Creación de lentes de cámara funcional con impresión en estereolitografía de Formlabs


La idea de una cámara completamente impresa en 3D , una máquina con muchos componentes complejos, ha estado flotando en Formlabs desde que experimentamos por primera vez con la creación de lentes impresas en 3D .

Nuestro ingeniero de aplicaciones, Amos Dudley, asumió el desafío y creó la primera cámara de lentes intercambiables totalmente impresa en 3D, producida íntegramente en una impresora 3D SLA de Formlabs .

La primera cámara de lentes intercambiables totalmente impresa en 3D se fabricó íntegramente en la Form 2.


La impresión 3D con resina transparente y estereolitografía (SLA) de Formlabs puede crear objetos transparentes que, con un poco de procesamiento posterior, pueden volverse ópticamente claros. La última impresora 3D SLA de Formlabs, la Form 3 , lleva la claridad un paso más allá mediante el uso de un tanque de resina flexible que reduce las fuerzas de pelado, lo que da como resultado piezas más claras con un acabado de superficie suave.


La lente de una cámara es un emocionante caso de prueba para la posibilidad de impresiones ópticamente claras porque los resultados se ven y se miden muy fácilmente en la película.


Lea nuestra guía para obtener una lista de métodos de acabado para crear piezas claras impresas en 3D para una variedad de aplicaciones, desde óptica hasta tubos de luz y fluídica.


Paso 1: Diseñar la lente, equilibrar la distorsión


La fabricación de una lente funcional comienza con el diseño adecuado de la lente. El software de diseño óptico ayuda a los diseñadores de lentes a predecir el comportamiento de una lente y las restricciones que la lente impondrá en una cámara.


Los diseñadores de lentes profesionales usan paquetes ópticos como Zemax y Code V , pero estos programas pueden costar miles de dólares. Los paquetes de software gratuitos y de código abierto como Optical Ray Tracer son alternativas adecuadas.


Los objetivos de las cámaras comerciales utilizan varios elementos para corregir las distorsiones ópticas que suelen afectar a los objetivos esféricos, como la aberración esférica, el coma y la curvatura de campo. En aras de la simplicidad, la cámara impresa en 3D está diseñada en torno a un único elemento de lente esférica.



La imagen inferior muestra cómo una apertura más pequeña aumenta el enfoque.


Cada lado de una lente esférica es una sección de una esfera con un radio dado. Al insertar el valor del índice de refracción de la resina transparente (1,5403) en el rastreador de rayos ópticos, se muestra que una lente simétrica con un radio esférico de 50 mm se enfoca aproximadamente a 47,5 mm del centro de la lente.


Una lente de un solo objetivo para una cámara necesita equilibrar la potencia óptica con la distorsión. Una lente de longitud focal larga y baja potencia tendrá menos distorsión, pero un campo de visión estrecho. Es difícil apuntar una cámara si el campo de visión de su lente es demasiado estrecho. Reducir el tamaño de la apertura ayuda a eliminar cierta distorsión de coma, como se ve arriba.


Un buen compromiso entre estos factores es una distancia focal de 50 mm, que es lo suficientemente amplia como para colocar un sujeto dentro del marco.



La lente se modela como la intersección de dos esferas y un cilindro.


Una vez que se diseña la lente, se puede modelar en un programa CAD. Dado que la lente es simétrica, esto es tan simple como cruzar dos esferas de 50 mm a la distancia correcta. La distancia define el radio y el grosor de la lente, pero no afecta radicalmente a la óptica. La lente fue diseñada para tener 40 mm de diámetro con un borde cilíndrico de 2 mm.


Paso 2: Óptica de impresión 3D con una impresora 3D de Formlabs

Si imprime en 3D en una impresora 3D SLA de Formlabs, considere diferentes orientaciones y resoluciones para imprimir sus lentes en 3D:

  • Una lente impresa en 3D horizontalmente puede tener artefactos de línea de capa hacia el centro del eje de la lente.

  • Una lente impresa en 3D perfectamente verticalmente puede estar sujeta a cierta distorsión causada por el proceso aditivo.

Las lentes más claras se imprimieron en un ángulo de 30° con respecto a la plataforma de construcción, con soportes colocados solo a lo largo del borde para evitar marcas de soporte en las superficies importantes de las lentes.


Paso 3: Abordar los desafíos en el acabado

Probar diferentes métodos de pulido de lentes, incluido el lijado a mano y el pulido a máquina.


Probamos tres métodos para pulir lentes hasta obtener claridad óptica: lijado manual, lijado automático y inmersión.


