斯圖加特大學(xué)研發(fā)出首臺(tái)具有直接空間光譜響應(yīng)的3D打印微型光譜儀

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

來(lái)自德國(guó)斯圖加特大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)報(bào)道了對(duì)角度不敏感的3D打印微型光譜儀，并且可以進(jìn)行平行排列以實(shí)現(xiàn)快速的拍照和低姿態(tài),，高度可定制的高光譜相機(jī)的應(yīng)用。該研究成果2021年2月4日發(fā)表在Light: Advanced Manufacturing上,。

小型化的光譜儀測(cè)量裝置為打開關(guān)鍵尺寸領(lǐng)域中的應(yīng)用的信息信息提供了通道,，諸如內(nèi)窺鏡檢查或消費(fèi)電子產(chǎn)品等行業(yè)中的應(yīng)用。來(lái)自德國(guó)斯圖加特大學(xué)的Andrea Toulouse等人及其合作者報(bào)道了一個(gè)角度不敏感的3D打印的微型光譜儀,該光譜儀是基于經(jīng)典的光柵光譜儀設(shè)計(jì)來(lái)完成的.該光譜儀的制造通過一個(gè)雙光子直接激光直寫,。結(jié)合一個(gè)超級(jí)精細(xì)的墨水打印過程來(lái)實(shí)現(xiàn)的,。該光譜儀的體積為 100 × 100 × 300 m。該團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果展示,在可見光范圍內(nèi) 490 nm到 690 nm的波長(zhǎng)區(qū)間,，該光譜儀的光譜分辨率可以達(dá)到10 nm,。直接打印的相機(jī)中所使用的這一光譜儀是可行的，并且這一系統(tǒng)的陣列可以用作快照高光譜相機(jī)中的宏觀像素,。

3D打印的微型光譜儀：ａ：光譜儀的波-光模擬,；ｂ制造的光譜儀的微觀照片，該光譜儀疊加自ａ的強(qiáng)度分布,；ｃ光譜儀的陣列　

光譜測(cè)量?jī)x的小型化為醫(yī)療科學(xué)和消費(fèi)類電子的新型的測(cè)量打開了一個(gè)新的渠道,。來(lái)自德國(guó)斯圖加特大學(xué)的科學(xué)家及其合作者，發(fā)展了一個(gè)３D打印的微型化的光譜儀,，其體積尺寸為 100 × 100 × 300 m,，在可見光的范圍內(nèi)，其分辨率可以達(dá)到最高10 nm,。該光譜儀可以直接在相機(jī)的傳感器上進(jìn)行制造,，并且可以進(jìn)行平行排列以實(shí)現(xiàn)快速的拍照和低姿態(tài)，高度可定制的高光譜相機(jī)的應(yīng)用.

▲圖解：

狹縫制作與測(cè)量：a 超級(jí)精細(xì)的墨水打印原理,，制造的光譜儀體積為100 × 100 × 300 m3, 狹縫制造的微型光譜儀的陣列,；b 狹縫在530nm的波長(zhǎng)光的照射下的投射照片，姿態(tài)的位置顯示為紅色的虛線,；c 在波長(zhǎng)為490nm到690nm,，步長(zhǎng)為10nm的時(shí)候得到的狹縫的圖像和標(biāo)準(zhǔn)化剖面的平均值,。

飛秒激光直寫技術(shù)作為一種3D打印技術(shù)，已經(jīng)成為近年來(lái)制造微型器件的有力的工具．自２０００年以來(lái),，該技術(shù)開始轉(zhuǎn)移到制造復(fù)雜的微光學(xué)器件上,。醫(yī)療工程和消費(fèi)電子行業(yè)得益于該類技術(shù)的發(fā)展.，如今該技術(shù)幾乎可以用來(lái)制造堅(jiān)固,，整體式的和幾乎完全自由對(duì)齊形式的光學(xué)系統(tǒng),，可以在幾乎任意基材上進(jìn)行制造，如圖像的傳感器或光纖,。

與此同時(shí),，光譜儀測(cè)量裝置的小型化得益于量子點(diǎn)和納米線技術(shù)的發(fā)展而得到快速發(fā)展�,；�于��(jì)算技術(shù),，,校準(zhǔn)敏感和需要復(fù)雜重構(gòu)的算法的缺點(diǎn)等問題得到了解決。

