全息断层扫描体积3D打印技术！基于MEMS 纯相位光调制器

南极熊导读：体积3D打印不断进化升级，未来有可能变成一类具有重要地位的技术工艺。

2025年6月22日，南极熊获悉，洛桑联邦理工学院 (EPFL)的研究人员推出了一款紧凑高效的全息断层扫描体积增材制造 (HT-VAM) 系统，利用基于 MEMS 的纯相位光调制器。这一进展标志着在解决体积 3D 打印相关的光传输限制方面取得了重大进展。

他们的研究成果以题为“High Light-EfficiencyHolographic Tomographic Volumetric Additive Manufacturing using a MEMS-basedPhase-only Light Modulator”的论文发表在在线期刊arXiv （2025 年 6 月），详细展示了相位调制如何彻底改变基于光的制造技术，从而实现更快、更高分辨率的打印，并实现前所未有的能源效率。

论文链接：https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.02578

全息技术与体积制造的结合

体积增材制造 (VAM) 是一种无层3D 打印技术，通过将光图案投射到旋转的光树脂瓶中，同时固化整个物体。与逐层打印方法不同，VAM 消除了阶梯状伪影，并能够无支撑地制造复杂的几何形状。EPFL 的断层扫描 VAM (TVAM) 方法采用计算机断层扫描原理生成动态光场，从而实现树脂的体积聚合。

传统的TVAM系统通常依赖于数字微镜器件（DMD），这是一种光效率有限的二进制振幅调制器，通常低于10%。EPFL团队将其替换为仅相位的相位光调制器（PLM），从而实现精确的波前控制。这一改进使测得的光效率达到23.78%，比DMD提高了70倍，同时还减少了散斑噪声等成像伪影。

△光学结构和光效率。图片来自洛桑联邦理工学院应用光子器件实验室（LAPD）。

相位调制：游戏规则改变者

直到最近，硅基液晶 (LCOS) 空间光调制器 (SLM) 仍是相位调制的标准。然而，LCOS 存在诸多局限性，包括响应时间慢（60-120 Hz）、紫外线 (UV) 衰减以及偏振敏感性。

相比之下，由德州仪器 (TI) 开发的、基于 MEMS 的 EPFL PLM 采用活塞运动微镜直接编码相位。它具有 4 位分辨率（16 个相位级），可实现精确的波前整形；高速（1,440 Hz 帧速率），可实现快速图案化；并且具有偏振不敏感性和紫外线稳定性，这对于光聚合至关重要。

新的打印系统支持使用低功率、单模 405 nm 激光器，降低成本和系统复杂性，同时实现接近理论的衍射效率。

减少斑点和打印质量

全息打印系统的一项关键创新在于散斑抑制流程。散斑是由相干光干涉引起的，通过在每个角度时分复用投影九个横向偏移的全息图来减轻散斑的影响。结合贝塞尔光束轴棱镜相位，打印流程将散斑对比度降低了 50%（从 0.45 降至 0.33），并扩展了系统的焦深，从而确保整个打印体积的分辨率均匀一致。

△用于生成低散斑噪声投影的流程示例。图片来自洛桑联邦理工学院应用光子器件实验室 (LAPD)。

快速、高保真打印

全息打印系统演示了快速打印复杂模型，例如32秒内打印4毫米螺旋意大利面结构（激光功率为18毫瓦），61秒内打印8毫米高的斯坦福兔子（激光功率为50毫瓦），以及在微米尺度上打印表面光滑的DNA螺旋。潜在应用领域涵盖生物打印、微光学和航空航天，在这些领域，速度、分辨率和材料效率至关重要。

△使用PLM 技术打印全息 VAM 的物体示例。图片来自洛桑联邦理工学院 (EPFL) 应用光子器件实验室 (LAPD)。

随着光控和生物医学应用的创新，体积打印日趋成熟

体积增材制造作为传统逐层3D打印的有力替代方案，发展势头强劲，它能够同时制造整个物体，且对几何形状和速度的限制更少。最近的进展包括自动曝光控制系统，可在断层扫描投影过程中实现更精确的光剂量，以及使用光转换纳米粒子来实现更深层、更可控的聚合。瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的衍生公司Readily3D也通过与BIO INX的合作，推进了体积生物打印技术的发展，旨在简化复杂生物模型的制造。

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