EPFL研究人員推出基于MEMS的全息系統(tǒng)，提升體積3D打印效率

2025年6月21日，南極熊獲悉，洛桑聯(lián)邦理工學院 (EPFL)的研究人員推出了一款緊湊高效的全息斷層掃描體積增材制造 (HT-VAM) 系統(tǒng)，利用基于 MEMS 的純相位光調(diào)制器。這一進展標志著在解決體積 3D 打印相關的光傳輸限制方面取得了重大進展。

他們的研究成果以題為“High Light-EfficiencyHolographic Tomographic Volumetric Additive Manufacturing using a MEMS-basedPhase-only Light Modulator”的論文發(fā)表在在線期刊arXiv （2025 年 6 月），詳細展示了相位調(diào)制如何徹底改變基于光的制造技術，從而實現(xiàn)更快、更高分辨率的打印，并實現(xiàn)前所未有的能源效率。

論文鏈接：https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.02578

全息技術與體積制造的結合

體積增材制造 (VAM) 是一種無層3D 打印技術，通過將光圖案投射到旋轉(zhuǎn)的光樹脂瓶中，同時固化整個物體。與逐層打印方法不同，VAM 消除了階梯狀偽影，并能夠無支撐地制造復雜的幾何形狀。EPFL 的斷層掃描 VAM (TVAM) 方法采用計算機斷層掃描原理生成動態(tài)光場，從而實現(xiàn)樹脂的體積聚合。

傳統(tǒng)的TVAM系統(tǒng)通常依賴于數(shù)字微鏡器件（DMD），這是一種光效率有限的二進制振幅調(diào)制器，通常低于10%。EPFL團隊將其替換為僅相位的相位光調(diào)制器（PLM），從而實現(xiàn)精確的波前控制。這一改進使測得的光效率達到23.78%，比DMD提高了70倍，同時還減少了散斑噪聲等成像偽影。

△光學結構和光效率。圖片來自洛桑聯(lián)邦理工學院應用光子器件實驗室（LAPD）。

相位調(diào)制：游戲規(guī)則改變者

直到最近，硅基液晶 (LCOS) 空間光調(diào)制器 (SLM) 仍是相位調(diào)制的標準。然而，LCOS 存在諸多局限性，包括響應時間慢（60-120 Hz）、紫外線 (UV) 衰減以及偏振敏感性。

相比之下，由德州儀器 (TI) 開發(fā)的、基于 MEMS 的 EPFL PLM 采用活塞運動微鏡直接編碼相位。它具有 4 位分辨率（16 個相位級），可實現(xiàn)精確的波前整形；高速（1,440 Hz 幀速率），可實現(xiàn)快速圖案化；并且具有偏振不敏感性和紫外線穩(wěn)定性，這對于光聚合至關重要。

新的打印系統(tǒng)支持使用低功率、單模 405 nm 激光器，降低成本和系統(tǒng)復雜性，同時實現(xiàn)接近理論的衍射效率。

減少斑點和打印質(zhì)量

全息打印系統(tǒng)的一項關鍵創(chuàng)新在于散斑抑制流程。散斑是由相干光干涉引起的，通過在每個角度時分復用投影九個橫向偏移的全息圖來減輕散斑的影響。結合貝塞爾光束軸棱鏡相位，打印流程將散斑對比度降低了 50%（從 0.45 降至 0.33），并擴展了系統(tǒng)的焦深，從而確保整個打印體積的分辨率均勻一致。

△用于生成低散斑噪聲投影的流程示例。圖片來自洛桑聯(lián)邦理工學院應用光子器件實驗室 (LAPD)。

快速、高保真打印

全息打印系統(tǒng)演示了快速打印復雜模型，例如32秒內(nèi)打印4毫米螺旋意大利面結構（激光功率為18毫瓦），61秒內(nèi)打印8毫米高的斯坦福兔子（激光功率為50毫瓦），以及在微米尺度上打印表面光滑的DNA螺旋。潛在應用領域涵蓋生物打印、微光學和航空航天，在這些領域，速度、分辨率和材料效率至關重要。

△使用PLM 技術打印全息 VAM 的物體示例。圖片來自洛桑聯(lián)邦理工學院 (EPFL) 應用光子器件實驗室 (LAPD)。

隨著光控和生物醫(yī)學應用的創(chuàng)新，體積打印日趨成熟

體積增材制造作為傳統(tǒng)逐層3D打印的有力替代方案，發(fā)展勢頭強勁，它能夠同時制造整個物體，且對幾何形狀和速度的限制更少。最近的進展包括自動曝光控制系統(tǒng)，可在斷層掃描投影過程中實現(xiàn)更精確的光劑量，以及使用光轉(zhuǎn)換納米粒子來實現(xiàn)更深層、更可控的聚合。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）的衍生公司Readily3D也通過與BIO INX的合作，推進了體積生物打印技術的發(fā)展，旨在簡化復雜生物模型的制造。