"Beeld" is alles in de markt van $ 20 miljard voor AR/VR-brillen. Consumenten zijn op zoek naar een bril die compact en gemakkelijk te dragen is, het leveren van beelden van hoge kwaliteit met sociaal aanvaardbare optica die er niet uitzien als 'bug eyes'.

Onderzoekers van de Universiteit van Rochester van het Institute of Optics hebben een nieuwe technologie bedacht om die attributen met maximaal effect te leveren. In een paper in wetenschappelijke vooruitgang , ze beschrijven het inprenten van vrije vorm optica met een nanofotonisch optisch element dat 'een meta-oppervlak' wordt genoemd.

Het meta-oppervlak is een waar woud van kleine, zilver, nanoschaalstructuren op een dunne metalen film die zich aanpast, in dit voorschot, naar de vrije vorm van de optica - het realiseren van een nieuwe optische component die de onderzoekers een metavorm noemen.

De metavorm is in staat om de conventionele wetten van reflectie te trotseren, het verzamelen van de zichtbare lichtstralen die vanuit alle richtingen een AR/VR-oculair binnenkomen, en ze direct omleiden naar het menselijk oog.

Nick Vamivakas, hoogleraar kwantumoptica en kwantumfysica, vergeleek de nanoschaalstructuren met kleinschalige radioantennes. "Als we het apparaat in werking stellen en het met de juiste golflengte belichten, al deze antennes beginnen te oscilleren, een nieuw licht uitstralen dat het beeld levert dat we stroomafwaarts willen."

"Meta-oppervlakken worden ook wel 'platte optica' genoemd, dus het schrijven van meta-oppervlakken op vrije vorm optica creëert een geheel nieuw type optische component, " zegt Jannick Rolland, de Brian J. Thompson Professor of Optical Engineering en directeur van het Center for Freeform Optics.

voegt Roland toe, "Dit soort optische componenten kan worden toegepast op alle spiegels of lenzen, dus we vinden nu al toepassingen in andere soorten componenten", zoals sensoren en mobiele camera's.

Waarom optica met vrije vorm niet genoeg was

De eerste demonstratie vergde vele jaren in beslag.

Het doel is om het zichtbare licht dat de AR/VR-bril binnenkomt op het oog te richten. Het nieuwe apparaat maakt daarbij gebruik van een freespace optische combiner. Echter, wanneer de combiner deel uitmaakt van vrije-vormoptiek die rond het hoofd buigt om te voldoen aan een lenzenvloeistofformaat, niet al het licht is op het oog gericht. Freeform-optiek alleen kan deze specifieke uitdaging niet oplossen.

Daarom moesten de onderzoekers een meta-oppervlak gebruiken om een ​​nieuwe optische component te bouwen.

"Door deze twee technologieën te integreren, vrije vorm en meta-oppervlakken, begrijpen hoe ze allebei omgaan met licht, en dat benutten om een ​​goed imago te krijgen was een grote uitdaging, " zegt hoofdauteur Daniel Nikolov, een optisch ingenieur in de onderzoeksgroep van Rolland.

De uitdaging van fabricage

Een ander obstakel was het overbruggen van "van macroschaal naar nanoschaal, " zegt Rolland. Het eigenlijke scherpstelapparaat meet ongeveer 2,5 millimeter breed. Maar zelfs dat is 10, 000 keer groter dan de kleinste van de nanostructuren die op de vrije vorm optiek zijn afgedrukt.

"Vanuit een ontwerpstandpunt betekende dat het veranderen van de vorm van de vrije-vormlens en het verdelen van de nanostructuren op de lens op een manier dat de twee in synergie werken, zodat u een optisch apparaat krijgt met goede optische prestaties, ' zegt Nikolaj.

Hiervoor was Aaron Bauer nodig, een optisch ingenieur in de groep van Rolland, om een ​​manier te vinden om het onvermogen om meta-oppervlakken direct te specificeren in optische ontwerpsoftware te omzeilen. In feite, verschillende softwareprogramma's werden gebruikt om tot een geïntegreerd metaform-apparaat te komen.

Fabricage was ontmoedigend, zegt Nikolaj. Het vereist het gebruik van elektronenstraallithografie, waarin elektronenbundels werden gebruikt om delen van het dunne-filmmeta-oppervlak weg te snijden waar de zilveren nanostructuren moesten worden afgezet. Schrijven met elektronenstralen op gekromde vrije-vormoppervlakken is atypisch en vereist de ontwikkeling van nieuwe fabricageprocessen.

De onderzoekers gebruikten een JEOL-machine voor elektronenstraallithografie (EBL) bij de Lurie Nanofabrication Facility van de University of Michigan. Om de meta-oppervlakken op een gebogen vrije-vorm-optiek te schrijven, maakten ze eerst een 3D-kaart van het vrije-vorm-oppervlak met behulp van een laser-sonde-meetsysteem. De 3D-kaart werd vervolgens in de JEOL-machine geprogrammeerd om aan te geven op welke hoogte elk van de nanostructuren moest worden vervaardigd.

"We pushten de mogelijkheden van de machine, " zegt Nikolov. Fei Cheng, een postdoctoraal medewerker in de Vamivakas-groep; Hitoshi Kato, een JEOL-vertegenwoordiger uit Japan, en de Michigan-staf van het nanofabricagelab, werkte samen met Nikolov aan het bereiken van succesvolle fabricage "na meerdere iteraties van het proces."

"Dit is een droom die uitkomt, " zegt Rolland. "Dit vereiste geïntegreerd teamwerk waarbij elke bijdrage cruciaal was voor het succes van dit project."

Wat is vrije vorm optiek?

Freeform-optiek is een opkomende technologie die lenzen en spiegels gebruikt met oppervlakken die geen symmetrie-as binnen of buiten de diameter van de optica hebben om optische apparaten te creëren die lichter, compacter, en effectiever dan ooit tevoren.

Toepassingen zijn onder meer 3D-beeldvorming en visualisatie, augmented en virtual reality, infrarood en militaire optische systemen, efficiënte auto- en led-verlichting, energie onderzoek, teledetectie, productie en inspectie van halfgeleiders, en medische en ondersteunende technologieën.

rolland, Bauer, en medewerkers van het Center for Freeform Optics hebben onlangs een paper gepubliceerd in optiek een overzicht geven van deze technologie, inclusief de vroege ontwikkeling van lenzen zonder rotatiesymmetrie; het ontwerp, fabricage, testen, en assemblage van vrije vorm optiek; onderliggende theorie, en vooruitzichten voor de toekomst.