研究员提出用3D打印技术制造AR几何光波导的低成本方法
墨尔本大学和KDH Design
（映维网Nweon 2024年08月26日）由于制造技术的复杂性和其光学特性所需的高精度，AR波导的大规模量产一直具有挑战性。针对这个问题，墨尔本大学和KDH Design提出了一种利用3D打印技术制造用于AR应用的几何光波导的低成本方法。
为了在光学性能和制造可行性之间取得平衡，团队优化了传统的几何波导设计，使其更容易制造。值得注意的是，所提出的方法不需要在印刷后成型，切割和后表面抛光。团队在此基础上成功制作了一个原型，并展示了虚拟图像与现实场景之间的沉浸感。他们表示，所述方法在各种AR应用中具有适应批量生产的巨大潜力。
用于AR近眼显示器的关键组件之一是光波导。根据其工作原理，市面中的光波导大致可分为两大类：几何型和衍射型。
在研究中，团队提出了一种更容易制造的优化几何波导结构。所述优化几何AR波导是使用半定制级3D打印机制造。其中，所使用平台是基于Phrozen Sonic mini 8K树脂3D打印机构建。
简单地说，将打印床浸泡在一个透明的树脂桶中，并暴露在通过一系列LED发射的紫外线之下。紫外线通过作为掩蔽元件的LCD屏幕。这将在打印床显示图像图案并选择性地校正对应的像素。这个分层过程在随后的层中重复进行。LCD屏幕提供22 μ m的超高像素分辨率。
为了增强光分布的均匀性，在光源前面放置了一个扩散器和一个吸收器。同时，另一个扩散器放置在LCD屏幕的上方，以解决LCD像素间间隙的问题，并确保图像图案的无缝显示。在实践中，团队发现第二个扩散器在z轴步长小于20µm时对x-y平面没有显著影响分辨率。
树脂缸采用PFA薄膜作为释放衬里以实现非粘性表面，从而促进打印物体的去除。为了增强非粘 属性，在PFA薄膜上面涂上一层薄薄的PTFE。团队使用的是NOVA3D树脂，其在可见光波长范围内的稳定反射指数约为1.53。在25℃下，固化后的体积收缩率为3.6%。专业喷墨打印机不需要额外后处理就可以实现光滑的表面处理，而LCD打印机无法提供类似的表面处理粗糙度。
缓解这个问题的策略是在玻璃打印床上分别打印顶部和底部波导组件，然后用介质反射器集成它们。
这种方法改善了波导的整体表面光洁度，潜在地增强了其性能。至于棱镜的倾斜表面，它可以后期阶段粘在投影仪。
研究人员首先将普通玻璃载玻片粘附到金属打印床。采用10 μ m的z轴步长，打印波导的顶部和底部件，平面向下朝向玻璃载玻片。为了提高打印的质量，在打印过程中对图像图案执行抗锯齿。这种技术有效模糊了图像图案，减少了锯齿边缘的存在，从而增强了最终产品的亚像素分辨率。
整个打印过程大约需要2个小时，没有给模型添加任何支撑。一旦打印过程完成，打印的部分，连同玻片，从打印床上取出，浸入浅树脂槽。样品在显微镜下检查以评估其质量。表面的任何碎片都可以用氮气轻轻吹走。在清洁过程中避免使用异丙醇至关重要，因为它可能降低透明度。
然后将介电反射器小心地放置在树脂内的相应槽中，从而有效防止泡沫生成。随后，将组合样品取出，并在紫外氮室中固化，在顶部玻璃上施加适当的压力。然后将样品转移到40°C的热板上进行30分钟的热处理，以消除样品在固化阶段积累的内应力。最后，将玻璃片取出。
