Wykorzystując druk 3D i porowaty krzem, naukowcy z Uniwersytetu Illinois Urbana-Champaign opracowali kompaktowe achromaty o długości fali widzialnej, które są niezbędne w zminiaturyzowanej i lekkiej optyce. Te wysokowydajne hybrydowe mikrooptyki osiągają wysoką skuteczność ogniskowania, minimalizując jednocześnie objętość i grubość. Co więcej, te mikrosoczewki można konstruować w układy, aby tworzyć obrazy o większym obszarze dla achromatycznych obrazów i wyświetlaczy pola świetlnego.

Badanie to prowadzili profesorowie nauk o materiałach i inżynierii Paul Braun i David Cahill, profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej Lynford Goddard oraz były student Corey Richards. Wyniki tych badań opublikowano w Komunikacja przyrodnicza.

„Opracowaliśmy sposób tworzenia struktur wykazujących funkcjonalność klasycznej optyki złożonej, ale w wysoce zminiaturyzowanej cienkiej obudowie, dzięki nietradycyjnym metodom produkcji” – mówi Braun.

W wielu zastosowaniach obrazowania występuje wiele długości fali światła, np. światło białe. Jeśli do skupienia tego światła używana jest pojedyncza soczewka, różne długości fal skupiają się w różnych punktach, co skutkuje rozmyciem kolorów obrazu. Aby rozwiązać ten problem, wiele soczewek łączy się ze sobą, tworząc soczewkę achromatyczną. „W przypadku obrazowania w świetle białym, jeśli używasz pojedynczej soczewki, uzyskujesz znaczną dyspersję, dlatego każdy kolor składowy jest skupiany w innym miejscu. Jednak w przypadku soczewki achromatycznej wszystkie kolory skupiają się w tym samym punkcie” – mówi Braun.

Wyzwanie polega jednak na tym, że wymagany stos elementów obiektywu potrzebny do wytworzenia soczewki achromatycznej jest stosunkowo gruby, co może sprawić, że klasyczna soczewka achromatyczna będzie nieodpowiednia dla nowszych, mniejszych 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 dyfrakcyjną. Braun wyjaśnia, że ​​dolna soczewka to soczewka dyfrakcyjna, która skupia na przykład bliżej czerwone światło, a górna soczewka to soczewka refrakcyjna, która bardziej skupia czerwień. Anulują się nawzajem i skupiają na tym samym miejscu.

Aby stworzyć kompaktowy hybrydowy system obrazowania achromatycznego, naukowcy opracowali proces produkcyjny nazwany Subsurface Controllable Refractive Index via Beam Exposure (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 krzemem, a ultraszybki laser przekształca ciekły polimer w stały polimer. Dzięki tej metodzie udało się zintegrować elementy dyfrakcyjne i refrakcyjne soczewki bez konieczności stosowania zewnętrznych podpór, minimalizując jednocześnie objętość, zwiększając łatwość produkcji i zapewniając wysoką skuteczność ogniskowania achromatycznego.

„Jeśli drukujesz soczewki w powietrzu i chcesz ułożyć dwie razem, musisz wydrukować pierwszą soczewkę, a następnie zbudować wokół niej konstrukcję wsporczą” – wyjaśnia Richards. „Wtedy musiałbyś wydrukować drugą soczewkę w tej konstrukcji nośnej. Jednak w przypadku porowatego krzemu możesz po prostu zawiesić dwie soczewki jedna nad drugą. W tym sensie integracja jest znacznie płynniejsza”.

Stosując to podejście, można zrekonstruować obrazy o większym obszarze z szeregu hybrydowych mikrosoczewek achromatycznych. Matryca może przechwytywać informacje o polu świetlnym, co stanowi poważne wyzwanie dla konwencjonalnych mikrosoczewek polimerowych, które na ogół nie są achromatyczne, i utoruje drogę do zastosowań takich jak kamery i wyświetlacze pola świetlnego.