Research press release


Nature Photonics

3D printing microlenses

これまでにない高い光学品質の微小な複合マイクロレンズが、イメージセンサーなどの小型構造体の表面や、髪の毛2本分の太さしかない内視鏡(空洞臓器の検査に使用される)用光ファイバーの先端部に直接3D印刷できるようになったことが、今週のオンライン版に報告される。こうした高性能複合レンズは、わずか約0.1 mmの大きさなので、塩粒ほどの大きさのマルチレンズやマイクロスケールのイメージングシステムを実現可能にする。

現行のレンズ製造工程では、レンズの大きさと形状が限られるため、光学性能に制限がある。高い光学性能と収差補正を実現するには、非球面形状のマルチレンズ素子が必要である。Timo Gissiblたちは、フェムト秒レーザーによる直接書き込みシステムを用いて、およそ0.1 mmの大きさのマルチレンズシステムを3D印刷した。マルチレンズシステムは、容器状支持体の中で複数のシングレットレンズ(単レンズ)を組み合わせて複合レンズにした構造であり、1秒間に数センチメートルの速さで印刷される。

Gissiblたちは、普通の注射針の中にすっぽり入るほど細い光ファイバー(長さ1.7 m)の先端部にトリプレットレンズシステムを直接印刷し、このシステムが、レンズから3 mm離れた物体を光ファイバーの反対側の端にうまく結像できることを示している。最後に、4つの屈折界面を有するレンズシステムアレイを、デジタルカメラに使用される5メガピクセルのCMOSイメージセンサー上に印刷できることを示している。今回の方法は、次世代内視鏡や、小型ロボットやドローン用のCMOSセンサー上に直接配置される高品質イメージング素子といった小型光学装置の印刷に向けて道を開くものであると、Gissiblたちは結論づけている。

Tiny 3D printed compound lenses of unprecedented optical quality can now be printed directly onto small structures including image sensors, or even the tip of an optical fibre - just two hairs wide - for use as an endoscope (used to explore the body cavity or hollow organs). Described in a paper published online this week in Nature Photonics, the high-performance compound lenses are only about 0.1 mm in size and enable multi-lens and microscale imaging systems around the size of a grain of salt.

Current lens manufacturing processes limit the size and shape of lenses, hampering their optical performance. Multi-lens elements with non-spherical shapes are required for high optical performance and to correct for aberrations. Timo Gissibl and colleagues used a femtosecond direct laser writing system to 3D print multi-lens systems that are about 0.1 mm in size. The multi-lens systems feature multiple singlet (simple) lenses that are combined into a compound lens within a supporting shell, and the systems can be printed at a rate of centimetres per second.

The authors print a triplet lens system directly onto the end of an optical fibre that is so thin it fits inside a typical syringe needle and show that objects 3 mm from the lens can be successfully imaged at the other end of the 1.7-m-long optic fibre. Finally, they show that arrays of lens systems with four refractive interfaces can be printed onto 5-megapixel CMOS image sensors (used in digital cameras). The authors conclude that their method paves the way towards printed optical miniature instruments such as next-generation endoscopes and high-quality imaging elements directly on CMOS sensors for miniaturized robots and drones.

doi: 10.1038/nphoton.2016.121


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