Usando impressão 3D e silício poroso, pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign desenvolveram acromatas compactos e de comprimento de onda visível que são essenciais para óptica leve e miniaturizada. Essas microópticas híbridas de alto desempenho alcançam alta eficiência de foco, ao mesmo tempo em que minimizam o volume e a espessura. Além disso, essas microlentes podem ser construídas em matrizes para formar imagens de áreas maiores para geradores de imagens e monitores de campo de luz acromáticos.



Este estudo foi liderado pelos professores de ciência e engenharia de materiais Paul Braun e David Cahill, pelo professor de engenharia elétrica e da computação Lynford Goddard e pelo ex-aluno de graduação Corey Richards. Os resultados desta pesquisa foram publicados na Nature Communications .

"Desenvolvemos uma maneira de criar estruturas que exibem as funcionalidades da óptica composta clássica, mas em camadas finas altamente miniaturizadas, por meio de abordagens de fabricação não tradicionais", diz Braun.

Em muitas aplicações de imagem, vários comprimentos de onda de luz estão presentes, por exemplo, luz branca. Se uma única lente for usada para focar esta luz, diferentes comprimentos de onda focam em pontos diferentes, resultando em uma imagem com cores desfocadas. Para resolver este problema, múltiplas lentes são empilhadas juntas para formar uma lente acromática. "Nas imagens de luz branca, se utilizarmos uma única lente, obtemos uma dispersão considerável e, portanto, cada cor constituinte é focada numa posição diferente. Com uma lente acromática, no entanto, todas as cores focam no mesmo ponto", diz Braun.

O desafio, no entanto, é que a pilha necessária de elementos de lente necessários para fazer uma lente acromática é relativamente espessa, o que pode tornar uma lente acromática clássica inadequada para plataformas tecnológicas mais novas e reduzidas, como câmeras ultracompactas de comprimento de onda visível, microscópios portáteis e até mesmo dispositivos vestíveis.

Para formar uma lente muito mais fina, a equipe combinou uma lente refrativa com uma lente difrativa plana. Braun explica que a lente inferior é a lente difrativa que foca a luz vermelha, por exemplo, mais perto, e a lente superior é a lente refrativa que foca ainda mais o vermelho. Eles se cancelam e focam no mesmo ponto.

Para criar o sistema de imagem acromática híbrido compacto, os pesquisadores desenvolveram um processo de fabricação, denominado Índice de refração controlável de subsuperfície via exposição de feixe (SCRIBE), no qual estruturas poliméricas são impressas em 3D em um meio hospedeiro de silício poroso que suporta mecanicamente os componentes ópticos. Neste processo, o polímero líquido é inserido no silício poroso e um laser ultrarrápido é usado para converter o polímero líquido em polímero sólido. Com este método, eles conseguiram integrar os elementos difrativos e refrativos da lente sem a necessidade de suportes externos, ao mesmo tempo que minimizaram o volume, aumentando a facilidade de fabricação e proporcionando focagem acromática de alta eficiência.

“Se você imprimir lentes no ar e quiser empilhar duas juntas, precisará imprimir a primeira lente e depois construir uma estrutura de suporte em torno dela”, explica Richards. "Então você precisaria imprimir a segunda lente dentro dessa estrutura de suporte. Mas no silício poroso, você pode simplesmente suspender as duas lentes uma sobre a outra. A integração é muito mais perfeita nesse sentido."

Usando esta abordagem, imagens de áreas maiores podem ser reconstruídas a partir de um conjunto de microlentes acromáticas híbridas. A matriz pode capturar informações de campo de luz, o que é um desafio significativo para microlentes de polímero convencionais, que geralmente não são acromáticas, e abrirá caminho para aplicações como câmeras de campo de luz e monitores de campo de luz.

Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pela Faculdade de Engenharia Grainger da Universidade de Illinois