Súlyos és vastag üveglencsék helyett egyetlen hajszálvékony felület alakíthatja át a jövő okosszemüvegeit. A kiterjesztett és virtuális valóságot használó eszközök terjedésének évek óta az egyik legnagyobb fizikai gátja a kényelmetlen, orrnyeregnyomó optikai modul. A dél-koreai Pohang Műszaki és Tudományegyetem (POSTECH) kutatócsoportja a Nature Communications folyóiratban közzétett tanulmányaikban most két olyan technológiai akadályt hárított el, amelyek eddig megakadályozták a metalencsék tömeggyártását és gyakorlati alkalmazását.
A megszokott fényképezőgépek és kijelzőmodulok összetett, egymásra rétegezett üveglencsékből állnak, hogy a fénysugarak eltérő hullámhosszait korrigálják. Ez a többlencsés felépítés elkerülhetetlenül megnöveli a headsetek tömegét és méretét. A metalencsék ezzel szemben olyan sík felületek, amelyeken nanométeres méretű szerkezetek irányítják a fényt. Egyetlen ilyen lapos optikai elem képes kiváltani a teljes korábbi lencserendszert, ami nagyságrendekkel csökkentheti a kijelzők és szemüvegek fizikai méretét.
A magasság dimenziója szünteti meg a színeltolódást
A metalencsék gyakorlati bevezetésének első számú problémáját az akromatikus teljesítmény hiánya jelentette. Amikor a fehér fény áthalad egy hagyományos vagy lapos lencsén, a piros, zöld és kék hullámhosszak eltérő szögben törnek meg, ami torz, elmosódott színéleket eredményez. Ezt a színhibát eddig csak rendkívül drága, magas törésmutatójú anyagokkal vagy bonyolult kiegészítő elemekkel tudták csökkenteni, ami korlátozta a technológia elterjedését a tömegpiaci termékeknél.
A Junsuk Rho professzor által vezetett kutatócsoport a nanostruktúrák geometriájának újszerű megközelítésével oldotta meg a problémát. A korábbi fejlesztések során a fénysugárzást a nanopillércsoportok, úgynevezett meta-atomok szélességének változtatásával kísérelték meg szabályozni. A dél-koreai szakemberek ezzel szemben a pillérek magasságát is változtatható paraméterként vonták be a tervezésbe. Ahogyan egy városképet is meghatároz az épületek eltérő emeletszáma, úgy az eltérő magasságú nanopillérek pontosan a kívánt fókuszpontba terelik a piros, zöld és kék fénysugarakat, megelőzve a színhibás elmosódást.
A pontos színeloszlást olcsó, alacsony törésmutatójú alapanyagok használatával érték el. A megvalósításhoz mesterséges intelligencián alapuló tervezőalgoritmusokat hívtak segítségül, amelyek meghatározták a nanoelemek optimális elhelyezkedését, majd 3D-s kétfoton-litográfiával hozták létre a mintázatot. A tesztek során az így elkészített metalencsét szerves fénykibocsátó diódás (OLED) kijelzővel kombinálták, és éles, teljes színskálájú képi megjelenítést értek el.
Sablonos nanonyomtatás nyitja meg az utat a tömeggyártás előtt
A laboratóriumi sikerek után a második kritikus kihívást a gazdaságos és léptékezhető ipari gyártás megteremtése jelentette. A háromdimenziós nanostruktúrák egyedi legyártása túlságosan lassú és költséges folyamat ahhoz, hogy a fogyasztói elektronikában alkalmazzák. A POSTECH mérnökei ezért a nanonyomtatási eljárásokat alakították át az optikai gyártás követelményeinek megfelelően.
A sorozatgyárthatóság érdekében szürkeárnyalatos elektronsugaras litográfiával olyan precíziós öntőformát hoztak létre, amely már tartalmazta a különböző magasságú mintázatokat. Erről a mintáról nanoimprint litográfiával képeztek lenyomatokat, ami lehetővé teszi, hogy a mikroszkopikus optikai elemeket nagy felületen, rövid idő alatt és alacsony hibaráta mellett sokszorosítsák. Ez a gyártástechnológiai lépés hidat képez a kutatási prototípusok és az üzemi szalagok között.
A nanostruktúrákon alapuló optikai gyártás előrelépése a következő területekre gyakorol közvetlen hatást:
- Könnyebb és vékonyabb AR és VR szemüvegek, amelyek hosszú órákon át is kényelmesen viselhetők.
- Kompaktabb kameraszenzorok az okostelefonokban és a hordható okoseszközökben.
- Nagyobb fényhasznosítási hatásfokú, csökkentett energiafogyasztású mikrokijelzők.
- Kisebb méretű orvosi képalkotó és diagnosztikai eszközök.
A sci-fi eszközöktől a mindennapi hordható technológiáig
Az optikai komponensek fizikai méretének lecsökkentése alapvető feltétele annak, hogy a térelméleti számítástechnika elterjedjen a mindennapokban. A mai fejfedők tömege nagyrészt a súlyos lencserendszerekből és az azokat tartó robusztus vázból adódik. A metalencsék alkalmazásával az optikai modulok tömege a jelenlegi töredékére csökkenhet, ami lehetővé teszi, hogy a kiterjesztett valóságot kínáló eszközök megjelenése közelebb kerüljön egy átlagos dioptriás szemüveg formájához.
Az iparági várakozások szerint a lapos optikai megoldások kereskedelmi elterjedése fokozatosan felgyorsul, mivel a félvezetőipari gyártósorok alkalmasak az ilyen struktúrák előállítására. A POSTECH eredményei bebizonyították, hogy a nanotechnológiás optika nem csupán elméleti lehetőség, hanem az ipari megvalósítás küszöbén álló megoldás.
Források:
