引言

光学元件作为现代科学技术的重要组成部分，广泛应用于视觉矫正、成像系统、光通信、生物医学诊断及传感检测等诸多领域。传统的光学元件制造主要依赖精密研磨、抛光、模压成型及注塑等减材或等材工艺，这些方法虽然技术成熟、精度较高，但在面对复杂自由曲面、个性化定制需求及快速原型开发时，往往面临加工周期长、模具成本高、设计自由度受限等固有局限。3D打印技术，或称增材制造，是一种基于离散堆积原理，通过逐层累加材料来构建三维实体的先进制造技术。自20世纪80年代诞生以来，3D打印技术经历了从快速原型制造向直接数字化制造的转变，其应用范围也从最初的工业设计原型扩展至航空航天、生物医学、消费电子及光学工程等高技术领域。近年来，随着打印分辨率的不断提升、新型光敏材料的持续开发以及工艺控制精度的显著改善，3D打印技术在光学元件制造领域展现出越来越大的应用潜力，特别是在制造具有渐进光学功能的多焦点透镜、自由曲面透镜及集成化光学系统方面取得了重要突破。渐进镜（Progressive Addition Lenses,PALs）是一种特殊设计的多焦点光学元件，其特点是屈光度沿镜片表面逐渐变化，能够在单一镜片上实现从远距到近距的连续清晰视觉，避免了传统双光镜或三光镜的明显分界线问题。渐进镜的设计和制造涉及复杂的光学曲面计算、精密的微结构加工及严格的表面质量控制，传统制造方法往往需要多道加工工序和昂贵的精密模具，难以灵活适应个性化需求。3D打印技术的引入为渐进镜的制造带来了革命性的变化，使得复杂光学曲面的直接数字化制造、患者特异性定制及多功能集成成为可能。本综述旨在系统整合近年来3D打印技术在渐进镜及相关多功能光学元件制造领域的研究进展，深入分析掩模立体光刻、多光子聚合等关键打印工艺的技术特点与应用优势，探讨该技术在个性化医疗植入物、生物医学研究模型、低成本微型成像系统等领域的创新应用，并客观评估当前技术面临的主要挑战与未来发展方向。通过对代表性研究成果的详细解读，本文力求为相关领域的研究人员、工程师及临床从业者提供全面的技术参考和发展洞察。

1.3D打印光学元件的关键技术

1.1 掩模立体光刻技术（MSLA）

掩模立体光刻（Masked Stereolithography Apparatus, MSLA）是立体光刻（SLA）技术的一种重要变体，也是当前3D打印光学元件最常用的技术路线之一。与传统SLA采用激光束逐点扫描固化光敏树脂不同，MSLA利用数字光处理（Digital Light Processing, DLP）技术，通过高分辨率数字微镜器件（Digital Micromirror Device, DMD）或液晶显示器（LCD）作为动态掩模，一次性投影整层截面图像，实现整层树脂的同步固化。这种面曝光方式显著提升了打印速度，同时保持了较高的成型精度，特别适合制造具有复杂表面微结构的光学元件。

MSLA技术的核心优势在于其出色的分辨率与表面质量。商用MSLA打印机的典型层厚可达25-50微米，平面分辨率可达50-100微米，通过优化光学系统和树脂配方，部分高端设备能够实现亚微米级的特征尺寸。对于渐进镜等光学元件而言，表面粗糙度直接影响光学性能，MSLA技术通过精确控制曝光能量、层间固化深度及后处理工艺，能够获得Ra值低于100纳米的表面质量，满足多数光学应用的基本要求。

在材料方面，MSLA技术主要使用光固化树脂，包括丙烯酸酯类、环氧类及混杂体系。针对光学应用，研究人员开发了具有高透明度、低收缩率、良好热稳定性及抗黄变特性的专用光学树脂。这些材料在可见光波段（400-700 nm）的透光率可达90%以上，折射率可在1.45-1.60范围内调节，为设计不同光学性能的渐进镜提供了材料基础。此外，通过在树脂中添加功能性填料，如热致变色颗粒、荧光染料或纳米粒子，还可以赋予打印元件响应性或增强特定光学性能，实现多功能集成。

1.2 多光子聚合技术（MPP）

多光子聚合（Multiphoton Polymerization, MPP），又称双光子聚合（Two-Photon Polymerization, TPP），是一种基于非线性光学效应的超高分辨率3D打印技术，代表了当前增材制造精度的最高水平。该技术利用飞秒激光在光敏材料焦点区域引发同时吸收两个或多个光子的非线性过程，使聚合反应仅发生在激光焦点附近的极小体积内（体元，voxel），从而实现超越光学衍射极限的加工精度。

