カナダ国立研究評議会: ファジートモグラフィー - 体積付加製造 (VAM) のための新しい技術

出典: GK グリーンキーバイオテック

カナダ国立研究評議会のダニエル・ウェバー教授のチームは、ArXiv誌に「ぼやけた断層撮影法を使用したマイクロ光学部品の製造」と題する論文を発表しました。著者の研究チームは、新しい体積付加製造（VAM）技術であるぼやけた断層撮影法を開発しました。この技術は、元のVAM印刷ビームにビームぼやけを追加し、元のVAM技術に存在する可能性のある縞模様現象を排除し、滑らかな表面を実現し、ユニバーサル印刷も実現できます。さまざまな方向への印刷は、高解像度と忠実度を備えています。既存のVAM技術と比較して、追加の処理機器を追加することなく、印刷サンプルを取得するには、後処理で簡単な手順のみが必要です。ぼやけた断層撮影法は、VAM分野の開発に新しいアイデアを提供し、VAMが低コスト製造に向かう道を開きます。

ファジートモグラフィーとは何ですか?
ブラートモグラフィーとは、既存の書き込みビーム VAM 技術を指し、書き込みビームに意図的に光学的なブラーを追加することで、ターゲットの形状とよく一致する光学的に滑らかな表面を実現できます。ブラートモグラフィーは、付加製造技術を通じて、自由形状設計特性を持つ光学部品を低コストで直接製造することを可能にします。著者らは、ぼかしトモグラフィーによって製造された 3 つの異なる光学コンポーネントを実証しています。1. 市販されているものと同等の画像解像度を持つ平凸シングル、2. 両凸マイクロレンズアレイ、および 3. 別の光ファイバーにオーバープリントされた球面レンズです。
なぜ—ファジートモグラフィーを使用するのか?従来の VAM テクノロジーの限界は何ですか?

通常、断層撮影印刷アプリケーションでは、高解像度を実現するために、書き込みビームの末端は、コンピュータ断層撮影投影に使用されるフィルタバック投影法の要件を満たすように非常に小さく設計されます。しかし、この要件は諸刃の剣であり、自己書き込み導波路効果により、断層撮影に層流アーティファクトも導入されます。これにより、一部の構造 (球体や円柱などの滑らかな表面を持つモデル) に疑似ストライプ効果が発生し、忠実度が低下する可能性があります。著者らが開発したぼかしトモグラフィーは、終端を追加して意図的に光学的なぼかしを導入することで、これらの干渉縞によって引き起こされる光学的に粗い表面を軽減し、滑らかな表面と高忠実度の成形機能を実現します。
方法 - 研究チームは、高忠実度で低コストの体積付加製造を可能にするファジートモグラフィーを開発します。
図 1 ぼやけたトモグラフィー技術を使用して滑らかな表面を作成する従来のトモグラフィー積層造形プリンターを使用して、マイクロ光学部品を製造します (図 1 (a))。印刷システムは、UV プロジェクター (DMD) とテレセントリックレンズシステムで構成されています。バイアルの上側 (図 1(b)) およびバイアルの側面 (図 1(c)) から観察できるように、フォトレジストバイアルは円筒レンズのように機能し、プロジェクターの視野に非点収差をもたらし、バイアルの平面内およびバイアル軸に沿った点がプロジェクターの光軸に沿った異なる点に焦点を合わせるようになります。図 1(d) では、ダウンサンプリングされたプロジェクターピクセルによって照射される線量が 3DRT を使用してシミュレートされ、バイアル内のさまざまな深さの平面が表示され、書き込みビームの非点収差とぼかしのシミュレーションが示されています。図1(e)は、ボトル軸(Z)とボトル面(X)の平面に沿った-1.5 mm、0 mm、1.5 mmの断面スライスを示しています。バイアルの中心 (Y = 0 mm) では、ビームプロファイルはバイアルの平面でのビーム幅よりもはるかに広くなります。バイアルの後方（Y = 1.5 mm）に移動すると、バイアルの軸に沿った幅が減少し、その後バイアルの平面に沿って広がります。一般的に、このぼやけは、印刷プロセスの空間解像度を低下させ、線量送達に非対称性をもたらすため、望ましくありません。ただし、ぼやけたドットの広がりよりも大きな特徴を持つオブジェクトを印刷する場合は、最終印刷で縞がなくなり、滑らかな表面を生成できるため、これが好まれます。

