Forskere udvikler en flad linse i millimeterstørrelse til VR- og AR-platforme

På trods af alle fremskridt inden for forbrugerteknologi gennem de sidste årtier, en komponent er forblevet frustrerende stillestående:den optiske linse. I modsætning til elektroniske enheder, som er blevet mindre og mere effektive gennem årene, designet og den underliggende fysik af nutidens optiske linser har ikke ændret sig meget i omkring 3, 000 år.

Denne udfordring har forårsaget en flaskehals i udviklingen af ​​næste generations optiske systemer såsom bærbare skærme til virtual reality, som kræver kompakt, letvægts, og omkostningseffektive komponenter.

På Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), et team af forskere ledet af Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i anvendt fysik og Vinton Hayes seniorforsker i elektroteknik, har udviklet den næste generation af linser, der lover at åbne den flaskehals ved at erstatte omfangsrige buede linser med en enkel, flad overflade, der bruger nanostrukturer til at fokusere lyset.

I 2018, Capassos team udviklede akromatisk, aberrationsfri metalenses, der virker på tværs af hele det synlige lysspektrum. Men disse linser var kun snesevis af mikrometer i diameter, for lille til praktisk brug i VR og augmented reality-systemer.

Nu, forskerne har udviklet en to-millimeter akromatisk metalense, der kan fokusere RGB (rød, blå, grønne) farver uden aberrationer og udviklet en miniaturiseret skærm til virtual og augmented reality-applikationer.

Forskningen er publiceret i Videnskab fremskridt .

"Denne avancerede linse åbner en vej til en ny type virtual reality-platform og overvinder den flaskehals, der har bremset udviklingen af ​​ny optisk enhed, " sagde Capasso, avisens seniorforfatter.

"Ved at bruge ny fysik og et nyt designprincip, vi har udviklet en flad linse til at erstatte de omfangsrige linser i nutidens optiske enheder, " sagde Zhaoyi Li, en postdoc ved SEAS og førsteforfatter til papiret. "Dette er den største RGB-akromatiske metalen til dato og er et bevis på, at disse linser kan skaleres op til centimeterstørrelse, masseproduceret, og integreret i kommercielle platforme."

Ligesom tidligere metalenses, denne linse bruger arrays af titaniumdioxid nanofiner til at fokusere lige bølgelængder af lys og eliminere kromatisk aberration. Ved at konstruere formen og mønsteret af disse nanoarrays, forskerne kunne kontrollere brændvidden af ​​rødt, grøn og blå lysfarve. For at inkorporere objektivet i et VR-system, holdet udviklede en nær-øje-skærm ved hjælp af en metode kaldet fiberscanning.

Displayet, inspireret af fiber-scanning-baserede endoskopiske biobilledteknikker, bruger en optisk fiber gennem et piezoelektrisk rør. Når en spænding påføres røret, fiberspidsen scanner til venstre og højre og op og ned for at vise mønstre, danner et miniaturiseret display. Skærmen har høj opløsning, høj lysstyrke, højt dynamisk område, og bred farveskala.

I en VR- eller AR-platform, metalens ville sidde lige foran øjet, og displayet ville sidde inden for metalens brændplan. Mønstrene, der scannes af skærmen, fokuseres på nethinden, hvor det virtuelle billede dannes, ved hjælp af metalens. For det menneskelige øje, billedet vises som en del af landskabet i AR-tilstand, et stykke fra vores egentlige øjne.

"Vi har demonstreret, hvordan meta-optiske platforme kan hjælpe med at løse flaskehalsen i de nuværende VR-teknologier og potentielt blive brugt i vores daglige liv, "sagde Li.

Næste, holdet sigter mod at skalere objektivet yderligere op, hvilket gør det kompatibelt med nuværende storstilede fremstillingsteknikker til masseproduktion til en lav pris.