하버드 적응형 메탈렌즈 아이, 근육 결합으로 우수한 초점·이미지 선명도 구현

메탈렌즈가 초점 맞추기, 이미지 시프트 수행, 난시(astigmatism) 수차 제어를 동시에 할 수 있습니다. 렌즈와 근육 합쳐 총 두께 30마이크론. 메탈렌즈 형태가 전기 신호로 제어돼 필요한 광학 파동면 형성.

어떻게 했나?

보통 메탈렌즈는 빛 파장보다 작은 조밀한 나노구조 패턴으로 빛을 초점화하고 구면 수차를 줄입니다. 너무 작아 각 렌즈 정보 밀도가 극도로 높습니다.

인공 눈을 만들 첫 과제는 메탈렌즈 스케일업입니다. 하지만 과학자들이 시도할 때마다 설계 파일 크기만 테라바이트에 달했습니다.

이 문제 해결 위해 파일 크기를 크게 압축하는 알고리즘을 개발해 집적회로 제작 기술과 호환되게 했습니다. 메탈렌즈를 센티미터 직경까지 스케일업했습니다.

아래 이미지에서 보듯, 메탈렌즈(실리콘 제작) 내 화려한 무지개빛은 엄청난 수의 나노구조들로 생성됩니다.

투명 폴리머 시트 장착 실리콘 메탈렌즈 | 출처: Harvard SEAS

참조: Science Advances | doi:10.1126/sciadv.aap9957 | Harvard SEAS

다음 단계는 메탈렌즈 빛 초점화 능력에 영향 주지 않으면서 인공 근육에 부착하는 것입니다. 자연 눈 렌즈는 섬모체 근육(cilary muscles)에 둘러싸여 있는데, 링 모양 평활근으로 렌즈 모양 변화시켜 다양한 거리 물체 보기에 조절합니다.

과학자들은 빛이 산란 적게 통과할 수 있는 얇고 투명한 유전체 엘라스토머를 렌즈에 부착할 소재로 선택했습니다. 렌즈를 부드러운 표면에 전사·부착하는 완전히 새로운 플랫폼을 구축했습니다. 말할 필요도 없이, 이게 인공 눈 개발 전 과정에서 최대 난제였습니다.

이미지 센서에 빛 초점 맞추는 메탈렌즈 | 출처: Capasso Lab / Harvard SEAS

위 이미지에서 보듯, 메탈렌즈 형태가 전기 신호로 제어돼 필요한 광학 파동면(빨강) 형성.

엘라스토머는 다양한 전압 적용으로 튜닝됩니다. 엘라스토머가 늘어나면 렌즈 표면 나노기둥(nanopillars) 위치가 이동합니다. 기둥들 위치는 이웃들에 상대적이고, 구조물 총 변위는 메탈렌즈 구성에 사용될 수 있습니다.

렌즈와 근육 합쳐 총 두께 30마이크론. 초점 맞추기, 이미지 시프트 수행, 난시 수차 제어를 동시에 할 수 있습니다.

기기 신뢰성은 2~100헤르츠 범위 정현파 전압, 2.5kV 진폭으로 테스트했습니다. 전혀 실패하지 않았고, 1,000사이클 후 화질 저하도 없어 보였습니다.

하지만 약 3.5kV에서 유전체 파괴(dielectric breakdown) 관찰됐습니다 — 전류가 흘러 기기 손상. '부드러운' 파괴로 국소 연소 관련. 같은 기기들이 전원 사이클링 후 작동 재개 가능했습니다.

여러 모듈 가진 거의 모든 광학 기기(망원경, 현미경, 카메라 포함)는 모듈들에 아주 적은 기계적 응력/오정렬을 가집니다. 보통 어떻게 만들어졌고 주변 환경이 어떤지에 기반해 미세 수차들 생깁니다.

이런 오류들은 적응형 광학 구성요소로 교정 가능합니다. 여기 설명된 메탈렌즈가 평평하므로, 그런 수차들 교정하고 수많은 광학 역량을 단일 제어 평면에 통합할 수 있습니다.

현재 다음 목표는 메탈렌즈 기능성 더 향상시키면서 구동 전압 낮추는 것입니다.

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