Inspirerad av det mänskliga ögat, forskare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har utvecklat en adaptiv metalens, det är i grunden en lägenhet, elektroniskt styrda konstgjorda öga. De adaptiva metalens kontrollerar samtidigt tre av de största bidragsgivarna till suddiga bilder:fokus, astigmatism, och bildförskjutning.

Forskningen publiceras i Vetenskapliga framsteg .

"Denna forskning kombinerar genombrott inom artificiell muskelteknik med metalens teknik för att skapa avstämbara metaller som kan ändra fokus i realtid, precis som det mänskliga ögat, " sa Alan She, en doktorand vid SEAS och första författare till tidningen. "Vi går ett steg längre för att bygga upp förmågan att dynamiskt korrigera för aberrationer som astigmatism och bildförskjutning, vilket det mänskliga ögat inte kan göra naturligt."

"Detta visar genomförbarheten av inbäddad optisk zoom och autofokus för ett brett utbud av applikationer inklusive mobiltelefonkameror, glasögon och maskinvara för virtuell och förstärkt verklighet, sa Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes seniorforskare i elektroteknik vid SEAS och senior författare till artikeln. "Det visar också möjligheten för framtida optiska mikroskop, som fungerar helt elektroniskt och kan korrigera många avvikelser samtidigt. "

Harvard Office of Technology Development har skyddat den immateriella äganderätten för detta projekt och undersöker kommersialiseringsmöjligheter.

För att bygga det konstgjorda ögat, forskarna behövde först skala upp metallerna.

Tidigare metalenses var ungefär lika stora som ett enda stycke glitter. De fokuserar ljus och eliminerar sfäriska aberrationer genom ett tätt mönster av nanostrukturer, var och en mindre än en våglängd av ljus.

"Eftersom nanostrukturerna är så små, informationstätheten i varje lins är otroligt hög, " sa hon. "Om du går från en 100 mikron stor lins till en centimeter stor lins, du kommer att ha ökat informationen som krävs för att beskriva linsen med tio tusen. När vi försökte skala upp linsen, filstorleken på designen ensam skulle ballong upp till gigabyte eller till och med terabyte. "

För att lösa det här problemet, forskarna utvecklade en ny algoritm för att krympa filstorleken för att göra metalens kompatibla med den teknik som för närvarande används för att tillverka integrerade kretsar. I en tidning som nyligen publicerades i Optik Express , forskarna demonstrerade design och tillverkning av metaller upp till centimeter eller mer i diameter.

"Denna forskning ger möjligheten att förena två industrier:halvledartillverkning och linsframställning, varigenom samma teknik som används för att göra datorchips kommer att användas för att göra meta-ytbaserade optiska komponenter, såsom linser, sa Capasso.

Nästa, forskarna behövde fästa de stora metalens till en konstgjord muskel utan att kompromissa med dess förmåga att fokusera ljus. I det mänskliga ögat, linsen är omgiven av ciliärmuskler, som sträcker eller komprimerar linsen, ändra dess form för att justera brännvidden. Capasso och hans team samarbetade med David Clarke, Extended Tarr Family Professor of Materials vid SEAS och en pionjär inom området tekniska tillämpningar av dielektriska elastomerställdon, även känd som konstgjorda muskler.

Forskarna valde en tunn, transparent dielektisk elastomer med låg förlust - vilket innebär att ljuset färdas genom materialet med liten spridning - för att fästas på linsen. Att göra så, de behövde utveckla en plattform för att överföra och fästa linsen på den mjuka ytan.

"Elastomerer är så olika på nästan alla sätt från halvledare att utmaningen har varit hur man förenar deras attribut för att skapa en ny multifunktionell enhet och, speciellt hur man utformar en tillverkningsrutt, "sa Clarke." Som någon som arbetade med ett av de första skanningselektronmikroskop (SEM) i mitten av 1960 -talet, det är spännande att vara med och skapa ett optiskt mikroskop med kapaciteten hos en SEM, såsom aberrationskontroll i realtid."

Elastomeren styrs genom att applicera spänning. När det sträcker sig, positionen av nanopelare på ytan av linsförskjutningen. Metalens kan trimmas genom att styra både pelarnas position i förhållande till sina grannar och den totala förskjutningen av strukturerna. Forskarna visade också att linsen kan fokusera samtidigt, kontrollera aberrationer orsakade av astigmatism, samt utföra bildförskjutning.

Tillsammans, linsen och muskeln är bara 30 mikron tjocka.

"Alla optiska system med flera komponenter - från kameror till mikroskop och teleskop - har små feljusteringar eller mekaniska påfrestningar på sina komponenter, beroende på hur de byggdes och deras nuvarande miljö, som alltid kommer att orsaka små mängder astigmatism och andra avvikelser, som skulle kunna korrigeras av ett adaptivt optiskt element, " sa hon. "Eftersom den adaptiva metalens är platt, du kan korrigera dessa avvikelser och integrera olika optiska funktioner på ett enda kontrollplan."

Nästa, forskarna siktar på att ytterligare förbättra linsens funktionalitet och minska spänningen som krävs för att kontrollera den.