Adaptive metalens maintains focus with artificial muscle / Le lenti di metallo adattive risultano utili con i muscoli artificiali
Artificial muscle and metalens technology have been combined to create a tuneable metalens that can change its focus in real time.
Developed by researchers at the Harvard John A Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), the adaptive metalens is said to simultaneously control three of the major contributors to blurry images, namely focus, astigmatism, and image shift. The research is published in Science Advances.
“This research combines breakthroughs in artificial muscle technology with metalens technology to create a tuneable metalens that can change its focus in real time, just like the human eye,” said Alan She, a graduate student at SEAS and first author of the paper. “We go one step further to build the capability of dynamically correcting for aberrations such as astigmatism and image shift, which the human eye cannot naturally do.”
“This demonstrates the feasibility of embedded optical zoom and autofocus for a wide range of applications including cell phone cameras, eyeglasses and virtual and augmented reality hardware,” said Federico Capasso, Robert L Wallace Professor of Applied Physics and Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering at SEAS and senior author of the paper. “It also shows the possibility of future optical microscopes, which operate fully electronically and can correct many aberrations simultaneously.”
To build the artificial eye the team had to scale-up metalenses, which are currently very small and focus light – and eliminate spherical aberrations – through a dense pattern of nanostructures, each smaller than a wavelength of light.
“Because the nanostructures are so small, the density of information in each lens is incredibly high,” said She. “If you go from a 100 micron-sized lens to a centimetre sized lens, you will have increased the information required to describe the lens by ten thousand. Whenever we tried to scale-up the lens, the file size of the design alone would balloon up to gigabytes or even terabytes.”
The team overcame this by developing a new algorithm to shrink the file size and, in a paper published in Optics Express, the researchers demonstrated the design and fabrication of metalenses up to centimetres or more in diameter.
The team then had to join the large metalens to an artificial muscle without compromising its ability to focus light. In the human eye, the lens is surrounded by ciliary muscle, which stretches or compresses the lens, changing its shape to adjust its focal length.
Capasso and colleagues collaborated with David Clarke, Extended Tarr Family Professor of Materials at SEAS and a pioneer in the field of engineering applications of dielectric elastomer actuators (artificial muscles).
The researchers chose a thin, transparent dielectric elastomer with low loss to attach to the lens. The elastomer is controlled by applying voltage and as it stretches, the position of nanopillars on the surface of the lens shift. Controlling the position of the pillars and the total displacement of the structures helps tune the metalens. The researchers also demonstrated that the lens can simultaneously focus, control aberrations caused by astigmatisms, as well as perform image shift.
Together, the lens and muscle are 30 microns thick.
“All optical systems with multiple components – from cameras to microscopes and telescopes – have slight misalignments or mechanical stresses on their components, depending on the way they were built and their current environment, that will always cause small amounts of astigmatism and other aberrations, which could be corrected by an adaptive optical element,” said She. “Because the adaptive metalens is flat, you can correct those aberrations and integrate different optical capabilities onto a single plane of control.”
The researchers now plan to improve the functionality of the lens and decrease the voltage required to control it. The Harvard Office of Technology Development has protected the intellectual property relating to this project and is exploring commercialisation opportunities.
ITALIANO
La tecnologia dei muscoli artificiali e delle lenti di metallo è stata combinata per creare un metallo sintonizzabile che può cambiare la sua messa a fuoco in tempo reale.
Sviluppato da ricercatori della Harvard John A Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), si dice che le lenti di metallo adattative controllino simultaneamente tre dei maggiori contributori a immagini sfocate, ovvero messa a fuoco, astigmatismo e spostamento dell'immagine. La ricerca è stata pubblicata su Science Advances.
"Questa ricerca combina le innovazioni nella tecnologia dei muscoli artificiali con la tecnologia delle lenti di metallo per creare una lente di metallo sintonizzabile che può cambiare la sua messa a fuoco in tempo reale, proprio come l'occhio umano", ha detto Alan She, uno studente laureato alla SEAS e primo autore del documento. "Facciamo un ulteriore passo in avanti per costruire la capacità di correggere dinamicamente le aberrazioni come l'astigmatismo e lo spostamento dell'immagine, che l'occhio umano non può naturalmente fare".
