Als het dragen van een virtual reality- of augmented reality-headset ooit gemeengoed wordt, hardwarefabrikanten zullen moeten uitzoeken hoe ze de apparaten klein en lichtgewicht kunnen maken en tegelijkertijd ervoor moeten zorgen dat hun afbeeldingen scherp en duidelijk zijn. Helaas, deze taak wordt geconfronteerd met een belangrijke beperking in de optica:conventionele lenzen zijn gebogen glazen objecten die verschillende golflengten van licht op verschillende locaties focussen, die kijkers wazige beelden zou laten zien. Als resultaat, vrijwel alles met een lens - van kleine smartphonecamera's tot grootschalige projectoren - maakt gebruik van meerdere lenzen, die gewicht toevoegen, dikte en complexiteit, stijgende kosten.

We hebben een nieuwe manier bedacht om volledig transparante, ultracompacte lenzen die in staat zijn om elke kleur in het spectrum correct op hetzelfde punt te focussen. Omdat onze lens speciaal ontworpen nanostructuren bevat, die in de natuur niet voorkomen, om licht te focussen, we noemen het een "metalen lens". Het heeft de voordelen dat het ultracompact is, terwijl het in staat is beeldvorming van hogere kwaliteit te leveren over een breder lichtspectrum dan de meeste traditionele lenzen, zonder dat je meerdere lenzen nodig hebt.

Buiglicht

Eeuwenlang, de meeste lenzen voor telescopen, glazen en andere optische apparatuur zijn vervaardigd door glas in een ruw gebogen vorm te slijpen en vervolgens te polijsten om het licht schoon en duidelijk te buigen. Echter, deze lenzen kunnen het licht van elke kleur niet op hetzelfde punt focussen.

Het is een basiseigenschap van licht dat verschillende kleuren – of frequenties – zich met verschillende snelheden in een lens voortplanten. Ze kunnen niet tegelijkertijd hetzelfde punt bereiken, resulterend in wazige beelden.

Om dit effect te verminderen, commerciële lensfabrikanten bouwen gecompliceerde optische apparaten met veel afzonderlijke lenzen, elk nauwkeurig geslepen in bochten en uitgelijnd om het bereik van golflengten op precies de juiste plaats te concentreren. Echter, ze eindigen met grote, zware en complexe lenzen - niets dat gemakkelijk comfortabel te dragen is als onderdeel van een VR-ervaring.

De kracht van nanostructuren

Om deze enorme en dure precisie-ontworpen producten te vervangen, we beginnen met een millimeter dikke plaat gewoon vlakglas. Ben ermee bezig, we plaatsen een laag zorgvuldig ontworpen rechthoekige nanostructuren, een miljoen keer dunner dan de glaslaag, gemaakt van titaniumdioxide, die volledig transparant is voor zichtbaar licht.

De nanostructuren zijn ontworpen om binnenkomende lichtstralen met steeds grotere hoeken te buigen naarmate ze de metalen lens verder van het midden raken, zodat alle stralen op dezelfde plek worden gefocust. Om de nanostructuren op het glassubstraat te bevestigen, we gebruiken lithografie, een techniek die veel wordt gebruikt om computerchips in massa te produceren.

in 2016, we toonden aan dat het gebruik van vlak glas met nanostructuren licht van één specifieke kleur net zo goed kon focussen als een traditionele gebogen lens. Maar in dat onderzoek wat we maakten had last van hetzelfde eeuwenoude probleem als gebogen glas:elke kleur was gericht op een andere locatie. Om onze platte lenzen hoogwaardige beelden te laten vormen, al het licht - ongeacht de kleur - moet zich op hetzelfde punt concentreren.

Inclusief alle kleuren

In ons laatste werk, we ontwerpen een meer geavanceerde set nanostructuren, die zelfs op een plat oppervlak veel meer kan dan een traditionele gebogen lens. De nanostructuren buigen het licht nog steeds onder hogere hoeken naarmate ze verder van het centrum verwijderd zijn. maar met een belangrijke wijziging geïnspireerd door een sleutelinzicht. Na het verlaten van de metalen lens, het licht moet naar het focuspunt reizen, die zich verder van de randen bevindt dan van het midden van de lens.

Om in dezelfde tijd een langere afstand af te leggen, dat licht moet sneller reizen. Dus bouwden we enkele nanostructuren die het licht sneller doorlaten, en anderen die dat langzamer doen. We plaatsen de sneller doorlatende nanostructuren aan de randen van de lens, dus licht reist er sneller doorheen dan in die in het midden. Dit helpt het licht van de randen van de metalen lens effectief om het licht in het midden in te halen, zodat alle stralen samen focussen.

Deze aanpak kan worden aangepast voor een aantal gespecialiseerde situaties, waardoor de constructie van metalen lenzen met een breed scala aan eigenschappen mogelijk is, zoals het vermogen om bepaalde kleuren te beïnvloeden, maar andere niet:een op maat ontworpen nanostructuur kan die aanpassing relatief eenvoudig maken, zonder de beperkingen of complexiteit van het polijsten van gebogen glazen lenzen tot zeer nauwkeurige specificaties.

Eenmaal ontworpen, metalen lenzen kunnen worden gemaakt als onderdeel van een breder massaproductieproces:bijvoorbeeld van VR-headsets of augmented reality-brillen. Ze kunnen ook worden gebruikt in plaats van duurdere cameralenzen van matglas op smartphones en laptops, gewicht verminderen, dikte en kosten van draagbare apparaten.

Het lijkt misschien verrassend dat de eeuwenoude uitdaging van meerkleurenfocussering kan worden opgelost door een dun stuk glas onder nanostructuren dat nauwelijks zichtbaar is voor het menselijk oog. Maar inderdaad, de benadering van de metalen lens kan bieden wat al die omvangrijke traditionele lenzen niet kunnen:een helder beeld in een breed scala aan kleuren.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.