Mithilfe von 3D-Druck und porösem Silizium haben Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign kompakte Achromate mit sichtbarer Wellenlänge entwickelt, die für miniaturisierte und leichte Optiken unerlässlich sind. Diese leistungsstarken Hybrid-Mikrooptiken erzielen eine hohe Fokussierungseffizienz bei gleichzeitiger Minimierung von Volumen und Dicke. Darüber hinaus können diese Mikrolinsen in Arrays aufgebaut werden, um Bilder größerer Flächen für achromatische Lichtfeldbildgeber und Displays zu erzeugen.
Diese Studie wurde von den Materialwissenschafts- und Ingenieurprofessoren Paul Braun und David Cahill, dem Elektro- und Computertechnikprofessor Lynford Goddard und dem ehemaligen Doktoranden Corey Richards geleitet. Der Ergebnisse dieser Forschung wurden veröffentlicht in Naturkommunikation.
„Wir haben eine Möglichkeit entwickelt, Strukturen zu schaffen, die die Funktionalitäten klassischer Verbundoptiken aufweisen, jedoch in stark miniaturisierter, dünner Form, und zwar über nicht-traditionelle Herstellungsansätze“, sagt Braun.
In vielen Bildgebungsanwendungen sind mehrere Lichtwellenlängen vorhanden, z. B. weißes Licht. Wenn eine einzelne Linse zur Fokussierung dieses Lichts verwendet wird, bündeln sich unterschiedliche Wellenlängen an unterschiedlichen Punkten, was zu einem farbverschwommenen Bild führt. Um dieses Problem zu lösen, werden mehrere Linsen zu einer achromatischen Linse gestapelt. „Wenn man bei der Weißlicht-Bildgebung ein einzelnes Objektiv verwendet, hat man eine beträchtliche Streuung, sodass jede einzelne Farbe an einer anderen Position fokussiert wird. Bei einem achromatischen Objektiv hingegen werden alle Farben am selben Punkt fokussiert“, sagt Braun.
Die Herausforderung besteht jedoch darin, dass der zur Herstellung einer achromatischen Linse erforderliche Stapel von Linsenelementen relativ dick ist, was dazu führen kann, dass eine klassische achromatische Linse für neuere, verkleinerte Technologieplattformen wie ultrakompakte Kameras für sichtbare Wellenlängen, tragbare Mikroskope usw. ungeeignet ist tragbare Geräte.
Um eine viel dünnere Linse zu schaffen, kombinierte das Team eine refraktive Linse mit einer flachen diffraktiven Linse. Braun erklärt, dass die untere Linse die diffraktive Linse ist, die beispielsweise rotes Licht näher fokussiert, und die obere Linse die refraktive Linse ist, die rotes Licht weiter fokussiert. Sie heben sich gegenseitig auf und konzentrieren sich auf die gleiche Stelle.
Um das kompakte hybride achromatische Bildgebungssystem zu schaffen, entwickelten die Forscher einen Herstellungsprozess namens Subsurface Controllable Refractive Index via Beam Exposure (SCRIBE), bei dem Polymerstrukturen in einem porösen Silizium-Wirtsmedium, das die optischen Komponenten mechanisch trägt, in 3D gedruckt werden. Bei diesem Verfahren wird flüssiges Polymer in das poröse Silizium gefüllt und ein ultraschneller Laser verwendet, um das flüssige Polymer in festes Polymer umzuwandeln. Mit dieser Methode konnten sie die diffraktiven und refraktiven Elemente der Linse integrieren, ohne dass externe Stützen erforderlich waren. Gleichzeitig wurde das Volumen minimiert, die Herstellung vereinfacht und eine hocheffiziente achromatische Fokussierung ermöglicht.
„Wenn Sie Linsen in Luft drucken und zwei übereinander stapeln möchten, müssen Sie die erste Linse drucken und dann eine Stützstruktur um sie herum aufbauen“, erklärt Richards. „Dann müsste man die zweite Linse innerhalb dieser Stützstruktur drucken. Aber bei porösem Silizium kann man die beiden Linsen einfach übereinander hängen. Die Integration ist in diesem Sinne viel nahtloser.“
Mit diesem Ansatz können Bilder größerer Flächen aus einer Reihe hybrider achromatischer Mikrolinsen rekonstruiert werden. Das Array kann Lichtfeldinformationen erfassen, was eine große Herausforderung für herkömmliche Polymer-Mikrolinsen darstellt, die im Allgemeinen nicht achromatisch sind, und den Weg für Anwendungen wie Lichtfeldkameras und Lichtfelddisplays ebnen wird.