"Image" är allt på $ 20 miljarder marknaden för AR/VR -glasögon. Konsumenterna letar efter glasögon som är kompakta och lätta att bära, levererar högkvalitativa bilder med socialt acceptabel optik som inte ser ut som "bugögon".

Forskare vid University of Rochester vid Institute of Optics har tagit fram en ny teknik för att leverera dessa attribut med maximal effekt. I ett papper i Vetenskapliga framsteg , de beskriver prägling av friformsoptik med ett nanofotoniskt optiskt element som kallas "en metasurface".

Metasytan är en verklig skog av små, silver, nanoskala strukturer på en tunn metallfilm som överensstämmer, i detta förskott, till optikens friform - att förverkliga en ny optisk komponent som forskarna kallar en metaform.

Metaformen kan trotsa de konventionella lagarna för reflektion, samla de synliga ljusstrålarna in i ett AR/VR okular från alla håll, och omdirigerar dem direkt till det mänskliga ögat.

Nick Vamivakas, professor i kvantoptik och kvantfysik, liknade nanoskala strukturer med småskaliga radioantenner. "När vi aktiverar enheten och belyser den med rätt våglängd, alla dessa antenner börjar svänga, utstrålar ett nytt ljus som levererar den bild vi vill ha nedströms. "

"Metasurfaces kallas också" platt optik "så att skriva metasurfaces på friformsoptik skapar en helt ny typ av optisk komponent, "säger Jannick Rolland, Brian J. Thompson professor i optisk teknik och chef för Center for Freeform Optics.

Lägger till Rolland, "Denna typ av optisk komponent kan appliceras på alla speglar eller linser, så vi hittar redan applikationer i andra typer av komponenter "som sensorer och mobilkameror.

Varför friformsoptik inte var tillräckligt

Den första demonstrationen krävde många år att genomföra.

Målet är att rikta det synliga ljuset in i AR/VR -glasögonen mot ögat. Den nya enheten använder en freespace optisk kombinerare för att göra det. Dock, när kombinatören är en del av friformsoptik som böjer sig runt huvudet för att anpassa sig till ett glasögonformat, inte allt ljus riktas mot ögat. Freeform -optik ensam kan inte lösa denna specifika utmaning.

Det var därför forskarna var tvungna att utnyttja en metasyta för att bygga en ny optisk komponent.

"Integrering av dessa två tekniker, friform och metasytor, förstå hur båda interagerar med ljus, och att utnyttja det för att få en bra image var en stor utmaning, säger huvudförfattaren Daniel Nikolov, en optisk ingenjör i Rollands forskargrupp.

Utmaningen med tillverkning

Ett annat hinder var att överbrygga "från makroskala till nanoskala, "Säger Rolland. Den faktiska fokuseringsenheten mäter cirka 2,5 millimeter över. Men även det är 10, 000 gånger större än den minsta av nanostrukturerna som är präglade på friformsoptiken.

"Ur en designmässig synvinkel som innebar att man ändrade formen på friformslinsen och fördelade nanostrukturerna på linsen på ett sätt som de båda fungerar i synergi, så du får en optisk enhet med bra optisk prestanda, Säger Nikolov.

Detta krävde Aaron Bauer, en optisk ingenjör i Rollands grupp, att hitta ett sätt att kringgå oförmågan att direkt ange metasytor i optisk designprogramvara. Faktiskt, olika program användes för att uppnå en integrerad metaform -enhet.

Tillverkningen var skrämmande, Säger Nikolov. Det krävdes att använda elektronstråle litografi, i vilka elektronstrålar användes för att skära bort delar av tunnfilmsmetasytan där silver-nanostrukturerna behövde deponeras. Att skriva med elektronstrålar på krökta friformiga ytor är atypiskt och kräver utveckling av nya tillverkningsprocesser.

Forskarna använde en JEOL elektronstråle litografi (EBL) maskin vid University of Michigan Lurie Nanofabrication Facility. För att skriva metasytorna på en krökt friformsoptik skapade de först en 3D-karta över friformsytan med hjälp av ett lasersondmätningssystem. 3D -kartan programmerades sedan in i JEOL -maskinen för att specificera på vilken höjd varje nanostruktur behövde tillverkas.

"Vi pressade maskinens möjligheter, "Säger Nikolov. Fei Cheng, en postdoktor i Vamivakas -gruppen; Hitoshi Kato, en JEOL -representant från Japan, och Michigan -personalen vid nanofabrication lab, samarbetade med Nikolov för att uppnå framgångsrik tillverkning "efter flera iterationer av processen."

"Det här är en dröm som går i uppfyllelse, "Rolland säger." Detta krävde integrerat lagarbete där varje bidrag var avgörande för framgången med detta projekt. "

Vad är friformsoptik?

Freeform optik är en framväxande teknik som använder linser och speglar med ytor som saknar en symmetriaxel inom eller utanför optikdiametern för att skapa optiska enheter som är lättare, mer kompakt, och effektivare än någonsin tidigare.

Applikationerna inkluderar 3D-bildbehandling och visualisering, förstärkt och virtuell verklighet, infraröda och militära optiska system, effektiv bil- och LED -belysning, energiforskning, fjärranalys, halvledartillverkning och inspektion, och medicinsk och hjälpmedelsteknik.

Rolland, Bauer, och samarbetspartners vid Center for Freeform Optics publicerade nyligen en uppsats i Optica ger en överblick över denna teknik, inklusive den tidiga utvecklingen av linser utan rotationssymmetri; designen, tillverkning, testning, och montering av friformsoptik; underliggande teori, och framtidsutsikter.