"Imagem" é tudo no mercado de US $ 20 bilhões para óculos AR / VR. Os consumidores procuram óculos compactos e fáceis de usar, entregando imagens de alta qualidade com óticas socialmente aceitáveis ​​que não parecem "olhos de inseto".

Pesquisadores da University of Rochester no Institute of Optics criaram uma nova tecnologia para fornecer esses atributos com efeito máximo. Em um jornal em Avanços da Ciência , eles descrevem a impressão de óptica de forma livre com um elemento óptico nanofotônico chamado "metassuperfície".

A metassuperfície é uma verdadeira floresta de minúsculos, prata, estruturas em nanoescala em um filme metálico fino que se conforma, neste avanço, para a forma livre da ótica - realizando um novo componente ótico que os pesquisadores chamam de metaforma.

A metaforma é capaz de desafiar as leis convencionais de reflexão, reunir os raios de luz visíveis que entram em uma ocular AR / VR de todas as direções, e redirecionando-os diretamente para o olho humano.

Nick Vamivakas, um professor de óptica quântica e física quântica, comparou as estruturas em nanoescala a antenas de rádio de pequena escala. "Quando acionamos o dispositivo e o iluminamos com o comprimento de onda certo, todas essas antenas começam a oscilar, irradiando uma nova luz que fornece a imagem que queremos rio abaixo. "

"As metassuperfícies também são chamadas de 'ótica plana', portanto, escrever metassuperfícies em ótica de forma livre está criando um tipo inteiramente novo de componente ótico, "diz Jannick Rolland, o Professor Brian J. Thompson de Engenharia Ótica e diretor do Center for Freeform Optics.

Adiciona Rolland, "Este tipo de componente óptico pode ser aplicado a qualquer espelho ou lente, por isso já estamos encontrando aplicações em outros tipos de componentes ", como sensores e câmeras móveis.

Por que a ótica de forma livre não era suficiente

A primeira demonstração levou muitos anos para ser concluída.

O objetivo é direcionar a luz visível que entra nos óculos AR / VR para o olho. O novo dispositivo usa um combinador óptico de espaço livre para ajudar a fazer isso. Contudo, quando o combinador é parte de uma óptica de forma livre que se curva ao redor da cabeça para se conformar a um formato de óculos, nem toda a luz é direcionada aos olhos. A ótica de forma livre sozinha não pode resolver este desafio específico.

É por isso que os pesquisadores tiveram que aproveitar uma metassuperfície para construir um novo componente óptico.

"Integrando essas duas tecnologias, forma livre e metasuperfícies, entender como ambos interagem com a luz, e aproveitar isso para obter uma boa imagem foi um grande desafio, "diz o autor principal Daniel Nikolov, um engenheiro óptico no grupo de pesquisa de Rolland.

O desafio da fabricação

Outro obstáculo foi a ponte "da macroescala para a nanoescala, "Rolland diz. O dispositivo de foco real mede cerca de 2,5 milímetros de diâmetro. Mas mesmo isso tem 10, 000 vezes maior do que a menor das nanoestruturas impressas na óptica de forma livre.

"Do ponto de vista do design, isso significava mudar a forma da lente de forma livre e distribuir as nanoestruturas na lente de forma que as duas funcionassem em sinergia, então você obtém um dispositivo ótico com um bom desempenho ótico, "Nikolov diz.

Isso exigia Aaron Bauer, um engenheiro óptico do grupo de Rolland, encontrar uma maneira de contornar a incapacidade de especificar diretamente as metasuperfícies no software de design óptico. Na verdade, diferentes programas de software foram usados ​​para obter um dispositivo de metaforma integrado.

Fabricação era assustadora, Nikolov diz. É necessário o uso de litografia de feixe de elétrons, em que feixes de elétrons foram usados ​​para cortar seções da metassuperfície de filme fino onde as nanoestruturas de prata precisavam ser depositadas. Escrever com feixes de elétrons em superfícies curvas de forma livre é atípico e requer o desenvolvimento de novos processos de fabricação.

Os pesquisadores usaram uma máquina de litografia de feixe de elétrons (EBL) JEOL na Lurie Nanofabrication Facility da University of Michigan. Para escrever as metassuperfícies em uma óptica de forma livre curva, eles primeiro criaram um mapa 3D da superfície de forma livre usando um sistema de medição de sonda a laser. O mapa 3D foi então programado na máquina JEOL para especificar em que altura cada uma das nanoestruturas precisava ser fabricada.

"Estávamos promovendo os recursos da máquina, "Nikolov diz. Fei Cheng, um associado de pós-doutorado no grupo Vamivakas; Hitoshi Kato, um representante JEOL do Japão, e a equipe de Michigan do laboratório de nanofabricação, colaborou com Nikolov na obtenção de fabricação bem-sucedida "após várias iterações do processo."

"Este é um sonho que se tornou realidade, "Rolland diz." Isso exigia um trabalho de equipe integrado, onde cada contribuição era crítica para o sucesso deste projeto. "

O que é óptica de forma livre?

A óptica de forma livre é uma tecnologia emergente que usa lentes e espelhos com superfícies que carecem de um eixo de simetria dentro ou fora do diâmetro óptico para criar dispositivos ópticos mais leves, mais compacto, e mais eficaz do que nunca.

As aplicações incluem imagens e visualização 3D, realidade aumentada e virtual, sistemas ópticos infravermelhos e militares, iluminação automotiva e LED eficiente, pesquisa de energia, sensoriamento remoto, fabricação e inspeção de semicondutores, e tecnologias médicas e assistivas.

Rolland, Bauer, e colaboradores do Center for Freeform Optics publicaram recentemente um artigo em Optica fornecendo uma visão geral desta tecnologia, incluindo o desenvolvimento inicial de lentes sem simetria rotacional; o design, fabricação, testando, e montagem de ótica de forma livre; teoria subjacente, e perspectivas para o futuro.