Harvards Adaptive Metalens Eye vereint Muskelkraft für überlegene Fokussierung und Bildklarheit

• Die Metalllinsen können gleichzeitig fokussieren, eine Bildverschiebung durchführen und durch Astigmatismus verursachte Aberrationen kontrollieren. 
• Linse und Muskel haben zusammen eine Gesamtdicke von 30 Mikrometern.
• Die Form der Metalle wird durch ein elektrisches Signal gesteuert, um die notwendigen optischen Wellenfronten zu bilden. 

Forscher der Harvard University haben ein adaptives Metallobjektiv entwickelt, das drei der entscheidenden Faktoren für unscharfe Bilder kontrolliert – Fokus, Astigmatismus und Bildverschiebung. Dieses flache, elektronisch gesteuerte Auge kombiniert die Fortschritte der Metalens-Technologie mit der künstlichen Muskeltechnologie.

Das künstliche Auge kann alle drei entscheidenden Faktoren gleichzeitig steuern und kann so konfiguriert werden, dass es seinen Fokus in Echtzeit ändert. Es funktioniert wie ein normales menschliches Auge. In Zukunft kann die Technologie jedoch weiter verbessert werden, um Dinge zu tun, die das menschliche Auge von Natur aus nicht kann, wie z. B. die dynamische Korrektur von Bildverschiebungen und Astigmatismus.

Die Technologie zeigt auch die Machbarkeit eines integrierten Autofokus und optischen Zooms für verschiedene Anwendungen, von Brillen und optischen Mikroskopen bis hin zu Smartphones und VR/AR-Geräten.

Wie haben sie das gemacht?

Normalerweise fokussieren Metalllinsen das Licht und reduzieren sphärische Aberrationen über ein dichtes Nanostrukturmuster, das kleiner als die Wellenlänge des Lichts ist. Da sie zu klein sind, ist die Informationsdichte in jedem Objektiv extrem hoch.

Um ein künstliches Auge zu schaffen, besteht die allererste Aufgabe darin, die Metalle zu vergrößern. Wann immer Wissenschaftler dies jedoch versuchten, erreichte allein die Dateigröße des Entwurfs bis zu Terabyte.

Um dieses Problem zu lösen, entwickelten sie einen Algorithmus, der die Größe der Datei erheblich komprimiert und so Metalens mit den Techniken kompatibel macht, die zur Herstellung integrierter Schaltkreise verwendet werden. Die Metalenses wurden auf Zentimeter im Durchmesser vergrößert.

Wie Sie im Bild unten sehen können, wird das farbenfrohe Schillern innerhalb der Metalle (aus Silizium) durch die große Anzahl an Nanostrukturen erzeugt.

Siliziummetalle auf transparenter Polymerfolie montiert | Bildnachweis: Harvard SEAS

Referenz:Wissenschaftliche Fortschritte | doi:10.1126/sciadv.aap9957 | Harvard SEAS

Der nächste Schritt besteht darin, die Metalllinsen so an einem künstlichen Muskel zu befestigen, dass die Lichtfokussierungsfähigkeit der Metalllinsen nicht beeinträchtigt wird. Die natürliche Augenlinse ist von Zilienmuskeln umgeben, einem Ring aus glatter Muskulatur, der die Akkommodation für die Betrachtung von Objekten in unterschiedlichen Entfernungen steuert, indem er die Form der Linse verändert.

Die Wissenschaftler wählten ein dünnes, transparentes dielektrisches Elastomer zur Befestigung an der Linse, durch das Licht mit geringerer Streuung wandern kann. Sie bauten eine völlig neue Plattform für die Übertragung und Befestigung der Linse auf der weichen Oberfläche. Es versteht sich von selbst, dass dies die größte Herausforderung im gesamten Prozess der Entwicklung eines künstlichen Auges war.

Metlens fokussieren Lichtstrahl auf einen Bildsensor | Bildnachweis: Capasso Lab / Harvard SEAS

Wie Sie im Bild oben sehen können, wird die Form der Metalle durch ein elektrisches Signal gesteuert, um die notwendigen optischen Wellenfronten (rot) zu bilden. 

Durch Anlegen unterschiedlicher Spannung wird das Elastomer abgestimmt. Die Position der Nanosäulen auf der Oberfläche der Linse verschiebt sich, wenn sich das Elastomer ausdehnt. Die Position der Säulen im Verhältnis zu ihren Nachbarn und die Gesamtverschiebung der Strukturen könnten zur Konfiguration der Metallelemente genutzt werden.

Linse und Muskel haben zusammen eine Gesamtdicke von 30 Mikrometern. Es kann gleichzeitig fokussieren, eine Bildverschiebung durchführen und durch Astigmatismus verursachte Aberrationen kontrollieren.

Zuverlässigkeitstest

Die Zuverlässigkeit des Instruments wurde mit einer Sinusspannung im Bereich von 2 bis 100 Hertz und einer Amplitude von 2,5 kV getestet. Es hat überhaupt nichts versagt, und die Bildqualität schien sich auch nach tausend Zyklen nicht zu verschlechtern.

Allerdings wurde bei fast 3,5 kV ein dielektrischer Durchschlag beobachtet, als der elektrische Strom durch das Gerät zu fließen begann und das Instrument beschädigte. Es handelte sich um einen „sanften“ Zusammenbruch, der mit lokalen Bränden einherging. Dieselben Instrumente konnten den Betrieb nach dem Aus- und Einschalten wieder aufnehmen.

Weitere Anwendungen

Fast alle optischen Geräte mit mehreren Modulen (einschließlich Teleskope, Mikroskope und Kameras) weisen nur sehr geringe mechanische Spannungen/Fehlausrichtungen auf ihren Modulen auf. Dies hängt in der Regel von der Entstehungsweise und der Umgebung ab, die leichte Abweichungen hervorrufen.

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Diese Fehler könnten durch eine adaptive optische Komponente korrigiert werden. Da die hier beschriebene Metalllinse flach ist, kann man damit diese Aberrationen korrigieren und zahlreiche optische Funktionen auf einer einzigen Steuerungsebene integrieren.

Das nächste Ziel besteht vorerst darin, die Funktionalität der Metalens weiter zu verbessern und gleichzeitig die für ihren Betrieb erforderliche Spannung zu reduzieren.