精密ガラス光学部品、液体シリカ樹脂を3Dプリントする新しい方法

南極クマの紹介: 光学 3D プリンティングは光学業界で大きな注目を集めていますが、研究のほとんどは有機ポリマーに焦点を当てています。ある程度の進歩は見られるものの、精密ガラス光学部品の製造にこの技術を使用する場合、印刷工程中の収縮や表面形状および品質の不十分さなど、解決すべき問題が依然として残っています。

△ 絞り値0.4、直径0.25mmの3Dプリントガラス製マイクロ対物レンズ
2022年6月2日、Antarctic Bearは、アリゾナ大学の研究者が感光性液体シリカ樹脂と2光子重合（TPP）を組み合わせて、3Dプリントで複雑なガラス製マイクロ光学部品を製造できることを知りました。

2 光子重合は、有機ポリマーに基づく高解像度マイクロオプティクスの新しい技術を印刷するために使用されます。しかし、実際の用途では、熱安定性や化学的安定性が低く、短波長と長波長での透過率や屈折率が低いため、一定の制限を受けることがよくあります。

無機ガラスは光学機器の製造に古くから使用されてきました。ますます多くの光学デバイスが有機ポリマーで作られるようになっていますが、無機ガラスは軽量で低コストであり、熱安定性、機械的特性、耐薬品性、UV イメージング性能が優れているため、光学イメージングにおいて依然としてかけがえのない地位を占めています。しかし、マイクロ光学部品は従来の光学製造方法では製造するには小さすぎる（<1mm）ため、より小型の光学デバイスを製造するには、光学成形金型の作成などの追加手順が必要になります。

このことがきっかけで、チームは、低炭素密度シリカエアロゲルの製造に一般的に使用される、事前凝縮シリカをベースにした感光性液体シリカ樹脂 (LSR) を開発しました。これを2光子重合3Dプリント法と組み合わせることで、高精度の複雑な光学部品が完成しました。

△不連続構造を持つ3Dプリント光学部品。 a) フレネル面の SEM 画像、b) 1951 年の USAF 解像度画像、c) 周期 1.1 μm の格子の SEM 画像
3Dプリント技術による高精度の複雑な光学部品「これは、より小型で複雑な光学部品に最適なソリューションです。透明なガラス製光学部品は、600℃の熱処理により収縮率を17%まで抑えて製造できます」とワイアント光学科学学校の梁栄光教授は述べています。「これは印刷光学部品としては最も低い収縮率ですが、私たちの目標はこれをさらに小さくすることです。将来的には、材料と 3D 印刷プロセスを最適化し、収縮率をさらに低減する予定です。」

収縮は、焼結プロセス中に有機物が燃え尽き、粒子がガラスに溶け込むことによって発生します。「高性能画像処理アプリケーションでは、光学部品は仕様通りに製造される必要がある」と彼は付け加えた。「収縮が少ないほど、最終形状をより正確に制御できます。現在の課題は、LSR を最適化して、硬化を高速化し、機械的特性を向上させ、熱処理温度を下げ、収縮を減らすことです。」

△組み立てられたアルバレスレンズのSEM画像従来の研磨および成形方法と比較して、3Dプリントは、自由形状および不連続形状の光学部品、複雑な多部品アライメントフリー光学系、および可動部品を備えた複雑な多部品アライメントフリー光学系の製造において特別な利点があります。

「当社の材料と印刷方法は、これまでは不可能だった高性能ガラスマイクロオプティクスを迅速に製造することで、研究室の高度な画像技術を臨床内視鏡画像に応用することを可能にします」とリアン氏は述べた。「精密ガラスマイクロオプティクスは、さまざまな用途で紫外線、可視光線、赤外線領域における新しい画像技術も可能にします。」

研究の詳細は、「濃縮液体シリカ樹脂を使用した複雑なガラス結像光学系の高精度印刷」という論文でご覧いただけます。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202105595（クリックして転送）
複雑な光学部品を印刷するにはどれくらいの時間がかかりますか?
直径 0.5 mm のマイクロ対物レンズの場合、印刷には約 2 時間かかり、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート (PGMEA) で未硬化材料を除去するのに 20 分かかります。

幅広い展望がある<br /> 最も直接的な応用分野は、小型内視鏡からウェアラブルセンサーまで、バイオメディカルイメージングです。熱安定性、機械的特性、耐薬品性、UV、可視光、近赤外線、赤外線領域における画像性能などの独自の特性により、民生用電子機器から統合フォトニクスや宇宙光学に至るまで、その他の潜在的な用途は非常に広範囲にわたります。

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