シュトゥットガルト大学、直接空間スペクトル応答を備えた初の3Dプリントマイクロ分光計を開発

出典: 江蘇レーザー連盟

ドイツのシュトゥットガルト大学の研究チームは、角度に敏感でなく、並列配置することで高速写真撮影と薄型で高度にカスタマイズ可能なハイパースペクトルカメラアプリケーションを実現できる3Dプリントマイクロ分光計について報告した。研究成果は2021年2月4日にLight: Advanced Manufacturing誌に掲載されました。

分光計測定装置の小型化により、内視鏡検査や民生用電子機器などの重要な寸法領域でのアプリケーションに関する情報への扉が開かれます。ドイツのシュトゥットガルト大学の Andrea Toulouse 氏らとその共同研究者は、従来の格子分光計の設計に基づいて、角度に依存しない 3D プリントされたマイクロ分光計を報告しました。この分光計は、2 光子直接レーザー書き込みによって製造されました。これは、超微細インク印刷プロセスを組み合わせることで実現されます。分光計の容積は100×100×300mです。チームの研究結果によると、分光計のスペクトル分解能は、可視光域の490nmから690nmの波長範囲で10nmに達する可能性があるという。カメラで使用される分光計を直接印刷することが可能であり、このシステムのアレイはスナップショットハイパースペクトルカメラのマクロピクセルとして使用できます。

3D プリントされたマイクロ分光計: a: 分光計の波動光シミュレーション、b: 重ね合わせた強度分布を持つ製造された分光計の顕微鏡写真、c: 分光計のアレイ。分光計の小型化により、医学や民生用電子機器における新しい測定の道が開かれます。ドイツのシュトゥットガルト大学の科学者とその協力者は、容積が100×100×300mで、可視光範囲で最大10nmの解像度を持つ3Dプリントの小型分光計を開発しました。分光計はカメラセンサー上に直接製造することができ、並列に配置することで高速画像取得と薄型で高度にカスタマイズ可能なハイパースペクトルカメラアプリケーションが可能になります。

▲ 図：スリットの製造と測定：a 超微細インク印刷原理、製造された分光計の容積は 100 × 100 × 300 m3、スリットによって製造されたマイクロ分光計の配列。b 530nm 波長光の照射下でのスリットの投影写真、姿勢の位置は赤い点線で示されています。c 波長が 490nm ～ 690nm、ステップサイズが 10nm のときに得られたスリットの画像と標準化されたプロファイルの平均値。
フェムト秒レーザー直接描画技術は、3D プリンティング技術として、近年マイクロデバイスの製造における強力なツールとなっています。 2000 年以降、この技術は複雑なマイクロ光学デバイスの製造に転用されました。この技術の開発により、医療工学および民生用電子機器業界は恩恵を受けており、この技術を使用して、イメージセンサーや光ファイバーなど、ほぼあらゆる基板上に、堅牢でモノリシック、かつほぼ完全に自由に配置可能な形態の光学システムを製造できるようになりました。

同時に、量子ドットやナノワイヤ技術の発展により、分光計測装置の小型化が急速に進んでいます。計算技術に基づいて、較正感度や複雑な再構成の必要性などのアルゴリズムの欠点に対処します。

ジャーナル「Light: Advanced Manufacturing」の最新号では、アロイス・ヘルコマー教授率いるシュトゥットガルト大学第4研究所のギーセン教授と応用光学研究所のアロイス・ヘルコマー教授が、直接分離された空間スペクトル応答を特徴とする角度に依存しない3Dプリントの小型分光計を発表しています。 3D プリントされた小型分光計の寸法は 100 × 100 × 300 m3 です。

▲ 図：a. 照射光の波長が 490nm ～ 690nm でステップサイズが 10nm の場合に分光計で画像平面で測定した正規化された強度分布。b、a の強度プロファイルに適合した Sinc 値。c、各波長の Sinc 値の中心位置、d、c から導出された 1 ミクロンあたりの波長シフト。e、それぞれ赤色または緑色レーザーを使用した線幅のシミュレーションと測定結果。測定された半値幅 (ピーク高さ) は、一対の矢印で示されています。測定値 d と e を組み合わせると、532nm で 9.2 ± 1.1 nm、633nm で 17.8 ± 1.7 nm のスペクトル分解能が得られます。
この設計は古典的な格子分光計に基づいており、その製造は超微細インク印刷と組み合わせた 2 光子直接レーザー書き込みに基づいています。カスタマイズされた設計とチャープ高周波グレーティングにより、強力な分散動作が実現します。マイクロ分光計の特徴的なデータは、490nmから690nmまでの可視光の波長範囲での測定を実現できることです。測定分解能は532 nmで9.2 ± 1.1 nm、633 nmで17.8 nm ± 1.7 nmです。

▲ 図：スペクトル分解能は532 nmで9.2±1.1 nm、633 nmで17.8±1.7 nmです。
論文の責任著者であるアンドレア・トゥールーズ氏は、現在印刷されているマイクロ分光計の体積サイズは 100 × 100 × 300 m であると考えています。直接分光計のまったく新しいサイズ範囲を探索します。現在利用可能なものと同じくらい小さな分光計は、計算手法によってのみ実現できます。代わりに、このスペクトルを、市販のモノクロ画像センサーで読み取ることができる空間的にエンコードされた強度信号に直接変換します。

▲イラスト：白枠線で囲まれた挿入図は、製作した分光計の顕微鏡写真（左）とその他の光学設計原理（右）です。
3D プリントされたマイクロレンズの場合、光学設計の複雑さがイノベーションの焦点となります。反射、回折、空間フィルタリング要素を、これほど複雑で大規模な単一の測定システム内のこれほど小さな容積で実現することはこれまで不可能でした。

当社の分光計は、遠位チップベースの内視鏡の先端などの小型画像センサー上に直接製造できます。このアプローチにより、これまでは到達不可能だった極めて高い曲げ半径での人体内部の検査が可能になります。また、マクロピクセルなどの単位としてスペクトルを実現することは、ハイパースペクトルイメージング技術に対するより有意義なアプローチとしても機能します。高損失のファブリ・ペローフィルタリングに代わるスペクトルエネルギーの再分配により、高効率のハイパースペクトルイメージングセンシングの応用が可能になります。この新たな発見は、精密農業などの分野でスペクトル画像化に使用できるカメラの開発につながる可能性がある。

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