Des chercheurs développent une lentille plate au millimètre pour les plates-formes VR et AR – Science

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  • Malgré tous les progrès de la technologie grand public au cours des dernières décennies, un composant est resté terriblement stagnant: la lentille optique. Contrairement aux appareils électroniques, qui sont devenus plus petits et plus efficaces au fil des ans, la conception et la physique sous-jacente des lentilles optiques d’aujourd’hui n’ont pas beaucoup changé depuis environ 3000 ans.

    Ce défi a causé un goulot d’étranglement dans le développement de systèmes optiques de nouvelle génération tels que les écrans portables pour la réalité virtuelle, qui nécessitent des composants compacts, légers et rentables.

    À la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), une équipe de chercheurs dirigée par Federico Capasso, professeur Robert L. Wallace de physique appliquée et chercheur principal Vinton Hayes en génie électrique, a développé le prochain génération de lentilles qui promettent d’ouvrir ce goulot d’étranglement en remplaçant les lentilles incurvées volumineuses par une surface simple et plate qui utilise des nanostructures pour focaliser la lumière.

    En 2018, l’équipe de Capasso a développé des lentilles métalliques achromatiques, sans aberration, qui fonctionnent sur tout le spectre visible de la lumière. Mais ces objectifs n’avaient que des dizaines de microns de diamètre, trop petits pour une utilisation pratique dans les systèmes de réalité virtuelle et augmentée.

    À présent, les chercheurs ont développé des lentilles métalliques achromatiques de deux millimètres capables de focaliser les couleurs RVB (rouge, bleu, vert) sans aberrations et ont développé un écran miniaturisé pour les applications de réalité virtuelle et augmentée.

    La recherche est publiée dans Progrès scientifiques.

    «Cet objectif à la pointe de la technologie ouvre la voie à un nouveau type de plate-forme de réalité virtuelle et surmonte le goulot d’étranglement qui a ralenti la progression du nouveau dispositif optique», a déclaré Capasso, l’auteur principal de l’article.

    “En utilisant une nouvelle physique et un nouveau principe de conception, nous avons développé une lentille plate pour remplacer les lentilles encombrantes des dispositifs optiques d’aujourd’hui”, a déclaré Zhaoyi Li, stagiaire postdoctoral à SEAS et premier auteur de l’article. «Il s’agit du plus gros métal achromatique RVB à ce jour et c’est une preuve de concept que ces lentilles peuvent être mises à l’échelle jusqu’à une taille centimétrique, produites en série et intégrées dans des plates-formes commerciales.

    Comme les lentilles métalliques précédentes, cette lentille utilise des réseaux de nanofins de dioxyde de titane pour focaliser également les longueurs d’onde de la lumière et éliminer l’aberration chromatique. En concevant la forme et le motif de ces nanoarrays, les chercheurs pourraient contrôler la distance focale de la couleur rouge, verte et bleue de la lumière. Pour incorporer l’objectif dans un système VR, l’équipe a développé un affichage proche de l’œil en utilisant une méthode appelée balayage par fibre.

    L’écran, inspiré des techniques de bioimagerie endoscopique à base de balayage de fibre, utilise une fibre optique à travers un tube piézoélectrique. Lorsqu’une tension est appliquée sur le tube, la pointe de la fibre balaye à gauche et à droite et de haut en bas pour afficher des motifs, formant un affichage miniaturisé. L’écran présente une résolution élevée, une luminosité élevée, une plage dynamique élevée et une large gamme de couleurs.

    Dans une plate-forme VR ou AR, les metalens seraient assis directement devant l’œil, et l’écran serait placé dans le plan focal des metalens. Les motifs scannés par l’écran sont focalisés sur la rétine, où se forme l’image virtuelle, à l’aide des metalens. Pour l’œil humain, l’image apparaît comme faisant partie du paysage en mode AR, à une certaine distance de nos yeux réels.

    «Nous avons démontré comment les plates-formes de méta-optique peuvent aider à résoudre le goulot d’étranglement des technologies VR actuelles et potentiellement être utilisées dans notre vie quotidienne», a déclaré Li.

    Ensuite, l’équipe vise à étendre encore plus la lentille, en la rendant compatible avec les techniques de fabrication à grande échelle actuelles pour une production de masse à faible coût.

    Le bureau de développement technologique de Harvard a protégé la propriété intellectuelle relative à ce projet et explore les possibilités de commercialisation.

    La recherche a été co-écrite par Yao-Wei Huang, Joon-Suh Park, Wei Ting Chen et Zhujun Shi de l’Université Harvard, Peng Lin et Ji-Xin Cheng de l’Université de Boston et Cheng-Wei Qiu de l’Université nationale de Singapour. .

    La recherche a été soutenue en partie par la Defense Advanced Research Projects Agency sous le prix no. HR00111810001, la National Science Foundation sous le no. 1541959 et le programme de recherche SAMSUNG GRO sous le prix no. A35924.

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