提到光学透镜你可能会在日常生活中举出不少例子，如手机的摄像头、单反相机的镜头还有学校实验室中的显微镜。在这些光学透镜中，即使是体积较小的手机摄像头也是用肉眼可以轻松看到的。很显然，这些光学透镜只能安装在体积更大的设备中使用，而无法安装在微型的仪器中使用。如此说来人们如果需要制造一个像盐粒一样大小的监控镜头是不是无法实现了呢？
德国斯图加特大学的科学家在微型光学透镜的制造领域取得了进展，该成果已发表在 Nature Photonics杂志上。他们使用纳米级的3D打印技术制造的微型透镜仅相当于人类头发直径的2倍。有了这样的微型透镜，像盐粒一样大小的微型镜头、微型医学成像系统、带成像系统的微型无人机等设备的出现将成为可能。本期，3D科学谷将与谷友一起了解一下这项科研成果。
突破限制,走入微观世界
目前的透镜系统受到了尺寸、形状和制造技术的限制。具有非球面形状的多透镜元件要求具有高光学性能，并能够纠正图像在广角和大市场时形成的偏差。德国斯图加特大学的科学家，提出了一个光学透镜制造的新概念，克服了上述困难，并打开了纳米级3D打印技术在微观纳米复杂透镜设计领域中的全新应用。
在研究过程中，科学家进行了将多层透镜直接打印到针形设备上的完整过程，包括透镜的设计、使用双光子激光直写技术进行制造，以及进行100µm大小的多层透镜应用测试、通过多次调整传递函数和偏差的定量测量验证其性能和功能。
图 1：插入到针形设备的中空针内的光纤物镜（由三层透镜组成的透镜组）的彩色扫描电镜图像。
图片来源：Nature.com
图片中蓝色的复合物镜是被直接打印到红色的光纤中的，由成像应用的五个折射表面组成。
图2： 单层、双层、三层打印透镜系统的对比。
图片来源：Nature.com
每个打印对象高度约为115µm， 通过3D 飞秒激光直写技术直接打印在170-µm 厚的玻璃基板上。
图3：使用美国空军1951分辨率测试图对性能进行测量
图片来源：Nature.com
图4：纵向（轴向）色差的测量。
图片来源：Nature.com
图5：直接制造在CMOS 图像传感器上的双透镜系统的规则排列
图片来源：Nature.com
图6：直接制造在成像纤维的三层透镜系统。
图片来源：Nature.com
斯图加特大学科学家的研究为微型内窥镜、细胞生物纤维成像系统、新一代成像系统、光纤光镊系统、集成量子发射器和探测器、带自主视觉的微型无人机等微型光学仪器的制造铺平了道路。目前，这项科研成果的相关论文已发表在 Nature Photonics 杂志中，题目为：Two-photon direct laser writing of ultracompact multi-lens objectives。
斯图加特大学科学家在研究中使用的双光子激光直写技术是一种纳米级的3D打印技术。据3D科学谷了解，NanoScribe 公司的Photonic Professional GT 3D打印机正是使用了该技术。这种基于选择性固化液体物质的3D打印技术是双光子聚合技术，通过实用“飞秒脉冲激光”选择性逐层固化感光性树脂，打印机分辨率达到0.0001毫米。该技术的应用范围包括，光子学、微流道、生命科学 、纳米与微米工艺，以及斯图加特大学科学家在研究中所涉及的微光学器件制造领域。
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