Microlensjes zo dun als een haar rollen uit de printer

Materiaalkunde Een ultradunne endoscoop voor lichamelijk onderzoek behoort tot de mogelijkheden dankzij de uitvinding van microscopisch kleine lensjes.

Microlensjes uit de 3D-printer. Om hun interne structuur te laten zien is er een kwart uitgesneden. Een enkel lensje geeft een scherp beeld in het midden van het blikveld, maar heeft last van vervorming en onscherpte aan de randen. Met twee of drie aanvullende lensjes, die in één moeite door geprint kunnen worden, is het resultaat al een stuk beter. Foto’s Nature Photonics

Het klinkt als iets waar James Bond en Q wel raad mee zouden weten: een camera-objectief, het optische deel van een camera, met een doorsnee van 120 micrometer: ongeveer zo dik als een mensenhaar.

In het blad Nature Photonics beschrijven Timo Gissibl en collega’s van de Universiteit van Stuttgart hoe ze zo’n doorgeminiaturiseerd objectiefje ge-3D-print hebben, en monteerden op het uiteinde van een dunne glasvezel.

Zoiets is heel handig als endoscoop, suggereren ze, een medisch onderzoeksinstrument om in het lichaam te kijken. Met 0,21 millimeter dikte kan de vezel-plus-objectief gemakkelijk met een injectienaald ingebracht worden, en doorgeschoven tot in kleine bloedvaten of lichaamsholten.

Maar dat is toekomstmuziek: wat de onderzoekers werkelijk laten zien is dat hun micro-objectief een scherp, natuurgetrouw beeld geeft, en dat het gemakkelijk binnen uren te maken is met multifoton-lithografie, een 3D-print-techniek. Daarbij hardt een vloeistof selectief uit tot transparant plastic, onder invloed van licht. Twee bundels infrarood licht kruisen elkaar binnenin de vloeistof. Alleen in het gefocusseerde kruispunt van de twee bundels is de lichtintensiteit sterk genoeg om de vloeistof te laten uitharden. Het micro-objectief krijgt zo zijn vorm door de vloeistof voxel voor voxel uit te laten harden (een ‘voxel’ is het 3D-equivalent van een pixel).

Optische afwijkingen

Afzonderlijke microlenzen op de schaal van tientallen micrometers zijn wel eerder gemaakt, maar deze techniek biedt de mogelijkheid om de vorm nauwkeurig te bepalen, en om meteen een combinatie van meerdere lenzen te printen.

Het gebruik van een enkele, bolle lens geeft wel scherpe beelden, maar alleen in het midden van het gezichtsveld. Daarbuiten wordt het beeld snel minder scherp, en daarnaast geeft het ook andere optische afwijkingen, zoals tonvormige vertekening en astigmatisme (cilinderafwijking).

In objectieven van camera’s en projectoren worden zulke afwijkingen gecompenseerd met ‘asferische’ lenzen, met complexere oppervlakken dan de bolvormige lensvorm. De Duitsers printten ook zulke asferische lenzen, samen met een omhulsel dat de lenzen op zijn plaats houdt.

Het objectief monteerden ze op een speciale optische vezel, die 1600 pixels over een afstand van 1,7 meter kan transporteren. De beeldkwaliteit testten ze met een beeldchip.

Je zou het objectief ook kunnen gebruiken om dunne bundels licht plekke te projecteren, opperen de onderzoekers, en ze zien ook mogelijkheden om het instelbaar te maken. De ruimtes tussen de lensjes zijn nu gevuld met lucht, maar die zou je ook kunnen vullen met vloeistof, die je vervolgens onder druk brengt. Daardoor vervormen de lensjes, en kun je scherpstellen, is het idee.

Toch zouden James Bond en Q hard op zoek moeten naar een sexy spionagetoepassing: de afstand waarop het micro-objectief nu scherpe beelden levert is 3 centimeter.

    • Bruno van Wayenburg