南洋理工大学研究人员开发出超薄光学薄膜，以提高液晶树脂3D打印精度

2026年4月26日，南极熊获悉，来自台湾科技大学的研究人员开发了一种超薄双面光学薄膜结构，旨在克服基于液晶的树脂 3D 打印机中的光控制问题。这些薄膜在不久的将来有望应用于3D打印、精密测量系统和高对比度液晶显示器等领域。

相关研究以题为“Double-sided structure collimationfilm (DSSCF) for direct-lit backlight in high-contrast liquid crystal displaysand 3D printing” 的论文发表在《光学材料快报》杂志上。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OME.593296

这项由光学工程师林定正领导的研究，以双面结构准直膜（DSSCF）为中心，工作原理是在薄膜的两面上排列微透镜阵列和梯形微结构。研究中提出的DSSCF由柱状透镜阵列（LLA）、带孔梯形微结构和反射涂层组成，如下图 (a)所示。孔径允许准直光进入，而小角度入射光直接穿过梯形微结构，并经柱状透镜阵列折射后产生小角度输出光。另一方面，大角度入射光被梯形微结构反射并转换为小角度，然后由柱状透镜阵列输出。无法进入DSSCF的光被反射涂层反射，如下图(b)所示。

△（a）DSSCF 的示意图和 (b) 由 DSSCF 组成的准直背光模块的原理

在实际应用中，需要两个DSSCF来汇聚来自两个垂直于法线视角方向的光线，如下图所示。与之前提出的具有低 HCA (33°) 的 SSSCF相比，DSSCF 具有额外的梯形微结构，可防止大角度泄漏光，从而获得更好的准直特性。

△（a）扩散器模块，（b）扩散器 + 一个 DSSCF，（c）扩散器 + 两个正交 DSSCF 的坎德拉图

△SSSCF 和 DSSCF 之间的机制差异。

这些微小的元件会将光线重新定向，使其沿着更紧密、更平行的路径传播——这种特性被称为准直——而不是在穿过打印机的液晶背光模块时以大角度散射。

光固化成型是树脂3D打印的基础工艺，它利用紫外光图案逐层固化液态光敏树脂。在低成本的液晶显示器（LCD）打印机中，背光通常产生分布不均且方向性不足的光线，这会导致成品零件表面粗糙度高、尺寸精度差。现有的解决方案，例如透镜阵列或准直组件，往往会增加打印机的体积和成本。

DSSCF通过引入梯形微结构来解决这个问题，这些微结构可以阻挡杂散的高角度光线，从而减少打印表面上的光照不均匀性。此外，该薄膜还能回收原本会因反射而损失的光线，重新进入背光模块，从而在不增加系统物理尺寸的情况下提高能源利用率。

使用角度相关光度计进行的测试表明，薄膜结构将光束发散角限制在半峰全宽 (FWHM)10 度以下，且照明区域的强度均匀性超过 81%。研究团队利用两层薄膜和一个扩散器模块构建了一个 LCD 背光系统原型，并在实际的 3D 打印机配置中验证了光学性能。

研究人员表示，这项技术可用于需要高尺寸精度和表面质量的应用，包括牙科修复模型、珠宝制作和工程原型。

目前研究团队仍在努力提高光利用效率，并扩大其在紫外波长和树脂类型方面的兼容性。