Wykorzystując druk 3D i porowaty krzem, naukowcy z Uniwersytetu Illinois Urbana-Champaign opracowali achromaty o kompaktowej, widzialnej długości fali, które są niezbędne w zminiaturyzowanej, lekkiej optyce. Te wysokowydajne hybrydowe mikrooptyki osiągają wysoką skuteczność ogniskowania, jednocześnie zmniejszając rozmiar i grubość. Co więcej, te mikrosoczewki można wbudowywać w matryce, tworząc obrazy o większym obszarze dla kamer i wyświetlaczy z kolorowym polem świetlnym.
Badanie to przeprowadzili profesorowie nauk o materiałach i inżynierii Paula Browna I Davida Cahillaprofesor inżynierii elektrycznej i komputerowej Linforda Goddarda i były student Corey Richards. the wyniki Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Nature Communications.
„Dzięki niekonwencjonalnym metodom produkcji opracowaliśmy sposób tworzenia struktur wykazujących funkcjonalność klasycznej optyki złożonej, ale w bardzo zminiaturyzowanej formie” – mówi Brown.
W wielu zastosowaniach obrazowania istnieje wiele długości fali światła, na przykład światło białe. Jeśli do skupienia tego światła używana jest pojedyncza soczewka, różne długości fal skupiają się w różnych punktach, co skutkuje rozmyciem obrazu. Aby rozwiązać ten problem, wiele soczewek łączy się w jedną soczewkę achromatyczną. „W przypadku fotografii przy świetle białym, jeśli używasz jednego obiektywu, występuje duże rozproszenie, więc każdy kolor składowy jest skupiany w innym miejscu. W przypadku obiektywów achromatycznych wszystkie kolory skupiają się w tym samym punkcie” – mówi Brown.
Wyzwanie polega jednak na tym, że zestaw elementów potrzebnych do wytworzenia soczewki achromatycznej jest stosunkowo gruby, co może sprawić, że klasyczna soczewka achromatyczna będzie nieodpowiednia dla nowszych, zminiaturyzowanych platform technologicznych, takich jak ultrakompaktowe kamery o długości fali widzialnej, przenośne mikroskopy, a nawet urządzenia do noszenia.
Aby stworzyć znacznie cieńszą soczewkę, zespół połączył soczewkę refrakcyjną z płaską soczewką refrakcyjną. Brown wyjaśnia, że dolna soczewka to soczewka refrakcyjna, która na przykład mocniej skupia światło czerwone, a soczewka górna to soczewka refrakcyjna, która mocniej skupia światło czerwone. Anulują się nawzajem i skupiają na tym samym miejscu.
Aby stworzyć kompaktowy hybrydowy system obrazowania kolorowego, naukowcy opracowali proces produkcyjny zwany podpowierzchniowym kontrolowanym współczynnikiem załamania światła poprzez ekspozycję wiązką (SCRIBE), w którym struktury polimerowe są drukowane w 3D w porowatym krzemowym ośrodku macierzystym, który mechanicznie podtrzymuje elementy optyczne. W tym procesie ciekły polimer jest wypełniany porowatym silikonem, a ultraszybki laser przekształca ciekły polimer w stały polimer. Stosując tę metodę, udało się połączyć elementy refrakcyjne i optyczne soczewki bez konieczności stosowania zewnętrznego wsparcia, a jednocześnie zmniejszyć rozmiar, zwiększyć łatwość produkcji i zapewnić wysoce wydajne skupianie kolorów.
„Jeśli drukujesz soczewki w powietrzu i chcesz połączyć dwie soczewki, musisz wydrukować pierwszą soczewkę, a następnie zbudować wokół niej konstrukcję wsporczą” – wyjaśnia Richards. „Wtedy musiałbyś wydrukować drugą soczewkę wewnątrz tej konstrukcji nośnej. Ale w przypadku porowatego silikonu możesz po prostu zawiesić dwie soczewki jedna na drugiej. Integracja jest w tym sensie znacznie płynniejsza. „
Stosując to podejście, można zrekonstruować obrazy o większym obszarze z szeregu mikrosoczewek hybrydowych. Matryca może przechwytywać informacje o polu świetlnym, co stanowi główne wyzwanie dla konwencjonalnych mikrosoczewek polimerowych, które są zazwyczaj bezbarwne, i utoruje drogę do zastosowań takich jak kamery i wyświetlacze pola świetlnego.
*
Paul Brown jest dyrektorem Laboratorium Badań Materiałowych, a także członkiem Instytutu Zaawansowanej Nauki i Technologii Beckmana oraz Wydziału Nauk i Inżynierii Mechanicznej na UIUC.
David Cahill jest także członkiem Laboratorium Badań Materiałowych oraz Wydziału Nauk i Inżynierii Mechanicznej na UIUC.
Linford Goddard jest filią Beckman Institute for Advanced Science and Technology oraz Holonyak Micro and Nanotechnology Laboratory na UIUC.
Inni współautorzy tej pracy to Christian Osser (Wydział Nauki i Inżynierii Materiałowej, Laboratorium Badań Materiałowych i Instytut Zaawansowanej Nauki i Technologii Beckman na UIUC) oraz Daji Shih (Wydział Nauki i Inżynierii Materiałowej, Laboratorium Badań Materiałowych, Instytut Inżynierii Beckman) . Advanced Science and Technology na UIUC), Haibo Zhao (Wydział Nauki i Inżynierii Materiałowej, Laboratorium Badań Materiałowych i Beckman Institute for Advanced Science and Technology na UIUC), Taylor Robertson (Ansys Inc, Vancouver, Kolumbia Brytyjska, Kanada) i Rasmus E. Christiansen (Wydział Inżynierii Lądowej i Mechanicznej, Duński Uniwersytet Techniczny, Kungens Lyngby, Dania).
Badania te zostały sfinansowane przez Inicjatywę Badań Strategicznych Uniwersytetu Illinois Urbana-Champaign-Grainger College of Engineering, National Science Foundation i Energy Frontier Research Center przy wsparciu Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, Biura Naukowego, Biura ds. Podstawowych Nauki o energii oraz program stypendialny dla absolwentów nauk i inżynierii obrony narodowej za pośrednictwem Departamentu Obrony USA.
Zastrzeżenie: AAAS i EurekAlert! Nie ponosimy odpowiedzialności za dokładność biuletynów publikowanych w EurekAlert! Za pośrednictwem instytucji wnoszących wkład lub do wykorzystania jakichkolwiek informacji za pośrednictwem systemu EurekAlert.
„Analityk. Nieuleczalny nerd z bekonu. Przedsiębiorca. Oddany pisarz. Wielokrotnie nagradzany alkoholowy ninja. Subtelnie czarujący czytelnik.”
