Samsung vyvinul přelomovou achromatickou metačočku ve spolupráci s korejskou univerzitou POSTECH

Převratný vynález může výrazně snížit velikost a hmotnost objektivů
V kombinaci s holografickými displeji dokážou achromatické metačočky produkovat obraz ve vysokém rozlišení, který méně namáhá oči, což se dá v budoucnosti využít v displejích

Společnost Samsung Electronics dnes oznámila, že ve spolupráci s korejskou univerzitou Pohang University of Science and Technology (POSTECH) publikovala v renomovaném odborném časopise Nature Materials vědecký článek s podrobnými informacemi o vývoji inovativních achromatických metačoček.

Článek s názvem Roll-to-plate printable RGB-achromatic metalens for wide-field-of-view holographic near-eye displays (Tisknutelné RGB-achromatické metačočky z role na desku pro holografické displeje s širokým zorným polem v blízkosti očí) shrnuje výsledky výzkumu, který uspořádal společný vědecký tým Samsungu a POSTECH. V rámci výzkumu vznikly achromatické metačočky bez barevných zkreslení, které v kombinaci s holografickými displeji eliminují různé typy chromatických aberací. Na základě této inovace lze vyvíjet kompaktní, a přitom vysoce kvalitní holografická nositelná zařízení s technologií prodloužené reality (XR), případně různé aplikace pro fotoaparáty a senzory.

Výzkum vedli dr. Seokil Moon ze Samsung Research a profesor Junsuk Rho z POSTECH, dalšími spoluautory článku jsou Minseok Choi, Joohoon Kim a Kilsoo Shin z POSTECH.

Jak potlačit chromatickou aberaci a vyvinout kompaktní achromatickou metačočku

Metačočka je plochá čočka z nanomateriálů schopných čelit difrakci světla. Konstrukce metačoček umožňuje výrazně nižší velikost i tloušťku v porovnání běžnými konvexními optickými čočkami¹. Proto se metačočky považují za optické komponenty příští generace pro použití v displejích a fotoaparátech. Za jejich vývojem stojí více než desetiletý výzkum.

Navzdory těmto výhodám dochází u metačoček k technickým problémům při vývoji jednotlivých produktů. Důvodem je vážná chromatická aberace² vedoucí k výraznému zhoršení obrazové kvality.

Při předchozích pokusech o eliminaci chromatické aberace u metačoček vývojáři navrhovali jednotlivé metastruktury pro každou metačočku zvlášť a následně je sestavovali na substrátu. Ve fázi návrhu tím pádem ovšem nešlo brát dostatečně v úvahu vzájemné působení jednotlivých struktur a chromatickou aberaci tak nešlo ve výsledné čočce eliminovat úplně.

Výzkumný tým Samsungu a POSTECH problém s chromatickou aberací vyřešil změnou konvenčního způsobu navrhování metačoček. Již v první fázi návrhu se tu se vzájemným působením jednotlivých metastruktur počítalo a vývojáři je konstruovali souběžně, což ve výsledku chromatickou aberaci zcela eliminovalo.

Kromě odstranění chromatické aberace se u metačoček vyvinutým zmíněným týmem podařilo zkrátit ohniskovou vzdálenost, což znamená nižší rozměry i hmotnost čočky³.

Vyšší rozlišení a menší námaha očí s jedinou čočkou

Metačočky obecně trpí i jinými optickými aberacemi, nejen tou chromatickou. Čím větší zobrazovací plocha, tím výraznější je i zkreslení. Tyhle problémy se obvykle řeší kombinací různých čoček neboli optických členů. Výzkumný tým Samsungu a POSTECH ovšem dokázal nejrůznější aberace eliminovat pomocí jediné achromatické metačočky v kombinaci s holografickým displejem – výsledkem byl širší úhel záběru a kvalitní obraz bez zkreslení.

Prostřednictvím technické validace navíc výzkumný tým prokázal, že při nahrazení konvenčních optických členů a displejů achromatickými metačočkami a holografickými displeji lze získat kompaktní a lehké zařízení pro virtuální obraz, který méně namáhá oči⁴.

Očekává se, že výsledky výzkumu bude možné použít v nejrůznějších multimediálních zařízeních, mj. v přístrojích s prodlouženou realitou (XR). Kromě toho najdou nové poznatky uplatnění v různých optických systémech, např. v displejích, fotoaparátech, kamerách a senzorech, protože přinášejí vyšší kvalitu a umožňují snížit rozměry.

Prostřednictvím spolupráce s akademickou institucí se Samsungu podařilo celý proces od inovativního konceptu až po implementaci validovat a potvrdit tak potenciál pokročilých optických systémů budoucnosti. Tímto způsobem vznikají zobrazovací technologie příští generace.

Samsung i nadále pokračuje ve vědecké a výzkumné činnosti s cílem objevovat převratné technologie, které utvářejí budoucnost. K tomu je zapotřebí vedle dalších iniciativ i neustálá spolupráce s akademickými institucemi.

[1] Konvexní čočka mívá obvykle tloušťku několik milimetrů, někdy i víc než centimetr. Metačočky jsou podstatně tenčí, většinou méně než 0,5 mm.

[2] Chromatická aberace je jev, k němuž dochází, když objektiv nedokáže zaostřit různé vlnové délky barev do jedné roviny. Na fotografiích se projevuje se barevnými okraji na přechodech mezi jasy a stíny.

[3] V porovnání s předchozími návrhy achromatických metačoček jsou výsledkem tohoto výzkumu metačočky 3-5x větší, při zachování stejné ostřící vzdálenosti a světelnosti.

[4] Po korekci chromatické aberace pomocí holografického zobrazení se obrazová kvalita zvýší o 13 %. K měření obrazové kvality se používá obvyklá metoda detekce odstupu signálu od šumu (PSNR).