Optisk magi:Nyt fladt glas muliggør optimal visuel kvalitet til augmented reality-briller

Som alle, der for nylig har prøvet et augmented reality-headset, ved, er teknologien endnu ikke klar til at være en del af vores hverdag. Forskere har arbejdet på at perfektionere højtydende augmented reality (AR) briller, men der er en række udfordringer. Et stort problem med konventionelle AR-briller er, at der er en afvejning med hensyn til kvalitet og lysstyrke mellem den eksterne scene, du faktisk ser, og den kontekstuelle information, du også ønsker at visualisere.

Tidlige løsninger som Google Glass brugte flere voluminøse optiske komponenter, der var delvist reflekterende og delvist transmitterende til at blande scener fra den virkelige verden og konteksten med resultatet af en dæmpet og forvrænget vision af begge scener.

Nyere AR-briller med hovedmonteret display er blevet mønstret med diffraktive gitter (fine riller) med bølgelængdestørrelse, der afleder kontekstuel information fra en miniprojektor ved siden af ​​brillerne til seerens øje. Men disse briller dæmper stadig og forvrænger den ydre scene, fordi lys fra den virkelige verden, der passerer gennem glasset, uundgåeligt bliver spredt og spredt af gitterne. Forvrængningerne bliver værre, når flere sæt overlappende gitre skal bruges til at håndtere flere forskellige farver fra miniprojektoren.

AR-briller, der perfekt blander det ydre miljø og kontekstuelle oplysninger for det menneskelige øje, ville være yderst nyttige til mange applikationer. Som et head-up display kunne teknologien give navigationsinstruktioner til en person, der kører en bil eller levere data fra sensorer til piloten, der flyver et fly uden at kræve, at de kigger væk fra deres forruder. Som en hovedmonteret skærm kunne teknologien gøre det muligt for kirurger og soldater at se information relateret til deres opgaver med hidtil uset lethed og effektivitet.

Glasset skal ikke kun være meget gennemsigtigt over næsten hele det synlige spektrum, hvilket giver mulighed for udæmpet og uforvrænget syn af omverdenen, men også at fungere som en yderst effektiv linse, der fokuserer lyset fra en miniprojektor ind i det menneskelige øje for at danne en visuel kontekst, der ledsager den eksterne scene fra den virkelige verden.

Undersøgelse demonstrerer ny slags bølgelængdeselektivt, bølgefrontformende glas

Forskere ved Columbia Engineering rapporterer, at de nu har opfundet netop denne slags glas. Ledet af Nanfang Yu, lektor i anvendt fysik og anvendt matematik, har holdet skabt en flad optisk enhed, der kun fokuserer nogle få udvalgte smalbåndsfarver af lys, mens den forbliver gennemsigtig for ikke-valgt lys over det store flertal af spektret. Avisen blev offentliggjort online den 8. august 2022 af Light:Science &Applications .

"Vi har bygget en meget cool flad optisk enhed, der fremstår helt gennemsigtig - som et simpelt stykke glas - indtil du skinner en lysstråle med den korrekte bølgelængde på den, når enheden pludselig bliver til en linse," sagde Yu, førende inden for forskning i nanofotonik. "For mig er dette optisk magi."

Metaoverflader

Yus gruppe udvikler flade optiske enheder baseret på metasurfaces - ultratynde optiske komponenter - for at kontrollere lysudbredelsen i frit rum og i optiske bølgeledere. Metasurfaces er lavet af todimensionelle (2D) arrays af designerscatterere, kaldet "optiske antenner" - en lille udgave af radioantenner, der har nanometerskaladimensioner.

Nøgletræk ved metasurfaces er, at de optiske scatterere alle er forskellige optisk. Lyset, de spreder, kan have forskellig amplitude, fase eller polarisation, så metasurfaces kan introducere en rumligt varierende optisk respons, der kan styre lyset på ekstremt fleksible måder. Som et resultat heraf gør metasurfaces det muligt at realisere funktionaliteter, der konventionelt kræver 3D-optiske komponenter eller enheder med et meget større fodaftryk, såsom fokusering eller styring af lysstråler eller skift af optiske signaler på integrerede fotoniske chips.

Ikke-lokale metasurfacer

Yus team opfandt en "ikke-lokal metasurface", der kan manipulere lysbølger på forskellige måder ved forskellige målrettede bølgelængder, mens lys på ikke-målrettede bølgelængder efterlades upåvirket. De nye enheder udøver både rumlig og spektral kontrol over lys ved at vælge en farve (spektral) og fokusere den (rumlig) ikke kun ved en enkelt bølgelængde, men også uafhængigt ved flere forskellige bølgelængder.

En demonstreret enhed fungerer f.eks. både som en konvergerende linse, der fokuserer lys på én farve, og som en konkav linse, der spreder lys i en anden farve, mens den forbliver gennemsigtig, som en umønstret glasplade, når den belyses med lys ved farver over resten af ​​spektret.

