"Image" est tout sur le marché de 20 milliards de dollars des lunettes AR/VR. Les consommateurs recherchent des lunettes compactes et faciles à porter, fournir des images de haute qualité avec des optiques socialement acceptables qui ne ressemblent pas à des « yeux d'insectes ».

Des chercheurs de l'Université de Rochester à l'Institut d'optique ont mis au point une nouvelle technologie pour offrir ces attributs avec un effet maximal. Dans un journal en Avancées scientifiques , ils décrivent l'impression d'optiques de forme libre avec un élément optique nanophotonique appelé "une métasurface".

La métasurface est une véritable forêt de minuscules, argent, des structures nanométriques sur un film métallique mince qui se conforme, dans cette avance, à la forme libre de l'optique, réalisant un nouveau composant optique que les chercheurs appellent une métaforme.

La métaforme est capable de défier les lois conventionnelles de la réflexion, collecter les rayons lumineux visibles entrant dans un oculaire AR/VR de toutes les directions, et les rediriger directement dans l'œil humain.

Nick Vamivakas, professeur d'optique quantique et de physique quantique, a comparé les structures nanométriques à des antennes radio à petite échelle. "Quand on actionne l'appareil et qu'on l'éclaire avec la bonne longueur d'onde, toutes ces antennes se mettent à osciller, rayonnant une nouvelle lumière qui délivre l'image que nous voulons en aval."

« Les métasurfaces sont également appelées « optiques plates », donc l'écriture de métasurfaces sur des optiques de forme libre crée un tout nouveau type de composant optique, " dit Jannick Rolland, le professeur Brian J. Thompson d'ingénierie optique et directeur du Center for Freeform Optics.

ajoute Rolland, "Ce type de composant optique peut être appliqué à n'importe quel miroir ou lentille, nous trouvons donc déjà des applications dans d'autres types de composants" tels que les capteurs et les caméras mobiles.

Pourquoi l'optique de forme libre n'était pas suffisante

La première démonstration a duré de nombreuses années.

L'objectif est de diriger la lumière visible entrant dans les lunettes AR/VR vers l'œil. Le nouvel appareil utilise un combineur optique en espace libre pour y parvenir. Cependant, lorsque le combineur fait partie d'optiques de forme libre qui se courbent autour de la tête pour se conformer à un format de lunettes, toute la lumière n'est pas dirigée vers l'œil. L'optique de forme libre ne peut à elle seule résoudre ce défi spécifique.

C'est pourquoi les chercheurs ont dû exploiter une métasurface pour construire un nouveau composant optique.

« En intégrant ces deux technologies, forme libre et métasurfaces, comprendre comment les deux interagissent avec la lumière, et tirer parti de cela pour obtenir une bonne image était un défi majeur, " dit l'auteur principal Daniel Nikolov, un ingénieur optique dans le groupe de recherche de Rolland.

Le défi de la fabrication

Un autre obstacle était de passer « de la macroéchelle à la nanoéchelle, " dit Rolland. Le dispositif de mise au point réel mesure environ 2,5 millimètres de diamètre. Mais même cela fait 10, 000 fois plus grande que la plus petite des nanostructures imprimées sur l'optique de forme libre.

"Du point de vue de la conception, cela signifiait changer la forme de la lentille de forme libre et répartir les nanostructures sur la lentille de manière à ce que les deux fonctionnent en synergie, vous obtenez donc un appareil optique avec de bonnes performances optiques, ", dit Nikolov.

Cela nécessitait Aaron Bauer, un ingénieur optique dans le groupe Rolland, trouver un moyen de contourner l'impossibilité de spécifier directement les métasurfaces dans les logiciels de conception optique. En réalité, différents logiciels ont été utilisés pour réaliser un dispositif de métaforme intégré.

La fabrication était intimidante, dit Nikolov. Il a fallu utiliser la lithographie par faisceau d'électrons, dans lequel des faisceaux d'électrons ont été utilisés pour découper des sections de la métasurface en couche mince où les nanostructures d'argent devaient être déposées. L'écriture avec des faisceaux d'électrons sur des surfaces courbes de forme libre est atypique et nécessite le développement de nouveaux procédés de fabrication.

Les chercheurs ont utilisé une machine de lithographie par faisceau d'électrons (EBL) JEOL au Lurie Nanofabrication Facility de l'Université du Michigan. Pour écrire les métasurfaces sur une optique de forme libre incurvée, ils ont d'abord créé une carte 3D de la surface de forme libre à l'aide d'un système de mesure à sonde laser. La carte 3D a ensuite été programmée dans la machine JEOL pour spécifier à quelle hauteur chacune des nanostructures devait être fabriquée.

"Nous poussions les capacités de la machine, " dit Nikolov. Fei Cheng, un associé postdoctoral dans le groupe Vamivakas; Hitoshi Kato, un représentant JEOL du Japon, et le personnel du Michigan du laboratoire de nanofabrication, a collaboré avec Nikolov pour réussir la fabrication "après plusieurs itérations du processus".

"C'est un rêve qui devient réalité, " dit Rolland. " Cela nécessitait un travail d'équipe intégré où chaque contribution était essentielle à la réussite de ce projet. "

Qu'est-ce que l'optique de forme libre ?

L'optique de forme libre est une technologie émergente qui utilise des lentilles et des miroirs avec des surfaces sans axe de symétrie à l'intérieur ou à l'extérieur du diamètre de l'optique pour créer des dispositifs optiques plus légers, plus compact, et plus efficace que jamais.

Les applications incluent l'imagerie et la visualisation 3D, réalité augmentée et virtuelle, systèmes optiques infrarouges et militaires, éclairage automobile et LED performant, recherche énergétique, télédétection, fabrication et inspection de semi-conducteurs, et les technologies médicales et d'assistance.

Rolland, Bauer, et des collaborateurs du Center for Freeform Optics ont récemment publié un article en Optique donnant un aperçu de cette technologie, y compris le développement précoce de lentilles sans symétrie de rotation ; la conception, fabrication, essai, et assemblage d'optiques de forme libre ; théorie sous-jacente, et les perspectives d'avenir.