3D-tryckt miniatyrspektrometer. a, våg-optisk simulering av spektrometern. b, mikroskopbild av den tillverkade spektrometern överlagrad med intensitetsfördelningen från a. c, uppsättning tillverkade spektrometrar. Upphovsman:Andrea Toulouse, Johannes Drozella, Simon Thiele, Harald Giessen, och Alois Herkommer
Miniatyriseringen av spektroskopiska mätanordningar öppnar nya informationskanaler inom medicinsk vetenskap och konsumentelektronik. Forskare vid universitetet i Stuttgart, Tyskland, utvecklat en 3D-tryckt miniatyrspektrometer med en volym på 100 x 100 x 300 μm 3 och en spektral upplösning på upp till 10 nm inom det synliga området. Denna spektrometer kan tillverkas direkt på kamerasensorer, och ett parallellt arrangemang möjliggör snabb ("ögonblicksbild") och låg profil, mycket anpassningsbara hyperspektrala kameror.
Femtoseconds direktlaserskrivning som en 3D-utskriftsteknik har varit en av de viktigaste byggstenarna för miniatyrisering de senaste åren. Det har förändrat området komplex mikrooptik sedan början av 2000-talet. Medicinsk teknik och konsumentelektronik drar nytta av denna utveckling. Det är nu möjligt att skapa robusta, monolitiska och nästan perfekt anpassade friformade optiska system på nästan godtyckliga underlag som bildsensorer eller optiska fibrer.
Samtidigt, miniatyriseringen av spektroskopiska mätanordningar har avancerats med kvantpunkt- och nanotrådsteknik. Dessa är baserade på beräkningsmetoder, som har nackdelen att vara kalibreringskänsliga och kräver komplexa rekonstruktionsalgoritmer.
I en ny artikel publicerad i Ljus:Avancerad tillverkning , ett team av forskare, ledd av professor Alois Herkommer från Institute of Applied Optics och professor Giessen från 4th Physics Institute, University of Stuttgart, Tyskland, har visat en vinkelokänslig 3-D-tryckt miniatyrspektrometer med en direkt separerad rumslig spektral respons. Den har en volym på mindre än 100 x 100 x 300 μm 3 .
a Mätt normaliserade intensitetsprofiler vid spektrometerns bildplan för belysningsvåglängder som sträcker sig från 490 nm till 690 nm i 10 nm steg (monokromator, profilposition anges i fig. 3b). b Sinc² passar intensitetsprofilerna från a. c Mittpositionerna för sinc² passar per våglängd. d Våglängdsförskjutning per mikrometer härledd från c. e Linjebreddsimulering och mätning med en röd eller grön laser, respektive. Den uppmätta hela bredden vid halva max indikeras med ett par pilar. Kombinationen av mätningar d och e ger en spektral upplösning på 9,2 ± 1,1 nm vid 532 nm och 17,8 ± 1,7 nm vid 633 nm våglängd. Upphovsman:Andrea Toulouse, Johannes Drozella, Simon Thiele, Harald Giessen, och Alois Herkommer
Designen är baserad på en klassisk gallerspektrometer och tillverkades via tvåfoton direkt laserskrivning kombinerat med en superfin bläckstråleprocess. Dess skräddarsydda och kvittrade högfrekventa gitter möjliggör starkt spridande beteende. Miniatyrspektrometern har ett våglängdsområde i det synliga från 490 nm till 690 nm. Den har en spektral upplösning på 9,2 ± 1,1 nm vid 532 nm och 17,8 nm ± 1,7 nm vid en våglängd på 633 nm.
Ledande författare Andrea Toulouse säger, "Med en volym på mindre än 100 x 100 x 300 μm 3 vi utforskar ett helt nytt storleksintervall för direkta spektrometrar. En sådan storleksordning kunde endast realiseras med beräkningsmetoder fram till nu. I kontrast, vi översätter spektrumet direkt till en rumskodad intensitetssignal som kan avläsas med en kommersiell monokromatisk bildsensor. "
Insatsen (vit ruta) visar en mikroskopbild av den tillverkade spektrometern (vänster) och dess optiska designprincip (höger). Upphovsman:Andrea Toulouse, Johannes Drozella, Simon Thiele, Harald Giessen, och Alois Herkommer
"För 3D-tryckt mikrooptik, komplexiteten i den optiska designen markerar en innovation. Refraktiv, diffraktiva och rumsligt filtrerande element har aldrig kombinerats i en så liten volym för att skapa ett komplext och monolitiskt mätsystem. "
"Vår spektrometer kan tillverkas direkt på en miniatyrbildsensor som spetsen på ett distalt chipendoskop. På så sätt kan regioner i människokroppen skulle kunna undersökas med extremt höga böjningsradier som inte var tillgängliga innan "forskarna förutspår." Det kan också vara ett intressant tillvägagångssätt för hyperspektral avbildning där spektrometern skulle användas som en enhetscell (makro pixel). Omfördelningen av spektral energi istället för Fabry-Perot-filtrering med hög förlust kan således möjliggöra mycket effektiva hyperspektrala bildsensorer. Den ständigt växande världsbefolkningen skulle kunna dra nytta av en sådan kamera om den användes för spektral kartläggning inom precisionsodling, till exempel."
