Una nueva forma de fabricar gafas de realidad aumentada (AR/VR) ha sido posible gracias a los trabajos de un grupo de físicos del Instituto de Óptica de la Universidad de Rochester, en Nueva York, que han utilizado un elemento óptico nanofotónico. No solo son compactas y fáciles de utilizar, aseguran, sino que también disponen de ópticas de alta calidad sin parecerse a los ojos de insecto.
En su trabajo, publicado en Science Advances, describen la impresión de la óptica de forma libre con un elemento óptico nanofotónico denominado metasuperficie.
Las metasuperficies son estructuras periódicas que presentan un gran potencial en aplicaciones como filtros de frecuencias, especialmente en el diseño de antenas, permitiendo absorber la banda de interés y reflejando las demás.
Se trata de un bosque de diminutas estructuras plateadas a nanoescala, en una delgada película metálica que se adapta, gracias a esta innovación, a la forma libre de la óptica, realizando un nuevo componente óptico que los investigadores denominan metaforma.
Como explican, la metaforma es capaz de desafiar las leyes convencionales de la reflexión, recogiendo los rayos de luz visible que se dirigen a un dispositivo AR/VR desde todas las direcciones y redirigiéndolos directamente al ojo humano.
El profesor Nick Vamivakas, experto en 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 comenzaron a oscilar, irradiando una nueva luz que entrega la imagen que queremos, corriente abajo”, recuerda.
Por su parte, la profesora Jannick Rolland señala que “las metauperficies también se denominan ópticas planas, por lo que escribir metasuperficies en la óptica de forma libre crea un tipo completamente nuevo de componente óptico”.
Por qué la óptica libre no es suficiente
En opinión de esta acreditada especialista, “este tipo de componente óptico se puede aplicar a cualquier espejo o lente, por lo que ya encontramos aplicaciones en otro tipo de componentes como sensores y cámaras móviles”.
Jannick Rolland, directora del Centro de óptica libre de la Universidad de Rochester y considerada como una de las mayores expertas en su especialidad, investiga en los campos de la instrumentación óptica y la ingeniería de sistemas: diseño de sistemas ópticos para imágenes y ópticas sin imágenes, con un enfoque actual en la óptica de forma libre, el modelado basado en la física y la evaluación de la calidad de la imagen.
Estas áreas se han aplicado a pantallas de gafas para realidad aumentada, imágenes de coherencia óptica, modelado y simulación biomédica y médica, y alineación de sistemas ópticos.
Paralelamente, trabaja en las innovaciones de ingeniería óptica en relación con la imagen y la visualización, en una amplia gama de aplicaciones de conducción.
La primera demostración requirió muchos años para completarse. El objetivo es dirigir la luz visible que se proyecta en las gafas AR/VR hacia el ojo. El nuevo dispositivo utiliza un combinador óptico de espacio libre. Sin embargo, cuando este ingenio es parte de una óptica de forma libre que se curva alrededor de la cabeza para ajustarse al formato de una gafa, no toda la luz se dirige al ojo. La óptica de forma libre por sí sola no puede resolver este desafío.
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 interactúan ambas con la luz y aprovechar esto para obtener una buena imagen fue un gran desafío”, subraya Daniel Nikolov, ingeniero óptico del grupo de investigación de la profesora Rolland.
El reto de la fabricación de gafas de realidad aumentada
Otro obstáculo fue el puente de macroescala a nanoescala. El dispositivo de enfoque real mide aproximadamente 2,5 milímetros de ancho. Pero incluso eso es unas 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 -matiza Nikolov-, eso significaba cambiar la forma de la lente de forma libre y distribuir las nanoestructuras en la lente de manera que las dos funcionen en sinergia, por lo que se obtiene un dispositivo óptico con un buen rendimiento óptico”.
Así las cosas, otro ingeniero óptico, Aaron Bauer, encontró una manera de eludir la incapacidad de especificar directamente metasuperficies en el software de diseño óptico. De hecho, utilizaron diferentes programas de software para lograr un dispositivo de metaforma integrado.
“La fabricación fue angustiosa”, recuerda 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.
Posteriormente, programaron el mapa 3D en la máquina JEOL para especificar a qué altura se necesitaba fabricar cada una de las nanoestructuras.
La profesora Rolland concluye: “Es un sueño hecho realidad. Requirió un trabajo en equipo integrado en la que cada contribución fue fundamental para el éxito del proyecto”.
