JP7423745B2 - 統合された機能性を有する光学素子のデジタル生成方法、及び、当該方法で生成された光学素子 - Google Patents
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- C07F7/188—Preparation; Treatments not provided for in C07F7/20 by reactions involving the formation of Si-O linkages
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L83/00—Compositions of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen or carbon only; Compositions of derivatives of such polymers
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-
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-
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-
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Description
・プリントされたボディの体積内に屈折率不均一の形態で層境界が発生し、当該ボディを通じた透過率が低下すること。
・デジタル化アーチファクト、つまり、プリントされたボディを所定の間隔の層に分解することによるプリントされた面上の段差の形成。
・従来製造されていた光学器具に比べ、どの場合においても、実現された表面の精度に限界があり、粗さが増大する。
・ポリマーの使用による耐久性および信頼性に限度がある。
ここでは、典型的には、石英ガラスが、フェムト秒レーザパルスで露光され、従って、エッチング速度は、焦点の焦点領域において、HFまたはKOHと比較して増加される。エッチングステップは、3D構造の点状の露光後に行われ、その後、所望の3D構造は、露光された領域のネガとして残る(サブストラクティブ法)。しかしながら、当該プロセスの精度と粗さは、光学部品を製造するのに十分ではない。
粒子(例えば、シリカ含有)と有機マトリックス材料からなる複合物の3Dプリンティングおよびその後の焼結、すなわちマトリックス材料の熱分解。これにより、ガラス状の部品を追加的に製造することができる。エッチングプロセスと同様に、部品の質は、とりわけ焼結プロセスにおける収縮ゆえに、光学的用途においては十分ではない。
CO2レーザ照射によるアブレーション、微細摩耗、研磨
透過型光学器具に対するアブレーションによるレーザ処理は、アクリレートについても記載されている(DE10 2017 002986 A1)
(a)三次元の構造が、3Dプリンティングによって、無機-有機ハイブリッドポリマーを備えるプリント材料から生成され、
(b)三次元の構造において、追加の機能性を有する少なくとも1つの領域が、当該構造の表面上及び/又は体積内の領域を改変することによって生成される。
RxSi(OR′)4-x (I)
上記の一般式(I)において、
R=有機基;C1‐C8から、特にメチル、エチル、イソプロピル、tert‐ブチル、シクロヘキシル、フェニルから選択され、任意で、官能化され、特にビニル、アリル、グリシジルオキシプロピル、[2‐(3, 4‐エポキシシクロヘキシル)エチル]トリメトキシシラン、(メタ)アクリロキシプロピル、スチリル、チオレン、ノルボネンで官能化される、
R′=H、C1‐Cx‐アルキル、特にメチルまたはエチル、
シリコンは、少なくとも部分的にジルコニウム及び/又はチタンによって置き換えることができる。
・高屈折率を、好ましくは酸化ジルコニウムまたは酸化チタンを有する粒子、またはレーザ吸収を増加させるためのナノ粒子
・光変換、特に増幅及び/又は波長変換粒子
・散乱粒子
・熱伝導率、分散、熱膨張を調整するための粒子
・標識としての粒子、又は、
・それらの組合せ、を備える、
ことを提供する。
(1)無機-有機ハイブリッドポリマーを備えるプリント材料の複数の液滴を基材の方向に吐出させ、当該液滴を互いに隣り合わせて堆積させて層を形成するステップ
(2)照射、好ましくはUV放射または青色LED照明による前記層内の複数の液滴の光化学硬化のステップ
ステップ(1)および(2)は、所望の三次元の構造が構築されるまで繰り返される。
(1)槽内で支持構造上にプリント材料を準備するステップ
(2)ラスター集束(UV)光源で槽の底を通じてプリント材料を層ごとに露光して1つの層を硬化させるステップ
