斯圖加特大學研發(fā)出首臺具有直接空間光譜響應的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)中的應用。來自德國斯圖加特大學的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的科學家及其合作者，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)移到制造復雜的微光學器件上。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，在來自應用光學的Alois Herkommer教授，,斯圖加特大學第四研究所的Giessen教授的領(lǐng)導下，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設計原理（右圖）

對于3D 打印的微型鏡片，光學設計的復雜性是革新的重點。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。