Из металинзы и искусственной мышцы сделали «искусственный глаз»

Американские физики разработали металинзу, фокусное расстояние которой можно варьировать с помощью искусственных мышц. Механизм работы устройства аналогичен принципу работы человеческого глаза, в котором оптическая сила линзы меняется за счет ее сжатия и растяжения. Однако, в отличие от глаза, в предложенном устройстве можно одновременно с изменением фокусного расстояния корректировать астигматизм и возможный сдвиг изображения, сообщают ученые в статье в Science Advances.

Хрусталик человеческого глаза устроен таким образом, что с помощью цилиарной мышцы можно менять его кривизну. С помощью напряжения или расслабления мышцы радиус кривизны передней и задней поверхностей хрусталика можно менять от 5 до 10 миллиметров. За счет этого меняется и его фокусное расстояние: так, с помощью аккомодации оптическую силу хрусталика можно менять примерно от 19 до 33 диоптрий.

Американские физики из Гарвардского университета под руководством Дэвида Кларка (David R. Clarke) и Федерико Капассо (Federico Capasso) разработали искусственную оптическую систему, в которой фокусное расстояние можно менять аналогичным образом с помощью внешнего механического воздействия. В качестве основного элемента устройства ученые предложили использовать металинзы — периодический плоский массив наноструктур, расстояния между которыми меньше длины волны.

Оптические свойства металинз зависят не столько от вещества, из которого состоят наночастицы, сколько от их формы и расстояния между ними. Поэтому оптические параметры этой системы ученые предложили менять, варьируя как раз расстояния между наночастицами, из которых состоит металинза. При этом, кроме изменения оптической силы, ученые предлагают способ динамической коррекции аберраций в такой системе. Это можно сделать, управляя в такой системе астигматизмом (искажением изображения за счет отличий преломления падающего пучка света в его различных сечениях) и возможным сдвигом изображения.

Предложенная учеными геометрия металинзы представляла собой массив колонн диаметром от 810 до 990 нанометров и высотой 950 нанометров, расположенных по концентрическим окружностям на расстоянии 650 нанометров друг от друга. Фокусное расстояние такой металинзы диаметром 6 миллиметров составляет 50 миллиметров, при этом в отличие от хрусталика глаза, это линза — плоская, и ее действительная кривизна при изменении фокусного расстояния не изменяется.

Толщина устройства составила всего 30 микрометров, а управлять его оптическими свойствами авторы работы предложили с помощью искусственной мышцы — электромеханического устройства, которое помещалось вокруг линзы и состояло из упругого диэлектрического полимера и нескольких прозрачных электродов. Подавая нужное напряжение на электроды, металинзу можно было сжимать или растягивать (или только в одном направлении, или одновременно по двум) и изменять таким образом ее форму и расстояние между элементами. Это приводило в свою очередь к изменению ее фокусного расстояния позволяло корректировать оптические дефекты изображения.

Управление оптическими параметрами системы таким образом толщиной всего в пару десятков микрометров осуществляется исключительно с помощью электрических сигналов. По утверждению авторов исследования, такое устройство позволяет одновременно осуществлять изменение фокусного расстояния и проводить процедуры корректировки аберраций с помощью настройки астигматизма и сдвига изображения. Раньше подобное совмещение настройки и корректировки изображений было доступно только для электронных приборов, но не оптических. При этом, в отличие от традиционных оптических систем, предложенное устройство не требует перемещения линзы вдоль оптической оси.

По словам ученых, разработанные ими плоские оптические системы с возможностью изменения фокуса, увеличения изображений, а также с известным механизмом коррекции оптических аберраций, могут быть использованы в мобильных устройствах, оптических микроскопах, очках или оборудовании для виртуальной реальности.

Изменяя геометрию массивов наноэлементов, из которых состоит плоская металинза, можно менять не только ее фокусное расстояние, но и, например, направление излучения после прохождения сквозь линзу. При этом в каждой точке направление можно менять независимо друг от друга. Стоит отметить, что работают такие линзы во всем видимом диапазоне не хуже традиционных оптических устройств.

Александр Дубов