Met behulp van 3D-printen en poreus silicium hebben onderzoekers van de Urbana-Champaign van de Universiteit van Illinois compacte achromaten met zichtbare golflengte ontwikkeld die essentieel zijn voor geminiaturiseerde en lichtgewicht optica. Deze hoogwaardige hybride micro-optica bereiken een hoge focusefficiëntie, terwijl het volume en de dikte worden geminimaliseerd. Bovendien kunnen deze microlenzen in arrays worden geconstrueerd om afbeeldingen met een groter oppervlak te vormen voor achromatische lichtveldimagers en displays.

Deze studie werd geleid door hoogleraren materiaalkunde en techniek Paul Braun en David Cahill, professor elektriciteit en computertechniek Lynford Goddard en voormalig afgestudeerde student Corey Richards. De resultaten van dit onderzoek zijn gepubliceerd in Nature Communications .

"We hebben een manier ontwikkeld om structuren te creëren die de functionaliteiten van klassieke samengestelde optica vertonen, maar dan in zeer geminiaturiseerde dunne vormen, via niet-traditionele fabricagebenaderingen", zegt Braun.

Bij veel beeldvormingstoepassingen zijn meerdere golflengten van licht aanwezig, bijvoorbeeld wit licht. Als een enkele lens wordt gebruikt om dit licht te focusseren, focussen verschillende golflengten op verschillende punten, wat resulteert in een wazig beeld. Om dit probleem op te lossen worden meerdere lenzen op elkaar gestapeld om een ​​achromatische lens te vormen. "Als je bij beeldvorming met wit licht een enkele lens gebruikt, heb je een aanzienlijke spreiding, waardoor elke kleur op een andere positie wordt scherpgesteld. Met een achromatische lens worden alle kleuren echter op hetzelfde punt scherpgesteld", zegt Braun.

De uitdaging is echter dat de vereiste stapel lenselementen die nodig zijn om een ​​achromatische lens te maken relatief dik is, wat een klassieke achromatische lens ongeschikt kan maken voor nieuwere, verkleinde technologische platforms, zoals ultracompacte camera's met zichtbare golflengte, draagbare microscopen en zelfs draagbare apparaten.

Om een ​​veel dunnere lens te vormen, combineerde het team een ​​refractieve lens met een platte diffractieve lens. Braun legt uit dat de onderste lens de diffractieve lens is die rood licht bijvoorbeeld dichterbij focust, en de bovenste lens de refractieve lens is die rood verder focust. Ze heffen elkaar op en concentreren zich op dezelfde plek.

Om het compacte hybride achromatische beeldvormingssysteem te creëren, ontwikkelden de onderzoekers een fabricageproces, genaamd Subsurface Controllable Refractive Index via Beam Exposure (SCRIBE), waarbij polymere structuren 3D-geprint worden in een poreus silicium-gastmedium dat de optische componenten mechanisch ondersteunt. Bij dit proces wordt vloeibaar polymeer in het poreuze silicium gevuld en wordt een ultrasnelle laser gebruikt om het vloeibare polymeer om te zetten in vast polymeer. Met deze methode konden ze de diffractieve en refractieve elementen van de lens integreren zonder de noodzaak van externe ondersteuning, terwijl ze ook het volume minimaliseerden, het fabricagegemak vergrootten en een zeer efficiënte achromatische scherpstelling mogelijk maakten.

"Als je lenzen in de lucht print en je wilt er twee op elkaar stapelen, moet je de eerste lens printen en er vervolgens een ondersteunende structuur omheen bouwen", legt Richards uit. "Dan zou je de tweede lens binnen die draagstructuur moeten printen. Maar in poreus silicium kun je de twee lenzen gewoon over elkaar heen hangen. De integratie is in die zin veel naadlooser."

Met behulp van deze aanpak kunnen afbeeldingen met een groter oppervlak worden gereconstrueerd uit een reeks hybride achromatische microlenzen. De array kan lichtveldinformatie vastleggen, wat een aanzienlijke uitdaging is voor conventionele polymeermicrolenzen, die over het algemeen niet achromatisch zijn, en de weg zal vrijmaken voor toepassingen zoals lichtveldcamera's en lichtvelddisplays.

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Grainger College of Engineering van de Universiteit van Illinois