使用納米級3D打印創(chuàng)建高分辨率光場打印

來源：江蘇激光聯(lián)盟

如果打印的圖像看起來是3D是不是很神奇？不幸的是，像照片這樣的傳統(tǒng)印刷品會顯示具有固定外觀的二維 (2D) 圖像，因為它們僅包含強度和顏色信息。這些打印件無法顯示3D圖像，因為它們?nèi)狈�對光線的方向控制，從而導致深度信息丟失。

為了解決這個問題，新加坡科技與設(shè)計大學 (SUTD) 的一組研究人員使用納米級 3D 打印技術(shù)來創(chuàng)建高分辨率光場打印 (LFP)。LFP 包括排列在結(jié)構(gòu)色像素陣列頂部的微透鏡陣列。當 LFP 被普通白光照射時，顯示 3D 圖像。3D 圖像是自動立體的，這意味著無需佩戴特殊眼鏡即可觀看。圖像在從不同角度觀看時會改變外觀，這為 LFP 提供了特殊的 3D 視覺效果。

在這項研究中，研究人員使用雙光子聚合光刻 (two-photon polymerization lithography, TPL) 在一個圖案化步驟中制造高分辨率 LFP (light field print)，從而避免了進行手動對齊的需要。研究人員的 LFP 的微透鏡和結(jié)構(gòu)色像素在 TPL 系統(tǒng)（Nanoscribe GmbH Photonic Professional GT 系統(tǒng)）中自動對齊，該系統(tǒng)可以定位激光曝光的每個體積像素，精度高達 10 nm。由于 TPL 是一種增材制造技術(shù)，研究人員分別以 20 和 300 nm 的離散切片高度步長制造微透鏡和結(jié)構(gòu)色像素。微透鏡和結(jié)構(gòu)色像素由相同的低折射率材料 IP-Dip 光刻膠 (n ~1.55) 制成。

與等離子體彩色像素不同，研究人員的結(jié)構(gòu)彩色像素不需要額外的金屬沉積，這使得 TPL 系統(tǒng)僅用于制造 LFP。微透鏡和結(jié)構(gòu)色像素以偽隨機排列方式制造在一起，可以最大限度地減少不需要的莫爾圖案，并為安全應(yīng)用編碼秘密信息。更重要的是，研究人員的 LFP 同時顯示高空間分辨率 (29–45 μm) 和高角度分辨率 (~1.6°) 圖像，具有平滑的運動視差，肉眼看起來沒有像素化，即使是近距離。

圖1. 光場打印設(shè)計LFP示意圖

▲圖解：a. 白色光源用于照亮 LFP 中的結(jié)構(gòu)色像素。來自像素的透射光被微透鏡收集并投射到遠場。遠場中的觀察者從由方位角 α 和仰角 β 表示的視點看到彩色 3D 圖像。b. 一個顯示單元的示意圖：一個塔支撐一個球形平凸微透鏡，該微透鏡放置在一個包含納米柱陣列的結(jié)構(gòu)色像素塊上方一個焦距處。c. 包含5 × 5個納米柱的結(jié)構(gòu)色像素示意圖，其中每個納米柱的直徑為D，高度為H，間距為S。ϕ是像素的視角。d. 顯示單元中 3 × 3 個像素的平面圖示意圖。L是微透鏡的直徑，用圓圈表示；P是每個像素的間距，用正方形表示。每個像素被分配一個 1-9 的數(shù)字，它是從分配有相同數(shù)字的輸入圖像中提取的。e 輸入圖像交錯以生成用于打印 LFP 的像素位置數(shù)字地圖。

更重要的是，需要高分辨率 LFP 來顯示超逼真的 3D 圖像，這些圖像在藝術(shù)品和安全物品中具有潛在應(yīng)用。通過使用納米級 3D 打印創(chuàng)建 LFP，該團隊實現(xiàn)了每英寸 25,400 點 (dpi) 的最大像素分辨率，超過了消費類噴墨打印機的像素分辨率 ~1,200 dpi。LFP 中的結(jié)構(gòu)色像素由納米柱（直徑約 300nm）制成。也許最顯著的結(jié)果是每個彩色像素都可以由單個納米柱表示，從而以最大分辨率生成 LFP。

圖2. 光場打印的光學和電子顯微照片

▲圖解：a. 偽隨機排列的顯示單元的明場透射光學顯微鏡圖像（平面圖）。b, c 顯示單元（左）和設(shè)計有紅色、藍色和綠色條紋的結(jié)構(gòu)色像素塊（右）的明場透射光學顯微鏡圖像。相同的像素在顯示單元的微透鏡下方形成圖案。b. 光學顯微鏡圖像聚焦在像素上。c. 光學顯微鏡圖像聚焦在顯示單元的前焦平面上。d . 2 × 2個顯示單元的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（45°傾斜角）。3 × 3個像素的SEM圖像（30°傾斜角），其中每個像素可被5 × 5個具有相同高度和直徑的納米柱識別。

圖3. 用 3 × 3 個多色立方體透視編碼的光場打印

▲圖解：從由方位角α和仰角β表示的每個視點捕獲立方體的數(shù)碼相機宏圖像。立方體似乎從基板平面突出。在這個光場打印中，每個彩色像素由 5 × 5 個納米柱組成（像素間距 P = 5 微米）。相同的比例尺適用于每個視點圖像。

這項研究的首席研究員、SUTD 副教授 Joel Yang 表示：“這可能是第一次使用 3D 打印在一個步驟中完全創(chuàng)建多色光場打印 (LFP)，而無需使用染料，無需手動將微透鏡對準彩色像素。打印件在單個 LFP 中嵌入多達 225 幀，以前所未有的分辨率生成平滑的觀看過渡。這些效果將導致 2D 打印件產(chǎn)生超未來的逼真 3D 視覺效果�！�

圖4. 用計算機生成的卡通臉的 5 × 5 個透視圖編碼的光場打印。

圖5. 在不同焦距下捕獲的光場打印外觀。

該團隊預(yù)計，當納米技術(shù)允許更大的可擴展性和吞吐量時，高分辨率 LFP 將更容易在市場上買到。這項研究發(fā)表在 Nature Communications 上。