基于光固化成型（Vat Photopolymerization）的三維打印技術，由于其良好的定制性和無需裝配的一體成型能力，在制造自定義光學元件方面具有極大的潛力。然而，光學透鏡的加工工藝需要具備納米級的表面粗糙度和微米級的形狀精度，這種精度要求超出了大多數三維打印技術的能力范圍。現有的透鏡三維打印工藝，例如雙光子聚合光固化成型，通過降低打印層厚和固化單元面積來實現納米級表面粗糙度，但這限制了加工速度和加工面積。目前，對于大尺度光滑表面光學透鏡的一體成型三維打印仍然存在挑戰。
為了解決光固化成型在制造光學透鏡時面臨的表面粗糙度和形狀精度問題，美國南加州大學的Yong Chen教授和其博士后Han Xu開發了一種基于變焦距光固化的三維打印工藝（Zooming Focused Mask Image Projection based Vat Photopolymerization）。該工藝采用特殊變焦連續三維打印技術，在連續液面生長（Continuous liquid interface production）的基礎上, 通過改變焦距實現投影圖像的連續變化，從原理上消除了加工表面的臺階畸變。 這種技術實現了對光學透鏡的一體成型，無需后處理加工。其加工表面粗糙度可以達到納米級，加工形狀精度可以達到微米級，完全滿足光學透鏡的制造需求。論文以Continuous Vat Photopolymerization for Optical Lens Fabrication為題， 發表在《Small》期刊。南加州大學博士后Han Xu 為第一作者，其它合作者包括Shuai Chen，Renzhi Hu， Muqun Hu，Yang Xu，和Yeowon Yoon。
圖1：（a）連續梯臺式層疊加原理。（b-c）連續變焦打印實現從點1到點2的連續梯臺式層疊加。（d）連續變焦三維打印的復合拋物面光集中器。（e）光集中器的表面電子顯微鏡照片。
圖2：（a）連續變焦三維打印的魚眼透鏡。（b）使用USAF1951靶標標定打印魚眼透鏡的成像解析度原理圖。（c）USAF1951 靶標在打印魚眼透鏡下的成像結果。（d）打印的魚眼透鏡對白、藍、紅三種波長的圖像的調制傳遞函數。（e-f）連續變焦三維打印的激光擴束器設計圖。（g）連續變焦三維打印的激光擴束器實物圖。（h）打印的激光擴束器對激光的擴束效果比較。
為進一步展現該工藝的通用性，該團隊打印了不同設計的傳統凸透鏡（圖2a），和一體成型的激光擴束器（圖2e-2g）。得益于良好的形狀精度與表面粗糙度，打印的透鏡展現出高于傳統三維打印透鏡的成像解析度，如圖2b-2d所示。激光擴束器由兩個同軸的凸透鏡組成。三維打印對復雜結構的一體成型能力，消除了傳統加工中的激光擴束器的裝配誤差，降低了裝配成本。其打印結果與激光擴束效果在圖2h中展示。
論文信息：Han Xu, Shuai Chen, Renzhi Hu, Muqun Hu, Yang Xu, Yeowon Yoon, and Yong Chen, “Continuous Vat Photopolymerization for Optical Lens Fabrication”. Small 2300517
全文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202300517
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