Med hjälp av 3D-utskrift och poröst kisel har forskare vid University of Illinois Urbana-Champaign utvecklat kompakta, synliga våglängdsakromater som är viktiga för miniatyriserad och lätt optik. Denna högpresterande hybridmikrooptik uppnår hög fokuseringseffektivitet, samtidigt som volym och tjocklek minimeras. Vidare kan dessa mikrolinser konstrueras till arrayer för att bilda bilder med större ytor för akromatiska ljusfältsbilder och skärmar.
Denna studie leddes av materialvetenskap och ingenjörsprofessorer Paul Braun och David Cahill, elektro- och datateknikprofessor Lynford Goddard och tidigare doktorand Corey Richards. Resultaten av denna forskning publicerades i Nature Communications .
"Vi utvecklade ett sätt att skapa strukturer som uppvisar funktionerna hos klassisk sammansatt optik men i mycket miniatyriserad tunn från, via icke-traditionella tillverkningsmetoder", säger Braun.
I många avbildningstillämpningar finns flera våglängder av ljus närvarande, t.ex. vitt ljus. Om en enda lins används för att fokusera detta ljus, fokuserar olika våglängder på olika punkter, vilket resulterar i en suddig färgbild. För att lösa detta problem staplas flera linser ihop för att bilda en akromatisk lins. "Om du använder en enda lins vid vitljusavbildning har du avsevärd spridning, och därför fokuseras varje ingående färg på olika positioner. Med en akromatisk lins fokuserar dock alla färger på samma punkt", säger Braun.
Utmaningen är dock att den erforderliga stapeln av linselement som krävs för att göra en akromatisk lins är relativt tjock, vilket kan göra en klassisk akromatisk lins olämplig för nyare, nedskalade tekniska plattformar, såsom ultrakompakta kameror med synlig våglängd, bärbara mikroskop och t.o.m. bärbara enheter.
För att bilda en mycket tunnare lins kombinerade teamet en refraktiv lins med en platt diffraktiv lins. Braun förklarar att den nedre linsen är den diffraktiva linsen som fokuserar rött ljus, till exempel närmare, och den övre linsen är den brytande linsen som fokuserar rött ytterligare. De tar bort varandra och fokuserar på samma plats.
För att skapa det kompakta hybrida akromatiska avbildningssystemet utvecklade forskarna en tillverkningsprocess, kallad Subsurface Controllable Refractive Index via Beam Exposure (SCRIBE), där polymera strukturer 3D-printas i ett poröst kiselvärdmedium som mekaniskt stöder de optiska komponenterna. I denna process fylls flytande polymer i det porösa kislet och en ultrasnabb laser används för att omvandla den flytande polymeren till fast polymer. Med denna metod kunde de integrera de diffraktiva och brytande elementen i linsen utan behov av externa stöd samtidigt som de minimerar volymen, ökade enkel tillverkning och ger högeffektiv akromatisk fokusering.
"Om du skriver ut linser i luft och du vill stapla två tillsammans, skulle du behöva skriva ut den första linsen och sedan bygga en stödstruktur runt den", förklarar Richards. "Då skulle du behöva skriva ut den andra linsen inom den stödstrukturen. Men i poröst kisel kan du bara hänga de två linserna över varandra. Integrationen är mycket mer sömlös i den meningen."
Med detta tillvägagångssätt kan bilder med större ytor rekonstrueras från en rad hybrida akromatiska mikrolinser. Arrayen kan fånga ljusfältsinformation, vilket är en betydande utmaning för konventionella polymermikrolinser, som i allmänhet inte är akromatiska, och kommer att bana väg för applikationer som ljusfältskameror och ljusfältsskärmar.
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av University of Illinois Grainger College of Engineering
