Un metalens fabbricato su un wafer di vetro da 2 pollici (a sinistra) e una fibra di scansione montata attraverso un tubo piezoelettrico (a destra). La punta della fibra si trova all'interno della lunghezza focale dei metalli. La luce viaggia lungo la fibra ed emette dalla punta della fibra di scansione, dove si forma un modello di visualizzazione. Credito:Zhaoyi Li/Università di Harvard
Nonostante tutti i progressi della tecnologia di consumo negli ultimi decenni, un componente è rimasto frustrantemente stagnante:la lente ottica. A differenza dei dispositivi elettronici, che negli anni sono diventate più piccole ed efficienti, il design e la fisica sottostante degli obiettivi ottici di oggi non sono cambiati molto in circa 3, 000 anni.
Questa sfida ha causato un collo di bottiglia nello sviluppo di sistemi ottici di prossima generazione come i display indossabili per la realtà virtuale, che richiedono compattezza, leggero, e componenti economici.
Alla Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), un team di ricercatori guidati da Federico Capasso, il Robert L. Wallace Professore di Fisica Applicata e Vinton Hayes Senior Research Fellow in Ingegneria Elettrica, ha sviluppato la prossima generazione di lenti che promettono di aprire quel collo di bottiglia sostituendo le lenti curve ingombranti con un semplice, superficie piana che utilizza nanostrutture per focalizzare la luce.
Nel 2018, il team di Capasso ha sviluppato acromatico, metalli privi di aberrazioni che lavorano attraverso l'intero spettro visibile della luce. Ma queste lenti avevano solo decine di micron di diametro, troppo piccolo per l'uso pratico nei sistemi di realtà virtuale e aumentata.
Ora, i ricercatori hanno sviluppato un metalenses acromatico di due millimetri in grado di mettere a fuoco RGB (rosso, blu, verde) senza aberrazioni e ha sviluppato un display miniaturizzato per applicazioni di realtà virtuale e aumentata.
Il risultato dell'imaging della realtà aumentata utilizzando il display di scansione in fibra ottica a colori, che mostra un'immagine virtuale a colori RGB fluttuante in una scena del mondo reale. Credito:Zhaoyi Li/Università di Harvard
La ricerca è pubblicata su Progressi scientifici .
"Questo obiettivo all'avanguardia apre la strada a un nuovo tipo di piattaforma di realtà virtuale e supera il collo di bottiglia che ha rallentato il progresso del nuovo dispositivo ottico, " disse Capasso, l'autore anziano dell'articolo.
"Utilizzando una nuova fisica e un nuovo principio di progettazione, abbiamo sviluppato una lente piatta per sostituire le lenti ingombranti degli odierni dispositivi ottici, " disse Zhaoyi Li, un borsista post-dottorato presso SEAS e primo autore del documento. "Questo è il più grande metalen RGB-acromatico fino ad oggi ed è una prova del concetto che questi obiettivi possono essere ridimensionati fino a dimensioni di un centimetro, prodotto in serie, e integrato in piattaforme commerciali."
Come i precedenti metalensi, questa lente utilizza array di nanoalette di biossido di titanio per focalizzare equamente le lunghezze d'onda della luce ed eliminare l'aberrazione cromatica. Progettando la forma e il modello di questi nanoarray, i ricercatori potrebbero controllare la lunghezza focale del rosso, colore verde e blu della luce. Per incorporare l'obiettivo in un sistema VR, il team ha sviluppato un display vicino all'occhio utilizzando un metodo chiamato scansione in fibra.
Credito:Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
Il display, ispirata alle tecniche di bioimaging endoscopico basate sulla scansione delle fibre, utilizza una fibra ottica attraverso un tubo piezoelettrico. Quando viene applicata una tensione al tubo, la punta della fibra esegue la scansione a sinistra e a destra e in alto e in basso per visualizzare i modelli, formando un display miniaturizzato. Il display è ad alta risoluzione, alta luminosità, ampia gamma dinamica, e un'ampia gamma di colori.
In una piattaforma VR o AR, i metalens siederebbero direttamente davanti all'occhio, e il display starebbe all'interno del piano focale dei metalens. I pattern scansionati dal display sono focalizzati sulla retina, dove si forma l'immagine virtuale, con l'aiuto dei metalli. All'occhio umano, l'immagine appare come parte del paesaggio in modalità AR, una certa distanza dai nostri occhi reali.
"Abbiamo dimostrato come le piattaforme meta-ottiche possono aiutare a risolvere il collo di bottiglia delle attuali tecnologie VR e potenzialmente essere utilizzate nella nostra vita quotidiana, " disse Li.
Prossimo, il team mira ad ampliare ulteriormente l'obiettivo, rendendolo compatibile con le attuali tecniche di fabbricazione su larga scala per la produzione di massa a basso costo.
