Les metalens (faits de silicium) sont montés sur un transparent, film de polymère extensible, sans aucune électrode. L'irisation est produite par le grand nombre de nanostructures au sein des métalens. Crédit :Alan She/ Harvard SEAS
Inspiré de l'œil humain, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé un métalène adaptatif qui est essentiellement un plat, œil artificiel à commande électronique. Les métaux adaptatifs contrôlent simultanément trois des principaux contributeurs aux images floues :la mise au point, astigmatisme, et le décalage de l'image.
La recherche est publiée dans Avancées scientifiques .
"Cette recherche combine des percées dans la technologie des muscles artificiels avec la technologie des métalens pour créer un métalens accordable qui peut changer son objectif en temps réel, tout comme l'œil humain, " dit Alan She, un étudiant diplômé SEAS à la Graduate School of Arts and Sciences, et premier auteur de l'article. "Nous allons encore plus loin pour développer la capacité de correction dynamique des aberrations telles que l'astigmatisme et le décalage d'image, ce que l'œil humain ne peut pas faire naturellement."
« Cela démontre la faisabilité du zoom optique et de la mise au point automatique intégrés pour un large éventail d'applications, y compris les caméras des téléphones portables, lunettes, et du matériel de réalité virtuelle et augmentée, " a déclaré Federico Capasso, le professeur Robert L. Wallace de physique appliquée et Vinton Hayes chercheur principal en génie électrique à SEAS et auteur principal de l'article. "Cela montre aussi la possibilité de futurs microscopes optiques, qui fonctionnent entièrement électroniquement et peuvent corriger de nombreuses aberrations simultanément."
Le Harvard Office of Technology Development a protégé la propriété intellectuelle relative à ce projet et explore les possibilités de commercialisation.
Pour construire l'œil artificiel, les chercheurs devaient d'abord augmenter les métaux.
L'appareil réel, dans lequel les métaux adaptatifs (au centre) sont contrôlés par des électrodes intégrées en nanotubes de carbone. Crédit :Alan She/ Harvard SEAS
Les Metalenses focalisent la lumière et éliminent les aberrations sphériques grâce à un motif dense de nanostructures, chacune plus petite qu'une longueur d'onde de la lumière. Les métalenses antérieures avaient à peu près la taille d'un seul morceau de paillettes.
"Parce que les nanostructures sont si petites, la densité d'informations dans chaque lentille est incroyablement élevée, " dit-elle. " Si vous passez d'une lentille de 100 microns à une lentille de centimètre, vous aurez augmenté de 10 les informations nécessaires pour décrire la lentille, 000. Chaque fois que nous avons essayé d'agrandir l'objectif, la taille du fichier de la conception à elle seule gonflerait jusqu'à des gigaoctets, voire des téraoctets."
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont développé un nouvel algorithme pour réduire la taille du fichier afin de rendre les métaux compatibles avec la technologie actuellement utilisée pour fabriquer des circuits intégrés. Dans un article récemment publié dans Optique Express , les chercheurs ont démontré la conception et la fabrication de métalenses d'un diamètre allant jusqu'à quelques centimètres ou plus.
"Cette recherche offre la possibilité d'unifier deux industries, fabrication de semi-conducteurs et fabrication de lentilles, où la même technologie utilisée pour fabriquer des puces informatiques sera utilisée pour fabriquer des composants optiques à base de métasurface, tels que les lentilles, " dit Capasso.
Prochain, les chercheurs devaient faire adhérer les gros métalens à un muscle artificiel sans compromettre sa capacité à focaliser la lumière. Dans l'œil humain, le cristallin est entouré de muscle ciliaire, qui étire ou comprime le cristallin, changer sa forme pour ajuster sa distance focale. Capasso et son équipe ont collaboré avec David Clarke, Professeur de la famille Tarr étendu des matériaux à SEAS et pionnier dans le domaine des applications d'ingénierie des actionneurs en élastomère diélectrique, également connu sous le nom de muscles artificiels.
Les chercheurs ont choisi un mince, élastomère diélectrique transparent à faible perte, c'est-à-dire que la lumière traverse le matériau avec peu de diffusion, pour se fixer à la lentille. Faire cela, ils avaient besoin de développer une plate-forme pour transférer et faire adhérer la lentille à la surface molle.
Les métaux adaptatifs concentrent les rayons lumineux sur un capteur d'image. Un signal électrique contrôle la forme des métaux pour produire les fronts d'ondes optiques souhaités (indiqués en rouge), résultant en de meilleures images. Crédit :Alan She/ Harvard SEAS
« Les élastomères sont si différents à presque tous égards des semi-conducteurs que le défi a été de savoir comment marier leurs attributs pour créer un nouveau dispositif multifonctionnel et, surtout, comment concevoir une filière de fabrication, " a déclaré Clarke. " En tant que personne qui a travaillé sur l'un des premiers microscopes électroniques à balayage (SEM) au milieu des années 1960, c'est exaltant de participer à la création d'un microscope optique avec les capacités d'un MEB, comme le contrôle des aberrations en temps réel."
L'élastomère est contrôlé en appliquant une tension. Au fur et à mesure qu'il s'étire, la position des nanopiliers à la surface du lens shift. Les métaux peuvent être réglés en contrôlant à la fois la position des piliers par rapport à leurs voisins et le déplacement total des structures. Les chercheurs ont également démontré que l'objectif peut simultanément se concentrer, contrôler les aberrations causées par les astigmatismes, et effectuer un décalage d'image.
Ensemble, le cristallin et le muscle ne font que 30 microns d'épaisseur.
"Tous les systèmes optiques à composants multiples, des caméras aux microscopes et télescopes, présentent de légers défauts d'alignement ou des contraintes mécaniques sur leurs composants, selon leur mode de construction et leur environnement actuel, qui causera toujours de petites quantités d'astigmatisme et d'autres aberrations, qui pourrait être corrigé par un élément optique adaptatif, " dit-elle. " Parce que le métalène adaptatif est plat, vous pouvez corriger ces aberrations et intégrer différentes capacités optiques sur un seul plan de contrôle."
Prochain, les chercheurs visent à améliorer encore la fonctionnalité de la lentille et à diminuer la tension requise pour la contrôler.
Cette histoire est publiée avec l'aimable autorisation de la Harvard Gazette, Journal officiel de l'université Harvard. Pour des nouvelles universitaires supplémentaires, visitez Harvard.edu.
