Аддитивные технологии позволяют изготавливать инновационные, многофункциональные линзы и компоненты, которые могут упростить оптические системы и сделать их более миниатюрными.
Новые технологии 3D-печати превращают некогда невозможные конструкции оптических компонентов в оптимизированные элементы, способные улучшить медицинские и исследовательские инструменты, системы связи и потребительские устройства.
При аддитивной 3D-печати изготовление всего оптического компонента осуществляется по одной крошечной частице за раз, позволяя создавать конструкции, в которых один объектив выполняет несколько функций, или предварительно выравнивать систему, одновременно создавая оптику, крепления и перегородки. Эти новые оптические конструкции могут уменьшить размеры изделия, улучшить технические характеристики и облегчить коммерческое масштабирование.
Например, австралийские и немецкие исследователи недавно напечатали на 3D-принтере объектив диаметром 330 мкм, способный, благодаря конструкции «линза в линзе», одновременно соответствовать требованиям, предъявляемым к высоким и низким числовым значениям диафрагмы [1]. Изготовить такой объектив традиционными способами — невозможно. Он позволяет проводить как флуоресцентную, так и оптическую когерентную томографию с помощью зонда диаметром 0,52 мм. В своей статье исследователи сообщили о том, что по сравнению с более традиционным волоконно-оптическим устройством флуоресцентный контраст удалось улучшить более чем в 10 раз.
«3D-печать поистине восхищает высокой миниатюризацией, деталями, которые невозможно изготовить другими методами, а также очень хорошими возможностями выравнивания», — говорит Саймон Тиле (Simon Thiele), технический директор компании Printoptix, специализирующейся на производстве 3D-принтеров, и один из авторов статьи.
Возможность печатать оптическую систему «одним куском» с её креплением и другими элементами экономит время и сводит к минимуму ошибки при установке. Кроме того, возможность регулировать форму и свойства оптики в малых масштабах позволяет одному объективу выполнять работу нескольких. Это могло бы оказаться полезным для медицинских устройств, мобильных телефонов и солдат в полевых условиях. А ещё 3D-печать может весьма существенно сократить время, необходимое для создания прототипа оптического дизайна, — с месяцев до дней.
Но у 3D-печати оптических компонентов есть и немало проблем — таких, как ограниченная доступность оптически значимых материалов, низкая скорость изготовления и высокая стоимость, особенно при больших объёмах.
Варианты аддитивной обработки для оптики
Промышленность и исследователи решают эти проблемы с помощью множества методов 3D-печати. Профессор Томаш Ткачик (Tomasz Tkaczyk) из Университета Райса (Rice University) и его коллеги рассмотрели возможности и уровни производительности моделирования методом послойного наплавления, струйной печати, стереолитографии и двухфотонной полимеризации [2].
При моделировании методом послойного наплавления расплавленный материал выдавливается через сопло и осаждается слой за слоем. Исследователи сообщили, что этот метод позволяет исключительно быстро создавать структуры с наибольшим объёмом, но при этом размер элемента — несколько сотен нанометров, а шероховатость поверхности — около 1000 нм.
Для сравнения, формованная оптика имеет шероховатость около 10 нм. Полированная оптика ещё более гладкая, с шероховатостью поверхности около 1 нм. Шероховатость поверхности и размер элемента имеют важное значение, так как определяют оптические характеристики. Размер элемента должен соответствовать нужной длине волны или быть меньше неё, а шероховатость должна быть значительно меньше.
При двухфотонной полимеризации (2PP) используется импульсный лазер, индуцирующий многофотонный процесс, который имеет место только в небольшой фокальной области, и фотоны изменяют материал. Перемещение фокусной точки в трёх измерениях создаёт структуры слой за слоем. По словам исследователей, применяя 2PP, удалось печатать превосходные детали, что в конечном итоге дало размеры элементов < 0,1 мкм и шероховатость поверхности 10 нм. Однако эта технология создаёт объект большого объёма с наименьшей скоростью. Струйная 3D-печать (использующая чернильные капли) и стереолитография (осуществляющая 3D-печать фотолитографически) по скорости, размеру элементов и шероховатости поверхности занимают, по отношению к другим методам, промежуточное положение. Струйная печать позволила изготавливать более мелкие и гладкие элементы.
