Un metalente fabricado en una oblea de vidrio de 2 pulgadas (izquierda) y una fibra de escaneo montada a través de un tubo piezoeléctrico (derecha). La punta de la fibra se ubica dentro de la distancia focal de las metalentes. La luz viaja a lo largo de la fibra y se emite desde la punta de la fibra de escaneo, donde se forma un patrón de visualización. Crédito:Zhaoyi Li / Universidad de Harvard
A pesar de todos los avances en tecnología de consumo durante las últimas décadas, un componente ha permanecido frustrantemente estancado:la lente óptica. A diferencia de los dispositivos electrónicos, que se han vuelto más pequeños y eficientes a lo largo de los años, el diseño y la física subyacente de las lentes ópticas actuales no han cambiado mucho en aproximadamente 3, 000 años.
Este desafío ha provocado un cuello de botella en el desarrollo de sistemas ópticos de próxima generación, como pantallas portátiles para realidad virtual. que requieren compacto, ligero, y componentes rentables.
En la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson, un equipo de investigadores liderado por Federico Capasso, el profesor Robert L.Wallace de física aplicada y el investigador principal Vinton Hayes en ingeniería eléctrica, ha estado desarrollando la próxima generación de lentes que prometen abrir ese cuello de botella reemplazando los lentes curvos voluminosos con lentes simples y superficie plana que utiliza nanoestructuras para enfocar la luz.
En 2018, El equipo de Capasso desarrolló acromático, Metalentes sin aberraciones que funcionan en todo el espectro visible de luz. Pero estas lentes tenían solo decenas de micrones de diámetro, demasiado pequeño para su uso práctico en sistemas de realidad virtual y aumentada.
Ahora, Los investigadores han desarrollado unas metalentes acromáticas de dos milímetros que pueden enfocar RGB (rojo, azul, verde) sin aberraciones y desarrolló una pantalla miniaturizada para aplicaciones de realidad virtual y aumentada.
El resultado de las imágenes de realidad aumentada utilizando la pantalla de escaneo de fibra del ojo cercano a todo color, que muestra una imagen virtual de color RGB flotando en una escena del mundo real. Crédito:Zhaoyi Li / Universidad de Harvard
La investigación se publica en Avances de la ciencia .
"Esta lente de última generación abre un camino hacia un nuevo tipo de plataforma de realidad virtual y supera el cuello de botella que ha ralentizado el progreso de un nuevo dispositivo óptico, "dijo Capasso, el autor principal del artículo.
"Utilizando nueva física y un nuevo principio de diseño, Hemos desarrollado una lente plana para reemplazar las lentes voluminosas de los dispositivos ópticos actuales, "dijo Zhaoyi Li, becario postdoctoral en SEAS y primer autor del artículo. "Este es el metalente RGB-acromático más grande hasta la fecha y es una prueba de concepto de que estos lentes se pueden escalar hasta el tamaño de un centímetro, Producido en masa, e integrado en plataformas comerciales ".
Como metalentes anteriores, esta lente utiliza matrices de nanofinas de dióxido de titanio para enfocar por igual las longitudes de onda de la luz y eliminar la aberración cromática. Al diseñar la forma y el patrón de estos nanoarrays, los investigadores pudieron controlar la distancia focal del rojo, color verde y azul de la luz. Para incorporar la lente en un sistema de realidad virtual, el equipo desarrolló una pantalla de visión cercana utilizando un método llamado escaneo de fibra.
Crédito:Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard
La pantalla, inspirado en técnicas de bioimagen endoscópica basadas en escaneo de fibra, utiliza una fibra óptica a través de un tubo piezoeléctrico. Cuando se aplica un voltaje al tubo, la punta de la fibra escanea hacia la izquierda y hacia la derecha y hacia arriba y hacia abajo para mostrar patrones, formando una pantalla miniaturizada. La pantalla tiene alta resolución, brillo alto, alto rango dinámico, y amplia gama de colores.
En una plataforma de realidad virtual o realidad aumentada, las metalentes se colocarían directamente frente al ojo, y la pantalla se ubicaría dentro del plano focal de las metalentes. Los patrones escaneados por la pantalla se enfocan en la retina, donde se forma la imagen virtual, con la ayuda de las metalentes. Para el ojo humano la imagen aparece como parte del paisaje en el modo AR, a cierta distancia de nuestros ojos reales.
"Hemos demostrado cómo las plataformas metaópticas pueden ayudar a resolver el cuello de botella de las tecnologías de realidad virtual actuales y, potencialmente, usarse en nuestra vida diaria, "dijo Li.
Próximo, el equipo tiene como objetivo ampliar la lente aún más, haciéndolo compatible con las técnicas actuales de fabricación a gran escala para la producción en masa a bajo costo.
