增材制造，也称为 3D 打印，以其速度、灵活性和无与伦比的设计自由度彻底改变了许多行业。但是，以前使用增材制造方法制造高质量光学元件的尝试经常遇到一系列障碍。现在，加拿大国家研究委员会（National Research Council of Canada)的研究人员已经转向模糊断层扫描(断层扫描体积增材制造(VAM)方法的延伸)来创建定制的光学元件。
“3D打印正在改变制造业的每个部门，”主要作者Daniel Webber说。“我一直对3D打印光学器件很感兴趣，因为它们有可能彻底改变光学系统设计。我看到了NRC的博士后职位，他们想做微光学的体积3D打印，剩下的就是历史了。
增材制造挑战
过去，数字光处理、立体光刻、喷墨打印和双光子聚合 (2PP) 等技术已用于通过逐层方法构建光学元件。然而，制造过程往往很慢，很难制造出具有曲率的光学元件——这是许多元件所需要的——而且不平行于基板的表面具有由层厚度定义的高度步长。
VAM也面临着挑战，由于自写波导效应，零件质量差(例如表面上的脊称为条纹)，其中VAM中使用的窄写入光束会导致平行于光束的平面上的打印速度增加。通常需要后处理方法来提高零件质量和平滑表面，但已经寻求了一种不需要额外步骤的直接 VAM 方法。
克服断层扫描模糊的挑战
在他们最新的研究中，Webber和他的团队已经完成了这种直接的VAM方法，同时保持了增材制造为快速原型制作提供的设计自由度。
断层扫描VAM使用投射光固化特定区域的感光树脂，使零件能够在没有支撑结构的情况下制造。虽然传统断层扫描VAM方法中使用的铅笔状光束会引起条纹，但新技术可以生产具有商业级质量的微透镜。它被称为模糊断层扫描，因为使用大范围(更“分散”)的源来故意模糊线条并减少条纹。
光学书写光束的模糊有助于产生亚纳米范围内的表面粗糙度，使其基本上具有分子光滑度。相比之下，其他VAM方法具有良好的准直和低延时写入光束，因此它们在设计上不会模糊。
通过有意模糊光束并将其与圆柱形光刻胶瓶(没有折射率匹配的浴槽)引入的散光耦合，可以在整个打印体积上实现模糊。除了快速的处理速度外，模糊断层扫描方法的另一个决定性特征是它不需要额外的处理，因此是生产光滑光学元件的直接方法。
“这项工作最重要的发现是，我们可以在30分钟内直接制造光学光滑的表面，并拥有自由形状的即用型光学元件，”Webber说。
虽然整个处理时间大约需要 30 分钟，但镜头的实际打印时间不到一分钟。这与其他 VAM 技术类似(但不需要额外的表面处理步骤)。相比之下，之前的一项研究发现，使用 2PP 打印相似尺寸(2 与 3 毫米)、曲率误差(3.9% 对 5.4%)和表面粗糙度(2.9 与 0.53 nm)的半球透镜需要 23 小时——这表明模糊断层扫描的速度要快得多，同时产生更精细的表面特征。
研究团队展示了这项新技术的潜力，制造了一种毫米大小的平凸光学透镜，其成像性能可与商用玻璃透镜相媲美。增材制造提供的内在自由度设计也帮助研究人员创建了双凸微透镜阵列(双面制造)，以及将透镜叠印到光纤上。
与增材制造的许多领域一样，人们认为VAM可以提供一种生产低成本和快速原型零件的方法，特别是自由曲面光学元件。“我们已经证明，模糊断层扫描能够快速制造一系列微光学元件。展望未来，我们希望将这些功能扩展到更大的零件尺寸和新材料，“韦伯说。
