3Dプリントはメーカーが低コストで拡張現実用の導波管コンポーネントを作成するのに役立ちます

2024年7月16日、Antarctic Bearは、米国知的財産庁が拡張現実（AR）ディスプレイアプリケーション用の光導波路コンポーネントの大量生産を実現するために改良された3Dプリント方法を発表したことを知りました。
関連研究は、APL Photonics誌に「拡張現実のための付加的3Dプリント光導波路」と題する論文として発表され、Dechuan Sun氏、Ranjith R Unnithan氏らが共同執筆した。

関連論文リンク: https://doi.org/10.1063/5.0207125
拡張現実 (AR) は、通常は光学シースルーのニアアイディスプレイを通じて、仮想情報をユーザーの物理世界にリアルタイムで統合して重ね合わせるテクノロジーです。ニアアイデバイスを使用すると、仮想情報を現実世界のオブジェクトに投影して、インタラクティブな体験を生み出すことができます。この技術は娯楽に使用できるだけでなく、学習や製造プロセスを強化することもできます。 AR テクノロジーは、産業、運転、教育など幅広い分野で応用されており、次世代のコンピューティングプラットフォームになる可能性があります。
AR 分野は驚異的な成長を遂げているものの、AR デバイスの中核となる光伝送コンポーネントである AR 導波管の大量生産は困難でした。高コストと製造上の課題を克服するために、Sun らは従来の幾何学的導波管構造を最適化し、製造コストを考慮し、3 つの誘電体反射器を統合した導波管を製造するための特許取得済み製造プロセス用の費用対効果の高い 3D 印刷プラットフォームを開発しました。
研究者らはまず、COMSOL Multiphysics に実装された有限要素法を使用して、幾何学的導波管設計を最適化しました。 AR導波管の形状は31 × 26 × 3 mm3です。 3D プリントされたプリズムの使用により、光を導波管に効率的に結合できます。プリズムは導波管の底面に対して 50° の角度で配置されます。この特殊な角度により、導波管内での全反射が保証され、その経路に沿った最適な光透過が実現します。設計を簡素化するために、図 1 に示すように、底面に対して 25° の角度で統合された 3 つの誘電体反射器で構成されています。これらの反射板の機能は、光を観察者の目に向けることです。導波管設計の最適化の主な焦点は、製造プロセスを簡素化することです。
△光線追跡は、光が結合光学系からユーザーの目に移動するときの光路、画像の組み合わせ、および瞳孔の拡張を示します。オブジェクト (ビットマップファイル) は、オブジェクトの表面から放出される光線の空間密度がインポートされたビットマップの値に比例するようにモデルにロードされます。 23,000 本の光線を使用して生成された画像平面上の再構成画像は、拡大され、完全につなぎ合わされ、反転された画像を示しています。結合器の臨界角と寸法を示す導波管の 2D 概略図。
研究チームは、コスト効率の高い LCD 3D プリンターを使用して、3 つの誘電体反射器とその他の印刷されたコンポーネントを UV 樹脂で結合し、その後の幾何学的な AR 導波管コンポーネントを製造しました。印刷プロセスの改良により、部品の表面仕上げが大幅に改善され、成形、切断、後研磨の必要がなくなり、画像品質を維持しながら人件費を削減できるようになりました。
△改良された印刷プラットフォームと製造プロセス。改造された 3D プリントプラットフォームを示す概略図。光の分布の均一性を高めるために、光源の前に拡散板と吸収板を配置します。さらに、LCD 画面の上に別のディフューザーが配置されています。導波管の上部と下部のコンポーネントはガラス印刷ベッド上で別々に印刷され、その後 UV 樹脂を使用して誘電体反射器と統合されます。
「従来の AR 製造技術の複雑さと、光学特性の高精度化の要求が、大量生産コストの克服に対する大きな障壁となっていました」と著者の Ranjith Unnithan 氏は語ります。「私たちのプロトタイプの成功は、広範囲にわたる採用と商品化の可能性を示唆しています。」
著者らは、先進的な材料と印刷技術を研究することで、AR デバイスの機能を継続的に向上させる予定です。また、3D プリントされた光学系の応用範囲が広がることも期待されています。
「私たちの将来のプロジェクトには、導波管の性能と耐久性を高めるために 3D 印刷プロセスを改善することが含まれます」と、論文の著者である Sun 氏は語ります。「この分野の他の人々にとって、さまざまな技術分野で 3D 印刷された光学部品の新しい用途を調査することは、有望な道となる可能性があります。」

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