南方科技大學:DLP振蕩3D打印高光滑微透鏡陣列

3D打印快訊
2019
10/22
11:52
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2019年10月,新加坡Singapore University of Technology and Design (SUTD) 和深圳南方科技大學 Southern University of Science and Technology (SUSTech) 的研究人員,提出了一種使用振蕩輔助數字光處理(DLP)3D打印制造微透鏡陣列的方法。

△DLP 3D打印的高質量微透鏡陣列


微透鏡陣列由具有光學表面光滑度的多個微米大小的透鏡組成。 通常,3D打印物體的表面粗糙,大多數3D打印方法在制造光學組件方面均不成功。 但是,研究團隊利用投影透鏡的振動,開發了一種使用DLP 3D打印技術生產具有光學表面光滑度的微透鏡陣列的方法。

項目負責人和南方科技大學的Qi Ge副教授解釋了這一過程,他說:“在我們的方法中,采用計算設計的灰度圖案可在一次UV曝光下覆蓋微透鏡輪廓,從而消除了傳統的逐層3D打印中存在的階梯效應。 加上投影透鏡振蕩,以進一步消除由于離散像素間隙而形成的鋸齒狀表面。”
△ 灰度圖案的生成。 (a)具有(2n + 1)行和(2n + 1)列的灰度數據矩陣。 Gi j表示位于第i和第j 像素的灰度值。 Dij表示任意像素與中心像素之間的距離。 (b)沿直徑的三個圓形圖案的灰度分布。

機械振蕩改進DLP 3D打印

微透鏡是一個小透鏡,通常只有10微米。微透鏡陣列包含在支撐基板上以一維或二維陣列形成的多個透鏡。提供檢測和控制光的電子設備和系統,光電子小型化的日益增長的需求,引起人們極大的關注。因此,微透鏡陣列已經成為在各種微型化的成像、傳感和光通信應用中的重要微光學器件。

據研究人員稱,生產微透鏡陣列很困難,因為許多制造技術仍然存在諸如時間長、工藝復雜、不靈活以及難以控制一致性等局限性。

DLP 3D打印是一種使用數字投影儀固化光敏聚合物樹脂,生產3D打印零件的過程。它通常用于高精度的3D打印,并且被認為是比SLA更快的方法。盡管DLP 3D打印在制造具有不同尺寸、幾何形狀和輪廓的微透鏡陣列時提供了極大的靈活性,但它一直無法生產出光滑表面的光學零件。

為了克服這個問題,SUTD和SUSTech研究人員將DLP 3D打印與機械振蕩和灰度UV曝光集成在一起。振蕩有助于消除3D打印部件中離散像素形成的鋸齒狀表面,而灰度級UV曝光則消除了3D打印常見的層紋階梯效應。這樣就可以制造出具有光學特征光滑度的微透鏡陣列,而且超快和靈活。

為了證明該方法的可行性和有效性,研究團隊進行了詳細的形態學表征,包括掃描電子顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)。結果表明,投影透鏡振蕩與DLP 3D打印的集成,將表面粗糙度從200 nm降低到約1 nm。Ge教授補充說:“相對于其他制造方法,我們基于振動輔助DLP的打印方法既節能又省時,不會降低光學性能,便于商業化和大規模生產。此外,這種方法也為其他對光學表面要求高的制造領域提供了啟發靈感”

3D打印微透鏡


盡管研究團隊用DLP技術制造出微透鏡陣列,但其他3D打印技術也可能同樣適合。例如,德國的Nanoscribe生產能夠生產微透鏡陣列的雙光子增材制造系統。2019年,推出了一款名為Quantum X的3D打印機,使用雙光子光刻技術來制造納米級的折射和衍射微光學元件,可小至200微米;2018年底,還推出了Photonic Professional GT2 3D打印機,用于微加工和無掩模光刻,也能夠生產微透鏡。

△在Quantum X機器上打印的3D微透鏡陣列。圖片來自Nanoscribe。

在中國,也有一家公司可以3D打印透鏡陣列——摩方材料,并且質量也很高。

SUTD和SUSTech的研究,“Ultrafast Three-Dimensional Printing of Optically Smooth Microlens Arrays by Oscillation-Assisted Digital Light Processing, 已經發表在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.



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