"Immagine" è tutto nel mercato da 20 miliardi di dollari per gli occhiali AR/VR. I consumatori cercano occhiali compatti e facili da indossare, fornire immagini di alta qualità con ottiche socialmente accettabili che non sembrano "occhi da insetto".

I ricercatori dell'Università di Rochester presso l'Institute of Optics hanno escogitato una nuova tecnologia per fornire questi attributi con il massimo effetto. In un giornale in Progressi scientifici , descrivono l'imprinting di ottiche a forma libera con un elemento ottico nanofotonico chiamato "metasuperficie".

La metasuperficie è una vera e propria foresta di minuscoli, d'argento, strutture su scala nanometrica su un sottile film metallico che si adatta, in questo anticipo, alla forma libera dell'ottica, realizzando un nuovo componente ottico che i ricercatori chiamano metaforma.

La metaforma è in grado di sfidare le leggi convenzionali della riflessione, raccogliendo i raggi di luce visibile che entrano in un oculare AR/VR da tutte le direzioni, e reindirizzandoli direttamente nell'occhio umano.

Nick Vamivakas, professore di ottica quantistica e fisica quantistica, paragonato le strutture su nanoscala ad antenne radio su piccola scala. "Quando attiviamo il dispositivo e lo illuminiamo con la giusta lunghezza d'onda, tutte queste antenne iniziano a oscillare, irradiando una nuova luce che fornisce l'immagine che vogliamo a valle."

"Le metasuperfici sono anche chiamate "ottica piatta", quindi scrivere metasuperfici su ottiche a forma libera sta creando un tipo completamente nuovo di componente ottico, "dice Jannick Rolland, il professore Brian J. Thompson di ingegneria ottica e direttore del Center for Freeform Optics.

Aggiunge Rolland, "Questo tipo di componente ottico può essere applicato a qualsiasi specchio o lente, quindi stiamo già trovando applicazioni in altri tipi di componenti" come sensori e fotocamere mobili.

Perché l'ottica a mano libera non bastava

La prima dimostrazione ha richiesto molti anni per essere completata.

L'obiettivo è dirigere la luce visibile che entra negli occhiali AR/VR verso l'occhio. Il nuovo dispositivo utilizza un combinatore ottico freespace per aiutare a farlo. Però, quando il combinatore fa parte di un'ottica a forma libera che curva intorno alla testa per conformarsi a un formato di occhiali, non tutta la luce è diretta all'occhio. L'ottica a forma libera da sola non può risolvere questa sfida specifica.

Ecco perché i ricercatori hanno dovuto sfruttare una metasuperficie per costruire un nuovo componente ottico.

"Integrando queste due tecnologie, forma libera e metasuperfici, capire come entrambi interagiscono con la luce, e sfruttare il fatto che ottenere una buona immagine è stata una grande sfida, ", afferma l'autore principale Daniel Nikolov, un ingegnere ottico nel gruppo di ricerca di Rolland.

La sfida della fabbricazione

Un altro ostacolo è stato il passaggio "dalla macroscala alla nanoscala, " dice Rolland. Il vero dispositivo di messa a fuoco misura circa 2,5 millimetri di diametro. Ma anche questo è 10, 000 volte più grande della più piccola delle nanostrutture impresse sull'ottica a forma libera.

"Da un punto di vista del design che significava cambiare la forma della lente a forma libera e distribuire le nanostrutture sulla lente in modo che i due lavorino in sinergia, in modo da ottenere un dispositivo ottico con buone prestazioni ottiche, "dice Nikolov.

Ciò ha richiesto Aaron Bauer, un ingegnere ottico nel gruppo di Rolland, per trovare un modo per aggirare l'impossibilità di specificare direttamente le metasuperfici nel software di progettazione ottica. Infatti, diversi programmi software sono stati utilizzati per realizzare un dispositivo metaformato integrato.

La fabbricazione era scoraggiante, dice Nikolov. Richiedeva l'uso della litografia a fascio di elettroni, in cui sono stati utilizzati fasci di elettroni per tagliare via sezioni della metasuperficie a film sottile dove dovevano essere depositate le nanostrutture d'argento. Scrivere con fasci di elettroni su superfici curve a forma libera è atipico e ha richiesto lo sviluppo di nuovi processi di fabbricazione.

I ricercatori hanno utilizzato una macchina per litografia a fascio di elettroni (EBL) JEOL presso la Lurie Nanofabrication Facility dell'Università del Michigan. Per scrivere le metasuperfici su un'ottica a forma libera curva, hanno prima creato una mappa 3D della superficie a forma libera utilizzando un sistema di misurazione a sonda laser. La mappa 3D è stata quindi programmata nella macchina JEOL per specificare a quale altezza doveva essere fabbricata ciascuna delle nanostrutture.

"Stavamo spingendo le capacità della macchina, " dice Nikolov. Fei Cheng, un associato post-dottorato nel gruppo Vamivakas; Hitoshi Kato, un rappresentante JEOL dal Giappone, e lo staff del Michigan del laboratorio di nanofabbricazione, ha collaborato con Nikolov per ottenere una fabbricazione di successo "dopo più iterazioni del processo".

"Questo è un sogno divenuto realtà, " dice Rolland. "Ciò ha richiesto un lavoro di squadra integrato in cui ogni contributo era fondamentale per il successo di questo progetto".

Che cos'è l'ottica a forma libera?

L'ottica a forma libera è una tecnologia emergente che utilizza lenti e specchi con superfici prive di un asse di simmetria all'interno o all'esterno del diametro dell'ottica per creare dispositivi ottici più leggeri, più compatto, e più efficace che mai.

Le applicazioni includono l'imaging e la visualizzazione 3D, realtà aumentata e virtuale, sistemi ottici a infrarossi e militari, efficiente illuminazione automobilistica e LED, ricerca energetica, telerilevamento, produzione e ispezione di semiconduttori, e tecnologie mediche e di assistenza.

Rolland, Bauer, e collaboratori del Center for Freeform Optics hanno recentemente pubblicato un documento in ottica fornendo una panoramica di questa tecnologia, compreso il primo sviluppo di lenti senza simmetria rotazionale; il design, fabbricazione, test, e montaggio di ottiche freeform; teoria di fondo, e prospettive per il futuro.