MPP技术的最显著特点是其极高的空间分辨率。通过精确控制激光功率、扫描速度及光路系统，MPP能够实现亚100纳米甚至低至几十纳米的特征尺寸，这对于制造具有精细衍射微结构、光子晶体或亚波长光学元件的渐进镜至关重要。例如，在制造多焦点人工晶状体时，需要在基底透镜表面集成精密的衍射光栅结构，光栅周期通常在微米至亚微米量级，传统加工方法难以实现，而MPP技术能够精确控制每个衍射单元的几何形状和位置，确保光学设计的准确实现。

然而，MPP技术也面临一些固有挑战。首先是加工速度问题，由于采用逐点扫描的串行加工方式，制造宏观尺度的光学元件需要较长时间，限制了其大规模应用。其次是设备成本高昂，飞秒激光器及精密光路系统的价格远高于常规3D打印设备。此外，可用的光敏材料相对有限，且需要针对双光子吸收特性进行专门优化。尽管如此，对于高精度、小批量的定制化光学元件，特别是植入式医疗器械，MPP技术的独特优势使其成为不可替代的制造手段。

1.3其他相关技术

除MSLA和MPP外，还有多种3D打印技术在光学元件制造中展现出应用潜力。数字光处理投影微立体光刻（PµSL）结合了MSLA的快速成型能力和微尺度精度，适用于制造毫米级尺寸的微光学元件。选择性激光烧结（SLS）和熔融沉积建模（FDM）虽然主要用于热塑性材料，但通过使用透明丝材和优化工艺参数，也可用于制造对光学质量要求不高的导光结构或机械支架。

喷墨打印技术，特别是基于活性油墨的连续液面制造（Continuous Liquid Interface Production, CLIP），通过控制氧抑制层实现高速连续打印，在保持较高表面质量的同时显著提升了制造效率，为光学元件的快速原型制作提供了新选择。此外，基于体积打印（Volumetric Printing）的全息投影技术正在兴起，该技术通过从多个角度同时投影光图案，在透明树脂体积内直接固化完整三维结构，有望实现秒级速度制造复杂光学元件。

2.3D打印渐进镜的关键研究进展

2.1 多维度功能集成：五维度菲涅尔透镜的制造

菲涅尔透镜是一种通过将连续曲面分割为同心环带（菲涅尔带）来减小厚度和重量的特殊光学元件，广泛应用于聚光、照明及成像系统。传统菲涅尔透镜的制造依赖精密模具注塑或金刚石车削，难以实现复杂的功能集成。近年来，研究人员利用MSLA技术成功制造了具有五维度功能的菲涅尔透镜，充分展示了3D打印在多功能集成光学元件制造中的独特能力。

该研究的核心创新在于通过单一制造工艺实现了光学、热响应和衍射特性的多重集成。首先，利用MSLA技术的高精度成型能力，制造出具有精确曲面轮廓的基础菲涅尔透镜，实现基本的聚焦功能（第一维度）。其次，在光敏树脂中均匀分散热致变色微胶囊粉末，使打印的透镜能够随环境温度变化而改变颜色，实现视觉温度指示功能（第四维度）。热致变色材料的变色温度可根据应用需求选择，通常在29°C至35°C范围内，适用于人体温度监测或环境温度传感。

更为创新的是，研究人员在打印过程中引入了衍射光栅的压印步骤。在透镜的特定区域，利用精密模具或直接在打印层间嵌入周期性微结构，形成衍射光栅。当白光通过该区域时，发生衍射分光，产生彩虹般的全息效果（第五维度）。这种将折射聚焦、热致变色响应和衍射光学效应集成于单一元件的能力，是传统制造方法难以实现的。

在光学性能评估方面，该研究对打印的五维度菲涅尔透镜进行了系统的表征。在可见光波段（450-650 nm），透镜表现出良好的聚焦性能，实测焦距与设计值的平均偏差小于2毫米，表明MSLA工艺能够精确再现复杂光学曲面。然而，在近红外波段（850-980 nm），焦距偏差增大至约11.5毫米，这主要归因于所用树脂材料在该波段的色散特性变化及吸收增加。这一发现提示，在设计宽光谱应用的3D打印光学元件时，必须充分考虑材料的光学常数波长依赖性。

该研究的意义不仅在于展示了一种新颖的多功能光学元件，更重要的是证明了3D打印技术作为"数字制造平台"的潜力[1]。通过调整数字模型，可以方便地改变菲涅尔带的分布、热致变色材料的浓度或衍射光栅的周期，快速迭代设计并直接制造，极大地缩短了从概念到原型的开发周期[1]。这种设计-制造一体化能力对于开发新型智能传感器、可穿戴光学设备及交互式光学元件具有重要价值[1]。

