Эта проблема создала узкое место в разработке оптических систем следующего поколения, таких как носимые дисплеи для виртуальной реальности, которые требуют компактных, легких и экономичных компонентов.
В Гарварде Джон А. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), группа исследователей под руководством Федерико Капассо, Роберта Л. Профессор прикладной физики Уоллеса и старший научный сотрудник по электротехнике Винтон Хейс разрабатывают линзы следующего поколения, которые обещают устранить это узкое место, заменив громоздкие изогнутые линзы простой плоской поверхностью, на которой для фокусировки света используются наноструктуры.
В 2018 году команда Капассо разработала ахроматические метализы без аберраций, которые работают во всем видимом спектре света. Но эти линзы были всего в десятки микрон в диаметре, слишком малы для практического использования в системах виртуальной реальности и дополненной реальности.
Теперь исследователи разработали двухмиллиметровую ахроматическую металинию, которая может фокусировать цвета RGB (красный, синий, зеленый) без аберраций, и разработали миниатюрный дисплей для приложений виртуальной и дополненной реальности.
Исследование опубликовано в Science Advances.
«Этот ультрасовременный объектив открывает путь к новому типу платформы виртуальной реальности и преодолевает узкое место, которое замедляет развитие нового оптического устройства», – сказал Капассо, старший автор статьи.
«Используя новую физику и новый принцип конструкции, мы разработали плоскую линзу, чтобы заменить громоздкие линзы современных оптических устройств», – сказал Чжаойи Ли, научный сотрудник SEAS и первый автор статьи. «Это самая большая на сегодняшний день RGB-ахроматическая металинза, которая подтверждает концепцию того, что эти линзы можно масштабировать до сантиметрового размера, производить их серийно и интегрировать в коммерческие платформы."
Как и в предыдущих моделях Metalenses, в этом объективе используются массивы нановолокон из диоксида титана для равной фокусировки световых волн и устранения хроматической аберрации. Разработав форму и узор этих наномассивов, исследователи смогли контролировать фокусное расстояние красного, зеленого и синего цветов света. Чтобы включить объектив в систему виртуальной реальности, команда разработала дисплей для ближнего действия, используя метод, называемый сканированием волокна.
Дисплей, вдохновленный методами эндоскопической биовизуализации на основе волоконного сканирования, использует оптическое волокно через пьезоэлектрическую трубку. Когда на трубку подается напряжение, наконечник волокна сканирует влево, вправо, вверх и вниз, чтобы отобразить узоры, образуя миниатюрный дисплей. Дисплей имеет высокое разрешение, высокую яркость, широкий динамический диапазон и широкую цветовую гамму.
В платформе VR или AR металинза будет располагаться прямо перед глазом, а дисплей – в фокальной плоскости металинзы. Сканируемые дисплеем узоры фокусируются на сетчатке глаза, где формируется виртуальное изображение, с помощью металины. Человеческий глаз видит изображение как часть ландшафта в режиме AR на некотором расстоянии от наших настоящих глаз.
«Мы продемонстрировали, как метаоптические платформы могут помочь устранить узкие места современных технологий виртуальной реальности и потенциально могут быть использованы в нашей повседневной жизни», – сказал Ли.
Затем команда намерена еще больше расширить объектив, сделав его совместимым с текущими крупномасштабными технологиями изготовления для массового производства по низкой цене.
Управление технологического развития Гарварда защитило интеллектуальную собственность, относящуюся к этому проекту, и изучает возможности коммерциализации.
Соавторами исследования являются Яо-Вэй Хуанг, Джун-Су Пак, Вей Тинг Чен и Чжуджун Ши из Гарвардского университета, Пэн Линь и Цзи-Синь Ченг из Бостонского университета и Ченг-Вэй Цю из Национального университета Сингапура.
Исследование было частично поддержано Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов (Defense Advanced Research Projects Agency) в рамках награды №. HR00111810001, Национальный научный фонд в рамках награды №. 1541959 и исследовательская программа SAMSUNG GRO в рамках премии №. A35924.