Ondanks alle vooruitgang in consumententechnologie in de afgelopen decennia, één onderdeel is frustrerend stil gebleven:de optische lens. In tegenstelling tot elektronische apparaten, die in de loop der jaren kleiner en efficiënter zijn geworden, het ontwerp en de onderliggende fysica van de optische lenzen van vandaag zijn niet veel veranderd in ongeveer 3, 000 jaar.

Deze uitdaging heeft een knelpunt veroorzaakt bij de ontwikkeling van optische systemen van de volgende generatie, zoals draagbare displays voor virtual reality, die compacte, lichtgewicht, en voordelige componenten.

Aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), een team van onderzoekers onder leiding van Federico Capasso, de Robert L. Wallace Professor of Applied Physics en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering, heeft de volgende generatie lenzen ontwikkeld die beloven dat knelpunt te openen door omvangrijke gebogen lenzen te vervangen door een eenvoudige, plat oppervlak dat nanostructuren gebruikt om licht te focussen.

in 2018, het team van Capasso ontwikkelde achromatische, aberratievrije metalenses die over het hele zichtbare lichtspectrum werken. Maar deze lenzen waren slechts tientallen microns in diameter, te klein voor praktisch gebruik in VR- en augmented reality-systemen.

Nutsvoorzieningen, hebben de onderzoekers een achromatische metalenses van twee millimeter ontwikkeld die RGB (rood, blauw, groen) kleuren zonder aberraties en ontwikkelde een geminiaturiseerde display voor virtual en augmented reality-toepassingen.

Het onderzoek is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

"Deze ultramoderne lens opent de weg naar een nieuw type virtual reality-platform en overwint het knelpunt dat de voortgang van een nieuw optisch apparaat heeft vertraagd, " zei Capasso, de senior auteur van het artikel.

"Door nieuwe fysica en een nieuw ontwerpprincipe te gebruiken, we hebben een platte lens ontwikkeld om de omvangrijke lenzen van de hedendaagse optische apparaten te vervangen, " zei Zhaoyi Li, een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en eerste auteur van het artikel. "Dit is de grootste RGB-achromatische metalens tot nu toe en is een proof of concept dat deze lenzen kunnen worden opgeschaald tot centimeters, massa geproduceerd, en geïntegreerd in commerciële platforms."

Net als eerdere metalenses, deze lens maakt gebruik van reeksen titaniumdioxide-nanovinnen om de golflengten van licht gelijkmatig te focussen en chromatische aberratie te elimineren. Door de vorm en het patroon van deze nanoarrays te ontwerpen, konden de onderzoekers de brandpuntsafstand van rood controleren, groene en blauwe kleur van licht. Om de lens in een VR-systeem op te nemen, het team ontwikkelde een near-eye-display met behulp van een methode die fiber scanning wordt genoemd.

Het scherm, geïnspireerd door op fiber-scanning gebaseerde endoscopische bioimaging-technieken, gebruikt een optische vezel door een piëzo-elektrische buis. Als er spanning op de buis wordt gezet, de vezeltip scant links en rechts en op en neer om patronen weer te geven, het vormen van een geminiaturiseerde weergave. Het scherm heeft een hoge resolutie, hoge helderheid, hoge dynamische afstand, en breed kleurengamma.

In een VR- of AR-platform, de metalens zou recht voor het oog zitten, en het display zou in het brandvlak van de metalens zitten. De patronen die door het scherm worden gescand, worden op het netvlies gefocust, waar het virtuele beeld zich vormt, met behulp van de metalens. Voor het menselijk oog, het beeld verschijnt als onderdeel van het landschap in de AR-modus, enige afstand van onze werkelijke ogen.

"We hebben aangetoond hoe meta-optische platforms kunnen helpen bij het oplossen van het knelpunt van de huidige VR-technologieën en mogelijk kunnen worden gebruikt in ons dagelijks leven, " zei Li.

Volgende, het team wil de lens nog verder opschalen, waardoor het compatibel is met de huidige grootschalige fabricagetechnieken voor massaproductie tegen lage kosten.