Harvard John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Yüksekokulu’ndan (SEAS) bazı araştırmacılar, insan gözünden esinlenerek, esasen düz olan fakat elektronik olarak kontrol edilebilen ve yapay bir göz işlevi gören bir metalens geliştirdiler. Ayarlanabilir metalens, görüntülerin bulanıklaşmasına neden olan başlıca üç unsuru da aynı anda kontrol edebiliyor: odaklanma, astigmatizm (odak kayması) ve görüntü kayması.
SEAS lisansüstü öğrencisi ve makalenin birinci yazarı olan Alan She, “Bu araştırma, tıpkı bir insan gözü gibi, gerçek zamanlı olarak odaklandığı noktayı değiştirebilen, ayarlanabilir bir metalens oluşturmak için yapay kas teknolojisindeki çığır açan yeniliklerle metalens teknolojisini birleştiriyor” dedi. “İnsan gözünün doğal yollarla yapamayacağı astigmatizm ve görüntü kayması gibi sapmaları dinamik olarak düzeltme yeteneğini geliştirmek için bir adım daha ileri gidiyoruz.”
Uygulamalı Fizik profesörleri Federico Capasso, Robert L. Wallace ve SEAS Elektrik Mühendisliği Bölümü’nden kıdemli araştırmacı ve makalenin asıl yazarı Vinton Hayes, bu çalışmanın, cep telefonu kameraları, gözlükler ve sanal ve arttırılmış gerçeklik donanımları gibi çok çeşitli uygulamalar için gömülü optik zum ve otomatik odaklanmanın uygulanabilirliğini ortaya koyduğunu ve aynı zamanda, tamamen elektronik olarak çalışan, hatta birçok sapmayı aynı anda düzeltebilecek olan gelecekteki optik mikroskopların mümkün olduğunu da gösterdiğini belirttiler.
Harvard Teknoloji Geliştirme Ofisi, bu proje ile ilgili fikri mülkiyet haklarını koruma altına aldı ve ticarileştirme fırsatlarını araştırmaya başladı.
Yapay gözü oluşturmak için, araştırmacıların önce metalensleri büyütmeleri gerekiyordu.
İlk metalensler bir sim tanesi boyutundaydı. Her biri bir ışık dalga boyundan daha küçük olup, yoğun bir nanometrik modelle ışığı odaklayarak küresel sapmaları ortadan kaldırabiliyorlardı.
Nanoyapıların çok küçük olmasından dolayı her bir mercekteki bilgi yoğunluğunun inanılmaz derecede yüksek olduğunu belirten She, “100 mikron boyutlu bir mercekten santimetre büyüklüğündeki bir merceğe doğru giderseniz, lensi tanımlamak için gereken bilgiyi on binlere yükseltmiş olursunuz. Ne zaman mercekleri büyütmeye çalıştıysak, tasarımın dosya boyutu tek başına gigabaytlara hatta terabaytlara ulaştı” açıklamasını sözlerine ekledi.
Bu sorunu çözmek için, araştırmacılar yeni bir algoritma geliştirdiler. Bu algoritma sayesinde metalensler, entegre devreleri üretmek için kullanılabilecek, şimdiki teknoloji ile uyumlu hale gelebilecek ve dosya boyutları da küçülebilecekti. Yakın bir zaman önce ise Optics Express‘te yayınlanan bir makalede araştırmacılar, santimetre boyutunda veya daha büyük bir çap boyutuna kadar büyütülmüş olan metalenslerin tasarımını ve imalatını detaylarıyla gösterdiler.
Capasso, “Bu araştırma, iki endüstrinin birleşmesine imkân sağlıyor: yarı iletken üretimi ve lens yapımı. Böylece bilgisayar çiplerini üretmek için kullanılan teknolojinin, mercekler gibi düz yüzey tabanlı optik bileşenleri üretmek amaçlı kullanılması da mümkün” açıklamasını yaptı.
Göz Yapısına En Yakın Tasarım
Daha sonra araştırmacıların, ışık odaklama kabiliyetinden ödün vermeksizin büyük metalensleri yapay bir kasa tutturmaları gerekiyordu. İnsan gözünün merceği, kendisini uzatabilen ya da kısaltabilen siliyer kaslarla çevrilidir ve bu kaslar, odak uzaklığını ayarlamak için duruma göre şekil değiştirir. Capasso ve ekibi, SEAS Üniversitesi’nde Profesör olan ve yapay kaslar olarak da bilinen dielektrik elastomer aktüatörlerin mühendislik uygulamaları alanının öncüsü olarak tanınan David Clarke ile işbirliği yaptı.
Araştırmacılar düşük kayıplı ince, şeffaf bir dielektik elastomer seçtiler; yani ışık çok az bir saçılma ile materyal boyunca dolaşabilecek ve merceğe yapışabilecekti. Bunu gerçekleştirebilmek için, lensi yumuşak yüzeylere aktaracak ve ona yapıştıracak bir platform geliştirmeleri gerekiyordu.
Clarke, elastomerlerin yarı iletkenlerden neredeyse her yönüyle çok farklı olduğunu, yeni bir çok-işlevli cihaz oluşturmak için asıl sıkıntının, iki farklı yapının özelliklerinin birbirine nasıl uyum sağlayacağı, hatta yeni bir üretim hattının nasıl tasarlanacağı konusu olduğunu belirtti. Ayrıca Clarke, 1960’lı yılların ortalarında ilk taramalı elektron mikroskoplarından (SEM) birinin üzerinde çalışan bir araştırmacı olarak, gerçek zamanlı sapma kontrolü gibi SEM’in özelliklerine sahip yeni bir optik mikroskop meydana getirmeyi hedefleyen bu çalışmanın bir parçası olmayı çok heyecan verici bulduğunu belirtti.
Elastomer, voltaj uygulanarak kontrol edilir. Uzadıkça, lens yüzeyindeki nanosütunların konumu değişir. Metalensler, bu sütunların komşularına göre konumunun ve yapıların toplam yer değiştirmesinin kontrol edilmesiyle ayarlanabilir. Araştırmacılar, lensin eş zamanlı olarak hem odaklanabileceğini, astigmatın neden olduğu sapmaları kontrol edebileceğini, hem de görüntü kaymasını gerçekleştirdiğini gösterdi.
Üstelik lens ve kas bir arada iken sadece 30 mikron kalınlığındaydı.
She, yaptığı açıklamada ” Kameradan mikroskoplara ve hatta teleskoplara kadar pek çok bileşenden oluşan tüm optik sistemlerde, yapılarına ve bulundukları çevreye bağlı olarak, az miktarda odak kayması ve diğer sapmalara neden olacak küçük hizalanma hataları veya mekanik gerilmeler vardır. Ayarlanabilir bir optik metalens ile bu sorunların üstesinden gelinebilir” dedi. “Ayarlanabilir metalensler düz olduğundan, bu sapmaları düzeltebilirler ve farklı optik yetenekleri ile söz konusu sapmaları tek bir kontrol düzlemine entegre edebilirsiniz” dedi.
Araştırmacılar, bir sonraki aşama olarak, lensin işlevselliğini daha da artırmayı ve kontrol etmek için gereken voltajı düşürmeyi amaçlıyor.
Kaynak: Science Daily
