近日，根據德國卡爾斯魯厄理工學院的發現，通過啟用更精確的預補償，有助于在各種應用中開發具有改進性能的微光學元件。技術的核心在于通過高分辨率成像來識別并補償打印過程中的偏差，從而提升微光學元件的形狀精度和光學性能。借助MNTech納微領航的分享，本期3D科學谷與谷友共同領略關于共聚焦光學顯微鏡對3D激光打印微光學元件進行迭代預補償的技術突破。

▲論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202309356

3D科學谷洞察

通過雙光子聚合技術，可以精確控制光電子器件的微觀結構，從而提高其性能，如提高光電子轉換效率、增強信號傳輸速度等。這對于光通信、光存儲、傳感器等領域的應用具有重要意義。”

這項研究是由德國卡爾斯魯厄理工學院的Jannis Weinacker所在團隊進行的，發表于Advanced Functional Materials。他們致力于開發一種利用共聚焦光學顯微鏡對3D激光打印微光學元件進行迭代預補償的技術，以提高打印精度和光學性能。

近年來，3D激光納米打印技術在制造具有光學級表面質量的透明聚合物結構方面取得了顯著進展，為微光學元件的靈活制造開辟了廣闊的應用前景。這項技術利用飛秒激光誘導光聚合，將液態光刻膠材料在焦點處固化，通過精確控制激光束的路徑和能量，逐層構建出所需的微光學結構。團隊使用了Nanoscribe Quantum X儀器，這是一款高精度3D激光直寫設備，能夠實現納米級的分辨率和亞微米級的結構精度。然而，即使是最先進的3D雙光子激光打印系統，仍然存在打印結構與目標結構之間的偏差，限制了其在對精度要求較高的應用中的性能。團隊提出了一種創新的預補償方法，該方法利用共聚焦光學顯微鏡對打印結構進行高分辨率成像，并通過迭代反饋循環改進打印精度。

3D激光打印作為一種先進的制造技術，允許以高精度和復雜性創建三維物體。在微光學領域，它被用于制造各種元件，如微透鏡、衍射光學元件和光柵。然而，該過程的精度受到打印結構和目標結構之間偏差的影響，這些偏差可能由多種因素引起，包括材料收縮、激光束輪廓變化以及打印過程中的環境條件。為了解決這個問題，預補償技術應運而生。預補償是一種廣泛使用的技術，用于提高3D打印精度。它涉及在打印前修改設計，以補償預期偏差。

傳統的預補償方法通常依賴于對簡單幾何形狀（如立方體）的測量。然而，這些方法對于復雜的微光學元件來說是不夠的，因為它們的精度可能會受到元件復雜幾何形狀的影響。共聚焦光學顯微鏡作為一種高分辨率成像技術，可以提供有關3D打印元件表面形貌的詳細信息，為更精確的預補償提供了可能。通過使用共聚焦光學顯微鏡測量打印結構和目標結構之間的差異，可以獲得有價值的數據來改進預補償過程。

盡管共聚焦光學顯微鏡提供了高精度的測量數據，但仍然存在一些挑戰需要克服。首先，即使使用預補償算法，打印結構與目標結構之間的系統偏差通常仍大于不可控或“統計”偏差。其次，表征測量本身的噪聲和系統誤差，以及表征裝置和打印機坐標系之間不必要的平移和旋轉，都會影響預補償的精度。此外，設計坐標系和測量數據的精確對準也至關重要。對準不正確會導致計算錯誤，并在后續打印步驟中引入偽影。局部偏差，如拼接誤差和打印光束路徑中的高階光學像差，可能難以糾正。另外，共聚焦測量中的局部誤差（例如灰塵顆粒）不應進行預補償，因為它們與打印過程無關，并且不會系統地出現。

團隊提出了一種利用反射共聚焦光學高度測量作為反饋的預補償技術。該技術針對2.5D結構進行了優化，這些結構在工業中特別受關注，因為激光打印結構可以作為大規模復制的“母版”。預補償程序包括以下步驟：首先，使用Nanoscribe Quantum X儀器和IP-S光刻膠打印2.5D微光學元件。然后，使用光學顯微鏡測量打印和顯影后的樣品的形貌。最后執行預補償計算。

這項研究的關鍵創新在于：首先，通過設計數據與共聚焦光學測量數據的圖像互相關，確定兩個數據集之間的位移，精確到單個像素級別。該算法還可以考慮兩個坐標系之間的旋轉以及橫向方向上的輕微拉伸。其次，由于不假設任何解析模型，因此差異不是針對任何函數參數計算的，而是在兩個數據集之間逐像素計算的。因此，該方法還可以校正局部偏差。最后，為了消除測量誤差對下一次迭代打印結構的不利影響，應用特定濾波器以特定順序減少此類誤差和測量噪聲的大小，而不會消除來自打印本身的偏差。

     為了評估所提出的預補償技術的有效性，團隊對兩種不同類型的微光學元件進行了實驗：折射光學元件（微透鏡陣列）和衍射光學元件（DOE）。結果表明，即使是單次預補償迭代也能顯著提高形狀精度和光學性能。對于衍射光學元件來說，這種質量提升對其預期應用至關重要。雖然第二次預補償迭代可以進一步改善結果，但進一步的改進目前受到可用的器件形貌表征方法質量的限制。

總而言之，這項研究提出了一種靈活且有效的預補償3D激光打印微光學元件的程序。該方法利用共聚焦光學顯微鏡和圖像互相關分析來實現高精度對準和像素級校正。通過減少測量誤差的影響并解決局部偏差，該技術可以顯著提高打印元件的形狀精度和光學性能。此研究成果對3D激光打印微光學元件的制造具有重要意義。通過啟用更精確的預補償，該技術有助于在各種應用中開發具有改進性能的微光學元件。此外，所開發的程序Quandalf可供社區公開使用，促進該領域的進一步研究和開發。

來源
MNTech微納領航 l

共聚焦顯微鏡引導的3D激光打印微光學元件迭代預補償

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

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