(3)プリント材料の形成された層と共にキャリア構造を動かして、当該形成された層上でプリント材料の次の層が露光されるようにするステップ
ステップ(2)~(3)は、所望の三次元構造が構築されるまで、繰り返される。
(1)槽内で支持構造上にプリント材料を準備するステップ
(2)室内光変調器付きの光源で槽の底を通じてプリント材料を層ごとに露光して1つの層を硬化させるステップ
(3)プリント材料の形成された層と共にキャリア構造を動かして、当該形成された層上でプリント材料の次の層が露光されるようにするステップ
ステップ(2)~(3)は、所望の三次元の構造が構築されるまで、繰り返される。
・レーザ放射によって、構造の表面上及び/又は体積内に、光吸収及び/又は反射及び/又は屈折及び/又は散乱要素(複数)を生成するステップ
・プラズマエッチングによる構造の表面の反射防止コーティングのステップ
・インクジェットプリンティングプロセスと、その後の熱的後処理及び/又は光的後処理(例えばフラッシュランプ照明またはレーザ後処理)とにより反射要素を生成するステップ、プリンティングプロセスは金属(ナノ)粒子、特に好ましくは銀(ナノ)粒子を用いて実施されることが好ましい
・インクジェットプリンティングプロセスによって色消し要素を生成するステップであって、インクジェットプロセスプロセス中、第1プリント材料は、当該第1プリント材料とは異なる屈折率を有する別のプリント材料によって少なくとも一時的に置き換えられるステップ
・それらの組合せ。
・当該構造の反射面、特に金属(ナノ)粒子、好ましくは銀(ナノ)粒子から形成される反射面
・プラズマエッチングによる光学素子の表面上の反射防止コーディング
・当該構造の表面上及び/又は体積内の光屈折要素
・当該構造の表面上及び/又は体積内の光散乱要素
・当該構造の表面上及び/又は体積内の光吸入要素、特に、開口絞り
・当該構造の表面上及び/又は体積内の色消し要素、および、
・それらの組合せ。
これらの利点は:
・軽量化および小型化
・低コスト
・純粋なポリマーベースのプリント材料と比較して材料特性の大幅な改善(温度安定性、黄変、、、)。
・信頼性の向上
・屈折面及び統合された吸収体構造/バッフルに関する設計が完全に自由
・ゴースト像及び/又は不要な反射がないこと
・機能密度の大幅な向上、および、従来は光学系への組込みが非常に困難または不可能だった機能(例えばミラー、吸収体構造など)の追加
・光学特性の向上:層境界での(屈折/散乱)低減、低表面粗さ、層の追加塗布なしでのAR層
・ツール調整なしでバッチサイズ1まで設計
3-(トリメトキシシリル)プロピルメタクリレート、ジフェニルジメトキシシラン、メトキシトリメチルシランを、モル比1:1:1.75で、HClの助けを借りて酸性加水分解/縮合反応させる。作業終了後、得られた樹脂をドデカンジオールジメタクリレートで40mPasの粘度に調整し、適切な光開始剤を添加する。
Claims (15)
- 統合された機能性を有する光学素子をデジタル処理で生成するための方法であって、
a)三次元の構造が、3Dプリンティングによって、無機-有機ハイブリッドポリマーを備えるプリント材料から生成され、
b)前記三次元の構造において、追加の機能性を有する少なくとも1つの領域が、当該構造の体積内の領域を改変することによって、生成され、
前記追加の機能性は、光屈折要素であり、
前記無機-有機ハイブリッドポリマーは、前駆体としての以下の一般式(I)の少なくとも1つのアルコキシシランの加水分解およびその後の重縮合反応によって生成され、
R x M(OR′) 4-x (I)
上記の一般式(I)において、
M=Si、Zr、または、Tiであり、
R=有機基であって、C1‐C8から選択され、
R′=H、C1‐C8‐アルキルである、
方法。 - 前記三次元の構造において、追加の機能性を有する少なくとも1つの追加の領域が、当該構造の前記体積内の領域を改変することによって、生成され、当該少なくとも1つの追加の領域の当該追加の機能性は、光吸収要素、光反射要素、光散乱要素、及び、電気的機能性からなるグループから選択される、
請求項1に記載の方法。 - 前記プリント材料は、
・酸化ジルコニウムまたは酸化チタンを有する粒子、またはレーザ吸収を増加させるためのナノ粒子
・光変換粒子
・散乱粒子
・熱伝導率、発散、熱膨張を調整するための粒子
・標識としての粒子、または、
・それらの組合せ、
を備える、
請求項1または請求項2に記載の方法。 - 前記3Dプリンティングは、インクジェットプリンティングプロセス、ステレオリソグラフィまたはデジタルライトプロセッシング(DLP)技術によって実施される、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の方法。 - インクジェットプリンティングプロセスによって前記三次元の構造を生成する場合、以下の方法ステップが実施される:
