研究员开发出3D打印低成本、高质量的定制镜片的新方法
近日，研究人员开发出一种使用3D打印机制造低成本、高质量的定制镜片的新方法，可用于光学成像、视力矫正和疾病诊断。由西北工程大学研究人员经过两年的研究开发而成，高度5毫米、直径5毫米的定制光学元件可在约四小时内3D打印完成。“到目前为止，我们严重依赖耗时且成本高昂的抛光镜片工艺，”机械工程副教授Cheng Sun说。他的实验室开发了3D打印工艺。通过3D打印，用户可以快速自由设计和定制镜片。
该研究于3月24日发布在Advanced Materials杂志上。它包括连接到Apple iPhone 6s的镜头拍摄的图像，其中包括高质量的飞蛾翅膀的详细图像和象鼻虫的翅膀上的斑点。像所有的3D打印一样，创建这些镜头涉及到层层堆叠的材料。Sun将建立镜头比喻为运行电影放映机。Sun说“我们不是将一帧图像放在另一幅图像上，而是将一帧图像放在另一帧图像的上面。这就像在垂直播放电影一样。”
但是当研究人员首次打印镜片时，其由光固化树脂制成的弯曲层产生了可见的阶梯层。“我们意识到，彼此之间的层会产生表面粗糙度，层厚通常为5微米，而可见光波长为0.5微米左右，这会产生粗糙的表面，”他说。“这是瓶颈，粗糙使镜头无法获得清晰的光学元件。”
这导致了该组织的简单指导性研究问题：我们能否在不降低打印速度的情况下使表面平滑？为了解决这个难题，Sun的团队开发了两个步骤，即分层和抛光。“首先，我们使用灰度图像在步骤之间创建更多的转换，”Sun说。“然后，我们用相同的光固化树脂涂覆表面，形成了更加平滑表面的弯月面。”
结果是：表面光滑的透明镜片。
“我在尝试超过100次后才得到正确的结果，”机械工程博士候选人、研究的主要作者Xiangfan Chen说。然而，这款镜头并不是3D打印产生的第一款高品质镜头。Sun说，总部位于德国的Nanoscribe公司已经开发出精度为150纳米的高精度毫微微秒3D打印机，但它以逐点方式构建镜头而不是分层方式。“这是一个耗时的过程，这是他们的局限性，”他补充说。“我们希望做出可比的但速度更快、质量更好的产品。”
“如果你想制作一个镜头，你想在两个小时或两个星期内完成吗？”Chen说。“我们对这个镜头感到非常兴奋。”Sun说，这个过程可能会导致大量的新设备在光学和生物医学成像领域有广泛的应用。接下来，该小组将尝试制造更大的镜头，并研究如何将3D打印镜头与医疗设备（如内窥镜或光学显微镜）相集成。“这些镜头可以帮助检测一些遗传疾病或癌症，”专注于生物医学和机械工程的博士后研究员Biqin Dong说道。
Dong还设想，这些镜头可以由欠发达地区的医生用于诊断成像，或由现场科学家将其用作便携式显微镜。该镜片还可以制作成定制隐形眼镜，适用于圆锥角膜引起的畸形角膜患者。 “隐形眼镜将具有定制表面，使其与患者角膜的形状相匹配，”Sun说。
据悉，这项工作得到了国家科学基金会的支持，以及Farley基金会的捐赠。
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