Terinspirasi oleh mata manusia, para peneliti di School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) Harvard John A. Paulson, telah mengembangkan metalens adaptif yang pada dasarnya adalah mata tiruan yang dikontrol secara elektronik. Metalens adaptif secara bersamaan mengontrol tiga kontributor utama untuk memperbaiki pencitraan yang tampak lebih buram: Pemfokusan, astigmatisme, dan pergeseran gambar.
Penelitian ini dipublikasikan di Science Advances.
Metalens adalah tipe optik baru yang bisa menggantikan lensa kaca berukuran besar dan berat yang digunakan di kamera, instrumen optik, serta perangkat VR dan AR masa depan. Optik tradisional umumnya menggunakan lensa kaca dengan ketebalan dan komposisi material yang bervariasi untuk mendapatkan fokus dan rentang warna.
“Penelitian ini menggabungkan terobosan dalam teknologi otot buatan dengan teknologi metalens untuk menciptakan sebuah metalens lentur yang dapat mengubah fokusnya secara real time, seperti mata manusia,” kata Alan She, seorang mahasiswa pascasarjana SEAS di Sekolah Pascasarjana Seni dan Sains, dan penulis utama makalah ini. “Kami melangkah lebih jauh untuk membangun kemampuan mengoreksi penyimpangan secara dinamis seperti astigmatisme dan pergeseran gambar, yang secara alami tidak bisa dilakukan oleh mata manusia.”
“Ini menunjukkan kelayakan dari optical zoom tertanam dan autofocus untuk berbagai aplikasi, termasuk kamera ponsel, kacamata, perangkat keras realitas-virtual dan augmented,” kata Federico Capasso, penulis senior makalah ini dari SEAS. “Ini juga menunjukkan kemungkinan mikroskop optik di masa depan, yang beroperasi sepenuhnya secara elektronik dan dapat memperbaiki banyak penyimpangan secara bersamaan.”
Untuk membangun mata buatan, pertama-tama para peneliti perlu meningkatkan metalens-nya.
Perangkat yang sebenarnya, di mana metalens adaptif (berada di tengah) dikendalikan oleh elektroda tertanam yang terbuat dari karbon nanotube. Credit: Alan She / Harvard SEAS
Metalens memfokuskan cahaya dan menghilangkan penyimpangan berbentuk bola melalui pola struktur nano yang padat, masing-masing lebih kecil dari panjang gelombang cahaya. Metalens sebelumnya berukuran sekitar sepotong glitter.
“Karena struktur nano sangat kecil, kepadatan informasi di setiap lensa menjadi sangat tinggi,” kata She. “Jika Anda beralih dari lensa berukuran 100 mikron menjadi lensa ukuran sentimeter, Anda akan meningkatkan informasi yang diperlukan untuk menggambarkan lensa sebanyak 10.000. Setiap kali kami mencoba memperbesar lensa, ukuran file dari desain saja akan membengkak hingga gigabyte atau bahkan terabyte.”
Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti mengembangkan algoritma baru untuk memperkecil ukuran file agar metalens kompatibel dengan teknologi yang saat ini digunakan sehingga terintegrasi dengan sirkuit. Dalam sebuah makalah yang diterbitkan di Optics Express, para peneliti mendemonstrasikan desain dan fabrikasi metalens dengan diameter hingga 1 cm atau lebih.
“Penelitian ini memberikan kemungkinan penggabungan dua industri, manufaktur semikonduktor dan pembuatan lensa, di mana teknologi yang sama digunakan untuk membuat chip komputer akan digunakan untuk membuat komponen optik berbasis metasurface, seperti lensa,” kata Capasso.
Selanjutnya, para peneliti perlu menempelkan metalens besar pada otot buatan tanpa mengurangi kemampuannya untuk memfokuskan cahaya. Pada mata manusia, lensa dikelilingi oleh otot ciliary, yang meregangkan atau menekan lensa, mengubah bentuknya agar lebih terfokus. Capasso dan timnya berkolaborasi dengan David Clarke, dari SEAS dan pelopor dalam bidang aplikasi teknik aktuator elastomer dielektrik, yang juga dikenal sebagai otot buatan.
Para peneliti memilih elastomer dielektrik yang tipis dan transparan dengan kehilangan yang rendah — yang berarti bahwa cahaya yang melintasi material sedikit penyebarannya — untuk melekat pada lensa. Untuk melakukannya, mereka perlu mengembangkan sejenis platform untuk mentransfer dan menempelkan lensa scattering pada permukaan lunak.
Metalens adaptif memfokuskan sinar cahaya ke sensor gambar. Sinyal listrik mengontrol bentuk metalens untuk menghasilkan muka gelombang (wavefront) optik yang diinginkan (ditunjukkan dengan warna merah), menghasilkan gambar yang lebih baik. Credit: Alan She / Harvard SEAS
“Elastomer sangat berbeda dalam hampir segala hal dari semikonduktor sehingga tantangannya adalah bagaimana menyatukan atribut keduanya untuk membuat perangkat multifungsi baru dan, terutama, bagaimana merancang rute manufakturnya,” kata Clarke.
Elastomer dikendalikan dengan menggunakan tegangan. Saat membentang, posisi nanopilar di permukaan lensa bergeser. Para peneliti juga menunjukkan bahwa lensa dapat secara bersamaan terfokuskan, mengontrol penyimpangan yang disebabkan oleh astigmatisme, dan melakukan pergeseran gambar.
Dari kesemuanya, lensa dan otot dihasilkan hanya setebal 30 mikron.
“Semua sistem optik dengan berbagai komponen — dari kamera ke mikroskop dan teleskop – memiliki sedikit ketidaksejajaran atau tekanan mekanis pada komponennya, tergantung pada caranya dibuat dan lingkungannya saat ini, yang akan selalu menyebabkan sejumlah kecil astigmatisme dan penyimpangan lainnya, yang dapat dikoreksi oleh elemen optik adaptif,” kata She. “Karena logam adaptif berbentuk datar, Anda dapat memperbaiki penyimpangan itu dan mengintegrasikan berbagai kemampuan optiknya ke dalam satu bidang kendali.”
Selanjutnya, para peneliti bertujuan untuk lebih meningkatkan fungsi lensa dan mengurangi tegangan yang dibutuhkan untuk mengendalikannya.
