ナノスケールの3Dプリントを使用して高解像度の光フィールドプリントを作成する

出典：江蘇省レーザー産業イノベーション連盟

印刷された画像が 3D に見えたら素晴らしいと思いませんか?残念ながら、写真などの従来の印刷物には強度と色の情報しか含まれていないため、固定された外観の 2 次元 (2D) 画像が表示されます。これらのプリントは光の方向を制御できず、奥行き情報が失われるため、3D 画像を表示できません。

この問題を解決するために、シンガポール工科デザイン大学（SUTD）の研究者チームは、ナノスケールの 3D 印刷技術を使用して高解像度のライトフィールドプリント（LFP）を作成しました。 LFP は、構造色ピクセルの配列の上に配置されたマイクロレンズの配列で構成されています。 LFP に通常の白色光を照射すると、3D 画像が表示されます。 3D 画像は自動立体視なので、特別なメガネを必要とせずに見ることができます。画像はさまざまな角度から見ると見た目が変わり、LFP に特別な 3D 視覚効果が与えられます。

この研究では、研究者らは2光子重合リソグラフィー（TPL）を使用して、単一のパターン形成ステップで高解像度のLFP（ライトフィールドプリント）を製造し、手動での位置合わせの必要性を回避しました。研究者のLFPのマイクロレンズと構造色ピクセルは、TPLシステム（Nanoscribe GmbH Photonic Professional GTシステム）内で自動的に位置合わせされ、レーザーによって露光された各ボリュームピクセルを最大10nmの精度で配置できます。 TPL は積層製造技術であるため、研究者らは、それぞれ 20 nm と 300 nm の個別のスライス高さステップでマイクロレンズと構造色ピクセルを製造しました。マイクロレンズと構造色ピクセルは、同じ低屈折率材料である IP-Dip フォトレジスト (n 約 1.55) で作られています。プラズモニックカラーピクセルとは異なり、研究者らの構造カラーピクセルは追加の金属堆積を必要としないため、TPL システムは LFP の作成にのみ使用できます。マイクロレンズと構造色ピクセルは疑似ランダム配置で一緒に製造され、不要なモアレパターンを最小限に抑え、セキュリティアプリケーション用の秘密情報をエンコードします。さらに重要なのは、研究者の LFP は、近距離でも裸眼でピクセル化を感じさせず、滑らかな動きの視差で、高い空間解像度 (29～45 m) と高い角度解像度 (約 1.6°) の画像を表示することです。

図1. ライトフィールドプリンティング設計LFPの概略図

▲ 図: a. LFP の構造色ピクセルを照らすために白色光源が使用されます。ピクセルから透過された光はマイクロレンズによって集められ、遠距離に投影されます。遠方場の観察者は、方位角 α と仰角 β で表される視点からカラー 3D 画像を見ます。 b. ディスプレイユニットの概略図: タワーは、ナノピラーの配列を含む構造色ピクセルブロック上の焦点距離に配置された球面平凸マイクロレンズをサポートします。 c. 5 × 5 ナノピラーを含む構造色ピクセルの模式図。各ナノピラーの直径は D、高さは H、間隔は S です。ピクセルの視野角です。 d. ディスプレイユニット内の 3 × 3 ピクセルの平面図の概略図。 L はマイクロレンズの直径で、円で表されます。P は各ピクセルのピッチで、四角で表されます。各ピクセルには 1 ～ 9 の番号が割り当てられ、同じ番号が割り当てられた入力画像から抽出されます。 e 入力画像はインターリーブされ、LFP を印刷するためのピクセル位置のデジタルマップが生成されます。

さらに重要なのは、超リアルな 3D 画像を表示するには高解像度の LFP が必要であり、これは芸術作品やセキュリティアイテムへの応用が期待される点です。ナノスケール 3D プリンティングを使用して LFP を作成することで、チームは最大ピクセル解像度 25,400 ドット/インチ (dpi) を達成しました。これは、消費者向けインクジェットプリンターのピクセル解像度である約 1,200 dpi を上回ります。 LFP の構造色ピクセルはナノピラー (直径約 300nm) で作られています。おそらく最も注目すべき結果は、各カラーピクセルを単一のナノピラーで表現できるため、最大解像度で LFP を生成できることです。

図2. ライトフィールドプリンティングの光学顕微鏡写真と電子顕微鏡写真

▲ 図: a. 擬似ランダム配置された表示ユニットの明視野透過光学顕微鏡画像 (平面図)。 b、c ディスプレイユニットセル（左）と赤、青、緑のストライプで設計された構造色ピクセルブロック（右）の明視野透過光学顕微鏡画像。ディスプレイユニットのマイクロレンズの下にも同じピクセルがパターン化されています。 b. ピクセルに焦点を合わせた光学顕微鏡画像。 c. 光学顕微鏡画像は、ディスプレイユニットの前方焦点面に焦点が合わせられます。 d. 2×2ディスプレイユニットの走査型電子顕微鏡（SEM）画像（傾斜角45°）。 3 × 3 ピクセル (傾斜角 30°) の SEM 画像。各ピクセルで同じ高さと直径を持つ 5 × 5 ナノピラーを識別できます。

図3. 3×3マルチカラーキューブパースペクティブエンコーディングを使用したライトフィールド印刷

▲イラスト：方位角αと仰角βで表される各視点から撮影した立方体のデジタルカメラマクロ画像。立方体は基板面から突き出ているように見えます。このライトフィールドプリンティングでは、各カラーピクセルは 5 × 5 ナノピラー (ピクセルピッチ P = 5 μm) で構成されます。各視点画像に同じスケールが適用されます。
「染料を使用せず、マイクロレンズをカラーピクセルに手動で配置することなく、3D 印刷を使用して 1 つのステップでマルチカラーライトフィールドプリント (LFP) を完全に作成したのは、これが初めてかもしれません」と、この研究の主任研究者である SUTD 准教授のジョエルヤン氏は述べています。「このプリントは、1 つの LFP に最大 225 フレームを埋め込み、前例のない解像度でスムーズな表示遷移を生成します。これらの効果により、2D プリントから未来的でリアルな 3D ビジュアルが生まれます。」

図 4. コンピューターで生成された漫画の顔の 5 × 5 の透視図でエンコードされたライトフィールドプリント。

図 5. 異なる焦点距離で撮影されたライトフィールドプリントの外観。

研究チームは、ナノテクノロジーによってスケーラビリティとスループットが向上すると、高解像度の LFP がより商業的に利用できるようになると予想しています。この研究はNature Communications誌に掲載された。

出典：詳細情報：John You En Chan他「ナノスケール3Dプリンティングによる高解像度ライトフィールドプリント」Nature Communications（2021）。DOI：10.1038/s41467-021-23964-6

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