加拿大國家研究委員會：模糊斷層掃描——體積增材制造（VAM）新技術

來源： GK綠鑰生物科技

加拿大國家研究委員會Daniel Webber教授團隊在《ArXiv》期刊上發(fā)表文章“Micro-optics Fabrication using Blurred Tomography”，作者研究團隊開發(fā)一種新的體積增材制造（VAM）技術——模糊斷層掃描，在原有VAM打印光束中添加光束模糊，消除原有VAM技術中可能存在的條紋現(xiàn)象，實現(xiàn)光滑的表面，并且還能實現(xiàn)萬向打印，在不同方向打印均具有高分辨率與保真度，而且與現(xiàn)有VAM技術相比，在后處理方面只需要簡單的步驟就可以獲得打印樣品，而無需添加額外的處理儀器，模糊斷層掃描為VAM領域發(fā)展提供新思路，為VAM向低成本制造鋪平道路。

WHAT—什么是模糊斷層掃描？
模糊斷層掃描是指在現(xiàn)有的書寫光束式的VAM技術上，通過有意地在書寫光束中添加光學模糊，能夠實現(xiàn)與目標幾何形狀良好一致的光學光滑表面，并且模糊層析成像使光學元件的低成本和直接制造具有自由形狀設計特性的增材制造技術成為可能。作者展示了由模糊斷層掃描制造的三個不同的光學元件:1、具有和商業(yè)上可媲美的成像分辨率的平凸單透鏡；2、一個雙凸微透鏡陣列；3、將球透鏡套印在獨立光纖上。
WHY—為什么要采用模糊斷層掃描？傳統(tǒng)的VAM技術有什么限制？

通常在層析打印應用中，為了實現(xiàn)高分辨率，把書寫光束的尾端設計得很小，才能滿足用于計算層析投影的濾光反向投影方法的要求。但是這一要求是一把雙刃劍，因為由于自寫波導效應，它還將層狀偽影引入層析打印中。這會導致在某些結構（球類，圓柱類等光滑表面的模型）上出現(xiàn)偽條紋的效果，反而降低了保真度。而作者開發(fā)的模糊斷層掃描，通過有意引入光學模糊通過增加終端，減輕這些條紋導致光學粗糙的表面，實現(xiàn)光滑表面以及高保真的成型能力。
HOW—研究團隊開發(fā)模糊斷層掃描技術，實現(xiàn)高保真，低成本的體積增材制造。

圖1 使用模糊的斷層掃描技術創(chuàng)建光滑的表面

使用傳統(tǒng)的層析增材制造打印機來制造微光學元件（圖1 (a)）。打印系統(tǒng)由紫外投影儀(DMD)與遠心透鏡系統(tǒng)組成。從小瓶上方(圖1(b))和小瓶側面(圖1(c))可以觀察到，光樹脂小瓶的作用就像一個圓柱形透鏡，它將像散引入投影儀場，導致小瓶平面內(nèi)和沿著小瓶軸的點沿著投影儀的光學軸聚焦在不同點上。而在圖1(d)中，使用3DRT模擬下采樣投影儀像素所傳遞的劑量，并顯示了小瓶內(nèi)不同深度的平面，可以看到書寫光束的散光和模糊模擬情況。圖1(e)顯示了沿瓶軸(Z)和瓶面(X) -1.5 mm、0 mm和1.5 mm平面的橫截面切片。在小瓶中心(Y = 0 mm)，光束輪廓比小瓶平面上的光束寬度寬得多。當移動到小瓶的后方(Y = 1.5毫米)，沿著小瓶軸的寬度減少，隨后沿著小瓶平面延伸。通常，這種模糊是不可取的，因為它降低了打印過程的空間分辨率，并引入了劑量傳遞的不對稱性。然而，對于打印特征大于模糊點擴展的物體，它是優(yōu)先的，因為它消除了最終打印中的條紋，使生產(chǎn)光滑的表面成為可能。

