0.6秒體積3D打印！全息光場合成技術(shù)，清華團(tuán)隊(duì)又發(fā)《Nature》

南極熊導(dǎo)讀：體積3D打印技術(shù)在構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面具備巨大潛力，但在兼顧打印速度與分辨率方面長期面臨挑戰(zhàn)。

2026年2月11日，來自清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出一種名為 數(shù)字非相干全息光場合成 （Digital Incoherent Synthesis of Holographic light fields，DISH）的新方法， 成功在亞秒級時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了毫米級物體的高分辨率三維打印 。他們的研究已經(jīng)發(fā)表在 Nature 上，題目為 Sub-second volumetric 3D printing by synthesis of holographic light fields.

研究背景

目前的增材制造方法存在一定的局限性：傳統(tǒng)的逐層打印技術(shù)雖然靈活，但在生產(chǎn)效率上難以滿足大規(guī)模制造需求。新興的體積打印技術(shù)（如計(jì)算軸向光刻）雖然提升了速度，但需要旋轉(zhuǎn)樣品進(jìn)行斷層掃描式的重構(gòu)。旋轉(zhuǎn)操作限制了打印速度，容易引發(fā)機(jī)械振動影響精度，并且要求使用高粘度樹脂。另一方面，若嘗試通過高數(shù)值孔徑物鏡來提升分辨率，光學(xué)的衍射效應(yīng)會導(dǎo)致焦深變淺，難以在較大的深度范圍內(nèi)維持高精度的光場調(diào)制。 實(shí)現(xiàn)高速、高通量且高分辨率的毫米級物體制造，一直是系統(tǒng)性的難題。

研究內(nèi)容

為解決上述問題，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了DISH技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套獨(dú)特的高速旋轉(zhuǎn)潛望鏡系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)的樣品旋轉(zhuǎn)過程。

△DISH的原理與演示。a利用多角度投影在固定容器內(nèi)生成三維光強(qiáng)分布，實(shí)現(xiàn)體積打印。b設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)潛望鏡可在 0.6 秒內(nèi)產(chǎn)生由DMD調(diào)制的高速旋轉(zhuǎn)光圖案投影。右側(cè)展示了目標(biāo)模型及其打印成品示例。c不同時(shí)間點(diǎn)拍攝的圖像顯示，在低粘度 PEGDA 水溶液中的打印過程可在 0.6 秒內(nèi)完成。d模擬的三維光分布對比：分別展示了非相干光、未進(jìn)行全息優(yōu)化的相干光、以及采用 DISH 方法（全息優(yōu)化相干光）生成的結(jié)果。左側(cè)為目標(biāo)真值。

這套系統(tǒng)配合數(shù)字微鏡器件（DMD），能以高達(dá) 17,000 Hz 的速度生成優(yōu)化圖案，并通過潛望鏡以每秒 10 轉(zhuǎn)的速度進(jìn)行多角度光場投射。針對光學(xué)景深受限的問題，團(tuán)隊(duì)利用相干激光源，開發(fā)了一種基于波光學(xué)的迭代算法。這種算法能對二值投影圖案進(jìn)行全息優(yōu)化，無需機(jī)械移動焦平面，即可在遠(yuǎn)離物鏡原本焦面的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高分辨率光場調(diào)制。此外，團(tuán)隊(duì)還引入了基于自適應(yīng)光學(xué)的快速校準(zhǔn)方法，消除了系統(tǒng)誤差與折射影響。

△投影圖案的由粗到精全息優(yōu)化算法圖解及評估

DISH 技術(shù)的優(yōu)勢：

? 無散斑噪聲 ：由于使用非相干光源，徹底解決了傳統(tǒng)激光全息中難以消除的散斑顆粒感，圖像更加細(xì)膩?zhàn)匀弧?/p>

? 尺寸與視場的可擴(kuò)展性 ：通過拼接更多的顯示單元和透鏡陣列，理論上可以無限擴(kuò)展顯示的尺寸，而不受單個 SLM 帶寬積的限制。這使得制作桌面級甚至墻面級的大尺寸全息顯示成為可能。

? 全視差 ：能夠提供水平和垂直方向的完整視差，觀察者上下左右移動頭部都能看到正確的透視關(guān)系。

? 降低硬件成本 ：不需要昂貴的穩(wěn)頻激光器和極其精密的光學(xué)防震平臺，系統(tǒng)更加魯棒，易于商業(yè)化

研究結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，DISH系統(tǒng)能在 0.6 秒內(nèi)完成毫米級物體的原位 3D 打印。通過全息優(yōu)化，系統(tǒng)在 1 厘米的深度范圍內(nèi)保持了約 19 微米的均勻打印分辨率，這一深度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)高數(shù)值孔徑物鏡的景深限制。

△DISH打印分辨率的實(shí)驗(yàn)表征

由于無需旋轉(zhuǎn)樣品，DISH能夠兼容包括低粘度水凝膠在內(nèi)的多種材料 。研究人員還將 DISH 系統(tǒng)與流體通道集成，展示了在流動狀態(tài)下連續(xù)批量生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力，成功打印了包括血管模型、微型晶格、甚至復(fù)雜的“西奧多里克”雕像等多樣化三維結(jié)構(gòu)。

△集成流體通道的DISH連續(xù)3D打印多樣化結(jié)構(gòu)

未來展望

DISH 技術(shù)結(jié)合了高效率與高精度，為多個領(lǐng)域帶來了新的可能：

?在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，它可用于高通量的生物打印與藥物篩選；

?在工程領(lǐng)域，可用于制造微型機(jī)械與微型光子器件。

?隨著激光功率提升及硬件升級，打印速度有望進(jìn)一步加快。

這種在固定容器內(nèi)進(jìn)行快速體積曝光的方式，也為原位打印甚至體內(nèi)生物打印提供了技術(shù)儲備。

總結(jié)

清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了 DISH 技術(shù)，通過創(chuàng)新的光學(xué)設(shè)計(jì)與算法優(yōu)化，打破了體積3D打印中速度、分辨率與材料粘度之間的制約關(guān)系。這項(xiàng)成果大幅提升了微尺度物體的制造效率，為復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的批量化生產(chǎn)提供了一種強(qiáng)有力的通用解決方案。