客户成就 |3D打印X射线消色差微透镜

双光子聚合技术如何能帮助改善X射线成像技术？来自瑞士的保罗谢勒研究所和XRnanotech公司共同合作，使用Nanoscribe公司的3D微纳加工技术开发出了世界上第 一个X射线消色差微透镜。该新器件可以在无需进行聚焦调整的情况下横跨不同X射线能谱范围达到亚微米级别的消色差聚焦精度。

3D打印的折射微透镜模组（扫描电镜图）

X射线显微技术最突出的一个应用是在医疗诊断中的X光照相。它可以用于非创伤性分析一些组织，例如骨骼、器官以及其它身体组织。不仅在医学方面X射线技术提供了强大的诊断手段，由于它对材料的强穿透性，X射线显微镜还能帮助研究可见光波段下不透明物体的内部结构。同时由于波长较短，X射线还能为小至纳米尺寸的单个病毒提供高分辨率的图像。然而目前，基于X射线的显微技术总是受限于窄带宽的光源，原因是折射和衍射光学部件本身存在的球差会进一步使得不同的X射线能量带来不同的焦点位置。

消色差聚焦原理示意图：离焦折射透镜的色度充当了聚焦菲涅尔波带片色度的校正器。

双光子聚合技术助力高性能X射线消色差

来自瑞士保罗谢勒研究所的科研人员和XRnanotech公司的专家们注意到了这个问题，并且借助Nanoscribe公司的3D打印技术，合作研发了世界上第 一款X射线消色差器件。它包含两个部分，其一是由电子束曝光技术加工的菲涅尔波带片，其二是3D打印的四片垂直堆叠的抛物面折射微透镜模组。由双光子加工的微透镜模组作为核心部件，使得扫描透射 X 射线显微术在宽射线能量范围内仍能摆脱球差带来的负面影响。

6.0keV到6.4keV能量范围内使用消色差透镜模组（上排）和传统菲涅尔波带片（下排）下的扫描透射软X射线显微镜拍摄的图片。可以明显看到，第二行图像的对比度对能量的变化非常敏感，而第 一行在不同能量范围内，图像的质量则非常稳定。

高长宽比的复合折射微光学器件

球差校正的概念源于18世纪。当时，科学家将一块由冕玻璃做成的聚焦透镜和一块由燧石玻璃做成的散射透镜堆叠在一起，利用两种材料相异的色散属性达到了校正球差的效果。而现在，研究团队则需要克服一定的挑战将这类概念传递到X射线应用中。对于高能量的X射线，材料间的色散差几乎可以忽略，造成双透镜的概念不能被直接应用到X射线消色差中。因此，科研人员利用衍射和折射透镜相异的聚焦属性来达到X射线消色差的目的。折射元件的焦距与X射线波长平方的倒数成正比，衍射元件的焦距则与X射线波长的倒数呈正比关系。通过复合一块离焦折射透镜就可以消除聚焦菲涅尔波带片的球差。

3D打印的微光学透镜组

加工合适的用于X射线消色差的折射透镜对科研人员来说原本是一项巨大的挑战，因为不同于可见光，X射线本身并不容易发生折射。对于常规尺寸的透镜来说，理论焦距将变得无限长。来自瑞士的科研团队运用Nanoscribe的3D打印技术 打印了一组微透镜模组克服了这个困难。四片高236um，半径只有5.3um的微透镜被打印堆叠到了一起。由于X射线下材料的折射率略小于1，与可见光透镜的设计相左（通过同样形状的透镜来实现聚焦），科研人员打印了微凸透镜来离焦X射线。通过组合折射微透镜组和衍射菲涅尔波带片，该团队加工出了第 一款X射线消色差器件，可以在无需进行聚焦调整的情况下横跨不同X射线能量范围达到亚微米误差的精 准聚焦。因其无需频繁调整各项参数设置，这项进展为单色辐射的光谱领域开辟了新的应用。同时，在宽带X射线管光源的显微镜检查时通过利用来自光源的完整X射线图谱，还可以大幅减少扫描次数。得益于基于双光子聚合技术的3D打印技术——完全的设计自由度，科研人员考虑接下来调整折射微透镜的设计来进一步改善实验结果。

项目团队    保罗谢勒研究所     XRnanotech有限公司