圖2 玻璃與3D打印鏡頭的圖像性能比較

VAM打印平凸透鏡(曲率半徑3.1 mm，中心厚度1.5 mm，直徑3 mm)的示例如圖2所示。如圖2(b)所示，作者根據(jù)之前的研究組裝了VAM設備由白光LED，平凸透鏡準直，顯微鏡物鏡以及670 nm的帶通濾波器組成，其中加入VAM打印的透鏡與相同尺寸的商用玻璃透鏡作為光路之一，用于比較VAM打印的透鏡樣品以及商用透鏡樣品的效果。經(jīng)過兩種透鏡獲得的圖像分別顯示在圖2(c,g)和圖2(d,h)中。由于材料之間曲率半徑(2.94 mm vs 3.1 mm)和折射率的差異，打印透鏡拍攝的圖像被放大了4%，以匹配玻璃透鏡的比例。從質(zhì)量上講，打印透鏡的分辨率與商用等效透鏡相當，這表明這里的打印透鏡可以實現(xiàn)商用可比的成像性能。成像分辨率通過通過第4組線模式獲取線輪廓來量化，并分別繪制圖2(g)和2(h)中藍色和紅色區(qū)域的歸一化強度(NI)與場位置的關系，如圖2(k)所示，表明該VAM打印的透鏡的成像性能接近商用級。為了進一步強調(diào)這一點，作者測量了由VAM打印的透鏡聚焦的658nm激光的光斑大小，如圖2(j)所示，與玻璃透鏡接近。利用光學輪廓術和原子力顯微鏡(AFM)分別測量了打印透鏡的形狀誤差和均方根(RMS)表面粗糙度，VAM透鏡的測量高度接近于玻璃透鏡的曲率（圖2i,f）。

圖3 使用模糊斷層掃描技術打印微透鏡陣列

使用模糊層析成像技術打印3x3雙凸微透鏡陣列(MLA)，模型設計如圖3a所示。其中，每個透鏡都有一個曲率半徑為1 mm的球面(有效焦距= 1.57 mm)，并填充一個1mm X 1mm的方形孔徑。由于打印部件的尺寸限制，透鏡的表面法線與小瓶軸垂直打印(圖3(a))。在VAM中，這種配置導致稱為條紋的層狀缺陷，其表現(xiàn)為平行于投影機光軸的部件表面上的脊。在圖3(b)中可以看到使用常規(guī)VAM光學條件打印微透鏡陣列的條紋，但是無法對名片進行成像，這是由于層析投影僅針對主射線進行射線跟蹤優(yōu)化，而忽略了更細特征的書寫，如圖3(b)右下方窗格所示，觀察到垂直于條紋方向的強烈模糊。為了進一步研究VAM打印透鏡的效果，還通過658nm激光照射聚焦后觀察MLA的點擴散，如圖3(e)所示，觀察到PSF垂直于條紋方向的強伸長，這與圖3(b)的成像實驗結果一致。
相比之下，圖3(c)中使用模糊層析成像打印的MLA沒有出現(xiàn)條紋缺陷，因為它們被大范圍打印條件所帶來的光學模糊所抑制。在圖3(c)的右兩個窗格中，條紋的去除對成像質(zhì)量的影響很明顯。所有九個透鏡都能夠成像放置在MLA后面的名片，在中心透鏡的放大圖像中可以清晰地看到字母。此外，測量了中心透鏡的高斯光斑尺寸為20 μm，如圖3(f)所示。這將模糊層析成像與以前的VAM光學制造報道區(qū)別開來，因為這種方法可以打印光學表面垂直于書寫光束的部件。

圖4 將球形透鏡蓋印到光纖上

作者采用模糊斷層成像技術在光纖上打印了一個球透鏡。在圖4(a)和圖4(b)中，顯示了目標設計和打印部分。在打印過程中，使用如圖4(c)所示的3d打印支架將光纖與小瓶同軸對齊。在圖4(d、e)中，VAM所打印的球透鏡能夠很好提供透鏡的功能，相較于纖維發(fā)光相比，降低了光源發(fā)散度，提高打印分辨率。
結論：作者團隊開發(fā)了一種模糊斷層掃描的新體積增材制造技術，通過使用大視場光源故意模糊書寫光束，消除了稱為條紋的層狀偽影，從而實現(xiàn)了快速和直接的光滑表面制造。并且利用這項技術，打印的透鏡樣品具有與商用級別透鏡媲美的效果，還打印了雙凸微透鏡陣列以及球透鏡等高精度結構，這種新式的VAM方法將為自由形狀光學元件的低成本、快速原型制作鋪平道路，為增材制造技術提供新的藍圖。

原文鏈接：https://export.arxiv.org/abs/2401.08799