Trotz aller Fortschritte in der Technologie der letzten Jahrzehnte hat eine Komponente eine frustrierende Stagnation gezeigt: das optische Linsensystem. Im Gegensatz zu elektronischen Geräten, die im Laufe der Jahre immer kleiner und effizienter geworden sind, haben sich das Design und die zugrunde liegende Physik der heutigen optischen Linsen seit etwa 3000 Jahren nicht wesentlich verändert. Diese Herausforderung hat zu einem Flaschenhals in der Entwicklung von optischen Systemen der nächsten Generation geführt, wie z.B. tragbaren Displays für die virtuelle Realität, die kompakte, leichte und kostengünstige Komponenten erfordern.
Eine nanostrukturierte Metalinse für Virtual und Augmented Reality
Das Ergebnis der Augment-Reality-Darstellung mit dem vollfarbigen augennahen Faser-Scanner-Display. Ein virtuelles Bild in RGB-Farbe schwebt in einer realen Szene. Bildquelle: Zhaoyi Li/Harvard University
Forscher entwickeln eine millimetergroße flache Linse für VR- und AR-Plattformen
An der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hat ein Forscherteam unter der Leitung von Federico Capasso und Vinton Hayes eine neue Generation von Linsen entwickelt und patentiert, die versprechen, diesen Engpass zu beseitigen, indem sie sperrige, gekrümmte Linsen durch eine einfache, flache Oberfläche ersetzen, die Nanostrukturen zur Fokussierung des Lichts verwendet.
Bereits im Jahr 2018 entwickelte das Team um Capasso achromatische, aberrationsfreie sogenannte Meta-Linsen, die über das gesamte sichtbare Lichtspektrum funktionieren. Aber diese Linsen hatten nur einen Durchmesser von einigen zehn Mikrometern, zu klein für den praktischen Einsatz in VR- und Augmented-Reality-Systemen. Jetzt haben die Forscher eine achromatische Metalinse mit einem Durchmesser von zwei Millimetern vorgestellt, die die RGB-Farben (Rot, Blau, Grün) ohne Aberrationen fokussieren kann, und ein miniaturisiertes Demo-Display für Virtual- und Augmented-Reality-Anwendungen entwickelt.
"Diese hochmoderne Linse öffnet einen Weg zu einer neuen Art von Virtual-Reality-Plattform und überwindet den Engpass, der den Fortschritt neuer optischer Geräte verlangsamt hat", sagte Capasso, der Hauptautor der Arbeit.
"Mit Hilfe einer neuen Physik und eines neuen Konstruktionsprinzips haben wir eine flache Linse entwickelt, die die sperrigen Linsen heutiger optischer Geräte ersetzen kann", sagte Zhaoyi Li, Postdoktorand am SEAS und Erstautor des Artikels. "Dies ist die bisher grösste RGB-achromatische Metalinse und ist ein Beweis dafür, dass diese Linsen auf Zentimetergrösse skaliert, in Massenproduktion hergestellt und in kommerzielle Plattformen integriert werden können."
Herstellung und Charakterisierung der achromatischen RGB-Metalinse. (A) rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der neuen Metalinse mit NA = 0,7. (B) Die fokale Intensitätsverteilung der Metalinse in XZ-Ebene zeigt nur eine geringe fokale Verschiebung (~0,1 % der Brennweite) bei relevanten Wellenlängen. C bis E: Gemessene fokale Intensitätsprofile in den Fokalebenen. Bildquelle: Autoren
Ausgeklügelte Linsenanordnung ermöglicht augennahe und farbtreue Darstellung
Wie frühere Metalinsen verwendet diese Linse Anordnungen von Titandioxid-Nanofinnen, um die Wellenlängen des Lichts gleichmäßig zu fokussieren und chromatische Aberration zu eliminieren. Durch das Engineering der Form und des Musters dieser Nanoarrays konnten die Forscher die Brennweite der roten, grünen und blauen Lichtfarbe steuern. Um die Linse in ein VR-System einzubauen, entwickelte das Team ein augennahes Display mit einer Methode, die sich Faserscanning nennt. Das Display, inspiriert von fiber-scanning-basierten endoskopischen Bioimaging-Techniken, verwendet eine optische Faser durch eine piezoelektrische Röhre. Wenn eine Spannung an die Röhre angelegt wird, scannt die Faserspitze nach links und rechts sowie nach oben und unten, um Muster anzuzeigen, wodurch ein miniaturisiertes Display entsteht. Das Display erreicht eine hohe Auflösung, hohe Helligkeit, einen hohen Dynamikbereich und einen großen Farbumfang.
In einer VR- oder AR-Plattform würde die Metalinse direkt vor dem Auge sitzen, und das Display würde innerhalb der Brennebene der Metalinse sitzen. Die vom Display gescannten Muster werden mit Hilfe der Metalens auf die Netzhaut fokussiert, wo sich das virtuelle Bild bildet. Für das menschliche Auge erscheint das Bild im AR-Modus als Teil der Landschaft, in einiger Entfernung zu unseren tatsächlichen Augen. "Wir haben gezeigt, wie Meta-Optik-Plattformen helfen können, den Engpass aktueller VR-Technologien zu beheben und potenziell in unserem täglichen Leben eingesetzt werden können", sagt Li. Als Nächstes will das Team die Linse noch weiter hochskalieren, um sie mit aktuellen Großserien-Fertigungstechniken für die Massenproduktion zu geringen Kosten kompatibel zu machen.
Quelle:Pressemitteilung Harvard Universität, Bearbeitung: nano.swiss / MMo
Originalpublikation:
Z. Li, P. Lin, Y.-W. Huang, J.-S. Park, W.T. Chen, Z. Shi, C.-W. Qiu, J.-X. Cheng and F. Capasso, «Meta-optics achieves RGB-achromatic focusing for virtual reality», Science Advances 7 (5) eabe4458 (2021),
DOI: 10.1126/sciadv.abe4458
