アプリケーション事例

マルチフォトン オプティクスの技術は、弊社開発の高精度三次元プリンター LithoProf3D を通して、光学、生物医学、生命科学、機能素材の分野での製品開発に採用されています。全ての製品にその製造工程の規格化と採用寸法が必要ですが、製品の出力には個々の構造仕様が適応され、様々な作成モードと露出軌道がLithoSoft3D®によって選択、制御されます。

技術的な規定値は100nmからcmの範囲ですが、TPAプロセスの能力的には sub-µmからマクロ単位まで加工可能であることは、2001年の初めに実証されています。産業用途に応用できる技術であるかを、数種類の研究助成を得て、マルチフォトン オプティクス社のCEOとパートナーにより検証を行いました。2009年に約8mmから2cmの世界初のマクロ立体の出力を成功させ、と同時にサブナノメートル単位での出力も可能であるということを、2009年のフォトニック ウエスト展で発表しました。また、出力時間の大幅短縮にも成功しました。

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世界をつなぐー 必要な時に低コストで光学接続を構築

今日、データ通信量はIoTと呼ばれる電化製品間のネット接続や、ビッグ データ アプリケーション、インダストリー4.0プロジェクトなどの影響で増加の一途をたどっています。企業として、または消費者としても、インターネットは社会的、経済的活動に不可欠なツールとして普及しました。大企業は、世界規模の膨大なデータの保全とアクセス、個々のPCでの分散処理のサポート、管理をするためのデータセンターを運営しています。こういったデータセンターはメガワット単位の電力を必要とし、停電に備えて自家発電設備と冷却システムを備えています。電力消費効率からわかるように、約50~60%の電力は、プロセッサー、メモリー、記憶装置といったサーバー設備で消費されます。残りは電源や配電盤、冷却装置、中電圧トランス、施錠設備などのサポート設備で消費されます。サーバー内設備それぞれでワット単位の節電ができれば、1.8W以上の電力消費が節約でき、サーバー内処理での消費電力の削減は、大きな節電につながります。しかしながら、データ転送システムの消費電力削減はデータセンターだけでなく、製品全体のデータ処理システムに重大な影響を及ぼす鍵となります。

光学接続部品

データ転送システムの消費電力の削減方法として、電気接続部品を光学内部接続(OI)に置き換える方法があります。(光学リンク、または光学線接続と呼ばれることもある)光学内部接続は20年前から研究され、その製造には様々な技術が導入されました。今日まで考案されてきた技術では、特に単一モード導波路を必要とする部品には、レンズの配置に1ミクロンのズレも許されない精度が求められるため、量産化ができず、製品化が断念されてきました。いかに最新鋭の機器で基盤や型を組み立てるといっても、1ミクロン以下の精度には対応できないため、生産工程に組み込むことができず、製品化ができませんでした。また、技術的な導波管の開発だけでは、より複雑な、光学チップやレーザーなどのレンズの配置による複数のI/O配列処理まで対応することはできません。

通常、光学レンズは必要に応じて配列され、関連部品は発光、採光を操作しています。レンズは大抵は意図的に配置されているため、導波管は短時間に、比較的容易に導入ができます。導波管の導入は光学内部接続を完成させる主要部分ではありますが、安定した生産と、製品の付加価値を高めるために、ドライバー、E/O- O/E転換、光源探知機とアンプなどの周辺機器も、総合的な視点で調整が必要です。

Focal scan in z direction of a pitch adaptation.

マイクロ光学部品

マスク不要の三次元技術を持ったマルチフォトン オプティック社の二光子吸収(TPA)プロセスでは、多種多様な基盤上に、屈折または回析マイクロレンズを、任意の形状、配置で作成することができます。

従来の技術の枠を破った画期的な設計力は、マルチ機能を持つ微細部品を求められる今日、特徴ある製品を設計するための強力なツールです。

マイクロレンズの作成には2通りの方法があります。

まずは単レンズ、またはレンズアレイを LithoProf3D を使い、直接、光学チップや基盤に出力していく方法。これは内部、外部で連結が必要な内視鏡などのレンズ製作に採用されています。

私たちの技術では、表面精度2~4nm、 (レーザー干渉計の有効範囲であるλ/10を優に下回る数値) で作ることができます。

このように、IRからVISやUVまで対応できるマイクロレンズまたはマイクロレンズアレイを作成できます。

複製の基準となるマスターを作ることで、高度な設計に基づくレンズの量産化も可能にします。

単レンズ機器、レンズアレイ、また特殊な映像処理のために特別に設計された、異なる形状のマイクロレンズの組み合わせなども、 LithoProf3D で手軽に製作することができます。このように作られたレンズ、またはレンズアレイは、センサーや映像処理機器の様々な用途に適した仕様要求を満たすために応用できます。

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Spherical microlens array.

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Array with donut-shaped microlenses.

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Array with spherical microlens on a cylindrical base.

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Fresnel lense array.

マスターの製作

基準構造の複製を経てプログラムの並列化をすることは、処理能力の最大化と製造コストの削減を同時に実現する重要な要素です。例えば同型、またはバラバラに配置されたマイクロレンズのような、任意に設計された三次元構造でも、マスターデータを構築できます。マイクロレンズ以外でも、ナノインプリントに適した構造なら、技術的に計測可能な100nmからマクロ単位まで、同じ手法で個々に構築できます。これらの基準構造のデータは、多様な構造寸法で、基本構造を異なる基盤上に再現するための複製ツールを構築するために使われます。

素材研究

独自素材を製造工程に導入する際には、やはり慎重な調整が必要になります。従来のUVリソグラフィや複製技術などの二次元工程で普通に使用された材料であっても、三次元プリンターの精巧な加工に適しているとは限りません。そのため、導入の際には一つ一つ評価して、どの程度まで三次元加工に適しているのかを精査する必要があります。高性能の三次元プリンター LithoProf3Dは 迅速、確実にその評価をすることができます。LithoSoft3D® の自動パラメータ検索機能に装備されているパラメータ変動域に、様々なテスト構造を読み込んで、対象素材の加工精度を、速く、正確に精査し、評価することができます。

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独自素材のウッドパイル構造配置のパラメータ設定。

平行:幅広い出力速度

垂直:幅広い適応レーザー出力

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Woodpile array with adjustable layer orientation.

生物医学、生命科学分野の応用

私たちの技術は光学分野の製品の他に、生物医学、生命科学分野で必要な構造物を作ることにも適しています。生体組織工学で必要とされる足場材や、特別に設計された表面構造、機能などを付加加工、または切削加工で造ることができます。また、投薬システムや、マイクロ流体技術にも応用できます。

生命組織工学

病変や損傷があった組織を修復するために、三次元多孔質足場材での細胞の増殖は、自家細胞を増殖させるのに有望な方法ですが、初代ヒト微小血管内皮細胞への影響を調べるため、構造のタイプやサイズを変える必要があります。マルチフォトン オプティクス社の独自技術や機能を使って、特殊な構造を三次元的に複製した足場材を、早く、確実に、大量に造ることができます。

cell-biology

SPP1327 (Heike Walles, Tissue Engineering & Regenerative Medicine (TERM), University Hospital Würzburg), and Ruth Houbertz (formerly Fraunhofer ISC, Würzburg)