南方科技大学葛锜教授：振动辅助数字光处理实现微透镜阵列的快速3D打印

来源：高分子科学前沿

随着光电器件的小型化，微透镜阵列在近年来引起了业界的持续关注，并广泛应用于成像、传感、光纤通信等诸多领域。对于微透镜阵列中的每个微米级透镜来说，为减小光的散射，其表面粗糙度需要低至几纳米，这对加工精度提出了很高的要求。

针对微透镜阵列的制备，业界在过去三十年提出了包括光刻胶热回流、激光直写、热压等传统加工工艺。但是这些方法存在如耗时长，工艺复杂，缺乏灵活性等诸多问题。

为解决上述问题，南方科技大学葛锜教授与新加坡科技与设计大学(Singapore University of Technology and Design)研究团队合作，提出了振动辅助数字光处理(Oscillation-Assisted Digital Light Processing) 3D打印方法，用以灵活迅速地打印具有光学表面光滑度的微透镜阵列。装置设计如图1(a)所示。

图 1 振动辅助数字光处理3D打印方法。(a) 装置示意图。(b) 机械振动对数字光投影的影响。(c) 无振动辅助打印透镜的形态学表征。(d) 振动辅助打印透镜的形态学表征。(e) 机械振动对打印透镜成像能力的影响。

该技术主要通过以下两点实现光学平滑表面的加工：一是以单次灰度曝光代替传统3D打印的逐层累加，消除了因层间连接而产生的阶梯效应；二是对投影透镜施加了周期性机械振动，进一步消除由于离散像素间隙而形成的锯齿状表面(图1(b))。

通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等形态学表征，研究团队发现，通过施加机械振动，打印出的透镜表面粗糙度从200 nm降低到大约1 nm，极大地提高了透镜的表面平滑度(图1(c), 1(d))。进一步的光学成像实验表明，投影透镜机械振动的施加与否对打印透镜的成像能力起着决定性的作用(图1(e))。

此外，为了更好地设计灰度图案，研究团队结合光固化基本理论开发了计算模型用来预测不同工况下微透镜轮廓。在具体设计过程中，设计者仅需要逆向地利用此模型，即可得到目标透镜轮廓的最优灰度曝光图案。

最后，研究团队展示了该方法为微透镜阵列制造带来的设计灵活性。仅需1~3秒的单次灰度曝光，不同尺寸、轮廓的微透镜即可同时成型(图2)，并实现多种成像效果。

图 2 复合型微透镜阵列。(a) 多尺寸凸透镜阵列及其成像效果图。(b) 凹-凸复合型透镜阵列及其成像效果图。

相对于传统的微透镜阵列制造方法，振动辅助数字光处理3D打印在保证透镜光学性能的同时，极大地缩短了加工时间，降低了能耗，便于大规模生产。

该研究成果于近期在材料领域知名刊物《ACS Applied Materials & Interfaces》上在线发表。该研究获得Singapore National Research Foundation (NRF)、深圳市政府科研启动基金和南方科技大学科研启动基金等项目的资助。原超博士和Kavin Kowsari博士是该论文的共同第一作者，葛锜教授是该论文的通讯作者。