Nieuwe lenstechniek moet AR- en VR-brillen dunner en scherper maken

Onderzoekers van de Zuid-Koreaanse universiteit POSTECH hebben twee obstakels weggenomen die metalenzen tot nu toe in de weg stonden bij de ontwikkeling van dunnere AR- en VR-brillen. Ze losten zowel het probleem van kleurvervaging als dat van goedkope massaproductie op, blijkt uit twee publicaties in Nature Communications.

Eén platte lens in plaats van een stapel glas

Een metalens is een extreem dun stukje glas of kunststof, bedekt met miljoenen piepkleine zuiltjes die elk kleiner zijn dan de golflengte van licht. Samen buigen die zuiltjes, ook wel meta-atomen genoemd, het licht precies zoals een normale lens dat doet – maar dan in een enkele platte laag in plaats van een stapel van meerdere glazen lenzen. Dat maakt metalenzen aantrekkelijk voor brillen die licht en compact moeten blijven, zoals AR- en VR-headsets.

Het grote probleem was altijd kleur: rood, groen en blauw licht breken elk net iets anders, waardoor een scherp beeld op één brandpunt lastig te maken is met goedkope materialen die een lage brekingsindex hebben. Het team loste dit op door niet alleen de breedte, maar ook de hoogte van de nanozuiltjes te variëren. Net als gebouwen met dezelfde voetafdruk maar een ander aantal verdiepingen een andere skyline vormen, buigen zuiltjes met verschillende hoogtes het licht net anders. Door voor elk punt op de lens de juiste hoogte te kiezen, konden de onderzoekers rood, groen en blauw licht alsnog op hetzelfde brandpunt laten samenkomen.

Van 3D-print naar massaproductie

In de eerste studie bouwden de onderzoekers de driedimensionale nanozuiltjes rechtstreeks met tweefotonlithografie, een uiterst precieze 3D-printtechniek. Met een computermodel van duizenden mogelijke zuilvormen kozen ze via inverse ontwerp automatisch de beste structuur voor elke positie op de lens. Toen ze de resulterende metalens combineerden met een micro-oled-scherm voor near-eye displays, ontstonden scherpe, volledig gekleurde beelden op het netvlies.

Voor echte producten is 3D-printen echter te traag en te duur. In de tweede studie ontwikkelde het team daarom een goedkopere route: met grijswaarde-elektronenbundellithografie maakten ze een mal met daarin de hoogte-informatie verwerkt. Die mal werd vervolgens met nanoimprint-lithografie – een soort stempelproces – herhaaldelijk afgedrukt in hars, zodat complexe driedimensionale structuren met verschillende hoogtes in serie konden worden gekopieerd. Dat is een belangrijke stap, omdat gangbare stempeltechnieken doorgaans alleen patronen met een gelijke hoogte kunnen produceren.

Betaalbare brillen, scherpere schermen

Beide onderzoeken pakken hetzelfde probleem vanuit een andere hoek aan: hoe combineer je goedkope, laagbrekende materialen met scherpe, kleurechte beeldvorming op schaal. Volgens onderzoeksleider Junsuk Rho tonen de studies aan dat fabricagetechnieken nu ver genoeg zijn om metalenzen voor AR- en VR-brillen industrieel te produceren. Hij verwacht dat de technologie ook bruikbaar is voor lichtere en dunnere brillen, nieuwe generaties schermen, camerasystemen en optische sensoren. Voordat metalenzen in consumentenbrillen verschijnen, moeten fabrikanten nog aantonen dat de productieprocessen op grote schaal betrouwbaar en betaalbaar zijn.