Bryder symmetri for at udstråle lys og forme dets bølgefront

Disse nye enheder stammer fra teoretiske udforskninger af Adam Overvig, en tidligere ph.d. studerende i Yus gruppe og medforfatter til undersøgelsen, i hvordan man manipulerer symmetri i fotoniske krystal (PhC) plader, såsom en 2D periodisk struktur, der er en firkantet række af firkantede huller defineret i en tynd film af silicium. PhC-plader er kendt for at understøtte et sæt tilstande, hvis frekvenser eller farver er bestemt af pladens geometri (f.eks. periodicitet af arrayet og størrelsen af ​​hullerne).

Tilstandene er i det væsentlige et lysark, der er rumligt forlænget (ikke-lokalt) langs pladen, men ellers begrænset i retningen normalt på pladen.

Indførelse af en symmetri-brydende forstyrrelse til en ellers strukturelt gentagne PhC-plade, såsom blot ved at deformere firkantede huller i PhC'en til rektangulære, sænker graden af ​​symmetri af PhC'en, så tilstandene ikke længere er begrænset til pladen:de kan blive begejstret ved at skinne en lysstråle fra det frie rum med den korrekte farve og kan også stråle tilbage til det frie rum.

Det er væsentligt, at i stedet for at anvende en ensartet forstyrrelse over hele PhC-pladen, varierede forskerne rumligt forstyrrelsen, idet de orienterede de rektangulære huller langs forskellige retninger over enheden. På denne måde kunne overfladeemissionen fra enheden have en støbt bølgefront i forhold til mønsteret af orienteringsvinklerne for rektanglerne.

Først til at lave linser, der fokuserer lyset i netop den ønskede farve

"Dette er første gang, at nogen eksperimentelt har demonstreret bølgelængde-selektive, bølgefrontformende optiske enheder ved hjælp af en tilgang, der er baseret på symmetri-brydende forstyrrelser," forklarede Stephanie Malek, en ph.d.-studerende i Yus gruppe, som var hovedforfatter af undersøgelsen .

"Ved omhyggeligt at vælge den indledende PhC-geometri kan vi opnå bølgelængdeselektivitet, og ved at skræddersy orienteringerne af den forstyrrelse, der påføres PhC'en, kan vi forme bølgefronten af ​​den valgte lysfarve. Det betyder, at vi kan lave linser, der fokuserer lyset. kun af den valgte farve."

Den hidtil mest multifunktionelle og flerfarvede metasurface

Holdet demonstrerede en multifunktionel enhed, der former de optiske bølgefronter uafhængigt ved fire forskellige bølgelængder, men fungerer som et gennemsigtigt substrat ved andre ikke-valgte bølgelængder.

Dette gør det til den mest multifunktionelle og flerfarvede metasurface, der er blevet demonstreret hidtil, og antyder også, at der i fremtiden kan laves fuldfarve AR-skærme ved uafhængigt at kontrollere nogle få farver af virtuel information.

AR-applikationer

Disse nye bølgelængdeselektive, bølgefrontformende "ikke-lokale" metaoverflader tilbyder en lovende løsning til AR-teknologier, inklusive head-up-displays på forruden på biler. Den optiske gennemsigtige linse kan afspejle kontekstuel information til seerens øje ved udvalgte smalbåndsbølgelængder på miniprojektoren, samtidig med at den tillader et uhindret, udæmmet bredbåndsudsyn af den virkelige verden.

Og fordi de bølgelængdeselektive metasurface-linser er tyndere end et menneskehår, er de velegnede til at udvikle AR-briller, der ser ud og føles som komfortable og moderigtige briller.

Kvanteoptik

Yus flade metaoverflader kan også bruges til væsentligt at reducere kompleksiteten af ​​kvanteoptiske opsætninger, der manipulerer ultrakolde atomer. Fordi flere laserstråler ved forskellige bølgelængder skal styres uafhængigt til afkøling, indfangning og overvågning af kolde atomer, kan disse opsætninger blive massive.

Denne kompleksitet har gjort det vanskeligt for forskere i vid udstrækning at adoptere kolde atomer til brug i atomure, kvantesimuleringer og beregninger. Nu, i stedet for at bygge flere porte rundt om vakuumkammeret til de kolde atomer, hver med deres unikke stråleformende optiske komponenter, kan en enkelt metasurface-enhed bruges til samtidig at forme de flere laserstråler, der blev brugt i eksperimentet.

Hvad er det næste:Demonstrer konceptet i synligt spektrum

Enhederne i denne undersøgelse kontrollerer samtidigt og uafhængigt bølgefronterne af flere nær-infrarøde stråler ved hjælp af nanostrukturerede silicium tynde film. Holdet planlægger dernæst at demonstrere konceptet i det synlige spektralområde for fuldt ud at kontrollere bølgefronterne af tre smalbåndede synlige laserstråler ved hjælp af en enhedsplatform med lavt absorptionstab i det synlige, såsom tyndfilm siliciumnitrid og titaniumdioxid.

De udforsker også skalerbarheden af ​​den bølgelængdeselektive metasurface-platform ved at inkludere mere end to forstyrrelser i en enkelt metasurface og ved at stable mere end to metasurfaces i en sammensat enhed. + Udforsk yderligere

Metasurface udviklet til at skabe tre forskellige billeder afhængigt af belysning