Исследователи Пхоханского университета науки и технологии (POSTECH) разработали трёхмерные ахроматические металинзы, способные формировать полноцветное изображение с помощью материала с низким показателем преломления. В отдельной работе та же группа предложила масштабируемый способ изготовления таких оптических элементов с использованием наноимпринтной литографии. Обе технологии потенциально позволяют уменьшить размеры и массу оптических систем устройств виртуальной, смешанной и дополненной реальности.
Металинза представляет собой плоский оптический элемент из множества наноструктур — метаатомов, управляющих проходящим через них светом. Это не атомы вещества. В метаоптике так называют искусственный субволновой структурный элемент метаповерхности, геометрия которого определяет взаимодействие со светом. Здесь это цилиндрические полимерные наностолбики, у которых исследователи независимо изменяют диаметр и высоту.
Такая оптика потенциально способна заменить часть более громоздкой системы традиционных линз. Одной из основных проблем такой оптики остаётся хроматическая аберрация: свет разных цветов фокусируется по-разному, из-за чего полноцветное изображение может терять чёткость и приобретать цветные ореолы.
Исследователи решили эту проблему, управляя не только шириной, но и высотой отдельных метаатомов. В первой работе они создали библиотеку трёхмерных цилиндрических наноструктур различных размеров и использовали вычислительный алгоритм для выбора подходящей структуры для каждого участка металинзы с учётом её поведения на трёх длинах волн — 450, 532 и 635 нм. Метаатомы различной высоты и диаметра изготовили методом двухфотонной литографии.
Полученная металинза фокусирует красный, зёленый и синий свет в одной точке и обеспечивает около 33% эффективности фокусировки на расчётных длинах волн. Исследователи объединили её с дисплеем на органических светодиодах (Organic Light-Emitting Diode, OLED) и продемонстрировали прототип полноцветного дисплея, близкого к глазу, без выраженной хроматической аберрации.
Однако двухфотонная литография сравнительно медленна и плохо подходит для массового производства. Поэтому во второй работе исследователи сосредоточились на масштабируемом изготовлении трёхмерных наноструктур. Мастер-шаблон с элементами различной глубины создаётся методом электронно-лучевой литографии с градацией дозы экспонирования и последующим сухим травлением, после чего его структура может многократно переноситься на полимер методом наноимпринтной литографии.
Такой процесс позволяет одновременно воспроизводить метаатомы разной высоты и диаметра. В изготовленном образце использовался полимер с показателем преломления около 1,5. Металинза с числовой апертурой 0,31 обеспечила дифракционно-ограниченную фокусировку красного, зелёного и синего света на одинаковом фокусном расстоянии. Измеренная эффективность фокусировки составила 14,8% для света с длиной волны 450 нм, 11,3% для 532 нм и 12,3% для 635 нм. Технологию также испытали в прототипе полноцветного дисплея, близкого к глазу.
Для устройств виртуальной и смешанной реальности разработка потенциально позволяет заменить часть объёмной многолинзовой оптики одним тонким плоским оптическим элементом, одновременно корректирующим цветовые искажения. Это может уменьшить толщину, массу и сложность оптического блока. Возможность тиражировать трёхмерные металинзы методом наноимпринтной литографии приближает такую оптику к серийному производству.
Для компактных очков дополненной реальности технология тоже потенциально применима, однако здесь её влияние менее прямое. В прозрачных очках изображение обычно необходимо не только сфокусировать, но и ввести в волновод, распространить по нему и вывести к глазу с достаточными полем зрения и размером зоны обзора. Металинза может уменьшить отдельные элементы проекционной оптики такого устройства, но сама по себе не заменяет волновод и не решает остальные задачи миниатюризации оптической системы.
Не пропускайте важнейшие новости о дополненной и виртуальной реальности — подписывайтесь на Голографику в Телеграме, Максе, ВК и X! Поддержите проект на Бусти.
Далее: Китайские исследователи представили технологию нативной генерации панорамного 4K-видео из обычного