Intento 1: lijado manual


Utilizamos una gama de lijas y almohadillas de micromalla con granos de 400 a 12000, en incrementos de 200, y lentes pulidas hasta lograr un acabado muy suave. Esto se hizo lentamente y con mucho cuidado para limpiar la lente entre los niveles de grano y eliminar los rayones del nivel anterior antes de pasar al siguiente.


Con alrededor de 3000 granos, las lentes impresas en 3D SLA se vuelven brillantes y muy suaves al tacto. Por grano 12000, son reflectantes.


Para hacer una lente impresa en 3D ópticamente clara, todas las líneas de capa deben eliminarse por completo, lo que no fue posible a mano. A pesar de que las lentes eran suaves al tacto, los reflejos aún parecían borrosos y aún se veían microarañazos al sostener las lentes en un ángulo poco profundo con respecto a la luz.


La lente era clara como una lupa, pero como lente de enfoque no era lo suficientemente precisa.


Intento 2: lijado automatizado


Era difícil controlar la cantidad de material lijado en las primeras etapas del lijado manual, donde se eliminaba la mayor parte de las líneas de capa. El siguiente paso fue probar un método automatizado para reducir las líneas de capa.


Amos diseñó e imprimió una máquina pulidora de lentes con la esperanza de reducir parte del error.

La velocidad de rotación de la lente en la máquina pulidora de lentes está controlada por un Arduino.


Dentro de la máquina de lentes, la lente gira contra el interior de un plato con el mismo radio esférico. El plato también gira, pero fuera del eje de la lente en 45 grados, ya una velocidad diferente.


La lente está conectada a un servomotor con un acoplamiento cinemático que combina piezas impresas en 3D, resortes y pequeños remaches. El acoplamiento mantiene la lente presionada firmemente, pero de manera flexible, contra el plato y permite que se “tambalee” a medida que gira. El plato contiene una pequeña cantidad de agua y compuesto de pulido de diamante como abrasivo, y está hecho de la misma resina transparente que la lente.


La máquina redujo rápidamente las líneas de capas, pero no podía usarse fácilmente para todo el proceso. El plato tendría que ser reemplazado entre las capas de pulido para que la arena no se transfiera a niveles más finos de pulido.

Las lentes impresas en 3D sin terminar descansan sobre una plataforma de construcción después de lavarlas con alcohol isopropílico.


Intento 3: Inmersión


Mientras pegaba algunas impresiones, Amos notó que las lentes impresas en 3D se volvían significativamente más claras cuando se recubrían con un material viscoso como epoxi, y decidió sumergir las lentes en resina líquida y luego curarlas con luz ultravioleta. La resina viscosa llenó capas y rayones, formando una superficie completamente lisa.


La resina tiene una tendencia a formar burbujas cuando se agita, como sumergiendo una lente, pero estas pueden eliminarse volteando la lente sobre el tanque de resina y dejando que la resina se acumule y drene desde el centro.


La capa de resina debe ser lo más delgada posible y al mismo tiempo eliminar las líneas de la capa. Las últimas burbujas restantes se extrajeron con una jeringa y la lente se poscuró por completo bajo una lámpara UV antes de sumergir el otro lado.


El resultado


Tres etapas de lentes bañadas en resina, con la lente final a la izquierda.


Las lentes impresas en 3D sumergidas en resina son extremadamente suaves, con reflejos superficiales claros y nítidos. Esta técnica también se puede usar para otras impresiones SLA para darles un acabado aún más suave, aunque tiende a reducir los detalles.


El proceso de inmersión también altera ligeramente la distancia focal, por lo que Amos diseñó e imprimió un dispositivo de prueba de lentes. El dispositivo tiene roscas de tornillo que permiten que la lente se acerque y se aleje del plano de imagen girando la rueda y verifica experimentalmente la distancia focal de la lente.



El probador de lentes montado en una cámara digital para una retroalimentación instantánea.


El diseño del cuerpo de la cámara evolucionó de una masa simplificada de elementos funcionales a mejoras basadas en la ergonomía y la escala, a medida que aprendí más sobre la resistencia del material.

Los elementos básicos de una cámara son:

  • cartucho de película

  • Trayectoria de la película a través del marco

  • Carretes de recogida de película en el otro lado del marco

  • Un conjunto de engranajes para hacer girar los carretes a la velocidad adecuada

  • un obturador

  • Un plano de apertura

  • una lente

  • Una puerta para acceder a la película.

  • Una caja a prueba de luz para guardarlo todo

masa funcional


El cuerpo de una cámara impresa en 3D podría parecerse a cualquier cosa, pero decidí optimizar el diseño para la velocidad de impresión y el uso del material. La mayoría de las piezas más grandes están diseñadas sin voladizos en una orientación, por lo que se pueden imprimir sin soportes, directamente desde la plataforma de construcción. Separar el cuerpo en módulos me permitió crear prototipos de cada componente individualmente. El obturador y la lente son módulos y se pueden cambiar por diferentes diseños sin volver a imprimir toda la cámara.


Las juntas de regazo evitan que la luz entre en el cuerpo de la cámara.

35 mm es el estándar de película más común y la elección natural para SLO. También es el único tamaño de película que todavía es relativamente fácil de revelar a un precio razonable. La elección de un tamaño de película informa muchos aspectos del diseño y la función de una cámara. La película de 35 mm define una cámara como un dispositivo portátil de mano, y una lente de una cámara de 35 mm se puede usar en una cámara digital de fotograma completo, así como en sensores más pequeños como el Olympus Micro 4/3 (con algo de recorte).


Trabajo en una impresora Form SLA , que extrae piezas de resina curada con láser. Las resinas tienen diferentes propiedades materiales, que varían en resistencia y flexibilidad. Las piezas de resina deben diseñarse en la escala correcta para equilibrar la fricción, la masa y la durabilidad. Descubrí que las piezas impresas en la Form deben diseñarse con tolerancias de ±0,075 mm para encajar entre sí de manera confiable y espacios libres de 0,25 mm para moverse sin problemas en ensamblajes cinéticos. La mayoría de las piezas de resina tienen una alta fricción y necesitan estar bien lubricadas, o se desgastarán rápidamente.


La película pasa a través de la cámara mediante una varilla dentada y luego se recoge sin apretar mediante un carrete de recogida secundario. La rueda dentada está orientada a un indicador que te muestra cuándo estás en el siguiente cuadro.



Seis revoluciones del indicador es un rollo de 24 tiros.


Finalmente, una apertura ajustable se encuentra detrás de la montura de la lente.


La película se carga a través de una puerta en la parte posterior de la cámara. Hay dos botones del obturador que alternan con cada pulsación del obturador y se pueden presionar planos para una exposición prolongada. ¡Más sobre eso más tarde!


La puerta de acceso se bloquea con un botón para abrirla.


la lente


Crear una lente con una impresora 3D es un desafío: su impresora FDM típica no es suficiente aquí. Una lente es la parte más importante de una cámara, es el factor más importante en la calidad de la imagen. La suavidad de la superficie de una lente debe ser excepcionalmente alta para que la luz se enfoque en un plano de imagen. Una impresora de estereolitografía puede hacer una lente porque las partes pueden ser sólidas, duras, uniformes y transparentes. Sin embargo, las impresiones salen de la máquina translúcidas y esmeriladas, incluso con la resolución de impresión más alta de 25 micrones por capa.


A diferencia del acrílico, la resina transparente no se puede pulir con llama ni con vapor de acetona como el plástico ABS. ¡Se puede lijar hasta que quede suave!


Empecé a mano con grano 400 y subí a grano 12000 en incrementos de 200 y un juego de almohadillas de pulido de micromalla. Este proceso tomó alrededor de 5-6 horas por lente y mucho esfuerzo. Traté de lijar lo más uniformemente posible para evitar el pulido desigual de regiones planas en la lente. El resultado fue mixto: las lentes parecían transparentes, pero no eran ópticamente nítidas. Los reflejos de la superficie aún eran borrosos, lo que es una señal de que una superficie todavía tiene surcos microscópicos que dispersan la luz.

Decidí probar un proceso similar al que se usa en la fabricación de lentes comerciales, donde se muele una lente contra una forma esférica (cóncava o convexa) con una suspensión abrasiva entre los dos. Hice un prototipo de una máquina que haría esto por mí, con la esperanza de eliminar una cantidad uniforme de material de la lente de una manera que no era posible a mano.

El plato es una sección esférica con el mismo radio que la lente. Tiene una rotación fuera del eje (girada por un taladro eléctrico) para asegurarse de que el centro de la lente obtenga el mismo pulido que los bordes. La lente en sí gira contra el interior del plato, unida a un motor por un enlace cinemático accionado por resorte que permite que la lente se mueva lateralmente y "flote" contra la superficie del plato sin perder contacto. La lente y el plato girando a diferentes velocidades trazan un patrón caótico que se aproxima a la aleatoriedad. Usé compuesto de lapeado como abrasivo.


Hacer funcionar la máquina pulidora durante unos minutos suavizó muchos rasguños más pequeños, pero sin un compuesto de grano significativamente más grueso, tuvo dificultades para esmerilar las ranuras más grandes de la lente. También se necesita un plato limpio para cada nivel de grano para evitar raspar profundamente la lente cuando se trabaja con granos más bajos. Si esto sucede, el proceso debe reiniciarse.


Simulé mis lentes en Optical Ray Tracer para averiguar si una sola lente de objetivo esférico podría alguna vez ser capaz de resolver una imagen con valores bajos de R. Se puede resolver una imagen decente siempre que la apertura sea apropiadamente pequeña.