В промышленном производстве применяются различные технологии. Компания Luxexcel использует струйную печать с последующим УФ-отверждением полимера — например, изготавливая на 3D-принтере линзы. В 2022 году эта компания получила премию Prism Award за технологию, позволяющую создавать умные очки с рецептурными линзами.
Многоиндексные элементы
Стартап NanoVox, который меняет своё название на Vadient Optics, также использует струйную 3D-печать, но делает это с изюминкой — предлагает объёмный показатель преломления градиентной оптики (volumetric index of refraction gradient optics, VIRGO).
«Мы не просто печатаем полимеры такими, какие они есть, — отмечает Джеймс Филд (James Field), вице-президент компании по развитию бизнеса. — Мы используем мономеры с высоким и низким показателями преломления, наполненные наночастицами. Свет в объёме [материала] формируется этими частицами, а не кривизной поверхности».
NanoVox достигает таких оптических результатов за счёт легирования чернил наночастицами размером менее 10 нм. Компания изготовила машину для опытного производства, способную иметь до восьми печатающих головок с особыми чернилами в каждой. Эта система третьего поколения регулирует дозирование чернил, чтобы создавать оптику, в которой показатель преломления меняется с переходом от одного небольшого объёма к другому. Данная технология позволяет изготовить одну плоскую линзу, превосходящую по своим свойствам комбинацию нескольких изогнутых линз.
По словам Филда, потенциальный рынок для этой техники велик. Например, телефонные камеры используют для коррекции аберраций и искажений набор из восьми или девяти линз. Технология NanoVox, сводя количество линз к четырём, предоставляет производителям телефонов возможность сэкономить деньги и спроектировать более компактные изделия.
Для некоторых приложений рост этого рынка может иметь решающее значение. Например, у разных людей разное расстояние между глазами, а, как отмечает Нильс Фарбах, управляющий директор компании Printoptix, соответствие персональному расстоянию критически важно для высокой производительности AR/VR в умных или защитных очках. 3D-печать позволяет осуществлять персонализацию быстро и, в конечном счёте, без дополнительных затрат.
«При индивидуальном заказе нужно просто нажать кнопку — и принтер напечатает оптику по цене, не превышающей цену любой другой оптики», — говорит Фарбах о таких компонентах дисплея AR/VR, которые изготавливаются на месте.
Как утверждает София Родригес (Sofía Rodríguez), менеджер по маркетингу продукции Nanoscribe, новейший 3D-принтер и полимеры компании обеспечивают точность выравнивания до 100 нм. Это позволяет печатать оптические элементы произвольной формы непосредственно на оптическом волокне, волоконных решётках и фотонных чипах.
Расширение доступности материалов
В июне 2021 года Nanoscribe объявила о выпуске фотопластмассы из расплавленного кварцевого стекла, разработанной с использованием технологии «Glassomer». Этот материал позволяет выполнять 3D-печать микроструктур стекла, предоставляя пользователям более широкий ассортимент материалов.
Другие исследователи также изучают 3D-печать с использованием стекла. Например, Жунгуан Лян (Rongguang Liang), профессор Аризонского университета (University of Arizona), в этом году стал соавтором прорывной научной статьи, в которой была представлена жидкая кремнезёмная пластмасса, используемая при печати с 2PP[3].
Некоторые полимеры, отмечает Лян, со временем желтеют из-за того, что отверждаются под действием ультрафиолетового излучения. Кроме того, они поглощают воду, существенно расширяются и сжимаются при изменении температуры, а также мягче, чем стекло.
«Их оптические свойства не так хороши, как у стекла», — подчёркивает Лян.
Применив изготовленную на заказ пластмассу из расплавленного кремнезёма и разработанный для неё технологический процесс, он и его коллеги напечатали на 3D-принтере линзы, массив элементарных линз, решётки и оптику произвольных форм. Они продемонстрировали эффективность осуществляемой с помощью полученной оптики визуализации, используя шаблон разрешающей способности, логотип Университета Аризоны и биологические образцы.
