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

來源：江蘇激光聯(lián)盟

來自德國斯圖加特大學(xué)科研團隊報道了對角度不敏感的3D打印微型光譜儀，并且可以進行平行排列以實現(xiàn)快速的拍照和低姿態(tài),，高度可定制的高光譜相機的應(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)窺鏡檢查或消費電子產(chǎn)品等行業(yè)中的應(yīng)用。來自德國斯圖加特大學(xué)的Andrea Toulouse等人及其合作者報道了一個角度不敏感的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)計來完成的.該光譜儀的制造通過一個雙光子直接激光直寫,。結(jié)合一個超級精細的墨水打印過程來實現(xiàn)的,。該光譜儀的體積為 100 × 100 × 300 m。該團隊的研究結(jié)果展示,在可見光范圍內(nèi) 490 nm到 690 nm的波長區(qū)間,，該光譜儀的光譜分辨率可以達到10 nm,。直接打印的相機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的強度分布；ｃ光譜儀的陣列　

光譜測量儀的小型化為醫(yī)療科學(xué)和消費類電子的新型的測量打開了一個新的渠道,。來自德國斯圖加特大學(xué)的科學(xué)家及其合作者,，發(fā)展了一個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),，其分辨率可以達到最高10 nm。該光譜儀可以直接在相機的傳感器上進行制造,，并且可以進行平行排列以實現(xiàn)快速的拍照和低姿態(tài),，高度可定制的高光譜相機的應(yīng)用.

▲圖解：

狹縫制作與測量：a 超級精細的墨水打印原理，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 在波長為490nm到690nm,，步長為10nm的時候得到的狹縫的圖像和標準化剖面的平均值,。

飛秒激光直寫技術(shù)作為一種3D打印技術(shù)，已經(jīng)成為近年來制造微型器件的有力的工具．自２０００年以來,，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)幾乎可以用來制造堅固,，整體式的和幾乎完全自由對齊形式的光學(xué)系統(tǒng),，可以在幾乎任意基材上進行制造，如圖像的傳感器或光纖,。

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

在近期發(fā)表的期刊< Light: Advanced Manufacturing>上,，在來自應(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，為大家展示了一個對角度不敏感的3D打印的微型化的光譜儀,，具有一個直接分離的空間光譜響應(yīng)的特點,。該3D打印的微型化的光譜儀的尺寸為100 × 100 × 300 m3 。

▲圖解：

ａ. 照射光的波長為４９０ｎｍ到６９０ｎｍ,，步長為１０ｎｍ的時候,，光譜儀在圖像的平面測量的歸一化強度分布. b, 自ａ中進行強度輪廓的擬合的Sinc 值. c, 每一波長的Sinc 值的中央位置, d自c中推演出來的每微米的波長偏移. e, 線寬的模擬和分別采用紅色或綠色激光進行測量的結(jié)果. 測量的半（峰高）寬度通過一對箭頭來表示. d和e的測量組合產(chǎn)生的光譜分辨率在532nm的時候為 9.2 ± 1.1 nm , 在633nm的時候為17.8 ± 1.7 nm

這一設(shè)計是基于經(jīng)典的光柵光譜儀，其制造是基于雙光子直接激光直寫,，組合超級精細的墨水打印來實現(xiàn)的,。其量身定制和其啁啾高頻光柵使得其具有強烈的色散行為,。該微型光譜儀的特征數(shù)據(jù)為，可以實現(xiàn)在波長為可見光的波長自490nm到690nm的范圍內(nèi)測量,。其測量的分辨率為,，在532nm的時候為9.2 ± 1.1 nm， 在633nm的時候為17.8 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算的辦法來實現(xiàn)。相反,，我們將這一光譜直接轉(zhuǎn)換成空間編碼強度信號,，這一信號可以通過商業(yè)化的單色圖像傳感器來讀取。

▲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)計原理（右圖）

對于3D 打印的微型鏡片,，光學(xué)設(shè)計的復(fù)雜性是革新的重點,。反射、衍射以及空間過濾元素等,，從來都沒有可以在這一如此小的體積中來實現(xiàn)復(fù)雜和巨大而單一的測量系統(tǒng),。

我們的光譜儀可以直接在微型的圖像傳感器上進行制造，如在遠端芯片內(nèi)窺鏡的頂端就可以實現(xiàn)制造,。通過這個辦法,，人體內(nèi)部的檢查就可以實現(xiàn)以前不可能觸及到的極端高的彎曲半徑內(nèi)進行檢查。它同時可以作為高光譜成像技術(shù)的一個比較有意義的途徑,，來實現(xiàn)光譜成為一個單元,，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)將促使相機在光譜成像上大為獲益,，如精細農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。