加拿大国家研究委员会：模糊断层扫描——体积增材制造（VAM）新技术

来源： GK绿钥生物科技

加拿大国家研究委员会Daniel Webber教授团队在《ArXiv》期刊上发表文章“Micro-optics Fabrication using Blurred Tomography”，作者研究团队开发一种新的体积增材制造（VAM）技术——模糊断层扫描，在原有VAM打印光束中添加光束模糊，消除原有VAM技术中可能存在的条纹现象，实现光滑的表面，并且还能实现万向打印，在不同方向打印均具有高分辨率与保真度，而且与现有VAM技术相比，在后处理方面只需要简单的步骤就可以获得打印样品，而无需添加额外的处理仪器，模糊断层扫描为VAM领域发展提供新思路，为VAM向低成本制造铺平道路。

WHAT—什么是模糊断层扫描？
模糊断层扫描是指在现有的书写光束式的VAM技术上，通过有意地在书写光束中添加光学模糊，能够实现与目标几何形状良好一致的光学光滑表面，并且模糊层析成像使光学元件的低成本和直接制造具有自由形状设计特性的增材制造技术成为可能。作者展示了由模糊断层扫描制造的三个不同的光学元件:1、具有和商业上可媲美的成像分辨率的平凸单透镜；2、一个双凸微透镜阵列；3、将球透镜套印在独立光纤上。
WHY—为什么要采用模糊断层扫描？传统的VAM技术有什么限制？

通常在层析打印应用中，为了实现高分辨率，把书写光束的尾端设计得很小，才能满足用于计算层析投影的滤光反向投影方法的要求。但是这一要求是一把双刃剑，因为由于自写波导效应，它还将层状伪影引入层析打印中。这会导致在某些结构（球类，圆柱类等光滑表面的模型）上出现伪条纹的效果，反而降低了保真度。而作者开发的模糊断层扫描，通过有意引入光学模糊通过增加终端，减轻这些条纹导致光学粗糙的表面，实现光滑表面以及高保真的成型能力。
HOW—研究团队开发模糊断层扫描技术，实现高保真，低成本的体积增材制造。

图1 使用模糊的断层扫描技术创建光滑的表面

使用传统的层析增材制造打印机来制造微光学元件（图1 (a)）。打印系统由紫外投影仪(DMD)与远心透镜系统组成。从小瓶上方(图1(b))和小瓶侧面(图1(c))可以观察到，光树脂小瓶的作用就像一个圆柱形透镜，它将像散引入投影仪场，导致小瓶平面内和沿着小瓶轴的点沿着投影仪的光学轴聚焦在不同点上。而在图1(d)中，使用3DRT模拟下采样投影仪像素所传递的剂量，并显示了小瓶内不同深度的平面，可以看到书写光束的散光和模糊模拟情况。图1(e)显示了沿瓶轴(Z)和瓶面(X) -1.5 mm、0 mm和1.5 mm平面的横截面切片。在小瓶中心(Y = 0 mm)，光束轮廓比小瓶平面上的光束宽度宽得多。当移动到小瓶的后方(Y = 1.5毫米)，沿着小瓶轴的宽度减少，随后沿着小瓶平面延伸。通常，这种模糊是不可取的，因为它降低了打印过程的空间分辨率，并引入了剂量传递的不对称性。然而，对于打印特征大于模糊点扩展的物体，它是优先的，因为它消除了最终打印中的条纹，使生产光滑的表面成为可能。

图2 玻璃与3D打印镜头的图像性能比较

VAM打印平凸透镜(曲率半径3.1 mm，中心厚度1.5 mm，直径3 mm)的示例如图2所示。如图2(b)所示，作者根据之前的研究组装了VAM设备由白光LED，平凸透镜准直，显微镜物镜以及670 nm的带通滤波器组成，其中加入VAM打印的透镜与相同尺寸的商用玻璃透镜作为光路之一，用于比较VAM打印的透镜样品以及商用透镜样品的效果。经过两种透镜获得的图像分别显示在图2(c,g)和图2(d,h)中。由于材料之间曲率半径(2.94 mm vs 3.1 mm)和折射率的差异，打印透镜拍摄的图像被放大了4%，以匹配玻璃透镜的比例。从质量上讲，打印透镜的分辨率与商用等效透镜相当，这表明这里的打印透镜可以实现商用可比的成像性能。成像分辨率通过通过第4组线模式获取线轮廓来量化，并分别绘制图2(g)和2(h)中蓝色和红色区域的归一化强度(NI)与场位置的关系，如图2(k)所示，表明该VAM打印的透镜的成像性能接近商用级。为了进一步强调这一点，作者测量了由VAM打印的透镜聚焦的658nm激光的光斑大小，如图2(j)所示，与玻璃透镜接近。利用光学轮廓术和原子力显微镜(AFM)分别测量了打印透镜的形状误差和均方根(RMS)表面粗糙度，VAM透镜的测量高度接近于玻璃透镜的曲率（图2i,f）。

图3 使用模糊断层扫描技术打印微透镜阵列

使用模糊层析成像技术打印3x3双凸微透镜阵列(MLA)，模型设计如图3a所示。其中，每个透镜都有一个曲率半径为1 mm的球面(有效焦距= 1.57 mm)，并填充一个1mm X 1mm的方形孔径。由于打印部件的尺寸限制，透镜的表面法线与小瓶轴垂直打印(图3(a))。在VAM中，这种配置导致称为条纹的层状缺陷，其表现为平行于投影机光轴的部件表面上的脊。在图3(b)中可以看到使用常规VAM光学条件打印微透镜阵列的条纹，但是无法对名片进行成像，这是由于层析投影仅针对主射线进行射线跟踪优化，而忽略了更细特征的书写，如图3(b)右下方窗格所示，观察到垂直于条纹方向的强烈模糊。为了进一步研究VAM打印透镜的效果，还通过658nm激光照射聚焦后观察MLA的点扩散，如图3(e)所示，观察到PSF垂直于条纹方向的强伸长，这与图3(b)的成像实验结果一致。
相比之下，图3(c)中使用模糊层析成像打印的MLA没有出现条纹缺陷，因为它们被大范围打印条件所带来的光学模糊所抑制。在图3(c)的右两个窗格中，条纹的去除对成像质量的影响很明显。所有九个透镜都能够成像放置在MLA后面的名片，在中心透镜的放大图像中可以清晰地看到字母。此外，测量了中心透镜的高斯光斑尺寸为20 μm，如图3(f)所示。这将模糊层析成像与以前的VAM光学制造报道区别开来，因为这种方法可以打印光学表面垂直于书写光束的部件。

图4 将球形透镜盖印到光纤上

作者采用模糊断层成像技术在光纤上打印了一个球透镜。在图4(a)和图4(b)中，显示了目标设计和打印部分。在打印过程中，使用如图4(c)所示的3d打印支架将光纤与小瓶同轴对齐。在图4(d、e)中，VAM所打印的球透镜能够很好提供透镜的功能，相较于纤维发光相比，降低了光源发散度，提高打印分辨率。
结论：作者团队开发了一种模糊断层扫描的新体积增材制造技术，通过使用大视场光源故意模糊书写光束，消除了称为条纹的层状伪影，从而实现了快速和直接的光滑表面制造。并且利用这项技术，打印的透镜样品具有与商用级别透镜媲美的效果，还打印了双凸微透镜阵列以及球透镜等高精度结构，这种新式的VAM方法将为自由形状光学元件的低成本、快速原型制作铺平道路，为增材制造技术提供新的蓝图。

原文链接：https://export.arxiv.org/abs/2401.08799