Гарвардская металлинза с плоской поверхностью устраняет хроматическую аберрацию, совершая революцию в виртуальной реальности

• Исследователи Гарварда разработали металинзу, которая может фокусировать весь спектр видимого света в одной конкретной точке с высоким разрешением.
• В нем используются наноребра из диоксида титана, которые одинаково фокусируют все длины волн света, устраняя хроматическую аберрацию.
• Metalens открывает новый спектр возможностей, включая приложения в литографии, микроскопии, эндоскопии, виртуальной и смешанной реальности.

Металинза — это линза с плоской поверхностью, в которой для фокусировки света используются наноструктуры. У него есть все возможности заменить существующую толстую изогнутую линзу. Однако спектр света, на котором он может точно фокусироваться, оставался ограниченным.

Исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона создали новую металинзу, которая способна фокусировать все спектры видимого света в одном конкретном месте в высоком разрешении. До сих пор это было возможно только путем установки двух или более традиционных линз.

Это позволило исследователям на шаг приблизиться к внедрению тонких линз в обычные и современные оптические устройства, включая камеры, устройства дополненной и виртуальной реальности. Давайте узнаем подробнее, как исследователям Гарварда удалось достичь этого рубежа.

Препятствия

Очень сложно сфокусировать весь видимый спектр света (включая белый цвет) в одной точке, главным образом потому, что волны разной длины распространяются через материалы с разной скоростью. Например, синий свет будет распространяться медленнее, чем красный, поэтому эти два цвета прибудут в данную точку в разное время, делая фокусы разными и искажая изображение. Это искажение называется хроматическими аберрациями.

Чтобы скорректировать эти аберрации, во всех оптических устройствах используются две или более изогнутые линзы разной толщины, что увеличивает объем инструмента.

Металлинзы и дизайн

Металинзы имеют ряд преимуществ перед обычными линзами:их легко изготовить, они тонкие и экономически выгодные. Исследовательская группа использовала эти преимущества во всем видимом спектре света.

В новой металинзе используются наноребра из диоксида титана, которые одинаково фокусируют все длины волн света, устраняя хроматическую аберрацию. Для этого исследователи взяли некоторые идеи из предыдущего исследования, которое демонстрирует, что разные длины волн можно фокусировать в заданной точке, регулируя ширину, высоту, расстояние и форму наноплавников.

Электронный микроскоп:вид металинзы сбоку, масштабная линейка – 200 нм | Лаборатория Капассо/Havard SEAS

В новой конструкции спаренные наноребра одновременно контролируют скорость различных длин волн и показатель преломления поверхности металинзы. Это дает переменные временные задержки для длин волн, проходящих через разные ребра, таким образом, что все источники света достигают фокуса в один и тот же момент.

Скорость света в наноструктурированном материале можно регулировать путем объединения двух наноплавников в один элемент. По сравнению с ахроматическими линзами они значительно уменьшают толщину и усложняют конструкцию.

В частности, команда продемонстрировала ахроматическую фокусировку и визуализацию с ограничением дифракции в диапазоне от 470 до 760 нанометров. Новая металинза содержит только один слой наноструктур толщиной порядка длины волны и не требует пространственного мультиплексирования или каскадирования.

Тот же принцип проектирования можно применить и к другим областям электромагнитного спектра. Для реализации ахроматических металинз большего диаметра и большей числовой апертуры требуется более широкий диапазон групповой задержки, поддерживаемый множеством комбинаций наноребер разных размеров. Это можно реализовать с помощью различных методов диспергирования или просто увеличив высоту наноплавников.

Плоские металинзы | Изображение предоставлено:Джаред Сислер/Harvard SEAS

В этом исследовании были продемонстрированы наноструктуры диоксида титана высотой примерно 4,5 микрометра, что соответствует групповой задержке около 37 фемтосекунд (10–15 секунд).

Ссылка:Природные нанотехнологии | doi:10.1038/s41565-017-0034-6 | Гарвардское море

Каскадные слои металинз могут еще больше увеличить групповую задержку, что дает дополнительную степень свободы для исправления монохроматических аберраций в большом поле зрения. Once также может объединить металинзу, которая действует как корректор аберраций, с преломляющей сферической линзой.

Это выглядит многообещающе, поскольку можно будет одновременно исправлять хроматические и монохроматические аберрации сферической линзы, одновременно используя преимущества большей апертуры объектива и небольшого хроматического сдвига фокусного расстояния.

Что дальше?

Гарвард уже предоставил стартапу лицензию на разработку технологии на коммерческом уровне и защитил интеллектуальную собственность проекта.

Читайте:Инженеры поместили мозг червя в маленького робота | И это сработало 

В настоящее время исследователи стремятся увеличить диаметр линзы до 1 сантиметра, что может открыть новый спектр возможностей, включая применение в литографии, микроскопии, эндоскопии, виртуальной и смешанной реальности.