Cosa sono le micro-ottiche?

Le micro-ottiche sono componenti ottici su scala microscopica la cui dimensione varia da 1 micrometro a 1 millimetro (lunghezza laterale o diametro, a seconda del sistema). Il campo è strettamente correlato alla fotonica, che riguarda la manipolazione, la trasmissione e il controllo della luce su piccole scale mediante sistemi miniaturizzati.

Oggi esistono molti tipi di sistemi micro-ottici, la maggior parte dei quali sono versioni più piccole di sistemi ottici ingombranti, realizzati utilizzando materiali ottici tradizionali, come vetro e polimeri. Tuttavia, alcuni sistemi micro-ottici sono impiegati in applicazioni a infrarossi che utilizzano anche materiali semiconduttori fabbricati tramite litografia.

Gli attuali sistemi micro-ottici utilizzano molti dei principi fondamentali e delle funzioni ottiche dei sistemi ottici di grandi dimensioni, ma su scale molto più piccole. Ciò comprende la rifrazione, la diffrazione e la riflessione di diverse lunghezze d'onda della luce. Le scale più ridotte della micro-ottica a volte causano aberrazioni ottiche, ma i vantaggi complessivi della miniaturizzazione del sistema rendono le micro-ottiche fondamentali per molte applicazioni tecnologiche avanzate.

Numerose tipologie di micro-ottica esistono, e molte di esse sono fabbricate in modo simile ai componenti ottici convenzionali, inclusi lenti, specchi, prismi, reticoli diffrattivi e diaframmi, ma su una scala molto più piccola. Di seguito sono riportati alcuni dei comuni componenti micro-ottici utilizzati oggi.

Microlenti

Le microlenti sono lenti molto piccole che hanno un diametro su scala di micrometri invece che di millimetri, centimetri o scale superiori. Una delle più grandi innovazioni nella tecnologia delle microlenti negli ultimi anni è rappresentata dalle lenti GRIN (gradiente di indice). Le lenti GRIN hanno superfici multiple (realizzabili con materiali differenti), tutte con indici di rifrazione diversi. Gli strati multipli rifrangono la luce utilizzando le variazioni dell'indice di rifrazione degli strati della lente, che rifrangono periodicamente la luce verso lo strato successivo. Le lenti GRIN hanno anche iniziato a integrare elementi ottici diffrattivi inserendo una griglia sulla superficie della microlente. Tuttavia, queste non sono lenti GRIN tradizionali e sono più simili a una metalente. L'altra principale classe di microlenti è la microlente Fresnel, che utilizza una serie di superfici curve concentriche per mettere a fuoco la luce tramite rifrazione.

Array di microlenti

Gli array di microlenti, noti anche come array di lenslet, sono una serie di piccole lenti (lenslet) prodotte e ordinate in un pattern specifico. Si tratta spesso di una griglia o di un pattern periodico, e sono organizzati in questi schemi specifici per eseguire funzioni diverse, come manipolare, mettere a fuoco o indirizzare la luce. Gli array di microlenti possono essere prodotti anche in array di microlenti rifrattive e in array di microlenti diffrattive in base alla funzione prevista e ai principi operativi.

Fibre ottiche

Le fibre ottiche sono note per trasmettere la luce nelle telecomunicazioni quotidiane. Le fibre ottiche con nucleo di diametro microscopico sono considerate sistemi di micro-ottica. Queste fibre con diametri estremamente ridotti sono raggruppate per trasmettere luce (contenente dati) su lunghe distanze in cavi in fibra ottica. Le fibre ottiche hanno un nucleo con indice di rifrazione più basso, un rivestimento con indice di rifrazione più alto e un rivestimento esterno protettivo. L'indice di rifrazione più elevato riflette la luce all'interno del nucleo, guidandola verso la destinazione prevista e garantendo che la fibra non subisca alcuna perdita durante la trasmissione. Questo principio di riflessione è chiamato riflessione totale interna (TIR). Sebbene questo principio venga utilizzato per trasportare la luce su lunghe distanze, la fuoriuscita controllata di luce dalle fibre ottiche viene impiegata anche per effetti di illuminazione ambientale in automobili, aerei, navi, locali notturni e altri ambienti.

