Harvard's Adaptive Metalens Oog Combineert Spierkracht voor Superieure Focus en Behelderheid

De metalens kan focussen, beeldverschuiving uitvoeren en aberraties veroorzaakt door astigmatisme controleren, allemaal tegelijkertijd. De lens en spier samen hebben een totale dikte van 30 micron. De vorm van de metalens wordt gecontroleerd door een elektrisch signaal om de benodigde optische golffronten te vormen.

Hoe deden ze dat?

Gewoonlijk focussen metalenzen licht en reduceren spherische 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 kunstmatig oog te creëren, is de aller eerste taak om de metalens op te schalen. Echter, wanneer wetenschappers dit probeerden, zou de bestandsgrootte van het ontwerp alleen al tot terabytes oplopen.

Om dit probleem aan te pakken, ontwikkelden ze een algoritme dat de bestandsgrootte aanzienlijk comprimeert, waardoor metalens compatibel wordt met de technieken die gebruikt worden voor het fabriceren van geïntegreerde circuits. De metalenzen werden opgeschaald tot centimeters in diameter.

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

De volgende stap is om de metalens aan een kunstmatige spier te bevestigen op een manier dat het de lichtfocusserende capaciteit van de metalens niet beïnvloedt. De natuurlijke ooglens wordt omringd door ciliarisieren, een ring van gladde spier die accommodatie regelt voor het bekijken van objecten op variërende afstanden door de vorm van de lens te veranderen.

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

Het elastomeer wordt afgestemd door wisselende spanning toe te passen. De positie van de nanopillars op het oppervlak van de lens verschuift wanneer het elastomeer rekkt. De positie van de pilaren ten opzichte van hun buren, en de totale verplaatsing van de structuren kan gebruikt worden om de metalens te configureren.

De lens en spier samen hebben een totale dikte van 30 micron. Het kan focussen, beeldverschuiving uitvoeren en aberraties veroorzaakt door astigmatisme controleren, allemaal tegelijkertijd.

Betrouwbaarheidstest

De betrouwbaarheid van het instrument werd getest met een sinusoïdale spanning variërend van 2 tot 100 hertz bij 2,5 kV amplitude. Het faalde niet, noch leek de beeldkwaliteit te degraderen na duizend cycli.

Echter, diëlektrische doorbraak werd waargenomen bij bijna 3,5 kV, toen de elektrische stroom doorheen begon te stromen, het instrument beschadigend. Het was een 'zachte' doorbraak geassocieerd met lokale verbranding. De dezelfde instrumenten waren in staat om de operatie te hervatten na power-cycling.

Meer toepassingen

Bijna alle optische apparaten met meerdere modules (inclusief telescopen, microscopieën en camera's) bevatten zeer weinig mechanische spanningen/afwijkingen op hun modules. Dit is meestal gebaseerd op hoe ze gecreëerd werden en hun omgeving die lichte aberraties veroorzaken.

Deze fouten kunnen gecorrigeerd worden door adaptieve optische component. Aangezien de hier beschreven metalens plat is, kan men het gebruiken om die aberraties te corrigeren en talloze optische mogelijkheden op een enkel controlevlak te integreren.

Voor nu is het volgende doel om de functionaliteit van de metalens verder te verbeteren terwijl de spanning die nodig is om het te bedienen wordt verminderd.