Om det någonsin kommer att bli vanligt att bära ett virtual reality- eller augmented reality-headset, hårdvarutillverkare måste ta reda på hur man gör enheterna små och lätta samtidigt som de ser till att deras bilder är skarpa och tydliga. Tyvärr, denna uppgift står inför en viktig begränsning inom optik:Konventionella linser är krökta glasobjekt som fokuserar olika våglängder av ljus på olika platser, vilket skulle visa tittarna suddiga bilder. Som ett resultat, i stort sett allt med en lins – från små smartphonekameror till storskaliga projektorer – använder flera linser, som lägger till vikt, tjocklek och komplexitet, ökande kostnad.

Vi har kommit på ett nytt sätt att tillverka helt transparent, ultrakompakta linser som kan fokusera varje färg i spektrumet till samma punkt. Eftersom vår lins består av specialdesignade nanostrukturer, som inte finns i naturen, att fokusera ljus, vi kallar det en "meta-lins". Den har fördelarna av att vara ultrakompakt samtidigt som den kan leverera bilder av högre kvalitet över ett bredare ljusspektrum än de flesta traditionella linser, utan att behöva flera linser.

Böjande ljus

I århundraden, de flesta linser för teleskop, glasögon och annan optisk utrustning har tillverkats genom att slipa glas till en grov böjd form och sedan polera det för att rent och tydligt böja ljus. Dock, dessa linser kan inte fokusera ljus av alla färger på samma punkt.

Det är en grundläggande egenskap hos ljus att olika färger – eller frekvenser – färdas med olika hastigheter i en lins. De kan inte nå samma punkt samtidigt, vilket resulterar i suddiga bilder.

För att minska denna effekt, kommersiella linstillverkare konstruerar komplicerade optiska enheter med många separata linser, var och en exakt slipad till kurvor och justerad för att fokusera sitt våglängdsområde på precis rätt plats. Dock, de slutar med stora, tunga och komplexa linser – inget som skulle vara lätt att bära bekvämt som en del av en VR-upplevelse.

Kraften i nanostrukturer

För att ersätta dessa enorma och dyra precisionskonstruerade produkter, vi börjar med en millimetertjock skiva av vanligt planglas. På det, vi lägger ett lager av noggrant designade rektangulära nanostrukturer, en miljon gånger tunnare än glasskiktet, gjord av titandioxid, som är helt transparent för synligt ljus.

Nanostrukturerna är designade för att böja inkommande ljusstrålar med allt större vinklar ju längre de träffar meta-linsen från dess centrum så att alla strålar fokuseras på samma plats. För att fästa nanostrukturerna på glassubstratet, vi använder litografi, en teknik som ofta används för att masstillverka datorchips.

2016, vi visade att användning av platt glas med nanostrukturer kunde fokusera ljus av en specifik färg lika bra som en traditionell böjd lins. Men i den forskningen, det vi gjorde led av samma urgamla problem som krökt glas:Varje färg fokuserade på en annan plats. För att våra platta linser ska bilda bilder av hög kvalitet, allt ljus – oavsett färg – måste fokusera på samma punkt.

Inklusive alla färger

I vårt senaste arbete, vi designar en mer sofistikerad uppsättning nanostrukturer, som även på en plan yta kan göra mycket mer än en traditionell böjd lins. Nanostrukturerna böjer fortfarande ljuset i högre vinklar ju längre från mitten de är, men med en viktig modifikation inspirerad av en nyckelinsikt. Efter att ha lämnat meta-linsen, ljuset måste resa till fokuspunkten, som är längre bort från kanterna än från mitten av linsen.

Att resa en längre sträcka under samma tidsperiod, att ljuset måste färdas snabbare. Så vi byggde några nanostrukturer som överför ljuset snabbare, och andra som gör det långsammare. Vi lägger de snabbare sändande nanostrukturerna vid linsens kanter, så ljus färdas genom dem snabbare än i de i mitten. Detta hjälper effektivt ljuset från meta-linsens kanter att komma ikapp ljuset i mitten, så att alla strålar fokuserar tillsammans.

Detta tillvägagångssätt kan modifieras för ett antal specialiserade situationer, möjliggör konstruktion av meta-linser som har ett brett utbud av egenskaper, såsom förmågan att påverka vissa färger men inte andra:En specialdesignad nanostruktur kan göra den justeringen relativt enkelt, utan begränsningarna eller komplexiteten för att polera böjda glaslinser till mycket exakta specifikationer.

När väl designad, meta-linser kan skapas som en del av en bredare massproduktionsprocess:t.ex. av VR-headset eller augmented reality-glasögon. De kan också användas i stället för dyrare kameralinser av slipat glas på smartphones och bärbara datorer, minska vikten, tjocklek och kostnad för bärbara enheter.

Det kan tyckas förvånande att den månghundraåriga utmaningen med flerfärgsfokusering kan lösas av en tunn glasbit under nanostrukturer som knappt är synliga för det mänskliga ögat. Men verkligen, meta-lins-metoden kan ge det som alla dessa skrymmande traditionella linser inte kan:en tydlig bild över ett brett spektrum av färger.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.