Новая технология упростит получение широкополосных изображений

Спектрометры сегодня применяются не только в аналитической химии и астрономии. На преломлении света основана работа сотен промышленных и бытовых приборов от носимых медицинских мониторов до тестеров качества воды. Но фильтры из стекла дороги и сложны в изготовлении. Ученые предложили заменить стекло умным пластиком.

Дмитрий ПавловАвтор Hi-Tech Mail

Международная исследовательская группа, включающая инженеров из Кембриджского и Чжэцзянского университетов, разработала прорывную технологию миниатюрных спектрометров, которая может значительно расширить доступность и функциональность спектральных изображений в повседневных устройствах.

В исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, описывается новая недорогая спектрометрическая платформа, построенная из программируемых пластиковых материалов, а не из традиционного стекла. Эти инновационные устройства работают во всем видимом и коротковолновом инфракрасном диапазоне (SWIR) от 400 до 1600 нм, что открывает широкие возможности для применения.

Традиционно спектрометры — инструменты, которые анализируют состав света для определения физико-химических свойств материалов или условий окружающей среды. Они всегда были громоздкими, дорогими и сложными в массовом производстве. Большинство из них также ограничено узкими спектральными диапазонами, либо применяют множество специализированных компонентов для охвата более широкого диапазона.

Новый подход позволяет избежать этих проблем с помощью легкой, масштабируемой альтернативы, которая использует последние достижения в области науки о полимерах и вычислительной оптики.

Пластиковая революция в оптике

Команда была вдохновлена стремительным совершенствованием камер для смартфонов, которые теперь в значительной степени содержат пластиковые оптические компоненты для достижения высокой производительности в ультракомпактных форматах. Применив тот же принцип к конструкции спектрометра, ученые взяли прозрачные эпоксидные смолы с памятью формы (shape memory epoxies, SMP) для создания дисперсионных оптических элементов, которые раскладывают свет на его спектральные составляющие.

Что делает этот подход по-настоящему инновационным, так это использование внутренних напряжений для настройки оптических свойств пластика. Как правило, при изготовлении пластиковых изделий возникают неконтролируемые и нестабильные напряжения. Однако SMP можно механически растягивать при повышенных температурах, чтобы запрограммировать точное и стабильное распределение напряжений в материале. Эти напряжения создают двойное лучепреломление — оптический эффект, при котором свет разделяется в соответствии с длиной волны.

Формируя внутреннее напряжение в полимере, можно создавать спектральные характеристики с высокой повторяемостью и настраиваемостью, чего невероятно трудно достичь с помощью обычной оптики. Полученные пленки действуют как спектральные фильтры, кодируя информацию, которая может быть считана стандартными датчиками изображения. С помощью вычислительных алгоритмов восстановления спектра эти плоские компоненты превращаются в высокопроизводительные компактные спектрометры.

От лабораторных приборов до бытовой техники

Одним из главных достижений авторов работы является демонстрация того, что эти термоинженерные пленки могут быть изготовлены за один этап, без необходимости литографии или дорогостоящего нанотехнологического производства. Это делает устройства идеальными для массового производства и интеграции в потребительскую электронику, такую как мобильные телефоны, фитнес-браслеты, переносные медицинские мониторы и даже тестеры качества пищевых продуктов.

Мы показали, что с помощью программируемых пластмасс можно охватить гораздо более широкий спектр областей применения, чем в обычных миниатюрных системах, — прямо в SWIR. Это действительно важно для таких применений, как мониторинг сельского хозяйства, разведка полезных ископаемых и медицинская диагностика.Цзуньин Ян профессор Чжэцзянского университета, ведущий автор исследования.

Созданные спектрометры отличаются компактностью, и команда успешно интегрировала их в систему спектральной визуализации с линейным сканированием, что свидетельствует об их пригодности для получения гиперспектральных изображений в портативном режиме. Иначе говоря, сканирование не требует лабораторных условий и применимо практически в любом месте.

Линейно изменяя напряжение по всей длине пленки, команда смогла создать градиентные фильтры, способные сканировать объекты по одному фрагменту за раз, собирая при этом обширные спектральные данные.

Платформа будущего

Разработка представляет собой нечто большее, чем технический прорыв; она закладывает основу для нового класса ультрапортативных широкополосных сенсорных устройств, которые могут преобразить промышленный и потребительский рынки. Исследователи указывают на несколько возможных применений в режиме реального времени:

• Обнаружение загрязняющих веществ в воде или воздухе;
• Проверка подлинности лекарств;
• Неинвазивный мониторинг уровня сахара в крови;
• Сортировка материалов по степени пригодности для вторичной переработки.

Устраняя традиционные компромиссы между размером, стоимостью и спектральным диапазоном, платформа может демократизировать доступ к высококачественным спектральным данным. Это также согласуется с более широкими исследовательскими усилиями инженерного факультета Кембриджа в области вычислительной фотоники и устойчивых сенсорных технологий, направленными на то, чтобы объединить интеллектуальные возможности и функциональность в более компактных и доступных форматах.

Эта работа показывает, как принципы механического проектирования могут быть использованы для изменения функциональности фотоники. Внедряя напряжение в прозрачные полимеры, мы создали новый класс дисперсионной оптики, которая не только легка и масштабируема, но и адаптируется к широкому спектральному диапазону. Такого уровня гибкости очень трудно достичь с помощью традиционной оптики, основанной на статичных, литографически определенных структурах.Тофик Хасан профессор инженерного факультета Кембриджа, соавтор исследования.

Ранее мы сообщили об уникальном диагностическом зонде, который при встрече с раковыми клетками излучает желтый свет.
 

Поделиться