单一元件在虚拟和增强现实中开创新的可能性

日期:2018-05-14 人气:15

这款扁平变焦镜头是第一款能够将整个可见光谱(包括白光)聚焦在同一光斑和高分辨率下的单镜头。它使用二氧化钛纳米鳍阵列来聚焦光线的波长并消除色差。信用:Jared Sisler /哈佛海洋学院

Metalenses - 使用纳米结构聚焦光线的平坦表面 - 已经承诺通过用简单,平坦的表面取代目前在光学器件中使用的庞大弯曲透镜来彻底改变光学,但之前的metalenses在它们可以聚焦的光谱范围内受到限制。现在,哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的一个研究小组开发出了第一个单焦点镜头,它可以将整个可见光谱 - 包括白光 - 聚焦在同一个点和高分辨率上,这是一项壮举此前仅通过堆叠多个传统镜头才能实现。该研究发表在Nature Nanotechnology上。

聚焦整个可见光谱和白光 - 光谱的所有颜色 - 非常具有挑战性,因为每个波长都以不同的速度穿过材料。例如,红色波长通过玻璃的速度比蓝色快,因此这两种颜色在不同的时间会到达相同的位置,从而产生不同的焦点。这会产生称为色差的图像失真。

相机和光学仪器使用不同厚度和材料的多个曲面透镜来校正这些像差,这当然会增加设备的体积。

“元素相对于传统镜头具有优势,”应用物理学Robert L. Wallace教授和Vinton Hayes SEAS电子工程高级研究员,该研究的高级作者Federico Capasso说。 “元件很薄,易于制造,而且成本低廉。这一突破延伸了整个可见光范围的优势。这是下一个重大步骤。“

哈佛技术开发办公室(OTD)已经保护了与该项目有关的知识产权,并正在探索商业化机会。

metalenses Capasso和他的团队开发了使用二氧化钛纳米鳍阵列来平等聚焦光波长并消除色差。先前的研究表明,通过优化纳米鳍的形状,宽度,距离和高度,可以聚焦不同波长的光线,但在不同距离处。在这个最新的设计中,研究人员创建了成对nanofins单位,可同时控制不同波长的光速。成对纳米鳍还控制元表面上的折射率,并被调整为导致穿过不同鳍的光的不同时间延迟,从而确保所有波长同时到达焦斑。

“设计消色差宽带透镜的最大挑战之一是确保元透镜所有不同点的输出波长同时到达焦点,”SEAS的博士后研究员Wei-Ting Chen说。该论文的第一作者。 “通过将两个纳米鳍结合到一个元件中,我们可以调整纳米结构材料中的光速,以确保可见光中的所有波长都聚焦在同一个点上,并使用单个元镜头。与复合标准消色差透镜相比,这大大降低了厚度和设计复杂度。“

“使用我们的消色差镜头,我们可以进行高质量的白光成像。这使我们更接近将其整合到普通光学设备(如相机)中的目标,“该研究的共同作者Alexander Zhu说。

接下来,研究人员的目标是放大镜头,直径约1厘米。这将打开一系列新的可能性,例如虚拟和增强现实中的应用程序。

出版物:Wei Ting Chen等人,“用于可见光中的聚焦和成像的宽带消色差透镜”,Nature Nanotechnology(2018)doi:10.1038 / s41565-017-0034-6

来源:Leah Burrows,SEAS Communications