Diverse frequenze di luce si piegano e viaggiano in modo diverso in una lente. Credito:Lucas V. Barbosa
Se indossare un visore per realtà virtuale o realtà aumentata dovesse diventare un luogo comune, i produttori di hardware dovranno capire come rendere i dispositivi piccoli e leggeri, garantendo al contempo che le loro immagini siano nitide e chiare. Sfortunatamente, questo compito affronta una limitazione chiave nell'ottica:le lenti convenzionali sono oggetti di vetro curvi che focalizzano diverse lunghezze d'onda della luce in luoghi diversi, che mostrerebbe agli spettatori immagini sfocate. Di conseguenza, praticamente qualsiasi cosa con un obiettivo, dalle piccole fotocamere per smartphone ai proiettori su larga scala, utilizza più obiettivi, che aggiungono peso, spessore e complessità, costo crescente.
Abbiamo escogitato un nuovo modo di produrre completamente trasparente, lenti ultracompatte in grado di focalizzare correttamente ogni colore dello spettro nello stesso punto. Poiché il nostro obiettivo comprende nanostrutture appositamente progettate, che non esistono in natura, mettere a fuoco la luce, lo chiamiamo "meta-lente". Presenta i vantaggi di essere ultracompatto e allo stesso tempo in grado di fornire immagini di qualità superiore in uno spettro di luce più ampio rispetto alla maggior parte degli obiettivi tradizionali, senza richiedere più lenti.
Luce di piegatura
Per secoli, la maggior parte delle lenti per telescopi, occhiali e altri dispositivi ottici sono stati fabbricati molando il vetro in una forma curva ruvida e poi lucidandolo per piegare la luce in modo pulito e chiaro. Però, queste lenti non possono focalizzare la luce di ogni colore sullo stesso punto.
È una proprietà fondamentale della luce che diversi colori, o frequenze, viaggino a velocità diverse in una lente. Non possono raggiungere lo stesso punto nello stesso momento, con conseguente immagini sfocate.
Per ridurre questo effetto, i produttori di lenti commerciali costruiscono dispositivi ottici complicati con molti obiettivi separati, ciascuno macinato con precisione in curve e allineato per focalizzare la sua gamma di lunghezze d'onda nel posto giusto. Però, finiscono con grandi, lenti pesanti e complesse:niente che sarebbe facile da indossare comodamente come parte di un'esperienza VR.
Anche la fotocamera di uno smartphone ha molti componenti complessi sovrapposti. Credito:Laptop Media
Il potere delle nanostrutture
Per sostituire questi enormi e costosi prodotti di precisione, iniziamo con una lastra di vetro piano regolare dello spessore di un millimetro. Su di esso, posizioniamo uno strato di nanostrutture rettangolari accuratamente progettate, un milione di volte più sottile dello strato di vetro, in biossido di titanio, che è totalmente trasparente alla luce visibile.
Le nanostrutture sono progettate per piegare i raggi luminosi in ingresso di angoli sempre maggiori quanto più colpiscono la meta-lente dal suo centro in modo che tutti i raggi siano focalizzati nello stesso punto. Per fissare le nanostrutture sul substrato di vetro, usiamo la litografia, una tecnica ampiamente utilizzata per la produzione di massa di chip per computer.
Nel 2016, abbiamo dimostrato che l'utilizzo di vetro piano con nanostrutture potrebbe focalizzare la luce di un colore specifico proprio come una tradizionale lente curva. Ma in quella ricerca, ciò che abbiamo realizzato soffriva dello stesso problema secolare del vetro curvo:ogni colore si concentrava su una posizione diversa. Per fare in modo che le nostre lenti piatte formino immagini di alta qualità, tutta la luce, indipendentemente dal suo colore, deve concentrarsi sullo stesso punto.
Le nanostrutture viste al microscopio elettronico a scansione. Credito:Gruppo Capasso, Università di Harvard, CC BY-ND
Compresi tutti i colori
Nel nostro ultimo lavoro, progettiamo un insieme più sofisticato di nanostrutture, che anche su una superficie piana può fare molto di più di una tradizionale lente curva. Le nanostrutture piegano ancora la luce ad angoli più alti quanto più sono lontane dal centro, ma con un'importante modifica ispirata da un'intuizione chiave. Dopo aver lasciato la meta-lente, la luce deve viaggiare verso il punto di messa a fuoco, che è più lontano dai bordi che dal centro della lente.
Per percorrere una distanza maggiore nello stesso periodo di tempo, quella luce deve viaggiare più veloce. Così abbiamo costruito delle nanostrutture che trasmettono la luce più velocemente, e altri che lo fanno più lentamente. Mettiamo le nanostrutture a trasmissione più veloce ai bordi della lente, quindi la luce li attraversa più velocemente che in quelli nel mezzo. Questo aiuta efficacemente la luce dai bordi della lente in metallo a raggiungere la luce al centro, in modo che tutti i raggi si focalizzino insieme.
Questo approccio può essere modificato per qualsiasi numero di situazioni specializzate, permettendo la costruzione di meta-lenti che hanno una vasta gamma di proprietà, come la capacità di influenzare determinati colori ma non altri:una nanostruttura progettata su misura può effettuare tale regolazione in modo relativamente semplice, senza i vincoli o le complessità della lucidatura di lenti in vetro curvo secondo specifiche altamente precise.
Un diagramma di come una meta-lente può focalizzare tutti i colori della luce su un singolo punto. Credito:Gruppo Capasso, Università di Harvard, CC BY-ND
Una volta progettato, le meta-lenti possono essere create come parte di un più ampio processo di produzione di massa:ad esempio, di visori VR o occhiali per realtà aumentata. Possono anche essere utilizzati al posto dei più costosi obiettivi per fotocamere con vetro smerigliato su smartphone e laptop, riduzione del peso, spessore e costo dei dispositivi portatili.
Può sembrare sorprendente che la sfida secolare della messa a fuoco multicolore possa essere risolta da un sottile pezzo di vetro sotto nanostrutture appena visibili all'occhio umano. Ma in effetti, l'approccio delle lenti in metallo può fornire ciò che tutte quelle lenti tradizionali ingombranti non possono:un'immagine chiara in un'ampia gamma di colori.
Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.