El espectrómetro en miniatura ofrece nuevos endoscopios y cámaras

Febrero 10, 2021.

La caja insertada muestra una imagen de microscopio del espectrómetro fabricado (diagrama de la izquierda) y su principio de diseño óptico (diagrama de la derecha) con componentes ópticos impresos en 3D, junto a un componente convencional. Autores: Andrea Toulouse / Johannes Drozella / Simon Thiele / Harald Giessen / Alois Herkommer.

La Universidad de Stuttgart utiliza la impresión 3D para crear elementos refractivos, difractivos y filtrantes. En un proyecto en el Instituto de Óptica Aplicada (ITO - Institute of Applied Optics, por sus siglas en inglés) de la Universidad de Stuttgart se fabricó un espectrómetro en miniatura, con impresión 3D, mediante escritura láser de dos fotones y deposición por inyección de tinta.

Como se describe en Light: Advanced Manufacturing, el sistema óptico del dispositivo ensamblado mide 100 x 100 x 300 micrones y presenta un rango de longitud de onda de 200 nanómetros en la banda visible de 490 a 690 nanómetros.

"Para las microópticas impresas en 3D, la complejidad de este diseño óptico marca una innovación. Los elementos refractivos, difractivos y de filtrado espacial nunca se han combinado en un volumen tan pequeño para crear un sistema de medición complejo y monolítico". Comentó Andrea Toulouse de la Universidad de Stuttgart.

"Hasta ahora, un orden de magnitud tan pequeño sólo podía realizarse mediante enfoques computacionales, por el contrario, traducimos el espectro directamente en una señal de intensidad codificada espacialmente que se puede leer con un sensor de imagen monocromático comercial", dijo Toulouse.

El diseño del espectrómetro se creó teniendo en cuenta los puntos fuertes de la eventual impresión 3D a partir de fotopolímero, como la alineación casi perfecta inherente de lentes y monturas gracias a su fabricación simultánea, y la capacidad de las superficies para estar muy inclinadas y asimétricas.

Se utilizó escritura láser directa de dos fotones utilizando una impresora 3D comercial y materiales fotorresistentes para crear los elementos ópticos transparentes, incluidas las lentes de colección y colimación, junto con superficies inclinadas para dirigir la trayectoria de la luz dentro del diseño vertical general del dispositivo. Los elementos no transparentes se fabricaron utilizando una tinta conductora aplicada mediante una impresora de inyección de tinta superfina. Este enfoque permite que las lentes, la rejilla, la ranura de entrada y las monturas se impriman en 3D en un solo paso, dijo el equipo de ITO.

Los ensayos encontraron que el espectrómetro en miniatura diseñado y construido de esta manera presentaba una resolución espectral de 9,2 ± 1,1 nanómetros para luz a 532 nanómetros de longitud de onda y 17,8 ± 1,7 nanómetros a una longitud de onda de 633 nanómetros.

El trabajo adicional en ITO abordará el nivel de ruido relativamente significativo del dispositivo prototipo, posiblemente a través de cambios en la capa de tinta conductora adyacente a la ranura de entrada, aunque se deberá considerar una compensación con las propiedades inherentes del material fotorresistente.

Sin embargo, el dispositivo de prueba de concepto ya apunta hacia aplicaciones novedosas, sobre todo debido al potencial de la impresión 3D de dos fotones para fabricar dispositivos directamente en sensores de imagen, y la compatibilidad de tamaño conveniente con las lentes de las cámaras de los teléfonos inteligentes actuales.

Un escenario podría ver un espectrómetro fabricado directamente en un sensor de imagen en miniatura como la punta de un endoscopio de chip distal. Otro puede implicar el uso del espectrómetro como una celda unitaria individual en imágenes hiperespectrales, aumentando potencialmente la eficiencia de los sensores de imágenes hiperespectrales en sectores clave como la agricultura y la ganadería.

"Con su volumen de menos de 100 por 100 por 300 micrones, podemos explorar un rango de tamaño completamente nuevo para espectrómetros directos", dijo Toulouse.

Fuente: https://optics.org/news/12/2/14