新颖的3D打印微光学元件可用于微型光谱仪
2021-02-11 20:04:20   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

德国斯图加特大学（University of Stuttgart）使用3D打印技术制造折射、衍射和滤光元件。

在微型化理念的推动下，激光直写和3D打印技术的进步帮助微光学领域实现了微光学元件的显著突破。

据麦姆斯咨询报道，近日，德国斯图加特大学应用光学研究所（Institute of Applied Optics，ITO）的一个研究项目已经使用3D打印技术制造出微型光谱仪，该光谱仪通过双光子激光直写技术和喷墨沉积法制造而成。

上述研究论文发表于《光：先进制造（英文版）》（Light: Advanced Manufacturing），经过微光学元件组装之后的光学系统尺寸为100微米 x 100微米 x 300微米，在490纳米至690纳米的可见光波段中具有200纳米的波长范围。

图中右侧为德国斯图加特大学制造的微型光学系统

斯图加特大学的Andrea Toulouse表示：“对于3D打印的微光学元件而言，这种光学设计的复杂性标志着一项创新！折射、衍射和空间滤光元件从未在如此微小的体积内组合起来，以形成一个复杂的光谱测量系统。”

以往的光谱测量设备的小型化通常涉及量子点和纳米线技术，而量子点和纳米线技术又依赖于计算方法来处理和生成光谱数据。但是，斯图加特大学应用光学研究所声称，这种方法对校准敏感，并且需要复杂的重建算法。

“迄今为止，只有通过计算方法才能实现这么小的数量级。”Andrea Toulouse说道，“相反，我们则将光谱直接转换为空间编码的强度信号，该信号可以利用商用的单色图像传感器读出。”

可直接在图像传感器上制造微型光谱仪

微型光谱仪的设计充分考虑了最终利用光敏聚合物进行3D打印的优势，例如透镜和安装支架近乎完美对准（归功于它们的同步制造）。

使用商用3D打印机和光刻胶材料的双光子激光直写技术可制造透明的光学元件（包括聚光镜和准直透镜），以及倾斜表面（用于引导器件整体垂直布局内的光路）。使用超精细喷墨打印机和导电墨水可制造非透明元件。斯图加特大学应用光学研究所团队说，这种方法允许将透镜、光栅、入口狭缝和安装支架全部通过3D打印一步完成。

试验发现，以这种方式设计和制造的微型光谱仪在532纳米波长处的光谱分辨率为9.2±1.1纳米，在633纳米波长处的光谱分辨率为17.8±1.7纳米。

研究团队的进一步工作将解决来自原型装置的相对较高的噪声水平，这可能通过改变入口狭缝相邻的导电油墨层来实现，尽管将需要考虑与光刻胶材料的固有属性之间的权衡。

然而，概念验证装置已经指向了新的应用，尤其是由于双光子3D打印技术可以直接在图像传感器上制造微光学器件的潜力，以及与当前智能手机镜头尺寸的兼容性。

一种情况可能是直接在图像传感器上制造微型光谱仪，以作为远端芯片内窥镜的尖端。另一种情况可能涉及将微型光谱仪用作高光谱成像中的一个单元，从而有助于提升高光谱成像传感器在农业生产等关键领域的效率。