Trots alla framsteg inom konsumentteknologi under de senaste decennierna, en komponent har förblivit frustrerande stillastående:den optiska linsen. Till skillnad från elektroniska enheter, som har blivit mindre och mer effektiva med åren, designen och den underliggande fysiken för dagens optiska linser har inte förändrats mycket på cirka 3, 000 år.

Denna utmaning har orsakat en flaskhals i utvecklingen av nästa generations optiska system som bärbara skärmar för virtuell verklighet, som kräver kompakt, lättvikt, och kostnadseffektiva komponenter.

Vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), ett team av forskare ledd av Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes seniorforskare i elektroteknik, har utvecklat nästa generations linser som lovar att öppna den flaskhalsen genom att ersätta skrymmande böjda linser med en enkel, platt yta som använder nanostrukturer för att fokusera ljus.

Under 2018, Capassos team utvecklade akromatisk, aberrationsfria metalenses som fungerar över hela det synliga ljusspektrumet. Men dessa linser var bara tiotals mikrometer i diameter, för liten för praktisk användning i VR och augmented reality-system.

Nu, forskarna har utvecklat en två-millimeter akromatisk metallenses som kan fokusera RGB (röd, blå, gröna) färger utan aberrationer och utvecklade en miniatyriserad display för virtuella och augmented reality-applikationer.

Forskningen är publicerad i Vetenskapliga framsteg .

"Detta toppmoderna objektiv öppnar en väg till en ny typ av virtual reality-plattform och övervinner flaskhalsen som har bromsat utvecklingen av ny optisk enhet, sa Capasso, tidningsförfattaren.

"Med hjälp av ny fysik och en ny designprincip, vi har utvecklat en platt lins för att ersätta de skrymmande linserna i dagens optiska enheter, "sa Zhaoyi Li, en postdoktor vid SEAS och första författare till uppsatsen. "Detta är den största RGB-akromatiska metallen hittills och är ett bevis på att dessa linser kan skalas upp till centimeterstorlek, massproducerad, och integrerad i kommersiella plattformar."

Liksom tidigare metalenses, den här linsen använder arrayer av titandioxidnanofiner för att fokusera våglängder av ljus lika mycket och eliminera kromatisk aberration. Genom att konstruera formen och mönstret för dessa nanoarrayer, forskarna kunde kontrollera brännvidden av rött, grön och blå färg av ljus. För att integrera objektivet i ett VR-system, teamet utvecklade en nära-ögat-display med en metod som kallas fiberskanning.

Skärmen, inspirerad av fiberskanningsbaserade endoskopiska tekniker för biobildning, använder en optisk fiber genom ett piezoelektriskt rör. När en spänning appliceras på röret, fiberspetsen skannar vänster och höger och upp och ner för att visa mönster, bildar en miniatyriserad display. Skärmen har hög upplösning, hög ljusstyrka, högt dynamiskt omfång, och brett färgskala.

I en VR- eller AR-plattform, metalens skulle sitta rakt framför ögat, och displayen skulle sitta inom metallens fokalplan. Mönstren som skannas av skärmen är fokuserade på näthinnan, där den virtuella bilden bildas, med hjälp av metalens. För det mänskliga ögat, bilden visas som en del av landskapet i AR-läget, en bit från våra faktiska ögon.

"Vi har visat hur meta-optiska plattformar kan hjälpa till att lösa flaskhalsen med nuvarande VR-teknologier och potentiellt användas i vårt dagliga liv, "sa Li.

Nästa, teamet siktar på att skala upp objektivet ytterligare, gör den kompatibel med nuvarande storskaliga tillverkningstekniker för massproduktion till en låg kostnad.