制作AR / VR眼镜的新方法:Freeform光学结合Metasurface,以避免“臭虫”

MetaForm AR VR眼镜

元形是一种新的光学组件,罗切斯特研究人员表示,它们可以与自由形式光学器件相结合,以创建下一代AR / VR耳机和眼镜。信誉:罗切斯特大学插图/迈克尔奥萨迪奇

“Image”是AR / VR眼镜200亿美元市场的一切。消费者正在寻找紧凑且易于穿的眼镜,提供具有社会可接受的光学元件的高品质图像,看起来不像“臭虫。”。

罗切斯特大学光学研究所研究员提出了一种新颖的技术,以提供最大效力的那些属性。在一篇论文中科学推进,他们描述了用一种被称为“超表面”的纳米光子光学元件来印迹自由曲面光学。

超表面是一片名副其实的微型银纳米结构森林,覆盖在一层薄薄的金属薄膜上,与光学的自由形状一致——实现了一种新的光学元件,研究人员称之为超形态。

这种变形器能够无视传统的反射定律,从各个方向收集进入AR/VR目镜的可见光,并将其直接定向进入人眼。

Nick Vamivakas是一位量子光学和量子物理学教授,并将纳米级结构与小规模的无线电天线作用。“当我们致动设备并用右波长照亮它时,所有这些天线都开始振荡,辐射一个提供我们想要下游的图像的新光。”

“元件摘要也被称为”平面光学“,所以在自由形式光学上写入元件正在创建一个完全新型的光学元件,”jannicklordands,Brian J. Thompson of Freeform光学中心中心主任。

添加rolland,“这种光学元件可以应用于任何镜子或镜头,因此我们已经在其他类型的组件中找到了应用程序”如传感器和移动摄像机。

为什么Freeform Optics不够

第一个演示需要多年完成。

其目标是将进入AR/VR眼镜的可见光引导到眼睛。新设备使用一个空空间光学合成器来帮助实现这一点。然而,当合镜器是自由曲面光学系统的一部分,在头部周围弯曲以符合眼镜格式时,并不是所有的光都指向眼睛。光靠自由曲面光学无法解决这个特定的挑战。

什么是自由曲面光学?

FreeForm光学器件是一种新兴技术,使用镜头和镜子具有缺乏光学直径内或外部外部的对称轴来产生比以往更亮,更紧凑,更有效的光学器件。

应用包括3-D成像和可视化,增强和虚拟现实,红外和军用光学系统,高效的汽车和LED照明,能源研究,遥感,半导体制造和检验,以及医疗和辅助技术。

Rolland、Bauer和自由形态光学中心的合作者最近在《光学》杂志上发表了一篇论文,概述了这项技术,包括没有旋转对称的透镜的早期发展;自由曲面光学元件的设计、制造、测试和装配;基本理论,展望未来。

这就是为什么研究人员必须利用超表面来建造一种新的光学组件。

“整合这两种技术,自由形式和元锉,了解它们的两者如何与光线互动,并利用这是一个良好的形象是一项重大挑战,”Rolland的研究组的光学工程师Lig Author Daniel Nikolov说。

制造的挑战

另一个障碍桥接“从宏观到纳米级,”罗兰说。实际聚焦装置尺寸约为2.5毫米。但即使是比自由变形光学印迹的最小纳米结构大10,000倍。

Nikolov说:“从设计的角度来看,这意味着改变自由透镜的形状,并以一种两者协同工作的方式将纳米结构分布在透镜上,这样你就得到了一个具有良好光学性能的光学设备。”

这就要求罗兰团队的光学工程师亚伦•鲍尔(Aaron Bauer)找到一种方法,以避免在光学设计软件中无法直接指定超表面。事实上,不同的软件程序被用来实现一个集成的metaform设备。

尼古洛夫说,制造是令人生畏的。它需要使用电子束光刻,其中电子光束用于切割薄膜元曲面的切片,其中所需的银纳米结构沉积。用电子束在弯曲的自由形状上写入是非典型的,需要开发新的制造工艺。

研究人员在密歇根大学的Lurie纳米制造设施中使用了一台JEOL电子束光刻(EBL)机器。要在弯曲的自由形式光学器件上写入元件,它们首先使用激光探针测量系统创建自由形式表面的3D地图。然后将3D图编程到JEOL机器中以指定在需要制造所需的每个纳米结构的高度。

“我们在推动这台机器的能力,”Nikolov说。程飞,Vamivakas团队的博士后研究员;Hitoshi Kato,一位来自日本的JEOL代表,和密歇根纳米制造实验室的工作人员,与Nikolov合作,“经过多次迭代的过程”,实现了成功的制造。

罗兰说:“我的梦想成真了。”“这需要综合的团队合作,每一个贡献都是项目成功的关键。”

参考文献:Daniel K. Nikolov、Aaron Bauer、Cheng Fei、Hitoshi Kato、A. Nick Vamivakas和Jannick P. Rolland合著的《超形光学:桥接纳米光子学和自由曲面光学》,2021年4月30日,科学推进
DOI: 10.1126 / sciadv.abe5112

该研究部分由来自罗切斯特大学新兴和创新科学中心的链接基金会和资金提供资金的奖学金。此外,该研究批判性地利益来自与Freeform Optics(CEFO)的NSF中心合作开发的自由形式光学元件的先进知识。

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