La "imagen" lo es todo en el mercado de $ 20 mil millones de gafas AR / VR. Los consumidores buscan gafas que sean compactas y fáciles de usar, entregando imágenes de alta calidad con ópticas socialmente aceptables que no parecen "ojos de insecto".

Los investigadores de la Universidad de Rochester en el Instituto de Óptica han ideado una tecnología novedosa para ofrecer esos atributos con el máximo efecto. En un papel en Avances de la ciencia , describen la impresión de la óptica de forma libre con un elemento óptico nanofotónico llamado "una metasuperficie".

La metasuperficie es un verdadero bosque de diminutos plata, estructuras a nanoescala en una fina película metálica que se adapta, en este avance, a la forma libre de la óptica, realizando un nuevo componente óptico que los investigadores denominan metaforma.

La metaforma es capaz de desafiar las leyes convencionales de la reflexión, recolectando los rayos de luz visible que ingresan a un ocular AR / VR desde todas las direcciones, y redirigirlos directamente al ojo humano.

Nick Vamivakas, profesor de óptica cuántica y física cuántica, comparó las estructuras a nanoescala con antenas de radio a pequeña escala. "Cuando activamos el dispositivo y lo iluminamos con la longitud de onda correcta, todas estas antenas comienzan a oscilar, irradiando una nueva luz que entrega la imagen que queremos corriente abajo ".

"Las metauperficies también se denominan 'ópticas planas', por lo que escribir metasuperficies en ópticas de forma libre está creando un tipo completamente nuevo de componente óptico, "dice Jannick Rolland, el profesor Brian J. Thompson de Ingeniería Óptica y director del Centro de Óptica de Forma Libre.

Agrega Rolland, "Este tipo de componente óptico se puede aplicar a cualquier espejo o lente, por eso ya estamos encontrando aplicaciones en otro tipo de componentes ”como sensores y cámaras móviles.

Por qué la óptica de forma libre no era suficiente

La primera demostración requirió muchos años para completarse.

El objetivo es dirigir la luz visible que ingresa a las gafas AR / VR hacia el ojo. El nuevo dispositivo utiliza un combinador óptico de espacio libre para ayudar a hacer eso. Sin embargo, cuando el combinador es parte de una óptica de forma libre que se curva alrededor de la cabeza para ajustarse a un formato de gafas, no toda la luz se dirige al ojo. La óptica de forma libre por sí sola no puede resolver este desafío específico.

Es por eso que los investigadores tuvieron que aprovechar una metasuperficie para construir un nuevo componente óptico.

"Integrando estas dos tecnologías, formas libres y metasuperficies, comprender cómo ambos interactúan con la luz, y aprovechar eso para obtener una buena imagen fue un gran desafío, "dice el autor principal Daniel Nikolov, ingeniero óptico en el grupo de investigación de Rolland.

El desafío de la fabricación

Otro obstáculo fue el puente "de macroescala a nanoescala, ", Dice Rolland. El dispositivo de enfoque real mide aproximadamente 2,5 milímetros de ancho. Pero incluso eso es 10, 000 veces más grande que la más pequeña de las nanoestructuras impresas en la óptica de forma libre.

"Desde el punto de vista del diseño que significó cambiar la forma de la lente de forma libre y distribuir las nanoestructuras en la lente de manera que ambas funcionen en sinergia, para obtener un dispositivo óptico con un buen rendimiento óptico, "Dice Nikolov.

Esto requirió Aaron Bauer, un ingeniero óptico en el grupo de Rolland, para encontrar una manera de eludir la incapacidad de especificar directamente metasuperficies en el software de diseño óptico. De hecho, Se utilizaron diferentes programas de software para lograr un dispositivo de metaforma integrado.

La fabricación fue abrumadora, Dice Nikolov. Requería el uso de litografía por haz de electrones, en el que se usaron haces de electrones para cortar secciones de la metasuperficie de película delgada donde las nanoestructuras de plata debían depositarse. Escribir con haces de electrones en superficies curvas de forma libre es atípico y requiere el desarrollo de nuevos procesos de fabricación.

Los investigadores utilizaron una máquina de litografía por haz de electrones (EBL) JEOL en la instalación de nanofabricación Lurie de la Universidad de Michigan. Para escribir las metasuperficies en una óptica curvada de forma libre, primero crearon un mapa 3D de la superficie de forma libre utilizando un sistema de medición de sonda láser. Luego, el mapa 3D se programó en la máquina JEOL para especificar a qué altura se necesitaba fabricar cada una de las nanoestructuras.

"Estábamos impulsando las capacidades de la máquina, "Nikolov dice. Fei Cheng, un asociado postdoctoral en el grupo Vamivakas; Hitoshi Kato, un representante de JEOL de Japón, y el personal de Michigan del laboratorio de nanofabricación, colaboró ​​con Nikolov para lograr una fabricación exitosa "después de múltiples iteraciones del proceso".

"Este es un sueño hecho realidad, Rolland dice:"Esto requería un trabajo en equipo integrado en el que cada contribución era fundamental para el éxito de este proyecto".

¿Qué es la óptica de forma libre?

La óptica de forma libre es una tecnología emergente que utiliza lentes y espejos con superficies que carecen de un eje de simetría dentro o fuera del diámetro de la óptica para crear dispositivos ópticos más ligeros. Mas Compacto, y más eficaz que nunca.

Las aplicaciones incluyen imágenes y visualización en 3-D, realidad aumentada y virtual, sistemas ópticos infrarrojos y militares, iluminación LED y automotriz eficiente, investigación energética, Sensores remotos, fabricación e inspección de semiconductores, y tecnologías médicas y asistenciales.

Rolland, Bauer, y colaboradores del Center for Freeform Optics publicaron recientemente un artículo en Optica proporcionando una descripción general de esta tecnología, incluido el desarrollo temprano de lentes sin simetría rotacional; el diseño, fabricación, pruebas, y montaje de ópticas de forma libre; teoría subyacente, y perspectivas de futuro.