在近期發(fā)表的期刊< Light: Advanced Manufacturing>上,，在來(lái)自應(yīng)用光學(xué)的Alois Herkommer教授,，,斯圖加特大學(xué)第四研究所的Giessen教授的領(lǐng)導(dǎo)下，為大家展示了一個(gè)對(duì)角度不敏感的3D打印的微型化的光譜儀,，具有一個(gè)直接分離的空間光譜響應(yīng)的特點(diǎn),。該3D打印的微型化的光譜儀的尺寸為100 × 100 × 300 m3 。

▲圖解：

ａ. 照射光的波長(zhǎng)為４９０ｎｍ到６９０ｎｍ,，步長(zhǎng)為１０ｎｍ的時(shí)候,，光譜儀在圖像的平面測(cè)量的歸一化強(qiáng)度分布. b, 自ａ中進(jìn)行強(qiáng)度輪廓的擬合的Sinc 值. c, 每一波長(zhǎng)的Sinc 值的中央位置, d自c中推演出來(lái)的每微米的波長(zhǎng)偏移. e, 線寬的模擬和分別采用紅色或綠色激光進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果. 測(cè)量的半（峰高）寬度通過一對(duì)箭頭來(lái)表示. d和e的測(cè)量組合產(chǎn)生的光譜分辨率在532nm的時(shí)候?yàn)?9.2 ± 1.1 nm , 在633nm的時(shí)候?yàn)?7.8 ± 1.7 nm

這一設(shè)計(jì)是基于經(jīng)典的光柵光譜儀，其制造是基于雙光子直接激光直寫,，組合超級(jí)精細(xì)的墨水打印來(lái)實(shí)現(xiàn)的,。其量身定制和其啁啾高頻光柵使得其具有強(qiáng)烈的色散行為。該微型光譜儀的特征數(shù)據(jù)為,，可以實(shí)現(xiàn)在波長(zhǎng)為可見光的波長(zhǎng)自490nm到690nm的范圍內(nèi)測(cè)量,。其測(cè)量的分辨率為，在532nm的時(shí)候?yàn)?.2 ± 1.1 nm,， 在633nm的時(shí)候?yàn)?7.8 nm ± 1.7 nm ,。

▲圖解：在532 nm處產(chǎn)生9.2±1.1 nm的光譜分辨率，在633 nm波長(zhǎng)處產(chǎn)生17.8±1.7 nm的光譜分辨率,。

該論文的通訊作者 Andrea Toulouse認(rèn)為：目前打印的微型光譜儀的體積尺寸為 100 × 100 × 300 m ,。我們探索了一個(gè)全新的直接光譜儀的尺寸范圍。跟目前一樣小的光譜儀只能通過計(jì)算的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn),。相反,，我們將這一光譜直接轉(zhuǎn)換成空間編碼強(qiáng)度信號(hào)，這一信號(hào)可以通過商業(yè)化的單色圖像傳感器來(lái)讀取,。

▲圖解：插入的帶白色邊框線的圖片為制造的光譜儀（左圖）的顯微圖像及其它的光學(xué)設(shè)計(jì)原理（右圖）

對(duì)于3D 打印的微型鏡片,，光學(xué)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性是革新的重點(diǎn),。反射、衍射以及空間過濾元素等,，從來(lái)都沒有可以在這一如此小的體積中來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜和巨大而單一的測(cè)量系統(tǒng),。

我們的光譜儀可以直接在微型的圖像傳感器上進(jìn)行制造，如在遠(yuǎn)端芯片內(nèi)窺鏡的頂端就可以實(shí)現(xiàn)制造,。通過這個(gè)辦法,，人體內(nèi)部的檢查就可以實(shí)現(xiàn)以前不可能觸及到的極端高的彎曲半徑內(nèi)進(jìn)行檢查。它同時(shí)可以作為高光譜成像技術(shù)的一個(gè)比較有意義的途徑,，來(lái)實(shí)現(xiàn)光譜成為一個(gè)單元，如宏觀的像素,。光譜能量的重新分布替代高損耗法布里-珀羅濾波的辦法將促使高度有效的高光譜成像傳感的應(yīng)用,。這一新發(fā)現(xiàn)將促使相機(jī)在光譜成像上大為獲益，如精細(xì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,。