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，通過有意引入光學(xué)模糊通過增加終端，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。成像分辨率通過通過第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