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ぼやけた光を利用して高品質の光学部品を3Dプリント

May, 15, 2024, Washington--新しい方法は、表面が平滑な商用グレードのマイクロレンズを製造し、光学デバイスの設計を前進させる可能性がある。

カナダの研究者は、商業レベルの光学品質のマイクロレンズを迅速に製造できるぼかし断層撮影と呼ばれる新しい3Dプリンティング方法を開発した。この新しい方法により、様々な光学デバイスの設計と製造が簡単かつ迅速になる可能性がある。

「精密な光学部品を製造するために、この3Dプリンティング方法に使用される光ビームに意図的に光学的なぼかしを加えた。これにより、光学的に滑らかな表面の製造が可能になる」と、カナダ国立研究評議会のDaniel Webberはコメントしている。

Optica Publishing Groupのインパクト研究専門誌「Optica」では、市販のガラスレンズと同等のイメージング性能を持つミリサイズの平凸光学レンズを作製し、この手法を実証している。また、この手法では、わずか30分ですぐに使用できる光学部品を製造できることも明らかになった。

「この方法は、断層撮影3Dプリンタと使用される材料が手頃な価格であるため、光学部品の費用対効果が高く迅速なプロトタイピングに役立つと期待している。また、断層撮影3Dプリンティングの本質的な自由形状の性質により、光学設計者は、複数の標準的な光学系を複雑な形状のプリント光学系に置き換えることで、設計を簡素化することができる」(Webber)。

エッジを滑らかにする
断層撮影体積積造形は、投射光を使用して感光性樹脂を特定の領域で固化する比較的新しい製造アプローチである。これにより、サポート構造なしで部品全体を一度にプリントできる。しかし、既存の断層撮影法では、鉛筆のようなビームが縞模様を引き起こし、部品の表面に小さな隆起が生じるため、イメージング品質のレンズを直接プリントすることはできない。後処理ステップを使用して滑らかな表面を作成できるが、これらのアプローチは時間と複雑さを追加し、トモグラフィックプリンティングに関連するラピッドプロトタイピングの利点を奪う。

「光学部品の製造は、レンズを機能させるために必要な厳しい技術仕様と、複雑で時間のかかる製造プロセスのためにコストがかかる。ぼやけトモグラフィーは、低コストで自由形状のデザイン作成に使用できる。この技術が成熟するにつれて、新しい光学デバイスのプロトタイピングがはるかに迅速になり、商業メーカーからガレージベースの発明家まで、あらゆる人にとって有用になる」(Dr. Webber)。

小さなレンズを作る
新しい方法をテストするために、研究チムはまず単純な平凸レンズを作成し、同じ物理的寸法の市販のガラスレンズに匹敵するイメージング解像度を持つことを示した。また、ミクロンスケールの形状誤差、サブナノメートルの表面粗さ、ガラスレンズ近傍の点像分布関数も示した。

ぼやけ断層撮影法を用いてマイクロレンズを3×3配列とし、従来の断層撮影3Dプリンティングでプリントしたアレイとの比較も行った。その結果、表面粗さが大きいため、従来の方法では配列をプリントした名刺を画像化できないが、ぼやけた断層撮影でプリントした配列では画像化できることがわかった。さらに、チームは、以前は2光子重合法として知られる積層造形技術を使用してのみ可能であった、光ファイバへのボールレンズのオーバープリントを実証した。

現在、ライトパターニング方法を最適化し、材料パラメータをプリントプロセスに組み込むことで、部品の精度向上に取り組んでいる。また、プリント時間の自動化を導入して、商用利用に十分な堅牢性を持たせたいと考えている。

「断層撮影3Dプリンティングは急速に成熟している分野であり、多くのアプリケーション分野で使用されている。ここでは、この3Dプリンティング法の本質的な利点を活用して、ミリメートルサイズの光学部品を製造している。そうすることで、光学製造技術のレパートリに、将来の技術に影響を与える可能性のある迅速で低コストの代替品が加わった」(Webber)。

論文: D. Webber, Y. Zhang, K. L. Sampson, M. P