體積增材制造已成為一種靈活生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有前景的技術(shù)，在工程、光子學(xué)和生物學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用1,2。然而，目前的方法仍然面臨分辨率與體積構(gòu)建速率之間的權(quán)衡，限制了高分辨率三維結(jié)構(gòu)的高效靈活生產(chǎn)。

鑒于此，清華大學(xué)戴瓊海教授、吳嘉敏教授與方璐教授提出了一種名為全息光場(chǎng)數(shù)字非相干合成（DISH）的方法，該方法通過高速旋轉(zhuǎn)的潛望鏡進(jìn)行連續(xù)多角度投影來生成高分辨率三維光分布，無需樣品旋轉(zhuǎn)。在DISH中，針對(duì)不同角度的全息圖進(jìn)行迭代優(yōu)化，可在1厘米范圍內(nèi)保持19微米的打印分辨率，該分辨率遠(yuǎn)超物鏡的景深，能夠在僅0.6秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)物體的高分辨率原位三維打印。他們使用不同粘度的丙烯酸酯材料來展示DISH的普遍兼容性。通過將DISH與流體通道相結(jié)合，他們?cè)诘驼扯炔牧现袑?shí)現(xiàn)了復(fù)雜且多樣化的三維結(jié)構(gòu)的大規(guī)模生產(chǎn)，展示了其在不同領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的前景。相關(guān)研究成果以題為“Sub-second volumetric 3D printing by synthesis of holographic light fields”發(fā)表在最新一期《nature》上。

【DISH原理】

為規(guī)避CAL中高速樣品旋轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性，DISH創(chuàng)新設(shè)計(jì)一套旋轉(zhuǎn)潛望鏡（圖1a、1b），置于物鏡前方改變圖案化光束方向，以高達(dá)10轉(zhuǎn)/秒的速度實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)高速多角度投影。DMD以17,000 Hz速率生成高分辨率光調(diào)制圖案，并與潛望鏡旋轉(zhuǎn)角度精準(zhǔn)同步，實(shí)現(xiàn)3D光強(qiáng)度分布的非相干合成（圖1c）。所有光束均通過容器單一平坦表面投射，簡(jiǎn)化打印容器要求，為原位打印乃至活體生物打印提供可能。實(shí)驗(yàn)表明，DISH可在0.6秒內(nèi)于低粘度聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水溶液中完成毫米級(jí)物體3D打?。▓D1c），超高速打印有效規(guī)避傳統(tǒng)CAL因打印時(shí)間長達(dá)數(shù)十秒所需的高粘度墨水（6000–10000 cP）限制。為進(jìn)一步提升分辨率，DISH采用長工作距離、0.055 NA物鏡進(jìn)行光投影。針對(duì)高NA帶來的淺景深問題（0.055 NA、405 nm波長下約0.4 mm），DISH使用相干激光源并通過全息計(jì)算優(yōu)化光場(chǎng)，無需機(jī)械移動(dòng)焦平面即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超物鏡原生景深20倍以上（高達(dá)1 cm）的高分辨率3D光調(diào)制（圖1d）。

