metalinssi

Keinonäkö etenee – saako silmiä kohta kaupasta?

La, 02/24/2018 - 16:04 Markus Hotakainen

Ihmissilmä on huippuluokan instrumentti, jos kohta varsinainen näköaistimus syntyykin aivoissa. Keinotekoisen silmän kehittäminen on siksi aikamoinen haaste.

Harvardin yliopiston tutkijat ovat ottaneet aimo harppauksen kohti toimivaa keinotekoista silmää – tai oikeastaan panneet vielä paremmaksi.

Tasomaiseen metalinssiin ja tekolihakseen perustuva optiikka tarkentuu kohteeseen samaan tapaan kuin ihmissilmä, mutta samalla se korjaa mahdollisen hajataiton.

Tähän saakka on onnistuttu valmistamaan vain koristehileen hiutaleiden kokoisia metalinssejä. Niiden toiminta perustuu näkyvän valon aallonpituutta pienempiin nanorakenteisiin, joten linssin rakennetta koskevan informaation määrä on suuri.

"Jos siirrytään 100 mikronin kokoisesta linssistä senttimetrin läpimittaiseen, linssiä kuvaavan informaation määrä kasvaa kymmentuhatkertaiseksi. Aina kun yritimme kasvattaa linssin kokoa, sitä koskevan tiedoston koko paisui giga- tai jopa teratavujen suuruiseksi", toteaa tutkimusta johtanut Alan She.

Ongelma ratkesi, kun tutkijat kehittivät uudenlaisen algoritmin, jolla tiedostokokoa saatiin pienennettyä. Linssien valmistuksessa sovellettiin sitten samaa tekniikkaa kuin mikropiirien tuotannossa. Näin metalinssien läpimittaa pystyttiin kasvattamaan senttimetriin ja sen ylikin.

 

Pelkkä linssi ei kuitenkaan vielä riitä silmän rakentamiseen, siihen tarvitaan myös säätömekanismia. Ihmissilmässä tehtävää hoitaa rengasmainen sädelihas, joka korvattiin keinosilmässä dielektrisellä elastomeerilla. Sen kutistumista ja venymistä voidaan ohjata sähköisesti.

Elastomeerin avulla saadaan muutettua metalinssissä olevien nanorakenteiden sijaintia toistensa suhteen, jolloin linssin tarkennus muuttuu. Samalla on mahdollista korjata optisia virheitä, kuten hajataittoa.

Metalinssin ja keinotekoisen lihaksen paksuus on vain 30 mikronia eli 30 metrin miljoonasosaa. Koska rakenne on näin ohut, se helpottaa optisten laitteiden rakentamista ja vähentää niissä esiintyviä vääristymiä.

Aivan pian ei ole odotettavissa ihmiselle soveltuvaa keinotekoista silmää, mutta tekniikan arvellaan olevan hyödyksi entistä tarkempien ja parempaan kuvanlaatuun pystyvien kameroiden ja mikroskooppien kehittelyssä.

Uudenlaisesta keinosilmästä kerrottiin Harvardin yliopiston uutissivuilla ja sitä koskeva tutkimus on julkaistu Science Advances -tiedelehdessä.

Kuvat: Capasso Lab/Harvard SEAS

Kameroiden optiikka kevenee pian huimasti

La, 06/04/2016 - 10:04 Jarmo Korteniemi

Uuden metalinssitekniikan uumoillaan parantavan mikroskooppien erotuskykyä, ja mullistavan kameratkin.

Tekniikan ja komponenttien kehittyessä monet laitteet ovat pienentyneet roimasti. Optisten laitteiden kokoa on kuitenkin aina rajoittanut yksi tekijä – linssi. Sellaiset kun ovat umpilasisia, raskaita ja paksuja.

Lisäksi laatukin maksaa, ja parhaat linssit ovat hyvin hintavia. Näin siis tähän asti.

Science-tiedelehdessä 3.6. julkaistussa tutkimuksessa käsitellään jännittävää uudistusta optiikan alalta.

Metalinsseiksi kutsutut ohuet levyt voivat tulevaisuudessa korvata perinteiset lasilinssit. Kokonsa puolesta ne ovat jo lyömättömiä.

Metalinssien salaisuus on titaanidioksidikerroksessa, joka sijoitetaan läpinäkyvän kvartsilevyn päälle. Pinnoite koostuu valoa kääntävistä satojen nanometrien korkuisista ja valoa taittavista torneista. Eri aallonpituudet saadaan käännettyä oikeaan suuntaan tornien sopivalla sijoittelulla.

Tämä diffraktiolinsseihin perustuva menetelmä on jo vanha keksintö, mutta sen ongelma on ollut tarkkuus. Tutkijoiden mukaan nanoskaalan "tornit" mahdollistavat aiempaa paremman tarkkuuden.

Käytännön lopputulos kuvan laadussa on lähes sama kuin paljon paksummalla lasilinssillä*. Metalinssit ovat niin ohuita kuin pinnoitetta tukeva kvartsilevy vain antaa myöten.

Metalinssien avulla nähdään hyvin tarkasti alle valon aallonpituuden levyisiä kohteita. Uuden tekniikan avulla erotuskyky ja kuvan terävyys ovat vähintään samaa luokkaa kuin perinteisilläkin linsseillä. Linssin läpi pääsee parhaimmilla aallonpituusalueilla 86 % siihen tulleesta valosta, mikä on lähes samaa luokkaa kuin monilla hyvilläkin lasilinsseillä**. Tutkijat raportoivat saaneensa metalissillä aikaan 170-kertaisen suurennoksen.

Mikä parasta, optiikan valmistushinnan pitäisi tippua roimasti. Metalinssien massavalmistus kun on halpaa.

Uudella tekniikalla on merkitystä etenkin paljon suurentavissa ja läheltä kuvaavissa mikroskoopeissa. Myös kännykkäkameraan voidaan pian saada ainakin periaatteessa samanlaatuisia linssejä kuin parhaimman järjestelmäkameran objektiiveissa.

Kannattaa kuitenkin muistaa, että hienoimmastakin optiikasta huolimatta otettujen kuvien laatu riippuu eniten kuvaajan taidoista...

Alla vielä Sciencen julkaisema video, jossa metalinssien toimintaa havainnollistetaan. Jutun kuvat ovat kuvakaappuksia videosta.

Päivitys 4.6.2016 klo 13.15: Yleisön pyynnöstä lisätty kappale diffraktiosta ja maininta mikroskoopista. Tähdillä merkittyjä lauseita korjattu, aiemmin kohdissa luki "Systeemi toimii aivan kuten paljon paksumpi lasilinssi" (*) sekä "kuva ei himmenekään yhtä paljon kuin lasilinssillä" (**).