Harvard의 적응형 Metalens Eye는 우수한 초점과 이미지 선명도를 위해 근력을 결합합니다.

• 메탈렌즈는 초점을 맞추고 이미지 이동을 수행하며 난시로 인한 수차를 제어하는 기능을 동시에 수행할 수 있습니다. 
• 수정체와 근육의 총 두께는 30미크론입니다.
• 메탈렌즈의 모양은 전기 신호에 의해 제어되어 필요한 광학 파면을 형성합니다. 

하버드 대학의 연구원들은 흐릿한 사진의 3가지 중요한 요소인 초점, 난시 및 이미지 이동을 제어하는 적응형 금속 렌즈를 구축했습니다. 전자적으로 제어되는 이 편평한 눈은 진보된 메탈렌스 기술과 인공 근육 기술을 결합한 것입니다.

인공눈은 3가지 핵심요소를 동시에 제어할 수 있으며 실시간으로 초점을 변경하도록 구성할 수 있다. 이는 일반적인 인간의 눈처럼 작동하지만 앞으로는 이미지 이동 및 난시를 동적으로 교정하는 등 인간의 눈이 자연적으로 할 수 없는 작업을 수행하도록 기술을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

이 기술은 또한 안경, 광학현미경부터 스마트폰, VR/AR 장치에 이르기까지 여러 응용 분야에 내장된 자동 초점 및 광학 줌의 가능성을 보여줍니다.

그들은 어떻게 그렇게 했나요?

일반적으로 금속 렌즈는 빛의 파장보다 작은 조밀한 나노 구조 패턴을 통해 빛의 초점을 맞추고 구면 수차를 줄입니다. 너무 작기 때문에 각 렌즈의 정보 밀도가 매우 높습니다.

인공눈을 만들기 위해 가장 먼저 해야 할 일은 금속렌즈의 크기를 키우는 것이다. 그러나 과학자들이 이를 시도할 때마다 설계 파일 크기만 해도 최대 테라바이트에 달했습니다.

이 문제를 해결하기 위해 그들은 파일 크기를 상당한 수준으로 압축하여 메탈렌이 집적 회로를 제조하는 데 사용되는 기술과 호환되도록 만드는 알고리즘을 개발했습니다. 금속렌즈는 직경이 센티미터까지 확대되었습니다.

아래 이미지에서 볼 수 있듯이 (실리콘으로 만들어진) 메탈렌 내부의 다채로운 무지개 빛깔은 수많은 나노구조에 의해 생성됩니다.

투명 폴리머 시트에 장착된 실리콘 메탈렌즈 | 출처: Harvard SEAS

참고 자료:과학 발전 | doi:10.1126/sciadv.aap9957 | 하버드 SEAS

다음 단계는 메탈렌즈의 광집속 능력에 영향을 주지 않는 방식으로 메탈렌즈를 인공 근육에 붙이는 것입니다. 자연 수정체는 모양체근, 즉 수정체의 모양을 변화시켜 다양한 거리에서 물체를 볼 수 있도록 조절하는 평활근 고리로 둘러싸여 있습니다.

과학자들은 빛이 덜 산란되면서 이동할 수 있도록 렌즈에 부착하기 위해 얇고 투명한 유전체 엘라스토머를 선택했습니다. 그들은 렌즈를 부드러운 표면에 옮기고 접착하기 위한 완전히 새로운 플랫폼을 구축했습니다. 말할 필요도 없이 이는 인공 눈을 개발하는 전 과정에서 가장 큰 난제였습니다.

이미지 센서에 광선을 집중시키는 Metlens | 출처: Capasso Lab/Harvard SEAS

위 이미지에서 볼 수 있듯이 금속렌즈의 모양은 전기 신호에 의해 제어되어 필요한 광학 파면(빨간색)을 형성합니다. 

엘라스토머는 다양한 전압을 적용하여 조정됩니다. 엘라스토머가 늘어날 때 렌즈 표면의 나노기둥 위치가 이동합니다. 이웃에 대한 기둥의 위치와 구조물의 전체 변위를 사용하여 금속 렌즈를 구성할 수 있습니다.

수정체와 근육의 총 두께는 30미크론입니다. 초점을 맞추고 이미지 이동을 수행하며 난시로 인한 수차를 동시에 제어할 수 있습니다.

신뢰성 테스트

장비의 신뢰성은 2.5kV 진폭에서 2~100Hz 범위의 정현파 전압으로 테스트되었습니다. 전혀 고장이 나지 않았고, 1000주기가 지나도 화질이 떨어지는 것 같지 않았습니다.

그러나 전류가 흐르기 시작하면 거의 3.5kV에서 절연 파괴가 관찰되어 장비가 손상되었습니다. 이는 지역적 연소와 관련된 '부드러운' 고장이었습니다. 동일한 기기는 전원을 껐다 켜도 작동을 재개할 수 있었습니다.

추가 애플리케이션

여러 모듈(망원경, 현미경, 카메라 포함)로 구성된 거의 모든 광학 장치에는 모듈에 기계적 응력/오정렬이 거의 없습니다. 이는 일반적으로 약간의 이상을 일으키는 생성 방식과 주변 환경에 따라 결정됩니다.

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이러한 오류는 적응형 광학 구성 요소를 통해 수정될 수 있습니다. 여기에 설명된 금속 렌즈는 평면적이므로 이를 사용하여 수차를 수정하고 수많은 광학 기능을 단일 제어 평면에 통합할 수 있습니다.

현재로서는 다음 목표는 메탈렌의 기능을 더욱 향상시키면서 작동에 필요한 전압을 낮추는 것입니다.