[論文レビュー] Holographic Volumetric Additive Manufacturing

Maria Isabel Álvarez-Castaño, Andreas Gejl Madsen+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2024

Advanced Optical Imaging Technologies被引用数 7

ひとこと要約

本論文はボリューム型加法製造のためのホログラフィック位相変調を実証し、投影効率を少なくとも10倍改善し、回折極限解像度を達成し、Lee符号化とタイル化によってちらつきを低減させたDMDベースのホログラフィック設定を用いてミリメートル級の3Dオブジェクトを迅速に作製する。

ABSTRACT

3D printing has revolutionized the manufacturing of volumetric components and structures in many areas. Different technologies have been developed including light-induced techniques based on the photopolymerization of liquid resins. In particular, a recently introduced method, so-called Tomographic Volumetric AM (VAM), allows the fabrication of mesoscale objects within tens of seconds without the need for support structures. This method works by projecting thousands of amplitude patterns, computed via a reverse tomography algorithm, into a resin from different angles to produce the desired three-dimensional shape when the resin reaches the polymerization threshold. To date, only amplitude modulation of the patterns has been reported. Here, we show that holographic phase modulation unlocks new capabilities for VAM printing. Specifically, the effective light projection efficiency is improved by at least a factor of 10 over amplitude coding; the resolution can reach the light diffraction limit; and phase encoding allows to control ballistic photons in scattering media, which potentially increases the volume of 3D objects that can be printed in opaque and non-absorbing resins. The approach uses CGH to convert phase, encoded on a 2D modulator to the desired intensity projections by light propagation in a photosensitive resin container. We demonstrate the potential of holographic phase coding using simulations and experiments, the latter by implementing a volumetric printer using a DMD, as the 2D phase modulator in a Fourier configuration. Specifically, we use Lee holograms to encode phase onto a binary DMD. Combining tiled holograms with PSF shaping mitigates the speckle noise typically associated with computer-generated holograms and speed-up their computation. We use these holographic projections to fabricate millimetric 3D objects in less than a minute with a resolution down to 164 um.

研究の動機と目的

• ボリューム型加法製造を強化するためのホログラフィック位相符号化を動機づける。
• 位相変調が振幅のみの方法より高い光効率とより高精細な解像度を可能にすることを示す。
• 空間光変調器とホログラフィック符号化技術を用いた実用的な実装を実証する。
• 改善された画像品質でミリメートル級の3Dオブジェクトを1分未満で印刷する能力を評価する。

提案手法

• 2Dモジュレータにエンコードされた位相を、感光性樹脂内の所望の強度投影に変換するためにコンピューター生成ホログラフィー（CGH）を用いる。
• フーリエ配置で2値DMDに位相を符号化するためにLeeホログラムを用いる。
• タイル状ホログラムを点広がり関数（PSF）整形と組み合わせ、スペックルノイズを緩和し計算を加速する。
• 複数の視点から数千のホログラフィック投影を投影し、トモグラフィ的ボリュームAM原理を用いてターゲットの3D形状を作成する。
• 164 μmまでの解像度を達成し、ミリメートル級のオブジェクトを1分未満で印刷するDMDベースのボリュームプリンターを含む、シミュレーションと実験を実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ホログラフィック位相変調は、振幅のみの方法と比較してボリューム型加法製造における光投影効率を改善できるか？
• RQ2 散乱性または不透明樹脂における位相符号化ホログラフィックVAMでどのような解像度と印刷速度を達成できるか？
• RQ3 タイル状ホログラムとPSF整形は、ホログラフィックVAMにおけるスペックルノイズと計算処理能力にどのように影響するか？
• RQ4 Lee符号化を用いたフーリエ配置でDMDを用いた実用的なホログラフィックVAMプリンターを実現することは可能か？

主な発見

• 位相変調は振幅符号化に比べて実効光投影効率を少なくとも10倍向上させる。
• 実証系では解像度が光の回折限界に達しうる。
• 位相符号化は散乱媒体中の飛程光子を制御する可能性を提供し、印刷可能体積を拡張する。
• Leeホログラムを用いたフーリエ配置のDMDベースホログラフィックVAMプリンターは、ミリメートル級の3Dオブジェクトを1分未満で製造できる。
• タイル状ホログラムとPSF整形の組み合わせはスペックルノイズを緩和し、ホログラム計算を高速化する。