Harvard의 Flat-Surface Metalens로 색수차를 제거하고 가상 현실에 혁명을 일으키다

• 하버드 연구진은 모든 가시광선 스펙트럼을 고해상도의 특정 지점에 집중시킬 수 있는 금속렌즈를 개발했습니다.
• 빛의 모든 파장을 균등하게 집중시켜 색수차를 제거하는 이산화티타늄 나노핀을 사용합니다.
• Metalens는 리소그래피, 현미경, 내시경, 가상 및 혼합 현실 분야의 애플리케이션을 포함하여 새로운 범위의 가능성을 열어줍니다.

Metalens는 나노 구조를 사용하여 빛을 집중시키는 평면 렌즈입니다. 기존의 두꺼운 곡면렌즈를 대체할 수 있는 가능성을 모두 보유하고 있습니다. 그러나 정확하게 초점을 맞출 수 있는 빛의 스펙트럼은 제한적이었습니다.

Harvard John A.Paulson School of Engineering and Applied Sciences의 연구원들은 모든 가시광선 스펙트럼을 고해상도의 특정 장소에 집중시킬 수 있는 새로운 금속렌즈를 개발했습니다. 지금까지는 두 개 이상의 기존 렌즈를 쌓아야만 가능했습니다.

이를 통해 연구원들은 얇은 렌즈를 일반 장치뿐만 아니라 카메라, 증강 및 가상 현실 장치를 포함한 고급 광학 장치에 통합하는 데 한 걸음 더 가까워졌습니다. 하버드 연구원들이 어떻게 이 이정표를 달성했는지 자세히 알아보세요.

장애물

다양한 파장이 재료를 통해 서로 다른 속도로 이동하기 때문에 전체 가시 광선 스펙트럼(흰색 포함)을 한 지점에 집중시키는 것은 매우 어렵습니다. 예를 들어, 파란색 빛은 빨간색 빛보다 느리게 진행되므로 이 두 색상은 서로 다른 시간에 특정 지점에 도달하여 초점이 달라지고 이미지가 왜곡됩니다. 이러한 왜곡을 색수차라고 합니다.

이러한 수차를 조정하기 위해 모든 광학 장치는 두께가 다른 두 개 이상의 곡면 렌즈를 사용하여 기기에 부피를 더합니다.

메탈렌즈와 디자인

메탈렌즈는 기존 렌즈에 비해 몇 가지 장점이 있습니다. 즉, 제작이 쉽고, 얇고, 비용 효율적입니다. 연구팀은 가시광선 전체 스펙트럼에 걸쳐 이러한 장점을 활용했습니다.

새로운 메탈렌즈는 빛의 모든 파장을 균등하게 집중시켜 색수차를 제거하는 이산화티타늄 나노핀을 사용합니다. 이를 위해 연구자들은 나노핀의 너비, 높이, 거리 및 모양을 조정하여 다양한 파장이 특정 지점에 집중될 수 있음을 보여주는 이전 연구에서 몇 가지 아이디어를 얻었습니다.

금속렌즈의 측면도를 보여주는 전자현미경, 스케일 바 – 200nm | 카파소 연구소/하버드 SEAS

새로운 디자인에서는 한 쌍의 나노핀이 서로 다른 파장의 속도와 금속 표면의 굴절률을 동시에 제어합니다. 이는 모든 빛이 동시에 초점에 도달하는 방식으로 서로 다른 핀을 통과하는 파장에 다양한 시간 지연을 제공합니다.

나노구조 소재의 광속도는 두 개의 나노핀을 하나의 요소로 병합하여 조정할 수 있습니다. 무채색 렌즈에 비해 두께는 물론 디자인의 복잡성도 대폭 감소합니다.

구체적으로, 팀은 470~760나노미터에서 회절 제한 무색 포커싱 및 이미징을 시연했습니다. 새로운 메탈렌은 파장 정도의 두께를 갖는 단일 층의 나노구조만을 포함하며 공간 다중화 또는 계단식 배열을 포함하지 않습니다.

동일한 설계 원리가 전자기 스펙트럼의 다른 영역에도 적용될 수 있습니다. 더 큰 직경과 더 큰 개구수로 무색 금속 렌즈를 실현하려면 다양한 크기의 나노핀의 여러 조합이 지원하는 더 넓은 범위의 군지연이 필요합니다. 이는 다양한 분산 기술을 사용하거나 단순히 나노핀의 높이를 높이면 실현될 수 있습니다.

플랫 메탈렌즈 | 이미지 출처:Jared Sisler/Harvard SEAS

이 연구에서 이산화티타늄 나노구조는 약 37펨토초(10~15초)의 그룹 지연에 해당하는 높이가 약 4.5마이크로미터인 것으로 입증되었습니다.

참고자료:자연나노기술 | doi:10.1038/s41565-017-0034-6 | 하버드 SEAS

금속 렌즈의 계단식 레이어는 그룹 지연을 더욱 증가시킬 수 있으며, 이를 통해 넓은 시야 내에서 단색 수차를 교정할 수 있는 자유도가 더 높아집니다. Once는 굴절 구면 렌즈를 사용하여 수차 교정 장치 역할을 하는 금속 렌즈를 병합할 수도 있습니다.

더 큰 렌즈 조리개와 작은 색 초점 거리 이동의 이점을 활용하면서 구면 렌즈의 색수차와 단색 수차를 동시에 교정할 수 있다는 점에서 유망해 보입니다.

다음은 무엇인가요?

하버드는 이미 이 기술을 상업적 수준으로 개발하기 위해 스타트업에 라이선스를 부여했으며 프로젝트의 지적 재산을 보호했습니다.

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현재 연구에서는 렌즈 직경을 1cm로 늘리는 것을 목표로 하고 있으며, 이를 통해 리소그래피, 현미경, 내시경, 가상 및 혼합 현실 분야의 응용 분야를 포함하여 새로운 범위의 가능성을 열 수 있습니다.