南方科技大学：高平滑マイクロレンズアレイのDLP振動3Dプリント

2019年10月、シンガポール工科デザイン大学（SUTD）と深圳の南方科技大学（SUSTech）の研究者らは、振動支援デジタル光処理（DLP）3Dプリンティングを使用してマイクロレンズアレイを製造する方法を提案した。

△DLP 3Dプリント高品質マイクロレンズアレイ

マイクロレンズアレイは、光学的に滑らかな表面を持つ複数のマイクロメートルサイズのレンズで構成されています。通常、3D プリントされたオブジェクトの表面は粗く、ほとんどの 3D プリント方法は光学部品の製造には適していませんでした。しかし、研究チームは、投影レンズの振動を利用して、DLP 3D 印刷技術を使用して光学表面が滑らかなマイクロレンズアレイを製造する方法を開発しました。

プロジェクトリーダーで南方科技大学のQi Ge准教授は、このプロセスについて次のように説明しました。「私たちのアプローチでは、コンピューターで設計されたグレースケールパターンを使用して、1回の紫外線照射でマイクロレンズのプロファイルをカバーし、従来の層ごとの3D印刷に存在する階段効果を排除します。次に、投影レンズの振動を追加して、個別のピクセルギャップによって形成されるギザギザの表面をさらに排除します。」
△グレースケールパターンの生成。 (a) (2n + 1)行×(2n + 1)列のグレースケールデータ行列。 Gi j は、i 番目と j 番目のピクセルのグレースケール値を表します。 Dij は任意のピクセルと中心のピクセル間の距離を表します。 (b) 直径に沿った3つの円形パターンのグレースケール分布。

機械振動がDLP 3Dプリントを向上

マイクロレンズは、通常、サイズがわずか 10 ミクロンの小さなレンズです。マイクロレンズアレイは、支持基板上に１次元または２次元アレイ状に形成された複数のレンズを含む。光を検出し制御する電子デバイスやシステムを提供するためのオプトエレクトロニクスの小型化に対する需要が高まり、大きな注目を集めています。そのため、マイクロレンズアレイは、さまざまな小型イメージング、センシング、光通信アプリケーションにおいて重要なマイクロ光学デバイスとなっています。

研究者らによると、多くの製造技術には、時間がかかる、プロセスが複雑である、柔軟性に欠ける、一貫性を制御するのが難しいなどの制限がまだあるため、マイクロレンズアレイの製造は難しいという。

DLP 3D プリンティングは、デジタルプロジェクターを使用してフォトポリマー樹脂を硬化させ、3D プリント部品を製造するプロセスです。高精度の 3D プリントによく使用され、SLA よりも高速な方法と考えられています。 DLP 3D プリンティングは、さまざまなサイズ、形状、プロファイルのマイクロレンズアレイの製造において優れた柔軟性を提供しますが、滑らかな表面を持つ光学部品を製造することはできませんでした。

この問題を克服するために、SUTD と SUSTech の研究者は、DLP 3D プリンティングを機械的振動とグレースケール UV 露光と統合しました。振動により、3D プリントされた部品内の個別のピクセルによって作成されたギザギザの表面が除去され、グレースケールの UV 露出により、3D プリントでよく見られる階段状の効果が除去されます。これにより、光学的に滑らかな機能、超高速かつ柔軟なマイクロレンズアレイの作成が可能になります。

このアプローチの実現可能性と有効性を実証するために、研究チームは走査型電子顕微鏡（SEM）や原子間力顕微鏡（AFM）を含む詳細な形態学的特性評価を実施しました。結果は、投影レンズの振動と DLP 3D プリントの統合により、表面粗さが 200 nm から約 1 nm に減少することを示しています。葛教授は次のように付け加えた。「他の製造方法と比較すると、振動アシストDLPに基づく当社の印刷方法は、省エネと時間の節約になり、光学性能を低下させることがなく、商品化と大規模生産に便利です。さらに、この方法は、光学面に対する要求が高い他の製造分野にもインスピレーションを与えます。」

3Dプリントマイクロレンズ

研究チームはマイクロレンズアレイの作成に DLP 技術を使用しましたが、他の 3D 印刷技術も同様に適している可能性があります。たとえば、ドイツの Nanoscribe 社は、マイクロレンズアレイを製造できる 2 光子積層製造システムを製造しています。 2019 年には、2 光子リソグラフィーを使用して 200 ミクロンというナノスケールの屈折および回折マイクロ光学素子を製造する Quantum X と呼ばれる 3D プリンターが発売されました。2018 年末には、マイクロレンズの製造も可能なマイクロ加工およびマスクレスリソグラフィー用の Photonic Professional GT2 3D プリンターも発売されました。

△Quantum Xマシンで印刷された3Dマイクロレンズアレイ。画像はNanoscribeより。

中国には、レンズアレイを3Dプリントできる会社「Mofang Materials」もあり、品質も非常に高いです。

SUTD と SUSTech の研究「振動支援デジタル光処理による光学的に滑らかなマイクロレンズアレイの超高速 3 次元印刷」が ACS Applied Materials & Interfaces に掲載されました。著者は Chao Yuan、Kavin Kowsari、Sahil Panjwani、Zaichun Chen、Dong Wang、Biao Zhang、Colin Ju-Xiang Ng、Pablo Valdivia y Alvarado、Qi Ge です。

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