2.2 高精度多焦点人工晶状体：多光子聚合的应用

白内障是全球首位致盲性眼病，人工晶状体（Intraocular Lens, IOL）植入是恢复患者视力的主要治疗手段。随着人口老龄化加剧和视觉质量要求的提高，传统单焦点IOL已难以满足患者全程视力的需求，多焦点IOL成为重要的发展方向。多焦点IOL通过在光学区引入衍射或折射型微结构，使光线同时聚焦在远、中、近多个距离，减少对眼镜的依赖。然而，这些微结构的加工精度直接影响视觉质量，传统车削或模压工艺在制造复杂非球面衍射结构时面临挑战。

近期研究利用多光子聚合技术成功制造了具有亚微米级衍射结构的三焦点人工晶状体，充分展示了3D打印在高精度眼科植入物制造中的应用潜力。该研究采用MPP技术在非球面基底透镜上直接写入精密的衍射光栅结构，光栅周期约为1.5微米，槽深控制在数百纳米量级，这些参数对衍射效率和能量分配至关重要。通过精确控制激光扫描路径和曝光剂量，实现了衍射轮廓的高保真再现。

该三焦点IOL的设计基于衍射光学原理，通过调控衍射级次的能量分布，使光线主要分配至远焦点（0级）、近焦点（+1级）和中间焦点（-1级），实现从远距到40厘米阅读距离的连续清晰视觉。光学测试表明，打印的IOL样品在模型眼系统中展现出预期的多焦点特性，调制传递函数（MTF）曲线符合设计预期，证实了MPP技术制造复杂渐进光学结构的可行性。

更重要的是，该研究展示了3D打印技术支持个性化医疗的全流程潜力。从患者眼部生物测量数据（角膜曲率、眼轴长度、前房深度等）出发，通过光学设计软件计算个性化的IOL曲面参数和衍射结构分布，生成数字模型后直接通过MPP打印制造。这种"测量-设计-制造"一体化流程完全 bypass了传统制造中的模具制作环节，使得为特定患者定制光学性能（如焦点位置、附加光度、像差矫正）成为可能。

当然，将MPP技术应用于IOL制造仍面临挑战。首先是材料问题，目前使用的光敏树脂虽具有良好的光学性能和成型精度，但其长期生物相容性、在眼内环境中的稳定性及与囊袋的相互作用尚需充分验证。其次是制造效率，单个IOL的打印时间较长，难以满足大规模临床需求。此外，后处理工艺（如未固化树脂的清除、表面抛光、灭菌处理）对最终产品的安全性和光学质量也有重要影响。

尽管如此，该研究为个性化人工晶状体的按需制造开辟了道路。未来，随着生物相容性材料的开发、打印速度的优化及监管体系的完善，基于3D打印的定制化IOL有望成为高端眼科医疗的重要选项，为复杂病例（如角膜不规则、既往屈光手术史患者）提供更佳的视觉解决方案。

2.3低成本微型成像系统：光机一体化制造

光学显微镜是生物医学研究、临床诊断及工业检测的核心工具。传统显微镜制造涉及精密光学元件（物镜、目镜、聚光镜）的加工和复杂机械结构（调焦机构、载物台、镜筒）的装配，成本高昂且体积庞大，限制了其在资源有限环境或现场检测中的应用。3D打印技术为制造低成本、小型化、可定制的显微镜提供了全新途径。

一项代表性研究展示了使用消费级MSLA打印机制造硬币大小可调焦光学显微镜的完整方案。该研究的核心创新在于"光机一体化"设计理念：不仅打印光学透镜，还同步制造精密的机械结构、调焦机构和连接部件，实现系统级集成。通过优化设计，将传统显微镜的数十个零件缩减为几个关键的3D打印部件，大幅简化了装配流程。

具体而言，该微型显微镜的光学系统由两个3D打印的非球面透镜组成，分别作为物镜和目镜。透镜设计采用光学仿真软件优化，校正球差和彗差，在有限像差范围内实现较好的成像质量。机械结构包括镜筒、透镜支架、样品台和调焦机构。特别值得注意的是，研究人员设计了基于音圈电机（Voice Coil Motor, VCM）的主动调焦系统。VCM是一种利用洛伦兹力原理的线性致动器，具有响应快、精度高、无回程间隙的特点，常用于硬盘驱动器和相机模组。通过3D打印的柔性结构和精密导轨，将VCM集成于显微镜本体，实现电控调焦，调焦范围覆盖数百微米，满足生物样品观察的需求。

