人工眼科和肌肉技術(shù)的突破

受人眼啟發(fā)，哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的研究人員開發(fā)了一種適應(yīng)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(yīng)元透鏡同時(shí)控制模糊圖像的三個(gè)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(xiàng)研究結(jié)合了人工肌肉技術(shù)與metalens技術(shù)的突破，創(chuàng)造了一個(gè)可調(diào)節(jié)的元透鏡，可以像人眼那樣實(shí)時(shí)改變焦點(diǎn)，”藝術(shù)與科學(xué)研究生院SEAS研究生Alan She表示。和論文的第一作者。“我們更進(jìn)一步，以建立動(dòng)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(xué)變焦和自動(dòng)對(duì)焦在各種應(yīng)用中的可行性，包括手機(jī)相機(jī)，眼鏡，虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)硬件，”應(yīng)用物理學(xué)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(jí)作者。“它還展示了未來光學(xué)顯微鏡的可能性，它可以完全電子化操作并可以同時(shí)校正許多像差。”

哈佛技術(shù)開發(fā)辦公室保護(hù)了與該項(xiàng)目有關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并正在探索商業(yè)化機(jī)會(huì)。

為了構(gòu)建人工眼，研究人員首先需要擴(kuò)大metalens。

Metalenses通過密集的納米結(jié)構(gòu)圖案聚焦光線并消除球面像差，每個(gè)納米結(jié)構(gòu)都小于光的波長(zhǎng)。早期的metalenses大約是一塊閃光的大小。

“由于納米結(jié)構(gòu)非常小，每個(gè)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(dāng)我們?cè)噲D放大鏡頭時(shí)，設(shè)計(jì)的文件大小就會(huì)膨脹高達(dá)千兆字節(jié)甚至太字節(jié)。“

為了解決這個(gè)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(shù)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(dá)厘米或更大的變速元的設(shè)計(jì)和制造。

“這項(xiàng)研究提供了統(tǒng)一兩個(gè)行業(yè)，半導(dǎo)體制造和鏡片制造的可能性，其中用于制造計(jì)算機(jī)芯片的相同技術(shù)將用于制造基于表面的光學(xué)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(huì)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(tuán)隊(duì)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(dòng)器(也稱為人造肌肉)的工程應(yīng)用領(lǐng)域的先驅(qū)。

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(gè)平臺(tái)，將鏡片轉(zhuǎn)移并粘附在柔軟的表面上。

克拉克說：“彈性體幾乎在各個(gè)方面與半導(dǎo)體如此不同，挑戰(zhàn)在于如何將其屬性結(jié)合起來創(chuàng)造一種新穎的多功能設(shè)備，特別是如何設(shè)計(jì)制造路線。” “作為20世紀(jì)60年代中期開發(fā)第一臺(tái)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(xué)顯微鏡(如實(shí)時(shí)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(duì)于其鄰居的位置和結(jié)構(gòu)的總位移來調(diào)整元透鏡。研究人員還證明，鏡頭可以同時(shí)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(gè)組件的光學(xué)系統(tǒng) - 從相機(jī)到顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡 - 在組件上都有輕微的不對(duì)準(zhǔn)或機(jī)械應(yīng)力，這取決于它們的構(gòu)建方式和當(dāng)前環(huán)境，這將導(dǎo)致少量的像散和其他像差，可以通過自適應(yīng)光學(xué)元件進(jìn)行校正，“她說。“因?yàn)樽赃m應(yīng)元透鏡是平坦的，你可以糾正這些像差，并將不同的光學(xué)能力集成到一個(gè)控制平面上。”

接下來，研究人員的目標(biāo)是進(jìn)一步改善鏡頭的功能并降低控制鏡頭所需的電壓。