Optik: Metalinsen vielversprechend für tragbare VR-Systeme

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Wissenschaftler an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) haben die erste planare Linse vorgestellt, die mit hoher Effizienz im sichtbaren Spektrum des Lichts arbeitet und dabei die gesamte Farbskala abdeckt. Sie könnte die raumgreifenden Linsen und Linsengruppen in Kamera-Objektiven ersetzen. Die Linse kann Strukturen im Nanobereich kleiner als die Wellenlänge des Lichts auflösen. Eine mögliche Anwendung stellen tragbare optische Systeme für Virtual und Augmented Reality dar.
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Metalinse arbeitet im sichtbaren Spektrum, sieht kleiner als eine Wellenlänge von Licht: Ultradünne planare Linsen könnten die schweren, dicken Linsen in Smartphones, Kameras und Teleskopen ersetzen. Die gewölbten Linsen wie sie etwa in Kameras und Teleskopen zum Einsatz kommen sind in Gruppen angeordnet, um Verzerrungen zu eliminieren und ein klares Bild zu erzeugen. Das ist der Grund, warum leistungsfähige Mikroskope so groß und Tele-Objektive so lang sind. Obwohl die Fertigung von Linsen schon eine lange Tradition hat, gestaltet es sich immer noch schwierig, eine kompakte und dünne Linse herzustellen. Doch wenn es möglich wäre, die hintereinander geschalteten Linsen auf eine flache oder planare Linse zu reduzieren?

Wissenschaftler an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) haben die erste planare Linse vorgestellt, die mit hoher Effizienz im sichtbaren Spektrum des Lichts arbeitet und dabei die gesamte Farbskala von Rot nach Blau abdeckt. Die Linse kann Merkmale im Nanobereich kleiner als die Wellenlänge des Lichts auflösen. Sie verwendet eine ultradünne Matrix winziger Wellenleiter, die das Licht beugen, wenn es die Linse durchquert.  

Fertigungskapazitäten bereits vorhanden

„Das Verfahren ist möglicherweise revolutionär, weil es im sichtbaren Spektrum arbeitet, was heißt, dass es das Potential hat, Linsen in allen möglichen Geräten, von Mikroskopen bis zu Kameras, Displays und Mobiltelefonen zu ersetzen,“ sagt Federico Capasso, Robert L. Wallace-Professor of Applied Physics und Vinton Hayes Senior Research Fello in Electrical Engineering und Senior Autor des Papers. „In naher Zukunft werden Metalinsen in großem Maßstab zu einem Bruchteil der Kosten konventioneller Linsen gefertigt werden, wobei die Fabriken genutzt werden, die Mikroprozessoren und Speicherchips produzieren.“

„Die chromatische Aberration über das sichtbare Spektrum mit einem einzeln optischen Element effizient zu korrigieren, war bisher außer Reichweite“, sagt Bernard Kress, Partner Optical Architect von Microsoft. „Die Metalens-Entwicklung der Gruppe von Capasso erlaubt die Integration von breitbandigen Bildsystemen in sehr kompakter Form, so dass optische Subsysteme der nächsten Generation die Themen Gewicht, Größe, Leistung und Kosten wirksam angehen können, zum Beispiel wie jene, die es für tragbare AR/VR-Displays braucht.“

Altbekanntes Metamaterial

Um rotes, blaues und grünes Licht zu fokussieren benötigte das Team einen Werkstoff, der das Licht nicht absorbieren oder streuen würde, ein Material mit einem hohen Brechungskoeffizienten. Um die notwendigen Größenordnungen zu erreichen, sollte es eines sein, dass bereits im industriellen Einsatz ist. Das Team verwendete Titandioxid, ein allgegenwärtiges Material, um eine Matrix von gleichmäßigen Nanostrukturen zu schaffen, die das Herz der Metalinse darstellt.

„Wir wollten eine einzelne flache Linse mit solch einer hohen numerischen Apertur herstellen, dass sie Licht in einem Fleck kleiner als dessen Wellenlänge fokussiert“, sagt Mohammadreza Khorasaninejad, Postdoctoral Fellow im  Capasso Lab und erster Autor des Papers.  Dies erhöhe die mögliche Auflösung des Bilds.

Das Team hat die Anordnung so konstruiert, dass sie eine Struktur kleine als eine Wellenlänge des Lichts, ungefähr 400 Nanometer, auflösen kann. Herkömmliche Linsen müssten akkurat poliert werden, so Wei Ting Chen, Ko-Autor und Postdoctoral Fellow im Capasso Lab. „Jede Abweichung in der Kurvatur, jeder Fertigungsfehler verschlechtert die Leistung der Linse. Unsere Linse kann in einem einzigen Schritt gebaut werden: eine Schicht Lithografie, und man erhält eine hochperformante Linie, mit allem, was man dafür braucht.“

„Das fantastische Gebiet der Metamaterialien hat eine Menge neuer Ideen hervorgebracht, aber wenige alltagstaugliche Anwendungen sind bisher dabei herausgekommen“, sagt Vladimir M. Shalaev, Professor of Electrical and Computer Engineering an der Purdue University, der nicht in die Entwicklung involviert ist. Die Capasso-Gruppe würde in dieser Hinsicht hervorstechen. Dieser Durchbruch löste eines der grundlegendsten und wichtigsten Probleme, die bei der Herstellung einer Metalinse für das sichtbare Spektrum aufträten.

Eine der gerade spannenden, möglichen Anwendungen sind tragbare optische Systeme für Virtual und Augmented Reality. Niemand wolle einen schweren Datenhelm über Stunden hinweg tragen, sagt Khorasaninejad. Hier könne das Verfahren das Gewicht und die Maße reduzieren und die Linsen dünner als ein Blatt Papier machen.

 

Bild: Illustration der ultradünnen, ebenen Linse. Sie besteht aus Titandioxid-Stäbchen im Nanomaßstab auf einem Glassubstrat. Die Linse fokussiert eintreffendes Licht in einem Fleck kleiner als die Wellenlänge, was eine besonders hohe Auflösung ermöglicht. Image courtesy of Peter Allen/Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science)

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