Optică de formă liberă combinată cu metasuperfață pentru a evita „ochi de eroare”

O metaformă este o nouă componentă optică despre care cercetătorii din Rochester spun că o pot combina cu optică în formă liberă pentru a crea următoarea generație de căști și ochelari AR / VR. Credit: ilustrare de la Universitatea din Rochester / Michael Osadciw

„Imaginea” este totul pe piața de 20 de miliarde de dolari pentru ochelarii AR / VR. Consumatorii caută ochelari compacti și ușor de purtat, oferind imagini de înaltă calitate cu elemente optice acceptabile din punct de vedere social, care nu arată ca „ochi buggy”.

Cercetătorii de la Universitatea Rochester de la Institutul de Optică au venit cu o nouă tehnologie pentru a oferi aceste atribute cu efect maxim. Într-o scrisoare către Progrese în știință, descriu încorporarea opticii în formă liberă cu un element optic nanofotonic numit „o metasurfață”.

Metasuprafața este o adevărată pădure de structuri fine, de argint, la scară nano într-o peliculă metalică subțire care se potrivește, în această descoperire, cu forma formei libere de optică – realizând o nouă componentă optică, cercetătorii o numesc metaforă.

Metaforma este capabilă să conteste legile convenționale ale reflexiei, colectând raze de lumină vizibilă care intră într-un ocular AR / VR din toate direcțiile și le redirecționează direct către ochiul uman.

Nick Vamivakas, profesor de optică cuantică și fizică cuantică, a comparat structurile la scară nano cu antenele radio la scară mică. „Când aprindem dispozitivul și îl iluminăm la lungimea de undă potrivită, toate aceste antene încep să vibreze, radiază o nouă lumină care dă imaginea pe care o dorim în aval.”

„Metasuprafețele sunt, de asemenea, numite„ optică plană ”, astfel încât scrierea metasuprafețelor în optică în formă liberă creează un tip cu totul nou de componentă optică”, spune Jannick Rolland, profesor de inginerie optică Brian J. Thompson și director al Centrului pentru Optică de Formă Liberă.

Rolland adaugă: „Acest tip de componentă optică poate fi aplicată la orice oglindă sau obiectiv, așa că găsim deja aplicații în alte tipuri de componente”, cum ar fi senzorii și camerele mobile.

De ce optica în formă liberă nu a fost suficientă

Prima demonstrație a durat mulți ani.

Scopul este de a direcționa lumina vizibilă care intră în ochelarii AR / VR în ochi. Noul dispozitiv folosește un combinator optic spațiu liber pentru a-l ajuta. Cu toate acestea, atunci când combinatorul face parte din optica de formă liberă care se îndoaie în jurul capului pentru a se potrivi unui format de ochelari, nu toată lumina este îndreptată spre ochi. Optica de formă liberă singură nu poate rezolva această provocare specifică.

Ce este optica de formă liberă?

Optica cu formă liberă este o tehnologie în evoluție, care folosește lentile și oglinzi cu suprafețe care nu au o axă de simetrie în interiorul sau în afara diametrului opticii pentru a crea dispozitive optice mai ușoare, mai compacte și mai eficiente decât oricând.

Aplicațiile includ imagistică și vizualizare 3D, realitate augmentată și virtuală, sisteme optice în infraroșu și militare, iluminat eficient pentru automobile și LED-uri, căutare de energie, teledetecție, fabricarea și inspecția semiconductoarelor și tehnologii medicale și de asistență.

Rolland, Bauer și colegii de la Center for Freeform Optics au publicat recent un articol în Optica care oferă o imagine de ansamblu asupra acestei tehnologii, inclusiv dezvoltarea timpurie a lentilelor fără simetrie de rotație; modelarea, fabricarea, testarea și asamblarea opticii în formă liberă; teoria de bază și perspectiva pentru viitor.

Acesta este motivul pentru care cercetătorii au fost nevoiți să folosească o metasuprafață pentru a construi o nouă componentă optică.

„Integrarea acestor două tehnologii, forma liberă și interfețele, înțelegerea modului în care cele două interacționează cu lumina și utilizarea acesteia pentru a obține o imagine bună a fost o mare provocare”, spune autorul principal Daniel Nikolov, inginer optic. Din grupul de cercetare Rolland.

