Металинза (изготовленная из кремния) установлена на прозрачной, эластичной полимерной пленке, без каких-либо электродов. Радужность создается большим количеством наноструктур внутри металинзы.
Адаптивная металинза «может менять фокус в реальном времени, как и человеческий глаз»
Вдохновленные человеческим глазом, исследователи Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) разработали адаптивную металинзу , которая по сути является плоским искусственным глазом с электронным управлением. Адаптивная металинза одновременно контролирует три основных фактора, влияющих на размытость изображения: фокус, астигматизм и смещение изображения.
Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
«Это исследование объединяет прорывы в технологии искусственных мышц с технологией металинз для создания настраиваемой металинзы, которая может менять фокус в реальном времени, как и человеческий глаз», — сказал Алан Ше, аспирант SEAS в Высшей школе искусств и наук и первый автор статьи. «Мы делаем еще один шаг вперед, чтобы создать возможность динамической коррекции аберраций, таких как астигматизм и смещение изображения, чего человеческий глаз не может делать естественным образом».
«Это демонстрирует осуществимость встроенного оптического зума и автофокуса для широкого спектра приложений, включая камеры мобильных телефонов, очки и оборудование виртуальной и дополненной реальности», — сказал Федерико Капассо, профессор прикладной физики имени Роберта Л. Уоллеса и старший научный сотрудник Винтона Хейса по электротехнике в SEAS и старший автор статьи. «Это также показывает возможность будущих оптических микроскопов, которые работают полностью электронно и могут одновременно исправлять множество аберраций».
Управление развития технологий Гарвардского университета защитило интеллектуальную собственность, связанную с этим проектом, и изучает возможности коммерциализации.
Чтобы создать искусственный глаз, исследователям сначала нужно было увеличить размер металинзы.
Металинзы фокусируют свет и устраняют сферические аберрации с помощью плотного рисунка наноструктур, каждая из которых меньше длины волны света. Раньше металинзы были размером с кусочек блестки.
«Поскольку наноструктуры настолько малы, плотность информации в каждой линзе невероятно высока», — сказал Ше. «Если вы перейдете от линзы размером 100 микрон к линзе размером в сантиметр, вы увеличите объем информации, необходимой для описания линзы, в 10 000 раз. Всякий раз, когда мы пытались масштабировать линзу, размер файла только с дизайном раздувался до гигабайт или даже терабайт».
Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали новый алгоритм для уменьшения размера файла, чтобы сделать металинзы совместимыми с технологией, которая в настоящее время используется для изготовления интегральных схем. В статье, недавно опубликованной в Optics Express , исследователи продемонстрировали проектирование и изготовление металинз диаметром до сантиметров и более.
«Это исследование дает возможность объединить две отрасли: производство полупроводников и изготовление линз, благодаря чему та же технология, которая используется для производства компьютерных чипов, будет использоваться для производства оптических компонентов на основе метаповерхностей, таких как линзы», — сказал Капассо.
Далее исследователям нужно было прикрепить большую металинзу к искусственной мышце, не нарушая ее способность фокусировать свет. В человеческом глазу хрусталик окружен цилиарной мышцей, которая растягивает или сжимает хрусталик, изменяя его форму для регулировки фокусного расстояния. Капассо и его команда сотрудничали с Дэвидом Кларком, профессором материаловедения в SEAS и пионером в области инженерных приложений диэлектрических эластомерных приводов, также известных как искусственные мышцы.
Исследователи выбрали тонкий, прозрачный диэлектрический эластомер с низкими потерями — то есть свет проходит через материал с небольшим рассеиванием — для прикрепления к линзе. Для этого им нужно было разработать платформу для переноса и приклеивания линзы к мягкой поверхности.
«Эластомеры настолько отличаются от полупроводников почти во всех отношениях, что проблема заключалась в том, как объединить их характеристики для создания нового многофункционального устройства и, в особенности, как разработать производственный маршрут», — сказал Кларк. «Как человек, работавший над одним из первых сканирующих электронных микроскопов (СЭМ) в середине 1960-х годов, я воодушевлен тем, что участвовал в создании оптического микроскопа с возможностями СЭМ, такими как контроль аберраций в реальном времени».
Эластомер управляется путем приложения напряжения. При растяжении положение наностолбиков на поверхности линзы смещается. Металинзу можно настраивать, управляя как положением столбиков по отношению к соседям, так и общим смещением структур. Исследователи также продемонстрировали, что линза может одновременно фокусироваться, контролировать аберрации, вызванные астигматизмом, и выполнять сдвиг изображения.
Общая толщина хрусталика и мышцы составляет всего 30 микрон.
«Все оптические системы с несколькими компонентами — от камер до микроскопов и телескопов — имеют небольшие смещения или механические напряжения на своих компонентах, в зависимости от того, как они были построены и их текущей среды, что всегда будет вызывать небольшие количества астигматизма и других аберраций, которые можно исправить с помощью адаптивного оптического элемента», — сказал Ше. «Поскольку адаптивная металинза плоская, вы можете исправить эти аберрации и интегрировать различные оптические возможности в единую плоскость управления».
Далее исследователи намерены еще больше улучшить функциональность линзы и снизить напряжение, необходимое для ее управления.
Соавторами исследования выступили Шуян Чжан и Сэмюэль Шиан. Исследование было частично поддержано Управлением научных исследований ВВС и Национальным научным фондом. Эта работа была частично выполнена в Центре наномасштабных систем (CNS), который поддерживается Национальным научным фондом.