Si el uso de un casco de realidad virtual o de realidad aumentada se convertirá en algo habitual, Los fabricantes de hardware necesitarán descubrir cómo hacer que los dispositivos sean pequeños y livianos mientras se aseguran de que sus imágenes sean nítidas y claras. Desafortunadamente, Esta tarea se enfrenta a una limitación clave en óptica:las lentes convencionales son objetos de vidrio curvo que enfocan diferentes longitudes de onda de luz en diferentes ubicaciones. que mostraría a los espectadores imágenes borrosas. Como resultado, Prácticamente cualquier cosa con una lente, desde pequeñas cámaras de teléfonos inteligentes hasta proyectores a gran escala, utiliza múltiples lentes, que añaden peso, espesor y complejidad, costo creciente.

Hemos descubierto una nueva forma de fabricar productos totalmente transparentes Lentes ultracompactos capaces de enfocar correctamente todos los colores del espectro en el mismo punto. Debido a que nuestra lente comprende nanoestructuras especialmente diseñadas, que no existen en la naturaleza, para enfocar la luz, lo llamamos un "meta-lente". Tiene las ventajas de ser ultracompacto y al mismo tiempo capaz de ofrecer imágenes de mayor calidad en un espectro de luz más amplio que la mayoría de los lentes tradicionales. sin requerir múltiples lentes.

Luz de flexión

Por siglos, la mayoría de lentes para telescopios, Los vidrios y otros equipos ópticos se han fabricado moliendo el vidrio en una forma curva áspera y luego puliéndolo para doblar la luz de manera limpia y clara. Sin embargo, estos lentes no pueden enfocar la luz de todos los colores en el mismo punto.

Es una propiedad básica de la luz que diferentes colores, o frecuencias, viajan a diferentes velocidades en una lente. No pueden llegar al mismo punto al mismo tiempo, resultando en imágenes borrosas.

Para reducir este efecto, Los fabricantes de lentes comerciales construyen dispositivos ópticos complicados con muchas lentes separadas, cada uno molido con precisión en curvas y alineado para enfocar su rango de longitudes de onda en el lugar correcto. Sin embargo, terminan con grandes, Lentes pesados ​​y complejos:nada que sea fácil de usar cómodamente como parte de una experiencia de realidad virtual.

El poder de las nanoestructuras

Para reemplazar estos enormes y costosos productos de ingeniería de precisión, comenzamos con una hoja de un milímetro de espesor de vidrio plano normal. En eso, colocamos una capa de nanoestructuras rectangulares cuidadosamente diseñadas, un millón de veces más delgada que la capa de vidrio, hecho de dióxido de titanio, que es totalmente transparente a la luz visible.

Las nanoestructuras están diseñadas para doblar los rayos de luz entrantes en ángulos cada vez mayores cuanto más golpean la meta-lente desde su centro, de modo que todos los rayos se enfocan en el mismo lugar. Para asegurar las nanoestructuras sobre el sustrato de vidrio, usamos litografía, una técnica ampliamente utilizada para producir chips de computadora en masa.

En 2016, Demostramos que el uso de vidrio plano con nanoestructuras podía enfocar la luz de un color específico tan bien como una lente curva tradicional. Pero en esa investigación, lo que hicimos sufrió el mismo problema antiguo que el vidrio curvo:cada color se enfocaba en una ubicación diferente. Para que nuestras lentes planas formen imágenes de alta calidad, toda la luz, independientemente de su color, debe enfocarse en el mismo punto.

Incluyendo todos los colores

En nuestro último trabajo, diseñamos un conjunto de nanoestructuras más sofisticado, que incluso en una superficie plana puede hacer mucho más que una lente curva tradicional. Las nanoestructuras todavía doblan la luz en ángulos más altos cuanto más lejos del centro están, pero con una importante modificación inspirada en una idea clave. Después de dejar la meta-lente, la luz tiene que viajar al punto de enfoque, que está más lejos de los bordes que del centro de la lente.

Para viajar una distancia más larga en el mismo período de tiempo, esa luz tiene que viajar más rápido. Así que construimos algunas nanoestructuras que transmiten la luz más rápidamente, y otros que lo hacen más lentamente. Colocamos las nanoestructuras de transmisión más rápida en los bordes de la lente, por lo que la luz viaja a través de ellos más rápido que en los del medio. Esto ayuda de manera efectiva a que la luz de los bordes de la meta-lente alcance la luz en el centro, para que todos los rayos se enfoquen juntos.

Este enfoque puede modificarse para cualquier número de situaciones especializadas, permitiendo la construcción de metalentes que tienen una amplia gama de propiedades, como la capacidad de afectar a ciertos colores pero no a otros:una nanoestructura de diseño personalizado puede hacer que ese ajuste sea relativamente simple, sin las limitaciones o complejidades de pulir lentes de vidrio curvo con especificaciones muy precisas.

Una vez diseñado, Las metalentes se pueden crear como parte de un proceso de producción en masa más amplio:por ejemplo, de cascos de realidad virtual o gafas de realidad aumentada. También se pueden usar en lugar de lentes de cámara de vidrio esmerilado más costosos en teléfonos inteligentes y computadoras portátiles. reduciendo el peso, espesor y costo de los dispositivos portátiles.

Puede parecer sorprendente que el desafío centenario del enfoque multicolor pueda resolverse con una delgada pieza de vidrio debajo de nanoestructuras apenas visibles para el ojo humano. Pero de hecho, El enfoque de metalentes puede proporcionar lo que todos esos voluminosos lentes tradicionales no pueden:una imagen clara en una amplia gama de colores.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.