Geïnspireerd door het menselijk oog, onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hebben een adaptieve metalens ontwikkeld, dat is in wezen een plat, elektronisch gestuurd kunstoog. De adaptieve metalens controleert tegelijkertijd drie van de belangrijkste bijdragen aan wazige afbeeldingen:focus, astigmatisme, en beeldverschuiving.

Het onderzoek is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

"Dit onderzoek combineert doorbraken in kunstmatige spiertechnologie met metalens-technologie om een ​​afstembare metalens te creëren die zijn focus in realtime kan veranderen, net als het menselijk oog, " zei Alan She, een afgestudeerde student aan SEAS en eerste auteur van het papier. "We gaan nog een stap verder om de mogelijkheid te ontwikkelen om aberraties zoals astigmatisme en beeldverschuiving dynamisch te corrigeren, wat het menselijk oog van nature niet kan."

"Dit toont de haalbaarheid aan van ingebouwde optische zoom en autofocus voor een breed scala aan toepassingen, waaronder camera's voor mobiele telefoons, brillen en virtual en augmented reality hardware, " zei Federico Capasso, Robert L. Wallace Professor of Applied Physics en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering bij SEAS en senior auteur van het artikel. "Het toont ook de mogelijkheid van toekomstige optische microscopen, die volledig elektronisch werken en veel aberraties tegelijk kunnen corrigeren."

Het Harvard Office of Technology Development heeft het intellectuele eigendom met betrekking tot dit project beschermd en onderzoekt de mogelijkheden voor commercialisering.

Om het kunstmatige oog te bouwen, de onderzoekers moesten eerst de metalens opschalen.

Vroegere metalenses waren ongeveer zo groot als een enkel stuk glitter. Ze focussen licht en elimineren sferische aberraties door een dicht patroon van nanostructuren, elk kleiner dan een golflengte van licht.

"Omdat de nanostructuren zo klein zijn, de informatiedichtheid in elke lens is ongelooflijk hoog, "zei She. "Als je van een lens van 100 micron naar een lens van een centimeter gaat, je hebt de informatie die nodig is om de lens te beschrijven met tienduizend verhoogd. Telkens als we probeerden de lens op te schalen, de bestandsgrootte van het ontwerp alleen al zou oplopen tot gigabytes of zelfs terabytes."

Om dit probleem op te lossen, de onderzoekers ontwikkelden een nieuw algoritme om de bestandsgrootte te verkleinen om de metalens compatibel te maken met de technologie die momenteel wordt gebruikt om geïntegreerde schakelingen te fabriceren. In een onlangs gepubliceerd artikel in Optica Express , de onderzoekers demonstreerden het ontwerp en de fabricage van metalenses met een diameter tot centimeters of meer.

"Dit onderzoek biedt de mogelijkheid om twee industrieën te verenigen:halfgeleiderfabricage en lensfabricage, waarbij dezelfde technologie die wordt gebruikt om computerchips te maken, zal worden gebruikt om metasurface-gebaseerde optische componenten te maken, zoals lenzen, ' zei Capasso.

Volgende, de onderzoekers moesten de grote metalens aan een kunstmatige spier hechten zonder afbreuk te doen aan het vermogen om licht te focussen. In het menselijk oog, de lens is omgeven door ciliairspier, die de lens uitrekt of comprimeert, de vorm veranderen om de brandpuntsafstand aan te passen. Capasso en zijn team werkten samen met David Clarke, Verlengd Tarr Family Professor of Materials bij SEAS en een pionier op het gebied van technische toepassingen van diëlektrische elastomeeractuators, ook wel kunstmatige spieren genoemd.

De onderzoekers kozen voor een dunne, transparant diëlektisch elastomeer met weinig verlies - wat betekent dat licht door het materiaal reist met weinig verstrooiing - om aan de lens te hechten. Om dit te doen, ze moesten een platform ontwikkelen om de lens over te brengen en te hechten aan het zachte oppervlak.

"Elastomeren zijn in bijna alle opzichten zo verschillend van halfgeleiders dat de uitdaging was hoe ze hun eigenschappen konden combineren om een ​​nieuw multifunctioneel apparaat te creëren en, vooral hoe een productieroute te bedenken, "zei Clarke. "Als iemand die in het midden van de jaren zestig aan een van de eerste scanning-elektronenmicroscopen (SEM's) werkte, het is opwindend om deel uit te maken van het creëren van een optische microscoop met de mogelijkheden van een SEM, zoals realtime aberratiecontrole."

Het elastomeer wordt geregeld door het aanleggen van spanning. Terwijl het zich uitstrekt, de positie van nanopilaren op het oppervlak van de lensverschuiving. De metalens kan worden afgestemd door zowel de positie van de pilaren ten opzichte van hun buren als de totale verplaatsing van de structuren te regelen. De onderzoekers toonden ook aan dat de lens tegelijkertijd kan focussen, controle aberraties veroorzaakt door astigmatisme, evenals het uitvoeren van beeldverschuiving.

Samen, de lens en spier zijn slechts 30 micron dik.

"Alle optische systemen met meerdere componenten - van camera's tot microscopen en telescopen - hebben kleine foutieve uitlijningen of mechanische spanningen op hun componenten, afhankelijk van de manier waarop ze zijn gebouwd en hun huidige omgeving, dat altijd kleine hoeveelheden astigmatisme en andere aberraties zal veroorzaken, die kan worden gecorrigeerd door een adaptief optisch element, "zei She. "Omdat de adaptieve metalens plat is, je kunt die aberraties corrigeren en verschillende optische mogelijkheden integreren op een enkel besturingsvlak."

Volgende, de onderzoekers streven ernaar om de functionaliteit van de lens verder te verbeteren en de spanning te verlagen die nodig is om deze te besturen.