使用纳米级3D打印创建高分辨率光场打印

来源：江苏激光产业创新联盟

如果打印的图像看起来是3D是不是很神奇？不幸的是，像照片这样的传统印刷品会显示具有固定外观的二维 (2D) 图像，因为它们仅包含强度和颜色信息。这些打印件无法显示3D图像，因为它们缺乏对光线的方向控制，从而导致深度信息丢失。

为了解决这个问题，新加坡科技与设计大学 (SUTD) 的一组研究人员使用纳米级 3D 打印技术来创建高分辨率光场打印 (LFP)。LFP 包括排列在结构色像素阵列顶部的微透镜阵列。当 LFP 被普通白光照射时，显示 3D 图像。3D 图像是自动立体的，这意味着无需佩戴特殊眼镜即可观看。图像在从不同角度观看时会改变外观，这为 LFP 提供了特殊的 3D 视觉效果。

在这项研究中，研究人员使用双光子聚合光刻 (two-photon polymerization lithography, TPL) 在一个图案化步骤中制造高分辨率 LFP (light field print)，从而避免了进行手动对齐的需要。研究人员的 LFP 的微透镜和结构色像素在 TPL 系统（Nanoscribe GmbH Photonic Professional GT 系统）中自动对齐，该系统可以定位激光曝光的每个体积像素，精度高达 10 nm。由于 TPL 是一种增材制造技术，研究人员分别以 20 和 300 nm 的离散切片高度步长制造微透镜和结构色像素。微透镜和结构色像素由相同的低折射率材料 IP-Dip 光刻胶 (n ~1.55) 制成。与等离子体彩色像素不同，研究人员的结构彩色像素不需要额外的金属沉积，这使得 TPL 系统仅用于制造 LFP。微透镜和结构色像素以伪随机排列方式制造在一起，可以最大限度地减少不需要的莫尔图案，并为安全应用编码秘密信息。更重要的是，研究人员的 LFP 同时显示高空间分辨率 (29–45 m) 和高角度分辨率 (~1.6°) 图像，具有平滑的运动视差，肉眼看起来没有像素化，即使是近距离。

图1. 光场打印设计LFP示意图

▲图解：a. 白色光源用于照亮 LFP 中的结构色像素。来自像素的透射光被微透镜收集并投射到远场。远场中的观察者从由方位角 α 和仰角 β 表示的视点看到彩色 3D 图像。b. 一个显示单元的示意图：一个塔支撑一个球形平凸微透镜，该微透镜放置在一个包含纳米柱阵列的结构色像素块上方一个焦距处。c. 包含5 × 5个纳米柱的结构色像素示意图，其中每个纳米柱的直径为D，高度为H，间距为S。是像素的视角。d. 显示单元中 3 × 3 个像素的平面图示意图。L是微透镜的直径，用圆圈表示；P是每个像素的间距，用正方形表示。每个像素被分配一个 1-9 的数字，它是从分配有相同数字的输入图像中提取的。e 输入图像交错以生成用于打印 LFP 的像素位置数字地图。

更重要的是，需要高分辨率 LFP 来显示超逼真的 3D 图像，这些图像在艺术品和安全物品中具有潜在应用。通过使用纳米级 3D 打印创建 LFP，该团队实现了每英寸 25,400 点 (dpi) 的最大像素分辨率，超过了消费类喷墨打印机的像素分辨率 ~1,200 dpi。LFP 中的结构色像素由纳米柱（直径约 300nm）制成。也许最显着的结果是每个彩色像素都可以由单个纳米柱表示，从而以最大分辨率生成 LFP。

图2. 光场打印的光学和电子显微照片

▲图解：a. 伪随机排列的显示单元的明场透射光学显微镜图像（平面图）。b, c 显示单元（左）和设计有红色、蓝色和绿色条纹的结构色像素块（右）的明场透射光学显微镜图像。相同的像素在显示单元的微透镜下方形成图案。b. 光学显微镜图像聚焦在像素上。c. 光学显微镜图像聚焦在显示单元的前焦平面上。d . 2 × 2个显示单元的扫描电子显微镜（SEM）图像（45°倾斜角）。3 × 3个像素的SEM图像（30°倾斜角），其中每个像素可被5 × 5个具有相同高度和直径的纳米柱识别。

图3. 用 3 × 3 个多色立方体透视编码的光场打印

▲图解：从由方位角α和仰角β表示的每个视点捕获立方体的数码相机宏图像。立方体似乎从基板平面突出。在这个光场打印中，每个彩色像素由 5 × 5 个纳米柱组成（像素间距 P = 5 微米）。相同的比例尺适用于每个视点图像。
这项研究的首席研究员、SUTD 副教授 Joel Yang 表示：“这可能是第一次使用 3D 打印在一个步骤中完全创建多色光场打印 (LFP)，而无需使用染料，无需手动将微透镜对准彩色像素。打印件在单个 LFP 中嵌入多达 225 帧，以前所未有的分辨率生成平滑的观看过渡。这些效果将导致 2D 打印件产生超未来的逼真 3D 视觉效果。”

图4. 用计算机生成的卡通脸的 5 × 5 个透视图编码的光场打印。

图5. 在不同焦距下捕获的光场打印外观。

该团队预计，当纳米技术允许更大的可扩展性和吞吐量时，高分辨率 LFP 将更容易在市场上买到。这项研究发表在 Nature Communications 上。

本文来源：More information: John You En Chan et al, High-resolution light field prints by nanoscale 3D printing, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-23964-6