MEMS mirror refocuses and steers lasers in 3D / Lo specchio MEMS rifocalizza e orienta i laser in 3D

MEMS mirror refocuses and steers lasers in 3D. Il procedimento del brevetto ENEA RM2012A000637 è molto utile in questotipo di applicazione. / Lo specchio MEMS rifocalizza ed orienta i laser in 3D. The process associated with ENEA patent RM2012A000637 is very useful for this type of application.

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

This MEMS micromirror, shown mounted and connected for testing, can steer a laser beam in two directions while also changing the mirror’s shape to refocus light at different depths. The device could help enable smaller, faster optical systems for applications including brain imaging, augmented reality and precision manufacturing /  Questo micromirror MEMS, mostrato montato e collegato per i test, è in grado di orientare un raggio laser in due direzioni e di modificare la forma dello specchio per rifocalizzare la luce a diverse profondità. Il dispositivo potrebbe contribuire alla realizzazione di sistemi ottici più piccoli e veloci per applicazioni quali la neuroimmagine, la realtà aumentata e la produzione di precisione 

Penn State researchers have developed a millimetre-scale mirror that can steer and refocus a laser beam in three dimensions using a single optical device.

The MEMS-based system combines two functions that are normally performed by separate components: directing a laser beam and changing the depth at which it is focused.

The work, published in Microsystems & Nanoengineering, uses a micro-electromechanical system (MEMS) micromirror made with aluminium nitride, a piezoelectric material. Applying voltage to thin aluminium nitride layers causes them to flex, producing movement in the mirror.

“Being able to quickly control light in three dimensions with a single device offers a significant improvement in the overall size and weight of an optical system,” said first author Hunter Shillingburg, doctoral student in electrical engineering.

The mirror can tilt in two directions, allowing it to scan a beam across an area and a separate mechanism changes the curvature of its reflective surface, moving the focal point forwards or backwards.

“A MEMS micromirror is simply a mirror that can move,” said Shillingburg. “Like a regular mirror, shining a laser at it causes the beam to reflect off the mirror’s surface, and the reflected beam spot can be positioned by tilting the mirror back and forth.”

The researchers measured changes in the mirror's focus within millionths of a second, as shown in one demonstration when they varied the voltage applied to the device and moved the focus of a laser-scanned pattern by 63mm, bringing it back into focus at the new depth.

The team also incorporated the mirror into a laser-scanning microscope; changing the mirror's shape altered the depth at which a test image appeared in focus, demonstrating the combination of beam steering and focal adjustment.

The speed and compact size of the device could be relevant to applications requiring rapid three-dimensional optical scanning, including biological imaging, quantum control, structured illumination microscopy and optogenetics.

Shillingburg said neuroscience could be one potential application, particularly where imaging systems need to operate on moving subjects.

“Although the fields are all strongly related, I see the most potential being in neurobiology,” he said in a statement. “The system could lead to smaller, mountable miniature microscopes for studying neurobiology in active subjects as well as lighter glasses and headsets for augmented reality.”

Neural activity can occur within milliseconds, creating a requirement for imaging systems capable of rapidly directing focused light to different locations and depths. Faster scanning may also reduce the time that sensitive biological samples are exposed to illumination, limiting potential damage or fading during imaging.

The same focusing capability could have applications in augmented reality as conventional displays generally present images at a fixed focal distance, even when virtual objects appear to occupy different positions in depth. The resulting difference between the distance at which an object appears and the distance at which the display is focused can contribute to visual discomfort.

“Fixed focus displays can lead to eye strain largely because the object is generated on a panel,” said Shillingburg. “Many of these devices have adjustable screen distances to better accommodate users with different vision needs, and although this helps to alleviate the eye strain, it doesn’t get rid of it.”

The researchers said dynamically changing the focal point could allow future displays to present virtual objects at different apparent distances.

Laser micromachining – a process using tightly focused laser beams to cut or shape small features in manufactured components - is another potential application. Changes in the height of a surface can move it away from the laser's focal plane, potentially affecting the resulting feature. A system capable of rapidly adjusting focus could instead follow changes in surface height while maintaining the required focal position.

The mirror was fabricated using materials and processes compatible with semiconductor manufacturing, an approach that could support the integration of compact optical components with electronic systems, although further development is required.

Shillingburg said future work will focus on reducing distortions associated with small asymmetries in the mirror and improving its performance for applications requiring faster scanning.

ITALIANO

I ricercatori della Penn State hanno sviluppato uno specchio di dimensioni millimetriche in grado di orientare e rifocalizzare un raggio laser in tre dimensioni utilizzando un singolo dispositivo ottico.

Il sistema basato su MEMS combina due funzioni che normalmente vengono svolte da componenti separati: dirigere un raggio laser e modificarne la profondità di focalizzazione.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Microsystems & Nanoengineering, utilizza un micromirror MEMS (sistema microelettromeccanico) realizzato in nitruro di alluminio, un materiale piezoelettrico. L'applicazione di una tensione a sottili strati di nitruro di alluminio ne provoca la flessione, generando un movimento nello specchio.

