Lente a forma di spirale che consente la multifocalità

I ricercatori hanno sviluppato una lente a forma di spirale che mantiene la messa a fuoco chiara a diverse distanze in condizioni di luce variabili

La progettazione delle lenti è di fondamentale importanza nel mondo in evoluzione della tecnologia, dove compattezza e prestazioni ottiche elevate sono una necessità, spaziando dagli smartphone e dispositivi indossabili ai veicoli e alla realtà virtuale. Le tecniche di progettazione a forma libera ci consentono di trascendere i limiti tradizionali, ma la creazione di nuove ottiche rimane una sfida sostanziale a meno che non si considerino fenomeni fisici non convenzionali.

La nuova lente, a forma di spirale sviluppata dagli scienziati, funziona in modo molto simile alle lenti progressive utilizzate per la correzione della vista, ma senza le distorsioni tipicamente riscontrate con tali lenti. Potrebbe aiutare a far avanzare le tecnologie delle lenti a contatto, gli impianti intraoculari per la cataratta e i sistemi di imaging miniaturizzati.

«A differenza delle lenti multifocali esistenti, la nostra lente funziona bene in un'ampia gamma di condizioni di luce e mantiene la multifocalità indipendentemente dalle dimensioni della pupilla», ha affermato il dottor Bertrand Simon (1) del Laboratorio di fotonica, numerica e nanoscienze (LP2N) (2), un'unità di ricerca congiunta tra l'Istituto d'Optique Graduate School, l'University of Bordeaux e il CNRS in Francia. «Per i potenziali utilizzatori di impianti o per le persone con ipermetropia legata all’età, potrebbe fornire una visione costantemente chiara, rivoluzionando potenzialmente l’oftalmologia».

In Optica, la rivista di ricerca ad alto impatto dell’Optica Publishing Group’s (3), i ricercatori descrivono la nuova lente, che chiamano spiral diopter. Le sue caratteristiche a spirale sono disposte in modo da creare molti punti di messa a fuoco separati, proprio come avere più obiettivi in uno. Ciò rende possibile vedere chiaramente a varie distanze.

«Oltre alle applicazioni oftalmologiche, il design semplice di questa lente potrebbe apportare grandi vantaggi ai sistemi di imaging compatti», ha affermato Simon. «Semplificherebbe la progettazione e la funzione di questi sistemi offrendo allo stesso tempo un modo per ottenere immagini a varie profondità senza elementi ottici aggiuntivi. Queste funzionalità, abbinate alle proprietà multifocali dell'obiettivo, offrono un potente strumento per la percezione della profondità nelle applicazioni di imaging avanzate».

Creando un vortice di luce

L'ispirazione per il design della lente a spirale è arrivata quando il primo autore dell'articolo, il dottor Laurent Galinier (4) della SPIRAL SAS in Francia, stava analizzando le proprietà ottiche di gravi deformazioni corneali nei pazienti. Ciò lo ha portato a concettualizzare una lente con un esclusivo design a spirale che fa ruotare la luce, come l'acqua che scende in uno scarico. Questo fenomeno, noto come vortice ottico, crea più punti nitidi di messa a fuoco, che consentono all'obiettivo di fornire una messa a fuoco chiara a diverse distanze.

«La creazione di un vortice ottico di solito richiede più componenti ottici», ha affermato Galinier. «La nostra lente, tuttavia, incorpora gli elementi necessari per creare un vortice ottico direttamente nella sua superficie. La creazione di vortici ottici è un fiorente campo di ricerca, ma il nostro metodo semplifica il processo, segnando un progresso significativo nel campo dell’ottica».

I ricercatori hanno creato l'obiettivo utilizzando una lavorazione digitale avanzata per modellare l'esclusivo design a spirale con elevata precisione. Hanno quindi convalidato l'obiettivo utilizzandolo per creare l'immagine di una “E” digitale, molto simile a quelle utilizzate sulla lavagna luminosa di un optometrista. Gli autori hanno osservato che la qualità dell'immagine rimaneva soddisfacente indipendentemente dalla dimensione dell'apertura utilizzata. Hanno anche scoperto che i vortici ottici potrebbero essere modificati regolando la carica topologica, che è essenzialmente il numero di avvolgimenti attorno all’asse ottico. I volontari che hanno utilizzato le lenti hanno anche riportato notevoli miglioramenti nell’acuità visiva a una varietà di distanze e condizioni di illuminazione.

Discipline incrociate

Per portare a compimento il nuovo obiettivo è stato necessario combinare il design intuitivo con tecniche di fabbricazione avanzate attraverso una collaborazione interdisciplinare. «La lente diottrica a spirale, concepita per la prima volta da un inventore intuitivo, è stata scientificamente provata attraverso un'intensa collaborazione di ricerca con scienziati ottici», ha affermato Simon. «Il risultato è stato un approccio innovativo alla creazione di lenti avanzate».

I ricercatori stanno ora lavorando per comprendere meglio i vortici ottici unici prodotti dalle loro lenti. Hanno inoltre in programma di eseguire prove sistematiche sulla capacità della lente di correggere la vista nelle persone per stabilirne in modo completo le prestazioni e i vantaggi in condizioni reali. Inoltre, stanno esplorando la possibilità di applicare il concetto agli occhiali da vista, che potrebbero potenzialmente offrire agli utenti una visione chiara a più distanze.

«Questa nuova lente potrebbe migliorare significativamente la profondità visiva delle persone in condizioni di illuminazione mutevoli», ha affermato Simon. «Gli sviluppi futuri di questa tecnologia potrebbero anche portare a progressi nelle tecnologie di imaging compatte, nei dispositivi indossabili e nei sistemi di telerilevamento per droni o auto a guida autonoma, che potrebbero renderli più affidabili ed efficienti».

Optica è una rivista ad accesso aperto dedicata alla rapida diffusione di ricerche sottoposte a revisione paritaria ad alto impatto sull'intero spettro dell'ottica e della fotonica. Pubblicato mensilmente da Optica Publishing Group, il giornale fornisce un forum per la ricerca pionieristica a cui la comunità internazionale può accedere rapidamente, sia che si tratti di ricerca teorica o sperimentale, fondamentale o applicata. Optica vanta un comitato editoriale distinto composto da oltre 60 redattori associati provenienti da tutto il mondo ed è supervisionato dal redattore capo Prem Kumar, Northwestern University, USA. (5)

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Riferimenti:

(1) Bertrand Simon

(2) Labo LP2N

(3) Spiral diopter: freeform lenses with enhanced multifocal behavior

(4) Laurent Galinier

(5) Optica

(6) Optica Publishing Group

Descrizione foto: La nuova lente potrebbe essere utilizzata su lenti a contatto (mostrate), negli impianti intraoculari per la cataratta e per creare nuovi tipi di sistemi di imaging miniaturizzati. - Credit: Laurent Galinier.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Spiral-shaped lens provides clear vision at a range of distances and lighting conditions