O Adaptive Metalens Eye de Harvard combina força muscular para foco superior e clareza de imagem

• As metalens podem focar, realizar mudanças de imagem e controlar aberrações causadas por astigmatismos, tudo ao mesmo tempo. 
• O cristalino e o músculo juntos têm uma espessura total de 30 mícrons.
• A forma das metalens é controlada por um sinal elétrico para formar as frentes de onda ópticas necessárias. 

Pesquisadores da Universidade de Harvard construíram uma metalens adaptativa que controla três dos fatores cruciais de imagens borradas – Foco, Astigmatismo e Mudança de imagem. Este olho plano e controlado eletronicamente combina os avanços da tecnologia metalens com a tecnologia muscular artificial.

O olho artificial pode controlar simultaneamente todos os três fatores cruciais e pode ser configurado para mudar seu foco em tempo real. Funciona como um olho humano normal, no entanto, no futuro, a tecnologia pode ser melhorada ainda mais para fazer coisas que o olho humano não consegue fazer naturalmente, como a mudança de imagem dinamicamente correta e o astigmatismo.

A tecnologia também mostra a viabilidade do foco automático e zoom óptico integrados para diversas aplicações, desde óculos e microscópios ópticos até smartphones e dispositivos VR/AR.

Como eles fizeram isso?

Normalmente, os metalenses focam a luz e reduzem as aberrações esféricas por meio de um padrão de nanoestrutura denso que é menor que o comprimento de onda da luz. Por serem muito pequenas, a densidade de informação em cada lente é extremamente alta.

Para criar um olho artificial, a primeira tarefa é aumentar a escala dos metalens. No entanto, sempre que os cientistas tentavam fazer isso, o tamanho do arquivo do projeto por si só chegaria a terabytes.

Para lidar com esse problema, eles desenvolveram um algoritmo que comprime o tamanho do arquivo a um nível significativo, tornando os metalens compatíveis com as técnicas utilizadas para fabricar circuitos integrados. Os metalenses foram aumentados em centímetros de diâmetro.

Como você pode ver na imagem abaixo, a iridescência colorida dentro dos metalens (feitos de silício) é gerada pelo grande número de nanoestruturas.

Metalens de silício montados em folha de polímero transparente | Crédito: Harvard SEAS

Referência:Avanços da Ciência | doi:10.1126/sciadv.aap9957 | Harvard SEAS

O próximo passo é colar os metalens a um músculo artificial de uma forma que não afete a capacidade de foco de luz dos metalens. O cristalino natural do olho é cercado por músculos cilares, um anel de músculo liso que controla a acomodação para visualizar objetos em distâncias variadas, alterando o formato do cristalino.

Os cientistas selecionaram um elastômero dielétrico fino e transparente para fixar à lente, através do qual a luz pode viajar com menos dispersão. Eles construíram uma plataforma totalmente nova para transferir e aderir as lentes à superfície macia. Escusado será dizer que este foi o maior desafio em todo o processo de desenvolvimento de um olho artificial.

Metlens focando raio de luz em um sensor de imagem | Crédito: Capasso Lab / Harvard SEAS

Como você pode ver na imagem acima, a forma das metalens é controlada por um sinal elétrico para formar as frentes de onda ópticas necessárias (vermelho). 

O elastômero é ajustado aplicando tensão variável. A posição dos nanopilares na superfície da lente muda quando o elastômero se estica. A posição dos pilares em relação aos seus vizinhos e o deslocamento total das estruturas poderiam ser utilizados para configurar os metalens.

O cristalino e o músculo juntos têm uma espessura total de 30 mícrons. Ele pode focar, realizar mudanças de imagem e controlar aberrações causadas por astigmatismos, tudo ao mesmo tempo.

Teste de confiabilidade

A confiabilidade do instrumento foi testada com uma tensão senoidal variando de 2 a 100 hertz com amplitude de 2,5 kV. Não falhou em nada, nem a qualidade da imagem pareceu degradar após mil ciclos.

Porém, foi observada ruptura dielétrica em quase 3,5 kV, quando a corrente elétrica começou a fluir através dele, danificando o instrumento. Foi um colapso “suave” associado às queimadas locais. Os mesmos instrumentos foram capazes de retomar a operação após desligar e ligar a energia.

Mais aplicativos

Quase todos os dispositivos ópticos com vários módulos (incluindo telescópios, microscópios e câmeras) contêm muito poucas tensões/desalinhamentos mecânicos em seus módulos. Isso geralmente se baseia em como foram criados e no ambiente que causa pequenas aberrações.

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Esses erros poderiam ser corrigidos através do componente óptico adaptativo. Como as metalens descritas aqui são planas, pode-se usá-las para corrigir essas aberrações e integrar inúmeras capacidades ópticas em um único plano de controle.

Por enquanto, o próximo objetivo é melhorar ainda mais a funcionalidade dos metalens e, ao mesmo tempo, reduzir a tensão necessária para operá-los.