Utilizzando la stampa 3D e il silicio poroso, i ricercatori dell’Università dell’Illinois Urbana-Champaign hanno sviluppato acromatici compatti e con lunghezza d’onda visibile che sono essenziali per l’ottica miniaturizzata e leggera. Queste micro-ottiche ibride ad alte prestazioni raggiungono elevate efficienze di messa a fuoco, riducendo al minimo volume e spessore. Inoltre, queste microlenti possono essere costruite in array per formare immagini di area più ampia per imager e display acromatici in campo luminoso.
Questo studio è stato condotto dai professori di scienza dei materiali e ingegneria Paul Braun e David Cahill, dal professore di ingegneria elettrica e informatica Lynford Goddard e dall'ex studente laureato Corey Richards. I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati su Nature Communications .
"Abbiamo sviluppato un modo per creare strutture che esibiscono le funzionalità dell'ottica composta classica ma in una forma sottile altamente miniaturizzata, tramite approcci di fabbricazione non tradizionali", afferma Braun.
In molte applicazioni di imaging sono presenti più lunghezze d'onda della luce, ad esempio la luce bianca. Se per focalizzare questa luce viene utilizzata una singola lente, diverse lunghezze d'onda si concentrano in punti diversi, producendo un'immagine dai colori sfocati. Per risolvere questo problema, più lenti vengono impilate insieme per formare una lente acromatica. "Nell'imaging a luce bianca, se si utilizza una singola lente, si ha una notevole dispersione e quindi ciascun colore costituente viene messo a fuoco in una posizione diversa. Con una lente acromatica, tuttavia, tutti i colori si concentrano nello stesso punto", afferma Braun.
La sfida, tuttavia, è che la quantità di elementi necessari per realizzare una lente acromatica è relativamente spessa, il che può rendere una lente acromatica classica inadatta a piattaforme tecnologiche più nuove e ridotte, come fotocamere ultracompatte a lunghezza d'onda visibile, microscopi portatili e persino dispositivi indossabili.
Per formare una lente molto più sottile, il team ha combinato una lente rifrattiva con una lente diffrattiva piatta. Braun spiega che la lente inferiore è la lente diffrattiva che focalizza la luce rossa, ad esempio, più vicino, e la lente superiore è la lente rifrattiva che focalizza ulteriormente il rosso. Si annullano a vicenda e si concentrano sullo stesso punto.
Per creare il sistema di imaging acromatico ibrido compatto, i ricercatori hanno sviluppato un processo di fabbricazione, chiamato Subsurface Controllable Refractive Index tramite Beam Exposure (SCRIBE), in cui le strutture polimeriche vengono stampate in 3D in un mezzo ospite di silicio poroso che supporta meccanicamente i componenti ottici. In questo processo, il polimero liquido viene inserito nel silicio poroso e viene utilizzato un laser ultraveloce per convertire il polimero liquido in polimero solido. Con questo metodo, sono stati in grado di integrare gli elementi diffrattivi e rifrattivi della lente senza la necessità di supporti esterni, riducendo al minimo il volume, aumentando la facilità di fabbricazione e fornendo una messa a fuoco acromatica ad alta efficienza.
"Se stampi lenti in aria e vuoi impilarne due insieme, dovresti stampare la prima lente e poi costruire una struttura di supporto attorno ad essa", spiega Richards. "Quindi dovresti stampare la seconda lente all'interno di quella struttura di supporto. Ma nel silicio poroso, puoi semplicemente sospendere le due lenti una sopra l'altra. In questo senso l'integrazione è molto più fluida."
Utilizzando questo approccio, è possibile ricostruire immagini di aree più grandi da una serie di microlenti ibride acromatiche. L'array è in grado di catturare informazioni sul campo luminoso, il che rappresenta una sfida significativa per le microlenti polimeriche convenzionali, che generalmente non sono acromatiche, e aprirà la strada ad applicazioni come telecamere e display a campo luminoso.
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Università dell'Illinois Grainger College of Engineering
