materials for bio-inspired optics

4
Materials for Bio-inspired Optics** By Guido Zuccarello, Dean Scribner, Randall Sands , and Leonard J. Buckley* 1. Introduction Although there are references to refractive lenses from as early as ancient Greece, the study and the use of these lenses did not begin until eyeglasses were invented in ~1280. This was followed by the invention of the microscope in 1595 and the telescope in 1608. The discoveries made using these instruments led to a blossoming of interest in optics and lens design. Since 1900, however, there have not been any revolu- tionary changes in lens systems. Most are still homogeneous multi-element systems with spherical glass surfaces, and all lenses have fixed optical properties. Despite this, lens design and fabrication methods have continued to evolve with ad- vances in computer aided design, manufacturing techniques, and lens coatings. Single lens optical systems are only used for the least demanding applications. They suffer from severe chromatic aberration (light of different frequencies being focused to dif- ferent points) and spherical aberration (light hitting different parts of the lens being focused to different points). To rectify these problems, corrective lenses are inserted into the light path. If the focus needs to be changed, then the lens elements need to be moved relative to one another, and this also re- quires additional lens elements. Therefore, high-quality opti- cal systems with focusing ability need to have many elements, making them complex, heavy, and bulky. 2. Biological Inspiration Alternative designs to multi-element lens systems can be found in biological eyes. In fact, this would not be the first time that biology has inspired optics. More than three centu- ries ago, Newton stated that achromatic lenses (no chromatic aberration) were fundamentally impossible. However, Ches- ter More Hall noticed that humans do not suffer from chro- matic aberration and concluded that the human lens must be achromatic. With this inspiration he built, in 1733, the first achromatic telescope. There are eight distinct types of biological optical systems (Fig. 1). [1] They use lenses, mirrors, and pinholes as the focus- ing mechanisms. Almost all biological imaging systems have a single lens in the light path, as compared to synthetic multi- element systems. Despite this, they are able to remove much of the aberration. There are two general classes of biological eyes: the compound eyes of invertebrates and the eyes of vertebrates and cephalopods (Fig. 1). Both of these systems use gradient index (GRIN) lenses to correct the optics (Fig. 2). In both of the lenses there is a radial change in the refractive index with a higher refractive index in the center and a lower one on the edges. The difference in the refractive index in a fish eye has been measured to be approximately 0.17 (1.54 at the core and 1.37 at the surface). [2] This refractive index change is accomplished by having 100±1000s of layers of cells in the lens, with each deeper layer having a slightly higher concentration of protein and therefore a higher refractive index. Luneberg lenses are synthetic lenses with a spherically graded index of refraction, which were developed independently of knowledge about the biological systems. Adv. Mater. 2002, 14, No. 18, September 16 Ó 2002 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 0935-9648/02/1809-1261 $ 17.50+.50/0 1261 ESSAY ± [*] Dr. L. J. Buckley [+] Chemistry Division, Naval Research Laboratory Washington, DC 20375 (USA) Dr. G. Zuccarello Booz Allen Hamilton 3811 North Fairfax Drive, Suite 600, Arlington, VA 22203 (USA) Dr. D. Scribner Optical Sciences Division, Naval Research Laboratory Washington, DC 20375 (USA) Dr. R. Sands Touchstone Consulting 20504 Riggs Hill Way, Brookeville, MD 20833 (USA) [+] Currently on detail at the Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), 3701 N. Fairfax Drive, Arlington, VA 22203, USA. E-mail: [email protected]. [**] We thank Jill Schaljo for assistance with the figures. Bio-inspired optical systems have the potential to transform the process of image collection and analysis in the future. Through simplicity and dynamics these collection systems may provide multiple functions with an excellent level of reliability. From the graded index of the fish-eye to the hyper-acuity of the compound eye, nature has pro- vided function with amazing simplicity. This article reviews a select number of biological vision systems and the unique material behaviors that rise to these characteristics. We introduce the materials chemistry and morphologi- cal complexity that enables the biological system behavior.

