I ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), guidati dal fisico italiano Federico Capasso, hanno sviluppato un occhio artificiale che potrebbe rivoluzionare il mondo dei dispositivi ottici, dalle telecamere dei nostri smartphone ai microscopi. Ispirato all’occhio umano, questo è in grado di controllare e correggere simultaneamente tre dei principali contributi allo sfocamento dell’immagine: messa a fuoco, astigmatismo ed image shift. La ricerca è stata pubblicata Science Advances.

Questa ricerca combina le innovazioni nella tecnologia dei muscoli artificiali con la tecnologia delle metalenti per creare una metalente regolabile che può focalizzare in tempo reale, proprio come l’occhio umano”, afferma Alan She, l’autore principale della ricerca.

Un occhio in silicio

Metalenti adattive controllate elettricamente
Metalenti adattive controllate elettricamente
(Image courtesy of the Capasso Lab/Harvard SEAS

Chiariamo innanzitutto a cosa ci riferiamo quando parliamo di metalenti. Realizzate dal medesimo gruppo di ricerca, queste consistono in superfici piatte che utilizzano nanostrutture in silicio per focalizzare la luce. Già precedentemente i ricercatori avevano dimostrato l’abilità delle metalenti nel riuscire a focalizzare l’intero spettro visibile della luce, compresa la luce bianca, in uno stesso punto e in alta risoluzione, risolvendo un problema che affligge tutti i sistemi ottici a lenti: l’aberrazione cromatica. In quest’ultimi, l’aberrazione viene risolta utilizzando lenti multiple di materiali con diversa dispersione. Il primo grande vantaggio delle metalenti è quindi quello di non avere bisogno di elementi supplementari; ciò si traduce in una consistente riduzione dell’ingombro, visto che parliamo di un’unica lente, per di più piatta.

Il passo successivo è stato l’introduzione del cosiddetto muscolo artificiale. Così come nell’occhio umano è presente il muscolo ciliare che, attraverso la sua contrazione, modifica la curvatura del cristallino per la conseguente messa a fuoco, in questo caso è stato utilizzato un elastomero dielettrico sottile e trasparente, tale garantire una bassa dispersione della luce incidente. L’elastomero viene controllato elettricamente attraverso elettrodi costituiti da nanotubi in carbonio. Estendendosi, cambia la posizione delle nanostrutture sulla superficie della lente. I ricercatori hanno dimostrato che l’obiettivo può simultaneamente focalizzare, controllare le aberrazioni causate da astigmatismi, nonché regolare l’image shift. Il tutto in uno spessore totale di soli 30 micrometri.

Tutti i sistemi ottici con più componenti – dalle fotocamere ai microscopi e telescopi – presentano leggeri disallineamenti o sollecitazioni meccaniche sui componenti, a seconda del modo in cui sono stati costruiti, che causano sempre piccole quantità di astigmatismo e altre aberrazioni, che potrebbero essere corretti da un elemento ottico adattivo. Dal momento che le metalenti adattive sono piatte, puoi correggere quelle aberrazioni e integrare diverse capacità ottiche su un unico piano di controllo.

Afferma She.

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