"La possibilità di controllare rapidamente la luce in tre dimensioni con un singolo dispositivo offre un miglioramento significativo in termini di dimensioni e peso complessivi di un sistema ottico", ha affermato il primo autore Hunter Shillingburg, dottorando in ingegneria elettrica.

Lo specchio può inclinarsi in due direzioni, consentendo di scansionare un fascio luminoso su un'area, ed un meccanismo separato modifica la curvatura della sua superficie riflettente, spostando il punto focale in avanti od indietro.

"Un micromirror MEMS è semplicemente uno specchio che può muoversi", ha affermato Shillingburg. "Come un normale specchio, puntandoci sopra un laser, il raggio si riflette sulla superficie dello specchio e il punto di riflessione può essere posizionato inclinando lo specchio avanti ed indietro."

I ricercatori hanno misurato le variazioni di messa a fuoco dello specchio nell'ordine dei milionesimi di secondo, come dimostrato in una prova in cui hanno variato la tensione applicata al dispositivo e spostato la messa a fuoco di un motivo scansionato al laser di 63 mm, riportandola a fuoco alla nuova profondità.

Il gruppo ha inoltre integrato lo specchio in un microscopio a scansione laser; modificando la forma dello specchio, è stata alterata la profondità alla quale un'immagine di prova appariva a fuoco, dimostrando la combinazione di deflessione del fascio e regolazione della messa a fuoco.

La velocità e le dimensioni compatte del dispositivo potrebbero essere rilevanti per applicazioni che richiedono una rapida scansione ottica tridimensionale, tra cui l'imaging biologico, il controllo quantistico, la microscopia ad illuminazione strutturata e l'optogenetica.

Shillingburg ha affermato che le neuroscienze potrebbero rappresentare una potenziale applicazione, in particolare laddove i sistemi di imaging devono operare su soggetti in movimento.

"Sebbene tutti i campi siano strettamente correlati, vedo il maggior potenziale nella neurobiologia", ha affermato in una dichiarazione. "Il sistema potrebbe portare a microscopi miniaturizzati più piccoli e montabili per studiare la neurobiologia in soggetti attivi, nonché ad occhiali e visori più leggeri per la realtà aumentata."

L'attività neurale può verificarsi in millisecondi, rendendo necessari sistemi di imaging in grado di dirigere rapidamente la luce focalizzata verso diverse posizioni e profondità. Una scansione più veloce può anche ridurre il tempo di esposizione alla luce di campioni biologici sensibili, limitando potenziali danni o sbiadimenti durante l'imaging.

La stessa capacità di messa a fuoco potrebbe trovare applicazione nella realtà aumentata, poiché i display convenzionali generalmente presentano le immagini ad una distanza focale fissa, anche quando gli oggetti virtuali sembrano occupare posizioni diverse in profondità. La conseguente differenza tra la distanza alla quale appare un oggetto e la distanza alla quale il display è messo a fuoco può contribuire al disagio visivo.

"I display a fuoco fisso possono causare affaticamento degli occhi principalmente perché l'oggetto viene generato su un pannello", ha affermato Shillingburg. "Molti di questi dispositivi hanno distanze dello schermo regolabili per adattarsi meglio agli utenti con diverse esigenze visive e, sebbene ciò contribuisca ad alleviare l'affaticamento degli occhi, non lo elimina completamente."

Secondo i ricercatori, la possibilità di modificare dinamicamente il punto focale potrebbe consentire ai futuri display di presentare oggetti virtuali a diverse distanze apparenti.

La microlavorazione laser, un processo che utilizza fasci laser focalizzati con precisione per tagliare o modellare piccole caratteristiche in componenti fabbricati, è un'altra potenziale applicazione. Le variazioni di altezza di una superficie possono spostarla dal piano focale del laser, influenzando potenzialmente la caratteristica risultante. Un sistema in grado di regolare rapidamente la messa a fuoco potrebbe invece seguire le variazioni di altezza della superficie mantenendo la posizione focale richiesta.

Lo specchio è stato realizzato utilizzando materiali e processi compatibili con la produzione di semiconduttori, un approccio che potrebbe favorire l'integrazione di componenti ottici compatti con sistemi elettronici, sebbene siano necessari ulteriori sviluppi.

Shillingburg ha affermato che i lavori futuri si concentreranno sulla riduzione delle distorsioni associate alle piccole asimmetrie dello specchio e sul miglioramento delle sue prestazioni per le applicazioni che richiedono una scansione più rapida.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/mems-mirror-steers-and-refocuses-lasers-in-3d?rcip=giuseppecotellessa%40libero.it&utm_campaign=Daily%20Bulletin%20-180926%20-%20Friday&utm_content=&utm_term=https%3A%2F%2Fwww.theengineer.co.uk%2Fcontent%2Fnews%2Fmems-mirror-steers-and-refocuses-lasers-in-3d&utm_medium=email&utm_source=The%20Engineer