Dans une nouvelle étude, des chercheurs ont montré que l'impression 3D peut être utilisée pour fabriquer des lentilles miniatures très précises et complexes avec des tailles de quelques microns seulement. Les microlentilles peuvent être utilisées pour corriger la distorsion des couleurs pendant l'imagerie, permettant des caméras petites et légères qui peuvent être conçues pour une variété d'applications.

« La capacité d'imprimer en 3D des micro-optiques complexes signifie qu'elles peuvent être fabriquées directement sur de nombreuses surfaces différentes telles que les puces CCD ou CMOS utilisées dans les appareils photo numériques, " a déclaré Michael Schmid, membre de l'équipe de recherche de l'Université de Stuttgart en Allemagne. "Les micro-optiques peuvent également être imprimées à l'extrémité des fibres optiques pour créer de très petits endoscopes médicaux avec une excellente qualité d'imagerie."

Dans la revue The Optical Society (OSA) Lettres d'optique , des chercheurs dirigés par Harald Giessen détaillent comment ils ont utilisé un type d'impression 3D connu sous le nom de lithographie à deux photons pour créer des lentilles qui combinent des surfaces réfractives et diffractives. Ils montrent également que la combinaison de différents matériaux peut améliorer les performances optiques de ces lentilles.

"L'impression 3D de micro-optique s'est considérablement améliorée au cours des dernières années et offre une liberté de conception non disponible avec d'autres méthodes, " a déclaré Schmid. " Notre approche optimisée pour l'impression 3D de micro-optiques complexes ouvre de nombreuses possibilités pour la création de conceptions optiques nouvelles et innovantes pouvant profiter à de nombreux domaines de recherche et applications. "

Repousser les limites de l'impression 3D

La lithographie à deux photons utilise un faisceau laser focalisé pour solidifier, ou polymériser, un matériau liquide sensible à la lumière connu sous le nom de résine photosensible. Le phénomène optique connu sous le nom d'absorption à deux photons permet de polymériser des volumes micrométriques cubes de résine photosensible, qui permet la fabrication de structures optiques complexes à l'échelle du micron.

L'équipe de recherche étudie et optimise la micro-optique réalisée par lithographie à deux photons depuis 10 ans. "Nous avons remarqué que des erreurs de couleur connues sous le nom d'aberrations chromatiques étaient présentes dans certaines des images créées avec nos micro-optiques, nous avons donc entrepris de concevoir des lentilles imprimées en 3D avec des performances optiques améliorées pour réduire ces erreurs, " dit Schmid.

Les aberrations chromatiques se produisent parce que la façon dont la lumière se courbe, ou réfracte, quand il entre dans une lentille dépend de la couleur, ou longueur d'onde, de la lumière. Cela signifie que sans correction, la lumière rouge se concentrera sur un endroit différent de la lumière bleue, par exemple, provoquant l'apparition de franges ou de coutures de couleur dans les images.

Les chercheurs ont conçu des versions miniatures de lentilles traditionnellement utilisées pour corriger les aberrations chromatiques. Ils ont commencé avec une lentille achromatique, qui combine une composante réfractive et diffractive pour limiter les effets d'aberration chromatique en focalisant deux longueurs d'onde sur un même plan. Les chercheurs ont utilisé un instrument de lithographie à deux photons disponible dans le commerce fabriqué par NanoScribe GmbH pour ajouter une surface diffractive à une lentille réfractive lisse imprimée en une seule étape.

Ils sont ensuite allés plus loin en concevant une lentille apochromatique en combinant la lentille réfractive-diffractive avec une autre lentille fabriquée à partir d'une résine photosensible différente avec des propriétés optiques différentes. Surmonter la lentille bi-matière avec la surface réfractive-diffractive réduit encore plus les aberrations chromatiques, améliorant ainsi les performances d'imagerie. La conception a été réalisée par Simon Thiele de l'Institut d'optique technique de Stuttgart, qui a récemment créé la société PrintOptics qui permet aux clients d'accéder à l'ensemble de la chaîne de valeur, de la conception au prototypage jusqu'à une série de systèmes micro-optiques.

Tester la micro-optique

Pour montrer que la nouvelle lentille apochromatique pourrait réduire l'aberration chromatique, les chercheurs ont mesuré l'emplacement du point focal pour trois longueurs d'onde et les ont comparés à une simple lentille réfractive sans correction de couleur. Alors que l'objectif de référence sans correction chromatique présentait des points focaux séparés de plusieurs microns, les lentilles apochromatiques présentaient des points focaux alignés à moins de 1 micron.

Les chercheurs ont également utilisé les lentilles pour acquérir des images. Les images prises à l'aide de l'objectif de référence simple ont montré de fortes coutures de couleur. Bien que l'achromat imprimé en 3D les ait considérablement réduits, seules les images prises avec l'apochromat ont complètement éliminé les coutures de couleur.

« Les résultats de nos tests ont montré que les performances des micro-optiques imprimées en 3D peuvent être améliorées et que la lithographie à deux photons peut être utilisée pour combiner des surfaces réfractives et diffractives ainsi que différentes photorésines, " dit Schmid.

Les chercheurs soulignent que le temps de fabrication deviendra plus rapide à l'avenir, ce qui rend cette approche plus pratique. La création d'un élément micro-optique peut actuellement prendre plusieurs heures, selon la taille. Alors que la technologie continue de mûrir, les chercheurs travaillent à créer de nouvelles conceptions de lentilles pour différentes applications.