光学光滑的表面称为模糊断层扫描的 3D 打印方法可以快速生产具有商业级光学质量的组件，例如这种微透镜阵列。 （由加拿大国家研究委员会 Daniel Webber 提供）
增材制造，也称为 3D 打印，以其速度、灵活性和无与伦比的设计自由度彻底改变了许多领域。 但之前使用增材制造方法制造高质量光学元件的尝试经常遇到一系列障碍。 现在，加拿大国家研究委员会的研究人员转向使用模糊断层扫描——断层扫描成交量增材制造（VAM）方法的延伸——来制造定制光学元件。
“3D 打印正在改变制造业的各个领域，”主要作者丹尼尔·韦伯 (Daniel Webber) 说道。 “我一直对 3D 打印光学器件很感兴趣，因为它们具有彻底改变光学系统设计的潜力。 我在 NRC 看到了一个博士后职位，他们想要进行微光学的成交量 3D 打印，剩下的就都成为历史了”。
增材制造的挑战
过去，数字光处理、立体光刻、喷墨印刷和双光子聚合（2PP）等技术已被用来通过逐层方法构建光学元件。 然而，制造过程往往很慢，很难制造具有曲率的光学元件（这是许多元件所需要的），并且不平行于基板的表面具有由层厚度定义的高度台阶。
VAM 也面临着挑战，由于自写波导效应，零件质量较差（例如表面上称为条纹的脊），其中 VAM 中使用的窄写入光束会导致平行于光束的平面中的打印速度增加。 通常需要后处理方法来提高零件质量并使表面光滑，但人们正在寻求一种不需要额外步骤的直接 VAM 方法。
克服模糊断层扫描的挑战
在最新的研究中，Webber 和他的团队已经完成了这种直接 VAM 方法，同时保持了增材制造为快速原型制作提供的设计自由度。
断层 VAM 使用投射光来固化特定区域的光敏树脂，从而无需支撑结构即可制造零件。 虽然传统断层扫描 VAM 方法中使用的铅笔状光束会产生条纹，但新技术可以生产具有商业级质量的微透镜。 它被称为模糊断层扫描，因为使用大集光率（更“去中心化”）的源来有意模糊线条并减少条纹。
光学写入光束的模糊有助于产生亚Nano范围的表面粗糙度，使其基本上具有分子光滑度。 相比之下，其他 VAM 方法具有准直良好且光展量低的写入光束，因此不会因设计而模糊。
打印设置定制的投影镜头模糊了用于固化光敏树脂的激光束，从而能够打印商业质量的光学器件，例如左下角所示的镜头。 （由 NRC 丹尼尔·韦伯提供）
通过故意模糊光束并将其与圆柱形光树脂小瓶（没有折射率匹配浴）引入的像散耦合，可以在整个打印成交量上实现模糊。 除了处理速度快之外，模糊断层扫描方法的另一个定义特征是它不需要额外的处理，因此是生产光滑光学元件的直接方法。
“这项工作最重要的发现是，我们可以直接制造光学光滑的表面，并在 30 分钟内获得自由形状的即用型光学元件，”Webber 说。
虽然整个处理时间大约需要 30 分钟，但实际打印镜片只花了不到一分钟。 这类似于 VAM 技术（但不需要额外的表面处理步骤）。 相比之下，之前的一项研究发现，使用 2PP 打印尺寸相似（2 毫米与 3 毫米）、曲率误差（3.9% 与 5.4%）和表面粗糙度（2.9 与 0.53 Nano）相似的半球透镜需要 23 小时 – 显示模糊断层扫描如何更快，同时产生更精细的表面特征。
研究小组通过制造毫米级平凸光学透镜，其成像性能可与商用玻璃透镜相媲美，展示了新技术的潜力。 增材制造提供的内在自由设计还帮助研究人员创建了双凸微透镜阵列（双面制造），以及将透镜套印到光纤上。
与增材制造的许多领域一样，VAM 被认为可以提供一种生产低成本和快速原型零件的方法，特别是自由曲面光学元件。 “我们已经证明，模糊断层扫描能够快速制造一系列微型光学元件。 展望未来，我们希望将这些功能扩展到更大的零件尺寸和新材料，”韦伯告诉《物理世界》。
该研究发表在《Optica》上。
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