図2 ガラスレンズと3Dプリントレンズの画質比較
VAM 印刷された平凸レンズ (曲率半径 3.1 mm、中心厚 1.5 mm、直径 3 mm) の例を図 2 に示します。図2(b)に示すように、著者らは、これまでの研究に基づいて、白色光LED、コリメーション用の平凸レンズ、顕微鏡対物レンズ、および670 nmバンドパスフィルターで構成されるVAMデバイスを組み立てました。VAMプリントレンズと同じサイズの市販のガラスレンズを光路の1つとして追加し、VAMプリントレンズサンプルと市販のレンズサンプルの効果を比較しました。 2つのレンズを通して得られた画像をそれぞれ図2(c,g)と図2(d,h)に示します。材料間の曲率半径 (2.94 mm 対 3.1 mm) と屈折率の違いにより、印刷されたレンズで撮影された画像は、ガラスレンズのスケールに一致するように 4% 拡大されました。定性的には、印刷されたレンズの解像度は市販の同等品に匹敵し、ここで印刷されたレンズは市販品と同等の結像性能を達成できることを示唆しています。イメージング解像度は、4 番目のラインパターングループを通じてラインプロファイルを取得し、図 2(g) と 2(h) のそれぞれ青と赤の領域について正規化強度 (NI) とフィールド位置をプロットすることによって定量化されます (図 2(k) を参照)。これは、VAM プリントレンズのイメージング性能が商用グレードに近いことを示しています。この点をさらに強調するために、著者らは、図2(j)に示すように、VAMプリントレンズによって焦点を合わせた658 nmレーザーのスポットサイズを測定しました。これはガラスレンズのスポットサイズに近いものです。印刷されたレンズの形状誤差と二乗平均平方根 (RMS) 表面粗さは、それぞれ光学形状測定法と原子間力顕微鏡 (AFM) を使用して測定されました。測定された VAM レンズの曲率は、ガラスレンズの曲率に非常に近かったです (図 2i、f)。

図 3 ぼかしトモグラフィー技術を使用したマイクロレンズアレイの印刷ぼかしトモグラフィー技術を使用して 3x3 両凸マイクロレンズアレイ (MLA) を印刷しました。モデル設計を図 3a に示します。各レンズは曲率半径 1 mm (有効焦点距離 = 1.57 mm) の球面を持ち、1 mm x 1 mm の正方形の開口部を埋めます。印刷部品のサイズ制限のため、レンズの表面法線はバイアル軸に対して垂直に印刷されました（図3(a)）。 VAM では、この構成により、縞模様と呼ばれる層状の欠陥が発生し、プロジェクターの光軸と平行なコンポーネントの表面に隆起として現れます。図 3(b) では、従来の VAM 光学条件を使用して印刷されたマイクロレンズアレイのストライプを見ることができますが、トモグラフィー投影は主光線のレイトレーシングのみに最適化されており、より細かい特徴の書き込みは無視されているため、名刺を画像化することはできません。図 3(b) の右下のペインに示すように、ストライプの方向に対して垂直な強いぼかしが見られます。 VAMプリントレンズの効果をさらに研究するために、658 nmレーザー照射による焦点合わせ後のMLAの点広がりも観察しました。図3(e)に示すように、ストライプ方向に垂直なPSFの強い伸長が観察され、これは図3(b)のイメージング実験結果と一致しています。
対照的に、図 3(c) のぼかしトモグラフィーを使用して印刷された MLA では、広範囲の印刷条件によって導入された光学的なぼかしによって縞状の欠陥が抑制されるため、縞状の欠陥は見られません。図3(c)の右側の2つのペインでは、干渉縞の除去が画質に与える影響は明らかです。 9 つのレンズすべてで、MLA の後ろに置かれた名刺を撮影することができ、中央のレンズの拡大画像では文字がはっきりと見えました。さらに、図3(f)に示すように、中央レンズのガウススポットサイズは20μmと測定されました。この方法では、書き込みビームに対して垂直な光学面を持つ部品を印刷できるため、ぼかしトモグラフィーは VAM 光学製造に関するこれまでの報告とは区別されます。

図 4. 光ファイバー上に球面レンズを印刷。著者らはファジートモグラフィーを使用して、光ファイバー上に球面レンズを印刷しました。図4(a)と図4(b)に目標設計と印刷部品を示します。印刷プロセス中、図4(c)に示すように、3Dプリントされたホルダーを使用して光ファイバーをバイアルと同軸に配置しました。図4（d、e）では、VAMで印刷された球面レンズはレンズの機能を十分に提供でき、ファイバー発光と比較して、光源の発散が減少し、印刷解像度が向上します。
結論: 著者チームは、ぼかしトモグラフィーに基づく新しい体積付加製造技術を開発しました。この技術は、広い視野の光源を使用して書き込みビームを意図的にぼかすことで、ストリークと呼ばれる層状のアーティファクトを排除し、高速で直接的な滑らかな表面製造を実現します。この技術を使用すると、印刷されたレンズサンプルは商用グレードのレンズに匹敵する効果を持ちます。また、二重凸型マイクロレンズアレイやボールレンズなどの高精度構造も印刷されます。この新しい VAM 法は、自由形状光学部品の低コストで迅速な試作への道を開き、積層造形技術の新たな青写真を提供します。

オリジナルリンク: https://export.arxiv.org/abs/2401.08799

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