在制造方面，所有关键光机部件使用商用MSLA打印机在50分钟内完成打印，材料为标准的透明光敏树脂。打印后的透镜经过简单的清洗和紫外后固化处理，表面质量即可满足基本成像需求。整个显微镜的材料成本约为4美元，相比传统显微镜降低了两个数量级。

该显微镜还集成了"焦点堆栈"（Focus Stacking）功能，通过控制VCM在不同焦平面采集图像，再利用算法合成扩展景深的高清晰度图像。这一功能对于观察具有一定厚度的生物样品尤为重要，弥补了单透镜系统景深有限的不足。

这项研究的意义在于证明了3D打印技术" democratize" 光学设备制造的潜力。通过数字化设计和分布式制造，研究人员、教育工作者或医疗工作者可以在本地快速制造根据特定需求定制的显微镜，无需依赖复杂的供应链和昂贵的加工设备。这对于发展中国家的基层医疗、野外生态调查、学校科学教育等场景具有重要价值。同时，该方案展示了3D打印在制造机电一体化智能光学系统方面的能力，为未来开发集成传感、计算和通信功能的智能光学设备奠定了基础。

2.4 生物医学研究模型：近视诱导装置的定制

近视是全球最常见的屈光不正，其发病率尤其在东亚地区呈快速增长趋势，已成为重大公共卫生问题。深入研究近视的发病机制对于开发有效的防控策略至关重要，而建立可靠的动物模型是机制研究的基础。传统的透镜诱导性近视（Lens-Induced Myopia, LIM）模型通过在动物眼前放置负透镜，人为制造视网膜离焦，诱导眼轴延长和近视发生。然而，传统装置往往存在佩戴不稳、动物不适、实验重复性差等问题，影响研究结果的可靠性。

近期研究利用3D打印技术开发了改进的小鼠LIM模型装置，显著提升了模型的稳定性和可重复性。该装置包括两个核心部件：头戴式镜架和高强度树脂镜片。镜架设计基于小鼠头部的三维解剖数据，通过逆向工程建立数字模型，确保与头骨的贴合度和佩戴稳定性。采用高强度工程树脂打印，既保证了足够的机械强度以固定镜片，又控制了重量以减少对动物活动的限制。

镜片部分同样通过3D打印制造，设计为平凹透镜，屈光度根据实验需求设定（通常为-10D至-20D）。相比传统玻璃或商用塑料镜片，3D打印镜片可以精确控制光学区直径、边缘厚度及曲面形状，更好地适应小鼠眼球尺寸和实验装置空间限制。重要的是，所有与动物接触的表面都经过生物相容性处理和光滑化处理，避免组织损伤和感染风险。

实验验证表明，该3D打印装置能够长期（数周至数月）稳定佩戴于小鼠头部，有效诱导近视发生，且诱导效果具有高度可重复性。视网膜电图检查显示，佩戴期间小鼠视网膜功能保持正常，表明装置未对眼部健康造成显著不良影响。相比传统方法，该模型的近视诱导速率更稳定，个体差异更小，为研究近视的分子机制、评估药物干预效果及探索光学调控策略提供了可靠平台。

这一应用展示了3D打印技术在生物医学研究工具开发中的独特价值。通过数字化设计和快速制造，研究人员可以根据特定动物品系、实验方案或研究假设，灵活定制实验装置的几何形状、光学参数和机械特性，加速科学发现的过程。这种"研究工具定制化"能力对于转化医学研究、个性化医疗技术开发及罕见疾病模型建立具有重要意义。

3 技术挑战与发展瓶颈

尽管3D打印技术在渐进镜制造领域取得了显著进展，但距离大规模临床应用和产业化仍有若干关键挑战需要克服。

3.1 材料性能与光学质量

光学材料是3D打印光学元件性能的根本决定因素。目前使用的光固化树脂普遍存在一些共性问题：首先，光学常数的波长依赖性（色散）较强，导致不同波长的光线聚焦位置不同，产生色差。虽然通过复合透镜设计可以部分校正，但增加了系统复杂度。其次，树脂固化后的收缩和应力释放可能导致面形精度偏差，特别是对于大口径或厚壁元件，尺寸稳定性仍是挑战。

此外，长期环境稳定性不足是另一关键问题。光敏树脂在紫外光、湿热及氧化环境下易发生黄变、脆化或折射率漂移，影响光学元件的使用寿命。对于植入式应用，材料在生理环境中的降解行为、代谢途径及潜在的细胞毒性需要系统评估。