Una sola lente esférica no puede enfocar bien la luz fuera del eje, por lo que la limito con una apertura de 16 mm o f/3.125. Incluso f/3 resulta ser una apertura demasiado grande para mi objetivo, aunque me alegra tener la opción de fabricar objetivos más complejos en el futuro.


La simulación muestra que una lente asférica con un perfil hiperbólico podría funcionar mucho mejor que una lente esférica. Normalmente, las asféricas son difíciles de fabricar, pero debería ser posible con una impresora 3D, ¿verdad? En realidad, la divergencia entre una lente esférica y una lente hiperbólica optimizada es de aproximadamente 50 micrones como máximo, lo que significa que es poco probable que haga una diferencia significativa con el método de pulido por inmersión que estoy usando.


Las lentes multielemento también son bastante desafiantes. No tengo un buen proceso para pulir superficies cóncavas, y las lentes de elementos múltiples generalmente usan dos tipos de vidrio con dos índices de refracción diferentes. Solo tengo el tipo de resina transparente. Sería necesario un sistema de elementos múltiples para fabricar tipos de lentes más interesantes, como Double Gauss o lentes de zoom.


Noté que la resina se vuelve muy clara cuando se cubre con epoxi u otros líquidos viscosos que llenan los valles de la capa microscópica. Descubrí que es posible hacer una lente muy suave sumergiendo una impresión limpia en resina y curándola con luz ultravioleta. Esto solo funciona para formas convexas: las lentes cóncavas hacen que la resina se acumule y forme una superficie plana.


Las lentes tenían una distancia focal teórica, determinada por la ecuación de la lente.

El proceso de moler y sumergir lentes cambia casi definitivamente la distancia focal, al aplanar la superficie en una cantidad desconocida. Probar la lente en la cámara impresa sería lento y costoso, así que creé un probador de lentes impresas. Es básicamente un micrómetro hueco de gran tamaño, que permite que la lente se monte en una cámara Olympus OM-D Micro Four Thirds.

Al girar la rueda, la lente se mueve lentamente hacia adentro o hacia afuera sobre hilos impresos, ajustando la distancia de la lente desde el plano focal. De esta manera, pude ver de inmediato si una lente era lo suficientemente buena para mi cámara y probar la distancia focal real de cada una.

Parece que sumergir una lente en resina lo deja muy claro!


El obturador


Empecé con un diseño basado en el Agfa Ansco Shur-Shot, que tenía un obturador de disco accionado por resorte. El disco tenía un agujero circular que pasaría por la abertura mientras giraba. El tamaño del disco tiene que ser muy grande en comparación con el tamaño de la apertura. La Agfa tiene una apertura fija muy pequeña y es una cámara bastante grande. No cabría en el SLO.

El siguiente diseño tomó el obturador Agfa y giró el mecanismo 90 grados para que quedara perpendicular a la lente. Convertí el disco en un cilindro giratorio con dos ranuras cortadas en lados opuestos que revelarían el marco a medida que giraba el cilindro. Este diseño funcionó en teoría y en los primeros prototipos, pero el resorte que volteaba el cilindro se rompía después de unos 20 disparos. Además, el cilindro era bastante masivo y ocupaba mucho espacio. Esto significaba que la cámara se limitaba a lentes con una distancia focal superior a 70 mm, y la cámara temblaba cuando giraba el obturador.


Un resorte impreso "agitó" el cilindro entre sus dos posiciones.


Una distancia focal más corta es una necesidad para una cámara impresa: una distancia focal larga equivale a un campo de visión estrecho. Es muy difícil colocar un objeto específico en el encuadre con un FOV estrecho y sin visor.


Necesitaba un obturador plano que ocupara menos profundidad y permitiera una lente de ángulo más amplio. Abandoné las transmisiones por resorte y pasé a un sistema de engranajes que no sería vulnerable a romperse. Encontré una referencia de un obturador de 1885, con dos planos que giran en sentido contrario y un enlace de traslación.







Esta es la única imagen que pude encontrar del mecanismo de CJ Wollaston, pero es suficiente para replicarlo digitalmente.


Usé el sistema de animación de Blender para optimizar el mecanismo para el espacio, maximizando el tamaño de la apertura y minimizando el espacio utilizado. Usé el mismo accionamiento de piñón y cremallera del cilindro. La barra de enlace se desliza cuidadosamente debajo de la botonera cuando está en la posición hacia arriba y se aparta cuando baja.

Pasos de optimización del obturador.

¡Funciona!

Post de Amosdudley , Daniel Willenson, Ben Frantzdale, Rob Chron y Formlabs