Upload: g-zuccarello

Post on 06-Jun-2016

219 views

Category:

Documents


4 download

TRANSCRIPT

Page 1: Materials for Bio-inspired Optics

��������� � ���� ������ ��������

�� ����� ����������� ���� � �� ���� �� ������ �� �� �� �������

�� � �������

��� �� ���� ��� ���������� � ��������� ����� ���� ������ �� ������ ������� �� � �� ��� �� �� �� ���� �������� �� ����� �� ��������� ���� ������� �� ������ ������� ������ �� �� �������� �� �� �������� � �� �!"! ����� ����� � �� �#��� ��� ����������� ���� ���� �������� ���� �� � � ��������� �� ������ �� � ��� ��� ���������� $���� �"��� �������� ���� ���� �� ���� ��� ���� %������ ������� �� ��� ������� &�� ��� �� ��������� �� �%����� ������ ��� � ������ ���� � ������� ��� ������ ���� ��'�� � ��� �� ������ (�� �� ���� ��� ��������� ���������� ������ ���� ����� �� � ����� ��� ��%������ �� ��� �� ����� ������� ��� ��� ���� �����) ������ ��� ��������$���� ��� � ��� ������ ��� ��� ��� ��� �� ���

��������� � �������� ���� � ���� ���� ������ ����������������� *��� �� �������� ���) ������ ����� ��� ��� � ���%����� ����+ ��� � ������ ��������� *��� ����� �������� ��� �� �� ��� ����� ��� ��� � �������� ����+� �� ���������� ������� ��������� ����� ��� ������� ��� �� ��� ��� ,� �� ��� � ����� � �� �������� ��� �� ��� ������

���� � �� ����� ������ � ��� ������� ��� ��� ��� ��%) ���� �������� ��� ������� ���������� ����%) ��� � �%�� ������ ��� ��� ���� ����� ���� � ���� ���� ���������-��� ��� ��� �'� ������ ��� � -��

�� �������� � �������

�������� ������� � � �%����� ��� ������ ��� ���� �� �� �������� ����� ,� ���� ��� �� � �� �� �� ������� �� ������ ��� ��� ���� � ���� &��� ��� ���� ��� %���� ���� .���� ���� �� ��������� ����� *�� �����������������+ ���� � �������� �� ������� /������� 0���%�� &��� /� ������ �� � ���� �� �� � ���� ���� ����%���� ��������� ��� ���� ��� �� �� � ��� ��� � � ������������ 1�� ��� ��� ������ �� � �� �� �233� �� ������������� ����� ������� ��� ���� ������ � �� �� �������� � ��� ������

*4��� �+�5�6 ���� �� ������ �������� ��� ������ �� �� ��� �%��� ����������� ���� � �������� ������� ������ ���� ������ ��� �� �� ��� ��� �� ��� ���� � ������� � �%����� ������� (�� �� ���� ��� ��� ��� � ������ � ���� �� ���������� ����� ��� �� ������ ������ �� ������������7 �� ��� � �� ���� �� ����������� ��� �� ���� ����������� ��� �� ��� ��� *4��� �+� ��� �� ���� ������ �� ������� ����' *�8,.+ ����� � ������ �� � ���*4��� �+� ,� ��� �� �� ����� ���� �� � ����� ������ �� ����������� ����' ��� � ������ ��������� ����' �� �� �������� � ���� ��� �� �� ������ ��� ���������� �� �� �������������' �� � ���� ��� ��� ���� ���� ��� � �� � ��'��������2 *��!9 � �� ���� ��� ��32 � �� � �����+�5�6 ���� �������������' ������ �� ����� ����� �� ������ ���:����� �� ������� ��� �� �� ���� ��� ���� ��� �� ���� ������ � ����������� ����������� �� ����� ��� �������� � ��������������� ����'� ; ������ ����� ��� ������� ����� ��� �� ������� ������ ����' �� ���������� ����� ���� ����� ������ ������ �� -������� ��� �� �������� �������

���� ���� ����� ��� .�� ��� $� ����� �# � ���� 1,;<=%>0/ >���� ���/ ? 0�� @���� 1������� �"3!%"#9�A��A���"%��#� B �2�!�C�!�A� ��#�

�����

:5�6 (�� ;� D� � �-��5C6

0������� (�������� .��� 8������� ;��������1��������� (0 ��32! *E$�+

(�� �� F ���������G ��� /�����3��� .��� 4�����' (����� $ �� #��� �������� >� ����3 *E$�+

(�� (� $�������H ��� $������� (�������� .��� 8������� ;��������1��������� (0 ��32! *E$�+

(�� 8� $������ ������ 0��� �����!�9 8���� /� 1��� ����-����� &( ���33 *E$�+

5C6 0 ����� �� ���� � �� (������ �������� 8������� I��J��� ������*(�8I�+� 32�� .� 4�����' (����� �������� >� ����3� E$�� <%���7� �-��K��� �����

5��6 1� ���- D� $���J� ��� ��������� ��� �� ��� ����

����� ���� ������� ���� � !�� �! ��� ���� �� �� �"� �! ����� �" � �# �������� � � � ������ � �!"���� $!��#! �� ������� � � �� � ��� �!� �������� ���� � �� ����� ������ "� ���� � %��! � &��� ���� �" ���������� '� �! #��� � �& �" �! "��!�� �� �! !��������� �" �! �� ��� � �( ��� !�� ������� "� ���� %��! � �)� # �� �������� $!�� ����� ��%� � ���� � � �" �����#���� ����� ���� � � � �!� �*� ����� �!����� �!�� �� �� �!� �!����������� + � ����� �! ������ �! ���� � � ��!���#����� �� ��&��� �!�� ���� �! �����#���� ���� �!�����

Page 2: Materials for Bio-inspired Optics

E�������� ���� ��� ���� ������ � ������ ������ � ���������� ����� ���� � ����� �������� ������� ��� �� ������ �����536

������ ��J�� ��������� �� �� �� �������� ������ �� ������� � ������ ��� � ���� � ����� ��� ����� ����� �� ����� � ��'�� ������� ,� ���� ��������� ��� �� ����� ����� ���������� �� ��� � �� �� ��� ���� � ���� ������ � �� ��� ���� *4��� �+� $�� � ���� �' �� ��� �������������� ���� �� ���� �8,. ����� �� ����� � ������� � ��� �������� ��� ����� �� ��� ������ ���������� ��� ��������� �� ��� � �� ������� �� �� �� ��� ������� � ��� ���� ��������� ��%

������ � ��� ��������� ����� �' �� ��� ���� �� ��� ��-� �� ���� �������� ��� �� �8,. ����� ��� -���� ��� ��� �'������� �� ����� � �� ������� ��� ��- �� ����� ����������� ����' ������ � �� ��� �� ����%) ��� � ���������� 4 ��������� � ������� ����� ��� ���� �� ����������� ��� ����� �' �� ����������� ��� �����

�� ���� ��� ���� ������ �������

���%��� ���� � ���� �� ������ � ���%������ � ���� ����������� � �� � �� ������� �� � ������ �� �� �� �� ��� ��� ���� � ��� ��� � �� ���� �� ��� ����� �� �� ���%�� ������ ������ ,� ������ ���%��� ���� ������ ��� ������� ����� �� ��� �� �� �� �� �� �� *� �� �� ��������+��� �'�� � �� �� ��������� �� �� ��� ���� �� � ����� ��������� ������ ������ �� ���� ��� �� ��������� �� ��� ���� � ����� ��� ���%��� ���� � ����� ���� �������������� �� ����' �� ��������� �� �� ��� ���� �� �����������596

���%��� ���� � ��� ��� �������� ��� ������� ������ � �� ����� ���������� 4�� �'�� �� ��� �� �� ��� � ������ ���� �� ������� � ��� �� ����� *��� � ��� ���� ������� ����� �������+ �� ��� ������������� ��� � ���G����� � � ���� ����� �� ���������� *�� �����+�5!6 0 ������������� � ���� ���� ��� ������ ��� �� �' �������� ����������� ��� ����� �� ������ �� ��� � ��� ����� �� ��� ��� � ���� ���������

�� �� ���� ��������� � ���� ������������

��� �� ����� ��� ���%��� ���� � ��� �� ����� � � �%��� �� ������ ������� ��� ������ ��� ��� � ��J�� ��������� �� ������� ���� � ������� ����� ��� ��� ���� ����� ���� �� ���������� �������� ���� � ���� ������� H������ ��� �� ������ ������� ��� �'�� � ���������������� ��������� ���������� ��� ������ ���-���� ����� � ���������� ����%���� ������ � �%����� � ���� 0������������ �� ����� � ��� ��������� �� ���� �������� �%������ ����� ������� *E�>�+� ���%��� ���� � ��� ���� ��%���� � ���������� ��G� ��� ����� ��� ���� �� ����� ��������� �� �� ���������� ��� �� ����������� $������� ��� ��%���� � �� ��������� ������ � ������� ���%��� ���� � ����� � ���� ���������� ��� ����� �� ��G�� ������ ��� ��� ���� � ���� ����G� ��� ��� ����� ���� �� � �� �� �������%��� �� �� ����� ������ �� ����� ���� ���� ��� ������������ �� �� ��G� ��� ���� �� ����� ������� ��� �� L���%���%��%�%��� M � ������

��#� � ���� 1,;<=%>0/ >���� ���/ ? 0�� @���� 1������� �"3!%"#9�A��A���"%��#� B �2�!�C�!�A� ���� ���� ����� ��� .�� ��� $� ����� �#

�����

�� �������� � ���A&������ ��� ���%��� ���� H ���

�� �� ������ �� �� ��� ������ �� �! �" � ��� � ,""�� �� ���-� "� �! .��������! �������� /.��0( %! ! �� !�� �" �! ������� 1! ���� �� �! � �! 1! ����� ������� � �� ������ !�� � -!��� � ������� ��� � � � 2 #� � # "� �! ������!������ 3 ������ �" $�! ���#�( � ����4� �# � -��� ��� � "� �3$( � � � ���!��4��# � ������� 2 #� � # "� �&� 5 ������� 6 !�� �� �78 ���������� � %��! 9��� �� � � !�� %� ���� �%��� �� !�� �� � ����� # � .������� ��� �%�� "� ���� ��"�� ��!�� � � �:9: � � � ��� � � ,����� �� # -��������� �%�� "� .�� � �:::� 6�� �� � � ���� �� � �! ���! � � ����� � �" ��%�������� � � �������������� �( �!� � �� ���� � �#� ���( � � ����� ���� �������

4��� �� ��� ���� ������ �� ����� ��� ��� �� ��������� � ������ 8� �������� ��������� ���� 5�6� 0� ����� ����� H'���� E�������� I�����

Page 3: Materials for Bio-inspired Optics

H�� �'�� � �� ���%��� ���� � ��� �� ����� �� �� ���� ���*4��� �+� ����� ��� � ���� � ������ ���� � � ������ ������� ��� � ��������� � ����' �� ��������� ��� ��� � ��������� � �� ���� �� ��� � ���� ���� ������ ���� �� ��������� ���� � ���%��������� � ����' �� ���������� ,� ����%���� �� ���� ��� ��� � ���� ���� ���� �� ���� *��9�N+� ������������� �� � ��� � ��� �� � ����� ��� � ���� �������� �� ���� ��� ���� ������� �� �� ������ �� � ���� ���%���� �������� ������ �'�� � �� �� �� ��� *4��� �+� , ��� �� �����

�� ����� � ��� � ��� � ��� ��� �� �� ������ ;������� �������� ��������� ��� ��� ��� � �������� �������� �� �� �� ��� ��� �� ��� �� �� ���� ���� <����� �� ����� ��� �� �'�� ������ �� �� ��������� ����' ����� �� ��� *������ � �8,. ����� � ���+� ��� ������% ����� �� �� ����� �� �� � ��� ����� ����� �� ���� ��� �� ��� � ����� ������� ��� �������� �� ��%�� �� *���� ��� ������ ��� �� ���� ��� �� �� ���� %���+� �� �� ����� �� ��� �'����� ������ � ����� �%��� ��� ������� � ��� �������

!� ��������� "����� ��� � ���� ������������

��� �� ��������� ������ ��� ��) �� � �� ������� � �%�� ������� � �� ������ � ����� ���� ���� � ����������� ���� ,� �������� ����� ����� ������� ��� ����� ����������� /���������� �� � �� �� � �� ��� � �' ������� ��� ����� � � ��������� ����' ������� �� ��������,�� ������ ��� �� �-�� ���� �� �������� ���� 0���� ��� ����� �� �� ������� � �� �� �� � ��� ��� �������� � �� ��� ���� �� � ��'����� �� ��� ������5#6 ���� ���� ���� � ������� � �%���� �����%�� � ��� ������������� �� � ��� �� ����� �� ���� ����� ��� �� ���������� �� ��������� ���������� �� � ��� ����� � ���������� �������� ��� ������������ ��� � � ���� �� ���� � ��� �� ��������� ����'� �

�� � ���� H�� ��� �� � �� � �) �� ����� �� �� ��� �����%�� , ��� ���� ����� �� �) �� ������ ��� ������ � � ����93 ���� �� ������ ���� �� � ����526 ,� ������� ��� �����%

���� ���� ����� ��� .�� ��� $� ����� �# � ���� 1,;<=%>0/ >���� ���/ ? 0�� @���� 1������� �"3!%"#9�A��A���"%��#3 B �2�!�C�!�A� ��#3

�����

�� �������� � ���A&������ ��� ���%��� ���� H ���

Aquatic Eye Compound Eye

Tapetum

Retina

OpticNerve

Muscle

Comea

Lens

4��� �� ,��������� ���� ��� �� �) ��� *��+ ��� ��� � �� *����+ ���� ������� � ��� ������ ��� �� �� ��� ��� �� ������ �� � �� �� �� ��� �� ���� � �������� �� �� ��������� ����' ��� �� ������ ����' �� �� ������

Page 4: Materials for Bio-inspired Optics

�� ���� �� ���� ���� ������ ������� ��� ��� ��� �������� ������ ��� � ������� � ��� ������

#� " �����

����� �� � ���� ����� ��� ���%��� ���� � ��� ������������ ������ ��� �-� �� � ������ �� ������ � ���� ��%����� �� �������� �� ��� ���� ���� � ���� ������� �������� ��� �� � �� ������ �� ��) ��� ������ ����������� �� ���������� �� ������ �������� ��� � ��� ����%������ ��� ��� �� � ���� �������� ��� ����� ��� �������

�� � ������� � � ������ ����� ����� �� �� ���� �� ����� �� ���%��� ���� � ��� ������ �� �� ������� ������� � ������

:5�6 &� 4� ;���� (�%<� .������ � � �� 2��� H'���� E�������� I����� H'����

�����5�6 ;� 4� ������� �� $���� $� =��� 8� 0� � � ����� ;���� ��� ����� ��� "23�536 1� $� D������ ;���� ��� �$$�� <=� ��2��596 �� 4� .� ���� �� (� ;���� &� =� ;�-��� 4� ;� >��������� ,��� 2&���

�$$$� �� 399�5!6 1� $� D������ I� D� $����� ;���� ��� �$$$� <:� ��9��5#6 <� /���� ,������ 3�� ���� �������%1����� 8������� &� �$$%� � ��!�526 $�%�� 1 � &� <� .� ���� $� $� @���� (� �� ������� $� .� ;���� &� <�

1���� �� �� (��������� ����� -!��� ���� ����� >>� "!2�

��#9 � ���� 1,;<=%>0/ >���� ���/ ? 0�� @���� 1������� �"3!%"#9�A��A���"%��#9 B �2�!�C�!�A� ���� ���� ����� ��� .�� ��� $� ����� �#

�����

�� �������� � ���A&������ ��� ���%��� ���� H ���

OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO