Podobny kierunek rozwoju w tym sektorze widzieliśmy już przy metaoptyce, która próbuje zastąpić klasyczne zestawy soczewek cienkimi strukturami, a także przy polskich badaniach nad zamykaniem światła w ekstremalnie cienkiej warstwie. Teraz z kolei naukowcy z Pennsylvania State University pokazali inną drogę. Zbudowali mikroskopijne lustro, które zaczyna przejmować zadania kilku elementów układu optycznego naraz.
MEMS podstawą. Stąd bierze się wyjątkowość mikrolustra
Sercem projektu jest mikrolustro MEMS, czyli mikroukład elektromechaniczny wykonany metodami zbliżonymi do tych wykorzystywanych przy produkcji krzemowych układów obliczeniowych. Sam chip mierzy 5,5 x 5,5 mm, a właściwe lustro ma około milimetra.
W klasycznym układzie możemy potrzebować osobnego elementu do przesuwania wiązki lasera oraz kolejnego do zmiany miejsca, w którym światło zostanie skupione. Tutaj jedno lustro przechyla się w dwóch osiach, kierując wiązkę w różne miejsca, a jednocześnie może zmieniać swoją krzywiznę. Staje się bardziej płaskie lub zakrzywione, przez co przesuwa punkt skupienia światła również w głąb układu. Tak też oto pojedynczy element zapewnia kontrolę nad wiązką w trzech wymiarach i właśnie tutaj widzę właściwy przełom.
Przełom nie siedzi jednak w samym fakcie, że naukowcy zrobili bardzo małe ruchome lusterko, lecz w zastępowaniu kilku funkcji optycznych jedną strukturą. Jeśli bowiem naprawdę chcemy kiedyś nosić lekkie okulary AR, budować mikroskopy przypinane do żywych organizmów czy dalej zmniejszać aparaturę laserową, każdy wyrzucony z konstrukcji element oznacza mniej miejsca, mniejszą masę i prostszy cały układ.
Mikrolustro nie tylko się rusza. Robi to absurdalnie szybko
Do sterowania konstrukcją został wykorzystany azotek glinu, czyli materiał piezoelektryczny zmieniający kształt po przyłożeniu napięcia. Odpowiednio rozmieszczone warstwy odpowiadają zarówno za przechylanie lustra, jak i modyfikowanie jego krzywizny. Efektem jest skanowanie boczne z częstotliwością przekraczającą 10 kHz oraz modulowanie ogniska powyżej 100 kHz. Badacze zmierzyli również czas reakcji samej zmiany krzywizny. Wyniósł około 5 mikrosekund podczas jednej fazy ruchu oraz 20 mikrosekund przy powrocie. Rezonans dla regulacji krzywizny pojawił się z kolei przy 141,3 kHz.
Czytaj też: Fizycy po raz pierwszy uwiecznili dynamikę fal spinowych. Zajrzeli do oscylatora, jak gdyby nigdy nic
Zespół następnie przesunął płaszczyznę ostrości generowanego wzoru o 63 mm, zmieniając napięcie sterujące, a później zbudował prosty mikroskop laserowy i pokazał, że tym samym mikrolustrem można wybierać głębokość obrazu znajdującą się aktualnie w ostrości.
Jaki więc potencjał kryje się w tym dziele? Pierwszy autor badania Hunter Shillingburg widzi największy potencjał w neurobiologii i akurat trudno się temu dziwić. Mały skaner potrafiący bardzo szybko kierować skupionym światłem na różne punkty oraz głębokości może pozwolić budować lżejsze mikroskopy mocowane do aktywnych, poruszających się obiektów badawczych. Szybsze skanowanie oznacza również krótsze wystawianie materiału biologicznego na światło, co może ograniczyć fototoksyczność i zanikanie fluorescencji.
Czytaj też: Historyczna chwila dla astronomii. Wykryli fale radiowe pochodzące z egzoplanety
Naturalnie pojawia się również temat rozszerzonej rzeczywistości. Dzisiejsze zestawy AR mają problem z tym, że wirtualny obiekt może sprawiać wrażenie znajdującego się w różnej odległości, podczas gdy układ optyczny nadal generuje obraz o określonej płaszczyźnie ogniskowania. Możliwość dynamicznego przesuwania ogniska jest więc bardzo interesująca, ale do tego wymaga już całego ekosystemu zbudowanego od zera. Czas na to jednak musi dopiero nadejść, bo sami autorzy pokazują ograniczenia swojej konstrukcji – dla obrazu 1280 x 720 przy 60 Hz idealizowany układ wymagałby częstotliwości sterowania obiema osiami powyżej 40 kHz. Obecny prototyp tego nie zapewnia. Badacze wskazują natomiast możliwość osiągnięcia tej rozdzielczości przy 30 Hz i 73-procentowym współczynniku wypełnienia wzoru skanującego.
Właśnie tak może wyglądać przyszłość optyki
Cała elektronika od dekad rozwijała się między innymi poprzez integrację. Oddzielne komponenty trafiały do coraz bardziej złożonych układów scalonych, a całe urządzenia stopniowo znikały wewnątrz pojedynczych chipów. Optyka zaczyna przechodzić podobną transformację. W jednym miejscu światło trafia coraz głębiej do procesorów i połączeń między układami, w innym tradycyjne soczewki zastępują nanostruktury, a tutaj kilka funkcji mechaniczno-optycznych wykonuje pojedyncze mikrolustro. Nie oznacza to jednak, że klasyczne soczewki i zwierciadła nagle znikną.
Czytaj też: Jedna bila działa jak komputer. Poznaliśmy niezwykłe granice obliczeń
Ten konkretny MEMS również wymaga jeszcze dopracowania, bo badacze chcą m.in. zmniejszyć zniekształcenia wynikające z niewielkiej asymetrii lustra i dalej poprawiać szybkość działania. Jednak jeśli kolejne elementy aparatury optycznej rzeczywiście uda się integrować w podobny sposób, to urządzenia wymagające dziś całego zestawu optyki mogą przejść podobną miniaturyzację, jaką elektronika zaliczyła już dawno temu.
Źródła: Penn State, Microsystems & Nanoengineering
