如果打印的圖像看起來是3D是不是很神奇？不幸的是，像照片這樣的傳統印刷品會顯示具有固定外觀的二維 (2D) 圖像，因為它們僅包含強度和顏色信息。這些打印件無法顯示3D圖像，因為它們缺乏對光線的方向控制，從而導致深度信息丟失。

為了解決這個問題，新加坡科技與設計大學 (SUTD) 的一組研究人員使用納米級 3D 打印技術來創建高分辨率光場打印 (LFP)。LFP 包括排列在結構色像素陣列頂部的微透鏡陣列。當 LFP 被普通白光照射時，顯示 3D 圖像。3D 圖像是自動立體的，這意味著無需佩戴特殊眼鏡即可觀看。圖像在從不同角度觀看時會改變外觀，這為 LFP 提供了特殊的 3D 視覺效果。

在這項研究中，研究人員使用雙光子聚合光刻 (two-photon polymerization lithography, TPL) 在一個圖案化步驟中制造高分辨率 LFP (light field print)，從而避免了進行手動對齊的需要。研究人員的 LFP 的微透鏡和結構色像素在 TPL 系統（Nanoscribe GmbH Photonic Professional GT 系統）中自動對齊，該系統可以定位激光曝光的每個體積像素，精度高達 10 nm。由于 TPL 是一種增材制造技術，研究人員分別以 20 和 300 nm 的離散切片高度步長制造微透鏡和結構色像素。微透鏡和結構色像素由相同的低折射率材料 IP-Dip 光刻膠 (n ~1.55) 制成。與等離子體彩色像素不同，研究人員的結構彩色像素不需要額外的金屬沉積，這使得 TPL 系統僅用于制造 LFP。微透鏡和結構色像素以偽隨機排列方式制造在一起，可以最大限度地減少不需要的莫爾圖案，并為安全應用編碼秘密信息。更重要的是，研究人員的 LFP 同時顯示高空間分辨率 (29–45 μm) 和高角度分辨率 (~1.6°) 圖像，具有平滑的運動視差，肉眼看起來沒有像素化，即使是近距離。

圖1. 光場打印設計LFP示意圖

▲圖解：a. 白色光源用于照亮 LFP 中的結構色像素。來自像素的透射光被微透鏡收集并投射到遠場。遠場中的觀察者從由方位角 α 和仰角 β 表示的視點看到彩色 3D 圖像。b. 一個顯示單元的示意圖：一個塔支撐一個球形平凸微透鏡，該微透鏡放置在一個包含納米柱陣列的結構色像素塊上方一個焦距處。c. 包含5 × 5個納米柱的結構色像素示意圖，其中每個納米柱的直徑為D，高度為H，間距為S。?是像素的視角。d. 顯示單元中 3 × 3 個像素的平面圖示意圖。L是微透鏡的直徑，用圓圈表示；P是每個像素的間距，用正方形表示。每個像素被分配一個 1-9 的數字，它是從分配有相同數字的輸入圖像中提取的。e 輸入圖像交錯以生成用于打印 LFP 的像素位置數字地圖。

更重要的是，需要高分辨率 LFP 來顯示超逼真的 3D 圖像，這些圖像在藝術品和安全物品中具有潛在應用。通過使用納米級 3D 打印創建 LFP，該團隊實現了每英寸 25,400 點 (dpi) 的最大像素分辨率，超過了消費類噴墨打印機的像素分辨率 ~1,200 dpi。LFP 中的結構色像素由納米柱（直徑約 300nm）制成。也許最顯著的結果是每個彩色像素都可以由單個納米柱表示，從而以最大分辨率生成 LFP。

圖2. 光場打印的光學和電子顯微照片

▲圖解：a. 偽隨機排列的顯示單元的明場透射光學顯微鏡圖像（平面圖）。b, c 顯示單元（左）和設計有紅色、藍色和綠色條紋的結構色像素塊（右）的明場透射光學顯微鏡圖像。相同的像素在顯示單元的微透鏡下方形成圖案。b. 光學顯微鏡圖像聚焦在像素上。c. 光學顯微鏡圖像聚焦在顯示單元的前焦平面上。d . 2 × 2個顯示單元的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（45°傾斜角）。3 × 3個像素的SEM圖像（30°傾斜角），其中每個像素可被5 × 5個具有相同高度和直徑的納米柱識別。

圖3. 用 3 × 3 個多色立方體透視編碼的光場打印

▲圖解：從由方位角α和仰角β表示的每個視點捕獲立方體的數碼相機宏圖像。立方體似乎從基板平面突出。在這個光場打印中，每個彩色像素由 5 × 5 個納米柱組成（像素間距 P = 5 微米）。相同的比例尺適用于每個視點圖像。

這項研究的首席研究員、SUTD 副教授 Joel Yang 表示：“這可能是第一次使用 3D 打印在一個步驟中完全創建多色光場打印 (LFP)，而無需使用染料，無需手動將微透鏡對準彩色像素。打印件在單個 LFP 中嵌入多達 225 幀，以前所未有的分辨率生成平滑的觀看過渡。這些效果將導致 2D 打印件產生超未來的逼真 3D 視覺效果。”

圖4. 用計算機生成的卡通臉的 5 × 5 個透視圖編碼的光場打印。

圖5. 在不同焦距下捕獲的光場打印外觀。

該團隊預計，當納米技術允許更大的可擴展性和吞吐量時，高分辨率 LFP 將更容易在市場上買到。這項研究發表在 Nature Communications 上。

本文來源：More information: John You En Chan et al, High-resolution light field prints by nanoscale 3D printing, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-23964-6