Учёные из Университета Колумбия, Нью-Йорк, США, разработали метаматериал, работающий как линза для определённых узких областей спектра и как плоское прозрачное стекло без рисунка и рельефа для видимого света в остальной части спектра.
При изготовлении AR-очков производителям приходится мириться с компромиссом между качеством и яркостью, с одной стороны, «внешней сцены», т.е. той части окружающей действительности, которую пользователь наблюдает через стекло очков, и, с другой стороны, качеством и яркостью вписываемой в этот реальный контекст информации, визуализируемой очками. Ранние решения использовали множество громоздких оптических компонентов, частично отражающих и частично пропускающих свет, чтобы смешивать сцену реального мира и визуализируемую, в результате изображение обеих сцен было затемнённым и искажённым.
Более поздние модели AR-очков оснащены дифракционными решётками — с периодом, позволяющим отражать визуализируемую информацию от минипроектора, направляя её к глазу зрителя, но пропускать свет извне. Однако эти очки по-прежнему затемняют и искажают внешнюю сцену, т.к. свет, приходящий извне, неизбежно рассеивается решётками. Искажения усиливаются, когда для обработки нескольких различных цветов минипроектора необходимо использовать несколько наборов перекрывающихся решёток.
Стекло AR-дисплея должно быть практически полностью прозрачным почти для всего видимого спектра, позволяя видеть внешний мир без искажений, и — одновременно — функционировать как высокоэффективная линза, фокусирующая свет от минипроектора на глазе пользователя таким образом, чтобы в восприятии последнего возникала чёткая, качественно визуализированная сцена, вписанная в контекст реального мира.
Работая над этой проблемой, исследователи из Школы инженерных и прикладных наук Университета Колумбия (Columbia Engineering) изобрели стекло, которое может поспособствовать её решению. Под руководством адъюнкт-профессора физики и прикладной математики Наньфана Ю (Nanfang Yu) учёные создали плоское оптическое устройство, фокусирующее свет только нескольких выбранных узкополосных цветов и остающееся прозрачным для света в подавляющей части спектра.
«Мы создали очень крутое плоское оптическое устройство, которое кажется полностью прозрачным — как простой кусок стекла, — пока вы не направите на него луч света с нужной длиной волны, тогда устройство внезапно превращается в линзу, — рассказывает Ю. — Для меня это оптическая магия».
Группа Ю разрабатывает плоские оптические устройства на основе метаповерхностей, составленных из двумерных наноструктур, известных как оптические антенны. Различные метаповерхности могут рассеивать свет с очень конкретными характеристиками волны, включающими амплитуду, фазу или поляризацию, что позволяет формировать материалы с изменяющимся оптическим откликом и с их помощью чрезвычайно гибко управлять светом. Благодаря этим свойствам метаповерхностей можно в компактных плоских предметах реализовать функциональные возможности, требующие обычно объёмных компонентов и/или устройств гораздо большей площади: фокусировку, управление световыми лучами, переключение оптических сигналов на интегрированных фотонных чипах.
В частности, группе удалось создать «нелокальные метаповерхности», способные различными способами манипулировать светом различных целевых длин волны, оставляя свет нецелевых длин волны незатронутым. С помощью этой метаповерхности исследователи осуществляли как пространственный, так и спектральный контроль света, выбирая цвет и фокусируя свет не только одной длины волны, но и независимо нескольких различных.
Например, одно разработанное оптическое устройство функционирует как сходящаяся линза, фокусирующая свет, на одном цвете, и как вогнутая линза, которая рассеивает свет, на втором цвете, оставаясь при этом прозрачной, как плоский кусок стекла, при освещении светом в цветах остальной части спектра.
Селективные по длине волны формирующие волновой фронт «нелокальные» метаповерхности, умеющие отражать визуализируемую информацию, обеспечивая при этом беспрепятственный незатемнённый широкополосный обзор реального мира, представляют собой многообещающее решение для технологий дополненной реальности, включая, например, дисплеи на лобовом стекле автомобилей.