По словам Фарбаха из Printoptix, для дальнейшего прогресса 3D-печати очень важно обеспечить наличие широкого спектра материалов. Одной из сильных сторон 3D-печати является то, что она позволяет производить выравнивание оптики. Это легко осуществимо, если одновременно печатать оптику, перегородки и крепления. Однако, если оптика пропускающая, то все компоненты, включая перегородки, прозрачны. В результате необходима постобработка, которая увеличивает стоимость и снижает общую производительность труда при изготовлении компонентов. Решить эту проблему и расширить сферу применения можно за счёт использования при 3D-печати разнородных материалов.
В основе одного из способов решения данной проблемы лежат различные показатели преломления, которые возможны, когда применяется процесс NanoVox. В настоящее время изменение показателя преломления составляет всего 0,15, но, по словам Филда, ведётся работа по расширению и, возможно, удвоению диапазона. Он также отметил, что компания работает над материалом и процессом 3D-печати с использованием стекла, но, скорее всего, пройдёт несколько лет, прежде чем результаты этой работы станут доступными для покупателей.
Оптимизация стоимости и продолжительности цикла
Чтобы добиться широкого коммерческого успеха, 3D-печать также должна стоить дешевле и/или обеспечивать более высокую производительность. Nanoscribe частично решает эту проблему, запуская в пилотном режиме альтернативные стратегии репликации. Например, как отметила Родригес, 3D-печать можно использовать для создания исходного компонента, который затем будет массово воспроизводиться с применением наноимпринтной литографии и литья под давлением.
Похожую стратегию использует компания Addoptics. По словам менеджера по маркетингу Меган Пейс (Meghan Pace), Addoptics изготавливает на 3D-принтере форму, которая применяется для производства оптики. Важно отметить, что компоненты, получаемые благодаря этой форме, практически не требуют последующей обработки. Такой подход сокращает продолжительность цикла изготовления прототипа с целых 18 недель до шести дней, а также позволяет получать форму, подходящую для массового производства.
Струйная печать по своей природе очень удобна для увеличения объёмов производства, отмечает Юрки Сааринен (Jyrki Saarinen), профессор Университета Восточной Финляндии (Itä-Suomen yliopisto). Он и его команда продемонстрировали и совершенствуют процесс мультиматериальной струйной 3D-печати для оптики произвольных форм.
«Самые крупные принтеры имеют десятки печатающих головок, установленных рядом друг с другом, — говорит Сааринен. — Одно и то же время требуется, чтобы напечатать 1 кв. см или 1 кв. м — печать одного компонента против печати сотен одного за другим».
Созданная NanoVox система пилотного производства третьего поколения, в которой используется VIRGO, способна производить 15 000 линз для очков или 300 000 объективов для мобильных камер в месяц. Это в сотни раз превышает производительность исследовательской системы компании, но всё ещё весьма скромно по сравнению с ежемесячно производимыми сотнями миллионов смартфонов.
Для дальнейшего увеличения производительности требуются изменения в оборудовании, материалах и технологическом процессе. Филд из NanoVox убеждён, что наиболее актуальные проблемы, стоящие перед 3D-печатью оптики, — это производительность процесса и стоимость продукции.
«Нужно просто-напросто выйти на такой уровень, когда эта продукция будет производиться по цене, подходящей для покупателя», — считает он.
Литература
1. J. Li et al. (2022). 3D-printed micro lensin- lens for in vivo multimodal microendoscopy. Small, Vol. 18, p. 2107032, www.doi.org/10.1002/smll.202107032.
2. G. Berglund et al. (2022). Additive manufacturing for the development of optical/photonic systems and components. Optica, Vol. 9, No. 6, pp. 623—638, www.doi.org/10.1364/optica.451642.
3. Z. Hong et al. (2022). High-precision printing of complex glass imaging optics with precondensed liquid silica resin. Adv Sci, Vol. 9, p. 2105595, www.doi.org/10.1002/advs.202105595.
Вам может быть интересно:
Нелокальные метаповерхности для будущих платформ дополненной реальности.