Microprismi

I microprismi sono versioni in scala ridotta dei prismi ottici, realizzati in vetro massiccio e caratterizzati da una geometria specifica che consente di ruotare, deviare e disperdere la luce. Sebbene rappresentino versioni miniaturizzate dei prismi ottici convenzionali, i microprismi sono utilizzati principalmente per dirigere la luce e hanno trovato ampio impiego nelle comunicazioni in fibra ottica come commutatori ottici.

Microspecchi

I microspecchi sono versioni miniaturizzate degli specchi di grandi dimensioni e funzionano secondo gli stessi principi fondamentali della riflessione. Come gli specchi convenzionali, i microspecchi sono realizzati con un rivestimento riflettente, costituito da una struttura multistrato dielettrica o metallica, sulla superficie, per riflettere la luce su scale molto più ridotte. Spesso sono combinati con attuatori miniaturizzati che consentono di regolarne con precisione la posizione durante il funzionamento. I dispositivi MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) rappresentano un esempio di sistemi a microspecchi. Sebbene i MEMS possano contenere numerosi componenti, un'architettura MEMS comune è costituita da una serie di microspecchi, ciascuno dei quali può variare rapidamente angolazione, in modo simultaneo o indipendente.

Vantaggi della micro-ottica

Esistono molti tipi di micro-ottiche, ciascuno con vantaggi specifici per determinate applicazioni, ma il principale vantaggio complessivo è rappresentato dalle dimensioni ridotte. Inoltre, le dimensioni contenute comportano una serie di vantaggi secondari, tra cui la possibilità di realizzare dispositivi ottici più leggeri e meno ingombranti, soprattutto considerando che i sistemi ottici tradizionali a banda multipla sono spesso voluminosi. Ciò consente anche di sviluppare componenti ottici avanzati per la microelettronica e l'optoelettronica utilizzando meno materiale e a costi inferiori.

La scala ridotta delle micro-ottiche sta inoltre aprendo nuove possibilità applicative per queste lenti, come negli endoscopi chirurgici avanzati e nella chirurgia robotica, che possono permettere all'operatore di osservare attraverso diversi tipi di fluidi con differenti viscosità e livelli di trasparenza.

I componenti micro-ottici contribuiscono a migliorare le prestazioni e a ridurre le dimensioni dei dispositivi ottici esistenti, ad aprire nuove applicazioni per lenti e altri componenti ottici e a sostituire tecnologie esistenti con sistemi più avanzati. Di seguito sono riportati alcuni impieghi comuni.

Fotogrammetria

La fotogrammetria è un processo simile al rilevamento e misurazione della luce (lidar), ma utilizza telecamere anziché sensori laser. La fotogrammetria consente di ricostruire oggetti e ambienti a partire da fotografie. Le immagini vengono acquisite da più angolazioni tramite telecamere posizionate a terra o in aria, quindi elaborate e combinate mediante algoritmi software avanzati per creare mappe topografiche e modelli tridimensionali.

La fotogrammetria consente di effettuare rilievi su scale molto più ampie e può essere eseguita automaticamente mediante sistemi informatici. Può misurare milioni di punti nell'area circostante la telecamera e calcolare la distanza da ciascuno di essi. La fotogrammetria è più precisa del lidar e può rilevare passivamente tali distanze, mentre il lidar richiede l'emissione di impulsi e il calcolo del tempo di volo. Gli array di microlenti vengono utilizzati nelle applicazioni di fotogrammetria sotto forma di telecamere per "light field imaging" (LFI). Queste telecamere non devono essere spostate fisicamente, perché ogni lente, disposta a distanze specifiche dalle altre, possiede un proprio campo visivo per la misurazione dell'ambiente circostante.

