人工眼科和肌肉技术的突破

受人眼启发，哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员开发了一种适应性元透镜，它基本上是一种扁平的，电子控制的人工眼。自适应元透镜同时控制模糊图像的三个主要因素：聚焦，散光和图像偏移。

该研究发表在Science Advances上。

“这项研究结合了人工肌肉技术与metalens技术的突破，创造了一个可调节的元透镜，可以像人眼那样实时改变焦点，”艺术与科学研究生院SEAS研究生Alan She表示。和论文的第一作者。“我们更进一步，以建立动态校正像差的能力，如人眼无法做到的散光和图像偏移。”

“这证明了嵌入式光学变焦和自动对焦在各种应用中的可行性，包括手机相机，眼镜，虚拟和增强现实硬件，”应用物理学教授Robert L. Wallace和Vinton Hayes Senior的Federico Capasso说。 SEAS电气工程研究员和论文的高级作者。“它还展示了未来光学显微镜的可能性，它可以完全电子化操作并可以同时校正许多像差。”

哈佛技术开发办公室保护了与该项目有关的知识产权，并正在探索商业化机会。

为了构建人工眼，研究人员首先需要扩大metalens。

Metalenses通过密集的纳米结构图案聚焦光线并消除球面像差，每个纳米结构都小于光的波长。早期的metalenses大约是一块闪光的大小。

“由于纳米结构非常小，每个镜头的信息密度都非常高，”她说。“如果你从100微米尺寸的镜头变成厘米尺寸的镜头，你将增加描述镜头所需的信息10,000。每当我们试图放大镜头时，设计的文件大小就会膨胀高达千兆字节甚至太字节。“

为了解决这个问题，研究人员开发了一种新算法来缩小文件大小，使metalens与目前用于制造集成电路的技术兼容。在最近发表在Optics Express上的一篇论文中，研究人员展示了直径达厘米或更大的变速元的设计和制造。

“这项研究提供了统一两个行业，半导体制造和镜片制造的可能性，其中用于制造计算机芯片的相同技术将用于制造基于表面的光学元件，例如镜头，”Capasso说。

接下来，研究人员需要将大型元透镜粘附到人造肌肉上，而不会损害其聚焦光的能力。在人眼中，镜片被睫状肌包围，睫状肌拉伸或压缩镜片，改变其形状以调整其焦距。Capasso和他的团队与SEAS的Extended Tarr材料系列教授David Clarke合作，并且是介电弹性体致动器(也称为人造肌肉)的工程应用领域的先驱。

研究人员选择了一种薄而透明的介电弹性体，其低损耗意味着光穿过材料，几乎没有散射 - 附着在镜头上。为此，他们需要开发一个平台，将镜片转移并粘附在柔软的表面上。

克拉克说：“弹性体几乎在各个方面与半导体如此不同，挑战在于如何将其属性结合起来创造一种新颖的多功能设备，特别是如何设计制造路线。” “作为20世纪60年代中期开发第一台扫描电子显微镜(SEM)之一的人，作为创建具有SEM功能的光学显微镜(如实时像差控制)的一部分令人振奋。”

通过施加电压来控制弹性体。随着它的伸展，纳米柱在镜片表面的位置发生偏移。可以通过控制支柱相对于其邻居的位置和结构的总位移来调整元透镜。研究人员还证明，镜头可以同时聚焦，控制由像散引起的像差，并执行图像偏移。

镜片和肌肉一起只有30微米厚。

“所有具有多个组件的光学系统 - 从相机到显微镜和望远镜 - 在组件上都有轻微的不对准或机械应力，这取决于它们的构建方式和当前环境，这将导致少量的像散和其他像差，可以通过自适应光学元件进行校正，“她说。“因为自适应元透镜是平坦的，你可以纠正这些像差，并将不同的光学能力集成到一个控制平面上。”

接下来，研究人员的目标是进一步改善镜头的功能并降低控制镜头所需的电压。