Um metalens fabricado em wafer de vidro de 2 polegadas (à esquerda) e uma fibra de varredura montada através de um tubo piezoelétrico (à direita). A ponta da fibra localiza-se dentro do comprimento focal dos metalens. A luz viaja ao longo da fibra e é emitida pela ponta da fibra de varredura, onde um padrão de exibição se forma. Crédito:Zhaoyi Li / Harvard University
Apesar de todos os avanços em tecnologia de consumo nas últimas décadas, um componente permaneceu frustrantemente estagnado:as lentes ópticas. Ao contrário dos dispositivos eletrônicos, que se tornaram menores e mais eficientes ao longo dos anos, o design e a física subjacente das lentes ópticas de hoje não mudaram muito em cerca de 3, 000 anos.
Este desafio causou um gargalo no desenvolvimento de sistemas ópticos de próxima geração, como telas vestíveis para realidade virtual, que requerem compactação, leve, e componentes de baixo custo.
Na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS), uma equipe de pesquisadores liderada por Federico Capasso, o Professor Robert L. Wallace de Física Aplicada e Vinton Hayes Pesquisador Sênior em Engenharia Elétrica, vem desenvolvendo a próxima geração de lentes que prometem abrir esse gargalo substituindo lentes curvas volumosas por lentes simples, superfície plana que usa nanoestruturas para focar a luz.
Em 2018, a equipe de Capasso desenvolveu acromáticos, metalenses sem aberração que atuam em todo o espectro visível da luz. Mas essas lentes tinham apenas dezenas de mícrons de diâmetro, muito pequeno para uso prático em sistemas de realidade aumentada e VR.
Agora, os pesquisadores desenvolveram metalenses acromáticos de dois milímetros que podem focar RGB (vermelho, azul, verde) cores sem aberrações e desenvolveu um display miniaturizado para aplicações de realidade virtual e aumentada.
O resultado da imagem de realidade aumentada usando a tela colorida de varredura de fibra do olho próximo, que mostra uma imagem virtual em cores RGB flutuando em uma cena do mundo real. Crédito:Zhaoyi Li / Harvard University
A pesquisa é publicada em Avanços da Ciência .
"Esta lente de última geração abre um caminho para um novo tipo de plataforma de realidade virtual e supera o gargalo que retardou o progresso do novo dispositivo óptico, "disse Capasso, o autor sênior do artigo.
"Usando uma nova física e um novo princípio de design, desenvolvemos uma lente plana para substituir as lentes volumosas dos dispositivos ópticos de hoje, "disse Zhaoyi Li, um pós-doutorado na SEAS e primeiro autor do artigo. "Este é o maior metalen acromático RGB até hoje e é uma prova de conceito de que essas lentes podem ser dimensionadas em até centímetros, produzido em massa, e integrado em plataformas comerciais. "
Como metalenses anteriores, esta lente usa matrizes de nanofins de dióxido de titânio para focar igualmente comprimentos de onda de luz e eliminar a aberração cromática. Ao projetar a forma e o padrão desses nanoarranjos, os pesquisadores podiam controlar a distância focal do vermelho, cor verde e azul da luz. Para incorporar a lente em um sistema VR, a equipe desenvolveu um visor de olho próximo usando um método chamado varredura de fibra.
Crédito:Escola Harvard John A. Paulson de Engenharia e Ciências Aplicadas
A tela, inspirado em técnicas de bioimagem endoscópica baseada em digitalização de fibra, usa uma fibra óptica através de um tubo piezoelétrico. Quando uma tensão é aplicada ao tubo, a ponta da fibra faz a varredura para a esquerda e para a direita, para cima e para baixo para exibir os padrões, formando um display miniaturizado. A tela tem alta resolução, claridade alta, dinâmica de alto alcance, e ampla gama de cores.
Em uma plataforma VR ou AR, os metalens se sentariam diretamente na frente do olho, e a tela ficaria dentro do plano focal dos metalens. Os padrões digitalizados pela tela são focados na retina, onde a imagem virtual se forma, com a ajuda dos metalens. Para o olho humano, a imagem aparece como parte da paisagem no modo AR, alguma distância de nossos olhos reais.
"Demonstramos como as plataformas de meta-óptica podem ajudar a resolver o gargalo das tecnologias atuais de RV e, potencialmente, ser usadas em nossa vida diária, "disse Li.
Próximo, a equipe pretende ampliar ainda mais as lentes, tornando-o compatível com as atuais técnicas de fabricação em grande escala para produção em massa a um baixo custo.
