ハーバード大学のアダプティブメタレンズアイは筋力を組み合わせて優れた焦点と画像の鮮明さを実現します

ハーバード大学の研究者は、ぼやけた写真の 3 つの重要な要素、つまりフォーカス、乱視、イメージシフトを制御する適応メタレンズを構築しました。この電子制御された平らな目は、メタレンズ技術の進歩と人工筋肉技術を組み合わせています。

義眼は 3 つの重要な要素をすべて同時に制御でき、リアルタイムで焦点を変更するように構成できます。これは通常の人間の目と同じように機能しますが、将来的には、イメージシフトや非点収差を動的に修正するなど、人間の目では自然にできないことを実行できるようにテクノロジーがさらに改良される可能性があります。

このテクノロジーは、眼鏡や光学顕微鏡からスマートフォンや VR/AR デバイスに至るまで、いくつかのアプリケーションに対する組み込みのオートフォーカスと光学ズームの実現可能性も示しています。

通常、メタレンズは光の波長よりも小さい高密度のナノ構造パターンによって光を集束し、球面収差を低減します。小さすぎるため、各レンズの情報密度が非常に高くなります。

義眼を作成するための最初の作業は、メタレンズを拡大することです。しかし、科学者がこれを試みると、設計のファイルサイズだけでテラバイトに達することになります。

この問題に対処するために、彼らはファイルのサイズを大幅に圧縮するアルゴリズムを開発し、メタレンズを集積回路の製造に使用される技術と互換性のあるものにしました。メタレンズは直径数センチメートルまでスケールアップされました。

下の画像でわかるように、メタレンズ (シリコン製) 内のカラフルな虹色は、膨大な数のナノ構造によって生成されます。

透明ポリマーシートにシリコンメタレンズをマウント |クレジット:ハーバード大学 SEAS

参考:科学の進歩 | doi:10.1126/sciadv.aap9957 |ハーバード大学 SEAS

次のステップは、メタレンズの集光能力に影響を与えない方法でメタレンズを人工筋肉に貼り付けることです。自然な目の水晶体は、毛様体筋 (平滑筋の輪) に囲まれており、水晶体の形状を変えることで、さまざまな距離にある物体を見るための調節を制御します。

科学者らは、光が散乱を抑えて通過できる、レンズに取り付ける薄い透明な誘電エラストマーを選択しました。彼らは、レンズを柔らかい表面に転写して接着するためのまったく新しいプラットフォームを構築しました。言うまでもなく、これは義眼開発の全プロセスの中で最大の課題でした。

メトレンスが光線をイメージセンサー上に集光 |クレジット:Capasso Lab / Harvard SEAS

上の画像でわかるように、メタレンズの形状は電気信号によって制御され、必要な光波面 (赤) を形成します。

エラストマーは、電圧を変化させることによって調整されます。エラストマーが伸びると、レンズ表面上のナノピラーの位置が移動します。隣接する柱に対する柱の位置、および構造の総変位を使用して、メタレンズを構成できます。

水晶体と筋肉を合わせた合計の厚さは 30 ミクロンです。焦点合わせ、イメージシフトの実行、非点収差によって引き起こされる収差の制御をすべて同時に行うことができます。

信頼性テスト

機器の信頼性は、2.5 kV 振幅で 2 ～ 100 ヘルツの範囲の正弦波電圧を使用してテストされました。まったく失敗することはなく、1,000 サイクル後も画質が低下する様子はありませんでした。

しかし、電流が流れ始めると、3.5 kV近くで絶縁破壊が観察され、機器が損傷しました。それは局所的な燃焼に伴う「ソフトな」故障でした。同じ機器は、電源を入れ直しても動作を再開できました。

複数のモジュールを備えたほぼすべての光学デバイス (望遠鏡、顕微鏡、カメラなど) では、モジュールに機械的ストレスや位置ずれがほとんどありません。これは通常、その作成方法と、わずかな異常を引き起こす周囲の状況に基づいています。

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これらの誤差は、補償光学コンポーネントによって補正できます。ここで説明するメタレンズは平坦であるため、これを使用して収差を補正し、光学系の多数の機能を単一の制御面に統合できます。

現時点では、次の目標は、メタレンズの機能をさらに強化しながら、メタレンズの動作に必要な電圧を下げることです。

産業技術

ハーバード大学のアダプティブ メタレンズ アイは筋力を組み合わせて優れた焦点と画像の鮮明さを実現します