(1)前記無機-有機ハイブリッドポリマーを備える前記プリント材料の複数の液滴を基板の方向に吐出して、当該液滴が互いに隣り合って堆積して層を形成するステップ
(2)照射によって、前記層内の前記複数の液滴を光化学的に硬化させるステップ、
(1)および(2)のステップが、所望の前記三次元の構造が構築されるまで繰り返される、
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の方法。 - 前記プリント材料の粘度が、反応性シンナーを用いて、10~50mPasの範囲内に設定される、
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の方法。 - ステレオリソグラフィによって前記三次元の構造を生成する場合、以下の方法ステップが実施される:
(1)槽内で支持構造上に前記プリント材料を準備するステップ
(2)ラスター集束(UV)光源で前記槽の底を通じて前記プリント材料を層ごとに露光して、1つの層を硬化させるステップ
(3)前記プリント材料の形成された層と共にキャリア構造を動かして、前記形成された層上で前記プリント材料の次の層が露光されるようにするステップ
(2)および(3)のステップが、所望の前記三次元の構造が構築されるまで繰り返される、
請求項4に記載の方法。 - デジタルライトプロセッシング(DLP)技術によって前記三次元の構造を生成する場合、以下の方法ステップが実施される:
(1)槽内で支持構造上に前記プリント材料を準備するステップ
(2)室内光変調器付きの光源で前記槽の底を通じて前記プリント材料を層ごとに露光して、1つの層を硬化させるステップ
(3)前記プリント材料の形成された層と共にキャリア構造を動かして、前記形成された層上で前記プリント材料の次の層が露光されるようにするステップ
(2)および(3)のステップが、所望の前記三次元の構造が構築されるまで繰り返される、
請求項4に記載の方法。 - 前記体積内における領域改変は、10ps未満のパルス持続時間を有する超短レーザパルスを用いて、改変される前記領域上で、レーザ放射を放出し集束することによって行われ、当該領域改変は、前記超短レーザパルスを通じて前記構造の前記体積内で行われ、
前記超短レーザパルスにおいて、
i)パルスは、1~500kHzのパルス繰返し周波数及び/又は10~3000nJのパルスエネルギーを有し、及び/又は、
ii)波長は、300~2200nmの範囲内であり、及び/又は、
iii)焦点におけるビーム径は、30μm未満の範囲内である、
請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の方法。 - 超短パルスレーザによって前記無機-有機ハイブリッドポリマーの有機成分が炭化されることにより、改変される前記領域が黒化する及び/又は導電化する、
請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の方法。 - 領域改変は、レーザ放射によって前記構造の前記体積内に光屈折要素を生成することによって実施される、
請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の方法。 - 3Dプリンティングによって無機-有機ハイブリッドポリマーから製造された三次元の構造を備える光学素子であって、追加の機能性を有する少なくとも1つの領域が、前記構造の体積内に設けられ、
前記追加の機能性は、光屈折要素であり、
前記無機-有機ハイブリッドポリマーは、前駆体としての以下の一般式(I)の少なくとも1つのアルコキシシランの加水分解およびその後の重縮合によって生成されたものであり、
R x M(OR′) 4-x (I)
上記の一般式(I)において、
M=Si、Zr、または、Tiであり、
R=有機基であって、C1‐C8から選択され、
R′=H、C1‐C8‐アルキルである、
光学素子。 - 追加の機能性を有する少なくとも1つの追加の領域が、前記三次元の構造の前記体積内に設けられ、当該少なくとも1つの追加の領域の当該追加の機能性は、光吸収要素、光反射要素、光散乱要素、及び、電気的機能性からなるグループから選択される、
請求項12に記載の光学素子。 - 前記光学素子は、3Dプリンティングによって製造されたものである、
請求項12または請求項13に記載の光学素子。 - 前記光屈折要素は、超短レーザパルスによる前記無機-有機ハイブリットポリマーの有機成分の炭化よって製造されたものである、
請求項12から請求項14のいずれか1項に記載の光学素子。
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