"Questo dimostra la fattibilità dello zoom ottico incorporato e dell'autofocus per una vasta gamma di applicazioni, tra cui fotocamere, occhiali da vista e hardware di realtà virtuale e aumentata", ha affermato Federico Capasso, Robert L Wallace Professore di Applied Physics e Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Ingegneria presso SEAS e autore senior del lavoro. "Mostra anche la possibilità di futuri microscopi ottici, che funzionano completamente elettronicamente e possono correggere molte aberrazioni simultaneamente."
Per costruire l'occhio artificiale il gruppo ha dovuto aumentare i metalometri, che attualmente sono molto piccoli e focalizzano la luce - ed eliminare le aberrazioni sferiche - attraverso un modello denso di nanostrutture, ciascuna più piccola di una lunghezza d'onda della luce.
"Poiché le nanostrutture sono così piccole, la densità delle informazioni in ogni obiettivo è incredibilmente alta", ha affermato. "Se passi da un obiettivo da 100 micron a un obiettivo di un centimetro, avrai aumentato le informazioni necessarie per descrivere l'obiettivo di diecimila. Ogni volta che provavamo a ridimensionare l'obiettivo, le dimensioni del file del progetto da sole arrivavano a gigabyte o addirittura terabyte ".
Il gruppo ha superato questo problema sviluppando un nuovo algoritmo per ridurre le dimensioni del file e, in un documento pubblicato su Optics Express, i ricercatori hanno dimostrato la progettazione e la fabbricazione di lenti di metallo fino a un centimetro o più di diametro.
Il gruppo ha quindi dovuto unire i grandi metalleni con un muscolo artificiale senza compromettere la sua capacità di focalizzare la luce. Nell'occhio umano, l'obiettivo è circondato da muscolo ciliare, che allunga o comprime l'obiettivo, cambiando la sua forma per regolare la sua lunghezza focale.
Capasso e colleghi hanno collaborato con David Clarke, Professore di materiali della famiglia Extended Tarr presso SEAS e un pioniere nel campo delle applicazioni di ingegneria degli attuatori di elastomero dielettrico (muscoli artificiali).
I ricercatori hanno scelto un elastomero dielettrico sottile e trasparente con bassa perdita da collegare all'obiettivo. L'elastomero viene controllato applicando la tensione e allungando la posizione dei nanopillari sulla superficie dello spostamento dell'obiettivo. Il controllo della posizione dei pilastri e lo spostamento totale delle strutture aiuta a mettere a punto le lenti di metallo. I ricercatori hanno anche dimostrato che l'obiettivo può simultaneamente focalizzare, controllare le aberrazioni causate da astigmatismi, nonché eseguire lo spostamento dell'immagine.
Insieme, la lente e il muscolo hanno uno spessore di 30 micron.
"Tutti i sistemi ottici con più componenti - dalle fotocamere ai microscopi ed ai telescopi - hanno lievi disallineamenti o sollecitazioni meccaniche sui loro componenti, a seconda del modo in cui sono stati costruiti e del loro ambiente attuale, che causano sempre piccole quantità di astigmatismo e altre aberrazioni, che potrebbe essere corretto da un elemento ottico adattivo ", ha detto She. "Poiché le lenti di metalli adattivi sono piatti, puoi correggere quelle aberrazioni e integrare diverse capacità ottiche su un unico piano di controllo."
I ricercatori ora intendono migliorare la funzionalità dell'obiettivo e ridurre la tensione necessaria per controllarlo. L'Office of Technology Development di Harvard ha protetto la proprietà intellettuale relativa a questo progetto e sta esplorando le opportunità di commercializzazione.
Da:
https://www.theengineer.co.uk/adaptive-metalens-artificial-muscle/?cmpid=tenews_4806123&utm_medium=email&utm_source=newsletter&utm_campaign=tenews&adg=B69ABBDE-DA23-4BA2-B8C3-86E1E1A9FA79
Commenti
Posta un commento