L'œil adaptatif Metalens de Harvard combine la puissance musculaire pour une mise au point et une clarté d'image supérieures

• Les metalens peuvent simultanément effectuer la mise au point, effectuer un décalage d'image et contrôler les aberrations provoquées par les astigmatismes. 
• Le cristallin et le muscle ont ensemble une épaisseur totale de 30 microns.
• La forme des métaux est contrôlée par un signal électrique pour former les fronts d'onde optiques nécessaires. 

Des chercheurs de l'Université Harvard ont construit un métal adaptatif qui contrôle 3 des facteurs cruciaux des images floues :la mise au point, l'astigmatisme et le décalage de l'image. Cet œil plat contrôlé électroniquement combine les avancées de la technologie des métaux avec la technologie des muscles artificiels.

L’œil artificiel peut contrôler simultanément les 3 facteurs cruciaux et peut être configuré pour modifier sa focalisation en temps réel. Il fonctionne comme un œil humain normal, mais à l'avenir, la technologie pourra être encore améliorée pour faire des choses que l'œil humain ne peut pas faire naturellement, comme corriger dynamiquement le décalage d'image et l'astigmatisme.

La technologie montre également la faisabilité de l'autofocus et du zoom optique intégrés pour plusieurs applications, allant des lunettes et microscopes optiques aux smartphones et appareils VR/AR.

Comment ont-ils fait cela ?

Habituellement, les lentilles métalliques concentrent la lumière et réduisent les aberrations sphériques via un motif de nanostructure dense plus petit que la longueur d’onde de la lumière. Comme ils sont trop petits, la densité d'informations dans chaque lentille est extrêmement élevée.

Pour créer un œil artificiel, la toute première tâche consiste à agrandir les métaux. Cependant, chaque fois que les scientifiques essayaient de le faire, la taille du fichier de conception à elle seule atteignait jusqu'à téraoctets.

Pour résoudre ce problème, ils ont développé un algorithme qui compresse la taille du fichier à un niveau significatif, rendant les métaux compatibles avec les techniques utilisées pour fabriquer des circuits intégrés. Les lentilles métalliques ont été agrandies jusqu'à quelques centimètres de diamètre.

Comme vous pouvez le voir sur l'image ci-dessous, l'irisation colorée à l'intérieur des métaux (en silicium) est générée par le grand nombre de nanostructures.

Métal de silicium monté sur feuille de polymère transparente | Crédit : Harvard SEAS

Référence :Progrès scientifiques | est ce que je:10.1126/sciadv.aap9957 | SEAS de Harvard

L’étape suivante consiste à coller les métaux sur un muscle artificiel de manière à ce que cela n’ait pas d’impact sur la capacité de focalisation de la lumière des métaux. Le cristallin naturel est entouré de muscles cilaires, un anneau de muscles lisses qui contrôlent l'accommodation pour visualiser des objets à différentes distances en modifiant la forme du cristallin.

Les scientifiques ont sélectionné un élastomère diélectrique fin et transparent à fixer sur la lentille, à travers lequel la lumière peut voyager avec moins de diffusion. Ils ont construit une toute nouvelle plate-forme pour transférer et faire adhérer la lentille à la surface molle. Inutile de dire que cela a été le plus grand défi de tout le processus de développement d'un œil artificiel.

Metlens focalisant un rayon lumineux sur un capteur d'image | Crédit : Capasso Lab / Harvard SEAS

Comme vous pouvez le voir sur l'image ci-dessus, la forme des métaux est contrôlée par un signal électrique pour former les fronts d'onde optiques nécessaires (rouge). 

L'élastomère est réglé en appliquant une tension variable. La position des nanopiliers à la surface de la lentille change lorsque l’élastomère s’étire. La position des piliers par rapport à leurs voisins et le déplacement total des structures pourraient être utilisés pour configurer les metalens.

Le cristallin et le muscle ont ensemble une épaisseur totale de 30 microns. Il peut simultanément faire la mise au point, effectuer un décalage d'image et contrôler les aberrations causées par les astigmatismes.

Test de fiabilité

La fiabilité de l'instrument a été testée avec une tension sinusoïdale allant de 2 à 100 hertz à 2,5 kV d'amplitude. Cela n'a pas échoué du tout, et la qualité de l'image n'a pas semblé se dégrader après mille cycles.

Cependant, un claquage diélectrique a été observé à près de 3,5 kV, lorsque le courant électrique a commencé à le traverser, endommageant l'instrument. Il s’agissait d’une panne « douce » associée à un incendie local. Les mêmes instruments ont pu reprendre leur fonctionnement après une remise sous tension.

Plus d'applications

Presque tous les appareils optiques comportant plusieurs modules (y compris les télescopes, les microscopes et les caméras) contiennent très peu de contraintes/désalignements mécaniques sur leurs modules. Ceci est généralement basé sur la façon dont ils ont été créés et sur leur environnement qui provoque de légères aberrations.

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Ces erreurs pourraient être corrigées grâce à un composant optique adaptatif. Étant donné que le métal décrit ici est plat, on peut l'utiliser pour corriger ces aberrations et intégrer de nombreuses capacités optiques sur un seul plan de contrôle.

Pour l'instant, le prochain objectif est d'améliorer encore la fonctionnalité du métal tout en réduisant la tension nécessaire à son fonctionnement.