Droni e veicoli autonomi

I droni e gli altri veicoli senza equipaggio sono relativamente pesanti e vi è una crescente esigenza di ridurre le dimensioni e il peso dei componenti. Sebbene i componenti ottici rappresentino solo una piccola parte del peso totale, consentono di ridimensionare i sistemi di acquisizione delle immagini e le tecnologie di monitoraggio man mano che i droni diventano più compatti. Oltre alla miniaturizzazione dei sistemi ottici convenzionali, i droni e altri veicoli autonomi possono essere integrati con sistemi di fotogrammetria.

I droni dotati di sistemi di fotogrammetria possono sorvolare un'area e rilevarla in meno di un'ora, rispetto ai metodi manuali che richiedono due o tre persone per diversi giorni per svolgere lo stesso lavoro. Poiché le telecamere possono disporre di più campi visivi senza dover essere spostate, potrebbero anche sostituire in futuro i sistemi lidar attualmente utilizzati nei veicoli autonomi.

Applicazioni biomediche

I dispositivi medici, in particolare quelli destinati a essere introdotti nel corpo, devono essere di piccole dimensioni. Le micro-ottiche contribuiscono alla miniaturizzazione degli elementi ottici in diversi dispositivi medici e strumenti chirurgici.

Uno dei principali ambiti applicativi è il miglioramento delle prestazioni e la riduzione delle dimensioni delle lenti negli endoscopi. Le micro-ottiche consentono oggi di integrare negli endoscopi funzionalità a lunghezze d'onda multiple, permettendo ai chirurghi di osservare attraverso diversi fluidi, tra cui sangue e acqua. In passato era troppo complesso integrare tutti i componenti ottici necessari per dotare gli endoscopi di queste funzionalità. Tuttavia, lo sviluppo di sistemi micro-ottici ha permesso di miniaturizzare i componenti ottici a un livello che ne rende possibile l'utilizzo in ambito chirurgico.

Nelle procedure chirurgiche, i sistemi robotici possono integrare laser a diverse lunghezze d'onda all'interno dello stesso sistema: alcuni risultano trasparenti al sangue ma opachi all'acqua, mentre altri presentano proprietà opposte. Ciò consente al chirurgo di intervenire selettivamente sui tessuti d'interesse evitando di danneggiare quelli circostanti.

Dispositivi per la manipolazione della luce

Le microlenti possono essere utilizzate per far collimare e focalizzare la luce proveniente da piccoli emettitori luminosi, come laser a cavità verticale con emissione superficiale (VCSEL), diodi laser e guide d'onda su chip a circuito fotonico integrato (PIC). Le micro-ottiche possono correggere la luce che si è discostata dalle sue caratteristiche ideali, migliorare la luminosità e accoppiare la luce proveniente da più fibre. Inoltre, possono essere utilizzate in divisori di fascio (beam splitter) e polarizzatori per suddividere i fasci laser nelle loro componenti polarizzate.

Le antenne ad array a fasi sono integrate in molte piattaforme e pacchetti e possono essere utilizzate per ottimizzare l'energia diretta in una direzione specifica. Sopra è riportata un'animazione del software HFSS di un beamsteering dinamico che mostra anche le correnti elettriche che l'antenna induce su altre parti del pacchetto host.

Le dimensioni ridotte delle micro-ottiche rendono complessa sia la progettazione sia la loro produzione. Dalla scelta del metodo di produzione fino alla dimensione dell'apertura, che può diventare un fattore limitante, sono numerosi gli aspetti che gli ingegneri devono considerare nella progettazione dei sistemi micro-ottici.

Produzione di micro-ottiche

Le dimensioni ridotte e la necessità di elevate prestazioni richiedono tecniche di produzione ad alta precisione. Se le micro-ottiche non vengono realizzate con elevata qualità, le prestazioni complessive del sistema ne risentono. Per questo motivo viene utilizzata una gamma di metodi di produzione avanzati, tra cui:

• Rifusione del fotoresist: Questa tecnica consiste nel depositare un fotoresist su una piccola area circolare o sferica. Il dispositivo viene riscaldato fino a una temperatura soglia alla quale il fotoresist fonde e si distribuisce sulla superficie del substrato. È spesso utilizzata per creare microlenti con bordi arrotondati su chip optoelettronici.
• Tecniche di replica: Si tratta di tecniche di produzione utilizzate per ottiche di dimensioni maggiori, ma applicabili anche alla produzione di micro-ottiche. Tra queste rientrano lo stampaggio a iniezione, la fusione con radiazione ultravioletta (UV) e lo stampaggio a caldo (hot embossing).
• Stampa a microcontatto: Si tratta di un processo di litografia morbida utilizzato per fabbricare superfici lisce e curve, otticamente trasparenti. Viene impiegato con materiali più morbidi ed è spesso utilizzato per creare strati di substrato più flessibili.
• Litografia basata su wafer: Questa tecnica convenzionale di litografia per semiconduttori viene utilizzata per realizzare micro-ottiche basate su semiconduttori per applicazioni a infrarossi.

Modellazione dell'interazione dei fluidi con le micro-ottiche

Per applicazioni chirurgiche come gli endoscopi, gli ingegneri devono mostrare come i fluidi corporei interagiscono con i componenti ottici e come la luce si propaga attraverso i diversi fluidi. Quindi è necessario modellare i fluidi, le ottiche e il percorso dei raggi attraverso l'intero sistema: il software di simulazione dei fluidi Ansys Fluent può essere utilizzato per modellare queste interazioni.

Problemi meccanici

Come le lenti normali, anche le microlenti devono essere montate. Il montaggio delle lenti può causare vibrazioni che influenzano le prestazioni ottiche. Inoltre, il montaggio delle lenti può indurre birifrangenza, che può a sua volta alterare le proprietà ottiche della microlente. Gli aspetti fisici che possono influenzare le micro-ottiche possono essere modellati utilizzando il software di analisi agli elementi finiti strutturali Ansys Mechanical.

Problemi termici

Le questioni termiche possono influenzare le micro-ottiche in modi diversi. Il calore può causare l'espansione e la contrazione dei componenti, provocando deformazioni strutturali del vetro e ondulazioni nella superficie. L'indice di rifrazione del vetro dipende dalla temperatura, e il vetro assorbirà livelli differenti di energia luminosa o laser al passaggio attraverso la lente, a seconda della sua temperatura. Pertanto, modellare gli effetti termici è importante per le ottiche ad alte prestazioni, e ciò può essere fatto utilizzando il software di modellazione termica Ansys Thermal Desktop e il software Mechanical.

Simulazione delle proprietà ottiche delle micro-ottiche

I sistemi ottici possono essere simulati a diverse scale utilizzando il software Ansys Lumerical, il software di progettazione e analisi di sistemi ottici Ansys Zemax OpticStudio e il software CAD integrato per simulazioni ottiche e di illuminazione Ansys Speos. Lumerical utilizza i metodi a tempo finito (FDTD) e risolutori per pozzi quantistici per simulare sistemi ottici su scale molto piccole, come la simulazione di metalenti, singoli strati di substrato e rivestimenti ottici. Il software OpticStudio rappresenta la scala successiva, modellando l'intero sistema micro-ottico come un sistema singolo. Il software Speos è il simulatore di scala più ampia e analizza in che modo i componenti micro-ottici si integrano nel sistema applicativo più ampio, ad esempio in un veicolo.

Sebbene siano disponibili molti strumenti diversi per simulare diversi aspetti delle micro-ottiche, la risoluzione dei problemi di progettazione che le riguardano richiede l'uso combinato di più strumenti, poiché nessun singolo strumento è in grado di simulare da solo tutti i diversi aspetti necessari.

Le micro-ottiche continueranno a svilupparsi e diverranno più piccole, più leggere e più avanzate. Le lenti GRIN sono state uno dei più grandi sviluppi finora, ma in futuro è probabile che vedremo l'ascesa delle metalenti e dell'ottica co-integrata. Le metalenti sono una combinazione di ottica diffrattiva e ottica tradizionale in una lente nanometrica molto sottile e piatta, mentre l'ottica co-integrata è un sistema avanzato che consente di integrare micro-ottica ed elementi elettronici sullo stesso chip. Si ritiene inoltre che il calcolo quantistico possa essere una delle prossime grandi applicazioni a sfruttare la micro-ottica.

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