KNOXVILLE, TN, 11 janvier 2025 /24-7PressRelease/ -- Un large champ de vision et des optiques légères sont essentiels pour des lunettes avancées, avec des applications en réalité augmentée/virtuelle et en vision nocturne. Les lentilles réfractives conventionnelles sont souvent empilées pour corriger les aberrations à large champ de vision, ce qui entraîne des performances limitées et une augmentation de la taille et du poids. Dans ce nouveau rapport, les auteurs démontrent un oculaire à grand champ de vision (supérieur à 60°) et à grande ouverture (2,1 cm) basé sur des méta-optique.

Parallèlement aux avancées en intelligence artificielle et à la disponibilité généralisée de contenu numérique, la demande pour des affichages proches de l'œil en réalité augmentée / virtuelle (AR / VR) a considérablement augmenté. Il y a un grand intérêt commercial pour le développement de telles technologies pour l'éducation, les jeux et les interactions sociales, et il existe un intérêt perpétuel en matière de défense et de sécurité nationale pour des technologies de vision nocturne améliorées et de vision améliorée. L'œil humain est un système hautement optimisé, ainsi une performance optique exceptionnelle est requise pour faciliter l'interaction entre l'utilisateur et l'affichage proche de l'œil. En même temps, les optiques proches de l'œil doivent être fines et légères pour le confort et la sécurité de l'utilisateur. La demande simultanée pour une performance optique sans compromis et un facteur de forme compact pose un ensemble unique de défis techniques.

En particulier, un large champ de vision est requis dans les affichages proches de l'œil pour faciliter une expérience immersive pour le porteur. Pour référence, le champ de vision complet de la vision humaine est d'environ 120°, ce qui dépasse les performances de la plupart des lentilles grand angle. La solution conventionnelle pour obtenir des optiques à large champ de vision consiste à empiler des lentilles réfractives en série pour corriger les aberrations à de grands angles de champ, ce qui entraîne un système optique volumineux et lourd. Spécialement pour les optiques proches de l'œil, à la fois la taille et le poids sont contraints ; un excès de poids dans un système monté sur la tête entraîne un couple sur le cou et de la fatigue pour l'utilisateur, tandis qu'un espace suffisant entre les optiques et l'œil doit être maintenu pour le confort et la sécurité.

Les méta-optique ont émergé comme une technologie prometteuse pour la miniaturisation et l'amélioration des systèmes d'imagerie pour une variété d'applications, y compris les systèmes d'affichage compact proche de l'œil. Les méta-optique sont constituées d'ensembles quasi-périodiques de piliers sub-longueur d'onde qui impartissent localement un décalage de phase à la lumière, et une opération globale comme la direction ou le lentillage peut être réalisée en disposant ces piliers sur une surface. Grâce aux avancées dans les techniques de lithographie à l'échelle nanométrique, la fabrication de méta-optique à des longueurs d'onde dans l'infrarouge proche et visibles est maintenant régulièrement accomplie. Cependant, l'obtention simultanée d'une grande ouverture (près de 1 pouce) et d'un large champ de vision (supérieur à 60°) pour un oculaire basé sur des méta-optique est une tâche difficile qui n'a pas encore été démontrée. Tout d'abord, la fabrication de méta-optique à grande ouverture pour des applications à longueur d'onde visible présente un défi pratique redoutable en raison de la haute résolution (sub-100 nm) de la lithographie requise sur une grande surface. Deuxièmement, l'obtention simultanée d'un large champ de vision et d'une grande ouverture est fondamentalement difficile car les aberrations varient avec l'ouverture et l'angle d'incidence accru ; par conséquent, un design optique soigneux impliquant plus d'un élément optique est requis.

