Eine neue Art, AR / VR-Brillen herzustellen

Eine Metaform ist eine neue optische Komponente, die laut Rochester-Forschern mit Freiformoptiken kombiniert werden kann, um die nächste Generation von AR / VR-Headsets und Brillen zu entwickeln. Bildnachweis: Illustration der University of Rochester / Michael Osadciw

Forscher der University of Rochester am Institute of Optics haben eine neuartige Technologie entwickelt, um diese Eigenschaften mit maximaler Wirkung zu erzielen. In einem Artikel in Science Advances beschreiben sie das Bedrucken von Freiformoptiken mit einem nanophotonischen optischen Element, das als “Metaoberfläche” bezeichnet wird.

Die Metaoberfläche ist ein wahrer Wald aus winzigen, silbernen, nanoskaligen Strukturen auf einem dünnen Metallfilm, der sich in diesem Fortschritt an die Freiformform der Optik anpasst und eine neue optische Komponente realisiert, die die Forscher als Metaform bezeichnen.

Die Metaform ist in der Lage, den herkömmlichen Reflexionsgesetzen zu trotzen, indem sie die sichtbaren Lichtstrahlen, die aus allen Richtungen in ein AR / VR-Okular eintreten, sammelt und sie direkt in das menschliche Auge umleitet.

Nick Vamivakas, Professor für Quantenoptik und Quantenphysik, verglich die nanoskaligen Strukturen mit kleinen Funkantennen. “Wenn wir das Gerät betätigen und es mit der richtigen Wellenlänge beleuchten, beginnen alle diese Antennen zu schwingen und strahlen ein neues Licht aus, das das gewünschte Bild stromabwärts liefert.”

“Metaoberflächen werden auch als” flache Optik “bezeichnet. Das Schreiben von Metaoberflächen auf Freiformoptiken schafft also eine völlig neue Art von optischen Komponenten”, sagt Jannick Rolland, Professor für Optische Technik bei Brian J. Thompson und Direktor des Zentrums für Freiformoptik.

Rolland fügt hinzu: “Diese Art von optischer Komponente kann auf alle Spiegel oder Linsen angewendet werden, sodass wir bereits Anwendungen für andere Arten von Komponenten finden”, wie Sensoren und mobile Kameras.

Warum Freiformoptik nicht genug war

Die erste Demonstration dauerte viele Jahre.

Die erste Demonstration dauerte viele Jahre.

Deshalb mussten die Forscher eine Metaoberfläche nutzen, um eine neue optische Komponente zu bauen.

“Die Integration dieser beiden Technologien, Freiform und Metaoberflächen, das Verständnis, wie beide mit Licht interagieren, und die Nutzung dieser Technologie, um ein gutes Bild zu erhalten, war eine große Herausforderung”, sagt der Hauptautor Daniel Nikolov, ein Optiker in der Rolland-Forschungsgruppe.

Die Herausforderung der Herstellung

Ein weiteres Hindernis war die Überbrückung “von der Makroskala zur Nanoskala”, sagt Rolland. Die eigentliche Fokussiervorrichtung misst etwa 2,5 Millimeter im Durchmesser. Aber selbst das ist 10.000-mal größer als die kleinste der auf der Freiformoptik aufgedruckten Nanostrukturen.

“Vom Design her bedeutete dies, die Form der Freiformlinse zu ändern und die Nanostrukturen so auf der Linse zu verteilen, dass beide synergetisch zusammenarbeiten, sodass Sie ein optisches Gerät mit einer guten optischen Leistung erhalten”, sagt Nikolov.

Dies erforderte von Aaron Bauer, einem optischen Ingenieur in Rollands Gruppe, einen Weg zu finden, um die Unfähigkeit zu umgehen, Metaoberflächen in optischer Design-Software direkt zu spezifizieren. Tatsächlich wurden verschiedene Softwareprogramme verwendet, um ein integriertes Metaform-Gerät zu erreichen.

Die Herstellung war entmutigend, sagt Nikolov. Es erforderte die Verwendung von Elektronenstrahllithographie, bei der Elektronenstrahlen verwendet wurden, um Abschnitte der Dünnschicht-Metaoberfläche abzuschneiden, auf denen die Silbernanostrukturen abgeschieden werden mussten. Das Schreiben mit Elektronenstrahlen auf gekrümmten Freiformflächen ist untypisch und erfordert die Entwicklung neuer Herstellungsverfahren.

Die Forscher verwendeten eine JEOL-Elektronenstrahllithographie (EBL) an der Lurie Nanofabrication Facility der University of Michigan. Um die Metaoberflächen auf eine gekrümmte Freiformoptik zu schreiben, erstellten sie zunächst eine 3D-Karte der Freiformoberfläche mit einem Lasersondenmesssystem. Die 3D-Karte wurde dann in die JEOL-Maschine programmiert, um anzugeben, in welcher Höhe jede der Nanostrukturen hergestellt werden musste.

“Wir haben die Fähigkeiten der Maschine verbessert”, sagt Nikolov. Fei Cheng, ein Postdoktorand in der Vamivakas-Gruppe; Hitoshi Kato, ein JEOL-Vertreter aus Japan, und die Mitarbeiter des Nanofabrikationslabors in Michigan arbeiteten mit Nikolov zusammen, um eine erfolgreiche Herstellung “nach mehreren Iterationen des Prozesses” zu erreichen.

“Dies ist ein wahr gewordener Traum”, sagt Rolland. “Dies erforderte eine integrierte Teamarbeit, bei der jeder Beitrag für den Erfolg dieses Projekts entscheidend war.”

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