Un métal fabriqué sur une plaquette de verre de 2 pouces (à gauche) et une fibre de balayage montée à travers un tube piézo (à droite). La pointe de la fibre se situe dans la distance focale des métaux. La lumière se déplace le long de la fibre et est émise par la pointe de la fibre à balayage, où se forme un motif d'affichage. Crédit :Zhaoyi Li/Université de Harvard
Malgré tous les progrès de la technologie grand public au cours des dernières décennies, un composant est resté désespérément 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 3 ans, 000 ans.
Ce défi a provoqué un goulot d'étranglement dans le développement de systèmes optiques de nouvelle génération tels que les écrans portables pour la réalité virtuelle, qui nécessitent compact, poids léger, et des composants rentables.
À la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), une équipe de chercheurs dirigée par Federico Capasso, le professeur Robert L. Wallace de physique appliquée et le chercheur principal Vinton Hayes en génie électrique, a développé la prochaine génération de lentilles qui promettent d'ouvrir ce goulot d'étranglement en remplaçant les lentilles incurvées volumineuses par une simple, surface plane qui utilise des nanostructures pour focaliser la lumière.
En 2018, l'équipe Capasso a développé achromatique, des métalenses sans aberration qui fonctionnent sur tout le spectre visible de la lumière. Mais ces lentilles n'avaient que quelques dizaines de microns de diamètre, trop petit pour une utilisation pratique dans les systèmes de réalité virtuelle et augmentée.
Maintenant, les chercheurs ont développé un métalense achromatique de deux millimètres qui peut focaliser RVB (rouge, bleu, vert) sans aberrations et a développé un affichage miniaturisé pour les applications de réalité virtuelle et augmentée.
Le résultat de l'imagerie en réalité augmentée à l'aide de l'affichage couleur à balayage à fibre optique proche de l'œil, qui montre une image virtuelle en couleur RVB flottant dans une scène du monde réel. Crédit :Zhaoyi Li/Université de Harvard
La recherche est publiée dans Avancées scientifiques .
"Cette lentille de pointe 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, " dit 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 appareils optiques d'aujourd'hui, " dit Zhaoyi Li, stagiaire postdoctoral à SEAS et premier auteur de l'article. "C'est le plus grand métalen RGB-achromatique à ce jour et c'est une preuve de concept que ces objectifs peuvent être mis à l'échelle jusqu'à la taille d'un centimètre, produit en série, et intégrés dans les plateformes commerciales."
Comme les métalenses précédentes, cet objectif utilise des réseaux de nanofines de dioxyde de titane pour focaliser de manière égale les longueurs d'onde de la lumière et éliminer l'aberration chromatique. En concevant la forme et le motif de ces nanoréseaux, les chercheurs ont pu contrôler la distance focale du rouge, couleur verte et bleue de la lumière. Pour incorporer l'objectif dans un système VR, l'équipe a développé un affichage proche de l'œil à l'aide d'une méthode appelée balayage de fibre.
Crédit:Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
L'affichage, inspiré des techniques de bio-imagerie endoscopique basées sur la fibre optique, 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 a une haute résolution, haute luminosité, plage dynamique élevée, et une large gamme de couleurs.
Dans une plateforme VR ou AR, les metalens s'asseyaient directement devant l'œil, et l'affichage se trouverait dans le plan focal des metalens. Les motifs scannés par l'écran sont focalisés sur la rétine, où se forme l'image virtuelle, avec l'aide des metalens. A l'oeil humain, l'image apparaît dans le paysage en mode AR, à une certaine distance de nos yeux réels.
"Nous avons démontré comment les plates-formes méta-optiques peuvent aider à résoudre le goulot d'étranglement des technologies VR actuelles et potentiellement être utilisées dans notre vie quotidienne, " dit Li.
Prochain, l'équipe vise à étendre encore plus l'objectif, le rendant compatible avec les techniques actuelles de fabrication à grande échelle pour une production en série à faible coût.
