En ny måde at lave AR/VR -briller på

"Image" er alt på $20 milliarder-markedet for AR/VR-briller. Forbrugerne leder efter briller, der er kompakte og nemme at have på, leverer billeder af høj kvalitet med socialt acceptabel optik, der ikke ligner "bug eyes".

University of Rochester forskere ved Institute of Optics har fundet frem til en ny teknologi til at levere disse egenskaber med maksimal effekt. I et papir i Videnskabens fremskridt , de beskriver prægning af friformsoptik med et nanofotonisk optisk element kaldet "en metasurface."

Metasfladen er en veritabel skov af bittesmå, sølv, nanoskala strukturer på en tynd metallisk film, der tilpasser sig, i dette forskud, til optikens frie form - realisering af en ny optisk komponent, som forskerne kalder en metaform.

Metaformen er i stand til at trodse de konventionelle love for refleksion, at samle de synlige lysstråler, der kommer ind i et AR/VR okular fra alle retninger, og omdirigere dem direkte ind i det menneskelige øje.

Nick Vamivakas, professor i kvanteoptik og kvantefysik, sammenlignede strukturerne i nanoskala med radioantenner i lille skala. "Når vi aktiverer enheden og belyser den med den rigtige bølgelængde, alle disse antenner begynder at oscillere, udstråler et nyt lys, der leverer det billede, vi ønsker nedstrøms."

"Metasurfaces kaldes også 'flad optik', så at skrive metasurfaces på friformsoptik skaber en helt ny type optisk komponent, "siger Jannick Rolland, Brian J. Thompson professor i optisk teknik og direktør for Center for Freeform Optics.

tilføjer Rolland, "Denne slags optiske komponenter kan anvendes på alle spejle eller linser, så vi er allerede ved at finde applikationer i andre typer komponenter" såsom sensorer og mobilkameraer.

Hvorfor friformsoptik ikke var nok

Den første demonstration krævede mange år at gennemføre.

Målet er at rette det synlige lys ind i AR/VR -brillerne til øjet. Den nye enhed bruger en optisk kombinator med frirum til at hjælpe med at gøre det. Imidlertid, når kombinereren er en del af friformsoptik, der buer rundt om hovedet for at passe til et brilleformat, ikke alt lys er rettet mod øjet. Friformsoptik alene kan ikke løse denne specifikke udfordring.

Derfor var forskerne nødt til at udnytte en metasurface til at bygge en ny optisk komponent.

"Integration af disse to teknologier, fri form og metasurfaces, at forstå, hvordan de interagerer med lys, og at udnytte det til at få et godt image var en stor udfordring, " siger hovedforfatter Daniel Nikolov, optisk ingeniør i Rollands forskningsgruppe.

Udfordringen ved fremstilling

En anden hindring var at bygge bro "fra makroskala til nanoskala, " siger Rolland. Den faktiske fokuseringsenhed måler omkring 2,5 millimeter på tværs. Men selv det er 10, 000 gange større end den mindste af de nanostrukturer, der er præget på friformsoptikken.

"Fra et designsynspunkt betød det at ændre formen på den frie linse og fordele nanostrukturerne på linsen på en måde, så de to fungerer i synergi, så du får en optisk enhed med en god optisk ydeevne, " siger Nikolov.

Dette krævede Aaron Bauer, en optisk ingeniør i Rollands gruppe, at finde en måde at omgå manglende evne til direkte at specificere metasurfaces i optisk designsoftware. Faktisk, forskellige softwareprogrammer blev brugt til at opnå en integreret metaformenhed.

Fremstilling var skræmmende, siger Nikolov. Det krævede at bruge elektronstråle litografi, hvor elektronstråler blev brugt til at skære sektioner af tyndfilms-metaoverfladen væk, hvor sølvnanostrukturerne skulle aflejres. At skrive med elektronstråler på buede friformede overflader er atypisk og krævet udvikling af nye fremstillingsprocesser.

Forskerne brugte en JEOL elektronstrålelitografi (EBL) maskine ved University of Michigans Lurie Nanofabrication Facility. For at skrive metaoverfladerne på en buet friformsoptik skabte de først et 3D-kort af friformsoverfladen ved hjælp af et laserprobe-målesystem. 3D-kortet blev derefter programmeret ind i JEOL-maskinen for at specificere, i hvilken højde hver af nanostrukturerne skulle fremstilles.

"Vi pressede maskinens muligheder, " siger Nikolov. Fei Cheng, en postdoktor i Vamivakas-gruppen; Hitoshi Kato, en JEOL-repræsentant fra Japan, og personalet i Michigan i nanofabrication lab, samarbejdede med Nikolov om at opnå en vellykket fremstilling "efter flere iterationer af processen."

"Dette er en drøm, der går i opfyldelse, " siger Rolland. "Dette krævede integreret teamwork, hvor hvert bidrag var afgørende for dette projekts succes."

Hvad er friformsoptik?

Freeform optik er en ny teknologi, der bruger linser og spejle med overflader, der mangler en symmetriakse inden for eller uden for optikdiameteren til at skabe optiske enheder, der er lettere, mere kompakt, og mere effektiv end nogensinde før.

Applikationer omfatter 3D-billeddannelse og visualisering, augmented og virtual reality, infrarøde og militære optiske systemer, effektiv bil- og LED -belysning, energiforskning, fjernmåling, halvlederfremstilling og inspektion, og medicinske og hjælpeteknologier.

Rolland, Bauer, og samarbejdspartnere ved Center for Freeform Optics udgav for nylig en artikel i Optica give et overblik over denne teknologi, herunder den tidlige udvikling af linser uden rotationssymmetri; designet, fremstilling, test, og samling af friformsoptik; underliggende teori, og udsigt til fremtiden.