Leverer VR i perfekt fokus med nanostrukturmetalinser

Hvis iført et virtual reality- eller augmented reality -headset nogensinde bliver almindeligt, hardwareproducenter skal finde ud af, hvordan man gør enhederne små og lette, samtidig med at deres billeder er skarpe og klare. Desværre, denne opgave står over for en central begrænsning inden for optik:Konventionelle linser er buede glasobjekter, der fokuserer forskellige bølgelængder af lys forskellige steder, som ville vise seerne slørede billeder. Som resultat, stort set alt med et objektiv-fra små smartphone-kameraer til store projektorer-bruger flere objektiver, der tilfører vægt, tykkelse og kompleksitet, stigende omkostninger.

Vi har fundet ud af en ny måde at fremstille fuldstændig gennemsigtig, ultrakompakte linser, der er i stand til korrekt at fokusere hver farve i spektret til det samme punkt. Fordi vores linse består af specialdesignede nanostrukturer, som ikke findes i naturen, at fokusere lys, vi kalder det et "meta-objektiv". Det har fordelene ved at være ultrakompakt, samtidig med at det kan levere billedbehandling af højere kvalitet på tværs af et bredere lysspektrum end de fleste traditionelle objektiver, uden at kræve flere linser.

Bøjning af lys

I århundreder, de fleste linser til teleskoper, glas og andet optisk udstyr er blevet fremstillet ved at slibe glas til en ru buet form og derefter polere det for rent og tydeligt at bøje lys. Imidlertid, disse linser kan ikke fokusere lyset i hver farve på det samme punkt.

Det er en grundlæggende egenskab ved lys, at forskellige farver - eller frekvenser - bevæger sig med forskellige hastigheder i et objektiv. De kan ikke nå det samme punkt på samme tid, resulterer i slørede billeder.

For at reducere denne effekt, kommercielle linsefabrikanter konstruerer komplicerede optiske enheder med mange separate linser, hver præcist formalet i kurver og justeret for at fokusere sit område af bølgelængder på det helt rigtige sted. Imidlertid, de ender med store, tunge og komplekse linser - intet, der ville være let at bære komfortabelt som en del af en VR -oplevelse.

Kraften i nanostrukturer

For at erstatte disse enorme og dyre præcisionsfremstillede produkter, vi starter med en millimeter tyk plade af almindeligt fladt glas. På det, vi lægger et lag omhyggeligt designet rektangulære nanostrukturer, en million gange tyndere end glaslaget, lavet af titandioxid, som er fuldstændig gennemsigtig for synligt lys.

Nanostrukturerne er designet til at bøje indkommende lysstråler med stadig større vinkler, jo længere de rammer meta-linse fra midten, så alle stråler er fokuseret på det samme sted. For at fastgøre nanostrukturer på glassubstratet, vi bruger litografi, en teknik, der er meget udbredt til masseproduktion af computerchips.

I 2016, vi viste, at brug af fladt glas med nanostrukturer kunne fokusere lys i en bestemt farve lige så godt som en traditionel buet linse. Men i den forskning, hvad vi lavede led af det samme ældgamle problem som buet glas:Hver farve fokuserede på en anden placering. For at få vores flade linser til at danne billeder i høj kvalitet, alt lys - uanset dets farve - skal fokusere på det samme punkt.

Inklusive alle farver

I vores seneste arbejde, vi designer et mere sofistikeret sæt nanostrukturer, som selv på en flad overflade kan meget mere end en traditionel buet linse. Nanostrukturerne bøjer stadig lyset i højere vinkler, jo længere fra midten de er, men med en vigtig ændring inspireret af en vigtig indsigt. Efter at have forladt meta-linse, lyset skal rejse til fokuspunktet, som er længere fra kanterne, end det er fra objektivets centrum.

At rejse en længere afstand i samme tidsrum, at lyset skal rejse hurtigere. Så vi byggede nogle nanostrukturer, der overfører lyset hurtigere, og andre, der gør det langsommere. Vi placerer de hurtigere transmitterende nanostrukturer ved kanterne af linsen, så lyset bevæger sig hurtigere gennem dem end i dem i midten. Dette hjælper effektivt lyset fra metalinsens kanter med at indhente lys i midten, så alle strålerne fokuserer sammen.

Denne tilgang kan ændres til et vilkårligt antal specialiserede situationer, muliggør konstruktion af metalinser, der har en lang række egenskaber, såsom evnen til at påvirke visse farver, men ikke andre:En specialdesignet nanostruktur kan foretage denne justering relativt enkelt, uden begrænsninger eller kompleksitet ved polering af buede glaslinser til meget præcise specifikationer.

Når den er designet, meta-linser kan oprettes som en del af en bredere masseproduktionsproces:f.eks. VR -headset eller augmented reality -briller. De kan også bruges i stedet for dyrere kameralinser i formglas på smartphones og bærbare computere, reducere vægten, tykkelse og pris på bærbare enheder.

Det kan virke overraskende, at den århundredgamle udfordring med flerfarvet fokusering kan løses med et tyndt stykke glas under nanostrukturer, der næsten ikke er synligt for det menneskelige øje. Men faktisk, meta-linse tilgangen kan give, hvad alle de omfangsrige traditionelle linser ikke kan:et klart billede på tværs af en bred vifte af farver.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.