圖 1. DISH 的原理與示意圖

【全息光場(chǎng)優(yōu)化】

DISH開發(fā)一套“由粗到細(xì)”迭代算法，基于相干光波光學(xué)模型對(duì)DMD上的二元投影圖案進(jìn)行全息優(yōu)化（圖2a）。優(yōu)化問題旨在最小化目標(biāo)區(qū)域內(nèi)外累積劑量的誤差，其中累積劑量由多角度投影光強(qiáng)非相干疊加及光固化材料響應(yīng)共同決定。算法首先通過梯度下降法為N個(gè)離散角度求解高分辨率粗強(qiáng)度分布，隨后將每個(gè)角度鄰近的G幅二元投影圖案編為一組，通過全息迭代算法逐組優(yōu)化，在無需機(jī)械移焦情況下擬合目標(biāo)高分辨率強(qiáng)度分布。與傳統(tǒng)CAL中基于射線近似的罰函數(shù)最小化（PM）方法相比，DISH全息優(yōu)化方法在0.055 NA物鏡下實(shí)現(xiàn)1 cm深度范圍內(nèi)高分辨率3D結(jié)構(gòu)精確光場(chǎng)合成（圖2b、2c）。相較于經(jīng)典全局Gerchberg-Saxton全息算法，該方法在Jaccard指數(shù)和符號(hào)距離函數(shù)上均展現(xiàn)更高強(qiáng)度分布精度（圖2d）。研究分析了投影總數(shù)與二值化參數(shù)G對(duì)打印精度的影響：更多投影可提升保真度，總投影數(shù)超過1,000時(shí)趨于收斂；較小G雖以更少投影達(dá)到收斂，但會(huì)損失整體灰度信息導(dǎo)致保真度下降（圖2e）。實(shí)驗(yàn)選取G=10，總投影數(shù)1,800（對(duì)應(yīng)180個(gè)粗3D劑量），DMD可在0.06秒內(nèi)完成1,000幅圖案投影，確保高速打印。

圖 2. 投影圖案粗細(xì)全息優(yōu)化算法的示意與評(píng)估

【DISH實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)】

光束在空氣與材料界面發(fā)生折射，導(dǎo)致圖案邊緣模糊（圖3a），研究團(tuán)隊(duì)在波光學(xué)傳播模型中精確納入折射過程以減小誤差。針對(duì)DISH非同軸、多視角光學(xué)系統(tǒng)特點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)潛望鏡過程中任何角度投影的不匹配都會(huì)造成積分強(qiáng)度模糊。受掃描光場(chǎng)成像中數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)開發(fā)一套基于自適應(yīng)光學(xué)的快速校準(zhǔn)方法：利用正交雙相機(jī)在熒光材料中捕捉光強(qiáng)作為波前傳感器，檢測(cè)各角度投影的偏差量，并反饋至DMD，對(duì)各角度投影圖案進(jìn)行像素級(jí)橫向位移補(bǔ)償（圖3b、3d）。通過旋轉(zhuǎn)潛望鏡逐角度捕獲光束圖像，建立DMD像素、平臺(tái)角度與3D位置之間的精確映射；同時(shí)，通過投影特定條紋圖案標(biāo)定DMD原生焦平面的傳播距離等波光學(xué)參數(shù)（圖3c）。整套校準(zhǔn)過程僅需數(shù)分鐘，對(duì)固定系統(tǒng)僅需一次性標(biāo)定，無需硬件改動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)全息優(yōu)化與自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)校準(zhǔn)后，DISH可在熒光溶液中生成高質(zhì)量3D投影強(qiáng)度。即使軸向偏離打印中心4.8 mm（遠(yuǎn)超0.4 mm景深），經(jīng)全息優(yōu)化的圖案仍能保持高分辨率特征，而傳統(tǒng)背向投影法則因離焦效應(yīng)顯著退化（圖3e、3f）。

圖 3. DISH 的實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)

【DISH高分辨率3D打印】

為系統(tǒng)評(píng)估DISH實(shí)驗(yàn)打印分辨率，研究團(tuán)隊(duì)首先在1 cm深度范圍內(nèi)打印高分辨率浮雕條紋結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，經(jīng)全息優(yōu)化算法優(yōu)化的圖案，最小線寬可達(dá)11.0±1.2 μm，且在整個(gè)1 cm深度范圍內(nèi)分辨率高度均勻（圖4a、4b、4d–4g）。相比之下，傳統(tǒng)幾何光學(xué)背向投影算法優(yōu)化的圖案邊緣粗糙，最小線寬僅54.0±2.9 μm（圖4c）。魚骨結(jié)構(gòu)正特征尺寸為11.9±2.1 μm（圖4h、4i），五角星模型設(shè)計(jì)角度36°，實(shí)測(cè)角度36.0±1.6°（圖4j），三棱錐邊緣銳利（圖4k），海螺模型各方向線條寬度穩(wěn)定在19.3±3.4 μm（圖4l–4o）。以上數(shù)據(jù)充分證明DISH在厘米級(jí)尺度內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高分辨率、高保真度3D打印。

