Ispirato dall'occhio umano, ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno sviluppato un metallo adattivo che è essenzialmente un piatto, occhio artificiale controllato elettronicamente. I metalli adattivi controllano contemporaneamente tre dei principali fattori che contribuiscono alle immagini sfocate:messa a fuoco, astigmatismo, e spostamento dell'immagine.

La ricerca è pubblicata su Progressi scientifici .

"Questa ricerca combina le scoperte nella tecnologia dei muscoli artificiali con la tecnologia dei metalli per creare un metallo sintonizzabile che può cambiare la sua attenzione in tempo reale, proprio come l'occhio umano, " disse Alan Lei, uno studente laureato SEAS presso la Graduate School of Arts and Sciences, e primo autore dell'articolo. "Facciamo un ulteriore passo avanti per costruire la capacità di correggere dinamicamente aberrazioni come l'astigmatismo e lo spostamento dell'immagine, cosa che l'occhio umano non può naturalmente fare."

"Ciò dimostra la fattibilità dello zoom ottico e dell'autofocus integrati per un'ampia gamma di applicazioni, comprese le fotocamere dei cellulari, occhiali, e hardware di realtà virtuale e aumentata, " disse Federico Capasso, il Robert L. Wallace Professor of Applied Physics e Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering presso SEAS e autore senior dell'articolo. "Mostra anche la possibilità di futuri microscopi ottici, che funzionano completamente elettronicamente e possono correggere molte aberrazioni contemporaneamente."

L'Harvard Office of Technology Development ha protetto la proprietà intellettuale relativa a questo progetto e sta esplorando opportunità di commercializzazione.

Per costruire l'occhio artificiale, i ricercatori avevano prima bisogno di aumentare i metalli.

I metalenses focalizzano la luce ed eliminano le aberrazioni sferiche attraverso un fitto schema di nanostrutture, ciascuno più piccolo di una lunghezza d'onda della luce. I primi metalense avevano all'incirca le dimensioni di un singolo pezzo di glitter.

"Poiché le nanostrutture sono così piccole, la densità di informazioni in ogni obiettivo è incredibilmente alta, " disse Lei. "Se passi da una lente di 100 micron a una di un centimetro, avrai aumentato di 10 le informazioni necessarie per descrivere l'obiettivo, 000. Ogni volta che cercavamo di ingrandire l'obiettivo, la dimensione del file del progetto da sola aumenterebbe fino a gigabyte o addirittura terabyte".

Risolvere questo problema, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo algoritmo per ridurre le dimensioni del file per rendere i metalli compatibili con la tecnologia attualmente utilizzata per fabbricare circuiti integrati. In un articolo recentemente pubblicato su Ottica Express , i ricercatori hanno dimostrato la progettazione e la fabbricazione di metalli fino a centimetri o più di diametro.

"Questa ricerca offre la possibilità di unificare due industrie, produzione di semiconduttori e fabbricazione di lenti, per cui la stessa tecnologia utilizzata per realizzare i chip dei computer sarà utilizzata per realizzare componenti ottici basati su metasuperfici, come lenti, " disse Capasso.

Prossimo, i ricercatori avevano bisogno di far aderire i grandi metalli a un muscolo artificiale senza compromettere la sua capacità di focalizzare la luce. Nell'occhio umano, il cristallino è circondato dal muscolo ciliare, che allunga o comprime la lente, cambiando la sua forma per regolarne la lunghezza focale. Capasso e il suo team hanno collaborato con David Clarke, Extended Tarr Family Professor of Materials presso SEAS e pioniere nel campo delle applicazioni ingegneristiche degli attuatori in elastomero dielettrico, noto anche come muscoli artificiali.

I ricercatori hanno scelto un sottile, elastomero dielettrico trasparente a bassa perdita, il che significa che la luce viaggia attraverso il materiale con poca dispersione per attaccarsi alla lente. Fare così, avevano bisogno di sviluppare una piattaforma per trasferire e far aderire la lente alla superficie morbida.

"Gli elastomeri sono così diversi in quasi tutti i modi dai semiconduttori che la sfida è stata come sposare i loro attributi per creare un nuovo dispositivo multifunzionale e, specialmente, come ideare un percorso di produzione, " ha detto Clarke. "Come qualcuno che ha lavorato su uno dei primi microscopi elettronici a scansione (SEM) a metà degli anni '60, è esaltante far parte della creazione di un microscopio ottico con le capacità di un SEM, come il controllo dell'aberrazione in tempo reale."

L'elastomero è controllato applicando tensione. Mentre si estende, la posizione dei nanopillars sulla superficie del lens shift. I metalens possono essere sintonizzati controllando sia la posizione dei pilastri rispetto ai loro vicini sia lo spostamento totale delle strutture. I ricercatori hanno anche dimostrato che l'obiettivo può mettere a fuoco simultaneamente, controllare le aberrazioni causate da astigmatismi, ed eseguire lo spostamento dell'immagine.

Insieme, la lente e il muscolo hanno uno spessore di soli 30 micron.

"Tutti i sistemi ottici con più componenti, dalle fotocamere ai microscopi e ai telescopi, presentano lievi disallineamenti o sollecitazioni meccaniche sui loro componenti, a seconda del modo in cui sono stati costruiti e del loro ambiente attuale, che causerà sempre piccole quantità di astigmatismo e altre aberrazioni, che potrebbe essere corretto da un elemento ottico adattativo, " disse Lei. "Poiché il metalens adattativo è piatto, puoi correggere quelle aberrazioni e integrare diverse capacità ottiche su un unico piano di controllo."

Prossimo, i ricercatori mirano a migliorare ulteriormente la funzionalità dell'obiettivo e ridurre la tensione necessaria per controllarlo.

Questa storia è pubblicata per gentile concessione della Harvard Gazette, Il giornale ufficiale dell'Università di Harvard. Per ulteriori notizie universitarie, visita Harvard.edu.