Three-dimensional direct laser written achromatic axicons and multi-component microlenses

——||| 背景介绍 |||——

3D激光直写是用于制造纳米和微光学器件和元件的一个最先进的技术。过去几年，已经开始研究3D激光直写与光学应用的可能，如内窥镜等。然而大多数结构都是使用一种光刻胶，限制了光学性能。对于光学性能，像差是至关重要的，通过使用非球面或者多镜头可以对像差进行校正。但是这样无法对色差进行校正，包括横向色差和轴向色差。通过折射衍射表面组合或者不同色散特性的材料组合可以实现色差的校正。

——||| 创新与结论 |||——

在该研究中，展示了通过两种不同光刻胶的组合即IP-S和IP-Dip，利用激光直写技术制备了两种消色差透镜，一个是消除横向色差的轴透镜，一个是Fraunhofer双合透镜，并实现了轴向色差的校正，同时显著提高了成像的质量。

——||| 图文一览 |||——

图1：不同光刻胶的色散曲线和阿贝数

（a）IP-S和IP-Dip的折射率测量值以及色散曲线。曲线由Sellmeier等式拟合。

（b）IP-S，IP-Dip，IP-L和OrmoComp的阿贝图。

小结：IP-S和IP-Dip具有不同的折射率和分散度。由于阿贝数不同，可以组合起来实现消色差透镜。

表1：在500nm到900nm波段，测量光刻胶IP-S和IP-Dip的折射率

使用自动化的Pulfrich折射率计进行测量。

图2：仿真、制造和测试结果图

（a）锥透镜和消色差锥透镜的设计和光束路径（蓝色为IP-S，灰色为IP-Dip）。锥透镜中可以明显看到横向色差（TCA），消色差锥透镜可以校正色差。

（b）单轴透镜（左）和消色差轴透镜（右）在显微镜下的照片，直径为500um。

（c）单轴透镜（左）和消色差轴透镜（右）在焦平面上强度分布的测量结果。

小结：先利用IP-Dip制造灰色部分结构，再用IP-S制造剩余部分。对于测量，采用白光光源照射进行。在单轴透镜产生的和波长相关的彩色带中，可以明显看出色散效应，然而消色差轴透镜得到的是白色环。说明了该透镜实现了消色差功能。

图3：单透镜和Fraunhofer双透镜的设计和光路图

（a）单透镜的光路图。

（b）Fraunhofer双透镜的光路图。（蓝色为IP-S，灰色为IP-Dip）

小结：由于色散，单透镜对于不同波长具有不同的焦距（有轴向色差），而Fraunhofer双透镜则校正了在500-700nm的轴向色差，所以具有同一焦距。

图4：制备和测试结果图

（a）制备的Fraunhofer双透镜的显微镜照片。直径500um

（b，c，d）分别在离傍轴焦平面-100um，0um，100um下，由500nm光源照射下得到的光斑图。横向比例尺为35um（从一端到另一端）

小结：利用500nm光源照射Fraunhofer双透镜，得到不同位置的光斑图。

图5：两种透镜沿光轴的不同波长下的强度分布。

（a，b）单透镜和Fraunhofer双透镜（f=3mm）在500nm，600nm，700nm分别照射下，沿光轴的强度分布图。

（c）单透镜和Fraunhofer双透镜仿真与测量的轴向色差。

小结：从（c）可以知道测量值与仿真完全符合。可以明显的看出来Fraunhofer双透镜的轴向色差得到校正。

图6：成像质量测试

（a，b）分别使用单透镜和Fraunhofer双透镜成像性能的USAF 1951测试靶的成像。

（c）在单透镜和Fraunhofer双合透镜的成像结果（第三组，元素3）的比较图。

小结：在（c）可以清楚地看到单透镜（左）图像中的色度误差，而Fraunhofer双合透镜（右）则是补偿这些误差。通过不同折射率光刻胶的组合，可以有效的减低色差，显著提高成像质量。

——||| 点评 |||——

该文通过组合两种光刻胶（IP-S和IP-Dip）证明了其对色差校正的可能性。通过3D激光直写技术制造一个消横向色差的轴透镜，一个Fraunhofer双合透镜来实现了轴向色差的校正，显著提高了成像质量。这一方法为使用多种光刻胶的组合实现各种微光学系统铺平了道路。

Michael Schmid, Simon Thiele, Alois Herkommer, and Harald Giessen, "Three-dimensional direct laser written achromatic axicons and multi-component microlenses," Opt. Lett. 43, 5837-5840 (2018)

https://doi.org/10.1364/OL.43.005837

翻译作者：秦燕亮