Wetenschappers ontwikkelen levensecht kunstmatig oog

Wetenschappers van Harvard University hebben mogelijk een doorbraak bereikt op het gebied van optische technologie. Ze ontwikkelden een kunstmatige ooglens die op dezelfde manier scherp stelt als een echt oog.

Geïnspireerd door het menselijk oog hebben onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) een adaptieve metalens ontwikkeld die in essentie een vlak, elektronisch gestuurde kunstoog is. De adaptieve metalens bestuurt tegelijkertijd drie van de belangrijkste bijdragers aan wazige beelden: focus, astigmatisme en beeldverschuiving.

“Dit onderzoek combineert doorbraken in kunstmatige spiertechnologie met metalens-technologie om een ​​afstembare metalens te creëren die zijn focus in real time kan veranderen, net als het menselijk oog”, zegt Alan She, een SEAS-student aan de Graduate School of Arts and Sciences, en eerste auteur van het papier. “We gaan nog een stap verder en bouwen het vermogen op om dynamisch te corrigeren voor aberraties zoals astigmatisme en beeldverschuiving, iets wat het menselijk oog natuurlijk niet kan doen.”

“Dit toont de haalbaarheid aan van ingebedde optische zoom en autofocus voor een breed scala aan toepassingen, waaronder gsm-camera’s, brillen en virtuele en augmented reality-hardware”, zegt Federico Capasso, hoogleraar Technische Natuurkunde en senior auteur van de paper. “Het toont ook de mogelijkheid van toekomstige optische microscopen, die volledig elektronisch werken en vele aberraties tegelijkertijd kunnen corrigeren.”

Opschalen

Om het kunstmatige oog op te bouwen, moesten de onderzoekers eerst de metalens opschalen. Metalensen richten licht en elimineren sferische aberraties door middel van een dicht patroon van nanostructuren, elk kleiner dan een golflengte van licht. Eerdere metalenses waren ongeveer zo groot als een enkel stuk glitter.

“Omdat de nanostructuren zo klein zijn, is de dichtheid van informatie in elke lens ongelooflijk hoog”, stelt She. “Als je van een lens van 100 micron naar een lens van centimeterformaat gaat, heb je de informatie die nodig is om de lens met 10.000 te beschrijven, verhoogd. Telkens wanneer we probeerden de lens op te schalen, zou de bestandsgrootte van het ontwerp alleen al oplopen tot gigabytes of zelfs terabytes. “

Om dit probleem op te lossen, ontwikkelden de onderzoekers een nieuw algoritme om de bestandsgrootte te verkleinen om de metalens compatibel te maken met de technologie die momenteel wordt gebruikt om geïntegreerde schakelingen te fabriceren. In een paper dat onlangs in Optics Express werd gepubliceerd, toonden de onderzoekers het ontwerp en de fabricage van metalenses van maximaal centimeters of meer in diameter. “Dit onderzoek biedt de mogelijkheid om twee industrieën te verenigen, halfgeleiderproductie en het maken van lenzen, waarbij dezelfde technologie die wordt gebruikt om computerchips te maken, zal worden gebruikt om metasurface-gebaseerde optische componenten, zoals lenzen, te maken.”

Verwant

Deze platte metalens is de eerste enkele lens die het volledige zichtbare spectrum van licht – inclusief wit licht – op dezelfde plek en in hoge resolutie kan focussen. Het maakt gebruik van arrays van titaniumdioxide nanofinen om even golflengten van het licht te focussen en chromatische aberratie te elimineren. Een enkele metalens focust alle kleuren van de regenboog op één punt.

De onderzoekers moeste de grote metalens ook nog aan een kunstmatige spier hechten zonder het vermogen om licht te focussen in gevaar te brengen. In het menselijk oog wordt de lens omgeven door een ciliairspier, die de lens rekt of comprimeert, ofwel de vorm wijzigt om de brandpuntsafstand aan te passen. Capasso en zijn team werkten samen met David Clarke, een pionier op het gebied van technische toepassingen van diëlektrische actuatoren van elastomeren, ook wel kunstmatige spieren genoemd.

De onderzoekers kozen een dunne, transparante diëlektrische elastomeer met weinig verlies – wat betekent dat het licht door het materiaal beweegt met weinig verstrooiing – om zich aan de lens te hechten. Om dit te doen, moesten ze een platform ontwikkelen om de lens op het zachte oppervlak over te brengen en te bevestigen. “Elastomeren verschillen in bijna elk opzicht zo van halfgeleiders dat het de uitdaging was om hun attributen samen te brengen om een ​​nieuw multifunctioneel apparaat te creëren en, vooral, om een ​​productieroute te bedenken”, zegt Clarke. “Als iemand die aan een van de eerste scanning elektronenmicroscopen (SEM’s) halverwege de jaren zestig werkte, is het bijzonder om ​​onderdeel te zijn van het creëren van een optische microscoop met de mogelijkheden van een SEM, zoals real-time aberratiecontrole.”

Het elastomeer wordt gestuurd door het toevoegen van spanning. Terwijl het zich uitstrekt, verschuift de positie van nanopilaren op het oppervlak van de lens. De metalenzen kunnen worden afgestemd door zowel de positie van de pilaren ten opzichte van hun buren als de totale verplaatsing van de structuren te regelen. De onderzoekers toonden ook aan dat de lens tegelijkertijd kan scherpstellen, aberraties veroorzaakt door astigmatismen kan beheersen en beeldverschuiving kan uitvoeren. Samen zijn de lens en spieren slechts 30 micron dik. “Alle optische systemen met meerdere componenten – van camera’s tot microscopen en telescopen – hebben kleine uitlijnfouten of mechanische spanningen op hun componenten, die altijd kleine hoeveelheden astigmatisme en andere aberraties zullen veroorzaken. Dit kan worden gecorrigeerd door een adaptief optisch element. Omdat de adaptieve metalens plat is, kun je die aberraties corrigeren en verschillende optische mogelijkheden op één bedieningsvlak integreren.” De onderzoekers werken nu een een verbetering van de functionaliteit van de lens en het gebruik van minder spanning. 

Door: Kelly Bakker

Bron: Harvard