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3Dプリントレンズでオプティクスとデータ転送問題と対決

January, 29, 2021, Champaign--イリノイ大学の研究チームは、屈折率を調整できる新しい3Dプリントマイクロレンズを開発した。これは、極めて特殊な集光能力を附与するものである。この進歩は、研究者によると、コンピュータチップや他の光学系のデータルーティング機能を著しく向上させ、イメージング、コンピューティング、通信を改善する見込がある。

研究リーダーは、Paul Braun とLynford Goddard。研究は、初めてサブマイクロメートル精度のレンズを通して光が屈折、透過する方向を調整できることを実証。
 研究成果は、Science and Applicationに発表された。

 材料科学・工学教授、Braunは、「様々な形状および光学パラメタをもつオプティクスを製造できることは、オプティクスが直面している一般的な問題にソリューションを与える。たとえば、イメージングアプリケーションでは、特殊な対象に焦点を合わせると、エッジがボケることがよくある。あるいは、データ転送アプリケーションでは、コンピュータチップのスペースの犠牲なしでデータの高速化することが望ましい。われわれの新しいレズ製造技術は、一つの集積デバイスでこれらの問題に対処する」とコメントしている。

デモンストレーションとしてチームは、3つのレンズを作製した、フラットレンズ、世界で最初の可視光Luneburgレンズ、以前は製造不可能だった固有の集光特性を持つ球レンズ、さら膨大なデータルーティング機能を可能にする3D導波路。

「標準的なレンズは単一の屈折率であり、したがって光がレンズを透過する経路はたった一つである。製造中にレンズの内部屈折率と形状を制御することで、単一レンズ内部に独立した2つの光経路を持つことができる」と電気…コンピュータ工学教授、Goddardはコメントしている。

研究室ではチームは、レンズ作製のためにレーザ直描というプロセスを使う。レーザが液体ポリマを固化し、人の髪の毛よりも100倍小さなき幾何光学構造を形成する。レーザ直描は、一つの屈折率しか持たない他のマイクロレンズ作製のために過去に使用されていた。

「われわれは、ナノ細孔スカフォールド支持材料内部にプリンティングすることで屈折率の制限に対処した。スカフォールドは、プリントされたマイクロオプティクスを所定の場所に固定し、支持成分を持つ3Dシステムの製造を可能にする」とBraunは説明している。

研究チームは、この屈折率制御がポリマ設定プロセスの結果であることを理論化している。「細孔内に取り込まれたポリマ量は、レーザ強度と露光条件によって制御される。ポリマそのものの光学特性は変わらないが、材料の全体的な屈折率は、レーザ露光の関数として制御される」(Braun)。

チームメンバーによると、その方法は複雑な光コンポーネントやイメージングシステムの製造に大きく影響し、パーソナルコンピューティングの進歩に有用である。

「この開発のアプリケーション例は、パーソナルコンピュータ内のデータ転送への影響である。現在のコンピョータは、データ転送に電気接続を利用する。しかし、光導波路を使うとデータは著しく高速に転送できる。光の様々な色を使って並列にデータを送ることができるからである。主要な課題は、従来の導波路がシングルプレーンでできており、したがって制約されたチップのポイント数しか接続できないからである。3D導波路を作ることで、われわれはデータルーティング、転送速度、エネルギー効率を飛躍的に改善できる」とGoddardは説明している。

(詳細は、https://news.illinois.edu)