圖 4. 對(duì) DISH 打印分辨率的實(shí)驗(yàn)特性描述

為展示其連續(xù)化柔性生產(chǎn)能力，研究團(tuán)隊(duì)將DISH與流體通道、泵及濾網(wǎng)集成，構(gòu)建高速流水線式3D打印平臺(tái)（圖5a）。單樣品曝光時(shí)間僅0.6秒，可連續(xù)制造立方框架、四面體框架、花朵、魷魚、脊髓切片、分叉管等多樣化結(jié)構(gòu)（圖5b、5c），突破傳統(tǒng)固定模具批量生產(chǎn)只能制造單一構(gòu)型的局限。在工業(yè)與工程應(yīng)用方面，DISH成功打印狄奧多里克雕像、魷魚雕像、Benchy模型等具有復(fù)雜曲面與懸垂結(jié)構(gòu)的精密件（圖5d–5g）；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，打印仿生血管螺旋中空管，并通過注入不同顏色墨水驗(yàn)證空腔結(jié)構(gòu)（圖5h）。DISH單側(cè)投影的特性使其能夠在固定表面上實(shí)現(xiàn)高速活體原位生物打印，同時(shí)同步體積打印可輕松制造擠出式或逐層打印難以實(shí)現(xiàn)的無支撐鏈條結(jié)構(gòu)。此外，DISH展現(xiàn)出廣泛材料兼容性：除PEGDA外，高硬度二季戊四醇六丙烯酸酯（DPHA）、雙酚A甘油酸酯二丙烯酸酯（BPAGDA），生物基水凝膠明膠甲基丙烯酰酯（GelMA）、絲素蛋白甲基丙烯酰酯（SilMA），以及彈性聚氨酯二甲基丙烯酸酯（UDMA）等多種常用光固化材料均成功實(shí)現(xiàn)打?。▓D5i–5k），彰顯該方法在靈活性與高效性上的普適優(yōu)勢(shì)。

圖 5. 使用流控通道的 DISH 連續(xù) 3D 打印多種結(jié)構(gòu)

【總結(jié)】

DISH通過軟硬件協(xié)同創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)0.6秒內(nèi)連續(xù)化生產(chǎn)毫米級(jí)尺寸、高分辨率（19 μm特征尺寸、1 cm深度均勻）復(fù)雜三維物體。系統(tǒng)數(shù)分鐘內(nèi)完成校準(zhǔn)，無需硬件改動(dòng)。在200 mm3樣品體積下，最低曝光0.6秒，實(shí)現(xiàn)333 mm3/s體積打印速率，以及（11 μm）2 × 22 μm體素尺寸下1.25×10?體素/秒的體素打印速率，較其他毫米級(jí)3D打印方法在速度與分辨率上均實(shí)現(xiàn)顯著突破。未來，采用更高功率激光源，DMD與旋轉(zhuǎn)潛望鏡可提升至10轉(zhuǎn)/秒以上，成倍加速構(gòu)建速率；流體系統(tǒng)批量處理速度可通過優(yōu)化流道進(jìn)一步提升。當(dāng)前算法處理1,350×1,350×1,852體素模型需約24小時(shí)，引入深度學(xué)習(xí)與GPU加速將大幅縮短計(jì)算周期。DISH技術(shù)為突破傳統(tǒng)體積打印在分辨率、速度與材料適應(yīng)性之間的權(quán)衡提供全新范式，在高通量器官生物打印、個(gè)性化藥物篩選、微型智能器件及集成光子學(xué)制造等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。