人工眼科和肌肉技術的突破

受人眼啟發(fā)，哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院(SEAS)的研究人員開發(fā)了一種適應性元透鏡，它基本上是一種扁平的，電子控制的人工眼。自適應元透鏡同時控制模糊圖像的三個主要因素：聚焦，散光和圖像偏移。

該研究發(fā)表在Science Advances上。

“這項研究結合了人工肌肉技術與metalens技術的突破，創(chuàng)造了一個可調(diào)節(jié)的元透鏡，可以像人眼那樣實時改變焦點，”藝術與科學研究生院SEAS研究生Alan She表示。和論文的第一作者。“我們更進一步，以建立動態(tài)校正像差的能力，如人眼無法做到的散光和圖像偏移。”

“這證明了嵌入式光學變焦和自動對焦在各種應用中的可行性，包括手機相機，眼鏡，虛擬和增強現(xiàn)實硬件，”應用物理學教授Robert L. Wallace和Vinton Hayes Senior的Federico Capasso說。 SEAS電氣工程研究員和論文的高級作者。“它還展示了未來光學顯微鏡的可能性，它可以完全電子化操作并可以同時校正許多像差。”

哈佛技術開發(fā)辦公室保護了與該項目有關的知識產(chǎn)權，并正在探索商業(yè)化機會。

為了構建人工眼，研究人員首先需要擴大metalens。

Metalenses通過密集的納米結構圖案聚焦光線并消除球面像差，每個納米結構都小于光的波長。早期的metalenses大約是一塊閃光的大小。

“由于納米結構非常小，每個鏡頭的信息密度都非常高，”她說。“如果你從100微米尺寸的鏡頭變成厘米尺寸的鏡頭，你將增加描述鏡頭所需的信息10,000。每當我們試圖放大鏡頭時，設計的文件大小就會膨脹高達千兆字節(jié)甚至太字節(jié)。“

為了解決這個問題，研究人員開發(fā)了一種新算法來縮小文件大小，使metalens與目前用于制造集成電路的技術兼容。在最近發(fā)表在Optics Express上的一篇論文中，研究人員展示了直徑達厘米或更大的變速元的設計和制造。

“這項研究提供了統(tǒng)一兩個行業(yè)，半導體制造和鏡片制造的可能性，其中用于制造計算機芯片的相同技術將用于制造基于表面的光學元件，例如鏡頭，”Capasso說。

接下來，研究人員需要將大型元透鏡粘附到人造肌肉上，而不會損害其聚焦光的能力。在人眼中，鏡片被睫狀肌包圍，睫狀肌拉伸或壓縮鏡片，改變其形狀以調(diào)整其焦距。Capasso和他的團隊與SEAS的Extended Tarr材料系列教授David Clarke合作，并且是介電彈性體致動器(也稱為人造肌肉)的工程應用領域的先驅。

研究人員選擇了一種薄而透明的介電彈性體，其低損耗意味著光穿過材料，幾乎沒有散射 - 附著在鏡頭上。為此，他們需要開發(fā)一個平臺，將鏡片轉移并粘附在柔軟的表面上。

克拉克說：“彈性體幾乎在各個方面與半導體如此不同，挑戰(zhàn)在于如何將其屬性結合起來創(chuàng)造一種新穎的多功能設備，特別是如何設計制造路線。” “作為20世紀60年代中期開發(fā)第一臺掃描電子顯微鏡(SEM)之一的人，作為創(chuàng)建具有SEM功能的光學顯微鏡(如實時像差控制)的一部分令人振奮。”

通過施加電壓來控制彈性體。隨著它的伸展，納米柱在鏡片表面的位置發(fā)生偏移?？梢酝ㄟ^控制支柱相對于其鄰居的位置和結構的總位移來調(diào)整元透鏡。研究人員還證明，鏡頭可以同時聚焦，控制由像散引起的像差，并執(zhí)行圖像偏移。

鏡片和肌肉一起只有30微米厚。

“所有具有多個組件的光學系統(tǒng) - 從相機到顯微鏡和望遠鏡 - 在組件上都有輕微的不對準或機械應力，這取決于它們的構建方式和當前環(huán)境，這將導致少量的像散和其他像差，可以通過自適應光學元件進行校正，“她說。“因為自適應元透鏡是平坦的，你可以糾正這些像差，并將不同的光學能力集成到一個控制平面上。”

接下來，研究人員的目標是進一步改善鏡頭的功能并降低控制鏡頭所需的電壓。