加拿大國(guó)家研究委員會(huì)：模糊斷層掃描——體積增材制造（VAM）新技術(shù)

來(lái)源： GK綠鑰生物科技

加拿大國(guó)家研究委員會(huì)Daniel Webber教授團(tuán)隊(duì)在《ArXiv》期刊上發(fā)表文章“Micro-optics Fabrication using Blurred Tomography”,，作者研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)一種新的體積增材制造（VAM）技術(shù)——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(shù)中可能存在的條紋現(xiàn)象,，實(shí)現(xiàn)光滑的表面,，并且還能實(shí)現(xiàn)萬(wàn)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(shù)相比,，在后處理方面只需要簡(jiǎn)單的步驟就可以獲得打印樣品，而無(wú)需添加額外的處理儀器,，模糊斷層掃描為VAM領(lǐng)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(shù)上,，通過(guò)有意地在書寫光束中添加光學(xué)模糊,，能夠?qū)崿F(xiàn)與目標(biāo)幾何形狀良好一致的光學(xué)光滑表面，并且模糊層析成像使光學(xué)元件的低成本和直接制造具有自由形狀設(shè)計(jì)特性的增材制造技術(shù)成為可能,。作者展示了由模糊斷層掃描制造的三個(gè)不同的光學(xué)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(gè)雙凸微透鏡陣列,；3、將球透鏡套印在獨(dú)立光纖上,。
WHY—為什么要采用模糊斷層掃描,？傳統(tǒng)的VAM技術(shù)有什么限制？

通常在層析打印應(yīng)用中,，為了實(shí)現(xiàn)高分辨率,，把書寫光束的尾端設(shè)計(jì)得很小，才能滿足用于計(jì)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?yàn)橛捎谧詫懖▽?dǎo)效應(yīng)，它還將層狀偽影引入層析打印中,。這會(huì)導(dǎo)致在某些結(jié)構(gòu)（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(guò)有意引入光學(xué)模糊通過(guò)增加終端，減輕這些條紋導(dǎo)致光學(xué)粗糙的表面,，實(shí)現(xiàn)光滑表面以及高保真的成型能力,。
HOW—研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)模糊斷層掃描技術(shù)，實(shí)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(shù)創(chuàng)建光滑的表面

使用傳統(tǒng)的層析增材制造打印機(jī)來(lái)制造微光學(xué)元件（圖1 (a)）。打印系統(tǒng)由紫外投影儀(DMD)與遠(yuǎn)心透鏡系統(tǒng)組成,。從小瓶上方(圖1(b))和小瓶側(cè)面(圖1(c))可以觀察到,，光樹脂小瓶的作用就像一個(gè)圓柱形透鏡，它將像散引入投影儀場(chǎng),，導(dǎo)致小瓶平面內(nèi)和沿著小瓶軸的點(diǎn)沿著投影儀的光學(xué)軸聚焦在不同點(diǎn)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?jī)?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(dāng)移動(dòng)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?yàn)樗�降低了打印過(guò)程的空間分辨率，并引入了劑量傳遞的不對(duì)稱性,。然而,，對(duì)于打印特征大于模糊點(diǎn)擴(kuò)展的物體，它是優(yōu)先的,，因?yàn)樗�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(shè)備由白光LED,，平凸透鏡準(zhǔn)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(guò)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(dāng),，這表明這里的打印透鏡可以實(shí)現(xiàn)商用可比的成像性能,。成像分辨率通過(guò)通過(guò)第4組線模式獲取線輪廓來(lái)量化，并分別繪制圖2(g)和2(h)中藍(lán)色和紅色區(qū)域的歸一化強(qiáng)度(NI)與場(chǎng)位置的關(guān)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(jí)。為了進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn),，作者測(cè)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(xué)輪廓術(shù)和原子力顯微鏡(AFM)分別測(cè)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(cè)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(shù)打印微透鏡陣列

使用模糊層析成像技術(shù)打印3x3雙凸微透鏡陣列(MLA)，模型設(shè)計(jì)如圖3a所示,。其中,，每個(gè)透鏡都有一個(gè)曲率半徑為1 mm的球面(有效焦距= 1.57 mm)，并填充一個(gè)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(dǎo)致稱為條紋的層狀缺陷,，其表現(xiàn)為平行于投影機(jī)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(xué)條件打印微透鏡陣列的條紋,，但是無(wú)法對(duì)名片進(jìn)行成像,，這是由于層析投影僅針對(duì)主射線進(jìn)行射線跟蹤優(yōu)化，而忽略了更細(xì)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(qiáng)烈模糊。為了進(jìn)一步研究VAM打印透鏡的效果,，還通過(guò)658nm激光照射聚焦后觀察MLA的點(diǎn)擴(kuò)散,，如圖3(e)所示，觀察到PSF垂直于條紋方向的強(qiáng)伸長(zhǎng),，這與圖3(b)的成像實(shí)驗(yàn)結(jié)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?yàn)樗鼈儽淮蠓秶�打印條件所帶來(lái)的光學(xué)模糊所抑制,。在圖3(c)的右兩個(gè)窗格中，條紋的去除對(duì)成像質(zhì)量的影響很明顯,。所有九個(gè)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(cè)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(xué)制造報(bào)道區(qū)別開來(lái),，因?yàn)檫@種方法可以打印光學(xué)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(shù)在光纖上打印了一個(gè)球透鏡。在圖4(a)和圖4(b)中,，顯示了目標(biāo)設(shè)計(jì)和打印部分,。在打印過(guò)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(duì)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(jié)論：作者團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種模糊斷層掃描的新體積增材制造技術(shù),，通過(guò)使用大視場(chǎng)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(shí)現(xiàn)了快速和直接的光滑表面制造,。并且利用這項(xiàng)技術(shù),，打印的透鏡樣品具有與商用級(jí)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(jié)構(gòu),，這種新式的VAM方法將為自由形狀光學(xué)元件的低成本,、快速原型制作鋪平道路，為增材制造技術(shù)提供新的藍(lán)圖,。

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