Provocarea ficțiunii

Un alt obstacol a fost podul „de la scara macro la scara nanoscală”, spune Rolland. Dispozitivul de concentrare actual măsoară aproximativ 2,5 milimetri. Dar chiar și aceasta este de 10.000 de ori mai mare decât cea mai mică dintre nanostructurile încorporate în optica în formă liberă.

„Din punct de vedere al designului, a însemnat schimbarea formei obiectivului de formă liberă și distribuirea nanostructurilor în obiectiv într-un mod în care ambele funcționează în sinergie, astfel încât să obțineți un dispozitiv optic cu performanțe optice bune”, spune el. Nikolov.

Acest lucru i-a cerut lui Aaron Bauer, inginer optic din grupul Rolland, să găsească o modalitate de a ocoli incapacitatea de a specifica direct metasuprafața în software-ul de proiectare optică. De fapt, s-au folosit diverse programe software pentru a realiza un meta-dispozitiv integrat.

Fabricația a fost șocantă, spune Nikolov. A fost necesară folosind litografia cu fascicul de electroni, în care fasciculele de electroni au fost utilizate pentru a tăia părți ale suprafeței cu peliculă subțire, unde urmau să fie depuse nanostructuri de argint. Scrierea electronică a fasciculului pe suprafețe curbate de formă liberă este atipică și necesită dezvoltarea de noi procese de fabricație.

Cercetătorii au folosit o mașină de litografie cu fascicul de electroni JEOL (EBL) la instalația de nanofabricare Lurie de la Universitatea din Michigan. Pentru a scrie suprafețe pe o formă optică curbată liberă, au creat mai întâi o hartă 3D a suprafeței formei libere utilizând un sistem de măsurare a sondei laser. Harta 3D a fost apoi programată în mașina JEOL pentru a specifica la ce înălțime trebuia fabricată fiecare nanostructură.

„Împingeam abilitățile mașinii”, spune Nikolov. Fei Cheng, coleg postdoctoral la grupul Vamivakas; Hitoshi Kato, reprezentant JEOL din Japonia, și personalul din laboratorul de nanofabricare din Michigan au colaborat cu Nikolov pentru a realiza fabricație de succes „după numeroase repetări ale procesului”.

„Acesta este un vis devenit realitate”, spune Rolland. „Acest lucru a necesitat o muncă de echipă integrată, unde orice contribuție a fost esențială pentru succesul acestui proiect.”

Referință: „Metaform Optics: Connecting Nanophotonics and Free Form Optics” de Daniel K. Nikolov, Aaron Bauer, Fei Cheng, Hitoshi Kato, A. Nick Vamivakas și Jannick P. Rolland, 30 aprilie 2021, Progrese în știință.
DOI: 10.1126 / sciadv.abe5112

Cercetarea a fost susținută parțial de o societate Nikolov de la Link Foundation și finanțare de la Centrul pentru Științe Noi și Inovatoare de la Universitatea din Rochester. De asemenea, cercetarea a beneficiat în mod critic de cunoștințe avansate în domeniul opticii în formă liberă dezvoltate în colaborare cu Centrul de Optică NSF Freeform (CeFO).

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Inginerii dezvoltă o nouă tehnologie de tratare a apei care ar putea ajuta și exploratorii Marte

Un catalizator care distruge percloratul din apă poate curăța solul marțian. O echipă condusă de ingineri de la Universitatea din California Riverside a dezvoltat un...

Dezechilibrul energetic al Pământului s-a dublat

Faceți clic pe imaginea pentru a anima: Comparația estimărilor anuale suprapuse la intervale de 6 luni ale fluxului anual net de energie în atmosfera...

Modul în care celulele folosesc „pungile pentru gunoi” pentru a-și transporta deșeurile de reciclare

Descoperirile pot avea implicații importante pentru înțelegerea bolilor legate de vârstă. Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebys au obținut o perspectivă mai profundă...

Cercetătorii iau distribuția cheii cuantice din laborator

Dovezile pe teren arată că simpla funcționare a sistemului DCC cu rețeaua de telecomunicații existentă în Italia. Într-un nou studiu, cercetătorii au demonstrat un sistem...

Știința simplificată: ce sunt rețelele cuantice?

din Departamentul Energiei din SUA 17 iunie 2021 Părțile interesate din guvern, laboratoare naționale, universități și industrie s-au alăturat DOE Internet Quantum Project Workshop pentru a...

Newsletter

Subscribe to stay updated.