共聚焦显微镜引导的3D激光打印微光学元件迭代预补偿

       近日，根据德国卡尔斯鲁厄理工学院的发现，通过启用更精确的预补偿，有助于在各种应用中开发具有改进性能的微光学元件。技术的核心在于通过高分辨率成像来识别并补偿打印过程中的偏差，从而提升微光学元件的形状精度和光学性能。借助MNTech纳微领航的分享，本期与网友共同领略关于共聚焦光学显微镜对3D激光打印微光学元件进行迭代预补偿的技术突破。

▲论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202309356

洞察

通过双光子聚合技术，可以精确控制光电子器件的微观结构，从而提高其性能，如提高光电子转换效率、增强信号传输速度等。这对于光通信、光存储、传感器等领域的应用具有重要意义。”

这项研究是由德国卡尔斯鲁厄理工学院的Jannis Weinacker所在团队进行的，发表于Advanced Functional Materials。他们致力于开发一种利用共聚焦光学显微镜对3D激光打印微光学元件进行迭代预补偿的技术，以提高打印精度和光学性能。

近年来，3D激光纳米打印技术在制造具有光学级表面质量的透明聚合物结构方面取得了显著进展，为微光学元件的灵活制造开辟了广阔的应用前景。这项技术利用飞秒激光诱导光聚合，将液态光刻胶材料在焦点处固化，通过精确控制激光束的路径和能量，逐层构建出所需的微光学结构。团队使用了Nanoscribe Quantum X仪器，这是一款高精度3D激光直写设备，能够实现纳米级的分辨率和亚微米级的结构精度。然而，即使是最先进的3D双光子激光打印系统，仍然存在打印结构与目标结构之间的偏差，限制了其在对精度要求较高的应用中的性能。团队提出了一种创新的预补偿方法，该方法利用共聚焦光学显微镜对打印结构进行高分辨率成像，并通过迭代反馈循环改进打印精度。

3D激光打印作为一种先进的制造技术，允许以高精度和复杂性创建三维物体。在微光学领域，它被用于制造各种元件，如微透镜、衍射光学元件和光栅。然而，该过程的精度受到打印结构和目标结构之间偏差的影响，这些偏差可能由多种因素引起，包括材料收缩、激光束轮廓变化以及打印过程中的环境条件。为了解决这个问题，预补偿技术应运而生。预补偿是一种广泛使用的技术，用于提高3D打印精度。它涉及在打印前修改设计，以补偿预期偏差。

传统的预补偿方法通常依赖于对简单几何形状（如立方体）的测量。然而，这些方法对于复杂的微光学元件来说是不够的，因为它们的精度可能会受到元件复杂几何形状的影响。共聚焦光学显微镜作为一种高分辨率成像技术，可以提供有关3D打印元件表面形貌的详细信息，为更精确的预补偿提供了可能。通过使用共聚焦光学显微镜测量打印结构和目标结构之间的差异，可以获得有价值的数据来改进预补偿过程。

尽管共聚焦光学显微镜提供了高精度的测量数据，但仍然存在一些挑战需要克服。首先，即使使用预补偿算法，打印结构与目标结构之间的系统偏差通常仍大于不可控或“统计”偏差。其次，表征测量本身的噪声和系统误差，以及表征装置和打印机坐标系之间不必要的平移和旋转，都会影响预补偿的精度。此外，设计坐标系和测量数据的精确对准也至关重要。对准不正确会导致计算错误，并在后续打印步骤中引入伪影。局部偏差，如拼接误差和打印光束路径中的高阶光学像差，可能难以纠正。另外，共聚焦测量中的局部误差（例如灰尘颗粒）不应进行预补偿，因为它们与打印过程无关，并且不会系统地出现。

团队提出了一种利用反射共聚焦光学高度测量作为反馈的预补偿技术。该技术针对2.5D结构进行了优化，这些结构在工业中特别受关注，因为激光打印结构可以作为大规模复制的“母版”。预补偿程序包括以下步骤：首先，使用Nanoscribe Quantum X仪器和IP-S光刻胶打印2.5D微光学元件。然后，使用光学显微镜测量打印和显影后的样品的形貌。最后执行预补偿计算。

这项研究的关键创新在于：首先，通过设计数据与共聚焦光学测量数据的图像互相关，确定两个数据集之间的位移，精确到单个像素级别。该算法还可以考虑两个坐标系之间的旋转以及横向方向上的轻微拉伸。其次，由于不假设任何解析模型，因此差异不是针对任何函数参数计算的，而是在两个数据集之间逐像素计算的。因此，该方法还可以校正局部偏差。最后，为了消除测量误差对下一次迭代打印结构的不利影响，应用特定滤波器以特定顺序减少此类误差和测量噪声的大小，而不会消除来自打印本身的偏差。

     为了评估所提出的预补偿技术的有效性，团队对两种不同类型的微光学元件进行了实验：折射光学元件（微透镜阵列）和衍射光学元件（DOE）。结果表明，即使是单次预补偿迭代也能显著提高形状精度和光学性能。对于衍射光学元件来说，这种质量提升对其预期应用至关重要。虽然第二次预补偿迭代可以进一步改善结果，但进一步的改进目前受到可用的器件形貌表征方法质量的限制。

总而言之，这项研究提出了一种灵活且有效的预补偿3D激光打印微光学元件的程序。该方法利用共聚焦光学显微镜和图像互相关分析来实现高精度对准和像素级校正。通过减少测量误差的影响并解决局部偏差，该技术可以显著提高打印元件的形状精度和光学性能。此研究成果对3D激光打印微光学元件的制造具有重要意义。通过启用更精确的预补偿，该技术有助于在各种应用中开发具有改进性能的微光学元件。此外，所开发的程序Quandalf可供社区公开使用，促进该领域的进一步研究和开发。

来源
MNTech微纳领航 l

共聚焦显微镜引导的3D激光打印微光学元件迭代预补偿

链接
https://doi.org/10.1002/adfm.202309356