Nature 3D打印新作：清华团队研发全息光场合成技术，实现亚秒级体积3D打印

        立体增材制造技术在构建复杂结构方面具备巨大潜力，但在兼顾打印速度与分辨率方面长期面临挑战。2026年2月11日，来自清华大学的研究团队提出一种名为数字非相干全息光场合成（Digital Incoherent Synthesis of Holographic light fields，DISH）的新方法，成功在亚秒级时间内实现了毫米级物体的高分辨率三维打印。他们的研究已经发表在Nature上，题目为Sub-second volumetric 3D printing by synthesis of holographic light fields.

研究背景
     目前的增材制造方法存在一定的局限性：传统的逐层打印技术虽然灵活，但在生产效率上难以满足大规模制造需求。新兴的体积打印技术（如计算轴向光刻）虽然提升了速度，但需要旋转样品进行断层扫描式的重构。旋转操作限制了打印速度，容易引发机械振动影响精度，并且要求使用高粘度树脂。另一方面，若尝试通过高数值孔径物镜来提升分辨率，光学的衍射效应会导致焦深变浅，难以在较大的深度范围内维持高精度的光场调制。实现高速、高通量且高分辨率的毫米级物体制造，一直是系统性的难题。
研究内容
     为解决上述问题，研究团队开发了DISH技术，设计了一套独特的高速旋转潜望镜系统，替代传统的样品旋转过程。


△DISH的原理与演示。a利用多角度投影在固定容器内生成三维光强分布，实现体积打印。b设计的旋转潜望镜可在 0.6 秒内产生由DMD调制的高速旋转光图案投影。右侧展示了目标模型及其打印成品示例。c不同时间点拍摄的图像显示，在低粘度 PEGDA 水溶液中的打印过程可在 0.6 秒内完成。d模拟的三维光分布对比：分别展示了非相干光、未进行全息优化的相干光、以及采用 DISH 方法（全息优化相干光）生成的结果。左侧为目标真值。
       这套系统配合数字微镜器件（DMD），能以高达 17,000 Hz 的速度生成优化图案，并通过潜望镜以每秒 10 转的速度进行多角度光场投射。针对光学景深受限的问题，团队利用相干激光源，开发了一种基于波光学的迭代算法。这种算法能对二值投影图案进行全息优化，无需机械移动焦平面，即可在远离物镜原本焦面的区域实现高分辨率光场调制。此外，团队还引入了基于自适应光学的快速校准方法，消除了系统误差与折射影响。


△投影图案的由粗到精全息优化算法图解及评估
DISH 技术的优势：
•无散斑噪声：由于使用非相干光源，彻底解决了传统激光全息中难以消除的散斑颗粒感，图像更加细腻自然。
•尺寸与视场的可扩展性：通过拼接更多的显示单元和透镜阵列，理论上可以无限扩展显示的尺寸，而不受单个 SLM 带宽积的限制。这使得制作桌面级甚至墙面级的大尺寸全息显示成为可能。
•全视差：能够提供水平和垂直方向的完整视差，观察者上下左右移动头部都能看到正确的透视关系。
•降低硬件成本：不需要昂贵的稳频激光器和极其精密的光学防震平台，系统更加鲁棒，易于商业化
研究结果
      实验结果表明，DISH系统能在 0.6 秒内完成毫米级物体的原位 3D 打印。通过全息优化，系统在 1 厘米的深度范围内保持了约 19 微米的均匀打印分辨率，这一深度远超传统高数值孔径物镜的景深限制。


△DISH打印分辨率的实验表征
      由于无需旋转样品，DISH能够兼容包括低粘度水凝胶在内的多种材料。研究人员还将 DISH 系统与流体通道集成，展示了在流动状态下连续批量生产复杂结构的能力，成功打印了包括血管模型、微型晶格、甚至复杂的“西奥多里克”雕像等多样化三维结构。


△集成流体通道的DISH连续3D打印多样化结构
未来展望
DISH 技术结合了高效率与高精度，为多个领域带来了新的可能：
•在生物医学领域，它可用于高通量的生物打印与药物筛选；
•在工程领域，可用于制造微型机械与微型光子器件。
•随着激光功率提升及硬件升级，打印速度有望进一步加快。
这种在固定容器内进行快速体积曝光的方式，也为原位打印甚至体内生物打印提供了技术储备。
总结
       清华大学团队提出了 DISH 技术，通过创新的光学设计与算法优化，打破了体积3D打印中速度、分辨率与材料粘度之间的制约关系。这项成果大幅提升了微尺度物体的制造效率，为复杂三维结构的批量化生产提供了一种强有力的通用解决方案。

原文链接：Sub-second volumetric 3D printing by synthesis of holographic light fields | Nature