Un piccolo spettrometro da montare direttamente sulle fotocamere degli smartphone

SCIENZIATI DI STOCCARDA STAMPANO IN 3D UNO SPETTROMETRO ESPERTO DI SMARTPHONE IN MINIATURA

I ricercatori dell’Università di Stoccarda hanno stampato in 3D un piccolo spettrometro montabile direttamente sulle fotocamere degli smartphone, fornendo loro capacità di imaging iperspettrale.

Combinando la fotopolimerizzazione a due fotoni (2PP) e un processo a getto d’inchiostro superfine, il team è stato in grado di creare un minuscolo dispositivo di misurazione, con un volume di appena 100 x 100 x 300 μm 3 . Il nuovo strumento presenta un reticolo ad alta frequenza personalizzabile e forti qualità di dispersione, che lo rendono potenzialmente ideale per l’imaging all’interno di procedure mediche di dimensioni critiche o come componente aggiuntivo per dispositivi elettronici di consumo.

La stampa 3D 2PP ha fatto passi da gigante dall’inizio degli anni 2000, passando dalla creazione di microlenti di base a guide d’onda complesse, collimatori e dispositivi ottici diffrattivi. La tecnologia ora fornisce agli scienziati un metodo di produzione precisa su scala millimetrica e ha portato a una gara sperimentale tra di loro, per creare prodotti miniaturizzati con funzionalità uniche.

In passato, sono stati sviluppati e commercializzati diversi mini-spettrometri stampati in 3D, molti dei quali dotati della stessa tecnologia di “imaging diretto”. Essenzialmente questi minuscoli strumenti creano una risposta spazio-spettrale ridistribuendo la luce in entrata, che può quindi essere misurata da un sensore di immagini e convertita in una lettura.

Tuttavia, sebbene la tecnologia stessa sia ben consolidata, gli scienziati di Stoccarda hanno ora cercato di diventare ancora più piccoli, producendo un dispositivo che è due volte più piccolo e tre volte più preciso dei suoi concorrenti. I vantaggi di un tale dispositivo potrebbero rivelarsi significativi, consentendo di montarlo sugli smartphone di tutti i giorni e di utilizzarlo per qualsiasi cosa, dalla diagnosi di malattie della pelle al rilevamento di banconote contraffatte.

I ricercatori hanno inizialmente progettato il loro spettrometro in due parti separate: un collettore di luce e un imager a dispersione, prima di trasferirlo a SolidWorks , e aggiungendo supporti per lenti e una bacinella per l’inchiostro sulla sua superficie. Una volta che il team ha completamente ottimizzato il design, ha implementato una stampante 3D Nanoscribe GT2 per fabbricare il loro primo prototipo.

Per fornire al dispositivo risultante le capacità di rilevamento necessarie, gli scienziati hanno quindi utilizzato una stampante a getto d’inchiostro SIJ-S030, per riempire il suo serbatoio d’inchiostro e dargli un “piano dell’immagine a fessura” disperso. Durante le simulazioni di ray tracing, in cui un raggio di luce è stato proiettato attraverso l’apertura dello spettrometro, la sua fessura si è dimostrata in grado di fungere da lente di imaging, separando le lunghezze d’onda e trasmettendole a un sensore vicino.

Utilizzando la stampa 3D per creare simultaneamente l’attacco e l’obiettivo, si è scoperto che fornisce loro un allineamento quasi perfetto e ha permesso al dispositivo di funzionare nell’intervallo da 490 nm a 690 nm. Il micro-strumento presentava anche una risoluzione spettrale di 17,8 ± 1,7 nm a 633 nm, ma il team ritiene che utilizzando un algoritmo di ricostruzione iterativo, questo potrebbe essere ulteriormente perfezionato per consentire nuove applicazioni per l’uso finale.

Ad esempio, gli scienziati hanno concluso che il loro spettrometro è in grado di essere “integrato in modo quasi non invasivo in uno smartphone”, trasformandolo in una fotocamera iperspettrale. Dato che aziende come Huawei hanno integrato sensori monocromatici nei loro dispositivi recenti, i ricercatori hanno ipotizzato che la loro creazione microscopica abbia un significativo potenziale di mercato di massa.

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