Плоский металенз Гарварда устраняет хроматическую аберрацию, революционизируя VR

Исследователи Гарварда разработали металенз, который может фокусировать весь видимый спектр света в одной точке в высоком разрешении.

Он использует наноплавины из диоксида титана, которые фокусируют все длины волн света одинаково, устраняя хроматическую аберрацию.

Металенз открывает новый спектр возможностей, включая приложения в литографии, микроскопии, эндоскопии, виртуальной и смешанной реальности.

Препятствия

Очень трудно сфокусировать весь видимый спектр света (включая белый цвет) в одной точке, главным образом потому, что разные длины волн движутся с разной скоростью через материалы. Например, синий свет идет медленнее красного, поэтому эти два цвета придут в данную точку в разное время, делая фокусы разными и искажая изображение. Это искажение называется хроматической аберрацией.

Чтобы скорректировать эти аберрации, все оптические приборы используют две или более изогнутые линзы с разной толщиной, добавляя объем прибору.

Металензы и дизайн

Металензы имеют несколько преимуществ перед обычными линзами — они легко фабрикуются, тонкие и экономичны. Исследовательская команда использовала эти преимущества на всем видимом спектре света.

Новый металенз использует наноплавины из диоксида титана, которые фокусируют все длины волн света одинаково, устраняя хроматическую аберрацию. Для этого исследователи взяли некоторые идеи из предыдущего исследования, демонстрирующего, что разные длины волн могут быть сфокусированы в данной точке путем настройки ширины, высоты, расстояния и формы наноплавов.

В новом дизайне парные наноплавины одновременно контролируют скорость отдельных длин волн и коэффициент преломления поверхности металенза. Это дает переменные временные задержки длинам волн, проходящим через разные плавины, таким образом, что все свет приходит в фокальную точку в тот же момент.

Скорость света в наноструктурированном материале может быть настроена путем объединения двух наноплавов в один элемент. Это значительно уменьшает толщину, а также сложность дизайна по сравнению с ахроматическими линзами.

Конкретно, команда продемонстрировала дифракционно-ограниченное ахроматическое фокусирование и визуализацию от 470 до 760 нанометров. Новый металенз содержит только один слой наноструктур с толщиной порядка длины волны и не включает пространственную мультиплексацию или каскадирование.

Тот же принцип дизайна может быть применен к другим областям электромагнитного спектра. Реализация ахроматических металензов с большими диаметрами и большими числовыми апертурами требует более широкого диапазона групповой задержки, поддерживаемой множественными комбинациями наноплавов с разными размерами. Это может быть реализовано разными дисперсионными техниками или просто путем увеличения высоты наноплавов.

В этом исследовании наноструктуры диоксида титана были продемонстрированы с примерно 4,5 микрометров высоты, соответствующей групповой задержке около 37 фемтосекунд (10^-15 секунд).

Что дальше?

Гарвард уже лицензировал технологию стартапу для разработки на коммерческом уровне и защитил интеллектуальную собственность проекта.

Исследователи сейчас нацелены на увеличение диаметра линзы до 1 сантиметра, что может открыть новый спектр возможностей, включая приложения в литографии, микроскопии, эндоскопии, виртуальной и смешанной реальности.