[논문 리뷰] Holographic Volumetric Additive Manufacturing

Maria Isabel Álvarez-Castaño, Andreas Gejl Madsen외 4명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 24.

Advanced Optical Imaging Technologies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 부피적 적층 제조를 위한 홀로그래픽 위상 변조를 보여주며, 최소 10배의 프로젝션 효율 향상, 회절 한계 해상도, 그리고 DMD 기반 홀로그래피 설정과 Lee 인코딩 및 타일링을 사용해 스펙클을 줄여 밀리미터급 3D 물체를 빠르게 제작한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 부피적 적층 제조를 향상시키기 위한 홀로그래픽 위상 부호화를 제안한다.
• 위상 변조가 진폭만 방법보다 더 높은 광 효율과 더 세밀한 해상도를 가능하게 함을 보인다.
• 공간광 변조기와 홀로그래피 인코딩 기법을 사용한 실용적 구현을 시연한다.
• 향상된 영상 품질로 1분 이내에 밀리미터급 3D 물체를 프린트할 수 있는 능력을 평가한다.

제안 방법

• 2D 모듈레이터에 인코딩된 위상을 원하는 강도 프로젝션으로 변환하기 위해 컴퓨터 생성 홀로그래피(CGH)를 사용한다.
• 푸리에 구성에서 이진 DMD에 위상을 인코딩하기 위해 Lee 홀로그램을 사용한다.
• 타일링된 홀로그램과 포인트 스프레드 함수(PSF) 모양화를 결합해 스펙클 노이즈를 줄이고 계산 속도를 높인다.
• 다수의 각도에서 수천 개의 홀로그래픽 투영을 발사해 Tomographic volumetric AM 원리에 따라 목표 3D 형상을 만든다.
• DMD 기반 부피 프린터를 포함한 시뮬레이션 및 실험을 시연해 해상도를 164 μm까지 달성하고 밀리미터급 물체를 1분 이내에 프린트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 위상 인코딩 홀로그래픽 변조가 진폭만 방법에 비해 부피적 적층 제조에서 광 프로젝션 효율을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 산란성 또는 불투명 수지에서 위상 부호 홀로그래픽 VAM으로 어떤 해상도와 인쇄 속도를 달성할 수 있는가?
• RQ3 타일링된 홀로그램과 PSF 모양화가 홀로그래픽 VAM에서 스펙클 노이즈와 계산 처리량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 Lee 인코딩을 사용하고 푸리에 구성에서 DMD를 이용한 실용적인 홀로그래픽 VAM 프린터를 구현하는 것이 타당한가?

주요 결과

• 위상 변조는 진폭 코딩에 비해 광 프로젝션 효율을 최소 10배까지 증가시킨다.
• 해상도는 시연된 시스템에서 빛의 회절 한계에 도달할 수 있다.
• 위상 인코딩은 산란 매질에서 발사 광자의 제어 가능성을 열어 프린트 가능한 부피를 확장한다.
• Lee 홀로그램을 이용한 푸리에 구성의 DMD 기반 홀로그래픽 VAM 프린터는 밀리미터급 3D 물체를 1분 이내에 제작할 수 있다.
• 타일링된 홀로그램과 PSF 모양화는 스펙클 노이즈를 줄이고 홀로그램 계산 속도를 높인다.