“外卷”超透镜如何看见AR/VR的星辰大海

攻克超透镜设计挑战

为了解决超透镜手动设计方法的局限性，全世界都在努力开发具有逆向设计功能的自动化流程。研究团队纷纷推出自己针对级联超表面和大型超透镜应用的逆向设计算法。但学术界开发的算法通常供内部用于具体的应用。因此，当务之急是开发出一款易于使用的工业设计工具来实现超透镜设计自动化，让各种专业水平的开发者都能快速轻松地设计超透镜系统。为了满足这一需求，新思科技开发了MetaOptic Designer——首个具有逆向设计功能的全自动超透镜商业设计工具。其优化算法采用著名的伴随法，可以轻松处理上数百万个设计变量。MetaOptic Designer的前向传播采用高效的傅里叶变换法，也称为角谱法，其在均匀介质中非常精确。每个超原子的传递函数都由一个参数化的双向散射分布函数（BSDF）数据库表征，该数据库则由开发者使用新思科技产品FullWAVE™ FDTD或DiffractMOD™ RCWA通过时域有限差分法（FDTD）或严格耦合波分析法（RCWA）构建而成。对大多数超原子而言，在精度差不多的情况下，RCWA可以比FDTD快100倍左右。如图2所示，MetaOptic Designer会根据预期目标优化超透镜系统，使其达到最佳性能，开发者只需输入少量信息即可。

设计实例：消色差超透镜

为成像系统设计消色差超透镜是许多研究人员一直在关注的一项难题。已知的一些设计都是操作相位和色散分布，而这些操作需要开发者具备丰富的设计知识。MetaOptic Designer简化了该设计任务，开发者只需指定输入和期望目标即可。MetaOptic Designer会在指定的公差范围内返回一个优化的解决方案。

设计实例：大视场超透镜

大视场超透镜是另一个富有挑战性的超透镜设计应用。开发者需要具备大量的设计专业知识，才能确保超透镜在大视场上发挥作用。MetaOptic Designer让这个过程变得容易很多。在6核笔记本电脑上，开发者指定与入射角相对应的焦点位置后，该工具会在大约1分钟内生成优化的布局。

设计实例：偏振分束器

正如前面的例子所示，使用多个设计变量可以提供额外的自由度来实现所需的性能。通过改变纳米鳍片的宽度和长度，除了相位延迟外，超原子还能产生双折射效果。通过优化整个超表面上纳米鳍片的宽度和长度，超透镜可以分出两个正交偏振光，并将它们聚焦在不同的位置，如图6所示。箭头的大小和方向分别表示各自所在位置的场强度和偏振方向。

设计实例：全息显示屏

正如前面的例子所示，使用多个设计变量可以提供额外的自由度来实现所需的性能。通过改变纳米鳍片的宽度和长度，除了相位延迟外，超原子还能产生双折射效果。通过优化整个超表面上纳米鳍片的宽度和长度，超透镜可以分出两个正交偏振光，并将它们聚焦在不同的位置，如图6所示。箭头的大小和方向分别表示各自所在位置的场强度和偏振方向。

设计实例：超透镜与折射镜相结合

目前，很难在光学系统中用超透镜完全取代折射镜。将这两者相结合不失为一个好办法，而且这个设计已经实现，比如在三星公布的手机摄像头镜头和LG公布的自动驾驶汽车摄像头镜头中。因此，开发者需要一个设计工具来处理同时包含超透镜和折射镜的混合光学系统。开发这样的混合工具非常具有挑战性，因为厚重的折射镜是通过基于几何光学的光线追迹来设计的，而纳米级超透镜是通过基于电磁光学的严格电磁求解器来建模的。

新思科技拥有领先的几何光学和波动光学设计工具，并开发了一项独特的专有技术，该技术可在这两个光学领域之间实现无缝对接，从而助力开发者设计出超透镜与折射镜相结合的光学系统。在CODE V中设计的折射镜可以直接加载到MetaOptic Designer中，并且开发者可以在混合透镜系统中继续优化超透镜。

结语

总之，超透镜作为一项创新技术正在以惊人速度改变我们对镜头的认知和期待。新思科技开发的MetaOptic Designer是业界首个具有逆向设计功能的全自动超透镜设计工具。凭借内置智能功能，它可以加快并简化超透镜的设计工作，不仅提高生产力、降低设计成本，还缩短产品上市时间。这将促进“轻盈小巧”的AR/VR设备早日实现，并给用户带来接近完美沉浸式交互体验，同时也将继续推动该领域向前发展。