Het Adaptive Metalens Eye van Harvard combineert spierkracht voor superieure focus en beeldhelderheid

• De metalen kunnen tegelijkertijd scherpstellen, beeldverschuivingen uitvoeren en aberraties controleren die door astigmatisme worden veroorzaakt. 
• De lens en spier hebben samen een totale dikte van 30 micron.
• De vorm van de metalen wordt bestuurd door een elektrisch signaal om de noodzakelijke optische golffronten te vormen. 

Onderzoekers van de Harvard University hebben een adaptief metalen systeem gebouwd dat drie van de cruciale factoren van wazige beelden controleert:focus, astigmatisme en beeldverschuiving. Dit platte, elektronisch gestuurde oog combineert de vooruitgang in de metalen technologie met kunstmatige spiertechnologie.

Het kunstoog kan tegelijkertijd alle drie de cruciale factoren controleren en kan worden geconfigureerd om de focus in realtime te veranderen. Het werkt als een normaal menselijk oog, maar in de toekomst kan de technologie verder worden verbeterd om dingen te doen die het menselijk oog van nature niet kan, zoals dynamisch correcte beeldverschuiving en astigmatisme.

De technologie toont ook de haalbaarheid aan van ingebouwde autofocus en optische zoom voor verschillende toepassingen, variërend van brillen en optische microscopen tot smartphones en VR/AR-apparaten.

Hoe deden ze dat?

Meestal focusseren metalensen licht en verminderen ze sferische aberraties via een dicht nanostructuurpatroon dat kleiner is dan de golflengte van het licht. Omdat ze te klein zijn, is de informatiedichtheid in elke lens extreem hoog.

Om een kunstoog te creëren, is de allereerste taak het opschalen van de metalen. Wanneer wetenschappers dit echter probeerden, kon de bestandsgrootte van het ontwerp alleen al oplopen tot terabytes.

Om dit probleem aan te pakken, ontwikkelden ze een algoritme dat de grootte van het bestand tot een aanzienlijk niveau comprimeert, waardoor metalen compatibel worden met de technieken die worden gebruikt om geïntegreerde schakelingen te fabriceren. De metalenses werden opgeschaald tot centimeters in diameter.

Zoals je in de onderstaande afbeelding kunt zien, wordt de kleurrijke irisatie binnen de metalens (gemaakt van silicium) gegenereerd door het enorme aantal nanostructuren.

Siliciummetalen gemonteerd op transparante polymeerplaat | Credit:Harvard SEAS

Referentie:Wetenschapsvooruitgang | doi:10.1126/sciadv.aap9957 | Harvard-SEAS

De volgende stap is om de metalens zo aan een kunstmatige spier te bevestigen dat dit geen invloed heeft op het lichtfocusseringsvermogen van de metalens. De natuurlijke ooglens is omgeven door ciliaire spieren, een ring van gladde spieren die de accommodatie regelt voor het bekijken van objecten op verschillende afstanden door de vorm van de lens te veranderen.

De wetenschappers selecteerden een dun, transparant diëlektrisch elastomeer om aan de lens te bevestigen, waardoor licht met minder verstrooiing kan reizen. Ze bouwden een geheel nieuw platform voor het overbrengen en hechten van de lens op het zachte oppervlak. Onnodig te zeggen dat dit de grootste uitdaging was in het hele proces van het ontwikkelen van een kunstoog.

Metlens focust lichtstraal op een beeldsensor | Credit:Capasso Lab / Harvard SEAS

Zoals je in de bovenstaande afbeelding kunt zien, wordt de vorm van de metalens bestuurd door een elektrisch signaal om de noodzakelijke optische golffronten te vormen (rood). 

Het elastomeer wordt afgestemd door een variërende spanning aan te leggen. De positie van de nanopilaren op het oppervlak van de lens verschuift wanneer het elastomeer uitrekt. De positie van de pijlers ten opzichte van hun buren, en de totale verplaatsing van de constructies, zouden kunnen worden gebruikt om de metalens te configureren.

De lens en spier hebben samen een totale dikte van 30 micron. Het kan tegelijkertijd scherpstellen, beeldverschuivingen uitvoeren en aberraties onder controle houden die door astigmatisme worden veroorzaakt.

Betrouwbaarheidstest

De betrouwbaarheid van het instrument werd getest met een sinusoïdale spanning variërend van 2 tot 100 hertz bij een amplitude van 2,5 kV. Het mislukte helemaal niet en de beeldkwaliteit leek ook niet te verslechteren na duizend cycli.

Er werd echter een diëlektrische doorslag waargenomen bij bijna 3,5 kV, toen de elektrische stroom erdoorheen begon te stromen, waardoor het instrument beschadigd raakte. Het was een ‘zachte’ inzinking die verband hield met plaatselijke verbranding. Dezelfde instrumenten konden de werking hervatten nadat ze de stroom hadden uitgezet.

Meer toepassingen

Bijna alle optische apparaten met meerdere modules (inclusief telescopen, microscopen en camera's) bevatten zeer weinig mechanische spanningen/verkeerde uitlijningen op hun modules. Dit is meestal gebaseerd op de manier waarop ze zijn gemaakt en hun omgeving die lichte afwijkingen veroorzaken.

Lees: Een nieuw type lens dat de virtuele realiteit radicaal kan veranderen

Deze fouten kunnen worden gecorrigeerd via een adaptieve optische component. Omdat de hier beschreven metalen plat zijn, kan men deze gebruiken om deze aberraties te corrigeren en talloze mogelijkheden van de optica te integreren in één enkel controlevlak.

Voorlopig is het volgende doel om de functionaliteit van de metalens verder te verbeteren en tegelijkertijd de spanning te verminderen die nodig is om deze te laten werken.