南方科技大学：振荡DLP技术3D打印高光滑度微透镜阵列

2019年10月，新加坡Singapore University of Technology and Design (SUTD) 和深圳南方科技大学 Southern University of Science and Technology (SUSTech) 的研究人员，提出了一种使用振荡辅助数字光处理（DLP）3D打印制造微透镜阵列的方法。

△DLP 3D打印的高质量微透镜阵列

微透镜阵列由具有光学表面光滑度的多个微米大小的透镜组成。通常，3D打印物体的表面粗糙，大多数3D打印方法在制造光学组件方面均不成功。但是，研究团队利用投影透镜的振动，开发了一种使用DLP 3D打印技术生产具有光学表面光滑度的微透镜阵列的方法。

项目负责人和南方科技大学的Qi Ge副教授解释了这一过程，他说：“在我们的方法中，采用计算设计的灰度图案可在一次UV曝光下覆盖微透镜轮廓，从而消除了传统的逐层3D打印中存在的阶梯效应。加上投影透镜振荡，以进一步消除由于离散像素间隙而形成的锯齿状表面。”

△ 灰度图案的生成。

（a）具有（2n + 1）行和（2n + 1）列的灰度数据矩阵。Gi j表示位于第i和第j 像素的灰度值。Dij表示任意像素与中心像素之间的距离。（b）沿直径的三个圆形图案的灰度分布。

机械振荡改进DLP 3D打印

微透镜是一个小透镜，通常只有10微米。微透镜阵列包含在支撑基板上以一维或二维阵列形成的多个透镜。提供检测和控制光的电子设备和系统，光电子小型化的日益增长的需求，引起人们极大的关注。因此，微透镜阵列已经成为在各种微型化的成像、传感和光通信应用中的重要微光学器件。

据研究人员称，生产微透镜阵列很困难，因为许多制造技术仍然存在诸如时间长、工艺复杂、不灵活以及难以控制一致性等局限性。

DLP 3D打印是一种使用数字投影仪固化光敏聚合物树脂，生产3D打印零件的过程。它通常用于高精度的3D打印，并且被认为是比SLA更快的方法。尽管DLP 3D打印在制造具有不同尺寸、几何形状和轮廓的微透镜阵列时提供了极大的灵活性，但它一直无法生产出光滑表面的光学零件。

为了克服这个问题，SUTD和SUSTech研究人员将DLP 3D打印与机械振荡和灰度UV曝光集成在一起。振荡有助于消除3D打印部件中离散像素形成的锯齿状表面，而灰度级UV曝光则消除了3D打印常见的层纹阶梯效应。这样就可以制造出具有光学特征光滑度的微透镜阵列，而且超快和灵活。

为了证明该方法的可行性和有效性，研究团队进行了详细的形态学表征，包括扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）。结果表明，投影透镜振荡与DLP 3D打印的集成，将表面粗糙度从200 nm降低到约1 nm。Ge教授补充说：“相对于其他制造方法，我们基于振动辅助DLP的打印方法既节能又省时，不会降低光学性能，便于商业化和大规模生产。此外，这种方法也为其他对光学表面要求高的制造领域提供了启发灵感”。

3D打印微透镜

尽管研究团队用DLP技术制造出微透镜阵列，但其他3D打印技术也可能同样适合。例如，德国的Nanoscribe生产能够生产微透镜阵列的双光子增材制造系统。2019年，推出了一款名为Quantum X的3D打印机，使用双光子光刻技术来制造纳米级的折射和衍射微光学元件，可小至200微米；2018年底，还推出了Photonic Professional GT2 3D打印机，用于微加工和无掩模光刻，也能够生产微透镜。

△在Quantum X机器上打印的3D微透镜阵列。图片来自Nanoscribe。

在中国，也有一家公司可以3D打印透镜阵列——摩方材料，并且质量也很高。

SUTD和SUSTech的研究，Ultrafast Three-Dimensional Printing of Optically Smooth Microlens Arrays by Oscillation-Assisted Digital Light Processing, 已经发表在ACS Applied Materials & Interfaces上. 作者包括Chao Yuan, Kavin Kowsari, Sahil Panjwani, Zaichun Chen, Dong Wang, Biao Zhang, Colin Ju-Xiang Ng, Pablo Valdivia y Alvarado, Qi Ge.