La “imagen” lo es todo en el mercado de 20.000 millones de gafas de tecnología de Realidad Aumentada y Realidad Virtual. Los consumidores buscan gafas que sean compactas y fáciles de usar, que brinden imágenes de alta calidad con ópticas aceptables que no parezcan «ojos de insecto».
Un grupo de investigadores del Instituto de Óptica de la Universidad de Rochester han creado una tecnología novedosa para ofrecer esos atributos con el máximo efecto. En un artículo publicado en Science Advances , describen la impresión de la óptica de forma libre con un elemento óptico nanofotónico llamado «una metasuperficie».
La metasuperficie es un verdadero bosque de diminutas estructuras plateadas a nanoescala en una fina película metálica que se adapta, en este avance, a la forma libre de la óptica, dando cuenta de un nuevo componente óptico que los investigadores denominan metaforma.
La metaforma es capaz de desafiar las leyes convencionales de la reflexión, recolectando los rayos de luz visible que ingresan a un ocular AR/VR (Realidad Aumentada/Realidad Virtual) desde todas las direcciones y redirigiéndolos directamente al ojo humano.
Nick Vamivakas , profesor de óptica cuántica y física cuántica, comparó las estructuras a nanoescala con antenas de radio a pequeña escala. «Cuando activamos el dispositivo y lo iluminamos con la longitud de onda correcta, todas estas antenas comienzan a oscilar, irradiando una nueva luz que entrega la imagen que queremos corriente abajo».
“Las metauperficies también se denominan ‘óptica plana’, por lo que escribir metasuperficies en la óptica de forma libre está creando un tipo completamente nuevo de componente óptico”, dice Jannick Rolland , profesor de ingeniería óptica Brian J. Thompson y director del Centro de óptica.
Agrega Rolland, “Este tipo de componente óptico se puede aplicar a cualquier espejo o lente, por lo que ya estamos encontrando aplicaciones en otro tipo de componentes” como sensores y cámaras móviles.
Por qué la óptica de forma libre no era suficiente
La primera demostración requirió muchos años para completarse.
El objetivo es dirigir la luz visible que ingresa a las gafas de realidad aumentada hacia el ojo. El nuevo dispositivo utiliza un combinador óptico de espacio libre para ayudar a hacer eso. Sin embargo, cuando el combinador es parte de una óptica de forma libre que se curva alrededor de la cabeza para ajustarse al formato de unas gafas, no toda la luz se dirige al ojo. La óptica de forma libre por sí sola no puede resolver este desafío específico.
Es por eso que los investigadores tuvieron que aprovechar una metasuperficie para construir un nuevo componente óptico.
“Integrar estas dos tecnologías, forma libre y metasuperficies, comprender cómo ambas interactúan con la luz y aprovechar eso para obtener una buena imagen fue un gran desafío”, dice el autor principal Daniel Nikolov, ingeniero óptico del grupo de investigación de Rolland .
El desafío de la fabricación
Otro obstáculo fue el puente «de macroescala a nanoescala», dice Rolland. El dispositivo de enfoque real mide aproximadamente 2,5 milímetros de ancho. Pero incluso eso es 10.000 veces más grande que la más pequeña de las nanoestructuras impresas en la óptica de forma libre.
“Desde el punto de vista del diseño, eso significaba cambiar la forma de la lente de forma libre y distribuir las nanoestructuras en la lente de manera que ambas funcionen en sinergia, por lo que se obtiene un dispositivo óptico con un buen rendimiento óptico”, dice Nikolov.
Esto requirió que Aaron Bauer, un ingeniero óptico del grupo de Rolland, encontrara una manera de eludir la incapacidad de especificar directamente metasuperficies en el software de diseño óptico. De hecho, se utilizaron diferentes programas de software para lograr un dispositivo de metaforma integrado.
La fabricación fue abrumadora, dice Nikolov. Requería el uso de litografía por haz de electrones, en la que se usaron haces de electrones para cortar secciones de la metasuperficie de película delgada donde las nanoestructuras de plata debían depositarse. Escribir con haces de electrones en superficies curvas de forma libre es atípico y requiere el desarrollo de nuevos procesos de fabricación.
Los investigadores utilizaron una máquina de litografía por haz de electrones (EBL) JEOL en la instalación de nanofabricación Lurie de la Universidad de Michigan. Para escribir las metasuperficies en una óptica curvada de forma libre, primero crearon un mapa 3D de la superficie de forma libre utilizando un sistema de medición de sonda láser. Luego, el mapa 3D se programó en la máquina JEOL para especificar a qué altura se necesitaba fabricar cada una de las nanoestructuras.
«Estábamos impulsando las capacidades de la máquina», dice Nikolov. Fei Cheng, asociado postdoctoral en el grupo Vamivakas; Hitoshi Kato, un representante de JEOL de Japón, y el personal de Michigan del laboratorio de nanofabricación, colaboraron con Nikolov para lograr una fabricación exitosa «después de múltiples iteraciones del proceso».
“Este es un sueño hecho realidad”, dice Rolland. «Esto requirió un trabajo en equipo integrado donde cada contribución fue fundamental para el éxito de este proyecto».
La investigación fue apoyada en parte por una beca para Nikolov de la Link Foundation y fondos del Centro de Ciencias Emergentes e Innovadoras de la Universidad de Rochester. Además, la investigación se benefició críticamente del conocimiento avanzado en óptica de forma libre desarrollado en colaboración con el Centro NSF para Óptica de Forma Libre (CeFO).
¿Qué es la óptica de forma libre?
La óptica de forma libre es una tecnología emergente que utiliza lentes y espejos con superficies que carecen de un eje de simetría dentro o fuera del diámetro de la óptica para crear dispositivos ópticos que son más livianos, más compactos y más efectivos que nunca.
Las aplicaciones incluyen imágenes y visualización en 3-D, realidad aumentada y virtual, sistemas ópticos infrarrojos y militares, iluminación LED y automotriz eficiente, investigación energética, detección remota, fabricación e inspección de semiconductores y tecnologías médicas y de asistencia.
Rolland, Bauer y colaboradores del Center for Freeform Optics publicaron recientemente un artículo en Optica que ofrece una descripción general de esta tecnología, incluido el desarrollo temprano de lentes sin simetría rotacional; el diseño, fabricación, prueba y montaje de ópticas de forma libre; teoría subyacente y perspectivas para el futuro.
Imagen portada: Universidad de Rochester
