斯图加特大学研发出首台具有直接空间光谱响应的3D打印微型光谱仪

以下文章来源于江苏激光产业技术创新战略联盟 ,作者红红

来自德国斯图加特大学科研团队报道了对角度不敏感的3D打印微型光谱仪,并且可以进行平行排列以实现快速的拍照和低姿态,高度可定制的高光谱相机的应用。该研究成果2021年2月4日发表在Light: Advanced Manufacturing上。

双光子激光直写技术

block 分辨率达到10nm

根据江苏激光产业技术创新战略联盟,小型化的光谱仪测量装置为打开关键尺寸领域中的应用的信息信息提供了通道,诸如内窥镜检查或消费电子产品等行业中的应用。来自德国斯图加特大学的Andrea Toulouse等人及其合作者报道了一个角度不敏感的3D打印的微型光谱仪,该光谱仪是基于经典的光栅光谱仪设计来完成的.该光谱仪的制造通过一个双光子直接激光直写。结合一个超级精细的墨水打印过程来实现的。该光谱仪的体积为 100 × 100 × 300 µm³。该团队的研究结果展示,在可见光范围内 490 nm到 690 nm的波长区间,该光谱仪的光谱分辨率可以达到10 nm。直接打印的相机中所使用的这一光谱仪是可行的,并且这一系统的阵列可以用作快照高光谱相机中的宏观像素。

Spectrometer_13D打印的微型光谱仪:a:光谱仪的波-光模拟;b制造的光谱仪的微观照片,该光谱仪叠加自a的强度分布;c光谱仪的阵列 

光谱测量仪的小型化为医疗科学和消费类电子的新型的测量打开了一个新的渠道。该光谱仪可以直接在相机的传感器上进行制造,并且可以进行平行排列以实现快速的拍照和低姿态,高度可定制的高光谱相机的应用.

Spectrometer_2图解:狭缝制作与测量:a 超级精细的墨水打印原理,制造的光谱仪体积为100 × 100 × 300 µm3, 狭缝制造的微型光谱仪的阵列;b 狭缝在530nm的波长光的照射下的投射照片,姿态的位置显示为红色的虚线;c 在波长为490nm到690nm,步长为10nm的时候得到的狭缝的图像和标准化剖面的平均值。

block 复杂微光学器件带来的商业价值

飞秒激光直写技术作为一种3D打印技术,已经成为近年来制造微型器件的有力的工具.自2000年以来,该技术开始转移到制造复杂的微光学器件上。医疗工程和消费电子行业得益于该类技术的发展.

如今该技术几乎可以用来制造坚固,结构一体化的和几乎完全自由对齐形式的光学系统,可以在几乎任意基材上进行制造,如图像的传感器或光纤。

与此同时,光谱仪测量装置的小型化得益于量子点和纳米线技术的发展而得到快速发展。基于计算技术,校准敏感和需要复杂重构的算法的缺点等问题得到了解决。

来自应用光学的Alois Herkommer教授,,斯图加特大学第四研究所的Giessen教授的领导下,为业界展示了一个对角度不敏感的3D打印的微型化的光谱仪,具有一个直接分离的空间光谱响应的特点。该3D打印的微型化的光谱仪的尺寸为100 × 100 × 300 µm3 。

Spectrometer_3图解:a. 照射光的波长为490nm到690nm,步长为10nm的时候,光谱仪在图像的平面测量的归一化强度分布. b, 自a中进行强度轮廓的拟合的Sinc² 值. c, 每一波长的Sinc² 值的中央位置, d自c中推演出来的每微米的波长偏移. e, 线宽的模拟和分别采用红色或绿色激光进行测量的结果. 测量的半(峰高)宽度通过一对箭头来表示. d和e的测量组合产生的光谱分辨率在532nm的时候为 9.2 ± 1.1 nm , 在633nm的时候为17.8 ± 1.7 nm

这一设计是基于经典的光栅光谱仪,其制造是基于双光子直接激光直写,组合超级精细的墨水打印来实现的。其量身定制和其啁啾高频光栅使得其具有强烈的色散行为。该微型光谱仪的特征数据为,可以实现在波长为可见光的波长自490nm到690nm的范围内测量。其测量的分辨率为,在532nm的时候为9.2 ± 1.1 nm, 在633nm的时候为17.8 nm ± 1.7 nm

Spectrometer_4 Spectrometer_5图解:在532 nm处产生9.2±1.1 nm的光谱分辨率,在633 nm波长处产生17.8±1.7 nm的光谱分辨率。

该论文的通讯作者 Andrea Toulouse认为:目前打印的微型光谱仪的体积尺寸为 100 × 100 × 300 µm³ 。他们探索了一个全新的直接光谱仪的尺寸范围。跟目前一样小的光谱仪只能通过计算的办法来实现。相反,他们将这一光谱直接转换成空间编码强度信号,这一信号可以通过商业化的单色图像传感器来读取。

Spectrometer_6图解:插入的带白色边框线的图片为制造的光谱仪(左图)的显微图像及其它的光学设计原理(右图)

对于3D 打印的微型镜片,光学设计的复杂性是革新的重点。反射、衍射以及空间过滤元素等,从来都没有可以在这一如此小的体积中来实现复杂和巨大而单一的测量系统。

新的3D打印光谱仪可以直接在微型的图像传感器上进行制造,如在远端芯片内窥镜的顶端就可以实现制造。通过这个办法,人体内部的检查就可以实现以前不可能触及到的极端高的弯曲半径内进行检查。它同时可以作为高光谱成像技术的一个比较有意义的途径,来实现光谱成为一个单元,如宏观的像素。光谱能量的重新分布替代高损耗法布里-珀罗滤波的办法将促使高度有效的高光谱成像传感的应用。这一新发现将促使相机在光谱成像上大为获益,如精细农业领域。

英文来源:Andrea Toulouse et al, 3D-printed miniature spectrometer for the visible range with a 100 × 100 μm2 footprint, Light: Advanced Manufacturing (2021). DOI: 10.37188/lam.2021.002

l 文章来源:江苏激光产业技术创新战略联盟

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