Dans un nouveau document publié dans Light: Science and Applications, une équipe de chercheurs, dirigée par le professeur Arka Majumdar de l'Université de Washington et le Dr. Tian Gu du Massachusetts Institute of Technology, a conçu et démontré un oculaire à grande ouverture et à large champ de vision basé sur des méta-optique. Les méta-optique sont conçues en tenant compte des contraintes réalistes d'une ouverture suffisamment grande (2,1 cm), d'une taille de pupille (5,4 mm) et d'un dégagement oculaire (15 mm). Pour obtenir simultanément une grande ouverture et un large champ de vision, la conception utilise un système doublet constitué de deux couches de méta-optique. Dans ce système, la première optique agit à la fois comme une ouverture et une plaque correctrice, et la deuxième optique agit comme une lentille de mise au point. Ensemble, les deux couches de méta-optique sont utilisées pour démontrer une imagerie de haute qualité jusqu'à 60° de champ de vision complet. Dans une approche pas à pas, les auteurs démontrent d'abord les performances optiques dans un prototype à ouverture de 1 cm, puis passent à l'oculaire complet de 2,1 cm d'ouverture. Il y a une excellente concordance expérimentale avec le modèle théorique pour les deux ensembles d’optique. En outre, par rapport à un système d'oculaire à lentille réfractive similaire commercialement disponible, le système de méta-optique est supérieur en termes d'amélioration de la qualité d'image sur un large champ de vision à la longueur d'onde de conception et de réduction de la longueur totale de parcours.

En plus du défi de corriger les distorsions optiques et les aberrations dans les optiques à grande ouverture, ce travail aborde également le défi pratique de fabriquer des méta-optique à grande surface dans les longueurs d'onde visibles. Pour obtenir une résolution sub-longueur d'onde, les méta-optique visibles nécessitent une résolution de lithographie de l'ordre de 100 nm ou moins. La lithographie par faisceau d'électrons est l'une des techniques de nanofabrication à la plus haute résolution ; cependant, la technique est coûteuse et difficile à mettre à l'échelle, rendant son utilisation inappropriée pour des applications commerciales. Pour progresser vers l'objectif de réaliser des méta-optique à grande ouverture avec des techniques de fabrication commercialement viables, ce travail présente également une version du doublet d'oculaire de 2 cm compatible avec la lithographie par steppers en ultraviolet profond (DUV) propice à la production de masse.

Ce travail représente des résultats prometteurs pour l'intégration des méta-optique dans des systèmes d'affichage proche de l'œil à grande échelle, y compris l'AR/VR et la vision nocturne. Nous notons cependant que ce doublet de méta-optique est conçu pour une illumination à longueur d'onde unique à 633 nm. Cela le rend immédiatement adapté à des applications monochromatiques telles que la vision nocturne, tandis que d'autres travaux sont nécessaires pour étendre vers des applications nécessitant une couleur complète. Néanmoins, ce travail fait progresser l'état de l'art dans la conception de méta-optique et les techniques de nanofabrication. Avec l'intérêt croissant pour les technologies AR / VR et une demande perpétuelle pour des technologies de vision nocturne améliorées avec un facteur de forme compact, nous envisageons que les méta-optique joueront un rôle important dans le développement de ces technologies.

Références
DOI
10.1038/s41377-024-01674-0

URL de la source originale
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01674-0

Informations de financement
Le financement de ce travail a été soutenu par le programme DARPA-ENVision.
Une partie de ce travail a été réalisée au Washington Nanofabrication Facility / Molecular Analysis Facility, un site National Nanotechnology Coordinated Infrastructure (NNCI) à l'Université de Washington avec un soutien partiel de la National Science Foundation via les prix NNCI-1542101 et NNCI-2025489. Une partie de ce travail a été effectuée dans le UCSB Nanofabrication Facility, un laboratoire d'accès ouvert.

À propos de Light: Science & Applications
Le Light: Science & Applications publiera principalement de nouveaux résultats de recherche sur des sujets de pointe et émergents en optique et photonique, ainsi que des sujets traditionnels en ingénierie optique. Le journal publiera des articles originaux et des revues qui sont de haute qualité, d'un grand intérêt et ayant des conséquences largement visibles.

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