近日，研究人員開(kāi)發(fā)出一種使用3D打印機(jī)制造低成本、高質(zhì)量的定制鏡片的新方法，可用于光學(xué)成像、視力矯正和疾病診斷。

由西北工程大學(xué)研究人員經(jīng)過(guò)兩年的研究開(kāi)發(fā)而成，高度5毫米、直徑5毫米的定制光學(xué)元件可在約四小時(shí)內(nèi)3D打印完成。

“到目前為止，我們嚴(yán)重依賴(lài)耗時(shí)且成本高昂的拋光鏡片工藝，”機(jī)械工程副教授Cheng Sun說(shuō)。他的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了3D打印工藝。通過(guò)3D打印，用戶(hù)可以快速自由設(shè)計(jì)和定制鏡片。

該研究于3月24日發(fā)布在Advanced Materials雜志上。它包括連接到Apple iPhone 6s的鏡頭拍攝的圖像，其中包括高質(zhì)量的飛蛾翅膀的詳細(xì)圖像和象鼻蟲(chóng)的翅膀上的斑點(diǎn)。

像所有的3D打印一樣，創(chuàng)建這些鏡頭涉及到層層堆疊的材料。Sun將建立鏡頭比喻為運(yùn)行電影放映機(jī)。Sun說(shuō)“我們不是將一幀圖像放在另一幅圖像上，而是將一幀圖像放在另一幀圖像的上面。這就像在垂直播放電影一樣?！?/span>

但是當(dāng)研究人員首次打印鏡片時(shí)，其由光固化樹(shù)脂制成的彎曲層產(chǎn)生了可見(jiàn)的階梯層。

“我們意識(shí)到，彼此之間的層會(huì)產(chǎn)生表面粗糙度，層厚通常為5微米，而可見(jiàn)光波長(zhǎng)為0.5微米左右，這會(huì)產(chǎn)生粗糙的表面，”他說(shuō)。“這是瓶頸，粗糙使鏡頭無(wú)法獲得清晰的光學(xué)元件?！?/span>

這導(dǎo)致了該組織的簡(jiǎn)單指導(dǎo)性研究問(wèn)題：我們能否在不降低打印速度的情況下使表面平滑？為了解決這個(gè)難題，Sun的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了兩個(gè)步驟，即分層和拋光。

“首先，我們使用灰度圖像在步驟之間創(chuàng)建更多的轉(zhuǎn)換，”Sun說(shuō)?！叭缓螅覀冇孟嗤墓夤袒瘶?shù)脂涂覆表面，形成了更加平滑表面的彎月面?！?/span>

結(jié)果是：表面光滑的透明鏡片。

“我在嘗試超過(guò)100次后才得到正確的結(jié)果，”機(jī)械工程博士候選人、研究的主要作者Xiangfan Chen說(shuō)。

然而，這款鏡頭并不是3D打印產(chǎn)生的第一款高品質(zhì)鏡頭。Sun說(shuō)，總部位于德國(guó)的Nanoscribe公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出精度為150納米的高精度毫微微秒3D打印機(jī)，但它以逐點(diǎn)方式構(gòu)建鏡頭而不是分層方式。

“這是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程，這是他們的局限性，”他補(bǔ)充說(shuō)?！拔覀兿Ｍ龀隹杀鹊牡俣雀臁①|(zhì)量更好的產(chǎn)品。”

“如果你想制作一個(gè)鏡頭，你想在兩個(gè)小時(shí)或兩個(gè)星期內(nèi)完成嗎？”Chen說(shuō)。“我們對(duì)這個(gè)鏡頭感到非常興奮?！?/span>

Sun說(shuō)，這個(gè)過(guò)程可能會(huì)導(dǎo)致大量的新設(shè)備在光學(xué)和生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

接下來(lái)，該小組將嘗試制造更大的鏡頭，并研究如何將3D打印鏡頭與醫(yī)療設(shè)備（如內(nèi)窺鏡或光學(xué)顯微鏡）相集成。“這些鏡頭可以幫助檢測(cè)一些遺傳疾病或癌癥，”專(zhuān)注于生物醫(yī)學(xué)和機(jī)械工程的博士后研究員Biqin Dong說(shuō)道。

Dong還設(shè)想，這些鏡頭可以由欠發(fā)達(dá)地區(qū)的醫(yī)生用于診斷成像，或由現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)家將其用作便攜式顯微鏡。該鏡片還可以制作成定制隱形眼鏡，適用于圓錐角膜引起的畸形角膜患者。 “隱形眼鏡將具有定制表面，使其與患者角膜的形狀相匹配，”Sun說(shuō)。

據(jù)悉，這項(xiàng)工作得到了國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的支持，以及Farley基金會(huì)的捐贈(zèng)。