El ojo adaptativo Metalens de Harvard combina la potencia muscular para lograr un enfoque y una claridad de imagen superiores

• Las lentes metálicas pueden enfocar, realizar cambios de imagen y controlar las aberraciones causadas por los astigmatismos, todo al mismo tiempo. 
• El cristalino y el músculo juntos tienen un espesor total de 30 micras.
• La forma de las lentes metálicas está controlada por una señal eléctrica para formar los frentes de onda ópticos necesarios. 

Investigadores de la Universidad de Harvard han construido una lente metálica adaptativa que controla tres de los factores cruciales de las imágenes borrosas:enfoque, astigmatismo y cambio de imagen. Este ojo plano controlado electrónicamente combina los avances en la tecnología de metales con la tecnología de músculos artificiales.

El ojo artificial puede controlar simultáneamente los tres factores cruciales y puede configurarse para cambiar su enfoque en tiempo real. Funciona como un ojo humano normal; sin embargo, en el futuro, la tecnología se puede mejorar aún más para hacer cosas que el ojo humano no puede hacer de forma natural, como el cambio de imagen dinámicamente correcto y el astigmatismo.

La tecnología también muestra la viabilidad del enfoque automático y el zoom óptico incorporados para varias aplicaciones, desde anteojos y microscopios ópticos hasta teléfonos inteligentes y dispositivos VR/AR.

¿Cómo hicieron eso?

Por lo general, los metalentes enfocan la luz y reducen las aberraciones esféricas mediante un patrón denso de nanoestructura que es más pequeño que la longitud de onda de la luz. Como son demasiado pequeños, la densidad de información en cada lente es extremadamente alta.

Para crear un ojo artificial, la primera tarea es ampliar la escala de las lentes metálicas. Sin embargo, cada vez que los científicos intentaban hacer esto, el tamaño del archivo del diseño por sí solo alcanzaba los terabytes.

Para solucionar este problema, desarrollaron un algoritmo que comprime el tamaño del archivo a un nivel significativo, haciendo que las lentes metálicas sean compatibles con las técnicas utilizadas para fabricar circuitos integrados. Los metalenses fueron ampliados hasta centímetros de diámetro.

Como puede ver en la imagen a continuación, la colorida iridiscencia dentro de las lentes metálicas (hechas de silicio) es generada por una gran cantidad de nanoestructuras.

Metales de silicio montados sobre lámina de polímero transparente | Crédito: Harvard SEAS

Referencia:Avances científicos | doi:10.1126/sciadv.aap9957 | MARES de Harvard

El siguiente paso es pegar los metales a un músculo artificial de manera que no afecte la capacidad de enfoque de la luz de los metales. El cristalino natural del ojo está rodeado por músculos ciliares, un anillo de músculo liso que controla la acomodación para ver objetos a diferentes distancias cambiando la forma del cristalino.

Los científicos seleccionaron un elastómero dieléctrico delgado y transparente para fijarlo a la lente, a través de la cual la luz puede viajar con menos dispersión. Construyeron una plataforma completamente nueva para transferir y adherir la lente a la superficie blanda. No hace falta decir que este fue el mayor desafío en todo el proceso de desarrollo de un ojo artificial.

Metlens enfoca el rayo de luz en un sensor de imagen | Crédito: Laboratorio Capasso / Harvard SEAS

Como puede ver en la imagen de arriba, la forma de las lentes metálicas está controlada por una señal eléctrica para formar los frentes de onda ópticos necesarios (rojo). 

El elastómero se sintoniza aplicando voltaje variable. La posición de los nanopilares en la superficie de la lente cambia cuando el elastómero se estira. La posición de los pilares respecto a sus vecinos y el desplazamiento total de las estructuras podrían servir para configurar las metalentes.

El cristalino y el músculo juntos tienen un espesor total de 30 micras. Puede enfocar, realizar cambios de imagen y controlar las aberraciones causadas por los astigmatismos, todo al mismo tiempo.

Prueba de confiabilidad

La confiabilidad del instrumento se probó con un voltaje sinusoidal que oscilaba entre 2 y 100 hercios con una amplitud de 2,5 kV. No falló en absoluto ni la calidad de la imagen pareció degradarse después de mil ciclos.

Sin embargo, se observó una ruptura dieléctrica a casi 3,5 kV, cuando la corriente eléctrica comenzó a fluir a través de él, dañando el instrumento. Fue una avería “suave” asociada a la quema local. Los mismos instrumentos pudieron reanudar su funcionamiento después de apagar y encender.

Más aplicaciones

Casi todos los dispositivos ópticos con varios módulos (incluidos telescopios, microscopios y cámaras) contienen muy pocas tensiones mecánicas/desalineaciones en sus módulos. Esto generalmente se basa en cómo se crearon y su entorno que causa ligeras aberraciones.

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Estos errores podrían corregirse mediante un componente óptico adaptativo. Dado que la lente metálica descrita aquí es plana, se puede usar para corregir esas aberraciones e integrar numerosas capacidades de la óptica en un solo plano de control.

Por ahora, el próximo objetivo es mejorar aún más la funcionalidad de las lentes metálicas y al mismo tiempo reducir el voltaje necesario para operarlas.