Ofreciendo VR en perfecto enfoque con meta-lentes nanoestructura
Si usar un casco de realidad virtual o de realidad aumentada alguna vez se convertirá en un lugar común, los fabricantes de hardware tendrán que descubrir cómo hacer que los dispositivos sean pequeños y livianos, al tiempo que se aseguran de que sus imágenes sean nítidas y claras. Desafortunadamente, esta tarea enfrenta una limitación clave en óptica: las lentes convencionales son objetos de vidrio curvo que enfocan diferentes longitudes de onda de luz en diferentes lugares, lo que mostraría a los espectadores imágenes borrosas. Como resultado, casi cualquier cosa con una lente, desde pequeñas cámaras de teléfonos inteligentes hasta proyectores a gran escala, usa múltiples lentes, que agregan peso, grosor y complejidad, lo que aumenta el costo.
Hemos descubierto una nueva forma de fabricar lentes ultracompactos, totalmente transparentes, capaces de enfocar adecuadamente cada color en el espectro hasta el mismo punto. Debido a que nuestra lente comprende nanoestructuras especialmente diseñadas, que no existen en la naturaleza, para enfocar la luz, la llamamos "meta-lente". Tiene las ventajas de ser ultracompacta y de ofrecer imágenes de mayor calidad en un espectro más amplio de luz que la mayoría de las lentes tradicionales, sin necesidad de múltiples lentes.
Luz de doblez
Durante siglos, la mayoría de las lentes para telescopios, gafas y otros equipos ópticos se han fabricado al moler el vidrio en una forma curva y rugosa y luego pulirlo para doblar la luz limpia y claramente. Sin embargo, estas lentes no pueden enfocar la luz de todos los colores en el mismo punto.
Es una propiedad básica de la luz que diferentes colores (o frecuencias) viajen a diferentes velocidades en una lente. No pueden alcanzar el mismo punto al mismo tiempo, lo que genera imágenes borrosas.
Para reducir este efecto, los fabricantes de lentes comerciales construyen dispositivos ópticos complicados con muchas lentes separadas, cada una precisamente rectificada en curvas y alineada para enfocar su rango de longitudes de onda en el lugar correcto. Sin embargo, terminan con lentes grandes, pesados y complejos, nada que sea fácil de llevar cómodamente como parte de una experiencia de realidad virtual.
El poder de las nanoestructuras
Para reemplazar estos enormes y caros productos de ingeniería de precisión, comenzamos con una hoja de vidrio plano regular de un milímetro de espesor. En él, colocamos una capa de nanoestructuras rectangulares cuidadosamente diseñadas, un millón de veces más delgadas que la capa de vidrio, hecha de dióxido de titanio, que es totalmente transparente a la luz visible.
Las nanoestructuras están diseñadas para doblar los rayos de luz entrantes con ángulos cada vez mayores cuanto más lejos golpean el meta-lente desde su centro, de modo que todos los rayos se enfocan en el mismo punto. Para asegurar las nanoestructuras en el sustrato de vidrio, utilizamos la litografía , una técnica ampliamente utilizada para producir en serie chips de computadora.
En 2016, mostramos que el uso de vidrio plano con nanoestructuras podría enfocar la luz de un color específico al igual que una lente curva tradicional. Pero en esa investigación, lo que hicimos sufría del mismo problema ancestral que el vidrio curvado: cada color se centraba en una ubicación diferente. Para que nuestras lentes planas formen imágenes de alta calidad, toda la luz, independientemente de su color, debe enfocarse en el mismo punto.
Incluyendo todos los colores
En nuestro último trabajo, diseñamos un conjunto más sofisticado de nanoestructuras, que incluso en una superficie plana puede hacer mucho más que una lente curva tradicional. Las nanoestructuras aún curvan la luz en ángulos más altos cuanto más alejados están del centro, pero con una modificación importante inspirada en una percepción clave. Después de abandonar el meta-lente, la luz debe viajar al punto de enfoque, que está más alejado de los bordes que del centro de la lente.
Para viajar una distancia más larga en el mismo período de tiempo, esa luz tiene que viajar más rápido. Así que construimos algunas nanoestructuras que transmiten la luz más rápidamente, y otras que lo hacen más lentamente. Ponemos las nanoestructuras de transmisión más rápida en los bordes de la lente, por lo que la luz viaja a través de ellos más rápido que en el medio. Esto efectivamente ayuda a que la luz de los bordes del meta-lente se nivele con la luz en el centro, de modo que todos los rayos se enfoquen juntos.
Este enfoque puede modificarse para cualquier cantidad de situaciones especializadas, lo que permite la construcción de metalentes que tienen una amplia gama de propiedades, como la capacidad de afectar ciertos colores pero no otros: una nanoestructura diseñada a medida puede hacer que el ajuste sea relativamente simple, sin las limitaciones o complejidades del pulido de lentes de vidrio curvados a especificaciones altamente precisas.
Una vez diseñados, los metalentes se pueden crear como parte de un proceso de producción en masa más amplio: por ejemplo, de auriculares VR o gafas de realidad aumentada. También se pueden usar en lugar de lentes de cámara de vidrio esmerilado más caras en teléfonos inteligentes y computadoras portátiles, lo que reduce el peso, el grosor y el costo de los dispositivos portátiles.
Puede parecer sorprendente que el desafío centenario del enfoque multicolor se pueda resolver con un fino trozo de vidrio debajo de nanoestructuras apenas visibles para el ojo humano. Pero, de hecho, el enfoque meta-lente puede proporcionar lo que todas esas lentes tradicionales voluminosas no pueden: una imagen clara en una amplia gama de colores.
http://theconversation.com/delivering-vr-in-perfect-focus-with-nanostructure-meta-lenses-89726
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