南方科技大學(xué)：DLP振蕩3D打印高光滑微透鏡陣列

2019年10月，新加坡Singapore University of Technology and Design (SUTD) 和深圳南方科技大學(xué) Southern University of Science and Technology (SUSTech) 的研究人員,，提出了一種使用振蕩輔助數(shù)字光處理（DLP）3D打印制造微透鏡陣列的方法,。

△DLP 3D打印的高質(zhì)量微透鏡陣列


微透鏡陣列由具有光學(xué)表面光滑度的多個(gè)微米大小的透鏡組成,。 通常,，3D打印物體的表面粗糙，大多數(shù)3D打印方法在制造光學(xué)組件方面均不成功,。 但是,，研究團(tuán)隊(duì)利用投影透鏡的振動(dòng)，開(kāi)發(fā)了一種使用DLP 3D打印技術(shù)生產(chǎn)具有光學(xué)表面光滑度的微透鏡陣列的方法,。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人和南方科技大學(xué)的Qi Ge副教授解釋了這一過(guò)程,，他說(shuō)：“在我們的方法中,，采用計(jì)算設(shè)計(jì)的灰度圖案可在一次UV曝光下覆蓋微透鏡輪廓，從而消除了傳統(tǒng)的逐層3D打印中存在的階梯效應(yīng),。 加上投影透鏡振蕩,，以進(jìn)一步消除由于離散像素間隙而形成的鋸齒狀表面�,！�
△ 灰度圖案的生成。 （a）具有（2n + 1）行和（2n + 1）列的灰度數(shù)據(jù)矩陣,。 Gi j表示位于第i和第j 像素的灰度值,。 Dij表示任意像素與中心像素之間的距離。 （b）沿直徑的三個(gè)圓形圖案的灰度分布,。

機(jī)械振蕩改進(jìn)DLP 3D打印

微透鏡是一個(gè)小透鏡,，通常只有10微米。微透鏡陣列包含在支撐基板上以一維或二維陣列形成的多個(gè)透鏡,。提供檢測(cè)和控制光的電子設(shè)備和系統(tǒng),，光電子小型化的日益增長(zhǎng)的需求，引起人們極大的關(guān)注,。因此,，微透鏡陣列已經(jīng)成為在各種微型化的成像、傳感和光通信應(yīng)用中的重要微光學(xué)器件,。

據(jù)研究人員稱,，生產(chǎn)微透鏡陣列很困難，因?yàn)樵S多制造技術(shù)仍然存在諸如時(shí)間長(zhǎng),、工藝復(fù)雜,、不靈活以及難以控制一致性等局限性。

DLP 3D打印是一種使用數(shù)字投影儀固化光敏聚合物樹(shù)脂,，生產(chǎn)3D打印零件的過(guò)程,。它通常用于高精度的3D打印，并且被認(rèn)為是比SLA更快的方法,。盡管DLP 3D打印在制造具有不同尺寸,、幾何形狀和輪廓的微透鏡陣列時(shí)提供了極大的靈活性，但它一直無(wú)法生產(chǎn)出光滑表面的光學(xué)零件,。

為了克服這個(gè)問(wèn)題,，SUTD和SUSTech研究人員將DLP 3D打印與機(jī)械振蕩和灰度UV曝光集成在一起。振蕩有助于消除3D打印部件中離散像素形成的鋸齒狀表面,，而灰度級(jí)UV曝光則消除了3D打印常見(jiàn)的層紋階梯效應(yīng),。這樣就可以制造出具有光學(xué)特征光滑度的微透鏡陣列，而且超快和靈活,。

為了證明該方法的可行性和有效性,，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了詳細(xì)的形態(tài)學(xué)表征,，包括掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）。結(jié)果表明,，投影透鏡振蕩與DLP 3D打印的集成,，將表面粗糙度從200 nm降低到約1 nm。Ge教授補(bǔ)充說(shuō)：“相對(duì)于其他制造方法,，我們基于振動(dòng)輔助DLP的打印方法既節(jié)能又省時(shí),，不會(huì)降低光學(xué)性能，便于商業(yè)化和大規(guī)模生產(chǎn),。此外,，這種方法也為其他對(duì)光學(xué)表面要求高的制造領(lǐng)域提供了啟發(fā)靈感”

3D打印微透鏡

盡管研究團(tuán)隊(duì)用DLP技術(shù)制造出微透鏡陣列，但其他3D打印技術(shù)也可能同樣適合,。例如,，德國(guó)的Nanoscribe生產(chǎn)能夠生產(chǎn)微透鏡陣列的雙光子增材制造系統(tǒng)。2019年,，推出了一款名為Quantum X的3D打印機(jī),，使用雙光子光刻技術(shù)來(lái)制造納米級(jí)的折射和衍射微光學(xué)元件，可小至200微米,；2018年底,，還推出了Photonic Professional GT2 3D打印機(jī)，用于微加工和無(wú)掩模光刻,，也能夠生產(chǎn)微透鏡,。

△在Quantum X機(jī)器上打印的3D微透鏡陣列。圖片來(lái)自Nanoscribe,。

在中國(guó),，也有一家公司可以3D打印透鏡陣列——摩方材料，并且質(zhì)量也很高,。

SUTD和SUSTech的研究,，“Ultrafast Three-Dimensional Printing of Optically Smooth Microlens Arrays by Oscillation-Assisted Digital Light Processing, 已經(jīng)發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上“. 作者包括Chao Yuan, Kavin Kowsari, Sahil Panjwani, Zaichun Chen, Dong Wang, Biao Zhang, Colin Ju-Xiang Ng, Pablo Valdivia y Alvarado, Qi Ge.