マルチマテリアル3Dプリントガラスは軍用メガネやVRゴーグルに使用可能

出典：江蘇省レーザー産業技術革新戦略同盟

ローレンス・リバモア国立研究所 (LLNL) の研究者らは、マルチマテリアル 3D プリントを使用して、軍専用の眼鏡や仮想現実ゴーグルの改良につながるカスタマイズされた勾配屈折率ガラス光学系を作成した。研究結果は2020年11月18日に発表された。優れた。

▲カスタム GRIN 光学系の将来の自動化製造プロセスのレンダリング。カスタマイズされた光学プリフォームのマルチマテリアル 3D プリント、熱処理によるガラスへの変換、研磨、最終光学系の屈折率勾配の検査を示しています。画像提供: Jacob Long と Brian Chavez。
従来のレンズは通常、均一な組成の材料のブロックで作られており、光の屈折の制御はレンズの厚さと表面の曲率によって決まります。球面レンズ、円筒レンズ、非球面レンズ、および類似のレンズは、研磨や CNC (コンピュータ数値制御) ベースの仕上げなどの確立された製造方法によって簡単に製造できます。さらに、並進対称性や回転対称性のないカスタムの複雑な曲率を含む自由形状光学系を製造することもできますが、表面研磨精度に対する厳しい要件のため、その使用は依然として制限されています。

勾配屈折率 (GRIN) 光学系は、従来の既製光学系に代わる選択肢を提供します。 GRIN 光学系では、材料の組成に空間勾配が含まれており、これにより材料の屈折率に勾配が生じ、光が媒体を伝播する方法が変化します。 GRIN レンズは平面形状を持ちながら、同等の従来のレンズと同じ光学機能を持ちます。

眼鏡レンズの開発により、GRIN 光学系はすでに自然界に存在しています。ほとんどの種において、構造タンパク質 (クリスタリン) の濃度の変化によってレンズ全体の屈折率が変化する例が見られます。異なるサイズのクリスタリンは異なる密度のゲルを形成します。この屈折率の勾配と曲率を組み合わせることで、レンズは球面収差を自然に補正することができます。材料構成の機能性、ひいては光学機能性を空間的に完全に制御することで、GRIN 光学設計の機会が生まれます。たとえば、焦点合わせと一般的な光学収差（球面収差、コマ収差、非点収差など）の補正を組み合わせるなど、複数の機能を 1 つの光学系に設計することができます。さらに、表面曲率と屈折率勾配を組み合わせた光学系を使用すると、光学システムのサイズと重量を削減できる可能性があることが示されています。

いくつかの研究チームが透明ガラスの 3D プリントを実証しました。しかし、これらの技術のほとんどは、勾配組成と屈折率を持つガラスのマルチマテリアル印刷をまだ実証していません。この研究では、研究者らは、3Dプリントの直接インク書き込み（DIW）法を使用して直接混合した2つの異なるガラスペースト、つまり「インク」の比率を積極的に制御することで、材料組成の勾配を調整することができました。 DIW を使用してさまざまな組成の光学プリフォームを製造した後、ガラスに高密度化し、従来の光学研磨を使用して仕上げることができます。

研究チームは、GRIN ガラス光学系がマルチマテリアル DIW を使用して製造できることを示しました。このシステムには、2 種類の異なるインクをインラインで混合できるアクティブマイクロミキサーが装備されており、組成勾配のあるグリーンボディの 3D プリントが可能になり、その後、屈折率のカスタマイズされた空間分布を持つガラス光学系に統合できます。

▲図1. DIW法による屈折率勾配型シリカ-チタニアガラスの積層造形プロセス（A）異なるチタニアドーパント濃度を持つ2種類のシリコンベースのインクが、マイクロ流体ノズル内でアクティブせん断下で混合されます。組成は、2 つのインクの流量によって個別に決まります。 (B) 3D プリントされたグリーンボディは熱処理されてすべての有機成分が除去され、ガラスに緻密化され、その後、平らな表面になるまで研磨されます。最初の画像のピンク色は、視覚化のためにインクの 1 つに有機染料を加えた結果です。 (C) 石英ガラスに二酸化チタンを加えると屈折率が上昇します（41、42）。その結果、3Dプリントされたガラスには、組成の勾配によって決まる屈折率の空間的な変化が含まれます。重量%、重量%; ppm、百万分の一。（D）GRINガラスは、様々な形状、サイズ、光学機能を持つ光学デバイスを設計・製造することができます。すべての画像のグリッド間隔は 1 mm です。写真提供: ニコラ・ドゥドゥコビッチ、ローレンス・リバモア国立研究所。

▲二酸化チタンを添加した石英ガラスで作られた、研磨された3Dプリント勾配屈折率レンズのシリーズ。グリッドの各辺は 1 mm です。画像提供: ローレンス・リバモア国立研究所
▲2つのインクの相対流量を制御することで、必要な濃度プロファイルをツールパスにプログラムできます。この方法では、グラデーション機能を備えたマルチマテリアル3Dオブジェクトを印刷できます。この新しいテクノロジーは、平面ガラス部品（表面曲率なし）でさまざまな従来型および非従来型の光学機能を実現できるため、環境的に安定したガラス材料に新しい光学設計の汎用性を提供します。この新技術により、光学系の重量も軽減されます。たとえば、戦場で兵士が使用する光学機器は軽量であることが非常に重要です。

「3Dプリントで2種類の異なるガラス素材を組み合わせ、光学部品としての機能性を実証したのは今回が初めてです。GRIN向けに実証されましたが、この方法は他の素材や光学特性の調整にも使用できます」と、研究の筆頭著者であるディラ・スピアーズ氏は述べた。

レベッカ・ディラ・スピアーズ他「3Dプリント勾配屈折率ガラス光学系」、Science Advances (2020)。DOI: 10.1126/sciadv.abc7429

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