部进行研究,例如,通过使用扫描电子显微镜 [图 3(b)]。两个镜头的表面是光滑的,没有台阶或其他类型的结构错误。下面的两张小图像显示了原始结构在更高分辨率下的放大。在右下角的图像中可以区分不同的书写模式[图3(b)],其中底部是用典型的2PP工艺打印的,并显示了z方向的步骤,而顶部则由2GL工艺打印,没有任何步骤。特别是左图说明了 90° 剖面偏移角在 2PP 工艺中的使用以及 1 的切片距离
图3(c)给出了五个空气间隔双峰的示例概述。结构清晰,表面光滑,表明制造过程的可重复性高。
使用前面描述的迭代设计过程优化了两个透镜的形状。我们利用测量的轮廓和设计之间的差异来创建一个新设计,随后将其打印为第一次迭代。然后重复此过程。为了创建第二次迭代的设计,我们将原始设计和第一次迭代的测量轮廓的差异添加到第一次迭代的设计中。
迭代优化过程的结果如图3(d)和(e)所示,表明了底部和顶部透镜与设计的偏差。对于需的形状,底部透镜的表面最初偏差高达 70,
我们研究了空气间隔双合体的光学性能。用于成像表征的显微镜装置如图4(a)所示,前面已经描述过[16]。扩散板由白色 LED 照亮,该 LED 由消色差透镜准直。这允许均匀的强度分布进入以下设置。随后,光线通过显微镜物镜聚焦到空气间隔的双峰上。透射光由第二个物镜收集,并由镜筒透镜聚焦到CMOS传感器上。我们在第一个物镜和空气间隔的双峰之间放置了一张美国空军 1951 年的分辨率测试图。为了模拟孔径光阑,将直径可调的光圈插入光束路径中。选择直径和位置,使得虹膜的清晰图像投射到底部透镜支撑结构的底部,并与设计的孔径光阑直径 100 相匹配
图4.空气间隔双峰的成像性能。(a) 用于测试成像性能的光学显微镜设置,如先前在 [ 16 ] 中使用的那样。(b)-(f) 美国空军 1951 年分辨率测试图表的不同放大倍率,从 (b) 中第 0 组和第 1 组的内线开始,一直到 (f) 中的第 8 组和第 9 组。(g) 放大(f),显示图表第9组的最小元素,对应于645的分辨率
空气间隔双峰的成像质量可以通过图4(b)至(g)所示的分辨率测试图表的不同组来检查。为了获得更高的放大倍率图像,目标和空气间隔的双峰之间的物体距离减小了。图4(b)显示了最低放大倍率,并显示了高清晰度和对比度。观察到的桶形畸变和小的色差是意料之中的,因为空气间隔的双合透镜仅设计用于 550 波长
我们介绍了多种微光学元件的设计、制造和优化。球面和非球面单透镜突出了通过双光子灰度光刻工艺进行的无级打印。在这里,聚焦能力符合预期,并且通过迭代设计过程纠正表面形状的偏差。此外,我们设计了一种视场角为60°的空气间隔双合透镜,表现出出色的形状精度和光学性能。纠正光刻胶收缩的迭代设计过程只留下与所需形状的微小偏差,即底部透镜小于 20 个,较大的顶部顶部透镜小于 100
关于我们:
OMeda成立于2021年,由3名在微纳加工行业拥有超过7年经验的工艺,项目人员创立。目前拥有员工15人,在微纳加工(涂层、光刻、蚀刻、双光子印刷、键合)等领域拥有丰富的经验。 同时,我们支持4/6/8英寸晶圆的纳米加工。 部分设备和工艺支持12英寸晶圆工艺。针对MEMS传感器、柔性传感器、微流控、微纳光学等行业。 我们将凭借先进的设备、仪器和经验,为您带来可靠性、性能优良的产品和高效的服务
中国(上海)自由贸易试验区临港新片区业盛路188号450室 电话:+86 188 233 40140 251774338@QQ.com
来源:OMeda