Spettrometro in miniatura stampato in 3D. un, simulazione onda-ottica dello spettrometro. B, immagine al microscopio dello spettrometro fabbricato sovrapposta alla distribuzione dell'intensità da a. C, serie di spettrometri fabbricati. Credito:Andrea Tolosa, Johannes Drozzella, Simone Thiele, Harald Giessen, e Alois Herkommer
La miniaturizzazione dei dispositivi di misurazione spettroscopica apre nuovi canali di informazione nella scienza medica e nell'elettronica di consumo. Scienziati dell'Università di Stoccarda, Germania, ha sviluppato uno spettrometro in miniatura stampato in 3D con un volume di 100 per 100 per 300 μm 3 e una risoluzione spettrale fino a 10 nm nel campo del visibile. Questo spettrometro può essere prodotto direttamente sui sensori della fotocamera, e una disposizione parallela consente una rapida ("istantanea") e di basso profilo, telecamere iperspettrali altamente personalizzabili.
La scrittura a laser diretto a femtosecondi come tecnologia di stampa 3D è stata uno degli elementi chiave per la miniaturizzazione negli ultimi anni. Ha trasformato il campo della microottica complessa dai primi anni 2000. L'ingegneria medica e l'elettronica di consumo traggono vantaggio da questi sviluppi. Ora è possibile creare robusti, sistemi ottici a forma libera monolitici e quasi perfettamente allineati su substrati quasi arbitrari come sensori di immagine o fibre ottiche.
Contemporaneamente, la miniaturizzazione dei dispositivi di misurazione spettroscopica è stata avanzata con la tecnologia dei punti quantici e dei nanofili. Questi si basano su approcci computazionali, che hanno lo svantaggio di essere sensibili alla calibrazione e richiedono algoritmi di ricostruzione complessi.
In un nuovo articolo pubblicato su Luce:produzione avanzata , un team di scienziati, guidato dal professor Alois Herkommer dell'Istituto di ottica applicata e dal professor Giessen del 4° Istituto di fisica, Università di Stoccarda, Germania, hanno dimostrato uno spettrometro in miniatura stampato in 3D insensibile all'angolo con una risposta spaziale-spettrale separata diretta. Ha un volume inferiore a 100 per 100 per 300 μm 3 .
a Profili di intensità normalizzati misurati sul piano dell'immagine dello spettrometro per lunghezze d'onda di illuminazione che vanno da 490 nm a 690 nm con incrementi di 10 nm (monocromatore, la posizione del profilo è indicata in Fig. 3b). b Sinc² si adatta ai profili di intensità da a. c Le posizioni centrali dei sinc² si adattano alla lunghezza d'onda. d Spostamento della lunghezza d'onda per micrometro dedotto da c. e Simulazione e misurazione della larghezza di linea con un laser rosso o verde, rispettivamente. L'intera larghezza misurata a metà del massimo è indicata con una coppia di frecce. La combinazione delle misurazioni d ed e produce una risoluzione spettrale di 9,2 ± 1,1 nm a 532 nm e 17,8 ± 1,7 nm a 633 nm di lunghezza d'onda. Credito:Andrea Tolosa, Johannes Drozzella, Simone Thiele, Harald Giessen, e Alois Herkommer
Il design si basa su uno spettrometro a reticolo classico ed è stato fabbricato tramite scrittura laser diretta a due fotoni combinata con un processo a getto d'inchiostro super fine. Il suo reticolo ad alta frequenza su misura e cinguettato consente un comportamento fortemente dispersivo. Lo spettrometro in miniatura presenta una gamma di lunghezze d'onda nel visibile da 490 nm a 690 nm. Ha una risoluzione spettrale di 9,2 ± 1,1 nm a 532 nm e 17,8 nm ± 1,7 nm a una lunghezza d'onda di 633 nm.
L'autore principale Andrea Toulouse afferma:"Con il suo volume inferiore a 100 per 100 per 300 μm 3 esploriamo una gamma di dimensioni completamente nuova per gli spettrometri diretti. Finora un ordine di grandezza così piccolo poteva essere realizzato solo con approcci computazionali. In contrasto, traduciamo lo spettro direttamente in un segnale di intensità codificato spazialmente che può essere letto con un sensore di immagine monocromatico commerciale".
L'inserto (scatola bianca) mostra un'immagine al microscopio dello spettrometro fabbricato (a sinistra) e il suo principio di progettazione ottica (a destra). Credito:Andrea Tolosa, Johannes Drozella, Simone Thiele, Harald Giessen, e Alois Herkommer
"Per le microottiche stampate in 3D, la complessità del design ottico segna un'innovazione. rifrangente, elementi diffrattivi e filtranti spazialmente non sono mai stati combinati in un volume così piccolo per creare un sistema di misurazione complesso e monolitico."
"Il nostro spettrometro potrebbe essere fabbricato direttamente su un sensore di immagine in miniatura come la punta di un endoscopio a chip distale. In questo modo, regioni del corpo umano potrebbero essere esaminate con raggi di curvatura estremamente elevati che prima non erano accessibili" prevedono gli scienziati. "Potrebbe anche essere un approccio interessante per l'imaging iperspettrale in cui lo spettrometro verrebbe utilizzato come cella unitaria (macro pixel). La ridistribuzione dell'energia spettrale invece del filtraggio Fabry-Perot ad alta perdita potrebbe quindi consentire sensori di imaging iperspettrali altamente efficienti. La popolazione mondiale in continua crescita potrebbe trarre vantaggio da una tale fotocamera se fosse utilizzata per la mappatura spettrale nell'agricoltura di precisione, ad esempio."
