Espectrômetro em miniatura impresso em 3D. uma, simulação ótica de onda do espectrômetro. b, imagem de microscópio do espectrômetro fabricado sobreposta com a distribuição de intensidade de a. c, matriz de espectrômetros fabricados. Crédito:Andrea Toulouse, Johannes Drozella, Simon Thiele, Harald Giessen, e Alois Herkommer
A miniaturização dos dispositivos de medição espectroscópica abre novos canais de informação na ciência médica e na eletrônica de consumo. Cientistas da Universidade de Stuttgart, Alemanha, desenvolveu um espectrômetro em miniatura impresso em 3D com um volume de 100 por 100 por 300 μm 3 e uma resolução espectral de até 10 nm na faixa do visível. Este espectrômetro pode ser fabricado diretamente nos sensores da câmera, e um arranjo paralelo permite rápido ("instantâneo") e baixo perfil, câmeras hiperespectrais altamente personalizáveis.
A gravação a laser direta de femtosegundo como uma tecnologia de impressão 3-D tem sido um dos principais blocos de construção para a miniaturização nos últimos anos. Ele transformou o campo da micro-óptica complexa desde o início dos anos 2000. A engenharia médica e a eletrônica de consumo se beneficiam desses desenvolvimentos. Agora é possível criar robustos, sistemas óticos monolíticos e quase perfeitamente alinhados de forma livre em substratos quase arbitrários, como sensores de imagem ou fibras óticas.
Simultaneamente, a miniaturização de dispositivos de medição espectroscópica avançou com a tecnologia de ponto quântico e nanofio. Estes são baseados em abordagens computacionais, que têm a desvantagem de serem sensíveis à calibração e requerem algoritmos de reconstrução complexos.
Em um novo artigo publicado em Leve:Manufatura Avançada , uma equipe de cientistas, liderado pelo Professor Alois Herkommer do Instituto de Óptica Aplicada e Professor Giessen do 4º Instituto de Física, Universidade de Stuttgart, Alemanha, demonstraram um espectrômetro em miniatura impresso em 3D insensível ao ângulo com uma resposta espectral-espacial separada direta. Tem um volume de menos de 100 por 100 por 300 μm 3 .
a Perfis de intensidade normalizados medidos no plano de imagem do espectrômetro para comprimentos de onda de iluminação variando de 490 nm a 690 nm em etapas de 10 nm (monocromador, a posição do perfil é indicada na Fig. 3b). b Ajustes Sinc² dos perfis de intensidade de a. c Posições centrais dos ajustes sinc² por comprimento de onda. d Deslocamento do comprimento de onda por micrômetro deduzido de c. e Simulação de largura de linha e medição com um laser vermelho ou verde, respectivamente. A largura total medida na metade do máximo é indicada por um par de setas. A combinação das medições d e e produz uma resolução espectral de 9,2 ± 1,1 nm em 532 nm e 17,8 ± 1,7 nm no comprimento de onda de 633 nm. Crédito:Andrea Toulouse, Johannes Drozella, Simon Thiele, Harald Giessen, e Alois Herkommer
O projeto é baseado em um espectrômetro de grade clássico e foi fabricado por meio de gravação a laser direta de dois fótons combinada com um processo de jato de tinta superfino. Sua grade de alta frequência sob medida e chilreada permite um comportamento fortemente dispersivo. O espectrômetro em miniatura apresenta uma faixa de comprimento de onda no visível de 490 nm a 690 nm. Possui uma resolução espectral de 9,2 ± 1,1 nm a 532 nm e 17,8 nm ± 1,7 nm a um comprimento de onda de 633 nm.
A principal autora Andrea Toulouse diz:"Com seu volume de menos de 100 por 100 por 300 μm 3 exploramos toda uma nova gama de tamanhos para espectrômetros diretos. Uma ordem de magnitude tão pequena só poderia ser percebida por abordagens computacionais até agora. Em contraste, traduzimos o espectro diretamente em um sinal de intensidade codificado espacialmente que pode ser lido com um sensor de imagem monocromático comercial. "
A inserção (caixa branca) mostra uma imagem microscópica do espectrômetro fabricado (à esquerda) e seu princípio de design óptico (à direita). Crédito:Andrea Toulouse, Johannes Drozella, Simon Thiele, Harald Giessen, e Alois Herkommer
"Para micro-ópticas impressas em 3D, a complexidade do design óptico marca uma inovação. Refrativo, elementos difrativos e de filtragem espacial nunca foram combinados em um volume tão pequeno para criar um sistema de medição complexo e monolítico. "
"Nosso espectrômetro poderia ser fabricado diretamente em um sensor de imagem em miniatura como a ponta de um endoscópio de chip distal. Dessa forma, regiões do corpo humano poderiam ser examinadas com raios de curvatura extremamente altos que não eram acessíveis antes da "previsão dos cientistas". Também poderia ser uma abordagem interessante para imagens hiperespectrais, onde o espectrômetro seria usado como uma célula unitária (macro pixel). A redistribuição de energia espectral em vez de filtragem Fabry-Perot de alta perda poderia, portanto, permitir sensores de imagem hiperespectral altamente eficientes. A crescente população mundial poderia se beneficiar de tal câmera se ela fosse usada para mapeamento espectral na agricultura de precisão, por exemplo."
