Em um novo estudo, pesquisadores demonstraram que a impressão 3D pode ser usada para fazer lentes em miniatura altamente precisas e complexas com tamanhos de apenas alguns mícrons. As microlentes podem ser usadas para corrigir a distorção de cores durante a imagem, permitindo câmeras pequenas e leves que podem ser projetadas para uma variedade de aplicações.

"A capacidade de imprimir micro-ópticas complexas em 3D significa que eles podem ser fabricados diretamente em muitas superfícies diferentes, como os chips CCD ou CMOS usados ​​em câmeras digitais, "disse Michael Schmid, membro da equipe de pesquisa da Universidade de Stuttgart, na Alemanha. "A micro-óptica também pode ser impressa na extremidade das fibras ópticas para criar endoscópios médicos muito pequenos com excelente qualidade de imagem."

No jornal The Optical Society (OSA) Cartas de Óptica , pesquisadores liderados por Harald Giessen detalham como eles usaram um tipo de impressão 3D conhecido como litografia de dois fótons para criar lentes que combinam superfícies refrativas e difrativas. Eles também mostram que a combinação de diferentes materiais pode melhorar o desempenho óptico dessas lentes.

"A impressão 3D de micro-óptica melhorou drasticamente nos últimos anos e oferece uma liberdade de design não disponível em outros métodos, "disse Schmid." Nossa abordagem otimizada para micro-óptica complexa de impressão 3D abre muitas possibilidades para a criação de projetos ópticos novos e inovadores que podem beneficiar muitos campos de pesquisa e aplicações. "

Ultrapassando os limites da impressão 3D

A litografia de dois fótons usa um feixe de laser focado para solidificar, ou polimerizar, um material sensível à luz líquido conhecido como fotorresiste. O fenômeno óptico conhecido como absorção de dois fótons permite que volumes de micrômetros cúbicos do fotorresiste sejam polimerizados, que permite a fabricação de estruturas ópticas complexas na escala de mícron.

A equipe de pesquisa tem investigado e otimizado micro-ópticas feitas com litografia de dois fótons nos últimos 10 anos. "Percebemos que erros de cor conhecidos como aberrações cromáticas estavam presentes em algumas das imagens criadas com nossa micro-óptica, então decidimos projetar lentes impressas em 3D com desempenho óptico aprimorado para reduzir esses erros, "disse Schmid.

As aberrações cromáticas ocorrem porque a forma como a luz se curva, ou refrata, quando entra em uma lente depende da cor, ou comprimento de onda, da luz. Isso significa que sem correção, a luz vermelha se concentrará em um ponto diferente da luz azul, por exemplo, fazendo com que franjas ou costuras coloridas apareçam nas imagens.

Os pesquisadores projetaram versões em miniatura de lentes tradicionalmente usadas para corrigir aberrações cromáticas. Eles começaram com uma lente acromática, que combina um componente refrativo e difrativo para limitar os efeitos da aberração cromática, trazendo dois comprimentos de onda em foco no mesmo plano. Os pesquisadores usaram um instrumento de litografia de dois fótons comercialmente disponível feito pela NanoScribe GmbH para adicionar uma superfície difrativa a uma lente refrativa lisa impressa em uma etapa.

Eles então deram um passo adiante, projetando uma lente apocromática combinando a lente difrativa-refrativa com outra lente feita de um fotorresiste diferente com propriedades ópticas diferentes. Cobrir a lente de dois materiais com a superfície difrativa-refrativa reduz ainda mais as aberrações cromáticas, melhorando assim o desempenho da imagem. O projeto foi executado por Simon Thiele do Instituto de Óptica Técnica de Stuttgart, que recentemente criou a empresa PrintOptics, que dá aos clientes acesso a toda a cadeia de valor, desde o design, passando pela prototipagem, até uma série de sistemas micro-ópticos.

Testando a micro-óptica

Para mostrar que a nova lente apocromática pode reduzir a aberração cromática, os pesquisadores mediram a localização do ponto focal em três comprimentos de onda e os compararam a uma lente refrativa simples sem correção de cor. Enquanto a lente de referência sem correção cromática mostrou pontos focais separados por muitos mícrons, as lentes apocromáticas exibiram pontos focais alinhados dentro de 1 mícron.

Os pesquisadores também usaram as lentes para adquirir imagens. Imagens tiradas com a lente de referência simples mostraram costuras de cores fortes. Embora o acromático impresso em 3D tenha reduzido esses drasticamente, apenas as imagens tiradas com o apocromático eliminaram completamente as costuras de cores.

"Nossos resultados de teste mostraram que o desempenho da micro-óptica impressa em 3D pode ser melhorada e que a litografia de dois fótons pode ser usada para combinar superfícies refrativas e difrativas, bem como diferentes resistências à foto, "disse Schmid.

Os pesquisadores apontam que o tempo de fabricação se tornará mais rápido no futuro, o que torna essa abordagem mais prática. Atualmente, pode levar várias horas para criar um elemento micro-óptico, dependendo do tamanho. À medida que a tecnologia continua a amadurecer, os pesquisadores estão trabalhando para criar novos designs de lentes para diferentes aplicações.