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

Forskningen är publicerad i Vetenskapens framsteg .

"Denna forskning kombinerar genombrott inom artificiell muskelteknologi med metalens-teknologi för att skapa en avstämbar metalens som kan ändra sitt fokus i realtid, precis som det mänskliga ögat, " sa Alan She, en SEAS doktorand vid Graduate School of Arts and Sciences, 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 spektrum av applikationer, inklusive mobiltelefonkameror, glasögon, och virtuell och augmented reality-hårdvara, 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 de immateriella rättigheterna i samband med detta projekt och undersöker kommersialiseringsmöjligheter.

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

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

"Eftersom nanostrukturerna är så små, informationstätheten i varje lins är otroligt hög, " sa hon. "Om du går från en 100 mikron-lins till en centimeter-stor lins, du har ökat informationen som krävs för att beskriva linsen med 10, 000. När vi försökte skala upp linsen, bara filstorleken på designen skulle ballongera 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 metallerna 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 med upp till centimeter eller mer i diameter.

"Denna forskning ger möjligheten att förena två industrier, halvledartillverkning och linsframställning, varvid samma teknik som används för att tillverka datorchip kommer att användas för att tillverka metasytebaserade 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 dielektrisk elastomer med låg förlust – vilket innebär att ljuset färdas genom materialet med liten spridning – för att fästa 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, framförallt, hur man utformar en tillverkningsrutt, ", sa Clarke. "Som någon som arbetade på ett av de första svepelektronmikroskopen (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, och 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.

Den här historien är publicerad med tillstånd av Harvard Gazette, Harvard Universitys officiella tidning. För ytterligare universitetsnyheter, besök Harvard.edu.