针对这些问题，研究人员正在开发新型光学材料体系，包括低色散树脂、纳米复合材料、杂化有机-无机材料及可后处理硬化的材料。同时，通过优化打印参数（如曝光策略、层厚控制、后固化条件）和引入主动补偿算法，有望进一步提升成型精度和长期稳定性。

3.2 制造精度与效率的平衡

高精度与高效率往往难以兼得，这是3D打印光学元件制造的核心矛盾之一。MPP技术虽然能达到亚微米级精度，但制造宏观尺度的渐进镜可能需要数小时甚至数天，无法满足临床时效性要求。MSLA技术速度较快，但分辨率和表面质量相对有限，对于需要精细微结构的衍射型渐进镜可能不足。

解决这一矛盾的可能路径包括：开发多尺度打印技术，在同一制造过程中自动切换高分辨率（用于微结构）和低分辨率（用于基底）模式；采用并行化策略，通过多光束或多投影头同时加工多个区域；以及优化扫描路径算法，减少空行程和冗余运动。

3.3 表面后处理与光学镀膜

3D打印光学元件的表面通常存在层纹、微孔及粗糙度，需要后处理才能达到光学级表面质量。传统的抛光方法（如机械抛光、化学抛光、等离子抛光）可能改变面形精度或引入亚表面损伤。对于复杂自由曲面，均匀抛光尤为困难。

光学镀膜是提升元件性能的关键步骤，包括增透膜、滤光膜、反射膜及保护膜等。3D打印元件的多孔性和有机基底特性给镀膜工艺带来挑战，膜层附着力、均匀性及长期可靠性需要专门优化。开发适用于3D打印光学元件的专用镀膜技术和材料体系是未来的重要研究方向。

3.4 标准化与监管认证

对于医疗器械如人工晶状体，严格的监管认证是进入临床应用的必经之路。3D打印技术的引入带来了新的监管考量：数字模型的验证、打印过程的可重复性、批次间一致性、灭菌方法的影响及长期随访数据等。目前，针对3D打印医疗器械的监管指南仍在完善中，建立标准化的质量评价体系、检测方法和临床验证流程是推动技术转化的关键。

4未来展望

展望未来，3D打印技术在渐进镜制造领域的发展将呈现以下趋势：

智能化设计与制造一体化：结合人工智能算法，实现从患者数据到光学设计再到制造参数的自动优化，缩短定制周期，提升设计质量。生成式设计（Generative Design）和拓扑优化方法将充分发挥3D打印的几何自由度，创造性能更优、结构更紧凑的新型渐进镜。

多材料与多工艺融合：开发能够同步打印多种光学材料（不同折射率、色散特性、响应特性）的装备和工艺，实现更复杂的光学功能集成。将3D打印与传统精密加工（如金刚石车削、模压成型）相结合，发挥各自优势，制造高性能混合光学系统。

4D打印与主动光学：利用形状记忆聚合物、水凝胶等智能材料，开发能够响应环境刺激（光、热、电、化学）自适应改变光学特性的"4D打印"渐进镜。这种主动光学元件可根据视觉需求实时调节焦距或像差矫正，代表下一代智能眼镜的发展方向。

分布式制造与即时医疗：依托数字化设计和云端制造平台，实现渐进镜的分布式生产和即时交付。患者可以在本地医疗机构完成眼部测量，数据上传至云端设计中心，设计文件下发至就近的制造点或便携式3D打印设备，数小时内即可获得定制镜片，彻底改变传统眼镜行业的供应链模式。

5结论

3D打印技术正在为渐进镜的设计与制造带来革命性的变化。通过掩模立体光刻、多光子聚合等先进工艺，研究人员已经成功制造出具有复杂微结构、多功能集成、高精度光学性能的多焦点透镜和光学系统。这些技术在个性化人工晶状体定制、低成本微型显微镜开发及稳定近视动物模型建立等方面展现出巨大的应用潜力。

当前研究已经验证了3D打印在制造五维度功能集成菲涅尔透镜、三焦点衍射型人工晶状体、硬币大小可调焦显微镜及小鼠近视诱导装置等方面的可行性，证明了该技术在提升设计自由度、实现个性化定制、降低制造成本及加速研发周期方面的独特优势。

然而，该技术仍面临材料光学性能与长期稳定性、制造精度与效率平衡、表面质量控制及监管认证等方面的挑战。未来的发展需要材料科学、光学工程、精密制造、生物医学及监管科学的跨学科协同创新。随着这些挑战的逐步克服，3D打印技术有望在下一代高性能、定制化、智能化渐进光学器件的制造中发挥核心作用，为视觉健康、科学研究和光学应用开辟新的可能性。

参考文献：

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